Versuche mit „Natural Radio“

Montag, 2. Januar 2017

Einfache elektronische Schaltungen ermöglichen es, den elektromagnetischen Signalen der Erdatmosphäre – auch "Natural Radio" genannt – zu lauschen.

Inhaltsverzeichnis

Als "Natural Radio" wird im englischen Sprachgebrauch der Empfang elektromagnetischer Signale der Erdatmosphäre bezeichnet, die im Audio-Frequenzberich auftreten. Diese Signale werden z.B. als "Sferics" (Knistern und Knacken) und "Whistler" (Pfeiftöne mit absteigender Frequenz) hörbar und entstehen z.B. durch die Interaktion von oft tausenden von Kilometern entfernten Blitzeinschlägen mit der Ionosphäre. Am häufigsten sind Gewitterblitze in Form von Sferics (Knistern und Knacken) zu hören. Durch extremes Verlangsamen der Aufnahme sind diese dann noch viel detailreicher hörbar.

Die benötigten Empfänger sind extrem einfach aufgebaut und bestehen neben einer Antenne im Prinzip nur aus einem Audioverstärker und ggf. einigen Filterstufen zum Reduzieren von Störsignalen wie Hochspannungsleitungen oder VLF-Sendern. Wichtig für guten Empfang (und gar nicht so einfach zu finden) sind Orte mit möglichst wenig "Elektrosmog", d.h. möglichst weit entfernt von Hochspannungsleitungen und Industrieanlagen und Bebauung. In der Wohnung ist der Einsatz dieser Empfänger i.d.R. nicht möglich.

Da meine Versuche (Stand 31.12.2016) bisher nur tagsüber stattfanden, habe ich nur sogenannte "Sferics" aufnehmen können. Ich habe aber vor, demnächst auch Aufnahmen von "Tweeks" und "Whistlern" zu machen. Dies ist allerdings nur nachts in den Stunden kurz vor und nach Sonnenaufgang möglich. Hierfür warte ich auf etwas wärmeres Wetter (zumindest sollte es dann nicht gerade unter 0°C sein).

Aufnahmen

Es folgen einige Audio-Aufnahmen von ersten Versuchen mit verschiedenen Empfängern. Die Aufnahmen vom 22.12.2016 (Nr. 1 bis 9) enthalten ausschließlich Sferics (Knistern und Knacken), die von entfernten Blitzeinschlägen stammen. Bei Originalgeschwindigkeit hört man vorwiegend helle Klicks. Bei verlangsamter Geschwindigkeit sind darüberhinaus mehr Differenzierungen auszumachen – manche Sferics gehen hier frequenzmäßig bis tief in den Bassbereich hinunter, anderen folgt ein Prasseln, das an Silvester-Feuerwerk erinnert.

Bei den hier verlinkten MP3-Dateien handelt es sich um komprimierte Zusammenstellungen, bei denen die Stellen mit den höchsten Aktivitäten zusammengeschnitten wurden. Im Normallfall folgen die Sferics nicht in dieser Häufigkeit aufeinander – zumindest nicht im Winter und zur Mittagszeit. Da die Aufnahmeorte nicht frei von elektrischen Störfeldern waren, wurden die Aufnahmen außerdem mit Hilfe des FFT-Filters von Adobe Audition nachbearbeitet (siehe hierzu auch den Abschnitt "Störfrequenzen").

Mit Ausnahme von Nr. 1 und 2 wurden sämliche Aufnahmen mit einer Sample-Frequenz von 96 kHz und einer Sample-Auflösung von 24 Bit als WAV-Dateien vorgenommen. Die MP3-Dateien wurden aus Platzgründen auf 44,1 bzw. 11,025 kHz und 16 Bit heruntergesampelt. Bei den verlangsamten Aufnahmen wurde die Abspielgeschwindigkeit durch Änderung der Sample-Frequenz von 96 kHz auf 6 kHz auf 1/16 der Originalgeschwindigkeit reduziert. Die Angaben zu "Ort" und "Empfänger" verweisen auf Detailbeschreibungen weiter unten auf dieser Seite.

(Tipp: Die folgenden Bilder anklicken, um sie in voller Größe zu sehen!)

