โพสต์อธิบายถึงการสร้างระบบลำโพงคำสั่งอัลตราโซนิกที่เรียกว่าลำโพงพาราเมตริกซึ่งอาจใช้ในการส่งความถี่เสียงไปยังจุดหรือโซนเป้าหมายเพื่อให้บุคคลที่อยู่ตรงจุดนั้นสามารถได้ยินเสียงในขณะที่คนข้างๆ เขาหรือนอกเขตยังคงไม่ถูกแตะต้องโดยสิ้นเชิงและไม่รู้ถึงการดำเนินคดี

คิดค้นและสร้างโดย Kazunori Miura (ญี่ปุ่น)

ผลลัพธ์ที่โดดเด่นที่ได้รับจากการทดสอบอุปกรณ์อะคูสติกระยะไกล (LRAD) เป็นแรงบันดาลใจให้ American Technology Corporation ใช้ชื่อใหม่และเปลี่ยนเป็น บริษัท LRAD ในวันที่ 25 มีนาคม 2010 เรียกอีกอย่างว่า Audio Spotlight เป็นผลิตภัณฑ์ของ Holosonic Research Labs, Inc และใช้สำหรับการใช้งานที่ไม่ใช่ทางทหาร

อุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างลำแสงเสียงที่เน้นหนักในพื้นที่เป้าหมายเท่านั้น หน่วยนี้อาจเหมาะอย่างยิ่งในสถานที่ต่างๆเช่นพิพิธภัณฑ์ห้องสมุดแกลเลอรีนิทรรศการซึ่งอาจใช้ลำแสงเสียงในการส่งข้อความเตือนหรือสั่งให้บุคคลที่ประพฤติไม่ดีโดยเฉพาะในขณะที่คนอื่น ๆ ที่อยู่รอบ ๆ ได้รับอนุญาตให้ดำเนินต่อไปในความเงียบที่สมบูรณ์แบบ

เอฟเฟกต์เสียงที่โฟกัสจากระบบลำโพงพาราเมตริกนั้นมีความแม่นยำมากจนใครก็ตามที่ตกเป็นเป้าหมายด้วยนั้นจะต้องประหลาดใจอย่างมากที่ได้สัมผัสกับเนื้อหาเสียงที่โฟกัสซึ่งมีเพียงเขาเท่านั้นที่ได้ยินในขณะที่ผู้ชายที่อยู่ข้างๆเขาไม่รู้ตัว

หลักการทำงานของลำโพงพาราเมตริก

เทคโนโลยีลำโพงพาราเมตริกใช้คลื่นเสียงในช่วงความเร็วเหนือเสียงซึ่งมีลักษณะการเดินทางผ่านเกือบทุกแนว

อย่างไรก็ตามอาจมีใครสงสัยว่าเนื่องจากช่วงความเร็วเหนือเสียงอาจเกินกว่าเครื่องหมาย 20kHz (40kHz เพื่อให้แม่นยำ) อาจไม่ได้ยินเสียงของหูมนุษย์อย่างแน่นอนดังนั้นระบบจึงสามารถทำให้คลื่นได้ยินในโซนที่โฟกัสได้อย่างไร?

วิธีการหนึ่งในการนำไปใช้คือการใช้ลำแสง 40kHz สองอันโดยอันหนึ่งมีความถี่เสียง 1kHz ที่ซ้อนทับและทำมุมเพื่อให้ตรงกับจุดที่กำหนดซึ่งเนื้อหา 40kHz ทั้งสองจะยกเลิกซึ่งกันและกันโดยปล่อยให้ความถี่ 1kHz ได้ยินที่จุดนั้น ๆ

แนวคิดนี้อาจดูเรียบง่าย แต่ผลลัพธ์อาจไร้ประสิทธิภาพเกินไปเนื่องจากเสียงที่มีระดับเสียงต่ำในจุดที่กำหนดทิศทางไม่ดีพอที่จะทำให้คนเป้าหมายตกตะลึงหรือไร้ความสามารถซึ่งค่อนข้างตรงกันข้ามกับ LRAD

วิธีการที่ทันสมัยอื่น ๆ ในการสร้างเสียงกำกับเสียงโดยใช้คลื่นเหนือเสียงคือการมอดูเลตแอมพลิจูด (AM), การมอดูเลตแบบแถบด้านข้างคู่ (DSB), การมอดูเลตแบบไซด์แบนด์เดี่ยว (SSB), การมอดูเลตความถี่ (FM) แนวคิดทั้งหมดขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีระบบลำโพงพาราเมตริกที่เพิ่งวิจัย .

