For at komme i gang med at optage undervandslyd, skal man have:
- en mikrofon, der kan tåle vand (hydrofon),
- en optager
- evt. en forforstærker.
Her har vi beskrevet det udstyr, vi selv bruger.
”Vikingeforklaringer”
Vikingerne byggede deres skibe på erfaringer. De kunne ikke beregne opdrift, styrker og belastninger osv. Alligevel kunne de bygge nogle af de mest søstærke fartøjer verden nogensinde havde set på deres tid, som satte dem i stand til at krydse oceanet.
Vores forhold til elektronik er nogenlunde det samme: Vi har måske ikke den helt rigtige forståelse af teorien, men hvis vores forståelse er god nok til at lave de dimser, vi skal bruge til optage lyde nede i vandskaberne, så lever vi med vores uvidenhed.
De forklaringer vi giver her er ”vikingeforklaringer”, men dimserne virker og vores råd bygger på erfaring.
Hydrofonen
På nettet kan der findes en masse forskellige bud på, hvordan man laver en hydrofon. Nogle forslag er bedre end andre og mange af dem kunne man godt tænke sig at se afprøvet i virkeligheden. Vi har prøvet lidt af hvert fra kondensatormikrofoner i en ballon, over mikrofoner i olie og tomatdåser med piezoelement i bunden. Den sidste model endte med at være vores fortrukne valg.
I praksis skal man tænke på, at hydrofonen skal kunne holde til at blive transporteret og at den skal kunne bruges på en båd, hvor man ikke kan stå og fedte med cykelpumper, balloner, salatolie og andre fantasifulde løsninger, der ser godt ud på en video fra det hyggelige lille hjemmeværksted, men bliver for bøvlet på et skib, hvor gulvet gynger og pladsen er begrænset.
Piezo-element
Efter megen søgen rundt på nettet og et par uheldige forsøg, er vi endt med at lave vores egne hydrofoner, baseret på de såkaldte piezoelementer. De fleste kender legetøj, brødristere mm, der siger BIP-lyde eller fødselsdagskort, der kan spille Happy Birthday. Fælles for dem er, at lyden kommer fra en lille messingplade, som giver lyd fra sig, når der sættes strøm til dem. På messingpladen sidder en skive med krystaller, der vibrerer, når det tilsættes en spænding.
Hvis krystal-materialet trykkes eller rystes sker det modsatte: I stedet for at give lyd fra sig, producerer det en spænding. Det princip kan man bruge til at lave en kontaktmikrofon, der omsætter lydbølgerne til bevægelse i messingpladen og dermed også i krystalskiven, der omsætter bevægelserne til en spænding.
Luffe-hydrofonen
Vores hjemmelavede hydrofoner går under navnet ”Luffe” og findes i 2 versioner. Luffe-2 er bygget på bunden fra en tomatdåse, mens Luffe-P er blevet til ovenpå bunden fra en Pringles-dåse (du ved dem med chips i et paprør).
Her er opskriften på en Luffe (se under Gør-det-selv):
- Lim et piezoelement (20-35 mm i diameter) på en dåsebund med et par dråber 10 sekunders lim. Sørg for at der ikke kommer luftbobler i limen.
- Lod piezoelementets to ledninger til et kabel med 2 ledere og en skærm. Skærmen må ikke have elektrisk forbindelse til piezoelementet, men gerne til dåsebunden.
- Lim en ”klangkasse” på dåsebunden, så der bliver luft på bagsiden af dåsebunden rundt om piezoelementet
- Støb hele molevitten ind i en silikone, der binder til metal og kabel.
- Lod et stik på i den frie ende af kablet. Hvis din optager har mono-jackstik i indgangen, skal du forbinde skærmen og den ene leder til den lange del af stikket, mens den anden leder forbindes til spidsen af stikket. Hvis din optager bruger XLR-indgang, skal du forbinde skærmen til det ben, der er mærket 1, mens de to ledere loddes på hhv. ben 2 og 3.
