Küçük bir aygıt, ses dalgalarını algılamak için örümcek ağı benzeri bir mimari kullanıyor; bu yaklaşım, termal gürültüye daha az duyarlı olan çip boyutlu mikrofonlara yol açabilir.
Bir ses dalgası geçtiğinde, insan kulağı çevredeki atmosferdeki basınç değişikliklerini algılar. Mühendisler Alexander Graham Bell’den bu yana benzer kavramlara dayalı mikrofonlar oluşturmak için basınç algılayıcı diyaframlar kullandılar.
Binghamton Üniversitesi’nden mühendisi Miles’ın artık bir alternatifi var. Miles’ın icadı, örümceklerin ipeksi ağlarının titreşimleriyle sesi duymalarından ilham alarak, ses dalgalarının ürettiği mikroskobik rüzgarları (viskoz hava akımları) algılayan yeni bir tür akustik mikrofon.
Bu ayın başlarında Kanada’nın Ottawa kentinde düzenlenen 186. Acoustical Society of America toplantısında sunulan cihazın hava akışına duyarlı tasarımı, şu anda basınca dayalı mikrofonlardan daha az hassas olsa bile, kompakt çip tabanlı mikrofonlarda sinyali geliştirmenin bir yolunu sağlayabilir.
Günümüzün stüdyo kalitesindeki mikrofonları en küçük ayrıntıyı bile yakalayabiliyor. Ne yazık ki, basınç algılayıcı diyaframı titreştiren gelişigüzel hava molekülü hareketlerinin sonucu olan termal gürültüye karşı da hassastırlar. Telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve diğer akıllı ev aletlerinde bulunan küçük silikon tabanlı mikrofonlar bu gürültü sorununa karşı özellikle savunmasızdır. Miles’a göre, “algılama alanını azaltmak gürültü cezasını da beraberinde getiriyor.”
Minik mikrofonları geliştirme arzusuyla hareket eden Miles, memelilerde ve diğer canlılarda bulunan basınca duyarlı kulak zarlarının yerine geçebilecek alternatifler bulmak için hayvanlar alemini araştırdı. Miles ve meslektaşları daha önce meyve sinekleri ve sivrisinekler gibi bazı böceklerin vücutlarındaki tüyleri kullanarak sesi nasıl algıladıklarını ve örümceklerin kendilerini saran ipek iplikleri titreştirerek sese nasıl tepki verdiklerini araştırmışlardı.
Hem kıllar hem de ağ iplikleri, son derece zayıf ses dalgalarının neden olduğu basınç değişikliklerinden ziyade ses kaynaklı hava akımlarına tepki veriyor çünkü bu tür dalgalardan etkilenmeyecek kadar ince. Miles, ses dalgalarıyla ilişkili hava hareketi için teorik bir model geliştirerek ses dalgalarının örümcek ipliği üzerindeki etkisini belirledi.
Ses dalgalarının neden olduğu hava moleküllerinin ileri-geri salınımı, ses tahrikli hava akışı olarak bilinir. Bir uçak kanadındaki sürüklemeye benzer şekilde, iplik içinden geçerken hava tarafından viskoz kuvvetler uygulanır. Hesaplamalara göre, 1 ila 50 kHz gibi son derece geniş bir frekans aralığındaki ses dalgaları, ipek ipliğin havayla aynı hızda salınmasına neden olacaktır. “Örümcek ipeği üzerinde yapılan bu çalışmalar, hava hızının sesi algılamak için mükemmel bir araç olduğunu gösterdi” diye açıklıyor.
Miles ve arkadaşları, “örümcek duyularını” kullanarak, akışı algılayan bir mikrofonu başarıyla inşa ettiler. İnce ipliklerle çalışmak zorlayıcı olabileceğinden, ekip işe daha yönetilebilir yapılar olan mikro ölçekli konsol kirişler oluşturarak başladı.
Bilim insanları, 0,5 µm kalınlığında ve farklı uzunluk ve genişliklerde silikon nitrür mikro kirişler oluşturdular. Daha sonra bunları bir silikon çip üzerindeki bir merkez deliğin etrafına yerleştirdiler. Bu mikro ışın dizisi ekip tarafından 80 Hz’in üzerindeki sesleri ve titreşimleri engellemek için tasarlanmış yankısız bir odaya yerleştirildi.
Başlangıçta, lazer hareket izleme teknikleri kullanılarak yalnızca termal gürültüye yanıt olarak mikroışınların yer değiştirmesi değerlendirildi. Daha sonra 100 ila 1000 Hz arasındaki saf ses dalgalarına yanıt olarak mikro ışınların yer değiştirmesi ölçüldü. Işın ne kadar uzun veya geniş olursa olsun, her ışın için kaydedilen hız ses dalgasıyla tam olarak eşleşti. Miles, “Sonunda, bir mikrofonu basınç yerine akışı algılayacak şekilde tasarlarsanız performanstan ödün vermeden daha küçük hale getirebileceğinizi keşfettik” diye ekliyor.
Miles, ses kaynaklı hava akışlarının çok küçük mesafelerde ve küçük hızlarda gerçekleştiğini ve bunun da başarıyı açıklamaya yardımcı olduğunu belirtiyor. Miles’a göre bu küçük ölçekli akışların viskozitesi telefon direkleri gibi büyük şeyleri etkilemiyor. Bununla birlikte, “havada yüzen toz gibi ince ölçekli şeyler etkilenir” diye ekliyor. Küçük nesnelerin akışkan dinamiği açısından çok küçük Reynolds sayıları vardır, bu da viskoz kuvvetlerin, basınç tabanlı mikrofonlarda gürültü üreten rastgele termal kuvvetler de dahil olmak üzere diğer akışkan tabanlı kuvvetlere baskın olduğunu göstermektedir.
Sese duyarlı mikro ışın aygıtı yalnızca bir kavram kanıtıdır. Araştırmacılara göre, bu tür tam işlevsel bir mikrofon muhtemelen 50-60 dBA hassasiyete sahip olacaktır, burada dBA insan işitme ağırlıklı bir ses yüksekliği ölçüsüdür. Gelecekteki tasarımlar mikro ışın hızını elektronik bir sinyale dönüştürebilir. Buna karşılık, yüksek kaliteli stüdyo tipi mikrofonlar ses seviyelerini 0 dBA gürültü tabanına kadar ölçebilir; çip tabanlı mikrofonlar 20-30 dBA’ya kadar ölçüm yapabilir. Ancak Miles, basınçlı mikrofonların 150 yıldır kullanılıyor olması nedeniyle “bize bir şans verin” diyor. “Araştırmacılar sesi algılamak için hava akışını algılama fikrini çoğunlukla göz ardı ettiler, ancak ilkeler bunun düşünülmesi gereken bir şey olduğunu gösteriyor.”
İtalya’daki Torino Politeknik Üniversitesi’nde biyo-esinlenmiş metamalzemeler konusunda uzmanlaşmış bir malzeme bilimci olan Federico Bosia, geleneksel basınç algılayıcı mikrofon tasarımından uzaklaşmanın potansiyeli olduğuna ve çok sayıda potansiyel kullanım alanı bulunduğuna inanıyor. “Doğada bulunan saç benzeri akış algılayıcı unsurların çokluğu göz önüne alındığında,” biyo-esinlenmiş başka mikrofon tasarımlarının yaratılabileceğine inanıyor.
Kaynak: physics.aps.org