จำเป็นต้องพูดคลื่น 110 dB + เหนือเสียงอาจไม่สม่ำเสมอด้วยการกระจายแรงเสียงในขณะที่มันกำลังแพร่กระจายผ่าน 'ท่อ' มวลอากาศยาว

เนื่องจากความดันเสียงที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้เกิดความผิดเพี้ยนจำนวนมากซึ่งอาจไม่เป็นที่พึงปรารถนาอย่างมากสำหรับการใช้งานในสถานที่สงบเช่นในพิพิธภัณฑ์หอศิลป์เป็นต้น

การตอบสนองที่ไม่ใช่เชิงเส้นข้างต้นเกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลของอากาศใช้เวลาค่อนข้างนานในการจัดเรียงตัวเองให้มีความหนาแน่นเดิมเมื่อเทียบกับเวลาที่ใช้ในการบีบอัดโมเลกุล เสียงที่สร้างขึ้นด้วยความกดดันที่สูงขึ้นยังส่งผลให้มีความถี่สูงขึ้นซึ่งมีแนวโน้มที่จะสร้างคลื่นกระแทกในขณะที่โมเลกุลชนกับโมเลกุลที่ถูกบีบอัด

“วิธีทำเตาแม่เหล็กไฟฟ้า ”

เพื่อให้มีความแม่นยำเนื่องจากเนื้อหาที่ได้ยินนั้นประกอบด้วยโมเลกุลของอากาศที่สั่นสะเทือนซึ่งค่อนข้างไม่ 'คืนกลับ' ทั้งหมดดังนั้นเมื่อความถี่ของเสียงเพิ่มขึ้นความไม่สม่ำเสมอจะบังคับให้ความผิดเพี้ยนกลายเป็นเสียงที่ได้ยินได้มากเนื่องจากเอฟเฟกต์ที่น่าจะดีที่สุด หมายถึง 'ความหนืดของอากาศ'

ดังนั้นผู้ผลิตจึงหันมาใช้แนวคิดลำโพงคำสั่ง DSP ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสร้างเสียงที่ดีขึ้นมากโดยมีความผิดเพี้ยนน้อยที่สุด

ข้างต้นเสริมด้วยการรวมการจัดเรียงลำโพงตัวแปลงสัญญาณพาราเมตริกขั้นสูงเพื่อให้ได้สปอตเสียงทิศทางเดียวและชัดเจน
ทิศทางที่สูงที่สร้างโดยลำโพงพาราเมตริกเหล่านี้ยังมาจากลักษณะแบนด์วิดท์ที่มีขนาดเล็กซึ่งสามารถขยายได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการโดยการเพิ่มตัวแปลงสัญญาณจำนวนมากผ่านการจัดเรียงแบบเมทริกซ์

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแนวคิดโมดูเลเตอร์ลำโพง 2 แชนแนลแบบพาราเมตริก

DSB สามารถดำเนินการได้อย่างง่ายดายโดยใช้วงจรสวิตชิ่งอะนาล็อก ในตอนแรกนักประดิษฐ์ได้ลองใช้สิ่งนี้และแม้ว่าจะสามารถให้เสียงที่ดังได้ แต่ก็มีการบิดเบือนอย่างมาก

จากนั้นทดลองใช้วงจร PWM ซึ่งใช้แนวคิดคล้ายกับเทคโนโลยี FM แม้ว่าเอาต์พุตเสียงที่ได้จะแตกต่างกันมากและปราศจากความผิดเพี้ยน แต่ก็พบว่าความเข้มนั้นอ่อนกว่ามากเมื่อเทียบกับ DSB

