Come costruire un rivelatore di pipistrelli

In questo articolo vengono fornite istruzioni dettagliate su come assemblare un semplice rilevatore di pipistrelli, insieme a piani per due diversi modelli, uno basato sulla divisione di frequenza e l’altro sull’eterodina. Entrambi i rivelatori portano gli ultrasuoni dei pipistrelli in un intervallo udibile dall’orecchio umano. È quindi perfettamente possibile identificare le specie di pipistrelli mediante un’attenta osservazione usando uno dei rivelatori proposti. Questo perché i loro modelli di “chiamata” sono specifici per specie e possono essere abbastanza distintivi. Potete quindi divertirvi e imparare molto.

Già nel ‘700 si sospettava che i pipistrelli navigassero usando il suono, ma solo nel 1938 è stata dimostrata definitivamente l’ecolocalizzazione. Il meccanismo utilizza quasi esclusivamente frequenze ultrasoniche non udibili dall’uomo. In breve, i pipistrelli emettono impulsi energetici di suono ad alta frequenza e di breve durata e interpretano gli echi che ritornano alle loro orecchie. I suoni si sono dimostrati piuttosto complessi, con cinguettii spazzati in frequenza e componenti a frequenza costante.

Gli ultrasuoni sono onde sonore con frequenze superiori al limite udibile superiore dell’udito umano, che è di circa 20 kHz in giovani adulti sani ma di circa la metà per un uomo di mezz’età. Alcune persone possono sentire una porzione limitata dei suoni emessi dai pipistrelli. Questa potrebbe essere la parte più bassa del loro contenuto modulato in frequenza. Certamente, è possibile essere circondati da pipistrelli lungo alcuni boschi al crepuscolo e non sentire altro che le loro ali che svolazzano.

Un pipistrello appeso a un albero.

I pipistrelli escono di notte per cibarsi di piccoli insetti volanti e possono essere difficili da individuare, ma con un rivelatore di pipistrelli sarai in grado di rintracciarli! Mentre alcuni pipistrelli producono “clic” udibili, la maggior parte producono clic non udibili, di frequenza compresa tra 20 kHz e 200 kHz. Poiché la visione è severamente limitata di notte e nelle grotte, i pipistrelli si basano sull’ecolocalizzazione, che funziona in modo quasi identico al sonar usato dalle navi e dai sommergibili.

In sostanza, il pipistrello genera un clic ad alta frequenza che rimbalza sugli oggetti circostanti. Il clic riflesso viene rilevato dal pipistrello e questa è un’informazione sufficiente per determinare la dimensione e il tipo di oggetto nelle vicinanze, nonché la distanza da essa. Fortunatamente per noi, queste onde sonore si diffrangono e sparpagliano in quasi tutte le direzioni: quindi, se possiamo creare un circuito in grado di rilevare questi clic, dovremmo essere in grado di monitorare i pipistrelli!

Come funziona l’ecolocalizzazione dei pipistrelli.

È qui che entra in gioco il rivelatore di pipistrelli. Convertendo l’ultrasuono nel nostro range udibile, possiamo rilevarlo indirettamente e almeno goderci una finestra nel mondo nascosto dell’ecolocalizzazione. È stato suggerito che i pipistrelli utilizzino i tempi di ritardo, le differenze nel tempo di arrivo e l’effetto Doppler per interpretare gli echi dei segnali ultrasonici da loro emessi. Naturalmente, possiamo solo indovinare ciò che i pipistrelli effettivamente percepiscono e “vedono”.

Un rivelatore a divisore di frequenza

Molti rivelatori di pipistrelli, per portare gli ultrasuoni nel range di frequenza udibile, utilizzano un dispositivo del tipo “a divisione di frequenza”. Ad esempio, un pipistrello occidentale emette un suono ad ultrasuoni nell’intervallo da 53 a 91 kHz. Se si divide quella frequenza per 16, la nuova gamma di frequenze è compresa tra 3,3 e 5,7 kHz, facilmente all’interno della nostra gamma uditiva. Poiché la divisione viene eseguita in modo digitale, tutte le informazioni sull’ampiezza vengono perse.

