Cómo hacer un circuito de altavoz de directiva ultrasónica

Cómo hacer un circuito de altavoz de directiva ultrasónica

La publicación explica la construcción de un sistema de altavoces de directiva ultrasónica también llamado altavoz paramétrico que se puede usar para transmitir una frecuencia de audio sobre un punto o zona objetivo, de modo que la persona situada exactamente en ese punto puede escuchar el sonido mientras que la persona que está al lado él o simplemente fuera de la zona permanece completamente intacto e inconsciente de los procedimientos.

Inventado y construido por Kazunori Miura (Japón)

Los excelentes resultados obtenidos de las pruebas de dispositivos acústicos de largo alcance (LRAD) inspiró a American Technology Corporation a adoptar un nuevo nombre y se cambió a LRAD Corporation el 25 de marzo de 2010. También llamado Audio Spotlight, es un producto de Holosonic Research Labs, Inc y se utiliza para aplicaciones no militares.

El dispositivo está diseñado para generar haces de sonido intensamente enfocados solo en un área objetivo. La unidad puede ser adecuada en lugares como museos, bibliotecas, galerías de exposiciones, donde su haz de sonido se puede utilizar para enviar un mensaje de advertencia o dar instrucciones a una persona en particular que se comporta mal, mientras que los demás pueden continuar en perfecto silencio.



Los efectos de sonido enfocados de un sistema de altavoces paramétrico de este tipo son tan precisos que cualquiera que esté apuntado con él se sorprenderá enormemente al experimentar el contenido de sonido enfocado que solo él oye, mientras que el tipo que está a su lado permanece completamente inconsciente de ello.

Principio de funcionamiento de un altavoz paramétrico

La tecnología de altavoces paramétricos emplea ondas de sonido en el rango supersónico que tienen la característica de viajar casi a través de la línea de visión.

Sin embargo, uno puede preguntarse que dado que el rango supersónico puede estar más allá de la marca de 20 kHz (40 kHz para ser precisos), podría ser absolutamente inaudible para los oídos humanos, entonces, ¿cómo puede el sistema hacer que las ondas sean audibles en la zona enfocada?

Un método para implementar esto es usar dos haces de 40 kHz, uno de los cuales tiene una frecuencia de audio de 1 kHz superpuesto y en ángulo para encontrarse en el punto dirigido donde los dos contenidos de 40 kHz se cancelan entre sí dejando la frecuencia de 1 kHz audible en ese punto en particular.

La idea puede parecer simple, pero el resultado podría ser demasiado ineficaz debido al bajo volumen del sonido en el lugar dirigido, no lo suficientemente bueno como para aturdir o incapacitar a las personas objetivo, muy al contrario de la LRAD.

Otros métodos modernos de producir sonido directivo audible utilizando ondas supersónicas son a través de modulación de amplitud (AM), modulación de banda lateral doble (DSB), modulación de banda lateral única (SSB), modulación de frecuencia (FM), todos los conceptos dependen de la tecnología de sistema de altavoces paramétricos recientemente investigada .

No hace falta decir que una onda supersónica de 110 dB + podría no ser uniforme con su distribución de la fuerza del sonido mientras se propaga a través de un largo 'tubo' de masa de aire.

Debido a la falta de uniformidad de la presión del sonido, se podría experimentar una inmensa cantidad de distorsión que podría ser altamente indeseable para aplicaciones en lugares pacíficos como museos, galerías, etc.

La respuesta no lineal anterior se produce debido al hecho de que las moléculas de aire tardan relativamente más tiempo en disponerse a su densidad original anterior en comparación con el tiempo necesario para comprimir las moléculas. El sonido creado con presiones más altas también da como resultado frecuencias más altas que tienden a generar ondas de choque mientras las moléculas chocan con las que se comprimen.

Para ser precisos, ya que el contenido audible está constituido por las moléculas de aire en vibración que más bien no están 'regresando' por completo, por lo tanto, cuando la frecuencia del sonido aumenta, la falta de uniformidad obliga a la distorsión a ser mucho más audible debido al efecto que podría ser mejor. definido como 'viscosidad del aire'.

Por lo tanto, el fabricante recurre al concepto de altavoz de la directiva DSP que implica una reproducción de sonido mucho mejor con una distorsión mínima.

Lo anterior se complementa con la inclusión de una disposición de altavoces transductores paramétricos altamente avanzados para obtener puntos de sonido unidireccionales y claros.
La alta directividad creada por estos altavoces paramétricos también se debe a sus características de pequeño ancho de banda que podrían ampliarse según la especificación requerida simplemente agregando muchos de estos transductores a través de una disposición de matriz.

Comprensión del concepto de modulador de altavoz paramétrico de 2 canales

DSB podría ejecutarse fácilmente utilizando circuitos de conmutación analógicos. El inventor inicialmente intentó esto, y aunque pudo lograr un sonido fuerte, lo acompañó con una gran cantidad de distorsión.

A continuación, se probó un circuito PWM, que empleaba el concepto similar a la tecnología FM, aunque la salida de sonido resultante era muy distinta y libre de distorsión, se encontró que la intensidad era mucho más débil en comparación con DSB.

