Come realizzare un circuito per altoparlanti con direttiva ad ultrasuoni

Come realizzare un circuito per altoparlanti con direttiva ad ultrasuoni

Il post spiega la costruzione di un sistema di altoparlanti direzionali ad ultrasuoni chiamato anche altoparlante parametrico che può essere utilizzato per trasmettere una frequenza audio su un punto o una zona mirati in modo tale che la persona situata esattamente in quel punto sia in grado di sentire il suono mentre la persona accanto a lui o appena fuori dalla zona rimane completamente intatto e ignaro del procedimento.



Inventato e costruito da Kazunori Miura (Giappone)

Gli eccezionali risultati ottenuti dalla prova del dispositivo acustico a lungo raggio (LRAD) ha ispirato l'American Technology Corporation ad adottare un nuovo nome ed è stato cambiato in LRAD corporation il 25 marzo 2010. Chiamato anche Audio Spotlight, è un prodotto di Holosonic Research Labs, Inc ed è utilizzato per applicazioni non militari.

Il dispositivo è progettato per generare raggi sonori intensamente focalizzati solo su un'area mirata. L'unità può essere adatta in luoghi come musei, biblioteche, gallerie espositive dove il suo raggio sonoro può essere utilizzato per inviare un messaggio di avvertimento o istruire una persona in particolare disagio, mentre gli altri intorno possono continuare in perfetto silenzio.





Gli effetti sonori mirati di un sistema di altoparlanti così parametrico sono così accurati che chiunque sia preso di mira rimane enormemente sorpreso di sperimentare il contenuto sonoro focalizzato che viene ascoltato solo da lui mentre il ragazzo accanto a lui ne rimane completamente all'oscuro.

Principio di funzionamento di un altoparlante parametrico

La tecnologia degli altoparlanti parametrici utilizza onde sonore nella gamma supersonica che hanno la caratteristica di viaggiare quasi attraverso la linea di vista.



Tuttavia ci si potrebbe chiedere che, poiché la gamma supersonica potrebbe essere ben oltre il segno di 20 kHz (40 kHz per la precisione), potrebbe essere assolutamente impercettibile all'orecchio umano, quindi come fa il sistema a rendere le onde udibili nella zona focalizzata?

Un metodo per implementarlo consiste nell'utilizzare due fasci da 40kHz con uno con una frequenza audio di 1kHz sovrapposta e angolata per incontrarsi nel punto diretto in cui i due contenuti da 40kHz si annullano a vicenda lasciando la frequenza di 1kHz udibile in quel punto particolare.

L'idea può sembrare semplice ma il risultato potrebbe essere troppo inefficiente a causa del suono a basso volume nel punto diretto, non abbastanza buono da stordire o inabilitare le persone mirate, al contrario di LRAD.

Altri metodi moderni per produrre un suono direzionale udibile utilizzando onde supersoniche sono la modulazione di ampiezza (AM), la modulazione a doppia banda laterale (DSB), la modulazione a banda laterale singola (SSB), la modulazione di frequenza (FM), tutti i concetti dipendono dalla tecnologia del sistema di altoparlanti parametrici recentemente ricercata .

Inutile dire che un'onda supersonica di 110 dB + potrebbe non essere uniforme con la sua distribuzione della forza sonora mentre è nel corso della propagazione attraverso un lungo 'tubo' di massa d'aria.

A causa della non uniformità della pressione sonora si potrebbe avvertire un'enorme quantità di distorsione che potrebbe essere altamente indesiderabile per applicazioni in luoghi tranquilli come musei, gallerie, ecc.

La risposta non lineare di cui sopra è prodotta dal fatto che le molecole d'aria impiegano relativamente più tempo per sistemarsi alla loro densità originale precedente rispetto al tempo impiegato per comprimere le molecole. Il suono creato con pressioni più elevate si traduce anche in frequenze più alte che tendono a generare onde d'urto mentre le molecole entrano in collisione con quelle che vengono compresse.

Per la precisione dato che il contenuto udibile è costituito dalle molecole d'aria vibranti che invece non stanno del tutto 'tornando', quindi quando la frequenza del suono aumenta, la disuniformità costringe la distorsione a diventare molto udibile per l'effetto che potrebbe essere migliore definito come 'viscosità dell'aria'.

Pertanto, il produttore ricorre al concetto di altoparlante DSP direttiva che implica una riproduzione del suono molto migliorata con una distorsione minima.

Quanto sopra è completato dall'inclusione di una disposizione degli altoparlanti del trasduttore parametrico altamente avanzata per ottenere punti sonori unidirezionali e chiari.
L'elevata direttività creata da questi altoparlanti parametrici è dovuta anche alle loro caratteristiche di larghezza di banda ridotta che potrebbero essere ampliate secondo le specifiche richieste semplicemente aggiungendo molti di questi trasduttori attraverso una disposizione a matrice.

Comprensione del concetto di modulatore di altoparlanti a 2 canali parametrici

DSB potrebbe essere facilmente eseguito utilizzando circuiti di commutazione analogici. L'inventore ha inizialmente provato questo, e sebbene potesse ottenere un suono forte, è accompagnato da un sacco di distorsione.

Successivamente, è stato provato un circuito PWM, che utilizzava il concetto simile alla tecnologia FM, sebbene l'uscita audio risultante fosse molto distinta e priva di distorsioni, l'intensità è risultata molto più debole rispetto al DSB.

