Ультразвуковой микрофон – ЧАСТЬ 1

November 3, 2011 by admin Комментировать »

Этот интересный электронный проект позволяет вам ясно слышать мир звуков, находящихся за пределами человеческого восприятия. Ультразвуковой микрофон, который вы создадите (рис. 26.1), имеет очень широкую сферу бытового и технического применения: от выявления утечки газов, жидкостей, механического износа подшипников, механизмов вращения и возвратно-поступательного движения, например, в автомобилях до обнаружения электрической утечки в изоляторах линий электропередачи. Слышимым также становится весь мир звуков живых существ. Простые события – кошку, идущую по мокрой траве, по- звякивание цепочки ключа, даже лопнувший пластиковый пакет – можно услышать очень отчетливо. Теплой летней ночью можно услышать хор замечательных звуков, поскольку природный оркестр из самых разных созданий – от летучих мышей до насекомых – создает какофонию естественных природных звуков, выше диапазона восприятия человеческого уха, а благодаря ультразвуковому микрофону неслышные звуки станут слышными.

Этот ручной направленный микрофон легко обнаруживает и преобразует ультразвуковые колебания в звуковые. Добавление параболического отражателя еще больше усиливает возможности данного устройства. Рассчитывайте потратить от 30 до 50 долларов на это компенсирующее затраты устройство.

Данный проект позволяет вам вслушаться в мир звуков, о существовании которого знают немногие люди. Устройство выполнено в форме пистолета, в стволе которого расположен узел электроники. На задней панели размещены выключатели и регулятор звука, подстроечное переменное сопротивление и гнездо для наушников. Передняя часть устройства представляет собой направленный приемный преобразователь. В рукоятке размещены батареи.

Добавление опции параболического отражателя увеличивает направленность на источник ультразвука, и благодаря этому обеспечивается сверхвысокое усиление и значительно усиливаются возможности устройства по дальнему приему звука.

Рис. 26.1. Ультразвуковой микрофон с параболическим отражателем

Применение устройстве

Одним из наиболее интересных источников ультразвуковых механических колебаний являются многие виды насекомых, издающих брачные и предупреждающие сигналы. Обычной летней ночью можно провести много часов, слушая летучих мышей и другие странные шумы, издаваемые представителями флоры и фауны. Целый мир естественных звуков ожидает пользователя устройства. Многие искусственные звуки также являются источниками ультразвуковых колебаний, они регистрируются устройством. Ниже приведено несколько примеров, но это лишь малая толика потенциальных источников ультразвука:

•          утечка газов и поток воздуха;

•          вода из пульверизаторов in при утечке из устройства;

•          коронный разряд, устройства искрового разряда или создания молний;

•          пожары и химические реакции;

•          животные, идущие по мокрой траве и создающие шелест. Это прекрасное средство для охотников и наблюдателей или же просто средство отыскать домашнее животное ночью;

•          компьютерные мониторы, телевизионные приемники, высокочастотные генераторы, механические подшипники, посторонние звуки в автомобилях, пластиковые пакеты, позвякивание монет.

Демонстрация данного ультразвукового микрофона показывает также использование эффекта Доплера, где движение к источнику вызывает увеличение частоты, а движение от источника вызывает соответственно уменьшение частоты.

Эффект Доплера возникает, когда наблюдатель, движущийся к источнику звука, ощущает увеличивающуюся частоту. Это легко представить себе, если понять, что звук распространяется в виде волны с относительно постоянной скоростью. Когда наблюдатель движется по направлению к источнику звука, он перехватывает большее количество волн за более короткий период времени, слышит таким образом звук, который, как кажется, имеет более короткую длину волны или, соответственно, частоту более высокого топа. Если он движется от источника звука, слышна частота более низкого тона по сравнению с частотой, которую слышит неподвижный наблюдатель.

Чтобы устроить развлечение и для взрослых, и для детей, можно спрятать небольшой тестовый генератор ультразвука и предложить сопернику найти его за кратчайшее время.

