ヘテロダイン超音波バット検出器

レッサーホースシューバット



このプロジェクトでは、いわゆる馬蹄形バットの作成について説明します。バット検出器-バットが発する音を聞いて録音できるようにするデバイス。コウモリがエコーロケーションのために超音波を発することをおそらくご存知でしょう。これらの音の周波数は、人間の耳が知覚できる範囲外であるため、直接聞くことはできません。バット検出器は、これらの高周波音を拾い上げ、可聴範囲内の音に変換できる特殊なマイクを使用しています。



バット検出器には3つのタイプがあります。私自身のためにヘテロダインを作りました検出器。その欠点は、高周波の音を録音する場合と比較して、さまざまな種類のバットを区別するのが難しくなることです。ヘテロダイン検出器のしくみについては後で説明しますが、最初に超音波を記録するために必要なマイクを見てみましょう。



マイクを選択するとき、最初に2つのオプションを検討しまし

た。-エレクトレットマイク-ドキュメントによると、私が見つけたものはすべて10〜20 kHzの範囲でしか機能しませんが、リソースを信じるなら、それらのタイプのいくつかはある程度超音波も認識します。ただし、公式の説明ではこれを示していないため、さまざまなブランドを調べて試してみるには、多くの試行錯誤が必要になります。だから私はこのタイプのマイクをあきらめました。

-圧電センサー..。たとえば、人気のあるHC-SR04超音波距離計に見られます。これらはどこにでもあり安価です。それらの欠点は、感度が共振周波数に非常に近く、約40kHzであるということです。そして、この周波数から離れると、感度が急激に低下します。したがって、どちらにも適合しません。



代わりに、MEMSタイプのマイクであるKnowlesSPU0410LR5Hマイクを見つけました。..。仕様によると、このマイクは80 kHzまでのすべての周波数でかなりフラットな応答曲線を持っているため、このプロジェクトに非常に適しています。さらに、内部に高S / Nプリアンプがあります。このマイクの主な欠点は、そのハウジングが自家製のプロジェクト用ではないことです。それは小さい（3.76 x 3 mm！）、そしてその接点はケースの中にあります。私はインターネットを検索し、出会ったのページhackaday.ioユーザーアラン・グリーン、彼のプロジェクトでもこのマイクを使用しました。彼は、このマイク用に特別なボードを作成して、手動ではんだ付けできるようにするという良いアイデアを思いつきました。重要なのは、パッドを長くしてコンポーネントから突き出るようにすることです。私はこのアイデアを取り入れて、マイクとデュアルオペアンプ用の小さなボードを設計しました。後者は、仮想グラウンド（供給電圧の半分）と20 dBの増幅器ステージ（つまり、10倍）を提供します。最初はこのマイクを手ではんだ付けすることに懐疑的でしたが、すべてうまくいきました。はんだ付けした6枚のボードはすべて成功しました。明確にするために、はんだ付けのビデオを録画しました。ボードのデザインも公開されています。



















ヘテロダインバット検出器の動作原理の説明から始めましょう。まず、マウスが発する信号を見てみましょう。それらは、信号振幅変調された超音波キャリア周波数としてモデル化でき、短い「チャープ」のようなエンベロープ信号が信号（線形周波数変調の信号）です。







超音波図では、キャリアは赤で、チャープのエンベロープは緑で、合計は青で示されています。信号を人間の可聴範囲に変換するには、エンベロープ（チャープ）を保持するように変換し、より低い周波数（たとえば、1〜5 kHzの範囲）のキャリア信号で変調する必要があります。これはどのように達成できますか？



これが数学的な観点からどのように行われるかを理解するために、既知の三角法のアイデンティティ：



2sin（x）・sin（y）= cos（x − y）−cos（x + y）

2cos（x）・cos（y）= cos（x − y）+ cos（x + y）

2sin（x）は⋅cos（Y）=罪（X - Y）+罪（X + Y）

2cos（x）の⋅sin（Y）= -罪（X - Y）+罪（X + Y）



我々は我々を取る場合次のようにバットの信号モデルは、それがモデル化することができる。



キャリア（T）= SIN（2πfで_C t）は

チャープ（T）= SIN（2πfで_チャープT）

バット（T）=キャリア（T）⋅chirp（t）は



、超音波周波数でありますキャリア_-fc、およびチャープ信号の周波数-f_チャープ。この例では、のは想定してみましょう：



F _C = 40 kHzの

F_チャープ= 1 kHzの



三角恒等式を使用して、我々が得ます：



バット（T）= SIN（2πfで_C T）⋅sin（2πfで_チャープT）= 1/2のcos（2π（f _C -f_チャープ）T） - 1/2のcos（2π（F _C + F_チャープ）T）



