MIT开发出新型超薄高音质扬声器
MIT开发出新型超薄高音质扬声器，该团队展示的手掌大小的扬声器，其重量约相当于一角硬币。无论将薄膜粘合在什么表面，都能产生高质量的声音。MIT开发出新型超薄高音质扬声器。
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近日，来麻省理工学院（MIT）的工程师们开发了一种新型超薄扬声器，这种灵活的薄膜设备，有可能将任何物体表面变成低功耗、高品质的音频源。
这种薄膜扬声器需要的能量仅为传统扬声器所需能量的一小部分，但却能够产生极小失真的高品质声音。根据研究团队的演示，手掌大小的扬声器，重量仅为一角硬币，而且无论该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，研究人员还开创了一种看似简单的制造技术，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（即让两种声音相互抵消）功能。
此外，这种新型设备还可以用于沉浸式娱乐，比如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。
「看起来像一张薄薄的纸，在上面贴上两个夹子，将它插入电脑的耳机端口，然后开始听到它发出的声音，感觉很了不起。它可以在任何地方使用，只需要一个运行它的电力。」研究论文通讯作者、MIT.nano 主任、有机和纳米结构电子实验室（ONE Lab）的负责人 Vladimir Bolovi 说。
Bulovi 与论文第一作者、 ONE Lab 博士后 Jinchi Han，以及电气工程教授 Jeffrey Lang 共同撰写了这篇论文。该研究发表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。
全新的超薄扬声器
我们都知道，耳机或音响系统中的传统扬声器使用电流输入，当不断变化的电流输入通过能够产生磁场的线圈，并推送扬声器膜的振动，进而使其上方的空气振动，从而产生我们听到的声音。
相比之下，这款新的扬声器设备，通过使用一种压电材料（piezoelectric material）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，从而使其上方的空气振动并产生声音。
由于薄膜扬声器设计为独立式，因此薄膜材料必须自由弯曲才能产生声音。但将这些扬声器安装在物体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，让每个圆顶都单独振动。
这些小圆顶，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过程中免受磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。
制作过程看起来也十分简单。首先，研究人员使用激光在PET（这是一种轻质塑料）薄片上切割出小孔，穿孔的 PET 下侧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。但是 PVDF 无法强行穿过 PET 层，因此微小的圆顶会在未被 PET 阻挡的区域突出。而这些突起与 PET 层中的孔各自对齐。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一个 PET 层层压在一起，作为小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（roll-to-roll）工艺集成，它将允许我们以高通量方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，就像墙纸可以覆盖墙壁、汽车或飞机内部。」Han 说。
高品质、低功耗，应用潜力无限
每个圆顶都是一个单独的`发声单元，由于圆顶高 15 微米，约为人类头发厚度的六分之一，振动时仅能够上下移动约半微米，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。
此外，该超薄发声设备的制造还有另一个好处，就是它的可调性，因为研究人员可以改变 PET 中孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶会推动更多的空气并产生更大的声音，但较大的圆顶也具有较低的谐振频率（resonance frequency）。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。
（来源：MIT）
经过多次的测试，研究人员找到不同的圆顶尺寸和压电层厚度的最佳组合。然后，他们通过将薄膜扬声器安装到距离麦克风 30 厘米的墙壁上来测试他们的薄膜扬声器。
当 25 伏特的电流以 1 千赫兹（每秒 1,000 次循环的速率）通过该设备时，扬声器会产生 66 分贝的会话级别的高质量声音。在 10 千赫兹时，声压级增加到 86 分贝，与城市交通的音量水平大致相同。
这种节能扬声器设备每平方米面积只需要大约 100 毫瓦的功率。相比之下，一个普通的家用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。
研究人员解释说，由于该设备只有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谐振频率，因此还可以有效地用于超声应用，如超声成像。超声成像使用非常高频的声波来产生图像，而更高的频率能够产生更好的图像分辨率。
比如，该设备可以使用超声波检测人在房间中的站立位置，并跟踪位置，就像蝙蝠使用回声定位一样。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面，则它们可用于为未来的显像技术创建光图案。如果浸入液体中，振动膜还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。而如何使用这项技术的选择是无限的，」Bulovi 说。
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据媒体近日报道，麻省理工学院（MIT）的工程师们开发出了一种薄如纸张的扬声器，它可以将任何表面变成有源音源。
这种薄膜扬声器产生的声音失真很小，而使用的能量只是传统扬声器所需能量的一小部分。
该团队展示的手掌大小的扬声器，其重量约相当于一角硬币。无论将薄膜粘合在什么表面，都能产生高质量的声音。为了实现这些非凡的特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只涉及三个基本步骤制造超薄扬声，并且其面积可以大到足以覆盖汽车内部或在房间内贴壁纸。
薄膜扬声器可以在嘈杂的环境中，如飞机驾驶舱，通过产生相同振幅但相位相反的声音，从而提供主动噪音消除。这种灵活的设备也可用于沉浸式娱乐，也许可以在剧院或主题公园的游乐设施中提供三维音频。而且，由于它很轻，只需极小的功率来操作，该设备很适合应用于电池寿命有限的智能设备上。
据了解，在耳机或音频系统中，典型的扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场可移动扬声器膜，使其上方的空气移动，从而产生声音。相比之下，这种新型扬声器通过使用一种成型的压电薄膜材料，从而简化了扬声器的设计。当电压施加在薄膜上时，薄膜会移动，从而移动其上方的空气并产生声音。
