Sabe-se que os alto-falantes eletrodinâmicos tradicionais, juntamente com uma série de vantagens, apresentam desvantagens tangíveis, por exemplo, um certo limite de fidelidade. Para alcançar altos indicadores de qualidade de som, o princípio eletromecânico de operação dos alto-falantes tradicionais exige muitos truques, limita seriamente as capacidades dos desenvolvedores, leva a custos significativos e, consequentemente, aumenta seus custos. Além disso, os materiais tradicionais usados nas membranas dos alto-falantes, como você sabe, têm um “teto” no nível mais baixo possível de distorção, são suficientemente grandes e os ímãs permanentes introduzem distorção adicional.
Em posts anteriores, já descrevemos várias alternativas bem conhecidas para os alto-falantes, como eletrostáticos, emissores iso / ortodinâmicos e ionofones. Neste material, falaremos talvez da substituição mais high-tech e original dos drivers dinâmicos usuais com os quais estamos familiarizados - emissores criados com base em nanotubos.
Um pouco sobre nanotubos
Nanotubos de carbono são uma modificação alotrópica de carbono na forma de estruturas cilíndricas ocas de grafeno e com diâmetros de décimos a vários nanômetros. Simplificando, esta é uma molécula enorme, composta por milhões de átomos de carbono localizados no topo de elementos estruturais de forma hexagonal regular.
Como material, os nanotubos de carbono têm uma relação resistência / densidade extremamente alta. O coeficiente de resistência dos tubos é de 1 a 100 GPa (o coeficiente de resistência do aço é de 500 a 3000 MPa), enquanto a densidade do material é ligeiramente superior à densidade da água - 1,35 g / cu. No momento, a fibra dos nanotubos é a mais fina possível, a espessura dessa fibra é 30.000 vezes menor que a espessura média de um cabelo humano. Outra característica importante (especialmente para uso acústico) dos nanotubos é o seu rápido aquecimento sob a influência de corrente elétrica alternada e baixa capacidade de calor.
Devido às suas propriedades, os nanotubos encontraram aplicação prática em um grande número de áreas. Darei apenas uma pequena parte: fios pesados, nanofios, sensores de detecção de gás, medicina em geral e cirurgia em particular, geradores e motores de energia, músculos artificiais, fontes atuais e muitos outros. etc. Um dos projetos mais ambiciosos relacionados aos nanotubos é um cabo para um elevador espacial. Embora, em várias publicações, seu uso seja questionado, tendo em vista a significativa perda de força na criação de fibra.
Ao contrário do elevador espacial, não há dúvida sobre a eficácia do uso de nanotubos para criar emissores acústicos de alta fidelidade. Protótipos desses falantes já foram criados para fins experimentais. Mas eficiência é uma coisa e produção em série é outra.
O momento chave para o uso das propriedades acústicas dos nanotubos foi o ano de 1991, quando vários tipos (camada única e multicamadas) de filmes de carbono transparente foram criados a partir deles.
Emissores termoacústicos com membrana de nanotubo
Note-se que as propriedades acústicas dos nanotubos de carbono foram descobertas por acaso. Numerosas experiências com material relativamente novo levaram à conclusão de que folhas de nanotubos são capazes de emitir ondas sonoras sob a influência de corrente alternada.
Em 2008, pesquisadores chineses liderados por Kaili Jiang chamaram a atenção para o fato de uma folha de nanotubos emitir um som sob a influência de corrente alternada. Depois disso, eles aplicaram um sinal musical modulado e perceberam que a folha era capaz de reproduzir som. Ao enviar um vibrômetro a laser (Polytech PSV 300-F) para a folha, os cientistas ficaram surpresos que o filme usado como radiador não se movesse. Mais tarde, foi possível descobrir que o som apareceu como resultado do aquecimento rápido da folha, ou seja, processo termoacústico.
