Los ingenieros del MIT han desarrollado un altavoz delgado como el papel que puede convertir cualquier superficie en una fuente de audio activa.
Este altavoz de película delgada produce sonido con una distorsión mínima mientras usa una fracción de la potencia requerida por un altavoz tradicional. El altavoz del tamaño de una mano que demostró el equipo, que pesa alrededor de una moneda de diez centavos, puede generar un sonido de alta calidad sin importar a qué superficie esté pegada la película.
Para lograr estas propiedades, los investigadores fueron pioneros en una técnica de fabricación engañosamente simple que requiere solo tres pasos básicos y puede ampliarse para producir altavoces ultradelgados lo suficientemente grandes como para cubrir el interior de un automóvil o el papel tapiz de una habitación.
Usado de esta manera, el altavoz de película delgada puede proporcionar una cancelación activa de ruido en entornos ruidosos, como la cabina de un avión, generando un sonido de la misma amplitud pero de fase opuesta; los dos sonidos se anulan entre sí. El dispositivo flexible también se puede utilizar para entretenimiento inmersivo, tal vez proporcionando audio tridimensional en un teatro o en un parque temático. Y debido a que es liviano y requiere una cantidad tan pequeña de energía para funcionar, el dispositivo es ideal para aplicaciones de dispositivos inteligentes donde la duración de la batería es limitada.
“Es asombroso tomar lo que parece una fina hoja de papel, adjuntarle dos clips, conectarlo al puerto de auriculares de su computadora y comenzar a escuchar los sonidos que emanan de él. Se puede utilizar en cualquier lugar. Solo se necesita un poco de energía eléctrica para funcionar”, dice Vladimir Bulović, presidente de tecnología emergente de Fariborz Maseeh, líder del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab), director de MIT.nano y autor principal del artículo. .
Bulović escribió el artículo con el autor principal Jinchi Han, un postdoctorado en ONE Lab, y el coautor principal Jeffrey Lang, profesor de ingeniería eléctrica en Vitesse. La investigación fue publicada hoy en Transacciones de electrónica industrial IEEE.
un nuevo enfoque
Un altavoz típico que se encuentra en los auriculares o en un sistema de audio utiliza entradas de corriente eléctrica que pasan a través de una bobina de cable que genera un campo magnético, que mueve la membrana del altavoz, que mueve el aire por encima de ella, que produce el sonido que escuchamos. Por otro lado, el nuevo parlante simplifica el diseño del parlante al usar una película delgada de material piezoeléctrico moldeado que se mueve cuando se le aplica voltaje, lo que mueve el aire sobre él y genera sonido.
La mayoría de los altavoces de película delgada están diseñados para ser autónomos porque la película debe doblarse libremente para producir sonido. Montar estos altavoces en una superficie evitaría la vibración y afectaría su capacidad para generar sonido.
Para superar este problema, el equipo del MIT replanteó el diseño de un altavoz de película delgada. En lugar de hacer vibrar todo el material, su diseño se basa en pequeñas cúpulas en una fina capa de material piezoeléctrico, cada una de las cuales vibra individualmente. Estas cúpulas, cada una del ancho de un cabello, están rodeadas por capas espaciadoras en la parte superior e inferior de la película que las protegen de la superficie de montaje y les permiten vibrar libremente. Las mismas capas espaciadoras protegen las cúpulas de la abrasión y los impactos durante el manejo diario, lo que aumenta la durabilidad del altavoz.
Para construir el altavoz, los investigadores utilizaron un láser para perforar pequeños agujeros en una lámina delgada de PET, que es un tipo de plástico liviano. Laminaron la parte inferior de esta capa de PET perforada con una película muy delgada (tan delgada como 8 micrones) de material piezoeléctrico, llamado PVDF. Luego aplicaron vacío por encima de las hojas encoladas y una fuente de calor, a 80 grados centígrados, por debajo de ellas.
Debido a que la capa de PVDF es tan delgada, la diferencia de presión creada por el vacío y la fuente de calor hizo que se hinchara. El PVDF no puede abrirse camino a través de la capa de PET, por lo que pequeñas cúpulas sobresalen en áreas donde el PET no las bloquea. Estas protuberancias se alinean automáticamente con los orificios de la capa de PET. Luego, los investigadores laminan el otro lado del PVDF con otra capa de PET para que actúe como espaciador entre las cúpulas y la superficie de unión.
