近日，美國麻省理工學院電機電子工程與計算機科學系博士后韓金池團隊研發(fā)出一種新型多功能聲學薄膜，比起傳統(tǒng)揚聲器，具有厚度薄、柔性好、透明且具有較好聲學特性。當坐在沙發(fā)上，房間的墻紙能放音樂，讓你沉浸于真實的環(huán)繞立體聲中；這些墻紙還具有麥克風功能，讓你能對智能家居發(fā)號施令。這項研究發(fā)表在國際頂刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。

(1)巧妙的“三明治”設計

韓金池團隊篩選出3種較為合適的方案，其中兩種為基于靜電效應的聲學薄膜和基于壓電技術的聲學薄膜。經(jīng)過建模和仿真、衡量加工難度后，最終壓電方案勝出。

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

薄膜在加電壓后要自由振動發(fā)聲，薄膜必須做成懸空的設計，使振動不受阻。但不讓它接觸任何物體表面，就無法做成墻紙貼在室內(nèi)墻壁上，也無法嵌入汽車內(nèi)飾，這大大限制了應用范圍。懸空的薄膜結構才是關鍵。韓金池用一個巧妙的“三明治”設計，解決了這些難題。

通過設計了一些懸空的微結構——許多像泡泡一樣的小圓頂，它們可以自由振動，并代替薄膜的整體振動來產(chǎn)生聲音。

小圓頂形成陣列結構

圖片來源：受訪者供圖

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

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空間，從而不影響圓頂振動，確保在各類應用場合下展現(xiàn)出優(yōu)異的性能；頂層則是為了保護脆弱的小圓頂在日常操作中免受磨損和沖擊，提高耐用性。

圖片來源：受訪者供圖

每個小圓頂高約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，但整個聲學薄膜依然很薄，厚約0.1毫米，相當于一張紙而已。

韓金池表示，將來還可以把這款薄膜揚聲器做得更薄?！拔覀兊暮诵乃枷胧且詫嵱没癁閷?，目的并不是要在性能上創(chuàng)紀錄，所以亮點并不在材料本身?！庇米畛Ｒ姷牟牧?、最低成本的加工手段，并保證優(yōu)異性能，才能讓這項技術走得更遠。

(2)低功耗、高性能、可降噪

韓金池團隊開發(fā)的薄膜揚聲器，其壓電材料上每個微小圓頂都是一個單獨的發(fā)聲單元，當數(shù)千個這樣的小圓頂形成陣列結構并一起振動，便可以產(chǎn)生聲音。

“整個過程靠電場驅(qū)動，沒有很大的電流，也就不會形成很明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，功耗比現(xiàn)有的揚聲器低很多?！表n金池表示。

值得一提的是，與現(xiàn)有的各類薄膜揚聲器相比，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，還能感應聲波。也就是說，這款聲學薄膜可以用作麥克風來記錄音頻，且具備高保真度。

聲學薄膜

圖片來源：受訪者供圖

其主動降噪的能力更是引起了關注?！拔磥泶竺娣e布置的薄膜揚聲器可以在嘈雜的環(huán)境（例如飛機座艙）中，通過產(chǎn)生相同幅度但相位相反的聲音來削弱噪聲，實現(xiàn)主動降噪?！表n金池說。

這項技術的優(yōu)勢還在于可調(diào)節(jié)性強，將來可面對不同的應用?！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構設計來替代圓頂，甚至做一些特定微結構的組合改善低頻的特性?！?/p>

接下來，他們會不斷嘗試、繼續(xù)改進，讓該技術未來能夠在空間主動降噪與沉浸式音頻、人機聲學接口、智能家居、柔性消費電子設備、超聲測距與成像、生物醫(yī)學工程等領域大顯身手。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