Звук от ультразвука - Sound from ultrasound

Звук от ультразвука это название, данное здесь генерации слышимого звука из модулированный ультразвук без использования активный приемник. Это происходит, когда модулированный ультразвук проходит через нелинейный среда, которая преднамеренно или непреднамеренно действует как демодулятор.

Параметрический массив

С начала 1960-х годов исследователи экспериментировали с созданием направленного низкочастотного звука за счет нелинейного взаимодействия направленного луча УЗИ волны, создаваемые параметрический массив с помощью гетеродинирование. Ультразвук имеет гораздо более короткие длины волн, чем слышимый звук, поэтому он распространяется гораздо более узким лучом, чем любая обычная акустическая система, использующая звуковые частоты. Большая часть работ выполнялась в жидкостях (для использования под водой).

Первое современное устройство для использования акустики воздуха было создано в 1998 г.^[1] и теперь известен товарный знак название "Audio Spotlight", термин, впервые введенный в 1983 г. японскими исследователями^[2] кто отказался от этой технологии как неосуществимой в середине 1980-х.

Преобразователь может излучать узкий луч модулированный ультразвук это достаточно мощный, от 100 до 110дБSPL, чтобы существенно изменить скорость звука в воздухе, через который он проходит. Воздух внутри луча ведет себя нелинейно и извлекает сигнал модуляции из ультразвука, в результате чего звук можно услышать только на пути луча или который, кажется, исходит от любой поверхности, на которую падает луч. Эта технология позволяет проецировать звуковой луч на большое расстояние, чтобы его можно было услышать только в небольшой четко определенной области;^[3] для слушателя вне луча Звуковое давление существенно уменьшается. Этого эффекта нельзя достичь с помощью обычных громкоговорителей, потому что звук на слышимых частотах не может быть сфокусирован в такой узкий луч.^[3]

У этого подхода есть некоторые ограничения. Все, что прерывает луч, будет препятствовать распространению ультразвука, как, например, прерывание луча прожектора. По этой причине большинство систем монтируются над головой, как и освещение.

Приложения

Коммерческая реклама

Звуковой сигнал может быть направлен так, чтобы его мог услышать только конкретный прохожий или кто-то очень близкий. В коммерческих приложениях он может направлять звук на одного человека без периферийного звука и связанного с ним шума громкоговорителя.

Персональный звук

Его можно использовать для персонального аудио, чтобы звуки были слышны только одному человеку, или то, что группа хочет слушать. Например, инструкции по навигации интересны только водителю в автомобиле, а не пассажирам. Другая возможность - это будущие приложения для истинного стереозвука, когда одно ухо не слышит того, что слышит другое.^[4]

Устройство сигнализации поезда

Направленная звуковая сигнализация поезда может быть достигнута с помощью ультразвукового луча, который будет предупреждать о приближении поезда, избегая при этом неприятных громких сигналов поезда на окружающие дома и предприятия.^[5]

История

Эта технология была первоначально разработана ВМС США и Советский флот для подводного сонар в середине 1960-х и был кратко исследован японскими исследователями в начале 1980-х, но от этих усилий отказались из-за крайне низкого качества звука (высокие искажения) и значительной стоимости системы. Эти проблемы оставались нерешенными до тех пор, пока доктор Ф. Джозеф Помпеи не опубликовал статью. Массачусетский Институт Технологий в 1998 году^[1] полностью описал работающее устройство, которое существенно снижает звуковые искажения по сравнению с традиционным громкоговорителем.

Товары

По состоянию на 2014 г.^{[Обновить]} было известно, что на рынке было пять устройств, использующих УЗИ для создания слышимого звукового луча.

