Los científicos del MIT han creado un altavoz del grosor de un papel que puede cubrir una casa entera. Este altavoz de película delgada requiere sólo una fracción de la energía requerida por los altavoces tradicionales, pero produce un sonido de alta calidad con una distorsión mínima. Los científicos del MIT han creado un altavoz fino como el papel que puede cubrir una casa entera.
Los científicos del MIT crean unos altavoces finos como el papel que pueden cubrir una casa entera. 1 Los ingenieros del MIT han desarrollado un altavoz del grosor de un papel que puede convertir cualquier superficie en una fuente de sonido.
Pesa lo mismo que una moneda de 10 céntimos y produce un sonido de alta calidad sin importar la superficie a la que esté adherida.
Este altavoz de membrana produce una mínima distorsión del sonido y consume mucha menos energía que los altavoces tradicionales.
Para lograr estas propiedades, los investigadores crearon una técnica de fabricación engañosamente simple que requiere solo tres pasos básicos. Usando esta tecnología, pueden crear parlantes ultradelgados que son lo suficientemente grandes como para cubrir el interior de un automóvil o una habitación entera.
Además, este altavoz de membrana puede reducir activamente el ruido en entornos ruidosos (como las cabinas de aviones) produciendo sonidos con la misma amplitud pero con fases opuestas. Este dispositivo flexible también se puede utilizar para entretenimiento inmersivo, como ofrecer audio tridimensional en teatros o parques temáticos. Debido a su peso ligero y bajo consumo de energía, es ideal para dispositivos inteligentes con duración de batería limitada.
Los resultados de la investigación se publicaron recientemente en "IEEE Transactions on Industrial Electronics".
Enlace del papel: https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188
"Tome un trozo de papel que parezca muy fino, sujételo con dos clips e insértelo Conecte el conector para auriculares de su computadora y comience a escuchar el sonido que hace, es realmente genial que se pueda usar en cualquier lugar y solo requiere un poco de energía para funcionar", dijo Vladimir, director de MIT.nano y autor del artículo. dijo Vladimir Bulovi.
¿Cómo se fabrica este tipo de altavoces de membrana?
Los altavoces típicos que se utilizan habitualmente en auriculares o sistemas de audio utilizan entradas actuales. La corriente eléctrica que pasa a través de la bobina crea un campo magnético que mueve el diafragma del altavoz y mueve el aire sobre el diafragma, creando el sonido que escuchamos. Por el contrario, el nuevo altavoz diseñado por ingenieros del MIT simplifica un diseño tradicional y utiliza una película moldeada de material piezoeléctrico. Cuando se le aplica voltaje, la membrana se mueve, impulsando el aire sobre ella y produciendo sonido.
La mayoría de los altavoces de membrana están diseñados para ser independientes (sin soportes) porque la membrana debe poder flexionarse libremente para producir sonido. Montar estos altavoces sobre una superficie dificulta la vibración y la capacidad de producir sonido.
Para superar este problema, el equipo del MIT replanteó el diseño del altavoz de película delgada. Su solución es que no se permite que todo el material vibre, pero el sonido se produce mediante la vibración de pequeñas cúpulas sobre una fina capa de material piezoeléctrico, donde cada cúpula vibra de forma independiente.
Estas cúpulas, cada una de unos pocos pelos de ancho, están rodeadas por espaciadores en la parte superior e inferior de la membrana, protegiéndolas de la superficie de montaje y al mismo tiempo permitiéndoles vibrar libremente. Durante el funcionamiento diario, la misma capa espaciadora protege la cúpula del desgaste y los impactos, lo que aumenta la durabilidad del altavoz.
Para crear los altavoces, los investigadores utilizaron láseres para cortar pequeños agujeros en láminas de plástico PET ligero. Colocaron una película piezoeléctrica muy delgada (8 micrones), llamada PVDF, debajo de la capa de PET perforada. Luego evacuaron la parte superior de las placas unidas y aplicaron una fuente de calor de 80 grados Celsius debajo de las placas.
Debido a que la capa de PVDF es tan delgada, la diferencia de presión entre el vacío y la fuente de calor hace que se expanda. El PVDF no puede abrirse camino a través de la capa de PET, por lo que aparecen pequeñas cúpulas donde el PET no la bloquea. Estas protuberancias se autoalinean con los agujeros de la capa de PET. Luego, los investigadores laminaron el otro lado del PVDF con otra capa de PET para que actuara como espaciador entre la cúpula y la superficie de unión.
“Es un proceso muy sencillo y directo, si lo combinamos con un proceso rollo a rollo, podemos producir en masa estos altavoces y luego revestirlos en paredes, paredes, etc. similar al papel tapiz de los automóviles o aviones.
