Sprawdzenie schematu urządzenia gaszącego ogień dźwiękiem

[Wejmon]

Cześć wszystkim,

Ostatnio zainteresowałem się pewnym zjawiskiem fizycznym, polegającym na możliwości wykorzystania dźwięku do gaszenia ognia [link] [link].

Postanowiłem samemu zbudować podobne urządzenie, jednak podczas doboru elementów natrafiłem na pewne problemy, których niestety sam nie potrafię rozwiązać.

1. Schemat urządzenia

2. Zasada działania urządzenia

Chciałbym, aby zaprojektowane urządzenie, za pomocą głośnika (generowanej fali akustycznej) było w stanie zgasić np. płomień zapalonej świeczki typu tealight [link] czy ogień z podpalonego denaturatu, wypełniającego pojemnik po wyżej wspomnianej świeczce.

Z tego względu podstawą takiego urządzenia musi być odpowiedni głośnik. Uważam, że dobrym wyborem okaże się głośnik o impedancji 8 Ω, głośności 91 dB i mocy maksymalnej 200 W. Dzięki temu będę miał zapas na wykonywanie coraz to bardziej skomplikowanych eksperymentów, z możliwością podnoszenia poprzeczki. Owszem zapaloną świeczkę można po prostu zdmuchnąć ale trzeba od czegoś zacząć  [link].

 

Również zdaję sobie sprawę, że do uzyskania takiego zjawiska potrzebuję odpowiedniej częstotliwości fali akustycznej oraz poziomu natężenia dźwięku. Precyzyjną częstotliwość fali akustycznej mogę wygenerować dzięki Arduino Uno oraz funkcji tone() [link], zaś kontrolę nad poziom natężenia dźwięku uzyskam dzięki wzmacniaczowi z wbudowanym potencjometrem [link].

 

Idąc dalej wzmacniacz potrzebuje zasilania od 6 V do 12 V. Większe napięcie przy stałej impedancji zapewnia większe natężenie. Większe natężenie to większa moc głośnika. Rozwiązaniem okaże się tutaj moduł z tranzystorem [link] pozwalający na włączanie urządzeń wymagających zasilania od 5 V do 15 V. Co więcej uchronię Arduino Uno przed natężeniem większym niż 20 mA.

 

Wybrałem taki moduł z serii Grove, ponieważ posiadam nakładkę Grove Base Shield v2 [link] rozszerzającą możliwości pinów Arduino Uno oraz dysponuję wyświetlaczem LCD 2 x 16 [link] tej samej firmy, na którym wyświetlałbym daną częstotliwość fali akustycznej oraz poziom natężenia dźwięku. Co więcej planuję dokupić 2 przyciski, dzięki którym sterowałbym częstotliwością fali akustycznej generowanej przez Arduino (zmniejszenie częstotliwości / zwiększenie częstotliwości) [link].

Całość planuję zasilić akumulatorem 12 V ; 1,2 Ah, w połączeniu z przełącznikiem ON/OFF i stabilizatorem LM7805 [link] odpowiadającym za dostarczenie bezpiecznego napięcia 5 V do Arduino wraz z dwoma kondensatorami 1000 μF ; 25 V, których zadaniem jest eliminacja zakłóceń i zapewnienie prawidłowej pracy układu. Zasilanie do Arduino zapewnię poprzez wtyk DC [link].

 

3. Problem do rozwiązania

Mam nadzieję, że udało mi się zrozumiale wytłumaczyć planowany sposób działania urządzenia. Poniżej zapisałem pytania, na które niestety sam nie potrafię odpowiedzieć, a są według mnie kluczowe do poprawnego zadziałania prototypu:

• Czy mój tok rozumowania jest prawidłowy? Czy może coś mi umknęło?
• Czy przedstawiony schemat zakłada poprawne połączenia wejść / wyjść komponentów urządzenia?
• Czy zasilanie 12 V w połączeniu ze stabilizatorem okaże się wystarczające do uruchomienia głośnika, nie uszkadzając przy tym Arduino?
• Czy głośnik w połączeniu ze wzmacniaczem będzie generował dźwięk? Czy może czegoś brakuje?

Z góry dziękuję za poświęcony czas i pomoc!

[H1M4W4R1]

1 godzinę temu, Wejmon napisał:

Czy mój tok rozumowania jest prawidłowy? Czy może coś mi umknęło?

