A tanulócsomaghoz mellékelt ultrahang adók körülbelül 40 kHz-es frekvencián működnek. Az elvileg azonos mechanikai és konstrukciós kialakítás egy T-vel jelzett speciális érzékelőt (= Transmitter) és egy R-rel jelzett speciális vevőtipust (= Receiver) jelöl. Conrad Szaküzlet 1067 Budapest, Teréz krt. 23. Tel: (061) 302-3588 Conrad Vevőszolgálat 1124 Budapest, Jagelló út 30. Tel: (061) 319-0250
Conrad tanulócsomag Rendelési szám: 19 22 84 1 Előkészületek A tanulócsomagban megtalálható minden, a kísérlethez szükséges alkatrész, a kísérletet tehát azonnal elkezdheti. Az elektronikus áramkörök ellátásához csupán egy 9 V-os elem és egy pár háztartási cikk szükséges (lásd a dobozt). Továbbá szükséges (háztartási használati tárgyak) • 9 V-os elem • Habanyag • Papír és ragasztóanyag Az alábbiakban az egyes alkatrészek fajtáinak és tulajdonságainak magyarázatára kerül sor. 1.1 Kísérleti panel A kísérleti panellel, melyet dugaszoló panelnek is neveznek, a kísérletek forrasztópáka nélkül is elvégezhetők. A kísérleti panel belül érinkező rugókból áll, melyek egy bizonyos sorrendben egymással össze vannak kötve. Az elektronikus alkatrészek és összekötő huzalok a kontaktusokba ismételten behelyezhetők. Ez számos kísérlet során lehetővé teszi egy áramkör forrasztás, vagy csavarozás nélküli megépítését, valamint az egyes alkatrészek átdugaszolását, vagy cseréjét. Az oldalcsípőfogóval ferdén lecsípett csatlakozóhuzalok megkönnyítik a bedugást. A dugaszoló panel összesen 270 érintkezővel rendelkezik, 2,54 mm-es raszterben. A középső területen lévő 230 érintkező 5-ös sorokban függőleges csíkokkal van összekötve. A szélesebbik oldal szélein van egy-egy sor 20 érintkező ponttal, amelyek vízszintesen egy sínnel vannak összekötve. Ez a „felső" és „alsó" sor igen alkalmas áramellátó sínként való használatra. 2. ábra: Ultrahang érzékelők; a) egy vevő és egy adó hátul, valamint az érzékelők egyike elől; b) kapcsolási rajzjelek.
Az ultrahang jelek sugárzásáshoz és vételéhez piezoelektromos kvarc-, vagy kerámia rezonátort alkalmazunk. Az adó átalakítóján váltakozó feszültség esik saját rezonancia frekvenciával. A rezgéseket a levegőben, és folyadékokban speciális érzékelők (a tanulócsomag nem tartalmazza) közvetítik. Megjegyzés A következő kísérletekben alkalmazott ultrahang érzékelők csak gáz halmazállapotú közegben (levegő) működnek és nem meríthetők folyadékokba. 1. ábra: A dugaszoló panel és az "áramellátó sín" elve. 1.2 Ultrahang érzékelők.
1.3 Schottky dióda A diódák az áramot csak egy irányban engedik át. Ezért a diódákat többek között váltakozó feszültségek egyenirányítására, és egyenfeszültségnél a nemkívánt polaritás blokkolására használják. Egy egyenirányító dióda működése, amilyet a
tanulócsomag is tartalmaz, normál üzemben legkönnyebben úgy képzelhető el, mint egy visszacsapó szelep (vízvezeték szerelés). Ha nyomás (feszültség) kerül erre a szelepre (dióda), az áram lezárására kerül sor. Ellentétes irányba (nyílirány) a nyomás elegendő kell, hogy legyen a szelep (zárófeszültség) rugónyomásásnak leküzdésének. Ekkor nyit a szelep és folyhat az áram. A feszültség, amely ebben a mechanikai modellben a rugónyomás leküdéséhez szükséges, egy dióda esetében megfelel az úgynevezett előfeszítő feszültségnek. Így mindenekelőtt egy bizonyos feszütségnek kell nyitóirányban a diódán lennie, hogy a dióda vezető állapotba kerüljön. 3. ábra: Schottky-dióda BAT 42-es tipus, a dióda katódja a feltüntetett fekete gyűrűről ismerhető meg, a másik kivezető huzal az anód.
1.5 Tranzisztor A tranzisztorok aktív alkatrészek, melyek áram és feszültség kapcsolására, valamint erősítésére használhatók az elektronikus alkalmazásokban. A tanulócsomagban mellékelt bipoláris tranzisztorok típusmegjelölése BC 547. Itt egy kisteljesítményű tranzisztorról van szó, mely 30V maximális tápfeszültség és legfeljebb 200 mA áram esetén alkalmazható. A kísérletek során a határértékek jóval ezalatt vannak.
4. ábra: A dióda áramköri rajzjele; a műszaki áramirány az anódtól (A) a katód (K) felé mutat. Az áram áteresztő irányban (áramköri rajzjele egy nyíl) a tanulócsomagban mellékelt Schottky diódánál körülbelül 0,25 V-nál kezdődik. 1.4 Világítódióák A LED (light emitting dioda = fény emmitáló dióda) egy hagyományos dióda tulajdonságai mellett egy további tulajdonsággal is rendelkezik: világít, ha feszültség esik rajta. A tanulócsomagban egy piros és egy zöld LED-et talál. A világítódidákat (LED-eket) mindig egy előtét ellenállással kell működtetni. Ezt az előtét ellenállást a következő képlettel lehet kiszámolni: R = U / I (R=ellenállás- Ohmban, U=feszültség- Voltban és I= áram- Amperben kifejezve. Példa: Egy szabványos LED (piros, narancsszínű, zöld, fehér) ahhoz, hogy fényesen világítson, körülbelül 20 mA üzemi áramot igényel. Ha 9V feszültséget eloszt 0,02 A-rel (20 mA), , 450 ohm-os ellenállás értéket kap. Ebben a példában egy 1 kΩ -os ellenállás megfelel. Ezáltal a LED láthatóan világít, azonban kevés áramra van szüksége. Az izzóval ellentétben a LED-nek nincs izzószála és ebből kifolyólag hosszú az élettartama és kicsi az áramfogyasztása.
6. ábra: Tranzisztor kivezetések: Emitter, bázis, és kollektor, valamint az áramköri rajzjel. A tranzisztor áramköri rajzjele mind egy körben, mind pedig kör nélkül is ábrázolható. A tanulócsomag kapcsolási rajzaiban a tranzisztorok ábrázolása kör nélkül történik. A tranzisztor így működik: egy kis, a bázis-emitter átmeneten keresztül folyó áram nagy áramot vezérelhet a kollektor-emitter szakaszon. Ez azt jelenti, hogyha egy kis bázisáram folyik (NPN tranzisztoroknál pozitív, PNP tranzisztoroknál negatív), a tranzisztor az áramot a kollektortól az emmitterhez vezeti, illetve fordítva. Ha a bázis nem vezet áramot, vagy a báziscsatlakozás negatív potenciálon (NPN), illetve pozitív potenciálon (PNP) van a tranzisztor lezár. 1.6 Integrált áramkör/OP Az integrált áramkörök sok olyan elektronikus alkatrészt tartalmaznak, melyek összeillesztése nagyon kis területen történt. A tanulócsomagban mellékelten található az integrált áramkör, melynek jelölése NE 555. Ez az áramkör egy monolitikus integrált időzítő áramkört tartalmaz, amely tulajdonságai alapján ütemadóként, oszcillátorként és időkapcsolóként alkalmazható.
5. ábra: A világítódiódák lábkiosztása: az anód (+) a hosszabb kivezető huzallal (a képen balra), valamint a "minusz csatlakozás", a katód, melyet a házon lévő bemarás jelöl; b) áramköri rajzjel
Az NE555 tulajdonságai. • Tápfeszültség 4,5 V-tól 16 V-ig • TTL-kompatibilis • Kimeneti áram max. 200 mA (bipoláris változat) • Kisütő áram (Discharge) max. 200 mA (bipoláris változat) • Környezeti hőmérséklet nem lehet 0 °C alatt. • Frekvenciatartomány 500 kHz-ig Az NE 555-nek a tanulócsomagban mellékelt (bipoláris) változata nagy impulzusáramot igényel a feszültségforrástól (elem) a kimeneti erősítő kapcsolásakor. Ezért az áramkörök működtetése mindig egy viszonylag nagy kapacitású szűrőkondenzátorral (elko) történjen (az 1-es és 8-as csatlakozások között). Az NE555 belső áramköre. Az NE555 amennyiben az egyes alkatrészekből óhajtanánk felépíteni, 23 tranzisztorból, 15 ellenállásból és 2 diódából áll. 41. 7 A lábak kiosztását mutatja, a 8-as ábra az IC felső felépítését mutatja. Az 1-esés 8-as lábakra történik a lábak csatlakoztatása, az 1-es láb = minusz, a 8-as lábra = plusz (tápfeszültség). Az NE555-ös IC csak külső áramköri elemek segítségével képes működni.
