5美元水听器工作坊：压电传感器与JFET前置放大器设计参数

在被动声学监测领域，商业水听器的价格往往高达数百甚至数千美元，这限制了公民科学和野外研究的普及。然而，在 Dinacon 2025 工作坊中展示的 5 美元水听器制造方案，通过巧妙的元件选型和简化的电路设计，实现了成本与性能的平衡。本文将深入解析这一方案的技术细节，重点关注压电传感器特性、JFET 前置放大器参数、防水封装工艺以及立体声部署的工程计算。

压电传感器选型：27mm 陶瓷片的频率响应与灵敏度

水听器的核心传感器是 27mm 直径的压电陶瓷片（piezoelectric disc）。这种压电元件的工作原理基于压电效应：当受到机械应力时，陶瓷片内部会产生电荷分离，从而产生电压信号。对于水下声学应用，压电陶瓷片的选择需要考虑几个关键参数：

1. 共振频率：27mm 直径的陶瓷片通常具有 10-20kHz 的共振频率范围，这恰好覆盖了大多数海洋生物的发声频率。鲸鱼歌声的主要能量集中在 100Hz-10kHz，而鱼类的发声和虾类的 "咔嚓" 声则分布在 2-20kHz。

2. 电容值：典型 27mm 压电片的电容约为 15-30nF，这决定了与前置放大器的阻抗匹配需求。高电容值意味着需要更高的输入阻抗来避免信号衰减。

3. 灵敏度：压电陶瓷的电压输出与施加的应力成正比。在水下环境中，声压级（SPL）通常以 dB re 1μPa 为单位，而压电片的灵敏度约为 - 180dB re 1V/μPa。这意味着需要足够的前置放大器增益来提升信号电平。

工作坊中选择 27mm 尺寸的平衡考虑：更大的直径提供更高的灵敏度，但会降低高频响应；更小的直径则相反。27mm 是一个折中选择，既能捕获低频的鲸鱼歌声，又能响应高频的虾类声音。

JFET 前置放大器电路：2N5457 的偏置与噪声优化

压电传感器的高输出阻抗（通常为 1-10MΩ）需要匹配的前置放大器。工作坊采用了基于 2N5457 N 沟道 JFET 的简单电路，仅需三个元件：1MΩ 电阻、680Ω 电阻和 JFET 晶体管。这一设计的精妙之处在于其极简性和对 "插件电源"（plug-in power）的适配。

电路参数详解

电路拓扑是共源极放大器配置：

• 栅极电阻（1MΩ）：提供直流偏置路径，同时与压电片的电容形成高通滤波器。截止频率 f_c = 1/(2πRC)，其中 R=1MΩ，C≈20nF，计算得 f_c≈8Hz，确保了足够的低频响应。
• 源极电阻（680Ω）：与录音设备内部的 2.2kΩ 电阻共同设置 JFET 的工作点。总源极电阻 R_s = 680Ω + 2200Ω = 2880Ω。
• 漏极连接：直接连接到音频电缆的信号线，由录音设备提供 3.3V 的插件电源。

2N5457 JFET 的关键参数：

• 夹断电压（V_p）：典型值 - 2V 至 - 6V
• 跨导（g_m）：在 I_D=1mA 时约为 1-2mS
• 输入电容（C_iss）：约 5pF

电路增益近似为 A_v ≈ g_m × R_L，其中 R_L 是负载电阻。对于插件电源配置，R_L 由录音设备的输入阻抗决定，通常为 10-47kΩ。假设 g_m=1.5mS，R_L=22kΩ，则电压增益 A_v≈33 倍（约 30dB）。

噪声性能考虑

JFET 相比运算放大器的主要优势在于其较低的电压噪声。2N5457 的等效输入噪声电压密度在 1kHz 时约为 10nV/√Hz。对于水下声学应用，环境噪声通常远高于电路噪声，因此这一性能足够。

然而，正如音频工程师 Zach Poff 指出的，"JFET 晶体管存在显著的参数分散性，同一型号的不同个体可能表现出完全不同的特性"。这意味着在实际制作中，可能需要测试多个 JFET 并选择性能最佳者，或者调整源极电阻值来优化偏置。

