Приветствую, Хабр!
В далеком (или не очень) 2021 году я узнал, что звук можно передавать не только с помощью классических динамических головок (колонок). Существует так называемый направленный звук. Данная технология довольно распространена, просто я был не в курсе. Применяется, в основном, для локализации звука в узком луче. Хороший пример — это музеи, выставки, картинные галереи и т. д. Подошли к экспонату, над вами установлен такой излучатель, вы слушаете информацию, отошли на метр — ничего не слышно. А можно ли передать звук на десятки метров? Спойлер: можно.
Я даже скажу больше, таким образом звук можно передавать на сотни метров. Хороший пример — система LRAD (Long Range Acoustic Device). Направленная акустическая система, способная излучать звук на большие расстояния (до 1 км) при интенсивности 150 дБ и выше вблизи установки. Тут область применения и воздействие другие, но суть в направленном луче, что меня и заинтересовало.
Решил разработать плату ультразвукового усилителя и протестировать, реально ли добиться хоть сколько-то больших расстояний. Тут как раз на шелкографии видна дата 04/2021.
Рис.1. Плата ультразвукового усилителя.
Для тестов на плате я расположил микроконтроллер, но так его и не задействовал, так как интереснее попробовать передать не (условный) синус, а именно звук. В качестве модулятора используется микросхема TL494CD. На вход подаем звук с предварительного усилителя, на выходе управляем полумостовыми драйверами IR2111SPBF, которые, в свою очередь, раскачивают транзисторы STP60NF06. Схема двухканальная.
Рис.2. Часть схемы ультразвукового усилителя.
Для управления ключами используется напряжение 12В (реализовал на DC/DC TPS54560), на стоках транзисторов 24В напрямую от внешнего блока питания.
Когда все это делал, приобрел два ультразвуковых динамика, все собрал, подключил, но результатам доволен не был. Для работы системы необходимо большое количество излучателей. Забросил.
Рис.3. Ультразвуковые динамики.
Недавно решил реанимировать проект, так как интерес к нему так и не угас за несколько лет. Приобрел ультразвуковые передатчики с резонансной частотой 40кГц. 50 штук. Установил на текстолитовую макетку. Шаг получился немного не ровный, но в нескольких источниках встречал информацию, что расстояние между передатчиками не принципиально, хотя мне казалось, что должно зависеть от длины волны.
Рис.4. Установка ультразвуковых излучателей на макетную печатную плату.
Ради интереса решил к усилителю подключить только один излучатель. Эффекта нет вообще. Звук практически не слышен. Я немного расстроился, но руки опускать не стал. На всякий случай проверил, все ли верно с частотой. Подстроил, чтобы все было четко, и продолжил собирать панель.
Рис.5. Генерация на входе драйвера ключей.
С обратной стороны все излучатели соединены параллельно. Непонятно, насколько у них большой разброс по резонансной частоте — это может сильно повлиять на дальность передачи. После окончания сборки получилась такая панель.
Рис.7. Готовая панель с излучателями.
Проверяем, что у нас творится на выходах транзисторов (в режиме нагрузки).
Рис.6. Генерация на выходе транзистора.
Тут нужно еще подумать. Я брал излучатели «STJF TCT40-16T». По даташиту максимальное напряжение составляет 80В. Мой DC/DC на вход выдерживает 60В. По мере увеличения напряжения дальность растет (забегая вперед). Так что, думаю, что еще поиграюсь с мощностью. Осталось достать блок питания на 50-60 вольт (как минимум, можно взять от PoE инжектора на 54В).
Сигнал решил подать от миниатюрного модуля плеера «DFPlayer». Несколько раз его использовал в других проектах, рекомендую. Есть как кнопки управления, так и UART для отправки команд на проигрывание файлов. Приклеил. Термоклей — наше все.
Рис.8. DFPlayer на плате усилителя.
Дальше началось самое интересное — тестирование. Сказать, что я был удивлен — значит не сказать ничего! После первого запуска с одним излучателем и практически нулевым эффектом, я не ждал чего-то особенного. Результат с панелью — 30 метров! Одинаковая слышимость по всей протяженности! Для полноценного тестирования мешают стены коридора (офиса), так как происходит паразитное отражение, но если направлять строго на объект, то все идеально. Направил в открытое окно — внизу ничего не слышно (дальность около 50-60 метров). С этим разберемся немного позже.