Ort

Die Aufnahmen wurden im nördlichen Teil von 85540 Haar vorgenommen. Die einzelnen Orte wurden auf den folgenden Karten gekennzeichnet:

Empfänger

Für alle Aufnahmen wurden die nachfolgend aufgeführten Empfänger an den Mikrofoneingang eines digitalen Audiorecorders (Roland R-05) angeschlossen.

Atmospherics Monitor

Dieser Empfänger besteht aus einer Ferritantenne zum Empfang der magnetischen Feldkomponente, einem NF-Verstärker mit niedriger Eingangsimpedanz und einigen Tief- und Hochpässen. Mit Hilfe der richtungsempfindlichen Ferritantenne können Störungen von Hochspannungsleitungen etc. durch Drehen des Gerätes minimiert werden.

Details einblenden

Die Schaltung stammt aus der Zeitschrift "Everyday Practical Electronics, April 2003" und ist als PDF hier zu finden. Dort wird auch beschrieben, was es noch alles an möglichen atmosphärischen Signalen im VLF-Bereich gibt, die damit empfangen werden können sollen.

Anstelle des Piezo-Wandlers habe ich eine Kopfhörerbuchse (Stereo-Klinke 3,5 mm) eingebaut (über einen Elko von 100 µF mit Pin 7 von IC2b verbunden). Die Abschirmung aus Weißblech habe ich nachträglich angebracht, um bei hoher Verstärkung die induktive Rückkopplung zwischen der Spule und der Schaltung zu reduzieren (es hat auch etwas geholfen, konnte sie aber leider nicht vollständig unterbinden). Der Audiorecoder wird an die seitlich angebrachte Cinch-Buchse (Mikrofonpegel) angeschlossen. Zum Mithören kann ein Kopfhörer entweder an die Kopfhörerbuchse oder an den Audiorecorder angeschlossen werden. Mit angeschlossenem Kopfhörer muss man jedoch aufpassen, dass die Verstärkung nicht zu hoch eingestellt wird und plötzlich ein lautes hochfrequentes Rückkopplungspfeifen ertönt. Das Verstärkungspoti VR2 lasse ich immer auf Minimum (entspricht Verstärkungsfaktor 1 der Ausgangsstufe IC2a) und regle die Lautstärke über das im Kopfhörer integrierte Lautstärkepoti. VR2 könnte man in meinem Fall demnach genausogut weglassen und durch eine Drahtbrücke ersetzen. Bei der Verwendung des Gerätes muss man auch aufpassen, dieses ruhig zu halten, da die Ferritantenne auch jede mechanische Schwingung aufnimmt.

Hier eine Beschreibung meiner ersten Versuche mit diesem Gerät.

Elektretmikrofon-FET-Antenne

Bei diesem Einfachst-VLF-Empfänger handelt es sich um eine kleine Teleskopantenne von 48 cm Länge, die über einen Kondensator von 0,5 pF an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors (FET) aus einer "geschlachteten" Elektret-Kapsel gelötet wurde. Er dient zum Empfang der elektrischen Feldkomponente.

Details einblenden

Die Idee, einen Einfachst-VLF-Empfänger aus nur einer Antenne, einem FET, einem Kondensator und einem Widerstand in das Gehäuse eines 3,5-mm-Klinkensteckers zum Anschluss an den Mikrofoneingang eines Audiorecoders einzubauen, ist nicht neu (siehe z.B. hier). Das Problem war in meinem Fall nur der sehr hochohmige Widerstand, der nicht in der erforderlichen kleinen Baugröße vorhanden war. Der größte Wert betrug 4,7 MΩ, jedoch wurde der FET hierdurch ziemlich unempfindlich im Vergleich zu einem 100-MΩ-Widerstand. Es musste also eine andere Lösung her. – Wie wird das denn in Elektret-Mikrofonen gemacht...?

Eine Elektret-Mikrofonkapsel enthält ebenfalls einen N-Kanal-Sperrschicht-FET (JFET), der über die Mikrofonbuchse des Aufnahmerecoders mit Strom versorgt wird ("plug-in power"). Der Gate-Anschluss des FET ist mit einer kleinen, runden, isolierten Metallplatte verbunden, die zusammen mit der Membran des Mikrofons einen Kondensator bildet. Die von mir "geschlachtete" Mikrofonkapsel enthielt einen FET mit dem Aufdruck "K65". Ein hochohmiger Widerstand zwischen Gate und Source war nicht zu sehen. Laut Datenblatt enthält der K65 zwischen Gate und Source eine Diode – vermutlich fungiert diese auch als ein sehr hochohmiger Widerstand, der das Gate gegenüber der Source negativ vorspannt.

