כיצד ליצור מעגל רמקולים קולי

הפוסט מסביר את הקמתה של מערכת רמקולים בהנחיה אולטראסונית הנקראת גם רמקול פרמטרי, אשר עשויה לשמש להעברת תדר שמע על נקודה או אזור ממוקד כך שהאדם הנמצא בדיוק באותה נקודה מסוגל לשמוע את הצליל בעוד האדם הסמוך הוא או ממש מחוץ לאזור נשאר ללא פגע ולא מודע להליכים.

הומצא ונבנה על ידי Kazunori Miura (יפן)

התוצאות הבולטות שהתקבלו מבדיקת מכשיר אקוסטי לטווח ארוך (LRAD) נתן השראה לתאגיד הטכנולוגיה האמריקני לאמץ שם חדש עבורו והוחלף לתאגיד LRAD ב- 25 במרץ 2010. נקרא גם Spotlight Audio, והוא תוצר של מעבדות המחקר Holosonic, Inc ומשמש ליישומים שאינם צבאיים.

המכשיר נועד ליצור קרני קול ממוקדות בעוצמה על פני שטח ממוקד בלבד. היחידה עשויה להתאים היטב למקומות כמו מוזיאונים, ספריות, גלריות תערוכות בהן אלומת הקול שלה עשויה לשמש לשליחת הודעת אזהרה או להנחיה לאדם מסוים, כאשר אחרים מסביב רשאים להמשיך בשקט מושלם.

אפקטים הקוליים הממוקדים ממערכת רמקולים פרמטרית כזו הם כה מדויקים, עד כי כל מי שמכוונת אליה הופך להיות מופתע מאוד לחוות את תוכן הצליל הממוקד הנשמע רק על ידו, בעוד הבחור שנמצא לצידו נשאר לגמרי לא מודע לכך.

עקרון עבודה של רמקול פרמטרי

טכנולוגיית הרמקולים הפרמטרית מפעילה גלי קול בטווח העל-קוליים המאפיינים את הנסיעה כמעט דרך קו הראייה.

עם זאת ניתן לתהות שמכיוון שהטווח העל-קולי עשוי להיות מעבר לסימן 20kHz (40kHz ליתר דיוק), הוא יכול להישמע לחלוטין לאוזניים אנושיות, אז איך המערכת מסוגלת להפוך את הגלים לקוליים באזור הממוקד?

אחת השיטות ליישום זה היא להשתמש בשתי קרני 40kHz עם אחת שתדר שמע של 1kHz על גבי זו בזווית כדי להיפגש בנקודה המכוונת שבה שני תוכן 40kHz מבטל זה את זה ומשאיר את תדר 1kHz נשמע בנקודה מסוימת.

הרעיון אולי נראה פשוט, אך התוצאה עלולה להיות לא יעילה מדי בגלל הצליל הנמוך בעוצמה במקום המכוון, לא מספיק טוב כדי להדהים או להקל על האנשים הממוקדים, בניגוד למדינת LRAD.

שיטות מודרניות אחרות להפקת צליל הנחיה נשמע באמצעות גלים על-קוליים הן באמצעות אפנון משרעת (AM), אפנון פס צד כפול (DSB), אפנון רוחב-צד יחיד (SSB), אפנון תדרים (FM), כל המושגים תלויים בטכנולוגיית מערכת הרמקולים הפרמטרית שנחקרה לאחרונה. .

למותר לציין כי גל על-קולי של 110 dB + יכול להיות לא אחיד עם התפלגות כוח הקול שלו בזמן שהוא מתפשט על פני 'צינור' ארוך של מסת אוויר.

בגלל חוסר האחידות של לחץ הקול ניתן לחוות עיוות עצום שיכול להיות מאוד לא רצוי ליישומים במקומות שלווים כמו במוזיאונים, גלריות וכו '.

