В Части 1 этой статьи мы увидели, как, добавив довольно простую коррекцию, можно заставить стандартный капсюль электретного микрофона обнаруживать инфразвуковые сигналы вплоть до долей герца. Во второй, и заключительной части, мы усовершенствуем эту схему, а также добавим аудиовыход, чтобы услышать неслышимое.
Измененная схема показана на Рисунке 1. Хотя коррекция во многом осталась той же, схема вокруг самого микрофона стала более сложной. Первоначально микрофон питался напрямую от шины питания, что потенциально вызывало проблемы с обратной связью. Теперь он питается от источника чистого опорного напряжения, а также заключен в петлю обратной связи, которая помогает стабилизировать его рабочую точку.
 |
|
| Рисунок 1. | Новый входной буфер стабилизирует работу микрофона, а другие дополнения улучшают характеристики схемы. |
Элементы R1 и D1 задают номинальное опорное напряжение +1.24 В для положительного вывода микрофона. (Тип источника опорного напряжения D1 не указан. Я использовал LM385-1.2, но это семейство уже устарело – почему?? Они казались безотказными и хорошо описанными; особенно полезной была версия -ADJ. Однако LMV431 или LM4041 тоже выглядят неплохо). При отсутствии смещения выход усилителя A1 остается на уровне –1.24 В, необходимом для нижнего вывода нагрузочного резистора R4 микрофона. Когда все настроено и стабильно, напряжение в точке соединения R4 и отрицательного вывода микрофона близко к 0 В (или к напряжению общей шины). Сигнал микрофона усиливается усилителем A2, с выхода которого часть сигнала возвращается в усилитель A1 через резистор R5, чтобы стабилизировать рабочую точку микрофона.
Калибровка и настройка
Все микрофоны ведут себя немного по-разному, в основном из-за разброса характеристик внутренних JFET, поэтому необходима некоторая первоначальная калибровка, для чего нужна подстройка нагрузочного резистора R4. Переключатель Sw1a позволяет отключить резистор R5 для ускорения этой начальной настройки, в то время как Sw1b по той же причине отключает от схемы конденсатор C2 (см. ниже). На схеме переключатели показаны в рабочем положении.
После настройки работа будет стабилизирована обратной связью, в значительной степени компенсирующей изменения температуры. Без обратной связи от усилителя A2 температурный коэффициент напряжения на микрофоне составлял около 13 мВ/°C; с ней он снижается примерно до 1 мВ/°C. Подстроечный резистор R18 регулирует остаточное смещение, которое на выходе усилителя A4 может достигать 200 мВ.
Емкости 100 нФ конденсатора C1 достаточно для поддержания стабильного состояния A1 во время калибровки, но именно конденсатор C2 емкостью 10 мкФ определяет нижнюю точку спада на 3 дБ схемы A1 с учетом снижения эффективного значения емкости из-за обратной связи. Если при включении конденсатор C2 подключен к схеме, на установление уйдет много времени, поэтому конденсатор предварительно заряжается и подключается только через несколько секунд после включения. (Инжекция заряда, показанная на Рисунке 5 Части 1, здесь почти не помогла, возможно, потому, что ее нейтрализует обратная связь).
Эту задержку формирует коммутатор U1a. Время задержки определяется элементами C3 и R6, а R7 и C4 добавляют положительную обратную связь для улучшения динамики процесса. Затем U1a переключает U1b для управления подключением конденсатора C2. Во время запуска конденсатор C2 подключен между выходом усилителя A1 (–1.24 В) и общей шиной, от которой он заряжается до ожидаемого рабочего напряжения; во время работы он включен параллельно с резистором R3, определяя постоянную времени цепи.
Этот гистерезис необходим, потому что прямое управление коммутатором 4053 с помощью медленно изменяющегося напряжения RC-цепи приводит к возникновению колебаний (по крайней мере, в случае с имевшимися под рукой устройствами компаний Motorola и RCA; одни только эти названия позволяют датировать их возраст). Выбранная задержка больше строго необходимой, учитывая значения номиналов C1 и R3, но она дает время для лучшего успокоения остальной части схемы. При этом остается свободная секция 4053; ее использование для повторения трюка с предварительной зарядкой конденсатора C5 или для закорачивания резисторов R14+R15 на время запуска практически не повлияло на общее время успокоения.
