Naukowcy opracowali głośnik cienki jak papier

Inżynierowie MIT opracowali głośnik o grubości papieru, który może zmienić każdą powierzchnię w aktywne źródło dźwięku. Ta cienkowarstwowa konstrukcja generuje brzmienie z minimalnymi zniekształceniami, zużywając jednocześnie ułamek energii wymaganej przez tradycyjny sprzęt. Zademonstrowany przez zespół głośnik wielkości dłoni, ważący mniej więcej tyle, co dziesięciocentówka (około 4 g), może dostarczać dźwięk wysokiej jakości bez względu na powierzchnię, do której przyklejona zostanie specjalna folia. Aby osiągnąć te właściwości, naukowcy opracowali zwodniczo prostą technikę wytwarzania, która wymaga tylko trzech podstawowych kroków i może być skalowana w celu produkcji ultracienkich głośników, wystarczająco dużych, aby pokryć wnętrze samochodu lub wytapetować cały pokój.

Skonstruowany w ten sposób sprzęt może zapewnić aktywną redukcję hałasu w gwarnym otoczeniu, takim jak kokpit samolotu, generując brzmienie o tej samej amplitudzie, ale przeciwnej fazie (te dwa dźwięki znoszą się wtedy nawzajem). Można go również wykorzystać do wciągającej rozrywki, na przykład zapewniając trójwymiarowy posłuch w teatrze lub w parku rozrywki. A ponieważ głośniki takie są lekkie i wymagają jedynie niewielkiej ilości energii do działania, całość doskonale nadaje się do zastosowań w urządzeniach inteligentnych, w których żywotność baterii jest ograniczona.

„To niezwykłe wziąć coś, co wygląda jak smukła kartka papieru, przymocować do tego dwa przewody, podłączyć je do portu słuchawkowego komputera i zacząć słyszeć dźwięki. Można ów używać wszędzie” — wyjaśnia Vladimir Bulović, kierownik Laboratorium Elektroniki Organicznej i Nanostrukturalnej (ONE Lab), dyrektor MIT.nano i jeden z twórców artykułu naukowego opisującego dany sprzęt. Bulović opracował materiał z głównym autorem Jinchi Hanem i Jeffreyem Langiem, profesorem inżynierii elektrycznej Vitesse. Wyniki badań opublikowano w: „IEEE Transactions of Industrial Electronics”.

Nowe podejście

Typowy głośnik znajdujący się w słuchawkach lub systemie audio wykorzystuje prąd elektryczny, który przechodząc przez uzwojenie, generuje pole magnetyczne. Co z kolei porusza membraną w stałym polu magnetycznym magnesu, która przemieszcza powietrze nad nią, odpowiadając za powstawanie fal akustycznych. Nowy głośnik upraszcza tę konstrukcję, wykorzystując cienką warstwę materiału piezoelektrycznego, który porusza się pod wpływem przyłożonego do niego napięcia, co wprawia w ruch powietrze nad nim i generuje dźwięk. Większość urządzeń cienkowarstwowych jest zaprojektowana jako wolnostojące, ponieważ folia musi się swobodnie zginać, aby wytworzyć brzmienie. Zamontowanie całości na powierzchni utrudniłoby wibracje i zdolność do powodowania dźwięku. Aby rozwiązać ten problem zespół z MIT przeprofilował kompozycję. Zamiast wprawiać w ruch cały materiał, konstrukcję oparto na maleńkich kopułkach na cienkiej warstwie tworzywa piezoelektrycznego, z których każda drga indywidualnie. Te elementy, każdy o szerokości zaledwie kilkuset mikrometrów, są otoczone powłokami dystansowymi na górze i na dole folii, chroniącymi je przed powierzchnią, na której są zamontowane, jednocześnie umożliwiając im swobodne wibrowanie. Te same warstwy dystansowe zabezpieczają kopułki przed ścieraniem i uderzeniami podczas codziennej obsługi, zwiększając trwałość głośnika.





Aby zrealizować koncept, naukowcy wykorzystali laser celem wycięcia małych otworów w arkuszu PET. Spód tej perforowanej warstwy jest zalaminowany bardzo cienką folią o grubości 8 µm z materiału piezoelektrycznego zwanego PVDF. Następnie od górnej strony przyłożono próżnię, a od dolnej źródło ciepła o temperaturze 80°C. Ponieważ warstwa PVDF jest cienka, różnica ciśnień wytworzona przez podciśnienie i źródło ciepła spowodowała jej wybrzuszenie. PVDF nie może przebić się przez powłokę PET, więc powstają tylko małe kopułki wystające w obszarach, w których nie są przez nią blokowane. Te występy dopasowują się do otworów w warstwie PET. Następnie druga strona PVDF jest laminowana kolejną powłoką PET, aby działała jako przekładka między kopułkami a powierzchnią łączącą. „Jest to bardzo prosty, nieskomplikowany proces. Jeśli w przyszłości zintegrujemy je z roll-to-roll, umożliwiłoby to nam wytwarzanie tych głośników z dużą przepustowością, jak w przypadku tapet do pokrywania ścian, samochodów czy wnętrz samolotów” — wskazuje Han.

Wysoka jakość, niska moc

Kopułki mają 15 µm wysokości. Poruszają się w górę i w dół o około pół mikrona, gdy wibrują. Każda z nich jest pojedynczą jednostką generującą dźwięk, więc potrzeba tysięcy takowych drgających razem, aby wytworzyć słyszalne brzmienie. Dodatkową korzyścią prostego procesu produkcyjnego zastosowanego przez zespół jest jego przestrajanie — naukowcy mogą zmieniać rozmiar otworów w PET, aby kontrolować gabaryty kopuł. Elementy o obszerniejszym promieniu wypierają większy procent powietrza i wytwarzają więcej dźwięku. Acz okazalsze kopułki mają również niższą częstotliwość rezonansową. Ta ostatnia to zakres, przy którym urządzenie działa najefektywniej, a jego obniżanie prowadzi do zniekształceń w brzmieniu.

