Sonido de ultrasonido

Sonido por ultrasonidos es el nombre que se le da aquí a la generación de sonido audible a partir de ultrasonidos modulados sin utilizar un receptor activo. Esto sucede cuando el ultrasonido modulado pasa a través de un medio no lineal que actúa, intencional o involuntariamente, como demodulador.

Desde principios de los años 60, los investigadores han estado experimentando con la creación de sonido direccional de baja frecuencia a partir de la interacción no lineal de un haz dirigido de ondas ultrasónicas producidas por una matriz paramétrica utilizando heterodinación. El ultrasonido tiene longitudes de onda mucho más cortas que el sonido audible, de modo 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 sonoro bajo el agua).

El primer dispositivo moderno para uso acústico aéreo fue creado en 1998 y ahora se lo conoce con el nombre comercial "Audio Spotlight", un término acuñado por primera vez en 1983 por investigadores japoneses que abandonaron la tecnología por considerarla inviable a mediados de los años 1980.

Se puede fabricar un transductor para proyectar un haz estrecho de ultrasonidos modulados que sea lo suficientemente potente, de 100 a 110 dBSPL, como para cambiar sustancialmente la velocidad del sonido en el aire por el que pasa. El aire dentro del haz 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 haz, o que parece irradiar desde cualquier superficie que el haz impacte. Esta tecnología permite proyectar un haz de sonido a gran distancia para que se escuche solo en un área pequeña y bien definida; 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.

Este método tiene algunas limitaciones. Cualquier cosa que interrumpa el haz impedirá que el ultrasonido se propague, como si se interrumpiera el haz de un foco. Por este motivo, la mayoría de los sistemas se montan en el techo, como la iluminación.

Se puede dirigir una señal sonora de forma que sólo un transeúnte en particular, o alguien muy cercano, pueda oírla. En aplicaciones comerciales, se puede dirigir el sonido a una sola persona sin el sonido periférico ni el ruido relacionado de un altavoz.

Puede utilizarse para audio personal, ya sea para que los sonidos sean audibles solo para una persona o para que un grupo de personas los escuche. Las instrucciones de navegación, por ejemplo, solo son interesantes para el conductor de un coche, no para los pasajeros. Otra posibilidad son las futuras aplicaciones para un sonido estéreo auténtico, en el que un oído no oye lo que el otro oye.

La señalización direccional de trenes mediante audio se puede lograr mediante el uso de un haz ultrasónico que advertirá de la aproximación de un tren y evitará las molestias que producen las señales sonoras de los trenes en los hogares y negocios circundantes.

Esta tecnología fue desarrollada originalmente por la Marina de los Estados Unidos y la Marina 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 fueron abandonados debido a la pésima calidad del sonido (alta distorsión) y al alto costo del sistema. Estos problemas no se resolvieron hasta que un artículo publicado por el Dr. F. Joseph Pompei del Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1998 describió completamente un dispositivo funcional que reducía la distorsión audible esencialmente a la de un altavoz tradicional.

En 2014 se conocían cinco dispositivos comercializados que utilizan ultrasonidos para crear un haz de sonido audible.

F. Joseph Pompei, del MIT, desarrolló una tecnología que él llama "Audio Spotlight" y la comercializó en el año 2000 a través de su empresa Holosonics, que según su sitio web afirma haber vendido "miles" de sus sistemas "Audio Spotlight". Disney fue una de las primeras grandes corporaciones en adoptarlo para su uso en el Epcot Center y en el sitio web de Holosonics se muestran muchos otros ejemplos de aplicación.

El foco de audio es un haz estrecho de sonido que se puede controlar con una precisión similar a la luz de un foco. Utiliza un haz de ultrasonidos como una "fuente acústica virtual", lo que permite controlar 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 de audición humana, es completamente inaudible. Pero a medida que el haz ultrasónico viaja a través del 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 se pueden predecir y controlar.