Принципиальна» схема устройства

Микрофон ультразвукового пьезопреобразователя TD1 воспринимает ультразвуковые механические колебания и преобразует их в электрический сигнал за счет действия пьезоэлектрического эффекта (рис. 26.2). Катушка L1 и собственная емкость пьезопреобразователя образуют эквивалентный резонансный контур на частоте резонанса около 25 кГц. Параллельно к контуру подключен резистор Rd. Эта параллельная эквивалентная резонансная схема образует источник сигналов с большим импедансом, которая через конденсатор С2 подключена к затвору полевого транзистора Q1. Резистор R1 и конденсатор С1 развязывают напряжение смещения на стоке. Схемотехнические решения и экранирование входных проводов играют здесь важное значение, поскольку эта схема очень чувствительна к шумам, сигналам обратной связи и др.

Сигнал с выхода нагрузочного резистора R2 транзистора Q1 через разделительный конденсатор СЗ и резистор R4 поступает на вход усилителя I1A с безразмерным коэффициентом усиления, равным 50 и определяемым соотношением сопротивлений резисторов R6/R4.

Выход I1A через конденсатор С4 связан по переменному току со смесителем- усилителем I1B. Выход генератора I1C подключен к схеме с помощью «специального приспособления» на базе конденсатора монтажа СМ, создаваемого коротким проводом от вывода 8 элемента IC1, который скручен с аналогичным проводом от вывода 2 элемента ИВ (предлагается проверить работу прибора без этого приспособления). Генератор IIC вырабатывает сигналы одной из частот, которая смешивается с принимаемыми сигналами через СМ на входе I1B. Результатом будет смесь двух сигналов, один из которых представляет собой сумму, а другой – разность указанных сигналов, лежащую в звуковом диапазоне частот.

Конденсатор С7 и резистор R17 образуют полосовой фильтр, вырезающий из смеси частот сумму частот и пропускающий разность частот с уровнем 20 дБ. Таким образом, результирующий низкочастотный сигнал представляет собой разность между частотами генератора и реального сигнала. Это подобно эффекту супергетеродина. Фильтр из С7 и R17 дополнительно развязывает сигнал

Рис. 26.2. Принципиальная схема ультразвукового микрофона

Примечание:

Правильное размещение проводов питания улучшит шумовые характеристики схемы.

Провода к J1 должны быть короткими и подходить как можно более прямыми.

Провода питания должны подключаться с тыльной стороны монтажной платы.

Rd выбирается для демпфирования (успокоения) реакции преобразователя. Предполагаемое значение составляет 39 кОм.

По возможности скручивайте провода в виде витых пар.

высокой частоты. Профильтрованный сигнал представляет собой разность частот, выпрямляется диодом D1 и интегрируется конденсатором С8. Выпрямленный сигнал находится в звуковом диапазоне, его можно реально слушать. Он настраивается с помощью переменного резистора R12 в секции генератора и позволяет выполнять избирательную настройку на конкретные частоты в пределах допустимого диапазона пьезопреобразователя TD1. Результирующие сигналы звуковых частот через блокирующий по постоянному току конденсатор СЮ подаются на регулятор громкости R19. Конденсатор С12 дополнительно отфильтровывает сохранившиеся высокочастотные сигналы. Со среднего вывода переменного сопротивления R19 подается звуковой сигнал на усилитель наушников 12 с выходным сопротивлением 8 Ом. Сигнал с выхода 12 через конденсатор С16 поступает на гнездо наушников J1. Усиление по мощности у 12 невелико, и кроме наушников к гнезду J1 можно подключить маломощный 8-омный громкоговоритель для группового прослушивания. Фильтр R21/C4 еще больше ослабляет высокие частоты.

Питание 12 развязано с помощью резистора R20 и конденсатора С15. Это обеспечивает стабильность схемы, предотвращает колебания в цепи обратной связи и другие нежелательные эффекты.

