轻薄如纸！MIT科学家研发新型高音质扬声器，应用场景充满想象

2022 年 4 月 27 日 学术头条

近日，来麻省理工学院（MIT）的工程师们开发了一种新型超薄扬声器，这种灵活的薄膜设备，有可能将任何物体表面变成低功耗、高品质的音频源。

这种薄膜扬声器需要的能量仅为传统扬声器所需能量的一小部分，但却能够产生极小失真的高品质声音。根据研究团队的演示，手掌大小的扬声器，重量仅为一角硬币，而且无论该薄膜粘合到什么表面，都可以产生高质量的声音。

为了实现这些特性，研究人员还开创了一种看似简单的制造技术，并且可以按比例放大以生产大到足以覆盖汽车内部或房间墙纸的超薄扬声器。使用这种方式，薄膜扬声器可以在嘈杂的环境（例如飞机驾驶舱）中通过产生相同幅度但相反相位的声音，来提供主动降噪（即让两种声音相互抵消）功能。

此外，这种新型设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园游乐设施中提供 3D 音频。而且由于它重量轻且运行所需的电量非常少，因此该设备非常适合电池寿命有限的智能设备上。

“看起来像一张薄薄的纸，在上面贴上两个夹子，将它插入电脑的耳机端口，然后开始听到它发出的声音，感觉很了不起。它可以在任何地方使用，只需要一个运行它的电力。”研究论文通讯作者、MIT.nano 主任、有机和纳米结构电子实验室（ONE Lab）的负责人 Vladimir Bolović 说。

Bulović 与论文第一作者、 ONE Lab 博士后 Jinchi Han，以及电气工程教授 Jeffrey Lang 共同撰写了这篇论文。该研究发表在 IEEE Transactions of Industrial Electronics 上。

全新的超薄扬声器

我们都知道，耳机或音响系统中的传统扬声器使用电流输入，当不断变化的电流输入通过能够产生磁场的线圈，并推送扬声器膜的振动，进而使其上方的空气振动，从而产生我们听到的声音。

相比之下，这款新的扬声器设备，通过使用一种压电材料（piezoelectric material）薄膜来简化扬声器设计，当电压施加在其上时，该薄膜会移动，从而使其上方的空气振动并产生声音。

由于薄膜扬声器设计为独立式，因此薄膜材料必须自由弯曲才能产生声音。但将这些扬声器安装在物体表面上会阻碍振动并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这个问题，麻省理工学院的团队重新考虑了薄膜扬声器的设计。他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠一层薄薄的压电材料上的微小圆顶，让每个圆顶都单独振动。

（来源：MIT）

这些小圆顶，只有几根头发的宽度，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。相同的间隔层可保护圆顶在日常操作过程中免受磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。

制作过程看起来也十分简单。首先，研究人员使用激光在PET（这是一种轻质塑料）薄片上切割出小孔，穿孔的 PET 下侧层压了一层非常薄的压电材料（薄至 8 微米），称为 PVDF；然后他们在粘合的薄片上方施加真空，并在下方施加 80 摄氏度的热源。

由于 PVDF 层非常薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。但是 PVDF 无法强行穿过 PET 层，因此微小的圆顶会在未被 PET 阻挡的区域突出。而这些突起与 PET 层中的孔各自对齐。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一个 PET 层层压在一起，作为小圆顶和粘合表面之间的隔离物。

“这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来将其与卷对卷（roll-to-roll）工艺集成，它将允许我们以高通量方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，就像墙纸可以覆盖墙壁、汽车或飞机内部。”Han 说。

高品质、低功耗，应用潜力无限

每个圆顶都是一个单独的发声单元，由于圆顶高 15 微米，约为人类头发厚度的六分之一，振动时仅能够上下移动约半微米，因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可听的声音。

此外，该超薄发声设备的制造还有另一个好处，就是它的可调性，因为研究人员可以改变 PET 中孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶会推动更多的空气并产生更大的声音，但较大的圆顶也具有较低的谐振频率（resonance frequency）。谐振频率是设备运行效率最高的频率，较低的谐振频率会导致音频失真。

（来源：MIT）

经过多次的测试，研究人员找到不同的圆顶尺寸和压电层厚度的最佳组合。然后，他们通过将薄膜扬声器安装到距离麦克风 30 厘米的墙壁上来测试他们的薄膜扬声器。

当 25 伏特的电流以 1 千赫兹（每秒 1,000 次循环的速率）通过该设备时，扬声器会产生 66 分贝的会话级别的高质量声音。在 10 千赫兹时，声压级增加到 86 分贝，与城市交通的音量水平大致相同。

这种节能扬声器设备每平方米面积只需要大约 100 毫瓦的功率。相比之下，一个普通的家用扬声器可能会消耗超过 1 瓦的功率才能在相当的距离上产生相似的声压。

研究人员解释说，由于该设备只有微小的圆顶是振动的，而不是整个薄膜，扬声器具有足够高的谐振频率，因此还可以有效地用于超声应用，如超声成像。超声成像使用非常高频的声波来产生图像，而更高的频率能够产生更好的图像分辨率。

比如，该设备可以使用超声波检测人在房间中的站立位置，并跟踪位置，就像蝙蝠使用回声定位一样。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面，则它们可用于为未来的显像技术创建光图案。如果浸入液体中，振动膜还可以提供一种搅拌化学品的新方法，使化学处理技术比大批量处理方法使用更少的能量。

“我们有能力通过激活可扩展的物理表面，来精确地产生空气的机械运动。而如何使用这项技术的选择是无限的，”Bulović 说。

参考资料：
https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426
https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

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