CC BY
30
УДК 534.864
ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАПРАВЛЕННОГО ЗВУКА А. С. Ишков1, М. К. Маркелов2, Н. А. Борисов3, Д. А. Новичков4
1,2,3,4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1ishkovanton@mail.ru 2maxkoma@yandex.ru 3andrey.bor975@mail.ru 4dimulya.novichkov.oo@mail.ru
Аннотация. Представлены анализ методов создания направленного звука и разработка на его основе электронного блока формирования персонального аудиопотока с регулируемой громкостью. Предложен принцип работы такого блока, разработаны его структурная и функциональная схемы.
Ключевые слова: акустический сигнал, направленный звук, аудиопоток, динамик
Для цитирования: Ишков А. С., Маркелов М. К., Борисов Н. А., Новичков Д. А. Электронный блок для создания направленного звука // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 2. С. 85-90.
Введение
В современном мире каждый производитель находится в постоянном поиске новых средств стимулирования активности потребителей. Новым, интересным и очень эффективным решением является применение систем направленного звука. Суть технологии заключается в том, что звук распространяется в нужном направлении, демонстрируя при этом хорошую разборчивость, что позволяет создавать звук только в определенной точке пространства, при этом в остальных его местах будет тишина. Основная характеристика данного решения - локализованность. Это означает, что звук слышен только в конкретном месте, исключается влияние других внешних источников. Система может настраиваться в зависимости от типа, зашумленности, размерных и функциональных характеристик помещения, с целью воспроизведения максимальной четкости звука независимо от вида аудиоконтента.
Направленный звук является отличным рекламным ходом - вас слышат потенциальные клиенты, но нет зашумления окружающего пространства. Реклама с использованием системы направленного звука привлекает особое внимание и поможет выбрать конкретный товар. Попадая в зону направленного звука, внимание покупателя к рекламируемому продукту увеличивается в несколько раз. Создаваемый эффект всегда производит впечатление, создает необходимое настроение и не даст пройти мимо стойки с продукцией.
Системы направленного звука - это идеальное решение для проведения промоак-ций в торговом зале, увеличения числа посещений в выставочных и торговых центрах, музеях, банковских отделениях, медицинских учреждениях и других общественных местах. Интересным решением использования таких систем является использование полицейскими, когда появляется возможность адресного обращения к одному или нескольким нарушителям спокойствия в бунтующей толпе.
© Ишков А. С., Маркелов М. К., Борисов Н. А., Новичков Д. А., 2022
85
Военные США используют направленные динамики с 2004 г. Используемая ими система называется LRAD (акустическое устройство дальнего действия) и состоит из гигантских плоских громкоговорителей, установленных на борту кораблей, чтобы они могли посылать громкие звуковые предупреждения судам при потенциальной опасности, дальность действия более 500 м (треть мили) [1]. Это особенно полезно на громких и шумных авианосцах, где любой обычный громкоговоритель будет заглушен фоновым шумом от реактивных самолетов и вертолетов.
Основная часть
Системы направленного звука - это устройства, позволяющие передавать звуковые сигналы только в определенные точки пространства, избегая проблем его шумового загрязнения. Такие технологии используются, например, в музеях в качестве звуковой информационной поддержки. Благодаря им, подходя к стенду, вы можете услышать информацию про конкретный интересующий вас экспонат. Другие посетители, находящиеся в этот момент в зале, данную информацию не услышат. Это помогает избегать появления беспорядочного шума в помещении [2].
Появление на дорогах электромобилей и гибридных электромобилей из-за их малого шума может представлять потенциальную опасность для таких участников движения, как пешеходов и велосипедистов.
По сравнению с двигателем внутреннего сгорания электрический двигатель производит низкий уровень шума при работе. Двигатель внутреннего сгорания - основной источник шума при скорости примерно 30 км/ч и ниже. Таким образом, электромобили сравнительно тихие на низких скоростях, а это означает, что они передают мало слуховых предупреждений об их присутствии и направлении движения [3].
Эта проблема безопасности может быть решена использованием искусственных предупреждающих звуков, которые будут указывать на скорость электромобиля и ускорение. Эта информация важна для уязвимых участников дорожного движения, но особенно для слабовидящих.
С целью минимизации загрязнения звуковой среды может использоваться система направленного звука, фокусируя излучаемое звуковое поле в направлении движения транспортных средств или отдельных уязвимых участников дорожного движения и минимизируя его выход во всех других направлениях. Это дает возможность обеспечить достаточное звуковое предупреждение и сведение к минимуму шумового загрязнения.
