Transductor d’hidròfon i ultrasons de baix cost: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Voleu gravar dofins o balenes parlant? O construir un sistema de comunicació acústica submarí? D’acord, t’ensenyarem com fer.

Comencem pel principal: antena. Si a la vida quotidiana utilitzem altaveus (com ara al portàtil o al cotxe) per a l’emissió de so i un micròfon per a la gravació de so, m’afanyo a complaure-vos: la transmissió de so sota l’aigua (diem “radiació”) i la gravació de so són sovint realitzats per el mateix dispositiu, que s’anomena antena acústica (hidroacústica) submarina, o hidròfon (si es tracta d’un dispositiu només receptor), o transductor si funciona en totes dues direccions.

En la immensa majoria dels casos, una antena hidroacústica consisteix en un o diversos elements piezoelèctrics: plaques, discos, anells, tubs, esferes, hemisferis, etc.

Els elements piezoelèctrics tenen l’anomenat efecte piezoelèctric. Si s'aplica un senyal elèctric altern a un element, l'element comença a oscil·lar i, si l'element oscil·la, per exemple, mitjançant una ona acústica, llavors es comença a generar un senyal elèctric alternatiu.

Per tant, l’element piezoelèctric converteix un senyal elèctric en ones acústiques (vibracions mecàniques) i viceversa, les ones acústiques en un senyal elèctric.

Com diu la dita: la teoria sense pràctica ha mort! No perdem el temps i fem un parell d’antenes hidroacústiques.

Pas 1: llista de materials

Materials que necessitem:

• un parell de brunzidors piezoelèctrics Ф35mm (hem comprat 10 peces per 1,5 dòlars a Aliexpress)
• una peça de 10 metres de cable RG-174
• dos connectors estèreo de 3,5 mm
• placa de coure / llautó / inoxidable de 50x100 mm d'ample de 1-2 mm de gruix
• cola epoxi
• segellador de silicona (no acètic)
• soldadura i flux
• alcohol per desgreixar
• dues resistències amb valors nominals de ~ 100Ω i 470-1000 kΩ (hem pres 0,25 W MF25)
• dos díodes 1N4934
• fil de niló

Instruments:

• trepant i trepants de mm3mm i 2,5 mm (per foradar placa de coure)
• serra mecànica o dremel (per tallar una placa de coure)
• paper de vidre granulat 200-600 (per netejar la placa de coure)
• ganivet, talladors de filferro (per treure cables)
• soldador o estació de reelaboració de PCB
• espàtula dental per anivellar el segellador

Pas 2: Circuit molt fàcil

No és una bona idea connectar directament un element piezo a una targeta de so, un ordinador portàtil o una tauleta.

En primer lloc, l'element piezoelèctric pot acumular una càrrega prou gran que pot danyar l'electrònica quan es connecta.

En segon lloc, quan es connecta a una línia o entrada de micròfon d’una targeta de so, cal protegir la cascada d’entrada de la targeta de so.

Per tal d'evitar que l'antena no connectada s'acumuli de càrrega, posem una resistència de 0,5-1 MΩ (R1) en paral·lel.

A l'antena receptora per limitar la tensió màxima podeu muntar el limitador de llindar més senzill dels díodes D1, D2 i la resistència 100Ω (R2). Com a díodes, hem utilitzat 1N4934 i com a resistències R1, R2 hem pres MF25 (R1 470 kOhm).

Tingueu en compte que, si teniu previst connectar l’antena receptora a l’entrada de micròfon (i no a la línia), necessitareu addicionalment un condensador C1 amb un valor nominal de 0,1.. 1 uF, en cas contrari, la potència subministrada per la targeta de so al micròfon electret quedarà curtcircuitat a través del díode D1.

Pas 3: Disseny de l'antena

Els elements piezoelèctrics mateixos s’han d’enganxar a plaques metàl·liques amb epoxi. Baixarà la freqüència de ressonància de l’element piezoelèctric (a mesura que s’afegeix la massa no suspesa).

A més, en estar enganxat per un costat a una placa metàl·lica rígida, l’element piezoelèctric no es podrà contraure i estirar i s’haurà de doblegar. Això és el que necessitem.

