هیدروفون (میکروفون زیرآبی) حرفه‌ای با سنسور پیزو

قبل از هرچیز بریم سراغ تغییرات مهمی که رو مدار دادیم. سیلندر پیزو وقتی ضربه می‌خوره می‌تونه ولتاژهای ناگهانی (اسپایک) بالایی تولید کنه که به راحتی به آپ‌امپ OPA1642 (که به عنوان بافر امپدانس بالا تو مدار استفاده شده) آسیب می‌رسونه. فرکانس رزونانس مکانیکی این سنسور حدود 43 کیلوهرتز هست، یعنی اسپایک ولتاژ خیلی سریع تغییر مسیر می‌ده اما دامنه‌اش به شدت بالاست.

بنابراین باید یه فکر اساسی برای محافظت از آپ‌امپ می‌کردیم. اینجا دقیقا همون مدار محافظی رو می‌بینی که هم برای نسخه فانتوم پاور (P48) و هم برای نسخه 9 ولتی قابل استفاده است.

برای حل این مشکل، یه مقاومت 1 کیلواهمی سری در کنار مقاومت 1 مگااهم اضافه کردیم که تأثیرش روی سطح سیگنال ورودی فقط 0.1 درصده و اصلا به چشم نمیاد. در کنارش، از دو تا دیود شاتکی استفاده کردیم.

دیودهای شاتکی نسبت به دیودهای معمولی دو تا مزیت دارن: سرعت سوئیچشون خیلی بالاتره و تو ولتاژ پایین‌تری هدایت رو شروع می‌کنن. پس اگه ولتاژ ورودی از ولتاژ تغذیه مثبت بیشتر بشه، دیود بالایی وارد عمل می‌شه.

و اگه ولتاژ از خط زمین (تغذیه منفی) کمتر بشه، دیود پایینی جریان رو تخلیه می‌کنه. خازن 100 نانوفاراد هم تو فرکانس 43 کیلوهرتز امپدانس خیلی پایینی (حدود 37 اهم) داره.

این ترکیب باعث می‌شه ولتاژهای گذرا به راحتی خنثی بشن. جالب‌ترین نکته اینه که این مدار محافظ حتی زمانی که دستگاه خاموشه هم به خوبی کار می‌کنه و جلوی سوختن آپ‌امپ رو بر اثر ضربه‌های ناگهانی می‌گیره. جلوتر در مورد محافظت فیزیکی هم بیشتر صحبت می‌کنیم. خب، حالا که خیالمون از بابت مدار محافظ راحت شد، بیایم یه نگاه سریع به هر دو نسخه مدار بندازیم.

تو نسخه P48، ولتاژ فانتوم پاور از طریق پین‌های 2 و 3 کانکتور XLR وارد می‌شه که با دو تا مقاومت دریافتش می‌کنیم. بعد از فیلتر شدن با خازن، یه دیود زنر ولتاژ رو روی 12 ولت ثابت نگه‌می‌داره.

در نهایت با یه فیلتر خازنی و مقاومتی دیگه، نویزهای احتمالی تولید شده توسط دیود زنر رو هم حذف می‌کنیم. حالا می‌رسیم به بخش جالب ماجرا. آپ‌امپ‌ها برای کارکرد درست به تغذیه متقارن (دوبل) نیاز دارن. ما با استفاده از دو تا مقاومت 47 کیلواهم و یه خازن 22 میکروفاراد این تغذیه رو شبیه‌سازی می‌کنیم.

این ترکیب یه زمین مجازی به ما می‌ده که نسبت به زمین واقعی مدار حدود 5.7 ولت اختلاف پتانسیل داره. حالا بریم سراغ مسیر سیگنال: سیگنال از پیزو میاد، از مدار محافظ رد می‌شه و وارد ورودی غیرمعکوس‌کننده اولین طبقه آپ‌امپ OPA1642 (که به صورت بافر با گین 1 بسته شده) می‌شه.

