Transductor hidrófono y ultrasónico de bajo costo: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

¿Quieres grabar a los delfines o ballenas hablando? ¿O construir un sistema de comunicación acústica submarina? Ok, vamos a enseñarte "cómo".

Comencemos con lo principal: antena. Si en la vida cotidiana usamos parlantes (como en su computadora portátil o automóvil) para la emisión de sonido y un micrófono para la grabación de sonido, entonces me apresuro a complacerlo: la transmisión de sonido bajo el agua (decimos "radiación") y la grabación de sonido a menudo son realizadas por el mismo dispositivo, que se denomina antena acústica (hidroacústica) subacuática, o hidrófono (si es un dispositivo de recepción únicamente), o transductor si funciona en ambos sentidos.

En la inmensa mayoría de los casos, una antena hidroacústica consta de uno o varios elementos piezoeléctricos: placas, discos, anillos, tubos, esferas, hemisferios, etc.

Los elementos piezoeléctricos tienen el llamado efecto piezoeléctrico. Si se aplica una señal eléctrica alterna a un elemento, el elemento comienza a oscilar, y si el elemento oscila, por ejemplo, por una onda acústica, entonces comienza a generarse una señal eléctrica alterna en él.

Por lo tanto, el elemento piezoeléctrico convierte una señal eléctrica en ondas acústicas (vibraciones mecánicas) y viceversa, ondas acústicas en una señal eléctrica.

Como dice el refrán: ¡la teoría sin práctica está muerta! No perdamos el tiempo y hagamos un par de antenas hidroacústicas.

Paso 1: Lista de materiales

Materiales que necesitamos:

• un par de zumbadores piezoeléctricos Ф35 mm (compramos 10 piezas por $ 1,5 en Aliexpress)
• un trozo de cable RG-174 de 10 metros
• dos conectores jack estéreo de 3,5 mm
• placa de cobre / latón / inoxidable 50x100 mm de ancho 1-2 mm de espesor
• Pegamento epoxy
• sellador de silicona (no acético)
• soldadura y fundente
• alcohol para desengrasar
• cualesquiera dos resistencias con valores nominales ~ 100Ω y 470-1000 kΩ (tomamos 0.25 W MF25)
• dos diodos 1N4934
• hilo de nylon

Instrumentos:

• taladro y taladros Ф3mm y 2,5 mm (para taladrar placa de cobre)
• sierra para metales o dremel (para cortar una placa de cobre)
• papel de lija de grano 200-600 (para limpiar la placa de cobre)
• cuchillo, cortadores de alambre (para pelar cables)
• soldador o estación de retrabajo de PCB
• espátula dental para sellador de nivelación

Paso 2: Circuito muy sencillo

Simplemente no es una buena idea conectar un elemento piezoeléctrico a una tarjeta de sonido, computadora portátil o tableta directamente.

En primer lugar, el elemento piezoeléctrico puede acumular una carga lo suficientemente grande que puede dañar la electrónica cuando se conecta.

En segundo lugar, cuando se conecta a una entrada de línea o micrófono de una tarjeta de sonido, debe proteger la cascada de entrada de la tarjeta de sonido.

Para evitar que la antena desconectada acumule carga, colocamos una resistencia de 0.5-1 MΩ (R1) en paralelo a ella.

En la antena receptora para limitar el voltaje máximo, puede ensamblar el limitador de umbral más simple de los diodos D1, D2 y la resistencia 100Ω (R2). Como diodos, usamos 1N4934 y como resistencias R1, R2 tomamos MF25 (R1 470 kOhm).

Tenga en cuenta que si planea conectar la antena receptora a la entrada del micrófono (y no a la línea uno), entonces necesitará adicionalmente un condensador C1 con un nominal 0.1.. 1 uF, de lo contrario, la potencia suministrada por la tarjeta de sonido al micrófono electret se cortocircuitará a través del diodo D1.

Paso 3: diseño de la antena

Los propios elementos piezoeléctricos deben pegarse a placas de metal con epoxi. Disminuirá la frecuencia de resonancia del elemento piezoeléctrico (a medida que se agrega la masa no suspendida).

Además, al estar pegado por un lado a una placa metálica rígida, el elemento piezoeléctrico no podrá contraerse ni estirarse y deberá doblarse. Éso es lo que necesitamos.