Еще одно важное применение направленные звуковые системы могут найти в социально значимых учреждениях и на городских улицах, чтобы облегчить жизнь некоторым группам людей, например, слепых и слабовидящих. Уже существуют различные звуковые метки для слабовидящих, и такая технология может значительно повысить их эффективность, посылая направленные звуковые оповещения о препятствиях непосредственно в уши слабовидящих, помогая им лучше ориентироваться в пространстве [2].
В настоящее время существуют несколько технологий, обеспечивающих направленность звука. Рассмотрим три примера таких технологий.
Одна из таких технологий предполагает создание звука за счет колебаний электромеханической пленки EMFi (Electromechanical film) в воздушной полости между воздухо-проводящими статорами. Вышеуказанная пленка - это тонкая гибкая пленка, которая может функционировать как датчик или привод. Она состоит из заряженного полимера, покрытого двумя проводящими слоями, что делает его электретом. Пустотная внутренняя структура и высокое удельное сопротивление EMFi позволяют ей удерживать высо-
кий электрический заряд и делают пленку очень чувствительной к силе звукового давления.
Другая технология предполагает использование ультразвуковых волн. Передаваемый звук находится в ультразвуковом диапазоне частот (40-80 кГц). Человеческое ухо способно уловить звук с частотой до 20 кГц. По мере того, как ультразвуковая волна распространяется в пространстве, на нее воздействует окружающая воздушная среда, возникают нелинейные эффекты, приводящие к проявлению слышимых частот, «встроенных» в ультразвуковые импульсы. Таким образом, звук генерируется не динамиком, а непосредственно в воздухе. Аналогичные принципы используются в некоторых типах слуховых аппаратов. Ультразвук используется для передачи высококачественного неслышимого звука непосредственно в слуховой проход человека, и демодуляция происходит внутри его внутреннего уха, создавая звук, который может слышать только он.
Еще одна технология позволяет объединять множество компактных динамиков в одну матрицу, звук от которых объединяется в одну волну, сосредоточенную в единственной точке.
Проведенный авторами анализ существующих в настоящее время технологий и устройств, их реализующих, показал, что более перспективны системы с использованием ультразвука.
Процесс, с помощью которого две ультразвуковые волны смешиваются вместе, технически называется параметрическим взаимодействием, а динамики, работающие на модулированных ультразвуковых сигналах, принято тоже называть параметрическими.
Направленная передача звуковых волн с помощью ультразвука возникла в середине XVIII в. Вестервельт первым предложил теорию направленного звука в 1962 г., в котором нелинейные эффекты воздуха используются для создания направленного звука. С развитием исследований звуковых волн и прорывом в исследованиях и разработках сопутствующего оборудования подробное рассмотрение направленного прохождения звуковых волн становится все более актуальным [4].
Алгоритм работы системы направленного звука заключается в следующем:
1. Пьезоэлектрические преобразователи (на рис. 1 показаны серыми кружками) в направленном громкоговорителе производят две ультразвуковые волны (красную и синюю, на рис. 1 обозначены цифрой 1) при очень высоких частотах, поэтому на этом этапе их нельзя услышать. Преобразователи излучают волны в сфокусированном направлении, как свет в луче фонарика. Волны модулируются (как радиоволны) и распространяются как одна волна, но для лучшего понимания протекающего процесса проще всего представить их как две совершенно разные волны.
2. Когда две волны сталкиваются с чем-то или кем-то, они замедляются и демоду-лируются, создавая новую волну (зеленую, на рис. 1 обозначена цифрой 2), частота которой намного ниже и равна разнице частот между двумя исходными волнами. Полученная в результате демодуляции волна является слышимой.
3. Если испускаемая высокочастотная волна не встречает на своем пути преград (на рис. 1 обозначено цифрой 3), то процесс демодуляции не происходит, и вы ничего не услышите.
4. Люди, стоящие за пределами луча, ничего не слышат (на рис. 1 обозначено цифрой 4), потому что (в отличие от обычного громкоговорителя) данный вид звуковых волн не расходится от источника звука, а является сфокусированным в одном направлении.
На рис. 2 представлена разработанная авторами структурная схема электронного блока для создания направленного звука с использованием ультразвука.
