Các kỹ sư của MIT phát triển một chiếc loa mỏng giấy, linh hoạt

Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một loại loa siêu mỏng có thể biến bất kỳ bề mặt cứng nhắc nào thành nguồn âm thanh hoạt động, chất lượng cao. Quy trình chế tạo đơn giản mà họ đưa ra có thể cho phép sản xuất các thiết bị màng mỏng trên quy mô lớn. Tín dụng: Felice Frankel

Thiết bị linh hoạt, màng mỏng có khả năng biến bất kỳ bề mặt nào thành nguồn âm thanh chất lượng cao, công suất thấp.

Các kỹ sư của MIT đã phát triển một loại loa mỏng như giấy có thể biến bất kỳ bề mặt nào thành nguồn âm thanh hoạt động.

Loa màng mỏng này tạo ra âm thanh với độ méo tiếng tối thiểu trong khi chỉ sử dụng một phần nhỏ năng lượng mà loa truyền thống yêu cầu. Chiếc loa có kích thước bằng bàn tay mà nhóm nghiên cứu đã trình diễn, nặng khoảng một xu, có thể tạo ra âm thanh chất lượng cao cho dù màng phim được kết dính ở bề mặt nào.

Để đạt được những đặc tính đáng chú ý này, các nhà nghiên cứu đã đi tiên phong trong công nghệ chế tạo đơn giản chỉ bao gồm ba bước cơ bản và có thể được mở rộng để sản xuất loa siêu mỏng đủ lớn để phủ bên trong ô tô hoặc giấy dán tường trong phòng.

Được sử dụng theo cách này, loa màng mỏng có thể cung cấp khả năng khử tiếng ồn chủ động trong môi trường ồn ào, chẳng hạn như buồng lái máy bay, bằng cách tạo ra âm thanh có cùng biên độ nhưng ngược pha; hai âm thanh triệt tiêu lẫn nhau. Thiết bị linh hoạt này cũng có thể được sử dụng để giải trí đắm chìm, có thể bằng cách cung cấp âm thanh ba chiều trong rạp hát hoặc đi công viên giải trí. Và bởi vì nó nhẹ và cần một lượng điện năng nhỏ như vậy để hoạt động, thiết bị này rất phù hợp cho các ứng dụng trên thiết bị thông minh mà thời lượng pin bị hạn chế.

“Thật đáng chú ý khi lấy thứ trông giống như một tờ giấy mảnh mai, gắn hai chiếc kẹp vào nó, cắm nó vào cổng tai nghe của máy tính và bắt đầu nghe âm thanh phát ra từ nó. Nó có thể được sử dụng ở bất cứ đâu. Vladimir Bulovic, Chủ tịch Fariborz Maseeh về Công nghệ mới nổi, lãnh đạo Phòng thí nghiệm Điện tử hữu cơ và có cấu trúc nano (ONE Lab), giám đốc MIT.nano, và tác giả cấp cao của bài báo, cho biết .

Bulovic đã viết bài báo với tác giả chính Jinchi Han, một postdoc của ONE Lab, và đồng tác giả cấp cao Jeffrey Lang, Giáo sư Kỹ thuật Điện của Vitesse. Nghiên cứu được công bố ngày hôm nay (26 tháng 4 năm 2022) trên IEEE Trans Transaction of Industrial Electronics .

Một cách tiếp cận mới

Loa thông thường được tìm thấy trong tai nghe hoặc hệ thống âm thanh sử dụng đầu vào dòng điện đi qua cuộn dây tạo ra từ trường, làm di chuyển màng loa, di chuyển không khí bên trên nó, tạo ra âm thanh mà chúng ta nghe thấy. Ngược lại, loa mới đơn giản hóa thiết kế loa bằng cách sử dụng một màng mỏng của vật liệu áp điện có hình dạng di chuyển khi có điện áp đặt lên nó, làm di chuyển không khí bên trên nó và tạo ra âm thanh.

Hầu hết các loa màng mỏng được thiết kế để đặt chân đế tự do vì màng phải uốn cong tự do để tạo ra âm thanh. Việc gắn các loa này lên một bề mặt sẽ cản trở độ rung và cản trở khả năng phát ra âm thanh của chúng.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm MIT đã nghĩ lại thiết kế của một loa màng mỏng. Thay vì để toàn bộ vật liệu rung động, thiết kế của chúng dựa trên các mái vòm nhỏ trên một lớp vật liệu áp điện mỏng mà mỗi vật rung động riêng lẻ. Những mái vòm này, mỗi mái chỉ có bề ngang vài sợi tóc, được bao quanh bởi các lớp đệm ở trên và dưới của phim để bảo vệ chúng khỏi bề mặt lắp ghép trong khi vẫn cho phép chúng dao động tự do. Các lớp đệm giống nhau bảo vệ các vòm khỏi mài mòn và va đập trong quá trình xử lý hàng ngày, nâng cao độ bền của loa.

Để chế tạo loa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser để cắt những lỗ nhỏ tạo thành một tấm PET mỏng, một loại nhựa nhẹ. Họ dát mặt dưới của lớp PET đục lỗ đó bằng một màng rất mỏng (mỏng tới 8 micron) bằng vật liệu áp điện, được gọi là PVDF. Sau đó, họ áp dụng chân không bên trên các tấm ngoại quan và một nguồn nhiệt, ở 80 độ C , bên dưới chúng.