Az IC lábkiosztása az IC házon található jelölés/ bemarás alapján van hozzárendelve. A gyakorlati alkalmazás során az IC a kísérleti panelbe történő behelyezését úgy kell elvégezni, hogy a jelölés balra helyezkedjen el. Az IC első beépítésekor fogja a lábakat . a hüvelykujja és a mutatóujja közé majd nyomja egy kicsit össze őket, úgy hogy azokat könnyen be lehessen helyezni a dugaszoló panelbe. A dugaszoló panelből való kivételkor tanácsos az IC-t úgy óvatosan kiemelni, hogy egy kis csavarhúzót helyezünk a ház és a dugaszolópenel közé.
8. ábra: a) Az IC belső áramkörei b) beépítés előtt a lábakat nyomja össze c) az IC-t egyszerű módon szerelje szét. Megjegyzés A külső áramkört illetően az IC viszonylag érzéketlen, eltekintve az áramellátás polaritásától. Ezért fontos, hogy az áramellátás csatlakoztatása megfelelően történjen. A pozitív és a negatív csatlakozások fordított polaritással történő csatlakoztatása többnyire az alkatrészek tönkremeneteléhez vezet. Különleges gondossággal ügyeljen arra, hogy az 1-es láb dugaszolópanel negatív pólusú vezető sínével, és a 8-as láb a pozitív pólussal legyen összekötve, mielőtt a dugaszolópanelt az elem feszültséggel összeköti. 7. ábra: NE 555 jelölés és lábkiosztások. 1) föld/GND 2) Trigger 3) Kimenet (OUT) RESET (törlés)(-) 5) Vezérlő feszültség (CV) 6) Kapcsolási küszöb (Treshold) 7) Kisütés (Discharge) 8) Tápfeszültség/+VCC
1.7 Ellenállások Az ellenállás passzív építőelem az elektromos és elektronikus kapcsolásokban. Feladata az átfolyó áram csökkentése a megfelelő értékre. (lásd a »világítódiódák«) fejezetet is. Az ellenállások legismertebb kivitele a hengeres keramikus hordozó, tengelyirányú csatlakozó huzalokkal. Az ellenállások értéke színes gyűrűk formájában kódolva van rájuk nyomtatva. A tanulócsomagban szénréteg ellenállások találhatók, a táblázatban található következő értékekkel: szám
Ellenállás értéke
1. 1-es gyűrű, számjegy
2. 2-es gyűrű, számjegy
3. Szorzó
4. Tűrés
1
100 Ω
barna
fekete
barna
arany
2
1 kΩ
barna
fekete
piros
arany
2
2,2 kΩ
piros
piros
piros
arany
2
10 kΩ
barna
fekete
narancssárga
arany
szám
Ellenállás értéke
1. 1-es gyűrű, számjegy
2. 2-es gyűrű, számjegy
3. Szorzó
4. Tűrés
1
47 kΩ
sárga
ibolya
narancssárga
arany
1
100 kΩ
barna
fekete
sárga
arany
2
560 kΩ
zöld
kék
sárga
arany
9. ábra: a) ellenállás és b) áramköri rajzjel. 1.8 Trimmer potenciométer Potenciométer (trimmerpotenciométer) egy fokozat nélkül változtatható ellenállást jelent. A tanulócsomag trimmerpotenciométereinek végértéke 25K és 470K (vagy 500K is) lehet, és egy csavarhúzóval fokozat nélkül állíthatók az ellenállásértékre. Belül az alkatrész egy ellenálláspályából és egy mozgó csúszó érintkezőből áll, amellyel az ellenállás érték változtatható. Az ellenálláspálya és a csúszóérintkező csak kis áramokra megfelelő. Ezért az olyan fogyasztók, mint például LED-ek közvetlenül nem szabályozhatók a trimmel potenciométerrel, mivel így az alkatrész tönkremehet. 12. ábra: a) A trimmer potencióméter kivezető lábainak elfordítása és b) helyzetük a dugaszolópanelen. 1.9 Kondenzátor Egy kondenzátor két fém felületből és egy szigetelő rétegből áll. Ha feszültséget adunk rá, a két kondenzátorlemez között elektromos erőtér keletkezik, amiben energia tárolódik. Egy nagy lemezfelületű és kis lemeztávolságú kondenzátornak nagy a kapacitása, tehát adott feszültségnél több töltést tárol. A kondenzátor kapacitását Farad-ban (F) mérjük. A kapacitástól és alkalmazási területtől függően a kondezátorok felépítése különböző. A kerámia kondenzátor értéke 3 számjeggyel kódoltan van feltüntetve: az első két számjegy az értéket jelöli, a 3. szám a szorzót. Kondenzátorok a tanulócsomagban
10. ábra: Trimmer potenciométer és áramköri rajzjel.
11. ábra:A trimmel potenciométerek beállítása egy csavarhúzóval. A trimmer potenciométerek dugaszolópanelbe behelyzéséhez ajánljuk, hogy a trimmer potenciométerek kivezetését laposfogóval 45°-os szögben óvatosan fordítsa el.
szám
Kondenzátor értéke
Felirat
2
220 pF
221
2
1 nF
102
2
10 nF
103
1
100 nF
103
majd ezután a dugaszoló tüskéket. Ezáltal a huzalvégek rögzítése megtörténik. A dugaszoló tüskék benyomásához segítségére lehet egy kemény tárgy, mint például egy lapos csavarhúzó.
13. ábra: a) Kerámia tárcsakondenzátor és b) áramköri rajzjel. 1.10 Elektrolitkondenzátorok (Elko-k) Az elektrolitkondenzátorok a normál kondenzátorokhoz képest nagyobb kapacitással rendelkeznek. A normál kondenzátorokhoz hasonlóan ezeknek is két fegyverzetük van, csak a második egy elekrolitből áll. Az elektrolitok miatt az elkók pólusfüggők, a csatlakozók egy pluszpólussal és egy mínuszpólussal vannak jelölve. Ha az alkatrész hosszabb ideig "tévesen" van csatlakoztatva, a kondenzátor elektrolitja tönkremegy. A rányomtatott maximális feszültség értéket nem szabad túllépni, mert a szigetelő réteg tönkremehet. A tanulócsomagban egy-egy radiális elekrolitkondenzátor található, melynek értéke 100 µF és 1.000 µF. Megjegyzés µF (Mikrofarad): A µ mértékegység az alapmértékegység Farad (F) milliomod része.
14. ábra: a) Elektrolitkondenzátor (Elko) és b) áramköri rajzjel a pozitív pólus a csatlakozó huzalok közül a hosszabbik kivezetés. Ezen kívül a mínusz pólus a házon egy világos vonallal van jelölve. Megjegyzés Egyszerűség kedvéért az elektrolitkondenzátor megnevezést a szakemberek "elkó"-ra rövidítették. Ezt a rövidítést a használati útmutató is alkalmazza. 1.11 Dugaszoló tüskék. A tanulócsomag egyes alkatrészei, mint például a piezo hangátalakító esetében a csatlakozó vezetékek (piros/fekete) hajlékony litze huzalból vannak. A huzalok jobban rögzíthetők a dugaszoló tüskékkel a dugaszoló panelon. Dugja először a csupasz huzalvégeket az érinkező rugókba,
15. ábra: a) A csatlakozó vezetékek hajlékony litze huzalból, a dugaszoló panelre dugaszoló tüskékkel kerülnek rögzítésre. b) Egy csavarhúzó segítségével nyomható be a dugaszoló tüske. 1.12 Piezo-hangátalakító A hangátalakító egyszerű fülhallgatóként hangszóróként, valamint mikrofonként, vagy rezgésérzékelőként szolgál. Az elv: egy lapos kerámialap mindkét oldalán fémelektródák helyezkednek el. Ezeken az elektródákon az elektromos feszültség deformálja a kerámialapot. Ez a mozgás a környező levegőt megrezegteti, hanghullámok keletkeznek. A piezo fejhallgató mindazonáltal csak kisegítő eszköznek számít. Amennyiben valóban hallani szeretné, mire képes az elektronika, csatlakoztassa a kimenetet a személyi számítógép vonalbemenetére, vagy a Hi-Fi berendezésre.
