Este circuito produce un sonido penetrante que resuena dentro de la cabeza de las personas. Es claro que no se necesita ningún implante para obtener este efecto, ya que se trata de un fenómeno físico de latido. Con él, además de experimentos en comportamiento y con animales pueden ser hechos además de poder ser usado en sistema antirrobo o para espantar intrusos. El circuito original fue adaptado y también vertido para el inglés para su inclusión en mi libro Bionics for the Evil Genius.
La versión original fue publicada en 1992, pero puede ser modificada y adaptada, si bien todos los componentes usados en la ocasión aún son comunes. La finalidad de este circuito es ofrecer al lector recursos para la realización de algunos experimentos en biónica y también aplicaciones prácticas que involucran alarmas y espantar intrusos.
Entre las aplicaciones biónicas existen algunas que hasta fueron exploradas en programas de televisión estadounidenses (Discovery Channel) basadas en la edición americana de nuestro libro Bionics para el Evil Genius.
Como funciona
El principio de operación del aparato reside en un fenómeno físico denominado latido. Así, comenzamos nuestras explicaciones por entender lo que es el latido. Tomamos como ejemplo un diapasón, que nada más es que una horquilla de metal que, cuando excitada produce sonido de una frecuencia determinada. En la figura 1 tenemos un diapasón.
Cuando golpeamos en un diapasón él vibra en su frecuencia natural que es determinada por su forma, tamaño y material de que se hace. Un fenómeno interesante ocurre cuando dos diapasones cortados para frecuencias diferentes vibran al mismo tiempo y en el mismo lugar. Al oír cuidadosamente el sonido, veremos que además de los sonidos básicos para los cuales se cortan, aparecen otros dos tonos, uno más grave y otro más agudo.
Este fenómeno ocurre cuando los dos sonidos se mezclan en su oído, o especialmente cuando se inciden en la membrana del tímpano. Se escuchan dos frecuencias adicionales: una tiene la suma de las frecuencias y la otra la diferencia de la frecuencia original producida por los diapasones.
Si uno de los diapasones vibra en 300Hz y otro en 800 Hz, oir también uno tiene de 1 100 Hz y otro de 500 Hz, como se muestra en la figura 2 ..
Este fenómeno, causado por la interferencia de las ondas sonoras se llama "latido" y también se utiliza en los circuitos electrónicos de altas frecuencias. Si analizamos las dos frecuencias adicionales producidas (1 100 Hz y 500 Hz) veremos que ocurren porque cada punto del tímpano recibe al mismo tiempo vibraciones de dos fuentes. Cada parte vibra al mismo tiempo en dos frecuencias.
Los movimientos causados por las dos vibraciones se combinan, produciendo dos nuevas frecuencias. Lo importante a observar en este fenómeno es que las dos nuevas frecuencias (suma y diferencia) no son producidas por las fuentes sonoras, sino en las áreas en que las vibraciones ocurren. Así, las vibraciones ocurren dentro de ti porque el tímpano genera las nuevas vibraciones. Así, los 1 100 Hz y 500 Hz se producen dentro de su oído.
Vamos ahora un poco más allá usando el mismo principio con fuentes ultrasónicas, una de ellas operando en 19 000 Hz y la otra en 20 000 Hz (recuerda que sólo podemos oír hasta aproximadamente 18 000 Hz). Por supuesto, nadie podrá oír los ultrasonidos producidos por cada fuente, ya que están por encima de nuestra capacidad auditiva, pero cuando los dos tonos se combinan dentro del oído, producen dos nuevos tonos. Uno de ellos es la suma (39 000 Hz) que está por encima de nuestra capacidad auditiva, pero el otro es de 1 000 Hz, que se puede oír.
El hecho interesante de este hecho es que el tono diferencia se produce dentro del oído, o precisamente en la membrana del tímpano produciendo la extraña sensación de que el sonido es generado dentro de nuestra cabeza o de que viene de ningún lugar, como muestra la figura 3 .
