Делаем простую гидроакустическую антенну из мусора
Привет, глубокоуважаемые!
Значит кто-то из вас недорабатывает! © Полковник одного ведомства
Этот краткий туториал призван устранить мою давнишнюю недоработку — давно нужно было рассказать любителям, как сделать самый простой и дешевый гидрофон и передающую гидроакустическую антенну, если при прочтении этих слов в душе у вас что-то всколыхнулось — просим под кат!
В одной из предыдущих статей мы рассказывали как можно просто передавать «видео» звуком через воду, мы привели даже исходный текст и я подробно описал как и почему это работает, но не снабдил людей самым главным для проверки — инструкцией, как самому быстро без регистрации и смс сделать простейшие антенны чтобы звук в воду излучить и чтобы звук из воды принять.
Если в обычной жизни для излучения звука мы используем динамики (такие, как например у вас в ноутбуке или автомобиле), а для записи звука — микрофон, то спешу вас обрадовать: под водой и воспроизведение (мы говорим «излучение») и запись звука (преобразование) выполняются зачастую одним и тем же устройством, которое и называется гидроакустической антенной.
В подавляющем большинстве случаев гидроакустическая антенна представляет собой один или несколько пьезоэлементов: пластин, дисков, колец, сфер, полусфер и т.п.
Пьезоэлементы обладают т.н. пьезоэффектом: если подавать на элемент переменный электрический сигнал, то элемент начинает колебаться, а если элемент колебать, ну например, акустической волной, то на нем начинает вырабатываться переменный электрический сигнал.
То есть, пьезоэлемент преобразует электрический сигнал в акустические волны (механические колебания) и наоборот — акустические волны в электрический сигнал.
Как говорится: теория без практики мертва! Давайте не будем терять времени и сделаем пару гидроакустических антенн.
Материалы, которые нам понадобятся: 
- пара пьезопищалок Ф35 мм (мы купили 10 штук за 100 рублей на Алиэксперссе)
- 10-ти метровый отрезок кабеля RG-174
- два коннектора Jack 3.5 мм стерео
- медная/латунная/нержавеющая пластина шириной 50×100 мм толщиной 1–2 мм
- эпоксидный клей
- силиконовый герметик (безуксусный)
- припой и флюс
- спирт для обезжиривания и протирки IP-пакетов
- два любых резистора с номиналами 470 — 1000 кОм (мы взяли MF25 0.25 Вт)
- два диода 1N4934
Инструменты:
- дрель и сверла Ф3 и 2.5 мм (чтобы сверлить медную пластику)
- ножовка по металлу или дремель (чтобы пилить медную пластину)
- наждачная бумага 200–600 грит (чтобы зачистить медную пластину)
- нож, кусачки (для зачистки проводов)
- паяльник или паяльная станция
- стоматологическая лопатка для разравнивания герметика
Просто так подключать пьезоэлемент к звуковой карте, ноутбуку или планшету нельзя — во-первых, пьезоэлемент может накапливать достаточно большой заряд, который может повредить электронику при подключении, а во-вторых, при подключении к линейному или микрофонному входу звуковой карты нужно защитить входной каскад входа, т.к. опять же, пьезоэлемент может выдавать сигнал с достаточно большим напряжением при сильном механическом воздействии.
Для того, чтобы неподключенная антенна не накапливала заряд ей в параллель ставится резистор номиналом 0.5 — 1 МОм (R1).
В приемной антенне, для ограничения максимального напряжения можно собрать простейший пороговый ограничитель из диодов D1, D2 и резистора 0.5 — 1 МОм (R2). В качестве диодов можно взять 1N4934, а резисторы R1, R2 мы взяли MF25 номиналом 470 кОм. Обратите внимание, если планируется подключать приемную антенну в микрофонный вход (а не в линейный), то дополнительно потребуется конденсатор C1 номиналом 0.1… 1 uF, иначе питание, подаваемое звуковой картой на электретный микрофон окажется коротко замкнуто через диод D1.
Нехитрая схема подключения пьезы
Сами пьезоэлементы нужно приклеить на металлические пластины при помощи эпоксидки. Это, во-первых, понизит резонансную частоту пьезоэлемента (добавили неподрессоренную массу), а во-вторых, будучи приклеенной одной стороной к жесткой металлической пластине пьезоэлемент не сможет сжиматься и растягиваться и ему придется изгибаться.
Размечаем металлическую пластину по размеру пьезоэлемента
Мы выпилили две квадратные пластины 50×50 мм и просверлили отверстия под кабель (диаметром 3 мм) и два отверстия для крепления кабеля при помощи тонкой нейлоновой нити, получилось вот так: 
Почти собранная антенна =)
Мы от купленного 10-ти метрового куска кабеля отрезали два куска по 3 метра, остальное оставили про запас.
