Звук от УЗИ

Звук ультразвука — это название, данное здесь для генерации слышимого звука из модулированного ультразвука без использования активного приемника. Это происходит, когда модулированный ультразвук проходит через нелинейную среду, которая намеренно или непреднамеренно действует как демодулятор .

Параметрический массив

С начала 1960-х годов исследователи экспериментировали с созданием направленного низкочастотного звука за счет нелинейного взаимодействия направленного пучка ультразвуковых волн, создаваемого параметрической решеткой с помощью гетеродинирования . 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 воздушной акустики было создано в 1998 году. и теперь известен под торговой маркой «Audio Spotlight», термин, впервые придуманный японскими исследователями в 1983 году. которые отказались от этой технологии как неосуществимой в середине 1980-х годов.

Преобразователь может быть изготовлен для проецирования узкого луча модулированного ультразвука , достаточно мощного (от 100 до 110 дБ звукового давления) , 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 получается звук, который можно услышать только на пути луча или который кажется исходящим от любой поверхности, на которую ударяется луч. Эта технология позволяет проецировать звуковой луч на большое расстояние, чтобы его можно было услышать только в небольшой четко определенной области; для слушателя вне луча звуковое давление существенно снижается. Такого эффекта невозможно достичь с помощью обычных громкоговорителей, поскольку звук слышимых частот невозможно сфокусировать в столь узкий луч.

У этого подхода есть некоторые ограничения. Все, что прерывает луч, препятствует распространению ультразвука, как 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.

Персональное аудио

Его можно использовать для личного аудио: либо для того, чтобы звуки были слышны только одному человеку, либо для того, чтобы их могла слушать группа. Например, инструкции по навигации интересны только водителю автомобиля, а не пассажирам. Другая возможность — это будущие приложения для настоящего стереозвука, когда одно ухо не слышит то, что слышит другое.

Поездной сигнализатор

Направленная звуковая сигнализация поезда может быть реализована с помощью ультразвукового луча, который будет предупреждать о приближении поезда, избегая при этом неудобства громких сигналов поезда для соседних домов и предприятий.

История

Эта технология была первоначально разработана ВМС США и СССР для подводных гидролокаторов в середине 1960-х годов и кратко исследовалась японскими исследователями в начале 1980-х годов, но от этих попыток отказались из-за крайне низкого качества звука (высокие искажения) и значительных искажений. стоимость системы. не опубликовал статью. доктор Ф. Джозеф Помпеи из Массачусетского технологического института Эти проблемы оставались нерешенными до тех пор, пока в 1998 году полностью описал работающее устройство, которое существенно уменьшило звуковые искажения до уровня традиционного громкоговорителя.

Продукты

По состоянию на 2014 год Известно, что на рынке имеется пять устройств, использующих ультразвук для создания слышимого звукового луча.

Аудио-прожектор

Ф. Джозеф Помпей из Массачусетского технологического института разработал технологию, которую он назвал «Аудио-прожектор». и сделал его коммерчески доступным в 2000 году своей компанией Holosonics, которая, согласно их веб-сайту, утверждает, что продала «тысячи» своих систем «Audio Spotlight». Disney была одной из первых крупных корпораций, принявших его для использования в Центре Epcot , и многие другие примеры применения показаны на веб-сайте Holosonics.

Audio Spotlight — это узкий луч звука, которым можно управлять с той же точностью, что и светом прожектора. Он использует луч ультразвука в качестве «виртуального источника звука», позволяя контролировать распространение звука.Ультразвук имеет длину волны всего несколько миллиметров, что намного меньше, чем у источника, и поэтому, естественно, распространяется чрезвычайно узким лучом.Ультразвук, содержащий частоты, находящиеся далеко за пределами человеческого слуха, совершенно не слышен. Но когда ультразвуковой луч проходит через воздух, собственные свойства воздуха заставляют ультразвук менять форму предсказуемым образом. Это приводит к возникновению частотных составляющих в слышимом диапазоне, которые можно прогнозировать и контролировать.

