Dźwięk z ultradźwięków - Sound from ultrasound

Dźwięk z ultradźwięków to nazwa nadana tutaj generowaniu słyszalnego dźwięku z modulowanych ultradźwięków bez użycia aktywnego odbiornika . Dzieje się tak, gdy modulowane ultradźwięki przechodzą przez nieliniowe medium, które działa, celowo lub nieumyślnie, jako demodulator .

Tablica parametryczna

Od wczesnych lat sześćdziesiątych XX wieku naukowcy eksperymentowali z tworzeniem dyrektywnych dźwięków o niskiej częstotliwości w wyniku nieliniowego oddziaływania ukierunkowanej wiązki fal ultradźwiękowych wytwarzanych przez układ parametryczny wykorzystujący heterodyning . Ultradźwięki mają znacznie krótsze długości fal niż dźwięk słyszalny, więc rozchodzą się w znacznie węższej wiązce niż jakikolwiek normalny system głośników wykorzystujący częstotliwości audio. Większość prac wykonano w płynach (do podwodnego wykorzystania dźwięku).

Pierwsze nowoczesne urządzenie do akustycznego wykorzystania powietrza powstało w 1998 roku i jest obecnie znane pod nazwą handlową „Audio Spotlight”, terminem ukutym po raz pierwszy w 1983 roku przez japońskich badaczy, którzy porzucili tę technologię jako niewykonalną w połowie lat 80-tych.

Przetwornik może być wykonany tak, aby wyrzucał wąską wiązkę modulowanych ultradźwięków, która jest wystarczająco silna, przy 100 do 110 dBSPL , aby zasadniczo zmienić prędkość dźwięku w powietrzu, przez które przechodzi. Powietrze w wiązce zachowuje się nieliniowo i wyodrębnia sygnał modulacji z ultradźwięków, w wyniku czego dźwięk można usłyszeć tylko wzdłuż ścieżki wiązki lub który wydaje się promieniować z dowolnej powierzchni, na którą uderza wiązka. Technologia ta umożliwia rzutowanie wiązki dźwięku na dużą odległość, która jest słyszalna tylko w niewielkim, dobrze określonym obszarze; dla słuchacza znajdującego się poza wiązką, ciśnienie akustyczne znacznie spada. Tego efektu nie można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych głośników, ponieważ dźwięk o słyszalnych częstotliwościach nie może być skupiony w tak wąskiej wiązce.

Takie podejście ma pewne ograniczenia. Wszystko, co przerywa wiązkę, zapobiega propagacji ultradźwięków, na przykład przerywanie wiązki reflektora. Z tego powodu większość systemów jest montowana nad głową, podobnie jak oświetlenie.

Aplikacje

Reklama komercyjna

Sygnał dźwiękowy można skierować tak, aby mógł go usłyszeć tylko określony przechodzień lub ktoś bardzo blisko. W zastosowaniach komercyjnych może kierować dźwięk do jednej osoby bez dźwięku peryferyjnego i związanego z nim hałasu głośnika.

Osobisty dźwięk

Może być używany do osobistego audio, aby dźwięki były słyszalne tylko dla jednej osoby lub takie, których grupa chce słuchać. Na przykład instrukcje nawigacyjne są interesujące tylko dla kierowcy w samochodzie, a nie dla pasażerów. Inną możliwością są przyszłe zastosowania prawdziwego dźwięku stereo, w których jedno ucho nie słyszy tego, co słyszy drugie.

Urządzenie sygnalizacyjne pociągu

Kierunkowa dźwiękowa sygnalizacja pociągu może być zrealizowana za pomocą wiązki ultradźwiękowej, która będzie ostrzegać o zbliżaniu się pociągu, unikając przy tym uciążliwości głośnych sygnałów pociągu w okolicznych domach i firmach.