Рабочая точка I1A, I1B, I1C установлена на среднее значение напряжения питания с помощью резистивного делителя R7/R11. Резисторы R5, RIO, R15 компенсируют ток смещения.

Порядок сборки устройство

При сборке устройства выполните операции сначала по сборке макетной платы с перфорацией отверстий, затем других секций конструкции устройства:

1. Разложите компоненты по номиналам и назначению (отдельно резисторы, конденсаторы и т.д.) и сверьте их со спецификацией (табл. 26.1).

Таблица 26.1. Спецификация ультразвукового микрофона

Обозначение

Кол-во

Описание

№ в базе данных

R1.R21

2

Резистор 10 Ом, 0,25 Вт (коричневый-черный-черный)

 

R2

1

Резистор 3,9 кОм, 0,25 Вт (оранжевый-белый-красный)

 

R3

1

Резистор 10 МОм, 0,25 Вт (коричневый-черный-синий)

 

R4.R8.R18

3

Резистор 10 кОм, 0,25 Вт (коричневый-черный-оранжевый)

 

R12

1

Переменное сопротивление ЮкОм, 17 мм

 

R5, R7, R10, R11.R14.R15

6

Резистор 100 кОм, 0,25 Вт (коричневый-черный-желтый)

 

R6.R9

2

Резистор 470 кОм, 0,25 Вт (желтый-фиолетовый-желтый)

 

R13

1

Резистор 2,2 кОм, 0,25 Вт (красный-красный-красный)

 

R16

1

Резистор 1 МОм, 0,25 Вт (коричневый-черный-зеленый)

 

R17

1

Резистор 4,7 кОм, 0,25 Вт (желтый-фиолетовый-красный)

 

R19/S1

1/1

Переменное сопротивление ЮкОм, 17мм, движкового типа/переключатель

 

R20

1

Резистор 47 Ом, 0,25 Вт (желтый-фиолетовый-черный)

 

*Rd

1

Резистор 10-47 кОм (подборный, выбирается для схемы гасящего преобразователя), 0,25 Вт

 

С1

1

Электролитический конденсатор 10 мкФ, 25 В вертикальной установки

 

C2.C3.C4, С6,С10,С12

6

Дисковый или пластиковый конденсатор 0,01 мкФ, 25 В

 

С5,С7,С13, С14

4

Дисковый или пластиковый конденсатор 0,1 мкФ, 25 В

 

С8

1

Пластиковый конденсатор 0,047 мкФ, 50 В

 

С9.С16

 

Электролитический конденсатор 100 мкФ, 25 В вертикальной установки

 

С15

1

Электролитический конд енсатор 1000 мкФ, 25 В вертикальной установки

 

D1

1

Кремниевый диод IN914

 

L1

1

Индуктивная катушка 27 мГн

#IU27H

Q1

1

Транзистор полевой п-канальный J202 (FET)

 

И

1

Операционный усилитель LM074 в корпусе DIP

 

t2

1

УНЧ LM386 в корпусе DIP

 

J1

1

Стереозвуковой разъем 3,5 мм, подключенный в режиме «Моно»

 

TD1

1

Приемный акустический преобразователь 25 кГц

#llfTR8925

SH1

45 см

Экранированный микрофонный кабель

 

РВ1

1

Печатная плата РСВ или макетная плата размерами 5,06×5,06 см с перфорацией отверстий шагом 0,25 см

 

BAF1

1

Тонкий лист пластика 5,06×5,06 см для изолирования

 

BU1

1

Неопреновый проходной изолятор 2,54×1,27×0,48 см

 

CL1

1

Зажим для батарей с выводами 30 см

 