Por supuesto, si el sonido es producido por fuentes poderosas, el componente audible generado dentro del oído puede causar cierta incomodidad, y la exposición a estos efectos durante largos períodos puede incluso causar dolor. Todos estos factores se aprovechan en nuestro proyecto que opera de la siguiente manera.
El circuito
Dos osciladores ultrasónicos se elaboran alrededor de las 4 puertas de un circuito integrado CMOS 4093, generando tonos en la banda de 20 kHz. Esta frecuencia se ha elegido porque pequeños tweeters, como los utilizados en equipos de audio comunes, pueden reproducir con eficiencia, frecuencias de hasta 22 kHz.
Las otras dos puertas del 4093 se utilizan como osciladores de baja frecuencia, modulando la frecuencia de los osciladores de alta frecuencia. Las frecuencias producidas cambian de valores lentamente alrededor de 20 kHz en el proceso de modulación. Este proceso tiene un efecto adicional sobre las personas. El batido cambia de frecuencia, quedando más o menos penetrante, como una sirena. Como las modulaciones no se sincronizan, las frecuencias ultrasónicas cambian provocando una pulsación aleatoria.
Las señales de los dos osciladores modulados se aplican a pasos de salida potentes que utilizan transistores de efecto de campo de potencia. Estos transistores pueden suministrar varios watts de ultrasonido a los pequeños tweeters piezoeléctricos, como se muestra en la figura 4.
Esta pulsación aleatoria está en la banda audible como se explicó antes, apareciendo dentro del oído, causando la extraña sensación de un sonido penetrante venido de ningún lugar. La figura 5 muestra las formas de onda en diferentes puntos del circuito y también en el tímpano de una persona que se somete a las vibraciones de este circuito.
El circuito puede ser utilizado para diversas aplicaciones como alarma o parte de experimentos involucrando el comportamiento humano. También se sugieren otros experimentos relacionados con la música sin altavoces.
Construcción
En la figura 6 tenemos el diagrama del generador de pánico.
El circuito se puede montar en una placa de circuito impreso estándar como la que se muestra en la figura 7.
En la figura, los transistores no aparecen con sus fregaderos, pero ellos son necesarios. Cualquier FET para 200 V o más con corriente de al menos 2 A puede ser usado. El dibujo de la placa se muestra en la figura 8.
Los tweeters son el tipo miniatura para al menos 80 watts con una respuesta de al menos 22 kHz. El circuito es alimentado por una fuente de 9 a 12 V con al menos 3 A. Una fuente es sugerida en la figura 9.
El transformador tiene un primario de acuerdo con la red de energía y un secundario de 7,5 a 12 V con al menos 3 A de corriente.
Prueba y uso
Coloque los tweeters de 4 a 6 metros de distancia uno del otro. Conecte un tweeter cada vez a la salida correspondiente. A continuación, ajuste el trimpot correspondiente para que se produzcan ultrasonidos. Ellos se vuelven cada vez más agudos hasta desaparecer. Desconecte entonces el primer tweeter y haga lo mismo con el segundo, haciendo los mismos ajustes.
Apague la fuente y vuelva a conectar los dos tweeters. El efecto será el de los sonidos que se producen dentro de su oído. Cuando realice experimentos, tenga cuidado de no causar molestias en animales que estén cerca. No utilice el aparato durante largos intervalos de tiempo en lugares donde estén personas o animales.
Mejoras e Ideas
La versión básica puede funcionar sola, pero algunas adaptaciones se pueden hacer para explotar sus características.
Uso de amplificadores externos
Si el lector tiene un buen amplificador de audio se puede utilizar para excitar los tweeters. Sólo se requiere que el amplificador tenga una buena respuesta de frecuencia, alcanzando al menos 25 kHz. Se debe tener cuidado de no sobrecargar el amplificador con las señales. La figura 10 muestra cómo conectar el amplificador a los osciladores, cancelando los transistores de salida.
