set educativ ultrasunetele - german electronics · 2015-09-01 · diodele permit trecerea...

1 | w w w . g e r m a n e l e c t r o n i c s . r o

MANUAL DE UTILIZARE

SET EDUCATIV ULTRASUNETELE Cod produs: 192284

1. Operații pregătitoare Setul educativ include toate componentele necesare pentru experimente. Pentru alimentarea circuitelor electronice aveți nevoie de o baterie de 9 V și de câteva obiecte standard (vezi cutia).

Accesorii obligatorii (obiecte uzuale)

Baterie 9 V

Material spumant

Hârtie și lipici

În continuare vă prezentăm tipul și caracteristicile componentelor. 1.1 Placa experimentală Această placă experimentală permite ducerea la îndeplinire a tuturor experimentelor fără a avea nevoie de un ciocan de lipit. Placa este alcătuită în interior din arcuri de contact legate între ele prin mai multe șiruri. Componentele electronice și firele de conexiune pot fi introduse de mai multe ori în contactele plăcii. Acest lucru permite realizarea de circuite fără lipire sau șuruburi și totodată efectuarea mai multor experimente prin înlocuirea componentelor. Introducerea componentelor în placă este simplificată dacă tăiați în plan oblic firele de conexiune folosind un clește.

Placa experimentală are 270 de contacte așezate la o distanță de 2,54 mm. Cele 230 de contacte din zona centrală sunt legate între ele în 5 șiruri cu ajutorul unor benzi verticale. Pe marginea părții late există un șir cu 20 de puncte de contact, care sunt legate orizontal cu o șină. Aceste șiruri superioare și inferioare pot servi drept șine de alimentare.

Fig. 1: Placa experimentală și șinele pentru alimentare. 1.2 Senzorii ultrasunete Transductoarele ultrasunete incluse în colet lucrează la frecvența de cca. 40 kHz. Circuitele similare mecanic și optic au un senzor special marcat cu T (= transmițător) pentru domeniul de emisie și un receptor special marcat cu R (= receptor).


Fig. 2: Senzori ultrasunete; a) câte un senzor emițător și un senzor receptor văzute din spate, precum și un senzor văzut din față; b) simboluri electrice.

Pentru emiterea și recepționarea ultrasunetelor se folosesc oscilatoare Piezo cu cuarț și ceramice. La transductorul emițătorului se aplică o tensiune alternativă la frecvența proprie de rezonanță. Oscilațiile sunt transferate prin aer, iar în cazul senzorilor speciali (nu sunt incluși în colet) și prin lichide. Observație Senzorii pentru ultrasunete folosiți în experimentele următoare funcționează numai în medii gazoase (aer) și nu au voie să fie scufundați în lichide. 1.3 Diode Schottky Diodele permit trecerea curentului numai într-o singură direcție. De aceea sunt folosite printre altele pentru redresarea tensiunii alternative și pentru blocarea polarității inversate în cazul tensiunii continue.

Funcționarea unei diode redresoare (precum cea inclusă în colet) poate fi înțeleasă cel mai bine dacă se compară cu cea a unui ventil de reținere (instalație de apă). Dacă se exercită presiune (tensiune) pe acest ventil (diodă) în retur se blochează fluxul de curent. Presiunea trebuie să fie foarte mare în direcția opusă (săgeată) pentru a putea depăși presiunea arcului ventilului (retur). După aceea se deschide ventilul, iar curentul poate trece prin circuit. Tensiunea necesară pentru depășirea presiunii arcului în acest model mecanic corespunde în cazul diodei cu așa-numita tensiune directă. În acest sens este nevoie să existe o anumită tensiune în direcția curentului diodei, astfel încât dioda să ajungă în starea de conductibilitate electrică.

Fig. 3: Dioda Schottky, tip BAT 42; catodul diodei este marcat cu un inel negru, iar celălalt fir de conexiune este anodul.

Fig. 4: Simbolul diodă; curentul circulă de la anod (A) spre catod (K).

Curentul începe să circule (direcția simbolului săgeată) la o diodă Schottky la cca. 0,25 V. 1.4 Diode luminoase Ledurile (light emitting diode) posedă caracteristicile unei diode normale, dar în plus emit lumină la aplicarea unei tensiuni. Setul educativ conține un led roșu și unul verde.

Pentru a funcționa diodele luminoase (led) trebuie să fie întotdeauna conectate la o rezistență în serie. Aceasta se calculează folosind formula R = U/I (R = rezistența în Ohmi, U = tensiunea în Volți și I = curentul în Amperi). Exemplu: pentru a emite lumină un led normal (roșu, portocaliu, verde, alb) are nevoie de un curent de funcționare de cca. 20 mA. La o tensiune de 9 V împărțită la 0,02 A (20 mA) se obține o rezistență de 450 Ohmi. În acest exemplu este utilă și o rezistență de 1 kΩ. În acest fel ledul va lumina, dar va consuma puțin curent.

Spre deosebire de becurile incandescente ledul nu are un filament și de aceea durata sa de viață este mai mare, iar consumul de curent mai scăzut.

Fig. 5: Alocarea conexiunilor pentru diodele luminoase: anodul (+) cu firul de conexiune mai lung (în stânga în imagine) și conexiunea negativă, catodul, marcat suplimentar prin aplatizarea carcasei; b) simbol electric


1.5 Tranzistori Tranzistorii sunt componente active folosite în aplicații electronice ce comută și amplifică curentul și tensiunea. Tranzistorii bipolari incluși în colet sunt marcați cu denumirea BC 547. Este vorba despre tranzistori de putere mică, adecvați pentru o tensiune maximă de funcționare de 30 V și un curent de maxim 200 mA. În timpul experimentelor incluse în setul educativ se vor obține valori care vor fi mult mai mici decât valorile limită.

Fig. 6: Conexiuni tranzistor: emițător, bază, colector și simbolul electric.

Simbolul tranzistor poate fi reprezentat sau nu într-un cerc. Tranzistorii din setul educativ sunt reprezentați fără cerc.

Cum funcționează un tranzistor: un curent mic aplicat la bază-emițător poate controla un curent mai mare pe traseul colector-emițător. Astfel, dacă curentul de bază este mai mic (pozitiv la tranzistorii NPN și negativ la tranzistorii PNP) atunci tranzistorul conduce curentul electric de la colector la emițător, respectiv invers. Dacă la bază nu trece curent sau dacă conexiunea bază are potențial negativ (NPN), respectiv potențial pozitiv (PNP) atunci tranzistorul blochează fluxul de curent. 1.6 Circuite integrate/OP Circuitele integrate conțin numeroase componente electronice, instalate foarte aproape una de alta. Setul educativ include un circuit integrat denumit NE 555. El are un circuit de temporizare monolitic, ce poate fi utilizat drept generator de impulsuri, oscilator și temporizator.

Caracteristicile unui circuit integrat NE 555

Tensiune de funcționare de la 4,5 V la 16 V

Compatibilitate TTL

Curent de ieșire de max. 200 mA (versiunea bipolară)

Curent de descărcare (discharge) de max. 200 mA (versiunea bipolară)

Temperatură ambientală de peste 0 °C

Domeniul de frecvențe de maxim 500 kHz

Circuitul integrat NE 555 inclus în setul educativ extrage un curent mai mare din sursa de tensiune (baterie) odată cu comutarea amplificatorului de ieșire. De aceea circuitele trebuie să includă întotdeauna un condensator electrolitic cu o capacitate relativ mare (între conexiunile IC 1 și 8).

