Ultrazvukové senzory
Experimentální stavebnice Ultrazvuk Obj. č. 19 22 84 Vážený zákazníku, děkujeme Vám za Vaši důvěru a za nákup experimentální stavebnice. Tento návod k obsluze je součástí výrobku. Obsahuje důležité pokyny k uvedení výrobku do provozu a k jeho obsluze. Jestliže výrobek předáte jiným osobám, dbejte na to, abyste jim odevzdali i tento návod k obsluze. Ponechejte si tento návod, abyste si jej mohli znovu kdykoliv přečíst!
Příprava Experimentální sada zahrnuje všechny nezbytné komponenty. S experimenty je tak možné začít ihned. Pro napájení elektronického obvodu je zapotřebí 1ks 9 V baterie a několika dalších předmětů běžně dostupných v každé domácnosti. Pro všechny experimenty bude zapotřebí: 9 V baterie Pěnová hmota Papír a lepidlo
Sada obsahuje ultrazvukové převodníky, které pracují na frekvenci cca 40 kHz. Na obdobném principu a mechanismu jsou i dodávané speciální senzory pro přenos označené: T (transmitter = vysílač) a R (reciever = přijímač). Schématické značky ultrazvukových senzorů: US1 - přijímač, US2 - vysílač Pro vysílání a příjem ultrazvukových signálů se používá piezoelektrického krystalu nebo keramického oscilátoru. Na převodník vysílače je přivedeno střídavé napětí s vlastní rezonanční frekvencí. Vibrace jsou poté přenášeny vzduchem a pomocí speciálních senzorů přenášeny i prostřednictvím tekutiny (nejsou součástí balení). Poznámka: Ultrazvukové senzory používané pro naše experimenty fungují pouze v plynném skupenství (přenos vzduchem). Senzory nesmějí být vystaveny přímému kontaktu s kapalinami a vlhkostí. Schottkyho dioda Schottkyho diody propouštějí proud pouze jedním směrem. Proto jsou používány mimo jiné k usměrnění střídavého napětí (AC) a k blokování nežádoucí polarity u DC napětí. Pro vysvětlení funkce této usměrňovací diody, která je součástí sady, si může představit na funkci je nejjednoduššího zpětného ventilu ve vodovodní instalaci. Pakliže bude vyvíjen tlak (napětí) na ventil (dioda) ve zpětném směru, tok procházející vody (elektrického proudu) je blokován. V opačném, propustném směru (směr šipky u schématické značky) musí mít tlak dostatečnou sílu, aby došlo k překonání odporu pružiny ventilu a tím i průchodu proudu. Po otevření ventilu může diodou procházet proud. Napětí, které je nezbytné pro otevření diody se nazývá napětí v propustném směru. Aby došlo k otevření diody je zapotřebí určitá (jmenovitá) hodnota napětí. Dioda po jejím otevření zůstává dál vodivá.
V další části jsou popsány jednotlivé komponenty a jejich vlastnosti. Experimentální (základní) deska Experimentální deska umožňuje sestavení jednotlivých komponentů do obvodu bez pájení a šroubovaných spojů. Každý otvor (kontakt) na destičce má vestavěnou pružinku. Součástky je tak možné do destičky vkládat opakovaně. Kontakty tvoří vodivé spojení (viz schéma na následujícím obrázku). Při vkládání vodičů a komponentů do destičky použijte vhodné kleště a dodržujte příslušný ohyb vodičů / elektrod. Destička má celkem 270 kontaktů v 2,54 mm rastru. 230 kontaktů ve střední části je spojeno vertikálně v řadách po 5 kontaktech. Na okraji delších stran jsou řady kontaktů po 20 otvorech navzájem vodivě spojených. Obě tyto řady jsou vhodné pro připojení zdroje napájení.
Schottkyho dioda, typ BAT 42. Katoda diody je označena černým kroužkem, na opačné straně diody je anoda.
Schématická značka Schottkyho diody a označení technického směru proudu z anody (A) ke katodě (K). K průchodu proudu diodou v propustném směru (směr šipky) začíná při přivedení napětí o hodnotě cca 0,25 V.
LED LED (Light Emitting Diode = světlo emitující dioda) má vyjma vlastností běžných diod navíc další vlastnosti: Po přivedení napětí vydává světlo. V sadě je obsažena 1 červená a 1 zelená LED. Těmto diodám je nezbytné předřadit rezistor (tzv. předřadný odpor). Jeho hodnotu získáme výpočtem podle Ohmova zákona R = U / I (R = hodnota odporu v Ohmech Ω, U = napětí ve Voltech a I = proud v Ampérech). Příkladem: běžná LED (barva světla - červená, oranžová, zelená, bílá) vyžaduje k tomu, aby jasně svítila cca 20 mA provozního proudu. Při napětí 9 V rozdělených přes 0,02 A (20 mA), je potřeba odpor o hodnotě 450 Ω. Pro tuto diodu je tedy vhodné použití nejbližší normované hodnoty rezistoru 1 Ω. Dioda s takovým rezistorem bude jasně svíti, přitom jí však bude protékat o něco menší proud. Na rozdíl od žárovky, nemá dioda žádné vlákno. Z toho důvodu má velmi vysokou životnost při velmi malé spotřebě. Na obrázku vpravo je LED a její schématická značka a označení delší elektrody, anody (+ kladný pól) a kratší elektrody, katody (- záporný pól). Tranzistor Tranzistor je aktivní komponent, používaný v elektronických aplikacích pro spínání a zesilování proudu a napětí. Součástí sady jsou bipolární tranzistory typu BC 547. Jedná se o malý výkonový tranzistor pro jmenovité, maximální provozní napětí 30 V a proud až 200 mA.
Vnitřní obvod NE555 Pokud bychom chtěli IC NE555 nahradit, bylo by k tomu zapotřebí celkem 23 tranzistorů, 15 rezistorů a dvě diody. IC má celkem 7 vývodů (pinů). Pin 1 slouží pro přivedení záporného (GND) napětí, pin 8 kladného napětí (+Vcc). NE555 má pro usnadnění orientace mezi jednotlivými piny na svém povrchu označení. Při ohýbání jednotlivých pinů a vkládání IC do desky si počínejte obzvlášť opatrně. Vyjmutí IC je možné prostřednictvím malého šroubováku.
