«Этот колесный транспорт сделан из овоща» © Спокойной ночи малыши, 03.12.2022
На выходе у нас получится достаточно чувствительный дисковый гидрофон, с помощью которого мы сможем записывать гидроакустические сигналы в диапазоне частот примерно от 10 до 40 кГц: звуки рыб и морских млекопитающих, шумы двигателей судов и лодок и даже шум снежной метели и скрип шагов по льду, если вы захотите изучать звуки в водоемах, закованных в ледяную корку. А еще мы дадим несколько простых приемов работы со звуковым редактором, и научим видеть то, что не слышно. Все это под катом!
0. Intro
Приветствую, глубокоуважаемые!
Мы маниакально привержены идее несения гидроакустики в массы. Признаюсь, что нам очень хотелось бы, чтобы этот туториал нашел применение на каких‑нибудь кружках или уроках труда в школах, потому что мы убеждены, что специалистов нужно воспитывать с самого раннего возраста. Мы постарались изложить все шаги максимально подробно и опираться только на доступные для широкого круга читателей материалы и оборудование.
Туториал состоит из трех частей:
Изготовление самого гидрофона.
Изготовление платы предусилителя, питающегося от USB
Запись сигналов и простые приемы работы со звуковым редактором
Давайте сразу перейдем к делу.
1. Изготовление гидрофона
Вот так будет выглядеть ваш новый гидрофон в итоге:
Гидрофон — это основной инструмент, который является для нас посредником между мирами — нашим, привычным, и подводным.
1.2. Что нам понадобится?
1.2.1. Список материалов
№ | Материал | Количество | Примечания |
1 | Диск пьезокерамический Ф35 мм Murata 7BB-35-3C или аналогичный | 1 шт | |
2 | Кабель коаксиальный RG-174 | 2 м | |
3 | Полиуретановый компаунд на выбор: | 2 х 50 г | Указан объем готовой смеси для двух заливок |
4 | Разделитель для форм на выбор: | немного =) | |
5 | Мягкий припой, например ПОС-61 Ф0.5 - 1 мм | немного =) | |
6 | Флюс спиртоканифольный нейтральный | немного =) | |
7 | Наждачная бумага 150-200 grit | полоска 1 х 5 см | |
8 | Спирт изопропиловый | немного =) | |
9 | Шприц Жане (он же промывочный 140 мл) | 2 шт | Для двух заливок |
10 | Шприц 20 мл | 4 шт | Для двух заливок |
11 | Пластиковый стаканчик 500 мл | 2 шт | Для двух заливок |
12 | Деревянная палочка Ф3-5 мм и длиной 30 см (подойдут шпажки для шашлыков или палочки для китайской лапши) | 2 шт | Для двух заливок |
13 | Салфетки бумажные или туалетная бумага | 1 пачка/рулон | Лучше выбирать те, что дают меньше ворса |
14 | Ацетон | 100 мл | для отмывки компонентов уретанового компаунда в случае пролития |
В работе мы используем другой полиуретановый компаунд, который для любителя найти достаточно сложно, да и работать с ним совсем не просто. Вместо этого мы рекомендуем легкодоступные и широко распространенные компаунды, которые тоже подходит для нашей задачи.
Вы можете попробовать и другие компаунды от других производителей.
Основными параметрами для выбора должны быть т. н. время жизни (pot life) — в течение которого компаунд течет. Выбирайте компаунды с временем жизни не меньше 20–30 минут.
Второй параметр, который нужно иметь в виду — твердость готового изделия по Шору (шкала А): мы рекомендуем компаунды с твердостью порядка 60А, (но 30А и 90А тоже должны быть вполне походящими).
1.2.2. Инструменты и оборудование
№ | Инструмент/Прибор | Назначение |
1 | Паяльник или паяльная станция с возможностью задания температуры 250 °С | |
2 | Бокорезы/кусачки | |
3 | Нож или скальпель | |
4 | Пинцет | |
5 | Вакуумная камера с насосом | Для вакуумирования полиуретанового компаунда. |
6 | Мультиметр | для проверки перед и после заливки |
7 | Цифровой осциллограф | желателен для проверки |
Да, очень желательно иметь вакуумную камеру. При смешивании компонентов образуется очень много пузырьков, и удалить их из компаунда достаточно сложно.
В принципе, в виду того, что мы собираемся заливать достаточно небольшую форму, можно попробовать обойтись и без камеры: смешивайте компоненты аккуратно, стараясь не «нахватать» воздуха и выбирайте максимально текучие составы.
Другой обходной вариант, как обойтись без камеры и вообще без литья, я опишу чуть ниже.
1.2.3. Заливочная форма
Здесь мы не касаемся подробно вопроса изготовления заливочной формы: вы можете заказать ее печать на DLP 3D принтере или на фрезерном станке с ЧПУ. Мы например, так и поступили: распечатали форму на DLP принтере Anycubic Photon mono.
Если вы захотите выполнить ее на фрезерном станке, то в качестве материала мы рекомендуем использовать полиацеталь (Delrin) или капролон — эти материалы имеет высокую прочность и к ним ничего не прилипает. Delrin значительно более прост в обработке чем капролон.
Печать при помощи технологии FDM не рекомендуется в виду неудовлетворительного качества поверхности и высокой пористости получаемой конструкции.
Мы предоставляем в свободное пользование 3D модель формы в формате STL:
Вот так выглядит модель:
А вот так - результат печати по этой модели:
Для стягивания формы вам понадобятся четыре винта М8 х 1.25 х 20 мм (в нашей модели именно такая резьба).
