Chapter 3 A Conceptual Framework
3.2 Theoretical Foundations
al principio de su actuador. Básicamente estos procesos de fabricación permiten la obtención dearraysde pequeño tamaño que alcanzar los niveles adecuados para este tipo de aplicaciones. Aunque hasta ahora han demostrado su eficacia para implementar sistemas no invasivos de detección y generación de imágenes médicas mediante ultrasonidosOralkan et al.[2002], sí han demostrado ser capaces de cubrir el margen frecuencial de interés para esta aplicación como demuestran las siguientes publicaciones:Wygant et al.[2008,2009].
5.2.
Productos comerciales
Como ya presentamos en la introducción de este texto, los sistemas de audio directivo son la única solu- ción posible para ciertas aplicaciones de megafonía, entretenimiento etc. Debido a esta necesidad, en los últimos 25 años ha crecido el interés por este tipo de estructuras y algunas marcas comerciales han desarrollado productos de consumo basados en esta tecnología. Presentamos aquí las más destacadas:
Audiobeam:
Esta es la solución propuesta por la casaSennheiser. En un principio, se encuentra orientada a su aplicación en museos y teatros. Aunque el sistema no ofrece una gran calidad de audio, sí que consigue patrones de directividad bastante buenos.
El dispositivo se ha diseñado para emplearlo de forma directa o aprovechando reflexiones en superficies suaves.
La técnica de modulación empleada es laAMsimple, por tanto la calidad obtenida se adecúa únicamente a la voz. Aunque en el catálogo no se especifica el ancho de banda de actuación, es de presuponer que éste se encuentra en el rango medio.
Audiospotlight: Probablemente sea el producto comercial más desarrollado en este campo. Basado en los estudios de Joseph PompeiPompei[2002]y con patentePhelps[2006]. La marcaHolosonic, creada por el mismo autor, ofrece múltiples soluciones que aseguran distorsiones menores a uno.
La mayor parte de los productos se basan en el empleo de la modulaciónAM, como ya se patentó enTanaka
et al.[1989], pero en este caso se incluye el procesado de la raíz cuadrada filtrada (véase procesado de
de los transductores que emplea para elaborar susarraysPompei[2013]. Debido a las características que se aportan en los catálogos, es de presuponer que se están incluyendo nuevos sistemas de preprocesado en los productos comerciales de esta marca, ya que ofrecen resultados que en un principio no pueden ser alanzados con técnicas de procesado tan simples.
En la actualidad, la marcaHolosonictambién integra las tecnología propuestas por Elwood G. Woody Norris y plasmada en la propuestaHyperSonic Sound.
Prueba del éxito de estos sistemas es la amplia expansión de sus instalaciones a lo largo del mundo, in- cluyendo el Museo Smithsonian o la Tate Gallery de Londres. Incluso algunas empresas de gran envergadu- ra, como Motorola han optado por estas soluciones de megafonía en sus dependencias.
HypersoundTM:
Es la propuesta del fundador y director de laATC. Es un dispositivo de uso doméstico, de alta calidad, basado en transductores piezoeléctricos. El esfuerzo principal de esta compañía se ha centrado en la mejora de los transductores existes (plasmado en la patenteSelfridge y Khuri-Yakub[2000]) así como en las técnicas de modulaciónSpencer et al.[2010]y el preprocesado previo (patenteNorris[2015a]).
AcouspadeTM:
Es el producto estrella de la marca UTRASONICSAUDIOTECHNOLOGIES, que mejora ciertas prestaciones, como
la directividad, frente a la propuesta de HOLOSONICS. Sin embargo está concebido para ofrecer calidad de
voz, y por tanto se centra en aplicación de megafonía. Este dispositivo genera manchas acústicas que sirven tanto para producir áreas de audiencia reducida en exposiciones como fuentes virtuales.
A pesar de esta gama de productos comerciales, esta tecnología aún no se encuentra desarrollada por com- pleto, debido a la complejidad delhardwarenecesario para su funcionamiento así como el procesado previo que implica el manejo de sistemas fuertemente no lineales.
5.3.
Consideraciones preliminares para el diseño del prototipo
orientado a la caracterización
A la hora de diseñar el prototipo que va a ser caracterizado se ha procurado mantener una fidelidad máxima, basándose en obtener ésta a partir de un buen sistema de amplificación conjugado con un sistema de transducción lo más lineal posible en el margen de interés. Se ha de resaltar en este punto que las medidas realizadas servirán de apoyo a la elaboración de un protocolo de medición que puede servir como fase previa de diseño de un prototipo industrial.
Con esta idea en mente, hemos seleccionado como elemento básico de transducción un altavoz electroacústico que centra su margen de actuación en la banda de interés para esta aplicación, esto es, que asegura un buen funcionamiento en la banda ultrasónica baja y media. El principal problema tecnológico al que nos enfrentamos es que los transductores han de ser capaces de alcanzar un nivel acústico relativamente alto, sea cual sea la técnica de modulación empleada (véase §2.3). Por desgracia, la relación existente entre la onda primaria y secundaria obliga a que losarrays paramétricosno ofrezcan niveles muy altos en el margen audible, ya que para que se diese esta situación deberíamos incurrir en la superación de niveles recomendados para el ser humano en alta frecuencia. Aunque a menudo las normas y recomendaciones se suelen centrar en el margen sónico o se refieren a ruidos impulsivos, podemos encontrar una buena guía en la que basarnos en Lawton[2001], en donde se muestran diversas recomendaciones al respecto según la normativa vigente en diferentes países.
