Se sabe que los altavoces electrodinámicos tradicionales junto con una serie de ventajas tienen desventajas tangibles, por ejemplo, un cierto límite de fidelidad. Para lograr indicadores de alta calidad de sonido, el principio de funcionamiento electromecánico de los altavoces tradicionales requiere muchos trucos, limita seriamente las capacidades de los desarrolladores, genera costos significativos y, en consecuencia, aumenta su costo. Además, los materiales tradicionales utilizados para las membranas de los altavoces, como saben, tienen un "techo" en el nivel de distorsión más bajo posible, son lo suficientemente masivos y los imanes permanentes introducen una distorsión adicional.
En publicaciones anteriores, ya hemos descrito varias alternativas conocidas a los altavoces, como los emisores electrostáticos, iso / ortodinámicos y los ionófonos. En este material, hablaremos sobre quizás el reemplazo más original y de alta tecnología de los controladores dinámicos habituales que utilizamos: emisores creados a base de nanotubos.
Un poco sobre nanotubos
Los nanotubos de carbono son una modificación alotrópica de carbono en forma de estructuras cilíndricas huecas de grafeno y con diámetros desde décimas hasta varios nanómetros. En pocas palabras, esta es una molécula enorme que consta de millones de átomos de carbono ubicados en la parte superior de los elementos estructurales de forma hexagonal regular.
Como material, los nanotubos de carbono tienen una relación resistencia / densidad extremadamente alta. El coeficiente de resistencia de los tubos es de 1 a 100 GPa (el coeficiente de resistencia del acero es de 500-3000 MPa), mientras que la densidad del material es ligeramente mayor que la densidad del agua: 1.35 g / cu. En este momento, la fibra de los nanotubos es la más delgada conocida, el grosor de esta fibra es 30,000 veces menor que el grosor promedio de un cabello humano. Otra característica importante (especialmente para uso acústico) de los nanotubos es su calentamiento rápido bajo la influencia de la corriente eléctrica alterna y la baja capacidad calorífica.
Debido a sus propiedades, los nanotubos han encontrado una aplicación práctica en una gran cantidad de áreas. Daré solo una pequeña parte: hilos de alta resistencia, nanocables, sensores de detección de gases, medicina en general y cirugía en particular, generadores de energía y motores, músculos artificiales, fuentes de corriente y muchos otros. etc. Uno de los proyectos más ambiciosos relacionados con los nanotubos es un cable para un ascensor espacial. Aunque, en varias publicaciones, se cuestiona su uso, en vista de la pérdida significativa de resistencia al crear fibra.
A diferencia del elevador espacial, no hay dudas sobre la efectividad del uso de nanotubos para crear emisores acústicos de alta fidelidad. Los prototipos de dichos altavoces ya se han creado con fines experimentales. Pero la eficiencia es una cosa, y la producción en serie es otra.
El momento clave para usar las propiedades acústicas de los nanotubos fue el año 1991, cuando se crearon a partir de ellos varios tipos (una capa y capas múltiples) de películas de carbono transparentes.
Emisores termoacústicos con membrana de nanotubos.
Cabe señalar que las propiedades acústicas de los nanotubos de carbono se descubrieron por casualidad. Numerosos experimentos con material relativamente nuevo han llevado a la conclusión de que las láminas de nanotubos son capaces de emitir ondas de sonido bajo la influencia de la corriente alterna.
En 2008, investigadores chinos dirigidos por Kaili Jiang llamaron la atención sobre el hecho de que una hoja de nanotubos produce un sonido bajo la influencia de la corriente alterna. Después de eso, aplicaron una señal musical modulada y se dieron cuenta de que la hoja era capaz de reproducir sonido. Al enviar un vibrómetro láser (Polytech PSV 300-F) a la lámina, los científicos se sorprendieron de que la película utilizada como radiador no se moviera. Más tarde, fue posible descubrir que el sonido apareció como resultado del calentamiento rápido de la hoja, es decir, proceso termoacústico
Curiosamente, el fenómeno del efecto termoacústico se conoce desde finales del siglo XIX. Su primera descripción detallada fue realizada por los científicos estadounidenses HD Arnold e IB Crandall en el artículo "El termómetro como fuente precisa de sonido", publicado el 1 de julio de 1917. En ese momento, no había materiales con los cuales sería posible utilizar el principio termoacústico en la práctica de ninguna manera.
