Sonido de ultrasonido es el nombre que se le da aquí a la generación de sonido audible a partir de ultrasonido modulado sin utilizar un receptor activo . Esto ocurre cuando el ultrasonido modulado atraviesa un medio no lineal que actúa, de forma intencionada o no, como demodulador .
Matriz paramétrica
Desde principios de la década de 1960, los investigadores han estado experimentando con la creación de sonido directivo de baja frecuencia a partir de la interacción no lineal de un haz dirigido de ondas de ultrasonido producidas por una matriz paramétrica utilizando heterodina . El ultrasonido tiene longitudes de onda mucho más cortas que el sonido audible, por lo que se propaga en un haz mucho más estrecho que cualquier sistema de altavoces normal que utilice frecuencias de audio. La mayor parte del trabajo se realizó en líquidos (para uso de sonido bajo el agua).
El primer dispositivo moderno para uso acústico del aire se creó en 1998, [1] y ahora se conoce con el nombre de marca registrada "Audio Spotlight", un término acuñado por primera vez en 1983 por los investigadores japoneses [2] que abandonaron la tecnología como inviable en el mediados de la década de 1980.
Se puede hacer que un transductor proyecte un haz estrecho de ultrasonido modulado que sea lo suficientemente potente, de 100 a 110 dBSPL , para cambiar sustancialmente la velocidad del sonido en el aire por el que pasa. El aire dentro del rayo se comporta de manera no lineal y extrae la señal de modulación del ultrasonido, lo que da como resultado un sonido que solo se puede escuchar a lo largo de la trayectoria del rayo, o que parece irradiar desde cualquier superficie que golpee el rayo. Esta tecnología permite que un haz de sonido se proyecte a una gran distancia para que se escuche solo en un área pequeña y bien definida; [3] para un oyente fuera del haz, la presión del sonido disminuye sustancialmente. Este efecto no se puede lograr con altavoces convencionales, porque el sonido a frecuencias audibles no se puede enfocar en un haz tan estrecho. [3]
Existen algunas limitaciones con este enfoque. Cualquier cosa que interrumpa el haz evitará que el ultrasonido se propague, como interrumpir el haz de un foco. Por esta razón, la mayoría de los sistemas se montan en el techo, como la iluminación.
Aplicaciones
Anuncio comercial
Se puede orientar una señal de sonido para que solo un transeúnte en particular o alguien muy cercano pueda escucharla. En aplicaciones comerciales, puede dirigir el sonido a una sola persona sin el sonido periférico y el ruido relacionado de un altavoz.
Audio personal
Se puede utilizar para audio personal, ya sea para que los sonidos sean audibles para una sola persona o para que un grupo quiera escuchar. Las instrucciones de navegación, por ejemplo, solo son interesantes para el conductor de un automóvil, no para los pasajeros. Otra posibilidad son las aplicaciones futuras para un verdadero sonido estéreo, donde un oído no escucha lo que el otro está escuchando. [4]
Dispositivo de señalización de trenes
La señalización de trenes de audio direccional se puede lograr mediante el uso de un haz ultrasónico que advertirá de la aproximación de un tren y evitará la molestia de las señales de tren ruidosas en los hogares y negocios circundantes. [5]
Historia
Esta tecnología fue desarrollada originalmente por la Armada de los Estados Unidos y la Armada Soviética para el sonar submarino a mediados de la década de 1960, y fue investigada brevemente por investigadores japoneses a principios de la década de 1980, pero estos esfuerzos se abandonaron debido a una calidad de sonido extremadamente baja (alta distorsión) y una gran costo del sistema. Estos problemas no se resolvieron hasta que un artículo publicado por el Dr. F. Joseph Pompei del Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1998 [1] describió completamente un dispositivo en funcionamiento que reducía la distorsión audible esencialmente a la de un altavoz tradicional.
Productos
A partir de 2014[actualizar]Se sabía que había cinco dispositivos comercializados que utilizan ultrasonido para crear un haz de sonido audible.
