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| 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