MIT-ingenieurs hebben een flinterdunne luidspreker ontwikkeld die elk oppervlak in een actieve audiobron kan veranderen.
Deze dunnefilmluidspreker produceert geluid met minimale vervorming en verbruikt een fractie van de energie die een traditionele luidspreker nodig heeft. De handgrote luidspreker die het team demonstreerde, die ongeveer een dubbeltje weegt, kan geluid van hoge kwaliteit genereren, ongeacht het oppervlak waarop de film is bevestigd.
Om deze eigenschappen te bereiken, pionierden de onderzoekers met een bedrieglijk eenvoudige fabricagetechniek, die slechts drie basisstappen vereist en kan worden opgeschaald om ultradunne luidsprekers te produceren die groot genoeg zijn om de binnenkant van een auto te bedekken of om een kamer te behangen.
Op deze manier kan de dunnefilmluidspreker actieve ruisonderdrukking bieden in luidruchtige omgevingen, zoals de cockpit van een vliegtuig, door geluid te genereren met dezelfde amplitude maar in tegengestelde fase; de twee geluiden heffen elkaar op. Het flexibele apparaat kan ook worden gebruikt voor meeslepend entertainment, bijvoorbeeld door driedimensionale audio te leveren in een theater- of themaparkrit. En omdat het lichtgewicht is en zo weinig stroom nodig heeft om te werken, is het apparaat zeer geschikt voor toepassingen op slimme apparaten waar de levensduur van de batterij beperkt is.
“Het voelt opmerkelijk om iets te nemen wat lijkt op een dun vel papier, er twee clips aan vast te maken, het in de koptelefoonpoort van je computer te steken en geluiden te horen die eruit komen. Het kan overal worden gebruikt. Je hebt alleen een klein beetje nodig van elektrische stroom om het te laten werken”, zegt Vladimir Bulović, de Fariborz Maseeh-leerstoel in Emerging Technology, leider van het Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), directeur van MIT.nano en senior auteur van het artikel.
Bulović schreef de paper samen met hoofdauteur Jinchi Han, een ONE Lab-postdoc, en co-senior auteur Jeffrey Lang, de Vitesse-hoogleraar Electrical Engineering. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in IEEE Transactions of Industrial Electronics.
advertentie
Een nieuwe aanpak
Een typische luidspreker in een koptelefoon of een audiosysteem maakt gebruik van elektrische stroomingangen die door een draadspoel gaan die een magnetisch veld genereert, dat een luidsprekermembraan beweegt, dat de lucht erboven beweegt, dat het geluid maakt dat we horen. Daarentegen vereenvoudigt de nieuwe luidspreker het ontwerp van de luidspreker door gebruik te maken van een dunne film van een gevormd piëzo-elektrisch materiaal dat beweegt wanneer er spanning op wordt gezet, waardoor de lucht erboven beweegt en geluid genereert.
De meeste dunnefilmluidsprekers zijn ontworpen om vrijstaand te zijn, omdat de film vrij moet buigen om geluid te produceren. Het monteren van deze luidsprekers op een oppervlak zou de trilling belemmeren en hun vermogen om geluid te genereren belemmeren.
Om dit probleem op te lossen, heeft het MIT-team het ontwerp van een dunnefilmluidspreker heroverwogen. In plaats van het hele materiaal te laten trillen, is hun ontwerp gebaseerd op kleine koepels op een dunne laag piëzo-elektrisch materiaal die elk afzonderlijk trillen. Deze koepels, elk slechts een paar haarbreedten breed, zijn omgeven door afstandslagen aan de boven- en onderkant van de film die ze beschermen tegen het montageoppervlak terwijl ze toch vrij kunnen trillen. Dezelfde afstandslagen beschermen de koepels tegen slijtage en stoten tijdens het dagelijkse gebruik, wat de duurzaamheid van de luidspreker verbetert.
Om de luidspreker te bouwen, gebruikten de onderzoekers een laser om kleine gaatjes in een dunne laag PET te snijden, een soort lichtgewicht plastic. Ze lamineerden de onderkant van die geperforeerde PET-laag met een zeer dunne film (zo dun als 8 micron) piëzo-elektrisch materiaal, PVDF genaamd. Daarna brachten ze vacuüm boven de verlijmde platen en een warmtebron, van 80 graden Celsius, eronder.
advertentie
Omdat de PVDF-laag zo dun is, zorgde het drukverschil van het vacuüm en de warmtebron ervoor dat deze opbolde. De PVDF kan niet door de PET-laag dringen, dus kleine koepels steken uit in gebieden waar ze niet worden geblokkeerd door PET. Deze uitsteeksels richten zich vanzelf op de gaten in de PET-laag. De onderzoekers lamineren vervolgens de andere kant van de PVDF met een andere PET-laag om als afstandhouder tussen de koepels en het hechtoppervlak te dienen.
