In deze tijd van het jaar kun je ze in de schemering weer zien vliegen: vleermuizen. Ze zijn op jacht naar insecten die ze opsporen met behulp van ultrasoon geluid (echolocatie / sonar), met frequenties die kunnen variëren van 16 kHz tot meer dan 140 kHz . Een vleermuisdetector zet deze voor ons onhoorbare frequenties om naar lagere die we wel kunnen horen. Het geluid van de vleermuisdetector hoor je in deze video waarin een paar vleermuizen boven mijn tuin rondvliegen:
In de eerste afleveringen van dit blog vertel ik je veel over mijn zelfgebouwde vleermuisdetector. Je kunt professionele vleermuisdetectoren kant-en-klaar kopen, en voor hobbyisten zijn er ook bouwpakketten verkrijgbaar (o.a. van Velleman en Franzis Verlag), maar ik vond het leuker om er zelf een te maken met onderdelen die ik nog had liggen. Hier zijn vast wat foto’s:
Ik begin met de schakeling: Het blokschema van de vleermuisdetector (Fig. 1) is simpel: het is een directe-conversie-ontvanger, waarin het geluid van de vleermuis eerst met een voor ultrasoon geluid geschikte microfoon wordt ‘ontvangen’ en daarna wordt versterkt. Het versterkte signaal wordt in een mixer vermenigvuldigd met het signaal van een (afstembare) lokale oscillator. Hierbij ontstaan mengproducten waarvan een deel in het voor mensen hoorbare frequentiegebied valt. Deze laagfrequente signalen worden versterkt en met een luidspreker hoorbaar gemaakt.
De microfoon (Fig. 2) komt uit een ultrasoonmodule HC-SR04 (deze modules zijn online voor een paar Euro verkrijgbaar). De microfoon is het gevoeligst rond een frequentie van 42 kHz, maar werkt over een vrij breed frequentiegebied waardoor de ‘ontvangst’ van verschillende vleermuizen (zoals de dwergvleermuis, de watervleermuis en de laatvlieger) mogelijk is. In de microfoonversterker (Fig. 3) worden de signalen afkomstig van de microfoon eerst voorversterkt met een transistor BC147C, en gaan daarna naar een opamp die een hoogdoorlaatfilter vormt. Een tweede opamp dient als 180° fasedraaier (waarvoor dit nodig is zie je verderop bij de beschrijving van de mixer).
De afstembare lokale oscillator (Fig. 4) bestaat uit een timer NE555 gevolgd door een D-flipflop 74LS74.
De timer levert een blokgolf met een frequentie tussen 32 kHz en 286 kHz. De flipflop werkt als tweedeler waardoor aan de uitgangen van de oscillator een blokgolf wordt geleverd die regelbaar is van 16 kHz tot 143 kHz. De flipflop levert een symmetrische blokgolf waarvan de ‘normale’ en de geïnverteerde versies beschikbaar zijn voor de mixer. Waarom dit nodig is (en waarom eigenlijk een flipflop nodig is) gaat nu duidelijk worden bij de beschrijving van de mixer.
In Fig. 5 zie je het principe van de mixer. Dit is iets anders dan een audiomixer (mengpaneel) waarbij signalen van verschillende bronnen bij elkaar worden opgeteld, maar waarbij geen nieuwe signalen ontstaan. Bij de hier gebruikte mixer worden de signalen van de vleermuizen (HF) en van de lokale oscillator (L.O.) met elkaar vermenigvuldigd. Hierbij ontstaan wel nieuwe signalen, namelijk de som- en verschilfrequenties van deze signalen.
Even een beetje theorie: Als HF een sinusvormig signaal is met frequentie fHF en amplitude A, dan kun je dit als volgt weergeven: HF(t) = Asin(2πfHFt). Als L.O. een sinusvormig signaal is met frequentie fL.O. en amplitude B, dan kun je dit als volgt weergeven: L.O.(t) = Bsin(2πfL.O.t). Nu gaan we in de mixer deze twee signalen met elkaar vermenigvuldigen. We nemen voor het gemak aan dat A en B allebei gelijk zijn aan 1. Dan geldt: HF(t) x L.O.(t) = 1/2cos(2π[fHF – fL.O.]t) – 1/2cos(2π[fHF + fL.O.]t). Je ziet dat hierbij zowel de som fHF + fL.O. als het verschil fHF – fL.O.van de frequenties van de signalen HF en L.O. ontstaan.
