Как сделать цепь динамика с ультразвуковым управлением

В сообщении объясняется конструкция ультразвуковой управляющей акустической системы, также называемой параметрической акустической системой, которая может использоваться для передачи звуковой частоты в определенном месте или зоне, так что человек, находящийся точно в этом месте, может слышать звук, в то время как человек рядом с ним он или просто за пределами зоны остается полностью нетронутым и не знает о происходящем.

Изобретен и построен Кадзунори Миура (Япония)

Выдающиеся результаты, полученные при тестировании акустического устройства дальнего действия (LRAD) вдохновила американскую технологическую корпорацию на принятие нового названия, которое 25 марта 2010 года было изменено на LRAD corporation. Также называемое Audio Spotlight, оно является продуктом Holosonic Research Labs, Inc. и используется для невоенных приложений.

Устройство предназначено для создания интенсивно сфокусированных звуковых лучей только над определенной областью. Устройство может хорошо подходить в таких местах, как музеи, библиотеки, выставочные галереи, где его звуковой луч можно использовать для отправки предупреждающего сообщения или для наставления конкретного человека, который плохо себя чувствует, в то время как другим людям разрешается действовать в полной тишине.

Сфокусированные звуковые эффекты от такой параметрической акустической системы настолько точны, что любой, кто ее нацеливает, будет очень удивлен, увидев сфокусированное звуковое содержание, которое слышит только он, в то время как парень, который находится рядом с ним, совершенно не осознает этого.

Принцип работы параметрического динамика

В параметрической акустической технологии используются звуковые волны сверхзвукового диапазона, которые имеют характеристику распространения почти в пределах прямой видимости.

Однако можно задаться вопросом, что, поскольку сверхзвуковой диапазон вполне может выходить за пределы отметки 20 кГц (40 кГц, если быть точным), он может быть абсолютно неслышным для человеческого уха, так как же система может сделать волны слышимыми в фокусируемой зоне?

Один из методов реализации этого заключается в использовании двух лучей 40 кГц, один из которых имеет звуковую частоту 1 кГц, наложенных и наклоненных для встречи в направленной точке, где два контента 40 кГц компенсируют друг друга, оставляя частоту 1 кГц слышимой в этом конкретном месте.

Идея может показаться простой, но результат может быть слишком неэффективным из-за низкой громкости звука в указанном месте, недостаточно хорошим, чтобы оглушить или вывести из строя целевых людей, что совершенно противоречит LRAD.

Другие современные методы создания звукового направленного звука с использованием сверхзвуковых волн - это амплитудная модуляция (AM), модуляция с двойной боковой полосой (DSB), модуляция с одной боковой полосой (SSB), частотная модуляция (FM), все концепции зависят от недавно исследованной технологии параметрической акустической системы. .

Излишне говорить, что сверхзвуковая волна 110 дБ + может быть неоднородной с распределением звуковой силы, когда она распространяется по длинной «трубе» воздушных масс.

Из-за неравномерности звукового давления могут возникнуть огромные искажения, которые могут быть крайне нежелательными для приложений в спокойных местах, таких как музеи, галереи и т. Д.

Вышеупомянутый нелинейный отклик возникает из-за того, что молекулам воздуха требуется относительно больше времени, чтобы привести себя в порядок до своей предыдущей исходной плотности, по сравнению со временем, необходимым для сжатия молекул. Звук, создаваемый при более высоком давлении, также приводит к более высоким частотам, которые имеют тенденцию генерировать ударные волны, когда молекулы сталкиваются с теми, которые сжимаются.

Чтобы быть точным, поскольку слышимое содержимое состоит из колеблющихся молекул воздуха, которые скорее не полностью `` возвращаются '', поэтому, когда частота звука увеличивается, неоднородность заставляет искажение становиться более слышимым из-за эффекта, который может быть лучшим. определяется как «вязкость воздуха».

Поэтому производитель прибегает к концепции динамиков DSP, которая предусматривает значительно улучшенное воспроизведение звука с минимальными искажениями.

Сказанное выше дополняется включением высокотехнологичного параметрического преобразователя громкоговорителей для получения однонаправленных и чистых звуковых пятен.
Высокая направленность, создаваемая этими параметрическими громкоговорителями, также обусловлена ​​их небольшой полосой пропускания, которая может быть увеличена в соответствии с требуемой спецификацией путем простого добавления большого количества этих преобразователей через матричную структуру.

Понимание концепции параметрического 2-канального модулятора динамика

DSB может быть легко выполнен с использованием аналоговых схем переключения. Изобретатель сначала попробовал это, и, хотя он смог добиться громкого звука, он сопровождался чертовски большим количеством искажений.

Затем была опробована схема PWM, в которой использовалась концепция, близкая к технологии FM, хотя результирующий вывод звука был намного отчетливым и не содержал искажений, интенсивность оказалась намного слабее по сравнению с DSB.