Чтобы все это можно было тестировать, необходимо удаленное управление. Как раз недавно использовал приемо-передатчики на 433МГц. Снова термоклей. Синей изолентой не получилось.
Рис.9. Приемник RF 433МГц на усилителе.
Для управления плеером припаял твердотельное реле CPC1014. Жмем кнопку на пульте — играет музыка. Теперь можно полноценно тестировать. До этого у меня была пара приемник и передатчик на 315МГц с красивым пультом в корпусе. Я его спалил (антенна приемника упала на выход ключевого транзистора). Сгорело все. Пришлось сделать свой пульт, приклеив (слава патенту SU891738A1) холдер батарейки CR2032 и установив кнопку.
Рис.10. Слева пульт на 315МГц, справа мое произведение искусства.
Тесты продолжаются. Решил задействовать второй канал: жду, когда приедут еще 60 излучателей. За счет увеличения количества трансмиттеров и величины напряжения ожидаю прирост расстояния в два раза. Главное — не забыть перепаять электролит, который на 35В, а то были прецеденты.
Небольшое демонстрационное видео (YouTube) для понимания эффекта направленного звука. Качество звука при записи на камеру немного страдает — не справляется микрофон телефона.
P.S.: нашел блок питания на 52В. По ощущениям уровень громкости увеличился в два раза, теперь над панелью может практически левитировать маленький полиэтиленовый пакетик. На сколько увеличилось расстояние, пока не понятно, нужны тесты.
Спасибо за внимание и успехов!
Комментарии (40)
AlexXYZ
29.05.2025 08:52А когда находишься в зоне действия луча можно на слух определить направление источника?
the_bat Автор
29.05.2025 08:52Да. Если только он не отражен.
AlexXYZ
29.05.2025 08:52Вспомнил, что испытывал ситуацию, когда направление источника звука было не определить. Вроде как от частоты зависит и создаётся ощущение, что звук везде. Или ещё пример - кузнечик. Он может находиться в полуметре на травинке и его не видно, хотя стрекочет он так, что чуть уши не закладывает. Что-то аналогичное можно смоделировать?
the_bat Автор
29.05.2025 08:52Кузнечик вещает во все стороны, скорее всего поэтому положение и сложно определить.
AlexXYZ
29.05.2025 08:52Так и человек вещает во все стороны. Хотя… может быть и нет. Всё-таки рот направлен в определённую сторону, а кузнечик действительно вещает во все стороны, его громкий звук отражается многократно, поэтому по сути эхо его громкого стрёкота и маскирует его местоположение, а если посадить его на одинокую высокую травинку, то это его демаскирует, потому что не будет эха.
sim2q
29.05.2025 08:52Он может находиться в полуметре на травинке и его не видно
когда был мелким, натренировал нейросеть так, что щёлкал эту задачу за секунды, наловил в банку что бы выпустить в городе, что бы звуком оживить среду
zlat_zlat
29.05.2025 08:52Он хорошо замаскирован и нужна тренировка, чтоб его именно увидеть (и знать, как он сидит, что искать). На самом деле по звуку они находятся неплохо, если двигаться. По малолетству так с саранчой боролся, отстреливал из воздушки после тщательного поиска)
woodiron
29.05.2025 08:52А я так и не понял - Вы взяли ультразвуковые пьезоизлучатели на 40кГц, подали (судя по осциллограммам) меандр 40кГц, и слышали звук. Какой? -Ютуб, к сожалению, не могу посмотреть.
the_bat Автор
29.05.2025 08:52У меня еще там стоит плеер, который играет музыку. Если музыку не играть чувствуется только давление на уши. Вот ссылка на виде https://www.dropbox.com/scl/fi/bxp3d60w76ifbys4hfy6n/1.mp4?rlkey=xa71hr5iq1b1gxslibi3kho5g&dl=0
woodiron
29.05.2025 08:52Спасибо. Фактически это выглядит как модуляция звуковым сигналом ультразвукового сигнала, и огибающая становится слышной. Удивительно, я бы предположил, что так работать не будет - и вот на тебе. Что же служит детектором, выделяющим модулирующий сигнал, ведь воздух на таких уровнях звукового давления линейная среда.
the_bat Автор
29.05.2025 08:52Все абсолютно так. Детектором служит препятствие, думаю, ухо. Рукой тоже чувствуется.
