SLO NAVODILO ZA MONTAŽO IN UPORABO : št. art. 19 22 84 www.conrad.si Posebni učni komplet za ultrazvok Št. izdelka: 192284 Navodila za uporabo so sestavni del izdelka. Vsebujejo pomembne napotke za pripravo na zagon in uporabo. Če izdelek predate tretji osebi, poskrbite za to, da ji izročite tudi ta navodila za uporabo. Prosimo vas, da pred prvo uporabo skrbno preberete navodila za uporabo in varnostne napotke. Shranite jih, da jih boste lahko kadarkoli znova prebrali.
KAZALO VSEBINE 1. PRIPRAVE... 2 1.1 Eksperimentalna deska... 3 1.2 Ultrazvočni senzorji... 3 1.3 Schottky dioda... 4 1.4 Svetlobne diode... 5 1.5 Tranzistor... 6 1.6 Integrirano vezje/op... 6 1.7 Upori... 8 1.8 Nastavitveni potenciometer... 8 1.9 Kondenzator...10 1.10 Elektrolitski kondenzatorji (Elko)... 10 1.11 Zatiči... 11 1.12 Piezzo pretvornik... 12 1.13 Lestenčne sponke... 12 1.14 Baterijski priključek... 12 1.15 Stikalna žica... 13 1.16 Pregled komponent... 13 2 UPORABA ULTRAZVOKA... 14 3 PRIKLJUČITEV IN DELOVANJE SENZORJEV... 14 4 SLIŠEN IN NESLIŠEN ZVOK... 15 5 AKUSTIČNI POJAVI... 16 6 PREGANJALEC KOMARJEV... 19 7 ULTRAZVOČNI ODDAJNIK... 20 8 RESONANCA IN RESONANČNA FREKVENCA... 21 9 ULTRAZVOČNI DETEKTOR... 23 10 OSNOVNO VEZJE ZA EHOLOKACIJO... 25 11 EHOLOKACIJA Z OPTIČNIM PRIKAZOM... 27 12 ODBOJ ULTRAZVOČNIH VALOV... 28 13 ABSORPCIJA ULTRAZVOČNIH VALOV... 30 14 OPOZARJANJE NA RAZDALJO PRI PARKIRANJU... 31 15 OPTIČNO OPOZARJANJE NA RAZDALJO PRI PARKIRANJU... 31 16 ULTRAZVOČNI ALARM... 32 17 ULTRAZVOČNI PRETVORNIK... 33 18 NAČELO NETOPIRSKEGA SPREJEMA... 34 19 OBČUTLJIVI NETOPIRSKI SPREJEMNIK... 35 20 ODPIRANJE ULTRAZVOČNEGA SVETA... 37 1. PRIPRAVE V učnem paketu so vse potrebne komponente, zato lahko takoj pričnete z eksperimentiranjem. Za oskrbo elektronskega vezja s tokom potrebujete zgolj 9 V baterijo in nekaj navadnih gospodinjskih pripomočkov (glejte spodnji okvir). Dodatno potrebni predmeti: 9V baterija Penasta masa 2
Papir in lepilni trak V nadaljevanju so opisani posamezni sestavni deli in njihove lastnosti. 1.1 Eksperimentalna deska Z eksperimentalno desko, poimenovano tudi vtična deska, lahko izvajate eksperimente brez spajkanja. V notranjosti je sestavljena iz kontaktnih vzmeti, ki so medsebojno povezane v serijo. Elektronski sestavni deli in povezovalne žičke se lahko večkrat vstavijo v kontaktna mesta, kar omogoča izgradnjo vezja brez spajkanja in privijanja ter zgolj z repozicioniranjem ali zamenjavo posameznih komponent veliko eksperimentov. S kleščami ščipalkami poševno odščipnjene priključne žice olajšujejo vstavljanje. Vtična deska ima skupaj 270 kontaktov v 2,54mm mreži. 230 kontaktov v osrednjem predelu je povezanih z navpičnimi progami v vrstah po 5. Na robovih širših strani sta po ena vrstica s po 20 kontaktnimi točkami, ki so horizontalno povezane.»zgornja«in»spodnja«vrsta služita kot napajalni tirnici. Skica 1: Vtična deska in»napajalni tirnici«1.2 Ultrazvočni senzorji Učnemu paketu priloženi ultrazvočni pretvornik deluje s frekvenco pribl. 40 khz. Pri načeloma enaki mehanski in optični izgradnji je s črko T (T=Transmitter, oddajnik) označen senzor za oddajno območje in s črko R (R=Receiver, sprejemnik) senzor za sprejemno območje. 3
Skica 2: Ultrazvočni senzorji: a) po en sprejemni in en oddajni senzor od zadaj ter pogled na enega od senzorjev od spredaj; b) električna shema. Za pošiljanje in prejemanje ultrazvočnih signalov se uporablja piezoelektrični kremen ali keramični oscilator. Na transformatorju oddajnika se nahaja izmenična napetost z lastno resonančno frekvenco. Nihanja se nato prenašajo preko zraka ter, pri posebnih senzorjih (niso vsebovani v učnem paketu), tudi preko tekočin. Napotek Ultrazvočni senzorji, ki se uporabljajo za poskuse v nadaljevanju delujejo zgolj v plinastih medijih (zrak) in se jih ne sme potapljati v tekočine. 1.3 Schottky dioda Diode prepuščajo tok zgolj v eni smeri. Zaradi tega se med drugim uporabljajo za izravnavo izmeničnih napetosti in za blokiranje nezaželene polarnosti pri enosmerni napetosti. Funkcijo usmerjevalne diode, kakršna je priložena učnemu paketu, si lahko najlažje predstavljate v normalnem delovanju kot nepovratni ventil (vodovodna instalacija). Ko pride do pritiska (napetosti) na ta ventil (diodo) v obratni smeri, je tok blokiran. V nasprotni smeri (smer puščice) mora biti pritisk dovolj velik, da lahko premaga pritisk vzmeti ventila (zaporna napetost). Zatem se ventil odpre in tok lahko steče. Napetost, ki je v tem mehanskem modelu potrebna za premostitev vzmetnega pritiska ustreza tako imenovani potisni napetosti. Najprej je potrebno prilagoditi napetost v prevodni smeri diode, tako da ta postane prevodna. 4
Skica 3: Schottky dioda, tip BAT 42; katodo diode prepoznate po natisnjenem črnem obročku, drug konec žice je anoda. Skica 4: Shematski simbol diode; tehnična smer toka vodi od anode (A) do katode (K). Tok v prevodni smeri (simbol puščice) se pri priloženi Schottky diodi prične pri približno 0,25 V. 1.4 Svetlobne diode LED (light emitting diode = svetleča dioda) ima poleg značilnosti normalne diode še dodatne: sveti, ko je napetost priključena. V učnem paketu najdete rdečo in zeleno LED. Svetlobne diode (LED) vedno delujejo s preduporom. Tega lahko izračunate s pomočjo formule R = U / I (R = upornost v ohmih, U = napetost v voltih, I = tok v amperih). Primer: običajna LED (rdeča, oranžna, zelena, bela) za svetlo svetlobo potrebuje približno 20 ma obratovalnega toka. Pri napetosti 9 V razdeljani z 0,02 A (20 ma) dobite uporno vrednost 450 Ohmov. V tem primeru je primeren tudi upor z 1 kω. Da LED sveti z vidno svetlobo, potrebuje manj toka. V nasprotju z žarnicami, LED nimajo žarilnih nitk, zato so tudi bistveno trpežnejše in porabljajo manj toka. Skica 5: Razporeditev kontaktov svetlobnih diod: anoda (+) z daljšo priključno žico (levo na skici) in»minus priključek«, katoda, dodatno označena z izravnavo na ohišju; b) simbol vezja. 5
