Odbiór fal radiowych o częstotliwości poniżej 22 kHz

Pasmo, którego będziemy nasłuchiwać zgodnie z opisem z poniższego artykułu mieści się w zakresie od 0 do 22 kHz. Jak widać na poniższej liście - zakres ten pokrywa się m.in. z częstotliwością akustyczną, jednakże w poniższym tekście skupimy się na promieniowaniu elektromagnetycznym w tym zakresie.

Jeśli chodzi o generowanie sygnału w tym zakresie częstotliwości, to jest bardzo proste. Zbudowanie jednakże anten strojonych na to pasmo już takie nie jest, ponieważ odpowiadająca im długość fali wynosi setki i tysiące kilometrów. Na przykład dipol półfalowy dostrojony do częstotliwości 1500 Hz powinien mieć wielkość około 50 km. To niemożliwe, aby zbudować taką antenę. Dla tak niskich częstotliwościach nie ma na rynku zadowalających odbiorników, a anteny muszą być przygotowane z wielką starannością. Karta dźwiękowa naszego komputera zachowuje się jak świetny odbiornik, ale musi być podłączona do odpowiedniej anteny z przedwzmacniaczem. Oprócz karty dźwiękowej wymagane jest oprogramowanie do przeglądania, nagrywania i analizy odebranego sygnału. Pasmo VLF to bardzo mała część całego widma radiowego. Z pewnością jednak jego podsłuchiwanie daje dużo satysfakcji, nawet przy korzystaniu z tanich rozwiązań. Zwierzęta i ludzie są prawdopodobnie również zdolni do odbierania niektórych sygnałów tego typu, nasz mózg może być np. bardzo wrażliwy na promieniowanie w zakresu pasma ULF.

Częstotliwość pasma:
* ELF 3 Hz do 30 Hz
* SLF 30 Hz do 300 Hz
* ULF 300 Hz do 3 kHz
* VLF 3 kHz do 30 kHz
* LF 30 kHz do 300 kHz



Posłuchaj czy przeczytaj?

W pasmach o tak niskiej częstotliwości sygnały nie są słyszalne w głośnikach lub słuchawkach. Można je skojarzyć z dźwiękiem, ale nie jest to główny element transmisji, jak zwykle ma to miejsce na innych częstotliwościach. Wręcz przeciwnie, różne emisje nasłuchiwane są poprzez dekodowanie i odpowiednią interpretację spektrogramu (patrz rysunek 1). Oprogramowanie lub sprzęt, który analizuje widmo jest podstawowym środkiem do analizy i rejestracji sygnałów w tym paśmie. Jak widać z zaprezentowanych danych w dziedzinie czasu, oś X przedstawia upływające sekundy, a oś Y przedstawia częstotliwość, z jaką rejestrowany jest sygnał. Inne zabarwienie lub intensywność wykresu (oś Z) opisuje jego moc.

Obecnie bardzo łatwo jest odbierać sygnały radiowe o niskiej częstotliwości i nie jest konieczne posiadanie drogiego odbiornika. Wystarczy mieć komputer osobisty wyposażony w kartę dźwiękową i odpowiednie oprogramowanie, aby przeprowadzać analizę obserwowanego pasma. Na spektrogramie przy tych częstotliwościach można obserwować wszelkiego rodzaju sygnały naturalne i antropogeniczne. Te ostatnie są zawsze kodowane i cyfrowe, więc ich interpretacja jest często bardziej skomplikowana. Pasmo od 0 do 22 kHz jest wciąż tajemniczym i niewystarczająco zbadanym polem. Znaleźć tutaj można nie tylko wszelkiego rodzaju naturalne sygnały, zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne, generowane przez Ziemię, ale także impulsy przekazywane przez różnego rodzaju instalacje stworzone przez człowieka. Niestety częstotliwość sieci (50 Hz lub 60 Hz) jest bardzo mocno zaznaczona na spektrogramach i często stanowi zauważalną przeszkodę do pokonania ze względu na wytwarzane zakłócenia i generowane szumy. Właśnie z tego powodu warto prowadzić badania na otwartym terenie, z dala od zamieszkałych ośrodków, gdzie zakłócenia elektryczne są mniej intensywne. Po zdobyciu doświadczenia warto stworzyć bogatą bazę danych odbieranych sygnałów, np. w formacie WAV, zaznaczając również datę i częstotliwość radiową, na której odbyło się nagranie. Możliwe jest na przykład przechowywanie materiału audio na płycie CD-ROM lub DVD w celu długoterminowej archiwizacji.