PARA12

1

Опция параболического отражателя

#IUPARA12

РСНТ9

1

Опция печатной платы РСВ

#IUPCHT9

2. Вставьте компоненты, начиная с левой стороны макетной платы с перфорацией, следуя плану, показанному на рис. 26.3, для подключения платы к другим секциям конструкций и используя 2 отверстия справа внизу в качестве ориентиров. Плата имеет размеры 5,72×5,72×0,25 см. Вместо нее можно использовать плату с печатной разводкой проводников РСВ, которую также можно приобрести через сайт www.amasingl.com. При соединениях используйте выводы компонентов, соединения между компонентами проводятся с обратной стороны платы (показаны пунктирной линией). Со стороны установки компонентов идут соединения, показанные сплошной линией. Более крупные детали рекомендуется примерить, прежде чем начинать пайку их выводов.

Всегда избегайте перемычек из неизолированного провода, некачественных паяных соединений, возможных замыканий вследствие пайки. Проверьте компоненты схемы устройства на наличие холодной пайки и некачественных паяных соединений.

Обратите внимание на полярность конденсаторов, на корпусе которых знаком «+» указана положительная полярность, другой вывод полярного конденсатора будет иметь, соответственно, отрицательную полярность,

Рис. 26.3. Макетная плата в сборе

а также на полярность всех полупроводниковых приборов. Цоколевка каждой из микросхем определяется ключом в форме полукруга и выводом микросхемы 1 слева от ключа. Выводы переменных сопротивлений и гнезда J1 должны физически совпадать с отверстиями для их установки в RP1.

3.              Нарежьте, зачистите и облудите провода для соединения с J1 и припаяйте их. Эти провода должны быть скручены и иметь длину 5,08 см.

4.              Изготовьте шасси CHAS1, переднюю панель RP1, корпус EN1 и рукоятку HAND1, как показано на рис. 26.4.

Рис. 26.4. Общий вид секций конструкций устройства для сбора, с указанными размерами для изготовления

Рис. 26.5. Установка макетной платы на шасси и внешние соединения платы

Примечание:

Очень важно обеспечить правильный отвод тепла от контактов преобразователяTD1 перед началом пайки. Если у вас есть сомнения, используйте гайки или надевающиеся соединения для отвода тепла. Учтите, что короткий контакт внутренне соединен с корпусом преобразователя и с заземлением схемы. Если между этим контактом и алюминиевым корпусом приоЛразивателя нет короткого замыкания, то данный преобразователь в результате перегрева будет испорчен!

Вы можете использовать батарею из 6 элементов ААна9Вилина12Вс использованием 8 элементов АА, которая размещается в рукоятке НА1. Питание 12В позволяетувеличить звуковую отдачу маломощного громкоговорителя 8 Ом и его громкость.

5. Подготовьте оба конца экранированного кабеля описанным ниже способом. Если используется опция параболического отражателя, вам понадобится 45 см кабеля, если нет – 15 см (рис. 26.5).

Рис. 26.6. Окончательный вид конструкции устройства с использованием отражателя

Примечание:

Экранированный кабель имеет длину 45 см и проходит через небольшое отверстие в задней крышке САРЗ и отражателе PARA12.

TD1 размещается впроходном изоляторе BU1 .Затем эта сборка вставляется во внутрь цилиндрического корпуса длиной 13,2 см, с внешним диаметром 4,13 см с помощью кольцевых прокладок. Такое размещение TD1 фиксирует преобразователь и защищает его оттолчков.

щ

Соединения преобразователя выполняются всоответствии с рис. 26.5.

–           аккуратно удалите 1,9 см внешней изоляции, но так, чтобы не повредить оплетку экрана;

–           прорежьте оплетку экрана острым предметом, например булавкой, и скрутите из него провод. Аккуратно облудите только кончики, чтобы удержать составляющие его нити вместе;

–           аккуратно зачистите 0,64 см изоляции центрального провода и облудите;

–           проверьте готовый кабель на наличие замыкания или утечек с помощью измерительного прибора-мультиметра в режиме измерения сопротивления.