1.5 Tranzistor Tranzistorji so aktivni sestavni elementi, ki se uporabljajo v elektroniki za preklapljanje in ojačanje toka in napetosti. Učnemu paketu priloženi bipolarni tranzistorji imajo tipsko oznako BC 547. Gre za nizko napetostni tranzistor, ki je primeren za maksimalno obratovalno napetost 30 V in tok do 200 ma. Pri eksperimentiranju mejne vrednosti niso dosežene. Skica 6: Tranzistorski priključki: zbiralec, osnova in sevalec kot tudi preklopni simbol. Preklopni simbol tranzistorja je lahko prikazan bodisi v križu bodisi brez le tega. Tranzistorji v preklopnih načrtih tega učnega paketa so predstavljeni brez križa. Tranzistor deluje na sledeč način: majhni tokovi (oziroma napetosti) na bazi uravnavajo veliko večji tok, ki teče med drugima dvema priključkoma. To pomeni, da v primeru manjšega osnovnega toka (pri NPN tranzistorjih pozitiven, pri PNP negativen), tranzistor prevaja tok iz kolektorja (zbiralnika) do sevalnika oziroma obratno. Če skozi osnovo tok ne teče ali pa je osnovni priključek na negativnem potencialu (NPN) oziroma pozitivnem potencialu (PNP), je tranzistor blokiran. 1.6 Integrirano vezje/op Integrirano vezje vsebuje veliko elektronskih sestavnih delov, ki so nameščeni na zelo majhnem prostoru. Učnemu paketu je priloženo integrirano vezje z oznako NE 555. Vsebuje monolitno integrirano časovno vezje, ki ga je zaradi njegovih lastnosti mogoče uporabljati kot dajalec takta, oscilator in za časovno stikalo. Značilnosti NE555 Napetost delovanja od 4,5 do 16 V Kompatibilen s TTL Izhodni tok do maks. 200 ma (bipolarna različica) Temperatura okolja ne sme biti nižja od 0 C Frekvenčno območje do 500 khz Učnemu paketu priložena (bipolarna) različica NE 555 se odlikuje po visokem impulznem toku iz vira napetosti (baterija). Zato naj vezja vedno delujejo z zaščitnim kondenzatorjem (Elko) z relativno visoko kapaciteto (med IC priključkoma 1 in 8). 6
Notranje vezje NE555 NE555, če ga želite zgraditi iz posameznih elementov, sestoji iz 23 tranzistorjev, 15 uporov in dveh diod. Skica 7 prikazuje razporeditev zatičev, skica 8 pa notranjo sestavo IC. Na zatiča 1 in 8 je priključena oskrba s tokom: zatič 1 = minus, zatič 8 = plus (oskrba z napetostjo). Šele s pomočjo zunanjega (dodatnega) vezja lahko IC NE555 opravi določene naloge. Razporeditev zatičev na IC je mogoče izvesti z oznakami/zarezami na IC ohišju. Ob praktični uporabi je IC pri vstavljanju v eksperimentalno desko tako usmerjena, da leži označba na levi strani. Pri prvi vgradnji IC vzemite nožice med palec in kazalec in ju rahlo pritisnite skupaj, da jih boste lahko vstavili v stikalno ploščo. Pri razstavljanju iz stikalne plošče vam bo v pomoč, če IC previdno privzdignete, tako da med ohišje in stikalno ploščo previdno potisnete majhen izvijač. 1) Ozemljitev / GND 2) Sprožilec (Trigger) 3) Izhod (OUT) 4) Resetiranje (Reset) 5) Krmilna napetost (CV) 6) Preklopni prag (Treshold) 7) Raztovarjanje (Discharge) 8) Obratovalna napetost/+ Skica 7: NE555 oznake in zatiči. Skica 8: a) Notranje (dodatno) vezje IC; b) Pred vgradnjo pritisnite skupaj zatiče; c) IC na enostaven način razstavite skupaj. 7
Napotek IC je relativno neobčutljiv z ozirom na zunanje vezje če odmislimo polarnost oskrbe s tokom. Zato je pomembno, da je povezava z napajanjem izvršena pravilno. Napačno priključena plus in minus pola lahko vodita do uničenja sestavnega dela. Posebno skrbnost je potrebno posvetiti temu, da je zatič 1 povezan z minus polom stikalne plošče in zatič 8 s plus polom. Povezave preverite še preden sestavljeno stikalno ploščo povežete z oskrbo z napetostjo (baterijami). 1.7 Upori Upor je pasivni sestavni element električnih in elektronskih vezij. Njegova glavna naloga je zmanjševanje tekočega toka na primerno vrednost (glej tudi poglavje»svetlobne diode«). Poznana oblika upora je cilindričen keramični nosilec z aksialnimi priključnimi žicami. Uporne vrednosti so kodirane in potiskane z barvnimi obročki. V učnem paketu najdete ogljikove upore z vrednostmi, prikazanimi v tabeli: Število Uporna 1.Obroček 2.Obroček 3.Obroček 4.Obroček vrednost 1.Številka 2.Številka multiplikator toleranca 1 100 Ω Rjav Črn Rjav Rumen 2 1 k Ω Rjav Črn Rdeč Rumen 2 2,2 k Ω Rdeč Rdeč Rdeč Rumen 2 10 k Ω Rjav Črn Oranžen Rumen 1 47 k Ω Rumen Vijoličen Oranžen Rumen 1 100 k Ω Rjav Črn Rumen Rumen 2 560 k Ω Zelen Moder Rumen Rumen Skica 9: a) upor in b) preklopni simbol 1.8 Nastavitveni potenciometer Potenciometer (Trimmpoti) označuje brezstopenjsko spremenljiv upor. Trim potenciometri, ki so vsebovani v učnem paketu, imajo skupno vrednost 25K in 470K (ali tudi 500K) in jih je mogoče s pomočjo izvijača brezstopenjsko nastaviti na uporno vrednost. V notranjosti element sestoji iz upornega tira in gibljivega drsnega kontakta, s pomočjo katerega je mogoče variabilno spreminjati vrednost upora. Uporni tir in drsni kontakt sta primerna zgolj za majhne tokove. Zato porabnikov kot npr. LED, ni mogoče upravljati neposredno z nastavitvenim potenciometrom, saj bi lahko prišlo do uničenja sestavnega elementa. 8
Skica 10: Nastavitveni potenciometer in stikalni simbol Skica 11: Nastavitev trim potenciometra z izvijačem. Za enostavno vstavljanje nastavitvenega potenciometra v stikalno ploščo priporočamo, da priključne zatiče na potenciometru s pomočjo ploščatih klešč obrnete za 45. Skica 12: a) Rotacija priključnih zatičevna potenciometru in b) Lega na vtični plošči 9
1.9 Kondenzator Kondenzator je sestavljen iz dveh kovinskih ploskev in izolirne plasti. Ko je sproščena električna napetost, se med ploščama kondenzatorja tvorijo električna polja sil, v katerih je shranjena energija. Kondenzator z velikima ploskvama in majhno razdaljo med njima, ima veliko kapaciteto in lahko shrani veliko napetosti. Kapaciteta kondenzatorja je podana v Faradih (F). Kondenzatorji so različno zgrajeni odvisno od zmogljivosti in področja uporabe. Vrednost keramičnih kondenzatorjev je šifrirana s tremi številkami. Prvi dve podajata vrednost, tretja pa število faktorjev. Kondenzatorji v učnem paketu Število Kondenzatorska vrednost Napis 2 220 pf 221 2 1 nf 102 2 10 nf 103 1 100 nf 104 Skica 13: a) Keramični disk kondenzator; b) Stikalni simbol. 1.10 Elektrolitski kondenzatorji (Elko) V primerjavi z običajnimi kondenzatorji imajo elektrolitski kondenzatorji večjo kapaciteto. Tako kot običajni kondenzator, imajo dve plošči, pri čemer druga izmed njiju sestoji iz elektrolitov. Zato je elektrolitski kondenzator odvisen od polarnosti, priključki so označeni s pozitivnim in negativnim polom. Če je sestavni del dlje časa napačno priključen, se elektrolit kondenzatorja uniči. Natisnjena maksimalna navedba napetosti naj ne bo prekoračena, v nasprotnem primeru lahko pride do poškodb izolacijske plasti. V učnem paketu se nahaja po en radialni elektrolitski kondenzator z vrednostjo 100 µf in 1000 µf. Napotek µf (Mikrofarad): enota µ je milijonti del osnovne enote Farad (F). 10