1. Záporné napětí, mínus pól GND 2. Trigger – spouštění procesu 3. Výstup (OUT) 4. Reset 5. Řídící napětí (CV) 6. Treshold – přepínač rozhraní 7. Vybíjení, výboj (Discharge) 8. Kladné napětí, plus pól (+Vcc)
Schématická značka tranzistoru se skládá z označení elektrod v kroužku nebo bez něj. Tranzistory obsažené v sadě jsou na schématech vyznačovány bez kroužku. Funkce tranzistoru: Na dráhu báze – emitor je přiveden vstupní proud, který pak dále na dráze kolektor – emitor poskytuje zesílený proud, tj. pokud proud protéká bází (tranzistory s NPN přechody vedou kladný, PNP tranzistory vedou negativní proud) propouští tranzistor proud z kolektoru do emitoru a naopak. Pokud do tranzistoru neteče žádný proud nebo je na tranzistor přiveden proud opačné polarity, dochází k jeho uzavření. Integrované obvody IC Integrované obvody představují obvody s několika elektronickými komponenty, které jsou zapojeny na velmi malém prostoru. Součástí sady je IC typ NE555 - monoliticky integrovaný časový obvod, který disponuje funkcemi časomíry, oscilátoru a časového spínače. Technická specifikace NE555 Provozní napětí v rozmezí od 4,5 až 16 V TTL kompatibilita Výstupní proud max. 200 mA (bipolární verze) Vybíjecí proud (discharge) do 200 mA (bipolární verze) Provozní teplota nesmí být nižší než 0 °C Frekvenční rozsah až 500 kHz Součástí sady je bipolární verze NE555, která zesiluje proud zdroje na vysoké hodnoty. Každý z IC obvodů by proto měly být vybaven elektrolytickým kondenzátorem (elyt) s relativně vysokou kapacitou (kondenzátor připojte ke svorkám 1 a 8).
Po usazení komponentů do desky je celý obvod velmi dobře spojený a vodivý. Dbejte proto i na pečlivost připojení napájecího zdroje. Dodržujte polaritu při připojení zdroje do obvodu. Při přepólování obvodu většinou dojde ke zničení některých komponentů. Rezistor Rezistor je pasivní elektronický komponent, který je součástí každého elektronického obvodu. Rezistor omezuje průchod elektrického proudu obvodem, tj. klade odpor procházejícímu proudu. Nejpoužívanějším typem rezistoru jsou válcové, keramické rezistory s dvěma vývody. Jednotlivé hodnoty rezistorů jsou označeny barevným kódem na jejich pouzdře. V sadě jsou obsaženy následující rezistory: Počet
Hodnota
1 2 2 2 1 1 2
100 Ω 1 kΩ 2,2 kΩ 10 kΩ 47 kΩ 100 kΩ 560 kΩ
1. proužek hnědá hnědá červená hnědá žlutá hnědá zelená
2. proužek černá černá červená černá fialová černá modrá
3. proužek násobitel hnědá červená červená oranžová oranžová žlutá žlutá
4. proužek tolerance zlatá zlatá zlatá zlatá zlatá zlatá zlatá
Trimr (potenciometr)
Poznámka: 1 µF = 1/1 000 000 Faradu (jedna milióntina faradu)
Trimr nebo také potenciometr slouží k plynulé regulaci odporu. Trimr v sadě je určen pro ovládání odporu v rozmezí od 25 do 470 kΩ. Jeho nastavování je možné provést pomocí plochého šroubováku. Uvnitř trimru je odporová dráha s pohyblivým kluzným kontaktem. Otáčením kluzného kontaktu po dráze dochází ke změně hodnoty odporu. Trimr je určen pouze pro regulaci malých proudů. Pomocí trimru je možné přímo ovládat různé připojené spotřebiče, například jas LED apod.
Elektroda pro záporný potenciál je označena na plášti kondenzátoru znaménkem „-“. Schématická značka rovněž udává, že se jedná o polarizovaný kondenzátor. V profesní sféře se kondenzátor nazývá ellyt nebo elko. Konektor Některé komponenty (například piezo-převodník) mají flexibilní přívodní vodiče. Tenké drátky na odizolované části vodiče je tak možné díky konektoru snadno připojit do experimentální desky. Vložte konec vodiče do pinu na desce a připevněte jej pomocí konektoru. Vytvoříte tím vodivý a pevný spoj. Konektor můžete do pinu připevnit pomocí plochého šroubováku.
Pro optimální připevnění trimru do desky opatrně ohněte jeho vývody v úhlu 45°.
Piezo převodník
Kondenzátor Kondenzátor se skládá ze dvou kovových desek navzájem oddělených izolační vrstvou. Přivedeme-li na desky elektrické napětí, dochází k vytvoření elektrického pole mezi deskami kondenzátoru a ukládání elektrického náboje. Velikost náboje, který dokáže kondenzátor pojmout nazýváme jeho kapacitou. Kapacita se u kondezátoru zvyšuje s velikostí desek, uložených uvnitř kondenzátoru. Kapacita se udává v jednotce SI Farad (F). V sadě jsou obsaženy následující kondenzátory: Počet 2 2 2 1
Hodnota kapacity (F) 220 pF 1 nF 10 nF 100 nF
Elektrolytický kondenzátor (ellyt, elkos) – jsou mnohem výkonnější než běžné kondenzátory. Elektrolytický kondenzátor má však jednu desku tvořenou elektrolytem. Z toho důvodů je nezbytné zachovat polaritu připojení kondenzátoru ke zdroji. V případě opačného připojení kondenzátoru (přepólování) dojde k jeho nevranému zničení. Maximální jmenovité hodnoty uvedené na kondenzátoru nesmí být překročeny. Přivedeme-li na kondenzátor vyšší než jmenovité napětí, dochází k průrazu mezi deskami a jeho zničení. V sadě jsou kondenzátory o hodnotách 100 a 1000 µF (mikro faradů).
