هیدروفون حرفه‌ای برای ضبط صداهای زیر آب

مواد پیزوالکتریک خاصیت خیلی جالبی دارند؛ وقتی به آن‌ها فشار فیزیکی وارد می‌شود، ولتاژ تولید می‌کنند و برعکس، با اعمال ولتاژ تغییر شکل می‌دهند. این همان تکنولوژی است که سال‌ها در سیستم‌های سونار زیردریایی‌ها استفاده می‌شود. برای این پروژه، ما از یک سنسور پیزوالکتریک استوانه‌ای با جنس PZT استفاده می‌کنیم که دو طرف آن نقره‌اندود شده و فقط کافی است سیم‌ها را به آن لحیم کنیم.

رفتار صدا در آب کاملا با هوا فرق دارد. آب متراکم‌تر است و صدا می‌تواند مسافت‌های بسیار طولانی‌تری را طی کند، به خصوص در فرکانس‌های پایین. همچنین سرعت حرکت صدا در آب حدود چهار و نیم برابر بیشتر از هواست.

به همین دلیل، اگر بخواهی صدای زیر آب را به صورت استریو ضبط کنی، باید فاصله بین دو هیدروفون را حداقل یک متر در نظر بگیری تا صدای طبیعی‌تری داشته باشی.

نکته خیلی مهم دیگر، بحث انتقال صدا از آب به داخل هیدروفون است. تغییرات چگالی باعث انعکاس یا تغییر مسیر امواج صوتی می‌شود. برای اینکه صدا بدون افت کیفیت به سنسور برسد، باید رزینی که سنسور را در آن قالب‌گیری می‌کنیم، چگالی بسیار نزدیکی به چگالی آب داشته باشد. این‌طوری خیالت راحت است که بیشترین انتقال صدا را بدون تغییر شکل آن خواهی داشت.

مهم‌ترین بخش این مدار، خود قطعه پیزو است. در سیستم‌های صوتی زیر آب دو نوع سنسور داریم؛ نوع اکتیو که مثل اسپیکر عمل می‌کند و نوع پسیو که دقیقا کار میکروفون را انجام می‌دهد. هدف ما در اینجا ساخت یک میکروفون زیرآبی است، پس قطعا به سراغ مدل پسیو می‌رویم.

بعد از بررسی انواع مختلف پیزوها، مدل استوانه‌ای بهترین نتیجه را برای ضبط صدا نشان می‌دهد. این سنسورها حساسیت بالایی به امواج صوتی محیط اطرافشان دارند و به راحتی تمام لرزش‌های آب را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند و قیمت مناسبی هم دارند. Think underwater microphone.

سنسورهای پیزو به یک مدار با امپدانس ورودی بسیار بالا نیاز دارند تا بتوانند ولتاژ تولیدی را به درستی منتقل کنند. این مدار خیلی شبیه به پیش‌تقویت‌کننده‌های میکروفون‌های خازنی کار می‌کند. اگر این سنسور را مستقیم به یک ورودی معمولی وصل کنی، فرکانس‌های پایین به شدت افت می‌کنند و صدایی بسیار ضعیف و بی‌کیفیت می‌شنوی.

برای همین ما از یک مقاومت یک مگااهمی در ورودی استفاده می‌کنیم تا فرکانس‌های پایین هم به خوبی پوشش داده شوند.

این مدار به گونه‌ای طراحی شده که برق خودش را مستقیما از فانتوم پاور میکسر یا رکوردر می‌گیرد. در بخش تغذیه، با استفاده از دیود زنر دوازده ولتی و یک مدار تقسیم‌کننده ولتاژ، یک زمین مجازی پایدار برای آپ‌امپ می‌سازیم. قلب تپنده این مدار، آپ‌امپ بسیار کم‌نویز OPA1642 است که اعوجاج پایینی دارد و پهنای باند وسیعی را برای تقویت سیگنال فراهم می‌کند.

خروجی این آپ‌امپ وارد یک طبقه بافر معکوس‌کننده دیگر می‌شود تا در نهایت یک سیگنال تفاضلی تمیز و استاندارد را به کابل XLR بفرستد. همه این قطعات روی یک برد بسیار کوچک طراحی شده‌اند تا به راحتی داخل رزین و قالب نهایی جا بگیرند. تو می‌توانی این قطعات SMD را شخصا روی برد مونتاژ کنی یا یک نمونه آماده و مونتاژ شده تهیه کنی.

برای اینکه هیدروفون را کاملا ضدآب کنیم، باید کل مدار و سنسور را داخل رزین قرار دهیم. اما نمی‌توانیم از هر رزینی استفاده کنیم. برای بهترین انتقال صدا، باید رزین پلی‌اورتانی انتخاب کنی که چگالی ویژه آن در حدود 1.05 باشد. این عدد بسیار نزدیک به چگالی آب شیرین و آب شور دریاست.

