Изследователите разработват тънък като хартия говорител | Новини от MIT

Инженерите на MIT са разработили тънък като хартия високоговорител, който може да превърне всяка повърхност в активен аудио източник.

Този тънкослоен високоговорител произвежда звук с минимално изкривяване, като използва част от енергията, изисквана от традиционния високоговорител. Високоговорителят с размер на ръка, който екипът демонстрира, който тежи около стотинка, може да достави висококачествен звук, независимо от каква повърхност е залепен филмът.

За да постигнат тези свойства, изследователите разработиха измамно проста производствена техника, която изисква само три основни стъпки и може да бъде увеличена, за да произведе ултра тънки високоговорители, достатъчно големи, за да покрият интериора на автомобил или да тапицират стая.

Използван по този начин, тънкослойният високоговорител може да осигури активно шумопотискане в шумна среда, като пилотска кабина на самолета, като генерира звук със същата амплитуда, но противоположна фаза; двата звука се отменят взаимно. Гъвкавото устройство може да се използва и за потапящо забавление, може би за доставяне на триизмерен звук в театър или тематичен парк. И тъй като е леко и изисква толкова малко количество енергия за работа, устройството е много подходящо за приложения на интелигентни устройства, където животът на батерията е ограничен.

„Забележително е да вземете нещо, което изглежда като тънък лист хартия, да прикрепите към него две скоби, да го включите в порта за слушалки на компютъра си и да започнете да чувате звуците, идващи от него. Може да се използва не само малко електричество, за да го направите работа“, казва Владимир Булович, председател на Fariborz Maseeh по нововъзникващи технологии, ръководител на лабораторията за органична и наноструктурирана електроника (ONE Lab), директор на MIT .nano и главен автор на статията.

Булович е автор на статията с водещ автор Джинчи Хан, постдок на ONE Lab, и съ-водещ автор Джефри Ланг, професор по електротехника във Vitesse. Изследването е публикувано днес в IEEE Транзакции с промишлена електроника.

Нов подход

Типичен високоговорител, намиращ се в слушалки или аудио система, използва входове за електрически ток, които преминават през намотка от тел, която генерира магнитно поле, което движи мембрана на високоговорителя, която движи въздуха над нея, което произвежда звука, който чуваме. За разлика от това, новият високоговорител опростява дизайна на високоговорителя, като използва тънък филм от оформен пиезоелектричен материал, който се движи, когато към него се приложи напрежение, измества въздуха над него и генерира неговия.

Повечето тънкослойни високоговорители са проектирани да бъдат самостоятелни, тъй като филмът трябва да се огъва свободно, за да произведе звук. Монтирането на тези високоговорители върху повърхност би предотвратило вибрациите и би попречило на способността им да генерират звук.

За да преодолее този проблем, екипът на MIT преработи дизайна на тънкослоен високоговорител. Вместо да вибрира целия материал, техният дизайн разчита на малки куполи върху тънък слой от пиезоелектричен материал, който всеки вибрира поотделно. Тези куполи, всеки с ширина само няколко косми, са заобиколени от дистанционни слоеве в горната и долната част на филма, които ги предпазват от монтажната повърхност, като същевременно им позволяват да вибрират свободно. Същите дистанционни слоеве предпазват куполите от абразия и удари по време на ежедневна работа, подобрявайки издръжливостта на високоговорителите.

За да изградят високоговорителя, изследователите са използвали лазер за изрязване на малки дупки в тънък лист PET, който е лек вид пластмаса. Те ламинираха долната страна на този перфориран PET слой с много тънък филм (до 8 микрона) от пиезоелектричен материал, наречен PVDF. След това приложиха вакуум над залепените листове и източник на топлина, при 80 градуса по Целзий, отдолу.