از این نقطه، سیگنال دو تا مسیر رو طی می‌کنه. مسیر اول وارد یه مقاومت 2.2 کیلواهم و بعد طبقه دوم آپ‌امپ می‌شه. این طبقه به صورت معکوس‌کننده بسته شده و گین اون از تقسیم مقاومت فیدبک بر مقاومت ورودی به دست میاد.

این یعنی سیگنالی با گین منفی یک می‌سازیم. حالا سیگنال معکوس‌شده به پین 3 و سیگنال اصلی به پین 2 کانکتور XLR می‌ره. هر دو سیگنال از طریق خازن‌های 22 میکروفاراد کوپلاژ می‌شن و یه مقاومت 47 اهمی هم آپ‌امپ رو ایزوله می‌کنه. به جز اضافه شدن بخش محافظ، ساختار کلی این مدار شبیه به نسخه‌های قبلی هیدروفونه.

نسخه دوگانه که با باتری 9 ولتی کار می‌کنه، علاوه بر مدار محافظ، دو تا تغییر جذاب دیگه هم داره. اولین مورد تو بخش اتصال باتریه. یه دیود محافظ اضافه کردم تا اگه اشتباها قطب‌های باتری رو برعکس وصل کردی، مدار هیچ آسیبی نبینه. البته هیچکس عمدا این کار رو نمی‌کنه! ضمنا این مدار می‌تونه با ولتاژهای بین 6.5 تا 30 ولت هم به راحتی کار کنه.

تو این نسخه هم دقیقا مثل مدل قبلی، با دو تا مقاومت 47 کیلواهم و یه خازن 22 میکروفاراد یه زمین مجازی می‌سازیم. بعد از اون، سیگنال وارد دو تا مدار آپ‌امپ کاملا مشابه می‌شه و همون دیودهای شاتکی ازش محافظت می‌کنن.

سپس سیگنال به یه طبقه تقویت‌کننده غیرمعکوس‌کننده وارد می‌شه. گین این طبقه با فرمول (1 + نسبت مقاومت‌ها) تنظیم شده که حدود 21 دسی‌بل تقویت به ما می‌ده. دلیل این کار اینه که خیلی از رکوردرهای کوچیک با ورودی 3.5 میلی‌متری، وقتی گین داخلی‌شون بالا می‌ره، نویز زیادی تولید می‌کنن.

اما آپ‌امپ OPA1642 این تقویت رو با کمترین نویز ممکن انجام می‌ده که حتی از پری‌آمپ‌های رکوردرهای حرفه‌ای هم عملکرد تمیزتری داره. بقیه مسیر خروجی هم شبیه نسخه P48 هست. سیگنال از خازن 22 میکروفاراد رد می‌شه تا ولتاژ DC حذف بشه و یه مقاومت 47 اهمی هم قرار داره.

در نهایت هر دو سیگنال به یه جک 3.5 میلی‌متری می‌رن تا آماده اتصال به رکوردر بشن. برای تست این مدار، یه سیلندر پیزو (بدون قالب رزین) رو بهش وصل کردم و محکم کوبیدمش روی میز! با اینکه گین پری‌آمپ روی کمترین حالت بود، عقربه VU متر چسبید به سقف. اما خبر خوب این بود که مدار هیچ آسیبی ندید! این یعنی محافظت ورودی دقیقا همون‌طوری که می‌خواستیم کار می‌کنه.

هر دو نسخه این بردها با طراحی جدید و اضافه شدن مدارات محافظ به‌روزرسانی شدن. پدهای لحیم‌کاری طوری قرار گرفتن که مونتاژ قطعات راحت‌تر بشه و درصد خطا موقع سیم‌کشی به حداقل برسه.

+1

برای کپسوله کردن مدار تو رزین، قالب رو بزرگ‌تر طراحی کردم تا فضای بیشتری برای قرارگیری سیلندر و برد فراهم بشه. یه شیار V شکل هم روی بدنه قالب در نظر گرفته شده تا وقتی رزین خشک شد، خیلی راحت بتونی قالب رو بشکافی و هیدروفون رو در بیاری.

البته داشتن یه قالب سیلیکونی چندبار مصرف ایده‌آل‌ترین حالته. علاوه بر قالب اصلی، درپوش‌های بالا و پایین سیلندر پیزو رو هم طراحی کردم تا کاملا کیپ بشن.

