声学定位纸

麻省理工学院的科学家创造了一种纸一样薄的扬声器，可以覆盖整个房子。这种薄膜扬声器只需要传统扬声器所需能量的一小部分，却能以极小的失真产生高质量的声音。麻省理工学院的科学家创造了一种纸一样薄的扬声器，可以覆盖整个房子。

麻省理工学院的科学家制造出可以覆盖整个房子的纸一样薄的扬声器。1麻省理工的工程师们开发出了一种纸一样薄的扬声器，可以将任何表面变成声源。

它的重量相当于一枚10美分的硬币，无论贴在什么表面都能发出高质量的声音。

这种薄膜扬声器产生的声音失真最小，比传统扬声器消耗的能量少得多。

为了实现这些特性，研究人员创造了一种看似简单的制造技术，只需要三个基本步骤。利用这项技术，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)中主动降噪。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，如在剧院或主题公园提供三维音频。由于重量轻、功耗低，非常适合电池寿命有限的智能设备。

这项研究成果最近发表在《IEEE工业电子学汇刊》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，插入电脑的耳机插孔，然后开始听到它发出的声音，这真是太棒了。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、论文作者弗拉基米尔·布洛维(Vladimir Bulovi)说。

这种薄膜音箱是怎么做出来的？

耳机或音频系统中常用的典型扬声器使用电流输入。电流通过线圈产生磁场，磁场移动扬声器振膜，带动振膜上方的空气，从而产生我们听到的声音。相比之下，麻省理工学院工程师设计的新扬声器简化了传统设计，使用了模压压电材料薄膜。当对其施加电压时，薄膜会移动，从而驱动其上方的空气并产生声音。

大多数薄膜扬声器被设计为独立的(没有支撑)，因为薄膜必须能够自由弯曲以产生声音。将这些扬声器安装在表面上会阻碍振动和发声能力。

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。他们给出的方案是，整个材料不允许振动，但声音是由压电材料薄层上的微小圆顶振动产生的，每个圆顶独立振动。

这些圆顶，每一个都有几根头发那么宽，在薄膜的顶部和底部被垫片包围，保护它们不受安装表面的影响，同时仍然允许它们自由振动。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轻质塑料PET板上切割微小的孔。他们在穿孔的PET层下放置了一层非常薄(8微米)的压电薄膜，称为PVDF。然后，他们对粘合板的顶部抽真空，并在板下施加80摄氏度的热源。

因为PVDF层非常薄，真空和热源之间的压力差导致它膨胀。PVDF无法强行穿过PET层，所以在没有被PET阻挡的地方会出现微小的圆顶。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，作为穹顶和粘合表面之间的间隔物。

“这是一个非常简单明了的过程。如果我们将其与卷对卷工艺相结合，我们可以大规模生产这些扬声器，然后以类似于壁纸的方式将其覆盖在墙壁、汽车或飞机上。韩在第一篇论文中说。

高质量和低功耗

薄膜扬声器中的小圆顶有15微米高，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半微米左右。每个圆顶都是一个独立的发声单元，所以成千上万个这样的小圆顶需要一起振动才能产生听得见的声音。

制造过程简单的另一个优点是它是可调的——研究人员可以改变PET上的孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶可以带动更多的空气振动，产生更大的声音，但半径较大的圆顶* * *振动频率也较低，会导致音频失真。

在完善制造技术后，研究人员测试了几种不同的穹顶尺寸和压电层厚度，以实现最佳组合。

他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风30厘米的墙上，并测试其声压级(以分贝为单位)。当25伏的电压以1 kHz的频率通过设备时，扬声器产生66分贝的高质量声音。在10 kHz时，声压级增加到86 dB，大约相当于城市交通量。

这种节能装置每平方米扬声器面积只需要100 MW左右的功率。相比之下，如果在类似的距离产生类似的声压，一个普通的家用扬声器可能会消耗1瓦以上的功率。

韩解释说，因为微型拱顶振动，而不是整个膜，所以扬声器具有足够高的振动频率，可以有效地用于超声应用，如成像。超声成像使用极高频率的声波来产生图像，更高的频率可以产生更高分辨率的图像。

