Инженеры Массачусетского технологического института разработали громкоговоритель толщиной с бумагу, который может превратить любую поверхность в активный источник звука.
Чтобы достичь этих свойств, исследователи первыми разработали обманчиво простую технологию изготовления, которая требует всего три основных шага и может быть расширена для производства ультратонких громкоговорителей, достаточно больших, чтобы покрыть внутреннюю часть автомобиля или оклеить комнату обоями.
Таким образом, тонкопленочный громкоговоритель может обеспечить активное шумоподавление в шумных местах, таких как кабина самолета, путем создания звука той же амплитуды, но с противоположной фазой; два звука компенсируют друг друга. Гибкое устройство также может быть использовано для иммерсивных развлечений, например, для обеспечения трехмерного звука в театре или аттракционе в тематическом парке. А поскольку он легкий и требует для работы такого небольшого количества энергии, устройство хорошо подходит для приложений на интеллектуальных устройствах, где время работы от батареи ограничено.
«Очень приятно взять что-то похожее на тонкий лист бумаги, прикрепить к нему два зажима, подключить его к порту для наушников вашего компьютера и начать слышать исходящие от него звуки. Его можно использовать где угодно. электроэнергии для его работы», — говорит Владимир Булович, заведующий кафедрой новых технологий Fariborz Maseeh, руководитель Лаборатории органической и наноструктурной электроники (ONE Lab), директор MIT.nano и старший автор статьи.
Булович написал статью вместе с ведущим автором Джинчи Ханом, постдоком ONE Lab, и со-старшим автором Джеффри Лэнгом, профессором электротехники Vitesse. Исследование опубликовано сегодня в IEEE Transactions of Industrial Electronics .
Новый подход
Типичный громкоговоритель, который можно найти в наушниках или аудиосистеме, использует входы электрического тока, которые проходят через катушку провода, создающую магнитное поле, которое перемещает мембрану динамика, перемещает воздух над ней, что и создает звук, который мы слышим. Напротив, новый громкоговоритель упрощает конструкцию динамика за счет использования тонкой пленки пьезоэлектрического материала определенной формы, которая перемещается при приложении к ней напряжения, что перемещает воздух над ней и генерирует звук.
Большинство тонкопленочных громкоговорителей спроектированы так, чтобы быть отдельно стоящими, потому что пленка должна свободно изгибаться для воспроизведения звука. Установка этих громкоговорителей на поверхность будет препятствовать вибрации и ограничивать их способность генерировать звук.
Чтобы решить эту проблему, команда Массачусетского технологического института переосмыслила конструкцию тонкопленочного громкоговорителя. Вместо того, чтобы вибрировать весь материал, их конструкция основана на крошечных куполах на тонком слое пьезоэлектрического материала, каждый из которых вибрирует индивидуально. Эти купола, каждый шириной всего в несколько волос, окружены прокладочными слоями сверху и снизу пленки, которые защищают их от монтажной поверхности, но при этом позволяют им свободно вибрировать. Те же прокладочные слои защищают купола от истирания и ударов при ежедневном использовании, повышая долговечность громкоговорителя.
Чтобы построить громкоговоритель, исследователи использовали лазер, чтобы прорезать крошечные отверстия в тонком листе ПЭТ, который представляет собой легкий пластик. Они ламинировали нижнюю сторону этого перфорированного ПЭТ-слоя очень тонкой пленкой (всего 8 микрон) из пьезоэлектрического материала , называемого ПВДФ. Затем они применили вакуум над склеенными листами и источник тепла при температуре 80 градусов по Цельсию под ними.
Поскольку слой ПВДФ очень тонкий, разница давлений , создаваемая вакуумом и источником тепла, вызвала его вздутие. ПВДФ не может пробиться сквозь слой ПЭТ, поэтому крошечные купола выступают в тех местах, где они не заблокированы ПЭТ. Эти выступы самовыравниваются с отверстиями в слое ПЭТ. Затем исследователи ламинируют другую сторону PVDF другим слоем PET, который действует как прокладка между куполами и связующей поверхностью.
«Это очень простой и понятный процесс. Он позволит нам производить эти громкоговорители с высокой производительностью, если в будущем мы интегрируем его с процессом рулонного производства. Это означает, что его можно будет производить в больших количествах, Например, обои для стен, салонов автомобилей или самолетов», — говорит Хан.
Высокое качество, низкая мощность
Купола имеют высоту 15 микрон, что составляет примерно одну шестую толщины человеческого волоса, и при вибрации они перемещаются вверх и вниз только примерно на полмикрона. Каждый купол представляет собой единый блок генерации звука, поэтому для создания слышимого звука требуется, чтобы тысячи этих крошечных куполов вибрировали вместе.
Дополнительным преимуществом простого процесса изготовления является его настраиваемость: исследователи могут изменять размер отверстий в ПЭТ, чтобы контролировать размер куполов. Купола с большим радиусом вытесняют больше воздуха и производят больше звука, но большие купола также имеют более низкую резонансную частоту . Резонансная частота — это частота, на которой устройство работает наиболее эффективно, а более низкая резонансная частота приводит к искажению звука.
После того, как исследователи усовершенствовали технику изготовления, они протестировали несколько куполов разных размеров и толщин пьезоэлектрического слоя, чтобы найти оптимальное сочетание.
Они протестировали свой тонкопленочный громкоговоритель, прикрепив его к стене в 30 сантиметрах от микрофона, чтобы измерить уровень звукового давления, записанный в децибелах. Когда через устройство пропускали 25 вольт электричества с частотой 1 килогерц (скорость 1000 циклов в секунду), динамик выдавал высококачественный звук разговорного уровня в 66 децибел. На частоте 10 килогерц уровень звукового давления увеличился до 86 децибел, что примерно соответствует уровню громкости городского движения.
Энергоэффективному устройству требуется всего около 100 милливатт мощности на квадратный метр площади динамика. Напротив, средний домашний громкоговоритель может потреблять более 1 Вт мощности для создания аналогичного звукового давления на сопоставимом расстоянии.
Поскольку вибрируют крошечные купола, а не вся пленка, громкоговоритель имеет достаточно высокую резонансную частоту, чтобы его можно было эффективно использовать для ультразвуковых приложений, таких как визуализация, объясняет Хан. Ультразвуковая визуализация использует звуковые волны очень высокой частоты для создания изображений, а более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение изображения.
По словам Буловича, устройство также может использовать ультразвук для определения положения человека в комнате, как это делают летучие мыши с помощью эхолокации, а затем формировать звуковые волны, чтобы следовать за человеком во время его движения. Если вибрирующие купола тонкой пленки покрыть отражающей поверхностью, их можно будет использовать для создания световых узоров для будущих технологий отображения. При погружении в жидкость вибрирующие мембраны могли бы обеспечить новый метод перемешивания химикатов, позволяя использовать методы химической обработки, которые могут потреблять меньше энергии, чем методы обработки больших партий.
«У нас есть возможность точно генерировать механическое движение воздуха, активируя масштабируемую физическую поверхность. Варианты использования этой технологии безграничны», — говорит Булович.
«Я думаю, что это очень творческий подход к созданию ультратонких динамиков такого класса», — говорит Иоаннис (Джон) Кимиссис, профессор электротехники имени Кеннета Брайера и заведующий кафедрой электротехники Колумбийского университета, который не был связан с это исследование. «Стратегия создания стопки пленки с использованием шаблонов с фотолитографическим рисунком довольно уникальна и, вероятно, приведет к ряду новых применений в динамиках и микрофонах».
Адам Зеве, Массачусетский технологический институт