الباحثون يطورون مكبر صوت رقيقًا

الجهاز المرن ذو الأغشية الرقيقة لديه القدرة على تحويل أي سطح إلى مصدر صوتي منخفض الطاقة وعالي الجودة
في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
ملخص:
ابتكر الباحثون مكبر صوت فائق النحافة يمكنه تحويل أي سطح صلب إلى مصدر صوتي نشط وعالي الجودة. يمكن لعملية التصنيع أن تمكن من إنتاج أجهزة الأغشية الرقيقة على نطاق واسع.
القصه كامله
طور مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مكبر صوت رقيقًا للغاية يمكنه تحويل أي سطح إلى مصدر صوتي نشط. ينتج مكبر الصوت الرقيق هذا صوتًا بأقل قدر من التشويه أثناء استخدام جزء بسيط من الطاقة التي يتطلبها مكبر الصوت التقليدي. يمكن لمكبر الصوت بحجم اليد الذي عرضه الفريق ، والذي يزن حوالي عشرة سنتات ، أن يولد صوتًا عالي الجودة بغض النظر عن السطح الذي يلتصق به الفيلم.

لتحقيق هذه الخصائص ، ابتكر الباحثون تقنية تصنيع بسيطة مخادعة ، والتي تتطلب ثلاث خطوات أساسية فقط ويمكن زيادتها لإنتاج مكبرات صوت فائقة الرقة كبيرة بما يكفي لتغطية الجزء الداخلي من السيارة أو لخلفية غرفة.

باستخدام هذه الطريقة ، يمكن لمكبر الصوت ذي الأغشية الرقيقة أن يوفر إلغاءًا نشطًا للضوضاء في البيئات الصاخبة ، مثل قمرة القيادة بالطائرة ، عن طريق توليد صوت بنفس السعة ولكن معاكسة ؛ الصوتان يلغي كل منهما الآخر. يمكن أيضًا استخدام الجهاز المرن للترفيه الغامر ، ربما من خلال توفير صوت ثلاثي الأبعاد في المسرح أو ركوب المتنزه. ولأنه خفيف الوزن ويتطلب قدرًا صغيرًا من الطاقة لتشغيله ، فإن الجهاز مناسب تمامًا للتطبيقات على الأجهزة الذكية حيث يكون عمر البطارية محدودًا.

“إنه لمن الرائع أن تأخذ ما يشبه ورقة رفيعة ، وتعلق عليها مقطعين ، وتوصيلها بمنفذ سماعة الرأس بجهاز الكمبيوتر الخاص بك ، وتبدأ في سماع الأصوات المنبثقة عنها. يمكن استخدامها في أي مكان. يحتاج المرء فقط إلى سميدجون يقول فلاديمير بولوفيتش ، كرسي Fariborz Maseeh في التكنولوجيا الناشئة ، ورئيس مختبر الإلكترونيات العضوية والمتناهية الصغر (ONE Lab) ، ومدير MIT.nano ، وكبير مؤلفي البحث: “عن الطاقة الكهربائية لتشغيلها”.

نهج جديد

يستخدم مكبر الصوت النموذجي الموجود في سماعات الرأس أو نظام الصوت مدخلات التيار الكهربائي التي تمر عبر ملف من الأسلاك التي تولد مجالًا مغناطيسيًا ، والذي يحرك غشاء مكبر الصوت ، والذي يحرك الهواء فوقه ، مما يجعل الصوت الذي نسمعه. على النقيض من ذلك ، يبسط مكبر الصوت الجديد تصميم السماعة باستخدام غشاء رقيق من مادة كهرضغطية مشكلة تتحرك عندما يتم تطبيق الجهد عليها ، مما يحرك الهواء فوقه ويولد صوتًا.

تم تصميم معظم مكبرات الصوت ذات الأغشية الرقيقة لتكون قائمة بذاتها لأن الفيلم يجب أن ينحني بحرية لإنتاج الصوت. إن تركيب مكبرات الصوت هذه على سطح من شأنه أن يعيق الاهتزاز ويعيق قدرتها على توليد الصوت.

للتغلب على هذه المشكلة ، أعاد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التفكير في تصميم مكبر الصوت ذي الأغشية الرقيقة. بدلاً من جعل المادة بأكملها تهتز ، يعتمد تصميمها على قباب صغيرة على طبقة رقيقة من مادة كهرضغطية تهتز كل منها على حدة. هذه القباب ، التي يبلغ عرض كل منها بضع شعيرات فقط ، محاطة بطبقات فاصلة أعلى وأسفل الفيلم تحميها من سطح التركيب مع استمرار تمكينها من الاهتزاز بحرية. تحمي طبقات المباعد نفسها القباب من التآكل والصدمات أثناء المناولة اليومية ، مما يعزز متانة مكبر الصوت.

لبناء مكبر الصوت ، استخدم الباحثون الليزر لقطع ثقوب صغيرة في صفيحة رقيقة من PET ، وهو نوع من البلاستيك خفيف الوزن. قاموا بتصفيح الجانب السفلي من طبقة PET المثقبة بطبقة رقيقة جدًا (رقيقة تصل إلى 8 ميكرون) من مادة كهرضغطية تسمى PVDF. ثم قاموا بتطبيق فراغ فوق الألواح المربوطة ومصدر حرارة ، عند 80 درجة مئوية ، تحتها.

