كاشف الخفافيش بالموجات فوق الصوتية

أقل الخفافيش حدوة حصان



يصف هذا المشروع إنشاء ما يسمى ب. كاشف الخفافيش - جهاز يسمح لك بسماع وتسجيل الأصوات الصادرة عن الخفافيش. ربما تعلم أن الخفافيش تصدر الموجات فوق الصوتية لتحديد الموقع بالصدى. تردد هذه الأصوات خارج النطاق الذي يمكن أن تتصوره الأذن البشرية ، لذلك لا يمكن سماعها مباشرة. يستخدم كاشف الخفافيش ميكروفونًا خاصًا قادرًا على التقاط هذه الأصوات عالية التردد وتحويلها إلى صوت يقع ضمن النطاق المسموع.



هناك ثلاثة أنواع من أجهزة كشف الخفافيش . بنفسي لقد صنعت غير متجانسةكاشف. عيبه أنه يجعل من الصعب تمييز أنواع مختلفة من الخفافيش عند مقارنتها بتسجيل الأصوات عالية التردد. سأشرح لاحقًا كيف يعمل كاشف التغاير ، ولكن دعونا أولاً ننظر إلى الميكروفون اللازم لتسجيل الموجات فوق الصوتية.



عند اختيار ميكروفون ، فكرت في البداية في خيارين:

- ميكروفون كهربائي - كل ما وجدته ، وفقًا للوثائق ، يعمل فقط في النطاق من 10 إلى 20 كيلو هرتز ، ولكن إذا كنت تعتقد أن بعض الموارد ، فإن بعض أنواعها تدرك أيضًا الموجات فوق الصوتية إلى حد ما. ومع ذلك ، نظرًا لأن الأوصاف الرسمية الخاصة بهم لا تحدد ذلك ، فسوف يتطلب الأمر الكثير من التجربة والخطأ لتصفح العلامات التجارية المختلفة وتجربتها. لذا فقد تخليت عن هذا النوع من الميكروفونات.

- مجسات كهرضغطية... فهي ، على سبيل المثال ، موجودة في أجهزة تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية الشهيرة HC-SR04 ، والتي تتوفر في كل مكان ورخيصة. الجانب السلبي لديهم هو أن حساسيتهم قريبة جدًا من تردد الرنين ، في مكان ما حول 40 كيلو هرتز. وعند الابتعاد عن هذا التردد تنخفض الحساسية بشكل حاد. لذا فهم لا يتناسبون أيضًا.



بدلاً من ذلك ، انتهى بي المطاف بالعثور على ميكروفون Knowles SPU0410LR5H ، وهو ميكروفون من نوع MEMS... وفقًا للمواصفات ، يحتوي هذا الميكروفون على منحنى استجابة مسطح إلى حد ما في جميع الترددات التي تصل إلى 80 كيلو هرتز ، لذا فهو مناسب جدًا لهذا المشروع. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي على مضخم داخلي عالي S / N. العيب الرئيسي لهذا الميكروفون هو أن غلافه غير مخصص للمشروعات محلية الصنع. إنها صغيرة (3.76 × 3 مم!) ، وملامساتها داخل العلبة. لقد بحثت في الإنترنت ، ووجدت صفحة المستخدم hackaday.io Alan Greenالذي استخدم هذا الميكروفون أيضًا في مشروعه. لقد توصل إلى فكرة جيدة لإنشاء لوحة خاصة لهذا الميكروفون ، بحيث يمكن لحامه يدويًا. المفتاح هو إطالة الوسادات بحيث تخرج من المكون. أخذت هذه الفكرة وصممت لوحة صغيرة لميكروفون ومكبر صوت مزدوج. يوفر الأخير أرضية افتراضية (بنصف جهد الإمداد) ، بالإضافة إلى مرحلة مكبر للصوت 20 ديسيبل (أي 10 مرات). في البداية كنت متشككًا بشأن لحام هذا الميكروفون يدويًا ، لكن كل شيء سار بشكل جيد - جميع اللوحات الستة التي قمت بلحامها نجحت. لقد سجلت مقطع فيديو للحام للتوضيح. يتم تصميم لوحات أيضا العام .



















