MIT開發輕薄如紙的揚聲器

作者 : MIT

這種軟性的薄膜裝置具有將任何表面變成低功耗、高品質音訊來源的潛力。

美國麻省理工學院(MIT)的工程師開發了一種如紙般輕薄的揚聲器,可以將任何表面變成主動式音訊來源。

這種薄膜揚聲器能夠產生最低失真的聲音,而且只需使用傳統揚聲器所需能量的一小部份。該團隊展示如手掌般大小的揚聲器重量約為十美分硬幣,無論薄膜黏合至什麼表面,都可以產生高品質的聲音。

為了實現這些特性,研究人員開創了一種看似簡單的製造技術,它只需要三個基本步驟,就能夠按比例放大以生產大到足以覆蓋汽車內部或房間牆紙的超薄揚聲器。

該薄膜揚聲器使用這種方式,能夠在嘈雜的環境(例如飛機駕駛艙)中產生相同振幅但相反相位的聲音,以提供主動降噪;兩種聲音相互抵消。這種軟性的裝置還可以用於沉浸式娛樂,可能透過在劇院或主題公園遊樂設施中提供3D音訊。而且由於它的重量輕且運行所需的電量非常少,因此該裝置非常適合電池壽命有限的智慧裝置應用。

Fariborz Maseeh新興技術主席、有機和奈米結構電子實驗室(ONE Lab)負責人、MIT.nano主任和該論文的作者Vladimir Bolović說:「拿一張看起來像是細長紙的東西,在上面貼上兩個夾子,並將它插入電腦的耳機埠,然後開始聽它發出的聲音,感覺非常棒。它可以在任何地方使用。而且它只需要一點點電力即可運作。」

Bulović與ONE Lab博士後研究人員Jinchi Han、電子工程Vitesse教授Jeffrey Lang共同撰寫了這篇論文。該研究已發表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》上。

一種新方法

頭戴式耳機或音訊系統中的典型揚聲器使用電流輸入,該電流輸入通過可產生磁場的線圈,而磁場移動揚聲器薄膜,移動了其上方的氣流,從而產生我們聽到的聲音。相形之下,新的揚聲器使用成形塑壓電材料薄膜來簡化揚聲器設計,當電壓施加於其上時,該薄膜會移動,從而移動其上方的空氣並產生聲音。

大多數薄膜揚聲器採取獨立式設計,因為薄膜必須自由彎曲才能產生聲音。將這些揚聲器安裝在表面上會阻礙振動並妨礙其產生聲音的能力。

為了克服這個問題,MIT的團隊重新考慮了薄膜揚聲器的設計。他們的設計不是讓整個材料振動,而是依靠一層薄薄壓電材料上的每個微小圓頂之單獨振動。這些圓頂,每個都只有幾根頭髮的寬度,被薄膜頂部和底部的間隔層包圍,並保護其免受安裝表面的影響,同時仍然使其能夠自由振動。相同的間隔層能保護圓頂在日常操作過程中免受磨損和衝擊,從而提高揚聲器的耐用性。

為了製造揚聲器,研究人員使用雷射將小孔切割成薄薄的PET,這是一種輕質塑料。他們在穿孔的PET層下面層壓了一層非常薄的壓電材料(薄至8微米),稱為PVDF。然後他們在黏合的薄片上方施加真空,並在下方施加攝氏80度的熱源。

由於PVDF層非常薄,真空和熱源產生的壓力差導致它膨脹。PVDF不能強行穿過PET層,因此微小的圓頂會在未被PET阻擋的區域突出。這些突起與PET層中的孔自對齊。然後,研究人員將PVDF的另一面與另一個PET層層壓在一起,作為圓頂和粘合表面之間的隔離物。

Han說:「這是一個非常簡單、直接的過程。如果我們將來將其與捲對捲製程整合,它將使我們能夠以高吞吐量的方式生產揚聲器。這意味著它可以大量製造像是覆蓋牆壁、汽車或飛機內部的壁紙。」

高品質、低功耗

圓頂高15微米,約為人類頭髮厚度的六分之一,振動時僅上下移動約半微米。每個圓頂都是一個單獨的發聲單元,因此需要數千個這樣的小圓頂一起振動才能產生可​​聽的聲音。

這種簡單製造過程的另一個好處是其可調性——研究人員可以改變PET中孔的大小來控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂會置換更多的空氣並產生更多的聲音,但較大的圓頂也具有較低的共振頻率。諧振頻率是設備運行效率最高的頻率,較低的諧振頻率會導致音頻失真。

一旦研究人員完善了製造技術,接下來將會測試幾種不同的圓頂尺寸和壓電層厚度,以達到最佳組合。

研究人員將薄膜揚聲器安裝到距離麥克風30cm的牆壁上來測試其薄膜揚聲器,以測量以分貝為單位的聲壓級(SPL)。當25V的電流以1kHz (每秒1,000次週期的速率)通過該裝置時,揚聲器會產生66 分貝的會話級高品質聲音。在10kHz時,聲壓級增加到86分貝,與城市交通的音量水平大致相同。

這種節能裝置每平方公尺揚聲器面積只需要大約100mW的功率。相形之下,一個普通的家庭揚聲器可能會消耗超過1W 的功率才能在相當的距離上產生相似的聲壓。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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