Do lớp PVDF quá mỏng nên sự chênh lệch áp suất do chân không và nguồn nhiệt tạo ra khiến nó phồng lên. PVDF không thể vượt qua lớp PET, vì vậy các vòm nhỏ nhô ra ở những khu vực mà chúng không bị PET chặn. Những phần nhô ra này tự căn chỉnh với các lỗ trên lớp PET. Sau đó, các nhà nghiên cứu cán mặt còn lại của PVDF bằng một lớp PET khác để hoạt động như một tấm đệm giữa các mái vòm và bề mặt liên kết.

“Đây là một quá trình rất đơn giản, dễ hiểu. Nó sẽ cho phép chúng tôi sản xuất những chiếc loa này theo kiểu thông lượng cao nếu chúng tôi tích hợp nó với quy trình roll-to-roll trong tương lai. Điều đó có nghĩa là nó có thể được chế tạo với số lượng lớn, như giấy dán tường để dán tường, ô tô hoặc nội thất máy bay, ”Han nói.

Chất lượng cao, điện năng thấp

Các mái vòm có chiều cao 15 micron, dày khoảng 1/6 sợi tóc người và chúng chỉ di chuyển lên xuống khoảng nửa micron khi chúng rung động. Mỗi mái vòm là một đơn vị tạo âm thanh duy nhất, vì vậy cần hàng nghìn mái vòm nhỏ này rung động cùng nhau để tạo ra âm thanh nghe được.

Một lợi ích bổ sung của quá trình chế tạo đơn giản của nhóm nghiên cứu là khả năng điều chỉnh của nó – các nhà nghiên cứu có thể thay đổi kích thước của các lỗ trong PET để kiểm soát kích thước của các mái vòm. Các vòm có bán kính lớn hơn sẽ di chuyển nhiều không khí hơn và tạo ra nhiều âm thanh hơn, nhưng các vòm lớn hơn cũng có tần số cộng hưởng thấp hơn. Tần số cộng hưởng là tần số mà thiết bị hoạt động hiệu quả nhất, và tần số cộng hưởng thấp hơn dẫn đến biến dạng âm thanh.

Sau khi các nhà nghiên cứu hoàn thiện kỹ thuật chế tạo, họ đã thử nghiệm một số kích thước mái vòm khác nhau và độ dày lớp áp điện để đi đến sự kết hợp tối ưu.

Họ đã thử nghiệm loa màng mỏng của mình bằng cách gắn nó vào tường cách micrô 30 cm để đo mức áp suất âm thanh, được ghi bằng decibel. Khi dòng điện 25 vôn được chạy qua thiết bị với tốc độ 1 kilohertz (tốc độ 1.000 chu kỳ mỗi giây), loa tạo ra âm thanh chất lượng cao ở mức độ đàm thoại 66 decibel. Ở mức 10 kilohertz, mức áp suất âm thanh tăng lên 86 decibel, tương đương mức âm lượng khi giao thông trong thành phố.

Thiết bị tiết kiệm năng lượng chỉ yêu cầu công suất khoảng 100 miliwatt cho mỗi mét vuông diện tích đặt loa. Ngược lại, một loa gia đình trung bình có thể tiêu thụ hơn 1 watt điện để tạo ra áp suất âm thanh tương tự ở một khoảng cách tương đương.

Han giải thích vì các vòm nhỏ rung động chứ không phải toàn bộ màng, nên loa có tần số cộng hưởng đủ cao để có thể sử dụng hiệu quả cho các ứng dụng siêu âm, chẳng hạn như hình ảnh. Hình ảnh siêu âm sử dụng sóng âm tần số rất cao để tạo ra hình ảnh và tần số cao hơn mang lại độ phân giải hình ảnh tốt hơn.

Thiết bị này cũng có thể sử dụng sóng siêu âm để phát hiện nơi con người đang đứng trong phòng, giống như loài dơi sử dụng khả năng định vị bằng tiếng vang và sau đó định hình sóng âm thanh để theo dõi người đó khi họ di chuyển, Bulovic nói. Nếu các vòm rung động của màng mỏng được bao phủ bởi một bề mặt phản chiếu, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các mẫu ánh sáng cho các công nghệ hiển thị trong tương lai. Nếu được ngâm trong chất lỏng, màng rung có thể cung cấp một phương pháp khuấy hóa chất mới, cho phép các kỹ thuật xử lý hóa học có thể sử dụng ít năng lượng hơn so với các phương pháp xử lý hàng loạt lớn.

“Chúng tôi có khả năng tạo ra chính xác chuyển động cơ học của không khí bằng cách kích hoạt một bề mặt vật lý có thể mở rộng. Bulovic cho biết các tùy chọn về cách sử dụng công nghệ này là vô hạn.

Ioannis (John) Kymissis, Giáo sư Kỹ thuật Điện Kenneth Brayer và Chủ tịch Khoa Kỹ thuật Điện tại Đại học Columbia , cho biết: “Tôi nghĩ đây là một cách tiếp cận rất sáng tạo để tạo ra loại loa siêu mỏng này. nghiên cứu này. “Chiến lược làm mờ chồng phim bằng cách sử dụng các mẫu có hoa văn quang học là khá độc đáo và có khả năng dẫn đến một loạt các ứng dụng mới trong loa và micrô.”

Tham khảo: “Loa linh hoạt siêu mỏng dựa trên mảng vi vòm áp điện” của Jinchi Han, Jeffrey Lang và Vladimir Bulovic, ngày 26 tháng 4 năm 2022, Giao dịch điện tử công nghiệp IEEE .
DOI: 10.1109 / TIE.2022.3150082

Công việc này được tài trợ một phần bởi khoản tài trợ nghiên cứu từ Ford Motor Company và một món quà từ Lendlease, Inc.

Theo Scitechdaily