Значит кто-то из вас недорабатывает! (С) Полковник одного ведомстваЭтот краткий туториал призван устранить мою давнишнюю недоработку — давно нужно было рассказать любителям, как сделать самый простой и дешевый гидрофон и передающую гидроакустическую антенну, если при прочтении этих слов в душе у вас что-то всколыхнулось — просим под кат!
В одной из предыдущих статей мы рассказывали как можно просто передавать «видео» звуком через воду, мы привели даже исходный текст и я подробно описал как и почему это работает, но не снабдил людей самым главным для проверки — инструкцией, как самому быстро
Если в обычной жизни для излучения звука мы используем динамики (такие, как например у вас в ноутбуке или автомобиле) а для записи звука — микрофон, то спешу вас обрадовать: под водой и воспроизведение (мы говорим “излучение”) и запись звука (преобразование) выполняются зачастую одним и тем же устройством, которое и называется гидроакустической антенной.
В подавляющем большинстве случаев гидроакустическая антенна представляет собой один или несколько пьезоэлементов: пластин, дисков, колец, сфер, полусфер и т.п.
Пьезоэлементы обладают т.н. пьезоэффектом: если подавать на элемент переменный электрический сигнал, то элемент начинает колебаться, а если элемент колебать, ну например, акустической волной, то на нем начинает вырабатываться переменный электрический сигнал.
То есть, пьезоэлемент преобразует электрический сигнал в акустические волны (механические колебания) и наоборот — акустические волны в электрический сигнал.
Как говорится: теория без практики мертва! Давайте не будем терять времени и сделаем пару гидроакустических антенн.
Материалы, которые нам понадобятся:
- пара пьезопищалок Ф35мм (мы купили 10 штук за 100 рублей на Алиэксперссе)
- 10-ти метровый отрезок кабеля RG-174
- два коннектора Jack 3.5 мм стерео
- медная/латунная/нержавеющая пластина шириной 50х100 мм толщиной 1-2 мм
- эпоксидный клей
- силиконовый герметик (безуксусный)
- припой и флюс
- спирт для обезжиривания
и протирки IP-пакетов - два любых резистора с номиналами ~100 Ом и другой 470 — 1000 кОм (мы взяли MF25 0.25 Вт)
- два диода 1N4934
Инструменты:
- дрель и сверла Ф3 и 2.5 мм (чтобы сверлить медную пластику)
- ножовка по металлу или дремель (чтобы пилить медную пластину)
- наждачная бумага 200-600 грит (чтобы зачистить медную пластину)
- нож, кусачки (для зачистки проводов)
- паяльник или паяльная станция
- стоматологическая лопатка для разравнивания герметика
Просто так подключать пьезоэлемент к звуковой карте, ноутбуку или планшету нельзя — во-первых, пьезоэлемент может накапливать достаточно большой заряд, который может повредить электронику при подключении, а во-вторых, при подключении к линейному или микрофонному входу звуковой карты нужно защитить входной каскад входа, т.к. опять же, пьезоэлемент может выдавать сигнал с достаточно большим напряжением при сильном механическом воздействии.
Для того, чтобы неподключенная антенна не накапливала заряд ей в параллель ставится резистор номиналом 0.5 — 1 МОм (R1).
В приемной антенне, для ограничения максимального напряжения можно собрать простейший пороговый ограничитель из диодов D1, D2 и резистора 100 Ом (R2). В качестве диодов можно взять 1N4934, а резисторы R1, R2 мы взяли MF25 номиналом 470 кОм. Обратите внимание, если планируется подключать приемную антенну в микрофонный вход (а не в линейный), то дополнительно потребуется конденсатор C1 номиналом 0.1… 1 uF, иначе питание, подаваемое звуковой картой на электретный микрофон окажется коротко замкнуто через диод D1.
Нехитрая схема подключения пьезы
Сами пьезоэлементы нужно приклеить на металлические пластины при помощи эпоксидки. Это, во-первых, понизит резонансную частоту пьезоэлемента (добавили неподрессоренную массу), а во-вторых, будучи приклеенной одной стороной к жесткой металлической пластине пьезоэлемент не сможет сжиматься и растягиваться и ему придется изгибаться.
Размечаем металлическую пластину по размеру пьезоэлемента
Мы выпилили две квадратные пластины 50 х 50 мм и просверлили отверстия под кабель (диаметром 3 мм) и два отверстия для крепления кабеля при помощи тонкой нейлоновой нити, получилось вот так:
Почти собранная антенна =)
Мы от купленного 10-ти метрового куска кабеля отрезали два куска по 3 метра, остальное оставили про запас.