Circuitul intern al NE 555 NE555 este compus din 23 de tranzistori, 15 rezistențe și 2 diode. Fig. 7 indică alocarea pinilor, iar fig. 8 structura interioară a circuitului interior. La pinii 1 și 8 se aplică tensiunea de alimentare; la pinul 1 = minus, la pinul 8 = plus (a tensiunii de alimentare). IC NE555 poate realiza anumite funcții numai prin intermediul unui circuit extern. Alocarea pinilor circuitului integrat se face prin marcare/crestături pe carcasa IC. Un circuit integrat IC se introduce în placa experimentală în așa fel încât marcarea să se afle în stânga. La prima introducere a circuitului integrat țineți piciorușele de conexiuni între degetul mare și arătător, iar apoi strângeți-le ușor în așa fel încât să poată intra în placă. Atunci când scoateți circuitul integrat din placă ridicați-l cu atenție introducând o șurubelniță mică între carcasă și placă.

Fig. 7: NE 555 marcarea și pinii 1) Masă/GND 2) Declanșator 3) Ieșire (OUT) 4) Resetare 5) Tensiune de control (CV) 6) Valoare de prag comutare (treshold) 7) Descărcare (discharge) 8) Tensiune de funcționare /+Vcc


Fig. 8: a) Structura interioară a IC; b) înainte de introducere în placă strângeți pinii; c) demontați IC cu multă atenție.

Observație IC este relativ insensibil față de un circuit extern – cu excepția polarității tensiunii de alimentare. De aceea este important ca alimentarea să fie corect conectată. Inversarea polarității duce de obicei la distrugerea componentei. Aveți grijă ca înainte de a conecta placa experimentală la tensiunea bateriei să verificați dacă pinul 1 este legat la șina polului negativ al plăcii experimentale, iar pinul 8 la polul pozitiv. 1.7 Rezistențe O rezistență este o componentă pasivă într-un circuit electric și electronic. Sarcina sa principală este reducerea curentului la valori corespunzătoare (vezi cap. „Diode luminoase”). Forma de construcție cea mai des întâlnită pentru rezistențe este suportul ceramic cilindric cu fire de conexiune axiale.

Valorile rezistențelor sunt codificate și imprimate sub forma unor inele colorate. Setul educativ conține rezistențe cu strat de carbon cu următoarele valori:

Număr Valoare rezistență Primul inel Prima cifră

Inelul al doilea Cifra a doua

Inelul al treilea Multiplicator

Inelul al patrulea Toleranță

1 100 Ω Maro Negru Maro Auriu

2 1 kΩ Maro Negru Roșu Auriu

2 2,2 kΩ Roșu Roșu Roșu Auriu

2 10 kΩ Maro Negru Portocaliu Auriu

1 47 kΩ Galben Violet Portocaliu Auriu

1 100 kΩ Maro Negru Galben Auriu

2 560 kΩ Verde Albastru Galben Auriu

Fig. 9: a) Rezistență și b) simbol electric. 1.8 Potențiometre de reglare Potențiometrele sunt rezistențe ce pot fi modificate fără trepte. Potențiometrele incluse în setul educativ au o valoare totală de 25K și 470K (sau și 500K) și pot fi setate continuu la valoarea rezistenței cu ajutorul unei șurubelnițe. În interior componenta are un traseu rezistență și un contact de glisare mobil, ce permite modificarea valorii rezistență. Traseul rezistență și contactul de glisare sunt adecvate numai pentru curenți mici. De aceea consumatori ca de ex. leduri nu pot fi reglați direct cu potențiometre, căci în acest proces componenta se va distruge.


Fig. 10: Potențiometrul și simbolul electric

Fig. 11: Setarea unui potențiometru cu ajutorul unei șurubelnițe

Pentru a permite introducerea simplă a potențiometrului în placa experimentală recomandăm să rotiți la 45° pinul de conexiune al potențiometrului folosind un clește plat.

Fig. 12: a) Rotirea pinului potențiometrului și b) poziția pe placa electronică. 1.9 Condensatoare Un condensator este compus din două suprafețe metalice și un strat izolator. Dacă se aplică tensiune electrică atunci între plăcile condensatorului se formează un câmp electric, în care se stochează energie. Un condensator cu o suprafață mare a plăcilor și o distanță mică între ele are o capacitate mare și de aceea stochează mai multă energie, în funcție de tensiune. Capacitatea unui condensator se măsoară în Farad (F). Condensatorii au structuri de construcție diferite în funcție de capacitate și domeniul de utilizare.

Valoarea unui condensator ceramic este imprimată sub forma a trei cifre: primele două cifre indică valoarea, iar a treia multiplicatorul.


Condensatorii din setul educativ

Număr Valoare condensator Marcare

2 220 pF 221

2 1 nF 102

2 10 nF 103

1 100 nF 104

Fig. 13: a) Condensator ceramic și b) simbol electric. 1.10 Condensatoare electrolitice Spre deosebire de condensatoarele normale, condensatoarele electrolitice au o capacitate mai mare. La fel ca un condensator normal ele posedă două plăci, dar a doua placă este alcătuită din electrolit. De aceea un condensator electrolitic este influențat de polaritate, iar conexiunile au un pol pozitiv și unul negativ. Dacă componenta este conectată la polaritatea inversată o perioadă mai lungă de timp acest lucru va duce la distrugerea electrolitului.

Nu depășiți valorile maxime de tensiune imprimate, căci în acest caz se va distruge stratul izolator. Setul educativ include un condensator electrolitic radial cu valori de 100 µF și 1000 µF.

Observație µF (microfarad): unitatea µ este a milionimea parte din unitatea de bază Farad (F).

Fig. 14: a) Condensator electrolitic și b) simbol electric; polul pozitiv este firul de conexiune mai lung. În plus polul negativ este marcat printr-o linie deschisă la culoare imprimată pe carcasă.

Observație Pentru condensatorii electrolitici se folosește și prescurtarea elko. 1.11 Pini Anumite componente din setul educativ ca de ex. traductoarele Piezo, au firele de conexiune (roșu/negru) alcătuite din liță flexibilă. Firele pot fi fixate mai ușor în placa experimentală. Introduceți prima dată capetele dezizolate ale firelor în arcurile de contact, iar apoi pinii. În acest fel fixați capetele firelor. Pentru a introduce pinii puteți folosi un obiect dur, ca de ex. lama unei șurubelnițe.

Fig. 15: a) Firele de conexiune din liță flexibilă sunt introduse în placă folosind un pin; b) apăsarea unui pin cu ajutorul unei șurubelnițe.


1.12 Traductor electroacustic Piezo Traductorul electroacustic servește drept cască simplă, difuzor și microfon sau drept senzor pentru vibrații. Principiul de funcționare: o plăcuță plată de ceramică cu electrozi metalici pe ambele părți. Tensiunea electrică de pe electrozi deformează plăcuțele ceramice. Această mișcare duce la vibrarea aerului, iar astfel sunt transmise undele sonore. Dar o cască Piezo nu poate fi folosită decât în caz de urgență. Pentru a spori performanțele acestui traductor conectați ieșirea la intrarea Line-in a unui PC sau la un echipament HiFi.

Fig. 16: a) Traductor electroacustic Piezo și b) simbol electric.

1.13 Reglete de conexiuni Regletele de conexiuni se folosesc pentru a conecta senzorii ultrasunete la placa electronică fără operații de lipire.

