Cuatro micrófonos son suficientes para oír la forma de una habitación

Dibujo20130723 portal Lausanne cathedral - microphone array - Floor plan

Se publica en PNAS la solución a un problema clásico en acústica, cuántos micrófonos son necesarios para oír la forma de una habitación tridimensional utilizando los sonidos generados por un altavoz. La respuesta es al menos cuatro (con probabilidad uno y para una habitación poliédrica convexa). Como los autores del artículo son de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, han ilustrado su algoritmo con la Catedral de Lausana. Los sonidos se reflejan en las paredes y forman ecos que son recogidos por los micrófonos y etiquetados por el nuevo algoritmo, lo que permiten reconstruir la forma tridimensional de la habitación. Se necesitan al menos cuatro micrófonos porque con menos pueden aparecer “ecos fantasmas” que parecen provenir de una pared “fantasma” (que no existe). Quizás pienses que es más fácil ver la forma tridimensional de la habitación que oírla, pero la técnica permite detectar objetos o personas en movimiento dentro de la habitación, luego si se usan ultrasonidos puede tener aplicaciones prácticas muy curiosas. Por supuesto, lo más interesante del trabajo técnico es la demostración matemática y el algoritmo desarrollado, que se basan en álgebra lineal y será disfrutado por muchos matemáticos. Nos lo ha contado Mark D. Plumbley, “Hearing the shape of a room,” PNAS 110: 12162–12163, 23 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Ivan Dokmanić, Reza Parhizkar, Andreas Walther, Yue M. Lu, Martin Vetterli, “Acoustic echoes reveal room shape,” PNAS 110: 12186-12191, 23 Jul 2013.

Sigue leyendo

La voz de Alexander Graham Bell restaurada por el Berkeley Lab

Este vídeo youtube, que acaba con la frase “in witness whereof, hear my voice, Alexander Graham Bell,” nos permite oír una grabación de hace 128 años de la voz de Bell, gracias a la tecnología de restauración de grabaciones antiguas del Berkeley Lab de la Universidad de Berkeley, California, EE.UU. Oímos la voz de Bell grabada el 15 de abril de 1885 en el Laboratorio Volta de Washington, DC. Bell regaló esta grabación al Smithsonian antes de su muerte en 1922. El proyecto de restauración ha sido financiado por el Museo Nacional de Historia Americana, la Biblioteca del Congreso y el Laboratorio Smithsonian en Berkeley. Más información en ““Hear My Voice”: Smithsonian Identifies 130-Year-Old Recording as Alexander Graham Bell’s Voice,” National Museum of American History, Apr. 25, 2013; Charlotte Gray, “We Had No Idea What Alexander Graham Bell Sounded Like. Until Now,” Smithsonian magazine, May 2013; y Dan Krotz, “What Did Alexander Graham Bell’s Voice Sound Like? Berkeley Lab Scientists Help Find Out,” Berkeley Lab, Apr. 25, 2013.

Sigue leyendo

El sonido de la fricción entre la lengua y la leche ingerida permite estimar su contenido en grasas

Dibujo20130212 Acoustic emission measurement of rubbing and tapping contacts of skin and tongue surfaces in relation to tactile perception

La tribología acústica estudia el sonido producido por la fricción entre dos superficies móviles en contacto. Gracias a un micrófono insertado bajo el labio superior se ha podido medir el sonido de la fricción con la lengua de la leche ingerida y se ha observado que permite determinar su porcentaje en grasas. El sonido es generado por las vibraciones de los mecanorreceptores de la lengua, responsables de la sensación de aspereza, astringencia, cremosidad, pegajosidad y tosquedad de los alimentos (tanto los que son fluidos como los sólidos). El holandés George van Aken ha logrado grabar en tiempo real el sonido generado por el frotamiento de la lengua contra varios alimentos al ser ingeridos. Colocando el micrófono en la superficie superior de la uña también se ha podido grabar el sonido de la fricción de un dedo al acariciar un material rugoso. Según el artículo técnico, la separación entre el sonido de la fricción en la lengua y el resto de sonidos de la boca al ingerir es muy sencilla utilizando sólo el espectro. Sin lugar a dudas, un curioso estudio experimental que la industria alimentaria podrá utilizar para cuantificar la experiencia tribológica del consumidor y para diseñar nuevos alimentos. El artículo técnico es George A. van Aken, “Acoustic emission measurement of rubbing and tapping contacts of skin and tongue surfaces in relation to tactile perception,” Food Hydrocolloids 31: 325–331, June 2013; vía Marc Abrahams, “The sound of the taste of your coffee,” Improbable Research, 11 Feb 2013, y George van Aken, “Listening to what the tongue feels,” NIZO, 30 Jan 2013.