6. Припаяйте катушку L1, контакты пьезопреобразователя и демпфирующий резистор Rd друг к другу в параллель, а также концы кабеля SH1 (центральную жилу к одной общей точке, оплетку кабеля – к другой), см. рис. 26.5. При пайке будьте осторожны, чтобы не перегреть контакты преобразователя или изоляцию центрального проводника. При перегреве контактов компонент, особенно пьезопреобразователь, как было сообщено выше, выйдет из строя. Вы можете выполнить простой тест на

Рис. 26.7. Вид конструкции устройства в сборе без использования отражателя

короткое замыкание между металлическим корпусом компонента и самым коротким выводом. Если сопротивление при этом выше 1 Ом, это означает, что вы испортили эту деталь и ее необходимо заменить. Механические соединения с использованием скручивания жгута, проволочных гаек и т.д. показаны выше (см. рис. 26.5).

7. Соберите устройство как показано. Сборка с использованием параболического отражателя показана на рис. 26.6, а на рис. 26.7 – без него.

Предварительные электрические испытания

Для проверки работоспособности системы выполните следующие действия:

1.         Выключите устройство, подключите наушники HS30, вставьте батарею 9 В. Подключите измерительный прибор-мультиметр в режиме измерения тока 100 мА к контактам переключателя R19 и быстро измерьте ток, который должен быть около 20 мА. Отключите мультиметр и установите регулятор R19 на среднее положение. Обратите внимание на мягкий шипящий звук в наушниках. Затем включите компьютер или телевизор и настройте R19 для получения четкого тонового сигнала от одного из этих источников звука. Выключите источник звука и мягко потрите двумя пальцами друг о друга, слушая в наушниках ясно различимый звук. Проверьте весь диапазон регулятора на возникновение нежелательных сигналов обратной связи или ложных сигналов.

Теперь устройство готово к окончательной сборке. Обратите внимание на контрольные точки и форму сигналов (см. рис. 26.2). Форма и амплитуда сигналы должны соответствовать указанным на рис. 26.2.

2.         Завершите окончательную сборку, добавив параболический отражатель PARA12 для значительного увеличения дальности приема звуков прибором (см. рис. 26.6).

Имейте в виду, что ваш прибор может воспринимать сильные магнитные поля, поскольку он не экранирован от них. Выполнение теста на эффект Доплера, который был описан выше, позволяет легко различить эти поля.

Особое замечание: использование стоячей волны

Можно сформировать стоячую волну перед пьезопреобразователем TD1 и улучшить чувствительность системы. Направьте прибор на стабильный неинтенсивный источник ультразвуковой энергии и аккуратно отрегулируйте расстояние до металлической пластины 2,54×2,54 см, установленной перед лицевой стороной преобразователя, наблюдайте увеличение сигнала по мере приближения к пьезопреобразователю. Этот эффект будет возникать в полуволновых умножителях и наиболее сильно проявляться вблизи преобразователя. Используйте собственную изобретательность для модификации этого простого действия.

Дополнительное зомечоние по поводу применения устройство

Прибор может доставить немало веселых часов для взрослых и детей. Например, можно спрятать где-либо небольшую коробочку с генератором частоты 25 кГц. Узкая диаграмма направленности устройства и его способность регистрировать различные уровни сигналов позволят быстро обнаружить этот спрятанный источник поочередно участниками игры, под шутки и прибаутки! Имейте в виду, что дальность действия устройства может превышать 400 м! Это дает много вариантов выбора места для тайника с генератором, и ваше воображение подскажет, как затруднить его поиск. Я провел много приятного времени со своими детьми и друзьями, используя в игре это оборудование.

Запись выходного сигнала

Вы можете легко записать выходной сигнал с помощью записывающего устройства, подключив к выходному гнезду наушников дополнительный вход. Для одновременного прослушивания при записи может использоваться адаптер «У». С адаптером можно использовать два комплекта наушников с выходным импедансом 8 Ом.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты