MIT制造出和纸一样厚的节能高保真扬声器

麻省理工学院的工程师开发了一种厚度和纸一样的扬声器，可以将任何表面变成有源音频源。

这种薄膜扬声器产生失真最小的声音，而能耗仅为传统扬声器的一小部分。该团队演示的手掌大小的扬声器重量约等于一角硬币，无论薄膜粘合到什么表面，都可以产生高质量的声音。

为了实现这些特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，该技术只需要三个基本步骤，并且可以按比例放大以生产大到足以覆盖汽车内部或房间墙纸的超薄扬声器。

使用这种方式，薄膜扬声器可以在嘈杂的环境(例如飞机驾驶舱)中通过产生相同幅度但相反相位的声音来提供主动降噪。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，可能是通过在剧院或主题公园游乐设施中提供 3D 音频。而且由于它重量轻且运行所需的电量非常少，因此该设备非常适合电池寿命有限的智能设备上的应用。

“拿一张看起来像细长纸的东西，在上面贴上两个夹子，把它插入电脑的耳机端口，然后开始听到它发出的声音，这种感觉非常棒。它可以在任何地方使用。只需要一点点电力来运行。”Fariborz Maseeh 新兴技术主席、有机和纳米结构电子实验室 (ONE Lab) 负责人、MIT.nano 主任和该论文的高级作者 Vladimir Bolović 说.

Bolović 与 ONE Lab 博士后第一作者 Jinchi Han 和电气工程教授 Vitesse 教授 Jeffrey Lang 共同撰写了这篇论文。该研究发表在 IEEE Transactions of Industrial Electronics 上。

耳机或音频系统中的典型扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场移动扬声器膜，振动其上方的空气，从而产生我们可听到的声音。相比之下，新的扬声器通过使用一种成形压电材料薄膜来简化扬声器设计，当电压施加在其上时，该薄膜会移动，从而振动空气产生声音。

大多数薄膜扬声器设计为独立式，因为薄膜必须自由弯曲才能产生声音。将这些扬声器安装在表面上会阻碍振动并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这个问题，麻省理工学院的团队重新考虑了薄膜扬声器的设计。他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠一层薄薄的压电材料上的微小圆顶，每个圆顶都单独振动。这些圆顶，每个只有几根头发的宽度，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。相同的间隔层可保护圆顶在日常操作中免受磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。

为了制造扬声器，研究人员使用激光将小孔切割成薄薄的 PET，这是一种轻质塑料。他们在穿孔的 PET 层的下面层压了一层非常薄的压电材料(薄至 8 微米)，称为 PVDF。然后他们在粘合的薄片上方施加真空，并在下方施加 80 摄氏度的热源。

由于 PVDF 层非常薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。 PVDF 无法强行穿过 PET 层，因此微小的圆顶会在未被 PET 阻挡的区域突起。这些突起与 PET 层中的孔自对齐。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一个 PET 层层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的隔离物。

“这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来将其与卷对卷工艺集成，它将使我们能够以高吞吐量的方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，如同覆盖墙壁、汽车或飞机内部的墙纸。”

圆顶高 15 微米，约为人类头发厚度的六分之一，振动时它们仅上下移动约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元，因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可​​听的声音。

简单工艺的另一个好处是它的可调性——研究人员可以改变 PET 中孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶会置换更多的空气并产生更多的声音，但较大的圆顶也具有较低的共振频率。谐振频率是设备运行效率最高的频率，较低的谐振频率会导致音频失真。

一旦研究人员完善了制造工艺，他们将测试几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度，以实现最佳组合。

这种节能设备，每平方米扬声器面积只需要大约 100 毫瓦的功率。相比之下，一个普通的家庭扬声器可能会消耗超过 1 瓦的功率才能在相当的距离上产生相似的声压。

Han解释说，由于微小的圆顶是振动的，而不是整个薄膜，扬声器具有足够高的共振频率，可以有效地用于超声应用，如成像。超声成像使用非常高频的声波来产生图像，更高的频率产生更好的图像分辨率。

Bolović 说，该设备还可以使用超声波检测人在房间中的站立位置，就像蝙蝠使用回声定位一样，然后在人移动时塑造声波以跟随人。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面，它们可用于为未来的显示技术创建光图案。如果浸入液体中，振动膜可以提供一种搅拌化学品的新方法，使化学处理技术比大批量处理方法使用更少的能量。

“我们有能力通过激活可扩展的物理表面来精确地产生空气的机械运动。技术的使用方式是无限的。”

这项工作的部分资金来自福特汽车公司的研究资助和 Lendlease, Inc. 的馈赠。

https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426