O post explica a construção de um sistema de alto-falante diretivo ultrassônico, também chamado de alto-falante paramétrico, que pode ser usado para transmitir uma frequência de áudio em um ponto ou zona alvo, de modo que a pessoa situada exatamente nesse ponto possa ouvir o som enquanto a pessoa ao lado ele ou apenas fora da zona fica completamente intocado e inconsciente dos procedimentos.
Inventado e construído por Kazunori Miura (Japão)
Os excelentes resultados obtidos nos testes do Dispositivo Acústico de Longo Alcance (LRAD) inspirou a American Technology Corporation a adotar um novo nome 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 foi 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 alerta ou instruir uma pessoa em situação de mau comportamento, enquanto outras pessoas ao redor podem continuar em perfeito silêncio.
Os efeitos sonoros focados de um sistema de alto-falante tão paramétrico são tão precisos que qualquer um que seja alvo dele fica extremamente surpreso ao experimentar o conteúdo de som 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-falantes paramétricos emprega ondas sonoras na faixa supersônica que têm a característica de viajar quase na linha de visão.
No entanto, pode-se imaginar que, como o alcance supersônico pode estar além da marca de 20kHz (40kHz para ser preciso), pode ser absolutamente inaudível para os ouvidos humanos, então como o sistema é capaz de tornar as ondas audíveis na zona focalizada?
Um método de implementação disso é usar dois feixes de 40kHz com um tendo uma frequência de áudio de 1kHz sobreposta e inclinada para se encontrar no ponto direcionado onde os dois conteúdos de 40kHz se cancelam deixando a frequência de 1kHz audível naquele ponto específico.
A ideia pode parecer simples, mas o resultado pode ser muito ineficiente devido ao baixo volume de som no local direcionado, não é bom o suficiente para atordoar ou incapacitar as pessoas-alvo, ao contrário do LRAD.
Outros métodos modernos de produzir 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 do sistema de alto-falante paramétrico recentemente pesquisado .
Desnecessário dizer que uma onda supersônica de 110 dB + pode ser não uniforme com sua distribuição de força sonora enquanto está em curso de propagação através de um longo “tubo” de massa de ar.
Devido à não uniformidade da pressão sonora, 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 organizarem 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.
Para ser mais preciso, pois o conteúdo audível é constituído pelas moléculas de ar vibrantes que não estão totalmente “retornando”, pois quando a frequência do som aumenta, a não uniformidade força a distorção a se tornar muito audível devido ao efeito que poderia ser melhor definido como “viscosidade do ar”.
Portanto, o fabricante recorre ao conceito de alto-falante da diretiva DSP, que envolve uma reprodução de som muito melhorada com distorção mínima.
O acima é complementado com a inclusão de arranjos de alto-falantes transdutores paramétricos altamente avançados para obter pontos de som unidirecionais e claros.
A alta diretividade criada por esses alto-falantes paramétricos também se deve às suas características de pequena largura de banda que podem ser ampliadas conforme a especificação necessária simplesmente adicionando muitos desses transdutores através de um arranjo matricial.
Entendendo o conceito de modulador de alto-falante paramétrico de 2 canais
DSB pode ser facilmente executado usando circuitos de comutação analógicos. O inventor inicialmente tentou isso e, embora pudesse obter um som alto, acompanhado de muita distorção.
Em seguida, foi testado um circuito PWM, que empregou o conceito semelhante à tecnologia FM, embora a saída de som resultante fosse muito distinta e livre de distorção, a intensidade foi muito mais fraca em comparação com o DSB.
A desvantagem foi finalmente resolvida organizando uma matriz de transdutores de canal duplo, cada matriz incluindo até 50 números de transdutores de 40 kHz conectados em paralelo.
Entendendo o circuito de holofotes de áudio
Referindo-se ao alto-falante paramétrico ou ao circuito de alto-falante diretivo ultrassônico mostrado abaixo, vemos um circuito PWM padrão configurado em torno do gerador de PWM IC TL494.
A saída deste estágio PWM é alimentada a um estágio de driver de mosfet de meia ponte usando o IC IR2111 especializado.
O IC TL494 possui um oscilador embutido cuja freqüência pode ser ajustada através de uma rede R/C externa, aqui é representada através dos presets R2 e C1. A frequência de oscilação fundamental é ajustada e definida por R1, enquanto a faixa ideal é determinada pela configuração apropriada 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 fornecida pelo soquete de fone de ouvido de um dispositivo de áudio.
Como a saída do estágio PWM é alimentada através de uma configuração de IC de meia ponte dupla, as saídas paramétricas supersônicas amplificadas finais podem ser alcançadas através de duas saídas nos 4 pés mostrados.
As saídas amplificadas são alimentadas a uma matriz de transdutores piezoelétricos de 40 kHz altamente especializados por meio de um indutor otimizado. Cada uma das matrizes de transdutores pode consistir em um total de 200 transdutores dispostos através de uma conexão paralela.
Os mosfets são normalmente alimentados com uma fonte de 24 Vcc para acionar os piezos que podem ser derivados de uma fonte separada de 24 Vcc.
Pode haver uma série de tais transdutores disponíveis no mercado, portanto, 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 estiver sendo usado ao ar livre em meio a 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, um erro de posicionamento de até 1 mm pode resultar em uma intensidade significativamente menor devido ao erro de fase e à perda de SPL.
Tecnicamente, um transdutor ultrassônico imita o comportamento de um capacitor e, portanto, pode ser forçado a ressoar ao incluir um indutor em série.
Portanto, incluímos um indutor em série apenas para obter esse recurso para otimizar os transdutores para seus limites de desempenho máximo.
Calculando a Frequência Ressonante
A frequência de ressonância 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 utiliza uma haste de ferrite como pode ser visto na figura abaixo. O usuário pode aumentar a resposta ressonante ajustando a haste deslizando-a dentro da bobina até que o ponto ideal possa ser atingido.
Diagrama de circuito
Cortesia da ideia do circuito: Elektor electronics.
No 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 era 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 um transformador avançado adequado, 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 podia ser ouvida apenas a um metro de distância.
Cuidado — Perigo para a saúde. Medidas apropriadas devem ser tomadas para evitar a exposição de longo prazo a altos níveis de som ultrassônico.
O documento original pode ser Leia aqui
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FONTE
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