Sigue leyendo

La física del canto de las dunas

Este vídeo nos muestra un fenómeno bastante curioso, el sonido que emiten muchas dunas de arena (en occidente el fenómeno fue descrito por Marco Polo y Darwin lo escuchó en 1835 en su viaje en el Beagle). Un sonido grave con un trémolo alrededor de una frecuencia fundamental que es producido por avalanchas granulares que ponen a vibrar la arena. El “canto de las dunas” se puede reproducir en el laboratorio y gracias a ello su física es bien conocida (en medidas de campo se pueden utilizar geófonos). El parámetro clave es el grosor de la avalancha cuyo lecho de arena se comporta como la membrana de un altavoz cuya vibración provoca la emisión acústica (de hecho una avalancha de arena encima de la membrana de un altavoz permite reproducir el fenómeno). Los interesados en la historia y en la física de este fenómeno disfrutarán del artículo de Bruno Andreotti, “Sonic sands,” Rep. Prog. Phys. 75: 026602, 27 Jan. 2012 [este artículo es de acceso gratuito durante este mes].

El análisis del espectro acústico del canto de las dunas muestra que no se trata de ruido sino un sonido “musical” con una frecuencia central bien definida y varios armónicos (2 o 3 picos). La amplitud de los armónicos decae con su orden en un patrón algebraico poco común en la Naturaleza, quizás por ello muchos oyentes perciben emociones y sentimientos de armonía con la Naturaleza. La calidad musical del sonido se debe a su trémolo (modulación en amplitud) y su pequeño vibrato (modulación en frecuencia). La frecuencia del primer pico (el de mayor amplitud) se encuentra entre 70 y 110 Hz y tiene una anchura de unos 20 Hz.

En el vídeo se observa como Stéphane Douady (físico que ha estudiado este fenómeno con detalle) produce el sonido con su mano y con sus dedos, pero que se requieren al menos dos dedos y moverlos con una velocidad suficiente. Los experimentos de laboratorio permiten determinar el umbral entre la profundidad de la avalancha y su velocidad que excitación del sonido. Este umbral depende del tamaño promedio del grano de arena (d en las figuras) y de varias propiedades específicas, como la humedad relativa y el tipo de arena (la fricción microscópica entre granos). En condiciones ópticas la frecuencia del sonido es una función lineal del cociente V/H (donde V es la velocidad y H la profundidad de la avalancha). La longitud de la avalancha (L) es inversamente proporcional a la duración del sonido como se muestra en la siguiente figura (que también trata de ilustrar el mecanismo de propagación de la vibración y amplificación del sonido).

Por supuesto, no quiero dar a entender con esta entrada que la física del canto de las dunas es conocida con completo detalle. Todavía hace falta mucha investigación: no se conoce en detalle la reología de la arena, aún no se ha medido el perfil de la velocidad de la arena durante la avalancha (solo se conocen resultados numéricos), y tampoco se ha estudiado en detalle el problema inverso, cómo las vibraciones acústicas afectan a la arena. Mucho se sabe y mucho queda por saber de un problema con un bella historia documental que siempre lo ha puesto entre la realidad y la leyenda, entre el mito y la verdad.

Superando el límite de difracción para ondas sonoras utilizando un paquete de latas de refrescos como “metalente”

 Para superar el límite de difracción es necesario usar ondas evanescentes, cuyos detalles espaciales son menores que la longitud de onda, pero que no se propagan y se observan alrededor de la fuente. Un experimento de baja tecnología demuestra cómo la inversión del tiempo, métodos y una gran variedad de las latas se puede utilizar para superar el límite de difracción. Un grupo de investigadores parisinos del ESPCI ParisTech dirigidos por Geoffroy Lerosey ha demostrado ahora que los sonidos audibles pueden ser manipulados y analizados con detalles tan pequeños como 1/25 de su longitud de onda λ gracias a una “metalente” formada por una serie de latas de refresco vacías (una “metalente” es un conjunto de resonadores metálicos fuertemente acoplados). Un “refrescante” experimento de baja tecnología en el que se han utilizado varios tonos cercanos a 400 Hz emitidos por ocho altavoces que rodean a una matriz de latas de refresco vacías; gracias a ellas se excitan modos resonantes con variaciones espaciales tan pequeñas como el diámetro de una lata que pueden ser registrado mediante un micrófono. Los autores del estudio creen que su trabajo puede conducir al desarrollo de nuevos diseños de sensores y actuadores inteligentes. De hecho, las ondas evanescentes ya se utilizan en la sonda de barrido de un microscopio de campo cercano para superar el límite de la difracción.