Обратите внимание, что входное отверстие формы специально сделано для применения шприцев Жане и имеет диаметр Ф7 мм. Внутри формы часть входного канала выполнена в виде последовательных цилиндрических полостей. Это сделано специально для того, что бы часть компаунда, заполимеризовавшегося во входном канале, могла быть использована в качестве прокладок для последующей заливки. Далее мы расскажем подробней, что с этим делать.
1.3. Сборка гидрофона
Итак. Сначала зачищаем 2–3 см кабеля от изоляции. Рекомендуем сразу пользоваться удобным инструментом — это позволит сэкономить время и нервы, а также сохранить экран кабеля целым.
Далее разделяем экран кабеля на две равные части и разводим их в две противоположные стороны, чтобы не превысить толщину кабеля (наша форма узкая — чтобы как можно меньший слой полиуретана отделял пьезодиск от внешней среды).
Подгибаем экранные жилы и обрезаем. В итоге должно получиться как на следующем рисунке:
Соединение кабеля и металлизации пьезопластины — это ответственное соединение. Пьезокерамика чувствительна к перегреву, а серебряный слой металлизации — к агрессивным средам. Поэтому мы рекомендуем не использовать варварские способы пайки, вроде аспирина или паяльной кислоты.
Лучший выбор — нейтральный флюс, мы, например, используем такой (не сочтите за рекламу):
Флюс наносится без фанатизма, исключительно на места пайки. Сначала припаиваем оплетку кабеля к металлической подложке. Если припаять сразу не получается, можно аккуратно поцарапать место пайки скальпелем (царапать можно только подложку, куда припаивается экран! Металлизацию на поверхности пьезокерамической пластины царапать нельзя!). Длительность пайки одного соединения не должна превышать 5 секунд.
Сам процесс пайки показан на следующих картинках:
Обратите внимание на то, что между диском и краем внешней изоляции кабеля есть промежуток. Если его не сделать, то кабель будет слишком сильно торчать и после заливки так и останется торчать, что приведет к тому, что останутся места, где вода сможет попасть внутрь устройства минуя полиуретановый корпус или изоляцию кабеля.
После пайки остатки флюса необходимо отмыть. Можно использовать этиловый или изопропиловый спирт. Никакие другие составы (одеколон, водка, самогон, бензин «калоша», керосин и т. п.) использовать нельзя. Отмываем ватной палочкой с двух сторон.
Далее, берем мультиметр и переводим его в режим измерения сопротивления. Убеждаемся, что нет короткого замыкания между жилой и оплеткой кабеля. Если есть - ищем и устраняем место замыкания.
Теперь можем примерить будущий гидрофон в форме.
Место, отмеченное кончиком пинцета, показывает докуда нужно зашкурить кабель. Зашкурить нужно будет перед установкой в форме, перед окончательным обезжириванием. А пока, необходимо приклеить полиуретановые прокладки - те самые, которые получаются от предыдущей заливки при помощи кусачек или ножниц. Если у вас таких нет, то самое время перескочить немного вперед и сделать пробную заливку в форме (без пьезопластины).
Когда прокладки в наличии (их должно получаться как раз 6 штук), приклеиваем их с обеих сторон на металлическую подложку при помощи суперклея, опять же, без фанатизма.
Теперь зашкуриваем ту часть кабеля, которая будет покрыта полиуретаном. Зашкуриваем поперек кабеля, а не вдоль!
На этом этап сборки гидрофона закончен. Самое время перейти к заливке.
1.4. Заливка
ПОЖАЛУЙСТА, ПОЖАЛУЙСТА, ПОЖАЛУЙСТА ПРОЧИТАЙТЕ ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ!!!
ВНИМАНИЕ! Ради всего святого, используйте средства индивидуальной защиты: очки, перчатки. Все работы с реактивами необходимо проводить в очень хорошо проветриваемом помещении (мы все делаем в вытяжных шкафах!). Берегите себя — пусть у человечества будет здоровый ученый, с целыми глазами и руками!!!
Кроме шуток — никто из нас даже отвертку в руку не возьмет, не надев защитные очки. К компонентам компаунда и растворителям мы не прикасаемся без перчаток. Это все очень не полезно для здоровья! Черт возьми, пожалуйста, берегите себя! Нас (инженеров, ученых) и так мало и качество постоянно падает.
Перед заливкой окончательно обезжириваем наш гидрофон спиртом. Брызгаем форму разделителем. Опять без фанатизма: внимательно читаем инструкцию на баллоне.
Располагаем гидрофон в форме. Не елозим там им, не собираем разделитель со стенок.
Накрываем второй половинкой, закручиваем болты. Если у вас форма изготовлена при помощи печати — затягиваем аккуратно: материал достаточно хрупкий.
Мы не будем здесь повторять инструкцию по заливке, прилагаемую к компаунду. В двух словах: рекомендуемый компаунд смешивается равными объемными долями. Удобно подготовить пластиковый одноразовый стаканчик на 500 мл, взять два шприца объемом по 20 мл, взять обе баночки (полимер и сшивающий агент — компоненты обычно обозначаются производителем как «A» и «B»). Положить их по левую и правую сторону от себя, соответствующим образом подписать шприцы — одним вы будете набирать из баночки «А», другим — из баночки «B», совать шприц, испачканный в одном компоненте в банку с другим — значит в итоге выбросить остатки компонента в мусорку.
Итак.
Шприцем «A» набираем из баночки «A» полный шприц и сливаем в стаканчик. Повторяем. В итоге у нас в стаканчике 40 мл компонента «A».