Es lag also nahe, den FET aus der Mikrofonkapsel auszubauen und anstelle der Metallplatte des Mikrofons eine Teleskopantenne an das Gate anzuschließen. Da der effektive Widerstand zwischen Gate und Source extrem hochohmig ist (Burkhard Kainka hat in einem Versuch 100 GΩ ermittelt!), kann der Koppelkondensator zwischen Antenne und Gate entsprechend klein ausfallen. Der kleinste Kondensator, den ich finden konnte, hatte einen Nennwert von 0,5 pF. Selbst damit beträgt die Zeitkonstante noch 50 ms, bzw. die untere Grenzfrequenz 3 Hz! Anstelle des Kondensators zwischen Antenne und Gate hätte es wahrscheinlich auch genügt, den freistehenden Gate-Anschluss mit 2-3 Windungen isolierten Drahtes zu umwickeln und daran die Antenne anzuschließen.

Die Teleskopantenne und der Stecker wurden einfach mit Hilfe von Kunststoffhülsen und Schrumpfschlauch miteinander verbunden. Die Antenne kann direkt in die Mikrofonbuchse des Audiorecoders gesteckt werden und wird hierüber auch mit Strom versorgt (ggf. muss hierzu im Menü des Recorders die Mikrofonspannung eingeschaltet werden).

Aufgrund der Nähe der Antenne zum Recorder können elektrische Störfelder vom LC-Display empfangen werden. Hiergegen hilft Abdecken des Displays mit der Hand oder ggf. Alufolie, in die das Gerät eingewickelt wird, oder Vergrößern des Abstandes zwischen Antenne und Recoder mit einem Verlängerungskabel.

VLF-Empfänger

Dieser Empfänger verfügt über eine Teleskopantenne von 120 cm Länge, eine FET-Eingangsstufe zur Impedanzanpassung und einige Filter aus Operationsverstärkern zur Reduzierung von Störfrequenzen. Auch er empfängt die elektrischen Feldkomponente.

An den Ausgang kann entweder ein Kopfhörer oder ein Audiorecorder angeschlossen werden. Das Aluminiumgehäuse des Empfängers ist zusätzlich mit einer Metallbuchse zum Anschluss eines Erdungsblechs versehen. Dieses kann während der Aufnahme in den Erdboden gesteckt werden, um eine höhere Feldstärke zu erzielen. In der Regel genügt es jedoch, das Gerät in der Hand zu halten.

Details einblenden

Die Originalschaltung stammt von Stephen P. McGreevy und beinhaltet einen Pi-Filter aus Spule und Kondensatoren, um irgendwelche irdischen VLF-Sender abzuschwächen. Da ich keine passende Induktivität vorrätig hatte, habe ich stattdessen einen Hoch- und einen Tiefpass auf Operationsverstärker-Basis aufgebaut.

Ursprünglich hatte ich zusätzlich noch einen LC-Tiefpass (20 kHz) direkt hinter der Antenne vorgesehen, um schon von vorn herein eventuelle starke VLF- oder AM-Sender auszufiltern, aber das hat sich irgendwie als Schuss in den Ofen erwiesen, da hierdurch immer eine hohe Frequenz im Ausgangssignal vorhanden war, die der Resonanzfrequenz aus L und C des vermeintlichen Tiefpasses entsprach (etwas weniger, vermutlich wegen zusätzlicher Kapazitäten der FET-Eingangsstufe). Interessant war auch: Als ich den Antenneneingang mal probeweise gegen Masse kurzgeschlossen habe, so dass sich ein Parallelschwingkreis ergab, hat das Ding auf einmal irgend ein periodisches Piepen empfangen. Zuerst dachte ich, das wäre der DCF77 gewesen, aber die Periode war etwas länger als 1 Sekunde, also konnte das nicht sein. Zudem war der Schwingkreis auf ca. 16 kHz abgestimmt. Seltsam...

