¡Hola! Esta publicación tiene como objetivo encontrar y unir a personas y entusiastas de ideas afines en el difícil y costoso negocio: la creación de un nuevo tipo de dispositivos acústicos. A saber, transductores acústicos discretos.
Recordemos la historia reciente de la tecnología. Cómo se desarrolló la electrónica. Desde la llegada del primer tubo amplificador de triodo de tubo de vacío a principios del siglo XX. Y luego se fue y se fue. Radios, transmisores, amplificadores se volvieron cada vez más perfectos. Luego, en la década de 1950, aparecieron los dispositivos semiconductores y el desarrollo de la electrónica se aceleró aún más.
Los dispositivos electrónicos se hicieron más pequeños en tamaño y peso. Aumento de la confiabilidad y las capacidades técnicas. A finales de los 70, la electrónica analógica estaba muy avanzada. Pero después de eso, cada vez más fuerte, una nueva rama de la electrónica comenzó a declararse: la electrónica digital. Aquellas tareas que estaban más allá del poder de la electrónica analógica se resuelven por completo con los métodos de la electrónica digital. Podemos decir con seguridad que con la llegada de lo "digital" hubo un gran avance cualitativo en el desarrollo de la electrónica, cuyas posibilidades son fantásticas en la actualidad.
La situación fue aproximadamente la misma en el desarrollo de la óptica. La óptica se desarrolló gradualmente. Los primeros vasos primitivos se encontraron durante las excavaciones de las pirámides egipcias. Los periscopios submarinos de la Segunda Guerra Mundial fueron, en el más alto grado, la encarnación del arte de la ingeniería en el campo de la óptica. Todo se desarrolló de forma lineal y mesurada. Pero eso fue antes de que His Majesty Laser llegara a la óptica. Con su apariencia, así como con los métodos de la óptica cuántica, ¡recibió un gran salto adelante! La holografía y los métodos ópticos para registrar información por sí solos evocan deleite y admiración.
Pero, por ejemplo, acústica. Inicialmente, por su naturaleza, todos sus dispositivos y métodos son analógicos, pero ¿por qué es peor que la óptica y la electrónica? Aquí también es necesario un salto similar. ¿Por qué no se utilizan métodos digitales discretos en acústica?
Quiero cambiar esta situación. Cuando hablamos, gritamos o cantamos, modulamos la corriente de aire de los pulmones con nuestras cuerdas vocales y, al pasar por los resonadores de la cavidad bucal, emitimos vibraciones sonoras. Pero al mismo tiempo, para reproducir el sonido a través de cualquier dispositivo técnico, a menudo utilizamos un método completamente diferente para obtener sonido: ¿obligamos a una membrana, una cuerda o un diapasón a vibrar en el rango de frecuencia del sonido? La eficiencia de los dispositivos con interrupción del flujo de aire es obviamente más alta que la de los dispositivos con partes vibrantes. En términos generales, una banda de música, en igualdad de condiciones, suena más fuerte que una banda de cuerdas.
Las principales fuentes de sonido en la actualidad son los altavoces electrodinámicos. Aparecieron casi simultáneamente con la llegada de Radio. Es decir, existen desde hace más de 100 años. Desde entonces, su diseño no ha cambiado fundamentalmente. En el campo de un imán permanente fuerte hay una bobina a través de la cual fluye una corriente alterna de una frecuencia de audio. La bobina está conectada mecánicamente al cono del altavoz. La bobina vibra, el difusor vibra con ella, y escuchamos el sonido. Es simple. Pero si la tarea es aumentar la potencia de dicho altavoz, entonces el diseñador se enfrenta a una cadena de contradicciones insolubles. Es necesario aumentar la potencia, significa que debe aumentar la corriente en la bobina, por lo tanto, se requiere un cable de mayor diámetro. Y cuando se usa un cable de mayor diámetro, la masa de la bobina aumenta inevitablemente.Una bobina masiva degrada las propiedades de frecuencia de un altavoz electrodinámico. Un devanado pesado no puede oscilar a alta frecuencia. En la cadena "fuente de señal - amplificador - sistema acústico", el enlace "sistema acústico" es el más débil. Es la acústica la que más a menudo limita la salida de potencia sonora. Y lo que es típico de un altavoz electrodinámico es una eficiencia extremadamente baja de alrededor del 15%, como una locomotora de vapor. Es una tarea bastante factible para un ingeniero electrónico diseñar un amplificador con una potencia de salida de 10 kW, y los dispositivos electrónicos correspondientes están fácilmente disponibles en el mercado. Pero que un ingeniero acústico diseñe un altavoz electrodinámico de tal potencia, una tarea del reino de la fantasía. Para lograr una alta potencia acústica, es necesario combinar altavoces individuales en sistemas acústicos.Los más potentes se utilizan para hacer sonar los conciertos de famosas estrellas del rock. Estas son estructuras voluminosas, masivas y caras que requieren un convoy de camiones para transportar.
