MITのエンジニアは、どんな表面もアクティブなオーディオソースに変えることができる紙のように薄いラウドスピーカーを開発しました。
この薄膜スピーカーは、従来のスピーカーに必要なエネルギーの数分の一で、歪みの少ない音を発生させることができます。研究チームがデモンストレーションした手のひらサイズのスピーカーは、10円玉ほどの重さで、フィルムがどのような表面に接着されていても高音質を発生させることができます。
このような特性を実現するために、研究者らは、わずか3つの基本ステップで、自動車の車内や部屋の壁紙を覆うほどの大きさの超薄型スピーカーを作ることができる、驚くほどシンプルな製造技術を開発したのである。
このように、薄膜スピーカーは、同じ振幅で逆位相の音を発生させることで、飛行機のコックピットのような騒がしい環境でのアクティブノイズキャンセリングを実現することができる。また、劇場やテーマパークの乗り物の中で立体音響を楽しむなど、没入型のエンターテインメントにも利用できる。また、軽量で消費電力が少ないため、バッテリー駆動時間が限られているスマートデバイスへの応用にも適しています。
「細長い紙のようなものに2つのクリップをつけ、パソコンのヘッドホン端子に差し込むと、そこから音が聞こえてくるのですから、驚きです。どこでも使える。と語るのは、Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology、Organic and Nanostructured Electronics Laboratory（ONEラボ）のリーダーで、MIT.nanoのディレクター、論文の主執筆者のVladimir Bulović氏である。
ブルヴィッチは、主執筆者であるONEラボのポスドク、ジンチ・ハンと共同執筆者である電気工学のヴィテッセ教授、ジェフリー・ラングと共に論文を執筆しました。本研究は、本日、IEEE Transactions of Industrial Electronicsに掲載されました。
新しいアプローチ
ヘッドホンやオーディオシステムに見られる一般的なスピーカーは、電流が入力され、コイル状のワイヤーを通過することで磁界が発生し、スピーカー膜が移動し、その上の空気が移動して音が出ます。これに対し、新しいスピーカーは、電圧をかけると動く圧電体の薄膜を使うことで、スピーカー設計を簡素化し、その上の空気を動かして音を出します。
薄膜スピーカーの多くは、音を出すために薄膜が自由に曲がる必要があるため、自立するように設計されています。しかし、このような薄膜スピーカーは、表面に貼り付けると振動が阻害され、音を出すことができなくなってしまう。
そこで、MITの研究チームは、薄膜スピーカーの設計を見直した。素材全体を振動させるのではなく、圧電材料の薄い層に小さなドームを置いて、それぞれが振動するように設計したのだ。このドームは髪の毛の幅ほどしかなく、その周囲をフィルムの上下にあるスペーサー層が取り囲み、取り付け面から保護しつつ、自由に振動できるようにしています。このスペーサー層は、日常的な取り扱いによる摩耗や衝撃からドームを保護し、ラウドスピーカーの耐久性を高めています。
このスピーカーは、軽量プラスチックの一種であるPETの薄板にレーザーで小さな穴を開け、その裏側をラミネート加工して作られた。 その穴のあいたPETの下側に、PVDFという非常に薄い膜（8ミクロン程度）を圧電材料で張り合わせた。 そして、貼り合わせたシートの上を真空にし、その下に80℃の熱源を設置した。
PVDFの層は薄いので、真空と熱源によって生じる圧力差で膨らんでしまったのです。PVDFはPET層を通過することができないので、PETに遮られていない部分に小さなドームが突出している。この突起は、PET層の穴と自己整列している。次に研究者らは、PVDFの反対側に別のPET層を積層し、ドームと接着面の間のスペーサーとして機能させる。
「これは、非常にシンプルでわかりやすいプロセスです。将来的にロール・ツー・ロール方式と統合すれば、このスピーカーを高スループットで生産できるようになるでしょう。つまり、壁や自動車、航空機の内装を覆う壁紙のように、大量に製造することができるのです」とハンは語る。
高品質・低消費電力 ドームの高さは15ミクロン、人間の髪の毛の約6分の1の太さで、振動しても上下に約0.5ミクロンしか動きません。各ドームが1つの音響発生ユニットであるため、可聴音を発生させるには、この小さなドームが何千個も振動する必要があるのです。
研究チームは、PETにあけた穴の大きさを変えることで、ドームの大きさを制御することができるのだ。半径の大きなドームはより多くの空気を置換し、より多くの音を発生させるが、大きなドームは共振周波数も低くなる。共振周波数は、デバイスが最も効率的に動作する周波数であり、共振周波数が低いと音声が歪むことになる。
研究者たちは、製作技術を完成させると、いくつかの異なるドームのサイズと圧電層の厚さをテストし、最適な組み合わせにたどり着いた。
この薄膜スピーカーをマイクから30cm離れた壁に取り付け、音圧レベルをデシベルで記録してテストしました。25ボルトの電気を1キロヘルツ（1秒間に1000回）流すと、66デシベルという会話レベルの高音質が得られる。10キロヘルツでは86デシベルと、市街地の交通量とほぼ同じ音圧レベルにまで向上しました。
このエネルギー効率の高い装置は、スピーカーの面積1平方メートルあたり約100ミリワットの電力しか必要としません。これに対し、一般的な家庭用スピーカーは、同等の距離で同様の音圧を発生させるために1ワット以上の電力を消費する可能性があります。
このスピーカーは、フィルム全体ではなく、小さなドームが振動しているため、共振周波数が十分に高く、画像処理などの超音波用途に効果的に使用できると、ハンは説明しています。超音波画像は、非常に高い周波数の音波を使って画像を生成するため、周波数が高いほど画像の解像度が高くなります。
この装置では、コウモリのエコーロケーションのように、部屋の中で人がどこに立っているかを超音波で検出し、音波の形を整えて人の動きに合わせて追随することもできる、とブロヴィッチ氏は言う。この薄膜の振動ドームを反射面で覆えば、将来のディスプレイ技術として光のパターンを作り出すのに使えるかもしれない。また、液体に浸しておくと、振動膜は化学物質を撹拌する新しい方法となり、大規模なバッチ処理方法よりも少ないエネルギーで化学処理技術を実現できるかもしれない。
「私たちは、拡張可能な物理的表面を活性化することによって、空気の機械的運動を正確に発生させる能力を持っています。この技術の使い道は無限大です」とブロヴィッチは言う。
「コロンビア大学のケネス・ブレイヤー教授（電気工学科長）であるイオアニス・キミシスは、この研究には参加していませんが、「このクラスの超薄型スピーカーを作るための非常に独創的なアプローチだと思います。"フォトリソグラフィでパターン化したテンプレートを使ってフィルムスタックをドーミングするという戦略は非常にユニークで、スピーカーやマイクロフォンに様々な新しいアプリケーションをもたらす可能性があります。"
この研究は、フォードモーターカンパニーからの研究助成金と、レンドリース社からの贈り物によって、一部資金提供されています。
詳しくはこちらをご覧ください。: https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426 [This is automatically translated from English]