Шприцем «B» набираем из баночки «B» полный шприц и сливаем в стаканчик. Повторяем. В итоге у нас в стаканчике 40 мл компонента «B». т. е. суммарный объем смеси 80 мл.
На всякий случай заводим секундомер, чтобы не расслабляться и не медлить.
Активно перемешиваем содержимое стаканчика при помощи деревянной палочки в течении 1–2 минут.
рисунок 1.21 - Перемешиваем компаунд Ставим стаканчик в вакуумную камеру и вакуумируем 5 минут от момента, когда давление вышло на минимум, но не более 10 минут!
рисунок 1.22 - Вакуумируем Пока компаунд вакуумируется, самое время распаковать шприц Жане:
рисунок 1.23 - Шприц Жане
Набирать шприцем компаунд из стаканчика — «это путь в Ад, Франческо, друг мой!» ©. Вместо этого:
вынимаем поршень из шприца;
располагаем шприц носиком вниз, при этом зажимаем носик пальцем;
наливаем компаунд в шприц со стакана, соскребая по стенкам палочкой, которой перемешивали компаунд;
аккуратно вставляем шток назад, постепенно, боком;
переворачиваем шприц и даем стечь уретану на дно (шток);
отпускаем палец, вытираем каплю уретана салфеткой;
подводим шток вверх так, чтобы уретан почти доходил до края носика.
Все. Можно заливать:
Заливаем постепенно. До того момента, когда уретан выходит из выходных каналов. Останавливаемся примерно на таком уровне:
На этом заливка заканчивается и полиуретану требуется время на полимеризацию. Оставляем все при рекомендуемой производителем температуре на 24 часа.
Форма достаточно маленькая, поэтому мы не вакуумируем ее — достаточно дегазации компаунда в стакане. Как правило, в таких формах пузырей практически не остается, если все было сделано правильно: компаунд быстро и качественно перемешан, отвакуумирован а температурный режим соблюден.
1.5. Альтернативный вариант герметизации без вакуумной камеры
Мы прекрасно понимаем, что необходимость наличия вакуумной камеры сильно уменьшает число тех, кто сможет собрать себе гидрофон.
Поэтому я приведу здесь упрощенный вариант герметизации гидрофона. Я подсмотрел его у своего бывшего коллеги и, не побоюсь этого высокого слова — одного из учителей — Сергея Литвиненко.
Нам не потребуется ни заливочная форма, ни вакуумная камера ни полиуретановый компаунд.
Нужен только собранный гидрофон — пьезопластина с припаянным кабелем. Кабель должен быть зашкурен и все как следует обезжирено.
Мы заменим полиуретан качественным герметиком. Важно, чтобы герметик был нейтральный, иначе его компоненты могут привести к коррозии внутри конструкции. У меня под рукой на данный момент есть вот такой:
Мы обычно набираем герметик в 20-ти кубиковый шприц для удобства.
Далее нам потребуется 4 тонкие салфетки, пластиковая карточка и небольшая книга в жесткой обложке.
Кладем две салфетки на стол, выдавливаем герметик
на глазна салфетки по размеру чуть больше пьезопластины и разравниваем немного при помощи пластиковой карты:
Помещаем на герметик наш гидрофон и легонько вдавливаем. Под пластиной должен остаться слой герметика 4-5 мм:
рисунок 1.29 - Помещаем гидрофон на слой герметика Далее наносим второй слой герметика (примерно столько же) и опять разравниваем пластиковой картой:
рисунок 1.30 - Наносим второй слой герметика Далее накрываем все это двумя салфетками (одна может промокнуть):
И кладем сверху книгу, слегка придавливая:
рисунок 1.32 - Придавливаем при помощи книги
Для того, чтобы толщина получилась нужная и одинаковая со всех сторон, можно подложить под книгу что-то.
В зависимости от условий в помещении и применяемого герметика, потребуется от нескольких часов до суток, чтобы герметик полностью заполимеризовался.
Лучше выждать сутки. После чего отрываем салфетки. Если они приклеились сильно - скатываем бумагу под проточной водой. Затем аккуратно обрезаем наш гидрофон ножницами, до придания приемлемой формы:
Внимательно рассматриваем гидрофон на предмет воздушных пузырей и незалитых полостей. Если что‑то такое обнаруживается, заполняем их тем же герметиком из шприца и зашпаклевываем при помощи пластиковой карты.
Стоит предупредить, что такой способ герметизации все‑таки сильно уступает заливке в полиуретан — адгезия герметика к кабелю значительно меньше таковой у полиуретанового состава, в герметике немного другая скорость звука (какая кстати?), сам способ нанесения не обеспечивает отсутствия воздушных полостей и неизвестно, что будет с герметиком в перспективе под воздействием воды и солнца.
Еще хочу сразу предостеречь от совмещения заливки в форму и «замазывания» в герметик: не делайте так. Большинство бытовых герметиков отверждаются от влажности воздуха, и будучи помещенными в закрытую форму заполимеризуются очень не скоро.
Не заливайте в эпоксидку — она дает усадку с образованием внутренних напряжений, плохо прилипает к гибкому кабелю и не очень устойчива к воде.
1.5. Проверка
По прошествии 24 часов форму можно открыть. Я писал этот туториал буквально по мере изготовления и мы на самом деле открыли форму примерно через 24 часа. Вот что мы увидели:
Если присутствуют серьезные дефекты заливки — перечитайте инструкцию к компаунду еще раз, возможно вы что‑то сделали не так:
не соблюдены пропорции;
слишком долго смешивали и вакуумировали (не вакуумировали?);
не соблюден температурный режим;
набрали много воздуха при переливании в шприц и т. п.
