Hydrophone et transducteur à ultrasons à bas prix : 6 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Voulez-vous enregistrer des dauphins ou des baleines en train de parler ? Ou construire un système de communication acoustique sous-marine ? D'accord, nous allons vous apprendre « comment faire ».

Commençons par l'essentiel: l'antenne. Si dans la vie de tous les jours nous utilisons des haut-parleurs (comme dans votre ordinateur portable ou votre voiture) pour l'émission sonore et un microphone pour la prise de son, alors je m'empresse de vous faire plaisir: la transmission du son sous l'eau (on dit « rayonnement ») et la prise de son sont souvent réalisées par le même appareil, appelé antenne acoustique (hydroacoustique) sous-marine, ou hydrophone (s'il s'agit d'un appareil de réception uniquement), ou transducteur s'il fonctionne dans les deux sens.

Dans l'écrasante majorité des cas, une antenne hydroacoustique est constituée d'un ou plusieurs éléments piézoélectriques: plaques, disques, anneaux, tubes, sphères, hémisphères, etc.

Les éléments piézoélectriques ont ce que l'on appelle l'effet piézoélectrique. Si un signal électrique alternatif est appliqué à un élément, l'élément commence à osciller, et si l'élément oscille, par exemple, par une onde acoustique, alors un signal électrique alternatif commence à être généré sur lui.

Par conséquent, l'élément piézoélectrique convertit un signal électrique en ondes acoustiques (vibrations mécaniques) et vice versa - les ondes acoustiques en un signal électrique.

Comme dit le proverbe: la théorie sans la pratique est morte ! Ne perdons pas de temps et fabriquons une paire d'antennes hydroacoustiques.

Étape 1: Nomenclature

Matériel dont nous avons besoin:

• une paire de buzzers piezo Ф35mm (nous avons acheté 10 pièces pour 1,5$ sur Aliexpress)
• un morceau de câble RG-174 de 10 mètres
• deux connecteurs stéréo jack 3,5 mm
• cuivre / laiton / plaque inoxydable 50x100 mm de large 1-2 mm d'épaisseur
• colle époxy
• mastic silicone (non acétique)
• soudure et flux
• alcool pour dégraisser
• deux résistances quelconques avec des valeurs nominales ~100Ω et 470-1000 kΩ (nous avons pris 0,25 W MF25)
• deux diodes 1N4934
• fil de nylon

Instruments:

• perceuse et forets Ф3mm et 2.5 mm (pour percer plaque de cuivre)
• scie à métaux ou dremel (pour couper une plaque de cuivre)
• papier de verre grain 200-600 (pour nettoyer la plaque de cuivre)
• couteau, coupe-fil (pour dénuder les fils)
• fer à souder ou station de reprise PCB
• spatule dentaire pour niveler le mastic

Étape 2: Circuits très simples

Ce n'est tout simplement pas une bonne idée de connecter un élément piézo à une carte son, un ordinateur portable ou une tablette directement.

Premièrement, l'élément piézoélectrique peut accumuler une charge suffisamment importante pour endommager l'électronique lorsqu'il est connecté.

Deuxièmement, lorsqu'il est connecté à une entrée ligne ou microphone d'une carte son, vous devez protéger la cascade d'entrée de la carte son.

Afin d'éviter que l'antenne non connectée n'accumule de charge, nous mettons une résistance de 0,5 à 1 MΩ (R1) en parallèle.

Dans l'antenne de réception pour limiter la tension maximale, vous pouvez assembler le limiteur de seuil le plus simple à partir des diodes D1, D2 et de la résistance 100Ω (R2). Comme diodes, nous avons utilisé 1N4934 et comme résistances R1, R2 nous avons pris MF25 (R1 470 kOhm).

Veuillez noter que si vous prévoyez de connecter l'antenne de réception à l'entrée du microphone (et non à celle de la ligne), vous aurez en plus besoin d'un condensateur C1 avec un nominal de 0,1.. 1 uF, sinon, la puissance fournie par la carte son au microphone à électret sera court-circuité à travers la diode D1.

Étape 3: Conception de l'antenne

Les éléments piézo eux-mêmes doivent être collés sur des plaques métalliques avec de l'époxy. Cela abaissera la fréquence de résonance de l'élément piézoélectrique (à mesure que la masse non suspendue est ajoutée).

De plus, étant collé par un côté sur une plaque métallique rigide, l'élément piézoélectrique ne pourra pas se contracter et s'étirer et devra se plier. C'est ce dont nous avons besoin.

