يشرح المنشور بناء نظام مكبر صوت توجيهي بالموجات فوق الصوتية يسمى أيضًا مكبر صوت حدودي والذي يمكن استخدامه لنقل تردد صوتي عبر بقعة أو منطقة مستهدفة بحيث يكون الشخص الموجود بالضبط في تلك البقعة قادرًا على سماع الصوت بينما الشخص المجاور لـ يبقى هو أو خارج المنطقة على حاله تمامًا وغير مدرك للإجراءات.

اخترع وصنع بواسطة Kazunori Miura (اليابان)

النتائج المتميزة التي تم الحصول عليها من اختبار الجهاز الصوتي طويل المدى (LRAD) ألهمت شركة American Technology Corporation لتبني اسم جديد لها وتم تغييرها إلى شركة LRAD في 25 مارس 2010. وتسمى أيضًا Audio Spotlight ، وهي منتج لشركة Holosonic Research Labs ، Inc وتستخدم للتطبيقات غير العسكرية.

الجهاز مصمم لتوليد حزم صوتية مركزة بشكل مكثف فوق المنطقة المستهدفة فقط. قد تكون الوحدة مناسبة تمامًا في أماكن مثل المتاحف والمكتبات وصالات العرض حيث يمكن استخدام حزمة الصوت الخاصة بها لإرسال رسالة تحذير أو توجيه شخص سيء معين ، بينما يُسمح للآخرين بالمتابعة في صمت تام.

إن المؤثرات الصوتية المركزة من نظام السماعات البارامترية دقيقة للغاية لدرجة أن أي شخص مستهدف به يصبح مندهشًا بشكل كبير لتجربة محتوى الصوت المركّز الذي يسمعه فقط بينما يظل الرجل الموجود بجانبه غير مدرك تمامًا لذلك.

مبدأ العمل للمتكلم حدودي

تستخدم تقنية السماعات البارامترية الموجات الصوتية في النطاق الأسرع من الصوت والتي تتميز بالسفر عبر خط البصر تقريبًا.

ومع ذلك ، قد يتساءل المرء أنه نظرًا لأن النطاق الأسرع من الصوت قد يتجاوز علامة 20 كيلو هرتز (40 كيلو هرتز على وجه الدقة) ، فقد يكون غير مسموع تمامًا للآذان البشرية ، فكيف يمكن للنظام جعل الموجات مسموعة في المنطقة المركزة؟

تتمثل إحدى طرق تنفيذ ذلك في استخدام حزمتين 40 كيلو هرتز مع إحداها لها تردد صوتي 1 كيلو هرتز متراكب بزاوية للالتقاء عند النقطة الموجهة حيث يقوم المحتوىان 40 كيلو هرتز بإلغاء بعضهما البعض مما يترك تردد 1 كيلو هرتز مسموعًا في تلك النقطة المحددة.

قد تبدو الفكرة بسيطة ولكن النتيجة قد تكون غير فعالة للغاية بسبب انخفاض حجم الصوت في النقطة الموجهة ، وليس جيدًا بما يكفي لصعق الأشخاص المستهدفين أو إعاقتهم ، على عكس LRAD تمامًا.

الطرق الحديثة الأخرى لإنتاج صوت توجيه مسموع باستخدام الموجات فوق الصوتية هي من خلال تعديل السعة (AM) ، وتعديل النطاق الجانبي المزدوج (DSB) ، وتعديل النطاق الجانبي الفردي (SSB) ، وتعديل التردد (FM) ، وتعتمد جميع المفاهيم على تقنية نظام السماعات البارامترية التي تم البحث عنها مؤخرًا .

وغني عن القول ، أن الموجة الأسرع من الصوت بمقدار 110 ديسيبل + يمكن أن تكون غير منتظمة مع توزيع قوتها الصوتية أثناء انتشارها عبر 'أنبوب' ذو كتلة هوائية طويلة.

نظرًا لعدم انتظام ضغط الصوت ، يمكن تجربة قدر هائل من التشويه الذي قد يكون غير مرغوب فيه للغاية للتطبيقات في الأماكن الهادئة مثل المتاحف والمعارض وما إلى ذلك.