Los resultados de la investigación del equipo de Kylie Jiang se publicaron en los altavoces de película delgada de nanotubos de carbono transparentes, elásticos y flexibles de Nano Letters. En el artículo, los científicos describieron dispositivos que reproducían con éxito una señal musical y un sonido de un micrófono utilizando un efecto termoacústico.
La temperatura máxima de la lámina cuando se suministró una señal con una potencia nominal de 12 W (8 ohmios) fue de 80 grados centígrados. Según Kylie Jiang, es posible crear altavoces similares con una temperatura más baja, pero esto no se implementó como parte del experimento. Al mismo tiempo, los emisores tenían una serie de características únicas.
Foto 2 Prueba del rendimiento acústico de un altavoz de película delgada CNT. (a) Ilustración esquemática de una configuración experimental. (b) Nivel de presión acústica (en dB) y distorsión armónica total de un altavoz CNT de una capa (rojo) y cuatro capas (azul) a una distancia de 5 cm entre el altavoz y el micrófono. La potencia de entrada es de 3 W y 12 W para altavoces de una y cuatro capas, respectivamente. © Presión sonora generada por el altavoz CNT de cuatro capas, dependiendo de la potencia de entrada, que muestra una relación lineal. Los cuadrados negros representan resultados experimentales, y una línea roja representa un resultado adecuado. (d) Señales en tiempo real del voltaje de entrada del altavoz de película delgada de cuatro capas CNT y la salida de presión de sonido desde el micrófono, lo que indica que la frecuencia de presión de sonido duplica la frecuencia del voltaje de entrada. (C) Nano letras
Durante los experimentos descritos, se registró que el emisor le permite generar sonido con un rango de frecuencia y nivel de presión sonora (SPL) suficiente para usar en equipos acústicos portátiles y estacionarios modernos. Además, el prototipo tenía un nivel impresionantemente bajo de distorsión armónica (THD).
Datos teóricos y experimentales para altavoces termoacústicos de película delgada. (a) Resultados teóricos y experimentales de SPL en comparación con el operador de altavoces termoacústicos de película delgada. Los datos experimentales están representados por cuadrados y triángulos sólidos rojos para películas de CNT delgadas de una y cuatro capas, respectivamente. Las líneas verdes y las líneas negras son SPL calculadas por la teoría de Arnold y Crendall (equiv. 1) y nuestras teorías (equiv. 2) para altavoces CNT de una capa (superior) y cuatro capas (medio) y un grosor de termómetro Pt de 700 nm (inferior). La potencia de entrada es de 4.5 vatios. (B) La dependencia de SPL (a 10 kHz con una potencia de entrada de 1 W) de HCPUAC s se calcula de acuerdo con la teoría de Arnold y Crandall (equiv 1, línea roja) y nuestra teoría (equiv. 2, línea negra), respectivamente. (C) Nano letras
El artículo señaló que la lámina utilizada como membrana es transparente y flexible. Kylie Jiang mencionó que se puede deformar sin dañar significativamente la calidad del sonido. También se descubrió que una película de nanotubos colocados en un marco cilíndrico permite que el sonido se emita con la misma intensidad en todas las direcciones. Una característica interesante que refuta algunas de las conclusiones de Arnold y Krendel, fue que cuando la película se estiró (200% del área original), la señal se mantuvo casi sin cambios.
La publicación de investigadores chinos fue citada por los medios durante algún tiempo. Los medios incluso predijeron la muerte inminente de los sistemas de altavoces tradicionales, pero pronto la innovación fue olvidada con seguridad. No hubo intentos conocidos de crear controladores seriales.