Гиперзвуковой звук

Элвуд «Вуди» Норрис, основатель и председатель Американской технологической корпорации (ATC), объявил, что в 1996 году он успешно создал устройство, обеспечивающее ультразвуковую передачу звука. В этом устройстве использовались пьезоэлектрические преобразователи для отправки двух ультразвуковых волн разных частот в определенную точку, создавая иллюзию того, что слышимый звук из их интерференционной картины исходит именно в этой точке. Компания ATC назвала свое устройство и зарегистрировала его торговую марку как «HyperSonic Sound» (HSS). В декабре 1997 года HSS был включен в список «Лучшее из новинок» журнала Popular Science . В декабре 2002 года журнал Popular Science назвал HyperSonic Sound лучшим изобретением 2002 года. Норрис получил в 2005 году премию Лемельсона-MIT за изобретение «гиперзвукового звука». ATC (теперь называемая LRAD Corporation) передала эту технологию Parametric Sound Corporation в сентябре 2010 года, чтобы сосредоточиться на своих продуктах для акустических устройств дальнего действия (LRAD). Согласно их ежеквартальным отчетам, пресс-релизам и заявлениям руководителей,

Мицубиси Электрик Инжиниринг Корпорейшн

Mitsubishi , по-видимому, предлагает ультразвуковой продукт под названием «MSP-50E». и коммерчески доступен от электротехнической компании Mitsubishi.

АудиоБим

Немецкая аудиокомпания Sennheiser Electronic однажды выставила на продажу свой продукт AudioBeam примерно за 4500 долларов. Нет никаких указаний на то, что продукт использовался в каких-либо общественных целях. С тех пор продукт был снят с производства.

Литературный обзор

Первые экспериментальные системы были построены более 30 лет назад, хотя эти первые версии воспроизводили только простые звуки. Лишь намного позже (см. выше) системы были созданы для практического использования в прослушивании.

Экспериментальная ультразвуковая нелинейная акустика

Здесь будет представлено хронологическое резюме экспериментальных подходов, использованных в прошлом для изучения систем Audio Spotlight. На рубеже тысячелетий рабочие версии Audio Spotlight, способные воспроизводить речь и музыку, можно было купить у Holosonics, компании, основанной на работах доктора Помпеи в Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института .

Связанные темы исследовались почти 40 лет назад в контексте подводной акустики .

1. Первая статья состоял из теоретической формулировки угла половинного давления демодулированного сигнала.
2. Вторая статья провел экспериментальное сравнение с теоретическими предсказаниями.

Обе статьи были поддержаны Управлением военно-морских исследований США специально для использования этого явления для подводных гидроакустических импульсов. Целью этих систем была не высокая направленность как таковая , а скорее более высокая полезная полоса пропускания обычно преобразователя с ограниченной полосой пропускания.

В 1970-е годы наблюдалась некоторая активность в области экспериментальных бортовых систем, как в воздухе, так и в воздухе. и под водой. Основной целью подводных экспериментов, опять же при поддержке Управления военно-морских исследований США, 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 разработку возможности воспроизведения звукового сигнала.

В 1983 году идея была снова экспериментально пересмотрена. но на этот раз с твердым намерением проанализировать использование системы в воздухе для формирования более сложного сигнала базовой полосы узконаправленным образом. Для этого использовалась простая обработка сигнала DSB-AM без предварительной компенсации, и из-за отсутствия предкомпенсации, применяемой к входному сигналу, уровни THD ( полных гармонических искажений ) этой системы, вероятно, были бы удовлетворительными для воспроизведения речи, но запрещено воспроизведение музыки. Интересная особенность экспериментальной установки. заключалось в использовании 547 ультразвуковых преобразователей для создания источника ультразвукового звука частотой 40 кГц и громкостью более 130 дБ на расстоянии 4 м, что потребовало бы серьезных мер безопасности. Хотя этот эксперимент ясно продемонстрировал возможность воспроизведения аудиосигналов с помощью ультразвуковой системы, он также показал, что система страдает от сильных искажений, особенно когда предкомпенсация не использовалась.

Теоретическая ультразвуковая нелинейная акустика

Уравнения, управляющие нелинейной акустикой, довольно сложны. и, к сожалению, у них нет общих аналитических решений. Обычно они требуют использования компьютерного моделирования. Однако уже в 1965 году Берктай провел анализ при некоторых упрощающих предположениях, которые позволили записать демодулированный уровень звукового давления в терминах амплитудно-модулированного давления несущей ультразвуковой волны P _c и различных физических параметров. Обратите внимание, что процесс демодуляции имеет огромные потери: минимальные потери порядка 60 дБ от ультразвукового уровня звукового давления до звукового давления звуковой волны. Схема предварительной компенсации может быть основана на выражении Берктая, показанном в уравнении 1, путем извлечения квадратного корня из огибающей сигнала базовой полосы E и последующего двойного интегрирования для инвертирования эффекта двойной частичной 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 данного проекта.

