Circuito de Pânico (ART2319)

Este circuito produz um som penetrante que ressoa dentro da cabeça das pessoas. É claro que não se necessita de nenhum implante para se obter este efeito, já que se trata de um fenômeno físico de batimento. Com ele, além de experimentos em comportamento e com animais podem ser feitos alem dele poder ser usado em sistema anti-roubos ou para espantar intrusos. O circuito original foi adaptado e também vertido para o inglês para inclusão no meu livro Bionics for the Evil Genius.

A finalidade deste circuito é oferecer ao leitor recursos para a realização de alguns experimentos em biônica e também aplicações práticas que envolvem alarmes e espantar intrusos.

Dentre as aplicações biônicas existem algumas que até foram exploradas em programas de TV americanos (Discovery Channel) baseadas na edição americana de nosso livro Bionics for the Evil Genius.

Como Funciona

O princípio de operação do aparelho reside num fenômeno físico denominado batimento. Assim, começamos nossas explicações por entender o que é o batimento.

Tomamos como exemplo um diapasão, que nada mais é do que uma forquilha de metal que, quando excitada produz som de uma frequência determinada. Na figura 1 temos um diapasão.

Figura 1 – Um diapasão

Quando batemos num diapasão ele vibra na sua frequência natural que é determinada pela sua forma, tamanho e material de que é feito.

Um fenômeno interessante ocorre quando dois diapasões cortados para frequências diferentes vibram ao mesmo tempo e no mesmo lugar. Ouvindo cuidadosamente o som, veremos que além dos sons básicos para quais eles são cortados, aparecem dois outros tons, um mais grave e outro mais agudo.

Este fenômeno ocorre quando os dois sons são misturados no seu ouvido, ou especialmente quando incidem na membrana do tímpano.

Dois frequência adicionais são ouvidas: uma tem a soma das frequências e a outra a diferença das frequência originais produzidas pelos diapasões.

Se um dos diapasões vibra em 300Hz e outro em 800 Hz, ouviremos também um tem de 1 100 Hz e outro de 500 Hz, conforme mostra a figura 2..

Figura 2 – Ouvimos também a soma e a diferença dos sons produzidos

Este fenômeno, causado pela interferência das ondas sonoras é chamado “batimento” e também é usado nos circuitos eletrônicos de altas frequências.

Se analisarmos as duas frequências adicionais produzidas (1 100 Hz e 500 Hz) veremos que elas ocorrem porque cada ponto do tímpano recebe, ao mesmo tempo, vibrações de duas fontes. Cada parte vibra ao mesmo tempo em duas frequências.

Os movimentos causados pelas duas vibrações se combinam, produzindo duas novas frequências.

O importante a se observar nesse fenômeno é que as duas novas frequências (soma e diferença) não são produzidas pelas fontes sonoras, mas sim nas áreas em que as vibrações ocorrem. Assim, as vibrações ocorrem dentro de você porque o tímpano gera as novas vibrações. Assim, os 1 100 Hz e 500 Hz são produzidos dentro de seu ouvido.

Vamos agora um pouco além usando o mesmo princípio com fontes ultrassônicas, uma delas operando em 19 000 Hz e a outra em 20 000 Hz (lembra-se que só podemos ouvir ate aproximadamente 18 000 Hz).

É claro que ninguém vai conseguir ouvir os ultrassons produzidos por cada fonte, pois eles estão acima de nossa capacidade auditiva, mas quando os dois tons são combinados dentro do ouvido, eles produzem dois novos tons. Um deles é a soma (39 000 Hz) que está acima de nossa capacidade auditiva,mas o outro é de 1 000 Hz, que pode ser ouvido.

O fato interessante deste fato é que o tom diferença é produzido dentro do ouvido, ou precisamente na membrana do tímpano produzindo a estranha sensação de que o som é gerado dentro de nossa cabeça ou de que ele vem de nenhum lugar, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Som dentro da cabeça

É claro, que se o som for produzido por fontes poderosas, a componente audível gerada dentro do ouvido poderá causar certo desconforto, e a exposição a estes efeitos durante longos períodos pode até causar dor.

Todos esses fatores são aproveitados no nosso projeto que opera da seguinte maneira.

O circuito

Dois osciladores ultrassônicos são elaborados em torno das 4 portas de um circuito integrado CMOS 4093, gerando tons na faixa dos 20 kHz.

