像纸一样的超薄扬声器

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麻省理工学院的工程师开发了一种薄纸扬声器,可以将任何表面变成有源音频源。

这种薄膜扬声器产生的声音失真最小,而消耗的能量只是传统扬声器的一小部分。该团队演示了一款人手大小的扬声器,重量约为一角硬币,无论薄膜粘在什么表面上,都能产生高质量的声音。

像纸一样的超薄扬声器

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,该技术只需要三个基本步骤,并且可以按比例放大以制造足够大的超薄扬声器,以覆盖汽车内部或为房间贴墙纸。

以这种方式使用,薄膜扬声器可以通过产生相同幅度但相反相位的声音,在喧嚣的环境中(例如飞机驾驶舱)提供主动降噪;这两个声音相互抵消。这种灵活的设备也可用于沉浸式娱乐,也许可以通过在剧院或主题公园中提供三维音频。而且由于它重量轻,需要少量的功率就能运行,因此该器件非常适合在电池寿命有限的智能设备上应用。

“拿起看起来像一张细长的纸,在上面贴上两个夹子,将其插入计算机的耳机端口,然后开始听到从中发出的声音。它可以在任何地方使用。人们只需要很少的电力来运行它。”Vladimir Bulović说,他是新兴技术领域的Fariborz Maseeh主席,有机和纳米结构电子实验室(ONE Lab)的负责人,麻省理工学院的主任,也是该论文的资深作者。

Bulović与主要作者Jinchi Han(ONE Lab博士后)和共同资深作者Jeffrey Lang(维特斯电气工程教授)共同撰写了这篇论文。该研究今天发表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。

新方法

在耳机或音频系统中发现的典型扬声器使用电流输入,这些电流输入通过线圈产生磁场,该磁场移动扬声器膜,移动其上方的空气,从而产生我们听到的声音。相比之下,新型扬声器通过使用一种异形压电材料的薄膜来简化扬声器设计,当施加电压时,该薄膜会移动,从而将空气移动到其上方并产生声音。

大多数薄膜扬声器设计为独立式,因为薄膜必须自由弯曲才能产生声音。将这些扬声器安装在表面上会阻碍振动并妨碍其产生声音的能力。

为了克服这个问题,麻省理工学院的团队重新考虑了薄膜扬声器的设计。他们的设计不是让整个材料振动,而是依赖于薄薄的压电材料层上的微小圆顶,每个压电材料单独振动。这些圆顶,每个只有几个头发宽度,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。相同的垫片层可保护圆顶在日常操作过程中免受磨损和冲击,从而增强扬声器的耐用性。

为了制造扬声器,研究人员使用激光将小孔切成一片薄薄的PET,这是一种轻质塑料。他们用一种非常薄的压电材料(薄至8微米)层压穿孔PET层的底面,称为PVDF。然后,他们在粘合的薄片上施加真空,并在其下方施加80摄氏度的热源。

由于PVDF层非常薄,真空和热源产生的压差导致其膨胀。PVDF不能强行穿过PET层,因此微小的圆顶在它们没有被PET阻挡的区域突出。这些突起与PET层中的孔自对齐。然后,研究人员用另一层PET层压PVDF的另一侧,以充当圆顶和粘合表面之间的垫片。

“这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来将这些扬声器与卷对卷工艺集成,它将使我们能够以高吞吐量的方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造,比如覆盖墙壁、汽车或飞机内饰的墙纸。”Han说。

高质量、低功耗

圆顶的高度为15微米,大约是人类头发厚度的六分之一,它们在振动时只能上下移动约半微米。每个圆顶都是一个声音生成单元,因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可听见的声音。

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中孔的大小以控制圆顶的大小。半径较大的圆顶会置换更多的空气并产生更多的声音,但较大的圆顶的共振频率也较低。谐振频率是器件工作效率最高的频率,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。

他们通过将薄膜扬声器安装在距离麦克风30厘米的墙壁上来测试他们的薄膜扬声器,以测量以分贝为单位记录的声压级。当25伏特的电流以1千赫兹(每秒1000个周期的速率)通过设备时,扬声器在66分贝的对话水平下产生高质量的声音。在10千赫兹时,声压级增加到86分贝,与城市交通的音量水平大致相同。

这种节能设备每平方米的扬声器面积只需要大约100毫瓦的功率。相比之下,普通的家用扬声器可能会消耗超过1瓦的功率,以在相当的距离上产生类似的声压。

Han解释说,由于微小的圆顶正在振动,而不是整个胶片,因此扬声器具有足够高的共振频率,可以有效地用于成像等超声应用。超声成像使用非常高频的声波来产生图像,而更高的频率会产生更好的图像分辨率。

Bulović说,该设备还可以使用超声波来检测人类在房间里站在哪里,就像蝙蝠使用回声定位一样,然后塑造声波以跟随人移动。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面,它们可用于为未来的显示技术创建光的图案。如果浸入液体中,振动膜可以提供一种搅拌化学品的新方法,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。”Bulović说。

文章来源:21dB声学人

原始信息源于:eurekalert

作者:Jennifer Chu,麻省理工学院新闻办公室

论文:“基于压电微圆顶阵列的超薄柔性扬声器”https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

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