Alta calidad y bajo consumo de energía
Las pequeñas cúpulas de los altavoces de película delgada miden 15 micrones de alto, aproximadamente el tamaño de un cabello humano. . Una sexta parte del espesor. Sólo pueden moverse hacia arriba y hacia abajo aproximadamente media micra cuando vibran. Cada cúpula es una unidad de sonido independiente, por lo que miles de estas pequeñas cúpulas necesitan vibrar juntas para producir un sonido audible. p>
Otra ventaja del proceso de fabricación simple es que es sintonizable: los investigadores pueden cambiar el tamaño de los orificios en el PET para controlar el tamaño de la cúpula, lo que permite que un radio mayor vibre y produzca más ruido. sonido, pero una cúpula de mayor radio también vibra a una frecuencia más baja, lo que provoca distorsión del audio.
Después de perfeccionar la técnica de fabricación, los investigadores probaron varios tamaños de cúpula y espesores de capa piezoeléctrica diferentes para lograr la mejor combinación. /p>
Montaron los altavoces de membrana en la pared a 30 centímetros de distancia del micrófono y probaron sus niveles de presión sonora en decibeles. Cuando pasan 25 voltios a través del dispositivo a una frecuencia de 1 kHz, el altavoz produce 66 decibeles. de sonido de alta calidad A 10 kHz, el nivel de presión sonora aumenta a 86 dB, lo que equivale aproximadamente al tráfico urbano.
Este dispositivo de ahorro de energía sólo requiere alrededor de 100 MW de potencia por metro cuadrado. área del altavoz, en comparación con un altavoz doméstico típico que puede consumir más de 1 vatio de energía si produce una presión de sonido similar a una distancia similar p>
Debido a que las pequeñas cúpulas vibran, en lugar de toda la membrana, los altavoces tienen un alto. suficiente frecuencia de vibración para usarse de manera efectiva en aplicaciones de ultrasonido, como imágenes, que utilizan ondas de sonido de frecuencia extremadamente alta para generar imágenes; las frecuencias más altas pueden producir imágenes de mayor resolución.
El dispositivo también podría usar ultrasonido para. detectar dónde están los humanos en una habitación, de manera muy similar a como los murciélagos usan la ecolocalización. Asimismo, se forman ondas sonoras que siguen los movimientos del ser humano. Si las cúpulas vibratorias de la membrana se cubren con superficies reflectantes, podrían usarse para proporcionar ideas para la emisión de luz. patrones en futuras tecnologías de visualización. Si se sumerge en líquido, la membrana vibratoria podría proporcionar una forma de agitar productos químicos. "Tenemos la capacidad de generar con precisión el movimiento mecánico del aire activando superficies físicas estirables. La imaginación que aporta esta tecnología es ilimitada. dijo Burawoy.
Los científicos del MIT han creado unos altavoces finos como el papel que se pueden colocar por toda la casa. Ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo tipo de altavoz ultradelgado, un dispositivo flexible de película delgada que potencialmente podría convertir cualquier superficie en una fuente de audio de alta calidad y bajo consumo.
Este altavoz de membrana requiere solo una fracción de la energía requerida por los altavoces tradicionales, pero produce un sonido de alta calidad con una distorsión mínima. Según la demostración del equipo de investigación, el altavoz del tamaño de la palma de la mano pesa sólo una moneda de diez centavos y puede emitir un sonido de alta calidad independientemente de la superficie a la que esté adherida la película.
Para lograr estas propiedades, los investigadores también crearon una técnica de fabricación engañosamente simple que se puede ampliar para producir parlantes ultradelgados lo suficientemente grandes como para cubrir un automóvil o el papel tapiz de una habitación. De esta manera, los altavoces de membrana pueden proporcionar una reducción activa del ruido al producir sonidos de la misma amplitud pero de fase opuesta (es decir, los dos sonidos se anulan entre sí) en un entorno ruidoso, como la cabina de un avión.
Además, este nuevo dispositivo también se puede utilizar para entretenimiento inmersivo, como proporcionar audio 3D en cines o parques temáticos. Y como es liviano y requiere muy poca energía, es muy adecuado para dispositivos inteligentes con duración de batería limitada.
“Parece una hoja de papel delgada. Pégale dos clips, conéctalo al conector para auriculares de tu computadora y comienza a escuchar el sonido que produce. Funciona en cualquier lugar. y sólo requiere una fuente de energía para funcionar.
dijo Vladimir Bolovi, corresponsal del artículo de investigación, director de MIT.nano y jefe del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab).
Bulawoy coescribió el artículo con el primer autor Jinchi Han, un postdoctorado en uno de los laboratorios, y Jeffrey Lang, profesor de ingeniería eléctrica. La investigación se publica en IEEE Transactions on Industrial Electronics.