Esta frequência foi escolhida porque pequenos tweeters, como os usados em equipamento comum de áudio, podem reproduzir com eficiência, frequências até uns 22 kHz.

As outras duas portas do 4093 são usadas como osciladores de baixa frequência, modulando a frequência dos osciladores de alta frequência.

As frequências produzidas mudam de valores lentamente em torno de 20 kHz no processo de modulação.

Este processo tem um efeito adicional sobre as pessoas. O batimento muda de frequência, ficando mais ou menos penetrante, como uma sirene. Como as modulações não são sincronizadas, as frequências ultrassônicas mudam provocando um batimento aleatório.

Os sinais dos dois osciladores modulados são aplicados a etapas potentes de saída que usam transistores de efeito de campo de potência. Estes transistores podem fornecer vários watts de ultrassons aos pequenos tweeters piezoelétricos, como mostrado na figura 4.

Figura 4 – Diagrama de blocos

Este batimento aleatório está na faixa audível como explicamos antes, aparecendo dentro do ouvido, causando a estranha sensação de um som penetrante vindo de nenhum lugar.

A figura 5 mostra as formas de onda em diferentes pontos do circuito e também no tímpano de uma pessoa que se submeta às vibrações deste circuito.

Figura 5 – Formas de onda

O circuito pode ser usado para diversas aplicações como alarme ou parte de experimentos envolvendo o comportamento humano. Outros experimentos relacionados com música sem alto-falantes também são sugeridos.

Construção

Na figure 6 temos o diagrama do gerador de pânico.

Figura 6 – Diagrama do aparelho

O circuito pode ser montado numa placa de circuito impresso padrão como a mostrada na figura 7.

Figura 7 – Projeto montado

Na figura, os transistores não aparece com seus dissipadores, mas eles são necessários. Qualquer FET para 200 V ou mais com corrente de pelo menos 2 A pode ser usado.

O desenho da placa é mostrado na figura 8.

Figura 8 – Placa de circuito impresso para o projeto

Os tweeters são o tipo miniatura para pelo menos 80 watts com uma resposta pelo menos até 22 kHz. O circuito é alimentado por uma fonte de 9 a 12 V com pelo menos 3 A. Uma fonte é sugerida na figura 9.

Figura 9 – Sugestão de fonte

O transformador tem um primário de acordo com a rede de energia e um secundário de 7,5 a 12 V com pelo menos 3 A de corrente.

Testando e Usando

Coloque os tweeters de 4 a 6 metros de distância um do outro. Ligue um tweeter de cada vez à saída correspondente. Em seguida, ajuste o trimpot correspondente para que ultrassons sejam produzidos. Eles se tornam cada vez mais agudos até desaparecer.

Desconecte então o primeiro tweeter e faça o mesmo com o segundo, fazendo os mesmos ajustes.

Desligue a fonte e ligue novamente os dois tweeters.

O efeito será o de sons sendo produzidos dentro de seu ouvido.

Quando realizar experimentos, tome cuidado para não causar desconforto em animais que estejam nas proximidades. Não use o aparelho por longos intervalos de tempo em lugares em que estejam pessoas ou animais.

Melhorias e Ideias

A versão básica pode funcionar sozinha, mas algumas adaptações podem ser feitas para se explorar suaspossiilidades.

Usando Amplificadores Externos

Se o leitor possui um bom amplificador de áudio ele pode ser usado para excitar os tweeters.

Apenas exige-se que o amplificador tenha uma boa resposta de frequência, alcançando pelo menos 25 kHz. Deve-se tomar cuidado para não sobrecarregar o amplificador com os sinais. A figura 10 mostra como conectar o amplificador aos osciladores, cancelando o transistores de saída.

Figura 10 – Usando um amplificador externo

Os efeitos podem ainda ser aumentados se mais de dois osciladores forem usados. Se três fontes forem usadas, por exemplo, teremos seis combinações de frequências, com efeitos imprevisíveis para o aparelho.

Na figura 11 mostramos como dois circuitos correspondentes à versão básica podem ser usados.

Figura 11- Usando quatro fontes de ultrassons

Circuito Usando o 555

Outro circuito de pânico pode ser usado sendo elaborado do 555 conforme mostra a figura 12.

Figura 12 – Versão usando o 555

Quatro circuitos integrados 555 são usados na configuração astável. Dois deles geram os ultrassons e dois deles os tons de baixa frequência para modulação.