Tolerance 221 102 103 104
Piezo převodník slouží jako jednoduché sluchátko, reproduktor a mikrofon nebo snímač vibrací. Piezo převodník má dvě keramické desky opatřené elektrodami. Napětí, které je na desky přivedeno způsobuje deformaci desek. Přitom vznikají vibrace, jež se šíří vzduchem. Piezo převodník se v současné době nachází ve většině produktů moderní audio techniky a Hi-Fi systémů. Svorky Pro připojení ultrazvukového senzoru do obvodu bez pájení slouží jednoduchá svorka (tzv. lustrosvorka).
Připojovací clip baterie
Připojení a funkce senzorů
Clip slouží pro připojení 9 V baterie k experimentální desce. Připojovací kabely (červený a černý vodič) jsou vyrobeny z pružného drátu. Konce vodičů jsou nepatrně pocínované, takže je lze snadno zapojit do pinů na desce. Doporučujeme připojit negativní pól (černý vodič) ke spodní řadě propojovacích pinů.
Připojte ultrazvukové senzory pomocí svorek k základní desce. Při montáži ponechte vzdálenost pouze několika milimetrů mezi deskou a senzory. V opačném případě může dojít k nesprávné funkci senzoru a zkreslujícím výsledkům při experimentování. Pro maximální omezení negativních vlivů při přenosu vln je vhodné navíc senzor připevnit k desce pomocí malého kousku pěny nebo gumových podložek. Senzory tak mohou pracovat s maximálním výkonem bez rušivých efektů.
Všechny experimenty jsou koncipovány tak, že zahrnují jednotlivé a postupné kroky, navíc vyžadují jistou inovaci a vývoj experimentátora pro dosažení následujícího kroku. Pro další experiment není zapotřebí odstranění všech dříve použitých komponentů. Stačí jen provést výměnu několika hlavních součástek.
Propojovací vodič V sadě naleznete několik propojovacích vodičů (klema). Na konci vodičů je v délce 8 mm odstraněna izolace. Vodiče je možné po vytvoření ohybu vložit přímo do desky. Propojovací vodiče je možné různě upravovat. Vodiče slouží k vytvoření vodivého spoje na různých místech desky. Přehled komponentů dodávaných v sadě Komponent Ultrazvukový senzor, vysílač Ultrazvukový senzor, přijímač Základní deska IC Tranzistor Rezistor
Počet kusů 1 1 1 1 3 10
Typ 40 kHz 40 kHz SYB-46 NE555 BC 547 Uhlíkové
Trimr Kondezátory
2 7
25 - 470Ω Keramické
Ellyt Ellyt Clip baterie Konektory Svorky Schottkyho dioda LED Piezo měnič Propojovací vodiče
1 1 1 2 2 2 2 1 0,5 m
16 V 16 V 9V 2 pólové BAT 42 5 mm Piezo 0,6 mm
Poznámka
Vnímatelný zvuk a zvuk pod prahem slyšitelnosti Komponenty pro experiment:
1 k, 2,2 k, 10 k, 47 k, 100 k, 560 k 220 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF, 1000 µF 1000 µF 100 µF
1,5 mm2 červená, zelená
Ultrazvukové aplikace V následující části si předvedeme několik zajímavých experimentů s ultrazvukovými a zvukovými vlnami. Dozvíte se, že zvuková vlna může v praxi představovat velmi užitečnou funkci. Přesto je nezbytné mít na paměti to, že nesprávné použití a nedostatečná znalost těchto technologií může vést ke zranění osob nebo zvířat a poškození životního prostředí. Pro naše experimentování je proto nutná alespoň základní znalost celé problematiky ultrazvukových aplikací.
Základní deska, clip pro připojení baterie a baterie, 2 tranzistory BC 547, 2 kondenzátory C2 a C3 každý o kapacitě 220 pF, 1 kondenzátor o kapacitě 1 nF, 2 rezistory R1 a R2 o hodnotě 10 kΩ, 2 rezistory R3 a R4 o hodnotě 560 kΩ (popřípadě 100 kΩ), 1 rezistor R5 47 kΩ, 470K trimr P1 470 kΩ, piezo měnič, elektrolytický kondenzátor 100 uF a červená LED.
Komponenty pro experiment Kondezátory C2 a C3
Kondezátor C4
Rezistory R3 a R4
1 nF
10 nF (103)
560 kΩ
Rozsah výsledné frekvence (Hz) 1000 - 4500
Umístěte ultrazvukový senzor ke dnu prázdného kelímku od jogurtu a ten položte na zem nebo na stůl. Následně měňte pomocí trimru rezonanční frekvenci piezo měniče. Tím bude docházet ke změně vydávaného tónu. Zvyšte frekvenci na maximální úroveň. Za těchto podmínek se rezonanční frekvence piezo komponentu mění na frekvenci v rozsahu mezi 1500 – 4000 Hz.
Schématické zapojení multivibrátoru, umístění komponentů na desce a jejich detail.
V úvodním experimentu dojde ke generování zvuku, který vnímá lidský sluch s následným laděním obvodu až do rozsahu pod práh slyšitelnosti. Následující tabulka uvádí hodnoty komponentů a jejich následné výstupní hodnoty zvukové frekvence. 1 krok 1 2
Kondenzátory C2 a C3 220 µF (221) 220 µF (221)
Rezistory R3 a R4 560 kΩ 100 kΩ
Frekvence (Hz) trimr P1 2500 – 7500 8500 - 25000
Vložení piezo měniče do dna jogurtového kelímku. K připevnění měniče do kelímku použijte například lepící pásku.
Zvukové vlny
Výsledek experimentu
Zvukové vlny mají zcela odlišné vlastnosti od magnetických vln (rádiových vln). Pro šíření zvuku je zapotřebí určitého média, například vzduchu, plynu nebo kapalin. Zvukové vlny se navíc šíří jinou rychlostí. Magnetické vlny se mohou šířit i ve vakuu. Při zvukové produkci, například u bubnu, dochází ke komprimaci zvuku v lidském uchu v místech za ušním bubínkem. V případě bubnování tak dochází k nárazovému zvýšení tlaku v lidském uchu. Zvukové vlny se potom vzduchem šíří při různě vysokém tlaku vzduchu (přechod z nízkého do vysokého a naopak) a navíc všemi směry. Rychlost šíření zvuku vzduchem je 343 m/s (1235 km/h). Vysoký tlak vzduchu může člověk i fyzicky cítit. Jedná se zejména o případ velmi hlasité hudby (vysoké akustického tlaku) v blízkosti reproduktorů.
