Предлагаемый вниманию читателей эхолот разработан, изготовлен и испытан автором по заданию редакции журнала. Его изготовление доступно радиолюбителю средней квалификации, все детали эхолота легко доступны.
Для стержневого ферритового вибратора удобнее всего использовать готовые магнитопроводы (точнее, их части), например П-образные сердечники трансформаторов строчной развертки, Ш-образные сердечники или даже круглые или прямоугольные стержни крупных ферритовых антенн (выпускаются с поперечником до 20 30 мм). Исходя из допустимой удельной мощности в 1—2 Вт/см2 и рабочих частот в диапазоне 40—60 кГц, из этих изделий необходимо вырезать (отколоть и зашлифовать) стержни сечением не менее 1—3 см2 и длиной 45—70 мм с гладкими плоскими торцами, строго перпендикулярными оси стержня. Ферриты марок 400НН, 600НН, 1000НН, 2000НН отличаются хрупкостью и обрабатывать их надо как стекло — шлифовать на мелкозернистом абразиве при малых подачах и с жидкостным охлаждением.
Пьезомагнитные характеристики таких ферритов не нормируются, поэтому между изделиями производства разных лет, заводов и партий наблюдается значительный разброс характеристик. Придется исследовать несколько образцов с целью найти лучший экземпляр.
Чтобы превратить ферритовый стержень в УЗ вибратор, необходимо поместить его в сильное магнитное поле. Для этого подойдут магниты от динамиков, размещенные у торцов стержня без механического контакта с ним. Примерно посредине стержня необходимо установить секционированную катушку возбуждения с зазором вокруг стержня 0,3—1 мм (с тем, чтобы не демпфировать механических колебаний). В качестве опор стержня, фиксирующих его положение в катушке и магнитах, можно использовать кольца из губчатой резины или поролона. На нерабочий торец вибратора можно наклеить шайбу из аналогичного материала толщиной 5—10 мм. Число витков катушки возбуждения следует подобрать экспериментально. Начать можно, намотав проводом ПЭШО-0,5 мм внавал в три секции 15...50 витков. В четвертой секции впоследствии следует намотать проводом ПЭШО-0,1 мм в том же направлении еще столько же витков для подключения к приемнику.
Устройство в сборе с кожухом показано на рис. 1. Вокруг катушки не должно быть коротко-замкнутых металлических контуров.
Для испытаний удобнее всего пользоваться калиброванным по частоте и амплитуде выходного сигнала сигнал-генератором с диапазоном до 2000 кГц и выходной мощностью 3—10 Вт при напряжении 5—10 В. (например ГЗ-56 или ГЗ-106).
Для определения момента механического резонанса удобно пользоваться капелькой легкокипящей жидкости, размещенной на свободном торце вибратора (например, эфира), которая помутнеет от вскипания при достаточно больших амплитудах вибрации. Можно также наблюдать резонанс и по искажению поверхности капельки воды. Наконец удовлетворительным индикатором колебаний может послужить и кусочек лезвия безопасной бритвы, свободно положенный на торец вибратора.
В воздухе резонанс вибратора получается очень острым, поэтому перестройку частоты надо производить (при максимальном выходном напряжении) медленно. Когда признаки резонанса обнаружены, надо снизить уровень возбуждения до момента их исчезновения. Частоту и уровень резонанса необходимо записать, как характеристику образца. Наилучшими свойствами будет обладать образец с наинизшим уровнем возбуждения резонанса. С этим вибратором имеет смысл дополнительно поэкспериментировать, подбирая такое число витков катушки возбуждения, при котором уровень возбуждения окажется минимальным.
Для использования вибратора в качестве приемоизлучателя эхолота его дорабатывают и герметизируют. Доматывают приемную катушку, соединяют ее с катушкой возбуждения (см. рис. 1), подпаивают гибкие выводы из многожильного провода. поверх обмоток наносят лакотканевую изоляцию. Затем склеивают воедино катушку возбуждения, магниты и прокладки из губчатой резины. Выточив из конструкционного текстолита кожух подходящих размеров с толщиной стенок не менее 5 мм, размещают в нем и фиксируют с помощью клея сборку с магнитами. Выводы катушек проводят сквозь отверстия в боковой стенке. Ферритовый стержень тщательно обезжиривают и вставляют в катушку до упора так, чтобы свободный торец его был ниже торца кожуха на 5—8 мм. Теперь предстоит весьма ответственная задача звукопрозрачной герметизации.
