Los ingenieros del MIT han desarrollado un altavoz delgado como el papel que puede convertir cualquier superficie en una fuente de audio activa.
Este altavoz de película delgada produce sonido con una distorsión mínima y utiliza una fracción de la energía necesaria para un altavoz tradicional. El altavoz del tamaño de una mano que ha demostrado el equipo, que pesa lo mismo que una moneda de diez centavos, puede generar un sonido de alta calidad independientemente de la superficie a la que se adhiera la película.
Para conseguir estas propiedades, los investigadores fueron pioneros en una técnica de fabricación aparentemente sencilla, que sólo requiere tres pasos básicos y puede ampliarse para producir altavoces ultrafinos lo suficientemente grandes como para cubrir el interior de un automóvil o empapelar una habitación.
Utilizado de este modo, el altavoz de película fina podría proporcionar una cancelación activa del ruido en entornos ruidosos, como la cabina de un avión, generando un sonido de la misma amplitud pero de fase opuesta; los dos sonidos se anulan mutuamente. El dispositivo flexible también podría utilizarse para el entretenimiento inmersivo, quizás proporcionando audio tridimensional en un teatro o en una atracción de un parque temático. Y como es ligero y requiere tan poca energía para funcionar, el dispositivo es idóneo para aplicaciones en dispositivos inteligentes donde la duración de la batería es limitada.
"Resulta extraordinario coger lo que parece una hoja de papel delgada, sujetarla con dos clips, conectarla al puerto de auriculares del ordenador y empezar a escuchar los sonidos que emanan de ella. Se puede utilizar en cualquier sitio. Solo se necesita una pizca de energía eléctrica para que funcione", afirma Vladimir Bulović, titular de la Cátedra Fariborz Maseeh de Tecnologías Emergentes, jefe del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab), director de MIT.nano y autor principal del artículo.
Bulović escribió el artículo con el autor principal, Jinchi Han, un postdoc del Laboratorio ONE, y el coautor principal, Jeffrey Lang, el profesor de Ingeniería Eléctrica de Vitesse. La investigación se publica hoy en IEEE Transactions of Industrial Electronics.
Un nuevo enfoque
Un altavoz típico que se encuentra en los auriculares o en un sistema de audio utiliza entradas de corriente eléctrica que pasan por una bobina de alambre que genera un campo magnético, el cual mueve una membrana del altavoz, que mueve el aire por encima, que produce el sonido que oímos. En cambio, el nuevo altavoz simplifica el diseño de los altavoces al utilizar una fina película de un material piezoeléctrico con forma que se mueve cuando se aplica un voltaje sobre ella, lo que mueve el aire por encima y genera el sonido.
La mayoría de los altavoces de película fina están diseñados para ser independientes porque la película debe doblarse libremente para producir el sonido. Montar estos altavoces en una superficie impediría la vibración y dificultaría su capacidad de generar sonido.
Para superar este problema, el equipo del MIT se replanteó el diseño de un altavoz de película fina. En lugar de hacer vibrar todo el material, su diseño se basa en pequeñas cúpulas sobre una fina capa de material piezoeléctrico que vibran cada una por separado. Estas cúpulas, cada una de las cuales tiene sólo unos pocos cabellos de ancho, están rodeadas de capas espaciadoras en la parte superior e inferior de la película que las protegen de la superficie de montaje, al tiempo que les permiten vibrar libremente. Las mismas capas espaciadoras protegen las cúpulas de la abrasión y los impactos durante el manejo diario, lo que aumenta la durabilidad del altavoz.
Para construir el altavoz, los investigadores utilizaron un láser para cortar pequeños agujeros en una fina lámina de PET, un tipo de plástico ligero. Laminaron la parte inferior de esa capa de PET perforada con una película muy fina (tan fina como 8 micras) de material piezoeléctrico, llamado PVDF. A continuación, aplicaron un vacío por encima de las láminas adheridas y una fuente de calor, a 80 grados Celsius, por debajo de ellas.
Como la capa de PVDF es tan fina, la diferencia de presión creada por el vacío y la fuente de calor hizo que se abultara. El PVDF no puede abrirse paso a través de la capa de PET, por lo que sobresalen pequeñas cúpulas en las zonas en las que no están bloqueadas por el PET. Estas protuberancias se autoalinean con los agujeros de la capa de PET. A continuación, los investigadores laminan la otra cara del PVDF con otra capa de PET para que actúe como espaciador entre las cúpulas y la superficie de unión.