Перед калибровкой необходимо акустически изолировать микрофон и дать ему и схеме полностью установиться. Хорошо подходит временное заключение микрофона в две полые полусферы из пластилина, неплотно скрепленные друг с другом. Во время работы он должен быть защищен от любых движений воздуха. Достаточно даже одного куска ткани, но еще лучше будет пенопласт с открытыми порами или некоторое количество акустической ткани.
Остальная часть схемы
Схема на усилителе A3 осталась без изменений, за исключением добавленного потенциометра подстройки смещения R18. Усилитель A4 добавляет в тракт сигнала двухполюсный фильтр нижних частот Саллена-Ки (частота среза по уровню 3 дБ порядка 12 Гц), так что вместе с затуханием, вносимым усилителем A3, любые компоненты 50/60 Гц ослабляются на 35-40 дБ.
Элементы C8 и R14+R15 определяют общую нижнюю частоту среза, которая при указанных на схеме значениях номиналов может варьироваться примерно от 300 мГц до 1.7 Гц (по уровню 3 дБ). При максимальном сопротивлении потенциометра R15 доминирует постоянная времени C1R3.
В Части 1 мы попробовали использовать для индикации стрелочный прибор, но обнаружили, что он работает довольно медленно. Однако теперь он стал полезным дополнением, позволяющим легко выполнить настройку сопротивления нагрузки микрофона и подстройку смещения. Он по-прежнему хорошо показывает самые низкие частоты.
На Рисунке 2 показана реакция на изменения давления воздуха при двух крайних положениях движка потенциометра R15. Хотя это кривые получены с помощью LTspice, они точно соответствуют реальным измерениям. Сравните верхнюю, красную кривую с Рисунком 2 в Части 1.
 |
|
| Рисунок 2. | Расчетные частотные характеристики схемы при крайних положениях движка потенциометра R15. |
Фактические результаты показаны на Рисунке 3. Для этого использовался испытательный стенд, описанный в Части 1, и потенциометром R15 была установлена максимальная полоса пропускания. Как и на Рисунке 5 в Части 1, с которым ее можно сравнить, кривая была снята вручную, поэтому не стоит полагаться на то, что шкала частот действительно логарифмическая. Как и прежде, кривая блуждает по вертикали из-за фликер-шума или шума 1/f полевого транзистора, но общий отклик и линейность понятны.
 |
|
| Рисунок 3. | Отклик, измеренный с использованием реального микрофона в испытательном стенде. |
Использовался микрофон диаметром 10 мм, который был под рукой. Можно использовать другие типы, но они могут работать по-другому. Тесты с использованием найденных 5-миллиметровых устройств показали, что чувствительность примерно пропорциональна площади мембраны – или квадрату ее диаметра, – что кажется разумным. 5-миллиметровые микрофоны были и новее, и тише, предположительно, как и их внутренние JFET, поэтому их общие отношения сигнал/шум были схожими. Используйте самые большие, какие только найдете.
Слушаем инфразвук
Если мы возьмем инфразвуковые сигналы и используем их для модуляции звукового тона, то сможем услышать, что происходит, или, по крайней мере, получить представление об этом. Недавняя статья была посвящена ГУН с линейной зависимостью высоты тона [1]; эта статья, конечно же, является проектом (или гаджетом), где нужно (или хотелось бы) использовать такой ГУН.
Используемый здесь генератор практически идентичен одному из вариантов, описанных в той статье. Он показан на Рисунке 4. Мы не будем описывать здесь его работу (за подробностями вы можете обратиться к упомянутой статье), но есть некоторые изменения и дополнения.
 |
|
| Рисунок 4. | Частотная модуляция звукового сигнала позволяет нам услышать форму инфразвука. |
Как и прежде, основная его часть генерирует тон с центральной частотой около 500 Гц, которая изменяется на плюс-минус октаву – удваивая или уменьшая частоту вдвое – для входных управляющих сигналов в диапазоне от плюс одного до минус одного вольта (примерно), так что он линеен по высоте тона, а не по частоте. Конечно же, этим управляющим входным сигналом является обнаруженный инфразвуковой сигнал.
В экстремальных условиях этот сигнал может достигать шин питания – до ±2.5 В – поэтому он ослабляется делителем R23 и R24. (Использовать вместо R24 что-то нелинейное – заманчиво, но пока не проверено. Это позволило бы пропускать низкоуровневые сигналы почти без изменений, но при этом сжимать пики. Возможно, две пары 1N4148, включенных встречно-параллельно, при более высоком значении сопротивления R23…)
Прямоугольные аудиоимпульсы с выхода триггера U2b через резистор R28 подаются на пару ограничивающих диодов, вместе с конденсаторами C13 и C14 образующими мост, чтобы получить трапецию с пиковым уровнем около одного вольта. Этого может быть слишком много, поэтому емкостной делитель C13/14 также ослабляет сигнал примерно до 100 мВ пик-пик. Усилитель A8 буферизует сигнал, а резистор R29 обеспечивает путь к земле, при этом практически не шунтируя конденсатор C14.
