Bilim adamları kağıt inceliğinde hopörler geliştirmeyi başardılar. Bu hoparlör alışık olduğumuz hoparlörlere kıyasla daha az enerji tüketir ve minumum kayıpla ve yüksek verimlilikle ses üretir.
Bu özellikleri elde etmek için araştırmacılar, yalnızca üç temel adım gerektiren ve bir otomobilin içini kaplayacak veya bir odayı duvar kağıdıyla kaplayacak kadar büyük ultra ince hoparlörler üretecek şekilde büyütülebilen, aldatıcı derecede basit bir üretim tekniğine öncülük ettiler.
Bu şekilde kullanıldığında, ince film hoparlör, aynı genlikte ancak zıt fazda ses üreterek, uçak kokpiti gibi gürültülü ortamlarda aktif gürültü engelleyebilecek; iki ses birbirini yok eder. Esnek cihaz, belki bir tiyatroda veya tema parkı gezisinde üç boyutlu ses sağlayarak, sürükleyici eğlence için de kullanılabilir. Ve hafif olduğu ve çalışması için çok az miktarda güç gerektirdiği için cihaz, pil ömrünün sınırlı olduğu akıllı cihazlardaki uygulamalar için çok uygundur.
Vladimir Bulović “ince bir kağıda benzeyen bir şeyi alıp, ona iki klips tutturmak, bilgisayarınızın kulaklık bağlantı noktasına takmak ve ondan gelen sesleri duymaya başlamak olağanüstü bir duygu. Her yerde kullanılabilir. diyor.”
Yeni bir hoparlör teknolojisi için ilk adım
Kulaklıklarda veya bir ses sisteminde bulunan tipik bir hoparlör, bir manyetik alan oluşturan, hoparlör zarını hareket ettiren, üzerindeki havayı hareket ettiren ve duyduğumuz sesi oluşturan bir tel bobininden geçen elektrik akımı girişlerini kullanır. Buna karşılık, yeni hoparlör, üzerine voltaj uygulandığında hareket eden, üzerindeki havayı hareket ettiren ve ses üreten şekilli bir piezoelektrik malzemeden oluşan ince bir film kullanarak hoparlör tasarımını basitleştirir.
Filmin ses üretmek için serbestçe bükülmesi gerektiğinden, çoğu ince film hoparlörü bağımsız olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu hoparlörleri bir yüzeye monte etmek, titreşimi engeller ve ses üretme yeteneklerini engeller.
Bu sorunun üstesinden gelmek için MIT ekibi, ince film hoparlör tasarımını yeniden düşündü. Tasarımları, tüm malzemenin titreşmesi yerine, her biri ayrı ayrı titreşen ince bir piezoelektrik malzeme tabakası üzerindeki küçük kubbelere dayanır. Her biri sadece birkaç saç genişliğinde olan bu kubbeler, filmin üstünde ve altında, onları montaj yüzeyinden koruyan ve yine de serbestçe titreşmelerini sağlayan aralayıcı katmanlarla çevrilidir. Aynı ara katmanları, kubbeleri günlük kullanım sırasında aşınmaya ve darbelere karşı koruyarak hoparlörün dayanıklılığını artırır.
Hoparlörü oluşturmak için araştırmacılar, bir tür hafif plastik olan ince bir PET tabakasına küçük delikler kesmek için bir lazer kullandılar. Bu delikli PET tabakasının alt tarafını PVDF adı verilen çok ince (8 mikron kadar ince) bir piezoelektrik malzeme filmi ile lamine ettiler. Daha sonra yapıştırılan levhaların üzerine vakum ve altlarına 80 santigrat derece sıcaklıkta bir ısı kaynağı uyguladılar.
PVDF tabakası çok ince olduğu için, vakum ve ısı kaynağının yarattığı basınç farkı onun şişmesine neden oldu. PVDF, PET katmanından geçmeye zorlayamaz, bu nedenle PET tarafından engellenmedikleri alanlarda küçük kubbeler çıkıntı yapar. Bu çıkıntılar, PET katmanındaki deliklerle kendiliğinden hizalanır. Araştırmacılar daha sonra PVDF‘nin diğer tarafını, kubbeler ve yapıştırma yüzeyi arasında bir aralayıcı görevi görmesi için başka bir PET tabakasıyla lamine ediyor.
