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Ultraschall-Aufnahmesystem

posted by: fablab
Erstellt: 03 November 2018
Zugriffe: 224

Bewertung: 5 / 5

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Status:
Abgeschlossen
 
Projektkosten:
85 €
 
Kontakt:
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  Team:
K.D.
 
Finanzierung:
FabLab
 
Zeitraum:
ca, 2 Stunden
 
Projektsponsoren:
Fablab Bayreuth e.V.

 

 

 

 

 

Selbstbau eines Aufnahmesystems für Ultraschall-Signale auf Basis eines Parabol-Stereo-Richtmikrofons und einer USB-Soundkarte

 

 

Selbstbau eines Aufnahmesystems für Ultraschall-Signale auf Basis eines Parabol-Stereo-Richtmikrofons und einer USB-Soundkarte

Hardware-Auswahl für die Aufnahme von Fledermaussignalen

Liste der Zukaufteile

Teile

Quelle (November 2018)

Parabol-Mikrofon-Gehäuse mit Schalter und Zielfernrohr (ca .26 €)

Ebay

2 Ultraschall-MEMS-Mikrofone (ca. 9 €)

ELV

AA-Mignon-Batteriehalter (3 V)

Reichelt

Mikrofon Windschutz Schaumstoff

Ebay

24 Bit / 192 kHz USB Soundkarte (ca. 45 €)

Amazon

Litzen, Kabelbinder und Schrumpfschlauch

 

Kosten

  • Die Teile-Kosten liegen bei ca. 85 €

Werkzeug

  • Für die neue interne Verdrahtung im Parabol-Richtmikrofon wird ein Lötkolben und das übliche Elektronik-Werkzeug benötigt (dies ist im Fablab-Bayreuth kostenlos verfügbar)

Zeitaufwand

  • Sobald alle Zukaufteile vorliegen, ist der Zusammenbau sehr einfach: Dauer: ca. 1 h

Prinzip

Mechanische Verstärkung mit einem Parabolspiegel

Die Verwendung eines Parabolspiegels für die Signalverstärkung und ihr Vorteil der Richtwirkung für entfernte Signale ist heute in vielen Bereichen (z. B. Satellitenempfang) Standard.

Gerade bei Aufnahmen in der Natur werden diese Vorteile notwendig, wenn scheue Tiere nur aus einer gewissen Distanz beobachtet werden können.

Die Akustik-Empfangscharakteristik ist nicht allein eine Eigenschaft des Mikrofon-Bauelements, sondern wird mechanisch verbessert. Mit Hilfe der Geometrie eines Parabolspiegels werden die akustischen Signale in einem Brennpunkt, wo das Mikrofon platziert wird, gebündelt.

Der Bau eines Parabolspiegels kann über Berechnungs-Formeln leicht in Excel konstruiert werden.

 Figure 1a    Figure 1b      

Figure 1: Aus Excel konstruierter Parabolspiegel und Selbstbau-Anleitung[1]

In unserem Fall haben wir allerdings eine preiswerte Richtmikrofon-Lösung mit Griff gekauft:

Figure 2

Figure 2: Bild der preiswerten Richtmikrofonlösung

Unsere Excel-Berechnung bestätigt, dass der Parabolspiegel und der Brennpunkt korrekt konstruiert wurden.

Die stark ausgeprägte Richtwirkung eines Parabolspiegels wird durch Simulation sichtbar:

Figure 3

Figure 3: logarithmisches 3D-Antennendiagramm einer Parabolantenne, ermittelt mit einem Simulationsprogramm[2]

Der Antennengewinn eines Hohlspiegelmikrofons lässt sich aktuell nicht quantifizieren. Fest steht jedoch, dass das Bündeln der Schallwellen auf den Brennpunkt mit dem Vergrößern der Fläche des Parabolspiegels ansteigt. Begrenzt wird die Größe vor allem durch die Handhabung, z. B. wenn der Spiegel dem Flug einer Fledermaus nachgeführt werden muss. Weitere technische Details zu Hohlspiegelmikrofonen können im Dokument „2010_Helfer_Hohlspiegelmikrofone_In Genuit, K. (Hrsg.)“ von Dr. Martin Helfer im Kapitel 8.5.2.1 „Funktion und Aufbau von Hohlspiegelmikrofonen“ nachgelesen werden.