Гидрофон плоский и не должно возникнуть особых сложностей при изъятии его из формы. На всякий случай упомяну, что стараемся тянуть за литники (не за кабель!).
Литники обрезаем кусачками или ножницами. Тонкая пленка, образовавшаяся из‑за неплотного прилегания частей формы легко обрывается руками.
Получившиеся прокладки не выбрасываем - они пойдут на следующий гидрофон!
Итак, если все получилось, как и планировалось, то проверим наш гидрофон. Удобнее всего это сделать при помощи осциллографа:
Интересный эффект связанный с поляризацией пьезокерамического диска: при постукивании с лицевой стороны возникает положительный импульс, а при постукивании с тыльной стороны - отрицательный. Про это нужно помнить, если вы соединяете несколько таких гидрофонов вместе.
От пика до пика у нас получается порядка 2.7 вольта.
Что ж, поздравляем с новым гидрофоном, вы — великолепны! =)
Использовать этот гидрофон напрямую не очень удобно: он имеет слишком малую чувствительность.
Для того, чтобы он стал по настоящему полезным, его необходимо снабдить предусилителем и полосовым фильтром.
Как сделать предусилитель для вашего нового гидрофона — ниже, в следующем разделе.
2. Изготовления предусилителя гидрофона
В результате у вас будет полноценный гидрофон с предусилителем, который можно питать от USB‑порта любого ноутбука и записывать при помощи звуковой карты ноутбука подводные звуки.
Подразумевается, что у вас уже есть дисковый гидрофон, который мы изготовили в предыдущем разделе. Если у вас есть какой‑то другой гидрофон, вы можете попробовать подключить его к этому предусилителю.
Для краткости мы будем называть гидрофон с предусилителем активным гидрофоном. Вот так будет выглядеть ваш новый активный гидрофон в итоге:
В рамках данного туториала мы будем изготавливать печатную плату предусилителя.
Мы постарались сделать изготовление как можно проще: на плате применены только планарные компоненты и вам даже не придется ничего сверлить, а суммарная стоимость все компонентов на плате не превышает 100 рублей.
Мы рассчитываем на то, что этот проект может быть выполнен даже школьниками на уроках технологии или в каком‑либо техническом кружке. Если вы имеете опыт в изготовлении электронных устройств, не обращайте внимание на излишнюю подробность =).
Если вы готовы, то мы немедленно переходим к делу.
2.1. Что нам понадобится?
2.1.1. Материалы и оборудование
На рисунке ниже приведена принципиальная электрическая схема предусилителя: для общего понимания и на случай если вы захотите выполнить разводку платы самостоятельно.
На следующем рисунке изображено расположение элементов на печатной плате.
Список электронных компонентов для платы:
№ | Обозначение на схеме | Наименование/номинал | Типоразмер/Корпус | Назначение |
1 | DA1 | TL072 | SOIC8 | операционный усилитель |
2 | VD1 | SMF8.5A | SOD-123FL | защитный диод от входного импульсного высокого напряжения |
3 | VD2 | BZX384-C4V7,115 | SOD-123FL | стабилитрон на 5 Вольт, для защиты входа МК, если защита не требуется, то не устанавливать |
4 | VD3, VD4 | диод Шоттки | SOD-323 | защита входа МК, если защита не требуется, то не устанавливать |
5 | R1 | 300 кОм | 1206 | подает смещение (виртуальную “землю”) на неинвертирующий вход первого канала |
6 | R2, R3 | 0 Ом | - | перемычки для удобства разводки платы |
7 | R4 | 1.1 кОм | 1206 | задает коэффициент усиления первого канала |
8 | R5 | 51 кОм | 1206 | задает коэффициент усиления первого канала |
9 | R6, R7 | 16 кОм | 1206 | формируют смещения напряжения равное половине питающего напряжения (виртуальная “земля” для однополярных схем) |
10 | R8 | 160 кОм | 1206 | фильтр виртуальной “земли” второго канала операционного усилителя |
11 | R9 | 1.1 кОм | 1206 | задает коэффициент усиления первого канала |
12 | R10 | 36 кОм | 1206 | задает коэффициент усиления второго канала |
13 | R11, R12 | 51 кОм | 1206 | для работы с МК, задает напряжение смещение. Если смещение не требуется, то R12 не подключать |
14 | R13 | 1.1 кОм | 1206 | защита от короткого замыкания по выходу |
15 | C1 | 1 мкФ | 0805 | фильтрует помехи на виртуальной “земле” |
16 | C2 | 0.1 мкФ | 0805 | фильтр по питанию |
17 | C3 | 10 нФ | 0805 | фильтрует низкочастотные компоненты сигнала и отделяет постоянную составляющую для однополярного питания неинвертирующего включения операционного усилителя |
18 | C4 | 0.1 мкФ | 0805 | разделительный конденсатор между первым и вторым каналами операционного усилителя |
19 | C5 | 1 мкФ | 0805 | фильтр виртуальной “земли” второго канала операционного усилителя |
20 | C6 | 0.1 мкФ | 0805 | разделительный конденсатор между вторым каналам операционного усилителя и выходом платы |
Элементы VD2, VD3, VD4, R12 устанавливаются только если предполагается подключать предусилитель ко входу микроконтроллера. При подключении к звуковой карте ПК эти элементы не припаиваются.