ข้อเสียเปรียบได้รับการแก้ไขในท้ายที่สุดโดยการจัดเรียงอาร์เรย์สองช่องสัญญาณของทรานสดิวเซอร์แต่ละอาร์เรย์รวมถึงทรานสดิวเซอร์ 40kHz มากถึง 50 หมายเลขที่เชื่อมต่อแบบขนาน

การทำความเข้าใจวงจร Audio Spotlight

อ้างอิงถึงลำโพงพาราเมตริกหรือวงจรลำโพงคำสั่งอัลตราโซนิกที่แสดงด้านล่างเราจะเห็นวงจร PWM มาตรฐานที่กำหนดค่าไว้รอบ ๆ ตัวกำเนิด PWM IC TL494

เอาต์พุตจากสเตจ PWM นี้ถูกป้อนไปยังสเตจไดรเวอร์มอสเฟ็ทครึ่งบริดจ์โดยใช้ไอซี IR2111 เฉพาะ

IC TL494 มีออสซิลเลเตอร์ในตัวซึ่งสามารถตั้งค่าความถี่ผ่านเครือข่าย R / C ภายนอกได้ที่นี่จะแสดงผ่าน R2 และ C1 ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ความถี่พื้นฐานของการสั่นจะถูกปรับและตั้งค่าโดย R1 ในขณะที่ช่วงที่เหมาะสมจะถูกกำหนดโดยการตั้งค่า R1 และ R2 อย่างเหมาะสมโดยผู้ใช้

อินพุตเสียงที่ต้องกำหนดทิศทางและซ้อนทับบนความถี่ PWM ที่ตั้งไว้ข้างต้นถูกนำไปใช้กับ K2 โปรดทราบว่าอินพุตเสียงต้องได้รับการขยายอย่างเพียงพอโดยใช้เครื่องขยายเสียงขนาดเล็กเช่น LM386 และต้องไม่ได้รับสัญญาณจากซ็อกเก็ตหูฟังของอุปกรณ์เสียง

เนื่องจากเอาต์พุตจากสเตจ PWM ถูกป้อนผ่านการตั้งค่า IC แบบ half bridge แบบคู่จึงทำให้เอาต์พุตพารามิเตอร์เหนือเสียงที่ขยายตัวสุดท้ายสามารถทำได้ผ่านเอาต์พุตสองเอาต์พุตใน 4 fets ที่แสดง

เอาต์พุตที่ขยายจะถูกป้อนเข้ากับอาร์เรย์ของทรานสดิวเซอร์ piezo 40 kHz ที่มีความเชี่ยวชาญสูงผ่านตัวเหนี่ยวนำที่ปรับให้เหมาะสม อาร์เรย์ทรานสดิวเซอร์แต่ละตัวอาจประกอบด้วยทรานสดิวเซอร์ทั้งหมด 200 ตัวที่จัดเรียงผ่านการเชื่อมต่อแบบขนาน

โดยปกติแล้ว mosfets จะถูกป้อนด้วยแหล่งจ่ายไฟ 24V DC สำหรับขับเคลื่อนเพียโซซึ่งอาจได้มาจากแหล่งจ่ายไฟ 24V DC แยกต่างหาก

อาจมีโฮสต์ของตัวแปลงสัญญาณดังกล่าวในตลาดดังนั้นตัวเลือกนี้จึงไม่ จำกัด เฉพาะประเภทหรือการให้คะแนนใด ๆ ผู้เขียนชอบ Piezos เส้นผ่านศูนย์กลาง 16 มม. ที่กำหนดความถี่ 40kHz โดยทั่วไป

แต่ละช่องต้องมีช่องเหล่านี้อย่างน้อย 100 ช่องเพื่อสร้างการตอบสนองที่สมเหตุสมผลเมื่อใช้งานกลางแจ้งท่ามกลางความวุ่นวายในระดับสูง