Los efectos se pueden aumentar si se utilizan más de dos osciladores. Si se utilizan tres fuentes, por ejemplo, tendremos seis combinaciones de frecuencias, con efectos imprevisibles para el aparato. En la figura 11 mostramos cómo se pueden usar dos circuitos correspondientes a la versión básica.
Circuito Usando el 555
Otro circuito de pánico puede ser usado siendo elaborado del 555 como muestra la figura 12.
Cuatro circuitos integrados 555 se utilizan en la configuración asimilable. Dos de ellos generan los ultrasonidos y dos de ellos los tonos de baja frecuencia para la modulación. Las señales se aplican a los MOSFET de potencia que deben montarse en los disipadores de calor. El ajuste en efecto a través de trimpots.
P3 y P4 ajustan la amplitud de la modulación. Los pequeños cambios de componentes pueden ser necesarios para compensar sus tolerancias.
Uso de Transistores Darlington
Los transistores NPN Darlington de potencia también se pueden utilizar en lugar de los MOSFET de potencia, como se muestra en la figura 13.
No se requiere ningún cambio en la tarjeta de la versión básica. Los tipos como los TIP120, 121, y 122 pueden ser usados, debiendo ser montados en disipadores de calor.
Más Ideas y Experimentos
Los efectos de combinar latidos y los ultrasonidos todavía no son muy conocidos en el campo de la ciencia. Recientemente un programa en el Discovery Channel los efectos de muchos tipos de sonido se han discutido incluso de bajas frecuencias.
Ellos no constataron nada especialmente peligroso o algún efecto especial que afectase a los órganos internos, pero recomendaron cuidado al trabajar en esta área.
Los experimentos mostraron que la exposición a ultrasonidos e infrassons combinada por largos intervalos podría causar problemas digestivos como náuseas y disentería. Recomendamos una vez más al lector que tenga cuidado durante los experimentos con este circuito durante largos intervalos. Apague el aparato si siente algo extraño en su estómago o intestinos.
El autor hace algunos años escribió una historia cómica con un profesor loco que desarrolló un poderoso generador ultrasónico modulado por bajas frecuencias (infrassons) como el descrito aquí. El Profesor Ventura (*) usó el aparato para espantar pájaros de una plaza con efectos muy importantes. En el sitio "El Espantalho Electrónico - Profesor Ventura".
Los pájaros anidados en el árbol "borraban" a cualquiera que intentase pasar bajo ellas. El profesor Ventura logró espantar a los pájaros, pero los efectos laterales de la presencia del aparato no fueron previstos y él causó disentería en las personas en una crisis sin precedentes.
Esta crisis ocurre justamente el día en que el alcalde resolvió hacer un gran evento en la plaza para "devolverla" al pueblo libre de los pájaros. Esta idea fue explorada tiempos después de la publicación de nuestro proyecto en el Discovery Channel donde, en un documental, intentaron reproducir los efectos de las oscilaciones de baja frecuencia del proyecto original.
Algunas ideas interesantes pueden ser sugeridas para experimentos con este proyecto, principalmente en el campo de la biónica:
- Cambie C2 y C6 para modificar el modo de modulación.
- Utilice este circuito con parte de una alarma controlando su alimentación a través de un relé.
- Coloque el aparato en un lugar donde pueda atraer la atención de personas o animales.
- Haga pruebas con voluntarios, con mucho cuidado para evitar efectos peligrosos. Compruebe cómo los sonidos pueden afectar el comportamiento de las personas.
- Utilice el circuito como asador alternativo instalándolo en huertas o cultivos.
- Haga experimentos con el crecimiento y germinación de los plantones en el laboratorio de botánica.
- Compruebe cómo los ultrasonidos pueden afectar otros procesos orgánicos.