L'inconveniente è stato infine risolto disponendo un array di trasduttori a doppio canale, ogni array comprendente fino a 50 numeri di trasduttori a 40kHz collegati in parallelo.

Comprensione del circuito audio Spotlight

Facendo riferimento all'altoparlante parametrico o al circuito dell'altoparlante direttiva ad ultrasuoni mostrato di seguito, vediamo un circuito PWM standard configurato attorno al generatore PWM IC TL494.

L'uscita da questo stadio PWM viene inviata a uno stadio driver mosfet a mezzo ponte utilizzando l'IC IR2111 specializzato.

L'IC TL494 ha un oscillatore incorporato la cui frequenza può essere impostata tramite una rete R / C esterna, qui è rappresentata attraverso i preset R2 e C1. La frequenza di oscillazione fondamentale è regolata e impostata da R1, mentre la gamma ottimale è determinata impostando opportunamente R1 e R2 dall'utente.

L'ingresso audio che deve essere diretto e sovrapposto alla frequenza PWM impostata sopra viene applicato a K2. Si noti che l'ingresso audio deve essere sufficientemente amplificato utilizzando un piccolo amplificatore come LM386 e non deve essere fornito tramite la presa delle cuffie di un dispositivo audio.

Poiché l'uscita dallo stadio PWM viene alimentata attraverso una configurazione IC a mezzo ponte gemello, le uscite parametriche supersoniche amplificate finali potrebbero essere ottenute tramite due uscite sui 4 fets mostrati.

Le uscite amplificate vengono inviate a una serie di trasduttori piezoelettrici da 40 kHz altamente specializzati tramite un induttore di ottimizzazione. Ciascuna matrice di trasduttori può essere costituita da un totale di 200 trasduttori disposti tramite una connessione parallela.

I mosfet sono normalmente alimentati con un'alimentazione a 24 V CC per pilotare i piezo che possono essere derivati ​​da una sorgente a 24 V CC separata.

Potrebbe esserci una miriade di tali trasduttori disponibili sul mercato, quindi l'opzione non è limitata a nessun tipo o valore specifico. L'autore ha preferito piezo da 16 mm di diametro assegnati con specifiche di frequenza di 40 kHz in genere.

Ogni canale deve includere almeno 100 di questi per generare una risposta ragionevole quando viene utilizzato all'aperto in mezzo a un alto livello di confusione.

La spaziatura del trasduttore è fondamentale

La spaziatura tra i trasduttori è determinante affinché la fase creata da ciascuno di essi non venga disturbata o annullata dalle unità adiacenti. Poiché la lunghezza d'onda è di soli 8 mm, un errore di posizionamento anche di 1 mm potrebbe comportare un'intensità notevolmente inferiore a causa dell'errore di fase e della perdita di SPL.

Tecnicamente, un trasduttore a ultrasuoni imita il comportamento di un condensatore e quindi potrebbe essere costretto a risuonare includendo un induttore in serie.

Abbiamo quindi incluso un induttore in serie proprio per ottenere questa caratteristica per ottimizzare i trasduttori ai loro limiti di prestazione massima.

Calcolo della frequenza di risonanza

La frequenza di risonanza del trasduttore può essere calcolata utilizzando la seguente formula:

fr = 1 / (2pi x LC)

La capacità interna dei trasduttori da 40 kHz potrebbe essere compresa tra 2 e 3 nF, quindi 50 di essi in parallelo risulterebbero una capacità netta compresa tra circa 0,1 uF e 0,15 uF.

Usando questa cifra nella formula sopra otteniamo che il valore dell'induttore sia compreso tra 60 e 160 uH che deve essere incluso in serie con le uscite del driver mosfet su A e B.

L'induttore utilizza una barra di ferrite come si può vedere nella figura sotto. L'utente potrebbe aumentare la risposta risonante regolando l'asta facendola scorrere all'interno della bobina fino a quando il punto ottimale potrebbe essere raggiunto.

Schema elettrico

circuito del sistema di altoparlanti direttiva ad ultrasuoni o altoparlante parametrico

Per gentile concessione dell'idea del circuito: Elektor electronics.

Nel mio prototipo ho sperimentato un trasformatore audio come mostrato di seguito per l'amplificazione richiesta, con un'unica alimentazione comune a 12V. Non ho utilizzato condensatori risonanti quindi l'amplificazione era troppo bassa.

Potevo sentire l'effetto da una distanza di 1 piede esattamente su una linea retta con il trasduttore. Anche un leggero movimento faceva scomparire il suono.

Induttore altoparlante (trasformatore di uscita audio piccolo):

Come collegare il trasformatore e i trasduttori

I dettagli del cablaggio del trasduttore possono essere visti nella figura sottostante, avrete bisogno di due di queste configurazioni per essere collegate ai punti A e B del circuito.

Il trasformatore può essere adatto trasformatore elevatore a seconda di quanti trasduttori sono selezionati.

Immagine prototipo : Il circuito dell'altoparlante parametrico sopra è stato testato con successo e confermato da me utilizzando 4 trasduttori a ultrasuoni, che hanno risposto esattamente come specificato nella spiegazione dell'articolo. Tuttavia, poiché sono stati utilizzati solo 4 sensori, l'uscita era troppo bassa e poteva essere ascoltata solo da un metro di distanza.

circuito altoparlante parametrico

Attenzione: pericolo per la salute. Devono essere prese misure appropriate per prevenire l'esposizione a lungo termine a livelli sonori ultrasonici elevati.

Il documento originale può essere Leggi qui




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