Historia

Technologia ta została pierwotnie opracowana przez US Navy i radzieckiej marynarki na podwodnym sonarem w połowie 1960 roku, a został na krótko zbadane przez japońskich badaczy w 1980 roku, ale wysiłki te zostały porzucone ze względu na bardzo niską jakość dźwięku (wysokie zniekształcenia) i znaczna koszt systemu. Problemy te pozostały nierozwiązane, aż w artykule opublikowanym przez dr F. Josepha Pompei z Massachusetts Institute of Technology w 1998 roku w pełni opisano działające urządzenie, które redukowało zniekształcenia słyszalne zasadniczo do poziomu tradycyjnego głośnika.

Produkty

Od 2014 r. Było znanych pięć urządzeń, które zostały wprowadzone na rynek i wykorzystują ultradźwięki do wytworzenia słyszalnej wiązki dźwięku.

Audio Spotlight

F. Joseph Pompei z MIT opracował technologię, którą nazywa „Audio Spotlight”, i udostępnił ją komercyjnie w 2000 roku przez swoją firmę Holosonics , która według ich strony internetowej twierdzi, że sprzedała „tysiące” swoich systemów „Audio Spotlight”. Disney był jedną z pierwszych dużych korporacji, które przyjęły go do użytku w Epcot Center , a wiele innych przykładów zastosowań jest pokazanych na stronie internetowej Holosonics.

Audio Spotlight to wąska wiązka dźwięku, którą można sterować z taką samą precyzją jak światło z reflektora. Wykorzystuje wiązkę ultradźwięków jako „wirtualne źródło akustyczne”, umożliwiające kontrolę dystrybucji dźwięku. Ultradźwięki mają fale o długości zaledwie kilku milimetrów, które są znacznie mniejsze niż źródło, a zatem naturalnie poruszają się w wyjątkowo wąskiej wiązce. Ultradźwięki, które zawierają częstotliwości daleko poza zasięgiem ludzkiego słuchu, są całkowicie niesłyszalne. Jednak gdy wiązka ultradźwięków przemieszcza się w powietrzu, nieodłączne właściwości powietrza powodują, że ultradźwięki zmieniają kształt w przewidywalny sposób. Daje to początek składowym częstotliwości w słyszalnym paśmie, które można przewidzieć i kontrolować.

Dźwięk HyperSonic

Elwood „Woody” Norris, założyciel i prezes American Technology Corporation (ATC), ogłosił, że w 1996 roku z powodzeniem stworzył urządzenie, które osiągnęło ultradźwiękową transmisję dźwięku. Urządzenie to wykorzystywało przetworniki piezoelektryczne do wysyłania dwóch fal ultradźwiękowych o różnych częstotliwościach w kierunku punktu, dając złudzenie, że słyszalny dźwięk z ich wzoru interferencyjnego pochodzi z tego punktu. ATC nazwał i zarejestrował swoje urządzenie jako „HyperSonic Sound” (HSS). W grudniu 1997 roku HSS znalazł się na liście najlepszych nowości w Popular Science . W grudniu 2002 roku Popular Science nazwał HyperSonic Sound najlepszym wynalazkiem 2002 roku. Norris otrzymał w 2005 roku nagrodę Lemelson-MIT za swój wynalazek „hipersonicznego dźwięku”. ATC (obecnie LRAD Corporation) wydzieliła technologię na rzecz Parametric Sound Corporation we wrześniu 2010 r., Aby skoncentrować się na swoich produktach Long Range Acoustic Device ( LRAD ), zgodnie z kwartalnymi raportami, komunikatami prasowymi i oświadczeniami kierownictwa.

Mitsubishi Electric Engineering Corporation

Mitsubishi najwyraźniej oferuje dźwięk z produktu ultradźwiękowego o nazwie „MSP-50E”, ale dostępność komercyjna nie została potwierdzona.

AudioBeam

Niemiecka firma audio Sennheiser Electronic wystawiła kiedyś swój produkt „AudioBeam” za około 4500 dolarów. Nic nie wskazuje na to, że produkt był używany w jakichkolwiek zastosowaniach publicznych. Od tego czasu produkt został wycofany.

Badanie literatury

Pierwsze eksperymentalne systemy zostały zbudowane ponad 30 lat temu, chociaż te pierwsze wersje odtwarzały tylko proste dźwięki. Dopiero znacznie później (patrz wyżej) systemy zostały zbudowane z myślą o praktycznym zastosowaniu odsłuchowym.

