이 게시물은 파라 메트릭 스피커라고도하는 초음파 지향성 스피커 시스템의 구성에 대해 설명합니다.이 시스템은 대상 지점 또는 구역을 통해 오디오 주파수를 전송하는 데 사용할 수 있습니다. 그러면 해당 지점에 정확히 위치한 사람은 옆에있는 사람이 소리를들을 수 있습니다. 그 또는 구역 밖에는 완전히 손대지 않고 절차를 알지 못합니다.

Kazunori Miura (일본)가 발명하고 건설했습니다.

장거리 음향 장치의 테스트에서 얻은 뛰어난 결과 (LRAD) American Technology Corporation이 새로운 이름을 채택하도록 영감을 받았고 2010 년 3 월 25 일에 LRAD Corporation으로 변경되었습니다. Audio Spotlight라고도하는이 제품은 Holosonic Research Labs, Inc의 제품이며 비 군사 용도로 사용됩니다.

이 장치는 대상 영역에만 집중된 사운드 빔을 생성하도록 설계되었습니다. 이 장치는 박물관, 도서관, 전시 갤러리와 같은 장소에서 사운드 빔을 사용하여 경고 메시지를 보내거나 특정 잘못한 사람에게 지시 할 수있는 반면 주변의 다른 사람들은 완벽한 침묵 속에서 작업 할 수있는 장소에 적합합니다.

이러한 파라 메트릭 스피커 시스템의 집중된 음향 효과는 매우 정확하여 대상이되는 사람은 자신 만들을 수있는 집중된 사운드 콘텐츠를 경험하고 바로 옆에있는 사람은 전혀 인식하지 못하는 상태를 유지하는 것에 놀라게됩니다.

파라 메트릭 스피커의 작동 원리

파라 메트릭 스피커 기술은 거의 가시선을 통과하는 특성을 가진 초음속 범위의 음파를 사용합니다.

그러나 초음속 범위가 20kHz 표시 (정확하게는 40kHz)를 훨씬 초과 할 수 있기 때문에 사람의 귀에 절대적으로 들리지 않을 수 있습니다. 그렇다면 시스템이 어떻게 집중 영역에서 파동을들을 수 있도록 할 수 있습니까?

이를 구현하는 한 가지 방법은 2 개의 40kHz 빔을 1kHz의 오디오 주파수가 중첩되고 각도가 지정된 두 개의 40kHz 콘텐츠가 서로 상쇄되어 해당 특정 지점에서 1kHz 주파수를들을 수있는 방향 지점에서 만나도록하는 것입니다.

아이디어는 단순 해 보일 수 있지만, LRAD와는 달리 대상을 기절 시키거나 무력화시키기에 충분하지 않은 지시 된 지점의 낮은 볼륨 사운드로 인해 결과가 너무 비효율적 일 수 있습니다.

초음파를 사용하여 가청 지향성 사운드를 생성하는 다른 현대적인 방법은 진폭 변조 (AM), 이중 측 파대 변조 (DSB), 단일 측 파대 변조 (SSB), 주파수 변조 (FM)이며, 모든 개념은 최근 연구 된 파라 메트릭 스피커 시스템 기술에 의존합니다. .

말할 필요도없이 110dB + 초음속 파는 긴 기단 '튜브'를 가로 질러 전파되는 동안 음력 분포가 불균일 할 수 있습니다.

음압의 불균일성으로 인해 엄청난 양의 왜곡이 발생할 수 있으며, 이는 박물관, 갤러리 등과 같은 평화로운 장소에서의 적용에는 매우 바람직하지 않을 수 있습니다.

위의 비선형 반응은 공기 분자가 분자를 압축하는 데 걸리는 시간에 비해 이전의 원래 밀도로 배열하는 데 상대적으로 더 많은 시간이 걸리기 때문에 생성됩니다. 더 높은 압력으로 생성 된 소리는 분자가 압축되는 것과 충돌하는 동안 충격파를 생성하는 경향이있는 더 높은 주파수를 초래합니다.

“아두이노 LCD 키패드 실드 프로젝트 ”

정확히 말하면 가청 내용은 완전히 '돌아가는'것이 아닌 진동하는 공기 분자로 구성되어 있기 때문에 소리의 주파수가 증가하면 불균일성으로 인해 왜곡이 가장 잘 들릴 수있는 효과로 인해 더 많이 들리게됩니다. '공기 점도'로 정의됩니다.

따라서 제조업체는 왜곡을 최소화하면서 훨씬 향상된 사운드 재생을 포함하는 DSP 디렉티브 스피커 개념을 사용합니다.

위의 내용은 단방향 및 명확한 사운드 스팟을 얻기 위해 고도로 발전된 파라 메트릭 변환기 스피커 배열을 포함하여 보완됩니다.
이러한 파라 메트릭 스피커에 의해 생성 된 높은 지향성은 매트릭스 배열을 통해 이러한 변환기를 여러 개 추가하기 만하면 필요한 사양에 따라 확장 될 수있는 작은 대역폭 특성 때문이기도합니다.

파라 메트릭 2 채널 스피커 변조기 개념 이해

DSB는 아날로그 스위칭 회로를 사용하여 쉽게 실행할 수 있습니다. 발명가는 처음에 이것을 시도했지만 큰 소리를 낼 수 있었지만 엄청난 왜곡을 동반했습니다.