Visto en “Soda cans focus sound to subwavelength spots,” Physics Today, Jul 7, 2011. La idea de la nueva técnica ha sido extender este trabajo previo a campos acústicos: Fabrice Lemoult, Geoffroy Lerosey, Julien de Rosny, and Mathias Fink, “Resonant Metalenses for Breaking the Diffraction Barrier,” Phys. Rev. Lett. 104: 203901, May 18, 2010. El nuevo artículo también ha sido aceptado en Physical Review Letters (F. Lemoult, M. Fink, G. Lerosey, Phys. Rev. Lett., in press).

Qué suena mejor al oído, un vinilo, un CD o un DVD de audio

Estas dos imágenes al microscopio electrónico de los surcos de un disco de vinilo (LP aumentado 500 veces, izquierda) y de un disco compacto (CD aumentado 20.000 veces, derecha) fueron obtenidas por Chris Supranowitz, un investigador en el Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester. Para mí, la imagen de los surcos del vinilo tiene la belleza y el “calor” de lo analógico, comparada con la frialdad del compacto. En la imagen del vinilo se aprecia la técnica que usa para lograr grabar música en estéreo: el surco es asimétrico de tal forma que “los movimientos laterales representan la suma de los canales estéreo y los movimientos verticales representan la sustracción o resta de ambas señales” [wiki]. La suciedad que se aprecia es inevitable ya que es polvo microscópico pegado por electricidad estática a la superficie. Esa suciedad es la principal fuente de la “fritura” del sonido del vinilo, que muchos aún añoran. También podéis ver otra impresionante fotografía que nos muestra el surco de un vinilo al aumentarlo 1000 veces en la fuente de ambas imágenes: “Record grooves under an electron microscope,” SynthGear, February 17, 2010 [visto en “Vinilos bajo el microscópio electrónico,” gracias a “El surco de un vinilo aumentado 1000 veces“]. Como decía uno de los meneantes, “tan imperfecto y es el mejor soporte de música… que nostalgia.”

¿Qué suena mejor, un vinilo o un CD? Los aficionados al vinilo afirman que el sonido del CD es “frío” y falto de rango dinámico, mientras que los defensores del CD afirman que los defectos principales del vinilo son el “crepitar” y la distorsión armónica. El oído humano tiene un rango dinámico de unos 120 dB, aunque una habitación no insonorisada en silencio tiene un nivel de ruido del orden de 20 dB, y por encima de 100 dB la mayoría de las personas sienten molestias. Un disco de vinilo tiene un rango dinámico máximo de unos 65 dB y un CD de música unos 96 dB (la música en vivo entre 100-120 dB). Ahora bien, otra cosa es cómo esté grabada la música [ver más abajo la “guerra del volumen”].

Al margen de la psicoacústica, que estudia como percibimos la música que oímos, se puede realizar una comparación técnica y objetiva como la que presenta  Chris Tham, “Dynamic Comparison of LPs vs CDs – Part 4,” Audioholics, Oline A/V Magazine, September 02, 2004. Chris utilizó su tarjeta de sonido (Audiotrak Prodigy 7.1) y el programa de análisis Cool Edit Pro. Tomó varios vinilos de música de su colección de los que tenía copia en CD o DVD-Audio y los limpió lo mejor que pudo con un kit de limpieza (recién comprado). Digitalizó el sonido ofrecido por su reproductor de vinilo muestreado a 96 kHz con una resolución de 24 bits, hizo lo mismo con el sonido (analógico) ofrecido por su reproductor de CD (o DVD), y los comparó con el sonido digital “real” del CD (o DVD) obtenido con Exact Audio Copy (o DVD Decrypter) que está muestreado a 44’1 kHz con una resolución de 16 bits. Los resultados son interesantes.