• Vam tallar dues plaques quadrades de 50 x 50 mm i forats per al cable (3 mm de diàmetre) i dos forats per subjectar el cable amb un fil de niló prim, va resultar com a la foto
• Les antenes van obtenir dues peces de 3 metres del cable de 10 metres comprat, la resta es va deixar en reserva
• Enrotllem el cable al forat, soldem el seu nucli central a la capa de metal·lització de l’element piezoelèctric i la pantalla a la seva base metàl·lica. En paral·lel, tal com es va acordar, vam soldar una resistència de 470 kΩ.
• Netegem l’altre extrem del cable i muntem el connector: soldem el nucli central al contacte central (la punta mateixa del connector), deixem el mig intacte i soldem el cos del connector a la capa del cable.

Sempre m’oblido de posar el cos del connector al cable i he de tornar a soldar-ho tot dues vegades. No repetiu el meu error).

Després de soldar, és molt important netejar el flux, sobretot en l'element piezoelèctric. En cas contrari, amb el temps el flux menjarà la soldadura.

Per tant, hem preparat dues antenes (una d’elles té un limitador de llindars). Ara és el moment de pastar l’epoxi i portar guants de làtex.

Pas 4: Enganxar

Abans d’enganxar els elements piezoelèctrics a les plaques de coure, s’haurien de polir i desgreixar amb alcohol (etil o isopropil) o acetona.

No utilitzeu res més! La gasolina o el querosè deixen restes greixoses que perjudiquen l’adherència.

Val la pena recordar que tots els treballs amb alcohols, acetona i epoxi s’han de realitzar en una habitació ben ventilada amb les mans i els ulls protegits. No descuideu les normes de seguretat.

Saturem el fil de niló que subjecta el cable a la placa. Per enganxar l’element piezoelèctric a la placa, utilitzeu només una mica de cola epoxi. No us en excediu! L'epoxi no hauria d'arribar al cim, en cas contrari, pot destruir una fina capa de piezoceràmica durant la polimerització, a més de que l'epoxi es deteriora a l'aigua.

El resultat hauria de ser semblant a les fotos. Normalment, l’epoxi es polimeritza completament en 24 hores. Nosaltres, per exemple, vam deixar les antenes fins l'endemà.

Pas 5: Impermeabilització

Quan vam arribar al laboratori al matí, vam connectar la primera antena (sense limitador de llindar) a la presa d’auriculars de l’ordinador portàtil. Si activeu la música i porteu l’antena a l’orella, podeu assegurar-vos que, com a mínim, el rang de freqüència sonora es reprodueixi força bé. Fins i tot hi ha un toc de baix, fruit de la base de coure.

Per tant, ara tenim una antena transmissora acústica, però encara no una hidroacústica. Per solucionar-ho, hauríem de tornar a desgreixar l’antena i tapar-la amb una fina capa de segellador.

Nota important: No utilitzeu segellador sanitari que contingui acetat. L’àcid acètic que conté corrodirà les juntes de soldadura, el cable i la metal·lització de l’element piezoelèctric.

Recomanem goma líquida Kim Tek per a embarcacions i iots. Els fabricants de bricolatge dels Estats Units poden utilitzar els excel·lents compostos de poliuretà de la companyia Smooth-On en lloc de segellar.

Per a la nostra comoditat, primer omplim la xeringa d’un sol ús mèdica amb segellant i després l’apliquem a l’element piezoelèctric i a les juntes de soldadura.

Després d’aplicar el segellant, l’anivellem amb una espàtula dental o amb el que sigui convenient (fins i tot amb un dit). Al final, ho vam aconseguir com a la imatge.

No heu de fer una capa de segellador massa gruixuda, ja que l’antena perdrà sensibilitat. Una capa d’1 mm és absolutament suficient. Protegiu acuradament les juntes de soldadura, les resistències i els díodes amb segellador.

Podeu tapar la part posterior de la placa amb un segellador: ho vam fer en una antena.

Si acosteu les resistències i els díodes més a prop del cable, l’element piezoelèctric serà molt més còmode per untar amb segellador i la capa serà més llisa.

Després de finalitzar aquest tipus de treball d’escultor, tornem a deixar les antenes durant 24 hores …

I felicitats! Ara teniu dos hidròfons!

Pas 6: publicar Scriptum

Ara podeu comprovar que tan bones són les antenes de nova construcció connectant-les directament al portàtil, la tauleta o el telèfon.

Malauradament, no tots els dispositius són compatibles amb una acústica submarina. La majoria de totes les targetes de so modernes tenen filtres de pas baix a l’entrada de micròfon, que redueixen tot el contingut per sobre de 15 kHz. Però alguns dels portàtils no tenen aquests filtres.

Aquests hidròfons i transductors que hem construït són només un començament: tenim previst publicar una sèrie d’instruccions sobre comunicació i navegació acústica submarina, si us plau, feu-nos-ho saber.