MIT-Ingenieure haben einen papierdünnen Lautsprecher entwickelt, der jede Oberfläche in eine aktive Audioquelle verwandeln kann.
Dieser Dünnfilm-Lautsprecher erzeugt Klang mit minimaler Verzerrung und verbraucht dabei nur einen Bruchteil der Energie, die ein herkömmlicher Lautsprecher benötigt. Der von dem Team vorgestellte handgroße Lautsprecher, der etwa so viel wiegt wie ein Zehncentstück, kann unabhängig von der Oberfläche, auf die die Folie geklebt ist, qualitativ hochwertigen Klang erzeugen.
Um diese Eigenschaften zu erreichen, haben die Forscher ein täuschend einfaches Herstellungsverfahren entwickelt, das nur drei grundlegende Schritte erfordert und mit dem ultradünne Lautsprecher hergestellt werden können, die groß genug sind, um das Innere eines Autos zu bedecken oder einen Raum zu tapezieren.
Auf diese Weise könnte der Dünnfilm-Lautsprecher in lauten Umgebungen, z. B. in einem Flugzeugcockpit, für eine aktive Geräuschunterdrückung sorgen, indem er einen Ton mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase erzeugt; die beiden Töne heben sich gegenseitig auf. Das flexible Gerät könnte auch für immersive Unterhaltung eingesetzt werden, etwa für dreidimensionalen Klang in einem Theater oder einem Themenpark. Da das Gerät leicht ist und nur wenig Strom benötigt, eignet es sich gut für Anwendungen auf intelligenten Geräten mit begrenzter Akkulaufzeit.
"Es fühlt sich bemerkenswert an, etwas zu nehmen, das wie ein schmales Blatt Papier aussieht, zwei Klammern daran zu befestigen, es in den Kopfhöreranschluss des Computers zu stecken und damit zu beginnen, Klänge zu hören, die von ihm ausgehen. Es kann überall verwendet werden. Man braucht nur ein bisschen Strom, um es zu betreiben", sagt Vladimir Bulović, Inhaber des Fariborz-Maseeh-Lehrstuhls für neue Technologien, Leiter des Labors für organische und nanostrukturierte Elektronik (ONE Lab), Direktor des MIT.nano und Hauptautor der Studie.
Bulović verfasste die Arbeit zusammen mit dem Hauptautor Jinchi Han, einem Postdoc des ONE Labs, und dem Co-Autor Jeffrey Lang, dem Vitesse Professor für Elektrotechnik. Die Forschungsarbeit wird heute in der Zeitschrift IEEE Transactions of Industrial Electronics veröffentlicht.
Ein neuer Ansatz
Ein typischer Lautsprecher, wie er in Kopfhörern oder einem Audiosystem zu finden ist, verwendet elektrische Stromzufuhr, die durch eine Drahtspule fließt, die ein Magnetfeld erzeugt, das eine Lautsprechermembran bewegt, die wiederum die darüber befindliche Luft bewegt, die den Ton erzeugt, den wir hören. Im Gegensatz dazu vereinfacht der neue Lautsprecher die Konstruktion des Lautsprechers, indem er einen dünnen Film aus einem geformten piezoelektrischen Material verwendet, der sich bewegt, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird, wodurch die darüber befindliche Luft bewegt und Schall erzeugt wird.
Die meisten Dünnfilm-Lautsprecher sind freistehend, da sich die Folie frei biegen muss, um Schall zu erzeugen. Eine Befestigung dieser Lautsprecher auf einer Oberfläche würde die Schwingung behindern und ihre Fähigkeit zur Tonerzeugung beeinträchtigen.
Um dieses Problem zu lösen, hat das MIT-Team das Design eines Dünnfilm-Lautsprechers neu überdacht. Statt das gesamte Material in Schwingung zu versetzen, setzen sie auf winzige Kuppeln auf einer dünnen Schicht aus piezoelektrischem Material, die jeweils einzeln schwingen. Diese Kuppeln, die jeweils nur wenige Haarbreiten breit sind, sind von Abstandsschichten auf der Ober- und Unterseite der Folie umgeben, die sie vor der Montagefläche schützen, aber dennoch eine freie Schwingung ermöglichen. Die gleichen Abstandsschichten schützen die Kalotten vor Abrieb und Stößen bei der täglichen Handhabung und erhöhen so die Haltbarkeit des Lautsprechers.
Für den Bau des Lautsprechers schnitten die Forscher mit einem Laser winzige Löcher in eine dünne Platte aus PET, einer Art leichtem Kunststoff. Auf die Unterseite dieser perforierten PET-Schicht laminierten sie einen sehr dünnen Film (bis zu 8 Mikrometer) aus piezoelektrischem Material, PVDF genannt. Dann legten sie ein Vakuum über die verklebten Schichten und eine Wärmequelle mit 80 Grad Celsius darunter.
Da die PVDF-Schicht so dünn ist, führte der Druckunterschied, der durch das Vakuum und die Wärmequelle entstand, dazu, dass sie sich ausbeulte. Das PVDF kann sich nicht durch die PET-Schicht hindurchdrücken, so dass in den Bereichen, in denen es nicht durch PET blockiert wird, winzige Wölbungen entstehen. Diese Vorsprünge richten sich selbständig mit den Löchern in der PET-Schicht aus. Anschließend laminieren die Forscher die andere Seite des PVDF mit einer weiteren PET-Schicht, die als Abstandshalter zwischen den Kuppeln und der Klebefläche dient.
