Drei-Lautsprecher Chladnischen Patterns - Nordwest Mechatronik Wiki

Die Gleichung löst für die Nullstellen der stehenden Welle für eine quadratische Platte in der Mitte begrenzt, wie die, die wir für unsere Ein-Lautsprecher-Konfiguration verwendet. Die Variable L die Seitenlänge der Platte beträgt, m ist die Anzahl der diametralen Knoten und n die Anzahl der radialen Knoten.

Die Gleichung, die die Nullstellen zu finden für eine kreisförmige Platte ist. JN (K * r) Laufzeit wird unter Verwendung der n-ten Ordnung Bessel-Funktion.

Die folgende Gleichung ist Chladnischen Gesetz:. Diese Gleichung bezieht sich die Schwingungsmoden auf die Frequenz der Moden für kreisförmige Platten mit einem festen Mittelpunkt, ähnlich dem unserer dreiLautSprecherSystem verwendet, außer, dass unsere Platte an drei Punkten befestigt ist, weg von der Mitte. In der Gleichung sind p und C basierend auf den Eigenschaften der Platte definiert ist. Für kreisförmige Platten, p etwa 2. Die Werte von m und n sind an den diametralen und Radialmoden Auserwählter basiert, die durch die Formen der Knoten auf der Platte bestimmt werden kann, dann in der Frequenz der Platte, das diese Form gemacht .

Mechanische Konstruktion

Der Chladni Mustergenerator Setup ist ziemlich einfach. Es gab drei große Bereiche des Designs wir berücksichtigen mussten. Einer war, wie die Lautsprecher anzupassen an die Metallplatte zu befestigen, war der zweite das Lautsprechergehäuse und das dritte war die Benutzeroberfläche / Schaltungsbox. Diese werden detailliert mit Bildern unten.

Wenn Sie versuchen, dieses Projekt zu replizieren, beachten Sie, dass viele dieser Spezifikationen ändern können und nach wie vor interessant ergeben, aber unterschiedliche Ergebnisse. Eine andere Sache zu beachten ist, alle Spezifikationen sind für unsere speziellen Lautsprecher. Abmessungen und Materialien können nach ändern, was Sie gerade arbeiten und was verfügbar ist.

Liste der Einzelteile

Die Teile und Preise beziehen sich speziell auf das Projekt haben wir. Sie können viele der Teile ändern, um verschiedene Komponenten zu entsprechen. Wir hatten das Glück, die meisten Materialien in Versorgung haben, so dass wir Geld für die Aluminiumplatte und Elektronik sparen könnten.

Aufteilung der Komponenten

• Erst die Staubkappe wie dargestellt nach rechts weg
• Geklebte auf die Membran des Lautsprechers und über die Staubschutzkalotte ist ein 2 Zoll langen PVC-Rohr, die das Loch abdeckt.
• Über das PVC-Rohr geklebt wir ein 2" x 2" Stück Polycarbonat.
• Wir verschraubt ein Loch in die Mitte des Polycarbonats und in einer Schraube.
• Die Schraube ist mit Muttern und Unterlegscheiben befestigt. Die flexible Aluminiumplatte wird letztlich an den Lautsprecher durch diese Schraube befestigt werden.
  

Weitere Informationen darüber, wie Lautsprecher funktionieren, klicken Sie hier.

Staubkappe Entfernung

Lautsprecher-Boxen und Unter

• Schneiden Sie ein Loch in die Oberseite der Lautsprecherbox die Lautsprecher zu setzen.
• Wir planten die Basis, so dass die Lautsprecher radial um 120 Grad und die Zentren der einzelnen Lautsprecher getrennt werden würden ein 13" gleichseitiges Dreieck miteinander zu schaffen.
• Wir stellten uns die Böden der Lautsprecherboxen und die Basis mit Klettverschluss zur Bequemlichkeit und Zugänglichkeit.
• Der Lautsprecher aufgebaut sitzt in einer 32" x 32" foamcore Box mit L-Winkeln verstärkt. Dies ist das Salz zu fangen, der aus der Aluminiumplatte schwappt.