Кабель заводим в отверстие, центральную его жилу припаиваем к металлизации пьезоэлемента, а экран — к его металлической подложке. В параллель, как договаривались, припаиваем резистор номиналом 470 кОм.
Другой конец кабеля зачищаем и собираем разъем: 
Центральную жилу запаиваем в центральный контакт (самый кончик разъема), средний оставляем нетронутым, а корпус разъема припаиваем к оплетке кабеля. Я всегда забываю надеть корпус разъема на кабель и мне приходится все перепаивать по два раза — не повторяйте моей ошибки)
После пайки очень важно отмыть флюс — особенно на пьезоэлементе. Если этого не сделать, то со временем он разъест пайку.
Итак, мы подготовили две антенны (на одной из них стоит пороговый ограничитель). Теперь самое время замешивать эпоксидку и одевать латексные перчатки.
Перед приклейкой пьезоэлементов к медным пластинам и то и другое стоит тщательно обезжирить спиртом (этиловым или изопропиловым) или ацетоном. Ни к коем случае не используйте для этих целей что-либо другое — бензин или керосин — эти вещества оставляют жирные следы, ухудшающие адгезию.
Стоит напомнить, что все работы со спиртами, ацетоном и эпоксидкой нужно проводить в хорошо провертриваемом пощещении, защищать руки и глаза. Не пренебрегайте правилами техники безопасности!
Наносим эпоксидку
Пропитываем нейлоновую нить, крепящую кабель к пластине.
Продолжаем наносить эпоксидку
Для приклейки пьезоэлемента к пластине достаточно совсем немного эпоксидного клея. Не перебарщиваем — эпоксидка не должна попасть на верхнюю часть, иначе при полимеризации она может разрушить тонкий слой пьезокерамики, плюс ко всему эпоксидка портится в воде.
В итоге должно получиться примерно так: 
Пьезоэлементы приклеены, оставляем все до полной полимеризации
Обычно эпоксидные клеи полностью полимеризуются за 24 часа. Мы например, так и сделали — оставили наши антенны до следующего дня.
….ждем 24 часа
Придя в лабораторию утром мы первым делом подключили первую антенну (без порогового ограничителя) в разъем наушников ноутбука. Если включить музыку и поднести нашу антенну к уху то можно убедится, что как минимум слышимый диапазон частот она воспроизводит совсем неплохо — есть даже намек на басы — так повлияла медная подложка.
Понятно дело, что в таком виде это уже акустическая передающая антенна, но еще все же не гидроакустическая. Чтобы исправить это недоразумение антенну нужно повторно обезжирить и покрыть тонким слоем герметика.
Важное замечание: не применяйте ацетатсодержащий санитарный герметик, содержащаяся в нем уксусная кислота разъест пайку, кабель и металлизацию пьезоэлемента.
Мы рекомендуем жидкую резину от KimTek, предназначенную для лодок и катеров. Если у кого уже есть в наличии вместо герметика можно воспользоваться отличными полиуретановыми компаундами от фирмы Smooth-On или 3M — так гораздо более технологично и модно.
силиконовый герметик на основе MS-полимера отлично подходит для наших целей
Для удобства мы сначала заполняем герметиком медицинский одноразовый шприц, и уже из него наносим герметик на пьезоэлемент и паяные соединения: 
Начинаем наносить герметик, стараемся чтобы не было воздушных пузырей
После нанесения герметика разравниваем его стоматологической лопаткой или кому чем удобно (можно даже пальцем). В итоге у нас получилось так:
Эстетическое совершенство =)
Не стоит делать слой герметика слишком толстым — антенна потеряет чувствительность. Достаточно слоя толщиной 1 мм. Тщательно защищаем герметиком места пайки, резисторы и диоды.
Можно покрыть герметиком и обратную сторону пластины — на одной антенне мы так и сделали, а на другой не стали.
Если перенести резисторы и диоды ближе к кабелю, то пьезоэлемент намазывать герметиком будет гораздо удобнее и слой получится ровнее.
После завершения скульпторской работы опять оставляем антенны на 24 часа.
Давайте посчитаем чего нам стоили эти две антенны:
2 Пьезопищалки Ф35 мм — 20 руб
10 метров кабеля RG-174 — 300 руб
2 Коннектора Jack 3.5 mm — 70 руб
медная пластина 100×50х1 мм — 120 руб
Итого: 510 рублей
Правда, если брать в расчет стоимость эпоксидного клея, обезжиривателя и особенно силиконового герметика, 500 мл которого стоят 900 руб итоговые затраты оказываются немного больше.
P.S.
Собственно, теперь смело можно передавать видео звуком через воду. Моя совесть чиста)
P.P. S.
С удовольствием примем обоснованную критику и вопросы по существу, если тема вам интересна — дайте нам знать, это очень мотивирует в том числе на новые статьи.
