來源：學術頭條
近日，來麻省理工學院（MIT）的工程師們開發了一種新型超薄揚聲器，這種靈活的薄膜裝置，有可能将任何物體表面變成低功耗、高品質的音頻源。
這種薄膜揚聲器需要的能量僅為傳統揚聲器所需能量的一小部分，但卻能夠産生極小失真的高品質聲音。根據研究團隊的示範，手掌大小的揚聲器，重量僅為一角硬币，而且無論該薄膜粘合到什麼表面，都可以産生高品質的聲音。
為了實作這些特性，研究人員還開創了一種看似簡單的制造技術，并且可以按比例放大以生産大到足以覆寫汽車内部或房間牆紙的超薄揚聲器。使用這種方式，薄膜揚聲器可以在嘈雜的環境（例如飛機駕駛艙）中通過産生相同幅度但相反相位的聲音，來提供主動降噪（即讓兩種聲音互相抵消）功能。
此外，這種新型裝置還可以用于沉浸式娛樂，比如在劇院或主題公園遊樂設施中提供 3D 音頻。而且由于它重量輕且運作所需的電量非常少，是以該裝置非常适合電池壽命有限的智能裝置上。
「看起來像一張薄薄的紙，在上面貼上兩個夾子，将它插入電腦的耳機端口，然後開始聽到它發出的聲音，感覺很了不起。它可以在任何地方使用，隻需要一個運作它的電力。」研究論文通訊作者、MIT.nano 主任、有機和納米結構電子實驗室（ONE Lab）的負責人 Vladimir Bolovi 說。
Bulovi 與論文第一作者、 ONE Lab 博士後 Jinchi Han，以及電氣工程教授 Jeffrey Lang 共同撰寫了這篇論文。該研究發表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。
全新的超薄揚聲器
我們都知道，耳機或音響系統中的傳統揚聲器使用電流輸入，當不斷變化的電流輸入通過能夠産生磁場的線圈，并推送揚聲器膜的振動，進而使其上方的空氣振動，進而産生我們聽到的聲音。
相比之下，這款新的揚聲器裝置，通過使用一種壓電材料（piezoelectric material）薄膜來簡化揚聲器設計，當電壓施加在其上時，該薄膜會移動，進而使其上方的空氣振動并産生聲音。
由于薄膜揚聲器設計為獨立式，是以薄膜材料必須自由彎曲才能産生聲音。但将這些揚聲器安裝在物體表面上會阻礙振動并妨礙它們産生聲音的能力。
為了克服這個問題，麻省理工學院的團隊重新考慮了薄膜揚聲器的設計。他們的設計不是讓整個材料振動，而是依靠一層薄薄的壓電材料上的微小圓頂，讓每個圓頂都單獨振動。
（來源：MIT）
這些小圓頂，隻有幾根頭發的寬度，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。相同的間隔層可保護圓頂在日常操作過程中免受磨損和沖擊，進而提高揚聲器的耐用性。
制作過程看起來也十分簡單。首先，研究人員使用雷射在PET（這是一種輕質塑膠）薄片上切割出小孔，穿孔的 PET 下側層壓了一層非常薄的壓電材料（薄至 8 微米），稱為 PVDF；然後他們在粘合的薄片上方施加真空，并在下方施加 80 攝氏度的熱源。
由于 PVDF 層非常薄，真空和熱源産生的壓力差導緻它膨脹。但是 PVDF 無法強行穿過 PET 層，是以微小的圓頂會在未被 PET 阻擋的區域突出。而這些突起與 PET 層中的孔各自對齊。然後，研究人員将 PVDF 的另一面與另一個 PET 層層壓在一起，作為小圓頂和粘合表面之間的隔離物。
「這是一個非常簡單、直接的過程。如果我們将來将其與卷對卷（roll-to-roll）工藝內建，它将允許我們以高通量方式生産這些揚聲器。這意味着它可以大量制造，就像牆紙可以覆寫牆壁、汽車或飛機内部。」Han 說。
高品質、低功耗，應用潛力無限
每個圓頂都是一個單獨的發聲單元，由于圓頂高 15 微米，約為人類頭發厚度的六分之一，振動時僅能夠上下移動約半微米，是以需要數千個這樣的小圓頂一起振動才能産生可聽的聲音。
此外，該超薄發聲裝置的制造還有另一個好處，就是它的可調性，因為研究人員可以改變 PET 中孔的大小來控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂會推動更多的空氣并産生更大的聲音，但較大的圓頂也具有較低的諧振頻率（resonance frequency）。諧振頻率是裝置運作效率最高的頻率，較低的諧振頻率會導緻音頻失真。
（來源：MIT）
經過多次的測試，研究人員找到不同的圓頂尺寸和壓電層厚度的最佳組合。然後，他們通過将薄膜揚聲器安裝到距離麥克風 30 厘米的牆壁上來測試他們的薄膜揚聲器。
當 25 伏特的電流以 1 千赫茲（每秒 1,000 次循環的速率）通過該裝置時，揚聲器會産生 66 分貝的會話級别的高品質聲音。在 10 千赫茲時，聲壓級增加到 86 分貝，與城市交通的音量水準大緻相同。
這種節能揚聲器裝置每平方米面積隻需要大約 100 毫瓦的功率。相比之下，一個普通的家用揚聲器可能會消耗超過 1 瓦的功率才能在相當的距離上産生相似的聲壓。
研究人員解釋說，由于該裝置隻有微小的圓頂是振動的，而不是整個薄膜，揚聲器具有足夠高的諧振頻率，是以還可以有效地用于超聲應用，如超聲成像。超聲成像使用非常高頻的聲波來産生圖像，而更高的頻率能夠産生更好的圖像分辨率。
比如，該裝置可以使用超音波檢測人在房間中的站立位置，并跟蹤位置，就像蝙蝠使用回聲定位一樣。如果薄膜的振動圓頂覆寫有反射表面，則它們可用于為未來的顯像技術建立光圖案。如果浸入液體中，振動膜還可以提供一種攪拌化學品的新方法，使化學處理技術比大批量處理方法使用更少的能量。
「我們有能力通過激活可擴充的實體表面，來精确地産生空氣的機械運動。而如何使用這項技術的選擇是無限的，」Bulovi 說。
參考資料：
https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426
https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188