Minimalna stacja

Jak wspomniano wyżej, zbudowanie własnej stacji odsłuchowej w paśmie VLF jest bardzo proste. Główne elementy, które należy skompletować to:

* Miejsce o niskim poziomie zakłóceń elektromagnetycznych,
* Antena dedykowana do pracy w tym pasmie,
* Przedwzmacniacz,
* Karta dźwiękowa z wejściem liniowym,
* Komputer osobisty,
* Oprogramowanie do nagrywania i analizy dźwięków.

Warto zwrócić uwagę, że większość pracy w tym systemie jest wykonywana przez oprogramowanie. Istnieją zaawansowane programy (nawet w wersji darmowej), które pełnią jednocześnie funkcję wzmacniacza i filtra. Przy wstępnych testach można nawet pominąć przedwzmacniacz i filtr, ale w docelowym systemie powinny się one znaleźć – poprawiają czułość i ograniczają ilość zbieranych zakłóceń.

Antena

Antena jest głównym elementem każdej stacji radiowej, nadajnika lub odbiornika. Teoretycznie, biorąc pod uwagę używane niskie częstotliwości i związane z nimi ogromne długości fal, potrzebna byłaby antena o gigantycznych wymiarach - nawet setki i tysiące kilometrów. W przypadku anteny istnieją co najmniej trzy rozwiązania dla omawianego pasma (patrz rysunek 2), w zależności od stopnia trudności, wyników, jakie chcemy uzyskać oraz dostępnej przestrzeni:

* Antena drutowa,
* Antena pętlowa,
* Antena z rdzeniem ferrytowym,
* Dipol ziemny (do słuchania sygnałów z wnętrza Ziemi).



Antenę można zbudować na wiele sposobów. Przewód należy zaizolować plastikową osłoną lub można użyć emaliowanego drutu. Antena drutowa to rodzaj anteny składającej się z kabla zawieszonego nad ziemią. Jego długość nie jest związana z żądaną długością fali, ale jest dostosowana do dostępnej przestrzeni. Ze względu na swój charakter elektryczny antena tego typu zbiera dużo szumów. Antena pętlowa składa się z jednej lub więcej cewek i jest bardzo „cicha” w przedmiotowych pasmach. Musi stanowić obwód rezonansowy, dlatego wymaga równoległego podłączenia kondensatora zmiennego. W naszym przypadku liczba zwojów musi być bardzo duża. Liczba zwojów, średnica drutu i powierzchnia cewki określają indukcyjność i rezystancję tego rodzaju anteny. W przeciwieństwie do anteny drutowej, antena pętlowa lub ramowa nie wymaga uziemienia. W przypadku anteny ferrytowej dużą ilość emaliowanego drutu należy owinąć wokół rdzenia ferrytowego. Wymiary anteny muszą być wystarczająco duże. Istnieją projekty, w których autorzy na rdzeń ferrytowy nawinęli nawet 14 kilometrów emaliowanego drutu nawojowego. Dipol ziemny służy z kolei do odbioru sygnałów elektrycznych pochodzących bezpośrednio z wnętrza naszej planety. Składa się z dwóch palików wbitych w ziemię i podłączonych po środku do odbiornika. Długość drutu powinna być rzędu setek metrów.

Tworząc antenę dla tego pasma, szczególnie dużą, taką jak dipol ziemny, należy pamiętać o wyładowaniach elektrostatycznych i wysokim napięciu, jakie pojawić może się na antenie. Jeśli wykonamy antenę z długim przewodem (dłuższym niż na przykład 100 do 200 metrów), zwiększa się prawdopodobieństwo obecności niebezpiecznej elektryczności statycznej na wyprowadzeniu anteny. Wskazane byłoby również obniżenie impedancji anteny za pomocą np. tunera antenowego typu Pi.

Przewód antenowy podłącza się bezpośrednio lub pośrednio (przez przedwzmacniacz) do gniazda wejścia mikrofonowego lub liniowego karty dźwiękowej komputera. Takie połączenie może być ryzykowne dla komputera, jeśli poziom elektryczności statycznej na antenie jest wysoki. W rzeczywistości, przy tak dużej długości przewodów, oprócz impedancji, warto martwić się o napięcia statyczne na antenie. Niebezpieczeństwem jest nie tylko napięcie krokowe podczas uderzenia pioruna, ale także słabsze pole elektryczności statycznej np. występujące, gdy powietrze jest suche. Na antenie gromadzony jest ładunek elektrostatyczny, co powoduje, że system zachowuje się jak kondensator. Wskazane jest stworzenie systemu, który może rozładować ten ładunek do ziemi. Jedna z metod polega na podłączeniu anteny do ziemi poprzez rezystancję o dużej wartości, około 5..10 MΩ (patrz rysunek 3) lub podłączenie dwóch diod przeciwrównolegle do wejścia liniowego, jako zabezpieczenia systemu.