防水封装工艺：硅胶填充与 Plasti Dip 涂层的技术要点

水下设备的防水封装是技术挑战的核心。工作坊采用了两层防护：内部硅胶填充和外部 Plasti Dip 橡胶涂层。

硅胶填充的物理考虑

硅胶（silicone caulk）的选择基于其弹性模量和声阻抗特性：

1. 声阻抗匹配：水的声阻抗约为 1.5×10^6 Rayl，而硅胶的声阻抗约为 1.0-1.3×10^6 Rayl，这种接近的阻抗值减少了声波在界面处的反射损失。
2. 弹性缓冲：硅胶的弹性保护压电片免受水压冲击。在 10 米水深（约 1 大气压附加压力）下，硅胶的形变可以吸收压力变化，避免压电片破裂。
3. 热膨胀系数：硅胶的热膨胀系数（CTE）约为 200-300ppm/°C，与塑料外壳（约 60-100ppm/°C）的差异需要在填充时预留膨胀空间。

填充工艺的关键参数：

• 填充量：需要略微过填充，确保压电片完全浸没
• 固化时间：室温下需要 8-24 小时完全固化
• 气泡排除：需要在填充过程中避免气泡，否则会形成声学空洞

Plasti Dip 涂层工艺

Plasti Dip 是一种橡胶基涂料，提供机械保护和额外的防水层：

1. 涂层厚度：浸涂方式需要约 1 秒 / 英寸的提取速度，形成 0.5-1mm 的均匀涂层
2. 多层涂覆：喷涂方式需要 5 层涂层，每层间隔 30 分钟干燥
3. 最终干燥：最后一层涂层后需要 4 小时完全干燥

涂层厚度的声学影响：每增加 0.1mm 涂层，声波传输损失增加约 0.2dB。5 层喷涂的总厚度约 0.5mm，传输损失约 1dB，这在大多数应用中可接受。

立体声水听器部署：垂直分离距离的物理计算

水下声学的一个独特挑战是声速差异。水中的声速约 1500m/s，是空气中声速（340m/s）的 4.4 倍。这一差异直接影响立体声录音的部署策略。

"大头" 比例计算

在空气中，人类双耳间距约 6 英寸（15cm），这提供了足够的时差（ITD）和强度差（ILD）用于声源定位。在水下，要获得相同的定位效果，需要按比例放大间距。

计算公式：D_water = D_air × (v_water /v_air) 其中：D_air = 6 英寸，v_water = 1500m/s，v_air = 340m/s

计算得：D_water = 6 × (1500/340) ≈ 6 × 4.4 ≈ 26 英寸（66cm）

这意味着在水下部署立体声水听器时，两个传感器需要约 66cm 的垂直或水平分离距离，才能获得与空气中相同的空间分辨率。

垂直分离的工程实现

工作坊采用垂直分离而非水平分离，原因如下：

1. 部署便利性：从船只或平台上垂直悬挂两个水听器比水平展开更简单
2. 深度分辨率：垂直分离提供了深度维度的声源信息，对于研究不同深度生物的活动模式特别有用
3. 水流影响：垂直配置受水平水流的影响较小