Тъй като PVDF слоят е толкова тънък, разликата в налягането, създадена от вакуума и източника на топлина, го е причинила да набъбне. PVDF не може да си проправи път през слоя PET, така че малките куполи стърчат в области, където не са блокирани от PET. Тези издатини автоматично се подреждат с дупките в PET слоя. След това изследователите ламинират другата страна на PVDF с друг слой PET, за да действа като разделител между куполите и свързващата повърхност.

„Това е много прост и ясен процес. Това би ни позволило да произвеждаме тези високоскоростни високоговорители, ако ги включим в процес от ролка до ролка в бъдеще. Това означава, че може да се произвежда в големи количества, като тапети за покриване на стени, автомобили или интериор на самолети“, казва Хан.

Високо качество, ниска консумация

Куполите са високи 15 микрона, около една шеста от дебелината на човешката коса, и се движат нагоре и надолу само с около половин микрон, когато вибрират. Всеки купол е единична единица за генериране на звук, така че хилядите от тези малки куполи трябва да вибрират заедно, за да произведат звуков звук.

Допълнително предимство на простия производствен процес на екипа е неговата регулируемост – изследователите могат да променят размера на дупките в PET, за да контролират размера на куполите. Куполите с по-голям радиус придвижват повече въздух и произвеждат повече звук, но по-големите куполи също имат по-ниска резонансна честота. Резонансната честота е честотата, при която устройството работи най-ефективно, а по-ниската резонансна честота води до изкривяване на звука.

След като изследователите усъвършенстваха техниката на производство, те тестваха няколко различни размера на купола и дебелини на пиезоелектричния слой, за да постигнат оптимална комбинация.

Те тестваха тънкослойния си високоговорител, като го монтират на стена на 30 сантиметра от микрофона, за да измерят нивото на звуковото налягане, записано в децибели. Когато 25 волта електричество преминават през устройството при 1 килохерц (скорост от 1000 цикъла в секунда), високоговорителят произвежда висококачествен звук при разговорни нива от 66 децибела. При 10 килохерца нивото на звуковото налягане се повиши до 86 децибела, приблизително същото ниво на звука като градския трафик.

Енергийно ефективното устройство изисква само около 100 миливата мощност на квадратен метър повърхност на високоговорителя. За разлика от тях, средният домашен високоговорител може да извлече над 1 ват мощност, за да генерира подобно звуково налягане на сравнимо разстояние.

Тъй като малките куполи вибрират, а не целият филм, високоговорителят има достатъчно висока резонансна честота, за да може да се използва ефективно за ултразвукови приложения, като например изображения, казва Хан. Ултразвуковото изображение използва много високочестотни звукови вълни за създаване на изображения, а по-високите честоти дават по-добра разделителна способност на изображението.

Устройството може също да използва ултразвук, за да открие къде се намира човек в стаята, подобно на прилепите, използвайки ехолокация, след което да оформи звуковите вълни, за да проследява човека, докато се движи, казва Булович. Ако вибриращите куполи на тънкия филм са покрити с отразяваща повърхност, те могат да се използват за създаване на модели на светлина за бъдещи технологии за показване. Ако бъдат потопени в течност, вибриращите мембрани биха могли да осигурят нов метод за разбъркване на химикали, позволявайки техники за химическа обработка, които биха могли да използват по-малко енергия от методите на големи партиди.

“Имаме способността да генерираме прецизно механично движение на въздуха чрез активиране на мащабируема физическа повърхност. Възможностите за използване на тази технология са неограничени”, казва Булович.

„Мисля, че това е много креативен подход към създаването на този клас ултратънки високоговорители“, казва Йоанис (Джон) Кимисис, Кенет Брайер, професор по електротехника и председател на катедрата по електротехника в Колумбийския университет, който не е участвал в това изследвания. „Стратегията за купол с филмов купол, използваща модели с фотолитографски шарки, е доста уникална и има потенциала да доведе до редица нови приложения в високоговорителите и микрофоните.“

Тази работа е подкрепена отчасти от стипендията на Ford Motor Company и грант от Lendlease, Inc.

.

Add Comment