Nuevos altavoces ultrafinos
Como todos sabemos, los altavoces tradicionales de los auriculares o sistemas de audio utilizan la entrada de corriente eléctrica. Cuando una entrada de corriente cambiante pasa a través de una bobina que crea un campo magnético, empujando el diafragma del altavoz a vibrar, el aire encima vibra, creando el sonido que escuchamos.
Por el contrario, este nuevo dispositivo de altavoz simplifica el diseño de los altavoces mediante el uso de una fina película de material piezoeléctrico. Cuando se le aplica voltaje, la membrana se mueve de modo que el aire que está encima vibra y produce sonido.
Debido a que los altavoces de membrana se diseñan de forma independiente, el material de la membrana debe doblarse libremente para producir sonido. Pero montar estos altavoces en superficies dificulta las vibraciones y su capacidad para producir sonido.
Para superar este problema, el equipo del MIT replanteó el diseño del altavoz de membrana. En lugar de hacer vibrar todo el material, su diseño se basa en pequeñas cúpulas sobre una fina capa de material piezoeléctrico, lo que permite que cada cúpula vibre individualmente.
Estas pequeñas cúpulas, de solo unos pocos pelos de ancho, están rodeadas por espaciadores en la parte superior e inferior de la membrana, protegiéndolas de la superficie de montaje y al mismo tiempo permitiéndoles vibrar libremente. La misma capa espaciadora protege la cúpula del desgaste y los impactos durante el funcionamiento diario, lo que aumenta la durabilidad del altavoz.
El proceso de producción parece muy sencillo. Primero, los investigadores utilizaron un láser para perforar agujeros en una lámina de PET, un plástico liviano, y laminaron un material piezoeléctrico muy delgado (de hasta 8 micrones) llamado PVDF en la parte inferior del PET perforado. Luego aplicaron vacío a las láminas unidas y una fuente de calor de 80 grados Celsius debajo.
Debido a que la capa de PVDF es tan delgada, la diferencia de presión entre el vacío y la fuente de calor hace que se expanda. Pero el PVDF no puede abrirse paso a través de la capa de PET, por lo que pequeñas cúpulas sobresalen en áreas no bloqueadas por el PET. Y estas protuberancias están alineadas individualmente con agujeros en la capa de PET. Luego, los investigadores laminaron otra capa de PET en el otro lado del PVDF para que sirviera como espaciador entre la pequeña cúpula y la superficie de unión.
“Este es un proceso muy simple y directo. Si lo integramos con un proceso rollo a rollo en el futuro, esto nos permitirá producir estos parlantes en cantidades de Qualcomm. producido a escala, tal como el papel tapiz puede cubrir paredes, automóviles o aviones", dijo Han:
Alta calidad, bajo consumo de energía, potencial de aplicación ilimitado.
Cada cúpula es una unidad de sonido independiente. Dado que la altura de la cúpula es de 15 micrones, aproximadamente una sexta parte del grosor de un cabello humano, y solo puede moverse hacia arriba y hacia abajo aproximadamente media micra cuando vibra, se necesitarían miles de estas pequeñas cúpulas vibrando juntas para producir un sonido audible. .
Además, otra ventaja de fabricar este dispositivo de sonido ultrafino es que es ajustable, porque los investigadores pueden cambiar el tamaño de los agujeros del PET para controlar el tamaño de la cúpula. Una cúpula con un radio mayor empuja más aire, produciendo más sonido, pero también resuena a una frecuencia más baja. La frecuencia de resonancia es la frecuencia más efectiva a la que funciona el dispositivo; las frecuencias de resonancia más bajas pueden causar distorsión del audio.
(Fuente: MIT)
Después de muchas pruebas, los investigadores encontraron la mejor combinación de diferentes tamaños de cúpula y espesores de capa piezoeléctrica. Luego probaron los altavoces de membrana montándolos en la pared a 30 centímetros de los micrófonos.
Cuando pasan 25 voltios de corriente a través del dispositivo a 1 kHz (una velocidad de 1.000 ciclos por segundo), el altavoz producirá 66 decibeles de sonido de alta calidad. A 10 kHz, el nivel de presión sonora aumenta a 86 dB, lo que equivale aproximadamente al nivel de volumen del tráfico urbano.
Este dispositivo de altavoz de bajo consumo requiere sólo unos 100 MW de potencia por metro cuadrado de superficie. En comparación, un altavoz doméstico típico puede consumir más de 1 vatio de potencia para producir una presión sonora similar a una distancia considerable.
