Загадка велосипедного гудка
Есть у меня китайский велосипедный гудок, издающий очень громкий и при том достаточно низкий звук, до-диез первой октавы (280 Гц). Включать его в помещении невыносимо, уши вянут, эта хреновина с лёгкостью может перекричать пылесос.
Это и заставило меня однажды задаться вопросом - КАК ЕМУ ЭТО УДАЕТСЯ? Динамики куда больших габаритов имеют частоту среза 300 Гц, и это при подходящем акустическом исполнении, а тут маленький пластмассовый корпус, чуть ли не половину объема которого тут же "съедает" батарейка, а остатки - плата с генератором. Что еще удивительнее - в этом агрегате используется не динамик, а пьезоэлемент:
а заставить их издавать звуки низкой частоты еще тяжелее - он попросту не может колебаться с амплитудой в полсантиметра, такие пьезики обычно истошно пищат, например в UPS'ах.
Изучив схему, я пришел к удивительному выводу - этот гудок и не издает вовсе звука 280 Гц, он лишь заставляет нас поверить, что мы слышим этот звук, когда на самом деле из него исходит лишь прерывистый писк!
Схема собрана на умощненном КМОП-инверторе. Как видно, она состоит из двух генераторов. Слева на рисунке низкочастотный генератор, дающий те самые 280 Гц, а справа - высокочастотный, на 2.8 кГц. Когда на выходе НЧ генератора лог. 0, он блокирует работу ВЧ, причем выходной транзистор на весь период паузы закрывается.
Вот что мы получаем на пьезоэлементе:
по вертикали 20 В/клетку, по горизонтали 1 мс/клетку. Амплитуда напряжения 60 вольт, что тоже вносит свою лепту в громкость этой адской машинки. Но самое главное, она работает на 2.8 кГц, это уже писк, его и пьезоэлемент издаст, и большой коробки для этого не требуется.
Хочу заметить: от того, что мы начинаем модулировать этот писк, частоты 280 Гц в спектре не появляется, вместо этого появляются суммарная и разностные частоты 3.08 кГц и 2.52 кГц и, поскольку мы меандр модулируем меандром, еще некоторое количество хвостов, но они уже не так заметны.
Низкую частоту детектирует уже наше ухо, а может быть даже наш мозг. И надо сказать, это довольно частое явление. Если мы слышим басовую партию на простеньких мультимедийных колонках, или - того хуже - на встроенных динамиках ноутбука или телефона, это исключительно благодаря такому эффекту. Человеческое ухо к набору гармоник достраивает основной тон.
И напоследок - как это все звучит и выглядит. Оригинальная схема:
При анализе схемы я поначалу ошибся на знак, мне казалось, что во время паузы выходной транзистор будет открыт. Попробовал для интересу перепаять его задом наперед, вот что вышло:
осцилограмма покрасивше - открытый во время паузы транзистор вгоняет трансформатор в насыщение, моментально прекращая колебания, но жрет он знатно, батарейки надолго не хватит.
И еще мне хотелось услышать "истинный звук" этого гудка, тот самый писк 2.8 кГц, для чего я выпаял диод совсем. И вот ведь упрямая штуковина - даже разорванная пополам, эта схема продолжила работать, давать модулированный (но гораздо слабее) выходной сигнал! Как оно получилось, не знаю точно, у меня ощущение, что от ножек питания микросхемы к ее кристаллу идут очень тонкие проводники, а сквозные токи у этих умощненных инверторов ого-го, и генератор НЧ периодически просаживал питание выходного транзистора, из-за чего гудок продолжал гудеть как ни в чем ни бывало:
но при низком напряжении он как раз пищит, по сути ровно то же пищание он и издает всегда!
Это и заставило меня однажды задаться вопросом - КАК ЕМУ ЭТО УДАЕТСЯ? Динамики куда больших габаритов имеют частоту среза 300 Гц, и это при подходящем акустическом исполнении, а тут маленький пластмассовый корпус, чуть ли не половину объема которого тут же "съедает" батарейка, а остатки - плата с генератором. Что еще удивительнее - в этом агрегате используется не динамик, а пьезоэлемент:
а заставить их издавать звуки низкой частоты еще тяжелее - он попросту не может колебаться с амплитудой в полсантиметра, такие пьезики обычно истошно пищат, например в UPS'ах.
Изучив схему, я пришел к удивительному выводу - этот гудок и не издает вовсе звука 280 Гц, он лишь заставляет нас поверить, что мы слышим этот звук, когда на самом деле из него исходит лишь прерывистый писк!
Схема собрана на умощненном КМОП-инверторе. Как видно, она состоит из двух генераторов. Слева на рисунке низкочастотный генератор, дающий те самые 280 Гц, а справа - высокочастотный, на 2.8 кГц. Когда на выходе НЧ генератора лог. 0, он блокирует работу ВЧ, причем выходной транзистор на весь период паузы закрывается.
Вот что мы получаем на пьезоэлементе:
по вертикали 20 В/клетку, по горизонтали 1 мс/клетку. Амплитуда напряжения 60 вольт, что тоже вносит свою лепту в громкость этой адской машинки. Но самое главное, она работает на 2.8 кГц, это уже писк, его и пьезоэлемент издаст, и большой коробки для этого не требуется.
Хочу заметить: от того, что мы начинаем модулировать этот писк, частоты 280 Гц в спектре не появляется, вместо этого появляются суммарная и разностные частоты 3.08 кГц и 2.52 кГц и, поскольку мы меандр модулируем меандром, еще некоторое количество хвостов, но они уже не так заметны.
Низкую частоту детектирует уже наше ухо, а может быть даже наш мозг. И надо сказать, это довольно частое явление. Если мы слышим басовую партию на простеньких мультимедийных колонках, или - того хуже - на встроенных динамиках ноутбука или телефона, это исключительно благодаря такому эффекту. Человеческое ухо к набору гармоник достраивает основной тон.
И напоследок - как это все звучит и выглядит. Оригинальная схема:
Click to viewПри анализе схемы я поначалу ошибся на знак, мне казалось, что во время паузы выходной транзистор будет открыт. Попробовал для интересу перепаять его задом наперед, вот что вышло:
осцилограмма покрасивше - открытый во время паузы транзистор вгоняет трансформатор в насыщение, моментально прекращая колебания, но жрет он знатно, батарейки надолго не хватит.
И еще мне хотелось услышать "истинный звук" этого гудка, тот самый писк 2.8 кГц, для чего я выпаял диод совсем. И вот ведь упрямая штуковина - даже разорванная пополам, эта схема продолжила работать, давать модулированный (но гораздо слабее) выходной сигнал! Как оно получилось, не знаю точно, у меня ощущение, что от ножек питания микросхемы к ее кристаллу идут очень тонкие проводники, а сквозные токи у этих умощненных инверторов ого-го, и генератор НЧ периодически просаживал питание выходного транзистора, из-за чего гудок продолжал гудеть как ни в чем ни бывало:
но при низком напряжении он как раз пищит, по сути ровно то же пищание он и издает всегда!