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近日，來麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們開發(fā)了一種新型超薄揚(yáng)聲器，這種靈活的薄膜設(shè)備，有可能將任何物體表面變成低功耗、高品質(zhì)的音頻源。

這種薄膜揚(yáng)聲器需要的能量僅為傳統(tǒng)揚(yáng)聲器所需能量的一小部分，但卻能夠產(chǎn)生極小失真的高品質(zhì)聲音。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的演示，手掌大小的揚(yáng)聲器，重量僅為一角硬幣，而且無論該薄膜粘合到什么表面，都可以產(chǎn)生高質(zhì)量的聲音。

為了實(shí)現(xiàn)這些特性，研究人員還開創(chuàng)了一種看似簡(jiǎn)單的制造技術(shù)，并且可以按比例放大以生產(chǎn)大到足以覆蓋汽車內(nèi)部或房間墻紙的超薄揚(yáng)聲器。使用這種方式，薄膜揚(yáng)聲器可以在嘈雜的環(huán)境（例如飛機(jī)駕駛艙）中通過產(chǎn)生相同幅度但相反相位的聲音，來提供主動(dòng)降噪（即讓兩種聲音相互抵消）功能。

此外，這種新型設(shè)備還可以用于沉浸式娛樂，比如在劇院或主題公園游樂設(shè)施中提供 3D 音頻。而且由于它重量輕且運(yùn)行所需的電量非常少，因此該設(shè)備非常適合電池壽命有限的智能設(shè)備上。

“看起來像一張薄薄的紙，在上面貼上兩個(gè)夾子，將它插入電腦的耳機(jī)端口，然后開始聽到它發(fā)出的聲音，感覺很了不起。它可以在任何地方使用，只需要一個(gè)運(yùn)行它的電力。”研究論文通訊作者、MIT.nano 主任、有機(jī)和納米結(jié)構(gòu)電子實(shí)驗(yàn)室（ONE Lab）的負(fù)責(zé)人 Vladimir Bolovi? 說。

Bulovi? 與論文第一作者、 ONE Lab 博士后 Jinchi Han，以及電氣工程教授 Jeffrey Lang 共同撰寫了這篇論文。該研究發(fā)表在 IEEE Transactions of Industrial Electronics 上。

全新的超薄揚(yáng)聲器

我們都知道，耳機(jī)或音響系統(tǒng)中的傳統(tǒng)揚(yáng)聲器使用電流輸入，當(dāng)不斷變化的電流輸入通過能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈，并推送揚(yáng)聲器膜的振動(dòng)，進(jìn)而使其上方的空氣振動(dòng)，從而產(chǎn)生我們聽到的聲音。

相比之下，這款新的揚(yáng)聲器設(shè)備，通過使用一種壓電材料（piezoelectric material）薄膜來簡(jiǎn)化揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，當(dāng)電壓施加在其上時(shí)，該薄膜會(huì)移動(dòng)，從而使其上方的空氣振動(dòng)并產(chǎn)生聲音。

由于薄膜揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)為獨(dú)立式，因此薄膜材料必須自由彎曲才能產(chǎn)生聲音。但將這些揚(yáng)聲器安裝在物體表面上會(huì)阻礙振動(dòng)并妨礙它們產(chǎn)生聲音的能力。

為了克服這個(gè)問題，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)重新考慮了薄膜揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)。他們的設(shè)計(jì)不是讓整個(gè)材料振動(dòng)，而是依靠一層薄薄的壓電材料上的微小圓頂，讓每個(gè)圓頂都單獨(dú)振動(dòng)。

（來源：MIT）

這些小圓頂，只有幾根頭發(fā)的寬度，被薄膜頂部和底部的間隔層包圍，保護(hù)它們免受安裝表面的影響，同時(shí)仍然使它們能夠自由振動(dòng)。相同的間隔層可保護(hù)圓頂在日常操作過程中免受磨損和沖擊，從而提高揚(yáng)聲器的耐用性。

制作過程看起來也十分簡(jiǎn)單。首先，研究人員使用激光在PET（這是一種輕質(zhì)塑料）薄片上切割出小孔，穿孔的 PET 下側(cè)層壓了一層非常薄的壓電材料（薄至 8 微米），稱為 PVDF；然后他們?cè)谡澈系谋∑戏绞┘诱婵眨⒃谙路绞┘?80 攝氏度的熱源。