Audio Spotlight

Ф. Джозеф Помпеи из Массачусетский технологический институт разработанная технология, которую он называет «Audio Spotlight»,^[6] и сделал его коммерчески доступным в 2000 году своей компанией Голосоника, которая, согласно их веб-сайту, утверждает, что продала «тысячи» своих систем «Audio Spotlight». Дисней была одной из первых крупных корпораций, принявших его для использования на Центр Эпкот, и многие другие примеры приложений показаны на сайте Holosonics.^[7]

Audio Spotlight - это узкий луч звука, которым можно управлять с такой же точностью, что и свет от прожектора. Он использует луч ультразвука в качестве «виртуального источника звука», позволяя контролировать распространение звука. Ультразвук имеет длины волн всего несколько миллиметров, которые намного меньше, чем источник, и поэтому естественно распространяется в очень узком луче. который содержит частоты далеко за пределами диапазона человеческого слуха, полностью не слышен. Но когда ультразвуковой луч проходит по воздуху, внутренние свойства воздуха заставляют ультразвук изменять форму предсказуемым образом. Это приводит к появлению частотных составляющих в слышимой полосе частот, которые можно прогнозировать и контролировать.

Гиперзвуковой звук

Элвуд «Вуди» Норрис, основатель и председатель Американская технологическая корпорация (ATC) объявил, что в 1996 году успешно создал устройство, обеспечивающее передачу звука ультразвуком.^[8] Это устройство использовалось пьезоэлектрические преобразователи послать две ультразвуковые волны разной частоты к точке, создавая иллюзию, что слышимый звук из их интерференционной картины исходит из этой точки.^[9] ATC назвала свое устройство и зарегистрировала его товарный знак как «HyperSonic Sound» (HSS). В декабре 1997 года HSS был одним из пунктов в выпуске журнала Best of What's New. Популярная наука.^[10] В декабре 2002 г. Популярная наука назвал HyperSonic Sound лучшим изобретением 2002 года.^{[нужна цитата ]} Норрис получил 2005 Премия Лемельсона-Массачусетского технологического института за изобретение «гиперзвукового звука».^[11] ATC (теперь именуемая LRAD Corporation) передала технологию Parametric Sound Corporation в сентябре 2010 года, чтобы сосредоточиться на своих продуктах Long Range Acoustic Device (LRAD ), согласно их ежеквартальным отчетам, пресс-релизам и исполнительным заявлениям.^[12][13]

Mitsubishi Electric Engineering Corporation

Mitsubishi очевидно предлагает звук от ультразвукового продукта под названием "MSP-50E"^[14] но коммерческая доступность не подтверждена.

AudioBeam

Немецкая аудиокомпания Sennheiser Electronic однажды выставили на продажу свой продукт "AudioBeam" примерно за 4500 долларов.^[15] Нет никаких указаний на то, что продукт использовался в каких-либо общедоступных приложениях. Продукт был снят с производства.^[16]

Литературное исследование

Первые экспериментальные системы были созданы более 30 лет назад, хотя эти первые версии воспроизводили только простые звуки. Лишь намного позже (см. Выше) системы были созданы для практического прослушивания.

Экспериментальная ультразвуковая нелинейная акустика

Здесь будет представлено хронологическое резюме экспериментальных подходов, предпринятых для исследования систем Audio Spotlight в прошлом. На рубеже тысячелетий рабочие версии Audio Spotlight, способные воспроизводить речь и музыку, можно было купить у Holosonics, компании, основанной на работе доктора Помпеи в Массачусетский технологический институт Медиа-лаборатория.^[17]

Связанные темы были исследованы почти 40 лет назад в контексте подводной акустики.

1. Первая статья^[18] состояла из теоретической формулировки угла половинного давления демодулированного сигнала.
2. Вторая статья^[19] предоставили экспериментальное сравнение с теоретическими предсказаниями.

Обе статьи были поддержаны Управлением военно-морских исследований США, в частности, в связи с использованием этого явления для импульсов подводного сонара. Целью этих систем была невысокая направленность. как таковой, но более высокая полезная полоса пропускания обычно ограниченного по полосе пропускания преобразователя.

В 1970-х годах наблюдалась некоторая активность в экспериментальных бортовых системах, как в воздухе.^[20] и под водой.^[21] При поддержке Управления военно-морских исследований США основной целью подводных экспериментов было определение ограничений по дальности распространения гидроакустических импульсов из-за нелинейных искажений. Воздушные эксперименты были направлены на регистрацию количественных данных о направленности и потерях при распространении как ультразвуковой несущей, так и демодулированных волн, а не на развитие способности воспроизводить звуковой сигнал.

