altavoces, acústica
El dispositivo flexible de película delgada tiene el potencial de convertir cualquier superficie en una fuente de audio de alta calidad y baja potencia.
Los ingenieros del MIT han desarrollado un altavoz delgado como el papel que puede convertir cualquier superficie en una fuente de audio activa.
Este altavoz de película delgada produce sonido con una distorsión mínima mientras usa solo una fracción de la energía requerida por un altavoz tradicional. El altavoz del tamaño de una mano que demostró el equipo, que pesa casi una moneda de diez centavos, puede generar un sonido de alta calidad sin importar a qué superficie esté adherida la película.
Para lograr estas notables propiedades, los investigadores fueron pioneros en una tecnología de fabricación engañosamente simple que implica solo tres pasos básicos y puede ampliarse para fabricar altavoces ultrafinos lo suficientemente grandes como para cubrir el interior de un automóvil o empapelar una habitación.
Usado de esta manera, el altavoz de película delgada podría proporcionar una cancelación activa de ruido en entornos ruidosos, como la cabina de un avión, al generar un sonido de la misma amplitud pero de fase opuesta; los dos sonidos se anulan entre sí. El dispositivo flexible también podría usarse para entretenimiento inmersivo, tal vez proporcionando audio tridimensional en un teatro o en un parque temático. Y debido a que es liviano y requiere una cantidad tan pequeña de energía para funcionar, el dispositivo es ideal para aplicaciones en dispositivos inteligentes donde la duración de la batería es limitada.
Con el tamaño de una hoja de papel delgada, adjuntarle dos clips, conectarlo al puerto de auriculares de su ordenador y comience a escuchar los sonidos que emanan de él. Se puede utilizar en cualquier lugar. Uno solo necesita una pizca de energía eléctrica para hacerlo funcionar.
Un nuevo enfoque
Un altavoz típico que se encuentra en los auriculares o en un sistema de audio usa entradas de corriente eléctrica que pasan a través de una bobina de cable que genera un campo magnético, que mueve la membrana del altavoz, que mueve el aire sobre él, que produce el sonido que escuchamos. Por el contrario, el nuevo altavoz simplifica el diseño del altavoz mediante el uso de una película delgada de un material piezoeléctrico con forma que se mueve cuando se aplica voltaje sobre él, lo que mueve el aire sobre él y genera sonido.
La mayoría de los altavoces de película delgada están diseñados para ser independientes porque la película debe doblarse libremente para producir sonido. Montar estos altavoces en una superficie impediría la vibración y dificultaría su capacidad para generar sonido.
Para superar este problema, el equipo del MIT replanteó el diseño de un altavoz de película delgada. En lugar de que todo el material vibre, su diseño se basa en pequeñas cúpulas sobre una fina capa de material piezoeléctrico que vibra individualmente. Estas cúpulas, cada una de las cuales tiene solo unos pocos cabellos de ancho, están rodeadas por capas espaciadoras en la parte superior e inferior de la película que las protegen de la superficie de montaje y al mismo tiempo les permiten vibrar libremente. Las mismas capas espaciadoras protegen las cúpulas de la abrasión y los impactos durante el manejo diario, mejorando la durabilidad del altavoz.
Para construir el altavoz, los investigadores usaron un láser para cortar pequeños agujeros en una lámina delgada de PET, que es un tipo de plástico liviano. Laminaron la parte inferior de esa capa de PET perforada con una película muy delgada (tan delgada como 8 micrones) de material piezoeléctrico, llamado PVDF. Luego aplicaron vacío sobre las láminas unidas y una fuente de calor, a 80 grados centígrados , debajo de ellas.
Debido a que la capa de PVDF es tan delgada, la diferencia de presión creada por el vacío y la fuente de calor hizo que se abultara. El PVDF no puede abrirse camino a través de la capa de PET, por lo que pequeñas cúpulas sobresalen en áreas donde no están bloqueadas por PET. Estas protuberancias se autoalinean con los orificios de la capa de PET. Luego, los investigadores laminan el otro lado del PVDF con otra capa de PET para que actúe como espaciador entre las cúpulas y la superficie de unión.
Alta calidad, bajo consumo
Las cúpulas tienen 15 micras de altura, aproximadamente una sexta parte del grosor de un cabello humano, y solo se mueven hacia arriba y hacia abajo alrededor de media micra cuando vibran. Cada cúpula es una sola unidad de generación de sonido, por lo que se necesitan miles de estas diminutas cúpulas que vibran juntas para producir un sonido audible.
Un beneficio adicional del proceso de fabricación simple del equipo es su capacidad de ajuste: los investigadores pueden cambiar el tamaño de los agujeros en el PET para controlar el tamaño de las cúpulas. Los domos con un radio más grande desplazan más aire y producen más sonido, pero los domos más grandes también tienen una frecuencia de resonancia más baja. La frecuencia de resonancia es la frecuencia en la que el dispositivo funciona de manera más eficiente, y una frecuencia de resonancia más baja conduce a la distorsión del audio.
Una vez que los investigadores perfeccionaron la técnica de fabricación, probaron varios tamaños de domo y espesores de capas piezoeléctricas diferentes para llegar a una combinación óptima.
Probaron su altavoz de película delgada montándolo en una pared a 30 centímetros de un micrófono para medir el nivel de presión del sonido, registrado en decibelios. Cuando pasaron 25 voltios de electricidad a través del dispositivo a 1 kilohercio (una tasa de 1000 ciclos por segundo), el altavoz produjo un sonido de alta calidad a niveles de conversación de 66 decibelios. A 10 kilohercios, el nivel de presión del sonido aumentó a 86 decibelios, aproximadamente el mismo nivel de volumen que el tráfico de la ciudad.
El dispositivo de eficiencia energética solo requiere alrededor de 100 milivatios de potencia por metro cuadrado de área de altavoz. Por el contrario, un altavoz doméstico promedio podría consumir más de 1 vatio de potencia para generar una presión de sonido similar a una distancia comparable.
El diseño tiene la capacidad de generar con precisión el movimiento mecánico del aire mediante la activación de una superficie física que es escalable. Las opciones de cómo usar esta tecnología son ilimitadas.
Debido a que las cúpulas diminutas están vibrando, en lugar de toda la película, el altavoz tiene una frecuencia de resonancia lo suficientemente alta como para que pueda usarse de manera efectiva para aplicaciones de ultrasonido, como imágenes. Las imágenes por ultrasonido utilizan ondas de sonido de muy alta frecuencia para producir imágenes, y las frecuencias más altas producen una mejor resolución de imagen.
El dispositivo también podría usar ultrasonido para detectar dónde se encuentra un ser humano en una habitación, al igual que los murciélagos que usan la ecolocalización, y luego moldear las ondas de sonido para seguir a la persona mientras se mueve. Si las cúpulas vibrantes de la película delgada se cubren con una superficie reflectante, podrían usarse para crear patrones de luz para futuras tecnologías de visualización. Si se sumergen en un líquido, las membranas vibratorias podrían proporcionar un método novedoso para remover productos químicos, lo que permitiría técnicas de procesamiento químico que podrían usar menos energía que los métodos de procesamiento por lotes grandes.
Fuente: “An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array” by Jinchi Han, Jeffrey Lang and Vladimir Bulovic, 26 April 2022, IEEE Transactions of Industrial Electronics. DOI: 10.1109/TIE.2022.3150082
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