Skica 14: a) Elektrolitski kondenzator (Elko) in b) Stikalni simbol; pozitivni pol je daljši priključek pri priključnih žicah. Poleg tega je negativni pol označen s svetlo črtico na ohišju. Napotek: Zaradi enostavnosti strokovnjaki elektrolitski kondenzator označujejo s kratico ELKO, ki je uporabljena tudi v teh navodilih za uporabo. 1.11 Zatiči Pri določenih elementih učnega paketa kot npr. Piezzo pretvornik so priključne napeljave (rdeča/črna) iz fleksibilne pramenke. Žice je mogoče fiksirati v stikalno ploščo s pomočjo zatičev, tako da gole konce žic vstavite v kontaktne vzmeti in nato vstavite še zatiče. S tem so konci žic fiksirani. Pri vtisnjenju zatiča si lahko pomagate s trdim predmetom, kot je npr. ploščati izvijač. Skica 15: a) Priključne napeljave iz fleksibilne pletenice so zavarovane z zatičem. b) Pomoč izvijača za vtisnjenje zatiča. 11
1.12 Piezzo pretvornik Pretvornik služi kot enostavni poslušalec, zvočnik, mikrofon ali oscilator. Način delovanja: ploščata keramična ploščica ima na obeh straneh nameščeni kovinski elektrodi. Električna napetost na teh elektrodah preoblikuje keramično ploščico. Navedeno gibanje povzroča nihanje okoliškega zraka in pošiljanje zvočnih valov. Vsekakor se Piezzo pretvornik lahko uporablja zgolj zasilno. Če želite dejansko poslušati, kaj ustvarja elektronika, priključite izhod na Line In vhod na računalniku ali na Hi Fi napravo. Skica 16: a) Piezzo pretvornik in b) Stikalna shema 1.13 Lestenčne sponke Lestenčne sponke so namenjene povezavi ultrazvočnih senzorjev s stikalno ploščo brez spajkanja. Skica 17: Lestenčne sponke z nameščenim ultrazvočnim senzorjem. 1.14 Baterijski priključek Baterijski priključek je namenjen priključitvi 9V blok baterije na vtično ploščo. Priključne napeljave (rdeča/črna) so sestavljene iz fleksibilne pletenice. Konci pletenice so pocinkani, tako da jih je mogoče brez težav vstaviti v stikalno ploščo. Priporočamo, da minus pol (črna pletenica) vstavite v spodnjo tirnico stikalne plošče. 12
Skica 18: a) Baterijski priključek in b) priključek na vtični plošči. 1.15 Stikalna žica V učnem paketu najdete stikalno žico, ki jo na koncu ogulite za približno 8 mm. Tako lahko vstavite neposredno v stikalno ploščo. Z kleščami ščipalkami poševno odrezane priključne žice olajšajo vtaknite v kontakte stikalne plošče. Od stikalne žice lahko po potrebi odščipnete različne dolžine in jih na koncu ogulite. S temi koščki žic lahko medsebojno povežete kontakte stikalne plošče, npr. priključke elektronskih komponent. Že izdelane žične mostičke lahko večkrat uporabite. Skica 19: Primer uporabe stikalne žice. 1.16 Pregled komponent Sestavni element Kos Tip Podrobnosti Ultrazvok, oddajnik 1 40 khz Ultrazvok, sprejemnik 1 40 khz Vtična plošča 1 SYB 46 IC 1 NE 555 Tranzistor 3 BC 547 Upori 10 Ogljikovi 1K, 2,2K, 10K, 47K, 100K, 560K Trim potenciometer 2 470 kω, 25 kω Kondenzatorji 7 Keramični Elko 1 16 V 1.000 µf Elko 1 16 V 100 µf Baterijski priključek 1 9 V 13
Zatiči 2 Lestenčne sponke 2 2 polni, 1,5 mm² Schottky diode 2 BAT 42 LED 2 5 mm Rdeča, zelena Piezo pretvornik 1 Piezo Žica 0,5 m 0,6 mm 2 UPORABA ULTRAZVOKA Pri opisanih in predstavljenih eksperimentih z ultrazvokom, se lahko eksperimentator sreča s številnimi napetostnimi fenomeni zvočnega valovanja še posebej v ultrazvočnem območju. Pri eksperimentih se je dobro zavedati, da tudi zvočni valovi lahko predstavljajo enormno količino energije, ki se lahko uporablja v koristne ali destruktivne namene. V primeru nepoznavanja lahko ljudje, živali in tudi okolica utrpijo škodo. Zato so izkušnje, pridobljene pri eksperimentih in temeljno znanje odlična podlaga za nadaljnje praktične izvedbe ultrazvočnih aplikacij. 3 PRIKLJUČITEV IN DELOVANJE SENZORJEV Ultrazvočne senzorje na eni strani povežite z lestenčno sponko, na drugi strani pa vzpostavite povezavo s kontakti stikalne plošče (z uporabo koščkov žice). Ultrazvočne senzorje namestite tako, da se med ohišjem senzorja in lestenčno sponko nahaja razdalja najmanj nekaj milimetrov. Navedeno je pomembno, ker v neposrednem stiku ohišja ultrazvočnega senzorja z lestenčno sponko lahko pride do zvočnega hrupa, ki lahko vodi do napačnih rezultatov pri poskusih. Poleg tega lahko, za nadaljnjo ublažitev zvoka, senzorje pritrdite na vtično ploskev ali podlago z nekaj pene ali gume, tako da se zvok telesa mize in vtične plošče v kar se da najmanjši meri prenaša na senzorje. Senzorji lahko za poskuse iz poglavja 9 ostanejo nameščeni na obstoječ način na stikalni plošči. Skica 20: Ultrazvočni senzor povežite s stikalno ploščo preko vijačne sponke. Skica 21: Ultrazvočni senzor, podložen s penasto podlogo. 14
Napotek Poskusna serija je izdelana tako, da je vsak poskus korak naprej. To pomeni, da vam ni potrebno vsakič znova ponovno nameščati vseh sestavnih delov, temveč lahko samo nadgrajujete prejšnji eksperiment, tako da posamezne dele vstavite, odstranite ali zamenjate. 4 SLIŠEN IN NESLIŠEN ZVOK Sestavni deli: vtična plošča, baterijski priključek in baterija, 2 tranzistorja BC 547, 2 kondenzatorja C2 in C3 po 220 pf, kondenzator 1 nf, 2 upora R1 in R2 po 10K, 2 upora R3 in R4 po 560K, alternativno vsak po 100K, upor R5 s 47K, nastavitveni potenciometer P1 470K, Piezo pretvornik, Elko 100 µf, rdeča LED. Skica 22: Variabilen multivibrator; a) Stikalni načrt, b) Postavitev stikalne plošče; c) Podrobnost stikalne plošče 15