Этот недостаток в конечном итоге был устранен путем организации двухканальной матрицы преобразователей, каждая из которых включает до 50 преобразователей 40 кГц, подключенных параллельно.

Понимание схемы Audio Spotlight

Ссылаясь на параметрический динамик или схему ультразвукового управляющего динамика, показанную ниже, мы видим стандартную схему ШИМ, сконфигурированную вокруг ИС TL494 генератора ШИМ.

Выходной сигнал этого каскада ШИМ подается на полумостовой каскад драйвера МОП с использованием специализированной микросхемы IR2111.

IC TL494 имеет встроенный генератор, частота которого может быть установлена ​​через внешнюю сеть дистанционного управления, здесь это представлено через предустановленные R2 и C1. Основная частота колебаний регулируется и устанавливается с помощью R1, в то время как оптимальный диапазон определяется путем соответствующей настройки R1 и R2 пользователем.

Аудиовход, который необходимо направить и наложить на установленную выше частоту ШИМ, применяется к K2. Обратите внимание, что аудиовход должен быть достаточно усилен с помощью небольшого усилителя, такого как LM386, и не должен поступать через гнездо для наушников на аудиоустройстве.

Поскольку выходной сигнал каскада ШИМ подается через двойную полумостовую ИС, окончательные усиленные сверхзвуковые параметрические выходы могут быть получены через два выхода на показанных 4 полевых транзисторах.

Усиленные выходные сигналы через оптимизирующую катушку индуктивности поступают на массив высокоспециализированных пьезопреобразователей с частотой 40 кГц. Каждая матрица преобразователей может состоять в общей сложности из 200 преобразователей, подключенных параллельно.

МОП-транзисторы обычно питаются от источника постоянного тока 24 В для управления пьезоэлектрическими преобразователями, который может быть получен от отдельного источника постоянного тока 24 В.

На рынке может быть множество таких преобразователей, поэтому выбор не ограничивается каким-либо конкретным типом или номиналом. Автор предпочитал пьезоэлектрические преобразователи диаметром 16 мм, которые обычно имеют частоту 40 кГц.

Каждый канал должен включать как минимум 100 из них, чтобы вызвать разумный отклик при использовании на открытом воздухе в условиях высокого уровня шума.

Расстояние между датчиками имеет решающее значение

Расстояние между преобразователями имеет решающее значение для того, чтобы фаза, создаваемая каждым из них, не нарушалась и не отменялась соседними устройствами. Поскольку длина волны составляет всего 8 мм, ошибка позиционирования даже в 1 мм может привести к значительному снижению интенсивности из-за фазовой ошибки и потери звукового давления.

Технически ультразвуковой преобразователь имитирует поведение конденсатора, и поэтому его можно заставить резонировать, включив последовательно индуктор.

Поэтому мы включили катушку индуктивности последовательно только для того, чтобы достичь этой функции и оптимизировать преобразователи до пределов их пиковых характеристик.

Расчет резонансной частоты

Резонансную частоту преобразователя можно рассчитать по следующей формуле:

fr = 1 / (2pi x LC)

Внутренняя емкость преобразователей на 40 кГц может составлять от 2 до 3 нФ, таким образом, 50 из них, подключенных параллельно, дают полезную емкость от 0,1 до 0,15 мкФ.

Используя это число в приведенной выше формуле, мы получаем значение индуктивности в диапазоне от 60 до 160 мкГн, которое должно быть включено последовательно с выходами драйверов МОП-транзисторов на A и B.

В индукторе используется ферритовый стержень, как видно на рисунке ниже. Пользователь мог усилить резонансный отклик, регулируя стержень, перемещая его внутри катушки до достижения оптимальной точки.

Принципиальная электрическая схема

Идея схемы предоставлена: Elektor electronics.

В моем прототипе я экспериментировал с аудио трансформатором, как показано ниже, для требуемого усиления с одним общим источником питания 12 В. Резонансные конденсаторы я не использовал, поэтому усиление было слишком низким.

Я мог слышать эффект с расстояния в 1 фут точно по прямой линии с датчиком. Даже легкое движение заставляло звук исчезать.

Индуктор динамика (малый выходной трансформатор звука):

Как подключить трансформатор и преобразователи

Детали подключения преобразователя можно увидеть на приведенном ниже рисунке. Вам потребуются две из этих схем для подключения к точкам A и B цепи.

Трансформатор может подойти повышающий трансформатор в зависимости от того, сколько преобразователей выбрано.

Образ прототипа : Вышеупомянутая параметрическая схема динамика была успешно протестирована и подтверждена мной с использованием 4 ультразвуковых преобразователей, которые отреагировали точно так, как указано в объяснении статьи. Однако, поскольку использовались только 4 датчика, выходной сигнал был слишком низким, и его можно было слышать только на расстоянии метра.

Осторожно - опасность для здоровья. Необходимо принять соответствующие меры для предотвращения длительного воздействия высоких уровней ультразвукового шума.

Исходный документ может быть Прочтите здесь