title image

Исследователи MITнаучили стены говорить

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. Он может воспроизводить высококачественный звук независимо от того, к какой поверхности приклеена пленка.

Технология может быть расширена для производства ультратонких громкоговорителей любых размеров. Например, способных покрыть внутреннюю часть автомобиля или стены помещений.

При таком использовании тонкопленочный громкоговоритель может обеспечить активное шумоподавление в шумной среде, 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, аттракционе или в тематическом парке. А поскольку он легкий и требует для работы такого небольшого количества энергии, устройство хорошо подходит для приложений на интеллектуальных устройствах, где время работы от батареи ограничено.

Новый подход

Типичный громкоговоритель, который можно найти в наушниках или аудиосистеме, использует входы электрического тока, которые проходят через катушку провода, создающую магнитное поле. Оно перемещает мембрану динамика и воздух над ней, что и создает звук, который мы слышим. Новый громкоговоритель упрощает конструкцию динамика за счет использования тонкой пленки пьезоэлектрического материала определенной формы, которая перемещается, когда на нее подается напряжение, что приводит в движение 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 ограничивать их способность генерировать звук.

Чтобы решить эту проблему, команда Массачусетского технологического института переосмыслила конструкцию тонкопленочного громкоговорителя. 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.

С помощью лазера исследователи прорезали крошечные отверстия в тонком листе ПЭТ. Заламинировали нижнюю сторону этого перфорированного слоя ПЭТ очень тонкой пленкой (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 связующей поверхностью.

Купола имеют высоту 15 микрон, что составляет примерно одну шестую толщины человеческого волоса, и при вибрации перемещаются вверх и вниз только примерно на полмикрона. Каждый купол представляет собой единый блок генерации звука, поэтому для создания слышимого звука требуется, чтобы тысячи этих крошечных куполов вибрировали 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 куполов разных размеров и толщин пьезоэлектрического слоя, чтобы найти оптимальное сочетание.

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. Ультразвуковая визуализация использует звуковые волны очень высокой частоты для создания изображений, а более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение изображения.  

Устройство также может использовать ультразвук для определения того, 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 во время его движения. 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.

Интересно? Поделитесь с друзьями!
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Похожие статьи

Imaguru Video

Популярное