Hidrofone e transdutor ultrassônico de baixo custo: 6 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-13 06:58

Você quer gravar golfinhos ou baleias falando? Ou construir um sistema de comunicação acústica subaquático? Ok, vamos ensinar-lhe ‘como fazer’.

Vamos começar com o principal: antena. Se na vida cotidiana usamos alto-falantes (como em seu laptop ou carro) para emissão de som e um microfone para gravação de som, então me apresso em agradá-lo: a transmissão de som subaquática (dizemos “radiação”) e a gravação de som geralmente são realizadas por o mesmo dispositivo, que é chamado de antena acústica subaquática (hidroacústica), ou hidrofone (se for um dispositivo apenas receptor) ou transdutor se funcionar nos dois sentidos.

Na esmagadora maioria dos casos, uma antena hidroacústica consiste em um ou vários elementos piezoelétricos: placas, discos, anéis, tubos, esferas, hemisférios, etc.

Os elementos piezoelétricos têm o chamado efeito piezoelétrico. Se um sinal elétrico alternado é aplicado a um elemento, o elemento começa a oscilar, e se o elemento oscilar, por exemplo, por uma onda acústica, então um sinal elétrico alternado começa a ser gerado nele.

Portanto, o elemento piezoelétrico converte um sinal elétrico em ondas acústicas (vibrações mecânicas) e vice-versa - ondas acústicas em um sinal elétrico.

Como diz o ditado: a teoria sem prática está morta! Não vamos perder tempo e fazer um par de antenas hidroacústicas.

Etapa 1: Lista de materiais

Materiais de que precisamos:

• um par de campainhas piezoelétricas Ф35mm (compramos 10 peças por US $ 1,5 no Aliexpress)
• um pedaço de cabo RG-174 de 10 metros
• dois conectores estéreo de 3,5 mm
• cobre / latão / placa de aço inoxidável 50x100 mm de largura 1-2 mm de espessura
• cola epóxi
• selante de silicone (não acético)
• solda e fluxo
• álcool para desengordurar
• quaisquer dois resistores com valores nominais ~ 100Ω e 470-1000 kΩ (pegamos 0,25 W MF25)
• dois diodos 1N4934
• fio de náilon

Instrumentos:

• perfurar e perfurar Ф3 mm e 2,5 mm (para perfurar placa de cobre)
• serra ou dremel (para cortar uma placa de cobre)
• lixar grão 200-600 (para limpar placa de cobre)
• faca, cortadores de fio (para descascar fios)
• ferro de solda ou estação de retrabalho de PCB
• espátula dentária para nivelamento do selante

Etapa 2: Circuito Muito Fácil

Não é uma boa ideia conectar um elemento piezoelétrico diretamente a uma placa de som, laptop ou tablet.

Em primeiro lugar, o elemento piezoelétrico pode acumular uma carga grande o suficiente que pode danificar os componentes eletrônicos quando conectado.

Em segundo lugar, quando conectado a uma linha ou entrada de microfone de uma placa de som, você precisa proteger a cascata de entrada da placa de som.

Para evitar que a antena desconectada acumule carga, colocamos um resistor de 0,5-1 MΩ (R1) em paralelo a ela.

Na antena receptora, para limitar a tensão máxima, você pode montar o limitador de limite mais simples dos diodos D1, D2 e do resistor 100Ω (R2). Como diodos, usamos 1N4934 e como resistores R1, R2 pegamos MF25 (R1 470 kOhm).

Por favor, note que se você planeja conectar a antena receptora à entrada do microfone (e não à linha), então você precisará adicionalmente de um capacitor C1 com um valor nominal de 0,1.. 1 uF, caso contrário, a energia fornecida pela placa de som ao microfone de eletreto será curto-circuitado através do diodo D1.

Etapa 3: Design da antena

Os próprios elementos piezoelétricos precisam ser colados em placas de metal com epóxi. Isso irá diminuir a frequência ressonante do elemento piezoelétrico (conforme a massa não suspensa é adicionada).

Além disso, estando colado por um lado a uma placa de metal rígida, o elemento piezoelétrico não será capaz de se contrair e esticar e terá que se dobrar. É disso que precisamos.