AKudinov
29.05.2025 08:52Рукой тоже чувствуется.
Насколько безопасно для слуха воздействие, пусть и неслышимого, ультразвука такой мощности?
Вот, например, невидимый ИК-лазер может сжечь сетчатку глаза. И из-за невидимости он ещё опаснее: человек не видит опасности, не может уйти из зоны поражения, зрачок не сужается, глаз не закрывается и т.п.
Возможны ли в случае с мощным ультразвуком какие-то подобные неприятности?
the_bat Автор
29.05.2025 08:52Тут все зависит от давления звука. Да, нужно быть аккуратнее, уху очень не приятно, даже когда звука нет (на близком расстоянии).
Почитайте про LRAD, ими разгоняют демонстрации. Но это совсем уж большая мощность.
xSVPx
29.05.2025 08:52Видимый гораздо хуже, его глаз на сетчатке фокусирует...
iShrimp
29.05.2025 08:52Как раз диапазон 700-1400 нм наиболее опасен. Laser safety - большая и сложная тема, и правила безопасности в ней зачастую выработаны ценой человеческих ошибок.
Дисперсия сред глаза в ближнем ИК диапазоне невелика, поэтому ближнее ИК излучение преломляется почти так же, как красное.
vvbob
29.05.2025 08:52В сети видел как делали аналог ФАР для ультразвука, для сканирования пространства, и это работало.
the_bat Автор
29.05.2025 08:52Да, есть модуль arduino приемник-передатчик. Можно расстояние измерять.
vvbob
29.05.2025 08:52Не, там именно ФАР, для сканирования пространства, надо в истории покопаться, поискать
agat000
29.05.2025 08:52Я читал про вариант с ФАР именно для звука - направление за счет фазировки, а звук за счет биения, УЗ на близких частотах с разницей в звуковом диапазоне.
Еще был вариант УЗ - ФАР для направленного "луча смерти" против комаров (сначала УЗ-ФАР пеленгует эту тварь, потом направляет звук. Результаты были неоднозначные, но разработчик обещал продолжить эксперименты.
sami777
29.05.2025 08:52Так и не понял, в чем особенности данного устройства?! Ультразвук мы не слышим. Нужно устройство, которое переложит ультразвук на обычный звук. Почему тогда не обычный передатчик на теже 433Мгц, что автор использовал для дистанционного управления?
the_bat Автор
29.05.2025 08:52Посмотрите видео. Это звук в виде луча, который не слышно сбоку, но слышно далеко впереди.
iShrimp
29.05.2025 08:52Статья получилась сумбурной. Думаю, стоит сразу пояснить для читателей следующие пункты:
Идея устройства основана на том, что ультразвук отличается от слышимого звука меньшей длиной волны, следовательно, он меньше подвержен дифракции и его можно сфокусировать в направленный луч.
Ультразвуковой сигнал (несущая частота - кстати, какая?) модулируется звуковыми колебаниями слышимого диапазона.
Полученный сигнал подаётся на усилитель и динамики. За счёт того что все динамики излучают в одной фазе, получается плоская звуковая волна, распространяющаяся в виде луча (п. 1).
Достигая препятствия (нелинейно упругой среды), ультразвуковой сигнал демодулируется, и на границе сред возникает слышимый звук. Если направить луч на человека, то препятствием служит само ухо.
Olegun
29.05.2025 08:52Инфразвук генерировать можно?
strvv
29.05.2025 08:52почему нет, модулируй низкочастотными сигналами, или например 2 панели, одна 40кГц, вторая - 39.995 кГц, и всё - тебе придёт счастье в 5 герц.
