Výzkumníci vyvinuli reproduktor tenký jako papír
Inženýři MIT vyvinuli papírově tenký reproduktor, který dokáže proměnit jakýkoli povrch v aktivní zdroj zvuku.
Tento tenkovrstvý reproduktor produkuje zvuk s minimálním zkreslením při použití zlomku energie, kterou vyžaduje tradiční reproduktor. Reproduktor ruční velikosti, který tým předvedl a který váží zhruba jako deseti cent, dokáže generovat vysoce kvalitní zvuk bez ohledu na to, na jaký povrch je film nalepen.
K dosažení těchto vlastností výzkumníci použili jednoduchou výrobní techniku, která vyžaduje pouze tři základní kroky a lze ji zvětšit tak, aby vytvořily ultratenké reproduktory dostatečně velké na to, aby pokryly vnitřek automobilu nebo tapetovaly místnost.
Při použití tímto způsobem by tenkovrstvý reproduktor mohl poskytovat aktivní potlačení hluku v hlučných prostředích, jako je kokpit letadla, generováním zvuku stejné amplitudy, ale opačné fáze; tyto dva zvuky se navzájem ruší. Flexibilní zařízení by také mohlo být použito pro pohlcující zábavu, například poskytováním trojrozměrného zvuku v divadle nebo při jízdě v zábavním parku. A protože je lehký a vyžaduje tak malé množství energie k provozu, je zařízení vhodné pro aplikace na chytrých zařízeních, kde je omezená výdrž baterie.
"Je pozoruhodné vzít něco, co vypadá jako tenký list papíru, připevnit k němu dvě spony, zapojit to do sluchátkového portu počítače a začít slyšet zvuky, které z něj vycházejí. Dá se to použít kdekoli. Člověk potřebuje jen maličko elektrické energie pro jeho provoz,“ říká Vladimir Bulović, předseda Fariborz Maseeh v oblasti Emerging Technology, vedoucí Laboratoře organické a nanostrukturované elektroniky (ONE Lab), ředitel MIT.nano a hlavní autor článku.
Bulović napsal článek s hlavním autorem Jinchi Hanem, postdoktorem ONE Lab, a spoluautorem Jeffrey Langem, profesorem elektrotechniky Vitesse. Výzkum je dnes zveřejněn v IEEE Transactions of Industrial Electronics .
Nový přístup
Typický reproduktor nacházející se ve sluchátkách nebo audio systému využívá vstupy elektrického proudu, které procházejí cívkou drátu, která generuje magnetické pole, které pohybuje membránou reproduktoru, které pohybuje vzduchem nad ní, což vytváří zvuk, který slyšíme. Naproti tomu nový reproduktor zjednodušuje konstrukci reproduktoru použitím tenkého filmu tvarovaného piezoelektrického materiálu, který se pohybuje, když je na něj aplikováno napětí, čímž se pohybuje vzduch nad ním a generuje zvuk.
Většina tenkovrstvých reproduktorů je navržena jako volně stojící, protože film se musí volně ohýbat, aby produkoval zvuk. Montáž těchto reproduktorů na povrch by bránila vibracím a omezovala jejich schopnost generovat zvuk.
K překonání tohoto problému tým MIT přehodnotil design tenkovrstvého reproduktoru. Spíše než aby celý materiál vibroval, jejich design spoléhá na malé kupole na tenké vrstvě piezoelektrického materiálu, z nichž každá vibruje samostatně. Tyto kopule, z nichž každá má šířku jen několik vlasů, jsou obklopeny distančními vrstvami na horní a spodní straně fólie, které je chrání před montážním povrchem a zároveň jim umožňují volně vibrovat. Stejné distanční vrstvy chrání kopule před oděrem a nárazy při každodenní manipulaci, čímž zvyšují odolnost reproduktoru.
K sestavení reproduktoru vědci použili laser k vyříznutí malých otvorů do tenké fólie PET, což je typ lehkého plastu. Nalaminovali spodní stranu této perforované PET vrstvy velmi tenkým filmem (tenkým až 8 mikronů) piezoelektrického materiálu , nazývaného PVDF. Potom nad lepené plechy aplikovali vakuum a pod ně zdroj tepla o teplotě 80 stupňů Celsia.