"Dies ist ein sehr einfacher, unkomplizierter Prozess. Wenn wir es in Zukunft in ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren integrieren, könnten wir diese Lautsprecher in einem hohen Durchsatz herstellen. Das bedeutet, dass sie in großen Mengen hergestellt werden könnten, wie Tapeten, die Wände, Autos oder Flugzeuginnenräume bedecken", sagt Han.
Hohe Qualität, geringer Stromverbrauch Die Kuppeln sind 15 Mikrometer hoch, etwa ein Sechstel so dick wie ein menschliches Haar, und sie bewegen sich bei ihren Schwingungen nur etwa ein halbes Mikrometer auf und ab. Jede Kuppel ist eine einzelne Klangerzeugungseinheit, so dass Tausende dieser winzigen Kuppeln zusammen schwingen müssen, um einen hörbaren Ton zu erzeugen.
Ein zusätzlicher Vorteil des einfachen Herstellungsverfahrens des Teams ist seine Abstimmbarkeit - die Forscher können die Größe der Löcher im PET verändern, um die Größe der Kuppeln zu steuern. Kuppeln mit einem größeren Radius verdrängen mehr Luft und erzeugen mehr Schall, aber größere Kuppeln haben auch eine niedrigere Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der das Gerät am effizientesten arbeitet, und eine niedrigere Resonanzfrequenz führt zu Klangverzerrungen.
Nachdem die Forscher die Herstellungstechnik perfektioniert hatten, testeten sie verschiedene Kuppelgrößen und piezoelektrische Schichtdicken, um eine optimale Kombination zu finden.
Sie testeten ihren Dünnfilm-Lautsprecher, indem sie ihn 30 Zentimeter von einem Mikrofon entfernt an einer Wand befestigten, um den Schalldruckpegel in Dezibel zu messen. Wenn 25 Volt Strom mit einer Frequenz von 1 Kilohertz (1.000 Zyklen pro Sekunde) durch das Gerät geleitet wurden, erzeugte der Lautsprecher einen qualitativ hochwertigen Klang mit einem Gesprächspegel von 66 Dezibel. Bei 10 Kilohertz stieg der Schalldruckpegel auf 86 Dezibel, was in etwa der Lautstärke des Stadtverkehrs entspricht.
Das energieeffiziente Gerät benötigt nur etwa 100 Milliwatt Leistung pro Quadratmeter Lautsprecherfläche. Im Gegensatz dazu verbraucht ein durchschnittlicher Heimlautsprecher mehr als 1 Watt Leistung, um einen ähnlichen Schalldruck in vergleichbarer Entfernung zu erzeugen.
Da die winzigen Kuppeln schwingen und nicht die gesamte Folie, hat der Lautsprecher eine so hohe Resonanzfrequenz, dass er effektiv für Ultraschallanwendungen wie die Bildgebung eingesetzt werden kann, erklärt Han. Bei der Ultraschallbildgebung werden sehr hochfrequente Schallwellen verwendet, um Bilder zu erzeugen, und höhere Frequenzen ermöglichen eine bessere Bildauflösung.
Das Gerät könnte auch Ultraschall verwenden, um zu erkennen, wo ein Mensch in einem Raum steht, so wie Fledermäuse Echolot verwenden, und dann die Schallwellen so formen, dass sie der Person folgen, wenn sie sich bewegt, sagt Bulović. Wenn die vibrierenden Kuppeln des dünnen Films mit einer reflektierenden Oberfläche bedeckt werden, könnten sie zur Erzeugung von Lichtmustern für künftige Anzeigetechnologien verwendet werden. Wenn sie in eine Flüssigkeit eingetaucht werden, könnten die vibrierenden Membranen eine neuartige Methode zum Rühren von Chemikalien bieten und chemische Verarbeitungstechniken ermöglichen, die weniger Energie verbrauchen als große Batch-Verarbeitungsmethoden.
"Wir sind in der Lage, mechanische Luftbewegungen präzise zu erzeugen, indem wir eine physikalische Oberfläche aktivieren, die skalierbar ist. Die Möglichkeiten, diese Technologie zu nutzen, sind grenzenlos", sagt Bulović.
"Ich halte dies für einen sehr kreativen Ansatz zur Herstellung dieser Klasse von ultradünnen Lautsprechern", sagt Ioannis (John) Kymissis, Kenneth Brayer Professor für Elektrotechnik und Vorsitzender des Fachbereichs Elektrotechnik an der Columbia University, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. "Die Strategie, den Filmstapel mit Hilfe von photolithographisch gemusterten Schablonen zu doming, ist ziemlich einzigartig und wird wahrscheinlich zu einer Reihe von neuen Anwendungen in Lautsprechern und Mikrofonen führen.
Diese Arbeit wird zum Teil durch den Forschungszuschuss der Ford Motor Company und eine Spende von Lendlease, Inc. finanziert.
Weitere Informationen finden Sie unter: https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426 [This is automatically translated from English]