El missatge explica la construcció d’un sistema d’altaveus directius d’ultrasons també anomenat altaveu paramètric que es pot utilitzar per transmetre una freqüència d’àudio a través d’un punt o zona de destinació de manera que la persona situada exactament en aquest punt pugui sentir el so mentre la persona al costat de ell o fora de la zona es manté completament intacte i desconeix els procediments.

Inventat i construït per Kazunori Miura (Japó)

Els excel·lents resultats obtinguts de les proves del dispositiu acústic de llarg abast (LRAD) va inspirar a l'American Technology Corporation per adoptar un nou nom i es va canviar a corporació LRAD el 25 de març de 2010. També anomenat Audio Spotlight, és un producte de Holosonic Research Labs, Inc i s'utilitza per a aplicacions no militars.

El dispositiu està dissenyat per generar feixos de so intensament focalitzats només en una àrea objectiu. La unitat pot ser molt adequada en llocs com museus, biblioteques, galeries d’exposicions on el seu feix de so es pot utilitzar per enviar un missatge d’advertència o per instruir a una persona en mal estat, mentre que altres persones del voltant poden continuar en perfecte silenci.

Els efectes de so enfocats d’un sistema d’altaveus paramètric tan precís que tothom que s’hi apunta es sorprèn enormement d’experimentar el contingut de so focalitzat només per ell mentre l’home que hi ha al seu costat no en té cap consciència.

Principi de funcionament d'un altaveu paramètric

La tecnologia dels altaveus paramètrics utilitza ones sonores en el rang supersònic que tenen la característica de viatjar a través gairebé de la línia de visió.

Tanmateix, ens podem preguntar que, atès que el rang supersònic pot superar la marca de 20 kHz (40 kHz per ser precisos), podria ser absolutament inaudible per a les orelles humanes, així que, com pot el sistema fer audibles les ones a la zona focalitzada?

Un mètode per implementar-ho és fer servir dos feixos de 40 kHz amb un que té una freqüència d’àudio d’1 kHz superposada i inclinada per reunir-se en el punt dirigit on els dos continguts de 40 kHz es cancel·len mútuament deixant audible la freqüència de 1 kHz en aquell punt concret.

La idea pot semblar senzilla, però el resultat pot ser massa ineficient a causa del so de baix volum al punt dirigit, no prou bo per atordir o incapacitar a les persones objectiu, contràriament al LRAD.

Altres mètodes moderns de producció de so directiu audible mitjançant ones supersòniques són la modulació d'amplitud (AM), la modulació de banda lateral doble (DSB), la modulació de banda lateral única (SSB), la modulació de freqüència (FM), tots els conceptes depenen de la tecnologia del sistema de parlants paramètrics recentment investigada .

No cal dir que una ona supersònica de 110 dB + podria ser no uniforme amb la seva distribució de força sonora mentre es troba en el curs de la propagació a través d’un llarg “tub” de massa d’aire.

A causa de la no uniformitat de la pressió acústica, es podria experimentar una immensa quantitat de distorsió que podria ser altament indesitjable per a aplicacions en llocs pacífics com en museus, galeries, etc.

La resposta no lineal anterior es produeix a causa del fet que les molècules d'aire triguen relativament més temps a disposar-se a la seva densitat original anterior en comparació del temps que es triga a comprimir les molècules. El so creat amb pressions més altes també resulta en freqüències més altes que tendeixen a generar ones de xoc mentre les molècules xoquen amb les que es comprimeixen.

“la construcció d’una font d’alimentació de corrent continu ”

Per ser precisos, ja que el contingut audible està constituït per molècules d'aire vibrants que no estan 'retornant' del tot, per tant, quan augmenta la freqüència del so, la no uniformitat obliga la distorsió a ser molt audible a causa de l'efecte que podria ser el millor definida com a 'viscositat de l'aire'.

Per tant, el fabricant recorre al concepte d’altaveus directius DSP que implica una reproducció del so molt millorada amb una distorsió mínima.

L’anterior es complementa amb la inclusió de dispositius de transductors paramètrics altament avançats per obtenir punts sonors unidireccionals i clars.
L'alta directivitat creada per aquests altaveus paramètrics també es deu a les seves característiques d'amplada de banda reduïdes que es podrien ampliar segons l'especificació requerida simplement afegint molts d'aquests transductors mitjançant una disposició matricial.

Comprensió del concepte paramètric de modulador d’altaveus de 2 canals

El DSB es podria executar fàcilment mitjançant circuits de commutació analògics. L'inventor inicialment ho va intentar i, tot i que va aconseguir un so fort, va acompanyar-se amb una gran quantitat de distorsió.

A continuació, es va provar un circuit PWM, que utilitzava el concepte semblant a la tecnologia FM, tot i que la sortida de so resultant era molt diferent i lliure de distorsions, es va trobar que la intensitat era molt més feble en comparació amb DSB.