Gdy naukowcy udoskonalili technikę wytwarzania przetestowali kilka różnych rozmiarów kopuł i grubości warstw piezoelektrycznych, aby uzyskać optymalną kombinację. Sprawdzili swój cienkowarstwowy głośnik, montując go na ścianie 30 centymetrów od mikrofonu, aby zmierzyć skalę ciśnienia akustycznego rejestrowaną w decybelach. Kiedy przez urządzenie przepuszczano sygnał 25 V o częstotliwości 1 kHz, sprzęt wytwarzał wysokiej jakości dźwięk na poziomie 66 dB. Przy 10 kilohercach parametr wzrósł do 86 decybeli. To energooszczędne urządzenie wymaga tylko około 100 mW mocy na metr kwadratowy powierzchni głośnika. Przeciętna jednostka domowa może zużywać ponad 1 wat, aby wytworzyć podobne ciśnienie akustyczne, co ten system.

Ponieważ drgają malutkie kopułki, a nie cała folia, głośnik ma wystarczająco wysoką częstotliwość rezonansową, aby można go było skutecznie wykorzystać, nawet do zastosowań ultradźwiękowych, takich jak obrazowanie, wyjaśnia Han. To ostatnie posługuje się falami dźwiękowymi o bardzo wysokiej częstotliwości do generowania obrazów, a wyższe zapewniają lepszą rozdzielczość przestrzenną. Urządzenie może również posiłkować się ultradźwiękami, aby wykrywać, gdzie stoi człowiek w pokoju, tak jak robią to nietoperze za pomocą echolokacji. A następnie kształtować fale dźwiękowe, aby podążały za poruszającą się osobą, mówi Bulović. Jeśli wibrujące kopułki z cienkiej folii zostaną pokryte odblaskową powierzchnią, można je zużytkować do tworzenia wzorów świetlnych w przyszłych technologiach wyświetlania. Po zanurzeniu w cieczy drgające membrany mogą stanowić nowatorską metodę mieszania chemikaliów, umożliwiając stosowanie technik przetwarzania chemicznego, które mogą zużywać mniej energii niż obecnie stosowane ujęcia.

„Mamy sposobność precyzyjnego generowania mechanicznego ruchu powietrza poprzez aktywację fizycznej powierzchni, która jest skalowalna. Możliwości wykorzystania tej technologii są nieograniczone” — wskazuje Bulović. „Myślę, że jest to bardzo kreatywne podejście do tworzenia tej klasy ultracienkich głośników” — dodaje Ioannis Kymissis, profesor inżynierii elektrycznej i kierownik katedry inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Columbia, który nie był zaangażowany w badania. „Strategia wytwarzania kopułek przy użyciu szablonów ze wzorami fotolitograficznymi jest dość wyjątkowa i prawdopodobnie doprowadzi do szeregu nowych zastosowań w głośnikach i mikrofonach”.

Źródło: https://techxplore.com/news/2022-04-paper-thin-loudspeaker.html

Po obejrzeniu nagrania, mam wątpliwości by stwierdzić że to

ghost666 wrote:

Wysoka jakość,

Wrażenie sprawia niczym diskman z rozładowaną baterią

Ciekawe, ile czasu zajmie droga od pomysłu do jego wdrożenia w masowej skali. No i kiedy pojawią się w handlu nowe efektywne głośniki grające "nieco" lepiej od tego na filmie? Tak czy owak sądzę, że moje domowe kolumny chyba jednak spokojnie doczekają emerytury

Wychodzisz z błędnego rozumowania, że to trzeba głośniki udoskonalić. Otóż trzeba udoskonalić nie głośniki, a użytkownika owych głośników, tak żeby mu się wydawało, że to jest dźwięk wysokiej jakości. Trzeba wykonać tak zwany chwyt marketingowy.

Gdyby nie owo "udoskonalanie" przez tysiąclecia, to pewnie nadal siedziałbyś w jaskini wydłubując sobie wszy z futra. Przodkowie-jaskiniowcy to były bardzo zmyślne istoty, które miały mnóstwo czasu na myślenie. I w końcu doszły do wniosku, że lepiej jednak udoskonalać niż stosować chwyty marketingowe.

Ale obecnie kierujemy się ponownie w stronę jaskiniowców jako społeczeństwa. Na szczeście nieliczni jednak doskonalą technologię.

A co do głośników, to piezoelektryczne są znane od dziesięcioleci. Więc co tu nowego? Że wiotkie?
Spodobało mi się zdanie "Następnie od górnej strony przyłożono próżnię, a od dolnej źródło ciepła o temperaturze 80°C". I tak próbuję sobie wyobrazić jak się przykłada próżnię.

Jogesh wrote:

Ale obecnie kierujemy się ponownie w stronę jaskiniowców jako społeczeństwa

No, do tego powrotu do źródeł naprawdę mamy dość daleko. I chyba nie ma już odwrotu.

Jogesh wrote:

A co do głośników, to piezoelektryczne są znane od dziesięcioleci. Więc co tu nowego? Że wiotkie?

Tak, wiotkie. No i z tekstu wynika, że można budować bloki złożone z tysięcy takich komórek. A więc może także łatwość skalowania konstrukcji?

Jogesh wrote:

I tak próbuję sobie wyobrazić jak się przykłada próżnię.

Bardzo, ale to bardzo ostrożnie