Idrofono e trasduttore a ultrasuoni a basso costo: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Vuoi registrare delfini o balene che parlano? O costruire un sistema di comunicazione acustica subacqueo? Ok, ti insegneremo "come fare".

Cominciamo con la cosa principale: l'antenna. Se nella vita di tutti i giorni usiamo altoparlanti (come nel tuo laptop o in auto) per l'emissione del suono e un microfono per la registrazione del suono, allora mi affretto a farti piacere: la trasmissione del suono sott'acqua (diciamo "radiazioni") e la registrazione del suono sono spesso eseguite da lo stesso dispositivo, che viene chiamato antenna acustica subacquea (idroacustica), o idrofono (se è un dispositivo di sola ricezione), o trasduttore se funziona in entrambe le direzioni.

Nella stragrande maggioranza dei casi, un'antenna idroacustica è costituita da uno o più elementi piezoelettrici: piastre, dischi, anelli, tubi, sfere, emisferi, ecc.

Gli elementi piezoelettrici hanno il cosiddetto effetto piezoelettrico. Se ad un elemento viene applicato un segnale elettrico alternato, l'elemento inizia ad oscillare, e se l'elemento oscilla, ad esempio, mediante un'onda acustica, allora su di esso inizia a generarsi un segnale elettrico alternato.

Pertanto, l'elemento piezoelettrico converte un segnale elettrico in onde acustiche (vibrazioni meccaniche) e viceversa - onde acustiche in un segnale elettrico.

Come dice il proverbio: la teoria senza la pratica è morta! Non perdiamo tempo e facciamo un paio di antenne idroacustiche.

Passaggio 1: Distinta base

Materiali di cui abbiamo bisogno:

• un paio di cicalini piezo Ф35mm (abbiamo comprato 10 pezzi per $ 1,5 su Aliexpress)
• un pezzo di cavo RG-174 da 10 metri
• due connettori stereo jack da 3,5 mm
• rame / ottone / inox piatto 50x100 mm di larghezza 1-2 mm di spessore
• colla epossidica
• sigillante siliconico (non acetico)
• saldatura e flusso
• alcool per sgrassare
• due resistori qualsiasi con valori nominali ~100Ω e 470-1000 kΩ (abbiamo preso 0,25 W MF25)
• due diodi 1N4934
• filo di nylon

Strumenti:

• trapano e trapani Ф3mm e 2,5 mm (per forare lastra di rame)
• seghetto o dremel (per tagliare una lastra di rame)
• carta vetrata grana 200-600 (per pulire la lastra di rame)
• coltello, tronchesi (per spellare i fili)
• saldatore o stazione di rilavorazione PCB
• spatola dentale per sigillante livellante

Passaggio 2: circuiti molto semplici

Non è una buona idea collegare direttamente un elemento piezoelettrico a una scheda audio, laptop o tablet.

In primo luogo, l'elemento piezoelettrico può accumulare una carica sufficientemente grande da danneggiare l'elettronica una volta collegata.

In secondo luogo, quando si è collegati a un ingresso di linea o microfono di una scheda audio, è necessario proteggere la cascata di ingressi della scheda audio.

Per evitare che l'antenna non collegata si accumuli, mettiamo in parallelo un resistore di 0,5-1 MΩ (R1).

Nell'antenna ricevente per limitare la tensione massima è possibile montare il più semplice limitatore di soglia dai diodi D1, D2 e dal resistore 100Ω (R2). Come diodi, abbiamo usato 1N4934 e come resistori R1, R2 abbiamo preso MF25 (R1 470 kOhm).

Si noti che se si prevede di collegare l'antenna ricevente all'ingresso del microfono (e non a quello di linea), sarà inoltre necessario un condensatore C1 con un valore nominale di 0,1.. 1 uF, altrimenti l'alimentazione fornita dalla scheda audio al microfono elettrete sarà cortocircuitato attraverso il diodo D1.

Passaggio 3: progettazione dell'antenna

Gli stessi elementi piezoelettrici devono essere incollati su piastre metalliche con resina epossidica. Abbasserà la frequenza di risonanza dell'elemento piezoelettrico (poiché viene aggiunta la massa non sospesa).

Inoltre, essendo incollato da un lato ad una piastra metallica rigida, l'elemento piezoelettrico non potrà contrarsi e allungarsi e dovrà piegarsi. Questo è quello che ci serve.

• Abbiamo tagliato due piastre quadrate 50 x 50 mm e praticato fori per il cavo (3 mm di diametro) e due fori per il fissaggio del cavo con un sottile filo di nylon, è risultato come nella foto
• Le antenne hanno ottenuto due pezzi di 3 metri dal pezzo di cavo acquistato da 10 metri, il resto è stato lasciato in riserva
• Avvolgiamo il cavo nel foro, saldiamo il suo nucleo centrale allo strato di metallizzazione dell'elemento piezoelettrico e lo schermo alla sua base metallica. In parallelo, come concordato, saldiamo una resistenza da 470 kΩ.
• Puliamo l'altra estremità del cavo e assembliamo il connettore: saldiamo il nucleo centrale al contatto centrale (la punta stessa del connettore), lasciamo intatto quello centrale e saldiamo il corpo del connettore alla guaina del cavo.

