Как услышать ультразвук
Перейти к содержимому

Как услышать ультразвук

  • автор:

Как услышать ультразвук, схема акустического прибора (555, SA602, LM386)

Принципиальная схема самодельного устройства для возможности прослушивания ультразвуковых акустических волн. Как известно, человеческое ухо не способно слышать звук частотой более 20кГц. Акустические колебания более высокой частоты и являются ультразвуком. Они могут быть по частоте от 20 кГц до сотен кГц и даже вплоть до 1 Мгц.

Но утверждение о том, что мы не слышим ультразвук не совсем верно. Наши органы слуха, да и весь наш организм, безусловно на него реагируют, но понять этого мы не можем.

Именно по этому ультразвук может оказывать на нас как положительное, так и отрицательное воздействие. Например, в зоне где есть достаточно мощный источник ультразвука нам кажется что мы находимся в тишине, но при этом мы быстро устаем, наш слух притупляется (явная перегрузка органов слуха), может появиться головная боль или ощущение заложенных ушей, головокружения.

Здесь описывается прибор, который позволяет услышать ультразвук, в буквальном смысле, именно услышать, а не зарегистрировать его наличие.

Прибор понижает частоту входного звукового сигнала до слышимого нам уровня, делая это путем преобразования частоты. Практически, это такой ультразвуковой супергетеродинный приемник, преобразующий входной сигнал — ультразвук, в низкую «промежуточную» частоту, доступную для нашего восприятия.

Принципиальная схема

Схема прибора показана на рисунке 1. На микросхеме А1 сделан генератор частоты гетеродина, эта частота должна отличаться от частоты ультразвука, который желаем услышать, на 1-10 кГц, то есть, на частоту хорошо слышимую нашим человеческим ухом. Частота регулируется переменным резистором R1 в пределах примерно от 25 до 50 кГц.

При необходимости охватить больший диапазон можно переключать конденсаторы С1, выбрав их разной емкости, чтобы переключателем можно было переключать поддиапазоны.

На преобразователь частоты сигнал гетеродина, имеющий форму прямоугольных импульсов, поступает через делитель на резисторах R3 и R4, который понижает амплитуду этих импульсов.

Принципиальная схема прибора, который позволяет услышать ультразвуковые акустические волны

Рис. 1. Принципиальная схема прибора, который позволяет услышать ультразвуковые акустические волны.

Преобразователь частоты сделан на микросхеме А2 типа SA602. Эта микросхема широко известная радиолюбителям и обычно используется в схема радиоприема в качестве преобразователя частоты. Здесь она так же работает в качестве преобразователя частоты.

На её вход поступает сигнал от микрофона М1, а на гетеродинный вход поступает сигнал гетеродина он гетеродина на микросхеме А1.

Естественно, на выходе будет суммарно — разностный сигнал, он поступает с вывода 5 А2 через регулятор громкости R5, на УНЧ на микросхеме АЗ. Цепь R7-С12 служит простейшим фильтром низких частот, подавляющим суммарный сигнал.

В результате на УНЧ на микросхеме АЗ поступает только разностный сигнал. Который затем усиливается и озвучивается головными телефонами В1.

УНЧ на микросхеме АЗ типа LM386 работает в режиме максимального усиления с коэффициентом усиления 200. На выходе можно установить и динамик, но нужно следить за громкостью, чтобы не возникло самовозбуждения.

Если имеется хороший лабораторный генератор синусоидального или прямоугольного сигнала, от которого можно получить частоту в пределах от 20 кГц до 1 Мгц, то предпочтительнее будет в качестве гетеродина использовать его.

В этом случае схема приобретает вид, как показано на рисунке 2. С помощью такого прибора можно прослушать на наличие ультразвука практически весь ультразвуковой диапазон. На схеме на рис. 2 нумерация деталей сохранена как на рис.1.

Схема прибора для прослушки ультразвука с использованием внешнего генератора сигнала в качестве гетеродина

Рис. 2. Схема прибора для прослушки ультразвука с использованием внешнего генератора сигнала в качестве гетеродина.