يتم إنتاج الاستجابة غير الخطية المذكورة أعلاه نظرًا لحقيقة أن جزيئات الهواء تستغرق وقتًا أطول نسبيًا لترتيب نفسها على كثافتها الأصلية السابقة مقارنةً بالوقت الذي يستغرقه ضغط الجزيئات. ينتج عن الصوت الناتج عن ضغوط أعلى أيضًا ترددات أعلى تميل إلى توليد موجات صدمة بينما تتصادم الجزيئات مع تلك التي يتم ضغطها.

“ح دائرة سائق mosfet جسر ”

لنكون دقيقين لأن المحتوى المسموع يتكون من جزيئات الهواء المهتزة التي لا 'تعود' بالكامل ، لذلك عندما يزداد تردد الصوت ، يفرض عدم الانتظام التشويه ليصبح مسموعًا كثيرًا بسبب التأثير الذي يمكن أن يكون أفضل تعرف على أنها 'لزوجة الهواء'.

لذلك تلجأ الشركة المصنعة إلى مفهوم مكبر الصوت التوجيهي DSP والذي يتضمن إعادة إنتاج صوت محسّن بشكل كبير مع الحد الأدنى من التشويه.

يُستكمل ما ورد أعلاه بتضمين ترتيب سماعات محول حدودي متقدم للغاية للحصول على نقاط صوتية أحادية الاتجاه وواضحة.
الاتجاهية العالية التي أنشأتها مكبرات الصوت البارامترية ترجع أيضًا إلى خصائص النطاق الترددي الصغير التي يمكن تكبيرها وفقًا للمواصفات المطلوبة ببساطة عن طريق إضافة عدد كبير من هذه المحولات من خلال ترتيب المصفوفة.

فهم مفهوم مغير مكبر الصوت المعلمي ثنائي القناة

يمكن تنفيذ DSB بسهولة باستخدام دوائر التبديل التناظرية. جرب المخترع هذا في البداية ، وعلى الرغم من أنه يمكن أن يصدر صوتًا عاليًا ، إلا أنه كان مصحوبًا بالكثير من التشويه.

بعد ذلك ، تمت تجربة دائرة PWM ، والتي استخدمت مفهومًا مشابهًا لتقنية FM ، على الرغم من أن خرج الصوت الناتج كان متميزًا وخاليًا من التشويه ، فقد وجد أن شدة الصوت أضعف بكثير مقارنة بـ DSB.

تم حل العيب في النهاية عن طريق ترتيب صفيف قناة مزدوجة من محولات الطاقة ، كل مجموعة تتضمن ما يصل إلى 50 رقمًا من محولات الطاقة 40 كيلو هرتز متصلة بالتوازي.

فهم دائرة الضوء الصوتي

بالإشارة إلى السماعة البارامترية أو دائرة مكبر الصوت التوجيهي بالموجات فوق الصوتية الموضحة أدناه ، نرى دائرة PWM قياسية تم تكوينها حول مولد PWM IC TL494.

يتم تغذية الإخراج من مرحلة PWM هذه إلى مرحلة سائق mosfet نصف جسر باستخدام IR2111 IC المتخصص.

يحتوي IC TL494 على مذبذب مدمج يمكن ضبط تردده من خلال شبكة R / C خارجية ، ويتم تمثيلها هنا من خلال R2 و C1 المعينين مسبقًا. يتم ضبط وتعيين تردد التذبذب الأساسي بواسطة R1 ، بينما يتم تحديد النطاق الأمثل من خلال إعداد R1 و R2 بشكل مناسب بواسطة المستخدم.

يتم تطبيق إدخال الصوت الذي يجب توجيهه وفرضه على تردد PWM المحدد أعلاه على K2. لاحظ أنه يجب تضخيم إدخال الصوت بشكل كافٍ باستخدام مضخم صغير مثل LM386 ويجب ألا يتم الحصول عليه عبر مقبس سماعة الرأس لجهاز الصوت.

نظرًا لأن الإخراج من مرحلة PWM يتم تغذيته عبر إعداد IC مزدوج نصف الجسر ، يمكن تحقيق المخرجات البارامترية الأسرع من الصوت النهائية عبر ناتجين عبر الأجنة الأربعة الموضحة.

يتم تغذية المخرجات المضخمة إلى مجموعة من محولات الطاقة بيزو عالية التخصص 40 كيلوهرتز عبر محث محسن. قد تتكون كل مجموعة من مجموعة محول الطاقة من إجمالي 200 محول طاقة مرتبة من خلال اتصال متوازي.

