¿Pueden los altavoces de los ordenadores emitir ultrasonidos?

Question

¿Pueden los altavoces de los ordenadores emitir ultrasonidos? ¿Cuál es la frecuencia máxima que pueden producir los altavoces de un ordenador?

Answer 1

En general, sí (confirmado tanto por la teoría como por el experimento) aunque probablemente no con la misma eficacia con la que pueden bajar las frecuencias.

Hay tres factores principales:

1) La máxima frecuencia que puede producir el DAC de tu fuente y los filtros antialiasing asociados. Suele estar un poco por debajo de la frecuencia de Nyquist para su frecuencia de muestreo efectiva, la distancia dependerá de la nitidez de los filtros. También puede haber salidas espurias centradas en múltiplos de la frecuencia de muestreo, pero normalmente se suprimen intencionadamente (y para la mayoría de los DAC modernos, la frecuencia de muestreo de conversión real es muchas veces la de entrada). A no ser que tengas un sistema de 96 Ksps que esté diseñado con filtros para liberar ese potencial (en lugar de los más estándar de 96 Ksps de velocidad de datos pero con filtros de aliasing todavía diseñados para uno de 48 Ksps), este va a ser probablemente tu principal límite.

2) La frecuencia máxima que pasa por el amplificador de potencia. Para un diseño analógico tradicional esto será más un rolloff que un límite agudo. Sin embargo, un amplificador "Clase D" o algo con procesamiento digital puede introducir sus propios efectos de muestreo, y tener sus propios filtros estrictos para protegerlos.

3) La respuesta real del transductor y, en cierta medida, su entorno acústico. Los altavoces de rango medio de bobina móvil normales no están diseñados ni siquiera para la parte superior de la gama de audición humana, pero normalmente seguirán produciendo algo de salida incluso más allá de ella. Por el contrario, los transductores piezoeléctricos de distintos tamaños pueden tener picos de resonancia en las frecuencias altas y producir más potencia allí que en las bajas.

Como comentario general, si estás planeando jugar con ultrasonidos bajos usando componentes de audio de consumo, tu reto puede estar más en el recibiendo que en el de envío, ya que los micrófonos de condensador más comunes se desinflan sustancialmente entre 15-20 KHz (aunque algunos de los más pequeños trabajan más alto). Por el contrario, los sensores MEMS de silicio de salida analógica suelen ser buenos hasta frecuencias mucho más altas, y se utilizan fuera de la etiqueta en detectores de murciélagos. Son habituales en los smartphones, que parecen oír hasta el límite impuesto por sus filtros antialiasing.

Answer 2

No. Los altavoces "activos" con su propia fuente de alimentación y amplificador suelen tener filtros que se atenúan por encima de los 22kHz. No están diseñados para poder emitir ultrasonidos, y el filtrado está ahí para eliminar el ruido inducido de otras fuentes.

Es posible que puedas obtener ultrasonidos muy débiles de un pequeño altavoz pasivo, pero de nuevo no está diseñado para frecuencias por encima del audio.

Answer 3

Es mejor probarlo. Yo lo hice dos veces, una en los años noventa, con el primitivo "altavoz de PC" magnético de la época, la segunda vez, más recientemente, con altavoces de gama baja integrados en un portátil. Es una experiencia bastante emocionante cuando dos personas están escuchando una al lado de la otra y una oye el silencio perfecto, mientras que la otra oye un ruido insoportablemente alto y agudo.

Algunos hallazgos que me sorprendieron:

• Incluso entre los adolescentes, la variación de las frecuencias de los umbrales es enorme. Las personas que no se consideran a sí mismas como discapacitadas auditivas suelen tener umbrales de 10KHz, 14 KHz, 16 KHz, y rara vez mucho más.
• Los umbrales suelen ser mucho más bajos que el límite de los libros de texto de 20 KHz.
• Los criterios son importantes. Ser capaz de detectar un sonido continuo es más difícil que ser capaz de detectar un sonido que se enciende y se apaga. Pero esto sólo importa cuando estás muy cerca de tu umbral.
• La forma de la onda importa (un poco).
• Incluso un leve ruido de fondo importa (un poco).
• Dicho esto, el umbral superior está mucho mejor definido que el inferior. En otras palabras, hay silencio por encima del rango de sonido, y hay vibración por debajo del rango de sonido. Esto se aplica a personas suficientemente jóvenes y sanas.

Como puede ver (er, oír), el "ultrasonido" es un concepto muy subjetivo e incluso los altavoces de uso general más baratos pueden emitirlo.

