In diesem Beitrag wird der Aufbau eines Ultraschall-Direktiven-Lautsprechersystems erläutert, das auch als parametrischer Lautsprecher bezeichnet wird und zum Senden einer Audiofrequenz über einen bestimmten Punkt oder eine bestimmte Zone verwendet werden kann, sodass die Person, die sich genau an diesem Punkt befindet, den Ton hören kann, während sich die Person neben ihm befindet er oder gerade außerhalb der Zone bleibt völlig unberührt und weiß nichts von dem Verfahren.
Erfunden und gebaut von Kazunori Miura (Japan)
Die hervorragenden Ergebnisse wurden beim Testen von Long Range Acoustic Device erzielt (LRAD) inspirierte die American Technology Corporation, einen neuen Namen für sie anzunehmen, und wurde am 25. März 2010 in LRAD Corporation geändert. Sie wird auch als Audio Spotlight bezeichnet und ist ein Produkt von Holosonic Research Labs, Inc und wird für nichtmilitärische Anwendungen verwendet.
Das Gerät ist so konzipiert, dass nur über einen bestimmten Bereich intensiv fokussierte Schallstrahlen erzeugt werden. Das Gerät eignet sich möglicherweise gut für Orte wie Museen, Bibliotheken und Ausstellungsgalerien, in denen der Schallstrahl zum Senden einer Warnmeldung oder zum Unterweisen einer bestimmten Person verwendet werden kann, während eine andere Person in vollkommener Stille weitermachen darf.
Die fokussierten Soundeffekte eines solchen parametrischen Lautsprechersystems sind so genau, dass jeder, der darauf abzielt, sehr überrascht ist, den fokussierten Soundinhalt zu erleben, der nur von ihm gehört wird, während der Typ direkt neben ihm sich dessen überhaupt nicht bewusst ist.
Funktionsprinzip eines parametrischen Lautsprechers
Die parametrische Lautsprechertechnologie verwendet Schallwellen im Überschallbereich, die die Eigenschaft haben, sich fast durch die Sichtlinie zu bewegen.
Man kann sich jedoch fragen, ob der Überschallbereich möglicherweise über der 20-kHz-Marke (genauer gesagt 40 kHz) liegt und für menschliche Ohren absolut unhörbar ist. Wie kann das System also die Wellen in der fokussierten Zone hörbar machen?
Eine Methode, dies zu implementieren, besteht darin, zwei 40-kHz-Strahlen zu verwenden, wobei einer eine Audiofrequenz von 1 kHz überlagert und abgewinkelt hat, um sich an dem gerichteten Punkt zu treffen, an dem sich die beiden 40-kHz-Inhalte gegenseitig aufheben, wobei die 1-kHz-Frequenz an diesem bestimmten Punkt hörbar bleibt.
Die Idee mag einfach aussehen, aber das Ergebnis könnte aufgrund des Geräusches mit geringer Lautstärke an der gerichteten Stelle zu ineffizient sein, was im Gegensatz zum LRAD nicht gut genug ist, um die Zielgruppe zu betäuben oder außer Gefecht zu setzen.
Andere moderne Verfahren zur Erzeugung von hörbarem Richtungsschall unter Verwendung von Überschallwellen sind Amplitudenmodulation (AM), Doppelseitenbandmodulation (DSB), Einseitenbandmodulation (SSB), Frequenzmodulation (FM). Alle Konzepte hängen von der kürzlich untersuchten parametrischen Lautsprechersystemtechnologie ab .
Es ist unnötig zu erwähnen, dass eine Überschallwelle mit 110 dB + mit ihrer Schallkraftverteilung ungleichmäßig sein kann, während sie sich im Verlauf einer langen Luftmassenröhre ausbreitet.
Aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Schalldrucks kann es zu einer immensen Verzerrung kommen, die für Anwendungen an friedlichen Orten wie in Museen, Galerien usw. höchst unerwünscht sein kann.