Dus als HF een vleermuissignaal is met een frequentie van 40 kHz, en we stellen L.O. in op 41 kHz, dan krijgen we een som van 81 kHz (kunnen we niet horen) en een verschil van 1 kHz (kunnen we prima horen). Met een L.O.-frequentie van 41 kHz geeft een vleermuis op 42 kHz (de spiegelfrequentie) ook een verschil van 1 kHz. Maar dat geeft niet, want een vleermuis ‘zendt’ niet op één vaste frequentie, maar kan de frequentie bijvoorbeeld tussen 50 kHz en 30 kHz variëren. En dat hele frequentiegebied kunnen we met een L.O. van 41 kHz hoorbaar maken.
Nu geldt dit theoretische verhaal hierboven voor sinusvormige signalen, maar de lokale oscillator uit figuur 4 levert blokgolven. Gelukkig heeft Fourier uitgevonden dat een blokgolf is opgebouwd uit een oneindig groot aantal sinusgolven (de grondgolf met frequentie f, en alle harmonischen met frequenties 2f, 3f, 4f, 5f, enzovoort, waarbij de amplitude van die harmonischen in grootte afneemt naarmate hun frequentie hoger is). We krijgen dus niet alleen de som- en verschilfrequentie van fHF en fL.O., maar ook van fHF en 2fL.O., 3fL.O., 4fL.O., 5fL.O. enzovoort. Gelukkig wel met afnemende amplitudes, en we kunnen de even harmonischen kwijtraken als L.O. een symmetrische blokgolf is (puls even lang als pauze). Zo’n blokgolf bestaat uit een grondgolf en alleen oneven harmonischen. Omdat een timer NE555 een niet-symmetrische blokgolf levert was een flipflop nodig om er een symmetrische blokgolf van te maken.
Maar hoe kun je elektronisch gezien de twee signalen HF en L.O. met elkaar vermenigvuldigen? Dit gaat heel eenvoudig met een wisselschakelaar die omschakelt tussen de ‘gewone’ versie van HF en de versie die 180° in fase is verschoven (Fig. 6). Je vermenigvuldigt HF dan als het ware met -1, en als je die schakelaar laat omschakelen door L.O. is het resultaat dat HF en L.O. met elkaar worden vermenigvuldigd.
De wisselschakelaar heb ik gerealiseerd door twee analoge schakelaars uit een IC CD4066 te gebruiken waarbij L.O. een van de schakelaars aanstuurt en de geïnverteerde versie van L.O. de andere schakelaar (Fig. 7).
Uit de mixer komen dus de som- en verschilfrequenties van HF en L.O. De verschilfrequenties vallen in het voor ons hoorbare gebied en die moeten worden versterkt om met een luidspreker te kunnen weergeven. In de somfrequenties zijn we niet geïnteresseerd en die veroorzaken alleen maar extra ruis in de versterker. Daarom worden deze met een laagdoorlaatfilter onderdrukt. Als versterker heb ik een handig klein IC gebruikt: de LM386 (Fig. 8). Deze werkt op 9 volt en de versterking is instelbaar met de RC-combinatie tussen de aansluitingen 8 en1. Er is ook een aansluiting voor een hoofdtelefoon, want je wil misschien niet ’s avonds de hele buurt lastigvallen met een piep- en kraakconcert uit je vleermuisdetector
Tot slot de voeding van het geheel (Fig. 9): Een 9 V blokbatterij levert de voedingsspanning voor de LF-versterker en van die 9 volt wordt met een 7805-regelaar een gestabiliseerde spanning van 5 volt gemaakt voor de andere IC’s in de schakeling. Met een spanningsdeler wordt deze spanning gehalveerd om het ‘nulniveau’ aan te geven voor de opamps in de microfoonversterker zodat deze op een enkele positieve voedingsspanning van 5 V kunnen werken.
Tot zover de schakeling van de vleermuisdetector. In eerste instantie had ik voor de afstemming van de L.O. een frequentieschaal op de behuizing getekend, maar het was toch handiger om een frequentieteller met verlicht display toe te voegen (beter zichtbaar als je in de schemering naar vleermuizen zoekt). Voor die teller maak ik gebruik van een microcontroller ATMega328P uit een Arduino Uno. Hoe dat werkt vertel ik in een volgende aflevering van dit blog. Ik laat dan ook wat foto’s van de montage van de vleermuisdetector zien.