درپوش پایینی یه دیسک ساده است، اما درپوش بالایی دو تا زبانه داره که برد رو محکم نگه می‌داره و یه شکاف کوچیک هم برای عبور سیم زمین توش تعبیه شده تا مونتاژ خیلی تمیز دربیاد.

خب، حالا که با تئوری مدار و قطعات پرینت سه‌بعدی آشنا شدی، وقتشه آستین‌ها رو بالا بزنی و وارد فاز عملی بشی. تو مراحل بعدی قراره قدم‌به‌قدم نحوه عایق‌بندی سیلندر پیزو، لحیم‌کاری برد و در نهایت قالب‌گیری با رزین رو با هم پیش ببریم. حتما قبل از شروع، تمام قطعات و ابزارها رو روی میز کارت مرتب کن.

+4

حالا بریم سراغ سرهم کردن قطعات فیزیکی. اینجا درپوش جدیدی که طراحی کردیم رو می‌بینی که سیلندر رو مهر و موم می‌کنه و همزمان برد مدار رو برای قالب‌گیری نگه می‌داره. این قطعه دقیقا بین مقاومت‌های R10 و R11 جا می‌گیره و یه شکاف هم برای عبور سیم داخلی داره.

برای عایق‌بندی کامل از چسب قدرتمند E6000 استفاده می‌کنیم. برای اتصالات از سیم‌های کوتاه با روکش سیلیکونی (ضخامت 24AWG) استفاده کن.

یکی از سیم‌ها رو به لایه نقره‌ای بیرونی سیلندر و سیم دیگه رو به لایه داخلی لحیم کن. سطح داخلی مربوط به زمین و سطح بیرونی برای سیگناله.

حالا وقتشه که سیلندر رو ببندیم. یه لایه چسب E6000 دور درپوش پایینی بزن و سیلندر رو روش قرار بده. بذار کاملا خشک بشه و بعد چکش کن.

باید مطمئن بشی که چسب دور تا دور (360 درجه) رو کامل پوشونده. همین کار رو برای درپوش بالایی هم تکرار کن. این قسمت یکم قلق داره چون باید سیم داخلی رو همزمان از شکاف رد کنی.

وقتی درپوش جا رفت، روی شکاف سیم رو هم با چسب پر کن تا کاملا کیپ بشه. خوبی این چسب اینه که اجازه نمی‌ده رزین تو همون دقایق اولیه به داخل سیلندر نفوذ کنه. بعد از خشک شدن، کل سیلندر رو بررسی کن تا درز باز نمونده باشه.

نباید هیچ منفذی برای ورود رزین وجود داشته باشه. تو طراحی جدید برد، سوراخ‌های مربوط به سیم‌های سیلندر دقیقا سر جای مناسب قرار گرفتن تا مونتاژت راحت‌تر بشه.

سیم‌های زمین و سیگنال از دو طرف مخالف وارد برد می‌شن تا تقارن حفظ بشه. اونا رو لحیم کن، یه مقدار چسب E6000 روی زبانه‌های درپوش بزن و برد رو سر جاش فیکس کن. بذار کل مجموعه خشک بشه و حتما قبل از رزین‌ریزی یه تست صدا ازش بگیر.

+2

برای کابل، از کابل‌های باکیفیت میکروفون استفاده می‌کنیم که مقاومت بالایی زیر آب دارن. حتی می‌تونی از کابل‌های دورشته‌ای که شبیه سیم‌های برق معمولی (Zip Cord) هستن استفاده کنی. این کابل‌ها تست شدن و می‌تونن بیشتر از یک هفته زیر آب دووم بیارن.

اولین قدم اینه که کانکتور XLR رو به یک سر کابل وصل کنیم. روکش پلاستیکی انتهایی کانکتور (Boot) رو روی کابل بنداز. حواست باشه این تیکه رو یادت نره!