Eksperymentalna ultradźwiękowa akustyka nieliniowa

W tym miejscu zostanie przedstawione chronologiczne podsumowanie podejść eksperymentalnych podjętych w celu zbadania systemów Audio Spotlight w przeszłości. Na przełomie tysiącleci działające wersje Audio Spotlight zdolne do odtwarzania mowy i muzyki można było kupić w Holosonics, firmie założonej na podstawie pracy dr Pompei w MIT Media Lab.

Tematy pokrewne badano prawie 40 lat wcześniej w kontekście akustyki podwodnej.

Pierwszy artykuł zawierał teoretyczne sformułowanie kąta połówkowego ciśnienia zdemodulowanego sygnału.
Drugi artykuł zawierał eksperymentalne porównanie z przewidywaniami teoretycznymi.

Oba artykuły były wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, szczególnie w odniesieniu do wykorzystania tego zjawiska w podwodnych impulsach sonarowych. Celem tych systemów nie była wysoka kierunkowość jako taka , ale raczej wyższa użyteczna szerokość pasma przetwornika o ograniczonym paśmie.

W latach siedemdziesiątych XX wieku zaobserwowano pewną aktywność w eksperymentalnych systemach powietrznych, zarówno w powietrzu, jak i pod wodą. Ponownie wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, głównym celem podwodnych eksperymentów było określenie ograniczeń zasięgu propagacji impulsu sonarowego z powodu zniekształceń nieliniowych. Eksperymenty w powietrzu miały na celu raczej rejestrację danych ilościowych dotyczących kierunkowości i strat propagacji zarówno fali nośnej ultradźwiękowej, jak i fal zdemodulowanych, a nie rozwijanie możliwości odtwarzania sygnału audio.

W 1983 roku pomysł został ponownie przeanalizowany eksperymentalnie, ale tym razem z mocnym zamiarem przeanalizowania wykorzystania systemu w powietrzu w celu utworzenia bardziej złożonego sygnału pasma podstawowego w wysoce kierunkowy sposób. Przetwarzanie sygnału użyte do osiągnięcia tego było proste DSB-AM bez kompensacji wstępnej, a ze względu na brak kompensacji wstępnej zastosowanej do sygnału wejściowego, poziomy zniekształceń harmonicznych THD Całkowite tego systemu byłyby prawdopodobnie zadowalające dla reprodukcji mowy, ale odtwarzanie muzyki. Ciekawą cechą zastosowanego zestawu doświadczalnego było użycie 547 przetworników ultradźwiękowych do wytworzenia ultradźwiękowego źródła dźwięku 40 kHz o wartości ponad 130 dB na 4 m, co wymagałoby znacznych względów bezpieczeństwa. Chociaż ten eksperyment wyraźnie wykazał potencjał do reprodukcji sygnałów audio za pomocą systemu ultradźwiękowego, wykazał również, że system cierpiał na poważne zniekształcenia, zwłaszcza gdy nie zastosowano wstępnej kompensacji.

Teoretyczna ultradźwiękowa akustyka nieliniowa

Równania rządzące akustyką nieliniową są dość skomplikowane i niestety nie mają ogólnych rozwiązań analitycznych. Zwykle wymagają użycia symulacji komputerowej. Jednakże, już w roku 1965, Berktay przeprowadzono analizę w pewnych upraszczających założeniach dopuszczalnych demodulowanego SPL być zapisane w zakresie amplitudy fal ultradźwiękowych modulowana nośna ciśnienie P _c i różne parametry fizyczne. Należy zauważyć, że proces demodulacji jest niezwykle stratny, z minimalnymi stratami rzędu 60 dB od ultradźwiękowego SPL do słyszalnej fali SPL. Schemat wstępnej kompensacji może opierać się na wyrażeniu Berktaya, przedstawionym w równaniu 1, poprzez pobranie pierwiastka kwadratowego z obwiedni sygnału pasma podstawowego E, a następnie całkowanie dwukrotnie, aby odwrócić efekt podwójnej pochodnej cząstkowej czasu. Analogowe odpowiedniki obwodów elektronicznych funkcji pierwiastka kwadratowego to po prostu wzmacniacz operacyjny ze sprzężeniem zwrotnym, a korektor jest analogiczny do funkcji całkowania. Jednak te obszary tematyczne pozostają poza zakresem tego projektu.

