Instituto Superior Superior Tecn Tecnológico ológico Privado Privado “Orson Welles” Welles” Per!
Setiembre 2015
Ingenier"a de Sonido Sonido
#nidad did$ctica% did$ctica% Parlantes & ampli'icadore ampli'icadoress I
ALTAVOZ PIEZOELÉCTRICO JUNNIOR H. MENDOZA 1
Estudiante de Ingeniería de Sonido, Instituto Superior Tecnológico Privado Orson Welles, (ISTPOW), Maestro Joe lores !oriega" #i$a, Per%"
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&esu$e &esu$en n ' (a pie)oelectricidad es un 'enómeno presentado por determinados cristales *ue al ser sometidos a tensiones mec$nicas ad*uieren una polari)ación el+ctrica en su masa apareciendo una di'erencia de potencial & cargas el+ctricas en su super'icie, -ste 'enómeno tambi+n se presenta a la inversa esto es se de'orman ba.o la acción de 'uer)as internas al ser sometidos a un campo el+ctrico, #na ve) *ue dic/o campo desaparece los cristales recuperan su 'orma, -l ob.etivo del presente traba.o es describir las caracter"sticas generales de los altavoces altavoces pie)oel+ctri pie)oel+ctricos cos detallando detallando modelos modelos matem$ticos matem$ticos el+ctricos el+ctricos & aplicacion aplicaciones es logrando logrando comprend comprender er el 'uncionamiento de los mismos la manera en la *ue emiten sonido su respuesta en 'recuencia el nivel de presión sonora & sus di'erentes tipos constructivos, stract ' Pie)oelectricit& is a p/enomenon presented b& certain cr&stals /en sub.ected to mec/anical stress electrical polari)ation gain in mass appearing a potential di''erence and electric c/arges on its sur'ace, T/is p/enomenon also occurs in reverse t/at is de'orm under t/e action o' internal /en sub.ected to electric 'ield strengt/, Once t/is 'ield disappears t/e cr&stals recover t/eir s/ape, T/e aim o' t/is paper is to describe t/e general c/aracteristics o' t/e pie)oelectric speaers detailing mat/ematicians electrical and application models understand /o ac/ieving t/em t/e a& t/e& emit sound 're*uenc& response sound pressure level and di''erent designs,
1. INTRODUCC INTRODUCCIÓN IÓN
#a prop propie ieda dad d de la pie* pie*oe oele lect ctri rici cida dad d +ue +ue oservada por pri$era ve* por Pierre Jac-ues .urie en 1//1 1//1 estudi estudiand ando o la co$pr co$presi esión ón del cuar*o cuar*o"" l so$eterlo a la acción $ec0nica de la co$presión, las cargas de la $ateria se separan esto da lugar a una polari*ación de la carga" Esta polari*ación es la causante de -ue salten las cispas" El o2etivo del presente traa2o es descriir las carac aracte terrísti ísticcas gener nerale ales de los los altav ltavoc ocees pie*oel3ctricos detallando $odelos $ate$0ticos, el3ctrico el3ctricoss aplicacion aplicaciones4 es4 logrando logrando co$prende co$prenderr el +unciona$iento de los $is$os, la $anera en la -ue e$iten sonido, su respuesta en +recuencia, el nivel de presión sonora sus di+erentes tipos constructivos" ctual$ente, los altavoces pie*oel3ctricos se utili*an de $ucas $ucas $aner $aneras as,, aplic0 aplic0ndo ndose se a$plia a$plia$en $ente te en alar alar$a $as, s, ti$ ti$re ress tele tele+ó +óni nico cos, s, tran trans$ s$is isor ores es,, receptores, entre otros" continuación la estructura desarrollo del te$a5 ' &esu$en ' Introducción ' 6e+inición ' .lasi+icación ' unciona$iento ' 6ise7o ' Procedi$iento de Medición Medición ' plicaciones ' .onclusiones ' &e+erencias
2. DEFINICI DEFINICIÓN ÓN