変調された信号は、この例では、対称的にキャリア周波数の周囲に位置する二つの周波数で構成され



40キロヘルツ-は1kHz = 39 kHzの

40キロヘルツ+ 1キロヘルツ= 41 kHzで



これが下LSBと上部USBのあるサイドバンド：



F _LSB = F _C -f_チャープ

F _USB = F _C + F_チャープ



これで、同じ原理を使用して、マウス信号をより低い可聴周波数に変換できます。これを行うには、信号にローカルLOジェネレーターの周波数を掛ける必要があります。これは、信号のキャリア周波数と目的のキャリア周波数（この場合、コウモリの鳴き声を聞きたい可聴周波数）の差です。この手法はヘテロダイニングと呼ばれます。この例では、人間にはっきりと聞こえる5kHzの周波数でマウスの叫び声を聞きたいとします。その後：



F_{ターゲット}= 5kHzの

F _LO = F _C -f_{ターゲット}= 35 kHzの

LO（T）= SIN（2πfで_のLO t）は



すべて一緒にそれを置く、我々は三角恒等式を使用して方程式の条件を書き換えることができます：



バット（T）⋅LO（T）=（1/2のcos（2πfで_LSB T）-1/2のcos（2πfで_USBのトン））⋅sin（2πfLOt）

= 1 / 2cos（2πfで_LSB T）⋅sin（2πfで_LO T） - 1 / 2cos（2πfで_USB T）⋅sin（2πfで_LO t）は

F = 1/4（SIN（2π（_LO -f _LSB）T）+ sin（2π（f _LO + f _LSB）t）-sin（2π（f _LO -f _USB）t）-sin（2π（f _LO + f _USB）t））



（sin（-x）=- sin（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_チャープ）T）+ 1 / 2sin（2π（FC - F _LO + F_チャープ）T）+ 1 / 2sin（2π（FC + F _LO - F_チャープ）T） - 1 / 2sin（2π（FC + F _LO + F_チャープ）T））

= 1 / 2cos（2πfで_{ターゲット}T）⋅sin（2πfで_チャープT）+ 1 / 2cos（2πfで₂ T）⋅sin （2πf_チャープt）



最初の項cos（2πf_{ターゲット}t）・sin（2πf_チャープt）はまさに私たちが望むものであり、5kHzの可聴周波数で変調されたチャープエンベロープです。第2項も、より高い周波数f ₂ = f _c + f _LO、この場合は75kHzで変調されたチャープ信号です。 2番目のコンポーネントは可聴範囲外にあり、バット検出器回路のハイパスフィルターによって簡単に遮断されます。



ヘテロダイニングの原理を使用してバット検出器を構築する方法を理論的に理解したので、それをどのように実践しますか？主なことは、入力信号にLO信号を乗算することです。これは、実際の電子機器ではそれほど簡単ではありません。アナログ乗算用の回路があります（たとえば、Gilbertセル）、適切なIC（NE612など）を正弦波ジェネレーター（Wienブリッジジェネレーターなど）と組み合わせて使用できます。しかし、そのような解決策は難しく、NE612などのアナログ乗算用のICはまれで高価です。



より簡単なオプションがあり、一般的な標準コンポーネントから組み立てることができます。アナログスイッチングを備えた周波数ミキサーを組み立てることができます。これは完全なミキサーではありませんが、実際には両方の信号を乗算しないため、すぐにそれでも十分に機能することがわかります。



とりあえず、図を見て、それがどのように機能するかを理解してみましょう。







図の左側では、マイク出力が2次のハイパスLCフィルターに送られます。これにより、20 kHz未満の可聴周波数が除去され、超音波のみが通過できるようになります（これが必要なため）。インダクタと並列の抵抗R1が必要です-それは共振を減衰させます。



ハイパスフィルターの後、信号は係数1と-1の2段階の操作アンプに送られます（つまり、信号を反転します）。これで、マウス信号とその反転した対応物の両方が得られました。



図の左下に、あなたは認識することができ、双安定マルチバイブレータを有名にIC 555..。電位差計P1は、回路全体を監視し、デューティサイクルが約50％で、周波数が20 kHz〜400kHzの可変周波数の方形波を作成できます。私たちの場合、それはローカルオシレーターLOの信号になりますが、数学モデルとは異なり、この波は正弦波ではなく正方形です。 LO信号は、アナログスイッチU3Dと抵抗R6で構成される反転ステージに到達します。ここでは、アナログスイッチをデジタルインバーターとして使用しています。CD4066ICには4つのアナログスイッチがあるため、予備のスイッチが2つあり、そのうちの1つはインバーターとして使用でき、コンポーネントを節約できます。それは簡単に機能します。LO信号が低い場合、スイッチは開いており、R6はスイッチからの出力信号を引き上げます。信号がハイの場合、キーは閉じられ、キーからの出力はグランドに接続されます。これが反転信号の取得方法です。$$$\overline{LO}$..。



それでは、バランスミキサーというラベルの付いた回路の部分を見てみましょう。非反転マウス信号は、LO信号を制御するアナログスイッチに送られます。反転された信号は、信号を制御する別のキーに送られます$$$\overline{LO}$..。キー出力が接続されています。回路のこの部分は何をしますか？



LO信号が0（ロー）の場合を考えてみましょう。$$$\overline{LO}$1（高）。この場合、下側のキーU3Bは閉じ、上側のキーU3Aは開いています。したがって、反転したマウス信号が通過します。それ以外の場合、LO信号が1（ハイ）の場合、したがって信号$$$\overline{LO}$0（低）、U3B下部キーが開いており、U3A上部キーが閉じています。次に、非反転信号が通過します。この切り替えは、555タイマーループによって決定される周波数f _LOで発生することを思い出してください。