Je slyšet pouze nepatrný zvuk. Pakliže přichází piezo měnič do přímého kontaktu se dnem kelímku, dochází k zesílení signálu. V případě, že kelímek zvednete a obrátíte přímo proti sobě, dojde k ještě většímu zvukovému zesílení.
Experimenty s piezo-signalizací a zvuky vnímané lidským sluchem Následující multivibrátor je obdobný obvod jako v předchozím případě. Rozdíl je pouze v použití kondenzátorů C2, C3 o hodnotě 1nF a C4 (namísto 1nF nyní nahrazen 10 nF). Obvod potom generuje vibrace v rozsahu frekvence od 1000 - 6000 Hz po nastavení trimrem P1 (v závislosti na kapacitě baterie). Piezoelektrické měniče šíří rezonanční frekvenci, při které se většina energie do okolí šíří o velmi vysokém objemu. Jedná se o šíření na takové frekvenci, která je pod prahem našeho vnímání. Čím větší je piezoelektrický krystal a kovové destičky senzoru, tím větší je frekvence za jaké se zvuk šíří. Podobné vlastnosti mohou mít i jiné předměty a látky v okolí. Příkladem mohou být dlouhé plíšky ve foukací harmonice, které produkují hluboké zvuky (tóny). Oproti tomu krátké plíšky vydávají velmi vysoké tóny. Kratší struna na kytaře nebo u houslí vydává také daleko vyšší tón, než dlouhá.
Závěr z experimentu Vibrační povrch piezoelektrického měniče, je velmi malý, a proto dochází k vysílání pouze slabého zvukového signálu. Kelímek od jogurtu pak působí jako rezonátor hudebního nástroje. Vibrující povrch tak výrazně zvyšuje objem hlasitosti. Po otočení kónického tvaru kelímku k uším tak dochází k zesílení zvuku. Zvukové vlny způsobují vibrace částic a jejich vzájemnou vazbu. Zvukové vlny se šíří v plynech, kapalinách a v pevných látkách. V závislosti na charakteru prostředí, ve kterém se zvuk šíří, dochází ke změnám v rychlosti jeho šíření. Například ve vodě se zvuk šíří 5x rychleji, než ve vzduchu. Zvuk šířený ve vzduchu a jeho vlny nazýváme podélné (longitudální). Tyto vlny se šíří dále od zdroje zvuku. V pevných látkách se zvuk šíří pomocí příčných vln (transversální). V tekutinách se příčné vlny pohybují pouze na povrchu, naproti tomu podélné vlny se šíří pod povrchem látky. Rychlost šíření zvuku závisí vždy na látce, ve které se pohybuje. Rychlost zvuku ve vodě je asi 1500 m/s kdy oproti tomu ve vzduchu je rychlost o dost nižší - 343 m/s. Rychlost šíření zvuku ve vodě závistí vždy také na vlastnostech kapaliny (například složení, teplota, atmosférický tlak apod.) V mořské vodě hluboko v oceánu se zvukové vlny šíří velmi daleko. Naproti tomu ve vakuu nedochází k žádnému šíření zvukových vln. Proto je ve vesmírném prostoru, kde je vzduchoprázdno, naprosté ticho. Z vědecko-technického hlediska se zvuk měří podle jeho frekvence. Hluboké zvuky (tóny) mají nízkou frekvenci, Oproti tomu vysoké tóny mají vysokou frekvenci.
Frekvence zvuku se rozdělují do následujících 3 skupin: 1. Zvuk slyšitelný lidským vnímáním – rozmezí od 16 do 20000 Hz (maximální možná hranice pro člověka s nenarušeným sluchem). 2. Infrazvuk – pod hranicí 16 Hz. Člověk jej může vnímat na těle pouze ve formě vibrací. 3. Ultrazvuk – frekvence zvuku za hranicí 20.000 Hz. Pro člověka není ultrazvuk slyšitelný. Může však působit na lidský organismus. Ve fyzice jsou zvukové vibrace definovány kmitočtem (frekvence). Jednotkou frekvence je Hertz. Jeden Hertz udává počet kmitů za sekundu. Jeden Hertz tak představuje jeden kmit za jednu sekundu. Jednotka frekvence byla pojmenována podle německého fyzika Heinricha. R. Hertze. Čím vyšší je tón / zvuk, který vnímáme, tím vyšší je jeho frekvence. Například základní tón, hluboké „C“ má frekvenci 66 Hz. Výjimečnost ultrazvuku Charakter a vlastnosti ultrazvukových vln se mění s prostředím, ve kterém se šíří. Velký rozdíl v šíření ultrazvuku přestavuje voda a vzduch. S rozdílným médiem, ve kterém se vlny šíří se také mění vlnová délka a rychlost. V případě, že je rychlost průchodu ultrazvuku vyšší, je vyšší i jeho vlnová délka. U pokusů v hodinách fyziky se pro experimentování s ultrazvukem používá jako médium plyn. Při vdechnutí určitého množství plynu Helium, dojde ke groteskní změně hlasu člověka, který poté mluví hlasem „Mickey Mouse“. Příčinou toho je, že při šíření zvukových vln plynem dochází k výrazné změně vlnové délky a rychlosti zvuku. Následně se vlnová délka šířeného zvuku ve vzduchu zvýší a posluchači tak mají možnost slyšet zvuk (hlas) na vysoké frekvenci. Experiment Vložte piezo měnič (připojený k základní desce) do kelímku s vodou. Ostatní části desky a komponentů musí však zůstat suché! Ponechte přitom spuštěný obvod, který vydává ultrazvukové vlny o určité hodnotě. Krátkodobé ponoření piezo součástky nezpůsobí její poškození, pakliže jí po experimentu znovu opět usušíte. Zajistěte také to, aby se piezo měnič a nádoba vzájemně nedotýkaly. Výsledek experimentu Upravte zvuk pomocí trimru na výrazně hlubší tón, který bude slyšitelný z vně kelímku plného vody. Voda šíří zvuk a jeho frekvenci rozdílným způsobem, než jiná média.
