Ultrasonik hoparlör sistemlerinde kullanılan modülasyon türlerinin karşılaştırmalı analizi
Comparative analysis of modulation types used in ultrasonic speaker systems
Yazar: SERKAN ÇOLAK
Danışman: PROF. DR. ABDURRAHMAN TARİKCİ
ANKARA MÜZİK VE GÜZEL SANATLAR ÜNİVERSİTESİ / Müzik ve Güzel Sanatlar Enstitüsü / Müzikoloji Ana Bilim Dalı / Müzik Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Müzik = Music
Dizin: Analog modülasyonlar = Analog modulations ; Demodülasyon = Demodulation ; Hoparlör = Loudspeaker ; Yönlendirilebilir ses teknolojisi = Directional sound technology

Özet:
İnsan duyma eşiğinin üst sınırı olan 20 kHz'in üzerindeki frekanslar ultrasonik ses olarak adlandırılmıştır. Ultrasonik sesler, dalga boylarının küçük olması nedeniyle, yönsel ses iletiminin hedeflendiği uygulamalarda kullanılmaya oldukça elverişlidir. Son yıllarda yapılan birçok çalışma, ultrasonik seslerin hoparlör sistemlerinde kullanımına odaklanmıştır. Ultrasonik hoparlör adı verilen teknoloji sayesinde ses, tıpkı bir lazer gibi istenilen noktaya dar bir açı ile iletilebilmektedir.
Ultrasonik hoparlör sistemleri, yönsel ses elde edebilmek amacıyla havanın doğrusal olmayan davranışından yararlanır. Bu sistemler genellikle analog ses girişi, analog-dijital dönüştürücü, modülatör, amplifikatör ve ultrasonik hoparlör dizisinden meydana gelir. Bu çalışma, ultrasonik hoparlör sistemlerinin sinyal zincirinde kullanılan modülatör öğesi üzerine yoğunlaşmıştır. Çalışma nicel araştırma yöntemlerinden betmisel desen ile yürütülmüştür. Çalışmanın amacı, ulttasonilk ses iletiminde kullanılabilecek en verimli modülasyon türünü tespit etmektir.
Literatürde yer alan çalışmaların büyük bir çoğunluğunda modülatör öğesinin nasıl tasarlandığı, herhangi bir ön işlem uygulanıp uygulanmadığı gibi konularda herhangi bir  bilgiye rastlanamamıştır. Bu durumun, araştırma sürecinde karşılaşılabilecek sorunların neden-sonuç ilişkisi içerisinde anlamlandırılmasını güçleştireceği değerlendirilmiştir. Bu nedenle çalışma, literatürde yer alan modülasyon çeşitlerini uygulayabilen modülatör yazılımının tasarımıyla başlamıştır. Modülatör uygulamanın hazırlanmasının ardından ultrasonik hoparlör sistemi oluşturulmuş, ses örnekleri hazırlanmış, yakın alan ve uzak alan olmak üzere her bir modülasyon türü için bir dizi ölçüm  kaydı alınmıştır. Elde edilen ses kayıtları, sayısal ve görsel verilere dönüştürülmüştür. Modülasyon türlerinde elde edilen veriler, frekans analizi, toplam armonik bozulma, sinyal-gürültü oranı, sinyal bozulma oranı, peak seviyesi, intermodülasyon bozulması gibi bir takım kriterler bakımından birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sayısal ve görsel verilerin analiz edilmesi sonucunda, modğülasyonların verimli ve verimsiz olduğu noktalar saptanmıştır. Bütün bu işlemlerin ardından ultrasonik hoparlör sistemleri için önerilen modülasyon türü RRSBAM 3 olarak belirlenmiştir. 
Bu çalışma sonucunda, ultrasonik hoparlör sistemlerinin tasarımında başvurulabilecek önemli bilgiler elde edilmiştir. Literatürde yer alan ultrasonik hoparlör tasarımına yönelik çalışmaların büyük çoğunluğunun aksine, araştırma süreci ve elde edilen veriler tüm detaylarıyla açıklanmıştır. Bu çalışma, müzik reprodüksiyonunda ultrasonik hoparlörlerin kullanılması hedefine yaklaşmaya yönelik bir adım niteliğindedir.

Abstract:
Frequencies above 20 kHz, the upper limit of the human hearing threshold, are referred to as ultrasound. Due to their small wavelengths, ultrasound is well suited for applications where directional sound transmission is targeted. Many studies in recent years have focused on the use of ultrasound in loudspeaker systems. Thanks to the technology called ultrasonic loudspeaker, sound can be transmitted to the desired point at an acute angle, just like a laser.
Ultrasonic loudspeaker systems exploit the nonlinear behavior of air to achieve directional sound. These systems usually consist of an analog audio input, analog-to-digital converter, modulator, amplifier and ultrasonic speaker array. This study focuses on the modulator element used in the signal chain of ultrasonic loudspeaker systems. The study was conducted with a bimodal design, which is one of the quantitative research methods. The aim of the study is to determine the most efficient modulation type that can be used in ultrasonic sound transmission.
In most of the studies in the literature, there is no information on how the modulator element is designed and whether any pre-processing is applied. It was considered that this situation would make it difficult to make sense of the problems that may be encountered in the research process in a cause-effect relationship. For this reason, the study started with the design of the modulator software that can apply the modulation types in the literature. After the preparation of the modulator application, an ultrasonic speaker system was created, sound samples were prepared, and a series of measurements were recorded for each modulation type, near-field and far-field. The audio recordings were converted into numerical and visual data. The data obtained for each modulation type were compared with each other in terms of a number of criteria such as frequency analysis, total harmonic distortion, signal-to-noise ratio, signal-to-distortion ratio, peak level and intermodulation distortion. As a result of analyzing the numerical and visual data, efficient and inefficient modulations were identified. After all these procedures, the recommended modulation type for ultrasonic loudspeaker systems was determined as RRSBAM 3.
As a result of this study, important information has been obtained that can be used in the design of ultrasonic loudspeaker systems. Unlike most of the studies on ultrasonic loudspeaker design in the literature, the research process and the data obtained are explained in full detail. This study is a step towards approaching the goal of using ultrasonic loudspeakers in music reproduction.