مهندسان MIT یک بلندگوی انعطاف‌پذیر و نازک کاغذی ساختند

مهندسان MIT یک بلندگوی انعطاف‌پذیر و نازک کاغذی توسعه می‌دهند

محققان MIT یک بلندگوی فوق نازک ساخته اند که می تواند هر سطح سفت و سختی را به یک منبع صوتی با کیفیت بالا و فعال تبدیل کند. فرآیند ساخت ساده ای که آنها معرفی کردند می تواند دستگاه های لایه نازک را قادر سازد تا در مقیاس های متنوع تولید شوند.

این بلندگوی انعطاف‌پذیر صدا را با حداقل اعوجاج تولید می کند در حالی که تنها کسری از انرژی مورد نیاز یک بلندگوی سنتی را مصرف می کند. بلندگوی دستی که تیم نشان داد، و وزن آن تقریباً به اندازه یک سکه است، می تواند صدایی با کیفیت بالا را بدون توجه به سطحی که فیلم به آن چسبانده شده است تولید کند.

برای دستیابی به این ویژگی‌های قابل توجه، محققان یک فناوری ساخت ساده فریبنده را پیشگام کردند که تنها شامل سه مرحله اساسی است و می‌توان آن را برای تولید بلندگوهای بسیار نازک به اندازه کافی بزرگ کرد که داخل خودرو یا کاغذ دیواری اتاق را بپوشاند.

با استفاده از این روش، بلندگوی لایه نازک می‌تواند حذف نویز فعال را در محیط‌های پر هیاهو، مانند کابین خلبان هواپیما، با تولید صدایی با همان دامنه اما فاز مخالف ارائه دهد. این دو صدا یکدیگر را خنثی می کنند. این دستگاه منعطف همچنین می تواند برای سرگرمی های همه جانبه استفاده شود، شاید با ارائه صدای سه بعدی در یک تئاتر یا پارک موضوعی. و از آنجایی که این دستگاه سبک وزن است و برای کارکردن به انرژی بسیار کمی نیاز دارد، این دستگاه برای برنامه‌های کاربردی در دستگاه‌های هوشمند که عمر باتری آن محدود است، مناسب است.

این احساس خیلی خوبی دارد که کاغذی باریک را بردارید، دو گیره به آن وصل کنید، آن را به پورت هدفون رایانه خود وصل کنید و شروع به شنیدن صداهایی کنید که از آن منتشر می شود. می توان از آن در هر جایی استفاده کرد.

ولادیمیر بولوویچ، کرسی فریبرز مسیح در فناوری نوظهور، رهبر آزمایشگاه الکترونیک آلی و نانوساختار (ONE Lab)، مدیر MIT.nano، و نویسنده ارشد مقاله می‌گوید:

فقط به مقداری انرژی الکتریکی نیاز داریم تا آن را اجرا کند.

بولوویچ این مقاله را با نویسنده اصلی جینچی هان، فوق دکترای ONE Lab، و نویسنده ارشد جفری لانگ، پروفسور مهندسی برق Vitesse نوشت. این تحقیق امروز (26 آوریل 2022) در IEEE Transactions of Industrial Electronics منتشر شده است.

یک رویکرد جدید

یک بلندگوی معمولی که در هدفون یا یک سیستم صوتی یافت می‌شود از ورودی‌های جریان الکتریکی استفاده کرده که از سیم پیچی عبور می‌کند که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، که غشای بلندگو را حرکت می‌دهد، و درنتیجه هوا را بالای آن حرکت می‌دهد و صدایی را که ما می‌شنویم تولید می‌کند. در مقابل، بلندگوی جدید با استفاده از یک لایه نازک از مواد پیزوالکتریک شکلی که با اعمال ولتاژ روی آن حرکت می‌کند، طراحی بلندگو را ساده‌تر می‌کند و هوا را بالای آن حرکت می‌دهد و صدا تولید می‌کند.