В 1983 году к этой идее снова вернулись экспериментально.^[2] но на этот раз с твердым намерением проанализировать использование системы в воздухе, чтобы сформировать более сложный сигнал основной полосы частот с высокой направленностью. Обработка сигнала, используемая для достижения этого, была простой DSB-AM без предварительной компенсации, и из-за отсутствия предварительной компенсации, применяемой к входному сигналу, THD Общее гармоническое искажение уровни этой системы, вероятно, были бы удовлетворительными для воспроизведения речи, но недопустимыми для воспроизведения музыки. Интересная особенность экспериментальной установки, использованной в^[2] Было использовано 547 ультразвуковых преобразователей для создания источника ультразвукового звука 40 кГц мощностью более 130 дБ на расстоянии 4 м, что потребовало значительных мер безопасности.^[22][23] Несмотря на то, что этот эксперимент ясно продемонстрировал возможность воспроизведения аудиосигналов с помощью ультразвуковой системы, он также показал, что система страдала от сильных искажений, особенно когда не использовалась предварительная компенсация.

Теоретическая ультразвуковая нелинейная акустика

Уравнения, управляющие нелинейной акустикой, довольно сложны.^[24][25] и, к сожалению, у них нет общих аналитических решений. Обычно они требуют использования компьютерного моделирования.^[26] Однако еще в 1965 г. Берктай провел анализ^[27] при некоторых упрощающих предположениях, которые позволили записать демодулированный УЗД в терминах амплитудно-модулированного давления ультразвуковой несущей волны P_c и различные физические параметры. Обратите внимание на то, что процесс демодуляции имеет очень большие потери, с минимальными потерями порядка 60 дБ от ультразвукового уровня звукового давления до звукового волнового уровня звукового давления. Схема предварительной компенсации может быть основана на выражении Берктая, показанном в уравнении 1, путем извлечения квадратного корня из огибающей E сигнала основной полосы частот и последующего двойного интегрирования для инвертирования эффекта двойной частной производной по времени. Аналоговые электронные схемы, эквивалентные функции извлечения квадратного корня, представляют собой просто операционный усилитель с обратной связью, а эквалайзер аналогичен функции интегрирования. Однако эти тематические области выходят за рамки этого проекта.

${displaystyle p_ {2} (x, t) = Kcdot P_ {c} ^ {2} cdot {frac {partial ^ {2}} {partial t ^ {2}}} E ^ {2} (x, t) }$

куда

• ${displaystyle p_ {2} (x, t) =,}$ Звуковая вторичная волна давления
• ${displaystyle K =,}$ разное физические параметры
• ${displaystyle P_ {c} =,}$ SPL ультразвуковой несущей волны
• ${displaystyle E (x, t) =,}$ Функция конверта (например, DSB-AM)

Это уравнение говорит, что слышимая демодулированная ультразвуковая волна давления (выходной сигнал) пропорциональна дважды дифференцированной квадратичной версии функции огибающей (входной сигнал). Предварительная компенсация относится к уловке, заключающейся в предвидении этих преобразований и применении обратных преобразований к входным данным в надежде, что выходные данные будут ближе к нетрансформированным входным данным.

К 1990-м годам было хорошо известно, что Audio Spotlight может работать, но страдает от сильных искажений. Было также известно, что схемы предварительной компенсации предъявляют дополнительные требования к частотной характеристике ультразвуковых преобразователей. Фактически, преобразователи должны были соответствовать требованиям цифровой предварительной компенсации, а именно более широкой частотной характеристике. В 1998 году было количественно оценено отрицательное влияние на THD недостаточно широкой частотной характеристики ультразвуковых преобразователей.^[28] с компьютерным моделированием с использованием схемы предварительной компенсации, основанной на выражении Берктая. В статье Помпеи 1999 г.^[17] обсудили, как новый прототип преобразователя отвечает повышенным требованиям к частотной характеристике, предъявляемым к ультразвуковым преобразователям с помощью схемы предварительной компенсации, которая снова была основана на выражении Берктая. Вдобавок впечатляющее снижение THD выходного сигнала при использовании схемы предварительной компенсации было показано на графике в сравнении со случаем без предварительной компенсации.

