W poście wyjaśniono konstrukcję ultradźwiękowego systemu głośnikowego, zwanego również głośnikiem parametrycznym, który może być używany do przesyłania częstotliwości audio w wybranym miejscu lub strefie, tak aby osoba znajdująca się dokładnie w tym miejscu była w stanie usłyszeć dźwięk, podczas gdy osoba obok on lub tuż poza strefą pozostaje całkowicie nietknięty i nieświadomy przebiegu postępowania.

Wynaleziony i zbudowany przez Kazunori Miura (Japonia)

Doskonałe wyniki uzyskane podczas testów urządzenia akustycznego dalekiego zasięgu (LRAD) zainspirował American Technology Corporation do przyjęcia nowej nazwy i został zmieniony na LRAD corporation 25 marca 2010. Nazywany również Audio Spotlight, jest produktem Holosonic Research Labs, Inc. i jest używany do zastosowań pozamilitarnych.

Urządzenie jest przeznaczone do generowania intensywnie skupionych wiązek dźwięku tylko na określonym obszarze. Urządzenie może być dobrze przystosowane do miejsc takich jak muzea, biblioteki, galerie wystawiennicze, gdzie jego wiązka dźwiękowa może posłużyć do wysłania ostrzeżenia lub poinstruowania konkretnej osoby, która popełnia błędy, podczas gdy inni wokół mogą działać w całkowitej ciszy.

Skoncentrowane efekty dźwiękowe z takiego parametrycznego systemu głośników są tak dokładne, że każdy, kto jest nim skierowany, jest ogromnie zaskoczony, gdy doświadcza skupionej treści dźwiękowej, którą słyszy tylko on, podczas gdy facet tuż obok niego pozostaje tego całkowicie nieświadomy.

Zasada działania głośnika parametrycznego

Technologia głośników parametrycznych wykorzystuje fale dźwiękowe w zakresie naddźwiękowym, które charakteryzują się przemieszczaniem się prawie w linii wzroku.

Można się jednak dziwić, że skoro zakres naddźwiękowy może być poza znakiem 20 kHz (dokładnie 40 kHz), może być całkowicie niesłyszalny dla ludzkiego ucha, więc w jaki sposób system jest w stanie sprawić, że fale będą słyszalne w strefie skupienia?

Jedną z metod realizacji tego jest użycie dwóch wiązek 40 kHz, z których jedna ma częstotliwość audio 1 kHz nałożona i ustawiona pod kątem, aby spotkać się w ukierunkowanym punkcie, w którym dwie treści 40 kHz znoszą się nawzajem, pozostawiając słyszalną częstotliwość 1 kHz w tym konkretnym miejscu.

Pomysł może wyglądać na prosty, ale wynik może być zbyt nieefektywny ze względu na niski poziom głośności w miejscu, do którego jest skierowany, niewystarczająco dobry, aby ogłuszyć lub obezwładnić docelową osobę, zupełnie w przeciwieństwie do LRAD.

Inne nowoczesne metody wytwarzania dźwiękowego dźwięku kierunkowego za pomocą fal naddźwiękowych to modulacja amplitudy (AM), modulacja podwójnego pasma bocznego (DSB), modulacja pasma bocznego (SSB), modulacja częstotliwości (FM), wszystkie koncepcje zależą od niedawno zbadanej technologii parametrycznych systemów głośnikowych. .

Nie trzeba dodawać, że fala naddźwiękowa 110 dB + może być nierównomierna ze względu na rozkład siły dźwięku, gdy jest w trakcie propagacji przez długą „rurkę” powietrza.

Ze względu na niejednorodność ciśnienia akustycznego mogą wystąpić ogromne zniekształcenia, które mogą być wysoce niepożądane w przypadku zastosowań w spokojnych miejscach, takich jak muzea, galerie itp.

