Difuzorul subțire ca hârtia prin care poți transforma suprafețele în surse audio

Inginerii MIT au dezvoltat difuzorul subțire ca hârtia, care poate transforma orice suprafață într-o sursă audio activă.

Acest difuzor dintr-o peliculă subțire produce sunet cu distorsiuni minime în timp ce utilizează o fracțiune din energia necesară unui difuzor tradițional.

• Telescopul Spaţial Hubble împlineşte 34 de ani de funcţionare
• Poluarea cu metan, acum mai ușor de observat ca niciodată din spațiu

Difuzorul prezentat de echipă are aproximativ aceeași suprafață ca a unei mâine și cântărește cam cât o monedă; el poate genera sunet de înaltă calitate, indiferent de suprafața pe care este lipită pelicula, scrie Eurek Alert.

Difuzorul subțire ca hârtia este realizat printr-o tehnică relativ simplă

Pentru a obține aceste proprietăți, cercetătorii au realizat o tehnică de fabricație uimitor de simplă, care necesită doar trei pași de bază și poate fi extinsă pentru a produce difuzoare ultrasubțiri suficient de mari pentru a acoperi interiorul unui automobil sau pentru a tapeta o cameră.

Folosit în acest fel, difuzorul subțire ca hârtia ar putea asigura anularea activă a zgomotului în medii zgomotoase, cum ar fi cabina de pilotaj a unui avion, prin generarea unui sunet de aceeași amplitudine, dar de fază opusă; cele două sunete se anulează reciproc.

Dispozitivul flexibil ar putea fi folosit și pentru divertisment captivant, oferind sunet tridimensional într-un teatru sau într-un parc tematic. Și pentru că este ușor și necesită o cantitate atât de mică de putere pentru a funcționa, dispozitivul este potrivit pentru aplicații pe dispozitive inteligente în care durata de viață a bateriei este limitată.

„Este remarcabil să iei ceea ce pare a fi o foaie subțire de hârtie, să-i atașezi două cleme, să o conectezi la portul pentru căști al computerului tău și să începi să auzi sunetele care ies din ea. Dispozitivul ar putea fi folosit oriunde. Are nevoie de foarte puțină energie pentru a funcționa”, spune Vladimir Bulović, director al MIT.nano și autor principal al lucrării.

Bulović a realizat lucrarea împreună cu Jinchi Han, de la ONE Lab, și cu Jeffrey Lang, profesor de inginerie electrică. Cercetarea este publicată în IEEE Transactions of Industrial Electronics.

O nouă abordare

Un difuzor obișnuit, găsit în căști sau într-un sistem audio, funcționează prin trecerea curentului electric printr-o bobină de sârmă care generează un câmp magnetic, care mișcă o membrană a difuzorului, care mișcă aerul de deasupra acesteia, ceea ce produce sunetul pe care îl auzim.

În schimb, difuzorul subțire ca hârtia simplifică designul difuzorului utilizând o peliculă subțire dintr-un material piezoelectric modelat care se mișcă atunci când este parcurs de curent electric, ceea ce face ca aerul de deasupra să se miște și să genereze sunet.

Majoritatea difuzoarelor cu peliculă subțire sunt proiectate pentru a fi independente, deoarece pelicula trebuie să se îndoaie liber pentru a produce sunet. Montarea acestor difuzoare pe o suprafață le-ar împiedica să vibreze și le-ar afecta capacitatea de a produce sunete.

Noul design

Pentru a depăși această problemă, echipa MIT a regândit designul unui difuzor cu peliculă subțire. În loc să vibreze întregul material, designul lor se bazează pe cupole minuscule așezate pe un strat subțire de material piezoelectric, care vibrează fiecare individual.

Aceste domuri, fiecare având lățimea a doar câteva fire de păr, sunt înconjurate de straturi de distanțare în partea superioară și inferioară a peliculei, ceea ce le protejează de suprafața de montare, permițându-le în același timp să vibreze liber. Aceleași straturi de distanțare protejează domurile de abraziune și impact în timpul manipulării de zi cu zi, sporind durabilitatea difuzorului.

Pentru a construi difuzorul, cercetătorii au folosit un laser pentru a tăia găuri mici într-o foaie subțire de PET, care este un tip de plastic ușor.

Apoi au laminat partea inferioară a acestui strat cu o peliculă foarte subțire (8 microni) de material piezoelectric, numit PVDF. Apoi au aplicat vid deasupra foilor lipite și o sursă de căldură, la 80 de grade Celsius, dedesubt.