El intento de crear dispositivos más potentes hizo que los ingenieros acústicos miraran hacia dispositivos neumáticos. Entonces, en los años 20 del siglo XX, se inventó el altavoz neumático. Altavoz neumático, emisor acústico en el que se crea el sonido cambiando (modulando) el flujo de aire comprimido. Su principio de funcionamiento es simple: el aire comprimido del compresor pasa a través de un dispositivo de modulación, en el que el flujo de aire pasa a través de la compuerta. El amortiguador, a su vez, fue accionado por un sistema electromagnético conectado a la salida de un amplificador de baja frecuencia de potencia relativamente baja. El caudal de aire se varió de acuerdo con la señal de sonido del amplificador de baja frecuencia. A la salida del dispositivo modulador, se produjeron fluctuaciones de la presión del aire, que generaron ondas sonoras.Los altavoces neumáticos se utilizaron en los años 30 y 40. siglo 20 para la transmisión de comandos y mensajes en grandes puertos, puertos fluviales y otros objetos con un nivel de ruido elevado. Los altavoces neumáticos desarrollaron una potencia acústica de hasta 2 kW y reprodujeron vibraciones de sonido con frecuencias de hasta 2,5–3,5 kHz, con un gran ruido intrínseco y distorsiones no lineales significativas. Debido a estas deficiencias, ahora no se utilizan altavoces neumáticos.Debido a estas deficiencias, los altavoces neumáticos no se utilizan ahora.Debido a estas deficiencias, ahora no se utilizan altavoces neumáticos.
Pero su alta eficiencia (alrededor del 80%) y la capacidad de crear un valor enorme de presión sonora siguen siendo indiscutibles, para todos los altavoces actuales, estas cifras son escandalosas.
Nuevamente: Tres inconvenientes importantes de los altavoces neumáticos. A saber:
- Alto nivel de ruido propio debido a la turbulencia del aire.
- Alto nivel de distorsión armónica debido a un dispositivo modulador imperfecto
- El rango de frecuencia limitado debido a la masividad del elemento de control (amortiguador) ha llevado al hecho de que en la actualidad estos altavoces solo se mencionan en los libros de referencia de acústica y en la Enciclopedia.
Todos los diseños disponibles en la actualidad de altavoces neumáticos contienen un inconveniente fundamental importante. Es decir, en ellos, el flujo de aire se controla de acuerdo con la misma ley en el tiempo que las oscilaciones emitidas por ellos. Todos los intentos de mejorar dichos altavoces están condenados al fracaso de antemano.
Si se resuelven los problemas anteriores, entonces es posible construir un radiador de sonido efectivo de gran potencia. Consideremos con más detalle las desventajas de los altavoces neumáticos existentes:
1) El alto nivel de ruido intrínseco en un altavoz neumático. El movimiento del flujo de aire a través de cualquier irregularidad provoca inevitablemente todo tipo de remolinos y turbulencias. Es imposible liberar aire silenciosamente a través de cualquier abertura.
La forma principal de reducir el ruido de un chorro de aire es dividirlo en muchos pequeños. Casi todos los silenciadores de escape en sistemas neumáticos funcionan de acuerdo con este principio. Los intentos de esta manera de reducir el ruido intrínseco en los altavoces neumáticos (se hicieron las llamadas rejillas de modulación) no tuvieron mucho éxito.
2) Alto nivel de distorsión armónica en altavoz neumático. El hecho es que cuando un altavoz electrodinámico está funcionando, la presión sonora que crea es directamente proporcional a la fuerza del amperio que actúa sobre su difusor a través de la bobina móvil.
Y, a su vez, la fuerza en amperios es directamente proporcional a la corriente en la bobina de un altavoz electrodinámico. Por lo tanto, un altavoz electrodinámico tiene un nivel bastante bajo de distorsión no lineal. La situación es completamente diferente con un altavoz neumático. En el proceso de convertir la energía de una corriente de aire en energía de ondas sonoras, surgen muchas no linealidades. El principal tiene este aspecto: según la ley de Bernoulli, la presión en la corriente de aire es inversamente proporcional al cuadrado de su velocidad. La dependencia de la velocidad de la corriente de aire en la apertura de la válvula también es no lineal.
