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麻省理工學(xué)院的工程師開(kāi)發(fā)了一種薄紙揚(yáng)聲器，可以將任何表面變成有源音頻源。

這種薄膜揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音失真最小，而消耗的能量只是傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的一小部分。該團(tuán)隊(duì)演示了一款人手大小的揚(yáng)聲器，重量約為一角硬幣，無(wú)論薄膜粘在什么表面上，都能產(chǎn)生高質(zhì)量的聲音。

為了實(shí)現(xiàn)這些特性，研究人員開(kāi)創(chuàng)了一種看似簡(jiǎn)單的制造技術(shù)，該技術(shù)只需要三個(gè)基本步驟，并且可以按比例放大以制造足夠大的超薄揚(yáng)聲器，以覆蓋汽車內(nèi)部或?yàn)榉块g貼墻紙。

以這種方式使用，薄膜揚(yáng)聲器可以通過(guò)產(chǎn)生相同幅度但相反相位的聲音，在喧囂的環(huán)境中（例如飛機(jī)駕駛艙）提供主動(dòng)降噪；這兩個(gè)聲音相互抵消。這種靈活的設(shè)備也可用于沉浸式娛樂(lè)，也許可以通過(guò)在劇院或主題公園中提供三維音頻。而且由于它重量輕，需要少量的功率就能運(yùn)行，因此該器件非常適合在電池壽命有限的智能設(shè)備上應(yīng)用。

“拿起看起來(lái)像一張細(xì)長(zhǎng)的紙，在上面貼上兩個(gè)夾子，將其插入計(jì)算機(jī)的耳機(jī)端口，然后開(kāi)始聽(tīng)到從中發(fā)出的聲音。它可以在任何地方使用。人們只需要很少的電力來(lái)運(yùn)行它?！盫ladimir Bulovi?說(shuō)，他是新興技術(shù)領(lǐng)域的Fariborz Maseeh主席，有機(jī)和納米結(jié)構(gòu)電子實(shí)驗(yàn)室（ONE Lab）的負(fù)責(zé)人，麻省理工學(xué)院的主任，也是該論文的資深作者。

Bulovi?與主要作者Jinchi Han（ONE Lab博士后）和共同資深作者Jeffrey Lang（維特斯電氣工程教授）共同撰寫(xiě)了這篇論文。該研究今天發(fā)表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。

新方法

在耳機(jī)或音頻系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的典型揚(yáng)聲器使用電流輸入，這些電流輸入通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)移動(dòng)揚(yáng)聲器膜，移動(dòng)其上方的空氣，從而產(chǎn)生我們聽(tīng)到的聲音。相比之下，新型揚(yáng)聲器通過(guò)使用一種異形壓電材料的薄膜來(lái)簡(jiǎn)化揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，當(dāng)施加電壓時(shí)，該薄膜會(huì)移動(dòng)，從而將空氣移動(dòng)到其上方并產(chǎn)生聲音。

大多數(shù)薄膜揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)為獨(dú)立式，因?yàn)楸∧け仨氉杂蓮澢拍墚a(chǎn)生聲音。將這些揚(yáng)聲器安裝在表面上會(huì)阻礙振動(dòng)并妨礙其產(chǎn)生聲音的能力。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)重新考慮了薄膜揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)。他們的設(shè)計(jì)不是讓整個(gè)材料振動(dòng)，而是依賴于薄薄的壓電材料層上的微小圓頂，每個(gè)壓電材料單獨(dú)振動(dòng)。這些圓頂，每個(gè)只有幾個(gè)頭發(fā)寬度，被薄膜頂部和底部的間隔層包圍，保護(hù)它們免受安裝表面的影響，同時(shí)仍然使它們能夠自由振動(dòng)。相同的墊片層可保護(hù)圓頂在日常操作過(guò)程中免受磨損和沖擊，從而增強(qiáng)揚(yáng)聲器的耐用性。

為了制造揚(yáng)聲器，研究人員使用激光將小孔切成一片薄薄的PET，這是一種輕質(zhì)塑料。他們用一種非常薄的壓電材料（薄至8微米）層壓穿孔PET層的底面，稱為PVDF。然后，他們?cè)谡澈系谋∑鲜┘诱婵?，并在其下方施?0攝氏度的熱源。

