ingenierÍa de las ondas i

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INGENIERÍA DE LAS ONDAS I

Proyecto del grupo 4Álvaro López López

Fernando de Prado Ramos

E.T.S. Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad de Valladolid

- Curso 2005/2006 -

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FOCALIZACIÓN FOCALIZACIÓN

DEL SONIDO DEL SONIDO

Grupo 4:Álvaro LópezFernando de Prado

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1 IntroducciónNueva tecnología (finales de los 90)

”Altavoces” de muy alta directividad (sonido focalizado)

Aprovechan la directividad de los ultrasonidos y los efectos no lineales del aire

Dos empresas (y dos inventores) se disputan el avance

Múltiples aplicaciones

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2 Fundamentos físicos

Tratamos de generar ondas planas

2.1 La focalización acústica

Para ello necesitamos que la fuente sea mucho mayor que la longitud de onda

No sería práctico conseguirlo agrandando los altavoces

Sin embargo, se pueden focalizar ultrasonidos con un tamaño de dispositivo aceptable

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Otra ventaja de la generación de ondas planas es que llegan mucho más lejos:

-El frente de onda siempre tiene el mismo tamaño

-En las ondas esféricas aumenta como r2

Focalización del Sonido Fundamentos físicos

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Las únicas pérdidas que se producen son por atenuación


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Para amplitudes suficientemente grandes no son válidas las ecuaciones de la acústica lineal

2.2 Las no linealidades del aire

Así quedan las ecuaciones de presión-densidad

kp

''0,0

ss

pp


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Estas no linealidades distorsionan la onda a medida que se propaga

140 dB SPL, 40 KHz, 0.0013 s

-Tiende a formarse un diente de sierra a medida que la onda viaja, es decir, aparecen armónicos pares e impares


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Si producimos dos tonos, se generan en el aire tonos diferencia entre otros efectos combinatorios (equivalente físico real de los tonos de Tartini)

El objetivo es conseguir que el aire transforme los ultrasonidos emitidos en frecuencias audibles, manteniendo así la focalización

No confundir con las no linealidades del oído o del transductor


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3 Tecnología

Los dispositivos comerciales de sonido focalizado se componen de dos bloques fundamentales encapsulados conjuntamente en una misma carcasa:

-Procesador de señal: recibe una señal de audio y la procesa adecuadamente.

-Transductor ultrasónico: Convierte la señal eléctrica procesada en ondas de presión acústica

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3.1 Procesador de señal

Realiza la ecualización, control del rango dinámico y de la distorsión y una serie de complejas modulaciones que conforman las ondas adecuadas

-Utiliza modulación en amplitud SSB (banda lateral única)-Se generan varias señales, con distintas portadoras entre 40 Khz y 50 Khz, de tal forma que en el aire reproduzcan la señal de entrada original

-El sistema parece ser muy complejo, así que no entraremos en detalles.

Focalización del Sonido Tecnología

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Amplifica, lo cual es necesario para conseguir grandes amplitudes que permitan la generación de ondas secundarias

Cabe destacar que todo el procesado se realiza de forma digital


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3.2 Transductor

Es la parte del sistema que transforma la señal eléctrica del procesador en energía acústica

Debe ser diseñado para cumplir ciertos requisitos

Ideal:-Ancho de banda de 20 KHz a infinito

-Diagrama de dispersión muy estrecho

-Capacidad para proporcionar cualquier amplitud de salida


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No es físicamente realizable

Intentaremos pues:-Ancho de banda de 20 KHz (para cubrir e rango audible con la modulación SSB

-Amplitud de salida lo más grande posible. Pico de resonancia a la frecuencia de la portadora

-Salida decreciente con la frecuencia en 12 dB/octava (auto-ecualización, respuesta plana en rango audible)


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Si queremos respuesta plana en todo el rango audible:

-Caída muy abrupta (120 dB SPL)

-La salida obtenida es demasiado débil

-No mejoraría incrementando más la amplitud de la señal, aunque el transductor lo permitiera. La columna de aire se satura, y la energía se disipa en forma de calor


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Solución:-Tenemos que renunciar a tener respuesta plana por debajo de 500 Hz

-Con ello mejoramos la salida de audio en unos 56 dB SPL


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Necesitamos una fuente grande para:-Conseguir onda plana-Tener una columna de aire más ancha que se sature a mayor intensidad

