Η ανάρτηση εξηγεί την κατασκευή ενός συστήματος ηχείων υπερήχων που ονομάζεται επίσης παραμετρικό ηχείο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση μιας ηχητικής συχνότητας σε ένα στοχευμένο σημείο ή ζώνη έτσι ώστε το άτομο που βρίσκεται ακριβώς σε αυτό το σημείο να μπορεί να ακούσει τον ήχο ενώ το άτομο δίπλα Αυτός ή λίγο έξω από τη ζώνη μένει εντελώς ανέγγιχτος και αγνοεί τις διαδικασίες.

Εφευρέθηκε και κατασκευάστηκε από τον Kazunori Miura (Ιαπωνία)

Τα εξαιρετικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη δοκιμή της ακουστικής συσκευής μεγάλης εμβέλειας (LRAD) ενέπνευσε την American Technology Corporation να υιοθετήσει ένα νέο όνομα για αυτό και άλλαξε σε εταιρεία LRAD στις 25 Μαρτίου 2010. Ονομάζεται επίσης Audio Spotlight, είναι προϊόν της Holosonic Research Labs, Inc και χρησιμοποιείται για μη στρατιωτικές εφαρμογές.

Η συσκευή έχει σχεδιαστεί για να παράγει έντονα εστιασμένες ακτίνες ήχου μόνο σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Η μονάδα μπορεί να ταιριάζει σε χώρους όπως μουσεία, βιβλιοθήκες, εκθεσιακές αίθουσες όπου η ακτίνα ήχου της μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποστολή ενός προειδοποιητικού μηνύματος ή για την καθοδήγηση ενός συγκεκριμένου ατόμου που δεν είναι σωστό, ενώ άλλοι γύρω επιτρέπεται να συνεχίσουν σε απόλυτη σιωπή.

Τα επικεντρωμένα ηχητικά εφέ από ένα τέτοιο παραμετρικό σύστημα ηχείων είναι τόσο ακριβή που οποιοσδήποτε στοχεύει μαζί του εκπλήσσεται εξαιρετικά όταν βιώνει το εστιασμένο ηχητικό περιεχόμενο που ακούγεται μόνο από αυτόν, ενώ ο τύπος που βρίσκεται δίπλα του μένει εντελώς άγνωστος.

Αρχή λειτουργίας ενός παραμετρικού ομιλητή

Η τεχνολογία παραμετρικών ηχείων χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα στην υπερηχητική γκάμα που έχουν το χαρακτηριστικό να ταξιδεύουν σχεδόν στην οπτική γωνία.

Ωστόσο, μπορεί κανείς να αναρωτιέται ότι επειδή το υπερηχητικό εύρος μπορεί να ξεπερνά τα σημάδια των 20kHz (ακριβής 40kHz), θα μπορούσε να είναι απολύτως ακουστό στα ανθρώπινα αυτιά, οπότε πώς το σύστημα μπορεί να κάνει τα κύματα να ακουστούν στην εστιασμένη ζώνη;

Μία μέθοδος εφαρμογής αυτού είναι η χρήση δύο ακτίνων 40kHz με μία που έχει ηχητική συχνότητα 1kHz υπέρθετη και υπό γωνία για να συναντηθεί στο κατευθυνόμενο σημείο όπου τα δύο 40kHz περιεχόμενο ακυρώνουν το ένα το άλλο αφήνοντας τη συχνότητα 1kHz ακουστή στο συγκεκριμένο σημείο.

Η ιδέα μπορεί να φαίνεται απλή, αλλά το αποτέλεσμα θα μπορούσε να είναι πολύ αναποτελεσματικό λόγω του ήχου χαμηλής έντασης στο κατευθυνόμενο σημείο, όχι αρκετά καλό για να αναισθητοποιήσει ή να αδυνατίσει τους στοχευμένους ανθρώπους, πολύ αντίθετο με το LRAD.