Da der misslungene LC-Tiefpass also mehr Probleme machte als er verhindern sollte, habe ich die Induktivität letztlich durch einen 1M-Widerstand ersetzt, so wie es auch der Originalschaltung entspricht. Im Nachhinein hat sich auch die Gesamtverstärkung der Schaltung als viel zu hoch herausgestellt, weswegen ich die beiden 1M-Potis im Gegenkopplungspfad des 1. und 4. OpAmps mit 22k-Festwiderstände überbrückt habe. Nach Adam Riese beträgt die Gesamt-Spannungsverstärkung der 4 OpAmp-Stufen nun gerade mal 5 – und trotzdem ist damit sehr lauter Kopfhörerbetrieb möglich (zumindest, was die EM-Störungen in der Wohnung betrifft).

Modifikation:

1. Ersetzung der Drossel (2853 mH) durch einen Widerstand (1M).

Die Drossel sollte eigentlich in Verbindung mit dem 22p-Kondensator einen 20-kHz-Tiefpass 2. Ordnung ergeben. Stattdessen wurde hierdurch ein hochfrequentes Pfeifen (ca. 13 kHz) erzeugt. Anscheinend wirkten L und C als Serienschwingkreis und hat die Resonanzfrequnez bevorzugt durchgelassen. Der 1M-Widerstand entspricht nun der Originalschaltung des "BBB-4" von Stephen P. McGreevy.

2. Überbrücken der beiden 1M-Potis mit 22k-Widerständen.

Es hatte sich herausgestellt, dass die Gesamtverstärkung der Schaltung viel zu hoch ist und es dann zu Schwingungen kommt. Mit einer Verstärkung von jweils 2,2 – insgesamt also knapp 5 – wird gute Kopfhörer-Lautstärke (2 x 32 Ohm parallelgeschaltet) bzw. ein guter Line-Pegel erreicht. Und sollte in einer störungsfreien Umgebung mal mehr Verstärkung benötigt werden, kann der Mic-Eingang des Recorders verwendet werden.

Zweikanal-Aufnahme

Über ein speziell angefertigtes Audiokabel wurde der Atmospherics Monitor an den linken und der VLF-Empfänger an den rechten Kanal des Mikrofoneingangs des Audiorecorders angeschlossen. So wird ein direkter Vergleich der magnetischen mit der elektrischen Feldkomponente des empfangenen Signals ermöglicht.

Störfrequenzen

Obwohl die nächsten Hochspannungsleitungen mehrere km vom Empfangsort entfernt verliefen (die Oberleitung der S-Bahn war 2,5 km entfernt) (siehe Bild "Stromleitungen" unten), war ein störungsfreier Empfang atmosphärischer Aktivitäten aufgrund vielfältiger technischer Störquellen kaum möglich (siehe Bild "Störfrequenzen" unten). Eine nachträgliche Filterung der Aufnahmen per Software kann daher manchmal sinnvoll sein – vor allem dann, wenn die Aufnahmen verlangsamt werden und dadurch hochfrequente Störsignale in den hörbaren Frequenzbereich verschoben werden. Die hier gezeigten Filter-Beispiele beziehen sich auf die Audio-Bearbeitungs-Software "Adobe Audition 1.0".

Wichtig: Filter sollten grundsätzlich nur sparsam angewendet werden, denn je mehr Frequenzanteile aus dem Signal herausgefiltert werden, umso mehr wird auch das Nutzsignal beeinträchtigt und somit verfälscht.

Nachfolgend eine Auflistung möglicher Störungen und Maßnahmen zu deren Reduzierung:

Netzbrummen

Vor allem bei Verwendung der Elektretmikrofon-FET-Antenne, die im Gegensatz zum VLF-Empfänger über keinerlei Filterstufen verfügt, war auf den Aufnahmen ein starkes 50-Hz-Netzbrummen inklusive Oberwellen bis ca. 1 kHz präsent.

Details einblenden

Mit einem passenden FFT-Filter kann dem Netzbrummen auf den Aufnahmen der Garaus gemacht werden:

Audiobeispiel

Hochfrequentes Dauerpfeifen

Zusätzlich zum Netzbrummen wurde ein starkes hochfrequentes Dauerpfeifen im Frequenzband zwischen etwa 17 und 25 kHz empfangen, das zwar bei Normalgeschwindigkeit nicht weiter stört, da es außerhalb des für Menschen wahrnehmbaren Frequenzbereichs liegt (jedenfalls bei mir), das aber nach Verlangsamen der Aufnahme (in Audition mittels "Edit > Adjust Sample Rate...") in den hörbaren Bereich rückt und dann extrem störend wirkt. Vermutlich handelt es sich bei diesen Signalen um VLF-Sender zur U-Boot-Kommunikation wie z.B. die Marinefunksendestelle Rhauderfehn, die auf 23,4 kHz sendet, was auch dem stärksten der empfangenen Signale in diesem Frequenzbereich entspricht (weitere Frequenzen von VLF-Sendern sind hier aufgelistet).