• Nous avons coupé deux plaques carrées 50 x 50 mm et percé des trous pour le câble (3 mm de diamètre) et deux trous pour fixer le câble avec un fil de nylon fin, il s'est avéré comme sur la photo
• Les antennes ont obtenu deux morceaux de 3 mètres du morceau de câble de 10 mètres acheté, le reste a été laissé en réserve
• Nous enroulons le câble dans le trou, soudons son âme centrale à la couche de métallisation de l'élément piézoélectrique, et l'écran à sa base métallique. En parallèle, comme convenu, on soude une résistance de 470 kΩ.
• Nous nettoyons l'autre extrémité du câble et assemblons le connecteur: souder le noyau central au contact central (la pointe même du connecteur), laisser celui du milieu intact et souder le corps du connecteur à la gaine du câble.

J'oublie toujours de mettre le corps du connecteur sur le câble et je dois tout ressouder deux fois. Ne répétez pas mon erreur).

Après la soudure, il est très important de nettoyer le flux - en particulier sur l'élément piézoélectrique. Sinon, avec le temps, le flux rongera la soudure.

Nous avons donc préparé deux antennes (l'une d'elles a un limiteur de seuil). Il est maintenant temps de pétrir l'époxy et de porter des gants en latex.

Étape 4: Collage

Avant de coller les éléments piézoélectriques sur les plaques de cuivre, les deux doivent être soigneusement poncés et dégraissés avec de l'alcool (éthyle ou isopropylique) ou de l'acétone.

N'utilisez rien d'autre ! L'essence ou le kérosène laissent des traces grasses qui nuisent à l'adhérence.

Il convient de rappeler que tous les travaux avec des alcools, de l'acétone et de l'époxy doivent être effectués dans une pièce bien ventilée avec les mains et les yeux protégés. Ne négligez pas les règles de sécurité !

On sature le fil de nylon qui maintient le câble à la plaque. Pour coller l'élément piézoélectrique sur la plaque, utilisez juste un peu de colle époxy. N'en fais pas trop! L'époxyde ne doit pas atteindre le sommet, sinon, il peut détruire une fine couche de céramiques piézoélectriques lors de la polymérisation, et l'époxy se détériore dans l'eau.

Le résultat devrait être quelque chose comme sur les photos. Habituellement, l'époxy polymérise complètement dans les 24 heures. Nous avons, par exemple, laissé nos antennes jusqu'au lendemain.

Étape 5: Imperméabilisation

Lorsque nous sommes arrivés au laboratoire le matin, nous avons connecté la première antenne (sans limiteur de seuil) à la prise casque de l'ordinateur portable. Si vous allumez la musique et amenez l'antenne à votre oreille, vous pouvez vous assurer qu'au moins la gamme de fréquences audibles qu'elle reproduit assez bien. Il y a même un soupçon de basse, le résultat de la base en cuivre.

Nous avons donc maintenant une antenne émettrice acoustique, mais toujours pas une antenne hydroacoustique. Pour résoudre ce problème, nous devons à nouveau dégraisser l'antenne et la recouvrir d'une fine couche de mastic.

Remarque importante: N'utilisez pas de mastic sanitaire contenant de l'acétate ! L'acide acétique qu'il contient va corroder les soudures, le câble et la métallisation de l'élément piézoélectrique.

Nous recommandons le caoutchouc liquide Kim Tek pour les bateaux et les yachts. Les bricoleurs des États-Unis peuvent utiliser les excellents composés de polyuréthane de la société Smooth-On au lieu du mastic.

Pour notre commodité, nous remplissons d'abord la seringue médicale jetable avec du mastic, puis nous l'appliquons sur l'élément piézoélectrique et les joints de soudure.

Après avoir appliqué le scellant, on le nivelle avec une spatule dentaire ou avec ce qu'il convient (même avec un doigt). En fin de compte, nous l'avons eu comme sur la photo.

Vous ne devez pas faire une couche de mastic trop épaisse - l'antenne perdra en sensibilité. Une couche de 1 mm est tout à fait suffisante. Protégez soigneusement les joints de soudure, les résistances et les diodes avec du mastic.

Vous pouvez couvrir l'arrière de la plaque avec un mastic - nous l'avons fait sur une antenne.

Si vous rapprochez les résistances et les diodes du câble, l'élément piézoélectrique sera beaucoup plus pratique à enduire de mastic et la couche sera plus lisse.

Après l'achèvement de ce genre de travail de sculpteur, nous laissons à nouveau les antennes pendant 24 heures….

Et félicitations ! Vous avez maintenant deux hydrophones !

Étape 6: Post Scriptum

Vous pouvez maintenant vérifier la qualité des antennes nouvellement construites en les connectant directement à votre ordinateur portable, tablette ou téléphone.

Malheureusement, tous les appareils ne sont pas adaptés à une acoustique sous-marine. La plupart des cartes son modernes ont des filtres passe-bas dans l'entrée microphone, coupant tout au-dessus de 15 kHz. Mais certains ordinateurs portables n'ont pas de tels filtres.

Ces hydrophones et transducteurs que nous avons construits ne sont qu'un début: nous prévoyons de publier une série d'Instructables sur la communication et la navigation acoustique sous-marine, veuillez nous faire savoir si vous êtes intéressé !