Un pequeño disco piezoeléctrico puede captar vibraciones, pero también puede realizar el proceso inverso: recibir una señal eléctrica y producir sonido.
Esta es una de las aplicaciones del componente conocido popularmente como cristal piezoeléctrico. El mismo principio que permite utilizarlo como sensor también está detrás de dispositivos sonoros, incluido el tweeter piezoeléctrico.
En este video, presento una introducción a una serie de tres videos sobre otras funciones del piezo, centrándome en su utilización como emisor de sonido.
¿Qué es el cristal piezoeléctrico?
El nombre “cristal piezoeléctrico” se utiliza bastante en proyectos de electrónica. Sin embargo, en los pequeños discos que se encuentran en muchos dispositivos sonoros, normalmente tenemos una cerámica piezoeléctrica adherida a una lámina metálica.
Esta estructura forma un diafragma: una pieza capaz de deformarse y vibrar.
No debemos confundir este disco con el cristal de cuarzo utilizado para establecer frecuencias en osciladores. Aunque ambos implican propiedades piezoeléctricas, su construcción y sus aplicaciones son diferentes.
El efecto piezoeléctrico funciona en ambos sentidos
Para comprender las aplicaciones del piezo, conviene distinguir dos fenómenos.
| Efecto | Qué sucede | Ejemplo de aplicación |
|---|---|---|
| Piezoeléctrico directo | Una deformación mecánica genera una respuesta eléctrica | Sensor de vibración o captador de contacto |
| Piezoeléctrico inverso | Un campo eléctrico provoca una deformación mecánica | Emisor sonoro o tweeter piezoeléctrico |
Cuando utilizamos el componente como captador, queremos transformar la vibración en una señal eléctrica.
Cuando lo utilizamos como emisor sonoro, queremos transformar una señal eléctrica en vibración.
Esta posibilidad de conversión en ambos sentidos hace que el piezo sea especialmente interesante para experimentos de electrónica aplicada al audio.
¿Cómo produce sonido el piezo?
Al aplicar una tensión adecuada a la cerámica piezoeléctrica, esta sufre una pequeña deformación. Como está unida a la lámina metálica, esta deformación hace que el conjunto se curve.
Con una señal eléctrica variable, el movimiento se repite. El diafragma vibra y mueve el aire a su alrededor, produciendo ondas sonoras.
Por lo tanto, tenemos tres etapas:
- El componente recibe una señal eléctrica.
- El elemento piezoeléctrico provoca la vibración del diafragma.
- El movimiento del diafragma produce sonido en el aire.
Es una forma de observar cómo la electrónica puede producir movimiento mecánico, incluso cuando ese movimiento es demasiado pequeño para ser observado fácilmente.
¿El piezo funciona como un altavoz común?
Puede realizar la función de transformar una señal eléctrica en sonido, pero su mecanismo es diferente del utilizado en un altavoz dinámico convencional.
En el altavoz dinámico, la corriente circula por una bobina que interactúa con el campo magnético de un imán. Esta interacción mueve el conjunto conectado al cono o a la cúpula.
En el transductor piezoeléctrico, el movimiento resulta de la deformación del material piezoeléctrico.
| Característica | Altavoz dinámico | Transductor piezoeléctrico |
|---|---|---|
| Principio de movimiento | Interacción entre la corriente en la bobina y el campo magnético | Deformación del material piezoeléctrico |
| Elemento de accionamiento | Bobina móvil | Elemento piezoeléctrico |
| Construcción típica | Imán, bobina y diafragma | Cerámica piezoeléctrica y estructura vibrante |
| Aplicaciones comunes | Reproducción de audio en diferentes rangos | Avisos sonoros y reproducción de agudos, según el diseño |
La construcción influye en la respuesta sonora. Un pequeño disco de señalización no presenta necesariamente el rango de reproducción o la calidad de un transductor desarrollado para música.
¿Qué es un tweeter piezoeléctrico?
El tweeter es el transductor destinado a la reproducción de las frecuencias agudas en un sistema de audio.
Un tweeter piezoeléctrico utiliza un elemento piezo para mover su estructura vibrante y producir estos sonidos. Dependiendo del modelo, puede incluir un diafragma y una bocina que influyen en la eficiencia y la dispersión sonora.
Es importante distinguir dos situaciones:
- Un disco piezoeléctrico simple puede producir sonido y servir para experimentos.
- Un tweeter piezoeléctrico es un conjunto desarrollado para funcionar en un determinado rango de audio.
Hacer que un disco emita sonido demuestra el principio, pero no significa que tenga el rendimiento de un tweeter completo.