Proyector de audio
F. Joseph Pompei del MIT desarrolló una tecnología que él llama "Audio Spotlight", [6] y la puso a disposición comercial en 2000 por su empresa Holosonics , que según su sitio web afirma haber vendido "miles" de sus sistemas "Audio Spotlight". . Disney fue una de las primeras corporaciones importantes en adoptarlo para su uso en el Epcot Center , y muchos otros ejemplos de aplicaciones se muestran en el sitio web de Holosonics. [7]
Audio Spotlight es un haz de sonido estrecho que se puede controlar con una precisión similar a la luz de un foco. Utiliza un haz de ultrasonido como "fuente acústica virtual", lo que permite el control de la distribución del sonido. El ultrasonido tiene longitudes de onda de solo unos pocos milímetros de largo, que son mucho más pequeñas que la fuente y, por lo tanto, viajan naturalmente en un haz extremadamente estrecho. El ultrasonido, que contiene frecuencias muy fuera del rango del oído humano, es completamente inaudible. Pero a medida que el rayo ultrasónico viaja por el aire, las propiedades inherentes del aire hacen que el ultrasonido cambie de forma de una manera predecible. Esto da lugar a componentes de frecuencia en la banda audible, que pueden predecirse y controlarse.
Sonido HyperSonic
Elwood "Woody" Norris, fundador y presidente de American Technology Corporation (ATC), anunció que había creado con éxito un dispositivo que logró la transmisión de sonido por ultrasonido en 1996. [8] Este dispositivo usaba transductores piezoeléctricos para enviar dos ondas ultrasónicas de diferentes frecuencias hacia un punto, dando la ilusión de que el sonido audible de su patrón de interferencia se originó en ese punto. [9] ATC nombró y registró su dispositivo como "HyperSonic Sound" (HSS). En diciembre de 1997, HSS fue uno de los elementos de la edición Best of What's New de Popular Science . [10] En diciembre de 2002, Popular Science nombró a HyperSonic Sound como la mejor invención de 2002. [ cita requerida ] Norris recibió el premio Lemelson-MIT 2005 por su invención de un "sonido hipersónico". [11] ATC (ahora llamada LRAD Corporation) escindió la tecnología a Parametric Sound Corporation en septiembre de 2010 para centrarse en sus productos de dispositivos acústicos de largo alcance ( LRAD ), según sus informes trimestrales, comunicados de prensa y declaraciones ejecutivas. [12] [13]
Mitsubishi Electric Engineering Corporation
Mitsubishi aparentemente ofrece un sonido de un producto de ultrasonido llamado "MSP-50E" [14] pero no se ha confirmado la disponibilidad comercial.
AudioBeam
La empresa de audio alemana Sennheiser Electronic una vez puso a la venta su producto "AudioBeam" por unos 4.500 dólares. [15] No hay indicios de que el producto se haya utilizado en aplicaciones públicas. Desde entonces, el producto ha sido descontinuado. [dieciséis]
Encuesta literaria
Los primeros sistemas experimentales se construyeron hace más de 30 años, aunque estas primeras versiones solo tocaban tonos simples. No fue hasta mucho más tarde (ver arriba) que los sistemas se construyeron para un uso práctico de escucha.
Acústica no lineal ultrasónica experimental
Aquí se presentará un resumen cronológico de los enfoques experimentales adoptados para examinar los sistemas Audio Spotlight en el pasado. En el cambio de milenio, se podían comprar versiones de trabajo de un Audio Spotlight capaz de reproducir voz y música de Holosonics, una compañía fundada sobre el trabajo del Dr. Pompei en el MIT Media Lab. [17]
Se investigaron temas relacionados casi 40 años antes en el contexto de la acústica submarina.
- El primer artículo [18] consistió en una formulación teórica del ángulo de media presión de la señal demodulada.
- El segundo artículo [19] proporcionó una comparación experimental con las predicciones teóricas.
Ambos artículos fueron apoyados por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos, específicamente para el uso del fenómeno de pulsos de sonar submarinos. El objetivo de estos sistemas no era una alta directividad per se , sino un mayor ancho de banda utilizable de un transductor típicamente de banda limitada.
