Generaci
´
on de frentes de onda ac
´
usticos
cil
´
ındricos a trav
´
es de parlantes i
´
onicos
Cylindrical acoustic wavefront generation by means of ionic speakers
P. Gomez
, E. M. D’Onofrio
, G. D. Santiago
1
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,Departamento de Electr
´
onica
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Grupo de L
´
aser,
´
Optica de Materiales y Aplicaciones Electromagn
´
eticas (GLOMAE)
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
1
gsantia@fi.uba.ar
Abstract—We present the use of ionic transducers to
generate acoustic waveforms of cylindrical shape. We resorted
to “cold discharge” transducers where momentum transfer
from ions to neutral molecules is the main sound-generating
process. Since the electrodes can be given a fairly arbitrary
shape and the airflow is normal to the former, it is possible
to obtain, close to the electrodes, a wavefront quite different
from those obtained with standard, piston-like, loudspeakers.
We present the acoustical characteristics of a cylindrical
transducer and the use in the study of a bandpass, sonic-
crystal based filter.
Keywords: ionic transducers, acoustic radiation, sonic crystals.
Resumen— Presentamos la generaci
´
on de frentes de
onda ac
´
usticos cil
´
ındricos usando transductores i
´
onicos.
Estos transductores est
´
an basados en la transferencia de
momentum lineal por colisiones entre iones generados en una
descarga corona y mol
´
eculas neutras. Dado que la forma
de los electrodos puede ser elegida con gran flexibilidad, es
posible obtener un flujo de aire que, en las vecindades del
emisor, tiene asociado un frente de onda que se aparta de los
conseguidos habitualmente con pistones planos. Mostramos
las caracter
´
ısticas ac
´
usticas de un transductor cil
´
ındrico y,
como aplicaci
´
on, el uso en el estudio de un filtro pasabanda
basado en un cristal s
´
onico.
Palabras clave: transductores i
´
onicos, radiaci
´
on ac
´
ustica,
cristales s
´
onicos
I. INTRODUCCI
´
ON
Los parlantes convencionales de bobina m
´
ovil se compor-
tan, en primera aproximaci
´
on, como un pist
´
on circular plano.
Si el mismo se encuentra montado en una pared infinita el
diagrama de presi
´
on en el campo lejano sigue una ley de la
forma [1]:
p(α) = C
J
1
(kα)
kα
(1)
donde α es el
´
angulo respecto de la normal al pist
´
on, C y
k dependen de las dimensiones y la frecuencia, y J
1
es la
funci
´
on de Bessel de primer orden.
Por otra parte, en el campo cercano la presi
´
on resultante
sigue una ley m
´
as compleja, determinada por el n
´
umero de
Fresnel del emisor en la posici
´
on de recepci
´
on. Conforme
las dimensiones del emisor disminuyen el mismo semeja
una fuente puntual. Las fuentes puntuales son simples de
analizar y, en principio, con una superposici
´
on de
´
estas,
es posible alcanzar un diagrama de emisi
´
on arbitrario.
Lamentablemente, cuando un parlante se torna cuasi-puntual
la resistencia de radiaci
´
on disminuye dr
´
asticamente y con
ello la eficiencia. Por otra parte, el n
´
umero de emisores
necesarios para conseguir un dado frente de onda puede
tornarse excesivamente grande.
En los transductores i
´
onicos el campo de velocidades
del aire en las vecindades del emisor sigue la forma de
los electrodos, por lo que es posible conformar de manera
sencilla la forma del frente de onda.
En este art
´
ıculo mostramos el desarrollo y caracterizaci
´
on
de un parlante i
´
onico cil
´
ındrico el cual fue utilizado para
medir las propiedades de un filtro ac
´
ustico pasabanda basado
en uncristal s
´
onico..
II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PARLANTE
I
´
ONICO
Existen varios tipos de transductores i
´
onicos aunque muy
pocos art
´
ıculos que tratan anal
´
ıticamente la tem
´
atica [2]–[4].
El prototipo construido consta de dos grupos de electrodos
entre los cuales se aplica una alta tensi
´
on continua. La
misma debe ser lo suficientemente elevada para que se pro-
duzca una descarga el
´
ectrica entre los electrodos. Seg
´
un la
geometr
´
ıa de los electrodos y las condiciones de excitaci
´
on
se pueden obtener distintas descargas, siendo la del tipo
corona el objeto de este estudio. En la Fig. 1 se muestra
un esquema conceptual de la descarga. El electrodo de la
izquierda, de di
´
ametro peque
˜
no, se encuentra conectado a
un alto voltaje negativo respecto del electrodo de la derecha
(de gran radio de curvatura). El alto campo el
´
ectrico en el
entorno del electrodo de la izquierda determina la emisi
´
on
de electrones que, a su vez, generan otros electrones e iones
positivos a trav
´
es de colisiones. Esta descarga no entra en
un proceso de avalancha porque el campo el
´
ectrico es lo
suficientemente intenso como para provocar ionizaciones
s
´
olo en una peque
˜
na regi
´
on pr
´
oxima al electrodo de la
izquierda. Los iones positivos derivan hacia el electrodo
negativo y los electrones son capturados por mol
´
eculas
neutras para formar iones negativos que derivan hacia el
electrodo de la derecha.