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

где

• $p_{2}(x,t)=\,$ Звуковая вторичная волна давления
• $K=\,$ разное. физические параметры
• $P_{c}=\,$ Уровень звукового давления ультразвуковой несущей волны
• $E(x,t)=\,$ Функция огибающей (например, DSB-AM)

Это уравнение гласит, что слышимая демодулированная ультразвуковая волна давления (выходной сигнал) пропорциональна дважды дифференцированной квадратичной версии огибающей функции (входной сигнал). Предварительная компенсация относится к уловке предвосхищения этих преобразований и применения обратных преобразований к входным данным в надежде, что выходные данные будут ближе к непреобразованным 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. По сути, преобразователи должны были соответствовать требованиям цифровой предкомпенсации, а именно более широкой частотной характеристике. В 1998 году было количественно оценено негативное влияние на КНИ недостаточно широкой частотной характеристики ультразвуковых преобразователей. с помощью компьютерного моделирования с использованием схемы предварительной компенсации, основанной на выражении Берктая. В статье Помпея 1999 г. обсудили, как новый прототип преобразователя отвечает повышенным требованиям к частотной характеристике, предъявляемым к ультразвуковым преобразователям схемой предварительной компенсации, которая снова была основана на выражении Берктая. Кроме того, было показано впечатляющее снижение THD выходного сигнала при использовании схемы предварительной компенсации по сравнению со случаем отсутствия предварительной компенсации.

Таким образом, технология, которая возникла в подводном гидролокаторе 40 лет назад, была реализована для воспроизведения слышимого звука в воздухе с помощью бумаги и устройства Помпея, которые, согласно его статье AES (1998), продемонстрировали, что искажения были уменьшены до уровней, сопоставимых к традиционным акустическим системам.

Схема модуляции

Нелинейное взаимодействие смешивает ультразвуковые тона в воздухе для получения суммы и разности частот. Схема амплитудной модуляции DSB ( двухполосная ) с соответствующим 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 от чрезвычайно сильных искажений, поскольку мешает не только демодулирующий тон, но и все остальные присутствующие частоты. Модулированный спектр сворачивается сам с собой, удваивая свою полосу пропускания за счет свойства длины свертки . Искажение основной полосы пропускания исходного аудиоспектра обратно пропорционально величине смещения постоянного тока (тона демодуляции), наложенного на сигнал. Более высокий тон приводит к меньшим искажениям.

Дополнительные искажения вносятся свойством дифференцирования второго порядка процесса демодуляции. Результатом является умножение полезного сигнала на функцию -ω² по частоте. Это искажение можно компенсировать с помощью фильтрации предыскажения (увеличение амплитуды высокочастотного сигнала).

временной свертки Благодаря свойству преобразования Фурье умножение во временной области является сверткой 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 вдвое его величину, хотя энергия не теряется. Одна копия реплики в половинном масштабе находится на каждой половине оси частот. Это согласуется с теоремой Парсеваля.

Глубина модуляции m является удобным экспериментальным параметром при оценке общего гармонического искажения в демодулированном сигнале. Оно обратно пропорционально величине смещения постоянного тока. THD увеличивается пропорционально увеличению м ₁ ².

Эти искажающие эффекты можно лучше смягчить, используя другую схему модуляции, которая использует преимущества дифференциального устройства возведения в квадрат нелинейного акустического эффекта. Модуляция второго интеграла квадратного корня желаемого базового аудиосигнала без добавления смещения постоянного тока приводит к свертке по частоте модулированного спектра квадратного корня, что составляет половину полосы пропускания исходного сигнала, сама по себе из-за нелинейного канала. эффекты. Эта свертка по частоте представляет собой умножение сигнала на самого себя во времени или возведение в квадрат. Это снова удваивает полосу пропускания спектра, воспроизводя второй интеграл от входного аудиоспектра. Двойное интегрирование корректирует характеристику фильтрации -ω², связанную с нелинейным акустическим эффектом. Это восстанавливает масштабированный исходный спектр в основной полосе частот.

