Comment faire un circuit de haut-parleur à directive ultrasonique

Le message explique la construction d'un système de haut-parleur directif à ultrasons également appelé haut-parleur paramétrique qui peut être utilisé pour transmettre une fréquence audio sur un point ou une zone ciblée de sorte que la personne située exactement à cet endroit puisse entendre le son tandis que la personne à côté de lui ou juste à l'extérieur de la zone reste complètement intact et ignorant la procédure.

Inventé et construit par Kazunori Miura (Japon)

Les résultats exceptionnels obtenus à partir des tests de dispositif acoustique à longue portée (LRAD) a inspiré l'American Technology Corporation à adopter un nouveau nom et a été changé en LRAD corporation le 25 mars 2010. Également appelé Audio Spotlight, il est un produit de Holosonic Research Labs, Inc et est utilisé pour des applications non militaires.

L'appareil est conçu pour générer des faisceaux sonores intensément focalisés sur une zone ciblée uniquement. L'unité peut être bien adaptée dans des endroits tels que les musées, les bibliothèques, les galeries d'exposition où son faisceau sonore peut être utilisé pour envoyer un message d'avertissement ou instruire une personne qui se comporte mal, tandis que d'autres autour sont autorisés à continuer dans un silence parfait.

Les effets sonores concentrés d'un tel système de haut-parleurs paramétriques sont si précis que quiconque est ciblé avec cela devient extrêmement surpris de ressentir le contenu sonore concentré qui n'est entendu que par lui tandis que le gars juste à côté de lui n'en est absolument pas conscient.

Principe de fonctionnement d'un haut-parleur paramétrique

La technologie de haut-parleur paramétrique utilise des ondes sonores dans la gamme supersonique qui ont la particularité de se déplacer à travers presque la ligne de visée.

Cependant, on peut se demander que, puisque la portée supersonique peut bien être au-delà de la barre des 20 kHz (40 kHz pour être précis), elle pourrait être absolument inaudible pour les oreilles humaines, alors comment le système est-il capable de rendre les ondes audibles dans la zone focalisée?

Une méthode de mise en œuvre consiste à utiliser deux faisceaux de 40 kHz, l'un ayant une fréquence audio de 1 kHz superposée et inclinée pour se rencontrer au point dirigé où les deux contenus de 40 kHz s'annulent en laissant la fréquence de 1 kHz audible à cet endroit particulier.

L'idée peut paraître simple mais le résultat peut être trop inefficace en raison du faible volume sonore à l'endroit dirigé, pas assez bon pour étourdir ou neutraliser les personnes ciblées, contrairement au LRAD.

D'autres méthodes modernes de production d'un son directif audible à l'aide d'ondes supersoniques sont la modulation d'amplitude (AM), la modulation à double bande latérale (DSB), la modulation à bande latérale unique (SSB), la modulation de fréquence (FM), tous les concepts dépendent de la technologie de système de haut-parleurs paramétrique récemment recherchée. .

Inutile de dire qu'une onde supersonique de 110 dB + pourrait être non uniforme avec sa répartition de la force sonore alors qu'elle est en cours de propagation à travers un long `` tube '' de masse d'air.

En raison de la non uniformité de la pression acoustique, une énorme quantité de distorsion pourrait être ressentie, ce qui pourrait être hautement indésirable pour les applications dans des endroits paisibles tels que les musées, les galeries, etc.

La réponse non linéaire ci-dessus est produite en raison du fait que les molécules d'air prennent relativement plus de temps pour s'organiser à leur densité d'origine précédente par rapport au temps nécessaire pour compresser les molécules. Le son créé avec des pressions plus élevées entraîne également des fréquences plus élevées qui ont tendance à générer des ondes de choc pendant que les molécules entrent en collision avec celles qui sont comprimées.

Pour être précis puisque le contenu audible est constitué par les molécules d'air vibrantes qui ne sont plutôt pas entièrement `` retournées '', donc lorsque la fréquence du son augmente, la non uniformité oblige la distorsion à devenir beaucoup plus audible en raison de l'effet qui pourrait être le meilleur. défini comme «viscosité de l'air».

C'est pourquoi le fabricant a recours au concept de haut-parleur de la directive DSP qui implique une reproduction sonore nettement améliorée avec une distorsion minimale.

Ce qui précède est complété par l'inclusion d'un agencement de haut-parleurs à transducteur paramétrique très avancé pour obtenir des spots sonores unidirectionnels et clairs.
La directivité élevée créée par ces haut-parleurs paramétriques est également due à leurs caractéristiques de faible bande passante qui pourraient être agrandies selon les spécifications requises en ajoutant simplement un grand nombre de ces transducteurs via un agencement matriciel.

Comprendre le concept de modulateur d'enceinte paramétrique à 2 canaux

DSB pourrait être facilement exécuté en utilisant des circuits de commutation analogiques. L'inventeur a d'abord essayé cela, et bien qu'il ait pu obtenir un son fort, cela s'accompagnait de beaucoup de distorsion.

Ensuite, un circuit PWM a été essayé, qui utilisait le concept similaire à la technologie FM, bien que la sortie sonore résultante soit bien distincte et sans distorsion, l'intensité s'est avérée beaucoup plus faible par rapport à DSB.