Le fonti ad ultrasuoni elaborate da un rivelatore a divisione di frequenza si convertono in suoni che ricordano un po’ i “clic” in un contatore Geiger. Un grande vantaggio di un rivelatore a divisione di frequenza è che si tratta di un dispositivo a banda larga: ciò significa che ti farà sentire tutti i suoni di pipistrello rilevabili senza la necessità di sintonizzare il rivelatore su una particolare frequenza. Il circuito di base mostrato di seguito è molto efficace ed i componenti sono facilmente reperibili.

Il circuito che proponiamo di un semplice rivelatore di pipistrelli a divisione di frequenza.

I rilevatori di eterodina, che elaborano il suono ad ultrasuoni nel dominio analogico, convertono solo una piccola gamma di frequenze in qualsiasi momento, per cui è necessario selezionare quali frequenze ascoltare. Se ti sintonizzi su 60 kHz per ascoltare un pipistrello, potresti non sentire i grandi pipistrelli marroni che volano nelle vicinanze. Il rilevatore di divisione di frequenza funziona nel dominio digitale, convertendo l’intero spettro del suono che il trasduttore è in grado di rilevare.

Quindi puoi ascoltare tutti i suoni ultrasonici intorno a te, senza perdere nulla a causa di scelte di accordatura sfortunate. Questa caratteristica del rivelatore di divisione di frequenza di non aver bisogno di manopole di scelta della frequenza lo rende un’ottima scelta per l’osservatore occasionale di pipistrelli e per lo studente. Il circuito qui proposto è particolarmente semplice, usando un trasduttore a ultrasuoni, un auricolare, 3 circuiti integrati e pochissimi altri comuni componenti.

Se hai esperienza nell’assemblaggio di componenti elettronici, di solito puoi costruire un semplice rilevatore di pipistrelli in una sola sera. Per quanto riguarda le custodie per rivelatori di pipistrelli, è possibile utilizzare un contenitore tradizionale a parallelepipedo, oppure diventare creativi, optando ad esempio per un contenitore cilindrico – perché no? – trasparente. Questa è un’area in cui è possibile ridurre notevolmente i costi con un po’ di ingegnosità.

Due possibili contenitori per un semplice rivelatore di pipistrelli fai-da-te.

Il circuito di base del rivelatore di pipistrelli proposto è composto essenzialmente da 3 circuiti integrati. Il segnale proveniente da un trasduttore ultrasonico viene inviato a IC-1, un amplificatore audio LM386, configurato per fornire un guadagno del segnale di 200. Il segnale è accoppiato a IC-2, un secondo LM386, da un condensatore da 0,05 µF. IC-2 è configurato per fornire un guadagno aggiuntivo di 20, per un guadagno totale del sistema di ben 4.000 volte. L’uscita di IC-2 è direttamente accoppiata all’ingresso di IC-3, un circuito divisore digitale CMOS a 7 stadi.

Lo stadio di ingresso del divisore funge da rilevatore di attraversamento zero, innescando la transizione negativa del segnale da IC-2. La divisione per 16 uscite è collegata a un potenziometro, che funge da controllo del livello audio. Un auricolare in ceramica ad alta impedenza è collegato all’uscita del controllo di livello. Il controllo di livello è un potenziometro da 10K e il tutto è alimentato da una batteria da 9 V. Nota che i pin aggiuntivi elencati nella parte inferiore dello schema devono essere collegati a terra.

Come appare, una volta realizzato, questo circuito (a sinistra), o uno di un rivelatore di pipistrelli assai simile (a destra) basato sempre sulla divisione di frequenza.

Per adattarsi a vari trasduttori, è possibile personalizzare facilmente il guadagno dei due circuiti integrati LM386. Una resistenza aggiuntiva può essere aggiunto in serie con il condensatore 10μF per ridurre il guadagno di IC-1. Anche una combinazione resistenza / condensatore può essere aggiunta tra i pin 1 e 8 di IC-2 per aumentarne il guadagno. Così il guadagno totale del sistema può variare da 400 a 40.000. Assicurarti di mantenere il lato positivo del condensatore verso il pin n. 1 dell’LM386.