Схему, безусловно, можно модифицировать. Например, генератор на микросхеме А1 типа 555 (так называемый интегральный таймер) можно заменить схемой мультивибратора на логической микросхеме, например, К561ЛА7, как показано на рисунке 3. Эта схема позволяет регулировать частоту плавно переменным резистором R2 от 25 кГц до 400-500 кГц.

Возможны и другие варианты схемы гетеродина. Микрофон М1, конечно же, желательно использовать специальный на ультразвуковой диапазон. Но, в отсутствии такового сойдет и высокочастотная динамическая головка.

Конечно, её чувствительность в качестве микрофона будет маловата, но вполне достаточна, если прослушивать сигнал на головные телефоны (В1).

Желательно микрофон снабдить параболическим рупором, чтобы можно было удобнее локализовать источник ультразвука. Следует принять во внимание, что используя в качестве микрофона высокочастотную динамическую головку, чувствительность будет снижаться тем более, чем выше частота ультразвука, который нужно прослушать.

Схема генератора сигнала на микросхеме К561ЛА7

Рис. 3. Схема генератора сигнала на микросхеме К561ЛА7.

Устройство было изготовлено с экспериментальными целями, поэтому собрано оно было на печатной макетной плате. Специальная печатная плата для него не разрабатывалась.

Принципиальная схема генератора ультразвукового акустического сигнала

Рис. 4. Принципиальная схема генератора ультразвукового акустического сигнала.

Какой-либо настройки не требуется, работает сразу же после включения. Для проверки был собран генератор ультразвука по схеме на рис. 4.

Как услышать ультразвук

Начинающим />Схемы начинающим />Как услышать ультразвук?

Как услышать ультразвук?

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна

Снегирев И.
Известно, что ультразвук оказывает определенное воздействие как на животных, так и на человека. Да, человек ультразвук не слышит. Но, когда вы находитесь рядом с мощным источником ультразвука острота вашего слуха снижается. Почему это происходит? Да потому что мы, люди, слышим ультразвук, просто не понимаем этого. И очень часто это оказывает на нас весьма негативное влияние. Длительное нахождение рядом с достаточно мощным источником ультразвука оказывает на человека почти такое же влияние, как и нахождение рядом с источником слышимого звука. Но, ультразвук мы вроде бы не слышим, и потому не понимаем почему голова болит и закладывает уши.
Для того чтобы зарегистрировать наличие ультразвука существуют различные акустические приборы, измеряющие его уровень, частоту и т.д. Но, хотелось бы его еще и услышать (вернее, осознать как звук). Сделать это можно с помощью прибора, который понизит частоту ультразвука, так как в приемнике прямого преобразования понижается частота радиосигнала до звуковой частоты.