Подводя итог, можно сказать, что технология, возникшая 40 лет назад с помощью подводного эхолота, была использована для воспроизведения слышимого звука в воздухе с помощью бумаги и устройства Помпея, которые, согласно его статье AES (1998), продемонстрировали, что искажения были уменьшены до сопоставимых уровней. к традиционным акустическим системам.

Схема модуляции

Эта секция нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. (Декабрь 2013) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Нелинейное взаимодействие смешивает ультразвуковые тона в воздухе, чтобы произвести суммарную и разностную частоты. А DSB-AM Схема модуляции с достаточно большим смещением постоянного тока основной полосы частот для создания демодулирующего тона, наложенного на модулированный звуковой спектр, является одним из способов генерации сигнала, который кодирует желаемый звуковой спектр основной полосы частот. Этот метод страдает чрезвычайно сильными искажениями, поскольку мешает не только демодулирующий тон, но и все другие присутствующие частоты. Модулированный спектр сворачивается сам с собой, удваивая его полосу пропускания на свойство длины свертка. Искажение основной полосы частот в полосе частот исходного звукового спектра обратно пропорционально величине смещения постоянного тока (тон демодуляции), наложенного на сигнал. Чем больше тон, тем меньше искажение.

Дальнейшее искажение вносится свойством дифференцирования второго порядка процесса демодуляции. В результате полезный сигнал умножается на функцию -ω² по частоте. Это искажение можно выровнять с помощью фильтрации с предварительным выделением (увеличения амплитуды высокочастотного сигнала).

Тем временем свертка собственность преобразование Фурье, умножение во временной области - это свертка в частотной области. Свертка между сигналом основной полосы частот и чистой несущей частотой с единичным усилением сдвигает спектр основной полосы частот по частоте и уменьшает его величину вдвое, хотя энергия не теряется. По одной полумасштабной копии реплики находится на каждой половине оси частот. Это согласуется с теоремой Парсеваля.

Глубина модуляции м - удобный экспериментальный параметр при оценке полного гармонического искажения демодулированного сигнала. Он обратно пропорционален величине смещения постоянного тока. THD увеличивается пропорционально м₁².

Эти искажающие эффекты можно лучше смягчить с помощью другой схемы модуляции, которая использует преимущества устройства дифференциального возведения в квадрат нелинейного акустического эффекта. Модуляция второго интеграла квадратного корня желаемого звукового сигнала основной полосы частот без добавления смещения постоянного тока приводит к свертке по частоте модулированного спектра квадратного корня, половине ширины полосы исходного сигнала, с самим собой из-за нелинейного канала последствия. Эта свертка по частоте является умножением во времени сигнала на себя или возведением в квадрат. Это снова удваивает полосу пропускания спектра, воспроизводя второй временной интеграл входного звукового спектра. Двойное интегрирование корректирует фильтрующую характеристику -ω², связанную с нелинейным акустическим эффектом. Это восстанавливает масштабированный исходный спектр в основной полосе частот.

Процесс гармонического искажения связан с высокочастотными копиями, связанными с каждой возведением в квадрат демодуляции для любой схемы модуляции. Они итеративно демодулируют и самомодулируют, добавляя спектрально размазанную и экспоненциальную по времени копию исходного сигнала к основной полосе частот и удваивая исходную центральную частоту каждый раз, причем одна итерация соответствует одному проходу пространства между излучателем и целью. Только звук с параллельными коллинеарными векторами фазовой скорости мешает возникновению этого нелинейного эффекта. Итерации с четными номерами производят свои продукты модуляции, основную полосу частот и высокую частоту, как отраженные излучения от цели. Итерации с нечетными номерами производят свои продукты модуляции как отраженные излучения от излучателя.

Этот эффект все еще сохраняется, когда излучатель и отражатель не параллельны, хотя из-за эффектов дифракции продукты основной полосы частот каждой итерации будут каждый раз происходить из разных мест, причем исходное местоположение соответствует пути отраженной высокочастотной самомодуляции. товары.