لنبدأ في شرح مبدأ تشغيل كاشف الخفافيش غير المتجانسة. لنبدأ بالنظر في الإشارات التي تصدرها الفئران. يمكن نمذجتها على أنها إشارة تردد الموجات فوق الصوتية بتضمين اتساع الإشارة وإشارة الغلاف مثل "الزقزقة" القصيرة هي الإشارة (إشارة مع تعديل التردد الخطي ).







في الرسم التخطيطي بالموجات فوق الصوتية ، يظهر الناقل باللون الأحمر ، ويظهر مظروف الزقزقة باللون الأخضر ، ويظهر المجموع الكلي باللون الأزرق. لترجمة الإشارة إلى النطاق المسموع للإنسان ، تحتاج إلى تحويلها للحفاظ على الغلاف (غرد) ، وتعديله بإشارة ناقل بتردد أقل (على سبيل المثال ، في نطاق 1-5 كيلو هرتز). كيف احقق هذا؟



لفهم كيف يتم ذلك من وجهة نظر رياضية ، نستخدمالهويات المثلثية المعروفة :



2sin (x) ⋅sin (y) = cos (x - y) −cos (x + y)

2cos (x) ⋅cos (y) = cos (x - y) + cos (x + y)

2sin (x) ⋅cos (y) = sin (x - y) + sin (x + y)

2cos (x) ⋅sin (y) = - sin (x - y) + sin (x + y)



إذا أخذنا إشارة نموذج من الخفافيش، ويمكن أن تكون على غرار ما يلي:



الناقل (ر) = الخطيئة (2πf _ج ر)

غرد (ر) = الخطيئة (2πf _غرد ر)

الخفافيش (ر) = الناقل (ر) ⋅chirp (ر)



حيث هو التردد بالموجات فوق الصوتية الناقل - f _c ، وتردد إشارة الزقزقة - f _chirp . في هذا المثال ، افترض أن:



f _c = 40 kHz

f _chirp = 1 kHz



بتطبيق الهويات المثلثية ، نحصل على:



الخفافيش (ر) = الخطيئة (2πf _ج ر) ⋅sin (2πf _غرد ر) = 1/2 كوس (2π (و _ج -f _غرد ) ر) - 1/2 كوس (2π (و _ج + F _غرد ) ر)



تتكون الإشارة المعدلة من ترددين متناظرين حول تردد الموجة الحاملة ، في هذا المثال



40 كيلوهرتز - 1 كيلوهرتز = 39 كيلوهرتز

40 كيلوهرتز + 1 كيلوهرتز = 41 كيلوهرتز



هذا هو النطاق الأدنى LSB والنطاق الجانبي العلوي لـ USB :



f _LSB = f _c −f _غرد

f _USB = f _c + f _chirp



يمكننا الآن استخدام نفس المبدأ لتحويل إشارة الماوس إلى تردد صوتي أقل. للقيام بذلك ، تحتاج إلى مضاعفة الإشارة بتردد مولد LO المحلي - هذا هو الفرق بين تردد الموجة الحاملة للإشارة وتردد الموجة الحاملة المطلوب (في حالتنا ، التردد المسموع الذي نود سماع صرخات الخفافيش عنده). هذه التقنية تسمى التغاير ، في مثالنا ، لنفترض أننا نريد سماع صراخ الفئران بتردد 5 كيلو هرتز ، وهو أمر مسموع بوضوح للإنسان. ثم:



f _الهدف = 5 kHz

f _LO = f _c −f _target = 35 kHz

LO (t) = sin (2πf _LO t)



بتجميعها معًا ، يمكننا إعادة كتابة شروط المعادلات باستخدام المتطابقات المثلثية:



bat (t) ⋅LO (t) = (1/2 cos (2πf _LSB t) −1/2 cos (2πf _USB t)) ⋅sin (2πfLOt)

= 1 / 2cos (2πf _LSB ر) ⋅sin (2πf _LO ر) - 1 / 2cos (2πf _USB ر) ⋅sin (2πf _LO ر)

= 1/4 (الخطيئة (2π (و _LO -f _LSB ) ر) + الخطيئة (2π (f _LO + f _LSB ) t) - الخطيئة (2π (f _LO −f _USB ) t) - الخطيئة (2π (f _LO + f _USB ) t))



(مع الأخذ في الاعتبار أن الخطيئة (−x) = - الخطيئة (x)) ،



= 1/2 (−1 / 2sin (2π (f _LSB −f _LO) t) + 1 / 2sin (2π (f _USB −f _LO ) t) + 1 / 2sin (2π (f _LSB + f _LO ) t) - 1/2sin (2π (f _USB + f _LO ) t))