“Es un proceso muy simple y directo. Esto nos permitiría producir estos altavoces con un alto rendimiento si lo integramos con un proceso continuo en el futuro. Esto significa que se puede fabricar en grandes cantidades como papel tapiz para cubrir paredes, automóviles o interiores de aviones”, dice Han.
Alta calidad, bajo consumo
Las cúpulas tienen 15 micras de alto, aproximadamente una sexta parte del grosor de un cabello humano, y solo se mueven hacia arriba y hacia abajo alrededor de media micra cuando vibran. Cada cúpula es una sola unidad generadora de sonido, por lo que se necesitan miles de estas diminutas cúpulas que vibran juntas para producir un sonido audible.
Un beneficio adicional del proceso de fabricación simple del equipo es su capacidad de ajuste: los investigadores pueden cambiar el tamaño de los orificios en el PET para controlar el tamaño de las cúpulas. Las cúpulas más grandes desplazan más aire y producen más sonido, pero las cúpulas más grandes también tienen una frecuencia de resonancia más baja. La frecuencia resonante es la frecuencia en la que el dispositivo funciona de manera más eficiente y la frecuencia resonante más baja conduce a la distorsión del audio.
Después de que los investigadores perfeccionaron la técnica de fabricación, probaron varios tamaños de domo piezoeléctrico y espesores de capa diferentes para llegar a una combinación ideal.
Probaron su altavoz de película delgada montándolo en una pared a 30 centímetros de un micrófono para medir el nivel de presión del sonido, registrado en decibelios. Cuando 25 voltios de electricidad pasaron a través del dispositivo a 1 kilohercio (una tasa de 1000 ciclos por segundo), el altavoz produjo un sonido de alta calidad a niveles de conversación de 66 decibelios. A 10 kilohercios, el nivel de presión del sonido aumentó a 86 decibeles, aproximadamente el mismo nivel de volumen que el tráfico de la ciudad.
El dispositivo de eficiencia energética solo requiere alrededor de 100 milivatios de potencia por metro cuadrado de área de altavoz. Por otro lado, un altavoz doméstico promedio puede consumir más de 1 vatio de potencia para generar una presión de sonido similar a una distancia comparable.
Debido a que las diminutas cúpulas vibran en lugar de toda la película, el altavoz tiene una frecuencia de resonancia lo suficientemente alta como para que pueda usarse de manera efectiva para aplicaciones de ultrasonido, como imágenes, explica Han. Las imágenes por ultrasonido utilizan ondas de sonido de muy alta frecuencia para producir imágenes, y las frecuencias más altas producen una mejor resolución de imagen.
El dispositivo también puede usar ultrasonido para detectar dónde se encuentra un humano en una habitación, al igual que los murciélagos que usan la ecolocalización, y luego moldear las ondas de sonido para seguir a la persona mientras se mueve, dice Bulović. Si las cúpulas vibratorias de película delgada se cubren con una superficie reflectante, se pueden usar para crear patrones de luz para futuras tecnologías de visualización. Si se sumergen en un líquido, las membranas vibratorias pueden proporcionar un nuevo método para agitar productos químicos, lo que permite técnicas de procesamiento químico que pueden usar menos energía que los métodos de procesamiento de lotes grandes.
“Tenemos la capacidad de generar con precisión el movimiento mecánico del aire activando una superficie física que es escalable. Las opciones sobre cómo usar esta tecnología son ilimitadas”, dice Bulović.
«Creo que este es un enfoque muy creativo para hacer esta clase de altavoces ultradelgados», dice Ioannis (John) Kymissis, profesor de ingeniería eléctrica Kenneth Brayer y presidente del departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Columbia, que no participó en este investigar. “La estrategia de domesticar la pila de películas utilizando modelos con patrones fotolitográficos es bastante única y probablemente conducirá a una serie de nuevas aplicaciones en altavoces y micrófonos”.
Este trabajo está financiado, en parte, por una beca de investigación de Ford Motor Company y una donación de Lendlease, Inc.