다음으로, FM 기술과 유사한 개념을 채택한 PWM 회로가 시도되었습니다. 결과적인 사운드 출력은 훨씬 뚜렷하고 왜곡이 없었지만 강도는 DSB에 비해 훨씬 약한 것으로 나타났습니다.

결점은 궁극적으로 병렬로 연결된 50 개의 40kHz 변환기를 포함하는 변환기의 이중 채널 배열을 배열함으로써 해결되었습니다.

오디오 스포트라이트 회로 이해

아래에 표시된 파라 메트릭 스피커 또는 초음파 지향성 스피커 회로를 참조하면 PWM 생성기 IC TL494 주변에 구성된 표준 PWM 회로를 볼 수 있습니다.

이 PWM 단계의 출력은 특수 IR2111 IC를 사용하여 하프 브리지 MOSFET 드라이버 단계로 공급됩니다.

IC TL494에는 외부 R / C 네트워크를 통해 주파수를 설정할 수있는 발진기가 내장되어 있으며 여기서는 사전 설정 R2 및 C1을 통해 표시됩니다. 기본 발진 주파수는 R1에 의해 조정 및 설정되며 최적의 범위는 사용자가 R1과 R2를 적절하게 설정하여 결정됩니다.

위의 설정된 PWM 주파수에 대해 지시 및 중첩해야하는 오디오 입력이 K2에 적용됩니다. 오디오 입력은 LM386과 같은 소형 증폭기를 사용하여 충분히 증폭되어야하며 오디오 장치의 헤드폰 소켓을 통해 공급되지 않아야합니다.

PWM 단계의 출력이 트윈 하프 브리지 IC 설정을 통해 공급되기 때문에 최종 증폭 된 초음속 파라 메트릭 출력은 표시된 4 개의 펫에 걸쳐 2 개의 출력을 통해 달성 될 수 있습니다.

증폭 된 출력은 최적화 인덕터를 통해 고도로 특수화 된 40kHz 피에조 변환기에 공급됩니다. 각 변환기 어레이는 병렬 연결을 통해 배열 된 총 200 개의 변환기로 구성 될 수 있습니다.

MOSFET에는 일반적으로 별도의 24V DC 소스에서 파생 될 수있는 피에조를 구동하기위한 24V DC 전원이 공급됩니다.

시장에 이러한 변환기가 많이 나와있을 수 있으므로 옵션은 특정 유형이나 등급으로 제한되지 않습니다. 저자는 일반적으로 40kHz 주파수 사양이 할당 된 16mm 직경 피에조를 선호했습니다.

높은 수준의 소란 속에서 야외에서 사용 중일 때 합리적인 응답을 생성하려면 각 채널에 최소 100 개가 포함되어야합니다.

변환기 간격이 중요합니다.

변환기 사이의 간격은 각각에 의해 생성 된 위상이 인접한 장치에 의해 방해되거나 취소되지 않도록 매우 중요합니다. 파장이 8mm에 불과하기 때문에 1mm의 위치 오차도 위상 오차와 SPL 손실로 인해 강도가 상당히 낮아질 수 있습니다.

기술적으로 초음파 변환기는 커패시터의 동작을 모방하므로 인덕터를 직렬로 포함하여 강제로 공진 할 수 있습니다.

따라서 변환기를 최대 성능 한계까지 최적화하기 위해이 기능을 달성하기 위해 인덕터를 직렬로 포함했습니다.

공진 주파수 계산

변환기의 공진 주파수는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

fr = 1 / (2pi x LC)

40kHz 변환기의 내부 커패시턴스는 약 2 ~ 3nF가 될 수 있으므로 그중 50 개를 병렬로 연결하면 순 커패시턴스가 약 0.1uF ~ 0.15uF가됩니다.

위의 공식에서이 그림을 사용하여 인덕터 값은 A와 B에서 MOSFET 드라이버 출력과 직렬로 포함되어야하는 60 ~ 160uH 사이에 있어야합니다.

인덕터는 아래 그림에서 볼 수 있듯이 페라이트 막대를 사용합니다. 사용자는 최적의 지점에 도달 할 수있을 때까지 코일 내에서로드를 밀어서로드를 조정하여 공진 응답을 최대로 높일 수 있습니다.

회로도

회로 아이디어 제공 : Elektor Electronics.

내 프로토 타입에서 나는 단일 공통 12V 전원을 사용하여 필요한 증폭을 위해 아래와 같이 오디오 변압기를 실험했습니다. 공진 커패시터를 사용하지 않았기 때문에 증폭이 너무 낮았습니다.

트랜스 듀서로 정확히 1 피트 거리에서 직선을 가로 질러 효과를들을 수있었습니다. 약간의 움직임만으로도 소리가 사라졌습니다.

스피커 인덕터 (소형 오디오 출력 변압기) :

변압기와 변환기를 연결하는 방법

변환기 배선 세부 사항은 아래 주어진 그림에서 볼 수 있으며 회로의 A 및 B 지점에 연결하려면 이러한 설정 중 두 개가 필요합니다.

변압기는 적합 할 수 있습니다. 변압기를 세우십시오 선택한 변환기 수에 따라 다릅니다.

프로토 타입 이미지 : 위의 파라 메트릭 스피커 회로는 4 개의 초음파 트랜스 듀서를 사용하여 성공적으로 테스트 및 확인되었으며, 이는 기사 설명에 명시된대로 정확하게 응답했습니다. 그러나 4 개의 센서 만 사용했기 때문에 출력이 너무 낮아서 1 미터 떨어진 곳에서만들을 수있었습니다.