${\ Displaystyle p_ {2} (x, t) = K \ cdot P_ {c} ^ {2} \ cdot {\ Frac {\ częściowe ^ {2}} {\ częściowe t ^ {2}}} E ^ { 2} (x, t)}$

gdzie

${\ Displaystyle p_ {2} (x, t) = \,}$ Słyszalna wtórna fala ciśnienia
${\ Displaystyle K = \,}$ misc. parametry fizyczne
${\ displaystyle P_ {c} = \,}$ SPL ultradźwiękowej fali nośnej
${\ Displaystyle E (x, t) = \,}$ Funkcja obwiedni (np. DSB-AM)

To równanie mówi, że słyszalna demodulowana ultradźwiękowa fala ciśnienia (sygnał wyjściowy) jest proporcjonalna do podwójnie zróżnicowanej, kwadratowej wersji funkcji obwiedni (sygnał wejściowy). Wstępna kompensacja odnosi się do sztuczki przewidywania tych przekształceń i stosowania odwrotnych przekształceń na wejściu, mając nadzieję, że wyjście jest wtedy bliżej nietransformowanego wejścia.

W latach dziewięćdziesiątych było dobrze wiadomo, że Audio Spotlight może działać, ale cierpiał na poważne zniekształcenia. Wiadomo było również, że schematy wstępnej kompensacji nakładały dodatkowe wymagania na odpowiedź częstotliwościową przetworników ultradźwiękowych. W efekcie przetworniki musiały nadążać za tym, czego wymagała od nich cyfrowa kompensacja wstępna, a mianowicie za szerszą charakterystyką częstotliwościową. W 1998 r. Negatywny wpływ na THD niewystarczająco szerokiej odpowiedzi częstotliwościowej przetworników ultradźwiękowych został określony ilościowo za pomocą symulacji komputerowych przy użyciu schematu wstępnej kompensacji opartego na wyrażeniu Berktaya. W 1999 roku w artykule Pompei omówiono, w jaki sposób nowy prototypowy przetwornik spełnił zwiększone wymagania w zakresie odpowiedzi częstotliwościowej nałożone na przetworniki ultradźwiękowe przez schemat wstępnej kompensacji, który ponownie został oparty na wyrażeniu Berktaya. Ponadto imponujące zmniejszenie THD produkcji w przypadku zastosowania systemu prekompensacji przedstawiono na wykresie w odniesieniu do przypadku braku wstępnej rekompensaty.

Podsumowując, technologia zapoczątkowana 40 lat temu w podwodnym sonarze została wykorzystana do reprodukcji słyszalnego dźwięku w powietrzu przez papier i urządzenie Pompei, które zgodnie z jego artykułem AES (1998) wykazało, że zniekształcenia zostały zredukowane do poziomów porównywalnych. do tradycyjnych systemów głośnikowych.

Schemat modulacji

Nieliniowe oddziaływanie miesza tony ultradźwiękowe w powietrzu, tworząc sumaryczne i różnicowe częstotliwości. DSB-AM modulacji z odpowiednio dużego pasma podstawowego przesunięcia DC w celu wytworzenia sygnału demodulacji nałożony na modulowanej częstotliwości dźwięku, jest jednym ze sposobów wytwarzania sygnału, który koduje pożądane pasma widma dźwięku. Technika ta obarczona jest ekstremalnie dużymi zniekształceniami, ponieważ nie tylko demodulujący ton zakłóca, ale także wszystkie inne obecne częstotliwości interferują ze sobą. Zmodulowane widmo jest splecione ze sobą, podwajając swoją szerokość pasma przez właściwość długości splotu . Zniekształcenie pasma podstawowego w szerokości pasma oryginalnego widma audio jest odwrotnie proporcjonalne do wielkości przesunięcia DC (tonu demodulacji) nałożonego na sygnał. Im większy ton, tym mniejsze zniekształcenia.