Lo primero que hay que recordar es que el espectro audible del oído humano se suele decir que es de 20 Hz a 20 kHz, aunque depende mucho de la persona y de la edad (los niños pequeños suelen oír frecuencias algo más altas y pierden esta cualidad con la edad). La mayoría de las personas en edad adulta no supera los 17 kHz, pero hay quienes alcanzan los 30 kHz (de hecho hay personas que oyen los silbatos ultrasónico para entrenar perros). En un CD se muestrea la música a 44’1 kHz para garantizar la reproducción perfecta (por el teorema del muestreo de Nyquist-Shannon) de frecuencias hasta 22’05 kHz, más allá de lo que una persona con oído estándar puede oír. Además, los estándares de alta fidelidad exigen una reproducción “perfecta” a estas frecuencias. Aún así, muchos tweeter (altavoces de agudos) de las cajas acústicas de los equipos de música de calidad alcanzan frecuencias de reproducción cercanas a los 30 kHz. Los formatos como DVD-A o SACD que permiten frecuencias de muestreo muy altas (hasta 192 kHz en el DVD-A) son solo para profesionales que quieren “jugar” con el sonido en un estudio; los estudios sobre acústica humana indican que una persona normal no puede distinguir entre el sonido producido por un DVD-A y el de un CD [un estudio famoso es E. B. Meyer, D. R. Moran, “Audibility of a CD-Standard A/D/A Loop Inserted into High-Resolution Audio Playback,” J. Audio Eng. Soc. 55: 775-779, 2007, pero hay muchos otros que concluyen lo mismo).

Para la canción más famosa de la banda sonora de “Carros de fuego” de Vangelis comparó la copia digital exacta (EAC) del CD (1984), el CD reproducido y el LP (1981) reproducido. El resultado es que el rango dinámico del LP es menor que el del CD (reproducido), que a su vez es menor que el de la copia digital (como es de esperar el reproductor de CD altera el sonido grabado). La causa básica es el ruido de fondo en la reproducción del LP. Sin embargo, cuando estudió el ruido de fondo (en un silencio), como se muestra en la figura de arriba, observó que el ruido del CD pasa de -88 dB a -108 dB (debido a la tarjeta de sonido) bruscamente alrededor de 20kHz; sin embargo, el ruido del LP no muestra este salto y es más bajo que el del CD para frecuencias entre 1 kHz (-84 dB) y 10 kHz (-96 dB). La razón por la que el rango dinámico del CD es mejor que el del LP es que el ruido del LP a baja frecuencia es mucho mayor por debajo de los 500 Hz (subiendo hasta los -50 dB). Por tanto, para frecuencias altas el vinilo da un mejor sonido que el CD, que lo supera a frecuencias bajas. Chris Tham cree que el alto ruido a baja frecuencia en el vinilo podría ser debido a la copia máster original (“Original Master Recording“) que quizás haya sido procesada digitalmente previo a su uso para grabar el CD con objeto de eliminar dicho ruido.

Para una canción del disco “Café Bleu” de “The Style Council” comparó el CD original (1984)  reproducido, una copia remasterizada digitalmente del CD (2000) también reproducida, y el LP (1984) reproducido. El rango dinámico del CD remasterizado es muchísimo mayor que el del CD original, que a su vez es algo peor que el del LP original. En cuanto al espectro de la señal, el LP alcanza frecuencias de hasta casi 40 kHz, cuando el CD original y el remasterizado se cortan bruscamente alrededor de los 20 kHz. El CD remasterizado presenta una banda de “ruido” alrededor de 22’05 kHz, debida a la técnica de dithering utilizada para reducir el ruido en la remasterización. Ahora bien, Chris Tham duda de que las frecuencias por encima de 25 kHz en el vinilo sean parte del sonido original grabado y cree que podrían ser artefactos debidos al sistema de reproducción el vinilo. Por eso en su siguiente comparación, compara el LP con un DVD de audio.