Эти гармонические копии в значительной степени ослабляются естественными потерями на этих более высоких частотах при распространении по воздуху.

Затухание ультразвука в воздухе

Рисунок представлен в^[29] предоставили оценку ослабления, которое будет испытывать ультразвук при распространении в воздухе. Цифры на этом графике соответствуют полностью линейному распространению, и точное влияние явления нелинейной демодуляции на затухание ультразвуковых несущих волн в воздухе не рассматривалось. Есть интересная зависимость от влажности. Тем не менее, видно, что волна 50 кГц страдает от уровня затухания порядка 1 дБ на метр при давлении в одну атмосферу.

Безопасное использование ультразвука высокой интенсивности

Для возникновения нелинейного эффекта требуется ультразвук относительно высокой интенсивности. В SPL как правило, это было более 100 дБ ультразвука на номинальном расстоянии 1 м от поверхности ультразвукового преобразователя.^{[нужна цитата ]} Воздействие более интенсивного ультразвука более 140 дБ^{[нужна цитата ]} вблизи слышимого диапазона (20–40 кГц) может привести к синдрому с проявлениями тошноты, головной боли, тиннитус, боль, головокружение и утомляемость,^[23] но это примерно в 100 раз выше упомянутого выше уровня 100 дБ и обычно не вызывает беспокойства. Доктор Джозеф Помпеи из Audio Spotlight опубликовал данные, показывающие, что их продукт генерирует уровни ультразвукового звукового давления около 130 дБ (при 60 кГц), измеренные на расстоянии 3 метров.^[30]

Независимый Консультативная группа по неионизирующему излучению (AGNIR) подготовила 180-страничный отчет о воздействии на здоровье человека ультразвука и инфразвука в 2010 году. Агентство по охране здоровья Великобритании (HPA) опубликовало свой отчет, в котором рекомендовался предел воздействия на население уровней ультразвукового звукового давления. (SPL) 100 дБ (при 25 кГц и выше).^[31]

OSHA определяет безопасный потолок ультразвука как воздействие 145 дБ SPL в частотном диапазоне, используемом коммерческими системами в воздухе, при условии, что нет возможности контакта с поверхностью датчика или соединительной средой (т. Е. Под водой).^[32] Это в несколько раз больше, чем у коммерческих систем Audio Spotlight, так что есть значительный запас для безопасности.^{[нужна цитата ]}. В обзоре международных допустимых пределов воздействия Howard et al. (2005)^[33] отметил общее согласие между организациями по стандартизации, но выразил озабоченность в связи с решением Управления по безопасности и гигиене труда Соединенных Штатов Америки (OSHA) увеличить предел воздействия еще на 30 дБ при некоторых условиях (что эквивалентно коэффициенту 1000 по интенсивности^[34]).

Для частот ультразвука от 25 до 50 кГц норма 110 дБ была рекомендована Канадой, Японией, СССР и Международным агентством радиационной защиты, а 115 дБ - Швецией.^[35] в конце 1970-х - начале 1980-х годов, но они были в основном основаны на субъективных эффектах. Приведенные выше рекомендации OSHA основаны на исследовании ACGIH (Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене) 1987 года.

Лоутон (2001)^[36] рассмотрел международные рекомендации по воздушному ультразвуку в отчете, опубликованном Соединенным Королевством Руководитель по охране труда и технике безопасности это включало обсуждение руководящих принципов, выпущенных Американской конференцией государственных промышленных гигиенистов (ACGIH), 1988. Лоутон заявляет «Этот рецензент считает, что ACGIH довел свои допустимые пределы воздействия до предела потенциально опасного воздействия». В документе ACGIH также упоминается возможная потребность в средствах защиты органов слуха.

Смотрите также

• Направленный звук
• Инфразвук

Дополнительные ресурсы

Патент США 6,778,672 поданная 17 августа 2004 г. описывает систему HSS для использования ультразвука для:

• Направляйте различные «автомобильные развлечения» непосредственно пассажирам, находящимся в разных местах.
• Формируйте радиоволны в автомобиле, чтобы заглушить нежелательные шумы.

Рекомендации

внешняя ссылка