Cum se realizează un circuit de difuzoare cu ultrasunete

Postul explică construcția unui sistem de difuzoare cu ultrasunete directivă, numit și difuzor parametric, care poate fi utilizat pentru a transmite o frecvență audio pe un punct sau zonă vizată, astfel încât persoana situată exact în acel punct să poată auzi sunetul în timp ce persoana de lângă el sau chiar în afara zonei rămâne complet neatins și nu știe de proceduri.

Inventat și construit de Kazunori Miura (Japonia)

Rezultatele remarcabile obținute în urma testării dispozitivului acustic pe distanțe lungi (LRAD) a inspirat American Technology Corporation să adopte un nou nume pentru acesta și a fost schimbat în corporație LRAD pe 25 martie 2010. De asemenea, numit Audio Spotlight, este un produs al Holosonic Research Labs, Inc și este utilizat pentru aplicații non-militare.

Dispozitivul este conceput pentru a genera fascicule de sunet intens concentrate numai pe o zonă vizată. Unitatea poate fi potrivită în locuri cum ar fi muzee, biblioteci, galerii de expoziție în care fasciculul său sonor poate fi folosit pentru a trimite un mesaj de avertizare sau pentru a instrui o anumită persoană care se comportă rău, în timp ce altora din jur li se permite să continue în liniște perfectă.

Efectele sonore focalizate dintr-un astfel de sistem de difuzoare parametrice sunt atât de exacte încât oricine este vizat de el devine extrem de surprins să experimenteze conținutul sonor focalizat care este auzit doar de el în timp ce tipul de lângă el rămâne complet conștient de el.

Principiul de lucru al unui difuzor parametric

Tehnologia difuzoarelor parametrice folosește unde sonore în gama supersonică, care au caracteristica de a călători prin aproape linia de vedere.

Cu toate acestea, ne putem întreba că, din moment ce domeniul supersonic poate depăși semnul de 20 kHz (40 kHz, mai exact), ar putea fi absolut inaudibil pentru urechile umane, deci cum poate sistemul să facă undele audibile în zona focalizată?

O metodă de punere în aplicare este de a utiliza două fascicule de 40kHz cu una care are o frecvență audio de 1kHz suprapusă și înclinată pentru a se întâlni în punctul îndreptat în care cele două conținuturi de 40kHz se anulează reciproc, lăsând frecvența de 1kHz audibilă în acel punct special.

Ideea poate arăta simplă, dar rezultatul ar putea fi prea ineficient din cauza sunetului cu volum redus la locul îndreptat, nu suficient de bun pentru a uimi sau incapacita persoanele vizate, contrar LRAD.

Alte metode moderne de producere a sunetului directiv audibil folosind unde supersonice sunt prin modulație de amplitudine (AM), modulație cu bandă laterală dublă (DSB), modulație cu bandă laterală unică (SSB), modulație de frecvență (FM), toate conceptele depind de tehnologia sistemului de difuzoare parametrice recent cercetată .

Inutil să spun că o undă supersonică de 110 dB + ar putea fi neuniformă cu distribuția forței sale sonore în timp ce se află în curs de propagare pe un „tub” lung de masă de aer.

Datorită neuniformității presiunii sonore, s-ar putea experimenta o cantitate imensă de distorsiune, care ar putea fi extrem de nedorită pentru aplicații în locuri liniștite, cum ar fi muzee, galerii etc.

Răspunsul neliniar de mai sus este produs datorită faptului că moleculele de aer iau relativ mai mult timp pentru a se aranja la densitatea lor originală anterioară, comparativ cu timpul necesar comprimării moleculelor. Sunetul creat cu presiuni mai mari are ca rezultat și frecvențe mai mari, care tind să genereze unde de șoc în timp ce moleculele se ciocnesc cu cele comprimate.

Pentru a fi precis, deoarece conținutul sonor este constituit din moleculele de aer care vibrează, care nu sunt „întoarse” în totalitate, prin urmare, atunci când frecvența sunetului crește, neuniformitatea forțează distorsiunea să devină mult mai audibilă datorită efectului care ar putea fi cel mai bun definită ca „vâscozitate la aer”.

Prin urmare, producătorul recurge la conceptul de difuzoare directivă DSP, care implică o reproducere a sunetului mult îmbunătățită, cu distorsiuni minime.

Cele de mai sus sunt completate cu includerea unui sistem de difuzoare cu traductor parametric extrem de avansat pentru a obține un sunet unidirecțional și clar.
Directivitatea ridicată creată de aceste difuzoare parametrice se datorează, de asemenea, caracteristicilor lor mici de lățime de bandă, care ar putea fi mărite conform specificațiilor solicitate prin simpla adăugare a unui număr mare de transductori printr-un aranjament matricial.

Înțelegerea conceptului de modulator difuzor cu 2 canale parametric

DSB ar putea fi ușor executat folosind circuite de comutare analogice. Inventatorul a încercat inițial acest lucru și, deși ar putea obține un sunet puternic, a fost însoțit de o mare distorsiune.

Apoi, a fost încercat un circuit PWM, care folosea conceptul asemănător cu tehnologia FM, deși ieșirea sonoră rezultată era mult distinctă și lipsită de distorsiuni, intensitatea sa dovedit a fi mult mai slabă în comparație cu DSB.