Elwood "Woody" Norris, fundador y presidente de American Technology Corporation (ATC), anunció en 1996 que había creado con éxito un dispositivo que lograba la transmisión de sonido por ultrasonidos. Este dispositivo utilizaba 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 originaba en ese punto. ATC denominó y registró su dispositivo como "Sonido hipersónico" (HSS). En diciembre de 1997, HSS fue uno de los artículos del número Best of What's New de Popular Science. En diciembre de 2002, Popular Science nombró al Sonido hipersónico como el mejor invento de 2002. Norris recibió el Premio Lemelson-MIT 2005 por su invención de un "sonido hipersónico". ATC (ahora llamada LRAD Corporation) traspasó 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.

Mitsubishi aparentemente ofrece un producto de sonido por ultrasonidos llamado "MSP-50E" y que está disponible comercialmente a través de la empresa de ingeniería eléctrica Mitsubishi.

La empresa de audio alemana Sennheiser Electronic puso a la venta su producto "AudioBeam" por unos 4.500 dólares. No hay ninguna indicación de que el producto haya sido utilizado en alguna aplicación pública. Desde entonces, el producto ha sido descontinuado.

Los primeros sistemas experimentales se construyeron hace más de 30 años, aunque estas primeras versiones solo reproducían tonos simples. No fue hasta mucho después (ver arriba) que los sistemas se construyeron para su uso práctico.

A continuación se presenta un resumen cronológico de los métodos experimentales que se han utilizado para examinar los sistemas Audio Spotlight en el pasado. A principios del nuevo milenio, se podían adquirir versiones funcionales de un Audio Spotlight capaz de reproducir voz y música en Holosonics, una empresa fundada gracias al trabajo del Dr. Pompei en el Media Lab del MIT.

Temas relacionados fueron investigados casi 40 años antes en el contexto de la acústica submarina.

1. El primer artículo consistía en una formulación teórica del ángulo de media presión de la señal desmodulada.
2. El segundo artículo proporcionó una comparación experimental a las predicciones teóricas.

Ambos artículos recibieron el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos, específicamente para el uso del fenómeno en pulsos de sonar submarinos. El objetivo de estos sistemas no era una alta directividad per se, sino más bien un mayor ancho de banda utilizable de un transductor típicamente de banda limitada.

En la década de 1970 se produjo cierta actividad en sistemas experimentales aerotransportados, tanto en el aire como bajo el agua. Nuevamente, con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU., el objetivo principal de los experimentos submarinos era determinar las limitaciones de alcance de la propagación de pulsos de sonar debido a la distorsión no lineal. Los experimentos aerotransportados 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 se revisó nuevamente de manera experimental, 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 un DSB-AM simple sin precompensación y, debido a la falta de precompensación aplicada a la señal de entrada, los niveles de THD (distorsión armónica total) de este sistema probablemente habrían sido satisfactorios para la reproducción de voz, pero prohibitivos para la reproducción de música. Una característica interesante del montaje experimental 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. Si bien este experimento demostró claramente el potencial para reproducir señales de audio utilizando un sistema ultrasónico, también mostró que el sistema sufría una gran distorsión, especialmente cuando no se utilizaba precompensación.

Las ecuaciones que gobiernan la acústica no lineal son bastante complejas y, por desgracia, no tienen soluciones analíticas generales. Normalmente requieren el uso de una simulación por ordenador. Sin embargo, ya en 1965, Berktay realizó un análisis bajo algunas suposiciones simplificadoras que permitieron escribir el nivel de presión sonora demodulado en términos de la presión de la onda portadora ultrasónica modulada en amplitud P_c y varios parámetros físicos. Obsérvese que el proceso de demodulación es extremadamente deficiente, con una pérdida mínima del orden de 60 dB desde el nivel de presión sonora ultrasónica hasta el nivel de presión sonora de la onda audible. Se puede basar un esquema de precompensación a partir de la expresión de Berktay, que se muestra en la ecuación 1, tomando la raíz cuadrada de la envolvente de la señal de banda base E y luego integrando dos veces para invertir el efecto de la derivada de tiempo parcial doble. Los circuitos electrónicos analógicos equivalentes 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.