С этой целью эпоксидную (можно и полиэфирную) смолу разводят без каких-либо растворителей, но с пластификатором строго но рекомендуемым весовым соотношениям компонентов и тщательно размешивают, стараясь не вносить воздуха. Налив смолу слоем в 8—12 мм в мелкую пластмассовую посудинку (например, крышку от какого-либо крема), вмещающую по диаметру кожух, подогревают ее для снижения вязкости смолы до 50—60 °С. Выдержав время, чтобы все пузырьки поднялись к поверхности, но связующее еще не начало желатинизироваться, опускают кожух отверстием вниз, в смолу. Воздух из внутренней полости частично уходит через отверстия для проводов.
Дождавшись полного отверждения смолы при комнатной температуре, опиливают и обламывают остатки посудинки и излишки смолы и полируют внешнюю поверхность. Отверстия для проводов заглушают эпоксидным компаундом (с наполнителем) и закрепляют герметичный разъем, если он предусматривался. Оба провода (к передатчику и к приемнику) выполняют экранированными в герметичном кабеле (например КМ ПЭВ 2X0,35 мм). Емкость кабеля учитывается при настройке эхолота, поэтому его длина должна быть неизменной. Приемоизлучатель к корпусу судна крепится так, чтобы рабочая поверхность была в непосредственном контакте с водой заподлицо с днищем, в таком месте, где не могут скапливаться аэрационные пузырьки.
Схема эхолота (рис. 2) допускает широкий диапазон всевозможных подстроек и регулировок, удобных при подборе и согласовании с приемоизучателем (кстати, здесь возможно применение и низкочастотного пьезоизлучателя). Для упрощения схема рассчитана на один диапазон измеряемых глубин до 15 м и имеет обычную структуру, с постоянной частотой посылок F.
Тактовый генератор 1 вырабатывает короткие импульсы длительностью tн=0,7—1 мс для включения генератора УЗ колебаний 2, работающего с частотой механического резонанса приемоизлучателя 4 (порядка 40—60 кГц). Мощность обеспечивается двухтактным выходным усилителем 3. За время tн приемоизлучатель совершает 30—60 колебаний, излучающихся в воду с невысокой направленностью, благодаря чему крен судна мало влияет на показания эхолота. Тактовый импульс, воздействуя на блок 5 временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), вызывает первоначальное запирание избирательного усилителя 6, необходимое для того, чтобы приемник не «оглох» от собственной посылки и следующих сразу за нею реверберационных шумов. Через некоторое время tз=(1÷2)tн блок ВАРУ начинает отпираться и пропускать сигнал на избирательный усилитель-детектор 6 и следующий за ним дополнительный усилитель импульсов 7. При этом ослабление сигналов блоком ВАРУ плавно уменьшается в течение первой трети периода между УЗ импульсами, так что ранние эхосигналы с малых глубин (и поэтому довольно сильные) будут усиливаться меньше, чем запоздавшие эхосигналы от удаленных объектов. Благодаря этому уменьшаются перегрузки усилительного канала и искажения сигналов, что позволяет расширить диапазон измеряемых глубин. Фактически минимально измеряемая глубина при указанных значениях tн и tз будет равна
(здесь С≈1500 м/с — скорость распространения ультразвука в воде). Максимальная глубина определится тем уровнем эхосигнала, который будучи усилен в усилительном канале примерно в 100 000 раз, еще будет способен вернуть в исходное состояние измерительный триггер 8, предварительно опрокинутый тактовым импульсом. Сглаженный фильтром 9 средний ток триггера примерно пропорционален задержке первого же пришедшего эхосигнала и измеряющий этот ток стрелочный прибор 10 позволит отсчитать глубину, с которой пришел эхосигнал.
Желая расширить диапазон измеряемых глубин (например вдвое, до 30 м), следует помнить об ослаблении ультразвуковых сигналов, рассеивающихся при распространении от судна до дна и обратно, нарастающем примерно пропорционально четвертой степени глубины. Поэтому необходимо вдвое увеличить чувствительность стрелочного прибора и длительность между тактовыми импульсами 1/F, и в 10—16 раз чувствительность усилителя, что не так просто, хотя и возможно.
