Viestissä selitetään ultraäänidirektiivikaiutinjärjestelmän, jota kutsutaan myös parametriseksi kaiuttimeksi, rakentamista, jota voidaan käyttää äänitaajuuden lähettämiseen kohdepisteessä tai -vyöhykkeellä siten, että juuri siinä paikassa oleva henkilö kykenee kuulemaan äänen samalla kun vieressä oleva henkilö hän tai aivan vyöhykkeen ulkopuolella pysyy täysin koskemattomana ja tietämätön menettelystä.

Keksi ja rakensi Kazunori Miura (Japani)

Erinomaiset tulokset, jotka on saatu pitkän kantaman akustisen laitteen testauksesta (LRAD) innoitti American Technology Corporationia ottamaan sille uuden nimen ja muutettiin LRAD-yhtiöksi 25. maaliskuuta 2010. Kutsutaan myös Audio Spotlightiksi, se on Holosonic Research Labs, Inc: n tuote ja sitä käytetään ei-sotilaallisiin sovelluksiin.

Laite on suunniteltu tuottamaan voimakkaasti kohdennettuja äänikeiloja vain kohdealueelle. Yksikkö voi soveltua hyvin paikkoihin, kuten museoihin, kirjastoihin, näyttelygallerioihin, joissa sen äänikeilaa voidaan käyttää varoitusviestin lähettämiseen tai tietyn huonoa henkilöä opastamiseen, kun taas muiden ympärillä olevien on sallittu jatkaa täydellisessä hiljaisuudessa.

Tällaisen parametrisen kaiutinjärjestelmän kohdennetut äänitehosteet ovat niin tarkkoja, että kuka tahansa, johon se kohdistuu, on erittäin yllättynyt kokiessaan kohdennetun äänisisällön, jonka vain hän kuulee, kun taas vieressä oleva kaveri pysyy täysin tietämättömänä siitä.

Parametrisen kaiuttimen toimintaperiaate

Parametrinen kaiutintekniikka käyttää ääniaaltoja yliäänialueella, joille on ominaista kulkea melkein näköyhteyden läpi.

Voidaan kuitenkin miettiä, että koska yliäänitaajuus voi olla yli 20 kHz: n merkinnän (tarkalleen 40 kHz), se voi olla täysin kuulematon ihmisen korville, joten miten järjestelmä pystyy tekemään aallot kuuluviksi tarkennetulla alueella?

Yksi menetelmä tämän toteuttamiseksi on käyttää kahta 40 kHz: n sädettä, joiden yhden äänen taajuus on 1 kHz päällekkäin ja kulmassa kohtaamaan suunnattuun pisteeseen, jossa kaksi 40 kHz: n sisältöä kumoavat toisensa jättäen 1 kHz: n taajuuden kuuluvaksi kyseiseen pisteeseen.

Idea voi näyttää yksinkertaiselta, mutta tulos voi olla liian tehoton suunnatun paikan matalan äänenvoimakkuuden takia, ei tarpeeksi hyvä tainnuttamaan tai työkyvyttömäksi kohdennettuja ihmisiä, aivan päinvastoin kuin LRAD.

Muita moderneja menetelmiä kuultavan direktiivisen äänen tuottamiseksi yliäänitaajuuksilla ovat amplitudimodulaatio (AM), kaksoissivukaistamodulaatio (DSB), yksipuolinen kaistamodulaatio (SSB), taajuusmodulaatio (FM). .

Tarpeetonta sanoa, että 110 dB +: n yliäänitaajuus voi olla epätasainen äänen voiman jakautumisen kanssa, kun se etenee pitkällä ilmamassan 'putkella'.

Äänenpaineen epätasaisuuden vuoksi voi esiintyä valtava määrä vääristymiä, jotka voivat olla erittäin ei-toivottuja sovelluksissa rauhallisissa paikoissa, kuten museoissa, gallerioissa jne.