1. Arduino możesz zasilać z 12V
2. Czy ty chcesz wzmacniaczem 18W sterować głośnikiem 200W? Lepiej przygotuj gaśnicę, może się przydać...
3. Twój moduł może maksymalnie przesłać 9.1A prądu ciągłego, co przy 12V daje jakieś pi razy drzwi 110W... To też mało dla tego głośnika.
4. Z kondensatorami też bym uważał i osobiście raczej bym wziął jakieś 330-470uF (też uważam, że to trochę za dużo) na min. 35V. Do tego 100-470nF by ogarniały wyższe częstotliwości. Chociaż patrz punkt 1, który czyni je zbędnymi

Ogólnie czuję dużo dymu w powietrzu...

[Wejmon]

Dziękuję  @H1M4W4R1 Muszę w takim razie wprowadzić parę poprawek 

Rozumiem, że Arduino Uno spokojnie mogę zasilić napięciem 12 V, stabilizator i kondensatory są w tym przypadku zbędne.

Z doborem głośnika rzeczywiście trochę "zaszalałem". Udało mi się znaleźć nieco bardziej "przyziemny" głośnik do tego projektu, o następujących parametrach: impedancja 8 Ω, moc RMS 15 W (rozumiem, że tą moc biorę pod uwagę do konstrukcji/obliczeń, tak?) , moc maksymalna 25 W, głośność 90 dB [link]. W takim przypadku podstawiając do wzoru na moc P=U^2/R = 12^2/8 = 18 W, otrzymuję wartość jaką jest w stanie udźwignąć wybrany przeze mnie wzmacniacz.

Czy po takich zmianach urządzenie będzie działać poprawnie?   

[_LM_]

Myślę że trzeba by skupić się nad poprawnym zaprojektowaniem obudowy do takiego głośnika, jak widzisz nawet ten kilkuwatowy z telefonu jest w stanie ugasić płomień świeczki więc nie potrzeba tutaj setek watów a wysoką sprawność przetwornika. A może warto spróbować z ultradźwiękami? Nic nie słychać a efekt jest, później możesz wykorzystać do testów lewitacji jak tutaj https://www.instructables.com/Ultrasonic-Levitation-Experiment/

 

[jand]

10 godzin temu, H1M4W4R1 napisał:

Czy ty chcesz wzmacniaczem 18W sterować głośnikiem 200W? Lepiej przygotuj gaśnicę, może się przydać...

Jeśli jest to głośnik o typowej impedancji 8Ω (lub wyższej) to jak najbardziej można go wysterować wzmacniaczem 18W i nic się nie stanie. Te 200W oznacza, że tyle możemy wpakować w głośnik bez jego uszkodzenia, a nie że w każdych okolicznościach będzie musiał tyle pobierać.

[H1M4W4R1]

25 minut temu, jand napisał:

Jeśli jest to głośnik o typowej impedancji 8Ω (lub wyższej) to jak najbardziej można go wysterować wzmacniaczem 18W i nic się nie stanie. Te 200W oznacza, że tyle możemy wpakować w głośnik bez jego uszkodzenia, a nie że w każdych okolicznościach będzie musiał tyle pobierać.

Zauważ, że kolega stwierdził, że będzie miał "zapas" mocy na bardziej skomplikowane eksperymenty. Czyli może nagle zachcieć dać głośnikowi większe napięcie, a to się skończy katastrofą. Z rachunku prawdopodobieństwa (i doświadczenia przy projektowaniu) wynika, iż prędzej czy później to zrobi i nie będzie pamiętać, by zweryfikować czy wzmacniacz to uciągnie, co skończy się jak wyżej.

Nie należy projektować prototypów urządzeń w oparciu o zakładane zastosowanie, tylko o najgorszy możliwy scenariusz, bo inaczej kończy się dużą ilością dymu, który nie do końca jest zdrowy.

[Wejmon]

Cenna uwaga @_LM_ Spróbuję zatem zamontować do powierzchni głośnika np. tekturową tubę lub plastikowy lejek. Ciekawe jaki uzyskam efekt Tematyką ultradźwięków nigdy się nie zajmowałem. Nie wiedziałem, że można uzyskać tak zjawiskowe efekty

Co do kwestii doboru głośnika rozumiem, że @jand @H1M4W4R1 kluczowym aspektem jest zasilanie układu, moc wzmacniacza oraz impedancja głośnika. Jeżeli zostanie wybrany głośnik o większej mocy niż wzmacniacz, trzeba po prostu obliczyć ze wzoru: P=U^2/R, czy przy danym napięciu oraz impedancji nie spalimy wzmacniacza 

Zabieram się w takim razie do złożenia zamówienia na wybrane komponenty. Kiedy wszystko uda mi się podłączyć skupię się na pisaniu kodu do Arduino

[ethanak]

