MIT中国博后制造超薄扬声器,可贴在墙壁使用并实现局部区域主动降噪

扬声器可以薄到什么程度?近日,麻省理工学院(MIT)团队展示了其新成果,他们制造了一种新型扬声器,不仅轻薄如纸,并且还能保持低能耗、高音质。(来源:MIT)这种新型扬声器很轻,每 100 平方厘米的质量只有 2 克,类似于一角硬币的重量。并且这种新型扬声器可贴在物品表面使用,其产生的高质量音频不受物品表面特征的影响。相关论文以《基于压电微圆顶阵列的超薄柔性扬声器》(An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array)为标题发表在 IEEE Transactions on Industrial Electronics上[1]。图丨相关论文(来源:IEEE Transactions on Industrial Electronics)薄膜扬声器通常基于静电、压电或热声传导的原理产生声音。其中,压电扬声器具备结构简单、成本低、能耗低、可扩展性好等优势。相比生活中常见的音箱,MIT 团队研发的新型扬声器利用成形压电薄膜,使扬声器的结构和加工简化了很多。该薄膜扬声器产生声音的过程,可以理解为“施加电压-薄膜移动-空气振动-形成声音”。

(来源:MIT)该薄膜扬声器具有超轻超薄、可大面积、低成本加工的优势,并能贴附在不同物体表面使用。正因为这些特点,或可应用于现阶段普通扬声器无法适用或成本过高的场景。该论文第一作者、MIT 电机电子工程与计算机科学技术系博士后研究员韩金池举例说道:“比如将这些薄膜铺满在房间墙壁上,形成立体分布的扬声器阵列,配合特定的控制算法,不需要我们佩戴任何设备就能获得局部区域的主动降噪。”反之,也可以实现局部空间音频的增强,而区域外则听不到,可以未来配合 AR/VR 提供沉浸式体验,同时也不担心打扰到家人休息。图丨韩金池(来源:韩金池)此外,这些薄膜还可以贴在汽车内饰表面和飞机坐舱中,提高旅行舒适性或提供定制化的音频娱乐体验。韩金池指出,由于这种薄膜也具备麦克风、超声换能器的功能,同一张薄膜可划分成多个区域,形成兼具扬声器、麦克风和声纳的阵列,这将呈现出更多有趣的应用。例如机器人智能皮肤、柔性消费电子设备、人机声学接口、超声测距与成像、触觉传感等。图丨压电薄膜扬声器的制造(来源:IEEE Transactions on Industrial Electronics)据悉,MIT 团队研发薄膜声学器件的初衷是希望它能真正地走进人们日常生活,满足特定应用场景对超轻超薄、大面积、低成本扬声器的需求,同时也能为未来音频设备的设计和开发提供新的思路。因此,韩金池在该研究前期阶段想了很多方案,遵循的原则是使用常见的材料、简单的方法、通过设计上的创新实现可贴在物体表面使用的声学薄膜。

在经过逐一对比后,他最终选择了聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)这种常见的压电薄膜,然后再用多孔聚酯(perforated polyester,PET)塑料膜封装。值得关注的是,由于薄膜扬声器产生声音的前提是自由弯曲振动,如果把薄膜扬声器安装在物体表面上,则会阻碍薄膜振动、并妨碍声音的形成。而之前薄膜扬声器的设计,依赖于大面积压电薄膜整体的弯曲振动产生声音。为实现薄膜自由弯曲,这些设计都要求薄膜悬空。因此,并不太适合贴在物体表面使用。而 MIT 团队的压电扬声器通过在 12 微米厚的 PVDF 压电薄膜上构造一系列微小的悬空结构,每一个都是发声单元,上下两层多孔 PET 塑料膜分别起到保护和垫高这些发声单元的作用。这样,即便贴在硬物表面,这些微小的压电结构也可以自由振动产生声音。“它们的存在也改善了扬声器的高频性能,在超声频段依然可以使用。制作这种薄膜扬声器只需要比较常见和廉价的材料、简单的工艺方法,还能获得不错的性能。”韩金池说。

图丨声学测量的实验装置(来源:IEEE Transactions on Industrial Electronics)该技术被报道后,受到不同领域国际知名公司的广泛关注,并收到合作与投资意向。据了解,该团队正在推进该技术的成果转化,并希望通过不断改善设计、改进工艺来获得更好的性能。韩金池表示,从扬声器的角度看,现在低音频段的灵敏度还有待提升,团队正在通过改进压电微结构的设计进行相关优化。“我们也在改善团队现有的实验条件,并将薄膜面积扩大到平米级别,之后就可以对薄膜做分区,实现兼具扬声器、麦克风、声纳功能的相控阵列,探索更多有趣的应用,特别是现在消费类音频设备不适用的场景。”他说。-End-

参考:网页链接 Han, J. Lang and V. Bulovic, IEEE Transactions on Industrial Electronics, doi: 10.1109/TIE.2022.3150082.

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