بیشتر بلندگوهای لایه نازک به صورت مستقل طراحی شده اند، زیرا فیلم باید آزادانه خم شود تا صدا تولید کند. نصب این بلندگوی انعطاف‌پذیر بر روی یک سطح، لرزش را مختل می کند و توانایی تولید صدا را با ایراد مواجه می شود.

برای غلبه بر این مشکل، تیم MIT در طراحی یک بلندگوی لایه نازک تجدید نظر کرد. طراحی آنها به جای ارتعاش کل مواد، بر روی گنبدهای کوچک روی یک لایه نازک از مواد پیزوالکتریک تکیه دارد که هر کدام به تنهایی ارتعاش می‌کنند. این گنبدها، هر کدام به عرض چند تار مو، توسط لایه‌های فاصله‌دهنده در بالا و پایین فیلم احاطه شده‌اند که از آن‌ها در برابر سطح نصب محافظت می‌کند و در عین حال آنها را قادر می‌سازد تا آزادانه ارتعاش کنند. لایه‌های فاصله‌دهنده یکسان از گنبدها در برابر سایش و ضربه در حین جابجایی روزانه محافظت می‌کنند و دوام بلندگو را افزایش می‌دهند.

برای ساخت این بلندگوی انعطاف‌پذیر، محققان از لیزر برای بریدن سوراخ‌های ریز در ورقه نازکی از PET استفاده کردند که نوعی پلاستیک سبک وزن است. آنها سطح زیرین لایه PET سوراخ شده را با یک لایه بسیار نازک (به ضخامت 8 میکرون) از مواد پیزوالکتریک به نام PVDF لمینت کردند. سپس بر روی ورقه های چسبانده شده خلاء و یک منبع حرارتی در دمای 80 درجه سانتیگراد در زیر آنها اعمال کردند.

از آنجایی که لایه PVDF بسیار نازک است، اختلاف فشار ایجاد شده توسط خلاء و منبع گرما باعث برآمدگی آن می شود. PVDF نمی تواند به زور از لایه PET عبور کند، بنابراین گنبدهای کوچک در مناطقی که توسط PET مسدود نشده اند بیرون زده اند. این برجستگی ها با سوراخ های لایه PET خود تراز می شوند. سپس محققان طرف دیگر PVDF را با یک لایه PET دیگر لمینت می کنند تا به عنوان یک فاصله بین گنبدها و سطح پیوند عمل کند.

این یک فرآیند بسیار ساده و سرراست است. اگر در آینده آن را با فرآیند رول به رول ادغام کنیم، این امکان را به ما می‌دهد که این بلندگوی انعطاف‌پذیر را با توان عملیاتی بالا تولید کنیم. این بدان معناست که می توان آن را در مقادیر زیادی مانند کاغذ دیواری برای پوشاندن دیوارها، اتومبیل ها یا فضای داخلی هواپیما ساخت.

کیفیت بالا، قدرت کم

ارتفاع این گنبدها 15 میکرون است که ضخامت آن تقریباً یک ششم موی انسان است و در صورت ارتعاش تنها نیم میکرون بالا و پایین می روند. هر گنبد یک واحد تولید صدا است، بنابراین هزاران گنبد کوچک با هم لرزش دارند تا صدای قابل شنیدن تولید کنند.

یکی از مزایای دیگر فرآیند ساخت ساده این تیم، قابلیت تنظیم آن است – محققان می توانند اندازه سوراخ های PET را برای کنترل اندازه گنبدها تغییر دهند. گنبدهای با شعاع بزرگتر هوای بیشتری را جابجا می کنند و صدای بلندتری تولید می کنند، اما گنبدهای بزرگتر فرکانس تشدید کمتری نیز دارند. فرکانس رزونانس فرکانسی است که دستگاه در آن به بهترین شکل کار می کند و فرکانس تشدید کمتر منجر به اعوجاج صدا می شود.

هنگامی که محققان تکنیک ساخت را کامل کردند، چندین اندازه مختلف گنبد و ضخامت لایه پیزوالکتریک را برای رسیدن به ترکیبی بهینه آزمایش کردند.