16. ábra: a) Piezo-hangátalakító és b) áramköri rajzjel.
1.13 Sorkapcsok A sorkapcsok használatára akkor kerül sor, ha az ultrahang érzékelőket forrasztás nélkül próbáljuk összekötni a dugaszoló panellel.
19. ábra: A kapcsolóhuzal alkalmazási lehetőségei. 17. ábra: Sorkapocs szerelt ultrahang érzékelővel. 1.14 Elem csatlakozó Az elem csatlakozó a 9 V-os elem dugaszoló panelra történő csatlakoztatására szolgál. A csatlkozó vezetékek (piros/fekete hajlékony litze huzalból vannak. A litze huzalvégek ónozottak, úgy hogy gond nélkül bedughatók a dugaszolópanel kontaktusaiba. Ajánlatos a negatív pólust (fekete litze vezeték) a dugaszolópanel alsó vezetősínjébe dugni.
18. ábra: a) Elem csatlakozó és b) Kivezető csatlakozó a dugaszoló panelen. 1.15 Kapcsolóhuzal A tanulócsomagban található a kapcsolóhuzal. A kapcsoló huzal szigetelését a végein körülbelül 8 mm hosszúságban el kell távolítani, ezután a dugaszoló panel kontaktusaiba közvetlenül bedugható. Az oldalvágóval ferdén lecsípett csatlakozóhuzalok megkönnyítik a bedugást a panel érintkezőkbe. A kapcsoló huzalból szükség szerint különböző hosszúságú darabokat vághat le, és a végek szigeteléseit mindenkor eltávolíthatja. Ezekkel a huzaldarabokkal a dugaszoló panel csatlakozó sínei, így például az elektronikus alkatrészek összeköthetők egymással. Az előállított átkötés újból felhasználható.
1.16 Az alkatrészek áttekintése Építőelem
Darab
Ultrahang, adó
1
40 kHz
1
40 kHz
Dugaszoló panel
1
SYB-46
IC
1
NE 555
Tranzisztor
3 db
BC 547
Ellenállások
10
Szén
Építőelem
Darab
Típus
Trimmer potenciométer
2
470 kΩ, 25 kΩ
Ultrahang, vevő
Típus
részletek
1K, 2,2K, 10K, 47K, 100K, 560K
részletek
Kondenzátorok
7
kerámia
220 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF
Elko
1
16 V
1.000 µF
Elko
1
16 V
100 µF
Elem csatlakozó
1
9V
Dugaszoló tüskék
2
Sorkapcsok
2
2-pólusú, 1,5 mm²
Schottky-diódák
2
BAT 42
LED
2
5 mm
piezo hangátalakító
1
Piezo
Huzal
0,5 m
0,6 mm
piros, zöld
2 Ultrahang alkalmazási területek Az ultrahanggal folytatott leírt és bemutatott kísérletek során a kísérletező, mindenekelőtt az ultrahang tartományban, a hanghullámok sok érdekes jelenségével foglakozhat. A kísérletezés során jó, ha tudatában van annak, hogy a hanghullámok rendkívül nagy energiát képesek kibocsátani, melyek hasznosak, azonban nagyon romboló hatásúak is lehetnek. Tudatlanság miatt ember és állat, de a környezet is károsodást szenvedhet. Ezért a kísérletekkel végzett tapasztalások és az alaptudás ésszerű előfeltételei az ultrahang alkalmazások további gyakorlatba való átültetésének. 3 Az érzékelők csatlakoztatása és funkciója Kösse össze elektromosan az ultrahang érzékelőket a sorkapocs egyik oldalával, a másik oldala huzalokkal csatlakozik a dugaszoló panel érintkezőivel. Az ultrahang érzékelőket úgy kell szerelni, hogy az érzékelő háza és a sorkapocs között pár milliméter távolság legyen. Ez fontos, mert az ultrahang érzékelő házának közvetlen érintkezése a sorkapoccsal, testhangot vihet át, ami a kísérletek során hibás eredményekhez vezet. Továbbá a testhang további tompítására az érzékelőket egy kis habosított anyaggal, vagy gumival rögzíthetjük a dugaszoló panelre vagy az aljzatra, úgy, hogy a testhang az asztal és a dugaszolópanel testhangja a lehető legkisebb mértékben jusson az érzékelőkre. Az érzékelők a kísérlet érdekében a 9. fejezettől a megadott módon működjenek a dugaszoló panelen.
20. ábra: Ultrahang érzékelő csatlakoztatása a dugaszoló panelre csavaros csatlakozóval.
21. ábra: Az ultrahang érzékelő megerősítése habosított alátéttel. Megjegyzés A kísérleti sorrend lépésről lépésre van felépítve. Ezért nem kell mindig valamennyi alkatrészt lebontani, hanem a következő kísérletet folytathatja úgy, hogy további alkatrészeket helyezhet be, távolíthat el, vagy cserélhet ki. 4 Hallható és nem hallható hangok Alkatrészek: dugaszoló panel, elem csatlakozó és elem, 2 db BC 547-es tranzisztor, kondenzátorok C2 és C3, mindegyik 220 pF-os, 1 db 1 nF-os kondenzátor, 2db ellenállás, R1 és R2, mindegyik 10K-os, 2 db ellenállás R3 és R4, mindegyik 560K-os, mindenkor választható 100K-os, 1 db ellenállás R5 47K-os trimmerpotenciométer 470K-os, piezohangátalakító, Elko 100 µF-os, piros LED
22. ábra: Állítható multivibrátor a) kapcsolási rajz, b) kapcsolás elrendezése a dugaszoló panelen, c) elrendezés részlete A hangkeltés egyszerű lehetőségével kezdjük, mindenekelőtt a még hallható tartományban, és lassan egyre tovább haladunk az ultrahang tartomány felé, amíg a hanghullámokat közvetlenül már nem érzékeljük. A következő táblázatban található az alkatrész értékek és a megfelelő frekvenciák. Lépések
C2 és C3 érték
R3 és R4 érték
Frekvencia P1
1
220 pF (221)
560 k
2.500–7.500
2
220 pF (221)
100 k
8.500–25.000
Hz-ben,
Az utolsó oszlopban megadott frekvencia tartomány a P1 trimmerpotenciométerrel állítható be. 5 Hangjelenségek Alkatrészek és áramköri kialakítás, mint az előbb. A hanghullámok tulajdonságaikat tekintve lényegesen különböznek a mágneses hullámoktól (például a rádióhullámoktól). A hanghullámoknak egy közegre van szükségük, például gázra, levegőre, vegy folyadékra, amiben különböző sebességgel terjednek, ezzel szemben a mágneses hulllámok a légüres térben is képesek terjedni. Ha hangot keltünk, például, ha dobolunk, a dobhártya mögötti közeg, a levegő jobban összenyomódik (a nyomás nő). Ezután ez a nagy nyomású réteg a kisebb nyomású felé terjed, mégpedig minden irányba. A terjedés a levegőben 343 m/s (1.235 km/h) sebességgel megy végbe. Egy hanghullám légnyomását néha fizikailag is érezni lehet, mindenekelőtt nagyon hangos zajoknál (nagy hangnyomás). Kísérletek piezo jeladókkal és hangsugárzókkal Az áramkört az előző fejezet (4. lépés) multivibrátorából építjük fel, könnyen megváltoztatott áramköri kialakítással. Ehhez csupán a C2-es és C3-as 1 nF-os, és a C4-es (1 nF-os helyett 10 nF-os) kondenzátorokat kell kicserélni. Igy a multivibrátor egy alacsonyabb frekvenciatartományban, körülbelül 1.000–6.000 Hz-en rezeg, ami P1-el állítható ba (az elem állapotától függően). A piezo hangátalakítók olyan rezonancia frekvenciával rendelkeznek, amivel többnyire olyan energia sugározható ki, ami a legnagyobb hangerőnél érzékelhető. A frekvencia annál alacsonyabb, minél nagyobb a piezo kristály és a fémlapka, amire a piezo kristály fel lett ragasztva. Hasonlókat tapasztalhatunk egyéb rezgő tárgyak esetében is. Egy szájharmónika hosszú fémlapkái a mély hangokat keltik, a rövidek a magasakat. Ha egy hegedű-, vagy gitárhúrt megrövidítünk, a rezgő hang magasabb lesz.