نظرًا لأن طبقة PVDF رقيقة جدًا ، فإن فرق الضغط الناتج عن الفراغ ومصدر الحرارة تسبب في انتفاخها. لا يستطيع PVDF شق طريقه عبر طبقة PET ، لذلك تبرز القباب الصغيرة في المناطق التي لا يتم حظرها بواسطة PET. تتماشى هذه النتوءات مع الثقوب الموجودة في طبقة PET. يقوم الباحثون بعد ذلك بتصفيح الجانب الآخر من PVDF بطبقة PET أخرى لتكون بمثابة مباعد بين القباب وسطح الترابط.

“هذه عملية بسيطة جدًا ومباشرة. ستسمح لنا بإنتاج مكبرات الصوت هذه بطريقة عالية الإنتاجية إذا قمنا بدمجها مع عملية Roll to-Roll في المستقبل. وهذا يعني أنه يمكن تصنيعها بكميات كبيرة ، مثل ورق الحائط لتغطية الجدران أو السيارات أو التصميمات الداخلية للطائرات “.

جودة عالية ، طاقة منخفضة

يبلغ ارتفاع القباب 15 ميكرون ، أي حوالي سدس سمك شعرة الإنسان ، وتتحرك فقط لأعلى ولأسفل حوالي نصف ميل

كرون عندما يهتز. كل قبة هي وحدة واحدة لتوليد الصوت ، لذا فهي تحتاج إلى آلاف من هذه القباب الصغيرة التي تهتز معًا لإنتاج صوت مسموع.

من المزايا الإضافية لعملية التصنيع البسيطة للفريق إمكانية ضبطها – يمكن للباحثين تغيير حجم الثقوب في PET للتحكم في حجم القباب. القباب ذات نصف القطر الأكبر تزيح المزيد من الهواء وتنتج صوتًا أكثر ، لكن القباب الأكبر لها أيضًا تردد رنين أقل. تردد الرنين هو التردد الذي يعمل به الجهاز بكفاءة أكبر ، ويؤدي انخفاض تردد الرنين إلى تشويه الصوت.

بمجرد أن أتقن الباحثون تقنية التصنيع ، قاموا باختبار العديد من أحجام القبة المختلفة وسمك الطبقة الكهرضغطية للوصول إلى التركيبة المثلى.

اختبروا مكبرات الصوت ذات الأغشية الرقيقة عن طريق تركيبها على حائط على بعد 30 سم من ميكروفون لقياس مستوى ضغط الصوت المسجل بالديسيبل. عندما تم تمرير 25 فولتًا من الكهرباء عبر الجهاز بسرعة 1 كيلو هرتز (بمعدل 1000 دورة في الثانية) ، أنتج السماعة صوتًا عالي الجودة بمستويات محادثة تبلغ 66 ديسيبل. عند 10 كيلو هرتز ، ارتفع مستوى ضغط الصوت إلى 86 ديسيبل ، وهو نفس مستوى الصوت مثل حركة المرور في المدينة.

لا يتطلب الجهاز الموفر للطاقة سوى حوالي 100 ملي واط من الطاقة لكل متر مربع من مساحة السماعة. على النقيض من ذلك ، قد يستهلك مكبر الصوت المنزلي العادي أكثر من 1 واط من الطاقة لتوليد ضغط صوت مماثل على مسافة مماثلة.

نظرًا لأن القباب الصغيرة تهتز ، بدلاً من الفيلم بأكمله ، فإن مكبر الصوت لديه تردد رنين عالٍ بما يكفي بحيث يمكن استخدامه بشكل فعال لتطبيقات الموجات فوق الصوتية ، مثل التصوير ، كما يوضح هان. يستخدم التصوير بالموجات فوق الصوتية موجات صوتية عالية التردد لإنتاج الصور ، والترددات الأعلى تعطي دقة صورة أفضل.

يمكن للجهاز أيضًا استخدام الموجات فوق الصوتية لاكتشاف مكان وقوف الإنسان في الغرفة ، تمامًا كما تفعل الخفافيش باستخدام تحديد الموقع بالصدى ، ثم تشكيل الموجات الصوتية لتتبع الشخص أثناء تحركه ، كما يقول بولوفيتش. إذا كانت القباب الاهتزازية للفيلم الرقيق مغطاة بسطح عاكس ، فيمكن استخدامها لإنشاء أنماط من الضوء لتقنيات العرض المستقبلية. إذا تم غمرها في سائل ، يمكن للأغشية المهتزة أن توفر طريقة جديدة لتحريك المواد الكيميائية ، مما يتيح تقنيات المعالجة الكيميائية التي يمكن أن تستخدم طاقة أقل من طرق المعالجة على دفعات كبيرة.

يقول بولوفيتش: “لدينا القدرة على توليد حركة ميكانيكية دقيقة للهواء عن طريق تنشيط سطح مادي قابل للتطوير. إن خيارات كيفية استخدام هذه التكنولوجيا لا حدود لها”.

يتم تمويل هذا العمل جزئيًا بمنحة بحثية من شركة Ford Motor وهدية من شركة Lendlease، Inc.