简 介： 本文根据 Turning Sound to a Laser 编程本文，应用于信号与系统课程补充材料。 中间给出的APPLE脚本，使其可以方便转换成视频。

关键词： 超声波，调制，解调，信号与系统

 

§01 声音定向

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1.1 背景介绍

  这是在 YOUTUBE上看到的一个3分钟的短片： Turning Sound Into a Laser 介绍了一个利用超声波阵列制作的定向声音的作品演示。之所以对这个话题感兴趣，因为：

• 这个话题中覆盖有 系统的非线性可以将高频调制的声音进行解调；

Abstract by Author: Using non-linear acoustics, I’m able to focus audible sound like a laser. I go over some basic principals of operation, how I designed the circuit, and how you can build your own. Circuit Diagram

• **Is it Possible to Make Hypersonic sound? Ultrasonic Sound Lasers and Lenses **

▲ 图1.1.1 解释如何利用气球把声音激光聚焦

• SonicSurface: DIY ultrasonic phased array for levitation, haptics, and directive audio

Do you want to build an integrated 256-channels ultrasonic array? It can be used for acoustic levitation, haptic feedback, directional audio and other cool ideas that you have in mind. We show example applications and how to assemble the array.

 

§02 APPLE脚本

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  今天在Youtube看到一个短片， 作者Code Parade展示了一个他自己制作的超声波阵列装置， 用于传递普通声音。

▲ 图2.1 Youtube视频短片

  这个短片具有近50万的播放量， 讨论区引起了很多人的讨论。

  之所以对这个短片感兴趣，是因为其中涉及到信号的调制与解调、 非线性系统等内容， 可以给信号与系统课程中同学作为辅导材料。

▲ 图2.2 这个短片将近有50万播放量

2.1 Ask：提出问题

   CodeParade 一开始从声音和光都是一种波谈起。

  如果你上完初中就会知道： 光和声音都是一种波。 光可以像灯泡的光那样四处发散， 也可以像激光哪样定向传播。

▲ 图2.3 光和声音都是波？

  那么，是否声音也可以像激光哪样集中定向传播呢？ 答案令人吃惊：是的。

▲ 图2.4 声波是否也能完全定向？

  下面作者向大家展示他制作的超声波阵列， 并引出了下面原理解释。

▲ 图2.1.3 声音阵列

2.2 Principle：波传播原理

  Parade 首先借助于波通过小孔的衍射， 对比了低频和高频衍射模式， 得出高频波通过小孔后传播更加集中的结论。

   当然他所引出的这个解释有点牵强了。

▲ 图2.2.1 波通过小孔发生衍射

  由此，引出如果想要把声音向激光哪样定向发射， 也需要使用高频声音。

▲ 图2.2.2 声音频率越高，越集中

  作者还通过一张图显示了不同频率的声波的应用范围。 从次声波、普通声波一直到超声波， 各自具有不同的性质。

▲ 图2.2.3 不同频率的声音与不同的应用

  下面是重点啦！ 这也是为什么我需要将这个短片介绍给学习信号与系统同学们的原因。

  原视频作者 Parade讲到声波在空气中传播时， 如果频率非常高或者幅度非常大， 都会出现非线性现象。 借助这个现象可以实现声音信号的调制与解调。

▲ 图2.2.5 高频大幅度的声波传送中具有非线性

  关于信号调制与解调的内容， 是信号与系统课程中频谱分析技术的重要话题。

▲ 图2.2.5 课堂教学中频谱分析应用

  现在是2022年春季学期的第五周， 两周后便开始讲授信号的调制与解调， 所以提前将这个话题发送给同学们进行预热一下。

▲ 图2.2.6 2022年春季学期课程中的学生

  把普通的声音频率转换成高频声音信号， 采用调频的方式， 这一点与我调频广播的 原理相同。 通过调频可以将普通声音，从原来小于几千赫兹频段， 搬移到几十千兹频段， 从而可以通过超声波发生器进行定向传送。

