A postagem explica a construção de um sistema de alto-falante ultrassônico também chamado de alto-falante paramétrico, que pode ser usado para transmitir uma frequência de áudio sobre um ponto ou zona alvo, de modo que a pessoa situada exatamente naquele ponto seja capaz de ouvir o som enquanto a pessoa ao lado ele ou apenas fora da zona permanece completamente intocado e inconsciente dos procedimentos.

Inventado e construído por Kazunori Miura (Japão)

Os excelentes resultados obtidos a partir do teste do dispositivo acústico de longo alcance (LRAD) inspirou a American Technology Corporation a adotar um novo nome para ele e foi alterado para LRAD corporation em 25 de março de 2010. Também chamado de Audio Spotlight, é um produto da Holosonic Research Labs, Inc e é usado para aplicações não militares.

O dispositivo é projetado para gerar feixes de som intensamente focados apenas em uma área específica. A unidade pode ser adequada em locais como museus, bibliotecas, galerias de exposições, onde seu feixe de som pode ser usado para enviar uma mensagem de advertência ou instruir uma pessoa em particular com comportamento inadequado, enquanto outras pessoas ao redor podem continuar em perfeito silêncio.

Os efeitos sonoros focalizados de tal sistema de alto-falante paramétrico são tão precisos que qualquer um que seja visado por ele fica extremamente surpreso ao experimentar o conteúdo sonoro focado que é ouvido apenas por ele enquanto o cara ao lado dele permanece completamente inconsciente disso.

Princípio de funcionamento de um alto-falante paramétrico

A tecnologia de alto-falante paramétrico emprega ondas sonoras na faixa supersônica que têm a característica de viajar quase na linha de visão.

No entanto, podemos nos perguntar que, como a faixa supersônica pode estar além da marca de 20kHz (40kHz para ser preciso), pode ser absolutamente inaudível para ouvidos humanos, então como o sistema é capaz de tornar as ondas audíveis na zona focada?

Um método para implementar isso é usar dois feixes de 40 kHz com um tendo uma frequência de áudio de 1 kHz sobreposta e inclinada para se encontrar no ponto direcionado onde os dois conteúdos de 40 kHz se cancelam, deixando a frequência de 1 kHz audível nesse ponto específico.

A ideia pode parecer simples, mas o resultado pode ser muito ineficiente devido ao som de baixo volume no local direcionado, não bom o suficiente para atordoar ou incapacitar as pessoas visadas, ao contrário do LRAD.

Outros métodos modernos de produção de som diretivo audível usando ondas supersônicas são através da modulação de amplitude (AM), modulação de banda lateral dupla (DSB), modulação de banda lateral única (SSB), modulação de frequência (FM), todos os conceitos dependem da tecnologia de sistema de alto-falante paramétrico recentemente pesquisada .

Desnecessário dizer que uma onda supersônica de 110 dB + pode ser não uniforme com sua distribuição de força sonora enquanto está no curso de propagação através de um longo 'tubo' de massa de ar.

Devido à não uniformidade da pressão do som, uma imensa quantidade de distorção pode ser experimentada, o que pode ser altamente indesejável para aplicações em locais pacíficos como museus, galerias, etc.

A resposta não linear acima é produzida devido ao fato de que as moléculas de ar levam relativamente mais tempo para se organizar em sua densidade original anterior, em comparação com o tempo necessário para comprimir as moléculas. O som criado com pressões mais altas também resulta em frequências mais altas, que tendem a gerar ondas de choque enquanto as moléculas colidem com as que estão sendo comprimidas.

“a luz de falha do inversor de energia permanece ”

Para ser mais preciso, uma vez que o conteúdo audível é constituído pelas moléculas de ar vibrando que não estão totalmente 'retornando', portanto, quando a frequência do som aumenta, a não uniformidade força a distorção a se tornar muito audível devido ao efeito que poderia ser melhor definida como 'viscosidade do ar'.

Portanto, o fabricante recorre ao conceito de alto-falante diretivo DSP que envolve uma reprodução de som muito melhorada com distorção mínima.

A descrição acima é complementada com a inclusão de um arranjo de alto-falante com transdutor paramétrico altamente avançado para obter pontos de som unidirecionais e claros.
A alta diretividade criada por esses alto-falantes paramétricos também é devido às suas características de largura de banda pequena, que podem ser ampliadas de acordo com a especificação necessária, simplesmente adicionando muitos números desses transdutores por meio de um arranjo de matriz.

Compreendendo o conceito de modulador de alto-falante paramétrico de 2 canais

O DSB pode ser facilmente executado usando circuitos de comutação analógicos. O inventor inicialmente tentou isso e, embora pudesse produzir um som alto, acompanhava com muita distorção.

Em seguida, um circuito PWM foi tentado, que empregou o conceito semelhante à tecnologia FM, embora a saída de som resultante fosse muito distinta e livre de distorção, a intensidade foi considerada muito mais fraca em comparação com DSB.