Dimentico sempre di mettere il corpo del connettore sul cavo e devo risaldare tutto due volte. Non ripetere il mio errore).

Dopo la saldatura è molto importante pulire il flusso, specialmente sull'elemento piezoelettrico. Altrimenti, nel tempo il flusso consumerà la saldatura.

Quindi, abbiamo preparato due antenne (una di esse ha un limitatore di soglia). Ora è il momento di impastare la resina epossidica e indossare guanti in lattice.

Passaggio 4: incollaggio

Prima di incollare gli elementi piezoelettrici alle lastre di rame, entrambi devono essere accuratamente carteggiati e sgrassati con alcool (etilico o isopropilico) o acetone.

Non usare altro! La benzina o il cherosene lasciano tracce di grasso che compromettono l'adesione.

Vale la pena ricordare che tutti i lavori con alcoli, acetone e resina epossidica devono essere eseguiti in una stanza ben ventilata con le mani e gli occhi protetti. Non trascurare le regole di sicurezza!

Saturamo il filo di nylon che tiene il cavo alla piastra. Per incollare l'elemento piezoelettrico alla piastra utilizzare solo un po' di colla epossidica. Non esagerare! La resina epossidica non deve raggiungere la superficie, altrimenti può distruggere un sottile strato di piezoceramica durante la polimerizzazione, inoltre la resina epossidica si deteriora in acqua.

Il risultato dovrebbe essere qualcosa come nelle foto. Di solito, la resina epossidica polimerizza completamente entro 24 ore. Noi, ad esempio, abbiamo lasciato le nostre antenne fino al giorno successivo.

Passaggio 5: impermeabilizzazione

Quando siamo arrivati al laboratorio la mattina, abbiamo collegato la prima antenna (senza un limitatore di soglia) al jack per le cuffie del laptop. Se accendi la musica e avvicini l'antenna all'orecchio, puoi assicurarti che almeno la gamma di frequenze udibili si riproduca abbastanza bene. C'è anche un accenno di basso, frutto della base in rame.

Quindi ora abbiamo un'antenna trasmittente acustica, ma non ancora idroacustica. Per risolvere questo problema, dovremmo sgrassare nuovamente l'antenna e coprirla con un sottile strato di sigillante.

Nota importante: non utilizzare il sigillante sanitario contenente acetato! L'acido acetico in esso contenuto corroderà i giunti di saldatura, il cavo e la metallizzazione dell'elemento piezoelettrico.

Consigliamo la gomma liquida Kim Tek per barche e yacht. I fai-da-te degli Stati Uniti possono utilizzare gli eccellenti composti poliuretanici della società Smooth-On invece del sigillante.

Per nostra comodità, riempiamo prima la siringa medica monouso di sigillante, quindi la applichiamo all'elemento piezoelettrico e ai giunti di saldatura.

Dopo aver applicato il sigillante, lo livelliamo con una spatola dentale o con ciò che è conveniente (anche con un dito). Alla fine, l'abbiamo ottenuto come nella foto.

Non dovresti creare uno strato di sigillante troppo spesso: l'antenna perderà sensibilità. Uno strato di 1 mm è assolutamente sufficiente. Proteggere accuratamente i giunti di saldatura, i resistori e i diodi con del sigillante.

Puoi coprire il lato posteriore della piastra con un sigillante: l'abbiamo fatto su un'antenna.

Se avvicini i resistori e i diodi al cavo, l'elemento piezoelettrico sarà molto più comodo da spalmare con il sigillante e lo strato sarà più liscio.

Dopo il completamento di questo tipo di lavoro di scultore, lasciamo di nuovo le antenne per 24 ore….

E congratulazioni! Ora hai due idrofoni!

Passaggio 6: Post Scriptum

Ora puoi verificare quanto sono buone le antenne di nuova costruzione collegandole direttamente al tuo laptop, tablet o telefono.

Sfortunatamente, non tutti i dispositivi sono compatibili con l'acustica subacquea. La maggior parte di tutte le moderne schede audio hanno filtri passa-basso nell'ingresso del microfono, tagliando tutto sopra i 15 kHz. Ma alcuni laptop non dispongono di tali filtri.

Questi idrofoni e trasduttori che abbiamo costruito sono solo l'inizio: abbiamo in programma di pubblicare una serie di Instructables sulla comunicazione acustica e navigazione subacquea, fateci sapere se siete interessati!