Náš obvod ve výsledku generuje zvuk o frekvenci přibližně 13 kHz. Pomocí multimetru určeného pro měření frekvence je možné zjistit hodnotu kmitočtu, kterou obvod generuje.
Ultrazvukový vysílač S integrovaným obvodem NE 555 a několika dalšími komponenty je možné sestavit výkonný ultrazvukový vysílač. Stejný obvod bude využitelný i v dalších experimentech. Komponenty na základní desku je proto zapotřebí vkládat a sestavovat velmi pečlivě a předem uvažovat i připojení dalších komponentů pro další experimenty. Komponenty pro experiment Základní deska, klip baterie a baterie 9 V, ultrazvukový senzor – vysílač, IC NE555, trimr 25 kΩ , rezistor 1 kΩ, kondenzátor 1 nF, oranžová LED a elektrolytický kondenzátor 100 µF. Při vkládání IC do desky dbejte na správné umístění vývodů (pinů). Pozice IC poté umožňuje snadné připojení dalších součástek použitých v jiných experimentech.
Odpuzovač komárů Komponenty pro experiment Základní deska, clip baterie a baterie, 2 tranzistory BC 547, 2 kondenzátory C2 a C3 oba o hodnotě 220 pF, 1 kondenzátor o hodnotě 1 nF, 2 rezistory R1 a R2 oba o hodnotě 2,2 kΩ, 2 rezistory R3 a R4 oba o hodnotě 560 kΩ, piezo měnič, elektrolytický kondenzátor 100 uF a červená LED. Obvod pro tento experiment je obdobný jako v předchozích případech. Zapotřebí bude pouze provést nepatrné změny. Výsledek tohoto experimentu je sestavení odpuzovače komárů. Zvuk, který multivibrátor generuje je o frekvenci 10 – 16 kHz. Zvuk o takové frekvenci je komárům velmi nepříjemný a působí jako jejich odpuzovač. Pro ověření funkce zařízení sestavte vlastní obvod s potřebnými komponenty. Zvuk, který vydává piezo zvukový generátor je slyšet, pouze pokud přiložíte ucho do těsné blízkosti komponentu. Hodnota frekvence je také výrazně závislá na stavu (kapacitě) použité baterie. Slabá baterie poskytuje zvuk o nižší frekvenci, nová baterie zvuk s vyšší frekvencí. Provoz obvodu je indikován červenou LED.
Schéma obvodu s ultrazvukovým vysílačem. V obvodu možné použít tlačítko. Pomocí trimru P1 je možné vygenerovat zvukovou frekvenci v rozsahu 28 – 240 kHz. V případě, že na trimru nastavíte hodnotu 0 Ω, dojde ke zkratování obvodu. Proto je nezbytné do série s trimrem zapojit rezistor alespoň o hodnotě 1 kΩ. Multimetrem následně zjistíte, že obvod poskytuje frekvenci přibližně 43 kHz. Schéma s připojením multimetru pro měření frekvence obvodu.
je
Ultrazvukový detektor S ultrazvukovým detektorem lze zachytit a zobrazit ultrazvukové vlny. Pro zachycení slabšího signálu je nutné provést elektronické zesílení senzoru. V následujícím experimentu bude příležitost provádět vlastní, praktický výzkum. Komponenty pro experiment Základní deska, clip baterie a baterie 9 V, ultrazvukový senzor – přijímač (US1), 3 tranzistory BC 247, 1 rezistor 47 kΩ, 1 rezistor 2,2 kΩ, 2 rezistory 560 kΩ, 1 rezistor 10 kΩ, 1 rezistor 100 kΩ, rezistor 1 kΩ, trimr 470 kΩ, 2 Schottkyho diody BAT 42, 2 kondenzátory 10 nF (paralelně), 1 kondenzátor 220 pF, 1 elektrolytický kondenzátor 1000 µF, LED – červená, zelená. Obvod, složený z těchto komponentů, slouží jako základní obvod pro několik následujících experimentů. Dbejte proto znovu na pečlivost sestavování obvodu. Popis obvodu
Rezonance a rezonanční frekvence Ultrazvukový vysílač z předchozího experimentu dokázal vygenerovat ultrazvukovou frekvenci v rozsahu 28 - 240 kHz a šířit jej do prostoru. V obvodu zároveň nastává tzv. rezonanční frekvence, tedy stav, při kterém senzor pracuje s optimálním výkonem - maximální energií, kterou navíc šíří do prostoru. Rezonanční frekvenci je však nutné změřit a upravit. Pro měření a optimalizaci rezonanční frekvence je možné použít:
Základní obvod sestává z ultrazvukového přijímače, senzoru US1 a citlivého, dvoustupňového tranzistorového zesilovače. Signál zaznamenaný senzorem US1 při rezonanční frekvenci bude zesílen prostřednictvím dvoustupňového tranzistorového zesilovače. AC signál je aplikován přes napěťový zesilovač skládající se z kondenzátorů C3, C4, diod D4, D5 a tranzistoru T3, který pak střídavě přepíná LED. Citlivost spínání třetího tranzistoru se upravuje pomocí trimru (P2).
a) multimetr přepnutý na měření proudu (v mA), DC proud poskytovaný baterií.
b) červenou a zelenou LED zapojené v sérii pro zobrazení směru proudu, při optimalizaci rezonanční frekvence svítí obě LED velmi jasně, vzhledem k tomu, že jimi protéká většina proudu. Poznámka: Se dvěma experimentálními sadami je možné používat zároveň ultrazvukový vysílač a ultrazvukový detektor.
