MIT開發出新型超薄高音質揚聲器，該團隊展示的手掌大小的揚聲器，其重量約相當於一角硬幣。無論將薄膜粘合在什麼表面，都能產生高質量的聲音。MIT開發出新型超薄高音質揚聲器。
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近日，來麻省理工學院（MIT）的工程師們開發了一種新型超薄揚聲器，這種靈活的薄膜設備，有可能將任何物體表面變成低功耗、高品質的音頻源。
這種薄膜揚聲器需要的能量僅爲傳統揚聲器所需能量的一小部分，但卻能夠產生極小失真的高品質聲音。根據研究團隊的演示，手掌大小的揚聲器，重量僅爲一角硬幣，而且無論該薄膜粘合到什麼表面，都可以產生高質量的聲音。
爲了實現這些特性，研究人員還開創了一種看似簡單的製造技術，並且可以按比例放大以生產大到足以覆蓋汽車內部或房間牆紙的超薄揚聲器。使用這種方式，薄膜揚聲器可以在嘈雜的環境（例如飛機駕駛艙）中通過產生相同幅度但相反相位的聲音，來提供主動降噪（即讓兩種聲音相互抵消）功能。
此外，這種新型設備還可以用於沉浸式娛樂，比如在劇院或主題公園遊樂設施中提供 3D 音頻。而且由於它重量輕且運行所需的電量非常少，因此該設備非常適合電池壽命有限的智能設備上。
「看起來像一張薄薄的紙，在上面貼上兩個夾子，將它插入電腦的耳機端口，然後開始聽到它發出的聲音，感覺很了不起。它可以在任何地方使用，只需要一個運行它的電力。」研究論文通訊作者、 主任、有機和納米結構電子實驗室（ONE Lab）的負責人 Vladimir Bolovi 說。
Bulovi 與論文第一作者、 ONE Lab 博士後 Jinchi Han，以及電氣工程教授 Jeffrey Lang 共同撰寫了這篇論文。該研究發表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。
全新的超薄揚聲器
我們都知道，耳機或音響系統中的傳統揚聲器使用電流輸入，當不斷變化的電流輸入通過能夠產生磁場的線圈，並推送揚聲器膜的振動，進而使其上方的空氣振動，從而產生我們聽到的聲音。
相比之下，這款新的揚聲器設備，通過使用一種壓電材料（piezoelectric material）薄膜來簡化揚聲器設計，當電壓施加在其上時，該薄膜會移動，從而使其上方的空氣振動併產生聲音。
由於薄膜揚聲器設計爲獨立式，因此薄膜材料必須自由彎曲才能產生聲音。但將這些揚聲器安裝在物體表面上會阻礙振動並妨礙它們產生聲音的能力。
爲了克服這個問題，麻省理工學院的團隊重新考慮了薄膜揚聲器的設計。他們的設計不是讓整個材料振動，而是依靠一層薄薄的壓電材料上的微小圓頂，讓每個圓頂都單獨振動。
這些小圓頂，只有幾根頭髮的寬度，被薄膜頂部和底部的間隔層包圍，保護它們免受安裝表面的影響，同時仍然使它們能夠自由振動。相同的間隔層可保護圓頂在日常操作過程中免受磨損和衝擊，從而提高揚聲器的耐用性。
製作過程看起來也十分簡單。首先，研究人員使用激光在PET（這是一種輕質塑料）薄片上切割出小孔，穿孔的 PET 下側層壓了一層非常薄的壓電材料（薄至 8 微米），稱爲 PVDF；然後他們在粘合的薄片上方施加真空，並在下方施加 80 攝氏度的熱源。
由於 PVDF 層非常薄，真空和熱源產生的壓力差導致它膨脹。但是 PVDF 無法強行穿過 PET 層，因此微小的圓頂會在未被 PET 阻擋的區域突出。而這些突起與 PET 層中的孔各自對齊。然後，研究人員將 PVDF 的另一面與另一個 PET 層層壓在一起，作爲小圓頂和粘合表面之間的隔離物。
「這是一個非常簡單、直接的過程。如果我們將來將其與卷對卷（roll-to-roll）工藝集成，它將允許我們以高通量方式生產這些揚聲器。這意味着它可以大量製造，就像牆紙可以覆蓋牆壁、汽車或飛機內部。」Han 說。
高品質、低功耗，應用潛力無限
每個圓頂都是一個單獨的`發聲單元，由於圓頂高 15 微米，約爲人類頭髮厚度的六分之一，振動時僅能夠上下移動約半微米，因此需要數千個這樣的小圓頂一起振動才能產生可聽的聲音。
此外，該超薄發聲設備的製造還有另一個好處，就是它的可調性，因爲研究人員可以改變 PET 中孔的大小來控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂會推動更多的空氣併產生更大的聲音，但較大的圓頂也具有較低的諧振頻率（resonance frequency）。諧振頻率是設備運行效率最高的頻率，較低的諧振頻率會導致音頻失真。