Bottom of Lautsprecherbox

Drei-Lautsprecher Holzsockel mit Klettverschluss

Benutzeroberfläche und Schaltungsbox

• Eine einfache Box mit einem Klappdeckel, der aus etwas gemacht werden kann, haben wir uns für ein schwarzes Polystyrol-Material zu verwenden, das zur Verfügung stand.
• Das Panel Benutzeroberfläche muss Schlitze für die zwei Leistungsschalter schneiden müssen, und LCD-Bildschirm, und einen Knopf. Der Laserdrucker und Mühle wurden verwendet, diese beiden Aussparungen zu machen.

Benutzer-Interface-Box

Unterseite der Abdeckung

Innen-Box mit dem Auto amp

Chladnischen Platte aus Aluminium

Etwas zusammensetzen

• Das letzte Stück benötigt wird, ist eine Metallplatte. Wir reduzierten die 36" x 36" Aluminiumplatte in eine 28" Durchmesser kreisförmige Platte.
• Abgebildet auf der Seite ist die komplette Einrichtung.

Electrical Design

AD9833 auf Adapter

Leiterplatten mit Komponenten un-plugged

Der PIC steht mit dem Funktionsgenerator AD9833-Chip durch SPI-Schnittstelle. Siehe Signalerzeugung mit AD9833 und SPI, wie diesen Chip zu verwenden. Die Hauptuhr wird den CLK des PIC verbunden, und die drei SPI Kommunikationsleitungen sind an den drei I / O-Pins A1, A2 und A3 auf dem PIC verbunden. Durch den folgenden Code über SPI beschrieben, Informationen über die Welle erzeugt werden übertragen wird und die Funktion Welle wird entsprechend erzeugt. Ein 10K Potentiometer wird als Eingabe von dem Benutzer in der Form eines Knopfes verwendet, um die Frequenz einzustellen. Es ist mit A0 der PIC-Pin und seine Verwendung ist im Detail im Abschnitt Code beschrieben.

Der Ausgang des AD9833-Chip ist mit den nichtinvertierenden Eingängen von drei LM741-Operationsverstärker verbunden ist. Diese Operationsverstärker werden nicht verwendet, um das Signal zu verstärken, sondern als ein Einheitsverstärkungspuffer für die Signale zu dienen. Sie sind mit einer Versorgungs +/- 12V Stromversorgung angeschlossen. Dieser Puffer stellt im Wesentlichen eine Kopie des Eingangs am Ausgang ohne Strom von der Quelle des Eingangs Zeichnung, das heißt den Funktionsgenerator-Chip, der seine Leistung von der PIC Versorgung erhält. Stattdessen zieht die Ausgangssignalleistung aus dem Operationsverstärker selbst. Ziel ist es, sicherzustellen, dass die Messung einer Spannung macht die Schaltung die Spannung gemessen werden soll, nicht stören zu erzeugen.

Die Ausgänge der Operationsverstärker werden dann an den Auto-Verstärker unter Verwendung von Standard-RCA-Eingangsleitungen verbunden sind. Der Auto-Verstärker, der mit einer 12V-Versorgung verbunden ist, verstärkt das Signal in hörbaren Amplituden und die Ausgänge sind mit den drei Lautsprechern verbunden ist. Die Lautsprecher zeichnen Leistung aus dem Auto-Verstärker.

Die D0-D6 Ausgänge des PIC werden die Parallel LCD verbunden. Um mehr zu erfahren, wie Sie die LCD-Funktion zu erhalten, finden Sie in C Beispiel: Parallel Interfacing mit LCDs. Die LCD wird die Zielfrequenz anzuzeigen, dass die Benutzereingaben mit dem Drehknopf (die am Potentiometer ist) und auch den Wert der Frequenz der Welle, die in dem Moment erzeugt wird.

Für eine einfachere und bequemere Verwendung, Steckdosen wurden für Sockelpins von der Stromversorgung, Potentiometer, Cinch-Eingang Kabel und dem parallelen LCD gemacht. Auf diese Weise können die Komponenten in die und aus leicht eingesteckt werden.

Der TDA2040 Audio-Verstärkerchip wurde zunächst anstelle des Car-Audio-Verstärker verwendet. Dieser Chip viel Strom zieht, und drei Lautsprecher zu verstärken, wurden drei Chips benötigt, die jeweils 24V zog. mit diesen Ergebnisse waren widersprüchlich und daher wurden die Car-Audio-Verstärker verwendet statt. Das Schaltbild für diesen Chip wird nachstehend ebenfalls gezeigt.

