超音波指向性スピーカー回路の作り方

投稿では、パラメトリックスピーカーとも呼ばれる超音波指向性スピーカーシステムの構築について説明しています。このシステムは、対象のスポットまたはゾーンに音声周波数を送信して、そのスポットに正確にいる人が隣の人が音を聞くことができるようにするために使用できます。彼またはゾーンのすぐ外では、完全に手つかずのままで、手続きに気づいていません。

三浦和典（日本）が発明・製作

長距離音響装置のテストから得られた優れた結果 （LRAD） American Technology Corporationに新しい名前を採用するよう促し、2010年3月25日にLRAD Corporationに変更されました。AudioSpotlightとも呼ばれ、Holosonic Research Labs、Incの製品であり、非軍事用途に使用されます。

このデバイスは、ターゲット領域のみに集中したサウンドビームを生成するように設計されています。ユニットは、美術館、図書館、展示ギャラリーなど、そのサウンドビームを使用して警告メッセージを送信したり、特定のミッシング担当者に指示したりできる場所に適していますが、周囲の他の人は完全に黙って続行できます。

このようなパラメトリックスピーカーシステムの集束効果音は非常に正確であるため、対象となる人は誰でも、彼のすぐそばにいる男がまったく気づいていないときに、彼だけが聞く集束効果音を体験することに非常に驚きます。

パラメトリックスピーカーの動作原理

パラメトリックスピーカー技術は、ほとんど視線を通過する特性を持つ超音速範囲の音波を採用しています。

しかし、超音速範囲が20kHzマーク（正確には40kHz）をはるかに超えている可能性があるため、人間の耳には絶対に聞こえない可能性があるので、システムはどのようにして焦点ゾーンで波を聞こえるようにすることができますか？

これを実装する1つの方法は、2つの40kHzビームを使用し、1つは1kHzの可聴周波数を重ね合わせ、角度を付けて、2つの40kHzコンテンツが互いに打ち消し合い、その特定のスポットで1kHz周波数を聞こえるようにすることです。

アイデアは単純に見えるかもしれませんが、LRADとはまったく逆に、指示された場所の音量が小さいために結果が非効率的であり、対象の人々を気絶させたり無力化したりするのに十分ではない可能性があります。

超音波を使用して可聴指向性音を生成する他の最新の方法は、振幅変調（AM）、両側波帯変調（DSB）、単側波帯変調（SSB）、周波数変調（FM）によるもので、すべての概念は最近研究されたパラメトリックスピーカーシステム技術に依存します。

言うまでもなく、110 dB以上の超音速波は、長い気団の「チューブ」を伝搬する過程で、その音波力の分布が不均一になる可能性があります。

音圧が不均一であるため、膨大な量の歪みが発生する可能性があり、美術館やギャラリーなどの静かな場所でのアプリケーションには非常に望ましくない可能性があります。

上記の非線形応答は、空気分子が分子を圧縮するのにかかる時間と比較して、以前の元の密度に整列するのに比較的長い時間がかかるという事実のために生成されます。より高い圧力で生成された音はまた、分子が圧縮されているものと衝突する間に衝撃波を生成する傾向があるより高い周波数をもたらします。

正確には、可聴コンテンツは完全に「戻る」わけではない振動する空気分子で構成されているため、音の周波数が高くなると、不均一性により、歪みが非常に聞こえるようになります。 「空気粘度」として定義されます。

そのため、メーカーは、歪みを最小限に抑えて大幅に改善されたサウンド再生を含むDSPディレクティブスピーカーのコンセプトに頼っています。

上記は、一方向でクリアなサウンドスポットを得るための高度なパラメトリックトランスデューサースピーカーの配置を含むことで補完されます。
これらのパラメトリックスピーカーによって生み出される高い指向性は、マトリックス配置を介してこれらのトランスデューサーを多数追加するだけで必要な仕様に従って拡大できる帯域幅特性が小さいためでもあります。

パラメトリック2チャンネルスピーカーモジュレーターの概念を理解する

DSBは、アナログスイッチング回路を使用して簡単に実行できます。発明者は最初にこれを試みました、そして、大きな音を達成することができたけれども、それはかなりの多くの歪みを伴いました。

次に、FM技術に似た概念を採用したPWM回路を試しましたが、結果として得られる音声出力は非常に明確で歪みがありませんでしたが、強度はDSBに比べてはるかに弱いことがわかりました。