Problemas al introducir termófonos
A pesar de las ventajas obvias de los nanotubos como material para membranas de emisores acústicos y efectos termoacústicos, este enfoque no está exento de inconvenientes. El principal problema es el costo de los nanotubos en sí.
Los precios al por mayor actuales para los nanotubos de pared simple de fabricación china varían de $ 30 a $ 90 por gramo. Según las afirmaciones de los posibles fabricantes de productos acústicos de este material, los precios existentes hacen que no tenga sentido emitir productos presupuestarios con su uso.
El extremo relativamente alto del mercado, donde el precio podría justificarse por el "valor prestigioso" de los productos, es aún más difícil. Ya existen radiadores electrostáticos y ortodinámicos que son cercanos e idénticos a la fibra de nanotubos en términos de propiedades acústicas. Al mismo tiempo, los procesos y equipos tecnológicos que permiten producir dicha acústica han sido probados y tienen una eficiencia económica bien calculada. Para la introducción de nanotubos, es necesario invertir mucho en equipos, desarrollo, planificación, sin ninguna garantía comercial.
También hay matices técnicos asociados con el uso de este tipo de emisores. En primer lugar, todavía no hay estudios publicados sobre la reducción de la temperatura de la superficie del emisor, aunque Kylie Jiang mencionó esta posibilidad. Por otro lado, si comparamos las temperaturas de la película con las temperaturas del plasma en los ionófonos (que ya se están produciendo en masa), incluso los prototipos experimentados de controladores con nanotubos parecen mucho más seguros.
Híbridos de Kozlov
Un investigador estadounidense de origen ruso, Mikhail Kozlov, de la Universidad de Texas en Dallas, publicó en 2014 un informe sobre la creación de un prototipo del emisor híbrido original. Usando una película de nanotubos como membrana, desarrolló un altavoz que utilizaba el efecto termoacústico y el principio tradicional de un controlador dinámico. Según el investigador, este enfoque resolverá algunos de los problemas descritos anteriormente.
Imagen de una lámina multicapa de nanotubos de carbono utilizada para un transductor de sonido termomagnético. (Imagen: Mikhail Kozlov, Universidad de Texas en Dallas).
Según el científico, logró combinar las ventajas de los controladores termoacústicos y dinámicos. La idea propuesta por Kozlov es colocar una lámina de un nanotubo de carbono entre varillas conductoras junto a un imán permanente. Con la excitación eléctrica, la respuesta térmica del material se combina con las vibraciones de la lámina causadas por la acción electromagnética de la fuerza de Lorentz. Como resultado, el diseño permite obtener radiación termomagnética híbrida de ondas de sonido, con un nivel relativamente bajo de distorsión y características de amplitud impresionantes que exceden los termófonos chinos descritos anteriormente.
Resumen
Espero sinceramente que aparezcan termófonos en el mercado masivo y se produzcan en masa. De la investigación de Jiang y Kozlov, queda claro que la tecnología tiene un futuro prometedor, si se le viene a la mente. Los problemas de implementación descritos anteriormente son innegablemente serios y complejos. Mientras tanto, han pasado 10 años desde la primera publicación sobre la aparición de un prototipo funcional del emisor Kylie Jiang, y durante este tiempo probablemente podrían resolverse.
Creo que hay otras razones menos objetivas y menos obvias por las que esta tecnología no tiene prisa por presentarla. Estas razones incluyen la renuencia de algunos participantes del mercado (que tienen la capacidad suficiente para producir altavoces clásicos) a perder terreno en su segmento. Desafortunadamente, contrario a la creencia popular, la innovación no siempre es útil para las empresas, especialmente si se invierte mucho dinero en tecnología arcaica.
Jeans
Nuestro catalogo es presentado Una amplia gama de sistemas de altavoces de alta fidelidad .
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