▲ 图2.2.7 把声音通过对高频信号进行调频

2.3 Practice：实现过程

  作者为了解决单个超声波发射器功率小的问题， 采用了33个超声波发射器排成平面阵列的形式。

  我认为采用超声波阵列也可以利用波的相干性， 让发送波束更加集中。

▲ 图2.3.1 超声发射阵列

  声音高频调制电路十分简洁， 利用了定时器集成电路555构建成信号调制电路。 功率输出采用了 电机功率驱动H桥集成芯片L293 。

▲ 图2.3.2 工作电路原理图

2.3.1 555电路工作频率

下面给出555电路工作频率计算公式。电路中与振荡频率相关的阻容器件为： $R_1=2k,R_2=100k,C_1=160pF$ 。那么对应的频率为： $$f=\frac{1.44}{\left(R_1+2R_2\right)\cdot C}$$

  下图给出了555定时器集成电路内部结构， 外围电阻电容与555构成了多谐振荡电路。

▲ 图2.3.3 555定时器IC内部结构

  这是555定时器振荡电路的工作频率， 与外围电阻电容之间的关系。

▲ 图2.3.4 555定时器工作频率

  根据实际电路中电子器件取值， 可以计算出超声波电路中心频率为：44.554kHz。 这个频率满足大多数超声波传感器工作频率范围。

  电路中功率电路的电源电压采用12V。

▲ 图2.3.5 信号调制与功率输出电路

2.3.2 对于电路的疑问

  看到视频作者给出的电路图， 我有两个疑问：

  第一个疑问是，L293是一个具有四个半桥集成芯片， 实际上可以形成两个全桥驱动输出。 但原作者只是用了其中的一个半桥， 这样就会使实际输出电压幅值降低一半， 实际功率输出下降了四倍。

  如果利用完整H桥可以提高发射超声波功率。

▲ 图2.3.6 功率电路为四个半桥

  第二个疑问是看到使用电机驱动功率芯片L293， 担心这个芯片输出频率响应不够。 下面是L293数据手册中给出的输出开关特性。 它输出方波上升沿沿和下降沿在300ns左右， 所以还是能够满足超声波44kHz的输出频率要求的。