התגובה הלא לינארית שלעיל מופקת בשל העובדה שלמולקולות האוויר לוקח יותר זמן יחסית לסדר את עצמם לצפיפות המקורית הקודמת שלהם בהשוואה לזמן שנדרש לדחיסת המולקולות. צליל שנוצר בלחצים גבוהים יותר מביא גם לתדרים גבוהים יותר הנוטים ליצור גלי הלם בזמן שהמולקולות מתנגשות עם אלה שנדחסים.

ליתר דיוק מכיוון שהתוכן הנשמע מורכב ממולקולות האוויר הרוטטות, שאינן לגמרי 'חוזרות', לכן כאשר תדירות הצליל עולה, האי אחידות מאלצת את העיוות להיות הרבה יותר נשמע בגלל ההשפעה שיכולה להיות הטובה ביותר. מוגדר כ'צמיגות אוויר '.

לכן היצרן נוקט בתפיסת הרמקולים של DSP בהנחיית שכפול סאונד משופר בהרבה עם עיוות מינימלי.

האמור לעיל משלים הכללת מערך רמקולי מתמר פרמטרי מתקדם ביותר לקבלת נקודות צליל חד כיווניות וברורות.
ההנחיה הגבוהה שנוצרה על ידי רמקולים פרמטריים אלה נובעת גם ממאפייני רוחב הפס הקטנים שלהם, שניתן להגדילם בהתאם למפרט הנדרש על ידי הוספת מספר רב של מתמרים אלה באמצעות סידור מטריצה.

הבנת מושג אפנון רמקולים דו-ערוצי פרמטרי

ניתן לבצע DSB בקלות באמצעות מעגלי מיתוג אנלוגיים. הממציא ניסה זאת בתחילה, ואף על פי שהיה יכול להשיג צליל חזק, זה ליווה הרבה עיוותים.

בהמשך, נוסה מעגל PWM, שהשתמש במושג הדומה לטכנולוגיית FM, אף על פי שפלט הצליל שהתקבל היה מובהק ונקי מעיוותים, העוצמה נמצאה חלשה בהרבה בהשוואה ל- DSB.

החיסרון נפתר בסופו של דבר באמצעות סידור מערך כפול של מתמרים, שכל מערך כולל עד 50 מספרים של מתמרים של 40 קילו-הרץ המחוברים במקביל.

הבנת מעגל הזרקורים השמע

בהתייחס למעגל הרמקולים הפרמטרי או למעגל הרמקולים הקולי המוצג להלן אנו רואים מעגל PWM סטנדרטי שמוגדר סביב מחולל PWM IC TL494.

התפוקה משלב PWM זה מוזנת לשלב הנהג של מוספט חצי גשר באמצעות ה- IR2111 IC המיוחד.

ל- IC TL494 יש מתנד מובנה שתדרו יכול להיות מוגדר דרך רשת R / C חיצונית, כאן הוא מיוצג באמצעות R2 ו- C1 המוגדרים מראש. תדר התנודה הבסיסי מותאם ומוגדר על ידי R1, בעוד שהטווח האופטימלי נקבע על ידי הגדרה מתאימה של R1 ו- R2 על ידי המשתמש.

קלט השמע שיש לכוון ולהעלות אותו על תדר ה- PWM שהוגדר לעיל מוחל על K2. שים לב כי יש להגביר את כניסת האודיו באמצעות מגבר קטן כגון LM386 ואסור להפיק אותו דרך שקע האוזניות של התקן שמע.

מכיוון שהפלט משלב ה- PWM מוזרם על ידי הגדרת IC חצי גשר כפול, ניתן להשיג את הפלטים הפרמטריים העל-קוליים המוגברים הסופיים באמצעות שתי יציאות על פני 4 הרגליים המוצגות.

הפלטים המוגברים מוזנים למערך של מתמרי פיזו 40 קילו-הרץ במיוחד באמצעות משרן מיטוב. כל אחד ממערך המתמרים עשוי לכלול בסך הכל 200 מתמרים המסודרים באמצעות חיבור מקביל.

