FOCALIZACI

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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
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FOCALIZACIÓN DEL SONIDO
Grupo 4 Álvaro López Fernando de Prado
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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

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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

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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
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• Las únicas pérdidas que se producen son por
  atenuación

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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

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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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• 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

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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.
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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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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
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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
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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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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

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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 ?/4
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Focalización del Sonido Tecnología
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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
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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
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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.
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Focalización del Sonido Tecnología
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4 Características

• Dispositivos muy planos y ligeros

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Focalización del Sonido Características

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

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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

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Focalización del Sonido Características

• 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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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

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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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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 -gt Teléfono
• Edison y Swan -gt Bombilla
• Singer y Hower -gt Máquina de escribir
• Pompei y Norris -gt Sonido direccional
• Toshiba y Sony -gt DVD de alta densidad

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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

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Focalización del Sonido La pugna entre dos
inventores
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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

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Focalización del Sonido La pugna entre dos
inventores

• Clientes importantes museos, galerías, grandes
  empresas

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7 Un mar de aplicaciones

• Museos, exposiciones, parques temáticos

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Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones

• Supermercados, tiendas, grandes almacenes

• Restaurantes, videoclubs, cajeros automáticos

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Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones

• Discotecas

• Traducción simultánea sin auriculares

• Reproductores de audio / video portátiles

• Megáfonos direccionales

• Vehículos

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Focalización del Sonido Un mar de aplicaciones

• Armas no letales incapacitantes

• Megáfonos direccionales

• Altavoces virtuales

• Futura TV multiusuario

• Otros hospitales, socorristas, oficinas

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8 Demostraciones
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Focalización del Sonido Demostraciones
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Focalización del Sonido Demostraciones
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Focalización del Sonido Demostraciones
Muchas gracias!