（來源：MIT）
經過多次的測試，研究人員找到不同的圓頂尺寸和壓電層厚度的最佳組合。然後，他們通過將薄膜揚聲器安裝到距離麥克風 30 釐米的牆壁上來測試他們的薄膜揚聲器。
當 25 伏特的電流以 1 千赫茲（每秒 1,000 次循環的速率）通過該設備時，揚聲器會產生 66 分貝的會話級別的高質量聲音。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。
這種節能揚聲器設備每平方米麪積只需要大約 100 毫瓦的功率。相比之下，一個普通的家用揚聲器可能會消耗超過 1 瓦的功率才能在相當的距離上產生相似的聲壓。
研究人員解釋說，由於該設備只有微小的圓頂是振動的，而不是整個薄膜，揚聲器具有足夠高的諧振頻率，因此還可以有效地用於超聲應用，如超聲成像。超聲成像使用非常高頻的聲波來產生圖像，而更高的頻率能夠產生更好的圖像分辨率。
比如，該設備可以使用超聲波檢測人在房間中的站立位置，並跟蹤位置，就像蝙蝠使用回聲定位一樣。如果薄膜的振動圓頂覆蓋有反射表面，則它們可用於爲未來的顯像技術創建光圖案。如果浸入液體中，振動膜還可以提供一種攪拌化學品的新方法，使化學處理技術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展的物理表面，來精確地產生空氣的機械運動。而如何使用這項技術的選擇是無限的，」Bulovi 說。
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據媒體近日報道，麻省理工學院（MIT）的工程師們開發出了一種薄如紙張的揚聲器，它可以將任何表面變成有源音源。
這種薄膜揚聲器產生的聲音失真很小，而使用的能量只是傳統揚聲器所需能量的一小部分。
該團隊展示的手掌大小的揚聲器，其重量約相當於一角硬幣。無論將薄膜粘合在什麼表面，都能產生高質量的聲音。爲了實現這些非凡的特性，研究人員開創了一種看似簡單的製造技術，只涉及三個基本步驟製造超薄揚聲，並且其面積可以大到足以覆蓋汽車內部或在房間內貼壁紙。
薄膜揚聲器可以在嘈雜的環境中，如飛機駕駛艙，通過產生相同振幅但相位相反的聲音，從而提供主動噪音消除。這種靈活的設備也可用於沉浸式娛樂，也許可以在劇院或主題公園的遊樂設施中提供三維音頻。而且，由於它很輕，只需極小的功率來操作，該設備很適合應用於電池壽命有限的智能設備上。
據瞭解，在耳機或音頻系統中，典型的揚聲器使用電流輸入，電流通過線圈產生磁場，磁場可移動揚聲器膜，使其上方的空氣移動，從而產生聲音。相比之下，這種新型揚聲器通過使用一種成型的壓電薄膜材料，從而簡化了揚聲器的設計。當電壓施加在薄膜上時，薄膜會移動，從而移動其上方的空氣併產生聲音。
具體而言，爲了製造這種揚聲器，研究人員使用激光在PET薄片上切出小孔，PET是一種輕型塑料。他們在穿孔的PET層的底部鋪上一層非常薄的壓電材料PVDF薄膜（只有8微米厚）。然後他們在粘合的薄片上方施加真空，在薄片下方施加80攝氏度的熱源。
由於PVDF層太薄，真空和熱源產生的壓力差導致它膨脹。PVDF不能強行穿過PET層，所以在沒有被PET阻擋的地方，微小的圓頂突起。這些突起可以自對準PET層中的孔。然後，研究人員在PVDF的另一側鋪上另一層PET層，作爲圓頂和結合表面之間的間隔層。
他們的設計不是讓整個材料振動，而是依靠壓電材料薄層上的微小圓頂，每個圓頂單獨振動。這些圓頂，每個都只有幾根頭髮的寬度，在薄膜的頂部和底部被間隔層所包圍，保護它們不受安裝表面的影響，同時仍然使它們能夠自由振動。同樣的間隔層保護穹頂在日常操作中免受磨損和衝擊，增強了揚聲器的耐用性。
研究人員說，“這是一個非常簡單、直接的過程。如果我們將來能把它與卷對卷加工工藝結合起來，我們就能以高通量的方式生產這些揚聲器。這意味着它可以大量製造，像牆紙一樣覆蓋牆壁、汽車或飛機內部。”
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麻省理工學院的工程師們開發出了一種像紙一樣薄的揚聲器，可以將任何表面變成音源。
它的重量相當於一個 10 美分的硬幣，無論粘在什麼表面上都能生成高品質的聲音。
這種薄膜揚聲器產生的聲音失真最小，而且使用的能量也比傳統揚聲器少得多。
爲了實現這些特性，研究人員開創了一種看似簡單的製造技術，只需要三個基本步驟。利用這種技術，他們可以製造出足夠大的超薄揚聲器，覆蓋汽車內部或整個房間。