Fig. 17: Regletă de conexiuni cu senzor ultrasunete montat. 1.14 Clemă baterie Clema baterie este folosită pentru conectarea unei baterii de 9 V la placa experimentală. Firele de conexiune (roșu/negru) sunt realizate din liță flexibilă. Capetele liței sunt cositorite, în așa fel încât să poată intra fără probleme în contactele plăcii experimentale. Recomandăm să introduceți polul negativ (lița neagră) în șina inferioară a plăcii experimentale.

Fig. 18: a) Clemă baterie și b) conexiune pe placa experimentală. 1.15 Fire de conexiuni Setul educativ conține un fir de conexiune. Acesta trebuie să fie dezizolat la capete pe o lungime de cca. 8 mm, iar apoi poate fi introdus direct în contactele plăcii experimentale. Dacă tăiați oblic capetele firelor de conexiune cu ajutorul unui clește, atunci ele vor intra mai ușor în contactele plăcii experimentale.


Firul de conexiune poate fi tăiat la lungimi diferite, iar capetele trebuie dezizolate. Folosind aceste fire de conexiune puteți conecta între ele șinele de contact ale plăcii experimentale, de ex. pentru a realiza conexiunile componentelor electronice. După ce ați realizat un jumper acesta poate fi folosit de mai multe ori.

Fig. 19: Opțiune de utilizare a firului de conexiune. 1.16 Tablou general conexiuni

Componentă Bucată Tip Detalii

Ultrasunete, emițător 1 40 kHz

Ultrasunete, receptor 1 40 kHz

Placă experimentală 1 SYB-46

IC 1 NE 555

Tranzistor 3 BC 547

Rezistențe 10 Carbon 1 K, 2,2 K, 10 K, 47 K, 100 K, 560 K

Potențiometre reglare 2 470 kΩ, 25 kΩ

Condensatori 7 Ceramică 220 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF

Condensatori electrolitici 1 16 V 1.000 μF

Condensatori electrolitici 1 16 V 100 μF

Clemă baterie 1 9 V

Pini 2

Reglete de conexiuni 2 2 pini, 1,5 mm2

Diode Schottky 2 BAT 42

Led 2 5 mm roșu, verde

Traductor electroacustic Piezo 1 Piezo

Fir 0,5 m 0,6 mm

2. Aplicații ultrasunete Experimentele cu ultrasunete descrise și explicate în acest manual vor prilejui întâlnirea cu numeroase fenomene din lumea undelor sonore – în special a ultrasunetelor.

Vă rugăm să țineți cont de faptul că undele sonore reprezintă o sursă enormă de energie, ce poate fi folosită atât în scopuri utile, cât și distructive. De aceea dacă experimentele sunt realizate fără a fi înțelese în prealabil se pot produce daune umane, dar și asupra mediului înconjurător. Experiența acumulată în timpul experimentelor, precum și cunoștințele de bază reprezintă o premisă de bază pentru alte aplicații practice în domeniul ultrasunetelor.

3. Conectarea și funcționarea senzorilor Conectați electric senzorii pentru ultrasunete la o parte a regletei de conexiuni; conexiunea cu cealaltă parte se face prin contactele plăcii experimentale introducând firele în regleta de conexiuni. Montați senzorii ultrasunete în așa fel încât între carcasa senzorului și regleta de conexiuni să existe o distanță de câțiva milimetri. În caz de contact direct al carcasei senzorului ultrasunete cu regleta de conexiuni se pot transfera vibrații mecanice, ceea ce poate duce la falsificarea rezultatelor experimentelor.

Pentru atenuarea suplimentară a transferului vibrațiilor mecanice fixați senzorii pe placa experimentală folosind material spumant sau cauciuc ori fixați baza de suport în așa fel încât să se transfere cât mai puține vibrații mecanice de la masă și placa experimentală spre senzori. Pentru experimentele descrise începând cu cap. 9 introduceți senzorii pe placă în modul arătat mai jos.


Fig. 20: Senzor ultrasunete conectat la placa experimentală prin clemă cu șurub.

Fig. 21: Senzorul ultrasunete se sprijină pe o bază din material spumant.

Observație Experimentele sunt structurate în așa fel încât fiecare dintre ele să reprezinte o etapă. De aceea pentru un nou experiment nu va trebui să demontați de fiecare dată toate componentele de pe placă, ci veți putea extinde experimentul anterior adăugând, demontând sau înlocuind diverse componente.

4. Unde perceptibile și neperceptibile Componente: placă experimentală, clemă baterie și baterie, 2 tranzistori BC 547, 2 condensatori C2 și C3, fiecare de 220 pF, 1 condensator 1 nF, 2 rezistențe R1 și R2, fiecare de 10K, 2 rezistențe R3 și R4, fiecare de 560K, alternativ fiecare de 100K, 1 rezistență R5 de 47K, potențiometru P1 470K, traductor Piezo, condensator electrolitic 100 µF, led roșu.

Fig. 22: Multivibrator variabil; a) schema de conexiuni, b) placa experimentală plantată c) detaliu placă experimentală.


Vom începe cu o modalitate simplă de generare a undelor acustice, prima dată în domeniul perceptibil, iar apoi vom înainta încet-încet spre domeniul ultrasunetelor, până când undele sonore nu vor mai putea fi percepute. Tabelul de mai jos include valorile componentelor și frecvențele corespunzătoare.

Pas Valoare C2 și C3 Valoare R3 și R4 Frecvențe în Hz, P1

1 220 pF (221) 560 kΩ 2.500 – 7.500

2 220 pF (221) 100 kΩ 8.500 – 25.000

Domeniul de frecvențe indicat în ultima coloană poate fi setat cu potențiometrul P1.

5. Fenomene acustice Componente și montare: la fel ca mai înainte.

Undele sonore au caracteristici cu totul diferite de undele magnetice (de ex. undele radio). Undele sonore au nevoie de un mediu, de ex. gaz, aer sau lichid, pentru a se propaga în acesta la viteze diferite, în timp ce undele magnetice se pot propaga chiar și într-un spațiu lipsit de aer.

Dacă se generează un sunet, de ex. prin lovirea unei tobe, atunci aerul din spatele tobei este comprimat (crește presiunea). Unda se propagă de la presiunea mare a aerului spre presiunea mai mică a aerului în toate direcțiile. Viteza de propagare în aer este de 343 m/s (1.235 km/h). Presiunea unei unde sonore poate fi uneori percepută și la nivelul corpului – în special în cazul sunetelor foarte puternice (presiune acustică foarte mare).

Experimente cu emițător de semnale Piezo și boxe Vom utiliza circuitul cu multivibrator din capitolul anterior (pasul 4), într-o variantă ușor modificată. În acest sens vom înlocui condensatorii C2, C3, fiecare de 1 nF și C4 (în loc de 1 nF acum cu 10 nF). Astfel multivibratorul va oscila într-un domeniu de frecvențe mai joase de 1000 – 6000 Hz, cu P1 reglabil (în funcție de starea bateriei).

Traductoarele electroacustice Piezo au o frecvență de rezonanță ce permite emiterea unei cantități mari de energie, fenomen perceput prin volumul sonor mare. Frecvența este cu atât mai joasă cu cât cristalul Piezo și plăcuțele metalice pe care a fost lipit cristalul Piezo sunt mai mari. Fenomene similare se produc și în cazul altor obiecte oscilatorii. Plăcuțele metalice lungi ale unei muzicuțe generează sunete joase, iar cele scurte sunete înalte. Dacă se scurtează o coardă de vioară sau chitară atunci sunetul generat va fi mai înalt.

