这种和纸张一样薄的扬声器可以将任何表面变成“音箱”

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麻省理工学院的工程师们已经开发出一种纸薄扬声器,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,同时使用传统扬声器所需能量的一小部分。研究小组展示的手动扬声器重量约为一角硬币,无论胶卷粘在什么表面,都能发出高质量的声音。


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,该技术只需要三个基本步骤,并且可以扩大规模,生产出足够大的超薄扬声器,覆盖汽车内部或为房间贴墙纸。


通过这种方式,薄膜扬声器可以在嘈杂的环境中,如飞机驾驶舱中,通过产生相同振幅但相反相位的声音,提供主动噪声抵消。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐,或许可以在剧院或主题公园提供三维音频。而且,由于该设备重量轻,运行所需的电量也很小,因此非常适合在电池寿命有限的智能设备上应用。

新兴科技公司Fariborz Maseeh主席弗拉基米尔·布洛维奇(Vladimir Bulović)说:“把看起来像一张细长的纸的东西夹在上面,插入电脑的耳机端口,然后开始听到它发出的声音,感觉非常棒。它可以在任何地方使用。只需要一点点电力就可以运行它。”


Bulović与主要作者、一位实验室博士后Jinchi Han和联合高级作者、Vitesse电气工程教授Jeffrey Lang共同撰写了这篇论文。


新方法


耳机或音响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,磁场移动扬声器膜,使其上方的空气移动,从而发出我们听到的声音。相比之下,新的扬声器简化了扬声器的设计,使用了一种成型压电材料薄膜,当电压施加在其上时,该薄膜会移动,从而移动其上方的空气并产生声音。


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,并阻碍其发声能力。


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,而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶,每个压电材料单独振动。这些圆顶每个只有几根头发的宽度,被膜顶部和底部的间隔层包围,保护它们不受安装表面的影响,同时仍能自由振动。同样的间隔层在日常操作中保护圆顶免受磨损和冲击,提高了扬声器的耐用性。


为了制造扬声器,研究人员用激光在一片薄薄的PET(一种轻质塑料)上切割小孔。他们在穿孔PET层的下面层压一层非常薄的压电材料薄膜(薄至8微米),称为PVDF。然后,他们在粘合的板材上方施加真空,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,所以微小的圆顶突出在PET没有阻挡的区域。这些突起与PET层中的孔自动对齐。然后,研究人员将PVDF的另一侧与另一个PET层层压,作为穹顶和粘合表面之间的间隔物。


这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来将其与卷对卷工艺相结合,这将使我们能够以高通量的方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造,比如墙纸覆盖墙壁、汽车或飞机内饰。

高质量、低功耗


圆顶的高度为15微米,约为人类头发厚度的六分之一,振动时只上下移动约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元,因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能发出声音。


该团队简单制造工艺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。半径较大的圆顶可以排出更多的空气,产生更多的声音,但较大的圆顶的共振频率也较低。共振频率是设备工作效率最高的频率,较低的共振频率会导致音频失真。


一旦研究人员完善了制造技术,他们测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度,以获得最佳组合。


他们将薄膜扬声器安装在离麦克风30厘米的墙上,测量以分贝为单位记录的声压级,以此测试薄膜扬声器。当25伏的电流以1千赫(每秒1000个周期)的频率通过该设备时,扬声器以66分贝的对话音量发出高质量的声音。在10千赫时,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,一个普通的家用扬声器可能会消耗超过1瓦的功率,以便在相当的距离上产生类似的声压。


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


布洛维奇说,该设备还可以像蝙蝠使用回声定位一样,使用超声波来检测人在房间里的站立位置,然后塑造声波,在人移动时跟踪人。如果薄膜的振动圆顶被反射表面覆盖,它们可以用来为未来的显示技术创造光的图案。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,使化学处理技术比大批量处理方法使用更少的能量。


布洛维奇说:“我们有能力通过激活一个可伸缩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。我认为这是制造这类超薄扬声器的一种非常有创意的方法使用光刻图案模板使胶片叠层凸起的策略非常独特,可能会在扬声器和麦克风中产生一系列新的应用。”



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