Kísérleti kivitel C2 és C3 érték
C4
R3 és R4 érték
Frekvencia Hz-ben
1 nF (102)
10 nF (103)
560 k
1.000–4.500
Ezután szorítsa a piezo hangátalakítót egy üres joghurtos pohár aljára, vagy az asztalra, egyúttal állítsa be a piezo hangátalakító rezonancia frekvenciáját, ezáltal beállítja a hangmagasságokat és a nagyobb hangerőt. A piezo alkatrész rezonancia frekvenciája gyártástechnikailag különböző, de körülbelül 1.500–4000 Hz.
Magyarázat Egy piezo hangátalakító rezgőfelülete meglehetősen kicsi, úgyhogy csak egy gyenge hangjel kisugárzás történik. A joghurtos pohár úgy működik, mint egy hangszer rezonanciadoboza. A rezgőfelület jelentősen megnövekszik, így az észlelhető hangerő is erősebb lesz. Ha a nyílást a füle irányába fordítja, a joghurtos pohár kúpszerűen szétfutó »hangtölcsére« felerősíti a hangot. A hanghullámok a közeg rezgőképes részecskéi és a részecskék közötti kapcsolat által keletkeznek. A hanghullámok gázokban, folyadékokban és szilárd testekben képesek terjedni. A közegtől függően, melyben a hang terjed, változik a hangterjedési sebesség. Így a hangterjedési sebesség a vízben sokkal nagyobb, mint a levegőben. A levegőben, gázokban és folyadékokban terjedő hullámokat longitudinális hullámoknak nevezzük. Ez a hullámalak a kibocsátott rezgés irányában terjed tovább (haladási irány). Szilárd testekben a hanghullámokat transzverzális hullámoknak nevezzük. Ezek a hullámok a haladási irányra merőlegesen térnek ki. Folyadékokban a transzverzális hullámok csak a felszínen terjednek, a longitudinális hullámok a felszín alatt. A hang terjedési sebessége különböző attól a közegtől függően, melyben terjed. Így a hang a vízben mintegy 1.500 m/s sebességgel terjed, lényegesen gyorsabban, mint a levegőben (343 m/s). A hangterjedési sebesség a vízben a folyadék tulajdonságaitól is függ, így például a sótartalomtól, a hőmérséklettől és a légköri nyomástól. Az óceán nagy mélységeiben a hanghullámok különösen messzire terjednek. Légüres térben (vákuumban) a hanghullámok terjedése nem lehetséges. Ha a világűrben lehetnénk, csak a teljes csendet érzékelhetnénk. A hang mérése tudományosan frekvenciájának mérésével történik. A hallható tartományban a mély hangok frekvenciája kisebb, mint a magas hangoké.
23. ábra: A kapcsolási rajz, a módosított C2, C3 és C4 kondenzátorokkal (ovál kivitelben).
A hangfrekvenciákat három kategóriára lehet felosztani: 1. Az ember által hallható hang a 16 Hz és 20.000 Hz közötti tartomány (az emberi hallóérzék maximális hallóképessége). 2. Az infrahang a 16 Hz-es határ alatti hang, és az ember testével, vibrációk formájában képes érzékelni. 3. Az ultrahang a 20.000 Hz-es határ feletti hang és az emberi hallóérzék nem képes érzékelni. Ezek a hullámok azonban hatással lehetnek az emberi szervezetre. A fizikában a hangrezgéseket a frekvencia fogalmával definiálják. Mértékegysége a Hertz. Ez a mértékegység a rezgések másodpercenkénti számát adja meg: 1 Hertz másodpercenként 1 rezgést jelent. A mértékegység választása a német fizikus, Heinrich Rudolf Hertz tiszteletére történt. Minél magasabb hangokat érzékelünk, annál nagyobb a frekvencia, a megadott Hertz szám. Így például a mély »C« alaphangjának frekvenciája 66 Hz. A hanghullámok érdekes sajátosságai Azt, hogy hanghullámoknak a mágneses hullámoktól eltérően közegre van szükségük, a következő fejezet mutatja be. Azonkívül érdekes a hanghullámok viselkedése, ha változik a közeg, ha például levegőből egy másik közegbe, pédául vízbe kerülnek. Itt mind a hullámhossz, mind a terjedési sebesség megváltozik. Ha az átmenet során megváltozik a sebesség, meg kell változnia a hullámhossznak is. A fizika oktatásban ehhez létezik egy szemléltető kísérlet, amikor egy kísérleti személy gázt, például héliumot visz a stúdió helyiségbe és mond egy pár szót. A kísérleti személy a hallgatókhoz magas hangon beszél, melyet »Mikiegér hangnak« neveznek. Ennek oka: Amikor a hanghullámok elhagyják a stúdiót, héliumból levegőbe való közegváltás történik. Ezáltal megváltozik a hullámhossz és a hangterjedési sebesség. Az átmenet során a hullámhossz a levegőben nő, és a hallgatók azt érzékelik, hogy a kísérleti személy magasabb frekvencián beszél.
hangátalakítót egy üres joghurtos pohár aljára.
24. ábra: Nyomja, vagy egy ragasztószalaggal rögzítse a piezo
Megfigyelés Először csak egy halk hangot hall. Amikor a piezo átalakító a joghurtos pohár aljával közvetlen érintkezésbe kerül, a jel jelentős mértékben felerősödik. Ha a joghurtos pohár száját a füle irányába fordítja, a hang még erősebb lesz.
Kísérlet A piezo hangátalakítót (a dugaszolópanelen megépített elektronika szárazon marad) beállított rezonancia frekvencia mellett egy pohár vízbe merítjük. A hangátalakító rövid idejű bemerítése nem okoz kárt, ha utána nyomban megszárítjuk. Ügyelni kell arra, hogy az edény és a piezo hangátalakító közvetlenül ne érintkezzenek (testhang átvitel)
25. ábra: A hang vízben történő terjedésének kísérlete. Megfigyelés A hangmagasság mélyebb hanggá változik, amely a vizen kívül is jól hallható. Ha eleinte nem hallunk semmit, a hangmagasságokat a trimmer potenciométerrel meg kell változtatni. A víz vezeti a hanghullámokat és a hangfrekvencia megváltozik a másik közeg által. 6 Rovarriasztó Alkatrészek: dugaszoló panel, elem csatlakozó és elem, 2 db BC 547-es tranzisztor, 2 db kondenzátor C2 és C3, mindkettő 220 pF-os, 1 db 1 nF-os kondenzátor, 2 db ellenállás R1 és R2, mindkettő 2,2K-os, 2 db ellenállás R3 és R4, mindkettő 560K-os, piezo hangátalakító, Elko 100 µF-os, LED piros A 4. és 5. lépésben megvalósított multivibrátor csekély változtatásával lehetséges egy úgynevezett rovarűző (rovarriasztó) megépítése. A tézis az, hogy a szúró nőstény szúnyogok kerülik azokat a frekvenciákat, amelyek megfelelnek a hím szúnyogok repülő zajának, mivel az első megtermékenyítés után menekülnek előlük. Egy áramkörrel, amely a hímek repülő zajának hangfrekvenciáját, körülbelül 10–16 kHz-et bocsát ki, esetleg nyugtunk lehet a nőstény szúnyogoktól. Elég lehetőség van annak vizsgálatára, hogy tézis helyes-e, azálta, hogy az áramkört megépítjük. Jó hallóérzékkel rendelkező emberek számára a keletkezett hang hallható, ha a piezo hangkeltőt a fülük közelébe tartják. A frekvencia nagysága függ az elem feszültségétől és az elem állapotától. Egy régebbi, gyengébb elem esetén a frekvencia alacsonyabb, új elem esetén magasabb. A piros LED mutatja, hogy az áramkör működik-e.
26. ábra: a) Dugaszoló panel áramköri kialakítés és b) a körülbelül 13.000 Hz-es rovarűző kapcsolási rajza.
A P1-es trimmer potenciométerrel az ultrahang frekvencia körülbelül 28–240 kHz között állítható be. Hogy az időzítő bemeneteken ne okozzunk rövidzárlatot, ha a trimmer potenciométert 0 Ω-ra állítottuk, mindig iktassunk be egy 1-kΩ-os ellenállást (R1) sorba a potenciométerrel.