Схема, показанная на рисунке, во многом напоминает схему приемника прямого преобразования, только вместо антенны на её входе включен микрофон. За неимением ультразвукового микрофона здесь используется обычный электретный микрофон типа МСЕ-2500 или аналогичный. Согласно тех.данным АЧХ этого микрофона практически линейна до 20 кГц. Далее что происходит с АЧХ в тех.данных не указывается. Как показали испытания (проведенные в радиолюбительских условиях, и потому не претендующие на исключительную точность), микрофон неплохо слышит аж до 70-100 кГц, но конечно его чувствительность с ростом частоты сильно снижается.
И так, схема показана на рисунке в тексте. Ультразвук воспринимается электретным микрофоном М1. Питание на него поступает через R6. Переменное напряжение с выхода микрофона через конденсатор С5 подается на двухкаскадный УНЧ на транзисторах VT1 и VT2. Здесь используются малошумящие транзисторы ВС550С. Основное усиление происходит в транзисторе VT1. Транзистор VT2 служит эмиттерным повторителем. С него переменное напряжение ультразвуковой частоты поступает на вход смесителя на основе микросхемы А1 типа SA612 (или NE612).
Микросхема SA612 представляет собой преобразователь частоты и широко применяется в разнообразной связной и радиоприемной технике. Здесь она тоже работает по прямому назначению, -преобразователь частоты.
Для того чтобы понизить частоту ультразвука, лежащего обычно по частоте от 22кГц до 100 кГц в слышимый звук, нужно соответственно, подать на смеситель частоту гетеродина, которая будет на 200-5000 Гц отличаться от частоты принимаемого ультразвука. То есть, желательно чтобы частоту гетеродина можно было оперативно регулировать от 10 до 100 кГц.
Схема гетеродина выполнена на цифровых микросхемах D1 и D2. На инверторах микросхемы D1 сделана схема генератора прямоугольных импульсов частоту которых можно регулировать переменным резистором R2 в пределах от 20 кГц до 200 кГц. Как известно, на выходе мультивибратора на логических элементах импульсы не симметричные, поэтому для придания им симметричной формы используется D-триггер на микросхеме D2, включенный в режиме одноразрядного двоичного счетчика. Он делит частоту входных импульсов, подаваемых на его вход «С» на два, но придает им строго симметричную форму. Таким образом, частота на выводе 1 D2 регулируется переменным резистором R2 в пределах от 10 кГц до 100 кГц.
Амплитуда этих импульсов понижается до необходимого для нормальной работы смесителя микросхемы А1, уровня делителем на резисторах R3 и R4.
На выходе смесителя, как обычно, есть суммарный и разностный сигнал. Суммарный подавляется как простейшим фильтром, состоящим из конденсатора С9, так и самим УНЧ, на который сигнал поступает с регулятора громкости R13, так и нашим слухом. Таким образом, в остатке остается разностный сигнал, который, при соответствующей установке частоты
гетеродина (резистором R2) и можно услышать вполне отчетливо. Например, можно услышать звук от кварцевого резонатора на 32768 Гц, работающего в электронных часах. Или звуки импульсных источников питания различной аппаратуры, а так же, весьма странные изменяющиеся звуки, происхождение которых мне кажется непонятным.
УНЧ желательно чтобы работал на наушники. Можно использовать любой УНЧ, на транзисторах или микросхеме, например, использовать в качестве УНЧ плату неисправного аудиоплеера (с точки входа телефонного УНЧ). Или УНЧ от слухового аппарата.
Детали. Конечно, лучше всего использовать специальный ультразвуковой электретный микрофон, если конечно есть возможность его приобрести. В противном случае — любой обычный электретный, но желательно меньшего диаметра (чтобы мембрана была более подвижной и могла лучше двигаться с большой частотой).
Транзисторы ВС550С можно заменить отечественными КТ3102Е.
Микросхему SA612 можно заменить на SA602 или NE612, NE602.
Цифровые микросхемы можно заменить отечественными аналогами К561ЛЕ1 или К561ТМ2. Впрочем, микросхему D1 можно заменить любой КМОП-микросхемой, у которой есть не менее трех инверторов, то есть это может быть и CD4011 (К561ЛА7) и CD4025 (К561ЛА9), CD4023 (К561ЛЕ10) или К561ЛН2.
Вполне возможно гетеродин вообще сделать по совсем другой схеме, например, по схеме генератора НЧ на операционном усилителе или транзисторах, на интегральном таймере 555, или другие варианты, важно чтобы можно было частоту регулировать в указанных пределах и импульсы были либо симметричные, либо неискаженный синус.
Так как устройство собиралось с чисто экспериментальными целями, плата для него не разрабатывалась, — так на «макетке» и работает.
РК 05-2015

Гетеродинный ультразвуковой детектор летучих мышей


Малый подковонос

В этом проекте описывается создание т.н. детектора летучих мышей – устройства, позволяющего слышать и записывать звуки, издаваемые летучими мышами. Вам, вероятно, известно, что летучие мыши испускают ультразвук для эхолокации. Частота этих звуков выходит за пределы воспринимаемого человеческим ухом диапазона, поэтому их нельзя услышать напрямую. Детектор летучих мышей использует особый микрофон, способный улавливать эти высокочастотные звуки и преобразовывать их в звук, попадающий в слышимый диапазон.

Типов детекторов летучих мышей существует три штуки. Для себя я сделал гетеродинный детектор. Его недостаток в том, что с его помощью сложнее различить различные виды летучих мышей, если сравнивать с записью высокочастотных звуков. Позднее я поясню, как работает гетеродинный детектор, а сначала давайте посмотрим на микрофон, необходимый для записи ультразвука.