Przedwzmacniacz

Wzmocnienie sygnału z anteny jest często przydatne, zwłaszcza jeśli testy nasłuchu są wykonywane na otwartej przestrzeni, gdzie sygnał jest naprawdę niewielki i faktycznie odbierane są interesujące komunikaty, bez zakłóceń pochodzących od działalności człowieka. Wzmacniacz odpowiedni do użycia z anteną VLF jest łatwy do zbudowania. Wzmocnienie około +15 dB pomaga w pobraniu sygnału z anteny. Ponieważ impedancja tego rodzaju anteny jest bardzo duża, zalecana jest konstrukcja przedwzmacniacza z wejściem FET. Wzmacniacz z wejściem w postaci zwykłego tranzystora bipolarnego drastycznie obniżyłby sygnał, biorąc pod uwagę to, że jego impedancja wejściowa wynosi od około 1000 Ω do 4000 Ω. Z kolei tranzystor FET ma impedancję wejściową wynoszącą od 8 MΩ do 10 MΩ, a dodatkowo poziom szumu z takiego elementu jest niemalże zerowy. Podstawowy, ale w pełni funkcjonalny schemat połączeń dla takiego wzmacniacza pokazano na rysunku 4. Jest on wykonany w oparciu o tranzystor polowy 2N3819 (J1), który jest łatwo dostępny w każdym sklepie z elementami elektronicznymi. Rezystancje R1 i R2 polaryzują tranzystor, dzięki czemu napięcie drenu może swobodnie oscylować bez żadnych zniekształceń. Trymer 22 kΩ (R5) decyduje o wzmocnieniu obwodu, które może wynosić od 1,5× do 4,5×.



Układ ten działa przy niskich częstotliwościach w zakresie audio. Budowa takiego układu nie jest niczym trudnym i łatwo go zrobić nawet bez większej wiedzy na temat elektroniki. Na rysunku 5 pokazano oscylogramy sygnału na wejściu i wyjściu dla maksymalnego wzmocnienia. Sygnał wyjściowy jest odwrócony w fazie względem wejścia.

Pobór prądu przez układ jest relatywnie niewielki. Wzmacniacz pobiera około 2,7 mA, co pozwala zasilać go typową baterią 9 V przez około 100 godzin.



Karta dźwiękowa

Karta dźwiękowa to urządzenie, które zastępuje odbiornik radiowy w paśmie od 0 do 22 kHz. Limit 24 kHz wynika z szerokości pasma i częstotliwości próbkowania karty dźwiękowej komputera. Jeśli karta umożliwia próbkowanie do 192 000 próbek na sekundę, można zmierzyć z jej pomocą sygnały do 96 kHz. Podczas używania karty należy ostrożnie dozować wzmocnienie, aby uniknąć możliwych intermodulacji czy przesterowania wejścia. Do eksperymentów w tym artykule użyto zewnętrznej karty dźwiękowej Tascam 2 × 2 USB (pokazanej na rysunku 6), z częstotliwością próbkowania 96 kHz. Karta ta umożliwia wybór dwóch różnych impedancji wejściowych za pomocą przełącznika na panelu przednim: 10 kΩ i 1 MΩ.



Komputer osobisty

Nie ma żadnych konkretnych wymagań co do wykorzystanego komputera PC. Można użyć laptopa, może być to stacjonarny komputer PC etc. Wykorzystanie laptopa zasilanego z baterii może pozwolić na zredukowanie zakłóceń sieciowych (50 Hz lub 60 Hz, zależy od naszej lokalizacji). Jedynym istotnym wymogiem co do komputera, jest posiadanie relatywnie dużego dysku twardego, aby zmieścić na nim wszystkie ciekawe nagrania w postaci plików WAV.

Oprogramowanie

Głównym zadaniem oprogramowania jest nagrywanie sygnałów, ich analiza oraz prezentacja jego wyników w czytelny dla użytkownika sposób. Pliki z nagraniami zapisywane są na dysku twardym komputera. Istnieje wiele aplikacji dedykowanych do tego celu, wymieniono je poniżej, a na rysunku 7 pokazano ich panele.

