Cercetătorii dezvoltă un difuzor subțire ca hârtie | Știri MIT

Inginerii MIT au dezvoltat un difuzor subțire ca hârtie, care poate transforma orice suprafață într-o sursă audio activă.

Acest difuzor cu peliculă subțire produce sunet cu distorsiuni minime în timp ce utilizează o fracțiune din energia necesară unui difuzor tradițional. Difuzorul de dimensiunea mâinii demonstrat de echipa, care cântărește aproximativ un ban, poate oferi un sunet de înaltă calitate, indiferent de suprafața pe care este lipit filmul.

Pentru a atinge aceste proprietăți, cercetătorii au dezvoltat o tehnică de fabricație înșelător de simplă, care necesită doar trei pași de bază și poate fi extinsă pentru a produce difuzoare ultra-subțiri suficient de mari pentru a acoperi interiorul unui automobil sau a tapița o cameră.

Folosit în acest fel, difuzorul cu peliculă subțire ar putea asigura anularea activă a zgomotului în medii zgomotoase, cum ar fi cabina de pilotaj a unui avion, prin generarea de sunet de aceeași amplitudine, dar fază opusa; cele două sunete se anulează reciproc. Dispozitivul flexibil ar putea fi folosit și pentru divertisment captivant, poate oferi sunet tridimensional într-un teatru sau într-un parc tematic. Și pentru că este ușor și necesită o cantitate atât de mică de putere pentru a funcționa, dispozitivul este foarte potrivit pentru aplicații pe dispozitive inteligente în care durata de viață a bateriei este limitată.

„Este remarcabil să iei ceea ce pare a fi o foaie subțire de hârtie, să-i atașezi două cleme, să-l conectezi la portul pentru căști al computerului și să începi să auzi sunetele care provin de la ea. Poate fi folosit nu doar puțină energie electrică pentru a o face. lucru”, spune Vladimir Bulović, Catedra Fariborz Maseeh în Tehnologii Emergente, Șef al Laboratorului de Electronică Organică și Nanostructurată (ONE Lab), Director al MIT .nano și autor principal al articolului.

Bulović a fost autorul lucrării împreună cu autorul principal Jinchi Han, un post-doctorat ONE Lab, și co-autorul principal Jeffrey Lang, profesor de inginerie electrică la Vitesse. Cercetarea este publicată astăzi în Tranzacții de electronice industriale IEEE.

O nouă abordare

Un difuzor tipic găsit în căști sau într-un sistem audio folosește intrări de curent electric care trec printr-o bobină de sârmă care generează un câmp magnetic, care mișcă o membrană a difuzorului, care mișcă aerul deasupra acesteia, ceea ce produce sunetul pe care îl auzim. În schimb, noul difuzor simplifică designul difuzorului utilizând o peliculă subțire de material piezoelectric în formă care se mișcă atunci când i se aplică tensiune, deplasând aerul deasupra acestuia și generând al lui.

Majoritatea difuzoarelor cu peliculă subțire sunt proiectate pentru a fi autonome, deoarece filmul trebuie să se îndoaie liber pentru a produce sunet. Montarea acestor difuzoare pe o suprafață ar preveni vibrațiile și ar împiedica capacitatea lor de a genera sunet.

Pentru a depăși această problemă, echipa MIT a reproiectat un difuzor cu peliculă subțire. În loc să vibreze întregul material, designul lor se bazează pe cupole minuscule pe un strat subțire de material piezoelectric care vibrează fiecare individual. Aceste cupole, fiecare cu doar câțiva fire de păr lățime, sunt înconjurate de straturi distanțiere în partea de sus și de jos a filmului, care le protejează de suprafața de montare, permițându-le în același timp să vibreze liber. Aceleași straturi distanțiere protejează domurile de abraziune și impact în timpul manipulării zilnice, îmbunătățind durabilitatea difuzoarelor.

Pentru a construi difuzorul, cercetătorii au folosit un laser pentru a tăia găuri mici într-o foaie subțire de PET, care este un tip de plastic ușor. Ei au laminat partea inferioară a acestui strat perforat de PET cu o peliculă foarte subțire (subțire ca 8 microni) de material piezoelectric, numit PVDF. Apoi au aplicat un vid deasupra foilor lipite și o sursă de căldură, la 80 de grade Celsius, dedesubt.

Deoarece stratul PVDF este atât de subțire, diferența de presiune creată de vid și sursa de căldură a făcut ca acesta să se umfle. PVDF nu poate să-și forțeze trecerea prin stratul de PET, astfel încât domurile minuscule ies în afara zonelor în care nu sunt blocate de PET. Aceste proeminențe se aliniază automat cu găurile din stratul PET. Cercetătorii laminează apoi cealaltă parte a PVDF cu un alt strat de PET pentru a acționa ca un distanțier între cupole și suprafața de legătură.