Yllä oleva epälineaarinen vaste syntyy johtuen siitä, että ilmamolekyyleillä on suhteellisen enemmän aikaa järjestää itsensä aikaisempaan alkuperäiseen tiheyteen verrattuna molekyylien puristamiseen kuluneeseen aikaan. Suuremmalla paineella luotu ääni johtaa myös korkeampiin taajuuksiin, joilla on taipumus tuottaa iskuja, kun molekyylit törmäävät puristettuihin.

“kuinka tehdä loinen vetoketju ”

Tarkemmin sanottuna, koska kuultava sisältö muodostuu värähtelevistä ilmamolekyyleistä, jotka eivät pikemminkin ole täysin 'palaavia', siis äänen taajuuden kasvaessa epätasaisuus pakottaa vääristymän tulemaan paljon kuultavaksi vaikutuksesta, joka voisi olla paras määritellään 'ilman viskositeetiksi'.

Siksi valmistaja turvautuu DSP-direktiivin kaiutinkonseptiin, joka sisältää paljon paremman äänentoiston mahdollisimman pienellä vääristymällä.

Edellä mainittua on täydennetty sisällyttämällä erittäin edistykselliset parametriset anturikaiutinjärjestelyt yksisuuntaisten ja selkeiden äänipisteiden saamiseksi.
Näiden parametrikaiuttimien tuottama suuri suuntaavuus johtuu myös niiden pienistä kaistanleveysominaisuuksista, joita voidaan suurentaa vaaditun spesifikaation mukaisesti yksinkertaisesti lisäämällä monia lukumääriä näistä antureista matriisijärjestelyn kautta.

Parametrisen 2-kanavaisen kaiutinmodulaattorin käsitteen ymmärtäminen

DSB voidaan helposti suorittaa analogisilla kytkentäpiireillä. Keksijä yritti aluksi tätä, ja vaikka hän pystyi saavuttamaan kovan äänen, siihen liittyi helvetin paljon vääristymiä.

Seuraavaksi kokeiltiin PWM-piiriä, jossa käytettiin FM-tekniikkaa muistuttavaa konseptia, vaikka tuloksena oleva äänen ulostulo oli paljon erilainen ja vailla vääristymiä, intensiteetin havaittiin olevan paljon heikompi kuin DSB: llä.

Haittapuoli ratkaistiin lopulta järjestämällä kaksikanavainen anturiryhmä, jokainen ryhmä sisältää jopa 50 numeroa 40 kHz: n muuntimia rinnakkain kytkettynä.

Audio Spotlight -piirin ymmärtäminen

Viitaten alla esitettyyn parametriseen kaiuttimeen tai ultraäänidirektiivikaiutinpiiriin näemme standardin PWM-piirin, joka on konfiguroitu PWM-generaattorin IC TL494 ympärille.

Tämän PWM-vaiheen tulos syötetään puolisillan mosfet-ohjainvaiheeseen käyttämällä erikoistunutta IR2111-IC: tä.

IC TL494: ssä on sisäänrakennettu oskillaattori, jonka taajuus voidaan asettaa ulkoisen R / C-verkon kautta, tässä se on esitetty esiasetettujen R2 ja C1 kautta. R1 säätää ja asettaa perusvärähtelytaajuuden, kun taas optimaalinen alue määritetään asettamalla R1 ja R2 asianmukaisesti käyttäjälle.

Äänitulo, joka on suunnattava ja asetettava edellä asetetulle PWM-taajuudelle, kohdistetaan K2: een. Huomaa, että äänitulo on vahvistettava riittävästi pienellä vahvistimella, kuten LM386, eikä sitä saa hankkia audiolaitteen kuulokeliitännän kautta.

Koska PWM-vaiheen ulostulo syötetään kaksisuuntaisen sillan IC: n yli, lopulliset vahvistetut yliäänisen parametriset lähdöt voitaisiin saavuttaa kahden ulostulon kautta näytetyissä 4 fetissä.

Vahvistetut lähdöt syötetään joukkoan erikoistuneita 40 kHz: n pietsoantureita optimoivan kelan kautta. Kukin anturiryhmä voi koostua yhteensä 200 muuntimesta, jotka on järjestetty rinnakkaisen yhteyden kautta.