* HDSDR
* WASP
* SoX



Krótko mówiąc, HDSDR to darmowy program do radia definiowanego programowo (SDR) dla systemu operacyjnego Windows. Jego typowe zastosowania to nasłuch radiowy, SWL, radioastronomia i analiza widma. WASP to darmowy program do nagrywania, przeglądania i analizowania ścieżek audio. Możliwe jest również przeglądanie za jego pomocą spektrogramów. SoX czyta i zapisuje pliki audio w najpopularniejszych formatach i może stosować proste efekty. Wszystkie funkcje są dostępne tylko za pomocą odpowiednich komend SoX. Jest to bardzo wydajne narzędzie do przetwarzania dźwięku z wiersza poleceń, szczególnie przydatne do wykonywania szybkich i łatwych edycji oraz do przetwarzania wsadowego. Umożliwia oglądanie spektrogramów w bardzo wysokiej rozdzielczości.

A teraz posłuchajmy…

W omawianym paśmie wiele sygnałów należy do urządzeń elektrycznych znajdujących się w pobliżu radiostacji. Odbieranie zakłóceń powodowanych przez telewizory, radia, lampy, przekaźniki, silniki, pralki, windy i inne, jest zjawiskiem normalnym.

Po prawidłowym skonfigurowaniu wejścia audio w oprogramowaniu do akwizycji już od razu można obserwować pierwsze sygnały. Należy dołożyć wszelkich starań, aby prawidłowo wybrać kanał audio, między prawym a lewym (patrz rysunek 8). W rzeczywistości używany kabel jest często monofoniczny i tylko jedna ścieżka jest aktywna.



Wiele ze zbieranych sygnałów pozostanie tajemnicą. Inne można spróbować wyjaśnić korzystając z Internetu lub obserwując swoje otoczenie. Na rysunku 9 pokazano przykładowy sygnał elektryczny generowany przez windę w budynku. Jest on rozpoznawalny w pasmie przy około 8 kHz. Spektrogram pokazany na rysunku pokazuje pięć uruchomień windy:

* Pierwsze - trwające 15,4 sekundy
* Drugie - również trwające 15,4 sekundy
* Trzecie - trwające 19,5 sekundy
* Czwarte, trwające 7 sekund
* Piąte - trwające 11 sekund.



Tego rodzaju obserwacje można przeprowadzić w całym spektrum częstotliwości. Wiele sygnałów z pewnością pochodzi ze źródeł antropogenicznych: neony, telewizory, sterowanie radiowe, przełączniki, zasilacze impulsowe i lampy, takie jak te widoczne na [/b]rysunku 10[/b].



Ziemia i jej atmosfera również emitują dźwięki i przy odrobinie szczęścia można być świadkiem kilku ciekawych zjawisk, których opis znaleźć można m.in. tutaj.

Prekursory sejsmiczne

Możliwe jest również przeprowadzenie ciekawych eksperymentów na tzw. prekursorach sejsmicznych. Nadal nie ma pewnych danych naukowych dotyczących tego rodzaju wyładowań. W takich przypadkach lepiej jest stworzyć dipol gruntowy do odbioru sygnałów radiowych, który jest przydatny do monitorowania prądów powierzchniowych gleby. W tej chwili niektóre badania wskazują, że można w ten sposób przewidzieć silne trzęsienie ziemi kilka godzin wcześniej, ale stacja odbiorcza musi znajdować się w odległości mniejszej niż 100 km od epicentrum trzęsienia ziemi. Ponadto słuchanie i nagrywanie nie może odbywać się w mieście, tylko koniecznie na wsi, z czujnikami bezpośrednio podłączonymi do ziemi.

Podsumowanie

Obserwacja spektrogramów w paśmie VLF jest z pewnością bardzo fascynującą i tajemniczą zabawą. Doświadczenie poprawia wrażliwość w rozpoznawaniu różnych sygnałów elektrycznych i naturalnych. Wiele sygnałów przemieszcza się w tym niezwykle niskim paśmie i pokazuje, jak fale naziemne są w stanie przenosić wiadomości na duże odległości. Czynność polegająca na nasłuchiwaniu i obserwacji sygnałów powinna mieć również na celu badanie i odkrywanie źródeł, które je generowały. W przypadku burzy i wyładowań atmosferycznych (patrz rysunek 11) należy zawsze pamiętać o odłączeniu anteny od karty dźwiękowej, aby uniknąć jej uszkodzenia.



Źródło: https://www.eeweb.com/reception-of-radio-waves-below-22-khz/