Кабель заводим в отверстие, центральную его жилу припаиваем к металлизации пьезоэлемента, а экран — к его металлической подложке. В параллель, как договаривались, припаиваем резистор номиналом 470 кОм.
Другой конец кабеля зачищаем и собираем разъем:
Центральную жилу запаиваем в центральный контакт (самый кончик разъема), средний оставляем нетронутым, а корпус разъема припаиваем к оплетке кабеля. Я всегда забываю надеть корпус разъема на кабель и мне приходится все перепаивать по два раза — не повторяйте моей ошибки)
После пайки очень важно отмыть флюс — особенно на пьезоэлементе. Если этого не сделать, то со временем он разъест пайку.
Итак, мы подготовили две антенны (на одной из них стоит пороговый ограничитель). Теперь самое время замешивать эпоксидку и одевать латексные перчатки.
Перед приклейкой пьезоэлементов к медным пластинам и то и другое стоит тщательно обезжирить спиртом (этиловым или изопропиловым) или ацетоном. Ни к коем случае не используйте для этих целей что-либо другое — бензин или керосин — эти вещества оставляют жирные следы, ухудшающие адгезию.
Стоит напомнить, что все работы со спиртами, ацетоном и эпоксидкой нужно проводить в хорошо провертриваемом пощещении, защищать руки и глаза. Не пренебрегайте правилами техники безопасности!
Наносим эпоксидку
Пропитываем нейлоновую нить, крепящую кабель к пластине.
Продолжаем наносить эпоксидку
Для приклейки пьезоэлемента к пластине достаточно совсем немного эпоксидного клея. Не перебарщиваем — эпоксидка не должна попасть на верхнюю часть, иначе при полимеризации она может разрушить тонкий слой пьезокерамики, плюс ко всему эпоксидка портится в воде.
В итоге должно получиться примерно так:
Пьезоэлементы приклеены, оставляем все до полной полимеризации
Обычно эпоксидные клеи полностью полимеризуются за 24 часа. Мы например, так и сделали — оставили наши антенны до следующего дня.
….ждем 24 часа
Придя в лабораторию утром мы первым делом подключили первую антенну (без порогового ограничителя) в разъем наушников ноутбука. Если включить музыку и поднести нашу антенну к уху то можно убедится, что как минимум слышимый диапазон частот она воспроизводит совсем неплохо — есть даже намек на басы — так повлияла медная подложка.
Понятно дело, что в таком виде это уже акустическая передающая антенна, но еще все же не гидроакустическая. Чтобы исправить это недоразумение антенну нужно повторно обезжирить и покрыть тонким слоем герметика.
Важное замечание: не применяйте ацетатсодержащий санитарный герметик, содержащаяся в нем уксусная кислота разъест пайку, кабель и металлизацию пьезоэлемента.
Мы рекомендуем жидкую резину от KimTek, предназначенную для лодок и катеров. Если у кого уже есть в наличии вместо герметика можно воспользоваться отличными полиуретановыми компаундами от фирмы Smooth-On или 3M — так гораздо более технологично и модно.
Cиликоновый герметик на основе MS-полимера отлично подходит для наших целей
Для удобства мы сначала заполняем герметиком медицинский одноразовый шприц, и уже из него наносим герметик на пьезоэлемент и паяные соединения:
Начинаем наносить герметик, стараемся чтобы не было воздушных пузырей
После нанесения герметика разравниваем его стоматологической лопаткой или кому чем удобно (можно даже пальцем). В итоге у нас получилось так:
Эстетическое совершенство =)
Не стоит делать слой герметика слишком толстым — антенна потеряет чувствительность. Достаточно слоя толщиной 1 мм. Тщательно защищаем герметиком места пайки, резисторы и диоды.
Можно покрыть герметиком и обратную сторону пластины — на одной антенне мы так и сделали, а на другой не стали.
Если перенести резисторы и диоды ближе к кабелю, то пьезоэлемент намазывать герметиком будет гораздо удобнее и слой получится ровнее.
После завершения скульпторской работы опять оставляем антенны на 24 часа.
Давайте посчитаем чего нам стоили эти две антенны:
2 Пьезопищалки Ф35 мм — 20 руб
10 метров кабеля RG-174 — 300 руб
2 Коннектора Jack 3.5 mm — 70 руб
медная пластина 100х50х1 мм — 120 руб
Итого: 510 рублей
Правда, если брать в расчет стоимость эпоксидного клея, обезжиривателя и особенно силиконового герметика, 500 мл которого стоят 900 руб итоговые затраты оказываются немного больше.
P.S.