Circuit experiment

Valoare C2 și C3 C4 Valoare R3 și R4 Frecvența în Hz

1 nF (102) 10 nF (103) 560 kΩ 1.000 – 4.500

Apăsați traductorul electroacustic Piezo la baza unui pahar de iaurt gol sau pe o masă și setați simultan frecvența de rezonanță a traductorului Piezo prin modificarea înălțimii sunetelor și setarea volumului sonor maxim. Frecvența de rezonanță a componentei Piezo este diferită în funcție de procedeul de fabricare, dar se înscrie în intervalul 1500 – 4000 Hz.

Fig. 23: Schema de conexiuni cu condensatorii modificați C2, C3 și C4 (cu oval).

Fig. 24: Apăsați traductorul electroacustic Piezo la baza unui pahar de iaurt gol sau fixați-l cu benzi adezive.


Observații Inițial veți percepe numai un sunet slab. Atunci când traductorul Piezo intră în contact direct cu baza paharului de iaurt, semnalul va fi amplificat considerabil. Dacă orientați orificiul paharului de iaurt în direcția urechilor sunetul va fi și mai puternic.

Explicații Suprafața oscilatorie a traductorului Piezo este foarte mică și de aceea nu se va putea emite decât un semnal acustic foarte slab. Paharul de iaurt joacă rolul unui corp de rezonanță similar celui al unui instrument muzical. Astfel, crește suprafața oscilatorie și de aceea crește și volumul sonor. Dacă orificiul este orientat în direcția urechilor sunetul este amplificat din cauza poziției paharului de iaurt.

Undele sonore se produc datorită componentelor capabile de oscilații din mediu și datorită fenomenului de cuplare între aceste componente. Undele sonore se pot propaga în gaze, lichide și corpuri solide. Viteza undei sonore se modifică în funcție de mediul în care se propagă. Astfel, viteza este de patru ori mai mare în apă decât în aer. Undele din aer, gaze și lichide se numesc unde longitudinale. Aceste unde se propagă în direcția transmisă (direcția de progresie).

În corpurile solide undele sonore se numesc unde transversale. Ele se propagă în lateral față de direcția de progresie. În cazul lichidelor undele transversale se propagă numai la suprafață, iar undele longitudinale numai dedesubt. Viteza de propagare a undei sonore depinde de mediul în care se propagă. Astfel unda sonoră se propagă în apă cu o viteză de cca. 1500 m/s, adică mult mai repede decât în aer (343 m/s). Viteza de propagare în apă depinde de caracteristicile lichidului, ca de ex. conținutul de sare, temperatura și presiunea atmosferică. În adâncul oceanelor undele sonore se propagă pe distanțe foarte mari. În vid nu este posibilă propagarea undelor sonore. De aceea în spațiu tăcerea este absolută.

Unda sonoră este măsurată în funcție de frecvența sa. În domeniul undelor perceptibile sunetele joase au o frecvență mai mică decât sunetele înalte.

Frecvențele undelor sonore sunt împărțite în trei categorii: 1. Undele sonore perceptibile pentru urechea umană se află în intervalul 16 Hz – 20000 Hz (valoarea maximă de percepție

pentru urechea umană). 2. Undele infrasonice se află sub valoarea de graniță de 16 Hz și pot fi percepute de oameni prin corp sub formă de vibrații. 3. Ultrasunetele se află peste valoarea de graniță de 20000 Hz și nu pot fi percepute de urechea umană. Aceste unde pot avea

însă efecte asupra organismului uman.

Fizica definește undele sonore folosind noțiunea frecvență. Unitatea de măsură este Hertz. Ea indică numărul de oscilații pe secundă: 1 Hertz indică 1 oscilație pe secundă. Această unitate de măsură a fost aleasă în onoarea fizicianului german Heinrich Rudolf Hertz. Cu cât sunt percepute sunete mai înalte, cu atât mai mare este frecvența/numărul de hertzi. Astfel nota C are o frecvență de 66 Hz.

Fenomene interesante din lumea sunetelor Spre deosebire de undele magnetice, undele sonore au nevoie de un mediu pentru propagare, așa cum am amintit în cap. anterior. Interesant este comportamentul undelor sonore la trecerea de la un mediu la altul, ca de ex. din aer în apă. În acest caz se modifică atât lungimea undelor, cât și viteza de propagare. Dacă la modificarea mediului crește viteza de propagare, trebuie să crească și lungimea undelor. Este cunoscut experimentul din clasele de fizică în care o persoană inhalează un gaz, de ex. heliu, iar apoi rostește câteva cuvinte. Vocea în acest caz va fi foarte subțire, așa-numita voce de Mickey Mouse. Motivul: la ieșirea undelor sonore din cavitatea bucală umplută cu gaz are loc o trecere de la heliu la aer. Din acest motiv se schimbă lungimea și viteza undelor. Odată cu trecerea de la un mediu la altul crește lungimea undelor în aer, iar cuvintele sunt percepute ca și cum ar avea o frecvență mai înaltă.

Experiment Se scufundă un traductor electroacustic Piezo cu frecvența de rezonanță setată într-un pahar cu apă (componentele electronice de pe placă rămân uscate). Scufundarea de scurtă durată a traductorului nu-i dăunează acestuia deloc, dacă după aceea este uscat imediat. Nu atingeți direct vasul și traductorul Piezo (transferul vibrațiilor mecanice).

Fig. 25: Experiment privind propagarea undelor în apă.


Observații Sunetele înalte devin mai joase, așa cum se poate auzi în afara apei. Dacă nu se aude nimic trebuie să modificați pe potențiometru înălțimea sunetelor. Sunetele se propagă în apă, iar frecvența se modifică într-un alt mediu.

6. Îndepărtarea țânțarilor Componente: placă experimentală, clemă baterie și baterie, 2 tranzistori BC 547, 2 condensatori C2 și C3, fiecare de 220 pF, 1 condensator 1 nF, 2 rezistențe R1 și R2, fiecare de 2,2K, 2 rezistențe R3 și R4, fiecare de 560K, traductor Piezo, condensator electrolitic 100 µF, led roșu. Folosind multivibratorul descris în pasul 4 și 5 veți putea realiza un dispozitiv de izgonire cu ultrasunete a țânțarilor realizând numai câteva modificări minore. Ce susține teza: țânțarii de gen feminin evită frecvențele sonore care corespund zgomotelor făcute în zbor de țânțarii de gen masculin, căci după prima copulație țânțarii femelă o iau la fugă din fața țânțarilor mascul. De aceea cu un circuit care emite frecvența sonoră a zgomotelor produse în zbor de țânțarii mascul, și care se înscriu în intervalul de cca. 10 – 16 kHz, s-ar putea obține liniște din partea țânțarilor femelă. Pentru a descoperi dacă teza stă sau nu în picioare merită să construim un asemenea circuit. Sunetul generat poate fi perceput de urechea umană dacă generatorul de semnal Piezo este ținut în apropierea urechii. Înălțimea frecvenței depinde și de tensiunea/starea bateriei. Dacă bateria este descărcată/uzată frecvența este mai joasă, iar dacă bateria este încărcată/nouă frecvența este mai înaltă. Ledul roșu indică funcționarea circuitului.

Fig. 26: a) Structura plăcii experimentale b) schema de conexiuni a dispozitivului de izgonire al țânțarilor cu o frecvență de cca. 13000 Hz.

