Altifalante discreto pneumático

Uma nova área de tecnologia é a acústica discreta.



Olá! Esta publicação destina-se a encontrar e unir pessoas com ideias semelhantes e entusiastas no difícil e caro negócio - a criação de um novo tipo de dispositivos acústicos A saber, transdutores acústicos discretos.



Vamos relembrar a história recente da tecnologia. Como a eletrônica se desenvolveu. Desde o advento do primeiro tubo amplificador de tubo de vácuo triodo no início do século XX. E então foi e foi. Rádios, transmissores, amplificadores tornaram-se cada vez mais perfeitos. Então, na década de 1950, surgiram os dispositivos semicondutores e o desenvolvimento da eletrônica acelerou ainda mais.



Os dispositivos eletrônicos ficaram menores em tamanho e peso. Fiabilidade e capacidades técnicas aumentadas. No final dos anos 70, a eletrônica analógica estava muito avançada. Mas depois disso, cada vez mais alto, um novo ramo da eletrônica começou a se declarar - a eletrônica digital. Essas tarefas que estavam além do poder da eletrônica analógica são completamente resolvidas pelos métodos da eletrônica digital. Podemos dizer com segurança que, com o advento do "digital", houve um avanço poderoso e qualitativo no desenvolvimento da eletrônica, cujas capacidades são fantásticas hoje.



A situação era aproximadamente a mesma no desenvolvimento da óptica. A óptica se desenvolveu gradualmente. Os primeiros vidros primitivos foram encontrados durante as escavações das pirâmides egípcias. Os periscópios submarinos da Segunda Guerra Mundial foram, no mais alto grau, a personificação da arte da engenharia no campo da ótica. Tudo se desenvolveu de maneira linear e medida. Mas isso foi antes de Sua Majestade Laser chegar à óptica. Com sua aparência, assim como os métodos da ótica quântica, ela recebeu um grande salto à frente! A holografia e os métodos óticos de registro de informações por si só evocam admiração e admiração.



Mas, por exemplo, acústica. Inicialmente, por sua natureza, todos os seus dispositivos e métodos são analógicos, mas por que é pior do que a óptica e a eletrônica? É necessário um salto semelhante aqui também. Por que os métodos digitais discretos não são usados ​​na acústica?



Eu quero mudar essa situação. Quando falamos, gritamos ou cantamos, modulamos o fluxo de ar dos pulmões com nossas cordas vocais e, passando pelos ressonadores da cavidade oral, emitimos vibrações sonoras. Mas, ao mesmo tempo, para reproduzir o som por meio de qualquer dispositivo técnico, muitas vezes usamos um método completamente diferente de obtenção do som - forçamos uma membrana, uma corda ou um diapasão a vibrar na faixa de frequência do som? A eficiência dos dispositivos com interrupção do fluxo de ar é obviamente superior à dos dispositivos com partes vibrantes. Grosso modo, uma banda de metais, outras coisas sendo iguais, soa mais alto do que uma banda de cordas.



As principais fontes de som hoje são alto-falantes eletrodinâmicos. Eles apareceram quase simultaneamente com o advento do Rádio. Ou seja, eles existem há mais de 100 anos. Desde então, seu design não mudou fundamentalmente. No campo de um ímã permanente forte, há uma bobina através da qual flui uma corrente alternada de uma frequência de áudio. A bobina é conectada mecanicamente ao cone do alto-falante. A bobina vibra - o difusor vibra com ela - e ouvimos o som. É simples. Mas, se a tarefa é aumentar a potência desse alto-falante, o designer se depara com uma cadeia de contradições insolúveis. É necessário aumentar a potência - significa que é necessário aumentar a corrente na bobina - portanto, é necessário um fio de diâmetro maior. E ao usar um fio de diâmetro maior, a massa da bobina inevitavelmente aumenta.Uma enorme bobina degrada as propriedades de frequência de um alto-falante eletrodinâmico. Um enrolamento pesado não pode oscilar em alta frequência. Na cadeia "fonte de sinal - amplificador - sistema acústico", o elo "sistema acústico" é o mais fraco. É a acústica que mais frequentemente limita a saída de potência sonora. E o que é típico de um alto-falante eletrodinâmico é uma eficiência extremamente baixa de cerca de 15%, como uma locomotiva a vapor. É uma tarefa bastante viável para um engenheiro eletrônico projetar um amplificador com uma potência de saída de 10 kW, e os dispositivos eletrônicos correspondentes estão prontamente disponíveis no mercado. Mas para um engenheiro de acústica projetar um alto-falante eletrodinâmico com tamanha potência - uma tarefa do reino da fantasia. Para alcançar alta potência acústica, é necessário combinar alto-falantes individuais em sistemas acústicos.Os mais poderosos deles são usados ​​para fazer shows de estrelas do rock famosas. São estruturas volumosas, maciças e caras que requerem um comboio de caminhões para o transporte.