Принципиальная схема передатчика эхолота изображена на рис. 3. Он выполнен на отдельной печатной плате размером 120X80 мм.
Тактовым генератором является мультивибратор на транзисторах VT1 и VT2 , который даст прямоугольные тактовые импульсы длительностью tн=1 мс с частотой F=50 Гц. Регулировки в базовых цепях позволяют примерно на одну треть изменять tн и F в процессе настройки и калибровки эхолота. Транзистор VT3 служит ключом, подающим питание в течение существования тактового импульса на самовозбуждающийся УЗ генератор на VT4. Частота f этого генератора подстроенным сердечником L1 настраивается строго на частоту механического резонанса приемоизлучателя. Для получения достаточно больших токов в обмотке возбуждения использован двухтактный усилитель мощности на транзисторах VT5 и VT6, причем нормально открытый VT5 служит активной нелинейной нагрузкой, самостоятельно управляющейся за счет диодов VD1 и VD2 . Эти же диоды играют роль ключей, изолирующих приемоизлучатель от выходных цепей в режиме приема, что исключает потери уровня принятых эхосигналов. Простейший стабилизатор на VT7 обеспечивает неизменность напряжения питания во всех маломощных цепях эхолота.
Приемная часть (рис. 4), выполненная на отдельной плате аналогичных размеров и экранированная от передатчика заземленной алюминиевой пластиной, начинается ограничителем амплитуды входных сигналов на конденсаторе С2 и диодах VD1, VD2. Он защищает приемник от опасных перегрузок в моменты излучения, ограничивая входные сигналы уровнем ≤±0,3 В. Малые же по амплитуде эхосигналы практически не ослабляются, так как при уровнях ±0,01 В эти диоды практически закрыты и не шунтируют входа.
Далее следует узел ВАРУ, состоящий из полевого транзистора VT1, работающего в режиме управляемого сопротивления переменному току, накопительного конденсатора С1 и разрядных сопротивлений R1, R2. Отрицательный тактовый импульс заряжает в момент излучения конденсатор С1 и запирает VT1, канал которого отделяет вход приемника от усилительного канала. Постепенно разряжаясь на R1, R2, напряжение на затворе VT1 с течением времени снижается за точку отсечки полевого транзистора и его канал начинает плавно увеличивать свою проводимость. Задержка открытия VT1 и скорость нарастания проводимости зависят от напряжения отсечки и постоянной времени цепочки C1(R1+R2). В некоторой степени эти величины регулируются R1 при настройке.
Чтобы упростить эхолот, в самой сложной части — канале усиления — использованы микросхемы, широко применяемые в современных радиоприемниках. Для облегчения понимания назначения и действия внешних цепей микросхем, на рис. 4 показаны их внутренние схемы.
Усилителем эхосигналов ультразвуковой частоты DA1 служит К157ХА2 — схема УПЧ и AM детектора с АРУ, обеспечивающая усиление сигналов в десятки микровольт в одну-две тысячи раз. Необходимую частотную избирательность обеспечивает контур L1, С5, С6, аналогичный контуру в передатчике. Цепочка С7, R4, R5 обеспечивает передачу сигнала из входного усилителя в детекторную часть, а кроме того регулировкой R5 позволяет установить на выходе DA1 (9) напряжение покоя +0,3 В, требующееся для нормального режима детектирования. Фильтрующая цепочка R7, C13, R8, С14 передает продетектированный сигнал на усилитель импульса DA2. Остальные цепочки, имеющие рекомендованные изготовителем параметры [9], представляют собою цепочки стабилизации и частотной коррекции.
DA2 — предварительный усилитель низких частот К157УН1 — предназначен для усиления импульсной огибающей эхоимпульса до уровня 3—4 В, достаточного для управления триггером DD3. Необходимое для разных грунтов и глубин усиление (30—300 раз) подбирается резистором R9 в цепочке ООС С16, R9, С15. С помощью подстроечного резистора R10 устанавливается потенциал покоя на входе (7) DA2 в 3,5—3,8 В, необходимый для правильной работы триггера. Остальные цепочки осуществляют частотную коррекцию и развязки.
