💃 🚶🏽 ✋🏽 外差式超声波蝙蝠探测器 🍳 ⚖️ 💅🏿

小马蹄蝙蝠

这个项目描述了所谓的创作。蝙蝠检测器-一种允许您收听和记录蝙蝠发出的声音的设备。您可能知道蝙蝠会发出超声波以进行回声定位。这些声音的频率超出人耳可感知的范围，因此无法直接听到。蝙蝠探测器使用特殊的麦克风，能够拾取这些高频声音并将其转换为可听范围内的声音。

蝙蝠探测器有三种类型。我自己做了一个外差探测器。其缺点是，与录制高频声音相比，它更难区分不同类型的蝙蝠。稍后我将解释外差探测器的工作原理，但首先让我们看一下记录超声所需的麦克风。

选择麦克风时，起初我考虑了两种选择：

-驻极体麦克风-根据文档，我发现的所有东西都只能在10至20 kHz的范围内工作，但是如果您相信某些资源，那么其中的某些类型也会在一定程度上感知超声波。但是，由于他们的官方描述并未表明这一点，因此尝试各种品牌并进行尝试需要大量的反复试验。所以我放弃了这种麦克风。

-压电传感器...例如，它们在无处不在且便宜的流行HC-SR04超声波测距仪中发现。它们的缺点是它们的灵敏度非常接近谐振频率，约为40 kHz。并且，当偏离此频率时，灵敏度会急剧下降。因此它们也不适合。

相反，我最终找到了MEMS型麦克风Knowles SPU0410LR5H麦克风...根据规范，此麦克风在最高80 kHz的所有频率下均具有相当平坦的响应曲线，因此非常适合该项目。此外，它具有一个内部高S / N前置放大器。该麦克风的主要缺点是其外壳不适用于自制项目。它很小（3.76 x 3毫米！），其触点位于外壳内部。我搜索了Internet，并发现了hackaday.io用户Alan Green的页面，他也在自己的项目中使用了此麦克风。他想出了一个为该麦克风制作特殊板的好主意，以便可以手工焊接。关键是要加长焊盘，使其从组件中伸出。我采纳了这个想法，并为麦克风和双运放设计了一个小板。后者提供了一个虚拟地（电源电压的一半），以及一个20 dB的放大器级（即10倍）。起初，我对手工焊接麦克风持怀疑态度，但一切工作正常-我焊接的所有6个板均成功。我录制了一段焊接视频以进行澄清。董事会的设计也已公开。

让我们开始解释外差蝙蝠探测器的工作原理。让我们开始看老鼠发出的信号。可以将它们建模为信号幅度调制的超声载波频率，而包络信号就像一个短的“线性调频”信号（具有线性频率调制的信号）一样。

在超声图中，载波显示为红色，the的包络显示为绿色，总和显示为蓝色。要将信号转换为人耳可听到的范围，您需要对其进行转换以保留包络（线性调频），并使用较低频率（例如1-5 kHz的范围）的载波信号对其进行调制。如何做到这一点？

为了从数学的角度理解这是如何完成的，我们使用已知的三角恒等式：

2sin（x）⋅sin（y）= cos（x-y）-cos（x + y

）2cos（x）⋅cos（y）= cos（x-y）+ cos（x + y）

2sin（x）的⋅cos（Y）= SIN（X - Y）+ SIN（X + Y）

2COS（x）的⋅sin（Y）= - SIN（X - Y）+ SIN（X + Y）

如果我们把我们的蝙蝠的信号模型，它可以被建模为如下：

载体（T）= SIN（2πF _ç吨）

线性调频脉冲（T）= SIN（2πF_啁啾吨）

蝙蝠（T）=载体（T）⋅chirp（T）

，其中是超声波频率载波f _c和线性调频信号的频率-f _chirp。对于此示例，假定：

f _c = 40 kHz

f _chirp = 1 kHz

应用三角恒等式，我们得到：

蝙蝠（T）= SIN（2πF _Ç吨）⋅sin（2πF_啁啾吨）= 1/2 cos（2π（F _Ç -f_啁啾）T） - 1/2 cos（2π（F _ç + F_啁啾）t）的