Začeli bomo s preprostim načinom proizvodnje zvoka, najprej v komajda še slišnem razponu in tipaje in počasi dalje v ultrazvočnem območju, dokler zvočnih valov ni več mogoče neposredno zaznati. V spodnji tabeli so podane vrednosti in ustrezne frekvence. Korak Vrednosti C2 in C3 Vrednosti R3 in R4 Frekvenca v Hz, P1 1 220 pf (221) 560 kω 2.500 7.500 2 220 pf (221) 100 kω 8.500 25.000 V zadnjem stolpcu navedeno frekvenčno območje lahko nastavite z nastavitvenim potenciometrom P1. 5 AKUSTIČNI POJAVI Sestavni deli in zgradba: kot prej. Zvočni valovi se po svojih značilnostih bistveno razlikujejo od magnetnih valov (npr. radijski valovi). Zvočni valovi potrebujejo medij, npr. plin, zrak ali tekočino ter se razširjajo z različnimi hitrostmi, medtem ko se magnetni valovi razširjajo tudi v brezzračnem prostoru. Ob proizvodnji tona, npr. ko udarimo na boben, je medijski zrak pritisnjen bližje bobniču (pritisk naraste). Po tem se ta plast širi od visokega zračnega pritiska do nizkega, v vseh smereh. Hitrost razširjanja v zraku znaša 343 m/s (namesto 1.235 km/h). Zračni pritisk zvočnega valovanja je včasih mogoče občutiti celo fizično še posebej, ko je hrup zelo glasen (visok zvočni pritisk). Eksperimentiranje z dajalcem signala Piezo in zvočnimi telesi V tem primeru bomo uporabili stikalno ploščo z multivibratorjem iz prejšnjega poglavja (korak 4) z nekoliko drugačno strukturo. V ta namen je potrebno zamenjati kondenzatorje C2, C3 s po 1 nf in C4 (namesto 1 nf sedaj z 10 nf). Multivibrator zaniha v globljem frekvenčnem območju od približno 1.000 6.000 Hz, pri čemer obstoji možnost prilagoditve s P1 (glede na stanje baterije). Pretvornik zvoka Piezo kaže resonančno frekvenco, pri kateri je oddane največ energije, ki jo je mogoče zaznati po največji glasnosti. Frekvenca je toliko globlja, kolikor večje so Piezo kristalno steklo in kovinski ploščici, prilepljeni na Piezo kristalno steklo. Podobne ugotovitve je mogoče pridobiti tudi z drugimi nihajočimi predmeti. Dolge kovinske ploščice pri orglicah tvorijo globlje tone, krajše pa višje. Če skrajšate violinsko ali kitarsko struno, postanejo nihajoči toni višji. Eksperimentalna postavitev Vrednosti C2 in C3 C4 Vrednosti R3 in R4 Frekvenca v Hz 1 nf (102) 10 nf (103) 560 kω 1.000 4.500 Pretvornik zvoka Piezo namestite na dno praznega jogurtovega lončka ali na mizo in istočasno nastavite resonančno frekvenco, tako da spremenite višino tona in nastavite najvišjo glasnost. Resonančna frekvenca sestavnega elementa Piezo je različna, leži med 1.500 in 4.000 Hz. 16
Skica 23: Stikalna skica z zamenjanimi kondenzatorji C2, C3 in C4 (z ovalnimi). Skica 24: Pretvornik zvoka Piezo namestite na dno jogurtovega lončka ali pa ga pritrdite z lepilnim trakom. Opažanja Najprej je slišen zgolj tihi ton. Ko pride pretvornik Piezo v stik z dnom jogurtovega lončka, se signal znatno poveča. Če odprtino jogurtovega lončka zavrtite v smeri proti ušesom, postane ton še glasnejši. Razlaga Vibracijska površina pretvornika zvoka Piezo je zelo majhna, tako da lahko oddaja zgolj šibek zvočni signal. Jogurtov lonček deluje kot resonančni trup glasbenega inštrumenta. Vibracijska površina se znatno poveča in s tem postane tudi zaznana glasnost višja. Če odprtino obrnete v smeri ušes,»odmevnik«na stožčastem jogurtovem lončku ojača ton. Zvočni valovi izvirajo iz nihajočih delcev medija in sklopa med posameznimi deli. Zvočni valovi se lahko premikajo po plinu, tekočinah in trdnih telesih. Odvisno od medija, po katerem se zvok premika, se spreminja tudi njegova hitrost. Ta je v vodi štirikrat večja kot po zraku. Valove v zraku, plinu in tekočinah imenujemo longitudinalno valovanje. Ta valovna oblika se premika v smeri oddajanja (smer napredovanja). Zvočno valovanje v trdnih telesih se imenuje prečno valovanje. Valovi se pomikajo ob strani v smeri napredovanja. Pri tekočinah se prečni valovi gibljejo le na površini, pri longitudinalnem valovanju pa zgolj pod površino. 17
Hitrost širjenja zvoka je odvisna od medija, po katerem se zvok premika. Zvok se v vodi pomika s hitrostjo približno 1.500 m/s, kar je občutno hitreje kot po zraku (343 m/s). Hitrost zvoka v vodi je odvisna tudi od njenih značilnosti, npr. vsebnosti soli, temperature in atmosferskega pritiska. V globinah oceana se zvočni valovi širijo zelo daleč. V brezzračnem prostoru (vakum) širjenje zvočnih valov ni mogoče. V vesolju je mogoče zaznavati le absolutno tišino. Zvok se znanstveno meri v skladu s svojo frekvenco. V slišnem območju imajo globlji toni nižjo frekvenco kot višji toni. Frekvence zvoka razdeljujemo v tri kategorije: 1. Za ljudi slišen zvok leži na območju med 16 Hz do 20.000 Hz (maksimalna slušna zmogljivost zdravega človeka). 2. Infrardeči zvok se nahaja pod mejo 16 Hz in ga ljudje lahko zaznamo v obliki vibracij. 3. Ultrazvok se nahaja nad 20.000 Hz in ga ljudje ne moremo zaznati. Ti valovi lahko na človeškem organizmu pustijo posledice. V fiziki se za akustična nihanja uporablja izraz frekvenca. Merska enota za frekvenco so Hertzi, ki nam podajo število nihajev na sekundo: 1 Hertz pomeni 1 nihaj na sekundo. Enota je bila poimenovana po nemškem fiziku Heinrichu Rudolfu Hertzu. Višji kot je zaznani ton, višja je frekvenca/podano število Hertzev. Tako ima npr. osnovni ton globine»c«frekvenco 66 Hz. Napetostne lastnosti zvočnih valov Zvočni valovi za razliko od magnetnih potrebujejo medij, po katerem se premikajo. Zanimivo pri vsem tem pa je vedenje pri prehodu zvočnih valov iz enega medija, kot je npr. zrak, v drug medij, kot je npr. voda. Pri tem se spremenita tako valovna dolžina kot tudi hitrost razširjanja. Če se hitrost pri prehodu poveča, se mora povečati tudi valovna dolžina. Pri pouku fizike se izvajajo poskusi, pri katerih oseba pogoltne nekaj plina, npr. helija in nato spregovori nekaj besed s svetlim glasom, ki je označen tudi kot glas»mickey Mousa«. V čem tiči razlog? Ko zvočni valovi zapustijo vokalni prostor, pride do prehoda helija v zrak. S tem se spremenijo valovne dolžine in hitrost zvoka. Valovna dolžina se pri prehodu na zrak poveča, občinstvo ima občutek, da govorec govori z višjo frekvenco. Eksperiment Pretvornik zvoka Piezo z nastavljeno resonančno frekvenco potopite v kozarec z vodo (na stikalni plošči nameščena elektronika mora ostati na suhem). Kratek potop pretvornika zvoka le tega ne poškoduje, če ga takoj zatem dobro posušite. Paziti je potrebno na to, da se posoda in pretvornik zvoka Piezo neposredno ne dotikata (zaradi prenosa zvoka v telesu). Skica 25: Poskus širjenja zvoka v vodi 18
