近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院電機(jī)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系博士后韓金池團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型多功能聲學(xué)薄膜，比起傳統(tǒng)揚(yáng)聲器，具有厚度薄、柔性好、透明且具有較好聲學(xué)特性。當(dāng)坐在沙發(fā)上，房間的墻紙能放音樂(lè)，讓你沉浸于真實(shí)的環(huán)繞立體聲中；這些墻紙還具有麥克風(fēng)功能，讓你能對(duì)智能家居發(fā)號(hào)施令。這項(xiàng)研究發(fā)表在國(guó)際頂刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。

(1)巧妙的“三明治”設(shè)計(jì)

韓金池團(tuán)隊(duì)篩選出3種較為合適的方案，其中兩種為基于靜電效應(yīng)的聲學(xué)薄膜和基于壓電技術(shù)的聲學(xué)薄膜。經(jīng)過(guò)建模和仿真、衡量加工難度后，最終壓電方案勝出。

“拿起一張看起來(lái)像紙的東西，在上面夾上音頻線(xiàn)，音頻線(xiàn)另一端插入電腦的耳機(jī)端口，就能聽(tīng)到它發(fā)出的聲音。這感覺(jué)非常奇妙?！闭撐母缴系难菔疽曨l如此介紹這個(gè)新發(fā)明。

薄膜在加電壓后要自由振動(dòng)發(fā)聲，薄膜必須做成懸空的設(shè)計(jì)，使振動(dòng)不受阻。但不讓它接觸任何物體表面，就無(wú)法做成墻紙貼在室內(nèi)墻壁上，也無(wú)法嵌入汽車(chē)內(nèi)飾，這大大限制了應(yīng)用范圍。懸空的薄膜結(jié)構(gòu)才是關(guān)鍵。韓金池用一個(gè)巧妙的“三明治”設(shè)計(jì)，解決了這些難題。

通過(guò)設(shè)計(jì)了一些懸空的微結(jié)構(gòu)——許多像泡泡一樣的小圓頂，它們可以自由振動(dòng)，并代替薄膜的整體振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生聲音。

小圓頂形成陣列結(jié)構(gòu)

圖片來(lái)源：受訪(fǎng)者供圖

這些圓頂微結(jié)構(gòu)采用真空壓紋工藝附于超薄的聚偏二氟乙烯壓電薄膜上，把這個(gè)壓電薄膜夾在兩片多孔PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）材料中間，相當(dāng)于給圓頂創(chuàng)造了一定的空間，使它們始終懸空，并且可以自由振動(dòng)。

兩層PET各司其職。底層是為了讓壓電薄膜能與安裝的物體表面形成一個(gè)空間，從而不影響圓頂振動(dòng)，確保在各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合下展現(xiàn)出優(yōu)異的性能；頂層則是為了保護(hù)脆弱的小圓頂在日常操作中免受磨損和沖擊，提高耐用性。

圖片來(lái)源：受訪(fǎng)者供圖

每個(gè)小圓頂高約15微米，不及一根頭發(fā)的厚度。壓電材料的厚度只有8~12微米。PET的厚度是50微米。雖然疊加了這么多材料，但整個(gè)聲學(xué)薄膜依然很薄，厚約0.1毫米，相當(dāng)于一張紙而已。

韓金池表示，將來(lái)還可以把這款薄膜揚(yáng)聲器做得更薄。“我們的核心思想是以實(shí)用化為導(dǎo)向，目的并不是要在性能上創(chuàng)紀(jì)錄，所以亮點(diǎn)并不在材料本身。”用最常見(jiàn)的材料、最低成本的加工手段，并保證優(yōu)異性能，才能讓這項(xiàng)技術(shù)走得更遠(yuǎn)。

(2)低功耗、高性能、可降噪

韓金池團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的薄膜揚(yáng)聲器，其壓電材料上每個(gè)微小圓頂都是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)聲單元，當(dāng)數(shù)千個(gè)這樣的小圓頂形成陣列結(jié)構(gòu)并一起振動(dòng)，便可以產(chǎn)生聲音。

“整個(gè)過(guò)程靠電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有很大的電流，也就不會(huì)形成很明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，功耗比現(xiàn)有的揚(yáng)聲器低很多?！表n金池表示。

值得一提的是，與現(xiàn)有的各類(lèi)薄膜揚(yáng)聲器相比，該發(fā)明在產(chǎn)生聲音方面具備更高的靈敏度和帶寬，并且可貼在任何物體表面使用。即使在一些彎曲或不規(guī)則表面上，它依舊能輸出高質(zhì)量的聲音。

可不要小看這些小圓頂，它們不僅可以產(chǎn)生聲波，還能感應(yīng)聲波。也就是說(shuō)，這款聲學(xué)薄膜可以用作麥克風(fēng)來(lái)記錄音頻，且具備高保真度。

聲學(xué)薄膜

圖片來(lái)源：受訪(fǎng)者供圖

其主動(dòng)降噪的能力更是引起了關(guān)注?！拔磥?lái)大面積布置的薄膜揚(yáng)聲器可以在嘈雜的環(huán)境（例如飛機(jī)座艙）中，通過(guò)產(chǎn)生相同幅度但相位相反的聲音來(lái)削弱噪聲，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪?！表n金池說(shuō)。

這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還在于可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，將來(lái)可面對(duì)不同的應(yīng)用?！艾F(xiàn)在的性能還有很大的提升空間，我們可以做很多微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)替代圓頂，甚至做一些特定微結(jié)構(gòu)的組合改善低頻的特性?！?/p>

接下來(lái)，他們會(huì)不斷嘗試、繼續(xù)改進(jìn)，讓該技術(shù)未來(lái)能夠在空間主動(dòng)降噪與沉浸式音頻、人機(jī)聲學(xué)接口、智能家居、柔性消費(fèi)電子設(shè)備、超聲測(cè)距與成像、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域大顯身手。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1109/TIE.2022.3150082

審核編輯 ：李倩