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Adam Zewe作者

MIT造出薄如紙的音響,可鋪滿全屋

這種柔性薄膜器件有可能將任何表面變成低功率、高質量的音源。


麻省理工學院的工程師們開發出了一種像紙一樣薄的揚聲器,可以將任何表面變成音源。

它的重量相當于一個 10 美分的硬幣,無論粘在什么表面上都能生成高品質的聲音。

這種薄膜揚聲器產生的聲音失真最小,而且使用的能量也比傳統揚聲器少得多。

為了實現這些特性,研究人員開創了一種看似簡單的制造技術,只需要三個基本步驟。利用這種技術,他們可以制造出足夠大的超薄揚聲器,覆蓋汽車內部或整個房間。

此外,這種薄膜揚聲器可以通過產生振幅相同但相位相反的聲音,在嘈雜的環境(如飛機駕駛艙)中進行主動降噪。這種靈活的設備還可以用于沉浸式娛樂,比如在劇院或主題公園里提供三維音頻。由于它重量輕,運行時需要的電量很少,因此非常適合電池壽命有限的智能設備應用。

這項研究成果近日發表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。


論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

「拿起一張看起來很薄的紙,用兩個夾子夾住它,把它插到你電腦的耳機接口上,然后開始聽到它發出的聲音,這種感覺很棒。它可以在任何地方使用,只需要一點點電力就可以運行,」MIT.nano 的主任、論文作者 Vladimir Bulovi 表示。

這種薄膜揚聲器是怎么做出來的?

耳機或音頻系統中常見的典型揚聲器使用電流輸入,電流通過線圈產生磁場,磁場移動揚聲器薄膜,帶動薄膜上方的空氣,從而產生我們聽到的聲音。相比之下,MIT 工程師設計的新揚聲器簡化了傳統設計,使用了一種成型的壓電材料薄膜。當電壓施加在其上時,薄膜會移動,從而帶動其上方的空氣并產生聲音。

大多數薄膜揚聲器都被設計成獨立式(不需依靠支撐物),因為薄膜必須自由彎曲才能發聲。將這些揚聲器安裝在某個表面上會阻礙振動,并妨礙它們產生聲音的能力。


為了克服這一問題,MIT 的團隊重新思考了薄膜揚聲器的設計。他們給出的方案是:不讓整個材料振動,而是依靠壓電材料薄層上的微小圓頂振動發聲,其中的每個小圓頂都是單獨振動。這些圓頂每個只有幾根頭發那么寬,被薄膜頂部和底部的間隔層包圍,保護它們免受安裝表面的影響,同時仍然使它們能夠自由振動。在日常操作中,相同的間隔層保護圓頂免受磨損和沖擊,提高了揚聲器的耐用性。


為了制造揚聲器,研究人員使用激光在 PET 薄片上切割出微小的孔,PET 是一種輕質塑料。他們在穿孔 PET 層的下面貼上一層非常?。? 微米)的壓電材料薄膜,稱為 PVDF。然后他們把粘合的薄片上方抽成真空,并在薄片下方施加 80 攝氏度的熱源。

由于 PVDF 層很薄,真空和熱源產生的壓力差導致它膨脹。PVDF 不能強行穿過 PET 層,所以在沒有被 PET 阻擋的地方會有微小的圓頂突起。這些突起與 PET 層中的孔自對準。然后,研究人員將 PVDF 的另一面與另一層 PET 層壓在一起,作為圓頂和粘合表面之間的隔離物。

「這是一個非常簡單明了的過程。如果我們將其與卷對卷制程工藝(roll-to-roll)相結合,我們就能量產這些揚聲器,然后用類似貼墻紙的方式將其覆蓋到墻壁、汽車或飛機內部?!拐撐囊蛔?Jinchi Han 表示。

高品質、低功耗

薄膜揚聲器中的小圓頂高 15 微米,大約是人類頭發厚度的六分之一,它們振動時只能上下移動大約半微米。每個圓頂都是一個單獨的發聲單元,所以需要成千上萬個這樣的小圓頂一起振動才能產生聽得見的聲音。

制造過程簡單的另一個好處是可調性強——研究人員可以改變 PET 上孔的大小來控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂能帶動更多的空氣振動,產生更大的聲音,但較大的圓頂也有較低的共振頻率,這會導致音頻失真。


在完善了制造技術之后,研究人員測試了幾種不同的圓頂尺寸和壓電層厚度,以達到最佳組合。

他們將薄膜揚聲器安裝在距離麥克風 30 厘米的墻上,測試其聲壓水平(以分貝為單位)。當 25 伏特的電壓以 1 千赫茲的頻率通過該裝置時,揚聲器產生了 66 分貝的高質量聲音。在 10 千赫時,聲壓級增加到 86 分貝,大約相當于城市交通的音量。

 
這種節能裝置每平方米揚聲器面積只需要大約 100 毫瓦的功率,相比之下,如果在類似距離內產生相近的聲壓,一個普通家用揚聲器可能要消耗超過 1 瓦特的電力。

Han 解釋說,因為是微型的拱頂在振動,而不是整個薄膜振動,揚聲器有足夠高的共振頻率,可以有效地用于超聲波應用,比如成像方面。超聲成像使用極高頻的聲波產生圖像,更高的頻率能夠產生更高分辨率的圖像。


Bulovi?表示,這種裝置還可以利用超聲波探測人類站在房間里的位置,就像蝙蝠會利用回聲定位一樣,然后跟隨人類的移動形成聲波。如果在薄膜的振動圓頂上覆蓋一層反射表面,它們可以用來為未來顯示技術的發光模式提供思路。如果被浸泡于液體中,振動膜可以提供一種攪拌化學品的新方法,使得化學處理技術能夠比大批量處理方法使用更少的能源。

「我們有能力通過激活可伸縮的物理表面,精確地生成空氣的機械運動。這種技術帶給人的想象空間是無限的?!笲ulovi?說道。

原文鏈接:https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426
理論IEEE揚聲器MIT
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