18 minut temu, Wejmon napisał:

Jeżeli zostanie wybrany głośnik o większej mocy niż wzmacniacz

...to się nic złego nie stanie, o ile rezystancja głośnika będzie nie mniejsza niż ta, z którą powinien pracować wzmacniacz. Oczywiście - zasilanie głośnika 200W/100Ω z wzmacniacza 1W/4Ω może dać ciekawe efekty

 

 

[Wejmon]

Udało mi się skompletować komponenty Zadowolony podłączyłem wszystko zgodnie z wcześniej opublikowanymi schematami i ... klops Oczywiście wszystko działa jak należy. Głośnik "podkręcony" do maksimum potrafi pokazać pazur. Przykładowo, ciężko jest przy nim prowadzić normalną rozmowę. Mimo to, w żaden sposób nie potrafię ugasić nim płomienia chociażby malutkiej świeczki

Prosty kod wykorzystany do testów:

const int Tranzystor = 6;            //Numer wejścia D6 jako Tranzystor 

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  pinMode(Tranzystor, OUTPUT);       //Wyjście dla Tranzystora
  pinMode(A5, OUTPUT);               //Wyjście dla Potencjometru we Wzmacniaczu
}

void loop() {
  tone(Tranzystor, 80);              //Generowanie sygnału o częstotoliwości 80 Hz
  delay(5000);
  noTone(Tranzystor);
  delay(100);
}

Przeglądając internet znalazłem prace naukowe [link] [link], w których podane są informacje na temat odpowiedniej częstotliwości zdolnej ugasić płomień: 50 Hz - 80 Hz lub 92 Hz. Natknąłem się również na stwierdzenia [link] [link], że powinien to być zakres 30 Hz - 35 Hz lub 40 Hz - 60 Hz. Niestety we wszystkich badaniach posłużono się głośnikiem o mocy od 100 W do 250 W.

Z drugiej strony oglądając opublikowane filmiki na YouTube, aby zgasić świeczkę, rzekomo wystarczy zwykły telefon z pobraną aplikacją do generowania fal akustycznych o wybranej częstotliwości [link] lub prosty głośnik [link], [link], [link], [link], [link] emitujący około 300 Hz.

Za pomocą funkcji tone() w Arduino przetestowałem wybiórczo głośnik w zakresie od 80 Hz do 500 Hz (częstotliwość głośnika: 80 - 10 000 Hz) obserwując zachowanie płomienia. Brak jakiegokolwiek efektu. Spróbowałem z niższymi częstotliwościami wsłuchując się jak reaguje głośnik. Co prawda nieco zmieniało się jego brzmienie, jednak nie mam 100% pewności czy uzyskałem zamierzoną częstotliwość, z uwagi na specyfikację głośnika. Mimo wszystko, także nie uzyskałem pożądanego zjawiska. Montaż cylindra/stożka w kształcie tuby/lejka przy powierzchni głośnika również w niczym nie pomógł.

Podsumowując w żadnym z przypadków płomień świeczki nawet nie drgnął     Zastanawiam się czy coś przeoczyłem? Czy problem leży po stronie niewłaściwie dobranego głośnika, czy może źle napisanego kodu? Jeżeli ktoś ma pomysł jak temu zaradzić, byłbym bardzo wdzięczny!

[ethanak]

Wykop pod fundament do dziesięciopiętrowca z reguły robi się koparką. Pewnie można zrobić to łopatką dziecięcą...

Jak myślisz, dlaczego do przeniesienia częstotliwości rzędu kilkunastu-kilkudziesięciy herców potrzebny jest głośnik basowy, a nie pizdryk wyjęty z radia Koliber?

[74HC04]

Ale 12V połączyłeś ze złączem VIN Arduino?

[Wejmon]

Zasilanie z akumulatora (12V) połączyłem równolegle z Arduino (wtyk DC) oraz ze złączem VIN tranzystora MOSFET (tak jak pokazał producent) [link].

[74HC04]

Ok

[BananWszyscy]

13 godzin temu, ethanak napisał:

Wykop pod fundament do dziesięciopiętrowca z reguły robi się koparką. Pewnie można zrobić to łopatką dziecięcą...

Jak myślisz, dlaczego do przeniesienia częstotliwości rzędu kilkunastu-kilkudziesięciy herców potrzebny jest głośnik basowy, a nie pizdryk wyjęty z radia Koliber?

Oczywiście bo jest większy i cięższy, i wiecej materiału, i drożej, i robią nas w konia! Taki spisek 

 

 

Hehheheheh

[dambo]

a jaki masz dokladnie model głośnika?