Άλλες σύγχρονες μέθοδοι παραγωγής ήχου κατευθυνόμενου ήχου χρησιμοποιώντας υπερηχητικά κύματα είναι μέσω διαμόρφωσης πλάτους (AM), διαμόρφωσης διπλής πλευρικής ζώνης (DSB), διαμόρφωσης μονής πλευρικής ζώνης (SSB), διαμόρφωσης συχνότητας (FM), όλες οι έννοιες εξαρτώνται από την πρόσφατα ερευνημένη τεχνολογία συστήματος παραμετρικών ηχείων .

Περιττό να πούμε, ένα υπερηχητικό κύμα 110 dB + θα μπορούσε να είναι μη ομοιόμορφο με την κατανομή της ηχητικής του δύναμης, ενώ βρίσκεται σε εξέλιξη διάδοσης σε έναν σωλήνα μεγάλης μάζας αέρα.

Λόγω της μη ομοιομορφίας της ηχητικής πίεσης, μπορεί να παρατηρηθεί τεράστια παραμόρφωση που θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη για εφαρμογές σε ήσυχα μέρη, όπως σε μουσεία, γκαλερί κ.λπ.

Η παραπάνω μη γραμμική απόκριση παράγεται λόγω του γεγονότος ότι τα μόρια αέρα χρειάζονται σχετικά περισσότερο χρόνο για να τακτοποιηθούν στην προηγούμενη αρχική τους πυκνότητα σε σύγκριση με το χρόνο που απαιτείται για τη συμπίεση των μορίων. Ο ήχος που δημιουργείται με υψηλότερες πιέσεις οδηγεί επίσης σε υψηλότερες συχνότητες που τείνουν να δημιουργούν κύματα σοκ, ενώ τα μόρια συγκρούονται με αυτά που συμπιέζονται.

“100w καθαρού μετατροπέα ημιτόνου ”

Για να είμαστε ακριβείς, καθώς το ηχητικό περιεχόμενο αποτελείται από τα δονούμενα μόρια αέρα που μάλλον δεν «επιστρέφουν» εντελώς, επομένως όταν η συχνότητα του ήχου αυξάνεται, η μη ομοιομορφία αναγκάζει την παραμόρφωση να γίνει πολύ ηχητική λόγω του αποτελέσματος που θα μπορούσε να είναι καλύτερο ορίζεται ως «ιξώδες αέρα».

Γι 'αυτό, ο κατασκευαστής καταφεύγει στην έννοια ηχείων της οδηγίας DSP που περιλαμβάνει πολύ βελτιωμένη αναπαραγωγή ήχου με ελάχιστη παραμόρφωση.

Τα παραπάνω συμπληρώνονται με τη συμπερίληψη εξαιρετικά προηγμένων παραμετρικών διατάξεων ηχείων για τη λήψη μονοκατευθυντικών και καθαρών σημείων ήχου.
Η υψηλή κατευθυντικότητα που δημιουργείται από αυτά τα παραμετρικά ηχεία οφείλεται επίσης στα μικρά χαρακτηριστικά του εύρους ζώνης που θα μπορούσαν να διευρυνθούν σύμφωνα με την απαιτούμενη προδιαγραφή προσθέτοντας απλώς πολλούς από αυτούς τους μετατροπείς μέσω μιας διάταξης μήτρας.

Κατανόηση της παραμετρικής έννοιας διαμορφωτή ηχείων 2 καναλιών

Το DSB θα μπορούσε να εκτελεστεί εύκολα χρησιμοποιώντας αναλογικά κυκλώματα μεταγωγής. Ο εφευρέτης το δοκίμασε αρχικά, και παρόλο που μπορούσε να επιτύχει έναν δυνατό ήχο, συνοδεύτηκε με μεγάλη παραμόρφωση.

Στη συνέχεια, δοκιμάστηκε ένα κύκλωμα PWM, το οποίο χρησιμοποίησε την έννοια παρόμοια με την τεχνολογία FM, αν και η προκύπτουσα έξοδος ήχου ήταν πολύ διαφορετική και απαλλαγμένη από παραμόρφωση, η ένταση βρέθηκε να είναι πολύ ασθενέστερη σε σύγκριση με το DSB.

