Infraschall-Indikator       

von Fritz Wegener                   
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Seit längerer Zeit interessiere ich mich für das Aufspüren von Infraschall in der Wohnung, verursacht z. B. durch laufende Haushaltsmaschinen, aber auch draußen im Straßenverkehr oder in der Nähe von Windkraftanlagen. Nicht dass ich durch Infraschall irgendwelche Befindlichkeitsstörungen an mir wahrgenommen hätte, eher aus Neugier. Diese ist aber nicht so groß, dass ich mir deswegen ein käufliches (unbezahlbares) Gerät zulegen müsste. Es soll fürs Handy ja schon Apps geben, die so was können, was ich aber nicht wollte. Ich dachte eher an eine kleine Schaltung mit wenigen Bauteilen zum Preis von unter 10€ . Am liebsten wäre mir ein (getesteter) Schaltplan aus dem Internet gewesen und ich hatte einige Zeit darauf verwendet, fündig zu werden: Fehlanzeige. Ich kann mir nicht so ganz erklären, warum das so ist. Im letzten Jahr hatte ich die Idee, eine reine Verstärkerschaltung auf Transistorbasis aufzubauen, die ich schon mal mit einem Ultraschallmikrofon zum Aufspüren von Fledermaus-Signalen erfolgreich eingesetzt hatte, die dann LED-Lichtzeichen von sich geben konnte. Für Infraschall hatte diese Transistorschaltung einen Tiefpassfilter bekommen. Weil ich aber weder wusste, welches Mikro Infraschall kann (das ist jetzt aber geklärt), noch wo ich ein verlässliches Infraschall Signal zum Testen herbekomme (ist auch geklärt), gab ich diese Version auch wegen (zu) vieler Bauteile auf. Anmerkung: So ein komfortables Gerät wie den Ultraschallsender von B. Kainka zum Testen von Fledermaus-Detektoren gibt es wohl leider nicht für Infraschall. So blieb es nicht aus, mich anderweitig umzuschauen und ich bin auf die Seite www.electronics-tutorials.ws/de/filtern gestoßen, die mich zu aktiven Tiefpassfiltern mit Operationsverstärkern führte und mir Anregungen zu einem Neustart gab:


 
An ein Tiefpass RC-Glied für 16Hz ist eine Verstärker- Filterschaltung angeschlossen. Die  höchste Signalverstärkung liegt mit dieser Kombination mutmaßlich bei 5Hz. Die Verstärkung hat den Wert 100. Diese Schaltung habe ich kaskadiert, um eine höhere Spannung zu erzielen: Bis zu 100x100 = 10000! Das muss für eine gute Empfindlichkeit ausreichen. Was sind jetzt die Ergebnisse bis dato?  Diese Schaltung funktioniert, wobei ich nur ca. 20 Bauteile brauche, die auf eine kleine Steckplatine passen. Testsituation: Ich bin im Arbeitszimmer, Tür und Fenster sind geschlossen. Die LED-Anzeige glimmt leicht flackernd. Sobald ich eine Tür / Fenster öffne / schließe, leuchtet die LED hell auf. Das ist vermutlich 1 Hz. Schwinge ich das Türblatt flott vor und zurück, komme ich auf angezeigte 2-3 Hz. Ein elastisch federndes Lineal über dem Mikro tut es auch. Mehr werde ich mit meinen Mitteln nicht feststellen können. Da wäre evtl. ein Oszilloskop oder ein Schaltungs-Simulator hilfreich. Als Mikro hatte ich das Electret aus einem Klatschschalter-Bausatz eingesetzt: Damit funktionierte es. (Man könnte umgekehrt diese Schaltung als Testgerät für die Infraschall-Tauglichkeit von Electret-Mikros benutzen). Für weitere Tests im Haus oder draußen ist mir der Steckbordaufbau zu wackelig. Müsste auf Platine gelötet und eingehaust werden. Für mich bleibt es interessant, weil ich viel ausprobieren kann und muss, vielleicht mal eine Sallen-Key Schaltung. Ein echter Kenner der Elektronik hätte so ein kleines Infraschall-Gerät vermutlich im Handumdrehen in Perfektion fertiggestellt. Würde mich freuen, denn hier besteht meiner Meinung nach eine echte Schaltungs-Lücke!