Die obige nichtlineare Antwort wird aufgrund der Tatsache erzeugt, dass Luftmoleküle relativ mehr Zeit benötigen, um sich auf ihre vorherige ursprüngliche Dichte einzustellen, als die Zeit, die zum Komprimieren der Moleküle benötigt wird. Schall, der mit höheren Drücken erzeugt wird, führt auch zu höheren Frequenzen, die dazu neigen, Stoßwellen zu erzeugen, während die Moleküle mit denen kollidieren, die komprimiert werden.
Um genau zu sein, da der hörbare Inhalt aus den vibrierenden Luftmolekülen besteht, die eher nicht vollständig 'zurückkehren'. Wenn die Frequenz des Schalls zunimmt, zwingt die Ungleichmäßigkeit die Verzerrung dazu, aufgrund des Effekts, der am besten sein könnte, viel hörbar zu werden definiert als 'Luftviskosität'.
Daher greift der Hersteller auf das Lautsprecherkonzept der DSP-Richtlinie zurück, das eine deutlich verbesserte Klangwiedergabe bei minimaler Verzerrung beinhaltet.
Das Obige wird durch die Aufnahme einer hochentwickelten parametrischen Wandlerlautsprecheranordnung ergänzt, um unidirektionale und klare Klangpunkte zu erhalten.
Die hohe Richtwirkung, die durch diese parametrischen Lautsprecher erzeugt wird, beruht auch auf ihren kleinen Bandbreiteneigenschaften, die gemäß der erforderlichen Spezifikation vergrößert werden könnten, indem einfach viele dieser Wandler über eine Matrixanordnung hinzugefügt werden.
Grundlegendes zum parametrischen 2-Kanal-Lautsprechermodulatorkonzept
DSB könnte leicht unter Verwendung von analogen Schaltkreisen ausgeführt werden. Der Erfinder versuchte dies zunächst, und obwohl er einen lauten Klang erzielen konnte, ging er mit einer Menge Verzerrungen einher.
Als nächstes wurde eine PWM-Schaltung ausprobiert, die das Konzept der FM-Technologie verwendete. Obwohl die resultierende Tonausgabe sehr deutlich und frei von Verzerrungen war, wurde festgestellt, dass die Intensität im Vergleich zu DSB viel schwächer war.
Der Nachteil wurde letztendlich gelöst, indem ein zweikanaliges Array von Wandlern angeordnet wurde, wobei jedes Array bis zu 50 parallel geschaltete 40-kHz-Wandler enthielt.
Grundlegendes zur Audio Spotlight-Schaltung
Unter Bezugnahme auf die unten gezeigte parametrische Lautsprecher- oder Ultraschallrichtungs-Lautsprecherschaltung sehen wir eine Standard-PWM-Schaltung, die um den PWM-Generator-IC TL494 konfiguriert ist.
Der Ausgang dieser PWM-Stufe wird unter Verwendung des speziellen IR2111-IC einer Halbbrücken-Mosfet-Treiberstufe zugeführt.
Der IC TL494 verfügt über einen eingebauten Oszillator, dessen Frequenz über ein externes R / C-Netzwerk eingestellt werden kann. Hier wird er durch die Voreinstellung R2 und C1 dargestellt. Die Grundschwingungsfrequenz wird durch R1 eingestellt und eingestellt, während der optimale Bereich durch geeignete Einstellung von R1 und R2 durch den Benutzer bestimmt wird.
Der Audioeingang, der auf die oben eingestellte PWM-Frequenz gerichtet und überlagert werden muss, wird an K2 angelegt. Beachten Sie, dass der Audioeingang mit einem kleinen Verstärker wie LM386 ausreichend verstärkt werden muss und nicht über die Kopfhörerbuchse eines Audiogeräts bezogen werden darf.
Da der Ausgang von der PWM-Stufe über einen Doppelhalbbrücken-IC-Aufbau gespeist wird, könnten die endgültigen verstärkten parametrischen Überschallausgänge über zwei Ausgänge über die gezeigten 4 Fets erreicht werden.
Die verstärkten Ausgänge werden über einen Optimierungsinduktor einem Array hochspezialisierter 40-kHz-Piezo-Wandler zugeführt. Jedes der Wandlerarrays kann aus insgesamt 200 Wandlern bestehen, die über eine Parallelschaltung angeordnet sind.