„Este un proces foarte simplu și direct. Acest lucru ne-ar permite să producem aceste difuzoare de mare viteză dacă le vom pune într-un proces roll-to-roll în viitor. Aceasta înseamnă că ar putea fi făcută în cantități mari, cum ar fi tapetul pentru a acoperi pereții, mașinile sau interioarele avioanelor”, spune Han.

Calitate înaltă, consum redus

Domurile au o înălțime de 15 microni, aproximativ o șesime din grosimea unui păr uman și se mișcă în sus și în jos doar cu o jumătate de micron atunci când vibrează. Fiecare dom este o singură unitate generatoare de sunet, așa că mii de aceste domuri mici trebuie să vibreze împreună pentru a produce un sunet audibil.

Un avantaj suplimentar al procesului simplu de fabricare al echipei este reglabilitatea acestuia – cercetătorii pot modifica dimensiunea găurilor din PET pentru a controla dimensiunea domurilor. Domurile cu o rază mai mare mișcă mai mult aer și produc mai mult sunet, dar domurile mai mari au și o frecvență de rezonanță mai mică. Frecvența de rezonanță este frecvența la care dispozitivul funcționează cel mai eficient, iar o frecvență de rezonanță mai mică duce la distorsiuni audio.

Odată ce cercetătorii au perfecționat tehnica de fabricație, au testat mai multe dimensiuni diferite de cupole și grosimi ale straturilor piezoelectrice pentru a ajunge la o combinație optimă.

Ei și-au testat difuzorul cu peliculă subțire montându-l pe un perete la 30 de centimetri de un microfon pentru a măsura nivelul presiunii sonore, înregistrat în decibeli. Când 25 de volți de electricitate au trecut prin dispozitiv la 1 kiloherți (o rată de 1.000 de cicluri pe secundă), difuzorul a produs un sunet de înaltă calitate la niveluri conversaționale de 66 de decibeli. La 10 kiloherți, nivelul presiunii acustice a crescut la 86 de decibeli, aproximativ același nivel de volum ca și traficul din oraș.

Dispozitivul eficient din punct de vedere energetic necesită doar aproximativ 100 de miliwați de putere pe metru pătrat de suprafață a difuzorului. În schimb, un difuzor mediu de acasă poate consuma peste 1 watt de putere pentru a genera o presiune acustică similară la o distanță comparabilă.

Deoarece cupolele minuscule vibrează, mai degrabă decât întregul film, difuzorul are o frecvență de rezonanță suficient de mare încât să poată fi utilizat eficient pentru aplicații cu ultrasunete, cum ar fi imagistica, spune Han. Imagistica cu ultrasunete folosește unde sonore de foarte înaltă frecvență pentru a produce imagini, iar frecvențele mai mari oferă o rezoluție mai bună a imaginii.

Dispozitivul ar putea folosi, de asemenea, ultrasunetele pentru a detecta locul în care se află un om într-o cameră, la fel ca liliecii utilizând ecolocația, și apoi să modeleze undele sonore pentru a urmări persoana în timp ce se mișcă, explică Bulovic. Dacă domurile vibratoare ale peliculei subțiri sunt acoperite cu o suprafață reflectorizantă, acestea ar putea fi folosite pentru a crea modele de lumină pentru viitoarele tehnologii de afișare. Dacă sunt scufundate în lichid, membranele vibrante ar putea oferi o nouă metodă de agitare a substanțelor chimice, permițând tehnici de procesare chimică care ar putea folosi mai puțină energie decât metodele cu loturi mari.

“Avem capacitatea de a genera cu precizie mișcarea mecanică a aerului prin activarea unei suprafețe fizice scalabile. Opțiunile de utilizare a acestei tehnologii sunt nelimitate”, spune Bulović.

„Cred că este o abordare foarte creativă pentru a crea această clasă de difuzoare ultra-subțiri”, spune Ioannis (John) Kymissis, profesor Kenneth Brayer de Inginerie Electrică și președinte al Departamentului de Inginerie Electrică de la Universitatea Columbia, care nu a participat la acest studiu. cercetare. „Strategia domului cu stiva de film care utilizează modele modelate fotolitografice este destul de unică și probabil să conducă la o serie de noi aplicații în difuzoare și microfoane”.

Această activitate este susținută, în parte, de Ford Motor Company Fellowship și de o donație de la Lendlease, Inc.

.

Add Comment