Curiosamente, o próprio fenômeno do efeito termoacústico é conhecido desde o final do século XIX. Sua primeira descrição detalhada foi feita pelos cientistas americanos HD Arnold e IB Crandall no artigo "O termofone como fonte de som de precisão", publicado em 1º de julho de 1917. Naquela época, não havia materiais com os quais seria possível usar o princípio termoacústico na prática de forma alguma.
Os resultados da pesquisa da equipe de Kylie Jiang foram publicados nos alto-falantes de filme fino de nanotubos de carbono flexíveis, elásticos e transparentes da Nano Letters. No artigo, os cientistas descreveram dispositivos que reproduziam com sucesso um sinal e som musicais de um microfone usando um efeito termoacústico.
A temperatura máxima da chapa quando um sinal era fornecido com uma potência nominal de 12 W (8 Ohms) era de 80 graus Celsius. Segundo Kylie Jiang, é possível criar alto-falantes semelhantes com uma temperatura mais baixa, mas isso não foi implementado como parte do experimento. Ao mesmo tempo, os emissores tinham várias características únicas.
Foto 2 Testando o desempenho acústico de um alto-falante de filme fino CNT. (a) Ilustração esquemática de uma configuração experimental. (b) Nível de pressão sonora (em dB) e distorção harmônica total de um alto-falante CNT de camada única (vermelho) e quatro camadas (azul) a uma distância de 5 cm entre o alto-falante e o microfone. A potência de entrada é de 3 W e 12 W para alto-falantes de uma e quatro camadas, respectivamente. © Pressão sonora gerada pelo alto-falante CNT de quatro camadas, dependendo da potência de entrada, mostrando uma relação linear. Quadrados pretos representam resultados experimentais e uma linha vermelha representa um resultado adequado. (d) Sinais em tempo real da tensão de entrada do alto-falante de filme fino de quatro camadas CNT e a pressão sonora emitida pelo microfone, o que indica que a frequência da pressão sonora duplica a frequência da tensão de entrada. (C) Nano Letters
Durante as experiências descritas, foi registrado que o emissor permite gerar som com uma faixa de frequência e um nível de pressão sonora (SPL) suficientes para uso em modernos equipamentos acústicos portáteis e estacionários. Além disso, o protótipo apresentava um nível impressionantemente baixo de distorção harmônica (THD).
Dados teóricos e experimentais para alto-falantes termo-acústicos de película fina. (a) Resultados teóricos e experimentais de SPL comparados com o operador de alto-falantes de filme fino termoacústico. Os dados experimentais são representados por quadrados e triângulos vermelhos sólidos para filmes CNT finos de camada única e quatro camadas, respectivamente. As linhas verdes e pretas são SPL calculadas de acordo com a teoria de Arnold e Krendall (equiv. 1) e nossas teorias (equiv. 2) para alto-falantes CNT de camada única (superior) e de quatro camadas (média) e uma espessura de termofone de 700 nm Pt (inferior). A potência de entrada é de 4,5 watts. (B) A dependência do SPL (a 10 kHz com uma potência de entrada de 1 W) em HCPUAC s é calculada de acordo com a teoria de Arnold e Crandall (equiv 1, linha vermelha) e nossa teoria (equiv. 2, linha preta), respectivamente. (C) Nano Letters
O artigo observou que a folha usada como membrana é transparente e flexível. Kylie Jiang mencionou que pode ser deformada sem danificar significativamente a qualidade do som. Também foi descoberto que um filme de nanotubos colocados em uma estrutura cilíndrica permite que o som seja emitido com a mesma intensidade em todas as direções. Uma característica interessante que refuta algumas das conclusões de Arnold e Krendel foi que, quando o filme foi esticado (200% da área original), o sinal permaneceu quase inalterado.
A publicação de pesquisadores chineses foi citada pela mídia há algum tempo. A mídia até previu a morte iminente dos sistemas tradicionais de alto-falantes, mas logo a inovação foi esquecida com segurança. Não houve tentativas conhecidas de criar drivers seriais.
