近日美國麻省理工學院工程師最新研發一種薄如紙張的揚聲器，它可以將任何錶面變成一個音頻源。這種薄膜揚聲器產生的音頻失真最小，且消耗能量僅是傳統揚聲器一小部分，研究小組演示了一款手掌大小的揚聲器，重量大約是1角硬幣，無論這片薄膜粘在什麼物體表面，都能播放高質量音頻。
薄膜揚聲器產生的音頻失真最小，且消耗能量僅是傳統揚聲器一小部分，研究小組演示了一款手掌大小的揚聲器，重量大約是1角硬幣，無論這片薄膜粘在什麼物體表面，都能播放高質量音頻。
為了實現這些特性，研究人員開創了一種看似簡單的製造工藝，僅需三個基本步驟，可以按比例放大，製造出足以覆蓋汽車內部或者貼滿房間牆紙的超薄揚聲器。通過這種方式，薄膜揚聲器可以在嘈雜環境中（例如飛機駕駛艙）產生振幅相同、相位相反的聲音，這兩種聲音可以互相抵消。薄膜揚聲器可以用於沉浸式娛樂，例如：在劇院或者主題公園騎行時提供三維空間音頻，由於它輕薄重量輕，所需電量小，非常適用電池壽命有限的智能設備應用。
美國麻省理工學院有機納米結構電子實驗室（ONE Lab）負責人弗拉基米爾·布羅維西（Vladimir Bulovic）說：“薄膜揚聲器看上去像一張薄紙，連接兩個夾子通電，相關端口插入電腦耳機接口，然後就能聽到它發出的聲音，這種體驗非常神奇，它非常便攜，可在任何地方使用，人們只需提供少量電源就能運行。”
布羅維西和研究同事Jinchi Han、傑弗里·朗（Jeffrey Lang）將該研究報告發表在《IEEE工業電子彙刊》上。
全新方案
耳機或者音頻系統中傳統揚聲器使用電流輸入，電流通過線圈產生磁場，磁場震動揚聲器膜，使揚聲膜上方空氣移動，從而產生我們聽到的聲音。相比之下，這種新型揚聲器通過使用一種壓電材料製成的薄膜簡化了揚聲器設計，當電壓施加在薄膜上時，薄膜會震動，從而移動其上方空氣併產生聲音。
大多數薄膜揚聲器都採用獨立設計，因為薄膜必須自由彎曲才能發聲，將它安裝在一個物體表面會阻礙其震動，影響它產生聲音的能力。為了克服這個問題，麻省理工學院研究小組重新設計了薄膜揚聲器，改良后不是讓整個薄膜發生振動，而是依靠薄壓電材料上的微型穹頂結構，每個穹頂結構單獨振動，它們直徑僅是人類頭髮的幾倍，薄膜頂部和底部被間隔層包裹，保護它們不受安裝表面的影響，同時還能使它們自由振動，在日常操作中，相同的間隔層保護穹頂免遭磨損和衝擊，從而提高了揚聲器耐用性。
為了使薄膜揚聲器達到最佳效果，研究人員使用激光在PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）薄片上切出小孔，PET是一種輕型塑料，他們在穿孔PET薄片底部鋪上一層非常薄的PVDF材料（一種壓電材料），之後他們粘合薄片上方施加真空，在粘合薄片下方施加80攝氏度的熱源。
由於PVDF材料非常薄，真空和熱源產生的壓力差導致它膨脹，PVDF材料無法強行穿透PET薄片，所以在PET薄片小孔處產生穹頂突起。之後研究人員在PVDF材料另一側鋪上一層PET薄片，作為穹頂突起和結合表面之間的間隔層。
Jinchi Han說：“這是一個非常簡單、直接的過程，如果我們未來能結合捲軸式工藝，就能以高通量方式生產這些揚聲器，這意味着它能批量製造，像牆紙一樣覆蓋在牆壁、汽車或者飛機內部。”
大多數薄膜揚聲器都採用獨立設計，因為薄膜必須自由彎曲才能發聲，將它安裝在一個物體表面會阻礙其震動，影響它產生聲音的能力。
高品質，低功耗
穹頂結構高度僅15微米，大約是人類頭髮直徑的六分之一，振動時它們只上下偏振0.5微米，每個穹頂都是一個單獨聲音發生源，所以需要數千個穹頂結構一起振動，才能產生人類聽到的聲音。
薄膜揚聲器的另一個好處就是它的可調諧性——研究人員可以改變PET薄片小孔直徑，從而控制穹頂結構大小，半徑較大的穹頂結構產生更大聲音，但是具有較低的共振頻率，共振頻率是設備操作最有效的頻率，較低的共振頻率會導致音頻失真。
研究人員完善薄膜揚聲器設計之後，測試了幾種不同穹頂尺寸和壓電層厚度，從而達到最佳組合效果。他們將薄膜揚聲器安裝在距離麥克風30厘米的牆壁上，測試其聲壓水平（以分貝為單位），當25伏特電流以1000赫茲（每秒1000次循環）通過該設備時，揚聲器會產生66分貝的高質量聲音，達到10千赫茲時，聲壓級將增加到86分貝，大約與城市交通的音量水平相同。
該節能裝置每平方米僅需電功率大約100毫瓦，相比之下，一個普通家用揚聲器可能要消耗超過1瓦以上才能在相當距離產生類似的聲壓。Jinchi Han解釋稱，因為小穹頂結構不停振動，而不是整個薄膜在振動，因此揚聲器可以產生足夠高的共振頻率，有效地用於超聲領域，例如：超聲成像，超聲成像使用非常高的頻率聲波產生圖像，更高的頻率會產生更高分辨率圖像。
該設備還可以使用超聲波檢測人在房間中的位置，就像蝙蝠回聲定位一樣，然後塑造聲波來跟蹤人體移動，布羅維西稱，如果在薄膜振動穹頂結構覆蓋一層反射表面，就可以用於創造未來派光顯示技術。如果將薄膜浸入液體中，振動膜可以提供一種新的攪拌化學物質方法，使該化學處理技術比大批量處理方法消耗更少能量。
布羅維西指出，我們有能力通過激活可伸縮的物理表面來精確產生空氣機械運動，該技術應用領域是無限的。
美國哥倫比亞大學電氣工程系主任揚尼斯·克米西斯（Ioannis Kymissis）稱，我認為這是一種非常有創意的方法，使用光刻圖案模板將膠片堆疊成拱形的策略非常獨特，可能會在揚聲器和麥克風中產生一系列新的應用。