由于PVDF層非常薄，真空和熱源產(chǎn)生的壓差導(dǎo)致其膨脹。PVDF不能強(qiáng)行穿過(guò)PET層，因此微小的圓頂在它們沒(méi)有被PET阻擋的區(qū)域突出。這些突起與PET層中的孔自對(duì)齊。然后，研究人員用另一層PET層壓PVDF的另一側(cè)，以充當(dāng)圓頂和粘合表面之間的墊片。

“這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單、直接的過(guò)程。如果我們將來(lái)將這些揚(yáng)聲器與卷對(duì)卷工藝集成，它將使我們能夠以高吞吐量的方式生產(chǎn)這些揚(yáng)聲器。這意味著它可以大量制造，比如覆蓋墻壁、汽車或飛機(jī)內(nèi)飾的墻紙?！盚an說(shuō)。

高質(zhì)量、低功耗

圓頂?shù)母叨葹?5微米，大約是人類頭發(fā)厚度的六分之一，它們?cè)谡駝?dòng)時(shí)只能上下移動(dòng)約半微米。每個(gè)圓頂都是一個(gè)聲音生成單元，因此需要數(shù)千個(gè)這樣的小圓頂一起振動(dòng)才能產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的聲音。

該團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)單制造過(guò)程的另一個(gè)好處是它的可調(diào)性 – 研究人員可以改變PET中孔的大小以控制圓頂?shù)拇笮　０霃捷^大的圓頂會(huì)置換更多的空氣并產(chǎn)生更多的聲音，但較大的圓頂?shù)墓舱耦l率也較低。諧振頻率是器件工作效率最高的頻率，較低的諧振頻率會(huì)導(dǎo)致音頻失真。

一旦研究人員完善了制造技術(shù)，他們就測(cè)試了幾種不同的圓頂尺寸和壓電層厚度，以達(dá)到最佳組合。

他們通過(guò)將薄膜揚(yáng)聲器安裝在距離麥克風(fēng)30厘米的墻壁上來(lái)測(cè)試他們的薄膜揚(yáng)聲器，以測(cè)量以分貝為單位記錄的聲壓級(jí)。當(dāng)25伏特的電流以1千赫茲（每秒1000個(gè)周期的速率）通過(guò)設(shè)備時(shí)，揚(yáng)聲器在66分貝的對(duì)話水平下產(chǎn)生高質(zhì)量的聲音。在10千赫茲時(shí)，聲壓級(jí)增加到86分貝，與城市交通的音量水平大致相同。

這種節(jié)能設(shè)備每平方米的揚(yáng)聲器面積只需要大約100毫瓦的功率。相比之下，普通的家用揚(yáng)聲器可能會(huì)消耗超過(guò)1瓦的功率，以在相當(dāng)?shù)木嚯x上產(chǎn)生類似的聲壓。

Han解釋說(shuō)，由于微小的圓頂正在振動(dòng)，而不是整個(gè)膠片，因此揚(yáng)聲器具有足夠高的共振頻率，可以有效地用于成像等超聲應(yīng)用。超聲成像使用非常高頻的聲波來(lái)產(chǎn)生圖像，而更高的頻率會(huì)產(chǎn)生更好的圖像分辨率。

Bulovi?說(shuō)，該設(shè)備還可以使用超聲波來(lái)檢測(cè)人類在房間里站在哪里，就像蝙蝠使用回聲定位一樣，然后塑造聲波以跟隨人移動(dòng)。如果薄膜的振動(dòng)圓頂覆蓋有反射表面，它們可用于為未來(lái)的顯示技術(shù)創(chuàng)建光的圖案。如果浸入液體中，振動(dòng)膜可以提供一種攪拌化學(xué)品的新方法，使化學(xué)處理技術(shù)能夠比大批量處理方法使用更少的能量。

“我們有能力通過(guò)激活可擴(kuò)展的物理表面來(lái)精確地產(chǎn)生空氣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。如何使用這項(xiàng)技術(shù)的選擇是無(wú)限的?！盉ulovi?說(shuō)。

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