Debido a que sólo vibra la pequeña cúpula del dispositivo, en lugar de toda la membrana, el altavoz tiene una frecuencia de resonancia lo suficientemente alta como para que también pueda usarse eficazmente para aplicaciones de ultrasonido como imágenes de ultrasonido, explican los investigadores. Las imágenes por ultrasonido utilizan ondas sonoras de muy alta frecuencia para producir imágenes y las frecuencias más altas producen una mejor resolución de la imagen.
Por ejemplo, el dispositivo podría usar ultrasonido para detectar dónde está una persona en una habitación y rastrear la ubicación, de manera muy similar a como los murciélagos usan la ecolocalización. Si las cúpulas vibratorias de la película se cubren con superficies reflectantes, podrían usarse para crear patrones de luz para futuras técnicas de imagen. Si se sumergen en líquido, las membranas vibratorias también podrían proporcionar una nueva forma de agitar productos químicos, permitiendo que las técnicas de procesamiento químico utilicen menos energía que los métodos de procesamiento en masa.
"Tenemos la capacidad de generar con precisión movimiento mecánico de aire activando superficies físicas estirables. Las opciones sobre cómo utilizar esta tecnología son infinitas", dijo Burawoy.
Los científicos del MIT han construido un altavoz delgado como un papel que puede viajar por toda la casa. Según informes recientes de los medios, los ingenieros del MIT han desarrollado un altavoz delgado como el papel que puede convertir cualquier superficie en una fuente de sonido activa.
Los altavoces de membrana producen sonido con muy poca distorsión y utilizan una fracción de la energía requerida por los altavoces convencionales.
El altavoz del tamaño de la palma de la mano que demostró el equipo pesa alrededor de una moneda de diez centavos. No importa a qué superficie esté adherida la película, produce un sonido de alta calidad. Para lograr estas extraordinarias propiedades, los investigadores crearon una técnica de fabricación engañosamente simple que implica solo tres pasos básicos para crear parlantes ultradelgados que pueden ser lo suficientemente grandes como para cubrir el interior de un automóvil o empapelar una habitación.
Los altavoces de película delgada pueden proporcionar cancelación activa de ruido en entornos ruidosos, como las cabinas de los aviones, al producir sonidos de la misma amplitud pero de fase opuesta. Este dispositivo flexible también podría usarse para entretenimiento inmersivo, tal vez proporcionando audio tridimensional en teatros o instalaciones de entretenimiento en parques temáticos. Además, dado que es liviano y requiere muy poca energía para funcionar, el dispositivo es ideal para dispositivos inteligentes con duración limitada de la batería.
Se entiende que en los auriculares o sistemas de audio, los altavoces típicos utilizan la entrada de corriente. La corriente pasa a través de la bobina para generar un campo magnético, que puede mover el diafragma del altavoz y mover el aire sobre él, produciendo así. sonido. Por el contrario, el diseño de este nuevo altavoz se simplifica mediante el uso de materiales de película piezoeléctrica moldeada. Cuando se aplica un voltaje a la membrana, se mueve, moviendo así el aire sobre ella y produciendo sonido.
Específicamente, para crear los altavoces, los investigadores utilizaron láseres para perforar láminas de PET, un plástico liviano. Colocaron una capa muy fina de película piezoeléctrica de PVDF (de sólo 8 micrones de espesor) en la parte inferior de la capa de PET perforada. Luego aplicaron vacío sobre las láminas unidas y una fuente de calor de 80 grados Celsius debajo de las láminas.
Debido a que la capa de PVDF es tan delgada, la diferencia de presión entre el vacío y la fuente de calor hace que se expanda. El PVDF no puede abrirse camino a través de la capa de PET, por lo que la pequeña cúpula sobresale donde no está bloqueada por el PET. Estas protuberancias pueden autoalinearse con los agujeros de la capa de PET. Luego, los investigadores colocaron otra capa de PET en el otro lado del PVDF para que actuara como espaciador entre la cúpula y la superficie de unión.
En lugar de hacer vibrar todo el material, su diseño se basa en pequeñas cúpulas sobre una fina capa de material piezoeléctrico, cada una de las cuales vibra individualmente. Estas cúpulas, cada una de ellas de sólo unos pocos pelos de ancho, están rodeadas por espaciadores en la parte superior e inferior de la membrana, protegiéndolas de la superficie de montaje y al mismo tiempo permitiéndoles vibrar libremente. La misma capa espaciadora protege la cúpula del desgaste y los impactos durante el funcionamiento diario, mejorando la durabilidad del altavoz.
Los investigadores dijeron: "Este es un proceso muy simple y directo. Si podemos combinarlo con la tecnología de procesamiento rollo a rollo en el futuro, podremos producir estos parlantes en cantidades de Qualcomm".
Esto significa que se puede fabricar en grandes cantidades para revestir paredes, coches o aviones como papel pintado. ”