13.4: Dispositivos electrodinámico-acústicos

Dispositivos magneto-acústicos

Uno de los dispositivos electroacústicos más comunes es el altavoz, donde las unidades más grandes suelen emplear un solenoide magnético (ver Sección 6.4.1) para accionar un cono grande y ligero que empuja el aire con la forma de onda accionada. Los límites de frecuencia están dentro de las resonancias mecánicas del sistema, que son las frecuencias naturales de oscilación del cono. El límite mecánico de baja frecuencia se establece típicamente por la resonancia del cono rígido que oscila dentro de su estructura de soporte. Un límite mecánico superior es establecido por los modos de resonancia natural del cono mismo, que son más bajos para los conos más grandes porque las ondas impulsadas normalmente se propagan hacia afuera desde el centro impulsado y pueden reflejarse desde el borde exterior del cono, estableciendo ondas estacionarias. El límite de amplitud se establece típicamente por la fuerza del sistema y su linealidad. Como se muestra en la Sección 6.1.2, el movimiento mecánico puede generar voltajes eléctricos en los mismos sistemas, por lo que también funcionan como micrófonos.

Otro dispositivo magneto-acústico utiliza magnetoestricción, que es la contracción de algunos materiales magnéticos cuando se exponen a grandes campos magnéticos. Se utilizan cuando se desean pequeños movimientos lineales potentes, típicamente del orden de micrones. Para obtener movimientos más grandes, el cabezal de transmisión se puede conectar a una línea de transmisión acústica mecánicamente cónica que se asemeja a una versión sólida pequeña de una bocina de trompeta que coincide suavemente con la alta impedancia mecánica del conductor en un área grande con la baja impedancia mecánica de la punta pequeña. La punta pequeña se mueve distancias mucho mayores porque la potencia acústica se conserva si el ahusamiento es lento en comparación con un cuarto de longitud de onda, al igual que una serie de transformadores de cuarto de onda que se utilizan para la transformación de impedancia; puntas pequeñas que se mueven grandes distancias transmiten la misma potencia que grandes áreas que se mueven pequeñas distancias. Dichos transformadores acústicos de línea de transmisión se pueden usar en cualquier dirección, dependiendo de si se desean desplazamientos altos o fuerzas altas.

Aparatos electroacústicos

El dispositivo electroacústico más simple es quizás un condensador con una placa que es libre de mover y empujar aire en respuesta a fuerzas eléctricas variables en el tiempo sobre él, como se discute en la Sección 6.2.2. Estos pueden implementarse macroscópicamente o dentro de sistemas microelectromecánicos (MEMS).

Algunos materiales como el cuarzo son piezoeléctricos y se contraen o distorsionan cuando se colocan altos voltajes a través de ellos. Debido a que esta deformación produce poco calor, la excitación periódica de los cristales de cuarzo puede hacer que resuenen con una Q muy alta, haciéndolos útiles para fines de cronometraje en relojes, computadoras y otros dispositivos electrónicos. Estas resonancias mecánicas para cristales comunes están en el rango de MHz y tienen estabilidades que son de ~10 ^-4 —10 ^-6, dependiendo principalmente de la estabilidad de la temperatura; los cristales más grandes resuenan a frecuencias más bajas. También se pueden diseñar para conducir pequeños altavoces resonantes a altas frecuencias acústicas y eficiencias para alarmas de reloj, etc.

Por reciprocidad, los buenos actuadores piezoeléctricos también son buenos sensores y se pueden utilizar como micrófonos. La distorsión mecánica de dichos materiales genera pequeños voltajes medibles. Lo mismo ocurre cuando se varía la separación de placas de los condensadores, como se muestra en la Sección 6.6.1. Las guías de ondas acústicas sólidas cónicas mecánicamente también se pueden usar para transformaciones de impedancia entre terminales de baja fuerza/alto movimiento y terminales de alta fuerza/bajo movimiento, como se indica en la Sección 13.4.1. Las palancas también se pueden utilizar para el mismo propósito.

Transductores de onda opto-acústica

Cuando los materiales transparentes se comprimen, su permitividad generalmente aumenta, ralentizando el paso de las ondas de luz. Este fenómeno se ha utilizado para calcular las transformadas de Fourier de señales de banda ancha que se convierten en ondas acústicas que se propagan a lo largo de una varilla rectangular transparente. Una onda plana uniforme de un láser luego pasa a través de la varilla en ángulo recto con ella y con el haz acústico, y por lo tanto experimenta retrasos de fase locales a lo largo de aquellas partes de la varilla donde la onda acústica la ha comprimido temporalmente. Si la onda acústica está a 100 MHz y la velocidad del sonido en la barra es de 1000 m/s, entonces la longitud de onda acústica es de 10 micrones. Si el láser tiene una longitud de onda de 1 micra, entonces la luz láser pasará directamente a través de la barra y también se difractará en ángulos\( \pm \lambda_\text { laser } / \lambda_{\text {acoustic }}=10^{-6} / 10^{-5}=0.1\) radianes. También surgirán varios otros haces, a ~±0.2, 0.3, etc. [radianes]. Por lo tanto, habrá un rayo láser difractado en un ángulo único para cada componente de Fourier de la señal acústica, cuya intensidad depende de la magnitud de los retardos de fase ópticos asociados a lo largo de la varilla. Luego, las lentes pueden enfocar estas diversas ondas planas para hacer que el espectro de densidad de potencia sea más visible.

Si se proporcionan varios puertos de salida para los haces de luz emergentes, uno por ángulo, el haz láser puede conmutarse efectivamente a velocidades acústicas entre esos puertos. Si se proporcionan 100 puertos de salida, entonces la longitud de varilla L debe ser de al menos 100 longitudes de onda, o 1mm para el caso citado anteriormente. A una velocidad acústica c _s de 1000 m/s una nueva onda puede ingresar al dispositivo después de L/c _s = 10 ^-3 /1000 = 10 ^-6 segundos.

Dispositivos de onda superficial

Hasta el momento solo se han discutido las ondas acústicas de compresión, pero las ondas acústicas de cizallamiento también se pueden generar en sólidos, y exhiben la mayoría de los mismos fenómenos de onda que las ondas de compresión, como la guía y la resonancia. La velocidad dominante en una onda cortante es transversal a la dirección de propagación de la onda. Al generar ondas cortantes en la superficie de los dispositivos de cuarzo, y al cargar periódicamente esas superficies mecánicamente con ranuras o metal, se inducen múltiples reflexiones que, dependiendo de su espaciamiento relativo a una longitud de onda, permiten construir filtros de paso de banda y de tope de banda, así como transformadores, resonadores y acopladores direccionales. Debido a que el cuarzo tiene una Q mecánica tan alta, a menudo se usa para construir resonadores de alta Q a frecuencias de MHz.