Problemas na introdução de termofones
Apesar das vantagens óbvias dos nanotubos como material para membranas de emissores acústicos e efeitos termoacústicos, essa abordagem não apresenta desvantagens. O principal problema é o custo dos próprios nanotubos.
Os preços atuais no atacado de nanotubos de parede única fabricados na China variam de US $ 30 a US $ 90 por grama. De acordo com as alegações de possíveis fabricantes de produtos acústicos a partir deste material, os preços existentes deixam de fazer sentido emitir produtos de orçamento com seu uso.
A extremidade relativamente alta do mercado, onde o preço poderia ser justificado pelo "valor de prestígio" dos produtos, ainda é mais difícil. Já existem radiadores eletrostáticos e ortodinâmicos próximos e idênticos à fibra do nanotubo em termos de propriedades acústicas. Ao mesmo tempo, processos e equipamentos tecnológicos que permitem produzir essa acústica foram testados e têm eficiência econômica bem calculada. Para a introdução de nanotubos, é necessário investir pesadamente em equipamentos, desenvolvimento, planejamento, sem garantias comerciais.
Existem também nuances técnicas associadas ao uso deste tipo de emissores. Primeiro de tudo, ainda não existem estudos publicados sobre a redução da temperatura da superfície do emissor, embora Kylie Jiang tenha mencionado essa possibilidade. Por outro lado, se compararmos as temperaturas do filme com as temperaturas do plasma nos ionofones (que já estão sendo produzidos em massa), mesmo protótipos experientes de drivers com nanotubos parecem muito mais seguros.
Híbridos de Kozlov
Um pesquisador americano de origem russa Mikhail Kozlov da Universidade do Texas em Dallas em 2014 publicou um relatório sobre a criação de um protótipo do emissor híbrido original. Usando um filme de nanotubos como membrana, ele desenvolveu um alto-falante que utilizava o efeito termoacústico e o princípio tradicional de um driver dinâmico. Segundo o pesquisador, essa abordagem resolverá alguns dos problemas descritos acima.
imagem de uma folha multicamada de nanotubos de carbono usada para um transdutor de som termomagnético. (Imagem: Mikhail Kozlov, Universidade do Texas em Dallas).
Segundo o cientista, ele conseguiu combinar as vantagens dos condutores termoacústicos e dinâmicos. A idéia proposta por Kozlov é colocar uma folha de nanotubo de carbono entre barras condutoras ao lado de um ímã permanente. Com a excitação elétrica, a resposta térmica do material é combinada com vibrações de chapa causadas pela ação eletromagnética da força de Lorentz. Como resultado, o projeto permite obter radiação termomagnética híbrida das ondas sonoras, com um nível relativamente baixo de distorção e características impressionantes de amplitude que excedem os termofones chineses descritos acima.
Sumário
Espero sinceramente que os termofones apareçam no mercado de massa e sejam produzidos em massa. A partir das pesquisas de Jiang e Kozlov, fica claro que a tecnologia tem um futuro promissor, se lembrada. Os problemas de implementação descritos acima são inegavelmente sérios e complexos. Enquanto isso, 10 anos se passaram desde a primeira publicação sobre o surgimento de um protótipo funcional do emissor Kylie Jiang e, durante esse período, eles provavelmente poderiam ser resolvidos.
Acredito que existem outras razões, menos objetivas e menos óbvias, para a introdução desta tecnologia. Esses motivos incluem a relutância de alguns participantes do mercado (com capacidade suficiente para produzir alto-falantes clássicos) em perder terreno em seu segmento. Infelizmente, contrariamente à crença popular, a inovação nem sempre é útil para os negócios, especialmente se muito dinheiro é investido em tecnologia arcaica.
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Nosso catálogo é apresentado Uma ampla gama de sistemas de alto-falante de alta fidelidade .
Conteúdo da foto usado:
www.nanowerk.com
pubs.acs.org
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