3) El rango de frecuencia limitado de los diseños existentes de altavoces neumáticos, en mi opinión, se debe al hecho de que con un alto nivel de daño por ruido propio, los sonidos de alta frecuencia están enmascarados por el ruido. Además, el deseo de los diseñadores de altavoces neumáticos de reducir su ruido aplastando la corriente de aire en muchos chorros pequeños, les hizo crear rejillas de modulación voluminosas. Estas rejillas no podían vibrar a una frecuencia alta, y esto redujo la frecuencia de funcionamiento superior de las estructuras existentes en ese momento.
He estado pensando en formas de mejorar el altavoz neumático durante mucho tiempo. Y ahora puedo decir con confianza que existe una oportunidad real de crear un dispositivo libre de las principales deficiencias de diseños similares anteriores. Es posible crear un dispositivo que sea único en sus características, superando significativamente todos los diseños existentes. Es realista construir una instalación de altavoces con una capacidad de 10 kilovatios acústicos, con parámetros de calidad de señal acordes con los mejores ejemplos de potentes sistemas acústicos electrodinámicos. Además, resulta ser bastante compacto: es muy posible colocarlo en un chasis de carga, vehículo todoterreno o en un helicóptero, y al mismo tiempo sonar territorios enormes. En condiciones favorables, este altavoz se escuchará en voz alta a una distancia de 8 km y más.Los clientes potenciales de un producto de este tipo son organizaciones serias. Este es principalmente el Ministerio de Situaciones de Emergencia: el producto se puede utilizar para organizar actividades de búsqueda y rescate, para alertar a la población sobre situaciones especiales. Ministerio del Interior: se usa para influir en la multitud durante los disturbios en las calles. MO - propaganda en las tropas enemigas a través de la línea del frente durante la guerra, imitación del ruido del equipo militar para desinformar al enemigo.
El aspecto del prestigio internacional también es importante: la Federación de Rusia se convertirá en el país donde se construirán los altavoces más potentes del mundo.
La electrónica de potencia está progresando ahora a un ritmo tremendo. Durante unos veinte años, los dispositivos electrónicos para controlar cargas eléctricas potentes (motores eléctricos, calentadores, etc.) han pasado de ser un producto exótico caro y poco confiable a productos que realmente funcionan con capacidades de cientos de kilovatios.
En todos estos dispositivos: convertidores de frecuencia, arrancadores suaves para motores eléctricos, controladores de potencia, etc., el método de modulación por ancho de pulso (PWM) se usa ampliamente. La esencia de este método es bastante simple: el elemento regulador del tiristor o transistor no tiene estados intermedios, está completamente abierto o completamente cerrado (esto es extremadamente beneficioso desde el punto de vista energético). Cierre: la apertura se produce con una frecuencia de varios órdenes de magnitud superior a la frecuencia de cambio de la variable controlada. La cantidad de energía producida por dicho regulador es directamente proporcional al tiempo abierto o al ancho de pulso abierto del dispositivo electrónico del regulador.
Estoy seguro de que el método de modulación por ancho de pulso se puede aplicar con éxito en un nuevo diseño de altavoz neumático. Propongo abandonar el método de modular la corriente de aire con una señal continua de baja frecuencia. Se propone aplicar el principio de modulación por ancho de pulso - PWM en un altavoz neumático.
Sugiero aplicar PWM al control del flujo de aire en un altavoz neumático. Con PWM, el tiempo de los procesos transitorios al abrir - cerrar el flujo de aire tiende a cero. En consecuencia, el ruido intrínseco de dicho altavoz se reduce drásticamente. Las distorsiones no lineales también deben reducirse significativamente, ya que en este caso la función de las ondas de presión de aire no es el caudal, sino el tiempo del estado abierto del canal, y esta dependencia es lineal.
En la práctica, dicho altavoz se puede realizar, por ejemplo, alterando radicalmente la sirena Seebeck conocida desde hace mucho tiempo. O de alguna otra forma. Lo principal es poder controlar la duración de los pulsos de presión de aire de acuerdo con las vibraciones sonoras. Durante el funcionamiento del dispositivo, inevitablemente se forman vibraciones ultrasónicas parásitas, que pueden ser suprimidas por filtros acústicos especiales de baja frecuencia basados en resonadores Heimholtz. La capacidad del dispositivo estará limitada solo por la capacidad de la unidad del compresor, la resistencia mecánica del dispositivo modulador y la seguridad para el medio ambiente.
Esta versión de un altavoz neumático de alta potencia ha sido bien pensada por mí y para este diseño he presentado una patente de invención RU No. 2653089.
Lo veo prometedor, también otra forma de mejorar el diseño de un altavoz neumático. Es decir, los codificadores de voz de paso de banda se han utilizado durante mucho tiempo en la tecnología de codificación de voz.
