INGENIERÍA DE LAS ONDAS I

1. INGENIERÍA DE LAS ONDAS I - Curso 2005/2006 - Proyecto del grupo 4 Álvaro López López Fernando de Prado Ramos E.T.S. Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Valladolid

2. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado FOCALIZACIÓN DEL SONIDO

3. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 1 Introducción • Nueva 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

4. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 2 Fundamentos físicos 2.1 La focalización acústica • Tratamos de generar ondas planas • 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

5. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Fundamentos físicos • 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

6. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Fundamentos físicos • Las únicas pérdidas que se producen son por atenuación

7. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Fundamentos físicos 2.2 Las no linealidades del aire • Para amplitudes suficientemente grandes no son válidas las ecuaciones de la acústica lineal • Así quedan las ecuaciones de presión-densidad

8. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Fundamentos físicos • 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

9. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Fundamentos físicos • No confundir con las no linealidades del oído o del transductor • 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

10. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 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

11. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología 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.

12. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • 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

13. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología 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

14. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • No es físicamente realizable • Intentaremos pues: -Ancho de banda de 20 KHz (para cubrir e rango audible con la modulación SSB -Salida decreciente con la frecuencia en 12 dB/octava (auto-ecualización, respuesta plana en rango audible) -Amplitud de salida lo más grande posible. Pico de resonancia a la frecuencia de la portadora

15. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • 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

16. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • 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

17. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • 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

18. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • 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

19. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología

20. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • 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

21. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología • Se buscan nuevas soluciones: -Topologías basadas en películas monolíticas de material piezoeléctrico. -Material más adecuado: difluoruro de polivinilideno (PVDF) -Expansión o contracción en ejes X o Y -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

22. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología -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.

23. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Tecnología

24. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 4 Características • Dispositivos muy planos y ligeros

25. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Características • Alta directividad (haz de no más de 1.5 m de diámetro)

26. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Características • 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”

27. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Características • Respuesta en frecuencia cubre casi todo el rango audible

28. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 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

29. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Historia • 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

30. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 6 La pugna entre dos inventores Woody Norris creador del HSS y fundador de ATC Joseph Pompei, creador de AudioSpotlight y fundador de Holosonics

31. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido La pugna entre dos inventores • Llegan a diseñar dispositivos similares a finales de los 90. Ahora se disputan el invento. • Tradición y actualidad: • Bell y Gray -> Teléfono • Edison y Swan -> Bombilla • Singer y Hower -> Máquina de escribir • Pompei y Norris -> Sonido direccional • Toshiba y Sony -> DVD de alta densidad

32. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido La pugna entre dos inventores • 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 • Primeras patentes de HSS en julio de 1996 • Múltiples inventos • Premio Lemelson-MIT gracias a ser un investigador creativo

33. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido La pugna entre dos inventores

34. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido La pugna entre dos inventores • 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

35. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido La pugna entre dos inventores • Clientes importantes: museos, galerías, grandes empresas…

36. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 7 Un mar de aplicaciones • Museos, exposiciones, parques temáticos…

37. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones • Supermercados, tiendas, grandes almacenes • Restaurantes, videoclubs, cajeros automáticos…

38. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones • Discotecas • Traducción simultánea sin auriculares • Reproductores de audio / video portátiles • Megáfonos direccionales • Vehículos

39. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones • Armas no letales incapacitantes • Megáfonos direccionales • Altavoces virtuales • Futura TV multiusuario • Otros: hospitales, socorristas, oficinas…

40. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado 8 Demostraciones

41. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Demostraciones

42. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Demostraciones

43. Grupo 4: Álvaro López Fernando de Prado Focalización del Sonido Demostraciones ¡Muchas gracias!