Список материалов и оборудования для самостоятельного изготовления платы:
№ | Материал/Инструмент | Количество | Примечания |
1 | Одно- или двухсторонний стеклотекстолит 0.5-2 мм FR4 18 мкм | 45 х 26 мм | |
2 | Хлорное железо FeCl3 | 2 ст. ложки на 250 мл воды | для травления металлизации |
3 | Спирт изопропиловый | ~100 мл | для протирки |
4 | Фотобумага A4 110-210 г/м2 | 1 лист | |
5 | Салфетки или туалетная бумага | 1 пачка/рулон | |
6 | Принтер лазерный | 1 шт | |
7 | Бумага наждачная 600 grit | немного =) | |
8 | Резинка стирательная | 1 шт | |
9 | Контейнер для завтраков ~400-1000 мл плоский | 1 шт | |
10 | Ножовка по металлу | 1 шт | |
11 | Острый нож | 1 шт | |
12 | Тонкий перманентный маркер | 1 шт | |
13 | Утюг | 1 шт | |
14 | Разделочная доска деревянная | 1 шт | |
15 | Металлическая линейка | 1 шт |
Прочие материалы и оборудование:
№ | Материал/Инструмент | Количество | Примечания |
1 | Паяльник или паяльная станция | 1 шт | |
2 | Мягкий припой, например ПОС-61 Ф0.5 - 1 мм | немного =) | |
3 | Флюс нейтральный спиртоканифольный | немного =) | |
4 | Бокорезы/Кусачки | 1 шт | |
5 | Пинцет | 1 шт | |
6 | Кабель со штекером Jack 3.5 мм | 1 шт ~0.5-1 м | |
7 | Кабель со штекером USB | 1 шт ~0.5-1 м |
Если вы решите заказать где-нибудь изготовление платы, то материалы и инструменты из таблиц выше вам не потребуются и вы можете смело пропустить пункт следующий пункт. Чтобы заказать плату вам потребуется еще Gerber-файл.
2.2. Изготовление
ВНИМАНИЕ! Строго соблюдайте правила техники безопасности: во время изготовления надевайте защитные очки - глаза вам не лишние! Их очень легко повредить, но и предотвратить это тоже очень просто - НАДЕВАЙТЕ ЗАЩИТНЫЕ ОЧКИ! Будьте аккуратны с растворителями - все работы должны выполняться в перчатках и в хорошо проветриваемом помещении! Используемые электроприборы - утюг и паяльник при небрежном обращении могут нанести серьезные травмы, ожоги и поражения электрическим током. Если вы несовершеннолетний - выполняйте работы ТОЛЬКО ПОД ПРИСМОТРОМ ВЗРОСЛЫХ!!!
Изготовление условно можно разделить на:
изготовление печатной платы;
напайку электронных компонентов на плату;
подключение гидрофона, кабеля питания и выхода сигнала.
2.2.1. Изготовление печатной платы
Итак. Вы выбрали режим полного погружения. Это достойный выбор. Если ваш кусок текстолита не соответствует требуемому размеру, размечаем его при помощи линейки:
Намечаем бороздки при помощи ножа:
И аккуратно, не спеша отпиливаем при помощи ножовки по металлу.Не используйте ножницы по металлу! Они гнут стеклотекстолит!
Обязательно обрабатываем края заготовки при помощи наждачной бумаги:
Активируем поверхность металлизации мелкой (1000 grit) наждачной бумагой. Без фанатизма:
Тщательно отмываем заготовку спиртом или ацетоном:
Еще раз тщательно протираем слой металлизации ватной палочкой, смоченной в спирте или ацетоне:
Теперь поверхность очищена и обезжирена, поэтому нельзя касаться ее руками. Отложим ее пока и распечатаем маску на фотобумаге. Здесь у вас будет небольшой простор для изысканий: необходимо добиться того, чтобы маска распечаталась в нужном размере: 40х23.5 мм. Рекомендуем попробовать сначала на обычной бумаге, и только при успешном подборе масштаба печати печатать на фотобумаге.
Вот изображение маски, которое необходимо напечатать. Оно уже зеркально, так что вам нужно просто распечатать в правильном размере. На всякий случай еще раз напомню, что нужен именно лазерный принтер!
У нас получилось так:
Аккуратно вырезаем ножницами, не касаясь самого рисунка руками. Лучше если он будет идеально подходить по размеру к заготовке - так будет удобнее выравнивать.
Самое время подготовить разделочную доску (у нас просто кусок доски =) и включить утюг. Температуру на утюге выставляем на максимум. Кладем заготовку на доску металлизацией вверх, сверху на нее - вырезанную маску, рисунком вниз.
Сначала прижимаем утюгом и следим, чтобы бумага не сдвинулась относительно заготовки. Через несколько секунд, когда тонер расплавится можно аккуратно разглаживать.
Если у вас получится - можно погреть заготовку на перевернутом утюге, вот так:
Затем разглаживаем через тонкое кухонное полотенце (наше очень грязное, но мы не используем его в кухонных целях =)
Общее время «разглаживания» обычно составляет секунд 20–30. После разглаживания аккуратно кладем заготовку под проточную холодную воду. Размачиваем бумагу и скатываем ее пальцами с заготовки.
Когда вся бумага будет удалена, тщательно промокните заготовку салфетками и удалите остатки (если таковые есть) бумаги обычной стирательной резинкой.
Теперь настало время подготовить раствор хлорного железа.
ВНИМАНИЕ!!! Приготовление раствора хлорного железа может быть опасным: реакция растворения экзотермическая, т.е. идет с выделением тепла! Соблюдайте осторожность и медленно, мелкими порциями всыпайте хлорное железо в воду (А НЕ НАОБОРОТ!!!).
ВНИМАНИЕ!!! Раствор очень сильно пачкается и очень плохо отмывается. Делайте все в перчатках и фартуке.
