Auriculares de alta calidad con membrana de grafeno

Cada semana se publican novedosas aplicaciones del grafeno, fruto de las numerosas líneas de investigación que se están llevando a cabo sobre las magníficas propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas que ofrece. Ya hablamos anteriormente de las propiedades de la alotropía de carbono para transformar la luz en corriente eléctrica y de las aplicaciones de este material en campo de la electrónica. Ahora, investigadores de la Universidad de Berkeley en California, han creado el primer auricular construido con grafeno, que gracias a sus propiedades físicas y eléctricas ofrecen una inmejorable calidad de sonido.

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La mayoría de altavoces –también los auriculares– trabajan con un diafragma que al entrar en vibración genera una serie de ondas de presión en el aire circundante. Éstas se traducen en sonido, dependiendo de la frecuencia de la onda mecánica. El oído humano, en función de la edad del individuo, puede percibir sonidos con un rango de frecuencias entre 20 Hz –sonidos graves– y los 20 kHz –sonidos agudos. Por tanto, en función de las frecuencias de las ondas de presión generadas por el diafragma se generan los diferentes sonidos perceptibles por el oído humano.

En términos generales, la calidad de los altavoces dinámicos de bobina magnética se determina a partir de una respuesta en frecuencia plana. Por tanto, para conseguir un altavoz ideal con una reproducción del sonido de extremada calidad, la respuesta en frecuencia de dicho altavoz debería ser uniforme, o dicho en otras palabras, debería tener la misma potencia en todo el rango de frecuencias. Pero lamentablemente este altavoz ideal no existe. Teniendo en cuenta este aspecto, los altavoces de alta calidad son aquellos que tienen un margen de variación de 6 dB para el umbral de audibilidad humana comprendido entre los 20 y los 20.000 Hz. Aunque considerando que la audibilidad humana nunca llega a los 20.000 Hz, también son aceptables aquellos altavoces con variaciones de 3 dB en un margen de 100 a 15.000 Hz.

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El diafragma del auricular diseñado por los investigadores de Berkeley se compone de una membrana vibrante de grafeno de tan solo 30 nanómetros de espesor y 5 mm de ancho. Este diafragma queda emparedado entre dos electrodos de silicio recubiertos con dióxido de silicio, para evitar posibles cortocircuitos en caso de que las vibraciones del diafragma sean demasiado fuertes. De esta forma, el sonido se genera a partir de la oscilación del campo eléctrico creado por el par de electrodos de silicio, donde la vibración del diafragma de grafeno genera los diferentes sonidos.

Considerando que el diafragma es esencialmente un oscilador armónico simple con una masa inherente, cuya fuerza de recuperación determina la forma en que vibra en función de las diferentes frecuencias, la mayoría de ellos necesitan ser amortiguados mediante una carcasa troncocónica para ampliar la gama de frecuencias. Pero también es cierto, que el uso de amortiguadores resta potencia y complica el diseño final del altavoz.

Por tanto, para reducir la amortiguación es necesario conseguir diafragmas más finos y ligeros con una constante de resorte cuyo movimiento pueda ser absorbido por el propio aire circundante. En este sentido, el diafragma de grafeno cumple con estas premisas, ya que la extremada delgadez a la que podemos fabricar la membrana –30 nanómetros de espesor– y su ligereza, hacen de este material un candidato ideal para que sea prescindible el uso de dichos amortiguadores.

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Otro aspecto interesante destacado por Qin Zhou y Alex Zettl, miembros del equipo de investigación de Berkeley, es que a pesar de que el diseño del auricular no está optimizado para ofrecer una mejor audibilidad, su respuesta en frecuencia es muy superior a la de un altavoz dinámico de bobina magnética convencional, cuya calidad de reproducción ha llevado décadas de investigación y desarrollo.

De hecho, se han comparado sus resultados con una auricular comercial Sennheiser MX-400, obteniendo unos resultados excelentes. «Incluso sin la optimización, el auricular es capaz de producir una excelente respuesta de frecuencia audible dentro del rango del umbral de audición humano –20 Hz ~ 20 KHz–, comparable en rendimiento a los auricular comerciales de alta calidad», aseguran los responsables de su diseño.

Es posible que los auriculares de grafeno estén disponibles a corto plazo, cuando los costes de fabricación permitan su producción y comercialización masiva, pero a tenor de las extraordinarias prestaciones que ofrece la versatilidad de este material, casi con toda probabilidad llegará a dominar el mercado en un futuro próximo.

Imágenes | vía Angel Arcones y extremetech

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