El objetivo fundamental en el diseño es el de proporcionar un prototipo adecuado a la identificación del fenó- meno físico bajo estudio, por lo tanto, en esta fase no es necesario tener en cuenta parámetros como la portabilidad o la escalabilidad industrial del mismo. Sin embargo, sí que es determinante adaptar todo el conjunto a sistemas de instrumentación que aseguren la correcta monitorización y toma de medidas necesarias. Las principales ex- igencias a la hora de plantear este diseño orientado únicamente al análisis en laboratorio del fenómeno físico son:
Tener en cuenta tanto el elemento acústico empleado como su forma geométrica para obtener en la medida de lo posible un haz estrecho.
Diseñar una array con posibilidad de introducir diferentes señales en cada uno de los transductores, ha- ciendo posible la opción debeamforming, ya que estudios anteriores han demostrado que esta posibilidad es viable (Yang et al.[2005]).
Permitir la monitorización de las etapas claves del proceso: es necesario tener acceso a la señal de entra- da, modulada/postprocesada, amplificada y polarizada. Esta monitorización ha de ser lo menos intrusiva posible y tener en cuenta los márgenes dinámicos de trabajo.
Permitir polarizaciones adecuadas a las señales prostprocesadas amplificadas.
Lógicamente, en la medida de lo posible, se van a emplear sistemas de instrumentación tradicionales para evitar incurrir en posibles aberraciones o no linealidades debido a cuestiones técnicas, no al fenómeno físico en sí.
5.4.
Transductor seleccionado
La selección del transductor en el que se va a basar la estructura orientada a la caracterización condiciona todas las etapas de diseño posteriores (amplificación, polarización diseño de la disposición de los elementos del array...). Desafortunadamente las exigencias expuestas para el diseño reducen nuestra capacidad de elección a un pequeño abanico de transductores comerciales. Debido al ancho de banda requerido, así como a la frecuencia central de trabajo, la elección prácticamente queda acotada al uso de altavoces electroestáticos.
Teniendo en cuenta estas limitaciones referentes a nivel y a margen dinámico, hemos decidido basar el pro- totipo en los transductores comerciales de SENSCOMP1. Esta elección determina el resto de los parámetros del
diseño delarray: distancia entre transductores, frecuencia de portadora de las modulaciones y la electrónica aso- ciada al elemento acústico que depende fundamentalmente del principio de transducción en el que están basados. Este transductor se basa en el principio electrostático que permite construir altavoces con mejores presta- ciones que los altavoces dinámicos tradicionales ya que éstos poseen una coloración menor, una respuesta a los transitorios rápida y baja distorsión no lineal. Sus diagramas de radiación son simples y flexibles, debido a que las fuerzas eléctricas que actúan sobre ellos se transfieren directamente al diafragma para generar las ondas de presión sonoras.
Aunque los principios que rigen el funcionamiento de los altavoces electrostáticos son sencillos, presentan ciertas características que dificultan su uso en sistemas domésticos: para su correcto funcionamiento, es necesario (i) proporcionar tensiones elevadas, y (ii) mantener un control adecuado de las impedancias implicadas en el proceso de transducción. Por tanto, la electrónica asociada a estos dispositivos es única, y no es compartida con aplicaciones de audio habituales. También esconden problemas mecánicos relacionados con la elección del material del diafragma y la tensión sobre la que debe estar sometido.
Otro problema a tener en cuenta es el nivel de presión sonora que pueden alcanzar este tipo de sistemas de transducción. En los primeros diseños, esta falta de sensibilidad se compensaba con el tamaño del diafragma, pero actualmente, los niveles alcanzados son suficientes para satisfacer las necesidades concretas de nuestro sistema.
Por desgracia, los costes de fabricación de estos altavoces superan con creces los de los altavoces electrod- inámicos. Por esta razón el mercado aún se encuentra copado por estas arquitecturas, aunque ciertas marcas han apostado por los sistemas electrostáticos, ya que además de poseer mejores prestaciones acústicas también ofre- cen mayores posibilidades de diseño. Además, los transductores electrostáticos ha jugado un importante papel el desarrollo de todos los diseños electroacústicos, ya que han servido como patrón de referencia debido a su fidelidad.
Pese a que las arquitecturas más comunes en el mercado son las de “ doble plato perforadas y diafragma intermedio ”, debido a nuestra elección de diseño, nos centraremos en los transductores de capa y diafragma, que facilitar tanto el diseño como el análisis de nuestra estructura. En la Figura5.3se pueden apreciar las diferencias entre estos dos sistemas. El segundo (Figura5.3B), es el que ofrece mayor seguridad, ya que el sistema se encuen-
tra balanceado. En nuestro caso, como la finalidad del sistema propuesto es la fidelidad y la sencillez del análisis, hemos optado por una arquitectura de capa simple como la reflejada en la Figura5.3A.
+
V
−
sig Diafragmamóvil Diafragmafijo
Campo eléctrico uniforme de intensidadVsi g/2
2d
A: Arquitectura de diafragma móvil único.
1 2
V
sig−
1 2V
sig d d x C1 C2 Diafragma con carga+QDa Vpoltensión con respecto a tierra, en la posición central Difragmasperforados los diafragmasCapacidad de
Ctot=C1+C2
Sentido de la fuerzaFsiVsig>0
B: Arquitectura de doble diafragma polarizado.