Přijímač Schumannovy rezonance
Chtěl bych zde popsat prázdninový pokus, který navazuje na můj článek zveřejněný v magazínu Hamíkův Koutek číslo 183. Jedná se o experimentální přijímač v pásmu ELF (Extremly Low Frequency 3-30 Hz) se smyčkovou anténou. Právě v tomto pásmu se lze pokusit o zachycení mystické Schumannovy rezonance.
Schumannovy rezonance jsou zvýšené hodnoty elektromagnetického záření na frekvenci 7,83 Hz a souvisejících rezonančních kmitočtech. Zdrojem záření jsou impulsní signály blesků, které budí zemský rezonátor tvořený povrchem Země a ionosférou. Rezonance jsou pojmenovány po německém fyzikovi Winfriedu Ottovi Schumannovi, který je teoreticky předpověděl v roce 1955. Někteří vědci hledají spojitost mezi změnami Schumannovy rezonance, rytmem mozkových vln (EEG pásma) a změnou zemského klimatu. Na Internetu lze najít stránky, které se monitorováním parametrů Schumannovy rezonance zabývají. Lze také najít stránky s návodem na stavbu jednoduchého přijímače.
Já jsem se inspiroval články italských radioamatérů A minimal ELF loop receiver (Renato Romero, IK1QFK) a Thinking about ideal loops (Marco Bruno, IK1ODO). Oba články popisují problematiku příjmu Schumannovy rezonance pomocí smyčkové antény, která zajišťuje vazbu na magnetickou složku přijímané elektromagnetické vlny.
Moje konstrukce není zcela ideální, protože přijímač vznikl jako experiment ze šuplíkových součástek. Anténu jsem vyrobil z omezeného množství lakovaného měděného drátu průměru 0,5 až 0,8 mm, který jsem získal rozebráním síťového transformátoru a demagnetizační cívky starého televizoru Rubín C202. Z vytěžených zásob jsem vyrobil cívku antény s 200 závity o průměru 60 cm. Měřením pomocí RLC metru jsem zjistil odpor vinutí Ra = 26 Ω a indukčnost cívky La = 62 mH.
Proud tekoucí smyčkou antény je přímo úměrný intenzitě přijímaného magnetického pole, proto je v náhradním schématu reálná anténa nahrazena zdrojem proudu I1 s paralelně připojenou indukčností La a odporem Ra zapojeným na vstup předzesilovače typu převodník proudu na napětí. Proudová přenosová charakteristika obvodu antény tvoří horní propust, v mém případě s dolním mezním kmitočtem 67 Hz (červená charakteristika). Dolní mezní kmitočet by měl být co nejnižší a je roven poměru Ra / (6,28 x La).
Ideální smyčková anténa by měla mít co největší plochu, co nejvíc závitů a co nejmenší odpor Ra (to vyžaduje použít co největší průřez vodiče). Zjednodušeně řečeno, čím víc mědi, tím lépe (pokud zrovna neuvažujete o supravodiči). Vzhledem k zapojení smyčky antény na vstup s nulovou vstupní impedancí není anténa citlivá na elektrické pole. Cívku jsem přesto izoloval kobercovou páskou a odstínil hliníkovou fólií na pečení. Stínění nesmí tvořit závit na krátko, proto jsem ho přerušil v místě vyvedení vinutí a připojil na stínění kabelu do předzesilovače pouze na jedné straně. Předzesilovač tvoří dva nízkošumové operační zesilovače OP27 s pasivním LC filtrem sedmého řádu. K výrobě filtru jsem využil zásobu proudově kompenzovaných tlumivek, jejichž vinutí jsem zapojil podle obrázku.
Hodnoty náhradního sériového obvodu Ls a Rs takto získané cívky jsem změřil RLC můstkem na frekvenci 100 Hz a použil pro výpočet kapacity kondenzátorů filtru v obvodovém simulátoru Micro-Cap. Cílem bylo co nejvíc potlačit síťovou frekvenci 50 Hz a zachovat konstantní přenos v rozsahu první (7,83 Hz) až třetí (20,8 Hz) Schumannovy rezonanční frekvence.