При выборе микрофона сначала я рассматривал два варианта:
— электретный микрофон – все, что я нашёл, по документам работают только в диапазоне от 10 до 20 кГц, но если верить некоторым ресурсам, то некоторые их типы в некоторой степени воспринимают и ультразвук. Однако поскольку в их официальных описаниях этого не указано, потребовалось бы перебирать различные бренды методом проб и ошибок, и испытывать их. Поэтому я отказался от микрофонов такого типа.
— пьезоэлектрические датчики. Они, к примеру, встречаются в популярных ультразвуковых дальномерах HC-SR04, повсеместных и дешёвых. Минус их в том, что их чувствительность находится очень близко от резонансной частоты, где-то около 40 кГц. А при уходе от этой частоты чувствительность резко падает. Поэтому они тоже не подходят.

Вместо них я в итоге нашёл микрофон Knowles SPU0410LR5H, микрофон типа МЭМС. Согласно спецификации, у этого микрофона достаточно плоская кривая отклика на все частоты вплоть до 80 кГц, поэтому он очень хорошо подходит для данного проекта. Кроме того, у него есть внутренний предусилитель с высоким соотношением сигнал/шум. Основной минус этого микрофона – его корпус не предназначается для самодельных проектов. Он крохотный (3,76 × 3 мм!), а его контакты находятся внутри корпуса. Я поискал в интернете, и наткнулся на страничку пользователя hackaday.io Алана Грина, который также использовал данный микрофон в своём проекте. Он хорошо придумал сделать для этого микрофона специальную плату, благодаря чему его можно паять вручную. Суть в том, чтобы удлинить контактные площадки так, чтобы они торчали из компонента. Я воспользовался этой идеей и разработал небольшую плату для микрофона и двойного операционного усилителя. Последний даёт виртуальную землю (на половине напряжения питания), а также каскад усилителя на 20 дБ (то есть, в 10 раз). Сначала я скептически отнёсся к пайке этого микрофона вручную, однако всё сработало хорошо – все 6 плат, что я паял, удались. Я записал видео пайки для пояснений. Дизайн плат также выложен в открытый доступ.

Приступим к объяснению принципа работы гетеродинного детектора летучих мышей. Для начала рассмотрим сигналы, испускаемые мышами. Их можно смоделировать в виде сигнала с амплитудной модуляцией с ультразвуковой несущей частотой и огибающим сигналом, похожим на короткий «чирп»-сигнал (сигнал с линейной частотной модуляцией).

На диаграмме ультразвука несущая показана красным, огибающий чирп – зелёным, итоговая сумма – синим. Чтобы перевести сигнал в слышимый человеком диапазон, нужно преобразовать его так, чтобы сохранить огибающий (чирп), модулируя его несущим сигналом с меньшей частотой (к примеру, в диапазоне 1-5 кГц). Как этого добиться?

Чтобы понять, как это делается с математической точки зрения, воспользуемся известными тригонометрическими тождествами:

2sin(x)⋅sin(y)=cos(x−y)−cos(x+y)
2cos(x)⋅cos(y)=cos(x−y)+cos(x+y)
2sin(x)⋅cos(y)=sin(x−y)+sin(x+y)
2cos(x)⋅sin(y)=−sin(x−y)+sin(x+y)

Если принять нашу модель сигнала летучих мышей, его можно смоделировать следующим образом:

где частота ультразвуковой несущей – fc, а частота чирп-сигнала — fchirp. Для этого примера примем:

Применяя тригонометрические тождества, получим:

Модулируемый сигнал состоит из двух частот, симметрично расположенных вокруг несущей частоты, в данном примере на

40 кГц − 1 кГц = 39 кГц
40 кГц + 1 кГц = 41 кГц

Это нижняя LSB и верхняя USB боковая полоса частот:

Теперь мы можем использовать тот же принцип для преобразования мышиного сигнала к более низкой, слышимой частоте. Для этого надо умножить сигнал на частоту локального генератора LO – это разница между несущей частотой сигнала и нужной несущей частотой (в нашем случае – слышимой частотой, на которой мы бы хотели слышать крики летучих мышей). Эта техника называется гетеродинированием, В нашем примере допустим, что мы хотим слышать крики мышей на частоте 5 кГц, хорошо слышимой для людей. Тогда:

Собрав всё вместе, мы можем перезаписать члены уравнений при помощи тригонометрических тождеств:

(учитывая, что sin(−x) = −sin(x)),

Видно, что первый член, cos(2πftargett)⋅sin(2πfchirpt), – это именно то, что нам нужно, огибающая чирп-сигнала, модулированная слышимой частотой в 5 кГц. Второй член – снова чирп-сигнал, модулированный более высокой частотой, f2=fc+fLO, в данном случае – 75 кГц. Второй компонент находится далеко за пределами слышимого диапазона, и его легко отсечь фильтром высоких частот в схеме детектора летучих мышей.