Dezavantajul a fost în cele din urmă rezolvat prin aranjarea unei matrici cu dublu canal de traductoare, fiecare matrice incluzând până la 50 de numere de traductoare de 40 kHz conectate în paralel.

Înțelegerea circuitului Spotlight audio

Referindu-ne la difuzorul parametric sau la circuitul difuzorului cu ultrasunete directiv prezentat mai jos, vedem un circuit PWM standard configurat în jurul generatorului PWM IC TL494.

Ieșirea din această etapă PWM este alimentată către o etapă de driver mosfet jumătate de pod folosind IC-ul specializat IR2111.

IC TL494 are un oscilator încorporat a cărui frecvență ar putea fi setată printr-o rețea externă R / C, aici este reprezentată prin presetarea R2 și C1. Frecvența oscilantă fundamentală este reglată și setată de R1, în timp ce domeniul optim este determinat de configurarea corespunzătoare a R1 și R2 de către utilizator.

Intrarea audio care trebuie direcționată și suprapusă peste frecvența PWM setată mai sus se aplică la K2. Rețineți că intrarea audio trebuie să fie suficient de amplificată utilizând un amplificator mic, cum ar fi LM386 și nu trebuie să fie obținută prin mufa pentru căști a unui dispozitiv audio.

Deoarece ieșirea din etapa PWM este alimentată printr-o jumătate de punte IC configurată, ieșirile parametrice supersonice amplificate finale ar putea fi realizate prin intermediul a două ieșiri pe cele 4 fete afișate.

Ieșirile amplificate sunt alimentate către o gamă de traductoare piezo 40Hz foarte specializate printr-un inductor de optimizare. Fiecare dintre seturile de traductoare poate consta dintr-un total de 200 de traductoare dispuse printr-o conexiune paralelă.

Mosfeturile sunt alimentate în mod normal cu o sursă de 24V DC pentru acționarea piezo-urilor care pot fi derivate dintr-o sursă separată de 24V DC.

Ar putea exista o serie de astfel de traductoare disponibile pe piață, astfel încât opțiunea nu se limitează la niciun tip sau rating specific. Autorul a preferat piezo-uri cu diametrul de 16 mm alocate cu specificații de frecvență 40kHz de obicei.

Fiecare canal trebuie să includă cel puțin 100 dintre acestea pentru a genera un răspuns rezonabil atunci când este utilizat în aer liber, în mijlocul unui nivel ridicat de agitație.

Distanța transductorului este crucială

Distanța dintre traductoare este crucială, astfel încât faza creată de fiecare dintre ele să nu fie perturbată sau anulată de unitățile adiacente. Deoarece lungimea de undă este de doar 8 mm, eroarea de poziționare de chiar 1 mm ar putea duce la o intensitate semnificativ mai mică din cauza erorii de fază și a pierderii SPL.

Din punct de vedere tehnic, un traductor cu ultrasunete imită comportamentul unui condensator și, prin urmare, ar putea fi forțat să rezoneze prin includerea unui inductor în serie.

Prin urmare, am inclus un inductor în serie doar pentru a obține această caracteristică pentru optimizarea traductoarelor la limitele lor de performanță de vârf.

Calculul frecvenței rezonante

Frecvența de rezonanță a traductorului poate fi calculată utilizând următoarea formulă:

fr = 1 / (2pi x LC)

Capacitatea internă a traductoarelor de 40 kHz ar putea fi în jur de 2 până la 3nF, astfel 50 dintre ele în paralel ar rezulta o capacitate netă de aproximativ 0.1uF la 0.15uF.

Folosind această figură în formula de mai sus, obținem valoarea inductorului între 60 și 160 uH, care trebuie inclusă în serie cu ieșirile driverului mosfets la A și B.

Inductorul folosește o tijă de ferită, după cum se poate vedea în figura de mai jos. Utilizatorul ar putea maximiza răspunsul rezonant reglând tija glisând-o în interiorul bobinei până când punctul optim ar putea fi lovit.

Diagrama circuitului

Ideea circuitului, prin amabilitatea: electronica Elektor.

În prototipul meu am experimentat cu un transformator audio așa cum se arată mai jos pentru amplificarea necesară, cu o singură sursă comună de 12V. Nu am folosit condensatori rezonanți, de aceea amplificarea a fost prea mică.

Am putut auzi efectul de la o distanță de 1 picioare exact pe o linie dreaptă cu traductorul. Chiar și o ușoară mișcare a făcut ca sunetul să dispară.

Inductor difuzor (transformator de ieșire audio mic):

Cum să conectați transformatorul și traductoarele

Detaliile cablajului traductorului pot fi văzute în figura de mai jos, veți avea nevoie de două dintre aceste setări pentru a fi conectate cu punctele A și B ale circuitului.

Transformatorul poate fi potrivit intensificați transformatorul în funcție de câți traductori sunt selectați.

Imagine prototip : Circuitul de difuzoare parametric de mai sus a fost testat și confirmat de mine folosind 4 traductoare cu ultrasunete, care au răspuns exact așa cum se specifică în explicația articolului. Cu toate acestea, deoarece s-au folosit doar 4 senzori, ieșirea a fost prea mică și a putut fi auzită doar de la un metru distanță.

Atenție - Pericol pentru sănătate. Trebuie luate măsuri adecvate pentru a preveni expunerea pe termen lung la niveluri sonore ridicate cu ultrasunete.

Documentul original poate fi Citiți aici