${\displaystyle p_{2}(x,t)=K\cdot P_{c}{2}\cdot {\frac {\partial ^{2}}{2}}}E^{2}(x,t)}$

donde

• ${\displaystyle p_{2}(x,t)=\,}$ Ola de presión secundaria
• ${\displaystyle K=\,}$ misc. parámetros físicos
• ${\displaystyle P_{c}=\,}$ SPL de la onda de portador ultrasónico
• ${\displaystyle E(x,t)=\,}$ Función de desarrollo (como DSB-AM)

Esta ecuación dice que la onda de presión ultrasónica demodulada audible (señal de salida) es proporcional a la versión cuadrada, dos veces diferenciada, de la función envolvente (señal de entrada). La precompensación se refiere al truco de anticipar estas transformaciones y aplicar las transformaciones inversas en la entrada, con la esperanza de que la salida esté entonces más cerca de la entrada sin transformar.

En los años 90, ya era bien sabido que el Audio Spotlight podía funcionar, pero sufría una gran distorsión. También se sabía que los esquemas de precompensación exigían una mayor respuesta de frecuencia de los transductores ultrasónicos. En efecto, los transductores debían cumplir con lo que la precompensación digital exigía de ellos, es decir, una respuesta de frecuencia más amplia. En 1998, los efectos negativos sobre la distorsión armónica total de una respuesta de frecuencia insuficientemente amplia de los transductores ultrasónicos se cuantificaron con simulaciones por ordenador utilizando un esquema de precompensación basado en la expresión de Berktay. En 1999, el artículo de Pompei analizaba cómo un nuevo prototipo de transductor cumplía con las mayores exigencias de respuesta de frecuencia impuestas a los transductores ultrasónicos por el esquema de precompensación, que una vez más se basaba en la expresión de Berktay. Además, se graficaron reducciones impresionantes en la distorsión armónica total de la salida cuando se empleó el esquema de precompensación frente al caso de no utilizar precompensación.

En resumen, la tecnología que se originó con el sonar submarino hace 40 años se ha vuelto práctica para la reproducción de sonido audible en el aire gracias al artículo y dispositivo de Pompei, que, según su artículo AES (1998), demostró que la distorsión se había reducido a niveles comparables a los de los sistemas de altavoces tradicionales.

La interacción no lineal mezcla tonos ultrasónicos en el aire para producir frecuencias de suma y diferencia. Un esquema de modulación de amplitud DSB (banda lateral doble) con un desplazamiento de CC de banda base adecuadamente grande, para producir el tono demodulador superpuesto al espectro de audio modulado, es una forma de generar la señal que codifica el espectro de audio de banda base deseado. Esta técnica sufre una distorsión extremadamente fuerte, ya que no solo interfiere el tono demodulador, sino que también interfieren entre sí todas las demás frecuencias presentes. 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 demodulador) superpuesto a la señal. Un tono más grande da como resultado una menor distorsión.

La propiedad de diferenciación de segundo orden del proceso de demodulación introduce una distorsión adicional. El resultado es una multiplicación de la señal deseada por la función -ω² en frecuencia. Esta distorsión se puede compensar con el uso de un filtro de preénfasis (aumento de la amplitud de la señal de alta frecuencia).

De acuerdo con la propiedad de convolución temporal 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 con 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 coherente con el teorema de Parseval.

La profundidad de modulación m es un parámetro experimental conveniente para evaluar la distorsión armónica total en la señal demodulada. Es inversamente proporcional a la magnitud de la desviación de CC. La THD aumenta proporcionalmente con m₁².

Estos efectos de distorsión pueden mitigarse mejor utilizando otro esquema de modulación que aproveche la naturaleza de 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 frecuencia del espectro de raíz cuadrada modulado, la mitad del ancho de banda de la señal original, consigo mismo debido a los efectos de canal no lineal. Esta convolución en frecuencia es una multiplicación en el tiempo de la señal por sí misma, o una cuadratura. Esto nuevamente duplica el ancho de banda del espectro, reproduciendo la segunda integral en el 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 de cuadratura, para cualquiera de los esquemas de modulación. Estas demodulan y automodulan iterativamente, agregando una copia espectralmente difusa y exponencializada en el tiempo de la señal original a la banda base y al 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 desde el objetivo. Las iteraciones impares producirán sus productos de modulación como emisiones reflejadas desde el emisor.

