麻省理工學院的工程師開發了一種薄紙揚聲器，可以將任何表面變成有源音頻源。

這種薄膜揚聲器產生的聲音失真最小，而消耗的能量只是傳統揚聲器的一小部分。該團隊演示了一款人手大小的揚聲器，重量約為一角硬幣，無論薄膜粘在什麼表面上，都能產生高質量的聲音。

為了實現這些特性，研究人員開創了一種看似簡單的製造技術，該技術只需要三個基本步驟，並且可以按比例放大以製造足夠大的超薄揚聲器，以覆蓋汽車內部或為房間貼牆紙。

以這種方式使用，薄膜揚聲器可以通過產生相同幅度但相反相位的聲音，在喧囂的環境中（例如飛機駕駛艙）提供主動降噪；這兩個聲音相互抵消。這種靈活的設備也可用於沈浸式娛樂，也許可以通過在劇院或主題公園中提供三維音頻。而且由於它重量輕，需要少量的功率就能運行，因此該器件非常適合在電池壽命有限的智能設備上應用。

「拿起看起來像一張細長的紙，在上面貼上兩個夾子，將其插入計算機的耳機端口，然後開始聽到從中發出的聲音。它可以在任何地方使用。人們只需要很少的電力來運行它。」Vladimir Bulović說，他是新興技術領域的Fariborz Maseeh主席，有機和納米結構電子實驗室（ONE Lab）的負責人，麻省理工學院的主任，也是該論文的資深作者。

Bulović與主要作者Jinchi Han（ONE Lab博士後）和共同資深作者Jeffrey Lang（維特斯電氣工程教授）共同撰寫了這篇論文。該研究今天發表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。

新方法

在耳機或音頻系統中發現的典型揚聲器使用電流輸入，這些電流輸入通過線圈產生磁場，該磁場移動揚聲器膜，移動其上方的空氣，從而產生我們聽到的聲音。相比之下，新型揚聲器通過使用一種異形壓電材料的薄膜來簡化揚聲器設計，當施加電壓時，該薄膜會移動，從而將空氣移動到其上方並產生聲音。

大多數薄膜揚聲器設計為獨立式，因為薄膜必須自由彎曲才能產生聲音。將這些揚聲器安裝在表面上會阻礙振動並妨礙其產生聲音的能力。

為了克服這個問題，麻省理工學院的團隊重新考慮了薄膜揚聲器的設計。他們的設計不是讓整個材料振動，而是依賴於薄薄的壓電材料層上的微小圓頂，每個壓電材料單獨振動。這些圓頂，每個只有幾個頭髮寬度，被薄膜頂部和底部的間隔層包圍，保護它們免受安裝表面的影響，同時仍然使它們能夠自由振動。相同的墊片層可保護圓頂在日常操作過程中免受磨損和衝擊，從而增強揚聲器的耐用性。

為了製造揚聲器，研究人員使用激光將小孔切成一片薄薄的PET，這是一種輕質塑料。他們用一種非常薄的壓電材料（薄至8微米）層壓穿孔PET層的底面，稱為PVDF。然後，他們在粘合的薄片上施加真空，並在其下方施加80攝氏度的熱源。

由於PVDF層非常薄，真空和熱源產生的壓差導致其膨脹。PVDF不能強行穿過PET層，因此微小的圓頂在它們沒有被PET阻擋的區域突出。這些突起與PET層中的孔自對齊。然後，研究人員用另一層PET層壓PVDF的另一側，以充當圓頂和粘合表面之間的墊片。

「這是一個非常簡單、直接的過程。如果我們將來將這些揚聲器與卷對卷工藝集成，它將使我們能夠以高吞吐量的方式生產這些揚聲器。這意味著它可以大量製造，比如覆蓋牆壁、汽車或飛機內飾的牆紙。」Han說。

高質量、低功耗

圓頂的高度為15微米，大約是人類頭髮厚度的六分之一，它們在振動時只能上下移動約半微米。每個圓頂都是一個聲音生成單元，因此需要數千個這樣的小圓頂一起振動才能產生可聽見的聲音。

該團隊簡單製造過程的另一個好處是它的可調性 – 研究人員可以改變PET中孔的大小以控制圓頂的大小。半徑較大的圓頂會置換更多的空氣並產生更多的聲音，但較大的圓頂的共振頻率也較低。諧振頻率是器件工作效率最高的頻率，較低的諧振頻率會導致音頻失真。

一旦研究人員完善了製造技術，他們就測試了幾種不同的圓頂尺寸和壓電層厚度，以達到最佳組合。

他們通過將薄膜揚聲器安裝在距離麥克風30釐米的牆壁上來測試他們的薄膜揚聲器，以測量以分貝為單位記錄的聲壓級。當25伏特的電流以1千赫茲（每秒1000個週期的速率）通過設備時，揚聲器在66分貝的對話水平下產生高質量的聲音。在10千赫茲時，聲壓級增加到86分貝，與城市交通的音量水平大致相同。

這種節能設備每平方米的揚聲器面積只需要大約100毫瓦的功率。相比之下，普通的家用揚聲器可能會消耗超過1瓦的功率，以在相當的距離上產生類似的聲壓。

Han解釋說，由於微小的圓頂正在振動，而不是整個膠片，因此揚聲器具有足夠高的共振頻率，可以有效地用於成像等超聲應用。超聲成像使用非常高頻的聲波來產生圖像，而更高的頻率會產生更好的圖像分辨率。

Bulović說，該設備還可以使用超聲波來檢測人類在房間里站在哪裡，就像蝙蝠使用回聲定位一樣，然後塑造聲波以跟隨人移動。如果薄膜的振動圓頂覆蓋有反射表面，它們可用於為未來的顯示技術創建光的圖案。如果浸入液體中，振動膜可以提供一種攪拌化學品的新方法，使化學處理技術能夠比大批量處理方法使用更少的能量。

「我們有能力通過激活可擴展的物理表面來精確地產生空氣的機械運動。如何使用這項技術的選擇是無限的。」Bulović說。

信息源於：eurekalert