27. ábra: Mérés elrendezés: Ultrahagos rovarűző, multiméter Hz méréstartománnyal. 7 Ultrahang adó Az NE 555-ös integrált áramkörrel (IC) lehetséges, hogy kevés kiegészítő alkatrésszel egy hatékony ultrahang adóra tegyen szert, melyet a következő kísérletekhez használhat. Ezért ajánlatos az áramkör gondos megépítése a dugaszoló panelen, Gyakorlati áramköri kialakítás Alkatrészek: dugaszoló panel, 9 V-os elem csatlakozó, ultrahang érzékelő-adó, IC NE 555, trimmer potenciométer 25K-os, ellenállás 1K, kondenzátor 1 nF, LED narancs színű, Elko 100 µF. Az IC dugaszolópanelbe helyezésekor nagy jelentősége van a csatlakozások helyes pozicionálásának, melyet a félkör alakú mélyedés jelöl a házon. A lábak a elrendezési rajzon látható módon vezetékezhetők.
29. ábra: a) Áramköri kialakítás a dugaszoló panelen; b) az áramköri kialakítás részletének fotózása a másik oldal felől történt. 28. ábra: 28–240 kHz-es tartományú ultrahang adó kapcsolási rajza, az elrendezési rajzon jelzett érintő kapcsoló huzal hidalásként működhet.
Ha rendelkezésre áll egy »Hz« méréshatárú multiméter, a megdott frekvencia beállítható és az ultrahang adóval párhuzamosan mérhető és leolvasható.
Ez a rezonancia frekvencia a meghatározandó és beállítandó. A rezonancia frekvencia beállítására a következő lehetőségek vannak: A) Multiméter mA-es méréstartománnyal, egyenáram az ultrahang generátor elemének áramfelvételéhez, itt LED nélkül.
30. ábra: a) Mérés elrendezés, b) csatlakoztatási vázlat; frekvenciamérés egy multiméterrel, az ultrahang érzékelővel párhuzamosan történő csatlakoztatás.
31. ábra: Beállítás a multiméterrel; méréshatár egyenáram a) mérési utasítás, b) kapcsolási rajz.
8 Rezonancia és rezonancia frekvencia Az előző kísérletben megépített ultrahang adó 28–240 kHz közötti ultrahang frekvenciát képes előállítani, és az adóval ezeket a frekvenciákat képes a környezetbe is kisugározni. Egyidejűleg itt is van egy úgynevezett rezonancia frekvencia, melyen az érzékelő optimálisan üzemel, azaz a maximális ultrahang erősséget (energiát) képes kisugározni.
B) Az elemvezetékkel sorba kapcsolt piros és zöld LED-ekkel áram kijelzésként az optimális rezonancia frekvencia beállításakor világítanak a LED-ek a legfényesebben, mert mindkét LED-en keresztül akkor folyik a legtöbb áram.
33. ábra: Az érzékeny ultrahang érzékelő kapcsolási rajza.
32. ábra: Beállítás a piros és a zöld LED-ekkel. Megjegyzés Két tanuló csomaggal egyidejűleg felépíthető az ultrahang adó és az ultrahang érzékelő és ezzel a kísérletek bővíthatők. 9 Ultrahang érzékelő Egy ultrahang érzékelővel lehetőség van arra, hogy az ultrahang jelenlétét kimutassuk. Hogy a gyengébb jeleket is ki tudjuk mutatni, hogy az érzékelő által felfogott ultrahang hullámokat elektronikusan felerősítsük. A következő kísérleti panelen lehetőségük van arra, hogy gyakorlati kutatásokat végezzünk. Alkatrészek: dugaszoló panel, 9V-os csatlakozó, elem, ultrahang érzékelő-vevő (US1), 3 db BC 247-es tranzisztor, 1 db 47K-s ellenállás, 1 db 2,2K-s ellenállás, 2 db 560K-s ellenállás, 1 db 10K-s ellenállás, 1db 100K-s ellenállás, 1 db 1K-s ellenállás, 1 db 470K-s trimmer potenciométer , 2 db BAT 42-es Schottky dióda, 2 db 10 nF-os kondenzátor (párhuzamosan), 1 db 220 pF-os kondenzátor, 1 db 1.000 µF-os Elko, 1 db piros LED, 1 db zöld LED. Ez az áramkör számos következő kísérlet alapáramköreként szolgál és ezért gondosan kell megépíteni. A következő kísérletekben ez az áramköri kialakítás egyes alkatrészek cseréjével, vagy beillesztésével változtatható és bővíthető. Áramkör leírás Az alapáramkör az US1 érzékelővel ellátott ultrahang vevőből és egy érzékeny kétfokozatú tranzisztoros erősítőből áll a fent bemutatott alkatrészekkel. Az ultrahang érzékelő rezonancia frekvenciáján (ideális eset) az US1 érzékelő által vett jeleket a kétfokozatú tranzisztoros erősítő felerősíti. Ez a váltóáramú jel a feszültségkétszerezőn keresztül, ami C3, C4-ből, valamint D4, D5-ből áll, a T3 tranzisztorra kerül, ami majd a világítódiódát átkapcsolja. A harmadik tranzisztor kapcsolási érzékenysége a trimmerrel (P2) állítható be.
34. ábra: Áramköri kialakítás a dugaszoló panelen.
Ha egy második ultrahang tanuló csomag áll rendelkezésre, megvan a lehetőség arra, hogy az ultrahang érzékelőt ultrahang forrásként alkalmazzuk és ezzel további nagyszabású kísérleteket végezzünk.
35. ábra: Az áramkör kialakítási részlet fotózása a másik oldal felől, a C2 2 db 10 nF-os, párhuzamosan beültetett kondenzátorból áll.
36. ábra: A C2 és a T2 tranzisztort körülvevő alkatrészek áramkör kialakítási részlete. Az érzékeny ultrahang érzékelő különböző ultrahangforrás által tesztelhető, így például egy kulccsomó megrázásával, egy rendelkezésre álló ultrahangos készülékkel, vagy egy személyi számítógép segítségével. A számítógép ultrahang jelei az egyszerű open source szoftverrel előállíthatók és alkalmazhatók. Továbbá vannak online hanggenerátorok és számos online »hallgató tesztet« kínálnak, melyek az ultrahang tartományig nyúlnak. Mindezek az ultrahang érzékelő tesztelésének lehetőségei, ha éppen nincsenek denevérek a közelben.
37. ábra: Az érzékeny ultrahang detektor tesztelése a számítógép segítségével. Erre alkalmas például az Anti-moskito szoftver, vagy hanggenerátor programokat használhatunk, melyek szoftverként (vagy licensszel) online az Internetről beszerezhetők. Az elektronikus ultrahang érzékelő olyan érzékeny, hogy az ultrahangforrástól távolabb is végezhetünk kísérleteket. Mégis ajánlatos előbb kisebb távolsággal kezdeni. Megjegyzés Arra az esetre, ha a kísérlet nem mutatna olyan jó értékeket, ajánlatos még egyszer ellenőrizni az áramköri kialakítást. Hány alkatrészt tartalmaz a kapcsolási rajz és hány alkatrész található a dugaszolópanelen? Legjobb, ha az egyes alkatrészeket fajtájuk szerint ellenőrizzük: ellenállások, kondenzátorok tranzisztorok, diódák stb. A C2 kondenzátor a kapcsolási rajzon 20 nF-osnak van megadva. Ezért két 10 nF-os kondenzátort alkalmazunk, melyeket ugyanabba a kontaktusba kell bedugni.