Теперь, когда мы в теории представляем, как принцип гетеродирования можно использовать для сборки детектора летучих мышей – как нам реализовать его на практике? Главное – это умножение входящего сигнала на LO-сигнал, что в практической электронике не так-то легко сделать. Существуют схемы для аналогового умножения (к примеру, ячейка Гилберта), и мы можем использовать подходящую ИС (типа NE612) совместно с генератором синусоиды (к примеру, генератор с мостом Вина). Однако такое решение будет сложным, а ИС для аналогового умножения типа NE612 или похожих редкие и дорогие.

Оказывается, существует вариант проще, и его можно собрать из распространённых стандартных компонентов. Мы можем собрать смеситель частот с аналоговым переключением. Хотя это не идеальный смеситель, поскольку он на самом деле не перемножает оба сигнала, мы скоро увидим, что он всё равно работает достаточно хорошо.

А пока давайте посмотрим на схемы, и попытаемся разобраться, как это работает.

Слева на схеме выход микрофона подаётся на высокочастотный LC фильтр второго порядка, убирающий слышимые частоты ниже 20 кГц, и пропускающий только ультразвук (поскольку это-то нам и нужно). Резистор R1, параллельный индуктору, обязателен – он гасит резонанс.

После высокочастотного фильтра сигнал приходит на два каскада операционных усилителей, с коэффициентами 1 и -1 (т.е. инвертирует сигнал). Теперь у нас есть как сигнал от мыши, так и его инвертированный двойник.

Слева внизу на схеме можно узнать бистабильный мультивибратор со знаменитой ИС 555. Потенциометром P1 можно контролировать всю цепь и создавать квадратную волну с рабочим циклом в

50% и переменной частотой от 20 кГц до 400 кГц. В нашем случае это будет сигнал локального осциллятора LO, но в отличие от нашей математической модели эта волна квадратная, а не синусоидальная. LO-сигнал приходит на инвертирующий каскад, состоящий из аналогового ключа U3D и резистора R6. Здесь аналоговый ключ используется в качестве цифрового инвертера, и поскольку у ИС CD4066 есть 4 аналоговых ключа, у нас есть два запасных, один из которых можно использовать в качестве инвертера, и сэкономить на компонентах. Работает это просто: если сигнал LO низкий, ключ открыт, и R6 притягивает выходной сигнал с ключа вверх. Если сигнал высокий, ключ закрыт, и выход с ключа соединяется с землёй. Так и получается инвертированный сигнал .

Теперь посмотрим на часть схемы, обозначенную balanced mixer [«балансный смеситель»]. Неинвертированный мышиный сигнал подаётся на аналоговый ключ, который контролирует сигнал LO. Инвертированный сигнал подаётся на другой ключ, который контролирует сигнал . Выходы ключей соединены. Что же делает эта часть схемы?

Давайте рассмотрим случай, когда LO-сигнал 0 (низкий), и, следовательно, сигнал 1 (высокий). В данном случае нижний ключ U3B закрыт, а верхний U3A – открыт. Следовательно, проходит инвертированный мышиный сигнал. В обратном случае, когда LO-сигнал 1 (высокий), и, следовательно, сигнал 0 (низкий)., нижний ключ U3B открыт, а верхний U3A закрыт. Тогда проходит неинвертированный сигнал. Вспомним, что это переключение происходит с частотой fLO, определяемой контуром таймера 555.

