Förförstärkare till hydrofoner etc

[Zoologen]

Hej!
Vart ska man börja...
Jag arbetar med att hitta och studera valar mha av deras vokaliseringar. Även om jag har haft turen att ha haft en solid finansiering av utrustning och lön under det senaste decenniet så stöter jag på gott om folk som definitivt inte har det. Hydrofoner, förstärkare, klick-detektorer och DAQ's är svinigt dyra. Det kommer lätt upp i 20-30k för att kunna köpa en hygglig hydrofon och förstärka signalen med 40 dB. I många fall så använder vi oss av 3-4 eller fler hydrofoner för att kunna triangulera valen, och det är ett lätt oöverstigeliga hinder för många forskare som arbetar i de områden där de kanske mest intressanta och skyddsvärda studieobjekten finns, e.g. amazonas. Eftersom jag är föräldraledig nu så har jag försökt hitta ett projekt som går ut på att hitta ritningar på en eller flera av ovanstående, för att kunna tipsa kollegor i behov. Drömmen vore om jag kunde köpa in satser av komponenter, och erbjuda till självkostnadspris.
Dessvärre är jag hyfsat rudis på allt detta med elektronik, jag har pysslat med lite av varje, men att konstruera en hel krets från scratch har jag inte gjort. Ni som har varit med ett tag, är det ett lämpligt nybörjarprojekt att ge sig på att försöka bygga en förförstärkare till en piezo-elektrisk hydrofon?

NOAA, har publicerat en liten handbok för hur man bygger sin egen array, där allting är avpassat till kaskeloter, men det borde ju vara en ganska smal sak att byta piezo-elektriskt element och flytta på high-pass filtret?
https://swfsc.noaa.gov/uploadedFiles/Di ... TM-417.pdf

Drömmen vore att ha en förstärkare som är jämn i förstärkningen mellan någon kHz upp till ~140kHz, och där man kanske kan förstärka 10-20-30-40 dB, och eventuellt flytta på highpass-filtret en del.

Tankar, funderingar?

[4kTRB]

Att de är dyra i inköp betyder nog till viss del att
de är dyra att konstruera. En metalldetektor är
som exempel inte så dyr och dessutom lätt att
bygga själv.

[danei]

Prylar som säljs i små serier blir dyra även om konstruktionen är tämligen billig. Det här tycker jag verkar vara just ett sådant fall.

[4kTRB]

Hur stora serier tillverkas metalldetektorer i tro?

[Zoologen]

Jo, det är kanske så att komponenterna inte är gratis. En enkanals förstärkare från etec.dk, som är erkänt bra, kostar dock 600 euro. Och det behöver inte vara lika bra, bara tillräckligt bra egentligen. Om man kollar på komponenterna på den förstärkaren som NOAA beskriver, så är det inte mer än ett par hundralappar från ELFA. Är det tillräckligt bra för NOAA, att användas i array-försök (där man behöver vågformen på klicken), så är det nog tillräckligt bra för de flesta.

Sen är det ju lite kul att göra grejer själv Jag har en signalgenerator, en referenshydrofon från RESON och kan låna ett oscilloskop, så jag kan ju kika lite på hur det hela presterar. Är det tillräckligt bra, kostar < 500 kronor i komponenter för hydrofon och förförstärkare, så kommer det att finnas en hel del projekt som kommer ha stor nytta av det.

---edit---
Som kuriosa kan nämnas att en av de första dykprofilerna som gjordes på en val var med hjälp av en liten vattentätad ägglocka med en fjäder och ett blyertsstift. Ju längre ner valen dök, desto mer trycktes fjädern ihop, och positionen på blyertsstiftet förändrades, samtidigt som äggklockan sakta snurrade runt i en timme. Allting behöver inte vara state-of-the-art, what works, works

[danei]

Jag testade att göra en sökning på ebay metalldetektor gav 13k träffar, de flesta verkade vara relevanta. Hydrofon gav 36 träffar där många var inspelningar. Och det mesta övriga verkade vara vanliga mickar som var tätade. Ingen jag såg passar in här. Så det verkar vara mycket större serier på metalldetektorer.