Para la canción que da título al disco “What’s New” de Linda Ronstadt comparó el LP (1983) con un DVD-Audio (2002). El DVD-A está muestreado a 192 kHz con 24 bits de resolución que Chris remuestreó a 96 kHz para la comparación con el LP reproducido. El rango dinámico del DVD-A es mucho mayor que el del LP, pero lo que realmente llama la atención es la comparación del espectro. El DVD-A fue grabado de la misma cinta máster que el LP y presenta una banda de ruido alrededor de 29 kHz (una raya horizontal en la figura de arriba, izquierda), que no existe en el vinilo y que tiene su origen en la cinta máster. Comparando el espectro del vinilo con el del DVD-A entre 20 y 29 kHz se observa que el vinilo no reproduce bien estas frecuencias, pero las reproduce, cuando un CD no lo haría; quizás ahí radica la gran ventaja del LP respecto al CD, la reproducción de frecuencias grabadas en la cinta máster por encima de los 20 kHz. Aún así, el DVD-A da un sonido de mucha mejor calidad que el vinilo para dichas frecuencias (audibles solo para algunas personas con “buen oído”). Resultados similares se obtienen para la comparación entre LP y SACD (una variante del DVD solo para audio) y el audio en un DVD de vídeo (los interesados pueden consultar el artículo de Chris).

En resumen, el vinilo se suena mejor que el CD porque tiene un rango dinámico relativo (quizás debido a la “guerra del volumen”), aunque tiene niveles de distorsión y ruido mayores en ciertas frecuencias. El vinilo reproduce ciertos ultrasonidos grabados en la cinta máster de audio, aunque no con la calidad con la que lo reproducen formatos de audio de alta frecuencia de muestreo como el DVD-A o el SACD; pero estos ultrasonidos no son audibles para una persona normal. Chris cree que el responsable del “calor” que los aficionados asocian al vinilo a diferencia del “frío” de lo digital podría ser la distorsión y el rango dinámico relativo del vinilo; este último factor depende más del ingeniero de sonido que del formato y en las pruebas realizadas por Chris con grabaciones comerciales son mayores en el vinilo que en los formtos digitales (incluso DVD-A y SACD), pero sus pruebas son concretas y no corresponden a un estudio estadístico serio. Mi comentario, ya que Chris lo deja como pregunta al lector, es que lo que en el mundo digital se puede considerar un perjuicio, para los aficionados al vinilo podría ser un “beneficio.”

PS (4 ene. 2010): Gracias a todos por vuestros comentarios. He metido la pata en varias ocasiones en este artículo, por lo que he hecho varios cambios en función de lo que me habéis comentado. Espero que ahora refleje mejor su contenido.

Por otro lado, como bien habéis indicado muchos de vosotros, la mayor diferencia entre un vinilo hace 30 años y un CD de ahora es cómo se grabó la música en el estudio, la llamada “guerra del volumen” (vídeo de youtube muy explicativo). Un disco de hoy en día tiene que sonar “bien” en múltiples medios (desde un mp3 mientras caminas por la calle, en el interior de tu coche, en un bar repleto de gente, en tu salón de casa, etc.), por lo que se ha tendido a grabar la música con muy poco rango dinámico relativo (sonido muy “normalizado”); el problema es que a bajo volumen se escucha fatal y a volumen alto se pierde calidad.

Un sónar (altavoz submarino) basado en nanotubos de carbono es 100 veces más eficiente de lo esperado

Películas de nanotubos de carbono permiten fabricar altavoces termoacústicos de alta potencia que pueden incorporarse fácilmente en tejidos y textiles para ropa. El sonido se produce al aplicar una corriente eléctrica que calienta el aire y produce ondas de presión (sonido).  Sorprendentemente, también permiten el desarrollo de altavoces submarinos que son 100 veces más eficientes de lo que la teoría había predicho, como han demostrado investigadores de la Universidad de Texas en Dallas, EEUU. La razón es realmente curiosa. Los nanotubos son hidrófobos, por lo que se forma una capa delgada de aire alrededor de la película de nanotubos que amplifica las vibraciones acústicas y además protege a los nanotubos evitando que se mojen. Estos nuevos altaveces permiten generar infrasonidos y sonidos de baja frecuencia, en el rango de 1 a 105 Hz. Para que la película de nanotubos mantenga su rigidez al ser sumergida en agua, se ha adherido a una capa de celulosa porosa (que además mejora en un factor de 2 la eficiencia sonora del altavoz). Se espera que los nuevos altavoces tengan múltiples aplicaciones submarinas en el desarrollo de nuevos sónares. Nos lo cuentan brevemente en “Nanotechnology: Aquatic speakers,” Nature 465: 668, 10 June 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Ali E. Aliev, Marcio D. Lima, Shaoli Fang, Ray H. Baughman, “Underwater Sound Generation Using Carbon Nanotube Projectors,” Nano Lett., Article ASAP, May 27, 2010.