由于 PVDF 層非常薄，真空和熱源產(chǎn)生的壓力差導(dǎo)致它膨脹。但是 PVDF 無法強(qiáng)行穿過 PET 層，因此微小的圓頂會(huì)在未被 PET 阻擋的區(qū)域突出。而這些突起與 PET 層中的孔各自對(duì)齊。然后，研究人員將 PVDF 的另一面與另一個(gè) PET 層層壓在一起，作為小圓頂和粘合表面之間的隔離物。

“這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單、直接的過程。如果我們將來將其與卷對(duì)卷（roll-to-roll）工藝集成，它將允許我們以高通量方式生產(chǎn)這些揚(yáng)聲器。這意味著它可以大量制造，就像墻紙可以覆蓋墻壁、汽車或飛機(jī)內(nèi)部。”Han 說。

高品質(zhì)、低功耗，應(yīng)用潛力無限

每個(gè)圓頂都是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)聲單元，由于圓頂高 15 微米，約為人類頭發(fā)厚度的六分之一，振動(dòng)時(shí)僅能夠上下移動(dòng)約半微米，因此需要數(shù)千個(gè)這樣的小圓頂一起振動(dòng)才能產(chǎn)生可聽的聲音。

此外，該超薄發(fā)聲設(shè)備的制造還有另一個(gè)好處，就是它的可調(diào)性，因?yàn)檠芯咳藛T可以改變 PET 中孔的大小來控制圓頂?shù)拇笮　０霃捷^大的圓頂會(huì)推動(dòng)更多的空氣并產(chǎn)生更大的聲音，但較大的圓頂也具有較低的諧振頻率（resonance frequency）。諧振頻率是設(shè)備運(yùn)行效率最高的頻率，較低的諧振頻率會(huì)導(dǎo)致音頻失真。

（來源：MIT）

經(jīng)過多次的測(cè)試，研究人員找到不同的圓頂尺寸和壓電層厚度的最佳組合。然后，他們通過將薄膜揚(yáng)聲器安裝到距離麥克風(fēng) 30 厘米的墻壁上來測(cè)試他們的薄膜揚(yáng)聲器。

當(dāng) 25 伏特的電流以 1 千赫茲（每秒 1,000 次循環(huán)的速率）通過該設(shè)備時(shí)，揚(yáng)聲器會(huì)產(chǎn)生 66 分貝的會(huì)話級(jí)別的高質(zhì)量聲音。在 10 千赫茲時(shí)，聲壓級(jí)增加到 86 分貝，與城市交通的音量水平大致相同。

這種節(jié)能揚(yáng)聲器設(shè)備每平方米面積只需要大約 100 毫瓦的功率。相比之下，一個(gè)普通的家用揚(yáng)聲器可能會(huì)消耗超過 1 瓦的功率才能在相當(dāng)?shù)木嚯x上產(chǎn)生相似的聲壓。

研究人員解釋說，由于該設(shè)備只有微小的圓頂是振動(dòng)的，而不是整個(gè)薄膜，揚(yáng)聲器具有足夠高的諧振頻率，因此還可以有效地用于超聲應(yīng)用，如超聲成像。超聲成像使用非常高頻的聲波來產(chǎn)生圖像，而更高的頻率能夠產(chǎn)生更好的圖像分辨率。

比如，該設(shè)備可以使用超聲波檢測(cè)人在房間中的站立位置，并跟蹤位置，就像蝙蝠使用回聲定位一樣。如果薄膜的振動(dòng)圓頂覆蓋有反射表面，則它們可用于為未來的顯像技術(shù)創(chuàng)建光圖案。如果浸入液體中，振動(dòng)膜還可以提供一種攪拌化學(xué)品的新方法，使化學(xué)處理技術(shù)比大批量處理方法使用更少的能量。

“我們有能力通過激活可擴(kuò)展的物理表面，來精確地產(chǎn)生空氣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。而如何使用這項(xiàng)技術(shù)的選擇是無限的，”Bulovi? 說。

參考資料：

https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426

https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

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