此外，這種薄膜揚聲器可以通過產生振幅相同但相位相反的聲音，在嘈雜的環境（如飛機駕駛艙）中進行主動降噪。這種靈活的設備還可以用於沉浸式娛樂，比如在劇院或主題公園裏提供三維音頻。由於它重量輕，運行時需要的電量很少，因此非常適合電池壽命有限的智能設備應用。
這項研究成果近日發表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。
論文鏈接：
「拿起一張看起來很薄的紙，用兩個夾子夾住它，把它插到你電腦的耳機接口上，然後開始聽到它發出的聲音，這種感覺很棒。它可以在任何地方使用，只需要一點點電力就可以運行，」 的主任、論文作者 Vladimir Bulovi 表示。
這種薄膜揚聲器是怎麼做出來的？
耳機或音頻系統中常見的典型揚聲器使用電流輸入，電流通過線圈產生磁場，磁場移動揚聲器薄膜，帶動薄膜上方的空氣，從而產生我們聽到的聲音。相比之下，MIT 工程師設計的新揚聲器簡化了傳統設計，使用了一種成型的壓電材料薄膜。當電壓施加在其上時，薄膜會移動，從而帶動其上方的空氣併產生聲音。
大多數薄膜揚聲器都被設計成獨立式（不需依靠支撐物），因爲薄膜必須自由彎曲才能發聲。將這些揚聲器安裝在某個表面上會阻礙振動，並妨礙它們產生聲音的能力。
爲了克服這一問題，MIT 的團隊重新思考了薄膜揚聲器的設計。他們給出的方案是：不讓整個材料振動，而是依靠壓電材料薄層上的微小圓頂振動發聲，其中的每個小圓頂都是單獨振動。
這些圓頂每個只有幾根頭髮那麼寬，被薄膜頂部和底部的間隔層包圍，保護它們免受安裝表面的影響，同時仍然使它們能夠自由振動。在日常操作中，相同的間隔層保護圓頂免受磨損和衝擊，提高了揚聲器的耐用性。
爲了製造揚聲器，研究人員使用激光在 PET 薄片上切割出微小的孔，PET 是一種輕質塑料。他們在穿孔 PET 層的下面貼上一層非常薄（8 微米）的壓電材料薄膜，稱爲 PVDF。然後他們把粘合的薄片上方抽成真空，並在薄片下方施加 80 攝氏度的熱源。
由於 PVDF 層很薄，真空和熱源產生的壓力差導致它膨脹。PVDF 不能強行穿過 PET 層，所以在沒有被 PET 阻擋的地方會有微小的圓頂突起。這些突起與 PET 層中的孔自對準。然後，研究人員將 PVDF 的另一面與另一層 PET 層壓在一起，作爲圓頂和粘合表面之間的隔離物。
「這是一個非常簡單明瞭的過程。如果我們將其與卷對卷製程工藝（roll-to-roll）相結合，我們就能量產這些揚聲器，然後用類似貼牆紙的方式將其覆蓋到牆壁、汽車或飛機內部。」論文一作 Jinchi Han 表示。
高品質、低功耗
薄膜揚聲器中的小圓頂高 15 微米，大約是人類頭髮厚度的六分之一，它們振動時只能上下移動大約半微米。每個圓頂都是一個單獨的發聲單元，所以需要成千上萬個這樣的小圓頂一起振動才能產生聽得見的聲音。
製造過程簡單的另一個好處是可調性強——研究人員可以改變 PET 上孔的大小來控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂能帶動更多的空氣振動，產生更大的聲音，但較大的圓頂也有較低的共振頻率，這會導致音頻失真。
在完善了製造技術之後，研究人員測試了幾種不同的圓頂尺寸和壓電層厚度，以達到最佳組合。
他們將薄膜揚聲器安裝在距離麥克風 30 釐米的牆上，測試其聲壓水平（以分貝爲單位）。當 25 伏特的電壓以 1 千赫茲的頻率通過該裝置時，揚聲器產生了 66 分貝的高質量聲音。在 10 千赫時，聲壓級增加到 86 分貝，大約相當於城市交通的音量。
這種節能裝置每平方米揚聲器面積只需要大約 100 毫瓦的功率，相比之下，如果在類似距離內產生相近的聲壓，一個普通家用揚聲器可能要消耗超過 1 瓦特的電力。
Han 解釋說，因爲是微型的拱頂在振動，而不是整個薄膜振動，揚聲器有足夠高的共振頻率，可以有效地用於超聲波應用，比如成像方面。超聲成像使用極高頻的聲波產生圖像，更高的頻率能夠產生更高分辨率的圖像。
Bulovi表示，這種裝置還可以利用超聲波探測人類站在房間裏的位置，就像蝙蝠會利用回聲定位一樣，然後跟隨人類的移動形成聲波。如果在薄膜的振動圓頂上覆蓋一層反射表面，它們可以用來爲未來顯示技術的發光模式提供思路。如果被浸泡於液體中，振動膜可以提供一種攪拌化學品的新方法，使得化學處理技術能夠比大批量處理方法使用更少的能源。
「我們有能力通過激活可伸縮的物理表面，精確地生成空氣的機械運動。這種技術帶給人的想象空間是無限的。」Bulovi說道。