Fig. 27: Măsurarea: dispozitivul de izgonire al țânțarilor cu ultrasunete, multimetru cu domeniul de măsurători în Hz.


7. Emițător ultrasunete Circuitul integrat (IC) NE 555 permite realizarea unui emițător ultrasunete puternic doar prin adăugarea câtorva componente. Plantați componentele cu multă grijă pe placa experimentală.

Plantarea componentelor Componente: placă experimentală, clemă baterie 9 V, emițător senzor ultrasunete, IC NE 555, potențiometru 25K, rezistență 1K, condensator 1 nF, led portocaliu, condensator electrolitic 100 µF. Dacă introduceți IC în placa experimentală aveți mare grijă la poziționarea corectă a conexiunilor, care sunt marcate prin adâncitura semirotundă din carcasă. Pinii pot fi apoi legați așa cum se vede în schema de conexiuni.

Fig. 28: Schema de conexiuni emițător ultrasunete în domeniul 28 – 240 kHz; comutatorul tastă care apare în schema de conexiuni poate fi reprezentat ca jumper.

Potențiometrul P1 setează frecvența ultrasunetelor în domeniul 28 – 240 kHz. Pentru a nu se produce un scurtcircuit la nivelul intrărilor timerului, atunci când potențiometrul este setat la 0 Ω, trebuie să conectați o rezistență 1 kΩ (R1) în serie cu potențiometrul.

Fig. 29: a) Circuit pe placa experimentală b) detaliu al circuitului fotografiat din cealaltă parte.

Dacă aveți la dispoziție un multimetru cu domeniul măsurători „Hz” puteți seta frecvența indicată, iar apoi o puteți măsura și citi în paralel cu emițătorul senzor ultrasunete.


Fig. 30: a) Circuitul; b) schema de conexiuni; măsurarea frecvenței cu un multimetru, conexiune în paralel cu senzorul ultrasunete.

8. Rezonanța și frecvența de rezonanță Emițătorul ultrasunete folosit în experimentul anterior poate genera o frecvență ultrasunete de 28 – 240 kHz, ce poate fi apoi emisă în mediul înconjurător cu ajutorul senzorului. Simultan există și aici așa-numita frecvență de rezonanță, la care senzorul funcționează optim, adică poate emite energia maximă. Această frecvență de rezonanță trebuie măsurată și setată.

Pentru setarea frecvenței de rezonanță există următoarele opțiuni:

A) Multimetru cu domeniul de măsurători mA, curent continuu în cablul de alimentare al bateriei pentru generatorul ultrasunete, aici fără led.

Fig. 31: Compensare cu multimetrul; domeniul de măsurători pentru curent continuu a) setup măsurători b) schema de conexiuni.

B) Cu ledul roșu și verde conectate în serie cu cablul bateriei drept indicator flux de curent; la setarea frecvenței de rezonanță

optime ledurile luminează la maxim, căci atunci prin ambele leduri trece cel mai mare curent.

Fig. 32: Compensare cu ledul roșu și verde.

Observație Cu două seturi educative veți putea construi un emițător ultrasunete și un detector ultrasunete pentru a extinde și mai mult experimentele.


9. Detector ultrasunete Un detector de ultrasunete vă permite să afișați prezența ultrasunetelor. Pentru a putea fi afișate chiar și semnalele mai slabe este necesar să amplificați electronic ultrasunetele captate de către senzor. În următorul experiment veți putea realiza câteva studii practice.

Componente: placă experimentală, clemă 9 V, baterie, receptor senzor ultrasunete (US1), 3 tranzistori BC 247, 1 rezistență 47K, 1 rezistență 2,2K, 2 rezistențe 560K, 1 rezistență 10K, 1 rezistență 100K, 1 rezistență 1K, 1 potențiometru 470K, 2 diode Schottky BAT 42, 2 condensatoare 10 nF (paralel), 1 condensator 220 pF, 1 condensator electrolitic 1000 µF, 1 led roșu, 1 led verde.

Acest circuit este un circuit de bază pentru mai multe experimente și de aceea trebuie montat cu mare grijă. În experimentele care urmează circuitul de bază va fi modificat și extins prin schimbarea și inserarea altor componente.

Descrierea circuitului Circuitul de bază este alcătuit dintr-un receptor ultrasunete cu senzorul US1 și un amplificator în două trepte, de înaltă sensibilitate, care conține componentele înșiruite mai sus. Semnalele preluate de senzorul US1 la frecvența de rezonanță a senzorului ultrasunete sunt amplificate de către amplificatorul pe două nivele. Acest semnal de curent alternativ ajunge la tranzistorul T3 prin dublorul de tensiune, compus din C3, C4 și D4, D5; iar apoi tranzistorul activează dioda luminoasă. Sensibilitatea de conectare a celui de-al treilea tranzistor poate fi setată cu ajutorul trimmerului (P2).

Fig. 33: Schema de conexiuni a detectorului ultrasunete.

Fig. 34: Circuitul plantat pe placa experimentală.

Fig. 35: Detaliu circuit fotografiat din cealaltă parte, C2 compus din 2 x 10 nF legat în paralel.

Fig. 36: Detaliu circuit spre C2 și componentele din jurul tranzistorului T2.


Detectorul ultrasunete poate fi testat folosind diverse surse de ultrasunete, ca de ex. prin scuturarea unei legături de chei , prezența unui aparat cu ultrasunete sau cu ajutorul unui PC. Ultrasunetele emise de un computer pot fi generate și utilizate cu un software open-source. În plus online există generatoare de sunete și totodată pe internet veți găsi nenumărate teste de audiție, inclusiv pentru frecvența ultrasunetelor. Toate acestea reprezintă opțiuni de testare a detectorului de ultrasunete. Dacă aveți la dispoziție un al doilea set educativ „Ultrasunetele” există posibilitatea de a folosi emițătorul ultrasunete drept sursă de ultrasunete, pentru a realiza astfel experimente mai complicate.

Fig. 37: Testarea detectorului de ultrasunete cu ajutorul unui computer. Se poate folosi de ex. software-ul anti-moskito sau programe pentru generatoare de sunet, care pot fi procurate de pe internet drept shareware (sau cu licență).

Detectorul electronic de ultrasunete este atât de sensibil încât puteți realiza experimente chiar și la distanțe foarte mari față de sursa de ultrasunete. Recomandăm însă să începeți experimentul cu o distanță mai mică.

Observație Pentru situația în care circuitul dvs. nu are valori foarte bune recomandăm să verificați structura circuitului. Câte componente sunt indicate în schema de conexiuni și câte componente se află plantate pe placa experimentală? Cel mai util este dacă sortați componentele individuale: rezistențe, condensatori, tranzistori, diode etc. Condensatorul C2 este indicat pe schema de conexiuni cu valoarea de 20 nF. În acest caz s-au folosit doi condensatori, fiecare de 10 nF, care au fost introduși în același contact. Sunt diodele introduse corect? Recomandăm să analizați circuitul cu mare atenție, căci acest circuit reprezintă formula de bază pentru restul circuitelor din manual (de ex. ecolocație).

10. Circuitul de bază pentru ecolocație Ecolocația este un principiu care a fost descoperit prin observarea și studierea liliecilor, pentru a fi apoi folosit în diverse aplicații tehnice. La fel ca și la sonar (navigație) și în acest caz ultrasunetele sunt emise, iar undele reflectate de obstacole sunt ulterior evaluate. Folosind timpul și unghiul de reflexie se pot determina distanța, dimensiunile obstacolului, tipul de mișcare etc. Determinarea direcției de la care provine ecoul se poate realiza de ex. folosind mai mulți senzori de recepție, dar și senzori de mișcare.