#a pie*oelectricidad (del griego pie*ein, 8estru2ar o apr apretar tar9) es un +enó$ nó$eno eno pre present sentaado por por dete deter$ r$in inad ados os cris crista tale less -ue -ue al ser ser so$e so$eti tido doss a tensio tensiones nes $ec0ni $ec0nicas cas ad-uie ad-uiere ren n una polar polari*a i*ació ción n el3ctrica en su $asa, apareciendo una di+erencia de potencial cargas el3ctricas en su super+icie" Este +enó$eno ta$i3n se presenta a la inversa, esto es, se de+or$an a2o la acción de +uer*as internas al ser so$ so$etido tidoss a un ca$po el3c l3ctric trico" o" El e+ecto ecto pie*oel3ctrico es nor$al$ente reversile5 al de2ar de so$eter los cristales a un volta2e e:terior o ca$po el3ctrico, recuperan su +or$a" #os #os $ater $aterial iales es pie*oe pie*oel3c l3ctri tricos cos son crista cristales les natu natura rale less o sint sint3t 3tic icos os -ue -ue no pose poseen en cent centro ro de si$etría" si$etría" El e+ecto e+ecto de una co$presi co$presión ón consiste consiste en diso disoci ciar ar los los cent centro ross de grav graved edad ad de las las carg cargas as positivas de las l as cargas negativas" parecen de este $odo $odo dipo dipolo loss ele$ ele$en enta tale less en la $asa $asa , por por in+luencia, cargas de signo opuesto en las super+icies en+rentadas" 3. CLASIFIC CLASIFICACIÓN ACIÓN
Pueden distinguirse los siguientes $ateriales5 los -ue poseen car0cter pie*oel3ctrico de +or$a natural (cuar*o, (cuar*o, tur$alina tur$alina)) los lla$ados lla$ados +erroel3c +erroel3ctric tricos, os, -ue presenta presentan n propiedad propiedades es pie*oel3ct pie*oel3ctrica ricass tras ser so$etidos a una polari*ación (tantalio de litio, nitrato de litio, io, ernilita en +or$a de $ateriales
ISTPOW &.;6epto" Ing" 6e Sonido a;E<=1>E15?"M a;E<=1>E15?"ME!6O@, E!6O@, J4 3ltavo) Pie)oel+ctrico
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$onocristalinos cer0$icas o polí$eros polares a2o +or$a de $icrocristales $icrocristales orientados)" A ta$i3n pueden ser5 $ono$ór+icos, cons consti titu tuid idos os por por un solo solo cris crista tall o cer0 cer0$i $ica ca44 i$ór+icos, constituidos por dos placas cer0$icas superpues superpuestas tas de co$porta co$porta$ient $iento o contrario contrario,, de $odo $odo -ue una se dilata dilata la otra se contrae contrae"" Esta Esta con+ con+ig igur urac ació ión n pus/4pull se $uest $uestra ra en los los dos dos alta ltavoces de la igu igura 1a" El alto valor de i$pedanci i$pedanciaa $ec0nica $ec0nica de las sustancias sustancias $inerale $ineraless restringe su uso a la anda de altas +recuencias" El teeter de ocina de la igura B es la aplicación $0s e:tend e:tendida ida de los altavo altavoce cess pie*oe pie*oel3c l3ctri tricos cos"" Est0 Est0 +or$ado +or$ado por un disco circular circular unido a una pe-ue7a pe-ue7a ocina" Para au$entar el rendi$iento, se aproveca la viración $0:i$a en el centro del disco, donde se conecta la $e$rana co$o se ve en la igura 1a" .on esta con+iguración con+iguración se consigue una respuest respuestaa a:ial de C a B< D?* sin la necesidad de un +iltro separ separado adorr de vías, vías, a -ue, -ue, deido deido al alto alto valor valor capa capaci citi tivo vo del del cris crista tal, l, se eli$ eli$in inan an las las a2a a2ass +recuencias"
igura 15 a) .ristal pie*oel3ctrico pie*oel3ctrico pus/4pull pus/4pull acoplado a una pe-ue7a ocina" ) ltavo* cer0$ico de c%pula" 15cristal, B5 dia+rag$a, >5 espu$a a$ortiguadora"
0sica$ente, 0sica$ente, la +uente -ue origina el sonido de un co$ponente de sonido pie*oel3ctrico es un dia+rag$a pie*oel3ctrico" Este consiste consiste en una placa de cer0$ica cer0$ica pie*oel3ctrica -ue tiene electrodos en a$os lados una placa placa de $etal $etal (latón o acero acero ino:idale ino:idale,, etc") -ue se puede apreciar en la igura >"
igura >5 Estructura de la $e$rana pie*oel3ctrica" pie*oel3ctrica"