El inconveniente se resolvió finalmente mediante la disposición de una matriz de transductores de doble canal, cada matriz incluye hasta 50 números de transductores de 40 kHz conectados en paralelo.

Comprensión del circuito de foco de audio

En referencia al circuito de altavoz paramétrico o de altavoz de directiva ultrasónica que se muestra a continuación, vemos un circuito PWM estándar configurado alrededor del generador de PWM IC TL494.

La salida de esta etapa PWM se alimenta a una etapa de controlador mosfet de medio puente utilizando el IR2111 IC especializado.

El IC TL494 tiene un oscilador incorporado cuya frecuencia se puede configurar a través de una red R / C externa, aquí está representada a través de los valores predeterminados R2 y C1. La frecuencia de oscilación fundamental se ajusta y establece mediante R1, mientras que el rango óptimo lo determina el usuario configurando adecuadamente R1 y R2.

La entrada de audio que debe dirigirse y superponerse a la frecuencia PWM establecida anteriormente se aplica a K2. Tenga en cuenta que la entrada de audio debe estar suficientemente amplificada mediante el uso de un pequeño amplificador como el LM386 y no debe obtenerse a través de la toma de auriculares de un dispositivo de audio.

Dado que la salida de la etapa PWM se alimenta a través de una configuración de circuito integrado de medio puente doble, las salidas paramétricas supersónicas amplificadas finales podrían lograrse a través de dos salidas en los 4 pies mostrados.

Las salidas amplificadas se alimentan a una serie de transductores piezoeléctricos de 40 kHz altamente especializados a través de un inductor de optimización. Cada uno de los conjuntos de transductores puede constar de un total de 200 transductores dispuestos a través de una conexión en paralelo.

Los mosfets normalmente se alimentan con una fuente de 24 V CC para impulsar los piezos que pueden derivarse de una fuente separada de 24 V CC.

Podría haber una gran cantidad de transductores de este tipo disponibles en el mercado, por lo que la opción no se limita a ningún tipo o clasificación específica. El autor prefirió los piezos de 16 mm de diámetro asignados con una especificación de frecuencia de 40 kHz típicamente.

Cada canal debe incluir al menos 100 de estos para generar una respuesta razonable cuando se usa al aire libre en medio de un alto nivel de conmoción.

El espacio entre transductores es crucial

El espaciamiento entre los transductores es fundamental para que la fase creada por cada uno de ellos no sea perturbada o cancelada por las unidades adyacentes. Dado que la longitud de onda es de solo 8 mm, un error de posicionamiento de incluso 1 mm podría resultar en una intensidad significativamente menor debido al error de fase y la pérdida de SPL.

Técnicamente, un transductor ultrasónico imita el comportamiento de un condensador y, por lo tanto, podría verse obligado a resonar si se incluye un inductor en serie.

Por lo tanto, hemos incluido un inductor en serie solo para lograr esta característica para optimizar los transductores a sus límites de rendimiento máximo.

Calcular la frecuencia de resonancia

La frecuencia de resonancia del transductor se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

fr = 1 / (2pi x LC)

La capacitancia interna de los transductores de 40 kHz podría ser de alrededor de 2 a 3 nF, por lo que 50 de ellos en paralelo darían como resultado una capacitancia neta de aproximadamente 0,1 uF a 0,15 uF.

Usando esta figura en la fórmula anterior, obtenemos que el valor del inductor esté entre 60 y 160 uH, que debe incluirse en serie con las salidas del controlador mosfets en A y B.

El inductor utiliza una varilla de ferrita como se puede ver en la figura siguiente. El usuario podría aumentar la respuesta resonante ajustando la varilla deslizándola dentro de la bobina hasta que se pueda alcanzar el punto óptimo.

Diagrama de circuito

circuito de sistema de altavoz de directiva ultrasónico o altavoz paramétrico

Cortesía de la idea del circuito: Electrónica de Elektor.

En mi prototipo experimenté con un transformador de audio como se muestra a continuación para la amplificación requerida, con un solo suministro común de 12V. No utilicé ningún condensador resonante, por lo que la amplificación fue demasiado baja.

Podía escuchar el efecto desde una distancia de 1 pie exactamente en línea recta con el transductor. Incluso un ligero movimiento hizo que el sonido desapareciera.

Inductor de altavoz (pequeño transformador de salida de audio):

Cómo conectar el transformador y los transductores

Los detalles del cableado del transductor se pueden ver en la siguiente figura, necesitará dos de estas configuraciones para conectarse con los puntos A y B del circuito.

El transformador puede ser adecuado intensificar el transformador dependiendo de cuántos transductores se seleccionen.

Imagen de prototipo : El circuito de altavoz paramétrico anterior fue probado y confirmado con éxito por mí utilizando 4 transductores ultrasónicos, que respondieron exactamente como se especifica en la explicación del artículo. Sin embargo, dado que solo se usaron 4 sensores, la salida era demasiado baja y solo se podía escuchar desde un metro de distancia.

circuito de altavoz paramétrico

Precaución: peligro para la salud. Deben tomarse las medidas adecuadas para evitar una exposición prolongada a altos niveles de sonido ultrasónico.

El documento original puede ser Leer aquí




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