حالا سر سیم‌ها رو لخت کن و کمی قلع‌اندودشون کن تا لحیم‌کاری راحت بشه. سیم شیلد رو به پین 1، سیم آبی رو به پین 3 و سیم سفید (یا شفاف) رو به پین 2 لحیم کن.

این ترکیب رنگ‌ها رو یه جا یادداشت کن تا موقع اتصال سمت دیگه کابل به برد هیدروفون گیج نشی. بعد از چک کردن اتصالات، قاب فلزی کانکتور رو ببند و محکم کن.

در نهایت روکش پلاستیکی رو بیار بالا و روی کانکتور پیچش کن. برای سمت هیدروفون، روکش ضخیم بیرونی کابل رو جدا کن. پیشنهاد می‌کنم از تیغ کاتر استفاده کنی، اما مراقب باش به سیم‌های داخلی آسیب نزنی. سیم‌ها رو مرتب کن؛ شیلد به پین 1، سفید به پین 2 و آبی به پین 3 متصل می‌شن. سیم‌ها رو قلع‌اندود کن و دقیقا روی پدهای مشخص‌شده روی برد لحیم کن. حتما چک کن که اتصالی نکرده باشن.

حالا می‌رسیم به یه نکته طلایی: اضافه کردن سیم زمین فیزیکی. اگه این سیم رو نذاری، هیدروفونت احتمالا نویز و هوم (Hum) زیادی می‌گیره. در واقع اضافه کردن همین سیم زمین بود که کیفیت نسخه‌های قبلی این هیدروفون رو متحول کرد.

یه تیکه سیم مسی ضخیم بدون روکش (حدود 10 تا 15 سانتی‌متر) بردار، تهش رو به شکل یه حلقه کوچیک دربیار و اون رو به سیم شیلد متصل و لحیم کن. اینم از محصول آماده رزین‌ریزی. حتما قبل از قالب‌گیری، اون رو به یه پری‌آمپ وصل کن و یه تست نهایی ازش بگیر.

برای راحتی کار، تو این نسخه از یه قالب بزرگ‌تر استفاده می‌کنیم تا سیلندر راحت‌تر وسط قالب قرار بگیره و رزین به خوبی تمام سیم‌ها رو بپوشونه. قبل از ریختن رزین، کابل و مدار رو داخل قالب آویزون کن.

برای نگه داشتن کابل می‌تونی از گیره‌های مونتاژ (دست سوم) کمک بگیری. اگه گیره‌ات دندانه‌داره، حتما دورش چسب بزن تا روکش کابلت رو زخمی نکنه.

خیلی مهمه که قطعات دقیقا وسط قالب باشن و به دیواره‌ها نچسبن. حالا وقتشه که رزین رو آماده کنی. رزین اپوکسی دو جزء A و B داره که باید به نسبت مساوی با هم ترکیب بشن.

حتما موقع کار با رزین از دستکش نیتریل استفاده کن. وقتی شروع به هم زدن می‌کنی، متوجه می‌شی که رزین شفاف‌تر و حتی کمی روون‌تر می‌شه. وقتی حس کردی ظرف کمی گرم شده، یعنی زمان ریختن فرا رسیده. اگه بیش از حد هم بزنی، رزین سفت می‌شه و کل قالب‌گیریت خراب می‌شه.

هم زدن رو نهایتا تو دو دقیقه تموم کن. من یه بار سر فیلم‌برداری زمان رو از دست دادم و رزین سفت شد! همچنین اگه قالبت رو با فیلامنت سبز پرینت کرده باشی، ممکنه رنگش کمی به رزین پس بده. بهتره قالب‌ها رو با متریال ABS یا PLA چاپ کنی. متریال PETG برای این کار خیلی سفته و موقع شکستن قالب حسابی اذیتت می‌کنه.

اگه دوست داری هیدروفونت رنگی و جذاب بشه، می‌تونی از رنگ‌های مخصوص رزین استفاده کنی. من اینجا تصمیم گرفتم یه هیدروفون بنفش خیلی خوش‌رنگ بسازم.