La década de 1970 vio cierta actividad en los sistemas aerotransportados experimentales, tanto en el aire [20] como bajo el agua. [21] Con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos, el objetivo principal de los experimentos submarinos era determinar las limitaciones de alcance de la propagación del pulso del sonar debido a la distorsión no lineal. Los experimentos aéreos tenían como objetivo registrar datos cuantitativos sobre la directividad y la pérdida de propagación tanto de la portadora ultrasónica como de las ondas demoduladas, en lugar de desarrollar la capacidad de reproducir una señal de audio.
En 1983, la idea fue revisada nuevamente experimentalmente [2] pero esta vez con la firme intención de analizar el uso del sistema en el aire para formar una señal de banda base más compleja de una manera altamente direccional. El procesamiento de señal utilizado para lograr esto fue DSB-AM simple sin precompensación, y debido a la falta de precompensación aplicada a la señal de entrada, los niveles de distorsión armónica total THD de este sistema probablemente habrían sido satisfactorios para la reproducción de voz, pero prohibitivos para la reproducción de música. Una característica interesante de la configuración experimental utilizada en [2] fue el uso de 547 transductores ultrasónicos para producir una fuente de sonido ultrasónico de 40 kHz de más de 130 dB a 4 m, lo que exigiría importantes consideraciones de seguridad. [22] [23] Aunque este experimento demostró claramente el potencial de reproducir señales de audio usando un sistema ultrasónico, también mostró que el sistema sufría una gran distorsión, especialmente cuando no se usaba precompensación.
Acústica no lineal ultrasónica teórica
Las ecuaciones que gobiernan la acústica no lineal son bastante complicadas [24] [25] y desafortunadamente no tienen soluciones analíticas generales. Por lo general, requieren el uso de una simulación por computadora. [26] Sin embargo, tan pronto como 1965, Berktay realizó un análisis [27] bajo algunas suposiciones de simplificación que permitieron que el SPL demodulada a ser escrita en términos de la amplitud modulada ultrasónica onda portadora presión P c diversos parámetros físicos y. Tenga en cuenta que el proceso de demodulación tiene pérdidas extremas, con una pérdida mínima del orden de 60 dB desde el SPL ultrasónico al SPL de la onda audible. Un esquema de precompensación puede basarse en la expresión de Berktay, que se muestra en la Ecuación 1, tomando la raíz cuadrada de la envolvente de la señal de la banda base E y luego integrando dos veces para invertir el efecto de la derivada de tiempo parcial doble. Los equivalentes de circuitos electrónicos analógicos de una función de raíz cuadrada son simplemente un amplificador operacional con retroalimentación, y un ecualizador es análogo a una función de integración. Sin embargo, estas áreas temáticas quedan fuera del alcance de este proyecto.
dónde
- Onda de presión secundaria audible
- misc. parámetros físicos
- SPL de la onda portadora ultrasónica
- Función de envolvente (como DSB-AM)
Esta ecuación dice que la onda de presión ultrasónica demodulada audible (señal de salida) es proporcional a la versión cuadrada y dos veces diferenciada de la función de envolvente (señal de entrada). La precompensación se refiere al truco de anticipar estas transformaciones y aplicar las transformadas inversas en la entrada, con la esperanza de que la salida esté más cerca de la entrada sin transformar.
En la década de 1990, era bien sabido que Audio Spotlight podía funcionar, pero sufría de una gran distorsión. También se sabía que los esquemas de precompensación suponían una demanda adicional sobre la respuesta de frecuencia de los transductores ultrasónicos. En efecto, los transductores necesitaban mantenerse al día con lo que la precompensación digital les exigía, es decir, una respuesta de frecuencia más amplia. En 1998, los efectos negativos sobre la THD de una respuesta de frecuencia insuficientemente amplia de los transductores ultrasónicos se cuantificaron [28] con simulaciones por ordenador utilizando un esquema de precompensación basado en la expresión de Berktay. En 1999, el artículo de Pompei [17] discutió cómo un nuevo prototipo de transductor cumplía con las crecientes demandas de respuesta de frecuencia impuestas a los transductores ultrasónicos por el esquema de precompensación, que una vez más se basó en la expresión de Berktay. Además, se graficaron reducciones impresionantes en la THD de la producción cuando se empleó el esquema de precompensación contra el caso de no utilizar ninguna precompensación.