Το μειονέκτημα επιλύθηκε τελικά με την τακτοποίηση μιας συστοιχίας διπλού καναλιού μετατροπέων, όπου κάθε συστοιχία περιλαμβάνει έως και 50 αριθμούς μετατροπέων 40kHz συνδεδεμένοι παράλληλα.

Κατανόηση του κυκλώματος προβολέα ήχου

Αναφερόμενοι στο παραμετρικό ηχείο ή το κύκλωμα ηχείων υπερήχων που φαίνεται παρακάτω, βλέπουμε ένα τυπικό κύκλωμα PWM διαμορφωμένο γύρω από τη γεννήτρια PWM IC TL494.

Η έξοδος από αυτό το στάδιο PWM τροφοδοτείται σε ένα πρόγραμμα οδήγησης mosfet μισής γέφυρας χρησιμοποιώντας το εξειδικευμένο IR2111 IC.

Το IC TL494 διαθέτει έναν ενσωματωμένο ταλαντωτή του οποίου η συχνότητα θα μπορούσε να ρυθμιστεί μέσω ενός εξωτερικού δικτύου R / C, εδώ αντιπροσωπεύεται μέσω των προκαθορισμένων R2 και C1. Η βασική συχνότητα ταλάντωσης ρυθμίζεται και ρυθμίζεται από το R1, ενώ το βέλτιστο εύρος καθορίζεται με τη σωστή ρύθμιση των R1 και R2 από τον χρήστη.

Η είσοδος ήχου που πρέπει να κατευθύνεται και να υπερτίθεται στην παραπάνω ρυθμισμένη συχνότητα PWM εφαρμόζεται στο K2. Σημειώστε ότι η είσοδος ήχου πρέπει να ενισχυθεί επαρκώς χρησιμοποιώντας έναν μικρό ενισχυτή όπως το LM386 και δεν πρέπει να προέρχεται από την υποδοχή ακουστικών μιας συσκευής ήχου.

Δεδομένου ότι η έξοδος από το στάδιο PWM τροφοδοτείται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα IC μισής γέφυρας, οι τελικές ενισχυμένες υπερηχητικές παραμετρικές έξοδοι θα μπορούσαν να επιτευχθούν μέσω δύο εξόδων στις 4 φατίδες που φαίνονται.

Οι ενισχυμένες έξοδοι τροφοδοτούνται σε μια σειρά εξειδικευμένων πιεζοτροπέων 40 kHz μέσω ενός επαγωγικού βελτιστοποίησης. Κάθε μία από τις συστοιχίες μορφοτροπέων μπορεί να αποτελείται από συνολικά 200 μορφοτροπείς διατεταγμένους μέσω παράλληλης σύνδεσης.

Τα mosfets τροφοδοτούνται κανονικά με τροφοδοσία 24V DC για την οδήγηση των πιεζών που μπορεί να προέρχονται από ξεχωριστή πηγή 24V DC.

Θα μπορούσε να υπάρχει πλήθος τέτοιων μετατροπέων που διατίθενται στην αγορά, επομένως η επιλογή δεν περιορίζεται σε συγκεκριμένο τύπο ή βαθμολογία. Ο συγγραφέας προτίμησε τυπικά πιέζες διαμέτρου 16 mm με χαρακτηριστικά συχνότητας 40kHz.

Κάθε κανάλι πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον 100 από αυτά προκειμένου να δημιουργήσει μια λογική απόκριση όταν χρησιμοποιείται σε εξωτερικούς χώρους σε υψηλό επίπεδο αναταραχής.

Η απόσταση του μετατροπέα είναι κρίσιμη

Η απόσταση μεταξύ των μορφοτροπέων είναι ζωτικής σημασίας έτσι ώστε η φάση που δημιουργείται από καθένα από αυτά να μην διαταραχθεί ή να ακυρωθεί από τις γειτονικές μονάδες. Δεδομένου ότι το μήκος κύματος είναι μόλις 8 mm, το σφάλμα εντοπισμού ακόμη και 1 mm θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικά χαμηλότερη ένταση λόγω σφάλματος φάσης και απώλειας SPL.

