Как да направим схема на високоговорителите с ултразвукова директива

Постът обяснява конструкцията на ултразвукова система с високоговорители, наречена още параметричен високоговорител, която може да се използва за предаване на аудио честота през целево място или зона, така че човекът, разположен точно на това място, да може да чуе звука, докато човекът до той или точно извън зоната остава напълно недокоснат и без да знае за производството.

Изобретено и построено от Казунори Миура (Япония)

Изключителните резултати, получени от тестването на акустично устройство с голям обхват (LRAD) вдъхнови Американската технологична корпорация да приеме ново име за нея и беше променена на корпорация LRAD на 25 март 2010 г. Наричана още Audio Spotlight, тя е продукт на Holosonic Research Labs, Inc и се използва за невоенни приложения.

Устройството е проектирано да генерира интензивно фокусирани звукови лъчи само върху целевата зона. Устройството може да е подходящо на места като музеи, библиотеки, изложбени галерии, където неговият звуков лъч може да се използва за изпращане на предупредително съобщение или за инструктиране на определено лошо лице, докато на другите наоколо е позволено да продължат в перфектна тишина.

Фокусираните звукови ефекти от такава параметрична система от високоговорители са толкова точни, че всеки, който е насочен с нея, става изключително изненадан да изпита фокусираното звуково съдържание, което се чува само от него, докато човекът, който е точно до него, остава напълно в неведение.

Принцип на работа на параметричен високоговорител

Параметричната технология на високоговорителите използва звукови вълни в свръхзвуковия диапазон, които имат характеристиката да пътуват през почти зрителната линия.

Въпреки това може да се чудим, че тъй като свръхзвуковият обхват може да надвишава 20kHz (по-точно 40kHz), може да бъде абсолютно нечуваем за човешките уши, така че как системата може да направи вълните чути във фокусираната зона?

Един от методите за изпълнение на това е да се използват два лъча от 40kHz с един, който има звукова честота от 1kHz, наслагвана и наклонена, за да се срещне в насочената точка, където двете 40kHz съдържание се отменят взаимно, оставяйки честотата от 1kHz да се чува на това конкретно място.

Идеята може да изглежда проста, но резултатът може да бъде твърде неефективен поради ниския силен звук на насоченото място, недостатъчно добър, за да зашемети или обезсмисли целевите хора, което е в противоречие с LRAD.

Други съвременни методи за производство на звуков директивен звук с помощта на свръхзвукови вълни са чрез амплитудна модулация (AM), двойна модулация на страничната лента (DSB), модулация с единична странична лента (SSB), честотна модулация (FM), всички концепции зависят от наскоро изследваната технология на параметричната система на високоговорителите .

Излишно е да се споменава, че свръхзвукова вълна 110 dB + може да бъде неравномерна със своето разпределение на звуковата сила, докато е в процес на разпространение през дълга „тръба“ на въздушната маса.

Поради неравномерността на звуковото налягане може да се получи огромно изкривяване, което може да бъде крайно нежелателно за приложения на спокойни места, като в музеи, галерии и др.

Горният нелинеен отговор се получава поради факта, че молекулите на въздуха отнемат относително повече време, за да се подредят до предишната си първоначална плътност в сравнение с времето, необходимо за компресиране на молекулите. Звукът, създаден с по-високо налягане, също води до по-високи честоти, които са склонни да генерират ударни вълни, докато молекулите се сблъскват с тези, които се компресират.

За да бъдем точни, тъй като звуковото съдържание се състои от вибриращите молекули на въздуха, които по-скоро не са изцяло „връщащи се“, следователно, когато честотата на звука се увеличи, неравномерността принуждава изкривяването да стане много чуваемо поради ефекта, който би могъл да бъде най-добрият определено като „вискозитет на въздуха“.

За това производителят прибягва до концепцията за високоговорителите на DSP, която включва много подобрено възпроизвеждане на звука с минимално изкривяване.

Горното се допълва с включването на високо усъвършенствана параметрична подредба на високоговорителите за преобразуватели за получаване на еднопосочни и ясни звукови петна.
Високата насоченост, създадена от тези параметрични високоговорители, се дължи и на техните малки характеристики на честотната лента, които могат да бъдат увеличени според изискваната спецификация чрез просто добавяне на голям брой от тези преобразуватели чрез матрична подредба.

Разбиране на концепцията за параметричен двуканален модулатор на високоговорители

DSB може лесно да се изпълни с помощта на аналогови комутационни схеми. Първоначално изобретателят опита това и макар да можеше да постигне силен звук, то придружаваше много изкривяване.

След това беше изпробвана ШИМ схема, която използваше концепцията, близка до FM технологията, въпреки че полученият звуков изход беше много различен и без изкривяване, беше установено, че интензивността е много по-слаба в сравнение с DSB.