Circuitul electronic construit în acest capitol pentru ecolocație a fost folosit în variante modificate în mai multe experimente. Circuitul funcționează în principiu la fel ca un amplificator audio, al cărui difuzor oscilează necontrolat din cauza unui microfon adus în apropiere (se redă un semnal feedback), oscilații care sunt preluate de către microfon, amplificate de amplificator și redate de difuzor. Spre deosebire de imaginea prezentată a amplificatorului cu microfon și difuzor, în acest circuit pentru microfon și difuzor se folosesc senzorii ultrasunete speciali incluși în setul educativ.

Componente: placă experimentală, clemă 9 V, baterie, receptor senzor ultrasunete (US1), emițător senzor ultrasunete (US2), 3 tranzistori BC 247, 1 rezistență 47K, 1 rezistență 2,2K, 2 rezistențe 560K, 1 rezistență 1K, 1 rezistență 10K, 1 rezistență 100K, 1 potențiometru 25K, 1 potențiometru 470K, 2 diode Schottky BAT 42, 2 condensatoare 10 nF, 1 condensator 220 pF, 1 condensator electrolitic 100 µF, 1 led roșu, 1 led verde.

Funcționarea circuitului Circuitul este compus dintr-un receptor ultrasunete cu senzorul US1 și un amplificator pe două nivele ce conține componentele enumerate mai sus. Semnalele preluate de către senzorul US1, la frecvența de rezonanță a senzorului ultrasunete, sunt amplificate de către amplificatorul pe două nivele. Apoi ele ajung la senzorul US2, care redă ultrasunetele recepționate și amplificate. Dacă cei doi senzori se află față în față sau ultrasunetele emise sunt reflectate de către un obiect spre senzorul receptor US1, atunci are loc o reacție feedback cu un semnal de curent alternativ. Acest semnal ajunge la tranzistorul T3 prin dublorul de tensiune, compus din C3, C4 și D4, D5; tranzistorul duce apoi la activarea diodei luminoase. Potențiometrul P2 servește pentru setarea valorii de prag pentru conectarea ledului, iar P1 (25K) pentru setarea sensibilității circuitului/senzorului ultrasunete.


Fig. 38: Schema de conexiuni pentru circuitul de bază.

Fig. 39: Circuitul cu ambii senzori ultrasunete; jos este receptorul, sus emițătorul.

Componentele trebuie plantate cu multă grijă pe placă, căci se află foarte aproape una de alta. În anumite locuri de pe placă este nevoie să împingeți cele două fire subțiri ale componentelor în același contact. Aceasta nu este o problemă, ba chiar optimizează contactul firelor subțiri ale componentelor cu placa.

Fig. 40: Detaliu placa experimentală; câte două fire de conexiuni (C2) într-un contact al plăcii (vezi săgeata).

În continuare este important să orientați cei doi senzori ultrasunete la marginea din stânga a plăcii experimentale (conform imaginii), astfel încât să indice paralel în aceeași direcție, atenție: carcasa acestora nu trebuie să atingă direct placa.

Fig. 41: Poziția senzorilor ultrasunete.

11. Ecolocație cu afișare optică După realizarea circuitului pe placă și conectarea bateriei 9 V la clema bateriei ar trebui să se aprindă ledul verde. Acum urmează să compensați circuitul electronic.

Orientarea senzorilor Ambii senzori ultrasunete trebuie orientați în așa fel încât în zona de emisie (2 – 3 m) să nu existe obiecte/suprafețe reflectorizante.

Compensarea circuitului Rotiți potențiometrul P1 (în stânga în imagine) spre dreapta până la maxim. Setați P2 (în dreapta în imagine) în așa fel încât ledul roșu să se aprindă, iar apoi rotiți un pic înapoi, până ce ledul roșu se stinge din nou (dacă domeniul de setare al P2 nu este suficient, rotiți eventual P1 un pic spre stânga).


Acum puteți seta sensibilitatea circuitului cu P1, plasând un obiect la o distanță de 50 cm față de senzorii ultrasunete și rotiți P1 până când ledul se aprinde. Apoi înlăturați acel obiect, iar ledul ar trebui să se stingă.

Fig. 42: Operația de compensare; setarea potențiometrului P1 (25K) în stânga în imagine la senzorii ultrasunete și P2 (470K) în dreapta în imagine.

12. Reflexia ultrasunetelor Foarte interesante sunt experimentele privind comportamentul la reflexie al undelor sonore. Dacă undele sonore emise în linie dreaptă ating un perete are loc fenomenul de reflexie. În acest caz unghiul de incidență este același cu unghiul de reflecție (la fel ca la lumina care ajunge pe o oglindă). Acest fenomen poate fi studiat folosind unde sonore, și mai ales ultrasunete.

Fig. 43: Ultrasunetele ajung pe un perete și sunt reflectate în funcție de unghiul de incidență, la fel ca și lumina – în acest experiment s-a folosit o lanternă și o oglindă.

Circuitul experimentului Placa experimentală cu circuitul de bază, dotarea suplimentară a senzorilor ultrasunete cu două tuburi pentru direcționare compuse din hârtie strălucitoare (foto) la dimensiuni stabilite conform imaginilor de mai jos. Din acestea se formează suluri de hârtie. Dimensiunile indicate trebuie să fie transferate pe hârtia foto, apoi se taie sulurile, după care se lipesc cu adeziv.

Fig. 44: Dimensiunea sulurilor de hârtie

Lipirea cu adeziv lichid se face foarte bine dacă lipiciul se aplică prima dată pe o parte a suprafeței de lipit. Apoi deasupra se aplică suprafața care trebuie lipită. Apoi lipiciul se lasă la uscat pe ambele suprafețe și se apasă cele două suprafețe pentru a se lipi între ele. Aveți grijă ca în senzor să nu pătrundă lipici!


Fig. 45: Tuburile de direcționare a) tăiate și rotunjite b) se înfășoară în jurul unui știft, iar apoi se lipesc.

Tubul de direcționare trebuie să se afle foarte aproape de senzorul pentru ultrasunete, în așa fel încât ultrasunetele să nu poată ieși sau intra prin spate printr-un loc neizolat.

După introducerea tuburilor de direcționare pe senzori se pot realiza diverse experimente folosind emițătorul și receptorul. La fel ca și în cazul luminii care ajunge la o oglindă, ultrasunetele sunt cel mai bine reflectate de către suprafețele netede. Experimentele pentru studierea reflexiei pot fi realizate cu suprafețe precum sticla unei ferestre, suprafața unei ape, piatră șlefuită etc.

Recomandăm ca prima dată să setați sensibilitatea pentru o anumită distanță și mediu de reflexie, iar apoi să poziționați circuitul în fața diferitelor obiecte/suprafețe reflectorizante.

Fig. 46: Tuburile pentru direcționare montate pe circuitul de bază și experimentele cu diferite medii de reflexie; în exemplu carton ondulat și un CD.


Observație Pentru restul experimentelor recomandăm să fixați bateria cu adeziv pe spatele plăcii experimentale, astfel încât să aveți mâinile libere.

Fig. 47: Bateria cu adeziv fixată pe spatele plăcii.