部署参数建议：

• 电缆长度：两个水听器之间的电缆长度应略大于分离距离，避免张力
• 深度标记：需要在电缆上标记深度参考点
• 浮力配置：可能需要添加浮子来保持垂直姿态

电磁干扰屏蔽：铜箔包裹的技术细节

水听器在海洋环境中面临复杂的电磁干扰（EMI），包括船舶雷达、通信信号和地球磁场波动。工作坊采用铜箔包裹外壳的方法提供屏蔽。

铜箔屏蔽原理

铜箔通过两种机制提供屏蔽：

1. 反射损耗：高频电磁波在铜表面被反射
2. 吸收损耗：低频磁场在铜中感应涡流，消耗能量

对于 27mm 直径的外壳，铜箔包裹需要覆盖整个表面，包括：

• 侧面完全包裹：确保连续导电表面
• 底部部分包裹：避免与内部电路短路
• 边缘重叠：重叠部分至少 5mm，确保电气连续性

接地策略

铜箔必须正确接地才能有效工作：

1. 单点接地：铜箔通过一根导线连接到电路地线
2. 避免接地环路：确保只有一个接地连接点
3. 与压电片隔离：铜箔不能接触压电片的电极

系统集成与测试验证

完成制作后，水听器需要进行系统测试。测试分为几个阶段：

电气测试

1. 直流电阻：测量信号线与地线之间的电阻，应为 1MΩ（栅极电阻值）
2. 电容测试：测量压电片电容，确认在 15-30nF 范围内
3. 电源测试：连接录音设备，确认插件电源正常（3.3V）

声学测试

1. 敲击测试：轻轻敲击压电片，应听到清晰的 "咔嗒" 声
2. 频率响应：使用信号发生器和水下扬声器测试频率响应
3. 灵敏度校准：与参考水听器比较，测量灵敏度

防水测试

1. 浅水测试：先在浅水（<1 米）测试，确认无漏水
2. 压力测试：逐步增加深度，测试到目标深度
3. 长期浸泡：浸泡 24 小时，测试性能稳定性

应用场景扩展与改进方向

5 美元水听器虽然成本低廉，但其性能足以满足多种应用：

公民科学项目

• 鲸鱼监测网络：分布式部署，监测鲸鱼迁徙路径
• 珊瑚礁健康评估：通过声景分析评估生态系统健康
• 入侵物种检测：识别特定物种的声学特征

教育应用

• STEM 工作坊：让学生亲手制作科学仪器
• 野外考察：作为生态学课程的实践工具
• 数据科学项目：收集真实数据进行分析

技术改进方向

1. 数字接口：集成 ADC 和微控制器，直接输出数字信号
2. 无线传输：添加蓝牙或 LoRa 模块，实现无线数据传输
3. 太阳能供电：集成太阳能板，实现长期自主运行
4. 阵列配置：扩展为多元素阵列，提高空间分辨率

成本分析与供应链管理

实现 5 美元成本的关键在于元件选型和供应链优化：

元件成本分解

1. 压电陶瓷片：$0.50-1.00（批量采购）
2. JFET 和电阻：$0.30（2N5457 约 $0.15，电阻 $0.15）
3. 音频电缆：$1.00（10 米电缆分半使用）
4. 外壳材料：$0.50（3D 打印或回收塑料）
5. 硅胶和 Plasti Dip：$2.00（可制作多个水听器）
6. 杂项：$0.70（焊锡、铜箔等）

供应链建议

• 压电片：从中国供应商批量采购，单价可降至 $0.30
• 电子元件：使用 LCSC 或 DigiKey 的批量折扣
• 外壳：使用回收塑料瓶盖，成本为零
• 涂料：寻找本地替代品，降低运输成本

结论：低成本仪器的科学价值

5 美元水听器工作坊展示了如何通过巧妙的工程设计，将复杂科学仪器的成本降低两个数量级。这一方案的核心价值不仅在于成本节约，更在于其可访问性和可复制性。正如工作坊组织者在 Dinacon 2025 中演示的，7 名参与者在两小时内成功制作了功能完整的水听器，并立即用于实地录音。

这种 "快速原型 - 立即应用" 的模式，打破了传统科研仪器开发的长周期和高门槛。对于野外生物学、环境监测和教育领域，低成本、易制作的科学仪器将开启新的研究可能性。当每个学生都能拥有自己的水听器，当每个社区都能建立自己的声学监测网络，科学将真正成为大众参与的事业。

技术参数的可重复性和明确的工程指南，确保了这一方案不仅是一个有趣的工作坊，更是一个可扩展的技术平台。从单个水听器到立体声阵列，从模拟输出到数字接口，从手动记录到自动监测，这一基础设计为各种应用提供了起点。

资料来源：

1. Dinacon 2025: Passive Acoustic Listening (exclav.es) - 详细记录了 5 美元水听器工作坊的全过程
2. Zach Poff 的 PIP 立体声压电前置放大器设计 - 提供了 JFET 前置放大器的深入技术分析