Die Mosfets werden normalerweise mit einer 24-V-Gleichstromversorgung zum Ansteuern der Piezos gespeist, die von einer separaten 24-V-Gleichstromquelle abgeleitet werden können.
Es könnte eine Vielzahl solcher Wandler auf dem Markt geben, daher ist die Option nicht auf einen bestimmten Typ oder eine bestimmte Bewertung beschränkt. Der Autor bevorzugte Piezos mit einem Durchmesser von 16 mm, denen typischerweise eine Frequenzspezifikation von 40 kHz zugewiesen wurde.
Jeder Kanal muss mindestens 100 davon enthalten, um eine angemessene Reaktion zu erzielen, wenn er im Freien bei hoher Aufregung verwendet wird.
Der Wandlerabstand ist entscheidend
Der Abstand zwischen den Wandlern ist entscheidend, damit die von jedem von ihnen erzeugte Phase nicht durch die benachbarten Einheiten gestört oder aufgehoben wird. Da die Wellenlänge lediglich 8 mm beträgt, kann ein Positionierungsfehler von sogar 1 mm aufgrund von Phasenfehlern und Schalldruckverlust zu einer erheblich geringeren Intensität führen.
Technisch imitiert ein Ultraschallwandler das Verhalten eines Kondensators und könnte daher durch Einschalten eines Induktors in Reihe zur Resonanz gezwungen werden.
Wir haben daher einen Induktor in Reihe geschaltet, um diese Funktion zur Optimierung der Wandler auf ihre Spitzenleistungsgrenzen zu erreichen.
Berechnung der Resonanzfrequenz
Die Resonanzfrequenz des Wandlers kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden:
fr = 1 / (2 pi x LC)
Die interne Kapazität der 40-kHz-Wandler könnte etwa 2 bis 3 nF betragen, so dass 50 von ihnen parallel eine Nettokapazität von etwa 0,1 uF bis 0,15 uF ergeben würden.
Unter Verwendung dieser Zahl in der obigen Formel erhalten wir einen Induktorwert zwischen 60 und 160 uH, der in Reihe mit den Mosfets-Treiberausgängen bei A und B geschaltet werden muss.
Der Induktor verwendet einen Ferritstab, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist. Der Benutzer könnte die Resonanzantwort erhöhen, indem er den Stab durch Schieben innerhalb der Spule einstellt, bis der optimale Punkt erreicht werden kann.
Schaltplan
Schaltungsidee mit freundlicher Genehmigung von Elektor Electronics.
In meinem Prototyp habe ich mit einem Audiotransformator wie unten gezeigt für die erforderliche Verstärkung mit einer einzigen gemeinsamen 12-V-Versorgung experimentiert. Ich habe keine Resonanzkondensatoren verwendet, daher war die Verstärkung zu gering.
Ich konnte den Effekt aus einer Entfernung von 1 Fuß genau über eine gerade Linie mit dem Schallkopf hören. Schon eine leichte Bewegung ließ den Ton verschwinden.
Lautsprecherinduktivität (kleiner Audioausgangstransformator):
So verbinden Sie den Transformator und die Wandler
Details zur Wandlerverdrahtung sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Sie benötigen zwei dieser Einstellungen, um mit den Punkten A und B der Schaltung verbunden zu werden.
Der Transformator kann geeignet sein Aufwärtstransformator abhängig davon, wie viele Wandler ausgewählt sind.
Prototyp Bild : Die obige parametrische Lautsprecherschaltung wurde von mir erfolgreich mit 4 Ultraschallwandlern getestet und bestätigt, die genau wie in der Artikelerklärung angegeben reagierten. Da jedoch nur 4 Sensoren verwendet wurden, war der Ausgang zu niedrig und nur aus einem Meter Entfernung zu hören.
Achtung - Gesundheitsgefahr. Es müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden, um eine langfristige Exposition gegenüber hohen Ultraschallschallpegeln zu verhindern.
Originaldokument kann sein Lies hier
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