Opažanja Višina tona se spremeni v globlji ton, ki ga je mogoče slišati jasno in razločno tudi izven vode. Če se sprva ton ne sliši, se njegova višina spremeni na nastavitvenem potenciometru (trim potenciometer). Voda prevaja zvočne valove in zvočna frekvenca se preko drugega medija spremeni. 6 PREGANJALEC KOMARJEV Sestavni deli: vtična plošča, baterijski priključek in baterija, 2 tranzistorja BC 547, 2 kondenzatorja C2 in C3 po 220 pf, kondenzator 1 nf, 2 upora R1 in R2 po 2,2K, 2 upora R3 in R4 po 560K, pretvornik zvoka Piezo, Elko 100 µf, rdeča LED. Na podlagi multi vibratorja, raziskanega pod 4. in 5. korakom, je mogoče z majhnimi spremembami zgraditi tako imenovani preganjalec komarjev. Gre za tezo, da se komarje samice izogibajo zvočnim frekvencam, ki ustrezajo zvokom letenja samcev, saj so po prvem parjenju na begu pred njimi. S sestavo vezja, ki oddaja zvok letenja samcev s pribl. 10 16 khz, imate lahko mir pred komarji. Ali teza drži, lahko preverite tako, da sestavite vezje. Za ljudi z dobrim sluhom je tvorjeni zvok slišen, če držijo proizvajalec zvoka Piezo v bližini ušesa. Višina frekvence je odvisna tudi od baterijske napetosti/stanja napolnjenosti baterije. Če je stanje baterije šibko, je frekvenca nižja in obratno. Rdeča LED označuje delovanje vezja. Skica 26: a) sestava vezja in b)stikalni načrt preganjalca komarjev s frekvenco približno 13.000 Hz. Skica 27: Nastavitev meritev: ultrazvočni odganjalec komarjev, multimeter 19
z merilnim območjem v Hz. 7 ULTRAZVOČNI ODDAJNIK Z vgrajenim vezjem (IC) NE 555 je mogoče (z nekaj dodatnimi sestavnimi deli) dobiti zmogljiv ultrazvočni oddajnik, ki ga boste lahko uporabljali za v nadaljevanju opisane eksperimente. Odtod je smiselno, da na stikalni plošči skrbno zgradite vezje. Sestava v praksi Sestavni deli: vtična plošča, baterijski priključek 9 V, ultrazvočni senzor oddajnik, IC NE 555, nastavitveni potenciometer 25 K, upor 1K, kondenzator 1 nf, oranžna LED, Elko 100 µf. Pri vstavitvi IC v vtično ploščo je zelo pomembno pravilno pozicioniranje priključkov, ki so označeni z zarezami v ohišju. Čepi se nato lahko ožičijo, kot je to prikazano na spodnji skici. Skica 28: Stikalni plan ultrazvočnega oddajnika v območju od 28 do 240 khz; na diagramu označeno stikalo je mogoče izoblikovati kot žični mostiček. Z nastavitvenim potenciometrom P1 lahko nastavite frekvenco od približno 28 do 240 khz. Da na timer vhodih ne povzročite kratkega stika, ko je potenciometer nastavljen na 0 Ω, je v vrsti do potenciometra vedno potrebno namestiti 1 kω upor (R1). Skica 29: a) Izgradnja na vtični plošči; b) Podrobnost sestave z druge strani. 20
V kolikor imate na voljo multimeter z merilnim območjem»hz«m lahko nastavite izhodno frekvenco in opravite meritve vzporedno z ultrazvočnim senzorjem (oddajnikom). Skica 30: a) Izgradnja, b) priključitveni plan; merjenje frekvence z multimetrom, priključitev vzporedno z ultrazvočnim senzorjem 8 RESONANCA IN RESONANČNA FREKVENCA Pri prejšnjem poskusu zgrajeni ultrazvočni oddajnik lahko tvori ultrazvočno frekvenco od 28 do 240 khz ter jo s pomočjo oddajnega senzorja tudi oddaja v okolico. Istočasno je tu t.i. resonančna frekvenca pri kateri senzor deluje optimalno, kar pomeni, da lahko oddaja maksimalno (energijsko) zvočno jakost. Resonančno frekvenco je potrebno izračunati in nastaviti. Za naravnanje resonančne frekvence obstojijo naslednje možnosti: a) Multimeter z merilnim območjem ma, enosmerni tok v napetostni liniji od baterije do ultrazvočnega generatorja, v tem primeru brez LED. 21
Skica 31: Izravnavanje z multimetrom, območje merjenja DC, a) Razporeditev merjenja, b) vezalni načrt. b) Z rdečo in zeleno LED v liniji do baterijske napeljave kot prikaz toka; pri nastavitvi optimalne resonančne frekvence LED svetita najsvetleje, saj večina toka steče preko njiju. Skica 32: Izravnava z rdečo in zeleno LED. Napotek Z dvema učnima paketoma lahko hkrati zgradite ultrazvočni oddajnik ter ultrazvočni detektor in s tem še razširite eksperimentiranje. 22
9 ULTRAZVOČNI DETEKTOR Ultrazvočni detektor omogoča prikaz prisotnosti ultrazvočnih valov. Za prikaz šibkejših signalov je potrebno, da se ultrazvočni valovi, ki jih prestreže senzor, elektronsko ojačajo. Z naslednjim poskusom lahko navedeno tudi praktično preverite. Sestavni deli: vtična plošča, 9V clip, baterija, ultrazvočni senzor sprejemnik (US1), 3 tranzistorji BC 247, upor 47K, upor 2,2K, 2 upora 560K, upor 10K, upor 100K, upor 1K, nastavitveni potenciometer (trim) 470K, 2 Schottky diodi BAT 42, 2 kondenzatorja 10 nf (vzporedna), kondenzator 220 pf, Elko 1.000 µf, rdeča LED, zelena LED. To vezje služi kot osnova za več naslednjih eksperimentov, zato ga je potrebno skrbno sestaviti. Pri poskusih v nadaljevanju je potrebno zgolj zamenjati ali dodati določene sestavne dele. Opis vezja Osnovno vezje sestoji iz ultrazvočnega sprejemnika z US1 senzorjem in občutljivega dvostopenjskega tranzistorskega ojačevalnika z zgoraj naštetimi komponentami. Signali, ki jih sprejme senzor US1 (prednostno) v resonančni frekvenci ultrazvočnega senzorja so ojačani preko dvostopenjskega tranzistorskega ojačevalnika. Ta signal izmeničnega toka potuje preko napetostnega podvojevalnika, ki sestoji iz C3, C4 in D4,D5 do tranzistorja T3, ki nato preklopi svetlobno diodo. Preklopno občutljivost tretjega tranzistorja je mogoče nastaviti s trimerjem (nastavitveni kondenzator P2). Skica 34: Postavitev na stikalni plošči 23
Skica 35: Podroben prikaz z druge strani, C2 sestoji iz 2 x 10 nf (nameščena vzporedno). Skica 36: Podroben prikaz C2 in komponent na tranzistorju T2. Občutljivi ultrazvočni detektor je mogoče testirati z različnimi ultrazvočnimi viri npr. s tresenjem šopa ključev, z razpoložljivim ultrazvočnim aparatom ali celo z računalnikom. Ultrazvočne signale iz računalnika je mogoče generirati in uporabiti s preprosto odprtokodno programsko opremo. Poleg tega obstojijo tudi spletni generatorji tona in številni»testi sluha«, ki so na voljo na spletu, ki od frekvence prehajajo daleč v ultrazvočno območje. Vse to so možnosti testiranja ultrazvočnega detektorja, ko ni v bližini netopirjev. Če imate na voljo dodaten učni paket, lahko ultrazvočni oddajnik uporabite kot ultrazvočni vir ter s tem še povečate možnosti eksperimentiranja. 24