¿Por qué se asocia el piezo con los sonidos agudos?
En los pequeños elementos piezoeléctricos, el desplazamiento mecánico suele ser reducido y la respuesta depende bastante de las resonancias del conjunto.
La reproducción de graves con intensidad requiere un desplazamiento de aire suficiente. Un pequeño disco no está diseñado para sustituir el trabajo de un woofer.
En las aplicaciones de señalización y en los tweeters, en cambio, el diseño puede aprovechar la respuesta del elemento en frecuencias más altas.
Esto no significa que todos los piezos tengan el mismo rango de funcionamiento. Las dimensiones, los materiales, la fijación y la construcción acústica modifican el resultado.
¿Qué es la resonancia del piezo?
Un sistema mecánico tiende a responder con mayor intensidad en determinadas frecuencias.
En el piezo, esto significa que una señal puede producir un sonido más fuerte en una frecuencia y más débil en otra, incluso sin aumentar la tensión aplicada.
Este comportamiento es útil para alarmas y avisos sonoros, que pueden funcionar cerca de una frecuencia de resonancia. En la reproducción musical, sin embargo, los picos muy pronunciados pueden hacer que determinadas regiones del sonido destaquen excesivamente.
La caja y la forma de montaje también participan en esta respuesta. Por eso, el sonido de un disco suelto puede cambiar considerablemente después de instalarlo en una estructura.
El resultado sonoro depende tanto del componente como de la forma en que está montado.
¿Un buzzer y un tweeter piezoeléctrico son lo mismo?
No necesariamente.
“Buzzer” es un nombre utilizado para diferentes dispositivos de señalización sonora. Algunos poseen un circuito oscilador interno; otros necesitan recibir una señal externa.
Un buzzer activo, con oscilador interno, normalmente produce su tono de aviso cuando recibe la alimentación especificada.
Un elemento piezoeléctrico pasivo depende de una señal variable externa para producir una vibración continua. Por otro lado, un tweeter piezoeléctrico está destinado a reproducir la región aguda de una señal de audio.
Por eso, un buzzer activo no debe considerarse un sustituto directo de un tweeter para reproducir música.
¿Puedo conectar cualquier piezo directamente a un amplificador?
No debemos suponer que cualquier conexión sea adecuada.
El comportamiento eléctrico de un piezo tiene un componente capacitivo importante. Su impedancia varía con la frecuencia y también está influenciada por las resonancias del conjunto.
Esto es diferente de tratar la carga como un resistor o suponer que se comporta como un altavoz nominal de 4 u 8 ohmios.
Antes de realizar la conexión, es necesario conocer:
- Las especificaciones del elemento piezoeléctrico.
- La tensión máxima permitida.
- El rango de funcionamiento.
- Las características de la salida del amplificador.
- La red de adaptación o protección recomendada por el fabricante.
Tampoco existe una regla universal de que “un tweeter piezoeléctrico nunca necesita componentes externos”. La solución depende del transductor y del amplificador utilizados.
¿Una tensión continua hace que el disco suene continuamente?
Un disco piezoeléctrico pasivo no produce un tono continuo simplemente por recibir una tensión continua constante.
La aplicación o retirada de la tensión puede provocar una deformación transitoria y un chasquido. Para mantener el sonido, es necesaria una señal que provoque una vibración repetida.
Cuando un buzzer suena continuamente al recibir alimentación de corriente continua, existe un circuito que produce la oscilación necesaria.
Esta diferencia ayuda a comprender por qué componentes que parecen similares externamente pueden requerir diferentes formas de accionamiento.
Mira la introducción a la serie sobre el cristal piezoeléctrico
En este video, introduzco el tema y los próximos contenidos de la serie sobre el uso del piezo como emisor sonoro:
La idea central es observar cómo un componente puede conectar la electrónica y el movimiento mecánico. Cuando comprendemos esta relación, resulta más fácil entender captadores, sensores, buzzers y tweeters piezoeléctricos.
Aprende más sobre electrónica aplicada al audio
Comprender cómo una señal eléctrica se transforma en sonido es una parte importante del estudio de amplificadores, captadores y altavoces.
Si quieres profundizar en estos conceptos y aprender mediante experiencias prácticas, conoce mi Curso de Electrónica Aplicada al Audio.
Conoce el Curso de Electrónica Aplicada al Audio
Para continuar explorando gratuitamente contenidos sobre transductores, amplificadores, circuitos, pedales y otros proyectos de audio, visita también la sección de Electrónica Aplicada al Audio.