Moog_Prodigy
29.05.2025 08:52Еще существуют системы из одного излучателя, на который подается почти-синус на определенной средней частоте. Из излучателя выходят много трубок-резонаторов, и вот длинами трубок уже настраиваются биения инфранизкой частоты. Достоинство схемы в простоте, недостаток - сложная настройка.
Кстати на том же принципе работают направленные микрофоны, которыми слушают пение птиц. Много трубок, разнесенных по основным частотам, и один микрофон.
iShrimp
29.05.2025 08:52В сети есть много видео, где подробно объясняется принцип работы установки и демонстрируются свойства ультразвукового луча.
Скрытый текст
nv13
29.05.2025 08:52В основе лежит нелинейное взаимодействие уз поля с неоднородностями. Есть способ формирования низкочастотного направленного сигнала для эхолотов, когда на высокой частоте около излучателя формируется поле как в директорной антенне но уже на низкой частоте. Ещё уже давно известна система трансляции объявлений в аэропортах - там уз пушки узким лучом подсвечивают шары из пенопласта или типа того, которые становятся нч источниками.
Я бы Вам посоветовал заменить шим преобразователь на что то более соответствующее модулятору - к примеру на ЦАП, если он может работать в режиме умножения, это увеличит глубину модуляции и сделает несущую меньше, а составляющие инф сигнала больше.
mmMike
29.05.2025 08:52Лет 10 назад купил кучку (40штук) таких же излучателей (по случаю) и собирался сделать аналогичное.
Но в итоге так и не понял, а для чего лично мне это нужно (практическое примененение) и не стал возится.
Все же делать, что бы тольок просто сделать этого лично мне не достаточно. Тем более, что тема в целом не нова и такое уже делали в DIY.Но с очень большим интересом прочитал Вашу статью. Спасибо за интересный опыт.
А какая у Вас была практическая цель. Ну для чего это можно приспособить?
(музеи и пр.. это понятно. Я именно для "домашнего" использования имею в виду)
fed_medved007
29.05.2025 08:52Автор, подскажите пожалуйста.
Излучатели в решётке работают одновременно и как понимаю нет фазового сдвига? То есть светят прямо без какой либо направленности и калибровки?
Пару лет назад занимался таким проектом, но у меня была задача сделать многолучевой направленный динамик (пытались сделать 2 луча с одной решётки). Всё это сумашествие делалось на ПЛИС, в итоге добились передачи направленного сигнала в разные точки, но было много лишнего шума и других сложностей. В итоге учёбу я закончил и работу в университете тоже, проект так и не реализован.Непонятно, насколько у них большой разброс по резонансной частоте — это может сильно повлиять на дальность передачи. После окончания сборки получилась такая панель.
Мы в своих работах использовали тоже 40кГц датчики (Murata Electronics), с завода у них проблема с расхождением фазы и напутаны полярности. Производили калибровки собственным оборудованием на коленке. Можете обратить внимание на эти моменты для более чистого сигнала.
Также вы можете разместить излучатели в виде полусферы, что увеличит фокусировку сигнала.
TachSkim
Классная штука для того что бы кошмарить неугодных соседей
the_bat Автор
Для соседей не подойдет) Нужен другой излучатель, как в УЗ ванне. Только если в доме напротив, либо кошмарить алкашей на скамейке)
Кстати, еще очень хорошо работает на отражение. Если отразить от потолка, то звук идет от потолка)
MAXH0
Ха... А кашмарить бродячих собак можно? На даче повадились приходить ночью и ругаться с моими. Классный девайс вырисовывается: акустическая триангуляция, прицеливание и "выстрел" для отпугивания..
Т. Е. Это из акустической пушки по воробья. И вряд ли соберусь делать. Но первое о чем подумал...
PPRT_E
Не болеют ли бродячие собаки туберкулёзом?
venanen
А вот это уже крутая идея, как по мне. Можно крутое аудиоокружение собрать без необходимости тянуть провода в каждый угол комнаты. Проблема, наверное, в диапазоне частот и мощности
the_bat Автор
С мощностью все в порядке (ну если только не нужно, чтобы глаза вылезали), а вот частоты да, басов мало.
idelgujin
Огромный динамик и плавающий синус герц 10-12. Звука не будет, а вот посуда будет дребежжать.