En resumen, la tecnología que se originó con el sonar submarino hace 40 años se ha hecho práctica para la reproducción de sonido audible en el aire por el papel y el dispositivo de Pompei, que, según su artículo de AES (1998), demostró que la distorsión se había reducido a niveles comparables. a los sistemas de altavoces tradicionales.
Esquema de modulación
La interacción no lineal mezcla tonos ultrasónicos en el aire para producir frecuencias de suma y diferencia. Un esquema de modulación DSB-AM con un desplazamiento de CC de banda base adecuadamente grande, para producir el tono de demodulación superpuesto en el espectro de audio modulado, es una forma de generar la señal que codifica el espectro de audio de banda base deseado. Esta técnica sufre de una distorsión extremadamente fuerte, ya que no solo interfiere el tono de demodulación, sino que también todas las demás frecuencias presentes interfieren entre sí. El espectro modulado se convoluciona consigo mismo, duplicando su ancho de banda por la propiedad de longitud de la convolución . La distorsión de banda base en el ancho de banda del espectro de audio original es inversamente proporcional a la magnitud del desplazamiento de CC (tono de demodulación) superpuesto a la señal. Un tono más grande da como resultado menos distorsión.
La propiedad de diferenciación de segundo orden del proceso de demodulación introduce más distorsión. El resultado es una multiplicación de la señal deseada por la función -ω² en frecuencia. Esta distorsión se puede igualar con el uso de filtrado de énfasis (aumentar la amplitud de la señal de alta frecuencia).
Según la propiedad de convolución del tiempo de la transformada de Fourier , la multiplicación en el dominio del tiempo es una convolución en el dominio de la frecuencia. La convolución entre una señal de banda base y una frecuencia portadora pura de ganancia unitaria desplaza el espectro de banda base en frecuencia y reduce a la mitad su magnitud, aunque no se pierde energía. Una copia a media escala de la réplica reside en cada mitad del eje de frecuencia. Esto es consistente con el teorema de Parseval.
La profundidad de modulación m es un parámetro experimental conveniente cuando se evalúa la distorsión armónica total en la señal demodulada. Es inversamente proporcional a la magnitud del desplazamiento de CC. La THD aumenta proporcionalmente con m 1 ².
Estos efectos de distorsión pueden mitigarse mejor utilizando otro esquema de modulación que aproveche la naturaleza del dispositivo de cuadratura diferencial del efecto acústico no lineal. La modulación de la segunda integral de la raíz cuadrada de la señal de audio de banda base deseada, sin agregar un desplazamiento de CC, da como resultado una convolución en la frecuencia del espectro de raíz cuadrada modulada, la mitad del ancho de banda de la señal original, consigo misma debido al canal no lineal efectos. Esta convolución en frecuencia es una multiplicación en el tiempo de la señal por sí misma, o un cuadrado. Esto nuevamente duplica el ancho de banda del espectro, reproduciendo la segunda integral de tiempo del espectro de audio de entrada. La doble integración corrige la característica de filtrado -ω² asociada con el efecto acústico no lineal. Esto recupera el espectro original escalado en la banda base.
El proceso de distorsión armónica tiene que ver con las réplicas de alta frecuencia asociadas con cada demodulación cuadrática, para cualquier esquema de modulación. Estos demodulan y auto-modulan iterativamente, agregando una copia difusa espectralmente y exponenciada en el tiempo de la señal original a la banda base y el doble de la frecuencia central original cada vez, con una iteración correspondiente a un recorrido del espacio entre el emisor y el objetivo. Solo el sonido con vectores de velocidad de fase colineales paralelos interfiere para producir este efecto no lineal. Las iteraciones pares producirán sus productos de modulación, banda base y alta frecuencia, como emisiones reflejadas del objetivo. Las iteraciones impares producirán sus productos de modulación como emisiones reflejadas del emisor.
Este efecto aún se mantiene cuando el emisor y el reflector no son paralelos, aunque debido a los efectos de difracción, los productos de banda base de cada iteración se originarán en una ubicación diferente cada vez, con la ubicación de origen correspondiente a la ruta de la auto-modulación de alta frecuencia reflejada. productos.
Estas copias armónicas se atenúan en gran medida por las pérdidas naturales en esas frecuencias más altas cuando se propagan por el aire.
