Forskere utvikler papirtynn høyttaler som kan tapetseres

Forskere ved det amerikanske universitetet MIT har utviklet en papirtynn høyttaler som kan gjøre enhver overflate til en aktiv lydkilde.

Denne tynnfilmshøyttaleren produserer lyd med minimal forvrengning mens den bruker en brøkdel av energien som kreves av en tradisjonell høyttaler. Den håndstore høyttaleren forskningsteamet demonstrerte (se video på slutten av artikkelen), veier omtrent like mye som en vanlig mynt, og kan generere høykvalitetslyd uansett hvilken overflate filmen er festet til.

For å oppnå disse egenskapene var forskerne banebrytende med en tilsynelatende enkel fremstillingsteknikk som krever bare tre grunnleggende trinn og kan skaleres opp for å produsere ultratynne høyttalere, store nok til å dekke innsiden av en bil eller tapetsere et rom.

Brukt på denne måten kan tynnfilmshøyttaleren gi aktiv støyreduksjon i støyende miljøer, for eksempel en flycockpit, ved å generere lyd med samme amplitude, men motsatt fase; de to lydene opphever hverandre. Den fleksible enheten kan også brukes til underholdning, kanskje ved å gi tredimensjonal lyd i en teater- eller fornøyelsesparktur. Og fordi den er lett og krever så lite strøm for å fungere, er enheten godt egnet for applikasjoner på smartenheter der batterilevetiden er begrenset.

– Det føles rart å ta det som ser ut som et tynt ark, feste to klips til det, koble det til hodetelefonporten på datamaskinen og begynne å høre lyder. Den kan brukes hvor som helst. Man trenger minimalt med energi for å drive den, sier Vladimir Bulović, Fariborz Maseeh-leder i Emerging Technology, og leder av Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), direktør for MIT.nano, og hovedforfatter av rapporten.

Bulović skrev oppgaven med Jinchi Han, en ONE Lab-postdoktor, og co-seniorforfatter Jeffrey Lang, Vitesse-professor i elektroteknikk. Forskningen ble publisert i IEEE Transactions of Industrial Electronics denne uken.

En ny tilnærming

En typisk høyttaler som finnes i hodetelefoner eller et lydsystem bruker elektriske strøminnganger som går gjennom en ledningsspole og genererer et magnetfelt og som beveger et høyttalermembran, flytter på luften over den, og lager lyden vi hører. Derimot forenkler den nye høyttaleren høyttalerdesignet ved å bruke en tynn film av et formet piezoelektrisk materiale som beveger seg når spenning påføres over den.

De fleste tynnfilmshøyttalere er designet for å være frittstående fordi filmen må bøye seg fritt for å produsere lyd. Montering av slike høyttalere på en overflate vil hindre vibrasjonen og hemme evnen til å generere lyd.

For å overvinne dette problemet tenkte MIT-teamet på nytt designet av en tynnfilmshøyttaler. I stedet for å få hele materialet til å vibrere, er designet deres gjort med små kupler på et tynt lag piezoelektrisk materiale som vibrerer individuelt. Disse kuplene, bare noen få hårbredder tykke, er omgitt av avstandslag på toppen og bunnen av filmen som beskytter dem fra monteringsoverflaten samtidig som de får vibrere fritt. De samme avstandslagene beskytter kuplene mot slitasje og støt under daglig håndtering, og holdbarheten.

For å bygge høyttaleren brukte forskerne en laser til å kutte små hull i et tynt ark med PET, som er en type lettvektsplast. De laminerte undersiden av det perforerte PET-laget med en veldig tynn film (8 mikron) av piezoelektrisk materiale, kalt PVDF. Deretter påførte de vakuum over de limte arkene og under en varmekilde, ved 80 grader Celsius.

Fordi PVDF-laget er så tynt, fikk trykkforskjellen skapt av vakuumet og varmekilden det til å bule. PVDF kan ikke tvinge seg gjennom PET-laget, så små kupler stikker ut i områder der de ikke er blokkert av PET-laget. Forskerne laminerer deretter den andre siden av PVDF med et nytt PET-lag som fungerer som et avstandsstykke mellom kuplene og limoverflaten.

– Dette er en veldig enkel, grei prosess. Det vil tillate oss å produsere disse høyttalerne i store volum hvis vi i fremtiden integrerer den med en rull-til-rull-prosess. Det betyr at det kan lages i store mengder, som tapeter for å dekke vegger, biler eller flyinteriør, sier Jinchi Han.

Høy kvalitet, lav effekt

Kupplene er 15 mikron i høyden, omtrent en sjettedel av tykkelsen til et menneskehår, og de beveger seg bare opp og ned omtrent en halv mikron når de vibrerer. Hver kuppel er en enkelt lydgenererende enhet, så det krever tusenvis av disse små kuplene som vibrerer sammen for å produsere hørbar lyd.

En ekstra fordel med teamets enkle fabrikasjonsprosess er justerbarheten. Forskerne kan endre størrelsen på hullene i PET for å kontrollere størrelsen på kuplene. Domer med større radius fortrenger mer luft og produserer mer lyd, men større kupler har også lavere resonansfrekvens. Resonansfrekvens er frekvensen som enheten fungerer mest effektivt på, og lavere resonansfrekvens fører til lydforvrengning.

Når forskerne perfeksjonerte fabrikasjonsteknikken, testet de flere forskjellige kuppelstørrelser og piezoelektriske lagtykkelser for å komme frem til en optimal kombinasjon.

De testet tynnfilmshøyttaleren ved å montere den på en vegg 30 centimeter fra en mikrofon for å måle lydtrykknivået, registrert i desibel. Når 25 volt elektrisitet ble ført gjennom enheten med 1 kilohertz, produserte høyttaleren høykvalitetslyd ved samtalenivåer på 66 desibel. Ved 10 kilohertz økte lydtrykknivået til 86 desibel, omtrent samme volumnivå som bytrafikk.

Den energieffektive enheten krever bare omtrent 100 milliwatt strøm per kvadratmeter høyttalerareal. En gjennomsnittlig hjemmehøyttaler bruke mer enn 1 watt strøm for å generere tilsvarende lydtrykk på en sammenlignbar avstand.

– Fordi de små kuplene vibrerer, i stedet for hele filmen, har høyttaleren en høy nok resonansfrekvens til at den kan brukes effektivt til ultralydapplikasjoner, som for eksempel i bildebehandling, forklarer Han.

Enheten kan også bruke ultralyd for å oppdage hvor et menneske står i et rom, akkurat som flaggermus gjør ved å bruke ekkolokalisering, og deretter forme lydbølgene til å følge personen mens de beveger seg, sier Bulović. Hvis de vibrerende kuplene til den tynne filmen er dekket med en reflekterende overflate, kan de brukes til å lage lysmønstre for fremtidige skjermteknologier. Hvis de er nedsenket i en væske, kan de vibrerende membranene gi en ny metode for omrøring av kjemikalier, som muliggjør kjemiske prosesseringsteknikker som kan bruke mindre energi enn store batch-behandlingsmetoder.

– Vi har muligheten til å generere nøyaktig mekanisk bevegelse av luft ved å aktivere en fysisk overflate som er skalerbar. Mulighetene for hvordan man bruker denne teknologien er ubegrensede, sier Bulović.