Чтобы получить простой аудиовыход с размахом выходного сигнала порядка 1 В, закоротите конденсатор C13, емкость C14 сделайте равной 33 нФ и исключите резистор R29 и потенциометр R30. Еще проще (и грубее) было бы подавать сигнал на наушники напрямую от триггера U2 через потенциометр 5 кОм, служащий регулятором громкости. Затем по своему вкусу вы можете добавить фильтрующие конденсаторы на наушники.
Микширование и согласование
Этот сигнал ослабленного уровня может нам понадобиться, поскольку он будет сопоставим с выходным сигналом усилителя A2, который представляет собой усиленный широкополосный аудиосигнал микрофона. Потенциометр R30 позволяет нам при желании плавно переходить между этим и нашими тонами. (И мы захотим, чуть позже). Теперь выходной сигнал можно подать на усилитель мощности (я использовал TDA7052A, не показанный на схеме) и динамик или наушники (с последовательным резистором). При параллельном подключении левого и правого наушников звук находится примерно в центре головы; при последовательном подключении (противофазном) создается эффект «где-то там», который может быть менее отвлекающим, если вы также хотите слышать сложный инфразвуковой ландшафт, создаваемый самолетами, поездами и автомобилями.
Хотя было бы неплохо включить сюда звуковой файл, чтобы вы могли услышать результаты, нам придется довольствоваться чем-то визуальным (Рисунок 5) – типичной осциллограммой, показывающей скоростной поезд, проходящий в нескольких сотнях метров в то время, когда пара самолетов, находящихся гораздо дальше, приближается к аэропорту Хитроу.
 |
|
| Рисунок 5. | На этой кривой можно увидеть влияние проходящего рядом поезда, самолета или двух самолетов, а также местных транспортных потоков. Обратите внимание на масштаб времени по оси X. |
Воздух – не единственная стихия
Мы уже упоминали о кроссфейдинге (плавном переходе между тонами), но зачем он нам нужен? Две вещи, которые мне еще предстоит попробовать, будут под землей и под водой. Если поместить микрофон в подходящую бутылку из-под напитков соответствующего веса, получится интересный гидрофон, и местный канал вскоре наполнится шумом гребных винтов. Но будут ли они в основном непосредственно слышимыми или будут иметь гораздо более низкую частоту? Колебания давления должны передаваться через стенки бутылки воздуху внутри и затем микрофону, хотя, вероятно, с низкой эффективностью. Наполнение бутылки маслом может улучшить ситуацию, по крайней мере, до тех пор, пока оно не просочится во внутренности микрофона.
Еще одна бутылка, закопанная в землю и залитая снаружи раствором (местная коренная порода – мел, местами выходящий на поверхность), может работать как геофон, хотя в этом подземном мире не должно быть много звука. В сейсмическом плане здесь может быть тихо, но мы все равно слышим странный гул магнитудой 2 или 3.
Последние полеты фантазии
Разве не было бы здорово иметь пару микрофонов, расположенных на подходящем расстоянии друг от друга, чтобы создать стереопару, и каждый со своим собственным эквалайзером? Возможно, сумма выходных сигналов управляла бы частотой тона, а на их индивидуальных выходах регулировались относительные амплитуды левый-правый. Также может потребоваться контроль фазы, которая на низких частотах является основным источником информации о направлении, для чего может понадобиться довольно сложный всепропускающий фильтр, управляемый напряжением. Или что-то другое. Или DSP.
Если вы хотите увидеть, на что способны электретные микрофоны при наличии серьезного финансирования, наберите в поисковике «NASA infrasound» (инфразвук NASA), и вы получите множество захватывающих результатов, охватывающих среды от океанских глубин до границ космоса. Хотя эта конструкция не может конкурировать с возможностями NASA по обнаружению субмиллигерцовых частот, она должна быть не менее интересной и, безусловно, гораздо дешевле.
Ссылки
- Nick Cornford. ГУН с линейной зависимостью высоты тона. Часть 1 – Начинаем
Купить LM385 на РадиоЛоцман.Цены