- Når silikonen er hærdet igennem efter et par døgn, er du klar til at optage lydene i vandet.
Købte hydrofoner
Som alternativ til en hjemmelavet hydrofon, kan man købe en færdiglavet. De kan fås fra omkring 500-1200 kr. på nettet + fragt og evt. told, hvis de kommer fra lande uden for EU. Selvom det i princippet er billigere at lave sin egen hydrofon, så skal man regne med at bruge både tid og penge på at finde den rigtige teknik og de rigtige materialer. Hvis man ikke er interesseret i at eksperimentere og ikke har nogen særlig trang til at udvikle sin indre Ole Opfinder, er det værd at undersøge markedet for færdige hydrofoner. Men vær kritisk. Noget af det ligner vores ”Luffe”, men til mindre genkendelige priser. Andre ser umiddelbart tilforladelige ud. I USA bruges de bl.a. til at finde en læk i en swimmingpool, men også til at optage hvaler mm. Vi har ikke selv prøvet dem og kan derfor ikke anbefale nogen mærker eller hjemmesider.
Hvis man har svært ved at få udgifterne til at slå til, kan man købe en professionel hydrofon. Noget af det bedste er fra danske Brüel og Kjær, som laver 4 modeller.
På graferne nedenfor kan man se frekvensgangen for de fire modeller (der må gerne savles).
Frekvensgang
En god hydrofon gengiver alle frekvenser lige godt, dvs. at den har en jævn frekvensgang.
Et piezoelement har mange fællestræk med en kondensator. Ligesom en kondensator har den en modstand, der falder med frekvens af de svingninger, som krystallet udsættes for.
Piezoelementets ”kondensator”-modstand kan beregnes med denne formel:
___1____
R= 2*pi*F*C
Hvor R er modstanden, F er frekvensen og C er piezoelementets kapacitet.
Figur 1: Modstand, hvis piezo-elementet beregnes som en kondensator.
Piezoelementets ”kondensatoregenskaber” gør, at den har en skæv frekvensgang, hvor de høje frekvenser, vil have en tendens til at fylde mere end de lave.
Ligesom kondensatoren opgives en kapacitet for piezoelement i enheden Farad. Tit opgøres kapaciteten i Picafarad, som er 10-12 farad. De mindre piezoelementer (ca. 2 cm i diameter) har typisk en kapacitet på ca. 20.000- 25.000 pF, mens de større ligger på omkring 35.000-45.000 pF (3-3½ cm i diameter). Jo større kapacitet, des mere følsomme er de.
Når piezoelementet er formet som en skive, vil vibrationerne fra lydene i vandet, betyde at skiven både bøjes og strækkes. De to kræfter styrker hinanden ved nogle frekvenser og modvirker hinanden ved andre. Det betyder, at der en resonansfrekvens og en ”anti-resonansfrekvens”, hvor modstanden bliver hhv. meget stor og meget lille. Omkring de to frekvenser bliver frekvensgangen meget skæv.
Jo mindre skive, des højere resonansfrekvens. Det taler for, at man nogle gange vælger et mindre piezoelement for til gengæld at få resonansfrekvens, der ligger oppe i et frekvensområde, der spiller en mindre rolle for den lyd, man er på jagt efter.
I praksis er det ikke kun piezoelementets kondensatoregenskaber og dens resonansfrekvens, der afgør frekvensgangen. Nedenfor er vist frekvensgangen for et 14 mm piezoelement, med en resonansfrekvens på omkring 4 kHz. Selvom man kan se udsving omkring resonansfrekvensen og tendensen til stigende respons ved højere frekvenser, er frekvensgangen ikke så skæv som den rene kondensatorvirkning tilsiger. Det er nok forklaringen på, at en piezo-hydrofon koblet direkte til en optager ikke giver så ringe lyd, som man skulle tro.
Hvis man mangler noget ”bund” i lydbilledet, kan man sætte en forforstærker ind mellem hydrofon og optager, der kompenserer for kondensatorvirkningen (se afsnittet om forforstærkere).