Många helt vanliga audio förstärkare borde nog klara det tillräckligt bra. Bara man anpassar filtreringen. Så det borde inte behöva kosta så mycket. Vill man jämföra vågformen kan det ju vara en fördel att alla förstärkare är lika, om de skulle påverka signalen lite så är det samma påverkar på alla.

[blueint]

När du nämner 40 dB är det amplitud dB dvs 100 ggr ..? (annars är det effekt dB med 10 000 ggr)

Får intrycket att filtret i NOAA/Barlow dokumentet är ett högpassfilter för allt ovan 1591 Hz och därmed borde fungera för 1 - 140 kHz?

Projektet borde gå att genomföra för några hundra kronor i komponentkostnader. Iaf för förstärkaren. Ljudupptagaren kanske är knepigare? Kanske piezoelement eller annat kräver exotiska linjeanpassningar?

[Zoologen]

blueint,
japp, det är amplituden som ska förstärkas med 40 dB, alltså 100x förstärkning. Det verkar vara standard överallt när det gäller hydrofoner.

Just ett högpassfilter vid 1kHz gör ju att man får bort mycket av vågskvalp och sånt, men ibland är det händigt att kunna sätta filtret betydligt högre, om man vill sikta in sig på exempelvis tumlare och inte på delfiner. De använder hyfsat olika frekvensområden, av olika anledningar. Sen kan man ju diskutera hur pass "skarpt" ett första ordningens filter är, men jag kan inte så mycket om filter för att kunna öka skärpan på det.

Härligt att du är positiv till förstärkaren i alla fall Ska naturligtvis försöka hitta en vettig konstruktion och sen inte försöka avvika från den så mycket.

Mycket av variationen i systemet kommer obönhörligen att komma från själva hydrofonen. RESON och de andra top-shelf tillverkarna av hydrofoner tar enligt uppgift sina element från: http://www.ferroperm-piezo.com/

Sen kommer själva momentet med en fin lödning, en bubbelfri inkapsling mha vakuumkammare för att få ett riktigt bra resultat. Återigen så finns det dock gott om exempel med piezo-element i en burk fylld med rapsolja som ändå får fram vettiga grejer. Förhoppningsvis kan man landa någonstans mittemellan. Dessutom så kommer man nog inte ifrån det faktum att man kommer att vara tvungen att kalibrera hydrofonen i olika riktningar och frekvenser så man vet om den är dålig eller bra. En poäng med att ha variabel gain är ju att kunna trimma hydrofoner till en gemensam nivå, så länge de inte ligger ljusår emellan.

Jag är lite lost vad det gäller själva kablaget, jag har gjort en hydrofon själv, och då använde vi helt vanlig 50 ohm coax kabel med BNC, och det verkar överlag vara BNC som gäller som kontaktering överallt. Däremot vet jag inte varför man väljer en specifik sorts kabel mellan hydrofon och förstärkare och förstärkare till DAQ/oscilloskop. Just själva datainsamligen kommer man nog inte undan att köpa en hyfsad DAQ eftersom man gärna ska ligga på 3 ggr frekvensen i sample rate. Å andra sidan har de gått ner i pris något vansinnigt mycket senaste tiden.

Tack för hjälpen!

[RoPa]

Messerschmitter kommentar, 40dB Watt ger 10.000 x effekt(Watt) = 100 x amplitud(Volt) då P = U x U / R, alltså 20dB Volt.

Koax ger bra skärmning och BNC är praktiska och låser bra. Vilken impedans på kabel man väljer spelar minimal roll vid dessa låga frekvenser.
Elektroniken går säkert att få till både billigt och bra, 1 - 140 kHz är ett enkelt frekvensområde.
Ingjutning kan göras i högviskös epoxi som vibreras så att luftbublor flyter upp, behövs inget vakuum.
Kruxet torde vara att bygga ett bra hus åt piezo elementet som ger bra riktverkan (den man nu önskar) och bra känslighet.