▲ 图2.3.7 L293的动态特性

2.3.3 电路搭建

  电路是如此简单，视频作者就直接在面包板上搭建了超声波调制电路, 并将电路放置在超声波阵列背后。

▲ 图2.3.8 在面包板上搭建的电路

  面包板上的实验电路中， 显示作者使用的是556 双定时器集成电路。 那颗电源电解电容似乎已经老化的很厉害了。

▲ 图2.3.9 面包板上的电路

2.3.4 测试实际效果

  下面是定向超声听起来的效果。 当你正对着超声波阵列时可以听到声音， 在旁边就没有声音了。 定向传播效果是非常明显的。

  由于拍摄视频的手机对声音收录效果不佳， 实际上现场人耳听起来的超声波中的调制音乐还是非常保真的。

▲ 图2.3.10 测试过程
▲ 图2.3.11 测试过程

  超声波可以在任何物体表面进行解调。 当发射板对准墙壁， 超声波就在墙壁上还原成普通声音， 听起来声音来自于对准的墙壁和天花板。

▲ 图2.3.12 声音可以在任何物体表面进行解调

  如果将超声阵列对准一个人发射， 此人会听到声音。 旁边的人听到解调的声音， 仿佛来自被超声照射的人一样。

  如果将声音调小一点， 则只有被照射的人能够听到声音， 旁边的人就听不到散射的声响了。

▲ 图2.3.13 声音对准一个人，别人可以在旁边听到她头上解调的声音

  这种超声激光还有一个特点， 那就是很容易被遮挡。 在声音传播的途径上， 一张普通的白纸就可以完全把超声波遮挡住。

▲ 图2.3.14 声音很容易被遮挡

2.4 Linkage：与课程知识联系

  这个段视频所展示的内容包括有以下两部分内容， 值得大家运用信号与系统课程中的相关原理进行思考。

▲ 图2.3 光和声音都是波？

  第一部分是关于信号的调幅与调频的基本概念， 经过调制之后，信号的频谱发生了搬移。

▲ 图2.4.2 信号的调幅与调频

  第二部分是关于信号解调的过程， 这是利用的空气与物体表面在声波激励下的非线性。 如果这个过程是线性的， 那么超声波中的高频信号是无法被解调到低频声音信号的。

▲ 图2.4.3 声音可视化过程

2.5 Exercise：课后练习

2.5.1 搭建该电路

  这个作品的内容很简单， 但体验效果确实非常令人震撼。 你们可以亲自按照视频中的方法搭建一个测试一下。 也许你可以拿它玩上一整天呢。

▲ 图2.4.1 制作这个作品

  我现在已经准备好了超声波传感器， 准备在课堂上展示一下实际的效果。

▲ 图2.5.2 我现在已经准备好了超声波传感器

2.5.2 电路调制原理

  对于电路中利用555定时集成电路实现信号调制电路， 也许你需要再仔细思考一下它的工作原理。

▲ 图2.5.3 555集成电路

  是否这个电路输出的信号是严格的调频？ 它的占空比是否也发生了变化？

▲ 图2.5.4 555集成电路工作原理

超声牵引波束

  在 Sonic Tractor Beam Demonstration - YouTube 观看Bruce Drinkwater 教授关于超声牵引波束相关演示。 思考其背后的工作原理。

▲ 图2.5.5 超声牵引波束演示

▲ 图2.5.6 这个装置的演示非常困难

 

※ 总  结 ※

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  本文根据 Turning Sound to a Laser 编程本文，应用于信号与系统课程补充材料。 中间给出的APPLE脚本，使其可以方便转换成视频。

▲ 图2.5.7 激光被反射后的图像

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■ 相关文献链接:

• Turning Sound Into a Laser
• Is it Possible to Make Hypersonic sound? Ultrasonic Sound Lasers and Lenses
• SonicSurface: DIY ultrasonic phased array for levitation, haptics, and directive audio
• 电机功率驱动H桥集成芯片L293
• Sonic Tractor Beam Demonstration - YouTube

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 解释如何利用气球把声音激光聚焦
• 图2.1 Youtube视频短片
• 图2.2 这个短片将近有50万播放量
• 图2.3 光和声音都是波
• 图2.4 声波是否也能完全定向？
• 图2.1.3 声音阵列
• 图2.2.1 波通过小孔发生衍射
• 图2.2.2 声音频率越高，越集中
• 图2.2.3 不同频率的声音与不同的应用
• 图2.2.5 高频大幅度的声波传送中具有非线性
• 图2.2.5 课堂教学中频谱分析应用
• 图2.2.6 2022年春季学期课程中的学生
• 图2.2.7 把声音通过对高频信号进行调频
• 图2.3.1 超声发射阵列
• 图2.3.2 工作电路原理图
• 图2.3.3 555定时器IC内部结构
• 图2.3.4 555定时器工作频率
• 图2.3.5 信号调制与功率输出电路
• 图2.3.6 功率电路为四个半桥
• 图2.3.7 L293的动态特性
• 图2.3.8 在面包板上搭建的电路
• 图2.3.9 面包板上的电路
• 图2.3.10 测试过程
• 图2.3.11 测试过程
• 图2.3.12 声音可以在任何物体表面进行解调
• 图2.3.13 声音对准一个人，别人可以在旁边听到她头上解调的声音
• 图2.3.14 声音很容易被遮挡
• 图2.3 光和声音都是波
• 图2.4.2 信号的调幅与调频
• 图2.4.3 声音可视化过程
• 图2.4.1 制作这个作品
• 图2.5.2 我现在已经准备好了超声波传感器
• 图2.5.3 555集成电路
• 图2.5.4 555集成电路工作原理
• 图2.5.5 超声牵引波束演示
• 图2.5.6 这个装置的演示非常困难
• 图2.5.7 激光被反射后的图像