麻省理工學(xué)院的工程師們開發(fā)出了一種像紙一樣薄的揚(yáng)聲器，可以將任何表面變成音源。

它的重量相當(dāng)于一個(gè) 10 美分的硬幣，無論粘在什么表面上都能生成高品質(zhì)的聲音。

這種薄膜揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音失真最小，而且使用的能量也比傳統(tǒng)揚(yáng)聲器少得多。

為了實(shí)現(xiàn)這些特性，研究人員開創(chuàng)了一種看似簡(jiǎn)單的制造技術(shù)，只需要三個(gè)基本步驟。利用這種技術(shù)，他們可以制造出足夠大的超薄揚(yáng)聲器，覆蓋汽車內(nèi)部或整個(gè)房間。

此外，這種薄膜揚(yáng)聲器可以通過產(chǎn)生振幅相同但相位相反的聲音，在嘈雜的環(huán)境（如飛機(jī)駕駛艙）中進(jìn)行主動(dòng)降噪。這種靈活的設(shè)備還可以用于沉浸式娛樂，比如在劇院或主題公園里提供三維音頻。由于它重量輕，運(yùn)行時(shí)需要的電量很少，因此非常適合電池壽命有限的智能設(shè)備應(yīng)用。

這項(xiàng)研究成果近日發(fā)表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

「拿起一張看起來很薄的紙，用兩個(gè)夾子夾住它，把它插到你電腦的耳機(jī)接口上，然后開始聽到它發(fā)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(diǎn)點(diǎn)電力就可以運(yùn)行，」MIT.nano 的主任、論文作者 Vladimir Bulovi 表示。

這種薄膜揚(yáng)聲器是怎么做出來的？

耳機(jī)或音頻系統(tǒng)中常見的典型揚(yáng)聲器使用電流輸入，電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)移動(dòng)揚(yáng)聲器薄膜，帶動(dòng)薄膜上方的空氣，從而產(chǎn)生我們聽到的聲音。相比之下，MIT 工程師設(shè)計(jì)的新?lián)P聲器簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用了一種成型的壓電材料薄膜。當(dāng)電壓施加在其上時(shí)，薄膜會(huì)移動(dòng)，從而帶動(dòng)其上方的空氣并產(chǎn)生聲音。

大多數(shù)薄膜揚(yáng)聲器都被設(shè)計(jì)成獨(dú)立式（不需依靠支撐物），因?yàn)楸∧け仨氉杂蓮澢拍馨l(fā)聲。將這些揚(yáng)聲器安裝在某個(gè)表面上會(huì)阻礙振動(dòng)，并妨礙它們產(chǎn)生聲音的能力。

為了克服這一問題，MIT 的團(tuán)隊(duì)重新思考了薄膜揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)。他們給出的方案是：不讓整個(gè)材料振動(dòng)，而是依靠壓電材料薄層上的微小圓頂振動(dòng)發(fā)聲，其中的每個(gè)小圓頂都是單獨(dú)振動(dòng)。這些圓頂每個(gè)只有幾根頭發(fā)那么寬，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(shí)仍然使它們能夠自由振動(dòng)。在日常操作中，相同的間隔層保護(hù)圓頂免受磨損和沖擊，提高了揚(yáng)聲器的耐用性。

為了制造揚(yáng)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(zhì)塑料。他們?cè)诖┛?PET 層的下面貼上一層非常薄（8 微米）的壓電材料薄膜，稱為 PVDF。然后他們把粘合的薄片上方抽成真空，并在薄片下方施加 80 攝氏度的熱源。

由于 PVDF 層很薄，真空和熱源產(chǎn)生的壓力差導(dǎo)致它膨脹。PVDF 不能強(qiáng)行穿過 PET 層，所以在沒有被 PET 阻擋的地方會(huì)有微小的圓頂突起。這些突起與 PET 層中的孔自對(duì)準(zhǔn)。然后，研究人員將 PVDF 的另一面與另一層 PET 層壓在一起，作為圓頂和粘合表面之間的隔離物。

「這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單明了的過程。如果我們將其與卷對(duì)卷制程工藝（roll-to-roll）相結(jié)合，我們就能量產(chǎn)這些揚(yáng)聲器，然后用類似貼墻紙的方式將其覆蓋到墻壁、汽車或飛機(jī)內(nèi)部。」論文一作 Jinchi Han 表示。

高品質(zhì)、低功耗

薄膜揚(yáng)聲器中的小圓頂高 15 微米，大約是人類頭發(fā)厚度的六分之一，它們振動(dòng)時(shí)只能上下移動(dòng)大約半微米。每個(gè)圓頂都是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)聲單元，所以需要成千上萬個(gè)這樣的小圓頂一起振動(dòng)才能產(chǎn)生聽得見的聲音。

制造過程簡(jiǎn)單的另一個(gè)好處是可調(diào)性強(qiáng)——研究人員可以改變 PET 上孔的大小來控制圓頂?shù)拇笮　０霃捷^大的圓頂能帶動(dòng)更多的空氣振動(dòng)，產(chǎn)生更大的聲音，但較大的圓頂也有較低的共振頻率，這會(huì)導(dǎo)致音頻失真。

在完善了制造技術(shù)之后，研究人員測(cè)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。

他們將薄膜揚(yáng)聲器安裝在距離麥克風(fēng) 30 厘米的墻上，測(cè)試其聲壓水平（以分貝為單位）。當(dāng) 25 伏特的電壓以 1 千赫茲的頻率通過該裝置時(shí)，揚(yáng)聲器產(chǎn)生了 66 分貝的高質(zhì)量聲音。在 10 千赫時(shí)，聲壓級(jí)增加到 86 分貝，大約相當(dāng)于城市交通的音量。

這種節(jié)能裝置每平方米揚(yáng)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(nèi)產(chǎn)生相近的聲壓，一個(gè)普通家用揚(yáng)聲器可能要消耗超過 1 瓦特的電力。

Han 解釋說，因?yàn)槭俏⑿偷墓绊斣谡駝?dòng)，而不是整個(gè)薄膜振動(dòng)，揚(yáng)聲器有足夠高的共振頻率，可以有效地用于超聲波應(yīng)用，比如成像方面。超聲成像使用極高頻的聲波產(chǎn)生圖像，更高的頻率能夠產(chǎn)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(cè)人類站在房間里的位置，就像蝙蝠會(huì)利用回聲定位一樣，然后跟隨人類的移動(dòng)形成聲波。如果在薄膜的振動(dòng)圓頂上覆蓋一層反射表面，它們可以用來為未來顯示技術(shù)的發(fā)光模式提供思路。如果被浸泡于液體中，振動(dòng)膜可以提供一種攪拌化學(xué)品的新方法，使得化學(xué)處理技術(shù)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(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種技術(shù)帶給人的想象空間是無限的。」Bulovi?說道。