= 1/2 (−1 / 2sin (2π (fc - f _LO -f _chirp ) t) + 1 / 2sin (2π (fc - f _LO + f _chirp ) t) + 1/2sin (2π (fc + f _LO - و _غرد ) ر) - 1 / 2sin (2π (FC + و _LO + و _غرد ) ر))

= 1 / 2cos (2πf _{استهداف} ر) ⋅sin (2πf _غرد ر) + 1 / 2cos (2πf ₂ ر) ⋅sin (2πf _غرد ر)



ويمكن أن يرى أن الفصل الدراسي الأول، كوس (2πf _الهدف ر) ⋅sin (2πf_chirp t) هو بالضبط ما نريده ، مغلف chirp معدّل بتردد مسموع يبلغ 5 كيلوهرتز. المصطلح الثاني هو مرة أخرى إشارة غرد مشكّلة عند تردد أعلى ، f ₂ = f _c + f _LO ، في هذه الحالة 75 kHz. المكون الثاني خارج النطاق المسموع ويمكن قطعه بسهولة بواسطة مرشح التمرير العالي في دائرة جهاز الكشف عن الخفافيش.



الآن بعد أن أصبح لدينا فهم نظري لكيفية استخدام مبدأ التغاير لبناء كاشف الخفافيش - كيف نضعه موضع التنفيذ؟ الشيء الرئيسي هو مضاعفة إشارة الإدخال بواسطة إشارة LO ، والتي ليس من السهل القيام بها في الإلكترونيات العملية. توجد دوائر لعمليات الضرب التناظري (على سبيل المثال ، خلية جيلبرت) ، ويمكننا استخدام IC مناسب (مثل NE612 ) بالتزامن مع مولد موجة جيبية (على سبيل المثال ، مولد جسر Wien ). ومع ذلك ، سيكون مثل هذا الحل صعبًا ، وتكون الدوائر المتكاملة الخاصة بالضرب التناظري مثل NE612 أو ما شابه ذلك نادرة ومكلفة.



اتضح أن هناك خيارًا أبسط ، ويمكن تجميعه من مكونات قياسية مشتركة. يمكننا تجميع خلاط التردد مع التبديل التناظري. في حين أن هذا ليس خلاطًا مثاليًا لأنه لا يضاعف في الواقع كلتا الإشارتين ، فسنرى قريبًا أنه لا يزال يعمل بشكل جيد.



الآن ، دعنا نلقي نظرة على الرسوم البيانية ونحاول معرفة كيفية عملها.







على اليسار في الرسم التخطيطي ، يتم تغذية خرج الميكروفون إلى مرشح LC عالي التمرير من الدرجة الثانية ، والذي يزيل الترددات المسموعة التي تقل عن 20 كيلو هرتز ، ويسمح فقط للموجات فوق الصوتية بالمرور (لأن هذا هو ما نحتاجه). المقاومة R1 ، الموازية للمحث ، مطلوبة - إنها تخفف الرنين.



بعد مرشح التمرير العالي ، تصل الإشارة إلى مرحلتين من مضخمات التشغيل ، مع معاملات 1 و -1 (أي أنها تعكس الإشارة). لدينا الآن إشارة الفأرة ونظيرتها المقلوبة.



في الجزء السفلي الأيسر من الرسم البياني ، يمكنك التعرف على هزاز متعدد ثنائي الاستقرار باستخدام IC 555 الشهير... يمكن لمقياس الجهد P1 مراقبة الدائرة بأكملها وإنشاء موجة مربعة مع دورة عمل بنسبة 50 ٪ تقريبًا وتردد متغير من 20 كيلو هرتز إلى 400 كيلو هرتز. في حالتنا هذه ، ستكون إشارة المذبذب المحلي LO ، ولكن على عكس نموذجنا الرياضي ، هذه الموجة مربعة وليست جيبية. تأتي إشارة LO إلى مرحلة الانعكاس ، والتي تتكون من مفتاح تناظري U3D ومقاوم R6. هنا يتم استخدام المفتاح التناظري كعاكس رقمي ، وبما أن CD4066 IC به 4 مفاتيح تناظرية ، فلدينا مفتاحان احتياطيان ، أحدهما يمكن استخدامه كعاكس ، وحفظه على المكونات. إنه يعمل ببساطة: إذا كانت إشارة LO منخفضة ، يكون المفتاح مفتوحًا ، ويقوم R6 بسحب إشارة الخرج من المفتاح لأعلى. إذا كانت الإشارة عالية ، يتم إغلاق المفتاح ويتم توصيل الإخراج من المفتاح بالأرض. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على إشارة معكوسة.$$$\overline{LO}$...