En un codificador de voz de paso de banda típico, la señal de voz original es analizada por un banco de filtros de paso de banda, típicamente 16-25, superponiendo de manera no uniforme el rango esencial para la percepción del habla (típicamente 0 a 3 kHz). Las oscilaciones en las salidas de los filtros de paso de banda se detectan y pasan a través del filtro de paso bajo, cuyas señales de salida representan en un grado u otro la envolvente del espectro de voz. Los parámetros que caracterizan la fuente de excitación se obtienen utilizando un detector de tono a ruido que determina si el sonido es sonoro (las cuerdas vocales vibran) o sordo. En el primer caso, el selector de tono principal determina la frecuencia básica de vibración de los ligamentos. Las señales de dieciséis canales, la señal de tono a ruido y el valor de tono se codifican y transmiten por el canal de comunicación al receptor.
Supongamos que la transferencia está libre de errores. Entonces, la tarea del receptor se reduce a la reconstrucción del habla basada en los parámetros transmitidos. La fuente de excitación es un generador de impulsos, cuya frecuencia está sincronizada mediante una señal, o un generador de ruido. Dependiendo de la señal tono-ruido, uno de ellos se conecta a un banco de filtros, idénticos a los del analizador, y los excita. Las señales de envolvente espectral detectadas se utilizan para modular las oscilaciones en las salidas de los filtros de paso de banda correspondientes, creando así potencia de sonido en cada una de las bandas de frecuencia. La señal de voz sintetizada se obtiene después de la suma de todas las oscilaciones de paso de banda moduladas; este es, en resumen, el principio de funcionamiento de un codificador de voz de paso de banda.
Cuando se aplica a un altavoz neumático, es muy posible implementar su funcionamiento según el principio de la parte receptora de un codificador de voz de paso de banda. A saber: como fuente de armónicos, puede utilizar una sirena Seebeck multifrecuencia especialmente modificada. Utilice un generador de ruido acústico neumático especialmente diseñado o la misma sirena multifrecuencia Seebeck como fuente de señal de ruido. Los filtros acústicos de paso de banda se pueden implementar basados en resonadores acústicos de Heimholtz. Para formar la respuesta de frecuencia deseada del sistema de filtro, puede utilizar válvulas neumáticas de alta velocidad controladas por componentes electrónicos.
Entonces, en términos generales, veo las formas en las que es necesario mejorar el diseño de un altavoz neumático.
Traté de implementar mi idea por mi cuenta, pero de inmediato detuve estos intentos. Se obtiene un producto muy complejo y costoso, una persona no puede hacerlo. He pensado el diseño a nivel de diagramas de flujo y bocetos. No puedo calcular y llevar al nivel de dibujos decentes solo, para esto no tengo suficientes conocimientos especiales, esfuerzo y tiempo. Pero tengo una buena idea de cómo se verá el producto y veo en qué dirección debe hacerse el trabajo. Necesitamos actividades de investigación y desarrollo persistentes y con propósito. Necesitamos un equipo pequeño pero fuerte y eficiente.
Requerido: ingeniero práctico, especialista en acústica, buen programador que pueda escribir programas de análisis - síntesis de señales de sonido, ingeniero de circuitos electrónicos, ingeniero - especialista en codificación y reconocimiento de voz, ingeniero mecánico, especialista en los últimos materiales compuestos y es posible que aún necesite personas ...
Me repetiré: el dispositivo que propuse es algo nuevo y complejo. Complejo porque contiene tanto mecánica de precisión como electrónica inteligente, y también tiene varias piezas que deberán fabricarse con los últimos materiales compuestos. Y como todo lo nuevo, su creación probablemente tendrá que enfrentarse a dificultades imprevistas. Por lo tanto, para construir un prototipo, es necesario realizar un trabajo complejo de investigación y desarrollo. Se necesitarán algunos recursos financieros y humanos. No podré calcular exactamente cuánto se necesita, debido al alto grado de novedad, existe un alto riesgo de problemas imprevistos durante la implementación de este proyecto. Soy un inventor solitario. Me comuniqué con muchas organizaciones interesadas, pero en respuesta, ya sea en silencio o con condescendencia, aprobando las respuestas. Me alegraré sinceramente,si entre los lectores del canal hay personas que gestionan las actividades de los burós de diseño que desarrollan productos electrónicos y mecánicos complejos, de alta tecnología, de perfil aeroespacial, o cercano a este. Y estarán interesados en esta dirección. Este temami sitio también está dedicado .
Saludos cordiales, Igor Zharikov pentagrid88@yandex.ru