Citlivost ultrazvukového detektoru můžete otestovat pomocí různých ultrazvukových zdrojů. Například zatřesením svazku klíčů nebo prostřednictvím PC programu. V počítači můžete jednoduchým softwarem vytvořit aplikaci pro generování ultrazvukových vln. Použít lze také různé on-line generátory a testery (shareware aplikace Anti-Moskito). Ultrazvukovým detektorem tak můžete zaznamenat různé zdroje. Uvědomte si však to, že ultrazvuk může být lákavým zvukem pro netopýry. Elektronické ultrazvukové detektory jsou velmi citlivé i na větší vzdálenost. S experimentováním však začněte na kratší vzdálenosti.
Poznámka: Pokud sestavený obvod neposkytuje dostatečný výkon, ověřte nejprve, zda je v obvodu použito uvedených komponentů a jejich správné zapojení. Zejména u diod a tranzistorů je důležité jejich zapojení ve správném směru.
Echolokace Jedná se o technologii založenou především díky důkladnému studiu netopýrů. Ultrazvukové echolokace se využívají například v námořní plavbě u sonaru. Sonar emituje ultrazvukové vlny, které se dále odrážejí od okolních předmětů. Podle doby, kdy dojde k odrazu vlny od překážky a úhlu je možné získat velmi přesný obraz o velikosti a pohybu předmětů. Obvod použitý v této části experimentování, bude použit pro i několik dalších pokusů. Princip fungování obvodu je v zásadě stejný jako u audio zesilovače, ve kterém je umístěný mikrofon v blízkosti reproduktoru za silných vibrací (zpětná vazba) a tento zvuk je znovu reprodukován prostřednictvím reproduktoru. V tomto obvodu je však namísto reproduktorů a mikrofonu použito ultrazvukových senzorů.
Montáž komponentů znovu vyžaduje vysokou pečlivost, vzhledem k tomu, že jednotlivé součástky jsou umístěny velmi blízko u sebe. Na několika místech obvodu, je navíc nutné připojení dvou elektrod určitého komponentu do jednoho kontaktního pinu na desce. Navíc je zapotřebí správné umístění obou senzorů na okraj desky tak, aby oba směřovaly stejným směrem a přitom však nedošlo k jejich přímému kontaktu s deskou.
Echolokace s optickým zobrazením Po připojení všech komponentů na desku a připojení zdroje napětí (9 V) by měla trvale svítit zelená LED. Orientace senzorů Nasměrujte oba senzory do prostoru, ve kterém nejsou ve vzdálenosti 2 – 3 m žádné předměty.
Komponenty pro experiment
Optimalizace obvodu
Základní deska, clip baterie a baterie 9 V, ultrazvukový senzor – přijímač (US1), ultrazvukový senzor – vysílač (US2), 3 traznistory BC 247, rezistor 47 kΩ, rezistor 2,2 kΩ, 2 rezistory 560 kΩ, 1 rezistor 1 kΩ, 1 rezistor 10 kΩ, rezistor 100 kΩ, 1 trimr 25 kΩ, 1 trimr 470 kΩ, 2 Schottkyho didoy BAT 42, 2 kondenzátory 10 nF, 1 kondenzátor 220 pF, elektrolytický kondenzátor µF, 1 červená a 1 zelená LED.
Otočte trimr P1 (na obrázku vlevo) zcela vpravo. Upravte polohu trimru P2 (na obrázku vpravo) tak, aby došlo k rozsvícení červené LED a potom jej znovu otočte v opačném směru, dokud LED nezhasne. Pokud se nepodaří LED zhasnout při úpravě trimru P2 proveďte úpravu trimu P1. Následně upravte citlivost obvodu pomocí P1. Přitom umístěte nějaký předmět do vzdálenosti 50 cm před ultrazvukové senzory a otáčejte trimrem P1, dokud se LED nerozsvítí. Poté odstraňte objekt umístěný před senzory. V té chvíli by měla LED zhasnout.
Funkce obvodu Obvod zahrnuje ultrazvukový přijímač se senzorem US1 a citlivý dvoustupňový, tranzistorový zesilovač složený z uvedených komponentů. Signál zaznamenaný senzorem US1 je znovu zesílen prostřednictvím tranzistorového zesilovače. Takto upravený signál se pak dostává do senzoru US2 – vysílače a ten zesílené ultrazvukové vlny dále šíří. V případě, že jsou oba senzory naproti sobě nebo namířené na určitý objekt, dochází ke zpětné vazbě ve formě AC signálu. Tento signál prochází přes napěťové zesilovače složené z kondenzátorů C3, C4 a diod D4, D5, dále k tranzistoru T3 a při zpětné vazbě se navíc rozsvěcuje červená LED. Pomocí trimru P2 je možné upravit spínání LED a trimrem P1 (25 Ω) citlivost obvodu a ultrazvukového senzoru – přijímače.
Odraz ultrazvukových vln Při dalších experimentech lze získat přesný obraz prostoru prostřednictvím ultrazvukových vln a to zejména díky směru působení vln a úhlu jejich odrazu. Jedná se o stejný úhel dopadu a odrazu jako například při odrazu světelných paprsků svítilny namířené v určitém úhlu do zrcadla. Stejný jev se projevuje při šíření ultrazvukových vln. Na obrázku je názorně zobrazen úhel vyslaného světelného paprsku kapesní svítilny odrazu od zrcadla a jeho dopadu.
Postup při realizaci experimentu Základní desku použijeme se stejnými komponenty jako při předchozím experimentu. Navíc bude zapotřebí vyrobit dvě papírové trubičky z lesklého papíru (fotopapíru) o rozměrech uvedených níže na obrázku. Použít můžete například staré znehodnocené fotografie.
Absorpce ultrazvukových vln Absorpce (pohlcování) ultrazvukových vln je způsobeno především díky nerovným povrchům nebo robustním stěnám různých objektů. Dobře známé jsou protihlukové stěny, které jsou budovány v blízkosti hlučných komunikací proto, aby absorbovaly tento nežádoucí hluk. Technologie zvukové izolace (zvukotěsnost) Při pohlcování zvuku probíhá proces, při kterém dochází ke konverzi akustické energie na teplo prostřednictvím tření. Materiál, který dokáže absorbovat zvuk, jej vlastně zastavuje v dalším pohybu. Nejlepších výsledku při tlumení zvukových vln se dosahuje při použití různých porézních nebo vláknitých izolačních materiálů jako například koberce, různé tkaniny, ovčí vlna, polyester nebo montážní pěna.
