ساخت اسپیکری به ضخامت یک ورقه کاغذ!

این اسپیکر نازک، صدا را با حداقل اعوجاج تولید می‌کند و کمترین میزان از انرژی مورد نیاز یک اسپیکر سنتی را به کار می‌برد. اسپیکر جدید که وزن آن تقریبا به اندازه یک سکه است، می‌تواند بدون توجه به سطحی که به آن چسبانده می‌شود، صدایی با کیفیت بالا تولید کند.

پژوهشگران برای دستیابی به این ویژگی‌ها، یک روش ساخت ساده را در پیش گرفتند که تنها به سه مرحله اساسی نیاز دارد و می‌توان آن را برای تولید اسپیکرهای بسیار نازکی به کار گرفت که داخل خودرو یا دیوار اتاق را می‌پوشانند.اسپیکر نازک با این روش می‌تواند نویز فعال را در محیط‌های پر هیاهویی مانند کابین خلبان هواپیما حذف کند و به تولید صدایی با همان دامنه بپردازد. این دو صدا یکدیگر را خنثی می‌کنند. همچنین، این دستگاه منعطف را می‌توان برای سرگرمی‌های همه جانبه استفاده کرد. برای نمونه، شاید اسپیکر با ارائه صدای سه‌بعدی بتواند در یک تئاتر به کار رود. از آنجا که این دستگاه سبک وزن است و برای کارکردن به انرژی بسیار کمی نیاز دارد، برای برنامه‌های کاربردی در دستگاه‌های هوشمند که عمر باتری آنها محدود است، مناسب خواهد بود.

"ولادیمیر بولوویچ"(Vladimir Bulović)، پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: احساس خوبی است که کاغذی باریک را بردارید، دو گیره به آن وصل کنید، آن را به پورت هدفون رایانه خود وصل کنید و صداهایی را بشنوید که از آن منتشر می‌شوند. از این اسپیکر می‌توانید در هر جایی استفاده کنید و برای راه‌اندازی آن فقط به مقدار کمی نیروی الکتریکی نیاز دارید.

یک اسپیکر معمولی که در هدفون یا یک سیستم صوتی وجود دارد، از ورودی‌های جریان الکتریکی استفاده می‌کند که از یک سیم‌پیچ عبور می‌کنند و یک میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد. میدان مغناطیسی، یک غشا را در اسپیکر حرکت می‌دهد و صدایی را که ما می‌شنویم، تولید می‌کند. در مقابل، این اسپیکر جدید با استفاده از یک لایه نازک از مواد پیزوالکتریک که با اعمال ولتاژ روی آنها حرکت می‌کنند، هوا را در قسمت بالا حرکت می‌دهد و صدا تولید می‌کند.

بیشتر اسپیکرهای نازک به صورت مستقل طراحی شده‌اند زیرا برای تولید صدا، غشای آنها باید آزادانه خم شود. نصب این اسپیکرها روی یک سطح، توانایی تولید لرزش و صدا توسط سطح را مختل می‌کند.پژوهشگران دانشگاه ام‌آی‌تی برای غلبه بر این مشکل، به طراحی یک اسپیکر نازک پرداختند. طراحی آنها به جای ارتعاش کل مواد، روی برآمدگی‌های کوچکی روی یک لایه نازک از مواد پیزوالکتریک تکیه دارد که هر کدام به تنهایی مرتعش می‌شوند. این برآمدگی‌ها که هر کدام به عرض چند مو هستند، توسط لایه‌های فاصله‌دهنده در بالا و پایین غشا احاطه شده‌اند که از آنها محافظت می‌کنند و در عین حال، آنها را قادر می‌سازند آزادانه مرتعش شوند. لایه‌های فاصله‌دهنده، از برآمدگی‌ها در برابر سایش و ضربه هنگام جابجایی روزانه محافظت می‌کنند و دوام اسپیکر را افزایش می‌دهند.

پژوهشگران برای ساخت این اسپیکر، از لیزر برای ایجاد سوراخ‌های ریزی در ورقه نازکی از "پلی‌اتیلن ترفتالات"(PET) استفاده کردند که نوعی پلاستیک سبک وزن است. آنها سطح زیرین لایه پلی‌اتیلن ترفتالات سوراخ‌شده را با یک لایه بسیار نازک از مواد پیزوالکتریک به نام "پلی‌وینیلیدین فلورید"(PVDF) پوشاندند. سپس، یک منبع حرارتی با دمای ۸۰ درجه سلسیوس را در قسمت زیرین آنها اعمال کردند.  