A tentativa de criar dispositivos mais poderosos fez os engenheiros acústicos buscarem os dispositivos pneumáticos. Então, na década de 20 do século 20, o alto-falante pneumático foi inventado. Altifalante pneumático, emissor acústico no qual o som é criado alterando (modulando) o fluxo de ar comprimido. Seu princípio de funcionamento é simples: o ar comprimido do compressor passa por um dispositivo modulador, no qual o fluxo de ar passa pelo damper. O amortecedor, por sua vez, era acionado por um sistema eletromagnético conectado à saída de um amplificador de baixa frequência de potência relativamente baixa. A vazão de ar foi variada de acordo com o sinal sonoro do amplificador de baixa frequência. Na saída do dispositivo de modulação, ocorreram flutuações da pressão do ar, que geraram ondas sonoras.Os alto-falantes pneumáticos eram usados ​​nas décadas de 30 e 40. século 20 para a transmissão de comandos e mensagens em grandes portos, portos fluviais e outros objetos com maior nível de ruído. Os alto-falantes pneumáticos desenvolveram uma potência acústica de até 2 kW e reproduziram vibrações sonoras com frequências de até 2,5–3,5 kHz, com grande ruído intrínseco e distorções não lineares significativas. Por causa dessas deficiências, os alto-falantes pneumáticos não são usados ​​agora.Por causa dessas deficiências, os alto-falantes pneumáticos não são usados ​​agora.Por causa dessas deficiências, os alto-falantes pneumáticos não são usados ​​agora.



Mas sua alta eficiência (cerca de 80%) e a capacidade de criar uma enorme quantidade de pressão sonora permanecem indiscutíveis: para todos os alto-falantes existentes, hoje, esses números são ultrajantes.



Novamente: Três desvantagens significativas dos alto-falantes pneumáticos. Nomeadamente:



  1. Alto nível de ruído próprio devido à turbulência do ar
  2. Alto nível de distorção harmônica devido ao dispositivo de modulação imperfeito
  3. A faixa de frequência limitada devido à massividade do elemento de controle (amortecedor) levou ao fato de que, no momento, esses alto-falantes são mencionados apenas em livros de referência de acústica e na Enciclopédia.


Todos os designs de alto-falantes pneumáticos disponíveis atualmente contêm uma grande desvantagem fundamental. Ou seja - neles, o fluxo de ar é controlado de acordo com a mesma lei no tempo que as oscilações emitidas por eles. Todas as tentativas de melhorar esses alto-falantes estão fadadas ao fracasso antecipadamente.



Se os problemas acima forem resolvidos, é possível construir um radiador de som eficaz e de grande potência. Vamos considerar com mais detalhes as desvantagens dos alto-falantes pneumáticos existentes:



1) Alto nível de ruído intrínseco em um alto-falante pneumático. O movimento do fluxo de ar através de qualquer irregularidade causa inevitavelmente todos os tipos de redemoinhos e turbulências. É impossível liberar o ar silenciosamente por qualquer abertura.

A principal maneira de reduzir o ruído de um jato de ar é dividi-lo em vários pequenos. Quase todos os silenciadores de exaustão em sistemas pneumáticos funcionam de acordo com este princípio. As tentativas dessa forma de reduzir o ruído intrínseco em alto-falantes pneumáticos (as chamadas grades de modulação foram feitas) não tiveram muito sucesso.



2) Alto nível de distorção harmônica em alto-falante pneumático. O fato é que durante o funcionamento de um alto-falante eletrodinâmico, a pressão sonora que ele cria é diretamente proporcional à força de Ampère que atua sobre seu difusor através da bobina de voz.



E, por sua vez, a força Ampere é diretamente proporcional à corrente na bobina de um alto-falante eletrodinâmico. Portanto, um alto-falante eletrodinâmico tem um nível bastante baixo de distorção não linear. A situação é completamente diferente com um alto-falante pneumático. No processo de conversão da energia de uma corrente de ar em energia de ondas sonoras, surgem muitas não linearidades. O principal é assim: de acordo com a lei de Bernoulli, a pressão na corrente de ar é inversamente proporcional ao quadrado de sua velocidade. A dependência da velocidade do fluxo de ar na abertura da válvula também não é linear.