A desvantagem foi finalmente resolvida com o arranjo de uma matriz de canal duplo de transdutores, cada matriz incluindo até 50 números de transdutores de 40 kHz conectados em paralelo.

Compreendendo o circuito de destaque de áudio

Referindo-se ao alto-falante paramétrico ou circuito de alto-falante diretriz ultrassônico mostrado abaixo, vemos um circuito PWM padrão configurado em torno do gerador PWM IC TL494.

A saída deste estágio PWM é alimentada para um estágio de driver mosfet de meia ponte usando o IC IR2111 especializado.

O IC TL494 tem um oscilador embutido cuja frequência pode ser definida através de uma rede R / C externa, aqui é representada através do R2 e C1 predefinidos. A frequência de oscilação fundamental é ajustada e definida por R1, enquanto a faixa ótima é determinada pela configuração adequada de R1 e R2 pelo usuário.

A entrada de áudio que precisa ser direcionada e sobreposta na frequência PWM definida acima é aplicada a K2. Observe que a entrada de áudio deve ser suficientemente amplificada usando um pequeno amplificador como o LM386 e não deve ser alimentada por meio de um conector de fone de ouvido de um dispositivo de áudio.

Uma vez que a saída do estágio PWM é alimentada através de uma configuração de IC de meia ponte dupla, as saídas paramétricas supersônicas amplificadas finais poderiam ser obtidas por meio de duas saídas através dos 4 fets mostrados.

As saídas amplificadas são alimentadas a uma série de transdutores piezoelétricos de 40 kHz altamente especializados por meio de um indutor de otimização. Cada matriz de transdutor pode consistir em um total de 200 transdutores dispostos por meio de uma conexão paralela.

Os mosfets são normalmente alimentados com uma fonte de 24 Vcc para acionar os piezos, que pode ser derivada de uma fonte separada de 24 Vcc.

Pode haver uma série de transdutores disponíveis no mercado, de modo que a opção não se limita a nenhum tipo ou classificação específica. O autor preferiu piezos de 16 mm de diâmetro atribuídos com especificações de frequência de 40 kHz normalmente.

Cada canal deve incluir pelo menos 100 deles para gerar uma resposta razoável quando for usado ao ar livre em meio a um alto nível de comoção.

O espaçamento do transdutor é crucial

O espaçamento entre os transdutores é fundamental para que a fase criada por cada um deles não seja perturbada ou cancelada pelas unidades adjacentes. Como o comprimento de onda é de apenas 8 mm, o erro de posicionamento de até 1 mm pode resultar em uma intensidade significativamente menor devido ao erro de fase e perda de SPL.

Tecnicamente, um transdutor ultrassônico imita o comportamento de um capacitor e, portanto, pode ser forçado a ressoar incluindo um indutor em série.

Portanto, incluímos um indutor em série apenas para obter esse recurso e otimizar os transdutores até seus limites máximos de desempenho.

Calculando a frequência ressonante

A frequência ressonante do transdutor pode ser calculada usando a seguinte fórmula:

fr = 1 / (2pi x LC)

A capacitância interna dos transdutores de 40 kHz pode ser em torno de 2 a 3nF, portanto, 50 deles em paralelo resultariam em uma capacitância líquida de cerca de 0,1uF a 0,15uF.

Usando esta figura na fórmula acima, obtemos o valor do indutor entre 60 e 160 uH, que deve ser incluído em série com as saídas do driver mosfets em A e B.

O indutor usa uma haste de ferrite como pode ser comprovado na figura abaixo. O usuário pode aumentar a resposta ressonante ajustando a haste, deslizando-a dentro da bobina até que o ponto ideal seja atingido.

Diagrama de circuito

circuito do sistema de alto-falante ultrassônico ou alto-falante paramétrico

Cortesia da ideia do circuito: Eletrônica Elektor.

Em meu protótipo, experimentei um transformador de áudio conforme mostrado abaixo para a amplificação necessária, com uma única fonte comum de 12V. Eu não usei nenhum capacitor ressonante, portanto a amplificação estava muito baixa.

Eu podia ouvir o efeito a uma distância de 1 pé exatamente em uma linha reta com o transdutor. Mesmo um leve movimento fazia com que o som desaparecesse.

Indutor de alto-falante (pequeno transformador de saída de áudio):

Como conectar o transformador e os transdutores

Os detalhes da fiação do transdutor podem ser vistos na figura abaixo, você precisará de duas dessas configurações para serem conectadas aos pontos A e B do circuito.

O transformador pode ser adequado Transformador step-up dependendo de quantos transdutores são selecionados.

Imagem de protótipo : O circuito de alto-falante paramétrico acima foi testado com sucesso e confirmado por mim usando 4 transdutores ultrassônicos, que responderam exatamente como especificado na explicação do artigo. No entanto, como apenas 4 sensores foram usados, a saída era muito baixa e só podia ser ouvida a um metro de distância.