Un rivelatore di ultrasuoni a eterodina

Questo rilevatore di pipistrelli ha un design eterodina. Ciò significa che vengono ascoltati “chiamate” a ultrasuoni con un suono realistico, ma tieni presente che sono stati semplicemente spostate in frequenza e sono dunque artefatti rappresentativi dei suoni originali. Tuttavia, i suoni ascoltati con questo rilevatore sono altamente informativi, con un reale valore scientifico. È perfettamente possibile identificare le specie di pipistrelli mediante un’attenta osservazione usando questo rivelatore.

Lo schema a blocchi in figura mostra il diagramma a blocchi del circuito. Esso mostra i principali componenti funzionali, a partire dal microfono sensibile alle frequenze ultrasoniche. Questo alimenta una combinazione di pre-amplificatore e filtro passa-alto. Il segnale ultrasonico in ingresso, pre-amplificato, viene miscelato con un segnale generato localmente che è vicino alle frequenze ultrasoniche di interesse. Il mixer moltiplica i due segnali e produce segnali in banda audio che rappresentano la loro differenza.

Il diagramma a blocchi del rivelatore di pipistrelli.

Quindi, ad esempio, se il suono in ingresso si basa su 45 kHz e l’oscillatore locale funziona a 42 kHz, l’uscita sarà di circa 3 kHz, perfettamente entro l’intervallo dell’udito umano. È interessante notare che la stessa uscita verrebbe prodotta anche se l’oscillatore locale fosse impostato su 48 kHz, poiché il mixer produce segnali di differenza in entrambi i sensi, positivo e negativo. Infine, il blocco dell’amplificatore della banda audio bufferizza l’uscita del mixer e guida le cuffie dell’utente.

A differenza dei progetti che utilizzano tecniche di elaborazione digitale piuttosto complesse, questo progetto utilizza circuiti analogici semplici composti da un amplificatore operazionale quadruplo e una manciata di componenti passivi. Con la possibile eccezione del microfono e forse del circuito integrato, la maggior parte degli appassionati troverà che tutto ciò che è necessario è già a portata di mano, rendendolo un progetto insolitamente economico e semplice da realizzare.

In pratica, ciascuno dei 4 amplificatori operazionali nel circuito integrato quad-amp LM324 viene utilizzato come blocco predefinito, e questi corrispondono abbastanza da vicino alle funzioni mostrate nello schema a blocchi. L’IC1/a e l’ IC1/b comprendono un preamplificatore microfonico a due stadi ad alto guadagno. I condensatori C1 e C3 sono stati selezionati per produrre una caratteristica del filtro passa-alto bipolare che blocca l’ingresso della banda audio favorendo le frequenze ultrasoniche.

Lo schema circuitale del progetto. In realtà è più semplice di quanto sembri, poiché i 4 operazionali fanno parte di un unico circuito integrato (LM324).

Le resistenze R3 e R4 sono state selezionate per un elevato guadagno in IC1/a e un rumore accettabilmente basso. Il guadagno di IC1/b è impostato da R7 e R8. Quest’ultimo, infatti, è stato selezionato per adattarsi alla sensibilità del microfono, dato l’alto guadagno di IC1/a. Potrebbe essere necessario modificare R8, a seconda del microfono specifico utilizzato. Per questo motivo, vale la pena considerare qualcosa come un potenziometro da 220K al suo posto durante la costruzione e l’installazione iniziale.

IC1/c è un oscillatore RC convenzionale. La sua frequenza è determinata da C4 e dalla combinazione di VR1 e R12. Con i valori mostrati, l’intervallo utilizzabile va da circa 15 kHz a 110 kHz. IC1/d funge da nostro mixer, combinando il segnale di ingresso filtrato e amplificato con il tono dell’oscillatore locale per produrre un segnale in banda audio. Inoltre, IC1/d bufferizza il segnale e guida le cuffie. La resistenza R13, in serie con le cuffie, è stato ritenuta necessaria per impedire il feedback.