Han“Bu çok basit, basit bir süreç. Gelecekte bir rulodan ruloya süreci ile entegre edersek, bu hoparlörleri yüksek verimli bir şekilde üretmemize izin verecek. Bu, büyük miktarlarda üretilebileceği anlamına geliyor, duvarları, arabaları veya uçak içlerini kaplamak için duvar kağıdı gibi” diyor.”
Düşük güçte yüksek kaliteli ses
Kubbelerin yüksekliği 15 mikron, insan saçının kalınlığının altıda biri kadardır ve titreştiklerinde sadece yarım mikron kadar yukarı ve aşağı hareket ederler. Her kubbe tek bir ses üretme birimidir, bu nedenle duyulabilir ses üretmek için bu küçük kubbelerden binlercesinin bir arada titreşmesi gerekir.
Basit üretim sürecinin ek bir yararı da ayarlanabilirliğidir; araştırmacılar kubbelerin boyutunu kontrol etmek için PET‘teki deliklerin boyutunu değiştirebilirler. Daha büyük yarıçaplı kubbeler daha fazla havanın yerini alır ve daha fazla ses üretir, ancak daha büyük kubbeler de daha düşük rezonans frekansına sahiptir. Rezonans frekansı, cihazın en verimli çalıştığı frekanstır ve daha düşük rezonans frekansı ses bozulmasına yol açar. Araştırmacılar üretim tekniğini mükemmelleştirdikten sonra, optimal bir kombinasyona ulaşmak için birkaç farklı kubbe boyutunu ve piezoelektrik katman kalınlığını test ettiler.
Desibel cinsinden kaydedilen ses basınç seviyesini ölçmek için ince film hoparlörlerini mikrofondan 30 santimetre uzaktaki bir duvara monte ederek test ettiler. Cihazdan 1 kilohertz’de (saniyede 1.000 devir hızında) 25 volt elektrik geçirildiğinde, hoparlör 66 desibellik konuşma seviyelerinde yüksek kaliteli ses üretti. 10 kilohertz’de ses basıncı seviyesi, şehir trafiğiyle aynı ses seviyesiyle yaklaşık olarak 86 desibele yükseldi.
Enerji tasarruflu cihaz, hoparlör alanının metrekaresi başına yalnızca yaklaşık 100 miliwatt güç gerektirir. Buna karşılık, ortalama bir ev hoparlörü, benzer bir mesafede benzer ses basıncı üretmek için 1 watt’tan fazla güç tüketebilir.
Filmin tamamı yerine küçük kubbeler titreştiğinden, hoparlörün görüntüleme gibi ultrason uygulamaları için etkin bir şekilde kullanılabilecek kadar yüksek bir rezonans frekansına sahip olduğunu açıklıyor. Ultrason görüntüleme, görüntü üretmek için çok yüksek frekanslı ses dalgaları kullanır ve daha yüksek frekanslar daha iyi görüntü çözünürlüğü sağlar.
Vladimir Bulović, cihazın, yarasaların ekolokasyon kullanarak yaptığı gibi, bir insanın bir odada nerede durduğunu tespit etmek için ultrasonu da kullanabileceğini ve ardından ses dalgalarını, hareket eden kişiyi takip edecek şekilde şekillendirebileceğini söylüyor. İnce filmin titreşen kubbeleri yansıtıcı bir yüzeyle kaplanırsa, gelecekteki görüntüleme teknolojileri için ışık desenleri oluşturmak için kullanılabilirler. Titreşimli membranlar, bir sıvıya daldırılırsa, kimyasalları karıştırmak için yeni bir yöntem sunarak, büyük toplu işleme yöntemlerinden daha az enerji kullanabilen kimyasal işleme tekniklerini mümkün kılabilir.
Vladimir Bulović, “Ölçeklenebilir bir fiziksel yüzeyi etkinleştirerek havanın mekanik hareketini hassas bir şekilde üretme yeteneğine sahibiz. Bu teknolojinin nasıl kullanılacağına ilişkin seçenekler sınırsızdır” diyor. Kenneth Brayer Elektrik Mühendisliği Profesörü ve Columbia Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölüm Başkanı Ioannis (John) Kymissis, “Bu ultra ince hoparlörler sınıfını yapmak için çok yaratıcı bir yaklaşım olduğunu düşünüyorum” diyor. bu araştırma. “Fotolitografik olarak desenli şablonlar kullanarak film yığınını kaplama stratejisi oldukça benzersiz ve hoparlörlerde ve mikrofonlarda bir dizi yeni uygulamaya yol açması muhtemel.”