Skutečné zapojení předzesilovače obsahuje navíc trimr 10 kΩ pro nulování napěťové nesymetrie prvního operačního zesilovače (viz katalogové zapojení OP27) a rezistor 100 Ω na výstupu druhého zesilovače.
Během pokusů o zachycení Schumannovy rezonance jsem narážel na všudypřítomné rušivé magnetické pole proudů síťových rozvodů tekoucích v zemi. Nejvíce vadila subharmonická síťová frekvence 16,6 Hz (50 / 3) a blízké superponované meziharmonické kmitočty od zařízení připojených v síti. Občas se ve spektru vyskytlo jiné rušení, například subharmonický síťový kmitočet 10 Hz (50 / 5) nebo signály neznámých ELF vysílačů. Intenzita rušení ze síťových rozvodů klesá s rostoucí vzdáleností od elektrických vedení, ale naprosto čisté pásmo jsem nenašel ani hluboko v lese. Dalším problémem byla obrovská citlivost na mechanické vibrace antény v magnetickém poli Země, ale také předmětů v okolí antény. Vadil i lehký vánek a okem neviditelné vibrace stromů. Tyto vibrace vytvářely falešné a poměrně stabilní pásy kmitočtů s proměnnou amplitudou závislou na síle větru. Nelze také opomenout hledání a omezení zdrojů šumu v přijímací cestě. Z tohoto důvodu jsem zvolil pasivní filtr, doporučené nízkošumové operační zesilovače, napájení akumulátorem a přímé pájení vodičů pokud možno bez konektorů.
Po zkušenostech ve volné přírodě jsem se rozhodl umístit anténu do sklepa, co nejdál od všech elektrických vedení a co nejhlouběji pod úroveň země (v mém případě asi 1,5 m). Zvažoval jsem i studnu. Lokalita na kraji vesnice pod horami dávala naději, že zde nebude silné rušení. Cívka antény musí být umístěna vertikálně k zemi. Ideální je natočit plochu cívky na spojnici sever – jih, odkud by měla přicházet nejsilnější amplituda Schumannovy rezonance. V mém případě bylo ideální natočení dáno nalezením směru minimálního rušení (přibližně SZ – JV). Předzesilovač byl umístěn vedle antény a napájen akumulátorem 9 V. Signál z předzesilovače vedl stíněným kabelem do obytné místnosti a mikrofonního vstupu počítače napájeného ze síťové zásuvky. Časový záznam spektra 0–51 Hz probíhal automatickým hodinovým ukládáním snímků spektra na obrazovce pomocí volně dostupného programu Spectrum Lab od DL4YHF (FFT rozlišení 32768, audio 1000 vzorků/s, softwarové zesílení 20 dB).
Na vybraných snímcích ve fotogalerii je vidět značný rozdíl intenzity rušení ve dne a v noci. Na frekvenci 7,83 Hz lehce vystupuje zvýšená hladina šumu první Schumannovy rezonance. Vyšší Schumannovy rezonance jsou utopeny v rušení a šumu přijímače. Na denním snímku jsou vidět místa, kdy došlo k silnému vybuzení zemského rezonátoru a ze spektra vykoukly signály druhé a třetí Schumannovy rezonance. Hodnoty rezonančních frekvencí jsou prakticky konstantní, dochází pouze k nepatrným odchylkám vlivem změn ve vrstvách ionosféry. Mnohem větší odchylky mohou nastat v amplitudě rezonancí vlivem změn intenzity bouřkové činnosti. Signály Schumannovy rezonance zachycené tímto přijímačem byly na hranici čitelnosti vlivem silného okolního rušení a málo účinné antény. Metody pro dosažení lepších výsledků jsou popsány výše a v uvedených odkazech.
