Se crea un altavoz ultrafino y ligero

Investigadores del MIT han desarrollado un altavoz ultrafino que puede convertir cualquier superficie rígida en una fuente de audio activa de alta calidad. El sencillo proceso de fabricación que han introducido puede permitir la producción a escala de los dispositivos de película fina. Créditos: Felice Frankel
Investigadores del MIT han desarrollado un altavoz ultrafino que puede convertir cualquier superficie rígida en una fuente de audio activa de alta calidad. El sencillo proceso de fabricación que han introducido puede permitir la producción a escala de los dispositivos de película fina. Créditos: Felice Frankel

El altavoz flexible de película fina, desarrollado por investigadores del MIT, pesa sólo 2 g, tiene 120 micras de grosor y puede generar un sonido de alta calidad independientemente de la superficie a la que se adhiera la película. Estas ventajas lo convierten en un candidato prometedor para aplicaciones ubicuas en escenarios industriales y comerciales existentes y emergentes.

Un altavoz típico que se encuentra en los auriculares o en un sistema de audio utiliza entradas de corriente eléctrica que pasan a través de una bobina de alambre que genera un campo magnético, el cual mueve una membrana del altavoz, que mueve el aire por encima, que produce el sonido que oímos.

En cambio, el nuevo altavoz simplifica el diseño del altavoz utilizando una fina película de un material piezoeléctrico con forma que se mueve cuando se aplica un voltaje sobre ella, lo que mueve el aire por encima y genera el sonido.

La mayoría de los altavoces de película fina están diseñados para ser independientes porque la película debe doblarse libremente para producir el sonido. Montar estos altavoces en una superficie impediría la vibración y dificultaría su capacidad de generar sonido.

Para superar este problema, el investigador del MIT Vladímir Bulović y sus colegas se replantearon el diseño de un altavoz de película fina.

En lugar de hacer vibrar todo el material, su diseño se basa en pequeñas cúpulas sobre una fina capa de material piezoeléctrico que vibran cada una por separado.

Estas cúpulas, cada una de las cuales tiene un ancho de pelo, están rodeadas de capas espaciadoras en la parte superior e inferior de la película que las protegen de la superficie de montaje, pero que les permiten vibrar libremente.

Las mismas capas espaciadoras protegen las cúpulas de la abrasión y los impactos durante el manejo diario, lo que aumenta la durabilidad del altavoz.

Para construir el altavoz, los científicos utilizaron un láser para cortar pequeños agujeros en una fina lámina de PET, un tipo de plástico ligero.

Laminaron la parte inferior de esa capa de PET perforada con una película muy fina (tan fina como 8 micras) de material piezoeléctrico, llamado PVDF.

A continuación, aplicaron el vacío por encima de las láminas adheridas y una fuente de calor, a 80 grados Celsius, por debajo.

Como la capa de PVDF es tan fina, la diferencia de presión creada por el vacío y la fuente de calor hizo que se abultara.

El PVDF no puede abrirse paso a través de la capa de PET, por lo que sobresalen pequeñas cúpulas en las zonas en las que no están bloqueadas por el PET. Estas protuberancias se autoalinean con los agujeros de la capa de PET.

A continuación, el equipo lamina la otra cara del PVDF con otra capa de PET para que actúe como espaciador entre las cúpulas y la superficie de unión.

"Se trata de un proceso muy sencillo y directo", afirma el Dr. Jinchi Han, también del MIT.

"Nos permitiría producir estos altavoces con un alto rendimiento si lo integramos con un proceso de rollo a rollo en el futuro".

"Eso significa que podría fabricarse en grandes cantidades, como el papel pintado para cubrir paredes, coches o interiores de aviones".

Las cúpulas tienen 15 micras de altura, aproximadamente una sexta parte del grosor de un cabello humano, y sólo 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 vibrando juntas para producir un sonido audible.

Una ventaja añadida del sencillo proceso de fabricación es su capacidad de ajuste: los autores pueden cambiar el tamaño de los agujeros en el PET para controlar el tamaño de las cúpulas.

Las cúpulas con un radio mayor desplazan más aire y producen más sonido, pero las cúpulas más grandes también tienen una frecuencia de resonancia más baja.

La frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que el dispositivo funciona con mayor eficacia, y una frecuencia de resonancia más baja provoca distorsión del sonido.

Una vez que los investigadores perfeccionaron la técnica de fabricación, probaron diferentes tamaños de cúpula y grosores de capa piezoeléctrica para llegar a una combinación óptima.

Probaron su altavoz de película fina montándolo en una pared a 30 cm de un micrófono para medir el nivel de presión sonora, registrado en decibelios.

Cuando se hacían pasar 25 voltios de electricidad por el dispositivo a 1 kHz, el altavoz producía un sonido de alta calidad a niveles conversacionales de 66 decibelios.

A 10 kHz, el nivel de presión sonora aumentaba a 86 decibelios, más o menos el mismo nivel de volumen que el tráfico de la ciudad.

Este dispositivo de bajo consumo sólo requiere unos 100 milivatios de potencia por metro cuadrado de superficie de altavoz.

En cambio, un altavoz doméstico medio podría consumir más de 1 vatio de potencia para generar una presión sonora similar a una distancia comparable.



"Dado que son las pequeñas cúpulas las que vibran, en lugar de toda la película, el altavoz tiene una frecuencia de resonancia lo suficientemente alta como para poder utilizarlo con eficacia en aplicaciones de ultrasonidos, como la obtención de imágenes", explica la Dra. Han.

Los ultrasonidos utilizan ondas sonoras de muy alta frecuencia para producir imágenes, y las frecuencias más altas ofrecen una mejor resolución de imagen.

"El dispositivo también podría utilizar los ultrasonidos para detectar dónde se encuentra un ser humano en una habitación, al igual que hacen los murciélagos con la ecolocalización, y luego dar forma a las ondas sonoras para que sigan a la persona a medida que se mueve", explicó el Dr. Bulović.

Si las cúpulas vibratorias de la película fina se cubren con una superficie reflectante, podrían utilizarse para crear patrones de luz para futuras tecnologías de visualización.

Si se sumergen en un líquido, las membranas vibratorias podrían proporcionar un método novedoso de agitación de productos químicos, permitiendo técnicas de procesamiento químico que podrían utilizar menos energía que los métodos de procesamiento por lotes grandes.

"Tenemos la capacidad de generar con precisión el movimiento mecánico del aire mediante la activación de una superficie física que es escalable", dijo el Dr. Bulović.

"Las opciones de cómo utilizar esta tecnología son ilimitadas". 

Fuentes, créditos y referencias:

Jinchi Han et al. An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array. DOI: 10.1109/TIE.2022.3150082

Fuente: MIT

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