"Se trata de un proceso muy sencillo y directo. Nos permitiría producir estos altavoces con un alto rendimiento si lo integramos con un proceso de rollo a rollo en el futuro. Eso significa que se podrían fabricar en grandes cantidades, como si se tratara de papel pintado para cubrir paredes, coches o interiores de aviones", afirma Han.
Alta calidad, baja potencia Las cúpulas tienen 15 micras de altura, aproximadamente una sexta parte del grosor de un cabello humano, y sólo se mueven hacia arriba y hacia abajo media micra cuando vibran. Cada cúpula es una sola unidad de generación de sonido, por lo que se necesitan miles de estas diminutas cúpulas vibrando juntas para producir un sonido audible.
Una ventaja añadida del sencillo proceso de fabricación del equipo es su capacidad de ajuste: los investigadores pueden cambiar el tamaño de los agujeros del PET para controlar el tamaño de las cúpulas. Las cúpulas con un radio mayor desplazan más aire y producen más sonido, pero las cúpulas más grandes también tienen una frecuencia de resonancia más baja. La frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que el dispositivo funciona con mayor eficacia, y una frecuencia de resonancia más baja provoca distorsión del sonido.
Una vez que los investigadores perfeccionaron la técnica de fabricación, probaron diferentes tamaños de cúpula y grosores de capa piezoeléctrica para llegar a una combinación óptima.
Probaron su altavoz de película fina montándolo en una pared a 30 centímetros de un micrófono para medir el nivel de presión sonora, registrado en decibelios. Cuando se hacían pasar 25 voltios de electricidad por el dispositivo a 1 kilohercio (un ritmo de 1.000 ciclos por segundo), el altavoz producía un sonido de alta calidad a niveles conversacionales de 66 decibelios. A 10 kilohercios, el nivel de presión sonora aumentaba a 86 decibelios, más o menos el mismo nivel de volumen que el tráfico de la ciudad.
El dispositivo, de bajo consumo, sólo requiere unos 100 milivatios de potencia por metro cuadrado de superficie de altavoz. En cambio, un altavoz doméstico medio podría consumir más de 1 vatio de potencia para generar una presión sonora similar a una distancia comparable.
Como son las diminutas cúpulas las que vibran, y no toda la lámina, el altavoz tiene una frecuencia de resonancia lo suficientemente alta como para poder utilizarlo con eficacia en aplicaciones de ultrasonidos, como la obtención de imágenes, explica Han. Las imágenes por ultrasonidos utilizan ondas sonoras de muy alta frecuencia para producir imágenes, y las frecuencias más altas ofrecen una mejor resolución de imagen.
El dispositivo también podría utilizar los ultrasonidos para detectar dónde se encuentra un ser humano en una habitación, al igual que los murciélagos utilizan la ecolocalización, y luego dar forma a las ondas sonoras para seguir a la persona a medida que se mueve, afirma Bulović. Si las cúpulas vibratorias de la película fina se cubren con una superficie reflectante, podrían utilizarse para crear patrones de luz para futuras tecnologías de visualización. Si se sumergen en un líquido, las membranas vibratorias podrían proporcionar un método novedoso de agitación de productos químicos, permitiendo técnicas de procesamiento químico que podrían utilizar menos energía que los métodos de procesamiento por lotes grandes.
"Tenemos la capacidad de generar con precisión el movimiento mecánico del aire activando una superficie física que es escalable. Las opciones de uso de esta tecnología son ilimitadas", afirma Bulović.
"Creo que se trata de un enfoque muy creativo para fabricar esta clase de altavoces ultrafinos", afirma Ioannis (John) Kymissis, catedrático de Ingeniería Eléctrica Kenneth Brayer y director del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Columbia, que no participó en esta investigación. "La estrategia de abovedar la pila de láminas utilizando plantillas con patrones fotolíticos es bastante singular y probablemente dará lugar a una serie de nuevas aplicaciones en altavoces y micrófonos".
Este trabajo está financiado, en parte, por la beca de investigación de la Ford Motor Company y una donación de Lendlease, Inc.
Para más información, visite: https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426 [This is automatically translated from English]