3) A faixa de frequência limitada dos designs existentes de alto-falantes pneumáticos, na minha opinião, deve-se ao fato de que, com um alto nível de danos ao ruído próprio, os sons de alta frequência são mascarados pelo ruído. Além disso, o desejo dos projetistas de alto-falantes pneumáticos de reduzir seu ruído comprimindo o fluxo de ar em muitos pequenos jatos, forçados a criar grades de modulação volumosas. Essas grades não podiam vibrar em alta frequência - e isso reduzia a frequência de operação superior das estruturas existentes na época.



Há muito tempo que venho pensando em maneiras de melhorar o alto-falante pneumático. E agora posso dizer com segurança que existe uma oportunidade real de criar um dispositivo livre das principais deficiências de designs semelhantes anteriores. É possível criar um dispositivo único em suas características, superando significativamente todos os designs existentes. É realista construir uma instalação de alto-falantes com uma capacidade de 10 quilowatts acústicos, com parâmetros de qualidade de sinal compatíveis com os melhores exemplos de sistemas acústicos eletrodinâmicos potentes. Além disso, é bastante compacto - é perfeitamente possível colocá-lo em um chassi de veículo off-road de carga, ou em um helicóptero e ao mesmo tempo soar em grandes territórios. Em condições favoráveis, este alto-falante será ouvido alto a uma distância de 8 km e além.Os clientes potenciais de tal produto são organizações sérias. Este é principalmente o Ministério de Situações de Emergência - o produto pode ser utilizado para organizar atividades de busca e resgate, para alertar a população sobre situações especiais. Ministério de Assuntos Internos - use para influenciar a multidão durante distúrbios nas ruas. MO - propaganda nas tropas inimigas na linha de frente durante a guerra, imitação do ruído do equipamento militar para desinformar o inimigo.



O aspecto do prestígio internacional também é importante - a Federação Russa se tornará o país onde os alto-falantes mais poderosos do mundo serão construídos.



A eletrônica de potência está progredindo a um ritmo tremendo. Por cerca de vinte anos, dispositivos eletrônicos para controlar cargas elétricas poderosas (motores elétricos, aquecedores, etc.) passaram de um exótico caro e pouco confiável para produtos realmente funcionais com capacidades de centenas de quilowatts.



Em todos esses dispositivos - conversores de frequência, soft starters para motores elétricos, controladores de energia, etc., o método de modulação por largura de pulso (PWM) é amplamente utilizado. A essência deste método é bastante simples - o elemento regulador tiristor ou transistor não tem estados intermediários, ele está completamente aberto ou completamente fechado (isso é extremamente benéfico do ponto de vista energético). Fechamento - a abertura ocorre com uma frequência várias ordens de magnitude maior do que a frequência de mudança da variável controlada. A quantidade de energia fornecida por tal regulador é diretamente proporcional ao tempo de abertura ou à largura de pulso de abertura do dispositivo eletrônico do regulador.



Estou confiante de que o método de modulação por largura de pulso pode ser aplicado com sucesso a um novo design de alto-falante pneumático. Proponho abandonar o método de modular o fluxo de ar com um sinal contínuo de baixa frequência. Propõe-se a aplicação do princípio da modulação por largura de pulso - PWM em um alto-falante pneumático.



Eu sugiro aplicar PWM para controle de fluxo de ar em um alto-falante pneumático. Com o PWM, o tempo de processos transitórios ao abrir - fechando o fluxo de ar tende a zero. Consequentemente, o ruído intrínseco de tal alto-falante é drasticamente reduzido. Distorções não lineares também devem ser reduzidas significativamente, pois neste caso a função para as ondas de pressão do ar não é a vazão, mas o tempo de estado do canal aberto - e essa dependência é linear.



Na prática, tal alto-falante pode ser realizado, por exemplo, alterando radicalmente a tão conhecida sirene Seebeck. Ou de alguma outra forma. O principal é poder controlar a duração dos pulsos de pressão do ar de acordo com as vibrações sonoras. Durante a operação do dispositivo, as vibrações ultrassônicas parasitas são formadas inevitavelmente; elas podem ser suprimidas por filtros acústicos especiais de baixa frequência baseados em ressonadores Heimholtz. A capacidade do dispositivo será limitada apenas pela capacidade da unidade do compressor, a resistência mecânica do dispositivo modulador e segurança para o meio ambiente.



Esta versão de um alto-falante pneumático de alta potência foi bem pensado por mim e para este projeto eu registrei uma patente para a invenção RU nº 2 653 089.



Vejo isso como promissor, também uma outra forma de aprimorar o design de um alto-falante pneumático. Ou seja, os vocoders bandpass têm sido usados ​​há muito tempo na tecnologia de codificação de voz.