Можно ли смоделировать это поведение математически? По сути, эта схема смесителя умножает сигнал на квадратную волну, переключающуюся между +1 и -1. Это эквивалентно переключению выходного сигнала между инвертированным и неинвертированным. Такую волну (назовём её r(t)) можно описать т.н. сигнум-функцией sign(x):

Поэтому на выходе смесителя получим произведение bat(t)⋅r(t). Само по себе это пока ничего не объясняет – чтобы понять, как происходит смешение частот, нам нужно применить математическую магию под названием разложение рядов Фурье. Избавлю вас от вывода и дам вам сразу результат. По сути, при использовании рядов Фурье можно показать, что:

Так что наша квадратная волна +1/-1 состоит из бесконечного множества синусоид с основной частотой fLO и её нечётными множителями. Что из этого следует? Если проигнорировать константу 4/π, видно, что r(t) является суммой LO(t) и других дополнительных более высоких частот LO3(t), LO5(t), и так далее. Из предыдущих подсчётов мы показали, что:

Поэтому можно подсчитать, что:

Мы снова видим, что первый член 2/π cos(2πftargett)⋅sin(2π fchirpt) – это то, что нам нужно, однако с нашим неидеальным смесителем с аналоговым переключением мы получаем кучу других ненужных членов. Однако все эти ненужные частотные компоненты имеют гораздо большие частоты, чем наша целевая ftarget. Поэтому мы можем использовать фильтр высоких частот, чтобы устранить эти компоненты, и получить итоговый сигнал приблизительно равный 2/π cos(2π ftargett)⋅sin(2π fchirpt).

Если мы вернёмся к схеме, то там выход со смесителя приходит на буферный каскад, а потом в низкочастотный RC-фильтр с частотой сопряжения в

7 кГц. Последний усиливающий каскад даёт подстраиваемый коэффициент и служит драйвером выхода (к примеру, наушников).

Чтобы лучше понять, как работает смешивание частот, я сделал симулятор схемы на LTSpice. Можете скачать файлы для симуляции и поиграться с ними.

Пара замечаний по поводу компонентов. Я хотел, чтобы вся схема питалась с одной литий-ионной батарейки, поскольку у меня их куча, добытая из старых телефонов и т.п. Поэтому вся схема должна работать с питанием от 3 до 4 В. Следовательно, таймер 555 и аналоговый ключ 4066 нужно выбирать в виде КМОП – они уже работают на 3 В. Я использовал CD4066B и ILC555. Счетверённый операционный усилитель тоже должен работать на низком напряжении; я выбрал MCP6004, которым часто пользуюсь.

Я не стал разводить плату, а спаял всё на макетке. Если захотите сделать своё устройство с платой, скачайте схему для KiCAD. Корпус для устройства и ручки для регулировки громкости и частоты я распечатал на 3D-принтере. Питание включается автоматически, если вставить наушники в разъём. Загорающийся красный светодиод сигнализирует о включении. Плата микрофона расположена внутри корпуса за небольшим отверстием (на фото справа).

Для калибровки шкалы частот я проверил выходной сигнал 555 на осциллографе и отметил частоты на корпусе. Потом я нарисовал шкалу на компьютере и распечатал.

И вот то, чего мы все ждали. Как звучит крик летучих мышей на детекторе? Предлагаю вам запись одного фрагмента, который я записал около 10 вечера, когда увидел ЛМ, летящую рядом с фонарём в парке. Частота подстроена до 40-45 кГц.

Для записи звука я держал свой смартфон рядом с наушниками детектора, однако это казалось очень глупым, поэтому я решил поискать вариант получше. Оказалось, что у большинства смартфонов в разъёме для наушников есть микрофонный вход – достаточно лишь использовать штырёк на 3,5 мм с 4 контактами. Поэтому я разработал адаптер, который позволяет подключать детектор к микрофонному входу смартфона, а наушники – к выходу смартфона на наушники. Чтобы смартфон распознал, что в него воткнут микрофон, нужен резистор на 2,2 кОм, а для развязки сигнала – конденсатор на 3,3 мкФ.

Ещё мне пришлось поискать приложение, умеющее одновременно записывать и проигрывать звук, чтобы я мог слушать записываемые звуки в реальном времени. Меня устроило приложение RecForge II, хотя, наверное, есть и другие.

Если вы захотите сами собрать гетеродинный детектор ЛМ, и вам понадобится готовый ультразвуковой МЭМС-микрофон на плате, его можно найти здесь:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.