Os sinais são aplicados a MOSFETs de potência que devem ser montados em dissipadores de calor. O ajuste enfeito através de trimpots.

P3 e P4 ajustam a amplitude da modulação. Pequenas alterações de componentes podem ser necessárias para compensar as suas tolerâncias.

Usando Transistores Darlington

Transistores NPN Darlington de potência também podem ser usados em lugar dos MOSFETs de potência, conforme mostra a figura 13.

Figura 13 – Usando Darlingtons de potência

Nenhuma alteração na placa da versão básica é necessária. Tipos como os TIP120, 121, e 122 podem ser usados, devendo ser montados em dissipadores de calor.

Mais Ideias e Experimentos

Os efeitos de se combinar batimento e ultrassons ainda não são muito conhecidos no campo da ciência. Recentemente um programa no Discovery Channel efeitos de muitos tipos de som foram discutidos inclusive de baixas frequências.

Eles não constataram nada especialmente perigoso ou algum efeito especial que afetasse os órgão internos, mas recomendaram cuidado ao se trabalhar nesta área.

Os experimentos mostraram que a exposição a ultrassons e infrassons combinada por longos intervalos poderia causar problemas digestivos como náuseas e disenteria.

Recomendamos mais uma vez ao leitor que tenha cuidado durante os experimentos com este circuito durante longos intervalos. Desligue o aparelho se você sentir algo estranho em seu estômago ou intestinos.

O autor há alguns anos escreveu uma estória cômica com um professor maluco que desenvolveu um poderoso gerador ultrassônico modulado por baixas frequências (infrassons) como o descrito aqui.

O Professor Ventura (*) usou o aparelho para espantar pássaros de uma praça com efeitos muito importantes. Veja no site “O Espantalho Eletrônico – Professor Ventura”.

Os pássaros aninhados na árvore “borravam” qualquer um que tentasse passar sob elas.

Professor Ventura conseguiu espantar os pássaros, mas os efeitos laterais da presença do aparelho não foram previstos e ele causou disenteria nas pessoas numa crise sem precedentes.

Essa crise ocorre justamente no dia em que o prefeito resolveu fazer um grande evento na praça para ”devolvê-la” ao povo livre dos pássaros.

Esta ideia foi explorada tempos depois da publicação de nosso projeto no Discovery Channel onde, num documentário, tentaram reproduzir os efeitos das oscilações de baixa frequência do projeto original.

Algumas ideias interessantes podem ser sugeridas para experimentos com este projeto, principalmente no campo da biônica:

Altere C2 e C6 de modo a modificar o modo de modulação.

Use este circuito com parte de um alarme controlando sua alimentação através de um relé.

Coloque o aparelho num local em que ele possa atrair a atenção de pessoas ou animais.

Faça testes com voluntários, com muito cuidado para evitar efeitos perigosos. Verifique como os sons podem afetar o comportamento das pessoas.

Use o circuito como espantalho alternativo instalando-o em hortas ou lavouras.

Faça experimentos com o crescimento e germinação deplantas no laboratório de botânica.

- Verifique como os ultrassons podem afetar outros processos orgânicos.

Uma ideia interessante: Um novo sistema de reprodução de som

Uma possibilidade interessante de desenvolvimento de um sistema de som foi proposta pelo autor m 1992 e na ocasião nos Estados Unidos surgiram alguns documentos descrevendo experimentos.

A ideia é de um sistema em que os sons são reproduzidos dentro do ouvido das pessoas segundo princípio descrito neste projeto.

A ideia consiste em se usar dois potentes osciladores ultrassônicos modulados, sendo um numa frequência fixa e o outro modulado pelo sinal de áudio que se deseja reproduzir.

No entanto a modulação é feita de tal forma que em que o batimento seja o som original, o que significa uma modulação “inversa”, pois o batimento é a frequência diferença, conforme mostra a figura 14.

Figura 14 – Novo processo de reprodução. – Som Brontofônico (*)

Fazendo com que o som seja produzido no tímpano, pelo batimento, a impressão que se tem é de uma fonte sonora que está em lugar nenhum.

A dificuldade maior no desenvolvimento deste projeto é que o batimento deve corresponder em frequência e intensidade ao som original e uma modulação simples não é suficiente para isso.

O sinal que modula o ultrassom precisa de um processamento complexo que exige alguma pesquisa. É muito interessante pensar em fazer isso tecnologias modernas como as que fazem uso de microcontroladores e DSPs.