آنها بلندگوی انعطاف‌پذیر لایه نازک خود را با نصب آن بر روی دیواری در فاصله 30 سانتی متری از میکروفون برای اندازه گیری سطح فشار صدا که بر حسب دسی بل ضبط شده بود، آزمایش کردند. هنگامی که 25 ولت برق با سرعت 1 کیلوهرتز (با سرعت 1000 سیکل در ثانیه) از دستگاه عبور داده شد، بلندگو صدایی با کیفیت بالا در سطوح مکالمه 66 دسی بل تولید کرد. در 10 کیلوهرتز، سطح فشار صدا به 86 دسی بل افزایش یافت که تقریباً همان میزان حجم ترافیک شهری است.

دستگاه کم مصرف فقط به 100 میلی وات برق در هر متر مربع از منطقه بلندگو نیاز دارد. در مقابل، یک بلندگوی خانگی متوسط ​​ممکن است بیش از 1 وات برق مصرف کند تا فشار صدای مشابهی را در فاصله ای قابل مقایسه ایجاد کند.

هان توضیح می دهد که از آنجایی که گنبدهای کوچک به جای کل فیلم، ارتعاش دارند، بلندگو فرکانس تشدید کافی بالایی دارد که می تواند به طور موثر برای کاربردهای اولتراسوند مانند تصویربرداری استفاده شود. تصویربرداری اولتراسوند از امواج صوتی با فرکانس بسیار بالا برای تولید تصاویر استفاده می کند و فرکانس های بالاتر وضوح تصویر بهتری را ارائه می دهند.

بولوویچ می‌گوید این دستگاه همچنین می‌تواند از امواج فراصوت برای تشخیص محل ایستادن انسان در اتاق استفاده کند، درست مانند خفاش‌ها با استفاده از اکولوکاسیون، و سپس امواج صوتی را شکل دهد تا هنگام حرکت فرد را دنبال کند. اگر گنبدهای ارتعاشی لایه نازک با یک سطح بازتابنده پوشانده شوند، می‌توان از آنها برای ایجاد الگوهای نور برای فناوری‌های نمایش آینده استفاده کرد. اگر غشاهای ارتعاشی در یک مایع غوطه ور شوند، می توانند روش جدیدی برای هم زدن مواد شیمیایی ارائه دهند و تکنیک های پردازش شیمیایی را که می توانند انرژی کمتری نسبت به روش های پردازش دسته ای بزرگ مصرف کنند، فراهم می کند.

ما این توانایی را داریم که دقیقاً حرکت مکانیکی هوا را با فعال کردن یک سطح فیزیکی که مقیاس پذیر است ایجاد کنیم. گزینه های نحوه استفاده از این فناوری نامحدود است.

یوانیس (جان) کیمیسیس، پروفسور کنت برایر، پروفسور مهندسی برق و رئیس گروه مهندسی برق دانشگاه کلمبیا، که در این زمینه دخالتی نداشت، می‌گوید:

من فکر می‌کنم این یک رویکرد بسیار خلاقانه برای ساخت این کلاس از بلندگوهای فوق‌العاده نازک است. این تحقیق، استراتژی گنبدی کردن پشته فیلم با استفاده از الگوهای طرح‌دار فوتولیتوگرافی کاملاً منحصربه‌فرد است و احتمالاً منجر به طیف وسیعی از برنامه‌های کاربردی جدید در بلندگوها و میکروفون‌ها می‌شود.

مرجع: “یک بلندگوی انعطاف پذیر فوق العاده نازک بر اساس یک آرایه میکرو گنبدی پیزوالکتریک” توسط جینچی هان، جفری لانگ و ولادیمیر بولوویچ، 26 آوریل 2022، IEEE Transactions of Industrial Electronics.
DOI: 10.1109/TIE.2022.3150082

این کار تا حدی توسط کمک هزینه تحقیقاتی شرکت فورد موتور و هدیه ای از Lendlease، Inc.