• Cortamos duas placas quadradas de 50 x 50 mm e furamos para o cabo (3 mm de diâmetro) e dois furos para prender o cabo com um fio de náilon fino, ficou como na foto
• As antenas pegaram dois pedaços de 3 metros do pedaço comprado de cabo de 10 metros, o resto foi deixado na reserva
• Enrolamos o cabo no orifício, soldamos seu núcleo central à camada de metalização do elemento piezoelétrico e a tela à sua base de metal. Em paralelo, conforme combinado, soldamos um resistor de 470 kΩ.
• Limpamos a outra ponta do cabo e montamos o conector: soldamos o núcleo central ao contato central (a ponta do conector), deixamos o do meio intacto e soldamos o corpo do conector ao revestimento do cabo.

Sempre esqueço de colocar o corpo do conector no cabo e tenho que soldar tudo duas vezes. Não repita meu erro).

Após a soldagem, é muito importante limpar o fluxo - especialmente no elemento piezoelétrico. Caso contrário, com o tempo, o fluxo irá consumir a soldagem.

Portanto, preparamos duas antenas (uma delas tem um limitador de limite). Agora é a hora de amassar o epóxi e usar luvas de látex.

Etapa 4: colagem

Antes de colar os elementos piezoelétricos nas placas de cobre, ambos devem ser bem lixados e desengraxados com álcool (etílico ou isopropílico) ou acetona.

Não use mais nada! A gasolina ou o querosene deixam vestígios de gordura que prejudicam a adesão.

Vale lembrar que todos os trabalhos com álcoois, acetona e epóxi devem ser realizados em ambiente bem ventilado, com as mãos e os olhos protegidos. Não negligencie as regras de segurança!

Saturamos o fio de náilon que prende o cabo à placa. Para colar o elemento piezoelétrico na placa use apenas um pouco de cola epóxi. Não exagere! O epóxi não deve chegar ao topo, caso contrário, pode destruir uma fina camada de piezocerâmica durante a polimerização, além do epóxi se deteriorar na água.

O resultado deve ser algo como nas fotos. Normalmente, o epóxi polimeriza completamente em 24 horas. Nós, por exemplo, deixamos nossas antenas até o dia seguinte.

Etapa 5: Impermeabilização

Quando chegamos ao laboratório pela manhã, conectamos a primeira antena (sem limitador de limiar) ao conector de fone de ouvido do laptop. Se você ligar a música e levar a antena ao ouvido, pode ter certeza de que pelo menos a faixa de frequência audível é reproduzida muito bem. Há até um toque de baixo, resultado da base de cobre.

Agora temos uma antena transmissora acústica, mas ainda não uma hidroacústica. Para corrigir isso, devemos desengordurar a antena novamente e cobri-la com uma fina camada de selante.

Nota importante: Não use o selante sanitário contendo acetato! O ácido acético contido nele irá corroer as juntas de solda, o cabo e a metalização do elemento piezoelétrico.

Recomendamos borracha líquida Kim Tek para barcos e iates. DIY-ers dos Estados Unidos podem usar os excelentes compostos de poliuretano da empresa Smooth-On em vez de selante.

Para nossa conveniência, enchemos primeiro a seringa descartável médica com selante e, em seguida, aplicamos no elemento piezoelétrico e nas juntas de solda.

Após a aplicação do selante, nivelamos com uma espátula dentária ou com o que for conveniente (ainda que com o dedo). No final, entendemos como na foto.

Você não deve fazer uma camada de selante muito espessa - a antena perderá a sensibilidade. Uma camada de 1 mm é absolutamente suficiente. Proteja cuidadosamente as juntas de solda, resistores e diodos com selante.

Você pode cobrir a parte de trás da placa com um selante - fizemos isso em uma antena.

Se você mover os resistores e diodos para mais perto do cabo, o elemento piezoelétrico será muito mais conveniente para borrar com selante e a camada será mais lisa.

Após a conclusão deste tipo de trabalho de escultor, deixamos novamente as antenas por 24 horas….

E parabéns! Agora você tem dois hidrofones!

Etapa 6: Post Scriptum

Agora você pode verificar a qualidade das antenas recém-construídas conectando-as diretamente ao seu laptop, tablet ou telefone.

Infelizmente, nem todos os dispositivos são amigáveis para a acústica subaquática. A maioria das placas de som modernas tem filtros passa-baixas na entrada do microfone, cortando tudo acima de 15 kHz. Mas alguns dos laptops não têm esses filtros.

Estes hidrofones e transdutores que construímos são apenas o começo: planejamos publicar uma série de Instructables sobre comunicação e navegação acústica subaquática, por favor, deixe-nos saber se você está interessado!