המוספטים מוזנים בדרך כלל באספקת 24 וולט DC להנעת הפיזואים שעשויים להיות נגזרים ממקור 24 וולט נפרד.

יכול להיות שיש שורה של מתמרים כאלה זמינים בשוק, כך שהאופציה אינה מוגבלת לשום סוג או דירוג ספציפי. המחבר העדיף בדרך כלל piezos בקוטר 16 מ'מ שהוקצו למפרט תדרים 40kHz.

כל ערוץ חייב לכלול לפחות 100 כאלה על מנת ליצור מענה סביר כאשר הוא נמצא בשימוש בחוץ ברמת מהומה גבוהה.

מרווח מתמר הוא מכריע

המרווח בין המתמרים הוא קריטי כדי שהשלב שנוצר על ידי כל אחד מהם לא יופרע או יבוטל על ידי היחידות הסמוכות. מכיוון שאורך הגל הוא 8 מ'מ בלבד, שגיאת מיקום אפילו 1 מ'מ עלולה לגרום לעוצמה נמוכה משמעותית עקב שגיאת פאזה ואובדן SPL.

מבחינה טכנית, מתמר קולי מחקה את התנהגות הקבל וכך הוא יכול להיאלץ להדהד על ידי הכללת משרן בסדרה.

לכן כללנו משרן בסדרה רק כדי להשיג תכונה זו לייעול המתמרים למגבלות הביצועים הגבוהות ביותר שלהם.

חישוב תדירות התהודה

ניתן לחשב את תדירות התהודה של המתמר באמצעות הנוסחה הבאה:

fr = 1 / (2pi x LC)

הקיבול הפנימי של מתמרי 40 קילו-הרץ יכול להיות סביב 2 עד 3nF, ולכן 50 מהם במקביל יביאו לקיבול נטו של כ- 0.1uF ל- 0.15uF.

באמצעות איור זה בנוסחה שלעיל אנו מקבלים את ערך המשרן שבין 60 ל 160 uH אשר חייב להיכלל בסדרה עם תפוקות הנהג של mosfets ב A ו- B.

המשרן משתמש במוט פריט כפי שניתן לראות באיור למטה. המשתמש יכול היה להגביר את תגובת התהודה על ידי כיוונון המוט על ידי החלקתו בתוך הסליל עד לנקודת האופטימום.

תרשים מעגלים

רעיון המעגל באדיבות: Elektor electronics.

באב-טיפוס שלי התנסיתי בשנאי שמע כמוצג להלן לצורך הגברה נדרשת, עם ספק 12V משותף יחיד. לא השתמשתי בקבלים מהדהדים ולכן ההגברה הייתה נמוכה מדי.

יכולתי לשמוע את ההשפעה ממרחק של מטר וחצי בדיוק על קו ישר עם המתמר. אפילו תנועה קלה גרמה להעלמת הצליל.

משרן רמקולים (שנאי פלט שמע קטן):

כיצד לחבר את השנאי ואת המתמרים

ניתן לראות את פרטי חיווט המתמר באיור הנתון למטה, תזדקק לשניים מההגדרות הללו כדי להתחבר לנקודות A ו- B של המעגל.

השנאי יכול להיות מתאים להגביר שנאי תלוי כמה מתמרים שנבחרו.

תמונת אב טיפוס : מעגל הרמקולים הפרמטרי לעיל נבדק ואושר על ידי באמצעות 4 מתמרים קולי, אשר הגיבו בדיוק כמפורט בהסבר המאמר. עם זאת, מכיוון שרק 4 חיישנים שימשו, הפלט היה נמוך מדי וניתן היה לשמוע אותו רק ממטר.

זהירות - סכנה בריאותית. יש לנקוט באמצעים המתאימים למניעת חשיפה לטווח ארוך לרמות צליל קולי גבוהות.

המסמך המקורי יכול להיות קרא כאן