欠点は、トランスデューサーのダブルチャネルアレイを配置することによって最終的に解決されました。各アレイには、並列に接続された50個もの40kHzトランスデューサーが含まれています。

オーディオスポットライト回路を理解する

以下に示すパラメトリックスピーカーまたは超音波指向性スピーカー回路を参照すると、PWMジェネレーターICTL494の周囲に構成された標準PWM回路が表示されます。

このPWMステージからの出力は、専用のIR2111ICを使用してハーフブリッジMOSFETドライバーステージに供給されます。

IC TL494には、外部R / Cネットワークを介して周波数を設定できる発振器が組み込まれています。ここでは、プリセットR2およびC1を介して表されます。基本発振周波数はR1で調整・設定し、最適範囲はユーザーがR1とR2を適切に設定することで決定します。

上記の設定されたPWM周波数に向けてスーパーインポーズする必要のあるオーディオ入力がK2に適用されます。オーディオ入力は、LM386などの小型アンプを使用して十分に増幅する必要があり、オーディオデバイスのヘッドフォンソケットを介して供給してはならないことに注意してください。

PWMステージからの出力は、ツインハーフブリッジICセットアップを介して供給されるため、最終的に増幅された超音速パラメトリック出力は、示されている4つのFETの2つの出力を介して実現できます。

増幅された出力は、最適化インダクタを介して高度に特殊化された40kHzピエゾトランスデューサのアレイに供給されます。トランスデューサアレイのそれぞれは、並列接続を介して配置された合計200個のトランスデューサで構成されます。

MOSFETには通常、ピエゾを駆動するための24V DC電源が供給されます。これは、別の24VDC電源から供給される場合があります。

市場にはそのようなトランスデューサーが多数存在する可能性があるため、オプションは特定のタイプや定格に限定されません。著者は、通常40kHzの周波数仕様が割り当てられた直径16mmのピエゾを好みました。

高レベルの騒ぎの中で屋外で使用されているときに妥当な応答を生成するには、各チャネルに少なくとも100個のこれらが含まれている必要があります。

トランスデューサーの間隔は重要です

トランスデューサー間の間隔は、トランスデューサーのそれぞれによって作成された位相が隣接するユニットによって妨害またはキャンセルされないようにするために重要です。波長がわずか8mmであるため、1mmの測位誤差でも、位相誤差とSPLの損失により、強度が大幅に低下する可能性があります。

技術的には、超音波トランスデューサーはコンデンサーの動作を模倣するため、インダクターを直列に含めることで強制的に共振させることができます。

したがって、トランスデューサをピーク性能限界に最適化するためのこの機能を実現するために、インダクタを直列に組み込んでいます。

共振周波数の計算

トランスデューサの共振周波数は、次の式を使用して計算できます。

fr = 1 /（2pi x LC）

40 kHzトランスデューサの内部容量は約2〜3nFである可能性があるため、それらを並列に50個使用すると、正味容量は約0.1uF〜0.15uFになります。

上記の式でこの図を使用すると、インダクタ値が60〜160 uHの間になります。これは、AおよびBのMOSFETドライバ出力と直列に含める必要があります。

下の図に示すように、インダクタはフェライトロッドを使用しています。ユーザーは、最適なポイントに到達するまでロッドをコイル内でスライドさせて調整することにより、共振応答をピークに達することができます。

回路図

回路のアイデアの礼儀：Elektorelectronics。

私のプロトタイプでは、単一の共通12V電源を使用して、必要な増幅のために以下に示すオーディオトランスを実験しました。共振コンデンサを使用しなかったため、増幅が低すぎました。

トランスデューサーとの直線を正確に横切って1フィートの距離から効果を聞くことができました。わずかな動きでも音が消えました。

スピーカーインダクター（小型オーディオ出力トランス）：

変圧器とトランスデューサーの接続方法

トランスデューサーの配線の詳細は、下の図に示されています。回路のポイントAとBに接続するには、これらのセットアップのうち2つが必要になります。

変圧器は適切であることができます ステップアップトランス 選択したトランスデューサーの数によって異なります。

プロトタイプ画像 ：上記のパラメトリックスピーカー回路は、記事の説明で指定されているとおりに正確に応答する4つの超音波トランスデューサーを使用してテストおよび確認に成功しました。ただし、4つのセンサーしか使用されていないため、出力が低すぎて、1メートル離れた場所からしか聞こえませんでした。

注意—健康被害。高い超音波レベルに長期間さらされるのを防ぐために、適切な対策を講じる必要があります。

元のドキュメントは ここを読む