Details einblenden

Mit einem passend zurechtgebastelten FFT-Filter lässt sich auch diesem Nervtöter zu Leibe rücken:

Audiobeispiel

Wiederkehrende Tonfolge

Ebenfalls nur bei verlangsamter Abspielgeschwindigkeit hörbar (leise zwar, aber trotzdem störend) ist eine regelmäßig wiederkehrende Folge aus 4 Tönen: 12500 Hz – 15625 Hz – 13281 Hz – 12695 Hz:

Verlangsamtes Tonbeispiel

Jeder Einzelton dauert ca. 0,386 Sekunden und erfolgt alle 0,6 Sekunden. Die gesamte Tonfolge wiederholt sich etwa alle 3,6 Sekunden. Vermutlich handelt es sich hierbei um Signale des russischen Funknavigationssystems "Alpha" (siehe dazu auch diesen Artikel).

Details einblenden

Zum Entfernen der Töne in der verlangsamten Aufnahme kann ein FFT-Filter (2 Notch-Filter: 750-850 Hz und 930-1040 Hz) angewendet werden:

Audiobeispiel

Audiorecorder

Auch digitale Audiorecorder können elektrische Störfelder verursachen, die von den empfindlichen VLF-Empfängern empfangen werden können. Vor allem LC-Displays senden breitbandige Störsignale aus, die sich auf der Aufnahme als "Knattern" manifestieren.

Details einblenden

Hiergegen hilft entweder das Vergrößern des Abstandes zwischen Antenne und Recoder mit einem Verlängerungskabel, oder Abschirmen des Displays, z.B. mit der Hand, durch Einwickeln des Gerätes in Alufolie oder mittels eines Abschirmblechs:

Um herauszufinden, ob der Audiorecorder Störungen beim Empfang verursacht, kann dieser testweise zusammen mit dem Empfänger in einer Blechdose zur Abschirmung äußerer Störfelder untergebracht werden. Dose und Deckel müssen dazu elektrisch mit der Gerätemasse verbunden werden. Ein Test des von mir verwendeten Audiorecorders "Roland R-05" mit angeschlossener Elektretmikrofon-FET-Antenne ergab, dass von dem Recorder keinerlei elektrische Störfelder ausgehen – abgesehen von dem des LC-Displays, das jedoch durch Umwickeln des Audiorecorders mit Alufolie vollständig abgeschirmt werden konnte:

1. Recorder und Antenne in Faradayschem Käfig

Audiobeispiel

2. Recorder zusätzlich mit Alufolie umwickelt

Audiobeispiel

Handy etc.

Mitgeführte elektronische Geräte (Handys, Smartphones) sollten während der Aufnahme ausgeschaltet werden. Selbst wenn das Smartphone in den "Flugzeugmodus" geschaltet wird, sendet es noch Störfrequenzen aus, was sich leicht durch Annähern der Antenne an das Gerät feststellen lässt.

Links

• Natural Radio Lab – Einsteiger-Informationen zum Thema "Natural Radio" (Englisch)
• Radio Waves below 22 kHz (vlf.it) – Umfangreiche Seite mit vielen technischen Artikeln (Englisch)
• The INSPIRE Project – Seite der NASA über den VLF-Empfang, die sich an Schüler und Studenten richtet.
• AuroralChorus.com – Seite von Stephen P. McGreevy, u.a. mit technischen Informationen zum VLF-Empfänger "BBB-4"
• VLF Natural Radio Reception – Schaltungen einiger VLF-Empfänger zum Nachbauen
• Brian M. Lucas: Atmospherics Monitor und David Ashton: Fixing an Atmospheric Monitor – 2 Artikel über Bau und Reparatur des Atmospherics Monitor
• Live VLF Natural Radio – A collection of live natural radio streams of the VLF band
• SpaceWeather.com – News and information about meteor showers, solar flares, auroras, and near-Earth asteroids