この動作は、数学的にモデル化できますか？基本的に、このミキサー回路は、信号を+1と-1の間で切り替わる方形波で乗算します。これは、出力信号を反転と非反転の間で切り替えるのと同じです。このような波（r（t）と呼びましょう）は、いわゆる波で表すことができます。符号（x）関数付き：

$$

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

したがって、ミキサーの出力で、積バット（t）・r（t）が得られます。それ自体では、これはまだ何も説明していません-周波数混合がどのように発生するかを理解するには、フーリエ系列の展開と呼ばれる数学的な魔法を適用する必要があります。私はあなたに結論を惜しまず、あなたにすぐに結果を与えます。実際、フーリエ系列を使用すると、次のことが







わかります。したがって、方形波+ 1 / -1は、基本周波数_fLOとその奇数因子を持つ正弦波の無限のセットで構成されます。これから何が続きますか？定数4 /πを無視すると、r（t）はLO（t）と他の追加のより高い周波数LO ₃（t）、LO ₅（t）などの合計であることがわかります。以前の計算から、次のことを示しました。







したがって、次のように計算できます。







最初の項2 / πcos （2πf_{ターゲット}t）⋅sin （2πf_チャープt）が必要なものであることが再びわかりますが、不完全なアナログ切り替え可能ミキサーでは、他の不要な項がたくさんあります。ただし、これらの不要な周波数成分はすべて、ターゲットf_{ターゲット}よりもはるかに高い周波数を持っています。したがって、ハイパスフィルタを使用してこれらの成分を除去し、2 / πcos（2πf_{ターゲット}t）・sin（2πf_チャープt）にほぼ等しい最終信号を取得できます。



回路に戻ると、ミキサーからの出力はバッファーステージに送られ、次に結合周波数が約7kHzのローパスRCフィルターに送られます。最後のアンプステージは調整可能なゲインを提供し、出力ドライバー（たとえば、ヘッドフォン）として機能します。



周波数ミキシングがどのように機能するかをよりよく理解するために、LTSpiceで回路シミュレーターを作成しました。シミュレーションファイルをダウンロードして、試してみることができます。



コンポーネントに関するいくつかの注意事項。古い電話などからたくさん持っているので、回路全体に単一のリチウムイオンバッテリーで電力を供給したかったのです。したがって、回路全体が3〜4 Vの電源で動作する必要があります。したがって、555タイマーと4066アナログスイッチをCMOSとして選択する必要があります。これらはすでに3Vで動作します。CD4066BとILC555を使用しました。クワッドオペアンプも低電圧で動作する必要があります。よく使うMCP6004を選びました。



私はボードを置きませんでした、私はブレッドボードにすべてをはんだ付けしました。ボードを使用して独自のデバイスを作成する場合は、KiCADの図をダウンロードしてください..。デバイスのケースと、3Dプリンターで音量と周波数を調整するためのノブを印刷しました。ヘッドホンをジャックに差し込むと自動的に電源が入ります。赤いLEDの点滅は、電源がオンになっていることを示します。マイクボードは、ケースの内側の小さな穴の後ろにあります（右の写真）。







周波数スケールを校正するために、私はオシロスコープで555出力をチェックし、ケースに周波数をマークしました。それから私はコンピューターに目盛りを描き、それを印刷しました。



そして、これが私たち全員が待ち望んでいたことです。コウモリの鳴き声は検出器でどのように聞こえますか？公園のランタンの横でLMが飛んでいるのを見た午後10時頃に記録した1つの断片の記録を提供します。周波数は40〜45kHzに調整されます。







音を録音するために、検出器のヘッドフォンの横にスマートフォンを持っていましたが、それは非常にばかげているように見えたので、より良いオプションを探すことにしました。ほとんどのスマートフォンでは、ヘッドフォンジャックにマイク入力があります。必要なのは、4つの接点を持つ3.5mmピンを使用することだけです。そこで、検出器をスマートフォンのマイク入力に接続し、ヘッドフォンをスマートフォンのヘッドフォン出力に接続できるアダプターを開発しました。スマートフォンがマイクが接続されていることを認識するためには、2.2kΩの抵抗が必要であり、信号を分離するために3.3μFのコンデンサが必要です。











また、録音した音をリアルタイムで聞くことができるように、音声の録音と再生を同時に行えるアプリケーションを探す必要がありました。RecForge IIアプリケーションには満足していましたが、おそらく他にもあります。



ヘテロダインLM検出器を自分で組み立てたい場合で、既製の超音波MEMSマイクが必要な場合は、次の場所にあります。

• ELVショップ
• MicBoosterショップ

これらのボードにはオペアンプがないため、同様に作成する必要があります。残りの材料は、お気に入りの店で簡単に見つけることができます。

参照：

• 「超音波の振幅変調による音の伝達」
• 「水中超音波レンジファインダーのモジュール」