要调制的信号包括两个对称地位于载波频率附近的频率，在本示例中为

40 kHz-1 kHz = 39 kHz

40 kHz + 1 kHz = 41 kHz

这是较低的LSB和较高的USB边带：

f _LSB = f _c -f_啁啾

˚F _USB = F _{c ^} + F_啁啾

现在，我们可以使用相同的原理将鼠标信号转换为较低的可听频率。为此，您需要将信号乘以本地LO发生器的频率-这是信号的载波频率与所需载波频率之间的差（在我们的情况下，是我们希望听到蝙蝠的叫声的可听频率）。这项技术称为外差技术，在我们的示例中，假设我们想以5 kHz的频率听到老鼠的尖叫声，这显然是人类可以听到的。然后：

˚F_目标= 5千赫

˚F _LO = F _{c ^} -f_目标= 35千赫

LO（T）= SIN（2πF _LO t）的

全部放在一起，我们可以重写使用三角恒等式方程的条款：

BAT（T3）⋅LO（T）=（1/2 COS（2πF _LSB T）-1/2 COS（2πF _USB T））⋅sin（2πfLOt）

= 1 / 2COS（2πF _LSB吨）⋅sin（2πF _LO t）的- 1 / 2COS（2πF _USB吨）⋅sin（2πF _LO t）的

= 1/4（SIN（2π（F _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））

（考虑到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_啁啾）T）+ 1 / 2sin（2π（FC - ˚F _LO + F_啁啾）T）+ 1 / 2sin（2π（FC + F _LO - ˚F_啁啾）T） - 1 / 2sin（2π（FC + F _LO + F_啁啾）T））

= 1 / 2COS（2πF_目标吨）⋅sin（2πF_啁啾吨）+ 1 / 2COS（2πF ₂吨）⋅sin （2πF_啁啾吨）

可以看出的是，第一项，COS（2πF_目标吨）⋅sin（2πF_chirp t）正是我们想要的，以5 kHz的可听频率调制的线性调频包络。第二项还是在较高频率f ₂ = f _c + f _LO下调制的线性调频信号，在这种情况下为75 kHz。第二个分量很好地在可听范围之外，并且容易被球拍检测器电路中的高通滤波器切断。

现在，我们对异质原理如何用于构建蝙蝠探测器有了理论上的了解-如何将其付诸实践？最主要的是将输入信号乘以LO信号，这在实际的电子设备中并不容易做到。有用于模拟乘法的电路（例如，吉尔伯特单元）），我们可以将合适的IC（例如NE612）与正弦波发生器（例如，维恩桥发生器）结合使用。然而，这样的解决方案将是困难的，并且诸如NE612等的用于模拟乘法的IC是稀有且昂贵的。

事实证明，有一个更简单的选择，它可以从常见的标准组件组装而成。我们可以组装带有模拟开关的混频器。尽管这不是一个完美的混频器，但由于它实际上并未将两个信号相乘，因此我们很快就会发现它仍然运行良好。

现在，让我们看一下图并尝试弄清楚它是如何工作的。

在图的左侧，麦克风输出被馈送到二阶高通LC滤波器，该滤波器去除了20 kHz以下的可听频率，并且仅允许超声通过（因为这是我们所需要的）。需要与电感器并联的电阻器R1-它可以抑制谐振。

在高通滤波器之后，信号进入系数为1和-1的两级运算放大器（即，将信号反相）。现在，我们有了鼠标信号及其反向信号。

在该图的左下方，您可以使用著名的IC 555识别一个双稳态多谐振荡器。...电位计P1可以监控整个电路，并产生占空比约为50％且方波频率从20 kHz至400 kHz的方波。在我们的情况下，它将是本地振荡器LO的信号，但是与我们的数学模型不同，该波是方波，而不是正弦波。 LO信号到达反相级，该反相级由一个模拟开关U3D和一个电阻R6组成。这里，模拟开关用作数字逆变器，由于CD4066 IC有4个模拟开关，因此我们有两个备用开关，其中一个可以用作逆变器，从而节省了元件。它的工作原理很简单：如果LO信号为低电平，则开关断开，R6将开关的输出信号上拉。如果信号为高，则将钥匙闭合并将钥匙的输出接地。这就是获得反相信号的方式。

\bar{L O}

$\overline{LO}$ 。

现在让我们看一下标为“平衡混频器”的电路部分。同相鼠标信号被馈送到控制LO信号的模拟开关。反相的信号被馈送到另一个键，该键控制该信号

\bar{L O}

$\overline{LO}$ 。键输出已连接。电路的这部分做什么？

让我们考虑LO信号为0（低）的情况，因此该信号

\bar{L O}

$\overline{LO}$ 1（高）。在这种情况下，下键U3B关闭，而上键U3A打开。因此，反转的鼠标信号通过。在相反的情况下，当LO信号为1（高电平）时，因此该信号