В зависимости от используемого контейнера (у нас контейнер на 700 мл) выбирайте соответствующий объем воды и массу порошка хлорного железа исходя из пропорции 2 столовые ложки с горкой на 1 стакан (250 мл) воды
После того, как раствор будет приготовлен опускаем нашу заготовку в раствор:
Время травления сильно зависит от раствора, температуры и принтера. Поэтому периодически доставайте заготовку при помощи деревянной или пластиковой палочки и проверяйте состояние.
Когда медь, не покрытая тонером полностью растворится, достаем заготовку и тщательно промываем в проточной воде.
После промывки промакаем салфетками и проверяем отсутствие оставшихся, невытравленных перемычек между дорожками. Если такие есть.
На рисунке выше как раз есть несъеденная хлорным железом медная перемычка. Ее можно удалить или механически или при помощи ватной палочки, смоченной в растворе хлорного железа.
После того, как заготовка будет полностью проверена, отмыта и высушена, можно будет смыть тонер. Тонер смывается только ацетоном. Заготовка смачивается ацетоном и тонер удаляется при помощи ватной палочки:
После того, как тонер будет полностью удален процесс изготовления печатной платы можно считать полностью завершенным.
На рисунке ниже для наглядности мы приводим изображение платы под микроскопом:
Можно смело переходить к сборке!
2.3. Сборка платы
Сборка платы в целом не хитрое и скучное мероприятие. Вам нужно подготовить паяльник или паяльную станцию. Для пайки нашего предусилителя удобно использовать жало “микроволна” 1.6 - 2 мм. Кладем перед собой схему, элементы. Аккуратно и без фанатизма наносим на плату флюс, устанавливаем компоненты и припаиваем по очереди. Мы начинаем с операционного усилителя.
Последовательность действий достаточно простая и повторяется для каждого элемента:
Наносим флюс:
Устанавливаем элемент:
Касаемся жалом паяльника нитки припоя и пропаиваем ножки элемента:
После напайки всех элементов отмываем плату при помощи ватной палочки, смоченной в спирте. У нас получилось так:
Поздравляем! Самая сложная и ответственная часть работы осталась позади. Вы просто великолепны!
2.4. Подключение гидрофона и разъемов
Итак. Проведем инвентаризацию. У нас есть:
плата предусилителя;
гидрофон;
кабель USB;
кабель со штекером Jack 3.5 mm.
На рисунке обозначены:
№ | Обозначение | Назначение |
|---|---|---|
1 | VCC | Плюс питания - 5 Вольт |
2 | Input signal | Центральная жила кабеля гидрофона - входной сигнал |
3 | Output signal | Выходной сигнал - контакты разъема Jack 3.5 для подключения к звуковой карте |
4 | GND | Земля/Экран Для удобства есть две площадки: слева припаиваются земли питания и гидрофона, справа - общий разъема звуковой карты |
У всех кабелей на концах зачищаем примерно 1 см общей изоляции и по 1–2 мм у жил.
Начнем с кабеля питания. Кабели USB обычно имеют 4 жилы и экран. Как правило красная и черная — питание и земля. Остальные два используются для передачи данных и они нам не нужны — их зачищать не нужно, мы оставим их неподключенными. На всякий случай рекомендуем при помощи мультиметра убедиться в назначении жил: подключить кабель к USB и проверить, что между черной и красной жилами 5 вольт.
Если у вас разъем для подключения к звуковой карте Стерео (3 контакта на штырьке) то жилы от кончика и среднего контакта спаиваем вместе и заводим на Output signal. Общий — на GND. У разъема Моно всего два контакта — ближайший к кабелю всегда общий. Гидрофон запаивается проще всего — центральная жила кабеля на площадку Input signal, оплетка — на GND. Вот так получилось у нас:
Пора переходить к проверке.
2.5. Проверка предусилителя
Все, что нам нужно для проверки — ноутбук или ПК со звуковой картой.
Для наших целей потребуется приложение, позволяющее записывать звук и отображать спектрограмму. Мы используем ОС Windows 10 и для звукозаписи можем рекомендовать очень удобное бесплатное приложение Ocenaudio.
Подключите шнур питания к USB порту, а разъем Jack — к разъему микрофонного входа ПК или ноутбука. Установите приложение и просто нажмите кнопку записи. В некоторых случаях вам придется повозиться с системными настройками.
Некоторые звуковые карты имеют фильтр, ограничивающий все частоты выше примерно 15–17 кГц, но в большинстве систем пользователю доступны частоты вплоть до половины частоты дискретизации (в соответствии с теоремой Котельникова).
Наш сетап выглядит вот так (мы специально поехали проверить все в небольшой плавательный бассейн):
У нас есть достаточно мощный излучатель, который, конечно, не предназначен для таких малых “водоемов”, но мы решили воспользоваться им, т.к. сразу ехать на лед без проверки - так себе затея.
Мы специально подготовили тестовый сигнал который состоит из белого шума, линейно меняющегося тона и тональных посылок. На следующем рисунке виден процесс записи куска белого шума. Белый шум удобен для определения амплитудно‑частотной характеристики системы, но об этом мы расскажем как‑нибудь в другой раз.
Кстати, прикладываем к этому туториалу запись, сделанную в бассейне.
На этом этап изготовления и проверки активного гидрофона завершен. Теперь самое время испытать его в реальном водоеме!
3. Запись подводных звуков из-подо льда
3.0. Дисклеймер
ВНИМАНИЕ!!! Водоемы — повышенный источник опасности, и присутствие на воде или на поверхности льда требует строжайшего соблюдения правил безопасности! Если у вас нет опыта, вы не прошли инструктаж по технике безопасности или являетесь несовершеннолетним — ни в коем случае не выходите на воду или лед водоема!!! Если вы повторяете опыты, описываемые в данном материале — вы действуете на свой страх и риск — мы не несем ответственности за вашу безопасность!