همان‌طور که شیشه با ضریب شکست نزدیک به آب، زیر آب نامرئی به نظر می‌رسد، رزینی که چگالی نزدیک به آب داشته باشد هم از نظر صوتی برای امواج صوتی نامرئی خواهد بود. این یعنی صدا بدون هیچ مانع و تغییر شکلی مستقیما از آب وارد رزین شده و به سنسور می‌رسد.

+5

توجه: برای رفع نویز حتما یک سیم ارت برای تماس با آب اضافه کن!

برای جلوگیری از نویزهای مزاحم و هام در خروجی صدا، یک تکه سیم مسی بدون روکش را به قسمت شیلد مدار لحیم کن تا بعد از قالب‌گیری، این سیم مستقیما با آب در تماس باشد. این ترفند ساده تمام نویزهای ناخواسته را به خوبی از بین می‌برد. سیم هم نیازی نیست بلند باشد، همین که به آب برخورد کند کافی است.

موقع لحیم کردن سیم‌ها به بدنه سنسور پیزو باید خیلی محتاط باشی. مواد پیزوالکتریک به حرارت زیاد حساس هستند و اگر بیش از حد گرم شوند، خاصیت خودشان را از دست می‌دهند. همچنین چون جنس آن‌ها سرامیکی است، حرارت نامتقارن ممکن است باعث ترک خوردنشان شود. پس هویه را خیلی سریع و تمیز روی پدها بزن و بردار.

برای اینکه قطبیت سنسورها یکسان بماند، سیم سیگنال را به سطح بیرونی و سیم شیلد یا زمین را به سطح داخلی استوانه لحیم کن. در طرف دیگر کابل، کانکتور XLR را طبق استاندارد ببند؛ پین یک برای شیلد، پین دو برای سیگنال مثبت و پین سه برای سیگنال منفی. حتما قبل از اینکه کل مجموعه را داخل رزین غرق کنی، مدار را به رکوردر وصل کرده و یک تست صدای کامل از آن بگیر.

+3

برای قالب‌گیری می‌توانی از دو لیوان اندازه‌گیری پلاستیکی کوچک استفاده کنی. ته یکی از لیوان‌ها را ببر و با چسب حرارتی آن را سر و ته به لیوان دیگر بچسبان تا یک قالب استوانه‌ای شکل و بلند داشته باشی. حالا رزین دو جزئی را به نسبت مساوی با هم ترکیب کن و خوب هم بزن.

موقع هم زدن می‌بینی که رزین کمی رقیق‌تر و شفاف‌تر می‌شود. حالا وقت ریختن آن داخل قالب است. قبل از ریختن رزین، دقت کن که برد مدار چاپی و سنسور پیزو دقیقا در وسط قالب معلق باشند و به کف یا دیواره‌ها نچسبند تا کاملا با رزین احاطه شوند.

بعد از چند دقیقه، رزین شروع به سفت شدن می‌کند و رنگ آن سفید می‌شود. حدود بیست دقیقه بعد، رزین کاملا سفت و محکم شده و می‌توانی با یک تیغ کاتر، پلاستیک قالب را بشکافی و هیدروفون آماده را بیرون بیاوری. حباب‌های کوچکی که موقع ترکیب رزین ایجاد می‌شوند، هیچ تأثیر منفی روی کیفیت صدا نمی‌گذارند، پس نگران آن‌ها نباش.

حالا وقت آن رسیده که هیدروفون دست‌ساز خودت را به آب بیندازی و از نتایج شگفت‌انگیز آن لذت ببری. این مدار می‌تواند داینامیک رنج بسیار بالایی را پوشش دهد و به لطف طراحی عالی آن، فرکانس‌های بسیار بالایی را ثبت کند.

یکی از جذاب‌ترین کارها با هیدروفون، ضبط صدا با نرخ نمونه‌برداری خیلی بالا و سپس کند کردن آن در نرم‌افزارهای ویرایش صداست. با این روش می‌توانی صداهای معمولی زیر آب را به افکت‌های صوتی فضایی و خارق‌العاده تبدیل کنی که خوراک طراحی صدا هستند.

امیدواریم از این پروژه هیجان‌انگیز آیسی‌مدار لذت برده باشی و با این هیدروفون‌ها بتوانی دنیای ناشناخته صداهای زیر آب را کشف کنی. حتما این آموزش را برای دوستانت که به دنیای صدا و الکترونیک علاقه دارند بفرست تا آن‌ها هم این ابزار جادویی را بسازند!