Рис. 1. Алгоритм работы направленного динамика
Гэнератор ультразвука
Источник аудиосигнала \ / Процессор аудиосигнала
Л
Датчик движения \ / Формирователь управляющего сигнала \ / Блок управления
м/
->
Ультразвуковой излучатель 1
Ультразвуковой излучатель 2
Модулятор
м/
Усилитель мощности
-)
Ультразвуковой излучатель N
Матрица \ параметрических динамиков
Рис. 2. Структурная схема электронного блока для создания направленного звука
Принцип работы блока заключается в следующем. Исходный аудиосигнал обрабатывается процессором. Полученный после обработки сигнал поступает в модулятор, где перемножается с гармоническим сигналом ультразвуковой частоты, т.е. происходит амплитудная модуляция высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал усиливается усилителем мощности и поступает на матрицу параметрических динамиков (пьезоизлу-чателей). По мере распространения в пространстве из-за влияния воздуха ультразвуковая волна «искажается». Происходит восстановление формы исходного слышимого звукового сигнала. Блок управления служит для функционального управления устройством.
В состав разработанного устройства входит датчик движения, который отслеживает положение пользователя. Датчик реагирует на движения слушателя, передает сигнал
блоку управления, который включает звуковой поток, если человек попадает в зону направленности звукового луча. Источником аудиосигнала может быть как оцифрованный и записанный на цифровом носителе аудиосигнал, так и непосредственно голосовые сигналы от человека, преобразованные в код с помощью аудиотракта.
На основе структурной схемы была разработана функциональная схема блока формирования направленного звука, которая представлена на рис. 3.
Как было отмечено выше, аудиосигнал может быть записан заранее либо поступает непосредственно с микрофона. В последнем случае аудиосигнал обрабатывается от влияния окружающих шумов. Для этого в устройство введены два микрофона. Один микрофон служит для преобразования аудиосигнала, второй - для регистрации окружающего шума. Выходные сигналы микрофонов поступают на нормирующий усилитель, реализованный по схеме Noise Gate («антизвук»). Выходной сигнал усилителя поступает на полосовой фильтр с полосой пропускания, соответствующей диапазону частот, слышимых человеком. После этого сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, выходной код которого поступает на сигнальный процессор CPU2, обрабатывающий полученные данные. Оцифрованный обработанный звуковой сигнал преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя и перемножается с сигналом ультразвуковой частоты. Далее сигнал усиливается усилителем мощности и передается на пьезоизлучатели, преобразующие электрический сигнал в ультразвуковой сигнал, не слышимый человеком. Поскольку длина волны ультразвуковой частоты мала, порядка миллиметров, и угол луча также мал, поэтому звуковой луч будет узким с небольшой дисперсией. Когда неслышимые ультразвуковые импульсы направляются в воздух, он самопроизвольно преобразует неслышимый ультразвук в слышимые звуковые тона, т.е. звук генерируется непосредственно в воздухе.
Датчик положения реализован в пирометрическом модуле, реагирующем на изменение инфракрасного излучения (ИК-излучение). Если датчик положения обнаружит изменение ИК-излучения и если это будет интерпретировано как движение, то на его выходе установится низкий уровень сигнала. Выходной сигнал датчика положения поступает на микропроцессор CPU1, управляющий работой разработанного устройства.
Заключение
Разработанный электронный блок для формирования направленного звука может найти применение в условиях, для которых важна избирательная звукопередача, -
музеи, культурные и выставочные пространства, банковские отделения и медицинские учреждения.
Использование данного блока перспективно при разгоне несанкционированных митингов, так как появляется возможность адресного обращения к одному или нескольким нарушителям спокойствия в бунтующей толпе.
Список литературы
1. Defence update // Long Range Acoustic Device - LRAD. URL: https://defense-update.com (дата обращения: 19.04.2022).
2. Жигунов Д. Г., Гилязитдинов Д. Н. Перспективы применения систем направленного звука для людей с ограниченными возможностями // Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки : материалы Всерос. конф. с междунар. участием (Москва, 1-5 февраля 2019 г.). М. : Перо, 2019. С. 157-158.
3. Koumoutos N., Cheer J. Investigation of a directional warning sound system for electric vehicles based on structural vibration / / The Journal of the Acoustical Society of America. 2020. № 148. Р. 588 (дата обращения: 20.04.2022).
4. Sound Tube купольные динамики направленного звука. URL: http://sound-tube.ru (дата обращения: 20.04.2022).
Информация об авторах
Ишков Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет
Маркелов Максим Константинович, старший преподаватель кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет
Борисов Никита Андреевич, студент, Пензенский государственный университет Новичков Дмитрий Александрович, студент, Пензенский государственный университет
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