• Cortamos dos placas cuadradas de 50 x 50 mm y perforamos orificios para el cable (3 mm de diámetro) y dos orificios para sujetar el cable con un fino hilo de nailon, resultó como en la foto
• Las antenas recibieron dos piezas de 3 metros del cable comprado de 10 metros, el resto se dejó en reserva.
• Enrollamos el cable en el orificio, soldamos su núcleo central a la capa de metalización del elemento piezoeléctrico y la pantalla a su base metálica. En paralelo, según lo acordado, soldamos una resistencia de 470 kΩ.
• Limpiamos el otro extremo del cable y montamos el conector: soldamos el núcleo central al contacto central (la misma punta del conector), dejamos intacto el del medio y soldamos el cuerpo del conector a la funda del cable.

Siempre me olvido de poner el cuerpo del conector en el cable y tengo que volver a soldar todo dos veces. No repitas mi error).

Después de soldar, es muy importante limpiar el fundente, especialmente en el elemento piezoeléctrico. De lo contrario, con el tiempo, el fundente se comerá la soldadura.

Entonces, hemos preparado dos antenas (una de ellas tiene un limitador de umbral). Ahora es el momento de amasar el epoxi y usar guantes de látex.

Paso 4: encolado

Antes de pegar los elementos piezoeléctricos a las placas de cobre, ambos deben lijarse a fondo y desengrasarse con alcohol (etílico o isopropílico) o acetona.

¡No uses nada más! La gasolina o el queroseno dejan rastros grasos que dificultan la adherencia.

Vale la pena recordar que todo trabajo con alcoholes, acetona y epoxi debe realizarse en una habitación bien ventilada con las manos y los ojos protegidos. ¡No descuide las reglas de seguridad!

Saturamos el hilo de nailon que sujeta el cable a la placa. Para pegar el elemento piezoeléctrico a la placa, use solo un poco de pegamento epoxi. ¡No exagere! El epoxi no debe llegar a la parte superior, de lo contrario, puede destruir una capa delgada de piezocerámicas durante la polimerización, además de que el epoxi se deteriora en el agua.

El resultado debería ser algo parecido a las fotos. Por lo general, el epoxi se polimeriza completamente en 24 horas. Nosotros, por ejemplo, dejamos nuestras antenas para el día siguiente.

Paso 5: Impermeabilización

Cuando llegamos al laboratorio por la mañana, conectamos la primera antena (sin limitador de umbral) a la toma de auriculares del portátil. Si enciende la música y lleva la antena a su oído, puede asegurarse de que al menos el rango de frecuencia audible se reproduce bastante bien. Incluso hay un toque de graves, resultado de la base de cobre.

Así que ahora tenemos una antena transmisora acústica, pero todavía no una hidroacústica. Para solucionar esto, debemos desengrasar nuevamente la antena y cubrirla con una fina capa de sellador.

Nota importante: ¡No utilice el sellador sanitario que contiene acetato! El ácido acético contenido en él corroerá las juntas de soldadura, el cable y la metalización del elemento piezoeléctrico.

Recomendamos la goma líquida Kim Tek para barcos y yates. Los aficionados al bricolaje de los Estados Unidos pueden usar los excelentes compuestos de poliuretano de la compañía Smooth-On en lugar del sellador.

Para nuestra conveniencia, primero llenamos la jeringa médica desechable con sellador y luego lo aplicamos al elemento piezoeléctrico y las juntas de soldadura.

Después de aplicar el sellador, lo nivelamos con una espátula dental o con lo que convenga (incluso con un dedo). Al final, lo conseguimos como en la imagen.

No debe hacer una capa de sellador demasiado gruesa, la antena perderá sensibilidad. Una capa de 1 mm es absolutamente suficiente. Proteja con cuidado las juntas de soldadura, las resistencias y los diodos con sellador.

Puede cubrir la parte posterior de la placa con un sellador; lo hicimos en una antena.

Si acerca las resistencias y los diodos al cable, el elemento piezoeléctrico será mucho más conveniente para untar con sellador y la capa será más suave.

Una vez finalizada la obra de este tipo de escultor, volvemos a dejar las antenas durante 24 horas….

¡Y felicitaciones! ¡Ahora tienes dos hidrófonos!

Paso 6: Post Scriptum

Ahora puede comprobar qué tan buenas son las antenas recién construidas conectándolas directamente a su computadora portátil, tableta o teléfono.

Desafortunadamente, no todos los dispositivos son compatibles con la acústica submarina. La mayoría de las tarjetas de sonido modernas tienen filtros de paso bajo en la entrada del micrófono, cortando todo lo que esté por encima de 15 kHz. Pero algunas de las computadoras portátiles no tienen tales filtros.

Estos hidrófonos y transductores que hemos construido son solo el comienzo: planeamos publicar una serie de Instructables sobre comunicación y navegación acústica subacuática, ¡háganos saber si está interesado!