Außerdem wurde unter Verwendung von drei separaten Funktionsgenerator-Chips für jeden Lautsprecher unfruchtbar. Die Zerbrechlichkeit der Chips sowie die Schwierigkeiten bei der Übertragung von drei verschiedenen Signale über SPI führte uns greifen nur einer von ihnen.

Schaltplan

Schaltschema der Schaltung zur Demonstration 3-Lautsprecher Chladnischen verwendet

TDA-2040 Audio-Amp-Schaltung [1]

Hinweis: Wenn der TDA2040 verwendet werden soll, den Ausgang der Pufferverstärker mit dem Eingang der Vi TDA2040 Chipeinheitsverstärkung verbinden. Die Last an Pin 4 des TDA2040 Chips ist dann der Lautsprecher. + Vs + 12V und -12V -Vs ist für die Schaltung TDA2040.

Haupt Frequenz-Sweep-Code

Die erste Sache, dass dieser Code macht, ist, dass es die Variablen initialisiert, um den Registerwert von 298 Hz und target_freq_reg old_target_freq_reg, die eine nicht-resonanten Frequenz ist. Siehe Waveform_Generation_with_AD9833, _and_SPI um herauszufinden, wie zwischen Frequenz und Registerwert für Befehle an den AD9833 Funktionsgenerator-Chip und das Senden von Befehlen an der AD9833 mit SPI gesendet zu konvertieren. Danach wird das analoge Portpins eingerichtet und die LCD_Init () Funktion aufgerufen, um die LCD-Anzeige einzurichten. Das LCD zeigt die aktuelle Frequenz, die der AD9833 gerade ausgibt und die Zielfrequenz, dass der Chip soll fegen nach oben / unten zu. Siehe C Beispiel: Parallel LCDs Interfacing zu erfahren, wie Schnittstelle und Informationen auf dem LCD zu senden.

Sobald die Ersteinrichtung Informationen beendet sind, sendet der Code den ersten Frequenzbefehl an den AD9833, ist es bei einer Frequenz von 298 Hz ausgehend von dem target_freq_reg Registerwert zu geben (bei 298 Hz initialisiert). Auf diese Weise können die Lautsprecher an der ersten Resonanzfrequenz fegen und das Salz in der ersten Resonanzform oszillieren, wenn das System eingeschaltet ist. Die Registerwerte werden dann in Hz umgewandelt und auf dem LCD angezeigt. Von dort geht der Code in eine while () Schleife, die die Eingabe von dem Benutzeroberfläche Knopf kontinuierlich überprüft, die die Zielfrequenz anzeigt, dass der AD9833 gehen sollte. Nachdem sie die Zielfrequenz von check_input () vergleicht der Code diese neuen Frequenzinformationen zu der alten Frequenzinformation (old_freq_reg). Wenn sie unterschiedlich sind, dann wurde der Knopf auf eine neue Frequenz geschaltet und die AD9833 muss nach oben oder unten auf die neue Frequenz fegt. Je nachdem, ob die neue Frequenz oberhalb oder unterhalb der alten Frequenz, eine for-Schleife halten neue Frequenzregister Befehle an die AD9833 Senden von send_freq () aufrufen, die eine Funktion ist, die die Frequenz verschiebt sich nach oben oder unten von 1 Hz alle 100 ms und aktualisiert ständig die LCD die aktuelle und Zielfrequenz angezeigt werden, bis die tatsächliche Frequenz auf die Zielfrequenz gleich ist. Die Funktion check_input () wird für jede Iteration der for-Schleife bezeichnet, wenn die Zielfrequenz geändert wurde, zu überprüfen. Die old_target_freq_reg wird dann gleich das target_freq_reg gesetzt und das Programm hält dann an dieser einer Resonanzfrequenz, bis der Knopf eine andere target_freq_reg sendet.