Kul idé!

[Zoologen]

Jag inser att jag var lite otydlig, det är själva inkapslingen av hydrofonelementet som jag funderade att göra mha av en vakuumpump och kanske någon transparent polyuretan som i NOAA's instruktion.
Luftbubblor i närheten av hydrofonelementet är döden för allt vad hydrofoner heter, särskilt de som lyssnar på lite högre frekvenser :\

Just riktverkan brukar inte vara så värst eftertraktat förutom när man pejlar, men även där så brukar folk välja att ha en omnidirektionell hydrofon och sen sätta någon sorts tratt runt för att skärma.

Ska försöka handla lite komponenter imorgon och börja labba lite

[blueint]

Var vore det lämpligt att filtreringsfrekvensen låg?

NOAA:s projekt visar på sidan 10 schemat för förstärkaren.

opamp_barlow.png

Datablad för op-amp AD743 (pdf)
Pinout: 1,5-NULL, 2-IN-, 3-IN+, 4-Vs-, 6-OUT, 7-Vs+, 8-NC

Samt på sidan 11 så visas formeln för det filter de valt med kapacitans (C1) och resistans (R3) i serie:

C1 = 1.0 µF
R3 = 100 Ω

\(HighPassCornerFreq = \frac{1}{2 \pi C1 R3} = \frac{1}{2 \pi 10^{-6} F 100 \Omega} = 1591 Hz\)
(1591.549431 Hz)

f = 1591 Hz

Q-faktorn:

\(Q-factor = \frac{1}{2 \pi f C1 R3} = \frac{1}{2 \pi 1591 Hz\, 10^{-6} F\, 100 \Omega} = 1\)

Så om man vill höja frekvensen till t.ex 3 kHz med bibehållen bandbredd dvs Q-faktor:

Ändrar primärt C1 eftersom den lär vara den största filtreringsfaktorn i sammanhanget.

Q-factor = 1
f = HighPassCornerFreq = 3 kHz

\(C1 = \frac{1}{2 \pi HighPassCornerFreq R3} = \frac{1}{2 \pi 3000 Hz 100 \Omega} = 0.53 \mu F\)
(C1=0.530516 µF)

C1 = 0.53 µF
R3 = 100 Ω

\(Q-factor = \frac{1}{2 \pi f C1 R3} = \frac{1}{2 \pi 3000 Hz\, 0.53 10^{-6} F\, 100 \Omega} = 1.000001\)

Något större Q-faktor borde vara okej. Så om man byter C3 till 0,53 µF så får du ett högpassfilter som börjar på 3 kHz. Men det kanske är smart att använda ett 2-pass eller bättre filter förutsatt att det inte skapar för mycket brus. Mer komponenter = mer brus.

Eller så har jag gjort totalt fel

Apropå komponentköp, kanske du kan köpa hydrofonen iaf?

För högre frekvens så tipsar Barlow om AD797.

För att ordna ett brantare filter kan man kika på dessa exempel. Notera dock skillnaden att Barlow har satt högpassfiltret på op-ampens minussida och inte i serie med signalkällan som istället matar direkt till plus ingången. Så i stort sett så jordar högpassfiltret endast höga frekvenser medan låga frekvenser får "hänga fritt". Någon annan har säker en bra kommentar på denna konstruktionsdetalj.

Här är ett exempel på 2:a ordningens filter med andra komponentbeteckningar:


Det kanske finns bättre och det kanske bör användas 2:a ordningens bandpassfilter istället? samt att man får ta ett övervägande om filterbrus vs filtrering av inkommande brus.

