Chladni trois modèles haut-parleurs - Nord-Ouest Mécatronique Wiki

L'équation permet de résoudre les zéros de l'onde stationnaire pour une plaque carrée contrainte au centre, comme celui que nous avons utilisé pour notre configuration d'un haut-parleur. La variable L est la longueur du côté de la plaque, m est le nombre de noeuds diamétrales et n est le nombre de noeuds radiaux.

L'équation pour trouver les zéros pour une plaque circulaire est. Le Jn (K * r) terme utilise le n-ième ordre fonction de Bessel.

L'équation suivante est la loi de Chladni. Cette équation concerne les modes de vibration à la fréquence des modes de plaques circulaires avec un centre fixe, similaire à celui utilisé par le système de trois haut-parleurs, excepté que notre plaque est fixée en trois points à une distance du centre. Dans l'équation, C et p sont définis en fonction des propriétés de la plaque. Pour les plaques circulaires, p est égal à environ 2. Les valeurs de m et n sont choisis en fonction des modes diamétrales et radiales qui peuvent être déterminées par les formes des nœuds sur la plaque, puis converti en fréquence de la plaque qui fait que la forme .

Design mécanique

La configuration du générateur de modèle Chladni est assez simple. Il y avait trois grands domaines de la conception, nous avons dû tenir compte. Le premier était d'adapter les haut-parleurs à attacher à la plaque métallique, le second était le boîtier du haut-parleur, et le troisième était l'interface utilisateur / boîte de circuit. Ceux-ci sont détaillées avec des images ci-dessous.

Si vous essayez de reproduire ce projet, notez que beaucoup de ces spécifications peuvent changer et donner encore des résultats intéressants, mais différents. Une autre chose à noter est toutes les spécifications sont pour nos haut-parleurs particuliers. Les dimensions et les matériaux peuvent changer en fonction de ce que vous travaillez avec et ce qui est disponible.

Liste des pieces

Les pièces et les prix ci-dessous sont spécifiques au projet que nous avons fait. Vous pouvez modifier plusieurs des pièces en fonction de différents composants. Nous avons eu la chance d'avoir la plupart des matériaux de l'offre afin que nous puissions économiser de l'argent pour la plaque d'aluminium et de l'électronique.

Répartition des composants

• D'abord, nous COUPER le capuchon anti-poussière comme sur la photo à droite
• Collé sur la membrane du haut-parleur et sur le capuchon anti-poussière est un tuyau en PVC de 2 pouces de long qui recouvre le trou.
• Sur le tuyau en PVC, nous collons un 2" x 2" morceau de polycarbonate.
• Nous baisés un trou dans le centre du polycarbonate et mis dans une vis.
• La vis est fixée avec des écrous et des rondelles. La plaque flexible en aluminium sera finalement fixé à l'enceinte à travers cette vis.
  

Pour plus d'informations sur le fonctionnement des haut-parleurs, cliquez ici.

retrait du bouchon anti-poussière

Haut-parleur et boîtes de base

• Coupez un trou dans la partie supérieure de la boîte de haut-parleur pour accueillir le haut-parleur.
• Nous avons prévu la base pour que les haut-parleurs seraient radialement séparés par 120 degrés et les centres de chaque enceinte pour créer un 13" triangle équilatéral avec l'autre.
• Nous bordaient les fonds des caisses de haut-parleurs et la base avec velcro pour la commodité et l'accessibilité.
• Le haut-parleur se trouve mis en place dans une boîte de foamcore 32" x 32" renforcée par des équerres. Ceci est d'attraper le sel qui se déverse hors de la plaque d'aluminium.

En bas de la boîte de haut-parleur

base en bois de trois haut-parleurs avec velcro

Interface utilisateur et boîte Circuit

• Une simple boîte avec un top articulé qui peut être fait de quoi que ce soit, nous avons choisi d'utiliser un noir matériel de polystyrène qui était disponible.
• Le panneau d'interface utilisateur doit avoir des fentes coupées pour les deux interrupteurs de puissance et de l'écran LCD, et un bouton. L'imprimante laser et le moulin ont tous deux été utilisés pour réaliser ces découpes.

boîtier d'interface utilisateur

De la couverture inférieure

boîte à l'intérieur avec amplificateur de voiture

Chladni plaque en aluminium

Mettre ensemble

• La dernière pièce nécessaire est une plaque métallique. Nous avons coupé les 36" x 36" plaque d'aluminium dans une plaque circulaire d'un diamètre de 28" .
• Sur la photo sur le côté est la mise en place complète.

Conception électrique

AD9833 sur l'adaptateur

carte de circuit avec des composants non branché

Le PIC communique avec la puce de générateur de fonction AD9833 par l'interface SPI. Reportez-vous à Waveform Generation avec AD9833 et SPI pour savoir comment utiliser cette puce. L'horloge principale est reliée à la CLK du PIC, et les trois lignes de communication SPI sont reliées aux trois broches E / S A1, A2 et A3 sur le PIC. Grâce à l'aide du code décrit ci-dessous via SPI, des informations sur l'onde devant être générée est transmise et l'onde de fonction est générée en conséquence. Un potentiomètre 10K est utilisé comme entrée de l'utilisateur sous la forme d'un bouton pour régler la fréquence. Il est relié à la broche A0 du PIC, et son utilisation est décrite en détail dans la section Code.

