Любопытный подход к реализации системы звукоусиления продемонстрировали инженеры Массачусетского технологического института. Они создали специальный тонкопленочный громкоговоритель, который способен превратить любую поверхность в активный источник звука.
Классические динамики построены на принципе перемещения мембраны с помощью магнитного поля, формируемого катушкой с подведенным к ней электрическим током. Таким образом, мембрана создает колебания воздуха и мы слышим звук. В пленочных громкоговорителях используется пьезоэлектрический материал, который также перемещается под воздействием напряжения, тем самым генерируя звуковые волны. Но такой громкоговоритель нельзя положить на поверхность, так как это будет препятствовать свободному колебанию материала. Преодолеть это ограничение и собралась команда инженеров Массачусетского технологического института.
Ее главной целью стало создание материала, которым можно было бы покрыть внутреннюю часть автомобиля или оклеить стены комнаты и при этом не потерять способность звуковоспроизведения. Для этого разработали специальную технологию. Она заставляет вибрировать не весь громкоговоритель целиком, а его отдельные части. Полученный в результате работ прототип состоит из тысяч крошечных куполов высотой 15 микрон, расположенных на тонком слое пьезоэлектрического материала и перемещающихся вверх и вниз в диапазоне полмикрона. Купола окружены прокладочными слоями, предотвращающими соприкосновение с монтажной поверхностью, но не препятствующими их свободному вибрированию.
Для реализации материала исследователи лазером прорезали крошечные отверстия в тонком листе из легкого пластика ПЭТ (Полиэтилентерефталат), заламинировали нижнюю сторону перфорированного слоя пьезоэлектрической пленкой толщиной 8 микрон из ПВДФ (Поливинилиденфторид), а затем сформировали сверху вакуумную прослойку и нагрели до 80°C. Разница давлений вызвала вздутие ПВДФ, который не может пробиться сквозь слой ПЭТ, поэтому образует крошечные купола, самовыравнивающиеся с отверстиями в слое ПЭТ. В финале другая сторона ПВДФ ламинируется слоем ПЭТ, выступающим в роли прокладки между куполами и связующей поверхностью.
Технология позволяет изменять размер отверстий в ПЭТ, чтобы контролировать размер куполов. Более крупные купола вытесняют больше воздуха и производят больше звука, но имеют более низкую резонансную частоту. А так как вибрируют купола, а не вся пленка, то громкоговоритель имеет достаточно высокую резонансную частоту, достаточную для использования в ультразвуковых приложениях, например, ультразвуковой визуализации изображения.
Показанный прототип имеет вид прямоугольной пластины размером с ладонь. Качество воспроизводимого звука не зависит от того, к какой поверхности он прикреплен, при этом энергопотребление находится на значительно более низком уровне, чем у классических динамиков, и составляет 100 милливатт на м2 против 1 Вт (для создания аналогичного звукового давления на сопоставимом расстоянии). При подаче 25 вольт электрического тока с частотой 1 килогерц прототип, закрепленный на стене в 30 см от микрофона, способен генерировать 66 дБ звукового давления. При повышении частоты до 10 кГц уровень звукового давления увеличивается до 86 дБ.
Комментирует Владимир Булович, руководитель Лаборатории органической и наноструктурной электроники:
«Это так удивительно просто взять что-то похожее на тонкий лист бумаги, прикрепить к нему две скрепки, подключить к порту для наушников компьютера и начать слышать звуки. Разработанная нами технология позволяет легко это сделать. Ее можно использовать где угодно, а возможности применения практически безграничны. Достаточно лишь подать немного электроэнергии. При этом создание материала – простой и понятный процесс. В будущем мы сможем производить его рулонным способом, не теряя производительности самих громкоговорителей».
