Инженеры Массачусетского технологического института разработали ультратонкий громкоговоритель, который может быть использован для того, чтобы заставить целые поверхности издавать звук. По словам разработчиков, уникальная конструкция энергоэффективна и проста в производстве.

Инженеры Массачусетского технологического института разработали ультратонкий динамик, который можно наклеивать как обои. Felice Frankel

По сути, акустические системы работают за счет вибрации мембраны, которая воздействует на воздух вокруг нее, создавая звуковые волны. Как правило, в динамиках, используемых в классических аудиосистемах или наушниках, для этого используются электрические токи и магнитные поля.

Однако в последние годы ученые разработали способы достижения подобных результатов в гораздо более компактных устройствах. Для создания тонкопленочных динамиков используются пьезоэлектрические материалы, которые вибрируют в ответ на подачу электрического сигнала. Они используются в телефонах и телевизорах, и даже в качестве опытного образца для создания акустических систем таких необычных вещей, как флаги.

Проблема в том, что такие тонкопленочные динамики должны быть отдельно стоящими, либо находиться на некотором расстоянии от другой поверхности, поскольку их фиксация снижает их способность вибрировать и издавать звук. Однако в рамках нового исследования ученые Массачусетского технологического института перепроектировали тонкие динамики таким образом, чтобы их можно было монтировать практически на любые поверхности.

Вместо того, чтобы заставлять вибрировать всю конструкцию, команда сформировала материал в виде сетки приподнятых куполов, которые работают независимо друг от друга. Для этого тонкий слой пьезоэлектрического материала (толщиной всего 8 микрон) поместили между двумя слоями полиэтилентерефталата. Первый слой ПЭТ покрыт сеткой с мельчайшими отверстиями, через которые выступают пьезоэлектрический материал, образуя микро-купола. Нижний слой ПЭТ защищает мембрану и позволяет крепить динамик к поверхности.

"Это чрезвычайно простая и понятная технология", - утверждает Джинчи Хан, главный автор исследования. " Она позволила бы нам производить эти динамики с высокой производительностью, если бы мы в будущем смогли интегрировать ее в рулонный процесс. А это значит, что их можно будет изготавливать в больших объёмах, как например, обои для покрытия стен, автомобилей или салонов самолётов".

Динамик имеет толщину 120 мм и весит не более 2 грамм, при этом высота куполов составляет всего 15 микрон. Для проверки устройства исследователи закрепили его на стене и произвели замеры выходного сигнала с помощью микрофона, расположенного на расстоянии 30 см. В результате оказалось, что при напряжении 25В динамик способен издавать звук с частотой в 66 децибел (дБ) на частоте 1 кГц и 86 дБ на частоте 10 кГц. Устройство обладает высокой энергоэффективностью, потребляя всего 100 милливатт мощности на квадратный сантиметр.

По словам команды, наряду с производство тонкопленочных громкоговорителей, устройство можно использовать в качестве ультразвуковых детекторов, а  покрыв отражающим материалом, создавать уникальные световые дисплеи.

На видео ниже представлена демонстрация работы инновационных акустических систем.

Тонкий бумажный динамик играет песню "We Are the Champions" группы Queen

Исследование было опубликовано в журнале IEEE Transactions of Industrial Electronics.

Источники: MIT, Nature, IEEE Transactions of Industrial Electronics.
(https://www.nature.com/articles/ncomms15310)
https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188
(https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426)
(https://msutoday.msu.edu/news/2017/how-scientists-turned-a-flag-into-a-loudspeaker)