Answer 4

Desde un papel que tenía números concretos, encontrados buscando lo que Ben Voigt sugirió, el panorama es bastante mixto. Aunque el DAC de una tarjeta de sonido moderna puede emitir 96kHz [a 192kHz de muestreo], no esperes que los altavoces de un portátil medio superen los 25kHz a un volumen perceptible (es decir, incluso si utilizas un micrófono con capacidad de ultrasonidos).

Nos dicen que este portátil T400 tenía un "controlador de audio HD de Intel Corporation 82801I (familia ICH9)" y que además,

Las pruebas realizadas anteriormente con un portátil Lenovo T410 con el códec de audio Conexant 20585 (con DAC de 192 kHz / ADC de 96 kHz) han mostrado resultados muy similares.

Pero estos son sólo un par de modelos de ordenadores (altavoces).

Además de utilizar los ultrasonidos generados por los altavoces para las comunicaciones encubiertas, otra aplicación interesante es como sonar ultrasónico; esto se utiliza para comprobar si el usuario se encuentra (o no) frente al ordenador [aprovechando las diferencias de los ultrasonidos reflejados]. Una tesis doctoral sobre este último tema es más interesante para nuestra pregunta aquí porque muestreó un par de miles de máquinas de usuarios para la emisión/recepción de una señal de onda sinusoidal de 22 kHz; la grabación se hizo en este caso con cualquier micrófono que tuviera el usuario, por lo que estas cifras son conservadoras en cuanto a la emisión de este tono de 22 kHz.

La tesis también tiene un gráfico para el ruido blanco [que puede medir múltiples frecuencias], pero el autor dice que no está muy seguro de los resultados obtenidos de esa manera debido al aliasing.

La misma cuestión de la generación de frecuencias ultrasónicas bajas se estudió para altavoces para teléfonos móviles con la intención de utilizar los ultrasonidos para detectar los cambios de posición en el interior a través de la trilateración. Un dato interesante es que, dependiendo del hardware, los altavoces de los teléfonos móviles pueden comportarse mal (causar aliasing) si se intentan emitir algunas frecuencias ultrasónicas demasiado altas:

Si el volumen está demasiado alto, los teléfonos móviles generan mucho ruido en una amplia gama de frecuencias en el rango audible al intentar generar una de las señales. En el caso de iPhone esto ocurre sólo con 21,5 y 22 KHz, pero para Hero y Navigator esto sucede en todas las frecuencias probadas. Sólo el HTC G1 parece ser casi completamente inmune a este problema. A medida que se disminuye el volumen, este problema se desvanece, y en algún momento desaparece. Por ejemplo, con el HTC Hero esto sucede en alrededor del 80% del volumen del archivo con el volumen máximo del dispositivo. Con el iPhone el ruido a 21,5 y 22 KHz desaparece completamente alrededor del 20% del volumen del archivo y del volumen del dispositivo máximo - 2.

El papel tiene algunos sprectrograms también para estos teléfonos (que no voy a reproducir aquí porque tienen un gráfico por teléfono.) y una discusión más detallada de ruido y aliasing que lo que he citado anteriormente. La conclusión parece ser que aunque se puede emitir algún ultrasonido, dependiendo del hardware, es posible que no se obtenga exactamente la frecuencia deseada/programada y la salida puede ser muy ruidosa en algunos casos, incluyendo el ruido audible.

Así que para 22-25kHz (que se consideran bajas frecuencias ultrasónicas) parece funcionar lo suficientemente bien (como en lo suficientemente fuerte) para la mayoría de las máquinas / altavoces que se pueden encontrar por ahí, aunque posiblemente con artefactos audibles en algunas configuraciones. Para frecuencias ultrasónicas más altas, quién sabe... Los datos del portátil T400 sugieren que es poco probable que funcione bien/lo suficientemente fuerte a más de 25kHz, pero no pude encontrar un estudio que muestre más máquinas. También encontré otro papel de sonar ultrasónico que utilizaba 40kHz como frecuencia elegida; aunque utilizaba un hardware de tarjeta de sonido normal de 96 kHz, optó por un altavoz piezoeléctrico ultrasónico especializado (el 400ST ) a esta frecuencia; mi opinión es que no se habrían molestado en hacerlo si los altavoces corrientes de los ordenadores fueran lo suficientemente fiables/sonoros a esta frecuencia.

Answer 5

Obviamente, la distancia por encima del rango audible varía según el modelo de altavoz, pero la respuesta general es SÍ.

Otras lecturas (búsqueda en Google):

• Red acústica encubierta