Mosfetit syötetään normaalisti 24 V DC -jännitteellä pietsojen käyttämiseksi, mikä voidaan johtaa erillisestä 24 V DC-lähteestä.

Markkinoilla voi olla joukko tällaisia antureita, joten vaihtoehto ei rajoitu mihinkään tiettyyn tyyppiin tai luokitukseen. Kirjoittaja piti parempana halkaisijaltaan 16 mm: n pietsoja, joille annettiin tyypillisesti 40 kHz: n taajuusmääritykset.

Jokaisessa kanavassa on oltava vähintään 100 näistä, jotta saadaan kohtuullinen vaste, kun sitä käytetään ulkona keskellä suurta levottomuutta.

Anturien väli on ratkaisevan tärkeää

Anturien välinen etäisyys on ratkaisevan tärkeä, jotta vierekkäiset yksiköt eivät häiritse tai peruuta kummankin luomaa vaihetta. Koska aallonpituus on vain 8 mm, jopa 1 mm: n sijoitusvirhe voi johtaa huomattavasti pienempään intensiteettiin vaihevirheen ja SPL: n häviämisen vuoksi.

Teknisesti ultraäänianturi jäljittelee kondensaattorin käyttäytymistä ja siten se voidaan pakottaa resonoimaan sisällyttämällä induktori sarjaan.

Siksi olemme sisällyttäneet induktorin sarjaan vain tämän ominaisuuden saavuttamiseksi, jotta anturit voidaan optimoida niiden huippusuoritusrajoihin.

Resonanssitaajuuden laskeminen

Anturin resonanssitaajuus voidaan laskea käyttämällä seuraavaa kaavaa:

fr = 1 / (2pi x LC)

40 kHz: n antureiden sisäinen kapasitanssi voisi olla noin 2 - 3 nF, joten 50 niistä rinnakkain johtaisi nettokapasitanssiin noin 0,1 uF - 0,15 uF.

Käyttämällä tätä kuvaa yllä olevassa kaavassa saadaan induktorin arvon olevan välillä 60 ja 160 uH, joka on sisällytettävä sarjaan mosfets-ohjaimen lähtöjen kanssa kohdissa A ja B.

Induktori käyttää ferriittitankoa, kuten alla olevasta kuvasta voidaan todeta. Käyttäjä pystyi maksimoimaan resonanssivasteen säätämällä sauvaa liu'uttamalla sitä kelassa, kunnes optimaalinen piste saattoi osua.

Piirikaavio

ultraäänidirektiivikaiutinjärjestelmän tai parametrisen kaiuttimen piiri

Piirin idea: Elektor electronics.

Testasin prototyypissäni audiomuuntajalla, kuten alla on esitetty vaadittavaa vahvistusta varten, yhdellä yhteisellä 12 V: n virtalähteellä. En käyttänyt resonanssikondensaattoreita, joten vahvistus oli liian matala.

Kuulin vaikutuksen 1 jalan etäisyydeltä tarkalleen suoraa viivaa anturin kanssa. Jopa pieni liike sai äänen katoamaan.

Kaiuttimen induktori (pieni äänilähdön muuntaja):

Kuinka muuntaja ja anturit yhdistetään

Anturin johdotuksen yksityiskohdat voidaan nähdä alla olevasta kuvasta, tarvitset kaksi näistä kokoonpanoista kytkettäviksi piirin pisteisiin A ja B.

Muuntaja voi olla sopiva tehosta muuntajaa sen mukaan, kuinka monta anturia valitaan.

Prototyyppikuva : Yritin testata ja vahvistaa yllä olevan parametrisen kaiutinpiirin käyttämällä 4 ultraäänianturia, jotka vastasivat täsmälleen artikkelin selityksessä määritetyllä tavalla. Koska vain 4 anturia käytettiin, lähtö oli liian matala ja kuului vain metrin päästä.