Revista elektron, Vol. 2, No. 2, pp. 47-52 (2018)
ISSN 2525-0159
47
Recibido: 04/10/18; Aceptado: 09/11/18
Fig. 1. Esquema conceptual de la descarga
La descarga corona mencionada en el p
´
arrafo anterior
es auto-sostenida. Tiene la particularidad de que el campo
el
´
ectrico es inhomog
´
eneo y, como ya se mencion
´
o, s
´
olo
genera ionizaci
´
on en una peque
˜
na regi
´
on limitada al en-
torno del denominado electrodo corona. La inhomogeneidad
del campo deviene de los diferentes radios de curvatura
de los electrodos. Esta descripci
´
on aplica estrictamente a
un r
´
egimen de corriente continua si bien existen tambi
´
en
descargas coronas a frecuencias industriales y de radiofre-
cuencia. En este trabajo nos restringimos al r
´
egimen de
corrientes unipolares.
Una caracter
´
ıstica importante de la descarga corona a
presi
´
on atmosf
´
erica es la aparici
´
on del denominado viento
el
´
ectrico [5]. El origen de este viento se encuentra en las
colisiones entre los iones y las mol
´
eculas neutras en las
cuales se transfiere momentum lineal. De esta forma, las
mol
´
eculas neutras se mueven en la misma direcci
´
on que los
iones generando as
´
ı el transporte de aire.
Si se modula la tensi
´
on aplicada superponiendo una
componente alterna (se
˜
nal de audio) a la continua, una onda
ac
´
ustica es generada en el medio a trav
´
es de dos mecanismos
diferentes. Uno de ellos ocurre en la zona de deriva en un
proceso similar al del ya mencionado viento el
´
ectrico. All
´
ı la
se
˜
nal de audio modula la velocidad de los iones que luego
transfieren momentum al medio a trav
´
es de colisiones. El
otro mecanismo se sit
´
ua en la zona de ionizaci
´
on donde
la se
˜
nal alterna genera cambios de temperatura y
´
estos se
traducen en cambios de presi
´
on
Los parlantes donde predomina la transferencia de mo-
mentum se denominan de “plasma fr
´
ıo”. Los parlantes
i
´
onicos por descarga corona est
´
an incluidos en esta cate-
gor
´
ıa. En el caso de producirse un arco entre los electrodos,
solamente se tiene producci
´
on de sonido por cambios de
temperatura. Por lo tanto, la descarga de arco el
´
ectrico es
el principio que utilizan los llamados parlantes de “plasma
caliente”.
III. CONSTRUCCI
´
ON
Los parlantes i
´
onicos, al no depender de una membrana
para la generaci
´
on del sonido sino en grupos de electrodos,
permiten experimentar con diversas topolog
´
ıas para confor-
mar el frente de onda. La primera de ellas se encuentra
en el art
´
ıculo publicado en 1955 por Tombs [6]. El mismo
consist
´
ıa en una aguja (electrodo corona) y una rejilla
met
´
alica (electrodo colector). En el mismo art
´
ıculo y luego
Fig. 2. Esquema del emisor plano
en posteriores dise
˜
nos, este concepto se extendi
´
o a arreglos
bidimensionales de puntas para lograr mayor superficie
ionizada [7]. La construcci
´
on y experimentaci
´
on con estos
dise
˜
nos permiti
´
o obtener un conocimiento preliminar muy
valioso, pero para lograr niveles de presi
´
on sonora mayores
decidimos ensayar otra forma de los electrodos. En lugar de
utilizar puntas de aguja como electrodo corona, empleamos
alambres muy delgados. Inicialmente empleamos nichrome
de 50 µm de di
´
ametro pero la fragilidad e imposibilidad de
soldarlos nos llevaron a cambiar a hilo de cobre de 100 µm
de di
´
ametro. Como electrodo colector se utilizaron barras
de bronce de 3 mm de di
´
ametro, ubicadas paralelas a los
hilos del electrodo corona. Curiosamente, no encontramos
una caracterizaci
´
on detallada de un arreglo de electrodos tan
simple como
´
este, dentro del alcance de nuestra b
´
usqueda
bibliogr
´
afica. Surge como idea directa que as
´
ı se conseguir
´
a
un mayor volumen ionizado, en comparaci
´
on con un arreglo
de puntas discretas. As
´
ı se obtiene una mayor superficie de
ionizaci
´
on y con ello aumenta el volumen de aire desplazado
y la presi
´
on sonora. El primer prototipo construido fue
un arreglo plano de electrodos en el que verificamos que
el mismo irradiaba, en el campo lejano, como un pist
´
on
rectangular s
´
olido [8]. En la Fig. 2 puede verse un esquema
de CAD y en la Fig. 3 una fotograf
´
ıa del prototipo.
Vista la posibilidad de dar forma m
´
as compleja al arreglo,
decidimos desarrollar una fuente cuyo frente de onda fuera
cil
´
ındrico. El prototipo est
´
a constituido por 16 barras de
bronce de 16 cm de largo y 3 mm de di
´
ametro (electrodos
colectores), dispuestas sobre la periferia de una circunferen-
cia de 42 mm de di
´
ametro que encierran la misma cantidad
de hilos de cobre (electrodos corona) a una distancia inter-
electr
´
odica de 11 mm. En la Fig. 4 se pueden ver fotograf
´
ıas
y el modelo CAD de este prototipo.
Para que el arreglo sea funcional, se deben agregar
Revista elektron, Vol. 2, No. 2, pp. 47-52 (2018)
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