Este efecto 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 desde una ubicación diferente cada vez, y la ubicación de origen corresponderá a la trayectoria de los productos de automodulación de alta frecuencia reflejados.

Estas copias armónicas se atenúan en gran medida por las pérdidas naturales en esas frecuencias más altas cuando se propagan a través del aire.

La figura que se muestra en proporciona una estimación de la atenuación que sufriría el ultrasonido al propagarse a través del 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 dependencia interesante con la humedad. Sin embargo, una onda de 50 kHz sufre un nivel de atenuación del orden de 1 dB por metro a una atmósfera de presión.

Para que se produzca el efecto no lineal, se requieren ultrasonidos de intensidad relativamente alta. El nivel de presión sonora involucrado fue típicamente mayor a 100 dB de ultrasonido a una distancia nominal de 1 m de la superficie del transductor ultrasónico. La exposición a ultrasonidos más intensos de más de 140 dB cerca del rango audible (20–40 kHz) puede provocar un síndrome que incluye manifestaciones de náuseas, dolor de cabeza, tinnitus, dolor, mareos y fatiga, pero esto es alrededor de 100 veces el nivel de 100 dB mencionado anteriormente y, por lo general, no es un problema. El Dr. Joseph Pompei de Audio Spotlight ha publicado datos que muestran que su producto genera niveles de presión sonora ultrasónica de alrededor de 130 dB (a 60 kHz) medidos a 3 metros.

En 2010, el Grupo Asesor sobre Radiación No Ionizante (AGNIR) del Reino Unido elaboró un informe de 180 páginas sobre los efectos en la salud de la exposición humana a los ultrasonidos y los infrasonidos. La Agencia de Protección de la Salud (HPA) del Reino Unido publicó su informe, en el que recomendaba un límite de exposición para el público en general a los niveles de presión sonora (SPL) de los ultrasonidos transmitidos por el aire de 100 dB (a 25 kHz y más).

OSHA especifica un valor límite seguro de exposición a ultrasonidos de 145 dB SPL en el rango de frecuencias utilizado 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). Este es un valor varias veces superior al más alto utilizado por los sistemas comerciales Audio Spotlight, por lo que existe un margen significativo de seguridad. En una revisión de los límites de exposición aceptables a nivel internacional, Howard et al. (2005) observaron el acuerdo general entre las organizaciones de normalización, pero expresaron 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 determinadas condiciones (equivalente a un factor de 1000 en intensidad).

Para frecuencias de ultrasonidos de 25 a 50 kHz, Canadá, Japón, la URSS y la Agencia Internacional de Protección Radiológica habían recomendado una directriz de 110 dB, y Suecia de 115 dB a finales de los años 1970 y principios de los años 1980, pero estas se basaban principalmente en efectos subjetivos. Las directrices más recientes de la OSHA mencionadas anteriormente se basan en la investigación de la ACGIH (Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales) de 1987.

Lawton (2001) revisó las pautas internacionales para el ultrasonido aéreo en un informe publicado por la Dirección de Salud y Seguridad del Reino Unido, que incluía un análisis de las pautas emitidas por la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) en 1988. Lawton afirma que "Este revisor cree que la ACGIH ha llevado sus límites de exposición aceptables hasta el límite de la exposición potencialmente dañina". El documento de la ACGIH también menciona la posible necesidad de protección auditiva.

• Sonido direccional
• Infrasound

• U.S. patent 6.778.672 archivado el 17 de agosto de 2004 describe un sistema HSS para utilizar ultrasonido a:
  • Directo diferenciado 'entretenimiento en coche' directamente a los pasajeros en diferentes posiciones.
  • Forma las ondas de aire en el vehículo para eliminar ruidos no deseados.