Una idea interesante: Un nuevo sistema de reproducción de sonido
Una posibilidad interesante de desarrollo de un sistema de sonido fue propuesta por el autor m 1992 y en la ocasión en los Estados Unidos surgieron algunos documentos que describen experimentos.
La idea es de un sistema en el que los sonidos se reproducen dentro del oído de las personas según el principio descrito en este proyecto.
La idea consiste en utilizar dos potentes osciladores ultrasónicos modulados, siendo uno a una frecuencia fija y el otro modulado por la señal de audio que se desea reproducir. Sin embargo, la modulación se hace de tal forma que en la que el batido sea el sonido original, lo que significa una modulación "inversa", pues la pulsación es la frecuencia de diferencia, como muestra la figura 14.
Haciendo que el sonido sea producido en el tímpano, por el ritmo, la impresión que se tiene es de una fuente sonora que está en ninguna parte.
La dificultad mayor en el desarrollo de este proyecto es que el golpe debe corresponder en frecuencia e intensidad al sonido original y una modulación simple no es suficiente para ello. La señal que modula el ultrasonido necesita un procesamiento complejo que requiere una cierta investigación. Es muy interesante pensar en hacer esto tecnologías modernas como las que hacen uso de microcontroladores y DSP.
(*) Brontofónico viene del latín significando "trueno". Este término describe una especie de sonido que excita los objetos hace que vibren en una frecuencia diferente. Es el sonido producido por los cristales de una ventana que vibra con las ondas de baja frecuencia de un trueno.
Lista de material - Circuito 1 - Fig 8
IC1 - 4093 CMOS - circuito integrado
Q1, Q2 - IRF630, IRF620, o equivalente MOSFETs
D1, D2 - 1N4148 - diodos de silicio de uso general
R1, R7 - 330 k ohms, 1/4-watts, 5% resistores - naranja, naranja, amarillo
R2, R8 - 47 k ohms, 1/4-watts, 5% resistores - amarillo, violeta, naranja,
R3, R4, R9, R10 - 22 k ohms, l / 4-watts, 5% resistores - rojo, rojo, naranja
R5, R11 - 4.7 k ohms, 1/4-watts, 5% resistores - amarillo, violeta, rojo
R6, R12 -10 k ohms, 1 / 4- watts, 5% resistores, brown, black, orange
P1, P2 -100 k ohms- trimpots o potes
C1, C5 -0.22 uF - capacitores de cerámica o poliéster
C2, C6 - 10 uF / 12 V capacitores electrolíticos
C3, C7- 2,200 pF capacitores cerámicos o poliéster
C4 - 1.000 uF / 12 WVDC capacitor electrolítico
TW1, TW2: 4 u 8 ohms - tweeters piezoeléctricos paa 80 W o más
Varios: PCB o matriz de contactos, hilos, fuente. Disipadores, caja, etc.
Lista de material - Circuito II - Fig. 12
IC-1 a IC-4 - 555 - circuitos integrados
Q1 y Q2 - IRF630 - MOSFET de potencia
R1, R2, R3, R4 - 22 k ohms x 1/8 W - resistores - rojo, rojo, naranja
R5, R6 - 2.2 k ohms x 1/8 W resistores - rojo, rojo, rojo
R7, R8, R9, R10 - 4.7 k ohms x 1/8 W resistores - amarillo, violeta, rojo
R11, R12 -1k2 ohms x 1/8 W resistores - marrón, rojo, rojo
P1, P2, P3, P4, P5, P6 - 100 k ohms - trimpots
C1, C2 - 0.047 uF - capacitores de cerámica o poliéster
C3, C4 - 2.200 pF - capacitores cerámicos o poliéster
C5 - 470 uF x 16 V - capacitor electrolítico
TWI, TWZ - 4 u 8 ohms tweeters piezoeléctricos
Diversos: PCB o matriz de contactos, hilos, soldadura, disipadores de calor para los transistores, etc.