Při slepování fotopapíru mějte potřebnou trpělivost. Slepování fotopapíru totiž vyžaduje jistou dávku zkušeností. Naneste lepidlo na obě lepené části a v tomto stavu jej ponechte chvíli působit na lepený fotopapír. Po chvíli k sobě obě části pevně přitiskněte. Použít můžete různé předměty coby těžítko. Ujistěte se o tom, že se lepidlo v žádném případě nedostane k ultrazvukovému senzoru.
Při experimentu použijte obvod s již přednastavenou citlivostí senzorů na určitou vzdálenost (například skleněná okenní výplň). Mezi objekt, který odráží vlny a obvod pak postupně použijte různé materiály pohlcující zvuk (dřevo, koberec, pěna, papír apod.). Které materiály zvuk odrážejí a které absorbují?
Systém detekce vzdálenosti
Zhotovené trubičky by měly co nejlépe doléhat na obvod pláště ultrazvukového senzoru tak, aby nedocházelo k šíření vln ze zadní části trubičky. Opatrně nasaďte trubičky na oba senzory. Obdobně jako při pokusu se světelnými paprsky odrážejícími se od zrcadla, budou ultrazvukové vlny odráženy od okolních předmětů. Při pokusech použijte například skleněnou okenní výplň, vodní hladinu, hladký kámen apod. Na počátku experimentování je nezbytné provést prvotní ladění obvodu a citlivosti senzorů na předem definovanou vzdálenost.
Pro další experimenty doporučujeme připevnit zdroj napětí na spodní část základní desky. Použijte proto běžnou lepicí pásku. Manipulace s obvodem tak bude daleko snadnější.
Detekce vzdálenosti od určitých předmětů může zejména při cestování na silnicích představovat prevenci před vznikem zranění a škod. Moderní automobilové systémy dokáží včas upozornit řidiče na různé překážky na komunikaci například děti, které se pohybují na vozovce. Použití takových systémů se rovněž uplatňuje při parkování a zejména při couvání (parkovací senzory). V základním provedení tento systém funguje na zvukové signalizaci, která se postupně zintenzivňuje, čím blíže je předmět k senzoru na vozidle. Současné aplikace však umožňují vyjma zvukové signalizace i grafické zobrazení na palubním displeji. Jednoduchý parkovací systém používá 4 ultrazvukové senzory. Parkovací systém může být umístěn například pouze v zadní části vozidla a jeho funkce je aktivována po zařazení zpátečky. Optický a akustický systém detekce vzdálenosti Při tomto experimentu použijeme obdobný obvod jako v části „Echolokace“. Jako překážku můžete použít například šálek nebo sklenici. Pro hodnověrnou simulaci a testování parkovacího systému je ideální použití různého modelu auta, na který náš systém umístíme. Na začátku experimentování je zapotřebí znovu celý systém kalibrovat. Umístěte do vzdálenosti například 15 cm před senzory nějaký předmět a pomocí trimru P1 (otáčením vlevo) zajistěte, aby červená LED zhasnula. Po přiblížení „vozidla“ k předmětu na menší vzdálenost se musí LED znovu rozsvítit. Na stejném principu pracuje parkovací systém ve skutečném vozidle.
Další praktické využití systému Rozhodujícím faktorem u tohoto systému je schopnost rozlišení velikosti detekovaného objektu. Vyzkoušejte, zda je možné senzorem zaznamenat například fix, tenkou tužku, hřebík nebo šroubovák?
Ultrazvukový bezpečnostní systém Ve srovnání s optickými bezpečnostními systémy poskytuje ultrazvukový systém několik dalších výhod. Vysílač a přijímač může být ve stejné pozici bez potřeby odrazového (reflexního) předmětu. Pohyb osob nebo zvířat v oblasti šířeného ultrazvukového signálu, tak způsobuje změny v jeho šíření. Tyto změny mohou být opticky signalizovány. Rychlost blikání LED může navíc signalizovat rychlost pohybu objektu. Touto výjimečnou technologií je možné velmi efektivně detekovat přítomnost a pohyb zvířat nebo nezvaných hostů. Po vstupu vetřelce do střeženého objektu může být spuštěn poplachový systém popřípadě odeslána textová zpráva na mobilní telefon, informující majitele o narušení objektu. Schéma zapojení takového bezpečnostního systému je stejné jako v části „Echolokace“.
Schematické znázornění (blokové schéma) jednoduchého ultrazvukového převodníku se směšovačem. Další metodou jsou aplikace Countdown (metoda rozdělení frekvence) kde u celkově 10. zvukových vln bude jejich konečný výstup 1 (80 kHz – 8 kHz). Při této technologii dochází navíc k digitálnímu zpracování pro PC a přehrávání na zvukové kartě.
Princip echolokace používaný netopýry Pomocí experimentální sady je možné sestavit vlastní ultrazvukový měnič s principem superpozice. Komponenty pro experiment Základní deska, clip baterie a baterie 9 V, ultrazvukový senzor – přijímač (US1), 1 tranzistor BC 247, 1 rezistor 47 kΩ, 1 rezistor 2,2 kΩ, 1 rezistor 1 kΩ, 1 rezistor 10 kΩ, 1 trimr 25 kΩ, 2 kondenzátory 1 nF, 1 kondezátor 10 nF, 1 kondenzátor 220 pF, 1 elektrolytický kondenzátor 100 µF, červená LED. V obvodu bude sestaven ultrazvukový konvertor s IC NE555 jako směšovač (mixér). Tento obvod, který je základem prvních experimentů, původně vyvinul B. Kainka. Obvod upravuje ultrazvukové vlny v rozsahu 37 – 49 kHz do rozsahu 100 – 12000 Hz. Úprava frekvence se provádí pomocí trimru P1. Tranzistorový zesilovač přitom příliš nereflektuje citlivé změny konvertoru. V další části proto sestavíme velmi výkonný zesilovač. Na následujícím schématickém nákresu je ultrazvukový převodník (mixér) s jednostupňovým předzesilovačem.