Deoarece stratul de PVDF este atât de subțire, diferența de presiune creată de vid și sursa de căldură a făcut ca acesta să se umfle. PVDF nu poate trece prin stratul de PET, astfel încât domurile minuscule ies în afara zonelor în care nu sunt blocate de PET. Aceste proeminențe se autoaliniază cu găurile din stratul PET. Cercetătorii laminează apoi cealaltă parte a PVDF cu un alt strat de PET pentru a acționa ca un distanțier între cupole și suprafața de legătură.

„Acesta este un proces foarte simplu, direct. Ne-ar putea permite să producem aceste difuzoare la scară largă dacă le vom integra într-un proces roll-to-roll în viitor. Asta înseamnă că difuzoarele ar putea fi fabricate în cantități mari, cum este cazul tapetului pentru pereți, pentru mașini sau pentru interioarele aeronavelor”, spune Han.

Calitate înaltă, consum redus

Domurile au o înălțime de 15 microni, aproximativ o șesime din grosimea unui fir de păr uman și se mișcă în sus și în jos doar cu o jumătate de micron atunci când vibrează. Fiecare dom este o singură unitate de generare a sunetului, așa că este nevoie de mii de aceste domuri mici care vibrează împreună pentru a produce un sunet perceptibil.

Un avantaj suplimentar al procesului simplu de fabricare folosit de echipă este capabilitatea de a fi reglat: cercetătorii pot schimba dimensiunea găurilor din PET pentru a controla dimensiunea domurilor. Domurile cu o rază mai mare vor deplasa mai mult aer și vor produce mai mult sunet, dar domurile mai mari au și o frecvență de rezonanță mai mică.

Frecvența de rezonanță este frecvența la care dispozitivul funcționează cel mai eficient, iar frecvența de rezonanță mai mică duce la distorsiuni audio.

Odată ce cercetătorii au perfecționat tehnica de fabricație, au testat mai multe dimensiuni diferite de cupole și grosimi ale straturilor piezoelectrice pentru a ajunge la o combinație optimă.

Difuzorul subțire ca hârtia poate produce sunete comparabile cu ale un dispozitiv obișnuit

Aceștia au testat difuzorul subțire ca hârtia montându-l pe un perete la 30 de centimetri de un microfon pentru a măsura nivelul presiunii sonore, înregistrat în decibeli.

Atunci când dispozitivului i-a fost aplicată o tensiune de 25 V la 1 kHz (o rată de 1.000 de cicluri pe secundă), difuzorul a produs un sunet de înaltă calitate la niveluri conversaționale de 66 de decibeli. La 10 kHz, nivelul presiunii sonore a crescut la 86 de decibeli, aproximativ același nivel de volum ca al traficului dintr-un oraș.

Dispozitivul eficient din punct de vedere energetic necesită doar aproximativ 100 de miliwați de putere pe metru pătrat de suprafață a difuzorului. În schimb, un difuzor mediu de acasă ar putea consuma mai mult de 1 watt de putere pentru a genera o presiune acustică similară la o distanță comparabilă.

Cum ar mai putea fi utilizată invenția?

Deoarece cupolele minuscule vibrează, mai degrabă decât întregul film, difuzorul are o frecvență de rezonanță suficient de mare încât să poată fi utilizat eficient pentru aplicații cu ultrasunete, cum ar fi imagistica, explică Han. Imaginile cu ultrasunete utilizează unde sonore de foarte înaltă frecvență pentru a produce imagini, iar frecvențele mai mari oferă o rezoluție mai bună a imaginii.

Dispozitivul ar putea folosi ultrasunetele pentru a detecta locul în care stă un om într-o cameră, la fel cum fac liliecii folosind ecolocația, și apoi ar putea modela undele sonore pentru a urmări persoana în timp ce se mișcă, spune Bulović.

Dacă cupolele vibrante ale peliculei subțiri sunt acoperite cu o suprafață reflectorizantă, acestea ar putea fi folosite pentru a crea modele de lumină pentru viitoarele tehnologii de afișare.

Dacă sunt scufundate într-un lichid, membranele vibrante ar putea oferi o metodă nouă de amestecare a substanțelor chimice, permițând tehnici de procesare chimică care ar putea folosi mai puțină energie decât metodele de procesare în loturi mari.

„Avem capacitatea de a genera cu precizie mișcarea mecanică a aerului prin activarea unei suprafețe fizice care este scalabilă. Opțiunile de utilizare a acestei tehnologii sunt nelimitate”, spune Bulović.

Vă recomandăm să citiți și:

Cercetătorii susțin că au găsit un tratament care poate inversa pierderea auzului

NASA a „holoportat” primii oameni pe Stația Spațială Internațională. Ce este „holoportarea”?

Aplicațiile pancreasului artificial. Ce oferă această tehnologie de domeniul SF?

A fost inventat panoul solar nocturn. Care este secretul tehnologiei sale?