Собственно, теперь смело можно передавать видео звуком через воду. Моя совесть чиста)
P.P.S.
С удовольствием примем обоснованную критику и вопросы по существу, если тема вам интересна — дайте нам знать, это очень мотивирует в том числе на новые статьи.
Комментарии (49)
Mikhael1979
28.11.2018 08:47>… если тема вам интересна — дайте нам знать…
Интересно, как из медных пластинок, пьезопищалок, кабеля и коннекторов собрать простенький гидроакустический локатор. =) Желательно, с буксируемой антенной бокового обзора…
Если серьёзно...Как вообще у гидроакустической антенны можно сформировать диаграмму направленности? Есть простые способы?
StDmitriev
28.11.2018 10:48+1Насчёт простых не скажу (там надо фазу сигала крутить правильным для конкретной антенны образом), но могу порекомендовать книгу из серии «библиотека инженера-гидроакустика». Называется «Расчёт гидроакустических антенн по диаграмме направленности».
AlekDikarev Автор
28.11.2018 10:48Гидролокация — это отдельная религия) Диаграмма может формироваться задержками (сдвигом фаз), или к примеру, если из колец набирать столбик то диаграмма (у кольца — тор) будет становиться все более плоской. Мы вообще связью занимаемся и нам всегда нужна как можно более всенаправленная диаграмма
nafikovr
28.11.2018 12:49для локатора вам понадобятся еще клей и пустая бутылка.
Gozdi
28.11.2018 11:29+1MS-полимер, это гибридная система первого поколения, силикон+полиуретан.
Моднее пользовать STP, например линейка от Bison
AlekDikarev Автор
28.11.2018 11:48О, отлично! Мне на глаза не попадалось. Но вообще при возможности конечно надо использовать полиуретан, герметик это чисто чтобы попробовать — самое доступное
Gozdi
28.11.2018 17:58Полиуретан, и тем более однокомпонентный, «дырявый» для воды
AlekDikarev Автор
28.11.2018 18:24То, что применяют для антенн имеет скорость протекания 1 мм в год, при этом зачастую применяемые компоненты обеспечивают скорость звука в них близкую к скорости звука в воде. Совсем параноидальные варианты, рассчитанные на многолетнее погружение защищают от прямого протекания металлическим стаканом, что даёт срок непротекания порядка сотни лет
VirtualHunter
28.11.2018 13:15Такой способ крепления провода через отверстие в углу пластины — он продиктован какими-то определенными соображениями, или просто как вариант? И, можно попросить добавить пару слов о креплении? Как правильнее в данном случае крепить антенну, чтобы не мешать ей работать? (К кронштейну или например если она на корпусе некоего подводного девайса)
AlekDikarev Автор
28.11.2018 13:33+1В данном случае завели кабель в отверстие чтоб антенна висела вертикально. Общие правила такие: ничем не затенять, обеспечивать прямую видимость между приемником и передатчиком, стараться как можно лучше динамически развязывать антенну и то, на что она крепится.
dlinyj
28.11.2018 13:19О!!!
Спасибо, спасибо вам большое!!!Теперь внимание вопрос — это передатчик, а микрофон как будет реализован?Я лопух, понял что это и передатчик и приёмник
dlinyj
28.11.2018 13:52У меня есть вопрос: чем продиктовано использование именно металлической пластины, почему нельзя взять текстолит? По моему он тоже тяжелее воды.
AlekDikarev Автор
28.11.2018 13:55Можно конечно, просто когда мы поехали в радиомагазин купить всякое для статьи мне на глаза попалась медная пластина, хотя изначально собирались на текстолит клеить
StDmitriev
28.11.2018 14:57Текстолит надо обязательно изолировать от контакта с водой т.к. он очень хорошо её впитывает. Но материал да, просто отличный и мы его применяем иногда.
Javian
28.11.2018 17:25Del
AlekDikarev Автор
28.11.2018 17:28На небольшом расстоянии должно. Позже мы напишем статью про гидрофон с предусилителем — вот тем будет слышно прям гарантированно
Meklon
28.11.2018 17:33+2
Meas пьезы не использовали? Они очень чувствительные. Я планировал на них контактные микрофоны делать для записи шумов сердца, но руки не дошли.AlekDikarev Автор
28.11.2018 17:56Не доводилось. В рабочих изделиях применяем кольца, т.к. там как правило, антенна и приёмник и передатчик, соответсвенно нужно иметь возможность закачивать в неё большую энергию, а вообще форм-фактор очень интересный
Meklon
28.11.2018 17:40Кстати, в вашем варианте просится аэрозольный способ нанесения гидрофобной пленки защитной. С такими кривыми наплывами искажения должны ползти, имхо.
