近日，美國麻省理工學(xué)院電機電子工程與計算機科學(xué)系博士后韓金池團隊研發(fā)出一種新型多功能聲學(xué)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(xué)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(fēng)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(shè)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(yīng)的聲學(xué)薄膜和基于壓電技術(shù)的聲學(xué)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。”論文附上的演示視頻如此介紹這個新發(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(shè)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(yīng)用范圍。懸空的薄膜結(jié)構(gòu)才是關(guān)鍵。韓金池用一個巧妙的“三明治”設(shè)計，解決了這些難題。

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

小圓頂形成陣列結(jié)構(gòu)

圖片來源：受訪者供圖

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(yīng)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(xué)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。“我們的核心思想是以實用化為導(dǎo)向，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。”用最常見的材料、最低成本的加工手段，并保證優(yōu)異性能，才能讓這項技術(shù)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(jié)構(gòu)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。”韓金池表示。

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(yīng)聲波。也就是說，這款聲學(xué)薄膜可以用作麥克風(fēng)來記錄音頻，且具備高保真度。

聲學(xué)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(guān)注。“未來大面積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。”韓金池說。

這項技術(shù)的優(yōu)勢還在于可調(diào)節(jié)性強，將來可面對不同的應(yīng)用。“現(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)計來替代圓頂，甚至做一些特定微結(jié)構(gòu)的組合改善低頻的特性。”

接下來，他們會不斷嘗試、繼續(xù)改進，讓該技術(shù)未來能夠在空間主動降噪與沉浸式音頻、人機聲學(xué)接口、智能家居、柔性消費電子設(shè)備、超聲測距與成像、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