يتم تغذية mosfets عادةً بمصدر 24V DC لقيادة البيزو والتي يمكن اشتقاقها من مصدر 24V DC منفصل.

قد يكون هناك مجموعة كبيرة من محولات الطاقة هذه متوفرة في السوق ، لذلك لا يقتصر الخيار على أي نوع أو تصنيف معين. فضل المؤلف قطع بيزو بقطر 16 مم مخصصة بمواصفات تردد 40 كيلو هرتز بشكل نموذجي.

يجب أن تتضمن كل قناة 100 قناة على الأقل من أجل توليد استجابة معقولة عند استخدامها في الهواء الطلق وسط مستوى عال من الضجة.

تباعد محول الطاقة أمر بالغ الأهمية

التباعد بين المحولات أمر بالغ الأهمية بحيث لا يتم إزعاج أو إلغاء المرحلة التي تم إنشاؤها بواسطة كل منها من قبل الوحدات المجاورة. نظرًا لأن الطول الموجي لا يتجاوز 8 مم ، فقد يؤدي خطأ تحديد الموقع حتى 1 مم إلى كثافة أقل بكثير بسبب خطأ المرحلة وفقدان SPL.

من الناحية الفنية ، يحاكي محول الطاقة فوق الصوتي سلوك المكثف ، وبالتالي يمكن إجباره على الرنين من خلال تضمين مغو في سلسلة.

لذلك قمنا بتضمين مغو في السلسلة فقط لتحقيق هذه الميزة لتحسين المحولات إلى حدود أدائها القصوى.

حساب تردد الرنين

يمكن حساب تردد الرنين لمحول الطاقة باستخدام الصيغة التالية:

fr = 1 / (2pi x LC)

يمكن أن تكون السعة الداخلية لمحولات الطاقة 40 كيلو هرتز حوالي 2 إلى 3 نانومتر ، وبالتالي فإن 50 منها على التوازي سينتج عنها سعة صافية تبلغ حوالي 0.1 فهرنهايت إلى 0.15 فهرنهايت.

باستخدام هذا الرقم في الصيغة أعلاه ، نحصل على قيمة المحرِّض بين 60 و 160 uH والتي يجب تضمينها في سلسلة مع مخرجات برنامج التشغيل mosfets عند A و B.

يستخدم المحرِّض قضيبًا من الفريت كما يمكن رؤيته في الشكل أدناه. يمكن للمستخدم رفع استجابة الطنين عن طريق ضبط القضيب عن طريق تحريكه داخل الملف حتى يمكن ضرب النقطة المثلى.

مخطط الرسم البياني

دائرة نظام مكبر الصوت التوجيه بالموجات فوق الصوتية أو مكبر الصوت حدودي

فكرة الدائرة مجاملة: إلكتور للإلكترونيات.

في النموذج الأولي الخاص بي ، جربت محولًا صوتيًا كما هو موضح أدناه للتضخيم المطلوب ، مع مصدر طاقة واحد مشترك بجهد 12 فولت. لم أستخدم أي مكثفات طنين ، لذلك كان التضخيم منخفضًا جدًا.

كان بإمكاني سماع التأثير من مسافة 1 قدم بالضبط عبر خط مستقيم مع محول الطاقة. حتى حركة طفيفة تسببت في اختفاء الصوت.

محث السماعة (محول إخراج صوتي صغير):

كيفية توصيل المحولات والمحولات

يمكن رؤية تفاصيل أسلاك محول الطاقة في الشكل التالي ، ستحتاج إلى توصيل اثنين من هذه التركيبات بالنقطتين A و B من الدائرة.

يمكن أن يكون المحول مناسبًا خطوة متابعة المحولات اعتمادًا على عدد المحولات المختارة.

صورة النموذج الأولي : تم اختبار دائرة السماعات البارامترية المذكورة أعلاه وتأكيدها بنجاح باستخدام 4 محولات طاقة فوق صوتية ، والتي استجابت تمامًا كما هو محدد في شرح المقالة. ومع ذلك ، نظرًا لاستخدام 4 أجهزة استشعار فقط ، كان الناتج منخفضًا جدًا ولا يمكن سماعه إلا من مسافة متر واحد.