Megfelelően vannak a diódák behelyezve? Ebben az esetben megéri a jó és alapos munka, mert a további áramkörök (mint például a visszavert jel alapján történő tájékozódás) erre az alapáramkörre épülnek. 10 A visszavert jel alapján történő tájékozódás alapáramköre A visszavert jel alapján történő tájékozódás olyan elv, melyet a denevérek megfigyelése és tanulmányozása során fedeztek fel és amelyet számos technikai alkalmazás utánozott. Mint a visszhangos mélységmérő esetében (hajózás), itt is ultrahangok kobocsátására és az akadályok által visszavert hullámok kiértékelésére kerül sor. A visszaverődési időből, valamint a visszaverődési szögből meghatározható a távolság, az akadály nagysága, a mozgás jellege stb. Az irány meghatározása, ahonnan a visszhangok érkeznek számos érzékelő, de mozgó érzékelők útján is történik. Az ebben a fejezetben megépített, a visszavert jel alapján történő tájékozódás elektronikus áramköre, változtatott áramköri kialakításban, számos következő kísérletben alkalmazható. Az áramkör elvben úgy működik, mint egy audio erősítőberendezés, ahol a hangszóró a közelébe helyezett mikrofontól vad rezgésbe jön (gerjedni kezd), melyet a mikrofon újra felvesz, az erősítő felerősít és a hangszóró újra kibocsát. Az ábrázolt mikrofonos és hangszórós erősítőberendezés képével ellentétben ebben az áramkörben a mikrofon és a hangszóró helyett a tanuló csomag speciális ultrahang érzékelőit alkalmazzuk. Alkatrészek: dugaszoló panel, 9V-os csatlakozó, elem, ultrahang érzékelő-vevő (US1), ultrahang érzékelő adó (US2), 3 db BC 247-es tranzisztor, 1 db 47K-s ellenállás, 1 db 2,2K-s ellenállás, 2 db 560K-s ellenállás, 1 db 1K-s ellenállás, 1db 10K-s ellenállás, 1 db 100K-s ellenállás, 1 db 25K-os trimmer potenciométer ,2 db BAT 42-es Schottky dióda, 2 db 10 nF-os kondenzátor, 1 db 220 pF-os kondenzátor, 1 db 1.000 µF-os Elko, 1 db piros LED, 1 db zöld LED. Az áramkör működése Az alapáramkör az US1 érzékelővel ellátott ultrahang vevőből és egy érzékeny kétfokozatú tranzisztoros erősítőből áll a fent bemutatott alkatrészekkel. Az ultrahang érzékelő rezonancia frekvenciáján (ideális eset) az US1 érzékelő által vett jeleket a kétfokozatú tranzisztoros erősítő itt is felerősíti. Ekkor azonban az US2 érzékelőhöz jut, amely a fogadott és felerősített ultrahang hullámokat ismét kisugározza. Ha a két érzékelő egymással szemben helyezkedik el, vagy egy tárgy a a kisugárzott uktrahang hullámokat az US1 vevőérzékelőhöz visszaveri, egy visszacsatolás történik váltóáramú jellel.
39. ábra: Kísérleti felépítés a két ultrahang érzékelővel, lent a vevő, fent az adó. A dugaszoló panel áramköri kialakítása sok odafigyelést igényel, mert az alkatrészeket szorosan egymás mellé kell dugaszolni. A dugaszoló panel néhány helyén szükség van arra, hogy az alkatrészek két vékony huzalját egy csatlakozó érintkezőbe csúsztassuk. Ez nem okoz problémát, még a vékony csatlakozóhuzalok érintkezését is javítja a dugaszoló panelben.
Ez a váltóáramú jel a feszültségkétszerezőn kersztül, ami C3, C4-ből, valamint D4, D5-ből áll, a T3 tranzisztorra kerül, ami majd a piros világítódiódát átkapcsolja. A P2 trimmer potenciométerrel a LED bekapcsolási küszöbértéke, a P1-el (25K) az ultrahang-vevőérzékelő áramkörének érzékenysége állítható be.
40. ábra: Dugaszoló panel áramköri részletek; mindkét csatlakozóhuzal (C2) egy csatlakozó érintkezőben a dugaszoló panelen (lásd a nyilat). Fontos továbbá, hogy mindkét ultrahang érzékelőt a dugaszolópanel bal oldalán az ábrának megfelelően állítsuk be úgy, hogy párhuzamosan ugyanabba az irányba mutassanak és házuk a dugaszoló panellel lehetőleg ne érintkezzen. 38. ábra: Az alapáramkör kapcsolási rajza.
Érdekesek a hanghullámok viselkedését vizsgáló kísérletek a visszaverődéskor. Ha az irányított hanghullámok egyenesen egy falnak ütköznek, visszaverődést észlelhetünk. Ekkor a beesési szög, mint a fénysugarak esetében, melyek egy tükörnek ütköznek, megegyezik a visszaverődési szöggel. Ez a jelenség hanggal, különösen jól pedig ultrahanggal vizsgálható meg.
41. ábra: Az ultrahang érzékelők helyzete.
11 Visszavert jel alapján történő tájékozódás optikai kijelzővel Az áramkör dugaszoló panelen való megépítése és a 9V-os elemnek az elemcsatlakozóra való csatlakoztatása után a zöld LED-nek világítani kell. Az elektonikus áramkört először be kell állítani. Az érzékelők tájolása Mindkét ultrahang érzékelőt úgy kell tájolni, hogy a közvetlen sugárzási tartományban (2–3 m) tárgyak és visszaverődési felületek ne legyenek. Az áramkör beállítása Forgassa a P1 trimmer potenciométert (a képen baloldalt) a jobb oldali ütközésig. Állítsa be P2-t (a képen jobboldalt) úgy, hogy a piros LED világítson, majd forgassa vissza egy kicsit, hogy a piros LED éppen kialudjon (ha a P2 beállítási tartománya nem elegendő, esetleg a P1-et kissé forgassa balra) Most beállíthatja az áramkör érzékenységét a P1-el azáltal, hogy például egy tárgyat 50 cm-re az ultrahang érzékelők elé állít és a P1-et addig forgata, amig a LED nem világít. Majd vegye el a tárgyat, a LED ki kell, hogy aludjon.
43 ábra: Az ultrahang hullámok egy falnak ütköznek és egy fénysugárhoz hasonlóan a beesési szögnek megfelelően visszaverődnek - itt jelképesen egy zseblámpával és egy tükörrel ábrázoljuk. Kísérleti felépítés Dugaszoló panel az alapáramkörrel mint eddig, az ultrahang érzékelők két irányítócsöve fényes kartonból (fotopapír) az ábrának megfelelő méretekkel. Ebből az ábrán feltüntetett módon papírhüvelyek készülnek. A megadott méreteket át kell vinni egy fotopapírra (régi fotó, vagy hasonló), majd a hüvelyeket ki kell vágni és ragasztóval össze kell illeszteni őket.
44. ábra: A papír hüvelyek méretei.
42. ábra: Kísérleti elrendezés a beállításkor; a trimmer potenciométerek beállítása P1 (25K) a képen balra, az ultrahang érzékelők mellett és P2 (470K) a képen jobboldalt. 12 Az ultrahang hullámok visszaverődése
A ragasztás folyékony ragasztóval különösen akkor sikerül jól, ha előbb a ragasztandó felület egyik oldalára ragasztót viszünk fel.
A ráragasztandó felületet ráhelyezzük a ragasztóval bekent felületre, kicsit ide-oda mozgatjuk, majd gyorsan szétválasztjuk a két felületet. Ezután a ragasztót mindkét ragasztandó felületen kicsit száradni hagyjuk, majd ismét szorosan összenyomjuk a két felületet, hogy összeragadjanak. Ügyeljen arra, hogy ne kerüljön ragasztóanyag az érzékelőbe!
Miután az irányítócsöveket felhelyezte az érzékelőkre, ezzel a felépítéssel, ami adóból és vevőből áll, különböző kísérleteket végezhetünk. Ugyanúgy, mint a fény a tükörben, az ultrahang hullámok is legjobban a síma felületekről verődnek vissza. A visszaverődési kísérletek olyan felületeken végezhetők, mint az ablaküveg, vízfelület, polírozott kő stb. A kísérletek során ajánlatos az érzékenységet először egy meghatározott távolságban és egy visszaverő közegben végezni, ezután pedig az áramkört különböző visszaverő tárgyak és felületek előtt pozicionálni.
46. ábra: Az irányító hüvelyeknek az alapáramkörre történő szerelése és kísérletek különböző visszaverő közegekkel, itt például hullámpapír lemezzel és egy CD-vel. Megjegyzés A következő kísérletekhez ajánlatos az elemet ragasztószalaggal a dugaszoló panel hátoldalára rögzíteni, hogy a kísérletek elvégzéséhez kezünk szabad legyen.
45. ábra: Irányítócsövek a) kivágva és lekerekítve, b) tekerje egy pálca köré és ragassza össze.
Az irányító cső olyan szorosan simuljon az ultrahang érzékelőre, hogy az ultrahang »hátul« a tömítetlenség végett ne tudjon kijönni, vagy bahatolni.