Skica 37: Testiranje občutljivega ultrazvočnega detektorja z računalnikom. Primerna programska oprema, ki jo lahko uporabite: Anti Moskito ali programi za tonske generatorje, ki so javno dostopni in jih je mogoče prenesti s spleta (Shareware) ali licenčni programi. Elektronski ultrazvočni detektor je tako občutljiv, da je pri eksperimentiranju lahko tudi bolj oddaljen od ultrazvočnega vira. Kljub temu je smiselno pričeti z manjšo razdaljo. Napotek V primeru, da sestavljeni komplet ne kaže tako dobrih vrednosti, je smiselno, da ponovno preverite sestavo vezja. Koliko sestavnih delov se nahaja na stikalnem načrtu in koliko komponent se nahaja na vtični plošči? Najbolj smiselno je preučiti posamezne komponente po njihovih vrstah: upori, kondenzatorji, tranzistorji, diode in podobno. Kondenzator C2 je na stikalnem načrtu označen z 20 nf. V ta namen sta uporabljena dva kondenzatorja s po 10 nf, ki sta vstavljena v isti stik. So diode pravilno uporabljene? Namestiti jih je potrebno nadvse skrbno, saj na tem temeljijo vsa ostala vezja. 10 OSNOVNO VEZJE ZA EHOLOKACIJO Ekolokacija je načelo, ki je bilo raziskovano z opazovanjem in študijem netopirjev ter nato uporabljeno za različne namene. Kot pri globinomerih (ladijski promet), tudi tukaj poteka pošiljanje ultrazvočnih valov in vrednotenje valov, ki se odbijajo od ovir. Glede na odbojni čas in odbojni kot se nato lahko določijo razdalja, velikost ovir, način gibanja in podobno. Določitev smeri, iz katere prihaja odmev, lahko poteka preko več sprejemnih, lahko pa tudi premičnih senzorjev. Pod tem poglavjem zgrajeno elektronsko vezje za ekolokacijo se lahko uporabi tudi za več nadaljnjih eksperimentov. Vezje deluje po principu avdio ojačevalnika, pri katerem zvočnik skozi v bližini ležeči mikrofon sprejme nihanja (odprava tuljenja), ki jih nato pošlje nazaj na mikrofon, sledi ojačanje preko ojačevalnika in predvajanje skozi zvočnik. V nasprotju z ilustrirano podobo ojačevalnika z mikrofonom in zvočnikom se v tem učnem paketu za mikrofon in zvočnik uporabljajo posebni ultrazvočni senzorji. 25
Sestavni deli: vtična plošča, 9V clip, baterija, ultrazvočni senzor sprejemnik US1, ultrazvočni senzor oddajnik US2, 3 tranzistorji BC 247, upor 47K, upor 2,2K, 2 upora 560K, upor 1K, upor 10K, upor 100K, nastavitveni potenciometer (trim) 25K, nastavitveni potenciometer (trim) 470K, 2 Schottky diodi BAT 42, 2 kondenzatorja 10 nf, kondenzator 220 pf, Elko 100 µf, rdeča LED, zelena LED. Opis vezja Vezje vsebuje ultrazvočni sprejemnik s senzorjem US1 in občutljivim dvostopenjskim tranzistorskim ojačevalnikom z zgoraj navedenimi sestavnimi deli. S strani senzorja US1 sprejeti signali, (prednostno) v resonančni frekvenci ultrazvočnega senzorja, so tudi tukaj ojačani preko dvostopenjskega tranzistorskega ojačevalnika. Nato prispejo do senzorja US2, ki prejete in ojačane ultrazvočne valove zopet odda. Če se senzorja nahajata nasproti ali če se ultrazvočni valovi odbijajo od predmeta do sprejemnega senzorja US1, pride do povratnega delovanja z AC signalom. Ta signal prehaja preko napetostnega podvojevalca, ki sestoji iz C2, C4, D4, D5 do tranzistorja T3, ki pri povratni informaciji vklopi rdečo svetlobno diodo. Z nastavitvenim kondenzatorjem P2 je mogoče nastaviti vklopni prag LED, s P1 (25K) pa občutljivost senzorja vezja/ultrazvočnega sprejema. Skica 38: Stikalni načrt osnovnega vezja. Skica 39: Eksperimentalna postavitev z obema ultrazvočnima senzorjema; spodaj sprejemni, zgoraj oddajni senzor. 26
Sestavljanje vtične plošče zahteva natančnost, delci se morajo nahajati zelo tesno skupaj. Na nekaj mestih vtične plošče je potrebno v isti stik vstaviti po dve tanki žički posameznih sestavnih delov. Navedeno ne predstavlja problema in celo izboljšuje stik tankih priključnih žičk posameznih sestavnih delov v vtični plošči. Skica 40: Podrobnost sestavljene vtične plošče; po dve priključni žički (C2) v enem vtičnem kontaktu (glejte puščico). Poleg tega je pomembno, da oba ultrazvočna senzorja na levem robu vtične plošče usmerite v skladu s skico, tako da vzporedno kažeta v isto smer ter da se njuno ohišje po možnosti neposredno ne dotika. Skica 41: Lega ultrazvočnih senzorjev. 11 EHOLOKACIJA Z OPTIČNIM PRIKAZOM Po izgradnji vezja na vezni plošči in priključitvi 9 V baterije na baterijski priključek naj bi zasvetila zelena LED. Sedaj je potrebno najprej naravnati elektronsko vezje. Usmeritev senzorjev Oba ultrazvočna senzorja naj bi bila usmerjena tako, da se v neposrednem oddajnem območju (2 3m) ne nahajajo predmeti/odbojne površine. Izravnava vezja Nastavitveni potenciometer P1 (levi na skici) zasučite do desnega omejevala, P2 (desni na skici) pa postavite v pozicijo, da zasveti rdeča LED in ga nato pomaknite malenkost nazaj, da rdeča LED ugasne (če nastavitveno območje P2 ne zadošča, po potrebi zavrtite P1 malenkostno nazaj). Sedaj lahko nastavite občutljivost vezja s P1, tako da npr. v razdalji 50 cm pred ultrazvočna senzorja postavite predmet in P1 vrtite toliko časa, da zasveti LED. Nato predmet odstranite LED zopet ugasne. 27
Skica 42: Postavitev pri izravnavi; regulacija nastavitvenega potenciometra P1 na (25K) na levi strani skice pri ultrazvočnih senzorjih in P2 (470K) na desni strani skice. 12 ODBOJ ULTRAZVOČNIH VALOV Poskusi z odbojnim vedenjem zvočnih valov so izredno zanimivi. Če zadenejo ob steno, je mogoče zaznati odboj. Pri tem je vpadni kot kot pri svetlobnih žarkih, ki trčijo ob ogledalo enak kotu izstopa. Fenomen je mogoče raziskati z zvokom, še posebej dobro z ultrazvokom. Skica 43: Ultrazvočni valovi trčijo ob steno, podobno kot svetlobni žarek, ki se odbija v skladu z vpadnim kotom tukaj so prikazani z žepno svetilko in ogledalom. Priprava na eksperiment Stikalna plošča z osnovnim vezjem kot običajno, dodatna oprema ultrazvočnih senzorjev z dvema usmerjenima cevkama iz sijajnega kartona (foto papir) z dimenzijami kot na skici. Iz tega se izoblikujeta papirnata tulca, kot sta prikazana na skici. Podane mere prenesite na fotografski papir (stare fotografije ali podobno), nato izrežite tulca in ju zalepite z lepilom. Skica 44: Dimenzije papirnatih tulcev. 28
Postopek lepljenja s tekočim lepilom je še posebej uspešen, če lepilo najprej nanesete na eno stran površine, ki jo želite zalepiti. Drugo stran površine najprej položite na prvo stran, jo pomaknite malo naprej in nazaj in takoj zatem zopet odstranite. Nato pustite, da se lepilo na obeh ploskvah malenkost posuši in ploskvi stisnite skupaj, da se zlepita. Pazite, da lepilo ne zaide v senzor! Skica 45: Usmerjeni cevki a) odrezani in prepognjeni, b) zaviti okoli svinčnika in zlepljeni skupaj. Usmerjena cevka se mora nahajati tako blizu ultrazvočnega senzorja, da ultrazvok ne more prehajati mimo. Po tem, ko usmerjeni cevki namestite na senzorja, lahko z napravo, sestavljeno iz oddajnika in sprejemnika, izvedete različne eksperimente. Podobno kot svetloba od ogledala, se tudi ultrazvočni valovi najbolje odbijajo od gladkih površin. Eksperimente odboja je mogoče izvajati s površinami, kot so okensko steklo, vodna površina, polirni kamen. Pri eksperimentiranju je smiselno, da se najprej nastavi občutljivost pri definirani razdalji in odbojni predmet ter da se nato stikalno vezje pozicionira pred različne odbojne predmete/površine. Skica 46: Usmerjeni cevki z osnovnim vezjem in eksperimentiranje z različnimi odbojnimi predmeti v tem primeru valoviti karton in CD. 29