Edit: Ett µ föll bort

[Zoologen]

Urv, det är inte helt enkelt att bena ut var highpass-filtret ska vara. Men, generellt brukar det inte finnas så värst mycket av intresse under ~30 kHz (givet att man inte är nyfiken på visslingar eller kaskeloter, eller kanske till och med bardvalar). Det är lite det som skulle vara trevligt med ett variabelt filter. Huruvida det är "bäst" att då använda sig av exempelvis en potentiometer, eller exempelvis fyra separata banor med en switch som man väljer bana med vet jag inte.

Jag tror det är läge att beställa hem lite komponenter och börja labba helt enkelt, om någon har generella tips på hur man minimerar brus mha komponentval etc så vore det ju guld, som det ser ut nu kommer jag väl att beställa hem ett gäng metallfilmsresistorer av så bra kvalitet som möjligt (är det någon som har tips på bra sortimentslådor med det?), tantalumkondensatorer (det är bara kapacitet utskrivet i ritningen från NOAA, vad ska man ha för volttal?).

En annan stor caveat här, som jag nog skulle behöva hjälp med är att 12 V inte är världens händigaste alltid, det går ju att använda motorcykelbatterier etc, eller seriekoppla vanliga batterier och hålla på. Men, det skulle ju inte vara fel att kunna använda sig av 2 9 voltsbatterier istället eftersom de finns att köpa nästan överallt. Men jag gissar på att man får räkna om värdena på samtliga komponenter etc... :\

Vad det gäller DAQ, fick jag nyhetsbrev från m.nu om ett litet oscilloskop med 2 analoga kanaler som kan kopplas med en raspberry PI. Det är lite synd att det bara är 2 analoga kanaler, men samplingsfrekvensen räcker gott och väl, och det är dessutom nog att kalibrera sina hydrofoner med https://www.m.nu/bitscope-micro-oscillo ... -1441.html

hur som helst, tack för hjälpen!

[gkar]

När du nämner 40 dB är det amplitud dB dvs 100 ggr ..? (annars är det effekt dB med 10 000 ggr)

Det är samma sak.
Fundera en stund.

[blueint]

För f = 30 kHz så blir det:
C1 = 53 nF
R1 = 100 Ω

Tantalumkondensatorer mm bör klara de spänningar som förekommer i sammanhanget. Så 12 volt är väl lämpligt. Vilket brukar innebära 16 volt eftersom det hamnar närmast.

För att minska brus så se till att elförsörjningen är välfiltrerad och att förstärkar-"lådan" är skärmad ordentligt. Samt inte minst att skärmade kablar används (tvistad går nog också bra?).

För adekvat samplingsfrekvens kan du gott använda 10 ggr högsta frekvensen. Vilket i detta fall blir 1,4 MHz. Fundera så här, hur många prickar vill jag ha för att kunna se en sinusvåg.

Spänningsförsörjningen bör framförallt ha samma spänning på båda sidor för op-ampen: +12V ; -12V eller +9V ; -9V osv. Om du har tillgång till t.ex +26V så kan du sätta varsinn linjäraregulator såsom 7812 och 7912 med 7812:ans ingång till +26V och dess jord till 7912:ans jord samt 7912:ans ingång till spänningsmatningens jord.

Enligt:



Nackdelen är att den kommer att bränna bort överskottsspänning i form av värme och lämpar sig därför inte för batteridrift. För sådan skulle jag köpt något switchat på Kjell&Co eller eBay osv. Samt satt ett LC-filter i form av en induktans i serie och kapacitans parallellt med den positiva och negativa utgången.

@gkar, Du har nog rätt

[RoPa]

Om du skärmar av elektroniken bra så kommer det vara två källor till brus kvar, termiskt brus och halvledarbrus.
För att minska inverkan av det termiska buset (vitt) väljer du att ha så låga resistanser som är praktiskt då får du så låga brusspänningar som möjligt.
För att undvika halvledarbrus (rosa, 1/f) ska du hålla nere strömmarna i halvledare.
För att få ett riktigt bra brusvärde ska du helst ha ett diskret pickup steg, typ en lågbrusig FET mikrofonförstärkare.

För sakens skull, hur stark kan man räkna med att den ljudsignal som ska detekteras är?