“Balas acústicas” para localizar y destruir tumores cancerígenos gracias a una nueva lente acústica no lineal

La energía acústica de ondas sonoras enfocadas tiene múltiples aplicaciones.Para enfocar esta energía en un objetivo, el sonido se redirige de manera que las ondas se superponen y amplifican las unas a las otras. Alessandro Spadoni y Chiara Daraio han diseñado una lente acústica no lineal que enfoca fuentes sonoras de gran amplitud en “balas acústicas” (solitones o pulsos acústicos compactos) que pueden ser utilizados para localizar y destruir tumores cancerígenos de forma no invasiva. La lente está formada por esferas de acero alineados en cadenas paralelas. Controlando esta disposición de esferas se puede controlar la velocidad del sonido que viaja a través de ellas, permitiendo que actúen como una lente que enfoca las ondas sonoras en un único punto, donde se concentra toda la energía acústica. Las “balas acústicas” conservan su forma compacta después de atravesar las esferas y pueden penetrar tejidos biológicos sin dificultad. El artículo técnico es Alessandro Spadoni, Chiara Daraio, “Generation and control of sound bullets with a nonlinear acoustic lens,” PNAS 107: 7230-7234, April 20, 2010.

Los ultrasonidos son muy utilizados en imagen en medicina (y en ciencia de los materiales) para visualizar de forma no invasiva el interior del cuerpo humano (y de materiales). El gran problema de los ultrasonidos es que es difícil obtener pulsos compactos, no oscilatorios y de gran amplitud (“balas acústicas”). Trabajos reciente han intentado lograrlo utilizado metamateriales que permiten el desarrollo de superlentese y de hiperlentes. La nueva lente no lineal publicada en PNAS utiliza una matriz de partículas esféricas (21 ristras de 21 esferas cada una) que se comporta para la onda sonora como un medio efectivo que se puede modelar mediante la ecuación de Korteweg-de Vries. Esta ecuación permite la propagación de un tipo de ondas no lineales que se llaman solitones. La gran ventaja de este tipo de ondas es que una vez que abandonan el medio en el que se han generado mantienen su forma durante cierto tiempo por lo que pueden ser utilizadas como “balas acústicas” para destruir tumores.

Un gran trabajo técnico que nos muestra una nueva aplicación de los solitones (muy utilizados en fibra óptica para comunicaciones de muy larga distancia). A los que trabajamos en teoría de solitones nos resulta muy interesante este artículo. A los demás supongo que lo único que les interesará es que este nuevo avance tendrá, en un futuro no muy lejano, muchas aplicaciones biomédicas.

A) Prototipo con 21 ristras de 21 esferas de acero; B) Velocidad de fase de las ondas en función de la fuerza de compresión; y C) Funcionamiento como lente acústica no lineal. (C) PNAS

Un altavoz nanotecnológico que utiliza el efecto termoacústico de Joule para convertir calor en música

La ley de Joule afirma que cuando circula corriente eléctrica por un hilo conductor parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren con los átomos del material conductor. El efecto Joule es aprovechado en las estufas y en los hornos eléctricos, pero también puede aprovecharse para producir sonido (o música). Arnold y Crandall en 1917 propusieron el uso de efectos termoacústicos para producir termófonos, que no se han hecho realidad hasta ahora. Los finlandeses Niskanen et al. del VTT han logrado realizar esta idea gracias a la nanotecnología. Han fabricado un altavoz termoacústico capaz de alcanzar 100 dB de potencia acústica a 20 KHz en una distancia de sólo 7 cm y consumiendo 17 W de potencia eléctrica. Estos números no asombrarán a nadie. Un altavoz convencional es mucho más eficiente, sólo requiere 1 W para lograr lo mismo a una distancia de 1 m. El nuevo termoaltavoz usa 200.000 nanohilos paralelos de aluminio suspendidos sobre un sustrato de silicio y tiene una área total de pocos centímetros cuadrados. Los hilos tienen 200 μm de largo, 3 μm de ancho y sólo 30 nm de grosor. Niskanen et al. han llamado a sus termoaltavoces con el ostentoso nombre de “trompetas nanotérmicas” ya que generan sonido gracias al cambio de la temperatura en el aire que rodea el conjunto de nanohilos. Como el altavoz nanotecnológico utiliza tecnología de circuitos integrados, es posible incorporarle una memoria ROM con música pregrabada y una lógica de control, lo que permite utilizar como un altavoz “minicadena” para ciertas aplicaciones dedicadas. Realmente curioso. Nos lo cuenta Rama Venkatasubramanian, “Applied physics: Nanothermal trumpets,” News and Views, Nature 463: 619, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de los finlandeses A. O. Niskanen et al. (VTT Technical Research Centre of Finland), “Suspended metal wire array as a thermoacoustic sound source,” Appl. Phys. Lett. 95: 163102, October 29, 2009.

