麻省理工学院的工程师们开发了一种像纸一样薄的扬声器，可以将任何表面变成声源。它只有一角硬币那么重，无论贴在什么表面上都能发出高品质的声音。这种薄膜扬声器产生的声音具有最小的失真，并且比传统扬声器消耗更少的能量。为了实现这些特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只需要三个基本步骤。使用这种技术，他们可以制造出大到足以充满汽车内部或整个房间的超薄扬声器。此外，这款薄膜扬声器可用于飞机驾驶舱等嘈杂环境中的主动降噪，通过发出相同振幅但相反相位的声音。这种灵活的设备还可用于沉浸式娱乐，例如在剧院或主题公园提供三维音频。由于它重量轻，运行所需的功率非常小，因此非常适合电池寿命有限的智能设备应用。这项研究的结果最近发表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188“拿一张看起来很薄的纸，用两个夹子夹住，插到电脑的耳机插孔上，开始听感觉真好听到它发出的声音。它可以在任何地方使用，它只需要一点点电就可以运行，”MIT.nano主任和该论文的作者VladimirBulovi说。这种薄膜扬声器是如何制造的？典型的扬声器发现在耳机或音频系统中，使用通过线圈的输入电流来产生磁场，该磁场移动扬声器膜，移动其上方的空气以产生我们听到的声音。相比之下，麻省理工学院工程师设计的新型扬声器简化了传统的设计，使用成型的压电材料薄膜。当对其施加电压时，薄膜移动，拖动其上方的空气并产生声音。大多数薄膜扬声器设计为独立式（不依赖支撑），因为膜必须自由弯曲in为了产生声音。将这些扬声器安装在一个表面上会抑制振动并阻碍它们发出声音的能力。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。他们的解决方案：不是让整个材料振动，而是让微小的圆顶在薄薄的压电材料层上振动，每个材料都单独振动。这些圆顶，每个只有几根头发那么宽，在膜的顶部和底部被间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然允许它们自由振动。相同的间隔层可保护圆顶免受日常操作中的磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。为了制造扬声器，研究人员使用激光在PET（一种轻质塑料）片材上切割出小孔。在穿孔的PET层下方，他们附着了一层非常薄（8微米）的压电材料薄膜，称为PVDF。然后，他们在粘合的薄片上抽真空，并在薄片下方施加80摄氏度的热源。由于PVDF层非常薄，来自真空和热源的压力差会导致它膨胀。PVDF无法强制穿过PET层，因此在未被PET阻挡的地方会出现微小的圆顶突起。这些突起与PET层中的孔自动对齐。然后，研究人员将PVDF的另一面与另一层PET层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的垫片。“这是一个非常简单的过程。如果我们将其与卷对卷相结合，我们可以批量生产这些扬声器，然后将它们以类似墙纸的方式贴在墙上，汽车或飞机的内部，”该论文的第一作者JinchiHan说。高质量、低功率的薄膜扬声器中的小圆顶高15微米，大约是人类头发丝厚度的六分之一，它们在振动时只能上下移动约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元，因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可??听见的声音。制造过程简单的另一个好处是它的可调性——研究人员可以改变PET上孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶振动更多的空气，产生较大的声音，但较大的圆顶也具有较低的共振频率，这会导致音频失真。在完善制造技术后，研究人员测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度以获得最佳组合。他们测试了安装在距离麦克风30厘米的墙上的薄膜扬声器的声压级（以分贝为单位）。当25伏电压以1千赫兹的频率通过该装置时，扬声器会产生66分贝的高质量声音。在10kHz时，声压级增加到86dB，大约相当于城市交通的音量。这种节能设备每平方米扬声器面积仅需要约100毫瓦的功率，而典型的家用扬声器在类似距离内产生类似声压可能消耗超过1瓦。Han解释说，由于微小的圆顶振动，而不是整个膜振动，因此扬声器具有足够高的共振频率，可以有效地用于超声应用，例如成像。超声成像使用极高频率的声波来产生图像，频率越高，产生的图像分辨率越高。Bulovi?说，该设备还可以使用超声波来检测一个人站在房间里的位置，就像蝙蝠使用回声定位一样，然后产生跟随人的移动的声波。如果薄膜振动圆顶覆盖有反射表面，它们可以用来阐明未来显示技术的发光图案。如果浸没在液体中，振动膜可以提供一种新的方式来搅拌化学品，从而使化学处理技术比批量处理方法使用更少的能量。“我们有能力通过激活可拉伸的物理表面来精确地产生空气的机械运动。这项技术的可能性是无限的，”Bulovi?说。