Τεχνικά, ένας υπερηχητικός μορφοτροπέας μιμείται τη συμπεριφορά ενός πυκνωτή και έτσι θα μπορούσε να αναγκαστεί να αντηχηθεί συμπεριλαμβάνοντας έναν επαγωγέα σε σειρά.

Επομένως, έχουμε συμπεριλάβει έναν επαγωγέα σε σειρά μόνο για να επιτύχουμε αυτό το χαρακτηριστικό για τη βελτιστοποίηση των μετατροπέων στα μέγιστα όρια απόδοσης.

Υπολογισμός συχνότητας συντονισμού

Η συχνότητα συντονισμού του μορφοτροπέα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

fr = 1 / (2pi x LC)

Η εσωτερική χωρητικότητα των μετατροπέων 40 kHz θα μπορούσε να είναι περίπου 2 έως 3nF, επομένως 50 από αυτούς παράλληλα θα είχαν ως αποτέλεσμα καθαρή χωρητικότητα περίπου 0,1uF έως 0,15uF.

Χρησιμοποιώντας αυτόν τον αριθμό στον παραπάνω τύπο παίρνουμε την τιμή επαγωγέα να κυμαίνεται μεταξύ 60 και 160 uH, η οποία πρέπει να συμπεριληφθεί σε σειρά με τις εξόδους οδηγού mosfets στα Α και Β.

Ο επαγωγέας χρησιμοποιεί μια ράβδο φερρίτη, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ο χρήστης θα μπορούσε να αυξήσει την απόκριση συντονισμού ρυθμίζοντας τη ράβδο σύροντάς την μέσα στο πηνίο έως ότου μπορούσε να χτυπηθεί το βέλτιστο σημείο.

Διάγραμμα κυκλώματος

κύκλωμα συστήματος ηχείων υπερήχων ή παραμετρικού ηχείου

Ευγενική προσφορά κυκλώματος: Ηλεκτρονικά Elektor.

Στο πρωτότυπό μου πειραματίστηκα με έναν μετασχηματιστή ήχου όπως φαίνεται παρακάτω για την απαιτούμενη ενίσχυση, με μία μόνο κοινή παροχή 12V. Δεν χρησιμοποίησα συντονιστές πυκνωτές, επομένως η ενίσχυση ήταν πολύ χαμηλή.

Θα μπορούσα να ακούσω το αποτέλεσμα από απόσταση 1 ποδιού ακριβώς σε ευθεία γραμμή με τον μορφοτροπέα. Ακόμη και μια μικρή κίνηση προκάλεσε τον ήχο να εξαφανιστεί.

Επαγωγέας ηχείων (Μικρός μετασχηματιστής εξόδου ήχου):

Πώς να συνδέσετε τον μετασχηματιστή και τους μορφοτροπείς

Οι λεπτομέρειες καλωδίωσης του μετατροπέα φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, θα χρειαστείτε δύο από αυτές τις ρυθμίσεις για να συνδεθείτε με τα σημεία Α και Β του κυκλώματος.

Ο μετασχηματιστής μπορεί να είναι κατάλληλος ανεβάζω μετασχηματιστή ανάλογα με τον αριθμό των μετατροπέων που επιλέγονται.

Πρωτότυπο εικόνα : Το παραπάνω παραμετρικό κύκλωμα ηχείων δοκιμάστηκε με επιτυχία και επιβεβαιώθηκε από εμένα χρησιμοποιώντας 4 μετατροπείς υπερήχων, οι οποίοι ανταποκρίθηκαν ακριβώς όπως ορίζεται στην εξήγηση του άρθρου. Ωστόσο, δεδομένου ότι χρησιμοποιήθηκαν μόνο 4 αισθητήρες, η έξοδος ήταν πολύ χαμηλή και μπορούσε να ακουστεί μόνο από ένα μέτρο μακριά.