布洛维说，这种设备还可以利用超声波探测人类站在一个房间里的位置，就像蝙蝠利用回声定位一样，然后跟随人类的运动形成声波。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面，它们可以用于为未来显示技术的发光模式提供思路。如果浸没在液体中，振动膜可以提供一种搅拌化学物质的新方法，使化学处理技术可以比质量处理方法使用更少的能量。

“我们有能力通过激活可伸缩的物理表面来精确地产生空气的机械运动。这项技术带来的想象力是无限的。布洛维说。

麻省理工学院的科学家们已经制造出了像纸一样薄的扬声器，可以遍布整个房子。最近，来自麻省理工学院的工程师开发了一种新型超薄扬声器，这是一种柔性薄膜设备，可能会将任何物体表面变成低功率高质量的音频源。

这种薄膜扬声器只需要传统扬声器所需能量的一小部分，却能以极小的失真产生高质量的声音。根据研究小组的演示，这种手掌大小的扬声器只有一毛钱重，无论薄膜粘合在什么表面，都可以发出高质量的声音。

为了实现这些特性，研究人员还创造了一种看似简单的制造技术，可以按比例放大，生产出足够大的超薄扬声器，覆盖汽车或房间内的壁纸。这样，薄膜扬声器可以通过在嘈杂的环境(如飞机驾驶舱)中产生振幅相同但相位相反的声音来提供主动降噪(即两种声音相互抵消)。

此外，这种新设备还可以用于沉浸式娱乐，如在剧院或主题公园提供3D音频。而且因为重量轻，需要的电量非常少，非常适合续航能力有限的智能设备。

“它看起来像一张薄薄的纸。在上面贴上两个夹子，插上电脑的耳机口，然后开始听它发出的声音。感觉棒极了。它可以在任何地方使用，只需要一个电源来运行它。该研究论文的通讯记者、MIT.nano主任兼有机和纳米结构电子实验室(ONE Lab)负责人Vladimir Bolovi说。

布洛维与第一作者、一个实验室的博士后金池·韩和电气工程教授杰弗里·朗* * *(Jeffrey Lang * * *)共同撰写了这篇论文。这项研究发表在IEEE工业电子学报上。

全新超薄扬声器

众所周知，耳机或音频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一个可以产生磁场的线圈，推动扬声器振膜振动时，其上方的空气就会振动，从而产生我们听到的声音。

相比之下，这种新的扬声器设备通过使用压电材料薄膜简化了扬声器设计。当对它施加电压时，薄膜会移动，因此它上面的空气会振动并产生声音。

因为薄膜扬声器是独立设计的，所以薄膜材料必须自由弯曲才能发声。但是将这些扬声器安装在物体表面会阻碍振动和它们产生声音的能力。

为了克服这个问题，MIT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，让每个圆顶分别振动。

这些只有几根头发宽的小圆顶被薄膜顶部和底部的垫片包围着，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然允许它们自由振动。相同的间隔层可以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。

制作过程看起来也很简单。首先，研究人员使用激光在PET(一种轻质塑料)片材上打孔，在打孔的PET下侧层压一种非常薄的压电材料(薄至8微米)，称为PVDF。然后他们在粘合的薄片上施加真空，并在下面施加80摄氏度的热源。

因为PVDF层非常薄，真空和热源之间的压力差导致它膨胀。但是PVDF无法强行穿过PET层，所以微小的穹顶会在没有被PET遮挡的区域突出。并且这些突起分别与PET层中的孔对齐。然后，研究人员在PVDF的另一侧层压另一层PET层，作为小穹顶和粘合表面之间的间隔物。

“这是一个非常简单直接的过程。如果我们将来将它与卷到卷工艺整合，这将使我们能够以高通的数量生产这些扬声器。这意味着它可以大规模生产，就像壁纸可以覆盖墙壁、汽车或飞机一样。”韩说:

高品质，低功耗，应用潜力无限。

每个圆顶都是一个独立的发声单元。由于穹顶的高度为15微米，约为人类头发厚度的六分之一，振动时只能上下移动半微米左右，所以需要数千个这样的小穹顶一起振动才能产生可闻的声音。

此外，这种超薄声音装置的制造还有另一个优点，那就是它是可调节的，因为研究人员可以改变PET上的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，产生更多的声音，但它的共振频率也较低。谐振频率是设备运行的最有效频率，较低的谐振频率会导致音频失真。

(来源:麻省理工学院)

经过多次测试，研究人员找到了不同穹顶尺寸和压电层厚度的最佳组合。然后，他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风30厘米的墙上，对其进行测试。

当25伏的电流以1 kHz(每秒1，000个周期的速率)通过该设备时，扬声器将产生66分贝的高质量声音。在10 kHz时，声压级增加到86 dB，与城市交通的音量水平大致相当。

这种节能扬声器装置每平方米面积只需要约100 MW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，才能在相当远的距离产生类似的声压。

研究人员解释说，由于只有设备的微小圆顶振动，而不是整个薄膜，扬声器具有足够高的共振频率，因此它也可以有效地用于超声波应用，如超声波成像。超声成像使用非常高频率的声波来产生图像，而更高的频率可以产生更好的图像分辨率。

例如，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，它们可以用于为未来的成像技术创造光图案。如果浸没在液体中，振动膜还可以提供一种搅拌化学物质的新方法，从而使化学处理技术比质量处理方法使用更少的能量。

“我们有能力通过激活可延伸的物理表面来精确地产生空气的机械运动。如何使用这项技术的选择是无限的，”布洛维说。

麻省理工学院的科学家们制造了一种纸一样薄的扬声器，可以在整个房子里传播。据媒体近日报道，麻省理工学院的工程师们开发出了一种纸一样薄的扬声器，它可以将任何表面变成主动声源。

这种薄膜扬声器产生的声音失真非常小，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重约一毛钱。无论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，研究人员创造了一种看似简单的制造技术，它只涉及三个基本步骤来制造超薄扬声器，其面积可以大到足以覆盖汽车内部或在房间里粘贴壁纸。

薄膜扬声器可以通过产生振幅相同但相位相反的声音，在飞机驾驶舱等嘈杂环境中提供主动噪声消除。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，也许可以在剧院或主题公园的娱乐设施中提供三维音频。此外，由于它很轻，需要很少的电力来运行，因此该设备非常适合电池寿命有限的智能设备。

据了解，在耳机或音频系统中，典型的扬声器采用电流输入，电流通过线圈产生磁场，可以移动扬声器振膜，使其上方的空气运动，从而产生声音。相比之下，这种新型扬声器的设计通过使用模制压电薄膜材料得以简化。当向薄膜施加电压时，薄膜会移动，从而移动其上方的空气并产生声音。

具体来说，为了制造这种扬声器，研究人员使用激光在PET片材上打孔，这是一种轻质塑料。他们在穿孔PET层的底部铺了一层非常薄的压电PVDF膜(只有8微米厚)。然后他们在粘合的薄片上施加真空，在薄片下施加80摄氏度的热源。

因为PVDF层太薄，真空和热源之间的压力差导致它膨胀。PVDF不能强行穿过PET层，所以微小的圆顶突出在没有被PET阻挡的地方。这些突起可以与PET层中的孔自对准。然后，研究人员在PVDF的另一侧铺设另一层PET，作为穹顶和粘合表面之间的间隔物。

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，每个只有几根头发宽，被薄膜顶部和底部的垫片包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然允许它们自由振动。相同的间隔层保护圆顶在日常操作中免受磨损和冲击，从而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。如果将来我们能把它与卷对卷加工技术结合起来，我们就能以高通的数量生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，像壁纸一样覆盖墙壁、汽车或飞机。”