AlekDikarev Автор
28.11.2018 17:58Мы старались сделать так, чтобы повторить мог и школьник младших классов, по-хорошему нужно заливать в уретан с вакуумированием и т.п.
Meklon
28.11.2018 18:01Пленка выше не нуждается в герметике. Только контакты залить чем угодно. Высокие частоты тоже хорошо передает. Но дальше я в упирался в дешевый АЦП внешней звуковой копеечной. Снимал спектры ультразвуковой кавитации. Смотрел, как пузырьки хлопают)
AlekDikarev Автор
28.11.2018 18:15Круто! Кстати почти на всех звуковых на входе есть дурацкий ФНЧ который все, что выше 15 кГц обрезает
hardegor
28.11.2018 21:25Это чтобы не накладывались спектры, если фильтра не будет и на вход попадет что-нибудь выше 20кГц, то на оцифровке 44кГц появится низкочастотное булькание.
AlekDikarev Автор
28.11.2018 21:31Окей, а зачем обрезается все выше 15 кГц при частоте дискретизации 96 кГц?
hardegor
28.11.2018 21:40Потому что это критично только некоторому количеству «кулибиных», а массовому покупателю это не важно. Т.е. либо не ставить фильтр и ограничивать частоту дискретизации снизу — покупатель скажет «а где мои 44кГц?», либо ставить и большинство довольны.
AlekDikarev Автор
28.11.2018 22:59Но судя по крутости фильтров они явно софтовые, и можно было бы хоть галочек наставить — вкл/выкл
nafikovr
29.11.2018 10:23скорее всего где нибудь на уровне цифрового фильтра сразу после ADC.
StDmitriev
01.12.2018 14:43+1Сложно сказать. Встречали неприятные ситуации, когда после переустановки драйвера карта начинала обрезать частоты выше 15-17кГц.
quwy
29.11.2018 04:49Пьезики такого типа работают не на сжатие, а на изгиб (выпуклая деформация), причем рабочей у них является обратная поврхность металлической «основы», а не пьезопластины с контактом. Поэтому приклеив их плашмя к сплошной массивной пластине, вы сделали им плохо. Тут нужно было делать в пластине отверстие на 2-3 мм. меньше диметра пьезика, и клеить его по периметру.
А еще логичнее вместо атмосферных пищалок и гемора с герметиком взять специально для таких дел предназначенные пластины от увлажнителей (они тоже работают на выпуклый изгиб, да еще и десятки ватт подводимой мощности держат).AlekDikarev Автор
29.11.2018 14:41Спасибо, но цель была не сделать ему хорошо, а сместить резонанс вниз ), и ещё раз повторюсь — сделано из пищалки, чтобы мог повторить даже школьник. Пластина для распылителя, ланжевен от отмывочной ванны это все не то — в реальных устройствах использую кольца и полусферы, реже — композитные антенны из призм
StDmitriev
29.11.2018 19:41+1Они ещё и дороже, обычно. Все эти пластины от распылителя. А такая пищалка довольно просто находится абсолютно бесплатно в игрушках/часах/бытовой технике.
Ну и остальные затраты можно свести к минимуму, если порыться в закромах родины (или собственного гаража).
Androniy
30.11.2018 09:38А какая диаграмма получается у такой антенны? Видимо восьмерка, но насколько отличается мощность излучения в направлении пьезоэлемента и в сторону медной пластины?
AlekDikarev Автор
30.11.2018 10:14А вот мы думаем ещё статью написать и там это обсудить
nafikovr
30.11.2018 10:39+1Заголовок спойлера
Androniy
30.11.2018 13:35Суть в том, что с ростом расстояния между антеннами диаграмма станет круговой из-за рассеивания волн в воде? В любом случае пишите, очень интересно вас читать.
StDmitriev
01.12.2018 14:53+1Для этих антенн можно вполне так считать. А вот с более серьёзными (да ещё и направленными) антеннами такое не прокатит. Можно просто промахнуться, чуть повернув антенну в сторону.
Ivanii
А взять готовый сенсор парктроника www.ebay.com/itm/223084470996 не проще?
vassabi
хмм… а он в воде не портится?
AlekDikarev Автор
Ну там внутри воздушная полость и такая же мааааленькая пластинка. Чувствительность получится хуже особенно на передачу и равномерность ачх тоже. Плюс они в целом не для этого
Ivanii
Пробовали? Диапазон частот?
AlekDikarev Автор
У нас есть гидрофон с предусилителем, который мы на испытаниях используем чтобы записывать всякое, так вот он на парктронике сделан. Диапазон от 5 до 40 примерно