Il consumo misurato della batteria è di soli 5 mA quando viene utilizzata un’alimentazione da 3 V come mostrato. L’uso di una batteria da 9 V aumenta invece il consumo a 20 mA. Il progetto è stato costruito attorno a un quad-amp LM324. Molto probabilmente altri pacchetti quad simili funzioneranno altrettanto bene, e le piedinature sono di solito identiche, ma per prima cosa assicurati di controllarle. I nostri op-amp sono stati etichettati in modo da corrispondere al layout del circuito suggerito.

Il circuito integrato LM324 e la relativa piedinatura.

Il microfono usato in questo progetto era un semplice ecoscandaglio piezoelettrico, selezionato per le migliori prestazioni da una varietà che era a portata di mano. Il condensatore di disaccoppiamento C5 è di tipo elettrolitico. Per il layout suggerito, un componente con conduttore assiale è più conveniente, sebbene si possa usare uno con conduttore radiale. Il suo valore è elencato come 47 µF, ma non è affatto critico e qualsiasi cosa nell’intervallo tra circa 22 µF e 100 µF andrebbe bene.

È improbabile che vengano utilizzati condensatori in poliestere o ceramica, quindi sceglili in base a ciò che hai a disposizione. La custodia del progetto e le cuffie possono essere selezionate in base al gusto e alla disponibilità. Anche l’interruttore di alimentazione S1 e il potenziometro di controllo della frequenza VR1 possono essere scelti in base alle proprie esigenze. Vale la pena ricordare che avere una scala numerata attorno a VR1 si è rivelato indispensabile durante l’utilizzo del dispositivo.

Puoi montare il circuito e saldare i componenti su una piastrina millefori. Una volta montati i componenti, aggiungere i vari cavi di collegamento. I costruttori dagli occhi acuti noteranno che R7 e C3 sono stati scambiati per rendere il layout un po’ più conveniente. Poiché questi due componenti sono semplicemente collegati in serie, ciò non influisce in alcun modo sul comportamento del circuito. I costruttori esperti possono ovviamente preferire di regolare il layout come desiderano.

Realizzazione del circuito dal lato dei componenti e del layout delle saldature.

Scelta del microfono, test e calibrazione

Collega alcune cuffie, accendi il circuito e ascolta. Quando si gira il potenziometro di frequenza, si dovrebbe sentire del rumore. L’intensità e il contenuto spettrale del rumore variano molto in tutta la gamma di controllo. Ruota il potenziometro verso il suo valore minimo. Si dovrebbe udire un fischio acuto. Ciò segnala che l’oscillatore locale sta funzionando. Poi puoi controllare che anche l’amplificatore ad alto guadagno comprendente IC1/a e IC1/b sia “ok” ascoltando l’uscita del mixer usando le cuffie in SK1.

La scelta, o selezione, del “microfono” è fondamentale. I classici trasduttori ad ultrasuoni, infatti, non sono sempre la scelta migliore. In effetti, un semplice buzzer piezoelettrico o ceramico usato come microfono può produrre risultati superiori. Durante lo sviluppo, era disponibile una selezione di buzzer, come mostrato nella figura qui sotto. Sono stati tutti valutati e il vincitore è risultato quello piatto a destra. Il componente era privo di marchio e ne puoi trovare di simili online, ad esempio qui.

I vari buzzer piezoelettrici fra cui è stato scelto quello rivelatosi migliore. Ne puoi trovare diversi tipi in vendita ad es. qui.

Contrariamente ai progetti audio, quelli ad ultrasuoni rappresentano sempre una sfida speciale: come simulare il segnale di ingresso? La fonte di ultrasuoni più semplice ed efficace è in realtà la propria bocca. Emettere un sibilo qualsiasi fino a un metro di distanza dal microfono provoca una bella scarica di rumore nelle cuffie, derivante dai potenti componenti ultrasonici del suono. Un’altra tecnica è strofinare due dita insieme o far scorrere la punta di un dito su un foglio di carta tenuto vicino al microfono.

È molto utile essere in grado di impostare il dispositivo sulle frequenze desiderate e, al contrario, essere in grado di determinare su quale frequenza è sintonizzato. Perciò, vale la pena creare una scala numerata attorno al potenziometro di frequenza e poi calibrare il dispositivo. A tal fine, è necessario un oscilloscopio o un frequenzimetro. Osserva l’uscita dell’oscillatore locale mentre si ruota il controllo su tutta la sua gamma e annota quale frequenza corrisponde a ciascun punto della scala.