Napotek Za nadaljnje poskuse je priporočljivo, da se baterijo z lepilnim trakom pritrdi na zadnjo stran stikalne ploskve, tako da imate proste roke za izvajanje eksperimentov. Skica 47: Baterija, pričvrščena z lepilnim trakom na zadnjo stran vtične plošče. 13 ABSORPCIJA ULTRAZVOČNIH VALOV Absorpcija zvoka poteka skozi grobe površine in krepke stenske konstrukcije. Hrupne ovire uporabljajo učinek zvočne absorpcije, npr. cestnega hrupa. Način delovanja zvočne izolacije Pri dušenju zvoka je bistvenega pomena pretvarjanje zvočne energije v toploto. Material za absorpcijo zvoka je postavljen v gibanje. Dušitev zvoka dosežemo preko poroznih ali vlaknenih izolacijskih materialov z visoko stopnjo absorpcije, kot so npr. blago (preproge), ovčja volna, kamena volna ali poliester in porozne penaste mase. Eksperimente za absorpcijo zvoka lahko izvajate s pomočjo vtične plošče, sestavljene v skladu s prejšnjimi poglavji. Postopek eksperimenta naj bo sledeč: najprej nastavite občutljivost pri določeni razdalji in izberite dober odbojni medij (npr. steklo). Vezje nato zaporedoma postavljajte pred različne absorpcijske površine (npr. grobi papir, tkanina, preproga, pena, robustni kamen, neobdelan les in podobno). Kateri materiali odbijajo in kateri absorbirajo zvok? Skica 48: eksperiment z absorpcijskimi materiali, npr. s kosom tkanine. 30
14 OPOZARJANJE NA RAZDALJO PRI PARKIRANJU Zadostna razdalja, še posebej v prometu, lahko obvaruje pred poškodbami potrebno je paziti na oddaljenost otrok, ki se igrajo, vozeča vozila ali na stebričke ob vzvratni vožnji. S tem namenom so že v veliko vozil vgrajeni merilni senzorji, ki voznika obveščajo o razdalji med vozilom in ovirami v okolici. V najenostavnejši različici je to lahko zvočni opozorilni signal ob prekoračitvi prej določene razdalje, nadvse udobni pa so tudi podatki o oddaljenosti. Enostavni in ugodni parkirni sistemi delujejo z dvema ali štirimi ultrazvočnimi senzorji. Pri parkiranju ultrazvočni senzorji zaznajo ovire in vozniku z akustičnim ali optičnim signalom podajo podatek o njihovi oddaljenosti. Tako se npr. spreminja ton signala v razmerju z oddaljenostjo ovire, v nevarnem območju je signal neprekinjen. Sistem lahko nastavljen tako, da se s prestavitvijo ročice v vzvratni tek samodejno aktivira. Skica 49: Opozorilo na razdaljo pri parkiranju. 15 OPTIČNO OPOZARJANJE NA RAZDALJO PRI PARKIRANJU Ugotavljanje razdalje je mogoče s pomočjo osnovnega vezja iz 10. poglavja. Na eksperimentalno površino lahko postavite predmete, kot so npr. čajna skodelica, majhna škatlica in knjiga ter se skupaj z vtično ploščo z elektroniko in ultrazvočnimi senzorji»vozite naokoli«. Navedeno je še posebej zabavno z majhnim modelčkom avtomobila. Baterija je pričvrščena na zadnjo stran vtične plošče in lahko v tem primeru služi tudi kot drsnik (kot nadomestek za kolesa, če nimate na voljo modela avtomobilčka). Preden pričnete z»vožnjo naokrog«, je potrebno nastaviti razdaljo, pri kateri naj se pokaže opozorilo. Vtična plošča se v ta namen namesti v oddaljenosti npr. 15 cm od knjige. Vezje s P1 je potrebno namestiti tako (zavrteti v levo), da rdeča LED ugasne. Ko se senzor približa objektu, mora LED zasvetiti in vas s tem opozoriti na zmanjšano razdaljo. 31
Skica 50: Prikaz med LED; a) Osnovno vezje na vtični plošči, b) praktičen eksperiment z modelom avtomobilčka in papirnimi tulci. Nadaljnji eksperimenti Odločilnega pomena pri tem prikazu je vprašanje resolucije, to pomeni, kateri objekti so lahko še zaznani. Je mogoče, da senzor zazna debelejši flomaster, tanek svinčnik, žebelj ali ročaj izvijača? Skica 51: Eksperimenti z različnimi objekti kot npr. tanek ročaj izvijača. 16 ULTRAZVOČNI ALARM V primerjavi z optično alarmno napravo (zgrajeno s fotocelico), ponuja ultrazvočna alarmna naprava več dodatnih prednosti. V tem primeru sta lahko npr. oddajnik in sprejemnik razporejena na isto mesto brez dodatnega ogledala. Premikajoči se objekti (ljudje in živali) v ultrazvočnem območju, spreminjajo dohodni signal na sprejemniku. Signal je lahko bodisi povezan z enostavnim varnostnim opozorilom npr. LED ali pa je nato ocenjen, tako da je moč prepoznati način, dimenzije, hitrost 32
objekta in podobno. Tako lahko posebna, z ultrazvočnimi senzorji opremljena elektronika pokaže, če je zaznan objekt neškodljiva žival ali pa gre morda za vlomilca. Skica 52: Način delovanja ultrazvočne alarmne naprave z»zvočno preprogo«. Ultrazvočni alarmni sistemi se uporabljajo predvsem za zagotavljanje varnosti v notranjosti avtomobilov. S tem lahko preprečite, da vlomilec ne more nemoteno vdreti v vozilo in iz njega izmakniti predmetov. Signal alarma lahko poteka bodisi preko hupe vozila, sirene, mogoče pa je prejeti tudi SMS sporočilo na telefon. Princip delovanja praktično ustreza konfiguraciji vezja na skici 38. Osnovno vezje za ta eksperiment se postavi v prostor. Senzorji morajo biti postavljeni tako, da so odprtine obrnjene vzporedno v isti smeri ter v smeri, v kateri na razdalji 3 metre v prostoru ni predmetov. P1 je potrebno nastaviti tako, da rdeča LED ugasne (najprej popolnoma v desno in nato malenkost v levo). Sedaj se lahko premikate v različnih razdaljah do senzorja in opazujete rdečo LED. Eksperiment je še posebej učinkovit v temi, ko se jasno vidi rdečo LED, ki označuje alarmni signal. Skica 53: Alarmna funkcija z ultrazvočnima senzorjema. 17 ULTRAZVOČNI PRETVORNIK Človek lahko sliši ultrazvočne tone le, če ultrazvok z ustrezno tehnologijo pretvori v slišnega. Za to obstojijo različne možnosti. Potrebujemo ultrazvočni pretvornik s posebnim, na ultrazvok občutljivim mikrofonom. Tehnično gre za realizacijo različnih postopkov. Tehnično relativno enostavno delo s tehniko prekrivanja deluje na sledeč način: ton določene frekvence, ki ga tvori elektronska enota in 33