L'inconvénient a finalement été résolu en disposant un réseau de transducteurs à double canal, chaque réseau comprenant jusqu'à 50 numéros de transducteurs à 40 kHz connectés en parallèle.

Comprendre le circuit audio Spotlight

En se référant au haut-parleur paramétrique ou au circuit de haut-parleur directif à ultrasons illustré ci-dessous, nous voyons un circuit PWM standard configuré autour du générateur PWM IC TL494.

La sortie de cet étage PWM est envoyée à un étage de commande mosfet demi-pont en utilisant le circuit intégré IR2111 spécialisé.

L'IC TL494 a un oscillateur intégré dont la fréquence peut être réglée via un réseau R / C externe, ici elle est représentée par les préréglages R2 et C1. La fréquence d'oscillation fondamentale est ajustée et définie par R1, tandis que la plage optimale est déterminée en définissant de manière appropriée R1 et R2 par l'utilisateur.

L'entrée audio qui doit être dirigée et superposée à la fréquence PWM définie ci-dessus est appliquée à K2. Notez que l'entrée audio doit être suffisamment amplifiée à l'aide d'un petit amplificateur tel que le LM386 et ne doit pas provenir de la prise casque d'un appareil audio.

Etant donné que la sortie de l'étage PWM est alimentée à travers un circuit intégré à demi-pont jumelé, les sorties paramétriques supersoniques amplifiées finales pourraient être obtenues via deux sorties à travers les 4 fets représentés.

Les sorties amplifiées sont acheminées vers un réseau de transducteurs piézoélectriques hautement spécialisés de 40 kHz via un inducteur d'optimisation. Chacun des réseaux de transducteurs peut être constitué d'un total de 200 transducteurs disposés via une connexion parallèle.

Les mosfets sont normalement alimentés par une alimentation 24 V CC pour piloter les piezos qui peuvent être dérivés d'une source 24 V CC séparée.

Il pourrait y avoir une foule de tels transducteurs disponibles sur le marché, de sorte que l'option n'est pas limitée à un type ou à une classification spécifique. L'auteur a préféré des piézoélectriques de 16 mm de diamètre assignés avec une spécification de fréquence de 40 kHz généralement.

Chaque canal doit en inclure au moins 100 afin de générer une réponse raisonnable lorsqu'il est utilisé à l'extérieur au milieu d'une forte agitation.

L'espacement des transducteurs est crucial

L'espacement entre les transducteurs est crucial pour que la phase créée par chacun d'eux ne soit pas perturbée ou annulée par les unités adjacentes. Étant donné que la longueur d'onde n'est que de 8 mm, une erreur de positionnement même de 1 mm pourrait entraîner une intensité nettement inférieure en raison d'une erreur de phase et d'une perte de SPL.

Techniquement, un transducteur à ultrasons imite le comportement d'un condensateur et ainsi il pourrait être forcé de résonner en incluant un inducteur en série.

Nous avons donc inclus une inductance en série juste pour réaliser cette fonction d'optimisation des transducteurs à leurs limites de performances maximales.

Calcul de la fréquence de résonance

La fréquence de résonance du transducteur peut être calculée en utilisant la formule suivante:

fr = 1 / (2pi x LC)

La capacité interne des transducteurs de 40 kHz pourrait être d'environ 2 à 3 nF, ainsi 50 d'entre eux en parallèle entraîneraient une capacité nette d'environ 0,1 uF à 0,15 uF.

En utilisant ce chiffre dans la formule ci-dessus, nous obtenons la valeur de l'inducteur entre 60 et 160 uH qui doit être incluse en série avec les sorties du pilote mosfets en A et B.

L'inducteur utilise une tige de ferrite comme le montre la figure ci-dessous. L'utilisateur peut augmenter la réponse résonnante en ajustant la tige en la faisant glisser dans la bobine jusqu'à ce que le point optimal puisse être atteint.

Schéma

Idée de circuit courtoisie: Elektor electronics.

Dans mon prototype, j'ai expérimenté un transformateur audio comme indiqué ci-dessous pour l'amplification requise, avec une seule alimentation 12V commune. Je n'ai pas utilisé de condensateurs résonants donc l'amplification était trop faible.

Je pouvais entendre l'effet à une distance de 1 pied exactement sur une ligne droite avec le transducteur. Même un léger mouvement a fait disparaître le son.

Inducteur de haut-parleur (petit transformateur de sortie audio):

Comment connecter le transformateur et les transducteurs

Les détails du câblage du transducteur peuvent être vus dans la figure ci-dessous, vous aurez besoin de deux de ces configurations pour être connectées aux points A et B du circuit.

Le transformateur peut convenir intensifier le transformateur en fonction du nombre de transducteurs sélectionnés.

Image prototype : Le circuit de haut-parleur paramétrique ci-dessus a été testé avec succès et confirmé par moi à l'aide de 4 transducteurs à ultrasons, qui ont répondu exactement comme spécifié dans l'explication de l'article. Cependant, comme seulement 4 capteurs ont été utilisés, la sortie était trop faible et ne pouvait être entendue qu'à un mètre de distance.

Attention - Risque pour la santé. Des mesures appropriées doivent être prises pour éviter une exposition à long terme à des niveaux sonores ultrasoniques élevés.

Le document original peut être Lisez ici