L'inconvenient es va resoldre en última instància organitzant una matriu de doble canal de transductors, cada matriu incloent fins a 50 números de transductors de 40 kHz connectats en paral·lel.

Comprensió del circuit de focus d’àudio

En referència al circuit d’altaveus paramètrics o d’altaveu directius d’ultrasons que es mostra a continuació, veiem un circuit PWM estàndard configurat al voltant del generador PWM IC TL494.

La sortida d’aquesta etapa PWM s’alimenta a una etapa controladora de mosfet de mig pont mitjançant l’IC especialitzat IR2111.

L'IC TL494 té un oscil·lador incorporat la freqüència del qual es pot establir a través d'una xarxa R / C externa, aquí es representa a través dels valors predeterminats R2 i C1. La freqüència oscil·lant fonamental s’ajusta i estableix R1, mentre que l’abast òptim es determina configurant adequadament R1 i R2 per part de l’usuari.

L'entrada d'àudio que s'ha de dirigir i superposar a la freqüència PWM configurada anteriorment s'aplica a K2. Tingueu en compte que l’entrada d’àudio s’ha d’amplificar suficientment mitjançant un amplificador petit com LM386 i no s’ha d’obtenir mitjançant la presa d’auriculars d’un dispositiu d’àudio.

Atès que la sortida de l'etapa PWM s'alimenta a través d'un IC de pont pont doble, les sortides paramètriques supersòniques amplificades finals es podrien aconseguir mitjançant dues sortides a través dels 4 fets mostrats.

Les sortides amplificades s’alimenten a un conjunt de transductors piezoelèctrics de 40 kHz altament especialitzats mitjançant un inductor d’optimització. Cadascun dels transductors pot estar format per un total de 200 transductors disposats a través d’una connexió paral·lela.

Els mosfets normalment s’alimenten amb un subministrament de 24 V CC per conduir els piezos que es poden derivar d’una font independent de 24 V CC.

Podria haver-hi una gran quantitat de transductors disponibles al mercat, de manera que l'opció no es limita a cap tipus o classificació específica. L'autor va preferir els piezos de 16 mm de diàmetre assignats amb especificacions de freqüència de 40 kHz normalment.

Cada canal ha d'incloure almenys 100 d'aquests per tal de generar una resposta raonable quan s'utilitza a l'aire lliure enmig d'un alt nivell de commoció.

L’espai entre transductors és crucial

L'espai entre els transductors és crucial perquè la fase creada per cadascun d'ells no sigui pertorbada ni cancel·lada per les unitats adjacents. Com que la longitud d'ona és de només 8 mm, l'error de posicionament de fins i tot 1 mm podria resultar en una intensitat significativament inferior a causa de l'error de fase i la pèrdua de SPL.

Tècnicament, un transductor d'ultrasons imita el comportament d'un condensador i, per tant, es pot veure obligat a ressonar incloent un inductor en sèrie.

Per tant, hem inclòs un inductor en sèrie només per aconseguir aquesta característica per optimitzar els transductors fins als seus límits màxims de rendiment.

Càlcul de freqüència de ressonància

La freqüència de ressonància del transductor es pot calcular mitjançant la fórmula següent:

fr = 1 / (2pi x LC)

La capacitat interna dels transductors de 40 kHz podria ser d’entre 2 i 3 nF, de manera que 50 d’ells en paral·lel resultarien una capacitat neta d’uns 0,1 uF a 0,15 uF.

Utilitzant aquesta figura a la fórmula anterior obtenim el valor de l’inductor entre 60 i 160 uH que s’ha d’incloure en sèrie amb les sortides del controlador mosfets a A i B.

L’inductor utilitza una vareta de ferrita com es pot veure a la figura següent. L'usuari podria augmentar la resposta de ressonància ajustant la vareta lliscant-la dins de la bobina fins que es pogués copejar el punt òptim.

Esquema de connexions

Idea de circuit cortesia: Elektor electronic.

Al meu prototip vaig experimentar amb un transformador d'àudio, tal com es mostra a continuació, per a l'amplificació necessària, amb un sol subministrament comú de 12V. No vaig utilitzar cap condensador ressonant, per tant l'amplificació era massa baixa.

Vaig sentir l’efecte des d’una distància d’1 peus exactament a través d’una línia recta amb el transductor. Fins i tot un lleuger moviment va fer desaparèixer el so.

Inductor d’altaveu (petit transformador de sortida d’àudio):

Com connectar el transformador i els transductors

Els detalls del cablejat del transductor es poden veure a la figura següent: necessitareu dues d’aquestes configuracions per connectar-vos amb els punts A i B del circuit.

El transformador pot ser adequat intensificar el transformador en funció del nombre de transductors seleccionats.

Imatge prototip : El circuit d’altaveus paramètric anterior he estat provat i confirmat amb èxit mitjançant 4 transductors d’ultrasons, que van respondre exactament com s’especifica a l’explicació de l’article. Tanmateix, com que només s’utilitzaven 4 sensors, la sortida era massa baixa i només es podia sentir a un metre de distància.