 

Simulation mit MicroCap  von Bernd Schulte-Eversum, DG2DCY


Anpassung der Grenzfrequenz und  AC-Analyse: Infraschallverstärker.pdf


Infraschall-Indikator mit Sallen & Key  von Fritz Wegener

 

Ich hatte ja auch vorgehabt, einen Infraschall-Indikator nach dem Sallen-Key Plan zu bauen. Dieser ist einfach aufgebaut und lässt sich zu meiner Freude komplett durchrechnen. Rechnerisch ist das nicht so schwer und es fördert mein Vertrauen zur eigenen Bastelarbeit. Am einfachsten ist die Bestimmung der Grenzfrequenz mit fc = 1/(2*Pi*R*C) für ein Tiefpass-filter. Mit fc= 16Hz und R =10 K erhalte ich für C = 1µF. Doch leider hat die S.-K.-Schaltung einen Nachteil: Wenn die Filterverstärkung (A) höher als 4 ist, fängt die Schaltung an zu schwingen. A soll also zwischen 0 und 3 liegen. Sonst entstehen Resonanzeffekte bei der Rückkopplung (Selbstoszillation).

Hinzu kommen bei der Grenzfrequenz Übersteuerungen oder Untersteuerungen abhängig vom Dämpfungsfaktor Zeta (Z). Dieser soll zwischen 0 und 2 liegen. Siehe Amplitudengang des Filters 2.Ordnung. Ideal wäre hier Z = 0,7071. A und Z wiederum stehen im rechnerischen Zusammenhang mit dem Qualitätsfaktor (Q), der ebenfalls die Resonanzspitze beeinflusst und im einstelligen Bereich vorgegeben werden kann.Diese Gegebenheiten habe ich der Seite www.electronics-tutorials.ws/de/filtern/filter-zweiter-ordnung entnommen und mich an deren Formeln und Rechenbeispielen im weiteren orientiert. Zu lesen ist, dass in vielen Fachbüchern der (sehr niedrige) Wert für Q = 0,7071 betragen solle, um einen maximal flachen Frequenzgang zu erzielen. Man erhielte dann für A den Filterverstärkungsfaktor A = 1,586 wie beim Butterworth-Filter. So einen flachen Frequenzgang wollte ich erzielen.


Musste ich vorsichtshalber nachrechnen, um dann auch die fehlenden Widerstandswerte bestimmen zu können. Für A = 3 – 1/Q rechne ich 3 – 1/0,7071 = 1,586 = A! Stimmt. R3/R4 aus Schaltplan: Des weiteren: A = 1+ R3/R4 = 1,586 , also R3/R4 = 0,586. Für R3 hatte ich 10 k vorgesehen. R4 ergibt durch umstellen 10k/0,586 = 17,06k. Die Suche nach 17k ist bei mir sinnlos, dafür wurde ein (Trimm-) Poti 100k gefunden und verwendet. Einstellung des Poti: 10 zu 17, also 10/17 = R3/(100-R3). Daraus R3 = 37k und R4 = 63k. Was ist denn eigentlich aus Zeta (Z) geworden? Z sollte laut Grafik den Wert 0,7071 erhalten. Es soll ja gelten: Z = 1/(2*Q). Wenn also der empfohlene Wert für Q (0,7071) eingesetzt wird, erhält man für Z = 1/(2*0,7071) = 0,7071 (wie gewünscht). Das gilt nur hier, auch umgekehrt. Die Werte hatte ich jedenfalls, und die S.-K. Schaltung wurde mit einem weiteren OPV und dem Verstärkungsfaktor 100 aufgebaut.

Test: Das Poti wurde eingedreht auf maximale Verstärkung (R3 knapp 100K/R4 etwas über 0K): Die angekündigte Schwingung setzte ein und die LED blinkte. Das Poti wurde langsam gedreht, die Blinkfrequenz ging immer höher, bis plötzlich das Blinken kurz ganz stoppte. So ließ ich die Einstellung und die LED verhielt sich dann so, wie ich es von meiner ersten Schaltung kannte: Schwaches Flackern im „Leerlauf“ und Aufleuchten der LED bei Öffnen/Schließen von Tür oder Fenster. Funktioniert also. Jetzt musste ich aber mal nachmessen, wie das Poti justiert war, und siehe da: Die Einstellung für R3 und R4 entsprach ziemlich genau den berechneten Werten und die gemessenen ergaben R3:R4 = 0,600 bei einem Verhältnis-Zielwert von 0,586 (siehe oben). Ich war angenehm überrascht! An den maximal flachen Frequenzgang von 0Hz bis 16Hz muss ich aber weiterhin glauben.


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