物理科技生物学-PHYICA

研究人员开发出一种像纸一样薄的扬声器

技术工程 2022-06-05 21:53:31

Researchers develop a paper-thin loudspeaker麻省理工学院的研究人员开发了一种超薄扬声器,可以将任何刚性表面变成高质量的有源音源。他们引入的简单制造工艺可以使薄膜器件大规模生产。荣誉:Felice Frankel麻省理工学院的工程师们开发出了一种纸一样薄的扬声器,可以将任何表面变成有源音源。这种薄膜扬声器产生的声音失真最小,而使用的能量只是传统扬声器所需能量的一小部分。该团队展示的手掌大小的扬声器,重约一毛钱,无论薄膜粘合在什么表面,都可以产生高质量的声音。

为了实现这些特性,研究人员开创了一种看似简单的制造技术,只需要三个基本步骤,就可以按比例放大,生产出足够大的超薄扬声器,可以覆盖汽车内部或给房间贴墙纸。

以这种方式使用,薄膜扬声器可以通过产生相同振幅但相反相位的声音,在嘈杂的环境中提供主动噪声消除,例如飞机驾驶舱;这两种声音相互抵消。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐,也许是通过在剧院或主题公园里提供三维音频。由于它重量轻,运行时需要的电量很少,因此非常适合电池寿命有限的智能设备应用。

“拿起一张看起来很薄的纸,用两个夹子夹住它,把它插到你电脑的耳机接口上,然后开始听到它发出的声音,这种感觉很棒。它可以在任何地方使用。一个人只需要一点点电力就可以运行它,”新兴技术领域的Fariborz Maseeh主席、有机和纳米结构电子实验室(ONE Lab)的负责人、MIT.nano的主任、论文的高级作者Vladimir Bulovi说。

布洛维奇与第一作者金池·韩(一个实验室的博士后)和共同高级作者Jeffrey Lang(Vitesse电气工程教授)一起撰写了这篇论文。这项研究发表在今天的IEEE工业电子学报上。

新方法

耳机或音频系统中的典型扬声器使用电流输入,电流输入通过线圈产生磁场,磁场移动扬声器薄膜,移动薄膜上方的空气,从而产生我们听到的声音。相比之下,新的扬声器简化了扬声器的设计,使用了一种成型的压电材料薄膜,当电压施加在其上时,它会移动,从而移动其上的空气并产生声音。

大多数薄膜扬声器被设计成独立式,因为薄膜必须自由弯曲才能发声。将这些扬声器安装在表面上会阻碍振动,并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这个问题,麻省理工学院的团队重新思考了薄膜扬声器的设计。他们的设计不是让整个材料振动,而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶,每个圆顶单独振动。这些圆顶,每个只有几根头发宽度,被薄膜顶部和底部的间隔层包围,保护它们免受安装表面的影响,同时仍然使它们能够自由振动。相同的间隔层保护圆顶在日常操作中免受磨损和冲击,增强了扬声器的耐用性。

为了制造扬声器,研究人员使用激光在PET薄片上切割出微小的孔,PET是一种轻质塑料。他们在穿孔PET层的下面贴上一层非常薄(薄至8微米)的压电材料薄膜,称为PVDF。然后他们在粘合的薄片上施加真空,并在薄片下施加80摄氏度的热源。

鸣谢:麻省理工学院因为PVDF层太薄,真空和热源产生的压力差导致它鼓起。PVDF不能强行穿过PET层,所以微小的圆顶在没有被PET阻挡的区域突出。这些突起与PET层中的孔自对准。研究人员然后用另一层PET层压PVDF的另一面,作为圆顶和粘合表面之间的隔离物。

“这是一个非常简单明了的过程。如果我们将来将它与卷到卷工艺相结合,这将允许我们以高产量的方式生产这些扬声器。韩说:“这意味着它可以大量生产,比如用来覆盖墙壁、汽车或飞机内部的壁纸。”。

高质量、低功耗

这些圆顶高15微米,大约是人类头发厚度的六分之一,当它们振动时,只能上下移动大约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元,所以需要成千上万个这样的小圆顶一起振动才能产生听得见的声音。

该团队简单制造过程的另一个好处是它的可调性——研究人员可以改变PET上孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶能排出更多的空气,产生更多的声音,但较大的圆顶也有较低的共振频率。谐振频率是设备最有效工作的频率,较低的谐振频率会导致音频失真。

一旦研究人员完善了制造技术,他们就测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度,以达到最佳组合。

他们测试了他们的薄膜扬声器,将它安装在离麦克风30厘米的墙上,测量声压级,以分贝记录。当25伏特的电压以1千赫兹(每秒1,000周的频率)通过该装置时,扬声器产生了66分贝的高质量声音。在10千赫时,声压级增加到86分贝,大约相当于城市交通的音量。

这种节能设备每平方米扬声器面积只需要大约100毫瓦的功率。相比之下,一个普通的家庭扬声器可能消耗超过1瓦的功率,才能在可比的距离产生类似的声压。

韩解释说,因为微小的圆顶在振动,而不是整个薄膜,所以扬声器具有足够高的谐振频率,可以有效地用于超声应用,如成像。超声成像使用非常高频率的声波来产生图像,并且较高的频率产生更好的图像分辨率。

布洛维奇说,该设备还可以使用超声波来检测人站在房间的什么地方,就像蝙蝠使用回声定位一样,然后在人移动时对声波进行整形以跟随人。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面,它们可以用来为未来的显示技术创造光的图案。如果浸没在液体中,振动膜可以提供一种搅拌化学物质的新方法,使化学处理技术能够比大批量处理方法使用更少的能量。

“我们有能力通过激活可扩展的物理表面来精确地产生空气的机械运动。如何使用这项技术的选择是无限的,”布洛维奇说。

“我认为这是制造这种超薄扬声器的一种非常有创意的方法,”没有参与这项研究的哥伦比亚大学电气工程系主任肯尼斯·布雷尔电气工程教授Ioannis (John) Kymissis说。“使用光刻图案模板形成薄膜叠层的策略非常独特,很可能会导致扬声器和麦克风领域的一系列新应用。”

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