الآن دعونا نلقي نظرة على جزء الدائرة المسمى "الخلاط المتوازن". يتم تغذية إشارة الماوس غير المقلوبة إلى مفتاح تمثيلي يتحكم في إشارة LO. يتم تغذية الإشارة المعكوسة إلى مفتاح آخر يتحكم في الإشارة$$$\overline{LO}$... نواتج المفاتيح متصلة. ماذا يفعل هذا الجزء من الدائرة؟



لنفكر في الحالة التي تكون فيها إشارة LO 0 (منخفضة) وبالتالي الإشارة$$$\overline{LO}$1 (مرتفع). في هذه الحالة ، يتم إغلاق المفتاح السفلي U3B والمفتاح العلوي U3A مفتوح. وبالتالي ، تمر إشارة فأرة معكوسة. في الحالة المعاكسة ، عندما تكون إشارة LO 1 (عالية) ، وبالتالي تكون الإشارة$$$\overline{LO}$0 (منخفض). ، المفتاح السفلي U3B مفتوح ويتم إغلاق U3A العلوي. ثم تمر الإشارة غير المقلوبة. تذكر أن هذا التبديل يحدث بتردد f _LO تحدده حلقة المؤقت 555.



هل يمكن تصميم هذا السلوك رياضيًا؟ بشكل أساسي ، تقوم دائرة الخلاط هذه بضرب الإشارة بموجة مربعة تقوم بالتبديل بين +1 و -1. هذا يعادل تبديل إشارة الخرج بين معكوسة وغير معكوسة. مثل هذه الموجة (دعنا نسميها r (t)) يمكن وصفها بما يسمى. مع وظيفة العلامة (x):

$$

$$r(t):=sign(sin(2πft)), \; \; sign(x)= \begin{cases} 1 &\text{x >= 0} \\ -1 &\text{x < 0} \end{cases}$$

لذلك ، عند إخراج الخلاط ، نحصل على منتج الخفافيش (t) ⋅r (t). في حد ذاته ، هذا لا يفسر أي شيء حتى الآن - لفهم كيفية حدوث اختلاط التردد ، نحتاج إلى تطبيق سحر رياضي يسمى توسع سلسلة فورييه. سأوفر لك الاستنتاج وأعطيك النتيجة على الفور. في الواقع ، باستخدام سلسلة فورييه ، يمكنك إظهار ما يلي:







إذاً تتكون الموجة المربعة + 1 / -1 من مجموعة لا نهائية من أشباه الجيوب مع تردد أساسي f _LO وعواملها الفردية. ماذا يتبع من هذا؟ إذا تجاهلت الثابت 4 / π ، يمكنك أن ترى أن r (t) هو مجموع LO (t) والترددات الإضافية الأخرى الأعلى LO ₃ (t) ، LO ₅ (t) ، وهكذا. من الحسابات السابقة أوضحنا ما يلي:







لذلك يمكن حساب ما يلي:







ونحن نرى مرة أخرى أن الفصل الدراسي الأول 2 / π كوس (2πf _الهدف ر) ⋅sin (2π و _غرد ر) هو ما نريد، ولكن مع دينا الكمال التناظرية للتحويل خلاط نحن في نهاية المطاف مع مجموعة من الشروط غير الضرورية الأخرى. ومع ذلك، كل من هذه المكونات غير الضرورية تردد ديك ترددات أعلى بكثير مما لدينا هدف و _الهدف . ولذلك، يمكننا استخدام فلتر تمريرة عالية للقضاء على هذه المكونات، والحصول على إشارة النهائية يساوي تقريبا 2 / π كوس (2π و _الهدف ر) ⋅sin (2π و _غرد ر).