Senzory musí být směřovány paralelně, stejným směrem. Ponechte před nimi dostatečně volný prostor (asi 3 m). Následně pomocí trimru P1 upravte citlivost systému tak, aby červená LED zhasnula (otočením nejprve zcela vpravo a poté malými kroky otáčejte vlevo). Nyní se pohybujte v prostoru před ultrazvukovými senzory a sledujte přitom červenou LED. Pokus je ideální provádět za zhoršených světelných podmínkek (za šera). V té chvíli lze indikaci prostřednictvím červené LED zcela jasně vidět.
Ultrazvukový měnič (konvertor) Ultrazvuk může člověk vnímat pouze při použití vhodného zařízení, které provede jeho konverzi na slyšitelný zvuk. Tuto technologii využívá speciální a velmi citlivý mikrofon. Z technického hlediska je však realizace této technologie velmi různorodá. Jednou z možností v případě elektronicky generovaného zvuku je jeho smíšení (překrytí) signálem z mikrofonu. Výsledkem jsou 2 nové zvuky a sčítání a odečítání signálu z mikrofonu a smíšení frekvence. Uvažujme ultrazvukový signál o frekvenci 40 kHz, který člověk může vnímat (je slyšitelný). Ve směšovacím zařízení bude signál 37 kHz odečten od původního signálu 40 kHz, což znamená, že na výstupu bude zvuk o frekvenci 3 kHz. Zvuk o takové frekvenci může člověk vnímat. U vstupního signálu 45 kHz bude výstupní signál 8 kHz (45 – 37). Přitom frekvence 77 kHz a 82 kHz již není možné vnímat a proto dojde k jejich odfiltrování.
Výkonný echolokátor U směšovacího obvodu z minulé části následně provedeme ještě dalšího jeho zesílení. S takto výkonným echolokátorem je možné se vydat na experimentální výpravu. Potřebné komponenty Základní deska, clip baterie a baterie 9 V, ultrazvukový senzor – přijímač (US1), 2 tranzistory BC 247, 1 rezistor 47 kΩ, 2 rezistory 2,2 kΩ, 1 rezistor 560 kΩ, 1 rezistor 1 kΩ, 1 rezistor 10 kΩ, 1 trimr 25 kΩ, 2 kondenzátory 1 nF, 2 kondenzátory 10 nF, 1 kondenzátor 220 pF, 1 elektrolytický kondenzátor µF, červená LED.
Po sestavení navrženého konvertoru je ještě zapotřebí velmi výkonný zesilovač. Pro tento experiment je možné použít aktivní reproduktory například z MP3 přehrávače, počítače apod. kdy propojíme konektor (jack) s výstupem ultrazvukového konvertoru následujícím způsobem.
Propojení obvodu je možné provést také pouze pomocí vodičů. V takovém případě je však nezbytné zhotovit velmi kvalitní spoj.
Svět ultrazvuku Pro obdobné experimenty můžete využít počítač nebo notebook jako zesilovač. Přitom navíc můžete konvertované ultrazvukové signály zároveň zaznamenávat a opětovně reprodukovat. Obvod poté propojíte s konektorem LINE-IN (na počítači označen symbolem mikrofonu).
Připojení ultrazvukového konvertoru s notebookem a detail propojení s konektorem (jack). Postup pro operační systém Windows 7 1. Otevřete Ovládací panely a vyberte položku Hardware a zvuk. 2. Přejděte do nabídky Zvuk – Spravovat zvuková zařízení. 3. Vyberte záložku Záznam. 4. Vyberte Mikrofon a klepněte na jeho Vlastnosti. 5. Vyberte kartu Poslech. 6. Vyberte toto zařízení jako výchozí pro audio přehrávání. Nastavení potvrďte výběrem OK. Na kartě Úroveň a Zesílení mikrofonu. Následně můžete nastavit vstupní citlivost.
V záložce Pokročilá nastavení je pak dále možné provádět úpravy a optimalizaci audio výkonu (specifické vlastnosti a kvalita zvuku). Výstupní hlasitost upravíte pomocí tlačítek na klávesnici nebo přímo otočným ovladačem na reproduktoru. Na internetu je zdarma dostupná široká škála různých aplikací pro záznam a úpravy ultrazvuku. Tím experimentování ve světě ultrazvuku vše teprve začíná! Zjistili je už, že jednoduchý generátor ultrazvukových vln je i obyčejný svazek klíčů. Díky pochopení ultrazvukové technologie už možná spíše pochopíte, proč jsou různá zvířata neklidná, projede-li okolo nich cyklista na kole. Ultrazvukové vlny vznikají při běžných činnostech každodenního života. Skřípání řetězů jízdního kola, nepříjemný zvuk při utahování/povolování zkorodovaných šroubů, šumění kapalin obsahujících oxid uhličitý, šustivý zvuk listí v lese, zvuk vydávaný netopýry a různými hlodavci, stejně tak jako zvuk ucházející pneumatiky a únik plynu z potrubí. Existuje proto mnoho elektronických systémů, které dokáží detekovat netěsnost tlaku v pneumatikách, vzduchových a plynových instalacích. Mimoto se ultrazvuku využívá v zabezpečovacích systémech a pro hubení a odpuzování škůdců.
Recyklace Elektronické a elektrické produkty nesmějí být vhazovány do domovních odpadů. Likvidujte odpad na konci doby životnosti výrobku přiměřeně podle platných zákonných předpisů. Šetřete životní prostředí! Přispějte tak k jeho ochraně!
Překlad tohoto návodu zajistila společnost Conrad Electronic Česká republika, s. r. o. Všechna práva vyhrazena. Jakékoliv druhy kopií tohoto návodu, jako např. fotokopie, jsou předmětem souhlasu společnosti Conrad Electronic Česká republika, s. r. o. Návod k použití odpovídá technickému stavu při tisku! Změny vyhrazeny! © Copyright Conrad Electronic Česká republika, s. r. o.
REI/8/2015