چند قطره از رنگ رو به جزء B اضافه کن و خوب هم بزن، بعد جزء A رو قاطیش کن. رنگی شدن رزین باعث می‌شه تشخیص مخلوط شدنش سخت‌تر بشه، پس پیشنهاد می‌کنم اول یه بار با رزین بی‌رنگ تمرین کنی.

وقتی حباب‌ها کمتر شد، رزین رو آروم داخل قالب بریز. اجازه بده حداقل یک ساعت بمونه تا خشک بشه. واکنش شیمیایی رزین گرما تولید می‌کنه، پس صبر کن تا قالب کاملا خنک بشه.

تو طراحی جدید قالب، یه شیار V شکل در نظر گرفتم که شکستن و جدا کردنش رو خیلی راحت‌تر می‌کنه. کافیه با کاتر روی شیار خط بندازی و قالب رو از وسط باز کنی.

چند تا نکته نهایی: هر قالب به حدود 80 میلی‌متر رزین نیاز داره. حتما قالب رو با نوارچسب به میز محکم کن تا موقع ریختن رزین تکون نخوره. کابل رو هم حسابی سفت ببند. قالب‌گیری‌ها رو یکی‌یکی انجام بده تا خیالت راحت باشه که رزین وسط کار سفت نمی‌شه.

برای تست کیفیت، صداهای ضبط شده با نسخه‌های مختلف رو وارد نرم‌افزار Audacity کردم و گین رو بالا بردم تا راحت‌تر مقایسه بشن. نسخه جدید که داخل سیلندر پیزو فضای هوا داره، کیفیت صدای به‌مراتب بهتری نسبت به طرح‌های قبلی ارائه می‌ده.

از نظر تئوری این تغییر آکوستیک خیلی مؤثره و پیشنهاد می‌کنم تو تمام بردهای P48 از این روش استفاده کنی. اما برای نسخه دراپ ریگ (باتری‌خور) نیازی بهش نیست.

وقتی این هیدروفون رو با مدل‌های تجاری مثل Aquarian مقایسه کردم، متوجه شدم مدل‌های تجاری با وجود گین اولیه بالاتر، صدای کدر و نامفهومی دارن. با نگاه به اسپکتروگرام صدا متوجه شدم که میکروفون‌های تجاری تقریبا هیچ سیگنالی بالای 10 کیلوهرتز ثبت نمی‌کنن، در حالی که هیدروفونی که ما ساختیم به راحتی فرکانس‌های اولتراسونیک رو دریافت می‌کنه!

تو اسکرین‌شات اسپکتروگرام دقیقا می‌تونی این تفاوت فاحش رو ببینی. به عنوان یه ارتقای فیزیکی، می‌تونی یه تیکه فوم استوانه‌ای (مثل فوم‌های لوله یا نودل استخر) رو دور کابل و قسمت بالایی سنسور قرار بدی تا وقتی هیدروفون رو میندازی تو آب و به سنگ‌ها می‌خوره، آسیب نبینه.

این مدل که مدار محافظ ورودی و 20 دسی‌بل گین داخلی داره، برای تست تو محیط‌های باز بی‌نظیره. من این هیدروفون رو اول تو یه خلیج کوچیک با صخره‌های زیاد تست کردم و بعد بردمش برای ضبط صدا تو آب‌های آزاد؛ کیفیت صدای ضبط شده از برخورد موج‌ها و موجودات زیر آب واقعا نفس‌گیر بود.

عملکرد این هیدروفون واقعا فراتر از انتظاره و به راحتی می‌تونه مدل‌های تجاری که چند برابر قیمت دارن رو شکست بده. اگه به کشف و ضبط صداهای دنیای زیر آب علاقه داری، این پروژه یکی از بهترین تجربه‌هات خواهد بود.

من حتی قصد دارم یه آرایه 8 تایی از این هیدروفون‌ها بسازم تا بتونم صدای دالبی و فضایی (Immersive) نهنگ‌ها رو زیر آب ضبط کنم! امیدوارم از این آموزش اختصاصی تیم آیسی‌مدار لذت برده باشی. حتما نظرت رو برامون بنویس و اگه این گجت رو ساختی، عکسش رو تو اپلیکیشن با ما به اشتراک بذار. موفق باشی!