Инженеры Массачусетского технологического института разработали громкоговоритель толщиной с бумагу, который может превратить любую поверхность в активный источник звука.
Этот тонкопленочный громкоговоритель воспроизводит звук с минимальными искажениями, потребляя лишь часть энергии, необходимой для традиционного громкоговорителя. Продемонстрированная команда громкоговорителя размером с ладонь, который весит примерно столько же, может воспроизводить высококачественный звук независимо от того, к какой поверхности приклеена пленка.
Чтобы добиться этих свойств, исследователи 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.
Используемый таким образом тонкопленочный громкоговоритель может обеспечить активное шумоподавление в шумных условиях, 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 для его работы требуется очень мало энергии, он хорошо подходит для приложений на интеллектуальных устройствах, где время работы от батареи ограничено.
Удивительно, когда вы берете что-то похожее на тонкий лист бумаги, прикрепляете к нему две скрепки, подключаете его к порту для наушников вашего компьютера и начинаете слышать исходящие от него звуки. Его можно использовать где угодно. Для его работы нужно немного электроэнергии», - говорит Владимир Булович, заведующий кафедрой новых технологий в Фариборз Масее, 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 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 создает звук, который мы слышать. 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 снижать их способность воспроизводить 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 слоя ПЭТ 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 поверхностью склеивания.
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. изготавливаются в больших количествах, например, обои для стен, интерьеров автомобилей или самолетов», - говорит Хан.
Высокое качество, малое энергопотребление
Купола имеют высоту 15 микрон, что составляет примерно одну шестую толщины человеческого волоса, и они перемещаются вверх и вниз только примерно на полмикрона, когда вибрируют. Каждый купол представляет собой единый блок генерации звука, поэтому для создания слышимого звука требуются тысячи этих крошечных куполов, вибрирующих 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 различных размеров купола и толщины 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 качественный звук на разговорном уровне 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.
Устройство также может использовать ультразвук, чтобы определять, где в комнате стоит человек, точно так же, как это делают летучие мыши с помощью эхолокации, а затем формировать звуковые волны, чтобы следовать за человеком, когда он движется, говорит Булович. 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, позволяющий использовать методы химической обработки, которые могли бы 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.
Эта работа частично финансируется за счет исследовательского гранта от Ford Motor Company и подарка от Lendlease, Inc.