A kellő távolság megóvhat bennünket a sérülésektől mindenekelőtt a közlekedés során, legyen szó egy játszó gyerekkel, egy elhaladó járművel, vagy hátramenetkor egy rollerrel szembeni kellő távolságról. Ezért időközben számos személygépkocsiba szabványos mérő érzékelők kerültek beépítésre, melyek a vezetőt arról tájékozattják, hogy mekkora távolság van a jármű és a környezetében lévő tárgyak között. Ennek legegyszerűbb kivitele egy az előre megállapított távolság lecsökkenésekor figyelmeztető akusztikus jel lehet, kényelmesebbek viszont a távolságmérés megfelelő kijelzői. Az egyszerű és olcsó beparkoló rendszerek kettő, vagy négy ultrahang érzékelővel működnek. Beparkoláskor ultrahang érzékelők érzékelik az akadályokat, és akuszikus, vagy optikai jelzések informálják a vezetőt arról, hogy milyen távolságra van az akadálytól. Így például az akadálytól való távolság arányában változik a jeladó hangja, és a veszélyzónában egy állandó hang hallatszik. A rendszer ésszerűen úgy csatlakoztatható, hogy az hátramenetbe kapcsoláskor automatikusan működésbe jöjjön.
47. ábra: Az elemet ragasztószalaggal a dugaszoló panel hátoldalára rögzíteni. 13 Az ultrahang hullámok elnyelése A hangelnyelést durva felületek és repedezett falak okozzák. A hangszigetelő falak a hangelnyelés jelenségét használják ki például az utak zajának tompítására. A hangtompítás elve A hangtompításkor lényegében az történik, hogy a hangenergia a súrlódás következtében hővé alakul. A hangelnyelő anyag mozgásba jön. Hangcsillapítást porózus, vagy rostos, nagy elnyelőképességű csillapító anyagok, például szövet (szőnyegek), birkagyapjú, kő-, vagy poliésztergyapot, valamint likacsos habanyagok segítségével érhetünk el. A hangelnyelési kísérletek az előző fejezet dugaszoló panel áramköri kialakításán végezhetők. A kísérlet sorrendje a következő legyen: Először állítsa be az érzékenységet meghatározott távolságban és jó visszaverő közeggel (például üveglappal) majd ezután az áramkört pozicionálja egymás után különböző elnyelő felületek előtt (például durva papír, szövet, szőnyeg, habanyag, hasadozott kő, érdes fa stb.). Mely anyagok verik vissza és melyek nyelik el a hangot? 49. ábra: A távolságra történő figyelmeztetés beparkoláskor 15 Visszavert jel alapján történő tájékozódás optikai kijelzővel A 10. fejezet alapáramkörével egy ilyen távolság kijelzés konkrétan megvalósítható. Ehhez a kísérleti asztalra pár tárgyat, például egy teáscsészét, egy kis skatulyát és egy könyvet helyezhetünk és a dugaszoló panellel az elektronikával és az ultrahangérzékelőkkel együtt az asztalon »körbejárhatunk«. Különösen szórakozató ez egy kis modellautóval. Az elemet a dugaszoló panel hátoldalára rögzítjük, és ebben a kísérletben csúszótestként szolgálhat (a kerekek helyett, ha modelleutó nem áll rendelkezésre). Mielőtt a »körbejárást« megkezdenénk, először azt a távolságot kell beállítani, amelynél a figyelmeztetés kijelzése történjék. A dugaszoló panelt például egy könyvtől 15 cm-re pozicionálhatja. Majd a P1-el úgy kell beállítani az áramkört (balra forgatni), hogy a piros LED éppen kialudjon. Ha az érzékelőkkel közelebb »hajtunk« a tárgyhoz, a LED-nek fel kell villannia és figyelmeztetnie kell a túl kis távolságra. 48. ábra: Kísérlet elnyelő anyagokkal, például egy darab szövettel.
14 A távolságra történő figyelmeztetés
További gyakorlati kísérletek Ennél a kijelzőnél fontos a felbontás kérdése, azaz, hogy még mely tárgyak érzékelhetők. Lehetséges, hogy egy vastag filctollat, egy vékony ceruzát, egy szöget, vagy egy csavarhúzó nyelet az érzékelők még felismernek?
51. ábra: Külünböző tárgyakkal végzett kísérletek, mint például egy csavarhúzó vékony nyele. 16 Ultrahang riasztás Egy optikai riasztóberendezéshez képest (fénysorompó), egy ultrahangos riasztóberendezésnek további számos előnye van. Így például az adó és a kiértékelő vevő kiegészítő tükör nélkül ugyanabba a pozícióba helyezhető. Amennyiben tárgyak (emberek és állatok) mozognak az ultrahanggal »besugárzott« területen, megváltozik a vevőre érkező jel. Ez a jel vagy egy egyszerű figyelmezető jelzéssel, például egy LED-del kapcsolható össze, vagy kiértékelhető úgy, hogy a tárgy fajtája, mérete, sebessége stb. technikailag felismerhető. Így egy speciális, ultrahang érzékelőkkel felszerelt elektronika jelezheti, hogy a felismert tárgy egy ártalmatlan állat, vagy egy betörő ember. 50. ábra: Kijelzés LED-del; a) alapáramkör a dugaszoló panelen, b) gyakorlati kísérlet egy terhergépjármű modellel és papírtekerccsel.
Emberi füllel az ultrahangokat hallani csak akkor válik lehetséges, ha az ultrahangot megfelelő technikával átalakítottuk és hallhatóvá tettük. Különböző lehetőségek vannak a hallótávolságunkon kívül lévő ultrahang hullámok hallhatóvá tételére. Ehhez egy speciális ultrahangérzékeny ultrahang átalakítóra van szükség. Ennek megvalósítására különböző műszaki eljárások vannak. Egy műszakilag viszonylag egyszerű eljárás a keverőtechnikával működik a következő elven: Az elektronika egy meghatározott frekvenciájú hangot kelt és keveri a bemenő mikrofonjellel (rákeveri). Ebből két újabb hang keletkezik, nevezetesen a mikrofonjel és a keverő frekvencia öszeadása és kivonása. Tegyük fel, hogy egy 40 kHz-es ultrahang jelet kell »hallhatóvá« tenni. Egy keverő fokozatban a 40 kHz-es bemenőjelből 37 kHz kivonásra kerül, úgyhogy a kimeneten egy 3 kHz-es hang marad. Ez a frekvencia az emberi fül számára probléma nélkül észlelhető. Egy 45 kHz-es bemenő jelből 37 kHz-et levonva 8 kHz marad. Egyidejűleg 77 kHz-es és 82 kHz-es frekvenciák is keletkeznek, melyek nem hallhatók és ezért a továbbiakban nem használhatók.
52. ábra: Egy ultrahangos riasztóberendezés elve »hangszőnyeggel« Az ultrahangos riasztóberendezéseket elsősorban gépkocsik belső terének biztosítására használják. Ezzel megakadályozható, hogy betörők zavartalanul behatolhassanak a járműbe és az ott található tárgyakat eltulajdonítsák. A riasztó kimenet lehet például gépjármű kürt, egy sziréna és egy riasztó jel, amely SMS útján, a mobiltelefonon keresztül vezérelhető. Az elvi működés a 38. ábrán látható áramköri kialakítással gyakorlatilag megérthető. Az alapáramkört ehhez a kísérlethez a szobában állítjuk fel. Az érzékelőket úgy kell elrendezni, hogy a nyílások párhuzamosan abba az irányba mutassanak, ahol körülbelül 3 m távolságban egyetlen tárgy sem található a helyiségben. Ezután a P1-el a beállítást úgy kell elvégezni, hogy a piros LED éppen kialudjon (először forgassa teljesen jobbra, majd egy kissé balra. Ezután az érzékelőktől különböző távolságokra mozoghat a szobában és megfigyelheti a piros LED-et. Különösen hatékonyan végezhető a kísérlet a sötétben. Ekkor jól felismerhető, amikor a piros LED egy »riasztó jelet« jelez.