Powyższa nieliniowa odpowiedź jest spowodowana faktem, że cząsteczki powietrza zajmują stosunkowo więcej czasu, aby ustawić się do ich poprzedniej pierwotnej gęstości w porównaniu z czasem potrzebnym na ich sprężenie. Dźwięk wytwarzany przy wyższym ciśnieniu powoduje również wyższe częstotliwości, które mają tendencję do generowania fal uderzeniowych, podczas gdy cząsteczki zderzają się z kompresowanymi.

“jak zrobić nadajnik i odbiornik radiowy ”

Mówiąc ściślej, ponieważ słyszalna treść składa się z wibrujących cząsteczek powietrza, które raczej nie są całkowicie `` powracające '', dlatego wraz ze wzrostem częstotliwości dźwięku niejednorodność zmusza zniekształcenie do znacznie słyszalności z powodu efektu, który mógłby być najlepszy definiowana jako „lepkość powietrza”.

Z tego powodu producent odwołuje się do koncepcji głośników zgodnych z dyrektywą DSP, która zakłada znacznie lepszą reprodukcję dźwięku przy minimalnych zniekształceniach.

Uzupełnieniem powyższego jest wysoce zaawansowany parametryczny układ głośników z przetwornikiem w celu uzyskania jednokierunkowych i wyraźnych plam dźwiękowych.
Wysoka kierunkowość stworzona przez te głośniki parametryczne wynika również z ich małych charakterystyk szerokości pasma, które można zwiększyć zgodnie z wymaganą specyfikacją, po prostu dodając wiele takich przetworników w układzie matrycowym.

Zrozumienie koncepcji parametrycznego 2-kanałowego modulatora głośników

DSB można łatwo wykonać za pomocą analogowych obwodów przełączających. Wynalazca początkowo próbował tego i chociaż udało mu się uzyskać głośny dźwięk, towarzyszyło temu cholernie dużo zniekształceń.

Następnie wypróbowano obwód PWM, w którym zastosowano koncepcję zbliżoną do technologii FM, chociaż wynikowy dźwięk był znacznie wyraźny i wolny od zniekształceń, stwierdzono, że intensywność jest znacznie słabsza w porównaniu z DSB.

Wadę ostatecznie rozwiązano, ustawiając dwukanałowy zestaw przetworników, z których każdy zawiera aż 50 numerów przetworników 40 kHz połączonych równolegle.

Zrozumienie obwodu Audio Spotlight

Odnosząc się do parametrycznego głośnika lub obwodu głośnika dyrektywy ultradźwiękowej pokazanego poniżej, widzimy standardowy obwód PWM skonfigurowany wokół generatora PWM IC TL494.

Sygnał wyjściowy z tego stopnia PWM jest podawany do półmostkowego stopnia sterownika mosfet za pomocą wyspecjalizowanego układu scalonego IR2111.

IC TL494 ma wbudowany oscylator, którego częstotliwość można ustawić za pośrednictwem zewnętrznej sieci R / C, tutaj jest reprezentowana przez wstępnie ustawione R2 i C1. Podstawowa częstotliwość oscylacyjna jest regulowana i ustawiana przez R1, podczas gdy optymalny zakres jest określany przez odpowiednie ustawienie R1 i R2 przez użytkownika.

Wejście audio, które musi być skierowane i nałożone na wyżej ustawioną częstotliwość PWM, jest podawane do K2. Należy pamiętać, że wejście audio musi być wystarczająco wzmocnione za pomocą małego wzmacniacza, takiego jak LM386 i nie może być zasilane przez gniazdo słuchawkowe urządzenia audio.

Ponieważ sygnał wyjściowy ze stopnia PWM jest podawany przez podwójny półmostkowy układ scalony, końcowe wzmocnione naddźwiękowe parametry wyjściowe można uzyskać za pomocą dwóch wyjść na pokazanych 4 fetach.