Недостатъкът в крайна сметка беше решен чрез подреждане на двуканален масив от преобразуватели, като всеки масив включваше до 50 номера на 40kHz преобразуватели, свързани паралелно.

Разбиране на веригата за аудио прожектори

Позовавайки се на показаната по-долу параметрична колона или схема на високоговорител с директивни високоговорители, виждаме стандартна ШИМ схема, конфигурирана около интегралната схема на PWM генератора TL494.

Изходът от този PWM етап се подава към полумостовия етап на драйвера на MOSFET, използвайки специализираната IR2111 IC.

IC TL494 има вграден генератор, чиято честота може да бъде зададена чрез външна R / C мрежа, тук е представена чрез предварително зададените R2 и C1. Основната честота на трептене се регулира и задава от R1, докато оптималният обхват се определя чрез подходяща настройка на R1 и R2 от потребителя.

Аудио входът, който трябва да бъде насочен и наложен върху горепосочената зададена честота на ШИМ, се прилага към K2. Имайте предвид, че аудио входът трябва да бъде достатъчно усилен с помощта на малък усилвател като LM386 и не трябва да се доставя чрез гнездо за слушалки на аудио устройство.

Тъй като изходът от PWM етапа се подава през двойна полумостова интегрална схема, окончателните усилени свръхзвукови параметрични изходи могат да бъдат постигнати чрез два изхода през показаните 4 FET.

Усилващите изходи се подават към масив от високоспециализирани 40 kHz пиезопреобразуватели чрез оптимизиращ индуктор. Всеки от масива на преобразувателя може да се състои от общо 200 преобразуватели, подредени чрез паралелна връзка.

Мосфетите обикновено се захранват с 24V DC захранване за задвижване на пиезосите, които могат да бъдат получени от отделен 24V DC източник.

На пазара може да има множество такива преобразуватели, така че опцията не се ограничава до конкретен тип или рейтинг. Авторът предпочита пиезоси с диаметър 16 mm, които обикновено се задават с честота 40kHz.

Всеки канал трябва да включва поне 100 от тях, за да генерира разумен отговор, когато се използва на открито сред високо ниво на суматоха.

Разстоянието на датчика е от решаващо значение

Разстоянието между преобразувателите е от решаващо значение, така че фазата, създадена от всеки от тях, да не бъде нарушена или отменена от съседните единици. Тъй като дължината на вълната е само 8 мм, грешката при позициониране дори от 1 мм може да доведе до значително по-нисък интензитет поради фазова грешка и загуба на SPL.

Технически, ултразвуков преобразувател имитира поведението на кондензатор и по този начин може да бъде принуден да резонира, като включи индуктор последователно.

Следователно включихме индуктор последователно, само за да постигнем тази функция за оптимизиране на преобразувателите до техните пикови граници на производителност.

Изчисляване на резонансната честота

Резонансната честота на преобразувателя може да се изчисли, като се използва следната формула:

fr = 1 / (2pi x LC)

Вътрешният капацитет на преобразувателите от 40 kHz може да бъде около 2 до 3nF, като по този начин 50 от тях паралелно биха довели до нетен капацитет от около 0,1uF до 0,15uF.

Използвайки тази фигура в горната формула, получаваме стойността на индуктора между 60 и 160 uH, което трябва да бъде включено последователно с изходите на драйвера на MOSFET при A и B.

Индукторът използва феритна пръчка, както може да се види на фигурата по-долу. Потребителят може да засили резонансната реакция, като регулира пръчката, като я плъзга в бобината, докато може да се удари оптималната точка.

Електрическа схема

С любезното съдействие на идеята за веригата: Elektor electronics.

В моя прототип експериментирах с аудио трансформатор, както е показано по-долу за необходимото усилване, с едно общо 12V захранване. Не използвах никакви резонансни кондензатори, поради което усилването беше твърде ниско.

Чувах ефекта от разстояние 1 фута точно по права линия с датчика. Дори леко движение накара звука да изчезне.

Индуктор на високоговорителите (малък аудио изходен трансформатор):

Как да свържете трансформатора и преобразувателите

Подробности за окабеляването на преобразувателя могат да се видят на дадената по-долу фигура, ще ви трябват две от тези настройки, за да бъдат свързани с точки A и B на веригата.

Трансформаторът може да бъде подходящ усилващ трансформатор в зависимост от това колко датчици са избрани.

Прототипно изображение : Горната параметрична верига на високоговорителите беше успешно тествана и потвърдена от мен с помощта на 4 ултразвукови преобразувателя, които реагираха точно както е посочено в обяснението на статията. Тъй като обаче бяха използвани само 4 сензора, изходът беше твърде нисък и се чуваше само на метър.

Внимание - Опасност за здравето. Трябва да се вземат подходящи мерки за предотвратяване на продължително излагане на високи ултразвукови нива на звук.

Оригиналният документ може да бъде Прочетете тук