Dalsze zniekształcenia są wprowadzane przez właściwość różnicowania drugiego rzędu procesu demodulacji. Wynikiem jest pomnożenie żądanego sygnału przez funkcję -ω² częstotliwości. Zniekształcenie to można zniwelować stosując filtrację przedfazową (zwiększenie amplitudy sygnału o wysokiej częstotliwości).

Do właściwości splotu czasu transformaty Fouriera , mnożenie w dziedzinie czasu jest splotem w dziedzinie częstotliwości. Konwolucja między sygnałem pasma podstawowego a wzmocnieniem jedności czystej częstotliwości nośnej przesuwa widmo pasma podstawowego w częstotliwości i zmniejsza o połowę jego wielkość, chociaż nie dochodzi do utraty energii. Jedna kopia repliki w połowie skali znajduje się na każdej połowie osi częstotliwości. Jest to zgodne z twierdzeniem Parsevala.

Głębokość modulacji m jest wygodnym parametrem eksperymentalnym przy ocenie całkowitego zniekształcenia harmonicznego w zdemodulowanym sygnale. Jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przesunięcia DC. THD rośnie proporcjonalnie do m ₁ ².

Te zniekształcające efekty można lepiej złagodzić za pomocą innego schematu modulacji, który wykorzystuje różnicowy charakter urządzenia do kwadratu nieliniowego efektu akustycznego. Modulacja drugiej całki z pierwiastka kwadratowego żądanego sygnału audio pasma podstawowego, bez dodawania przesunięcia DC, powoduje splot częstotliwości modulowanego widma pierwiastkowego, o połowę szerokości pasma oryginalnego sygnału, z samym sobą z powodu nieliniowego kanału efekty. Ta splot częstotliwości jest zwielokrotnieniem w czasie samego sygnału lub podniesieniem do kwadratu. To ponownie podwaja szerokość pasma widma, odtwarzając drugą całkę czasową z wejściowego widma audio. Podwójne całkowanie koryguje charakterystykę filtrowania -ω² związaną z nieliniowym efektem akustycznym. To odzyskuje skalowane oryginalne widmo w paśmie podstawowym.

Proces zniekształceń harmonicznych ma związek z replikami o wysokiej częstotliwości związanymi z każdą demodulacją kwadratową, dla każdego schematu modulacji. Te iteracyjnie demodulują i samomodulują, dodając rozmazaną widmowo i potęgowaną czasowo kopię oryginalnego sygnału do pasma podstawowego i dwukrotność pierwotnej częstotliwości środkowej za każdym razem, z jedną iteracją odpowiadającą jednemu przejściu przestrzeni między emiterem a celem. Jedynie dźwięk z równoległymi, współliniowymi wektorami prędkości w fazie interferuje z wytworzeniem tego nieliniowego efektu. Iteracje o numerach parzystych dadzą produkty modulacji, pasmo podstawowe i wysoką częstotliwość, jako emisje odbite od celu. Iteracje o numerach nieparzystych dadzą swoje produkty modulacji jako emisje odbite z emitera.

Efekt ten utrzymuje się nadal, gdy emiter i reflektor nie są równoległe, chociaż z powodu efektów dyfrakcyjnych produkty pasma podstawowego każdej iteracji będą za każdym razem pochodzić z innego miejsca, z lokalizacją początkową odpowiadającą ścieżce odbitej autododulacji wysokiej częstotliwości produkty.

Te harmoniczne kopie są w dużej mierze osłabiane przez naturalne straty przy tych wyższych częstotliwościach podczas propagacji w powietrzu.

Tłumienie ultradźwięków w powietrzu

Na rysunku przedstawionym w przedstawiono oszacowanie tłumienia, na jakie ucierpiałyby ultradźwięki rozchodzące się w powietrzu. Liczby z tego wykresu odpowiadają całkowicie liniowej propagacji, a dokładny wpływ nieliniowych zjawisk demodulacji na tłumienie ultradźwiękowych fal nośnych w powietrzu nie został uwzględniony. Istnieje interesująca zależność od wilgotności. Niemniej jednak można zaobserwować, że fala 50 kHz wykazuje poziom tłumienia rzędu 1 dB na metr przy jednej atmosferze ciśnienia.