具体而言，为了制造这种扬声器，研究人员使用激光在PET薄片上切出小孔，PET是一种轻型塑料。他们在穿孔的PET层的底部铺上一层非常薄的压电材料PVDF薄膜（只有8微米厚）。然后他们在粘合的薄片上方施加真空，在薄片下方施加80摄氏度的热源。
由于PVDF层太薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF不能强行穿过PET层，所以在没有被PET阻挡的地方，微小的圆顶突起。这些突起可以自对准PET层中的孔。然后，研究人员在PVDF的另一侧铺上另一层PET层，作为圆顶和结合表面之间的间隔层。
他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶，每个圆顶单独振动。这些圆顶，每个都只有几根头发的宽度，在薄膜的顶部和底部被间隔层所包围，保护它们不受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。同样的间隔层保护穹顶在日常操作中免受磨损和冲击，增强了扬声器的耐用性。
研究人员说，“这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来能把它与卷对卷加工工艺结合起来，我们就能以高通量的方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，像墙纸一样覆盖墙壁、汽车或飞机内部。”
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麻省理工学院的工程师们开发出了一种像纸一样薄的扬声器，可以将任何表面变成音源。
它的重量相当于一个 10 美分的硬币，无论粘在什么表面上都能生成高品质的声音。
这种薄膜扬声器产生的声音失真最小，而且使用的能量也比传统扬声器少得多。
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，只需要三个基本步骤。利用这种技术，他们可以制造出足够大的超薄扬声器，覆盖汽车内部或整个房间。
此外，这种薄膜扬声器可以通过产生振幅相同但相位相反的声音，在嘈杂的环境（如飞机驾驶舱）中进行主动降噪。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园里提供三维音频。由于它重量轻，运行时需要的电量很少，因此非常适合电池寿命有限的智能设备应用。
这项研究成果近日发表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188
「拿起一张看起来很薄的纸，用两个夹子夹住它，把它插到你电脑的耳机接口上，然后开始听到它发出的声音，这种感觉很棒。它可以在任何地方使用，只需要一点点电力就可以运行，」MIT.nano 的主任、论文作者 Vladimir Bulovi 表示。
这种薄膜扬声器是怎么做出来的？
耳机或音频系统中常见的典型扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场移动扬声器薄膜，带动薄膜上方的空气，从而产生我们听到的声音。相比之下，MIT 工程师设计的新扬声器简化了传统设计，使用了一种成型的压电材料薄膜。当电压施加在其上时，薄膜会移动，从而带动其上方的空气并产生声音。
大多数薄膜扬声器都被设计成独立式（不需依靠支撑物），因为薄膜必须自由弯曲才能发声。将这些扬声器安装在某个表面上会阻碍振动，并妨碍它们产生声音的能力。
为了克服这一问题，MIT 的团队重新思考了薄膜扬声器的设计。他们给出的方案是：不让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶振动发声，其中的每个小圆顶都是单独振动。
这些圆顶每个只有几根头发那么宽，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。在日常操作中，相同的间隔层保护圆顶免受磨损和冲击，提高了扬声器的耐用性。
为了制造扬声器，研究人员使用激光在 PET 薄片上切割出微小的孔，PET 是一种轻质塑料。他们在穿孔 PET 层的下面贴上一层非常薄（8 微米）的压电材料薄膜，称为 PVDF。然后他们把粘合的薄片上方抽成真空，并在薄片下方施加 80 摄氏度的热源。
由于 PVDF 层很薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF 不能强行穿过 PET 层，所以在没有被 PET 阻挡的地方会有微小的圆顶突起。这些突起与 PET 层中的孔自对准。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一层 PET 层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的隔离物。
「这是一个非常简单明了的过程。如果我们将其与卷对卷制程工艺（roll-to-roll）相结合，我们就能量产这些扬声器，然后用类似贴墙纸的方式将其覆盖到墙壁、汽车或飞机内部。」论文一作 Jinchi Han 表示。
高品质、低功耗
薄膜扬声器中的小圆顶高 15 微米，大约是人类头发厚度的六分之一，它们振动时只能上下移动大约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元，所以需要成千上万个这样的小圆顶一起振动才能产生听得见的声音。
制造过程简单的另一个好处是可调性强——研究人员可以改变 PET 上孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶能带动更多的空气振动，产生更大的声音，但较大的圆顶也有较低的共振频率，这会导致音频失真。
在完善了制造技术之后，研究人员测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度，以达到最佳组合。
他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风 30 厘米的墙上，测试其声压水平（以分贝为单位）。当 25 伏特的电压以 1 千赫兹的频率通过该装置时，扬声器产生了 66 分贝的高质量声音。在 10 千赫时，声压级增加到 86 分贝，大约相当于城市交通的音量。
这种节能装置每平方米扬声器面积只需要大约 100 毫瓦的功率，相比之下，如果在类似距离内产生相近的声压，一个普通家用扬声器可能要消耗超过 1 瓦特的电力。
Han 解释说，因为是微型的拱顶在振动，而不是整个薄膜振动，扬声器有足够高的共振频率，可以有效地用于超声波应用，比如成像方面。超声成像使用极高频的声波产生图像，更高的频率能够产生更高分辨率的图像。
Bulovi表示，这种装置还可以利用超声波探测人类站在房间里的位置，就像蝙蝠会利用回声定位一样，然后跟随人类的移动形成声波。如果在薄膜的振动圆顶上覆盖一层反射表面，它们可以用来为未来显示技术的发光模式提供思路。如果被浸泡于液体中，振动膜可以提供一种搅拌化学品的新方法，使得化学处理技术能够比大批量处理方法使用更少的能源。
「我们有能力通过激活可伸缩的物理表面，精确地生成空气的机械运动。这种技术带给人的想象空间是无限的。」Bulovi说道。