13. Absorbția ultrasunetelor Ultrasunetele sunt absorbite de către suprafețele dure și pereții crăpați. Barierele acustice folosesc efectul absorbției undelor sonore, de ex. pentru a ține la distanță zgomotul străzii.

Principiul absorbției undelor sonore În absorbția undelor sonore energia acustică se convertește în căldură prin frecare. Materialul care absoarbe undele sonore este pus în mișcare. Absorbția undelor sonore este realizată de către materialele poroase sau fibroase cu un grad mare de absorbție, ca de ex. materiale textile (covoare), lână de oaie, lână minerală, poliester, material spumant cu pori deschiși.

Experimentele privind absorbția ultrasunetelor pot fi realizate folosind circuitul din capitolul anterior. Cum arată experimentul: setați sensibilitatea pentru o distanță definită și un mediu de reflexie bun (de ex. disc de sticlă) și apoi poziționați circuitul în fața a diverse suprafețe absorbante (de ex. hârtie dură, material textil, covor, material spumant, piatră crăpată, lemn dur etc.). Care sunt materialele care reflectă și care absorb undele sonore?

Fig. 48: Experiment cu materiale absorbante, ca de ex. o bucată de material textil.

14. Sisteme de semnalizare a distanței Păstrarea distanței de siguranță, în special în traficul rutier, vă poate feri de neplăceri – de ex. distanța de siguranță față de un copil care se joacă, un automobil care rulează în fața sau în spatele dvs.

Din acest motiv foarte multe automobile au integrați senzori care informează șoferul privitor la distanța dintre mașină și obiectele din jur. În varianta cea mai simplă este vorba despre un semnal de avertizare care este emis atunci când se iese din intervalul setat pentru distanța de siguranță; variantele mai complexe afișează valorile măsurate pentru distanță.

Sistemele de asistență parcare simple și ieftine folosesc doi sau patru senzori pentru ultrasunete. Atunci când se parchează mașina obstacolele sunt măsurate folosind senzorii ultrasunete, iar informațiile privind distanța până la obstacole sunt indicate folosind semnale acustice și optice. Astfel de ex. semnalul acustic se modifică în raport cu distanța până la un obstacol, pentru ca în zona de pericol sunetul să fie redat continuu. Sistemul poate fi conectat în așa fel încât să poată fi activat imediat după folosirea marșarierului.

Fig. 49: Semnalizarea distanței în parcare.


15. Semnalizarea distanței cu afișare optică Folosind circuitul de bază descris la cap. 10 puteți studia concret un sistem de semnalizare distanță cu afișare optică. În acest sens amplasați pe masa pentru experimente câteva obiecte ca de ex. o ceașcă de cafea, o cutie mică și o carte, iar apoi „circulați” de jur-împrejur cu placa experimentală pe care se află componentele electronice și senzorii ultrasunete. Cel mai bine este dacă faceți acest lucru cu o machetă auto. Bateria este fixată în partea posterioară a plăcii experimentale, iar în cazul acestui experiment ea poate servi și drept corp de alunecare (înlocuitor de roți dacă nu aveți la dispoziție o machetă auto).

Înainte de a începe „să circulați” trebuie să setați distanța de la care se va afișa atenționarea. De ex. poziționați placa experimentală la o distanță de 15 cm de o carte. Apoi setați circuitul cu P1 (rotiți spre stânga), în așa fel încât ledul roșu să se stingă. Dacă senzorii se apropie de un obiect ledul trebuie să se aprindă și apoi să apară atenționarea privind distanța.

Fig. 50: Ecran cu led; a) circuitul de bază pe placa experimentală, b) experiment practic cu o machetă camion și suluri de carton.

Alte experimente practice Ceea ce contează în afișarea atenționării este rezoluția, adică care sunt obiectele ce pot fi măsurate de către sistem. Este posibil ca senzorii să detecteze un marker gros, un creion subțire, un cui sau mânerul unei șurubelnițe?

Fig. 51: Experimente cu obiecte diferite, ca de ex. mânerul subțire al unei șurubelnițe.

16. Alarmă ultrasunete Spre deosebire de alarmele optice (barieră luminoasă) o alarmă cu ultrasunete oferă mai multe avantaje. În acest caz puteți de ex. așeza emițătorul și receptorul în aceeași poziție fără a folosi o oglindă. Dacă în zona „acoperită” de ultrasunete se mișcă obiecte (oameni și animale) se modifică semnalul care ajunge la receptor. Acest semnal poate fi legat la un sistem simplu de


semnalizare – de ex. un led -, sau poate fi evaluat în așa fel încât să poată fi identificate tipul, dimensiunile și viteza obiectului. De ex., componentele electronice echipate cu senzori ultrasunete pot indica dacă obiectul perceput este un animal sau o persoană.

Fig. 52: Principiul unei alarme cu ultrasunete cu „covorul de activare”.

Alarmele cu ultrasunete sunt folosite în special pentru siguranța în spațiul interior al unei mașini. În acest fel se dorește împiedicarea pătrunderii unui spărgător în automobil. Ieșirea alarmei poate controla de ex. claxonul mașinii, o sirenă sau chiar un semnal de alarmă trimis prin SMS spre un telefon mobil. În principiu un asemenea echipament funcționează la fel ca și circuitul prezentat în figura 38.

Circuitul de bază este amplasat într-o încăpere pentru realizarea experimentului. Senzorii trebuie să fie amplasați în așa fel încât orificiile să fie orientate în paralel în aceeași direcție și să indice spre direcția în care la o distanță de cca. 3 m nu se mai află obiecte în cameră.

După aceea realizați setarea cu P1 în așa fel încât ledul roșu să se stingă (prima dată rotiți complet spre dreapta, iar apoi puțin spre stânga). Acum se pot face mișcări la diferite distanțe față de senzori și se poate urmări comportamentul ledului roșu. Pentru a înțelege fenomenul cât mai bine, experimentul poate fi realizat în întuneric. Abia atunci veți putea urmări momentul în care ledul roșu afișează un semnal alarmă.

Fig. 53: Funcționarea alarmei cu senzorii ultrasunete.

17. Convertor ultrasunete Dacă doriți să percepeți ultrasunetele atunci puteți realiza acest lucru numai dacă ultrasunetele sunt convertite pentru a putea fi percepute. Există mai multe posibilități de a converti ultrasunetele pentru a fi percepute de urechea umană. În acest sens este nevoie de un convertor ultrasunete cu un microfon special, sensibil la ultrasunete. Din punct de vedere tehnic aveți la dispoziție mai multe procedee. Un procedeu tehnic simplu folosește tehnica suprapunerii și funcționează conform următorului principiu: componentele electronice generează un sunet de o anumită frecvență care se suprapune peste semnalul unui microfon. În acest fel se formează două sunete noi, rezultatul adunării și scăderii între semnalul microfonului și frecvență. Să presupunem că dorim să putem percepe ultrasunetele emise la frecvența de 40 kHz. Din semnalul de intrare de 40 kHz se extrag 37 kHz astfel încât la ieșire rămâne numai un sunet de 3 kHz. Această frecvență poate fi percepută de urechea umană. În cazul unui semnal de intrare de 45 kHz minus 37 kHz rămân 8 kHz. Simultan vor lua naștere și frecvențe de 77 kHz și de 82 kHz, ce nu pot fi percepute și de aceea nu pot fi transmise mai departe.

Fig. 54: Reprezentarea principiului (schema de conexiuni) unui convertor de ultrasunete cu mixer.