Anmerkung zur Klangveränderung durch Parabolspiegel:

„Durch diese relativ höhere Verstärkung der hohen Frequenzen klingen die Aufnahmen, als wäre der Abstand zum Vogel geringer (hohe Frequenzen werden mit der Distanz in einer natürlichen Umgebung schneller geschluckt. Je weiter ein Vogel entfernt, desto lauter sind – relativ gesehen – die tieferen Frequenzen). Die Überbetonung der hohen Frequenzen gibt einem Parabolspiegel sein typisches Klangbild. Bei Aufnahmen aus sehr geringer Distanz kann dies als harsch empfunden werden.“[3]

Ultraschall-Mikrofone

Das Wichtigste für die Aufnahme von Ultraschall ist die Auswahl geeigneter Mikrofone anhand ihrer Empfindlichkeit im Ultraschall-Bereich. Dazu bietet die Fa. Knowles MEMS (Mikro-Elektromechanische Systeme) Mikrofone vom Typ SPU0410LR5H-QB an.

Figure 4

Figure 4: Frequenzgang aus dem Datenblatt zeigt die Empfindlichkeit im Ultraschall-Bereich

Da sich die MEMS Mikrofone schlecht von Hand löten lassen, empfiehlt es sich, die Mikrofone bestückt auf einer kleinen Platine zu kaufen:

https://www.elv.de/Feine-Mikromechanik-MEMS-Mikrofon-MEMS-1/x.aspx/cid_726/detail_61264 Zu beachten ist, dass die Schallöffnung der MEMS-Mikrofone nach unten durch die Platine zeigt und deshalb die Platine zu denen vom Parabolschirm reflektierten Signalen (nach außen) ausgerichtet sein muss.Figure 5a      Figure 5b

Figure 5: Rückseite und Vorderseite der Platine mit dem MEMS-Mikrofon

Auswahl der USB Soundkarte

Eine Soundkarte, die für die Aufnahme von Fledermaus-Signalen geeignet ist, sollte mindestens eine Bandbreite von 80 kHz aufweisen. Damit können dann die Rufsignale der meisten einheimischen Fledermäuse aufgezeichnet werden:

Figure 6

Figure 6: Frequenzbereich und Haupt-Ruffrequenzen einheimischer Fledermausarten[4]

Entsprechend dem Nyquist-Theorem muss die Abtastrate des Aufnahmegeräts mindestens doppelt so hoch wie die höchste Signal-Frequenz sein. Für die Aufzeichnung der meisten Fledermaussignale genügt dann eine Abtastrate von 192 kHz.

Um flexibel mit mobilen Geräten (Smartphones, Tablets etc.) Messungen durchzuführen, wurde eine USB Soundkarte favorisiert. Diese wird von verschiedenen Betriebssystemen vom Standard-Sound-Treiber für „USB 2.0 High-Speed True HD Audio“ unterstützt.

Ausgewählt haben wir die USB-"Soundkarte" AS372N von der Fa. AIM für ca. 50 €. Diese ist auch unter dem Handelsnamen Maplin verfügbar.   Figure 7a  Figure 7b

In unserem Fall haben wir die USB Soundkarte an ein Windows-basiertes Tablet angeschlossen. Ohne einen spezifischen Treiber auswählen zu müssen, wurde diese unter Windows 10 sofort unterstützt.

Figure 8

Lediglich noch in den Sound-Einstellungen ("Eigenschaften von Line") musste die maximale Abtastrate von 192 kHz und die höchste Auflösung von 24 Bit angewählt werden.

Figure 9

Aufbau

Für den Umbau wird das Richtmikrofon mit 6 Schrauben und die Schraube für das Batteriefach geöffnet. Auch der Abschluss-Pilz nahe am Mikrofon wird abgezogen. Das Verstärkungs-Drehrad ist nur aufgesteckt und wird ebenfalls abgezogen. Dann lassen sich die beiden Gehäuse-Halbschalen leicht trennen:

Figure 10

Figure 7: Richtmikrofon mit gelösten Verbindungen

Die Litzen-Anschlüsse zum Schalter im Griff werden weiter genutzt. Alle anderen Anschluss-Leitungen werden mit dem Seitenschneider nahe an der Hauptplatine abgeschnitten.