Atenuación del ultrasonido en el aire.
La figura proporcionada en [29] proporcionó una estimación de la atenuación que sufriría el ultrasonido al propagarse por el aire. Las cifras de este gráfico corresponden a una propagación completamente lineal, y no se consideró el efecto exacto de los fenómenos de demodulación no lineal sobre la atenuación de las ondas portadoras ultrasónicas en el aire. Existe una interesante dependencia de la humedad. No obstante, se puede ver que una onda de 50 kHz sufre un nivel de atenuación del orden de 1 dB por metro a una atmósfera de presión.
Uso seguro de ultrasonidos de alta intensidad.
Para que se produzca el efecto no lineal, se requieren ultrasonidos de intensidad relativamente alta. El SPL involucrado fue típicamente superior a 100 dB de ultrasonido a una distancia nominal de 1 m de la cara del transductor ultrasónico. [ cita requerida ] La exposición a ultrasonidos más intensos de más de 140 dB [ cita requerida ] cerca del rango audible (20-40 kHz) puede conducir a un síndrome que involucra manifestaciones de náuseas, dolor de cabeza, tinnitus , dolor, mareos y fatiga, [23] pero esto es alrededor de 100 veces el nivel de 100 dB citado anteriormente, y generalmente no es una preocupación. El Dr. Joseph Pompei de Audio Spotlight ha publicado datos que muestran que su producto genera niveles de presión de sonido ultrasónico de alrededor de 130 dB (a 60 kHz) medidos a 3 metros. [30]
El Grupo Asesor independiente sobre Radiaciones No Ionizantes (AGNIR) del Reino Unido elaboró un informe de 180 páginas sobre los efectos en la salud de la exposición humana al ultrasonido y al infrasonido en 2010. La Agencia de Protección de la Salud del Reino Unido (HPA) publicó su informe, que recomendaba un límite de exposición. para el público en general hasta niveles de presión sonora (SPL) de ultrasonidos en el aire de 100 dB (a 25 kHz y superiores). [31]
OSHA especifica un valor máximo seguro de ultrasonido como exposición de 145 dB SPL en el rango de frecuencia usado por los sistemas comerciales en el aire, siempre que no haya posibilidad de contacto con la superficie del transductor o el medio de acoplamiento (es decir, sumergido). [32] Esto es varias veces los niveles más altos utilizados por los sistemas comerciales de Audio Spotlight, por lo que hay un margen significativo de seguridad [ cita requerida ] . En una revisión de los límites de exposición aceptables internacionales, Howard et al. (2005) [33] señaló el acuerdo general entre las organizaciones de normalización, pero expresó su preocupación por la decisión de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) de los Estados Unidos de América de aumentar el límite de exposición en 30 dB adicionales en algunas condiciones (equivalente a un factor de 1000 en intensidad [34] ).
Para las frecuencias de ultrasonido de 25 a 50 kHz, Canadá, Japón, la URSS y la Agencia Internacional de Protección Radiológica habían recomendado una pauta de 110 dB, y de 115 dB por Suecia [35] a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, pero estos se basaron principalmente en efectos subjetivos. Las pautas más recientes de OSHA anteriores se basan en la investigación de la ACGIH (Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales) de 1987.
Lawton (2001) [36] revisó las pautas internacionales para la ecografía aérea en un informe publicado por el Ejecutivo de Salud y Seguridad del Reino Unido , que incluyó una discusión de las pautas emitidas por la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH), 1988. Lawton afirma "Este revisor cree que la ACGIH ha llevado sus límites de exposición aceptables al borde mismo de la exposición potencialmente dañina" . El documento de la ACGIH también menciona la posible necesidad de protección auditiva.
Ver también
- Sonido direccional
- Infrasonido
Recursos adicionales
La patente estadounidense 6.778.672 presentada el 17 de agosto de 2004 describe un sistema HSS para usar ultrasonidos para:
- Dirija el "entretenimiento en el automóvil" distinto directamente a los pasajeros en diferentes posiciones.
- Da forma a las ondas de aire en el vehículo para amortiguar los ruidos no deseados.
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enlaces externos
- Proyector de audio
- Holosónica
- Sonido hipersónico
- NextFest cableado