از آنجا که لایه پلی‌وینیلیدین فلورید بسیار نازک است، اختلاف فشار ایجاد شده باعث برآمدگی آن می‌شود. پلی‌وینیلیدین فلورید نمی‌تواند به زور از لایه پلی‌اتیلن ترفتالات عبور کند؛ بنابراین برآمدگی‌های کوچک از مناطقی که توسط پلی‌اتیلن ترفتالات مسدود نشده‌اند، بیرون می‌آیند. این برآمدگی‌ها با سوراخ‌های لایه پلی‌اتیلن ترفتالات خود تراز می‌شوند. سپس پژوهشگران، طرف دیگر پلی‌وینیلیدین فلورید را با یک لایه دیگر از پلی‌اتیلن ترفتالات می‌پوشانند تا به عنوان یک فاصله میان برآمدگی‌ها و سطح عمل کند.

"جینچی هان"(Jinchi Han)، از پژوهشگران این پروژه گفت: این یک فرآیند بسیار ساده است و اگر در آینده آن را با یک فرآیند دیگر ادغام کنیم، به ما امکان می‌دهد تا به تولید این اسپیکرها با توان عملیاتی بالا بپردازیم. این بدان معناست که می‌توان اسپیکرها را مانند کاغذ دیواری برای پوشاندن دیوارها، خودروها یا فضای داخلی هواپیما در مقادیر زیادی ساخت.

ارتفاع این برآمدگی‌ها، ۱۵ میکرون است و در صورت ارتعاش، تنها نیم میکرون بالا و پایین می‌روند. هر برآمدگی یک واحد تولید صدا است؛ بنابراین هزاران برآمدگی کوچک به همراه یکدیگر مرتعش می‌شوند تا صدایی قابل شنیدن را تولید کنند.یکی دیگر از مزایای فرآیند ساده ساخت این اسپیکر، قابلیت تنظیم آن است. پژوهشگران می‌توانند اندازه سوراخ‌های پلی‌اتیلن ترفتالات را برای کنترل اندازه برآمدگی‌ها تغییر دهند. برآمدگی‌های دارای شعاع بزرگ‌تر، هوای بیشتری را جابه‌جا می‌کنند و صدای بیشتری را تولید می‌کنند اما برآمدگی‌های بزرگتر، فرکانس رزونانس کمتری نیز دارند. فرکانس رزونانس، فرکانسی است که دستگاه در آن به بهترین شکل کار می‌کند و پایین بودن فرکانس رزونانس، کمتر به اعوجاج صدا منجر می‌شود.

هنگامی که پژوهشگران، روش ساخت را کامل کردند، چندین اندازه گوناگون از برآمدگی و ضخامت لایه پیزوالکتریک را برای رسیدن به ترکیب مطلوب مورد بررسی قرار دادند.آنها اسپیکر نازک خود را با نصب آن روی دیواری در فاصله ۳۰ سانتی‌متری از میکروفن آزمایش کردند. هنگامی که ۲۵ ولت برق با سرعت یک کیلوهرتز از دستگاه عبور داده شد، اسپیکر صدایی با کیفیت بالا در سطح ۶۶ دسی‌بل تولید کرد. در سرعت ۱۰ کیلوهرتز، سطح فشار صدا به ۸۶ دسی‌بل افزایش یافت که تقریبا همان میزان حجم ترافیک شهری است.

این دستگاه کم‌مصرف فقط به ۱۰۰ میلی‌وات برق در هر متر مربع نیاز دارد. در مقابل، یک اسپیکر خانگی متوسط ممکن است بیش از یک وات برق مصرف کند تا فشار صدای مشابهی را در فاصله‌ای قابل مقایسه به وجود بیاورد.
هان توضیح داد: از آنجا که برآمدگی‌های کوچک در حال ارتعاش هستند، اسپیکر فرکانس رزونانس بالایی دارد که می‌تواند به طور موثر برای کاربردهایی مانند سونوگرافی استفاده شود. سونوگرافی از امواج صوتی با فرکانس بسیار بالا برای تولید تصاویر استفاده می‌کند و فرکانس‌های بالاتر، وضوح تصویر بهتری را ارائه می‌دهند.

بولوویچ گفت: این دستگاه همچنین می‌تواند از امواج فراصوت برای تشخیص دادن محل ایستادن انسان در اتاق استفاده کند و سپس امواج صوتی را شکل دهد تا شخص را هنگام حرکت دنبال کند. شاید بتوان از برآمدگی‌های ارتعاشی برای ایجاد الگوهای نور در فناوری‌های نمایشی آینده استفاده کرد.وی افزود: ما این توانایی را داریم که حرکت مکانیکی هوا را با فعال کردن یک سطح فیزیکی که مقیاس‌پذیر است، ایجاد کنیم. گزینه‌های مربوط به نحوه استفاده از این فناوری، نامحدود هستند.این پژوهش با بودجه "شرکت فورد موتور"(Ford Motor Company) و کمک‌ هزینه شرکت "لندلیز گروپ"(Lendlease) انجام شده است.
این پژوهش، در مجله "IEEE Transactions of Industrial Electronics" به چاپ رسید.