plicando plicando tensión continua entre los electrodo electrodos, s, se produce una distorsión $ec0nica deido al e+ecto pie*oel3ctrico, -ue se $ani+iesta co$o una de+or$ación del dia+rag$a el cual se e:pande en una dirección dirección radial" #a polari*aci polari*ación ón de los electrodo electrodoss produce una e:pansión o contracción del ele$ento pie*oel3ctrico, e+ecto -ue se puede distinguir en la igu igura ra C" #a plac placaa $et0 $et0lic licaa unid unidaa al ele$ ele$en ento to pie*oel3ctrico no se e:pande o contrae" sí, sí, cuando un volta2e de corriente alterna se aplica a trav3s de los electrodos, pode$os oservar en la igura C a C una +le:ión" Este $is$o $is$o e+ecto lo oserva$o oserva$oss en la igura C c produciendo ondas de sonido en el aire"
igura B5 Teeter de ocina"
Por otr otro lado lado,, e:is :isten ten ta$ ta$i3n i3n altav ltavoc ocees pie*oel3ctricos de c%pula, tal co$o se $uestra en la igura igura 1 " Est0n Est0n consti constitui tuidos dos por una pelícu película la pie*oel3ctrica $etali*ada por las dos caras en +or$a de c%pula" c%pula" #a viración viración se traduce en un ca$io ca$io de curvatura -ue provoca -ue se apro:i$e al $odelo $odelo de es+era pulsante"
4. FUNCIONA FUNCIONAMIEN MIENTO TO
igura C5 Siste$a oscilante de un dia+rag$a pie*oel3ctrico" pie*oel3ctrico"
5. DISEÑO DISEÑO
En genera general, l, el rango rango de +recu +recuenc encia ia audil audilee del o$ o$re re es de B< ?* a B< D?*" D?*" El rango ngo de +recuencias co$prendido entre B a C D?* es el de $aor sensiilidad" Por esta ra*ón, los co$ponentes de sonido pie*oel3ctricos se utili*an en esta ga$a de +recu +recuenc encias ias,, la +recue +recuencia ncia de reson resonanc ancia ia (+<) (+<) se selecciona general$ente en el $is$o rango ta$i3n" #a +recuencia de resonancia involucra en su ecuación al $ódu $ódulo lo de Aoung ung o $ódu $ódulo lo de elas elasti tici cida dad d longitudinal, -ue es un par0$etro -ue caracteri*a el
ISTPOW &.;6epto" Ing" 6e Sonido a;E<=1>E15?"M a;E<=1>E15?"ME!6O@, E!6O@, J4 3ltavo) Pie)oel+ctrico
B
co$por co$porta$ ta$ien iento to de un $ater $aterial ial el0sti el0stico, co, seg%n seg%n la dirección en la -ue se aplica una +uer*a" En la igura F se ilustra los $3todos utili*ados para apoar el dia+rag$a pie*oel3ctrico el cual depende de +recuencia resonante"
lire$ente lire$ente en el aire, el nodo se $ueve co$o se $uestra en la igura "
igura 5 Medición de la $e$rana pie*oel3ctrica pie*oel3ctrica
#a +rec +recue uenc ncia ia de reso resona nanc ncia ia (+ <) la i$pedancia resonante (& <) se $iden en el circuito de corr corrie ient ntee cons consta tant nte, e, co$o co$o se $ues $uestr traa en la igura "
igura F5 M3todo de apoo
En general, el dia+rag$a pie*oel3ctrico est0 instalado en una una cavi cavida dad d para para prod produc ucir ir un soni sonido do de alta alta presión (igura G)" #a +recuencia de resonancia (+.H) de la cavidad en la igura G se otiene de la ecuac ecuación ión (1) (ór$ (ór$ula ula ?el$ ?el$olt olt*)" *)" 6ado 6ado -ue el dia+ dia+ra rag$ g$aa pie* pie*oe oel3 l3ct ctri rico co la cavi cavida dad d tien tienen en adecuadas adecuadas +recuenci +recuencias as resonante resonantes, s, (+<) (+. (+.H) respectiva$ente, la presión de sonido en +recuencias especí+icas puede ser au$entada un anco de anda deter$inado puede ser proporcionado por el control de a$as posiciones"
igura 5 Medición de puesta en $arca de +recuencia resonante e i$pedancia de resonancia"
7. APLICACI APLICACIONES ONES
lgun lgunas as caract caracter eríst ística icass de este este altavo altavo** son5 son5 disponile a pruea de agua, alta calidad calidad de sonido alto nivel de presión sonora, sonora, ultra +ino (<, $$ de espeso espesor) r),, aorr aorro o de energ energía, ía, sin i$0n, sin ruido ruido electro$agn3tico, electro$agn3tico, ver igura /"
igura /5 ltavo* pie*oel3ctrico a pruea de agua" igura G5 Hista seccional de la cavidad"
Este tipo de altavo* se puede utili*ar utili*ar en tel3+onos tel3+onos celulares, P6, audio de estado sólido, etc"
6. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN
.uando .uando el dia+r dia+rag$ ag$aa
pie*oe pie*oel3c l3ctri trico co
oscila oscila
lgunas especi+icaciones se $uestran en la Tala1" Tala1"
ISTPOW &.;6epto" Ing" 6e Sonido a;E<=1>E15?"M a;E<=1>E15?"ME!6O@, E!6O@, J4 3ltavo) Pie)oel+ctrico
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Parámetro
Valores
Rango Rango de frecuen frecuencia cia nominal nominal 200 Hz Hz a 20 kHz Nivel de presión sonora
92,0 dB ± 3,0 dB
Frecue ecuenc ncia ia de reson esonan anc cia
!00 Hz ± 20 "
#apacidad %&'ima (ensión sinusoidal
0,9 $F ± 30 "
WiDipedia, enciclopedia en linea, Pie*oelectricidad" ttps5NNes"iDipedia"orgNiDiNPie*oelectricidad, &evision1G5F<, &evision1G5F<, BB gosto, B<1F 2$>studio, pie*oelectricidad, ttp5NN2$>studio"co$Npie*oelectricidad;-ue;es;eso,
),0 *rms
+empera(ura +empera(ura de
20 a - .0/#
+empera(ura +empera(ura de
30 a - )/#
Tala 15 Especi+icaciones est0ndar"
El uso uso trad tradic icio iona nall de los los i$pl i$plan ante tess de sili silico cona na -uir%rgicos se ci7e a ra*ones est3ticas, sin e$argo los investigadores de la universidad de Princeton an tenido una idea $uco $0s original5 crear i$plantes de silicona -ue generen electricidad aprovecando los $ovi$ientos del cuerpo" KSer0 posile en el +uturo reca recarrgar gar el $óvi $óvill o el MP> MP> con con el cons consta tant ntee $ovi$iento respiratorio de nuestro tóra:L
Traste2ant, altavo*pie*oelectrico, ttp5NN"traste2ant"e ttp5NN "traste2ant"esNtutorialesNelectronic sNtutorialesNelectronicaNaltavo* aNaltavo* pie*oelectrico"t$ll, pie*oelectrico"t$ asi asili lio o Pueo Pueo Orte Ortega ga Migu Miguel el &o$0 &o$0 &o$e &o$ero ro,, Electroac%stica, Electroac%stica, ltavoces Micró+onos" Person Prentice ?all, Madrid, B<<>" Murata Manu+acturing .o$pan #td", Pie*oelectric Sound .o$ponent .o$ponents, s, P1FE;/, P1FE;/, pplica pplication tion Manual, Manual, Oct" Japan, B<1B" Sonitron, Sonitron , Pie*oelectric Pie*oelect ric SpeaDer Tecpaper" elgiu$, B<1B"
Tecnolog Tecnolog, ,
un-ue un-ue pare*c pare*caa cienci cienciaa +icció +icción, n, esto esto es posil posilee grac gracia iass a una una prop propie ieda dad d de algu alguno noss $ate $ateri rial ales es deno deno$i $ina nada da pie* pie*oe oele lect ctri rici cida dad" d" n $ate $ateri rial al pie*oel3ctrico genera un deter$inado volta2e el3ctrico el3ctrico al ser de+or$ado, de+or$ado, una caracter característic ísticaa -ue resulta su$a$ente %til para +aricar desde los $0s co$ple2os sensores electrónicos asta encendedores auto$0ticos (al pulsar el otón, lo -ue ace$os es de+or$ar un $aterial pie*oel3ctrico asta el punto -ue genera genera una cispa cispa deido deido a la di+ere di+erenci nciaa de potencial el3ctrico)" . CONCLUSION CONCLUSIONES ES
El presente in+or$e in+or$e t3cnico descriió el altavo* pie*oel3ctrico, un tipo tipo de alta altavo vo** asa asado do en la propiedades de los cristales pie*oel3ctricos (poli3ster o cer0$ica), cuando a estos se les aplica una tensión se de+or$an, gracias a esta propiedad, pode$os crear sonido al colocar algo capa* de canali*ar acer de pe-ue7a ca2a de resonancia" resonancia" Esto Estoss alta altavo voce cess son son si$p si$ple less ara arato toss ade$ ade$0s 0s consu$en $u poco" Su gran contra es -ue son incapaces de reproducir +recuenc +recuencias ias a2as, a2as, por lo -ue si necesita$ necesita$os os sonidos sonidos $0s $0s grav graves es nece necesi sita tare re$o $oss util utili* i*ar ar otro otro tipo tipo de altavoces" !.
REFERENCIAS
Ocioin iointe teli lig gente, nte, +eno$ eno$eeno pie*o ie*oeelec lectric trico, o, ttps5NNociointeligente"ordpress"co$NB<1
N+en o$eno;pie*oelectrico,, Octure,B<1<" o$eno;pie*oelectrico
ISTPOW &.;6epto" Ing" 6e Sonido a;E<=1>E15?"M a;E<=1>E15?"ME!6O@, E!6O@, J4 3ltavo) Pie)oel+ctrico
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