Figure 11

Figure 11: Die aufgeschraubte Richtmikrofon-Lösung mit Griff vor dem Umbau

Neue Verdrahtung

Die neue Verdrahtung ersetzt die im Richtmikrofon bereits integrierten Komponenten. Nur die Anschlüsse von der Batterie zum Pistolen-Schalter werden im Richtmikrofon belassen. Diese schalten dann direkt die 3V Batteriespannung.

Figure 12

Die neue Spannungsquelle ist ein Halter mit 2 AA-Batterien die dann 3V Versorgungsspannung liefert. Achtung: Bitte unbedingt die kompakte, abgebildete Ausführung wählen, denn nur die passt in das Gehäuse.

Die Belegung der 3,5 mm Klinkenbuchse für den „Line-In“:

Figure 13

Figure 13: L= Links   R=Rechts GND=Masse

Figure 14

Figure 14: Schaltplan

De MEMS-Mikrofone werden an die eingebaute 3,5 mm Klinkenbuchse ohne weitere Signal-Anpassung direkt an die Signale L/R angelötet. Dabei stehen die Mikrofon-Platinen sind mit der bestückten Seite zueinander. Eine isolierte Verbindungsleitung verhindert, dass eine unbeabsichtigte Verbindung entsteht.

Die Verdrahtung und Einbau der Mikrofone im Parabolspiegel-Brennpunkt:

Figure 15a  Figure 15b

Die aufgeschraubte Richtmikrofon-Lösung mit Griff nach dem Umbau

Figure 16

Nach dem Zusammenbau empfiehlt es sich für den Außen-Einsatz einen Windschutz-Schaumstoff über die Mikrofone zu stecken:

Figure 17

Der Windschutz wird mit einer Schere zurechtgeschnitten und erhält eine Öffnung auf beiden Seiten. Ein Kabelbinder fixiert zusätzlich die Ausrichtung und Position der MEMS-Mikrofone.

 Figure 18

Verbindung zur USB Soundkarte

Die MEMS-Mikrofone werden direkt mit 3 V versorgt. Daraus resultiert dann auch der maximale Ausgangspegel. Dieser kann mit einem üblichen 3-adrigen Klinkenstecker-Kabel direkt auf das Line-In-Signal (typ. Pegel von 1 Vss) der USB-Soundkarte geführt werden. Erste Messungen haben bestätigt, dass keine Übersteuerung (Clipping) stattfindet und auch leise Signale können gut aufgenommen werden.

Die Soundkarte kann per Schiebeschalter zwischen USB1.1 und USB2.0 eingestellt werden. Die maximal mögliche Abtastrate von 192 kHz ist aber nur bei USB2.0 verfügbar.

Messaufbau validieren

Die Mikrofon-Signale werden unverändert direkt auf die Klinkenbuchse geführt. Demnach entspricht die Aufnahmequalität dem Datenblatt[5]. Es findet keine zusätzliche Signalbeeinflussung der Mikrofonsignale statt.

Ausblick

Für die aktuelle Messaufgabe für die Erfassung von Ultraschall-Signalen ist die Komponenten-Zusammenstellung gut geeignet. Für die Fledermaus-Beobachtung wäre zusätzlich eine hörbare Auskoppelung der Schall-Signale (Heterodyn-Verfahren[6]) auf einen Kopfhörer wünschenswert. Eine Integration der gesamten USB-Audio-Lösung in das Gehäuse des Parabolspiegels würde außerdem die Gesamtlösung verbessern. Als einzige Verbindung zu dem portablen Aufnahmegerät (z. B. Smartphone) bliebe dann nur ein Standard USB-Verbindungskabel übrig.

Rückmeldung

Sollte jemand weitere Vorschläge für die Verbesserung meines Aufnahme-Systems für Ultraschall-Signale haben, dann bitte ich um Kontaktaufnahme per email: mailto:Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

 

[1] https://avesrares.wordpress.com/2016/04/15/diy-parabol/

[2] http://www.radartutorial.eu/06.antennas/Parabolantenne.de.html

[3] https://avesrares.wordpress.com/2016/04/15/diy-parabol/

[4] http://www.fledermausschutz.ch/Schule/Frequenzen.html

[5] https://www.knowles.com/docs/default-source/model-downloads/spu0410lr5h-qb-revh.pdf

[6] https://www.ecoobs.de/cnt-vergleich-hardware.html

 
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