Pero también necesitamos producir longitudes de onda muy cortas

Solución: array de pequeños elementos


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Materiales hasta 1998:

-PZT (PieZoelectric Transducer) bimorfo

-Oblea de dos capas de material polarizado, que cambia de cóncavo a convexa al aplicar la señal

-Máximo desplazamiento en el centro

-Cono ligero de 8 mm de diámetro para acoplar a la carga del aire

-Todo el montaje sobre una cavidad resonante a λ/4


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2020


Problemas del PZT bimorfo:

-Elementos muy pequeños: se necesitan en torno a 100

-Frágiles: cuando se llevan a los niveles requeridos pueden sufrir daños en torno al punto de soldadura central y algunos comienzan a chillar y producir subharmónicos.

-Cada uno tiene una frecuencia de pico ligeramente distinta, lo que produce diferencias de fase al conectar todos a la misma frecuencia portadora


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Se buscan nuevas soluciones:

-Topologías basadas en películas monolíticas de material piezoeléctrico.

-Expansión o contracción en ejes X o Y

-Material más adecuado: difluoruro de polivinilideno (PVDF)

-Necesita estar doblado para producir movimiento en el eje Z y actuar así como transductor-Se coloca la película sobre una plancha de metal con un array de perforaciones y se aplica presión o vacío en uno de los lados


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-Así se consigue un array de diafragmas de PVDF

-Con una variante de este material que fabrica ATC, se eliminan los problemas del PZT bimorfo y se añaden otras ventajas, como la fácil producción de dispositivos idénticos.


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4 CaracterísticasDispositivos muy planos y ligeros

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Alta directividad (haz de no más de 1.5 m de diámetro)

Focalización del Sonido Características

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Gran alcance (hasta 200 m) al no perderse potencia por expansión del frente de onda

Hasta 120 dB PSL (ref. 20 μPa)

Posibilidad de uso en “modo virtual”


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Respuesta en frecuencia cubre casi todo el rango audible


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5 Historia Investigadores que trataban de mejorar el SONAR

subacuático dan los primeros pasos en los 60 Primeras bases matemáticas Solución de Berktay para el campo lejano:

En un array paramétrico, la señal demodulada a la salida es proporcional a la derivada segunda en el tiempo de la envolvente al cuadrado.

Mayor ancho de banda, mayor directividad Array paramétrico

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En 1975 se descubre que en el aire tienen lugar efectos no lineales similares

Varias empresas de gran entidad intentan desarrollar altavoces con esta tecnología durante dos décadas

A finales de los 80 abandonan por el alto coste y los pobres resultados

En los 90 surgen dos frentes

Focalización del Sonido Historia

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6 La pugna entre dos inventores

Woody Norris creador del HSS y fundador de ATC

Joseph Pompei, creador de AudioSpotlight y fundador

de Holosonics

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Llegan a diseñar dispositivos similares a finales de los 90. Ahora se disputan el invento.

Tradición y actualidad:Bell y Gray -> TeléfonoEdison y Swan -> BombillaSinger y Hower -> Máquina de escribirPompei y Norris -> Sonido direccionalToshiba y Sony -> DVD de alta densidad

Focalización del Sonido La pugna entre dos inventores

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Woody Norris es un veterano inventor autodidacta de la costa oeste

Trabajo sin conocimientos previos, en base a su experiencia en el garaje de su casa

Premio Lemelson-MIT gracias a ser un investigador creativo

Primeras patentes de HSS en julio de 1996

Múltiples inventos


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Joseph Pompei es un joven con brillante expediente académico que trabaja en el MIT

Alrededor de 1000 dispositivos ya han sido instalados en múltiples sitios de todo el mundo


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Clientes importantes: museos, galerías, grandes empresas…


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7 Un mar de aplicacionesMuseos, exposiciones, parques temáticos…

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Supermercados, tiendas, grandes almacenes

Restaurantes, videoclubs, cajeros automáticos…

Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones

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Discotecas

Reproductores de audio / video portátiles

Traducción simultánea sin auriculares

Megáfonos direccionales

Vehículos


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Megáfonos direccionales

Altavoces virtuales

Otros: hospitales, socorristas, oficinas…

Armas no letales incapacitantes

Futura TV multiusuario


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8 Demostraciones

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Focalización del Sonido Demostraciones

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¡Muchas gracias!

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