Protože je vrstva PVDF tak tenká, tlakový rozdíl vytvořený vakuem a zdrojem tepla způsobil její vyboulení. PVDF si nemůže silou protlačit cestu PET vrstvou, takže drobné kopule vyčnívají v oblastech, kde nejsou blokovány PET. Tyto výstupky se samy vyrovnávají s otvory ve vrstvě PET. Výzkumníci poté laminují druhou stranu PVDF další PET vrstvou, která působí jako distanční vložka mezi kopulemi a spojovacím povrchem.
"Jedná se o velmi jednoduchý a přímočarý proces. Umožnil by nám vyrábět tyto reproduktory vysoce výkonným způsobem, pokud je v budoucnu integrujeme s procesem roll-to-roll. To znamená, že by se daly vyrábět ve velkém množství." jako tapety na pokrytí stěn, automobilů nebo interiérů letadel,“ říká Han.
Vysoká kvalita, nízký výkon
Kopule jsou vysoké 15 mikronů, což je asi jedna šestina tloušťky lidského vlasu, a pohybují se nahoru a dolů jen o půl mikronu, když vibrují. Každá kupole je jediná jednotka generující zvuk, takže k vytvoření slyšitelného zvuku je zapotřebí tisíců těchto malých kupolí, které spolu vibrují.
Další výhodou jednoduchého výrobního procesu týmu je jeho laditelnost – výzkumníci mohou měnit velikost otvorů v PET, aby řídili velikost kopulí. Kopule s větším poloměrem vytlačují více vzduchu a produkují více zvuku, ale větší kopule mají také nižší rezonanční frekvenci . Rezonanční frekvence je frekvence, při které zařízení pracuje nejúčinněji, a nižší rezonanční frekvence vede ke zkreslení zvuku.
Jakmile výzkumníci zdokonalili výrobní techniku, otestovali několik různých velikostí kopule a tloušťky piezoelektrické vrstvy, aby dosáhli optimální kombinace.
Svůj tenkovrstvý reproduktor otestovali tak, že jej namontovali na zeď 30 centimetrů od mikrofonu, aby změřili hladinu akustického tlaku zaznamenanou v decibelech. Když zařízením prošlo 25 voltů elektřiny při 1 kilohertzu (rychlost 1 000 cyklů za sekundu), reproduktor produkoval vysoce kvalitní zvuk s konverzační úrovní 66 decibelů. Při 10 kilohertzech se hladina akustického tlaku zvýšila na 86 decibelů, což je přibližně stejná hlasitost jako v městském provozu.
Energeticky účinné zařízení vyžaduje pouze asi 100 miliwattů výkonu na metr čtvereční plochy reproduktoru. Naproti tomu průměrný domácí reproduktor může spotřebovat více než 1 watt energie, aby vytvořil podobný akustický tlak na srovnatelnou vzdálenost.
Vzhledem k tomu, že malé kopule vibrují, spíše než celý film, má reproduktor dostatečně vysokou rezonanční frekvenci, aby mohl být efektivně použit pro ultrazvukové aplikace, jako je zobrazování, vysvětluje Han. Ultrazvukové zobrazování využívá k vytváření obrazů velmi vysoké frekvence zvukových vln a vyšší frekvence poskytují lepší rozlišení obrazu.
Zařízení by také mohlo pomocí ultrazvuku zjistit, kde v místnosti stojí člověk, stejně jako to dělají netopýři pomocí echolokace, a poté tvarovat zvukové vlny tak, aby sledovaly osobu, jak se pohybuje, říká Bulović. Pokud jsou vibrační kopule tenkého filmu pokryty reflexním povrchem, mohly by být použity k vytvoření obrazců světla pro budoucí zobrazovací technologie. Pokud jsou vibrační membrány ponořeny do kapaliny, mohly by poskytnout novou metodu míchání chemikálií, umožňující techniky chemického zpracování, které by mohly spotřebovat méně energie než metody velkodávkového zpracování.
"Máme schopnost přesně generovat mechanický pohyb vzduchu aktivací fyzického povrchu, který je škálovatelný. Možnosti použití této technologie jsou neomezené," říká Bulović.
„Myslím si, že toto je velmi kreativní přístup k výrobě této třídy ultratenkých reproduktorů,“ říká Ioannis (John) Kymissis, Kenneth Brayer, profesor elektrotechniky a předseda katedry elektrotechniky na Kolumbijské univerzitě, který se s tím nepodílel. tento výzkum. "Strategie ovládnutí svazku filmů pomocí fotolitograficky vzorovaných šablon je zcela unikátní a pravděpodobně povede k řadě nových aplikací v reproduktorech a mikrofonech."
Video: A paper-thin loudspeaker plays "We Are the Champions" by Queen - YouTube