La sortie de la puce AD9833 est connectée aux entrées non-inverseuse de trois ampères LM741 Op. Ces amplis op ne sont pas utilisés pour amplifier le signal, mais pour servir de tampon de gain d'unité pour les signaux. Ils sont reliés à une alimentation +/- 12V. Ce tampon permet essentiellement une copie de l'entrée à la sortie, sans en tirer de courant de la source de l'entrée, à savoir la fonction puce de générateur, qui est alimenté par l'alimentation en PIC. Au lieu de cela, le signal de sortie est alimenté par l'amplificateur lui-même. L'objectif est de veiller à ce que fait la mesure d'une tension ne perturbe pas le circuit de production de la tension à mesurer.

Les sorties des amplis op sont ensuite connectés à l'amplificateur de voiture à l'aide des câbles d'entrée RCA standard. L'amplificateur de voiture, qui est relié à une alimentation de 12 V, amplifie le signal à amplitude sonore et les sorties sont connectées aux trois haut-parleurs. Les haut-parleurs sont alimentés par l'amplificateur de voiture.

Les sorties D0-D6 du PIC sont connectés à l'écran LCD parallèle. Pour en savoir plus sur la façon d'obtenir le fonctionnement LCD, reportez-vous à C Exemple: Interfacing parallèle avec les écrans LCD. L'écran LCD est constitué pour afficher la fréquence cible que les entrées de l'utilisateur à l'aide du bouton (qui est sur le potentiomètre), ainsi que la valeur de la fréquence de l'onde qui est généré pour le moment.

Pour une utilisation plus facile et plus pratique, les prises ont été faites pour les broches d'en-tête de l'alimentation électrique, potentiomètre, câbles d'entrée RCA et l'écran LCD parallèle. De cette façon, les composants peuvent être branchés et facilement.

La puce de l'amplificateur audio TDA2040 a été utilisé à la place de l'amplificateur audio de voiture. Cette puce attire beaucoup de puissance et d'amplifier trois haut-parleurs, trois puces ont été nécessaires qui a attiré 24 V chacun. Les résultats obtenus avec ceux-ci étaient incompatibles et donc l'amplificateur audio de voiture a été utilisé à la place. Le schéma de circuit pour cette puce est représentée ci-dessous également.

En outre, en utilisant trois puces générateur de fonction séparés pour chaque haut-parleur est infécond. La fragilité des puces ainsi que la difficulté à transférer trois signaux différents par SPI nous ont amenés à recourir à l'utilisation que l'un d'eux.

Schéma

Schéma de circuit du circuit utilisé pour la démonstration Chladni 3 haut-parleurs

Circuit-2040 TDA Amp Audio [1]

Remarque: Si le TDA2040 doit être utilisé, connecter la sortie des amplificateurs tampons de gain d'unité à l'entrée Vi de la puce TDA2040. La charge à la broche 4 de la puce TDA2040 est alors le haut-parleur. + Vs est de + 12V et -12V est -Vs pour le circuit TDA2040.

Code de balayage de fréquence principale

La première chose que fait ce code est qu'il initialise les variables target_freq_reg et old_target_freq_reg à la valeur du registre de 298 Hz, qui est une fréquence non résonante. Voir Waveform_Generation_with_AD9833, _and_SPI pour savoir comment convertir entre la fréquence et le registre pour la valeur des commandes envoyées à la puce de générateur de fonction AD9833, et l'envoi de commandes à l'aide de AD9833 SPI. Après cela, la broche de port analogique est mis en place et la fonction lcd_init () est appelée à mettre en place l'écran LCD. L'écran LCD affiche la fréquence actuelle est que le AD9833 restituent et la fréquence cible que la puce est censée balayer haut / bas pour. Voir C Exemple: parallèle Interfaçage avec écrans LCD pour en savoir plus sur la façon d'interface et d'envoyer des informations à l'écran LCD.