nadgrajuje mikrofonski signal (zmešano). Iz tega nastaneta dva nova tona, in sicer seštevek in subtrakcija mikrofonskega signala in mešane frekvence. Vzemimo za primer, da želimo»slišati«ultrazvočni signal 40 khz. V mešalni fazi je iz vhodnega signala 40 khz vzetih 37 khz, tako da na izhodu preostanejo 3 khz. Navedeno frekvenco pa lahko človeško uho brez težav zazna. Pri vhodnem signalu 45 khz z odbitkom 37 khz preostane na razpolago 8 khz. Istočasno nastaneta tudi frekvenci 77 khz in 82 khz, ki nista slišni in ju zato tudi ni mogoče nadalje uporabiti. Skica 54: Shematski diagram preprostega ultrazvočnega pretvornika z mešalnikom. Preostale možnosti so metoda odštevanja (postopek razdeljevanja frekvenc), pri desetih posnetih valovnih nihanjih je razdeljeno samo eno (iz 80 khz nastane 8 khz). Obstojijo tudi digitalni načini ravnanj, pri katerih je zaznan ultrazvočni ton digitalno računalniško obdelan in predvajan preko zvočne kartice. 18 NAČELO NETOPIRSKEGA SPREJEMA S sestavnimi deli učnega paketa lahko zgradite enostavni ultrazvočni pretvornik prekrivanja ter na tej podlagi gradite naslednje eksperimente. po načelu Sestavni deli: vtična plošča, 9 V priključek, baterija, ultrazvočni senzor sprejemnik (US1), tranzistor BC 247, upor 47 K, upor 2,2 K, upor 1 K, upor 10 K, potenciometer 25 K, 2 kondenzatorja 1 nf, kondenzator 10 nf, kondenzator 220 pf, Elko 100 µf, rdeča LED. Ultrazvočni pretvornik je zgrajen z NE 555 kot mešalnik. Vezje je razvil Burkhard Kainka in je primerno pri enostavni izgradnji prvih eksperimentov pretvarjanja ultrazvočnih valov v slišno območje. Vezje pretvarja ultrazvočno območje od pribl. 37 do 49 khz v slišno zvočno območje od pribl. 100 do 12.000 Hz. Pretvorjena frekvenca se nastavi s pomočjo P1. Enostopenjski tranzistorski ojačevalnik pretvorniku ne omogoča zelo občutljivega zaznavanja. Zato je pod naslednjim poglavjem uporabljen dvostopenjski predojačevalnik, s pomočjo katerega dobi ultrazvočni pretvornik»velika ušesa«. 34
Skica 55: Ultrazvočni pretvornik (mešalnik) z enostopenjskim predojačevalnikom; stikalno vezje. Po sestavi predstavljenega pretvornika je potreben še ojačevalnik. Več o tem si lahko preberete pod naslednjim poglavjem. 19 OBČUTLJIVI NETOPIRSKI SPREJEMNIK Mešalno vezje, zgrajeno v okviru prejšnjega poglavja, je z dodatno predojačevalno stopnjo tako občutljivo, da ga lahko vzamete s seboj na ekspedicijo. Sestavni deli: Vtična plošča, 9 V priključek, baterija, ultrazvočni senzor sprejemnik (US1), 2 tranzistorja BC 247, upor 47 K, 2 upora 2,2 K, upor 560 K, upor 1 K, upor 10 K, potenciometer 25 K, 2 kondenzatorja 1 nf, 2 kondenzatorja 10 nf, kondenzator 220 pf, Elko 100 µ F, rdeča LED. 35
Skica 56: Ultrazvočni pretvornik (mešalnik) s predojačevalnikom; a) stikalna shema, b) postavitev na vtični plošči; c) podroben detajl. Po tem, ko je zgrajeno predstavljeno pretvorno vezje, je potreben še dober končni ojačevalnik. Uporabite lahko npr. zvočnike MP3 predvajalnika, računalnika in podobno. V ta namen je potrebno povezati banana vtič zvočnikov z izhodom na ultrazvočnem pretvorniku (skica 57). Skica 57: a) Pretvornik v povezavi z računalniškimi zvočniki, b) priključitev na banana vtič s krokodiljimi sponkami. Povezavao z banana vtičem lahko vzpostavite tudi s priloženo žico (glejte tudi naslednje skice). 36
20 ODPIRANJE ULTRAZVOČNEGA SVETA Dodatna možnost je uporaba računalnika, netbook a ali prenosnika kot ojačevalca. Prednost: s tem lahko pretvorjene ultrazvočne signale posnamete in jih nato ponovno predvajate. Vtič v tem primeru vstavite v Line In vhod na računalniku (vtičnica na računalniku s simbolom mikrofona). Skica 58: a) Priključitev ultrazvočnega pretvornika na net book; b) Podrobnost zgradbe in povezava z banana vtičem. Postopanje v primeru uporabe operacijskega sistema Windows 7 1. V meniju Nadzorna plošča izberite možnost Strojna oprema in zvok. 2. Nato izberite opcijo Zvok in Upravljanje zvočnih naprav. 3. Izberite zavihek Snemanje. 4. Izberite Mikrofon in kliknite Lastnosti. 5. Izberite zavihek Poslušaj. 6. Odkljukajte možnost Poslušaj to napravo. Izberite OK. Pod zavihkoma Stopnja in Ojačanje lahko prilagodite tudi vhodno občutljivost. Skica 59: Zavihek Zvok in lastnosti Mikrofona. 37
Pod zavihkoma Stopnja in Izboljšave lahko nastavite tudi druge specifične značilnosti, ki vplivajo na kvaliteto zvoka. Izhodno glasnost je običajno mogoče nastaviti s pomočjo tipkovnice in s tipkami na zvočniku. Skica 60: a) Zavihek Značilnosti mikrofona, odkljukajte kvadratek za poslušanje; b) izberite stopnjo ojačitve. Smiselno je, da v primeru, ko je priključen ultrazvočni pretvornik, za raziskovanje ultrazvočnega šumenja uporabite naglavne slušalke. Za snemanje ultrazvočnega šumenja z računalnikom priporočamo, da uporabite enostaven brezplačen program, ki ga lahko snamete s spleta. Ko je zgrajeno elektronsko vezje ultrazvočnega pretvornika in povezano z ojačevalnikom, se lahko potopite v raziskovanje ultrazvočnega sveta. Pri prvem testu lahko npr. z obročkom za ključe povzročite ultrazvočno šumenje. Če ste odkrili, kje vse se še nahajajo zvočni viri, lahko sedaj razumete tudi živali, ki postanejo nemirne, ko gre mimo njih npr. kolo. Ultrazvočni viri so na primer nenaoljene kolesarske verige, vijaki, kapljajoča ogljikova kislina, šelestenje listja v gozdu, netopirji, glodalci kot npr. podgane in podobno. Obstajajo veliko težje prepoznavni toni tehničnih naprav, kot so na primer netesne tlačne napeljave, luknje v gumah in plinskih napeljavah, ultrazvočni merilniki, čistilne kopeli, naprave za zatiranje škodljivcev in podobno. 38
Nov svet ultrazvočnih zvokov čaka, da ga boste odkrili! Conrad Electronic vam pri tem želi veliko sreče! Električnih in elektronskih naprav po koncu njihove uporabe ni dovoljeno odložiti med gospodinjske odpadke. Odložite jih v skladu z veljavnimi predpisi. V ta namen so ustanovljena posebna zbirna mesta tovrstnih naprav če želite prejeti več informacij se obrnite na vašo lokalno komunalno službo. Izdelek je v primeru uporabe v skladu s temi navodili za uporabo skladen s CEsmernicami. Navodila za uporabo so sestavni del izdelka, zato jih v primeru, če izdelek predate tretji osebi, priložite zraven. 39