Überprüfen von Benutzereingaben

Diese Funktion wird verwendet, um die Drehknopf / Potentiometer Position an bestimmten Punkten während des Wechsels der Frequenzen in der Hauptfunktion zu überprüfen. Es setzt den ADC-Kanal auf 0 und führt den Analogeingang von dem Stift A0 auf dem PIC read_adc (). Dieser Eingang, eingestellt auf der Variable knob_val, eine ganze Zahl zwischen 0-255, die auf die Spannung aus dem Drehknopf / Potentiometer kommenden entspricht, der gleich 0 ist, wenn der Ausgang auf 0 V ist, und 255, wenn der Ausgang bei 5 V ist. Durch Prüfen, ob zwischen einem bestimmten knob_val ganzzahligen Bereich ist auf die unterschiedlichen Zahlen auf dem Knopf entspricht (Numerierung 0-10), kann die Zielfrequenz durch den Benutzer eingestellt werden. Neun Zielresonanzfrequenzen wurden in dieser Funktion auf der Grundlage die gute Klarheit der Formen programmieren sie auf der Platte erzeugt, sondern mehr Resonanzfrequenzen vorhanden ist und in dieser Funktion die if-Anweisung hinzugefügt werden. Die Zielfrequenz Register sollten in Abhängigkeit von der Plattenform und Größe eingestellt werden.

Drei-Lautsprecher Chladni

Die folgenden Bilder zeigen die Ergebnisse des Drei-Lautsprecher-Systems Chladnischen bei sechs unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Einige dieser Frequenzen haben klarere Muster als andere, wie zum Beispiel 424 Hz, 554 Hz und 660 Hz. Die weniger klar diejenigen, könnten aufgrund von Mängeln in der Platte oder die Lautsprecher werden nicht die genaue Resonanzfrequenz zu schlagen. Einige Frequenzen in diesen Ergebnissen gezeigt sind anders als die, die in dem obigen Code angezeigt. Die, die unten angezeigt wurden für ihre Klarheit und Kontrast voneinander gewählt, da einige Frequenzen im angezeigten Code nicht so viel in Mustern verschieben.
Klicken Sie hier für ein Video unserer Drei-Lautsprecher-Setup Chladni

One-Lautsprecher Chladni

experimentelle Hinweise

AD9833 Signalgenerator

SPI-Kommunikation mit mehreren Chips AD9833

Senden unterschiedliche Frequenzen an verschiedenen Lautsprecher

Das war schwierig, mit, weil wir Probleme mit dem SPI-Kommunikation zu experimentieren AD9833 Chips zu trennen. Doch während des gesamten Projektes wir mal erlebt, wenn die Lautsprecher bei verschiedenen Frequenzen arbeiten wurden. Von dem, was wir alle Lautsprecher haben gesehen, muss für jedes Muster bei den gleichen Frequenzen in Betrieb sein zu zeigen. Wann immer es eine Phase Ausgabe oder Differenz in der Frequenz war, würde die Platte Knickverhalten zeigt das Salz mehr Zentimeter in die Luft zu werfen.

Auch bemerkten wir, dass unsere Muster haben keine perfekte radiale Symmetrie. Da die Muster stark von der Form der Platte verlassen, Unvollkommenheiten in der Platte können unsymmetrischen Muster verursachen. Neben ein paar kleine Dellen und Kratzer, Bandsägen, den Kreis aus der großen Platte ergab gezackt und krumm Kanten an mehreren Punkten.

Zunächst wollten wir die TDA-2040 Audio-Verstärker-Chips verwenden. Unsere ursprüngliche Schaltung ist rechts im Bild. Wenn mit einem Lautsprecher des TDA-2040-Chip arbeitet funktionierte wunderbar. Es erfordert eine Menge Energie - 24 Volt -, die an + 12V mit -12 V versorgt wurde. Der ein Lautsprecher Video wurde tatsächlich mit dem TDA-2040 Audio-Verstärker-Chip durchgeführt.

Mögliche zukünftige Verbesserungen / Erweiterungen

• Probieren Sie verschiedene Frequenzen zu senden (durch herauszufinden, wie mehrere AD9833-Chips mit einem PIC zu programmieren) zu jedem Lautsprecher zu sehen, ob sie verschiedene Muster erzeugen.
• Verwenden Sie unterschiedliche Plattengröße oder unterschiedliche Menge an Lautsprechern. Verwenden Sie zum Beispiel 4 Lautsprecher und eine große quadratische Platte, welche Arten von sichtbaren Formen bei Resonanz zu ändern.
• Finde heraus, die Machtfrage mit mehreren TDA-2040 Audio-Verstärker-Chips, so das Projekt nicht auf dem LA160 Auto amp verlassen würde.
• Verwendet eine starre Platte oder das Konstrukt eines mit weniger Defekten in der Form.

Referenzen