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

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

為了實現(xiàn)這些特性，研究人員開創(chuàng)了一種看似簡單的製造技術(shù)，該技術(shù)只需要三個基本步驟，並且可以按比例放大以製造足夠大的超薄揚聲器，以覆蓋汽車內(nèi)部或為房間貼牆紙。

以這種方式使用，薄膜揚聲器可以通過產(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）提供主動降噪；這兩個聲音相互抵消。這種靈活的設(shè)備也可用於沈浸式娛樂，也許可以通過在劇院或主題公園中提供三維音頻。而且由於它重量輕，需要少量的功率就能運行，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。

「拿起看起來像一張細(xì)長的紙，在上面貼上兩個夾子，將其插入計算機(jī)的耳機(jī)端口，然後開始聽到從中發(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運行它?！筕ladimir Bulovi?說，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)電子實驗室（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博士後）和共同資深作者Jeffrey Lang（維特斯電氣工程教授）共同撰寫了這篇論文。該研究今天發(fā)表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。

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新方法

在耳機(jī)或音頻系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的典型揚聲器使用電流輸入，這些電流輸入通過線圈產(chǎn)生磁場，該磁場移動揚聲器膜，移動其上方的空氣，從而產(chǎn)生我們聽到的聲音。相比之下，新型揚聲器通過使用一種異形壓電材料的薄膜來簡化揚聲器設(shè)計，當(dāng)施加電壓時，該薄膜會移動，從而將空氣移動到其上方並產(chǎn)生聲音。

大多數(shù)薄膜揚聲器設(shè)計為獨立式，因為薄膜必須自由彎曲才能產(chǎn)生聲音。將這些揚聲器安裝在表面上會阻礙振動並妨礙其產(chǎn)生聲音的能力。

為了克服這個問題，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊重新考慮了薄膜揚聲器的設(shè)計。他們的設(shè)計不是讓整個材料振動，而是依賴於薄薄的壓電材料層上的微小圓頂，每個壓電材料單獨振動。這些圓頂，每個只有幾個頭髮寬度，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，同時仍然使它們能夠自由振動。相同的墊片層可保護(hù)圓頂在日常操作過程中免受磨損和衝擊，從而增強(qiáng)揚聲器的耐用性。

為了製造揚聲器，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。然後，他們在粘合的薄片上施加真空，並在其下方施加80攝氏度的熱源。

由於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PET層，因此微小的圓頂在它們沒有被PET阻擋的區(qū)域突出。這些突起與PET層中的孔自對齊。然後，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。

「這是一個非常簡單、直接的過程。如果我們將來將這些揚聲器與卷對卷工藝集成，它將使我們能夠以高吞吐量的方式生產(chǎn)這些揚聲器。這意味著它可以大量製造，比如覆蓋牆壁、汽車或飛機(jī)內(nèi)飾的牆紙?！笻an說。

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高質(zhì)量、低功耗

圓頂?shù)母叨葹?5微米，大約是人類頭髮厚度的六分之一，它們在振動時只能上下移動約半微米。每個圓頂都是一個聲音生成單元，因此需要數(shù)千個這樣的小圓頂一起振動才能產(chǎn)生可聽見的聲音。

該團(tuán)隊簡單製造過程的另一個好處是它的可調(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^大的圓頂會置換更多的空氣並產(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，較低的諧振頻率會導(dǎo)致音頻失真。

一旦研究人員完善了製造技術(shù)，他們就測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。

他們通過將薄膜揚聲器安裝在距離麥克風(fēng)30釐米的牆壁上來測試他們的薄膜揚聲器，以測量以分貝為單位記錄的聲壓級。當(dāng)25伏特的電流以1千赫茲（每秒1000個週期的速率）通過設(shè)備時，揚聲器在66分貝的對話水平下產(chǎn)生高質(zhì)量的聲音。在10千赫茲時，聲壓級增加到86分貝，與城市交通的音量水平大致相同。

這種節(jié)能設(shè)備每平方米的揚聲器面積只需要大約100毫瓦的功率。相比之下，普通的家用揚聲器可能會消耗超過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，由於微小的圓頂正在振動，而不是整個膠片，因此揚聲器具有足夠高的共振頻率，可以有效地用於成像等超聲應(yīng)用。超聲成像使用非常高頻的聲波來產(chǎn)生圖像，而更高的頻率會產(chǎn)生更好的圖像分辨率。

Bulovi?說，該設(shè)備還可以使用超聲波來檢測人類在房間里站在哪裡，就像蝙蝠使用回聲定位一樣，然後塑造聲波以跟隨人移動。如果薄膜的振動圓頂覆蓋有反射表面，它們可用於為未來的顯示技術(shù)創(chuàng)建光的圖案。如果浸入液體中，振動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。

「我們有能力通過激活可擴(kuò)展的物理表面來精確地產(chǎn)生空氣的機(jī)械運動。如何使用這項技術(shù)的選擇是無限的?！笲ulovi?說。

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