Чтобы дисклеймер не звучал сухо и буднично, я расскажу пару коротких случаев из жизни.
Году в 2010, еще работая в НИИ, мы группой товарищей отправились на какую‑то конференцию в Домбай. Дело было в апреле, если мне не изменяет память. В день приезда прошел хороший снегопад, а другие пару‑тройку дней была ясная солнечная погода. Мы отсиживали заседания и бегали гулять по горам, поднимались на подъемнике. Я, всю жизнь проведший на Волге, и будучи от рождения довольно смуглым решил, что ну а что мне сделает пару дней апрельского солнца? Коллег (белобрысых от природы) я поучал о коварности ультрафиолета в горах. Я почуял неладное, когда в день закрытия конференции увидел, что у одной из девушек лицо стало будто покрашено пополам: верхняя половина до ноздрей белая, а нижняя — практически бордовая. В тот момент я почувствовал легкое жжение на носу и на лбу. Так как в тот раз, я не обгорал еще никогда в жизни! Мне было так плохо, что я просто буквально совал лицо в сугробы. С собой ни у кого ничего не было, и какую‑то мазь я смог купить только в Минводах на обратном пути. И уже в поезде на Волгоград я выглядел как Фредди Крюгер. Эта история у меня очень прочно связана с другой, произошедшей совсем недавно — зимой 2020 года.
Недалеко от того места, где мы живем есть пруд или озеро. Ширина его метров 30–40, глубина везде 2 метра и мы часто используем его для испытаний. Обычно, к середине декабря на нем встает лед и весь район катается по нему на коньках, люди сокращают через озеро привычный путь, рыбаки все иссверливают вдоль и поперек, зассывают и закидывают окурками. Когда мы гуляем с детьми, я постоянно рассказываю всем как опасно ходить по льду, что нужно всегда держать ухо востро и ни в коем случае не подходить к полынье, где в озеро втекает какой‑то сток.
Вот так озеро выглядит этой зимой:
В один из вечеров, приехав с работы я, совершенно на автопилоте взял своего лабрадора и пошел с ним на прогулку. В это время года я хожу через озеро — там и чище и машин нет. В этот день с утра была оттепель, но я прикинул, что растаять лед точно не успел — и я же не пойду к кромке, ей богу!
Буквально за секунду до, я услышал треск и даже не успел сообразить, что дальше идти не стоит. В следующий момент я уже видел мир с уровня воды. Провалился я буквально в самой правой части фотографии, где сидят утки. Пес мой кстати, не провалился. Но коль скоро лабрадоры не только ретриверы, но и собаки‑компаньоны, то он конечно удивился, но вернулся ко мне и прыгнул в воду. Имея в собачей голове какую‑то такую мысль: ну право же странно, что‑то ты даже и не разделся, ну, купаться — так купаться. Самое сложное кстати было вытолкать на лед собакена, сам я уже методом ледокола дошел до берега, благо тот был совсем рядом.
У меня даже сохранилось фото того места, где я провалился:
Что объединяет эти две истории у меня в голове, так это упреки: Ну как же так? Ты ведь всегда такой предусмотрительный? Как с тобой вообще могло это произойти? Ты же сам всем рассказывал!
А вот так и бывает! Поэтому когда на работе я встаю из‑за компа и иду или заливать или что‑то механическое делать, то сразу надеваю защитные очки. Я их всегда надеваю. Вообще без исключений: даже если просто раскрыть форму и достать готовое изделие. Посудите сами: если я их не надену вот например в этот раз и произойдет что‑то нехорошее, как вообще все это будет выглядеть? Учитывая, что речь идет про очки, возможно что для меня никак.
Поэтому и вы надевайте очки, используйте перчатки, по тонкому льду не ходите и ради всего святого: никогда, никогда вообще не пренебрегайте правилами техники безопасности. Оно просто все вот это не стоит вашего здоровья.
Но хватит мне нагонять страх, продолжим.
3.1. Введение
В данной статье мы описываем опыт использования изготовленного нами ранее гидрофона с предусилителем. В начале декабря нам очень повезло с погодой — солнечная, безветренная, за две недели морозов лед на небольших водоемах набрал достаточную прочность. Мы как раз подготовили макетные образцы оборудования для испытания нашей новой трекинговой системы WAUY и собрались на один из переходов в Волго‑Донском судоходном канале. Мы решили не упускать шанс проверить в условиях реального водоема наш гидрофон — это во‑первых, отличная демонстрация его возможностей, а во‑вторых, на примере реальных записей можно обучить простейшим приемам работы со звуковыми записями.
Зимние водоемы со стоячей водой закованные в ледяной покров — идеальные условия для записи подводных звуков, потому что шумы от ветрового волнения и судоходства отсутствуют.
Итак. Наш штаб на льду выглядел таким образом:
Ноутбук в общем не предназначен для работы при пониженных температурах и большую часть времени наш работает от преобразователя, подключенного к большому 12-вольтовому аккумулятору. К сожалению, преобразователь дает очень сильную импульсную помеху, которая попадает на запись. Поэтому на время записи мы отключаем ноутбук от внешнего питания.
Наш гидрофон сделан из доступных материалов (чтобы у желающих повторить эту конструкцию не возникло проблем с комплектующими) и изоляция кабеля RG-174 выполнена из ПВХ, который дубеет на морозе и его сложно вытянуть после того, как он был смотан. В коммерческих устройствах мы используем кабели только с полиуретановой изоляцией, которая лишена такого недостатка.
