美国麻省理工学院研发薄膜扬声器 重量轻耗电量小

2022年05月15日 12:04 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

近日美国麻省理工学院工程师最新研发一种薄如纸张的扬声器,它可以将任何表面变成一个音频源。这种薄膜扬声器产生的音频失真最小,且消耗能量仅是传统扬声器一小部分,研究小组演示了一款手掌大小的扬声器,重量大约是1角硬币,无论这片薄膜粘在什么物体表面,都能播放高质量音频。

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薄膜扬声器产生的音频失真最小,且消耗能量仅是传统扬声器一小部分,研究小组演示了一款手掌大小的扬声器,重量大约是1角硬币,无论这片薄膜粘在什么物体表面,都能播放高质量音频。
薄膜扬声器产生的音频失真最小,且消耗能量仅是传统扬声器一小部分,研究小组演示了一款手掌大小的扬声器,重量大约是1角硬币,无论这片薄膜粘在什么物体表面,都能播放高质量音频。

为了实现这些特性,研究人员开创了一种看似简单的制造工艺,仅需三个基本步骤,可以按比例放大,制造出足以覆盖汽车内部或者贴满房间墙纸的超薄扬声器。通过这种方式,薄膜扬声器可以在嘈杂环境中(例如飞机驾驶舱)产生振幅相同、相位相反的声音,这两种声音可以互相抵消。薄膜扬声器可以用于沉浸式娱乐,例如:在剧院或者主题公园骑行时提供三维空间音频,由于它轻薄重量轻,所需电量小,非常适用电池寿命有限的智能设备应用。

美国麻省理工学院有机纳米结构电子实验室(ONE Lab)负责人弗拉基米尔·布罗维西(Vladimir Bulovic)说:“薄膜扬声器看上去像一张薄纸,连接两个夹子通电,相关端口插入电脑耳机接口,然后就能听到它发出的声音,这种体验非常神奇,它非常便携,可在任何地方使用,人们只需提供少量电源就能运行。”

布罗维西和研究同事Jinchi Han、杰弗里·朗(Jeffrey Lang)将该研究报告发表在《IEEE工业电子汇刊》上。

全新方案

耳机或者音频系统中传统扬声器使用电流输入,电流通过线圈产生磁场,磁场震动扬声器膜,使扬声膜上方空气移动,从而产生我们听到的声音。相比之下,这种新型扬声器通过使用一种压电材料制成的薄膜简化了扬声器设计,当电压施加在薄膜上时,薄膜会震动,从而移动其上方空气并产生声音。

大多数薄膜扬声器都采用独立设计,因为薄膜必须自由弯曲才能发声,将它安装在一个物体表面会阻碍其震动,影响它产生声音的能力。为了克服这个问题,麻省理工学院研究小组重新设计了薄膜扬声器,改良后不是让整个薄膜发生振动,而是依靠薄压电材料上的微型穹顶结构,每个穹顶结构单独振动,它们直径仅是人类头发的几倍,薄膜顶部和底部被间隔层包裹,保护它们不受安装表面的影响,同时还能使它们自由振动,在日常操作中,相同的间隔层保护穹顶免遭磨损和冲击,从而提高了扬声器耐用性。

为了使薄膜扬声器达到最佳效果,研究人员使用激光在PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄片上切出小孔,PET是一种轻型塑料,他们在穿孔PET薄片底部铺上一层非常薄的PVDF材料(一种压电材料),之后他们粘合薄片上方施加真空,在粘合薄片下方施加80摄氏度的热源。

由于PVDF材料非常薄,真空和热源产生的压力差导致它膨胀,PVDF材料无法强行穿透PET薄片,所以在PET薄片小孔处产生穹顶突起。之后研究人员在PVDF材料另一侧铺上一层PET薄片,作为穹顶突起和结合表面之间的间隔层。

Jinchi Han说:“这是一个非常简单、直接的过程,如果我们未来能结合卷轴式工艺,就能以高通量方式生产这些扬声器,这意味着它能批量制造,像墙纸一样覆盖在墙壁、汽车或者飞机内部。”

大多数薄膜扬声器都采用独立设计,因为薄膜必须自由弯曲才能发声,将它安装在一个物体表面会阻碍其震动,影响它产生声音的能力。
大多数薄膜扬声器都采用独立设计,因为薄膜必须自由弯曲才能发声,将它安装在一个物体表面会阻碍其震动,影响它产生声音的能力。

高品质,低功耗

穹顶结构高度仅15微米,大约是人类头发直径的六分之一,振动时它们只上下偏振0.5微米,每个穹顶都是一个单独声音发生源,所以需要数千个穹顶结构一起振动,才能产生人类听到的声音。

薄膜扬声器的另一个好处就是它的可调谐性——研究人员可以改变PET薄片小孔直径,从而控制穹顶结构大小,半径较大的穹顶结构产生更大声音,但是具有较低的共振频率,共振频率是设备操作最有效的频率,较低的共振频率会导致音频失真。

研究人员完善薄膜扬声器设计之后,测试了几种不同穹顶尺寸和压电层厚度,从而达到最佳组合效果。他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风30厘米的墙壁上,测试其声压水平(以分贝为单位),当25伏特电流以1000赫兹(每秒1000次循环)通过该设备时,扬声器会产生66分贝的高质量声音,达到10千赫兹时,声压级将增加到86分贝,大约与城市交通的音量水平相同。

该节能装置每平方米仅需电功率大约100毫瓦,相比之下,一个普通家用扬声器可能要消耗超过1瓦以上才能在相当距离产生类似的声压。Jinchi Han解释称,因为小穹顶结构不停振动,而不是整个薄膜在振动,因此扬声器可以产生足够高的共振频率,有效地用于超声领域,例如:超声成像,超声成像使用非常高的频率声波产生图像,更高的频率会产生更高分辨率图像。

该设备还可以使用超声波检测人在房间中的位置,就像蝙蝠回声定位一样,然后塑造声波来跟踪人体移动,布罗维西称,如果在薄膜振动穹顶结构覆盖一层反射表面,就可以用于创造未来派光显示技术。如果将薄膜浸入液体中,振动膜可以提供一种新的搅拌化学物质方法,使该化学处理技术比大批量处理方法消耗更少能量。

布罗维西指出,我们有能力通过激活可伸缩的物理表面来精确产生空气机械运动,该技术应用领域是无限的。

美国哥伦比亚大学电气工程系主任扬尼斯·克米西斯(Ioannis Kymissis)称,我认为这是一种非常有创意的方法,使用光刻图案模板将胶片堆叠成拱形的策略非常独特,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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