Una volta che il rilevatore è stato testato sul banco di lavoro e il quadrante è stato calibrato, è tempo di avventurarsi al tramonto. Ascoltare il primo pipistrello è un’esperienza molto soddisfacente. Inizia impostando la frequenza su circa 30 kHz. Dovresti sentire un sibilo uniforme sullo sfondo. A volte è possibile sentire frusciare le foglie al vento negli ultrasuoni, alcuni secondi prima che si sentano le raffiche. Resta il più fermo possibile: a queste frequenze, il microfono è altamente direzionale.

Pipistrelli che puoi facilmente ascoltare con i tuoi rivelatori. 

L’ascolto dei pipistrelli in pratica

Quando si vedono pipistrelli che volano vicino, punta il microfono direttamente verso di loro. Il dispositivo è abbastanza sensibile da produrre buoni risultati a pochi metri di distanza. Dovresti riuscire ad ascoltare una serie di suoni “clic” o “plop” mentre il pipistrello passa. Alcune specie di pipistrelli sincronizzano effettivamente i clic con il movimento delle ali, dando l’illusione che siano i battiti delle ali che si sentono quando, in realtà, sono i loro impulsi di ecolocalizzazione.

La prima forma d’onda qui sotto è un suono sintetizzato di pipistrello realizzato con un simulatore di pipistrello, utile per testare un rivelatore. Il segnale viene emesso dal trasduttore a scatti a circa 40 kHz. La seconda forma d’onda qui sotto mostra, invece, suoni di pipistrello reali, ed è stata registrata usando un rivelatore di pipistrelli eterodina e un registratore portatile. Il suono dal registratore viene convertito, utilizzando un software per computer, in un’immagine.

Suoni di pipistrello simulati (in alto) e suoni di pipistrello reali (sotto).

Qui possiamo vedere che il pipistrello sta producendo 10-12 cinguettii al secondo. Vicino al centro c’è una sezione di suono concentrato in cui il pipistrello “ronzava” dietro un insetto. Il ronzio consiste in molti più cinguettii al secondo mentre il pipistrello accelera il suo segnale di ecolocalizzazione per non perdere la sua preda. Questa durata della forma d’onda è di circa 8 secondi mentre la mazza mi girava intorno alla testa. La linea orizzontale scura lungo il centro è il rumore di fondo del registratore.

Se la zona è ricca di pipistrelli, può essere gratificante stare in piedi tra gli alberi durante il crepuscolo, dirigendo il microfono verso l’alto. È possibile ascoltare le chiacchiere delle chiamate “social” nei posatoi dei pipistrelli. Prova a scansionare la parte inferiore della gamma di frequenza, poiché questa viene generalmente utilizzata per la comunicazione sociale. Chissà quante specie di pipistrelli sarai in grado di identificare e in questo modo il divertimento sarà assicurato.

Un piccola parabola ti aiuterà a ricevere segnali molto deboli in quanto li focalizzerà su un microfono o trasduttore. La parabola migliorerà la sensibilità del rivelatore di circa il 30%. Uno svantaggio dell’uso di tale sistema è che è direzionale. I suoi segnali più forti arriveranno direttamente dal davanti. I suoni che si trovano lateralmente non vengono ricevuti altrettanto. La parabola funziona meglio quando puoi vedere i pipistrelli: in questo modo puoi puntarla sul pipistrello in volo e seguirlo.

Una parabola nel cui fuoco è collocato il trasduttore o microfono (rivolto verso la parabola).

Ascoltando le peculiari caratteristiche di eco localizzazione – come la frequenza di ripetizione degli impulsi e la scansione della frequenza – un esperto (o anche un dilettante, con il tempo) può identificare le diverse specie di pipistrelli. I pipistrelli usano gli ultrasuoni per la comunicazione sociale, nonché per l’ecolocalizzazione. Con un po ‘di pazienza, è possibile sintonizzarsi sulle deboli chiacchiere in alcuni posatoi di pipistrelli la sera presto prima che inizi la caccia notturna per il cibo.