自制超声波驱狗器(第四版)

文档标识符：Ultrasonic_Dog_Repellent_IV_T-D-P19

作者：DLHC

审阅：DLHC

最后修改日期：2022.6.29

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前言

    笔者认为，对于超声波驱狗器的研究应该从以下方面展开：

  1.研究不同频率、不同强度的超声波对不同品种、不同年龄狗的影响。

  2.对超声波换能器进行建模、有限元分析，研究超声波换能器频率响应等特性。

  3.基于前两个研究，设计相关电路实现超声波驱狗器，并进行严谨的实验与评估。

    但是从可以获取的资料来看，对超声波驱狗器的研究尚处于“原始水平”(没有严谨的研究，只有专利和一些不可靠的信息)。

    通过查阅各大专业文献数据库，发现关于超声波驱狗作用的研究很少，截至目前笔者还未找到此类文章。但是，驱狗器的电路倒是找到不少。笔者此前实验过一些网络上常见的驱狗器电路，但效果都不好。

    按照道理，应该按照上述步骤进行细致的研究。但考虑到上述研究的难度，本文决定再尝试一种驱狗器电路。

 

一篇文献

    1994年3月15日，一篇发表在《实用电子文摘》名为《超声波撵狗棒》的文章^[1]吸引了我的注意，该文介绍了一种制作简易超声波驱狗器的方法，本文将围绕这篇文章展开。以下是《超声波撵狗棒》中相关的内容（该文章存在一处错误，笔者已修改；电阻R6的阻值看不清，后文会详细分析；笔者也对文章部分内容做了适当的调整。原文可在中国知网获取）

    “电路很简单，如图0.0所示，IC₁ 和 IC₂ 均为集成电路555。IC₁ 组成一个超声波振荡器，振荡频率可用电位器 P1 调节。IC₂ 和晶体管 T1 2N2907，组成一个锯齿波发生器，加到 IC₁ 的 5 脚，对超声波振荡器进行调频，使超声波的频率大约在 20~40kHz 之间变化。低频锯齿波的频率可用电位器 P2 进行调节。晶体管 T2 为 BD137，用 BD139 更好^[2]，用来放大 IC₁ 产生的方波信号，并将它送给超声波换能器 TW。电感 L2 为低频扼流圈，用来对 T2 提供直流电源并防止 T2 的负载短路。为了便于随身携带，电源采用 9v 的电池。制作与调试都很简单，图0.1，图0.2为印刷电路和元件布置图。超声波换能器可采用小巧便宜的高音喇叭，但要求频率响应达 40kHz 以上。L1 为 10mH 的自感线圈，L2 可用灯光控制器的变压器初级，即粗线绕组来代替，不论什么型号的皆可。”^[1]

 图0.0-电路原理图^[1]

 图0.1-印刷电路^[1]

 图0.2-元件布置图^[1]

 

电路仿真

    通过Multisim对此电路进行SPICE仿真，仿真原理图见图1.0。可以初步得到以下结论^[3]：

  1.开关 S1 相当于“强力输出”(文献中称作“Test”)。当 S1 断开时，输出波形图见图1.1；当 S1 闭合时，输出波形图见图1.2，理论上此时输出的超声波强度更大。

  2.调节可调电阻 R3 和 R9 可以改变输出信号的频率，阻值-频率关系尚不明确。通过初步测得的数据，发现输出信号的周期在 299us~370us 之间，对应频率 3.34kHz~2.7kHz，与 25kHz 相差较大。需要进一步实验加以验证。

  3.由于文献不清晰，电阻 R8 阻值有争议，故分别分析了 R8 在 22K 与 2.2K 下的输出波形，分别见图1.3、图1.4与图1.5、图1.6。可以发现，在 22K ”强力输出“下，输出信号频率较低(目测为 2.2K ”强力输出“下的 1/3 左右)；在 22K 非“强力输出”下，输出信号幅值较高(目测为 2.2K 非“强力输出”下的 3倍 左右)。

    为了验证文献中的电路，R8阻值取 2.2K 。

图1.0-仿真原理图

图1.1-S1断开时，输出波形图

图1.2-S1闭合时，输出波形图

图1.3-R8=22k下的输出波形图(“强力输出”)

图1.4-R8=22k下的输出波形图(非“强力输出”)

图1.5-R8=2.2k下的输出波形图(“强力输出”)

图1.6-R8=2.2k下的输出波形图(非“强力输出”)

 

元件清单

NE556               * 1（或NE555 * 2）

2N2907             * 1

BD139               * 1（或BD137 * 1）

10K电阻             * 4

1K电阻               * 2

2.2K电阻            * 2

10R电阻             * 1

470K可调电阻     * 1

4.7K可调电阻      * 1

10nF无极电容     * 3

47nF无极电容     * 1

1uF电解电容       * 1

10uF电解电容     * 1

100uF电解电容   * 1

开关                    * 2

9v电池夹             * 1

高音喇叭(频率响应40kHz以上)      * 1

10mH自感线圈    * 1

变压器初级粗线绕组(低频扼流圈)   * 1

 

完成后

图2.0-评估电路(正面)

图2.1-评估电路(反面)

图2.2-高音喇叭，型号323x7

图2.3-超声波发射探头T25

 

一些测试

    由于测试条件限制，无法直接对狗进行测试，以下测试仅针对电气特性及其它基本特性展开，测试结果见表0.0。

超声波发生器类型	测试条件	电流(A)	基本特性	驱狗测试
T25	+9v，非强力输出	0.66	人耳听不见的声音	[5]
T25	+9v，强力输出	0.32	吱~吱~吱~吱~声	[5]
高音喇叭	+9v，非强力输出	0.68	电流声	[5]
高音喇叭	+9v，强力输出	[4]	[4]	[4][5]

表0.0-测试结果

 

结论

    如果本电路使用高音喇叭，将会产生使人暂时失去听觉的强烈噪音，同时也有很大可能会对狗有强烈的震慑作用，建议驱狗时带上耳塞。由于本次暂未测试实际驱狗效果，无法得出其他结论。

 

引用&注释

[1].超声波撵狗棒[J].实用电子文摘,1994(03):116.

[2].BD139 与 BD137 为同系列中等功率 NPN 硅三级管，BD139 性能更优。本文将使用 BD139。

[3]. 1.电阻 R11 阻值较大时，仿真会出错，故仿真过程中R11阻值设为0欧。实际上，R11只是一个限流电阻，可以短路。

      2.电感 L1 在仿真过程中使用一个高感值电感替代，原本应该为低频扼流圈。

      3.仿真过程中R8为22K(另外标注除外)

[4].此条件下，超声波发生器会产生十分刺耳、响亮的噪音，以至于笔者耳朵暂时失去听觉，无法进行测试。

[5].条件有限，暂时无法对狗类进行实际测试。

 

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