Em um vocoder passa-banda típico, o sinal de voz original é analisado por um banco de filtros passa-banda, tipicamente 16-25, sobrepondo não uniformemente a faixa essencial para a percepção da fala (normalmente 0 a 3 kHz). Oscilações nas saídas dos filtros passa-banda são detectadas e passam pelo filtro passa-baixo, cujos sinais de saída em um grau ou outro representam o envelope do espectro da fala. Os parâmetros que caracterizam a fonte de excitação são obtidos por meio de um detector tom-ruído que determina se o som é sonoro (cordas vocais vibram) ou surdo. No primeiro caso, o seletor de tom principal determina a frequência básica de vibração dos ligamentos. Sinais de dezesseis canais, sinal de tom para ruído e valor de pitch são codificados e transmitidos pelo canal de comunicação para o receptor.



Vamos supor que a transmissão esteja livre de erros. Então, a tarefa do receptor é reduzida à reconstrução da fala com base nos parâmetros transmitidos. A fonte de excitação é um gerador de pulsos, cuja frequência é sincronizada por um sinal, ou um gerador de ruído. Dependendo do sinal tom-ruído, um deles é conectado a um banco de filtros, idênticos aos do analisador, e os excita. Os sinais de envelope de espectro detectados são usados ​​para modular as oscilações nas saídas dos respectivos filtros passa-banda, criando assim potência sonora em cada uma das bandas de frequência. O sinal de voz sintetizado é obtido após a soma de todas as oscilações passa-banda moduladas - este é, em resumo, o princípio da operação do vocoder passa-banda.



Quando aplicado a um alto-falante pneumático, é perfeitamente possível implementar seu funcionamento no princípio da parte receptora de um vocoder passa-banda. A saber: Como uma fonte harmônica, você pode usar uma sirene Seebeck multifrequencial, especialmente modificada. Use um gerador de ruído acústico pneumático especialmente projetado ou a mesma sirene multifrequencial Seebeck como fonte de sinal de ruído. Filtros acústicos de passagem de banda podem ser implementados com base em ressonadores acústicos Heimholtz. Para formar a resposta de frequência desejada do sistema de filtro, você pode usar válvulas pneumáticas de alta velocidade controladas por eletrônicos.



Portanto, em termos gerais, vejo as formas como é necessário melhorar o design de uma coluna pneumática.



Tentei implementar minha ideia sozinho, mas parei imediatamente com essas tentativas. Um produto muito complexo e caro é obtido - uma pessoa não pode fazer isso. Pensei no design ao nível de fluxogramas e esboços. Não consigo calcular e elevar ao nível de desenhos decentes sozinho - para isso, não tenho conhecimento especial, esforço e tempo suficientes. Mas tenho uma boa ideia de como será a aparência do produto e ver em que direção o trabalho deve ser feito. Precisamos de atividades de pesquisa e desenvolvimento persistentes e objetivas. Precisamos de uma equipe pequena, mas forte e eficiente.



Requerido: Engenheiro prático, especialista em acústica, bom programador que pode escrever programas de análise - síntese de sinais sonoros, engenheiro de circuito eletrônico, engenheiro - especialista em codificação e reconhecimento de voz, engenheiro mecânico, especialista nos mais recentes materiais compostos, e você ainda pode precisar de pessoas ...



Vou me repetir - o dispositivo que propus é uma coisa bastante nova e complexa. Complexo porque contém mecânica de precisão e eletrônica inteligente, e também tem várias peças que precisarão ser feitas com os materiais compostos mais recentes. E como qualquer coisa nova, criá-lo provavelmente enfrentará dificuldades imprevistas. Portanto, para construir um protótipo, é necessário realizar um complexo de trabalhos de pesquisa e desenvolvimento. Alguns recursos financeiros e humanos serão necessários. Não consigo calcular exatamente quanto é necessário, devido ao alto grau de novidade, existe um grande risco de problemas imprevistos no decorrer da implementação deste projeto. Eu sou um inventor solitário. Entrei em contato com muitas organizações interessadas, mas em resposta o silêncio ou as respostas condescendentes - aprovando. Ficarei sinceramente feliz,se entre os leitores do canal há pessoas que dirigem as atividades de bureaus de design que desenvolvem produtos eletrônicos e mecânicos complexos, de alta tecnologia, aeroespacial, ou próximo a isso, perfil. E eles estarão interessados ​​nessa direção. Este tópicomeu site também é dedicado .



Atenciosamente, Igor Zharikov pentagrid88@yandex.ru



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