Forforstærkeren
En lineær forstærker giver samme forstærkning uanset frekvensen. Som nævnt giver det nogle problemer, i forhold til piezo-elements kondensatorvirkning.
En ladningsforstærker tager højde for kondensatorvirkningen. Vores forforstærkere er derfor bygget med en ladningsforstærker som første trin og en lineær forforstærker i andet trin.
Lineær forforstærker
Diagrammet viser et samlesæt for en lineær forforstærker fra firmaet Velleman. Der kan købes på nettet eller i specialforretninger for elektronik for omkring 100 kr.
Diagrammet viser en forforstærker baseret på en operationsforstærker (IC1 741). R3 og R4 er to ens modstande, der skal sikre, at spændingen på operationsforstærkerens +indgang er halvdelen af forsyningsspændingen. Forholdet mellem R2 og R1 giver operationsforstærkerens forstærkning.
Hvis forsyningsspændingen er 12 volt, skal der være 6 volt på +indgangen. Hvis R1 er 2,2 Kohm og R2 er 220 Kohm vil forstærkningen være 100 gange.
Operationsforstærkere fås i ret støjsvage udgaver og de er nemme at arbejde med. De giver en meget lineær frekvensgang, dvs. de forstærker forskellige lydfrekvenser lige meget. Da de også er billige, er det vores foretrukne valg til forforstærkere. Desuden har de en meget høj indgangsimpedans, der i nogen grad modvirker piezoelementets kondensatoregenskaber.
Ladningsforstærker
Selvom frekvensgangen i forforstærkeren er meget flad, vil piezoelementets kondensatorvirkning betyde, at forstærkningen bliver stærkt afhængig af frekvensen. Hvis man kobler en piezo på den viste liniære forforstærker, vil forstærkningen (teoretisk set) være:
R2/ (R1+ Rp), hvor Rp er piezoelementets modstand.
Da piezoelementets modstand er meget stor ved lave frekvenser vil forstærkningen være tilsvarende lav for de dybe frekvenser. Omvendt vil forstærkningen være større for de høje frekvenser, hvor piezoelementets modstand vil være lille. Teoretisk set følger forstærkningen grafen til venstre. Helt så galt går det dog ikke i praksis, men piezoelementets ”kondensator-egenskaber” giver problemer med frekvensgangen og man vil komme til at mangle ”bund” i lyden.
Derfor er det en god ide, at indsætte et forstærkningstrin, hvor der over R2 på det viste diagram indsættes en kondensator (Cm). Hvis modstanden R2 er mange gange større en modstanden i Cm, vil forstærkningen være bestemt af Cm/Cpiezo. Da modstanden – både i Cm og i piezoelementet – falder med frekvensen, vil forstærkningen være lineær i en stor del frekvensspektret
Principdiagram for en ladningsforstærker
Teoretisk frekvensgang for ladnings-forforstærkeren er vist nedenfor
Vores forforstærkere er delt i 2 trin, hvor det første er en ladningsforstærker, mens det andet er en lineær forforstærker.
Generelt følger der stigende støj med stigende forstærkning. For en lineær forforstærker som den viste, ville vi som udgangspunkt vælge 20-25 ganges forstærkning og ikke gå over 50 gange. For ladningsforstærkningen vil der dertil komme et tab af lave frekvenser ved høj forstærkning som afgøres af værdierne Rm-Cm samt af piezoelementets kapacitet. Derfor vil vi i de fleste tilfælde vælge en forstærkning i ladningsforstærkeren på omkring 10 gange. Af hensyn til den samlede støj holder vi os under 250 ganges forstærkning for de to forstærkere i serie.
Ovenfor er vores seneste forforstærker. Den har fire indgange med hver sin forforstærker. Forstærkningen i første trin (ladningsforstærkeren) bestemmes af forholdet mellem Cpiezo og Cm. Da piezoelementet kan have mange forskellige kapaciteter, er der indsat en omskifter, der gør det muligt at vælge værdier for Cm på 350-10.000 pF.