Alte posibilități: metoda countdown (procedeul de divizare al frecvențelor), în care la 10 oscilații percepute numai una este redată (din 80 kHz rezultă 8 kHz). Există și procedee digitale, în care ultrasunetele percepute sunt prelucrate digital în PC pentru a putea fi redate prin placa audio.

18. Principiul detecției ultrasunetelor Folosind componentele setului educativ puteți construi un convertor ultrasunete folosind principiul suprapunerii, pentru ca astfel să realizați diverse experimente.

Componente: placă experimentală, clemă 9 V, baterie, receptor senzor ultrasunete (US1), 1 tranzistor BC 247, 1 rezistență 47K, 1 rezistență 2,2K, 1 rezistență 1K, 1 rezistență 10K, 1 potențiometru 25K, 2 condensatori 1 nF, 1 condensator 10 nF, 1 condensator 220 pF, 1 condensator electrolitic 100 µF, 1 led roșu.

Se construiește un convertor ultrasunete cu NE 555 drept mixer. Circuitul a fost conceput inițial de către Burkhard Kainka, el fiind adecvat pentru primele experimente în convertirea ultrasunetelor cu scopul de a putea fi percepute. Circuitul convertește domeniul de ultrasunete de 37 – 49 kHz în domeniul 100 Hz – 12.000 Hz. Frecvența pentru comutare este setată cu potențiometrul P1. Preamplificatorul pe un nivel nu este însă suficient pentru a mări considerabil sensibilitatea convertorului. De aceea în următorul capitol vom construi un preamplificator pe două nivele care crește semnificativ sensibilitatea convertorului ultrasunete.

Fig. 55: Convertorul ultrasunete (mixer) cu preamplificator pe un nivel; schema de conexiuni.

După realizarea circuitului convertor aveți nevoie și de un amplificator final. Mai multe în capitolul următor.

19. Detector ultrasunete cu sensibilitate mare Circuitul cu mixer construit în capitolul precedent devine mult mai sensibil prin folosirea unui alt nivel de preamplificare.

Componente: placă experimentală, clemă 9 V, baterie, receptor senzor ultrasunete (US1), 2 tranzistoare BC 247, 1 rezistență 47K, 2 rezistențe 2,2K, 1 rezistență 560K, 1 rezistență 1K, 1 rezistență 10K, 1 potențiometru 25K, 2 condensatori 1 nF, 2 condensatori 10 nF, 1 condensator 220 pF, 1 condensator electrolitic 100 µF, 1 led roșu.

Fig. 56: Convertor ultrasunete (mixer) cu preamplificator; a) schema de conexiuni, b) circuit pe placa experimentală, c) detaliu circuit.


După realizarea circuitului convertorului mai aveți nevoie de un amplificator final. În acest sens puteți utiliza de ex. boxele active ale unui player MP3, computer etc. Conectați jackul boxelor active la ieșirea convertorului ultrasunete (vezi fig. 57).

Fig. 57: a) Convertor în conexiune cu boxele active ale unui computer; b) conectarea la jack folosind cleme crocodil.

Conexiunea la jack se poate realiza și cu firul inclus în colet (vezi și imaginile următoare).

20. Universul ultrasunetelor O altă posibilitate: să folosiți un computer, netbook sau notebook drept amplificator. Avantaj: puteți înregistra și reda semnalele ultrasunete convertite. Pentru experimentele de convertire introduceți ștecărul în intrarea in-line a computerului (mufa de pe computer cu simbolul microfon).

Fig. 58: a) Conexiunea convertorului ultrasunete la un netbook, b) detaliu al circuitului și legătura cu jackul.

Metoda de aplicat cu sistemul de operare Windows 7 1. Deschideți Control Panel, apoi clic pe Hardware și Sound.


2. Clic pe Sound, administrare aparate audio. 3. Clic pe Recording. 4. Selectați Microfon, clic pe Properties. 5. Selectați Intercept. 6. Selectați prin bifare „Alegeți acest aparat pentru redare” și apoi clic pe OK.

În tab-ul Level și Amplificare microfon puteți seta sensibilitatea intrării.

Fig. 59: Tab-ul Sound și Properties al microfonului.

În tab-ul Updates și Extended puteți seta alte caracteristici specifice pentru a modifica calitatea sunetului. Volumul sonor de ieșire poate fi reglat de cele mai multe ori cu ajutorul tastaturii (funcție), dar și cu tastele pentru boxe „mai tare” sau „mai încet”.

Fig. 60: a) Tab-ul caracteristici microfon, bifați pe Intercept. b) setați amplificarea microfonului.

Pentru a studia ultrasunetele recomandăm folosirea unei căști, după conectarea convertorului ultrasunete. Pentru a înregistra ultrasunetele cu computerul recomandăm să descărcați de pe internet un program freeware. După ce ați construit circuitul electronic al convertorului ultrasunete și l-ați conectat la un amplificator puteți începe o călătorie de descoperire în universul ultrasunetelor. Pentru un prim test puteți genera ultrasunete folosind o legătură de chei. După ce veți descoperi că peste tot se află surse de ultrasunete, veți putea înțelege de ce animalele devin nervoase de ex. atunci când treceți cu bicicleta pe lângă ele. Exemple de surse de ultrasunete: lanțuri de bicicletă neunse, șuruburi, dioxid de carbon spumos, zgomotele frunzelor în pădure, lilieci, animale rozătoare ca de ex. șobolani. Există și multe alte zgomote greu de identificat de către aparatele tehnice: conductele neetanșe pentru aerul sub presiune, scurgeri din cauciucuri și echipamentele de gaz, aparate de măsură ultrasunete, băi de curățare, alarme cu ultrasunete, aparate pentru izgonirea dăunătorilor etc. De acum înainte un întreg univers al ultrasunetelor așteaptă să fie descoperit de dvs. Conrad și German Electronics vă doresc să aveți parte de momente minunate în descoperirea acestei lumi!

Notificări legale Aceste instrucțiuni de utilizare sunt o publicație a German Electronics SRL (str. Cuza Vodă nr.61/A, Oradea, România) și Conrad Electronic SE (Klaus-Conrad 1, D-92240 Hirschau, Germania). Toate drepturile, inclusiv cele aferente traducerii, sunt rezervate. Reproducerea (inclusiv traducerea) prin orice mijloace, de ex. prin fotocopiere, microfilmare sau prin introducerea în sisteme electronice de procesare a datelor, necesită în prealabil aprobarea scrisă a editorului. Retipărirea, chiar și parțială, este interzisă. Toate denumirile folosite pentru hardware și software, precum și denumirile și logo-urile firmelor incluse în acest manual reprezintă mărci înregistrate. Toate drepturile rezervate. Toate circuitele și programele incluse în acest manual au fost concepute, examinate și testate cu foarte multă grijă. Cu toate acestea nu pot fi excluse erori în manual și în software. Dreptul la despăgubiri în caz de neîndeplinire a clauzelor contractuale este limitat la daunele previzibile, atâta timp cât nu este vorba despre vreo responsabilitate obligatorie conform legii privind calitatea produselor.

Acest produs respectă directivele CE în vigoare, dar numai dacă este utilizat în conformitate cu acest manual. Înmânați acest manual și altor persoane, cărora le puneți la dispoziție produsul.

© 2015 Conrad Electronic SE & German Electronics SRL (ed. lb. română)

set educativ ultrasunetele - german electronics · 2015-09-01 · diodele permit trecerea...

Documents