Aislamiento y acondicionamiento acústico mediante cristales fonónicos, y la obra Órgano de Eusebio Sempere

Un cristal fotónico es un cristal con agujeros rellenos de aire. Su índice de refracción efectivo se puede controlar gracias a la geometría y distribución de los agujeros lo que permite diseñar dispositivos ópticos (fotónicos) a medida. Un cristal fonónico es un material con agujeros rellenos de aire de dimensiones tales que se comporta ante ondas sonoras como lo hace un cristal fotónico ante luz. Un cristal fotónico presenta bandas prohibidas (bandgaps) en las que la luz a ciertas frecuencias (colores) no puede propagarse. Un cristal fonónico también las presenta y puede bloquear la transmisión de sonido a ciertas frecuencias. La teoría es sencilla y la verificación experimental, utilizando ultrasonidos, también, como han demostrado Valentin Leroy y coautores en Applied Physics Letters. Quizás en un futuro se podrá extender este trabajo a frecuencias audibles (de 20 Hz a 20 KHz) para el desarrollo de nuevos materiales anecoicos para insonorización y ambientación acústica. Nos lo cuenta Edwin L. Thomas, “Applied physics: Bubbly but quiet,” News and Views, Nature 462: 990-991, 24 December 2009. El artículo técnico es Valentin Leroy, Alice Bretagne, Mathias Fink, Hervé Willaime, Patrick Tabeling, Arnaud Tourin, “Design and characterization of bubble phononic crystals,” Applied Physics Letters 95: 171904, 2009.

Los cristales fotónicos (para la luz) o fonónicos (para el sonido) son materiales formados por una distribución regular de elementos básicos repetidos que permiten que las ondas que inciden sobre ellos con cierta frecuencia sufran una interferencia destructiva (cuando el periodo de repetición coincide con el periodo de las ondas incidentes). Estos materiales presentan un bandgap similar al que presentan los materiales semiconductores (entre las bandas de valencia y conducción para los electrones). Igual que los semiconductores han revolucionado la tecnología durante la segunda mitad del s. XX, se espera que los materiales fotónicos (y fonónicos) la revolucionen en la primera mitad del s. XXI.

¿Cómo tendría que ser un material fonónico para bloquear sonidos audibles? El periodo tendría que ser muy grande y la estructura, si fuera una pared, por ejemplo, tendría que tener un grosor del orden de un metro. Hay un ejemplo de una estructura de este tipo en Madrid. El escultor Eusebio Sempere, sin intención de lograrlo, que se sepa, construyó un cristal fonónico en su obra Órgano, que podéis ver en el jardín de la Fundación Juan March en Madrid. Esta estructura está realizada con tubos de 3 cm. de diámetro dispuestos en una estructura periódica con una distancia de 10 cm. entre los centros de los tubos, formando un círculo en una plataforma de 4 m. de diámetro. Este cristal fonónico tiene un bandgap alrededor de la frecuencia (audible) de 1,6 kHz.

Leroy y sus colegas han desarrollado su cristal fonónico utilizando burbujas (agujeros) en un material elástico (de goma), en concreto un elastómero llamado polidimetilsiloxano (PDMS), C2H6OSi. Para fabricar la distribución de las burbujas han utilizado varias capas (4) de este material agujereado (agujeros de diámetro 80 μm.) interpuestas con capas no agujereadas (separadas 360 μm.). Las burbujas son pequeños cilindros en lugar de pequeñas esferas pero el resultado es prácticamente el mismo: han logrado atenuar en un factor de 1000 ondas sonoras (ultrasonidos) de una frecuencia centrada en 250 kHz.

El trabajo de Leroy et al. será secundado con toda seguridad por muchos investigadores que demostrarán toda su imaginación a la hora de diseñar todo tipo de geometrías (tanto de agujeros como de distribución espacial), igual que ha ocurrido recientemente con las cristales fotónicos. Seguro que gran número de sorpresas nos esperan.