0（低）。，U3B底部开关的打开和关闭上部U3A。然后，同相信号通过。回想一下，这种切换发生在由555定时器环路确定的频率f_LO上，这种行为可以用数学方法建模吗？本质上，该混频器电路将信号乘以在+1和-1之间切换的方波。这等效于在反相和同相之间切换输出信号。这样的波（我们称它为r（t））可以用所谓的来描述。带有符号（x）的功能：

\bar{L O}

$\overline{LO}$

r (t) := s i g n (s i n (2 π f t)), г д е s i g n (x) = {\begin{cases} 1 & x >= 0 \\ - 1 & x < 0 \end{cases}

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

因此，在混合器的输出处，我们获得乘积bat（t）⋅r（t）。就其本身而言，这还不能解释任何内容-为了了解混频是如何发生的，我们需要应用一种称为傅立叶级数展开式的数学魔术。我将为您保留结论，并立即为您提供结果。实际上，使用傅立叶级数可以证明：

我们的方波+ 1 / -1由无穷多个正弦波组成，其正弦波频率为f _LO及其奇数因子。随之而来的是什么？如果忽略常数4 /π，则可以看到r（t）是LO（t）与其他更高频率的LO ₃（t），LO ₅（t）之和。根据先前的计算，我们已经表明：

因此，可以计算出：

我们再次看到，我们想要的是第一项2 / πcos （2πf_目标t）⋅sin （2πf_线性调频t），但是，由于我们的模拟切换器不完善，我们最终遇到了许多其他不必要的项。但是，所有这些不必要的频率分量都具有比我们的目标f _target更高的频率。因此，我们可以使用高通滤波器消除这些分量，并获得大约等于2 / πcos（2πf _target t）⋅sin（2πf _chirp t）的最终信号。

如果返回电路，则混频器的输出到达缓冲级，然后到达耦合频率约为7 kHz的低通RC滤波器。最后一个放大器级提供可调节的增益，并用作输出驱动器（例如，耳机）。

为了更好地理解混频的工作原理，我在LTSpice中制作了一个电路模拟器。您可以下载模拟文件并使用它们。

关于组件的几个注意事项。我希望整个电路都由一个锂离子电池供电，因为我有一堆是旧手机之类的东西。因此，整个电路必须在3至4 V的电源下工作。因此，必须以CMOS形式选择555定时器和4066模拟开关-它们已经在3 V下工作。我使用了CD4066B和ILC555。四通道运算放大器也必须在低压下工作；我选择了MCP6004，我经常使用它。

我没有放置板，而是将所有东西焊接在面包板上。如果要使用板子制作自己的设备，请下载KiCAD的图表... 我在3D打印机上打印了设备的外壳和用于调节音量和频率的旋钮。将耳机插入插孔时，电源会自动打开。红色LED闪烁表示电源已打开。麦克风板位于机壳内部的小孔后面（如右图所示）。

为了校准频率刻度，我在示波器上检查了555输出，并在外壳上标记了频率。然后，我在计算机上绘制秤并打印出来。

这就是我们所有人一直在等待的东西。蝙蝠的叫声在探测器上听起来像什么？我为您提供了一个片段的录音，当我看到LM在公园的灯笼旁边飞行时，大约是晚上10点。频率调整为40-45 kHz。

https://github.com/MarcelMG/marcelmg.github.io/raw/master/misc/bat_sample.mp3

为了记录声音，我将智能手机握在检测器的耳机旁，但是看起来很傻，所以我决定寻找一个更好的选择。事实证明，大多数智能手机的耳机插孔中都有麦克风输入-您只需要使用带有4个触点的3.5毫米引脚即可。因此，我开发了一个适配器，可以将检测器连接到智能手机的麦克风输入，并将耳机连接到智能手机的耳机输出。为了使智能手机能够识别出已插入麦克风，需要使用一个2.2kΩ电阻，并需要一个3.3 F电容来对信号去耦。

我还必须寻找一个可以同时录制和播放声音的应用程序，以便可以实时收听录制的声音。我对RecForge II应用程序感到满意，尽管可能还有其他应用程序。

如果您想自己组装外差式LM探测器，并且需要板载现成的超声MEMS麦克风，可以在这里找到：

这些板上没有运算放大器，因此您也需要制作一个。其他成分将在您最喜欢的商店中轻松找到。

也可以看看：

“通过超声波的振幅调制进行声音传输”

“水下超声波测距仪的模块”

外差式超声波蝙蝠探测器

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