Процесс гармонических искажений связан с высокочастотными репликами, связанными с каждой возводящей в квадрат демодуляцией, для любой схемы модуляции. Они итеративно демодулируют и самомодулируют, каждый раз добавляя спектрально размытую и возведенную в степень по времени копию исходного сигнала к основной полосе частот и удвоенную исходную центральную частоту, причем одна итерация соответствует одному проходу пространства между излучателем и целью. Только звук с параллельными коллинеарными векторами фазовой скорости мешает создавать этот нелинейный эффект. Итерации с четными номерами будут производить продукты модуляции, модулирующие и высокочастотные, в виде отраженных излучений от цели. Итерации с нечетными номерами будут создавать продукты модуляции в виде отраженных излучений от излучателя.

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

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

Затухание ультразвука в воздухе

Рисунок, представленный в дает оценку затухания, которому будет подвергаться ультразвук при распространении по воздуху. Цифры на этом графике соответствуют полностью линейному распространению, и точное влияние явлений нелинейной демодуляции на затухание несущих ультразвуковых волн в воздухе не рассматривалось. Существует интересная зависимость от влажности. Тем не менее, волна 50 кГц имеет уровень 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. Уровень звукового давления обычно превышал 100 дБ ультразвука на номинальном расстоянии 1 м от лицевой поверхности ультразвукового преобразователя. Воздействие более интенсивного ультразвука более 140 дБ. вблизи слышимого диапазона (20–40 кГц) может привести к синдрому, включающему проявления тошноты, головной боли, шума в ушах , боли, головокружения и усталости, но это примерно в 100 раз превышает уровень 100 дБ, указанный выше, и обычно не вызывает беспокойства. Доктор Джозеф Помпей из Audio Spotlight опубликовал данные, показывающие, что их продукт генерирует ультразвуковое звуковое давление уровня около 130 дБ (при 60 кГц), измеренное на расстоянии 3 метров.

Независимая британская консультативная группа по неионизирующему излучению (AGNIR) в 2010 году подготовила 180-страничный отчет о влиянии на здоровье человека воздействия ультразвука и инфразвука. Агентство по охране здоровья Великобритании (HPA) опубликовало свой отчет, в котором рекомендованы пределы воздействия. для населения уровень звукового давления ультразвука (SPL) в воздухе составляет 100 дБ (на частоте 25 кГц и выше).

OSHA определяет безопасное предельное значение ультразвука как воздействие УЗД 145 дБ в диапазоне частот, используемом коммерческими системами в воздухе, при условии, что нет возможности контакта с поверхностью преобразователя или связующей средой (т. е. при погружении в воду). Это в несколько раз превышает максимальный уровень, используемый коммерческими системами Audio Spotlight, поэтому существует значительный запас безопасности. . В обзоре международных допустимых пределов воздействия Howard et al. (2005) отметил общее согласие между организациями по стандартизации, но выразил обеспокоенность по поводу решения Управления по охране труда США (OSHA) увеличить предел воздействия еще на 30 дБ при некоторых условиях (что эквивалентно 1000-кратному коэффициенту интенсивности). ).

Для частот ультразвука от 25 до 50 кГц норматив 110 дБ был рекомендован Канадой, Японией, СССР и Международным агентством по радиационной защите, а 115 дБ — Швецией. в конце 1970-х - начале 1980-х годов, но они были основаны главным образом на субъективных эффектах. Более свежие рекомендации OSHA, приведенные выше, основаны на исследовании ACGIH (Американской конференции правительственных специалистов по промышленной гигиене), проведенном в 1987 году.

Лоутон (2001) рассмотрел международные рекомендации по воздушному ультразвуку в отчете, опубликованном Управлением здравоохранения и безопасности Соединенного Королевства , включая обсуждение руководящих принципов, выпущенных Американской конференцией правительственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) в 1988 году. Лоутон заявляет : «Этот рецензент считает, что ACGIH довел свои допустимые пределы воздействия до самой границы потенциально вредного воздействия» . В документе ACGIH также упоминается возможная необходимость защиты органов слуха.

См. также

• Направленный звук
• Инфразвук

Дополнительные ресурсы

• В патенте США № 6778672, поданном 17 августа 2004 г., описана система HSS, позволяющая использовать ультразвук для:
  • Направляйте различные «автомобильные развлечения» непосредственно пассажирам в разных положениях.
  • Формируйте воздушные волны в автомобиле, чтобы заглушить нежелательные шумы.

Внешние ссылки

• Аудио-прожектор Holosonics
• Гиперзвуковой звук
• СледующийФест