選自MIT News
作者：Adam Zewe
機器之心編譯
機器之心編輯部
這種柔性薄膜器件有可能将任何表面變成低功率、高品質的音源。
麻省理工學院的工程師們開發出了一種像紙一樣薄的揚聲器，可以将任何表面變成音源。
它的重量相當于一個 10 美分的硬币，無論粘在什麼表面上都能生成高品質的聲音。
這種薄膜揚聲器産生的聲音失真最小，而且使用的能量也比傳統揚聲器少得多。
為了實作這些特性，研究人員開創了一種看似簡單的制造技術，隻需要三個基本步驟。利用這種技術，他們可以制造出足夠大的超薄揚聲器，覆寫汽車内部或整個房間。
此外，這種薄膜揚聲器可以通過産生振幅相同但相位相反的聲音，在嘈雜的環境（如飛機駕駛艙）中進行主動降噪。這種靈活的裝置還可以用于沉浸式娛樂，比如在劇院或主題公園裡提供三維音頻。由于它重量輕，運作時需要的電量很少，是以非常适合電池壽命有限的智能裝置應用。
這項研究成果近日發表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。
論文連結：https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188
「拿起一張看起來很薄的紙，用兩個夾子夾住它，把它插到你電腦的耳機接口上，然後開始聽到它發出的聲音，這種感覺很棒。它可以在任何地方使用，隻需要一點點電力就可以運作，」MIT.nano 的主任、論文作者 Vladimir Bulovi 表示。
這種薄膜揚聲器是怎麼做出來的？
耳機或音頻系統中常見的典型揚聲器使用電流輸入，電流通過線圈産生磁場，磁場移動揚聲器薄膜，帶動薄膜上方的空氣，進而産生我們聽到的聲音。相比之下，MIT 工程師設計的新揚聲器簡化了傳統設計，使用了一種成型的壓電材料薄膜。當電壓施加在其上時，薄膜會移動，進而帶動其上方的空氣并産生聲音。
大多數薄膜揚聲器都被設計成獨立式（不需依靠支撐物），因為薄膜必須自由彎曲才能發聲。将這些揚聲器安裝在某個表面上會阻礙振動，并妨礙它們産生聲音的能力。
為了克服這一問題，MIT 的團隊重新思考了薄膜揚聲器的設計。他們給出的方案是：不讓整個材料振動，而是依靠壓電材料薄層上的微小圓頂振動發聲，其中的每個小圓頂都是單獨振動。這些圓頂每個隻有幾根頭發那麼寬，被薄膜頂部和底部的間隔層包圍，保護它們免受安裝表面的影響，同時仍然使它們能夠自由振動。在日常操作中，相同的間隔層保護圓頂免受磨損和沖擊，提高了揚聲器的耐用性。
為了制造揚聲器，研究人員使用雷射在 PET 薄片上切割出微小的孔，PET 是一種輕質塑膠。他們在穿孔 PET 層的下面貼上一層非常薄（8 微米）的壓電材料薄膜，稱為 PVDF。然後他們把粘合的薄片上方抽成真空，并在薄片下方施加 80 攝氏度的熱源。
由于 PVDF 層很薄，真空和熱源産生的壓力差導緻它膨脹。PVDF 不能強行穿過 PET 層，是以在沒有被 PET 阻擋的地方會有微小的圓頂突起。這些突起與 PET 層中的孔自對準。然後，研究人員将 PVDF 的另一面與另一層 PET 層壓在一起，作為圓頂和粘合表面之間的隔離物。
「這是一個非常簡單明了的過程。如果我們将其與卷對卷制程工藝（roll-to-roll）相結合，我們就能量産這些揚聲器，然後用類似貼牆紙的方式将其覆寫到牆壁、汽車或飛機内部。」論文一作 Jinchi Han 表示。
高品質、低功耗
薄膜揚聲器中的小圓頂高 15 微米，大約是人類頭發厚度的六分之一，它們振動時隻能上下移動大約半微米。每個圓頂都是一個單獨的發聲單元，是以需要成千上萬個這樣的小圓頂一起振動才能産生聽得見的聲音。
制造過程簡單的另一個好處是可調性強——研究人員可以改變 PET 上孔的大小來控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂能帶動更多的空氣振動，産生更大的聲音，但較大的圓頂也有較低的共振頻率，這會導緻音頻失真。
在完善了制造技術之後，研究人員測試了幾種不同的圓頂尺寸和壓電層厚度，以達到最佳組合。
他們将薄膜揚聲器安裝在距離麥克風 30 厘米的牆上，測試其聲壓水準（以分貝為機關）。當 25 伏特的電壓以 1 千赫茲的頻率通過該裝置時，揚聲器産生了 66 分貝的高品質聲音。在 10 千赫時，聲壓級增加到 86 分貝，大約相當于城市交通的音量。
這種節能裝置每平方米揚聲器面積隻需要大約 100 毫瓦的功率，相比之下，如果在類似距離内産生相近的聲壓，一個普通家用揚聲器可能要消耗超過 1 瓦特的電力。
Han 解釋說，因為是微型的拱頂在振動，而不是整個薄膜振動，揚聲器有足夠高的共振頻率，可以有效地用于超音波應用，比如成像方面。超聲成像使用極高頻的聲波産生圖像，更高的頻率能夠産生更高分辨率的圖像。
Bulovi 表示，這種裝置還可以利用超音波探測人類站在房間裡的位置，就像蝙蝠會利用回聲定位一樣，然後跟随人類的移動形成聲波。如果在薄膜的振動圓頂上覆寫一層反射表面，它們可以用來為未來顯示技術的發光模式提供思路。如果被浸泡于液體中，振動膜可以提供一種攪拌化學品的新方法，使得化學處理技術能夠比大批量處理方法使用更少的能源。
「我們有能力通過激活可伸縮的實體表面，精确地生成空氣的機械運動。這種技術帶給人的想象空間是無限的。」Bulovi 說道。