С некоторыми усилиями гидрофон опускается в лунку. В некоторых случаях, особенно если кабель длинный и хочется опустить устройство на большую глубину, придется привязать к нему какой-то груз - чтобы кабель выпрямлялся под его весом.
Этой зимой сложилась приятная ситуация — морозы простояли достаточно долго чтобы лед успел набрать прочность, а осадков практически не было. В таких случаях мы передвигаемся по поверхности водоема на коньках.
Лед на водоемах часто трескается (с непривычки можно испугаться). Возникают вот такие трещины:
Иногда, если трещина возникает где‑то рядом, слышится громкий хруст. Но чаще можно услышать (и иногда даже почувствовать ногами) звук расходящейся где‑то далеко трещины. Он достаточно характерен и его сложно с чем‑то спутать.
3.2. Разбор фрагмента №1
Мы подумали, что неплохо было бы на примере такого звука разобрать самые базовые приемы работы с гидрофоном и звуковым редактором. Хоть наш гидрофон и предназначен для записи звуков примерно от 10 кГц, а звук расходящейся трещины явно низкочастотный, мы все же сделали пару записей длительностью по 3–4 минуты, на которых явно должны были попасть несколько таких звуков.
Найти их в длинной записи не так просто — нужно внимательно просмотреть и прослушать всю запись. Поэтому мы уже выбрали соответствующий короткий кусок:
Для записи и манипуляций со звуком мы использовали очень удобное бесплатное приложение Ocenaudio. Вы можете скачать его и сами загрузить фрагмент записи, сделанной нами:
Исходный фрагмент записи № 1 (Wave 96 kHz mono)
Чтобы он выглядел так же, как и на скриншоте выше, выберите пункт меню View > Waveform & Spectral View или просто нажмите Ctrl + 3. Во временной реализации сигнала (верхняя половина окна) глаз ни за что не цепляется, а на спектрограмме (нижняя половина окна) примерно через 150 мсек от начала виден мощный «всплеск» (учитывая то, что он находится вне рабочей полосы гидрофона) в полосе от нескольких сотен по пары килогерц.
НЧ‑фильтр — это фильтр низких частот, он фильтрует низкие частоты от высоких. Часто этот термин вызывает путаницу. В этом случае удобно вспомнить английское название Lowpass filter, что означает низкие проходят.
Чтобы выделить этот участок, можно применить ко всему фрагменту НЧ‑фильтр, тем самым отфильтровав все частоты выше примерно 2 кГц. Для этого выберите пункт меню Effects > Filter > Lowpass Filter…. В появившемся диалоговом окне установите верхнюю частоту фильтра (passband limit) на значении примерно 2 кГц:
Фильтр задавит все частоты выше примерно 2 кГц.
Фрагмент записи №1: НЧ-фильтрация (Wave 96 kHz mono)
Теперь сигнал выглядит несколько иначе:
Лишний фон практически полностью подавлен, но громкость сигнала явно недостаточна. Чтобы исправить это мы нормализуем сигнал. Для чего выберем пункт меню Effects > Normalize. В результате получится такой сигнал:
Фрагмент записи №1: НЧ-фильтрация + нормализация (Wave 96 kHz mono)
Вместе с нормализацией немного вырос и уровень шумов, поэтому можно еще выполнить шумоподавление. В ocenaudio есть для этого удобная автоматическая функция: выбираем пункт меню Effects > Noise Reduction > Automatic Noise Reduction.
Теперь можно насладиться результатами работы и прослушать конечный результат. Звук расходящейся трещины теперь слышен отчетливо, и даже можно расслышать небольшое эхо, следующее за основным всплеском.
Фрагмент записи №1: НЧ-фильтрация + нормализация + автошумоподавление (Wave 96 kHz mono)
3.3. Разбор фрагмента №2
В качестве второго фрагмента предлагаем разобрать звук скрипа коньков по льду. Все этапы здесь в точности такие же:
Фрагмент записи №2: исходный сигнал (Wave 96 kHz mono)
Так как скрип коньков — это все‑таки широкополосный сигнал, то верхнюю частоту фильтра установим на значение порядка 15 кГц (близко к пределу нашего слуха):
Фрагмент записи №2: НЧ-фильтрация (Wave 96 kHz mono)
Фрагмент записи № 2: НЧ‑фильтрация + нормализация (Wave 96 kHz mono)
И окончательный результат, после автоматического шумоподавления:
Фрагмент записи № 2: НЧ‑фильтрация + нормализация + автошумоподавление (Wave 96 kHz mono)
Если приглядеться (прислушаться?) то примерно в середине записи слышен щелчок, но какова его природа мы предлагаем разобраться самостоятельно.
3.4. Самостоятельная работа: Фрагмент №3
В качестве бонуса предлагаем вам самим проделать такие же манипуляции с третьим фрагментом: субъективно, он примерно в 4 раза интересней первого фрагмента:
Фрагмент №3: Исходный сигнал (Wave 96 kHz mono)
4. Outro
Надеемся, вам было интересно окунуться в мир подводных звуков. А если вы пройдете по шагам и самостоятельно сделаете гидрофон, да еще и научите этому детей - наше безмерное уважение!
Всем коллективом благодарим вас за внимание и интерес к теме. Мы совершенно искренне рады, если это будет кому-то полезно. Нам очень важна обратная связь - конструктивная критика, вопросы, пожелания - не стесняйтесь высказываться. У нас полно идей для подобных материалов, и если они востребованы, то по мере возникновения свободного времени мы будем их публиковать.
Ваши, до глубины души