“Dit is een heel eenvoudig, rechttoe rechtaan proces. Het zou ons in staat stellen deze luidsprekers op een high-throughput-manier te produceren als we het in de toekomst integreren met een roll-to-roll-proces. Dat betekent dat het in grote hoeveelheden kan worden gefabriceerd, zoals behang om muren, auto’s of vliegtuiginterieurs te bedekken”, zegt Han.
Hoge kwaliteit, laag vermogen
De koepels zijn 15 micron hoog, ongeveer een zesde van de dikte van een mensenhaar, en ze bewegen slechts ongeveer een halve micron op en neer als ze trillen. Elke koepel is een enkele eenheid voor het genereren van geluid, dus er zijn duizenden van deze kleine koepels nodig die samen trillen om hoorbaar geluid te produceren.
Een bijkomend voordeel van het eenvoudige fabricageproces van het team is de afstembaarheid – de onderzoekers kunnen de grootte van de gaten in de PET veranderen om de grootte van de koepels te regelen. Koepels met een grotere straal verplaatsen meer lucht en produceren meer geluid, maar grotere koepels hebben ook een lagere resonantiefrequentie. Resonantiefrequentie is de frequentie waarop het apparaat het meest efficiënt werkt, en een lagere resonantiefrequentie leidt tot audiovervorming.
Nadat de onderzoekers de fabricagetechniek hadden geperfectioneerd, testten ze verschillende koepelformaten en piëzo-elektrische laagdiktes om tot een optimale combinatie te komen.
Ze testten hun dunnefilmluidspreker door deze op 30 centimeter van een microfoon aan een muur te bevestigen om het geluidsdrukniveau te meten, opgenomen in decibel. Toen 25 volt elektriciteit door het apparaat werd geleid met een snelheid van 1 kilohertz (een snelheid van 1.000 cycli per seconde), produceerde de luidspreker geluid van hoge kwaliteit met een gespreksniveau van 66 decibel. Bij 10 kilohertz nam het geluidsdrukniveau toe tot 86 decibel, ongeveer hetzelfde volumeniveau als stadsverkeer.
Het energiezuinige apparaat heeft slechts ongeveer 100 milliwatt aan vermogen per vierkante meter luidsprekeroppervlak nodig. Daarentegen kan een gemiddelde thuisluidspreker meer dan 1 watt aan stroom verbruiken om een vergelijkbare geluidsdruk op een vergelijkbare afstand te genereren.
Omdat de kleine koepels trillen, in plaats van de hele film, heeft de luidspreker een resonantiefrequentie die hoog genoeg is om effectief te kunnen worden gebruikt voor ultrasone toepassingen, zoals beeldvorming, legt Han uit. Echografie maakt gebruik van zeer hoogfrequente geluidsgolven om beelden te produceren, en hogere frequenties leveren een betere beeldresolutie op.
Het apparaat kan ook echografie gebruiken om te detecteren waar een mens in een kamer staat, net zoals vleermuizen doen met echolocatie, en vervolgens de geluidsgolven vormen om de persoon te volgen terwijl ze bewegen, zegt Bulović. Als de trillende koepels van de dunne film worden bedekt met een reflecterend oppervlak, kunnen ze worden gebruikt om lichtpatronen te creëren voor toekomstige weergavetechnologieën. Als ze in een vloeistof worden ondergedompeld, kunnen de trillende membranen een nieuwe methode bieden voor het roeren van chemicaliën, waardoor chemische verwerkingstechnieken mogelijk zijn die minder energie kunnen verbruiken dan verwerkingsmethoden voor grote batches.
“We hebben de mogelijkheid om nauwkeurig mechanische beweging van lucht te genereren door een fysiek oppervlak te activeren dat schaalbaar is. De mogelijkheden om deze technologie te gebruiken zijn onbeperkt”, zegt Bulović.
Dit werk wordt gedeeltelijk gefinancierd door de onderzoeksbeurs van de Ford Motor Company en een geschenk van Lendlease, Inc.
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Onderzoekers creëerden een ultradunne luidspreker die elk stijf oppervlak kan veranderen in een hoogwaardige, actieve audiobron. Door het fabricageproces kunnen de dunnefilmapparaten op grote schaal worden geproduceerd.
Datum van publicatie: 27 april 2022
Bron: Bijzonder | Vreemd en ongebruikelijk nieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–