Bezpieczne stosowanie ultradźwięków o dużej intensywności

Aby wystąpił efekt nieliniowy, wymagane są ultradźwięki o stosunkowo dużym natężeniu. Poziom SPL był zwykle większy niż 100 dB ultradźwięków w nominalnej odległości 1 m od czoła przetwornika ultradźwiękowego. Ekspozycja na bardziej intensywne ultradźwięki powyżej 140 dB w pobliżu słyszalnego zakresu (20–40 kHz) może prowadzić do zespołu obejmującego nudności, ból głowy, szum w uszach , ból, zawroty głowy i zmęczenie, ale jest to około 100-krotność poziomu 100 dB podanego powyżej i generalnie nie stanowi problemu. Dr Joseph Pompei z Audio Spotlight opublikował dane pokazujące, że ich produkt generuje ultradźwiękowe ciśnienie akustyczne na poziomie około 130 dB (przy 60 kHz) mierzone z odległości 3 metrów.

Brytyjska niezależna Grupa Doradcza ds. Promieniowania Niejonizującego (AGNIR) sporządziła 180-stronicowy raport na temat skutków zdrowotnych narażenia ludzi na ultradźwięki i infradźwięki w 2010 r. Brytyjska Agencja Ochrony Zdrowia (HPA) opublikowała raport, w którym zalecono ograniczenie narażenia dla ogółu społeczeństwa do poziomu ciśnienia akustycznego ultradźwiękowego w powietrzu (SPL) 100 dB (przy 25 kHz i więcej).

OSHA określa bezpieczną wartość sufitu ultradźwiękowego jako ekspozycję na 145 dB SPL w zakresie częstotliwości używanym przez komercyjne systemy w powietrzu, o ile nie ma możliwości kontaktu z powierzchnią przetwornika lub medium sprzęgającym (tj. W zanurzeniu). Jest to kilkakrotnie najwyższy poziom stosowany w komercyjnych systemach Audio Spotlight, więc istnieje znaczny margines bezpieczeństwa. W przeglądzie międzynarodowych dopuszczalnych limitów ekspozycji Howard et al. (2005) zwrócił uwagę na ogólną zgodę między organizacjami normalizacyjnymi, ale wyraził zaniepokojenie decyzją Administracji Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy Stanów Zjednoczonych (OSHA) o zwiększeniu dopuszczalnego narażenia o dodatkowe 30 dB w pewnych warunkach (co odpowiada współczynnikowi 1000). intensywności).

Dla częstotliwości ultradźwięków od 25 do 50 kHz, wytyczne 110 dB były zalecane przez Kanadę, Japonię, ZSRR i Międzynarodową Agencję Ochrony Przed Promieniowaniem oraz 115 dB przez Szwecję w późnych latach siedemdziesiątych i wczesnych osiemdziesiątych XX wieku, ale były to głównie oparte na subiektywnych efektach. Nowsze wytyczne OSHA powyżej są oparte na badaniach ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienists) z 1987 roku.

Lawton (2001) dokonał przeglądu międzynarodowych wytycznych dotyczących ultrasonografii w powietrzu w raporcie opublikowanym przez brytyjski Urząd ds. Zdrowia i Bezpieczeństwa. Zawierał on omówienie wytycznych wydanych przez American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), 1988. Lawton stwierdza: „Ten recenzent uważa, że ACGIH przesunął swoje dopuszczalne limity narażenia na sam skraj potencjalnie szkodliwego narażenia . ” W dokumencie ACGIH wspomniano również o możliwej potrzebie ochrony słuchu.

Zobacz też

Dalsze zasoby

Patent USA 6,778,672 złożony 17 sierpnia 2004 r. Opisuje system HSS do wykorzystania ultradźwięków do:

Kierować odrębną „rozrywkę samochodową” bezpośrednio do pasażerów na różnych pozycjach.
Kształtuj fale radiowe w pojeździe, aby wytłumić niepożądane dźwięki.

Languages

In other projects