Trin 2 er lavet som en lineær forstærker hvor forstærkningen bestemmes af foholdet mellem R2 og R1 (se diagrammet). R1 er 1 kOhm, mens R2 er et lineært potentiometer på 0-25 Kohm. Det giver en forstærkning på op ti 25 gange.
Basis-emitter forforstærker
En simpel forforstærker kan også laves med en transistor, hvor piezoelementet er forbundet til hhv. basis og emitter. Den virker lidt som en ladningsforstærker og har ar den fordel at den kan fungere ved mindre spændinger end operationsforstærkere af 741-typen, der kræver en minimumsspænding på ca. 10 volt. Til Submarie, som er en bøje med optager, brugte vi denne type forforstærker med en forsyningsspænding på 3 volt. Det fungerede fint, men den lave forsyningsspænding betyder, at nogle lyde overstyrer og forvrænges, fordi signalet ind imellem bliver større end forsyningsspændingen.
Hydrofonen tilsluttes mellem kondensatoren ved R1-R2(transistorens basis) og R4-transistoren (emiter).
Udgangen er -via en kondensator – mellem R3 og transitorens kollektor.
Forstærkningen bestemmes af forholdet mellem R3 og R4
Optageren
De fleste optagere kan bruges. De fleste digitale optagere har indbyggede mikrofoner, som skal kunne slås fra. Desuden skal optageren helst kunne optage i .Wav-format og ikke kun i .mp3.
Vi har dels brugt en TSM-studio recorder, som vi fandt på udsalg til 400 kr., til at optage fra en bøje (Submarie). Den fungerede fint til det formål.
Desuden bruger vi Tascam- dr 60 mk-II. Det er en 4-kanals optager, der er udviklet til at tage lyd i forbindelse med videooptagelser. Det er en kompakt sag uden indbyggede mikrofoner. Den har forholdsvis støjsvage forforstærkere og med en pris omkring 1200-1400 kr., er det svær at finde overbevisende konkurrenter.
Eneste problem er, at Tascam har valgt at lave den med XLR-hun-stik, der af og til låser han-stikket fast. Når det sker, er der ingen muligheder for at få stikket ud igen. Vi har prøvet det på den ene at de to optagere vi bruger og endte med at save stikket over.
Så hvis du vælger en Tascam – dr 60 mk II, så brug jack-indgangen og lad XLR-indgangen være.
Lydprogrammer
For at kunne håndtere lyden på din computer, skal du have et program, så du kan klippe og redigere i optagelserne. Hvis du har brug for at beskrive lydende nærmere, får du brug for at kunne lave nogle analyser af de frekvenser, der indgår i lydene. Her er en beskrivelse af de fire programmer, som vi bruger.
Hindenburg
Cubase
Er udviklet til at lave musik på. Det betyder, at det har en masse muligheder for at manipulerer lyden, som du ikke skal bruge til noget. Hvis du har det i forvejen, kan det sagtens bruges, men der er ingen grund til at købe det, hvis du primært skal bruge det til at bearbejde optagelser i naturen. Så brug hellere de 625 kr. på Hindenburg Journalist.
Audacity
Gratis program, som er brugbart til frekvensanalyser og grafisk fremstilling af lyde. Desuden har det en udmærket funktion til at fjerne støj. Det kan også bruges til at klippe og redigere optagelser, men til det fortrækker vi Hindenburg eller evt. Cubase. Det sidste fordi vi kender det i forvejen.
Raven
Er et gratis program, som kan downloades på nettet . Det kræver en del tid at finde ud af, men det forholdsvist stærkt på frekvensanalyser og grafisk fremstilling af lyde. Ligesom audacity, kan det formentligt også bruges til at klippe og redigere, men det virker noget mere bøvlet end fx Hindenburg, der udelukkende er beregnet til det.
Link til Raven: http://ravensoundsoftware.com/raven-downloads/