54. ábra: Az egyszerű keverős ultrahang konverter elvi ábrázolása (blokkvázlat). További lehetőség a count-down módszer (frekvencia osztási eljárás), melynek során 10 fogadott hullámrezgésből csak egy kerül kibocsátásra (80 kHz-ből tehát 8 kHz lett). Vannak digitális eljárásmódok is, ahol a fogadott ultrahangot a személyi számítógép digitálisan feldolgozza és a hangkártyán keresztül lejátssza. 18 A denevér vevő elve A tanuló csomag alkatrészeivel egy egyszerű ultrahang átalakító építhető a keverési elv alapján, amellyel kísérletek végezhetők. Alkatrészek: dugaszoló panel, 9V-os csatlakozó, elem, ultrahang érzékelő-vevő (US1), 1 db BC 547-es tranzisztor, 1 db 47K-s ellenállás, 1 db 2,2K-s ellenállás, 1 db 1K-s ellenállás, 1db 10K-s ellenállás, 1 db 25K-s potenciométer, 2 db 1 nF-os kondenzátor, 1 db 10 nF-os kondenzátor,1 db 220 pF-os kondenzátor, 1 db 100 µF-os Elko, 1 db piros LED. Az NE 555-tel keverőként egy ultrahang konverter kerül megépítésre. Az áramkört eredetileg Burkhard Kainka fejlesztette ki és egy áramköri kialakításnál jól alkalmazható első kísérletként az ultrahang hullámok konvertálásakor a hallható tartományba. Az áramkör egy körülbelül 37 és 49 kHz közötti ultrahang tartományt helyez át a 100 Hz és 12.000 Hz közötti hallható tartományba. Az állítható frekvencia beállítása a P1 trimmer potenciométerrel történik. Az egyfokozatú tranzisztoros erősítő még nem igen teszi a konvertert észlelhetővé. Ezért a következő fejezetben egy kétfokozatú erősítő építésére kerül sor, amellyel az ultrahang átalakítónak »nagy fülei« lesznek.
53. ábra: Riasztó funkció az ultrahang érzékelőkkel.
17 Ultrahang átalakító
55. ábra: Ultrahang átalakító (keverő) egyfokozatú erősítővel; kapcsolási rajz. A bemutatott konverter áramkör kialakítása után még egy végerősítőre is szükség van. Erről többet a következő fejezetben talál. 19 Érzékeny denevér vevő Az előző fejezetben megépített keverő áramkör egy további előerősítő fokozatban olyan érzékeny lesz, hogy felfedező útra indulhatunk. Alkatrészek: dugaszoló panel, 9-V-Clip, elem, ulrahang érzékelő vevő (US1) 2 db BC 547-es tranzisztor, 1 db 47K-s ellenállás, 1 db 2,2K-s ellenállás, 1 db 560K-s ellenállás, 1 db 1K-s ellenállás, 1db 10K-s ellenállás, 1 db 25K-s potenciométer, 2 db 10 nF-os kondenzátor, 2 db 10 nF-os kondenzátor, 1 db 220 pF-os kondenzátor, 1 db 100 µF-os Elko, 1 db piros LED.
56. ábra: Ultrahang átalakító (keverő) előerősítővel; a) kapcsolási rajz, b) áramköri kialakítás a dugaszoló panelen, c) áramköri kialakítási részlet. A bemutatott konverer áramkör kialakítása után még egy végerősítőre is szükség van. Erre például egy MP3 lejátszó, számítógép stb. aktívsugárzója használható. Ehhez az aktívsugárzó Jack dugóját össze kell kötni az ultrahang konverter kimenetével (lásd az ábrát 57).
57. ábra:a)Konverter a számítógép aktívsugárzóival összekötve, b) csatlakozás a Jack dugóra krokodilcsipeszekkel. A csatlakozás a Jack dugóra a mellékelt vezetékkel is történhet (lásd a következő képeket is). 20 Feltárul az ultrahang világa Egy további lehetőség abban rejlik, hogy a számítógépet, egy net-, vagy egy notebook-ot erősítőként alkalmazunk. Előnye: ezáltal az átalakított ultrahang jelek rögzíthetők és lejátszhatók. A csatlakozót a keverési kísérletek elvégzéséhez a számítógép vonalbemenetére (a csatlakozó hüvely jelképe a számítógépen mikrofon) kell csatlakoztatni.
58. ábra: a) Az ultrahang konverter csatlakoztatása egy netbookra, b) Az áramköri kialakítás és a Jack dugóra történő csatlakoztatás részletei. Eljárásmód aWindows 7 operációs rendszerrel 1. Hívja be rendszer vezérlést, majd klikkeljen a hardver-re és a hang-ra 2. Majd klikkeljen a hang-ra és az audiokészülékek-re 3. Klikkeljen a regisztráló lap, felvétel-re 4. Válassza kia a mikrofont, klikkeljen a tulajdonságok-ra 5. Regisztráló lapon válassza ki a lehallgatás-t. 6. A doboz: válassza ezt a készüléket, mint lejátszót a pipa aktiválásával, zárja a folyamatot OK-val
A regisztráló lapon szint és mikrofonerősítés, a bemeneti érzékenység is beállítható.
59. ábra: Regisztráló lap hang és a mikrofon tulajdonságainak beállítása A regisztráló lapon javítások, bővítmény, további specifikus tulajdonságok állíthatók be, a hangminőség változtatásához. A kimeneti hangerő főleg a billentyűzet (funkció) segítségével állítható be és a hangszóró gombokkal hangosabbra, vagy halkabbra állítható.
60. ábra: a) Regisztráló kártya a mikrofon tulajdonságairól, a hallgatáshoz pipálja ki b) Állítsa be a mikrofon erősítést. Az ultrahang zajok vizsgálatakor ajánlatos egy fejhallgató használata, ha az ultrahang átalakítót csatlakoztattuk. Az ultrahang zajok számítógéppel történő felvételéhez ajánlatos egy egyszerű Freeware programot letölteni az Internetről, majd azt használni. Miután megépítettük az elektronikus áramkört az ultrahang konverterrel és egy erősítővel összekötöttük, tehetünk egy felfedező utazást az ultrahangok világában. Első tesztként például egy kulccsomóval ultrahang zajokat kelthetünk. Új és eddig rejtve maradt észlelési lehetőségek széles területe tárul fel ha felfedezzük, hogy merre találhatók még további hangforrások, megérthetjük az állatokat is, akik nyugtalanok lesznek, ha például egy kerékpárral elhaladunk mellettük. Mert ultrahang források például az olajozatlan kerékpárláncok, a csavarok, a gyöngyöző szénsav, a levélzizegés az erdőben, a denevérek, a rágcsálók, mint például a patkányok. Számos további, műszaki készülékek okozta, nehezen beazonosítható zaj létezik mint például tömítetlen levegő csövek, lyukak a tömlőkben és a gázfejlesztőkben, ultrahangos készülékek, tisztitó medencék, ultrahangos riasztóberendezések, a kártevők elleni védekezés készülékei stb. Az ultrahangok új világa tárul elénk és felfedezhetjük őket. A Conrad Electronic ebben sok örömöt kíván Önnek! Impresszum © 2012 Franzis Verlag GmbH, 85540 Haar http://www.elo-web.de Autor: Ulrich E. Stempel ISBN 978-3-645-10108-0 Készült a Conrad Electronic SE megbízásából, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Minden jog fenntartva, a fotómechanikus lejátszásé és az elektronikus médiákon történő mentésé is. Csak a kiadó írásos engedélyével szabad másolatokat készíteni és terjeszteni papíron, adathordozókon vagy az interneten, különösen PDFfájlként, ellenkező esetben büntetőjogi következményekkel járhat. A hardver és szoftver termékmegnevezések többsége, valamint a jelen leírásban szereplő céges logók rendszerint bejegyzett termékmegjelölések, és akként kezelendők. A kiadó lényegében a gyártó írásmódját alkalmazza a termékmegnevezéseknél. A kézikönyvben bemutatott összes kapcsolást és programot a lehető legnagyobb gondossággal fejlesztettük ki, vizsgáltuk be és teszteltük. Ennek ellenére nem lehet teljesen kizárni a kézikönyvben és a szoftverben előforduló hibákat. A kiadó és a szerző a szándékos vagy hanyag magatartás miatt a törvény szabta felelőséggel tartozik. A kiadó és a szerző egyébként már csak a termékfelelősségi törvény értelmében felel az életet, a testet, vagy az egészséget ért károkért, illetve a lényeges szerződési kötelezettségek vétkes megsértéséért. A lényeges szerződéses kötelezettségek megsértése miatti kártérítés a szerződésre jellemző előrelátható károkra korlátozódik, hacsak a termékszavatosság szerinti kényszerítő felelősség esete nem áll fenn.
Az elektromos és elektronikus készülékeket tilos a háztartási hulladékkal együtt eltávolítani. Az elhasznált terméket az érvényes törvényi előírásoknak megfelelően kell ártalmatlanítani. Az eltávolítás céljára rendszeresített gyűjtőállomásokon ingyenesen leadhatja elektromos készülékeit. Lakhelyén a hatóságoknál informálódhat, hol talál ilyen gyűjtőállomást. A termék megfelelő a vonatkozó CE irányelveknek, amennyiben azt a mellékelt használati útmutató szerint kezeli. Az útmutató a termékhez tartozik, és vele kell adnia, ha azt továbbadja.