إذا عدنا إلى الدائرة ، فإن الإخراج من الخلاط يأتي إلى مرحلة المخزن المؤقت ، ثم إلى مرشح RC منخفض التمرير بتردد اقتران يبلغ ~ 7 كيلو هرتز. توفر مرحلة التضخيم الأخيرة كسبًا قابلًا للتعديل وتعمل كمحرك إخراج (على سبيل المثال ، سماعات الرأس).



لفهم كيفية عمل خلط التردد بشكل أفضل ، قمت بعمل محاكي دائرة في LTSpice . يمكنك تنزيل ملفات المحاكاة واللعب بها.



بضع ملاحظات على المكونات. كنت أرغب في تشغيل الدائرة بأكملها بواسطة بطارية ليثيوم أيون واحدة لأن لدي مجموعة منهم من الهواتف القديمة وما شابه. لذلك ، يجب أن تعمل الدائرة بأكملها مع مصدر طاقة من 3 إلى 4 فولت. لذلك ، يجب تحديد المؤقت 555 والمفتاح التناظري 4066 على أنهما CMOS - وهما يعملان بالفعل عند 3 فولت. لقد استخدمت CD4066B و ILC555. يجب أن يعمل جهاز op-amp رباعي أيضًا بجهد منخفض ؛ اخترت MCP6004 الذي أستخدمه كثيرًا.



لم أضع السبورة ، لقد قمت بلحام كل شيء على اللوح. إذا كنت ترغب في إنشاء جهازك الخاص بلوحة ، فقم بتنزيل الرسم التخطيطي لـ KiCAD... لقد قمت بطباعة علبة الجهاز والمقابض لضبط مستوى الصوت والتردد على طابعة ثلاثية الأبعاد. يتم تشغيل الطاقة تلقائيًا عند إدخال سماعات الرأس في المقبس. مؤشر LED أحمر وامض يشير إلى التشغيل. توجد لوحة الميكروفون داخل العلبة خلف فتحة صغيرة (في الصورة على اليمين).







لمعايرة مقياس التردد ، قمت بفحص خرج 555 على مرسمة الذبذبات وقمت بتمييز الترددات على العلبة. ثم رسمت المقياس على الكمبيوتر وقمت بطباعته.



وهذا ما كنا ننتظره جميعًا. كيف يبدو صوت صراخ الخفافيش على جهاز الكشف؟ أقدم لكم تسجيلًا لقطعة واحدة قمت بتسجيلها في حوالي الساعة 10 مساءً عندما رأيت LM وهي تطير بجوار فانوس في الحديقة. يتم ضبط التردد على 40-45 كيلو هرتز.







لتسجيل الصوت ، حملت هاتفي الذكي بجوار سماعات الرأس الخاصة بالكاشف ، لكن بدا الأمر سخيفًا للغاية ، لذلك قررت البحث عن خيار أفضل. اتضح أن معظم الهواتف الذكية بها مدخل ميكروفون في مقبس سماعة الرأس - ما عليك سوى استخدام دبوس مقاس 3.5 مم مع 4 جهات اتصال. لذلك ، قمت بتطوير محول يسمح للكاشف بالاتصال بإدخال الميكروفون في الهاتف الذكي وسماعات الرأس بمخرج سماعة رأس الهاتف الذكي. لكي يتعرف الهاتف الذكي على أن الميكروفون متصل به ، يلزم وجود مقاوم 2.2 كيلو أوم ، ومكثف 3.3 ميكرو فاراد لفصل الإشارة.











كان علي أيضًا البحث عن تطبيق يمكنه تسجيل الصوت وتشغيله في نفس الوقت حتى أتمكن من الاستماع إلى الأصوات المسجلة في الوقت الفعلي. كنت سعيدًا بتطبيق RecForge II ، على الرغم من وجود تطبيقات أخرى على الأرجح.



إذا كنت ترغب في تجميع كاشف غير متجانس LM بنفسك وتحتاج إلى ميكروفون MEMS بالموجات فوق الصوتية جاهز على متن الطائرة ، يمكنك العثور عليه هنا:

• متجر ELV
• متجر MicBooster

لا يوجد جهاز op-amp على هذه اللوحات ، لذا ستحتاج إلى إنشاء واحدة أيضًا. سيكون من السهل العثور على باقي المكونات في متجرك المفضل.

أنظر أيضا:

• " نقل الصوت عن طريق تعديل السعة بالموجات فوق الصوتية "
• " الوحدة النمطية لجهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية تحت الماء "