Une fois que la configuration initiale des informations est terminée, le code envoie la première commande de fréquence à la AD9833, démarrant à une fréquence de 298 Hz en lui donnant la valeur du registre de target_freq_reg (initialisé à 298 Hz). Cela permet aux haut-parleurs pour balayer jusqu'à la première fréquence de résonance et oscillent le sel dans la première forme de résonance lorsque le système est sous tension. Les valeurs de registre sont ensuite converties en Hz et affichées sur l'écran LCD. De là, le code va dans une boucle while () qui vérifie en permanence l'entrée de la commande d'interface utilisateur qui indique la fréquence cible que le AD9833 devrait aller. Après avoir obtenu la fréquence cible de check_input (), le code compare cette nouvelle information de fréquence à l'ancienne information de fréquence (old_freq_reg). Si elles sont différentes, le bouton a été mis sur une nouvelle fréquence et l'AD9833 doit balayer vers le haut ou vers le bas pour la nouvelle fréquence. Selon que la nouvelle fréquence est supérieure ou inférieure à l'ancienne fréquence, une boucle for va continuer à envoyer de nouvelles commandes de registre de fréquences à l'AD9833 en appelant send_freq (), qui est une fonction qui décale la fréquence vers le haut ou vers le bas par 1 Hz toutes les 100 ms et met à jour en permanence l'écran LCD pour afficher la fréquence du courant et cible jusqu'à ce que la fréquence réelle est égale à la fréquence cible. Le check_input () de fonction est appelée à chaque itération de la boucle for pour vérifier si la fréquence cible a été modifié. Le old_target_freq_reg est alors établie égale à la target_freq_reg et le programme tient alors à celui-ci la fréquence de résonance jusqu'à ce que le bouton réalise un autre target_freq_reg.

Vérification de l'entrée d'utilisateur

Cette fonction est utilisée pour vérifier la position bouton / potentiomètre à certains moments pendant le changement des fréquences de la fonction principale. Il définit le canal ADC à 0 et prend l'entrée analogique de la broche A0 de la PIC en utilisant read_adc (). Cette entrée, fixé à la knob_val variable est un nombre entier compris entre 0 à 255 qui correspond à la tension sortant du bouton / potentiomètre, qui est égal à 0 si la sortie est à 0 V et 255 si la sortie est à 5V. En vérifiant si knob_val est comprise entre une plage de nombre entier correspondant aux différents numéros sur le bouton (numérotés de 0 à 10), la fréquence cible peut être réglée par l'utilisateur. Neuf cibles fréquences de résonance ont été programmées dans cette fonction en fonction de la bonne clarté des formes qu'ils ont produit sur la plaque, mais les fréquences de résonance plus existent et peuvent être ajoutés à la instruction if dans cette fonction. Les registres de fréquence cible doivent être ajustées en fonction de la forme et la taille plaque.

Trois haut-parleurs Chladni

Les images suivantes montrent les résultats du système Chladni trois haut-parleurs à six fréquences de résonance différentes. Certaines de ces fréquences ont des motifs plus clairs que d'autres, tels que 424 Hz, 554 Hz et 660 Hz. Les moins-claires pourraient être dues à des imperfections de la plaque ou les haut-parleurs ne pas frapper la fréquence de résonance exacte. Certaines fréquences indiquées dans ces résultats sont différents de ceux du code ci-dessus. Ceux affichés ci-dessous ont été choisis pour leur clarté et le contraste de l'autre parce que certaines fréquences dans le code affiché ne se déplace pas dans le modèle autant.
Cliquez ici pour une vidéo de notre configuration Chladni trois haut-parleurs

Un haut-parleurs Chladni

Remarques expérimentales

AD9833 Waveform Generator

SPI communication avec de multiples puces AD9833

Envoi des fréquences différentes pour différents haut-parleurs

Cela a été difficile d'expérimenter à cause de nos problèmes de communication SPI pour séparer les puces AD9833. Cependant tout au long du projet, nous avons connu des moments où les haut-parleurs fonctionnaient à des fréquences différentes. D'après ce que nous avons vu tous les haut-parleurs doivent fonctionner aux mêmes fréquences pour tout motif à afficher. Chaque fois qu'il y avait un problème de phase ou différence de fréquence la plaque présenterait un comportement flambage jeter les sel plusieurs pouces en l'air.

Nous avons aussi remarqué que nos modèles n'ont pas parfaite symétrie radiale. Comme les modèles reposent en grande partie sur la forme de la plaque, les imperfections de la plaque peuvent causer des motifs dissymétriques. En plus de quelques petites bosses et les rayures, la bande à scier le cercle de la grande plaque a produit des bords dentelés et tordus en plusieurs points.

Au début, nous avions prévu d'utiliser les puces d'amplis audio-2040 ADT. Notre circuit original est illustré à droite. Lorsque vous travaillez avec un haut-parleur la puce TDA-2040 a fonctionné à merveille. Il exige beaucoup de puissance - 24 volts - qui a été fourni à l'aide -12V à + 12V. La vidéo d'un haut-parleur a été effectivement fait avec la puce de l'amplificateur audio-2040 ADT.

Améliorations / améliorations possibles futures

• Essayez d'envoyer des fréquences différentes (par déterminer comment programmer plusieurs puces AD9833 avec un PIC) pour chaque haut-parleur pour voir si elles génèrent des motifs différents.
• Utiliser une autre taille de la plaque ou autre quantité de haut-parleurs. Par exemple, utiliser 4 haut-parleurs et une grande plaque carrée de changer les types de formes visibles à la résonance.
• Calculez la question de puissance avec de multiples puces d'amplis audio-2040 afin TDA le projet ne se baserait pas sur la voiture LA160 ampli.
• Utiliser une plaque plus rigide ou une construction avec moins de défauts de forme.

Les références