ระยะห่างของตัวแปลงสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญ

ระยะห่างระหว่างทรานสดิวเซอร์มีความสำคัญมากเพื่อให้เฟสที่สร้างขึ้นโดยแต่ละตัวไม่ถูกรบกวนหรือยกเลิกโดยหน่วยที่อยู่ติดกัน เนื่องจากความยาวคลื่นเพียง 8 มม. ข้อผิดพลาดในการวางตำแหน่งแม้กระทั่ง 1 มม. อาจส่งผลให้ความเข้มลดลงอย่างมากเนื่องจากข้อผิดพลาดของเฟสและการสูญเสีย SPL

ในทางเทคนิคตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิกจะเลียนแบบพฤติกรรมของตัวเก็บประจุดังนั้นจึงอาจถูกบังคับให้สั่นพ้องโดยรวมตัวเหนี่ยวนำในอนุกรม

ดังนั้นเราจึงรวมตัวเหนี่ยวนำไว้ในอนุกรมเพื่อให้ได้คุณสมบัตินี้สำหรับการปรับทรานสดิวเซอร์ให้เหมาะสมกับขีด จำกัด ประสิทธิภาพสูงสุด

การคำนวณความถี่เรโซแนนซ์

ความถี่เรโซแนนซ์ของทรานสดิวเซอร์อาจคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

fr = 1 / (2pi x LC)

ความจุภายในของทรานสดิวเซอร์ 40 kHz อาจอยู่ที่ประมาณ 2 ถึง 3nF ดังนั้น 50 ตัวแบบขนานจะทำให้ความจุสุทธิประมาณ 0.1uF ถึง 0.15uF

เมื่อใช้รูปนี้ในสูตรข้างต้นเราจะได้ค่าตัวเหนี่ยวนำอยู่ระหว่าง 60 ถึง 160 uH ซึ่งจะต้องรวมอยู่ในอนุกรมพร้อมกับเอาต์พุตไดรเวอร์ mosfets ที่ A และ B

ตัวเหนี่ยวนำใช้แท่งเฟอร์ไรต์ตามที่เห็นในรูปด้านล่าง ผู้ใช้สามารถเพิ่มการตอบสนองของเรโซแนนซ์ได้โดยการปรับแกนโดยเลื่อนเข้าไปในขดลวดจนกว่าจะถึงจุดที่เหมาะสมที่สุด

แผนภูมิวงจรรวม

วงจรของระบบลำโพงคำสั่งอัลตราโซนิกหรือลำโพงพาราเมตริก

มารยาทในการคิดวงจร: Elektor electronics

ในต้นแบบของฉันฉันได้ทดลองกับหม้อแปลงเสียงดังที่แสดงด้านล่างสำหรับการขยายที่ต้องการโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 12V ทั่วไปเพียงตัวเดียว ฉันไม่ได้ใช้ตัวเก็บประจุแบบเรโซแนนซ์ใด ๆ ดังนั้นการขยายสัญญาณจึงต่ำเกินไป

ฉันได้ยินเอฟเฟกต์จากระยะ 1 ฟุตตรงข้ามเส้นตรงด้วยตัวแปลงสัญญาณ แม้แต่การเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อยก็ทำให้เสียงนั้นหายไป

ตัวเหนี่ยวนำของลำโพง (ตัวแปลงสัญญาณเสียงขนาดเล็ก):

วิธีเชื่อมต่อหม้อแปลงและตัวแปลงสัญญาณ

รายละเอียดการเดินสายทรานสดิวเซอร์สามารถดูได้ในรูปด้านล่างนี้คุณจะต้องมีการตั้งค่าสองตัวนี้เพื่อเชื่อมต่อกับจุด A และ B ของวงจร

หม้อแปลงไฟฟ้าได้เหมาะสม ก้าวขึ้นหม้อแปลง ขึ้นอยู่กับจำนวนทรานสดิวเซอร์ที่เลือก

ภาพต้นแบบ : วงจรลำโพงพาราเมตริกข้างต้นได้รับการทดสอบและยืนยันโดยฉันโดยใช้ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก 4 ตัวซึ่งตอบสนองตรงตามที่ระบุไว้ในคำอธิบายบทความ อย่างไรก็ตามเนื่องจากมีการใช้เซ็นเซอร์เพียง 4 ตัวเอาต์พุตจึงต่ำเกินไปและสามารถได้ยินจากระยะเมตรเท่านั้น