Wzmocnione wyjścia są podawane do szeregu wysoce wyspecjalizowanych przetworników piezoelektrycznych 40 kHz poprzez optymalizującą cewkę indukcyjną. Każdy z układów przetworników może składać się łącznie z 200 przetworników połączonych równolegle.

Mosfety są zwykle zasilane napięciem 24 V DC do sterowania piezos, które może pochodzić z oddzielnego źródła 24 V DC.

Na rynku może być dostępnych wiele takich przetworników, więc opcja ta nie jest ograniczona do żadnego konkretnego typu lub oceny. Autor preferował piezoelektryczne o średnicy 16 mm przypisane zwykle do częstotliwości 40 kHz.

Każdy kanał musi zawierać co najmniej 100 takich kanałów, aby wygenerować rozsądną odpowiedź, gdy jest używany na zewnątrz w warunkach dużego zamieszania.

Rozstaw przetworników ma kluczowe znaczenie

Odstęp między przetwornikami ma kluczowe znaczenie, aby faza tworzona przez każdy z nich nie była zakłócana ani anulowana przez sąsiednie jednostki. Ponieważ długość fali wynosi zaledwie 8 mm, błąd pozycjonowania nawet 1 mm może skutkować znacznie mniejszą intensywnością z powodu błędu fazy i utraty SPL.

Z technicznego punktu widzenia przetwornik ultradźwiękowy naśladuje zachowanie kondensatora, a zatem może być zmuszony do rezonansu, włączając cewkę szeregową.

Dlatego włączyliśmy szeregowo cewkę indukcyjną, aby osiągnąć tę funkcję w celu optymalizacji przetworników do ich maksymalnych granic wydajności.

Obliczanie częstotliwości rezonansowej

Częstotliwość rezonansową przetwornika można obliczyć z następującego wzoru:

fr = 1 / (2pi x LC)

Pojemność wewnętrzna przetworników 40 kHz może wynosić około 2 do 3 nF, a zatem 50 z nich równolegle dałoby pojemność netto około 0,1 uF do 0,15 uF.

Korzystając z tej liczby w powyższym wzorze, otrzymujemy wartość induktora mieszczącą się w przedziale od 60 do 160 uH, która musi być uwzględniona w szeregu z wyjściami sterownika mosfetów w A i B.

Cewka indukcyjna wykorzystuje pręt ferrytowy, jak widać na poniższym rysunku. Użytkownik może podnieść odpowiedź rezonansową, regulując pręt, przesuwając go w cewce, aż do trafienia w optymalny punkt.

Schemat obwodu

obwód ultradźwiękowego systemu głośnikowego dyrektywy lub głośnika parametrycznego

Pomysł na obwód dzięki uprzejmości: elektronika Elektor.

W moim prototypie eksperymentowałem z transformatorem audio, jak pokazano poniżej, dla wymaganego wzmocnienia, z jednym wspólnym zasilaniem 12V. Nie korzystałem z kondensatorów rezonansowych, przez co wzmocnienie było zbyt niskie.

Słyszałem efekt z odległości 1 stopy dokładnie w linii prostej z przetwornikiem. Nawet niewielki ruch spowodował zanik dźwięku.

Cewka głośnikowa (mały transformator wyjściowy audio):

Jak podłączyć transformator i przetworniki

Szczegóły okablowania przetwornika można zobaczyć na poniższym rysunku, potrzebne będą dwa takie zestawy do połączenia z punktami A i B obwodu.

Transformator może być odpowiedni Podnieś transformator w zależności od liczby wybranych przetworników.

Obraz prototypowy : Powyższy parametryczny obwód głośników został pomyślnie przetestowany i potwierdzony przeze mnie przy użyciu 4 przetworników ultradźwiękowych, które odpowiadały dokładnie tak, jak określono w wyjaśnieniu artykułu. Ponieważ jednak zastosowano tylko 4 czujniki, sygnał wyjściowy był zbyt niski i można go było usłyszeć tylko z metra.