На прямой выход триггера DD3 подключен через сглаживающий фильтр С19. R14, С20 стрелочный указатель PAL Необходимый уровень чувствительности прибора подбирается с помощью резистора R13 так, чтобы полное отклонение его стрелки соответствовало наибольшей уверенно измеряемой глубине (15 м). Диод VD5 необходим, чтобы исключить начальный ток прибора из-за ненулевого значения уровня «нуля» триггера.
Поскольку микросхемы DA1 и DD3 питаются напряжениями порядка пяти вольт, в схему введен стабилитрон VD4 и развязывающий конденсатор С9.
На рис. 5 приведен вариант приемной части эхолота на микросхемах К237ХК2 и К237УН1 (прежние обозначения К2ЖА372 и К2УС371). В качестве триггера могут быть применены также К176ТВ1, К561ТМ2, К511ТВ1, К555ТВ6, но при этом неиспользуемые входы надлежит подключить к потенциалам «0» и «1» в соответствии с рекомендациями для соответствующей серии ЛМС. В качестве стрелочного прибора удобно применять тряско- и вибропрочные микроамперметры на диапазон измерений 0—50...250 мкА, например М42200, М42102, М2003, М93, М325, М200 или М288К. При условии самостоятельного изготовления шкалы вполне применимы индикаторы настройки и уровня записи бытовой аппаратуры М68502, М4761, М476 и им подобные.
Собрав н проверив работоспособность передатчика и приемника порознь, подключают к ним приемоизлучатель. Щелчки приемопреобразователя должны слабо прослушиваться вплотную приложенным ухом. Тщательно настраивают частоты контуров на резонансную частоту вибратора. Для этого удобно подключить временно вход приемника к приемоизлучателю через делитель 4М7/47 Ом (резистор 47 Ом — переменный), средняя точка которого и подключена ко входу DA1. Измеряя напряжение постоянного тока на выходе микросхемы DA1 по максимуму напряжения, добиваются оптимальной настройки.
Затем, включив схему нормальным образом, убеждаются в эффективности действия ВАРУ: на триггере, на входе R при любом усилении DA2 не должно быть импульсов, больших 0,8 В. Если подавление импульса посылки недостаточно и подбор экземпляров VT1 и VD1, VD2 не помогает, а развязка по цепям питания вполне надежна, то делу может помочь дополнительное использование АРУ микросхемы DA1. Для этого надо подать часть сигнала ВАРУ на вывод 12 микросхемы К157ХА2, убрав конденсатор С10. Возможно, что устойчивость работы схемы улучшится, если для восстановления триггера использовать не вход R, а К.
Перед установкой на судне полезно проверить работу эхолота в воздухе, где условия распространения ультразвука гораздо хуже, чем в воде. При хорошей эффективности приемоизлучателя эхолот должен быть работоспособен на расстоянии 0,25—0,5 м от ровного деревянного или покрытого линолеумом пола; при этом указатель должен отмечать примерно в четыре с половиной раза большие рас стояния, т. е. 1,1—2,2 м. Если эхолот действует на расстояниях больших 0,7 м, то предельно измеряемая глубина может быть увеличена до 20—30 м простым снижением частоты тактовых импульсов. Напротив, если эхолот не работоспособен в воздухе, он все-таки может исправно работать в воде при меньших глубинах, скажем 8—10 м, на грунтах, кроме ила.
Б. Тараторкин, кандидат технических наук, яхтенный капитан.
Литература
- 1. Владимиров А., Корлякова Л. Любительский эхолот «Поиск». В кн.: «В помощь радиолюбителю». вып. 80 М., ДОСААФ, 1983.
- 2. Тимофеев В. Эхолот. В кн.: «В помощь радиолюбителю», вып. 92. М., ДОСААФ, 1986.
- 3. Рябухин А. Эхолот. В кн.: «В помощь радиолюбителю», вып. 77. М., ДОСААФ, 1982.
- 4. Бокитько В. Портативный эхолот. «Радио», 1981, № 10.
- 5. Сыркин Л. Н. Пьезомагнитная керамика. Л., Энергия 1980.
- 6. Левшина Е. С. Новицкий П. В Измерительные преобразователи. Л., Энергоатомиздат.
- 7. Манер В. В. Простые опыты с ультразвуком М.; Наука, 1978.
- 8. Тараторкин Б. С. Приборы для яхт и катеров. Справочник. Л., Судостроение, 1984.
- 9. Булычев А. Л. Аналоговые интегральные схемы. Справочник. Минск, Беларусь, 1985.