(Phys.org):durante el año pasado, Los investigadores de la Universidad de Tsinghua en Beijing han estado escuchando música en una computadora portátil a través de un par de auriculares inusuales. Aunque los auriculares parecen normales, no contienen el típico altavoz de bobina de metal que se encuentra en la mayoría de los auriculares, sino más bien un chip hecho de muchos hilos de nanotubos de carbono (CNT) con ranuras grabadas en ellos. Porque son fáciles de fabricar, operar con 60 mW de potencia, y proporcionar una calidad de sonido clara, los chips basados ​​en CNT podrían usarse como componentes en una amplia variedad de altavoces, incluidos los que se encuentran en teléfonos móviles y portátiles.

"El chip termoacústico CNT está basado en silicio, sin vibraciones, delgada, y sin magnetismo, "Yang Wei de la Universidad de Tsinghua dijo Phys.org . "Introduce la nanotecnología basada en CNT en la industria de los semiconductores convencionales. Este avance reducirá considerablemente el costo y, por lo tanto, promoverá la comercialización de la nanotecnología. Se pueden integrar más dispositivos funcionalizados en el chip termoacústico, ya que se basa en una oblea de silicio. El altavoz CNT puede funcionar durante mucho tiempo gracias a su característica sin vibraciones. El pequeño grosor le permite satisfacer la demanda de miniaturización de dispositivos. La desventaja es la baja eficiencia, como lo indica la sensibilidad. Pero el consumo de energía de los auriculares CNT es aceptable para la electrónica de consumo ".

En su artículo publicado en un número reciente de Nano letras , los investigadores explican que los altavoces CNT funcionan de forma completamente diferente a los altavoces convencionales. La mayoría de los altavoces producen sonidos mediante la vibración mecánica de un material físico, como el metal, papel, o plastico, que luego hace que las partículas de aire circundantes vibren. A diferencia de, los altavoces CNT producen sonidos debido a una corriente alterna que calienta periódicamente el conjunto de hilos CNT, que crea ondas de temperatura en el aire circundante. La expansión y contracción térmica del aire circundante genera sonido. A pesar de las diferencias entre estos dos métodos de producción de sonido, el sonido de los altavoces CNT es esencialmente el mismo que el generado por la vibración mecánica.

Los efectos termoacústicos se conocían desde 1917, cuando los físicos H.D. Arnold e I.B. Crandall, trabajando en el Laboratorio de Investigación de American Telephone and Telegraph Co. y Western Electric Company, C ª., que luego se convirtió en Bell Labs, observó que introducir una corriente eléctrica en un conductor delgado podría producir sonidos y actuar como un termófono.

Sin embargo, no hubo avances significativos en los efectos termoacústicos hasta 2008, cuando un equipo de investigadores de China, incluidos algunos de los autores del artículo actual, fabricó un altavoz termoacústico hecho de un trozo de película CNT alineada. Los investigadores encontraron que el uso del material CNT en lugar de un conductor convencional puede amplificar en gran medida el efecto termoacústico debido a la capacidad calorífica ultrapequeña de la película CNT por unidad de área. De este modo, las propiedades a nanoescala de las películas CNT han hecho práctico el antiguo concepto de termófono.

En el documento actual, los físicos reemplazaron la película CNT de paredes múltiples alineada con matrices de hilo fino de CNT de paredes múltiples, que tienen una alta resistencia mecánica y una rápida respuesta térmica similar a la película. Las matrices de hilos CNT se suspendieron a través de una serie de ranuras que se modelaron en una oblea de silicio, y se pegaron electrodos de plata en los lados de cada chip. Los científicos descubrieron que el nivel de presión sonora depende en gran medida de la profundidad de la ranura, que aquí osciló entre 5 y 200 um, con ranuras más profundas que proporcionan niveles de presión sonora más altos.

Los investigadores también determinaron que, según la teoría de ondas de temperatura, un sustrato u otro objeto que se encuentre dentro de una longitud de onda térmica de la matriz podría causar pérdida de calor y suprimir el sonido. Pero siempre que el sustrato esté al menos a una longitud de onda térmica de la matriz, no interfiere con la producción de sonido.

El tamaño de cada chip termoacústico es de 9,5 mm x 9,5 mm, aproximadamente del tamaño de una uña. Un solo chip puede reemplazar el altavoz de bobina convencional en un auricular, teniendo el chip termoacústico la ventaja de ser mucho más delgado que la bobina. La carcasa de los auriculares convencionales suele tener pequeños orificios en la parte trasera para liberar la presión generada por la bobina vibratoria. Sin embargo, estos orificios son innecesarios para el auricular termoacústico, ya que no hay componente vibratorio, y los investigadores encontraron que sellar estos orificios disminuye la fuga de sonido, especialmente a bajas frecuencias.

El auricular termoacústico en esta etapa tiene una eficiencia de 48 dB / mW, que no es tan eficiente como un auricular convencional, que tiene un valor de aproximadamente 100 dB / mW. Sin embargo, como mencionaron los físicos, el consumo de energía de 60 mW es adecuado para dispositivos prácticos.

Los investigadores demostraron que el chip termoacústico puede ensamblarse en un circuito integrado y alimentarse mediante un USB. Dado que el chip incluye una oblea de silicio, los científicos podrían empaquetar el chip en una carcasa de semiconductores estándar, que se puede ensamblar fácilmente en una placa PCB mediante soldadura. En el futuro, es posible integrar funciones adicionales como dispositivos de memoria y reproductores de música.

Los investigadores también demostraron una matriz de chips de 4 pulgadas, que consta de 69 chips en una oblea de silicio. Los altavoces termoacústicos más grandes podrían tener diferentes aplicaciones, que puede incluir dispositivos acústicos de largo alcance y comunicación acústica subacuática.

"Hemos demostrado que un chip termoacústico CNT es adecuado para su aplicación en electrónica de consumo, pero aún queda mucho por hacer para comercializar esta tecnología, ", Dijo Yang Wei." Haremos esfuerzos para optimizar el diseño del dispositivo y el diseño acústico y reducir aún más el costo. Más atención de la industria será útil para la promoción de la tecnología, ya que no hay un IC especializado para controlar los altavoces termoacústicos, y el auricular CNT sigue siendo incompatible con la salida de audio convencional ".

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