Créditos: Imagem: Felice Frankel
O dispositivo de filme fino flexível tem o potencial de transformar qualquer superfície em uma fonte de áudio de baixa potência e alta qualidade.
Os engenheiros do MIT desenvolveram um alto-falante fino como papel que pode transformar qualquer superfície em uma fonte de áudio ativa.
Este alto-falante de filme fino produz som com distorção mínima enquanto usa uma fração da energia necessária para um alto-falante tradicional. O alto-falante do tamanho de uma mão que a equipe demonstrou, que pesa cerca de uma moeda de dez centavos, pode gerar som de alta qualidade, independentemente da superfície à qual o filme está colado.
Para alcançar essas propriedades, os pesquisadores foram pioneiros em uma técnica de fabricação enganosamente simples, que requer apenas três etapas básicas e pode ser ampliada para produzir alto-falantes ultrafinos grandes o suficiente para cobrir o interior de um automóvel ou para colocar papel de parede em uma sala.
Usado dessa forma, o alto-falante de filme fino pode fornecer cancelamento de ruído ativo em ambientes barulhentos, como um cockpit de avião, gerando som de mesma amplitude, mas de fase oposta; os dois sons se cancelam. O dispositivo flexível também pode ser usado para entretenimento imersivo, talvez fornecendo áudio tridimensional em um teatro ou passeio de parque temático. E porque é leve e requer uma quantidade tão pequena de energia para operar, o dispositivo é adequado para aplicações em dispositivos inteligentes onde a duração da bateria é limitada.
“É incrível pegar o que parece ser uma folha de papel fina, anexar dois clipes a ela, conectá-la à porta de fone de ouvido do seu computador e começar a ouvir os sons que emanam dela. Pode ser usado em qualquer lugar. Basta um pouquinho de energia elétrica para funcionar”, diz Vladimir Bulovic, presidente da Fariborz Maseeh em Tecnologia Emergente, líder do Laboratório de Eletrônica Orgânica e Nanoestruturada (ONE Lab), diretor do MIT.nano e autor sênior do artigo. .
Bulovic escreveu o artigo com o autor principal Jinchi Han, um pós-doc no ONE Lab, e o coautor sênior Jeffrey Lang, professor de engenharia elétrica da Vitesse. A pesquisa foi publicada hoje no IEEE Transactions of Industrial Electronics.
Uma nova abordagem
Um alto-falante típico encontrado em fones de ouvido ou em um sistema de áudio usa entradas de corrente elétrica que passam por uma bobina de fio que gera um campo magnético, que move uma membrana de alto-falante, que move o ar acima dela, que produz o som que ouvimos. Por outro lado, o novo alto-falante simplifica o design do alto-falante usando um filme fino de um material piezoelétrico moldado que se move quando a tensão é aplicada sobre ele, o que move o ar acima dele e gera som.
A maioria dos alto-falantes de filme fino são projetados para serem independentes porque o filme deve se dobrar livremente para produzir som. A montagem desses alto-falantes em uma superfície impediria a vibração e prejudicaria sua capacidade de gerar som.
Para superar esse problema, a equipe do MIT repensou o projeto de um alto-falante de filme fino. Em vez de fazer todo o material vibrar, seu design se baseia em pequenas cúpulas em uma fina camada de material piezoelétrico, cada uma vibrando individualmente. Essas cúpulas, cada uma com apenas algumas larguras de cabelo, são cercadas por camadas espaçadoras na parte superior e inferior do filme que as protegem da superfície de montagem enquanto ainda permitem que elas vibrem livremente. As mesmas camadas espaçadoras protegem as cúpulas contra abrasão e impacto durante o manuseio diário, aumentando a durabilidade do alto-falante.
Para construir o alto-falante, os pesquisadores usaram um laser para fazer pequenos furos em uma fina folha de PET, que é um tipo de plástico leve. Eles laminaram a parte inferior dessa camada de PET perfurada com um filme muito fino (tão fino quanto 8 mícrons) de material piezoelétrico, chamado PVDF. Em seguida, aplicaram vácuo acima das chapas coladas e uma fonte de calor, a 80 graus Celsius, embaixo delas.
Como a camada de PVDF é tão fina, a diferença de pressão criada pelo vácuo e pela fonte de calor fez com que ela inchasse. O PVDF não pode forçar seu caminho através da camada de PET, então pequenas cúpulas se projetam em áreas onde não são bloqueadas pelo PET. Essas saliências se alinham automaticamente com os orifícios da camada de PET. Os pesquisadores então laminam o outro lado do PVDF com outra camada de PET para atuar como um espaçador entre as cúpulas e a superfície de ligação.
“É um processo muito simples e direto. Isso nos permitiria produzir esses alto-falantes de forma de alto rendimento se integrá-lo com um processo roll-to-roll no futuro. Isso significa que pode ser fabricado em grandes quantidades, como papel de parede para cobrir paredes, carros ou interiores de aeronaves”, diz Han.
Alta qualidade, baixa potência
As cúpulas têm 15 mícrons de altura, cerca de um sexto da espessura de um fio de cabelo humano, e só se movem para cima e para baixo cerca de meio mícron quando vibram. Cada cúpula é uma única unidade de geração de som, então são necessárias milhares dessas minúsculas cúpulas vibrando juntas para produzir um som audível.
Um benefício adicional do processo de fabricação simples da equipe é sua capacidade de ajuste – os pesquisadores podem alterar o tamanho dos orifícios no PET para controlar o tamanho das cúpulas. Cúpulas com um raio maior deslocam mais ar e produzem mais som, mas cúpulas maiores também têm menor frequência de ressonância. A frequência de ressonância é a frequência na qual o dispositivo opera com mais eficiência, e a frequência de ressonância mais baixa leva à distorção do áudio.
Depois que os pesquisadores aperfeiçoaram a técnica de fabricação, eles testaram vários tamanhos de cúpulas e espessuras de camada piezoelétricas diferentes para chegar a uma combinação ideal.
Eles testaram seu alto-falante de filme fino montando-o em uma parede a 30 centímetros de um microfone para medir o nível de pressão sonora, registrado em decibéis. Quando 25 volts de eletricidade passaram pelo dispositivo a 1 kilohertz (uma taxa de 1.000 ciclos por segundo), o alto-falante produziu um som de alta qualidade em níveis de conversação de 66 decibéis. A 10 kilohertz, o nível de pressão sonora aumentou para 86 decibéis, aproximadamente o mesmo nível de volume do tráfego da cidade.
O dispositivo energeticamente eficiente requer apenas cerca de 100 miliwatts de potência por metro quadrado de área de alto-falante. Por outro lado, um alto-falante doméstico médio pode consumir mais de 1 watt de energia para gerar pressão sonora semelhante a uma distância comparável.
Como as pequenas cúpulas estão vibrando, em vez de todo o filme, o alto-falante tem uma frequência de ressonância alta o suficiente para que possa ser usado efetivamente para aplicações de ultrassom, como imagens, explica Han. A imagem por ultrassom usa ondas sonoras de frequência muito alta para produzir imagens, e frequências mais altas produzem melhor resolução de imagem.
O dispositivo também pode usar ultrassom para detectar onde um humano está em uma sala, assim como os morcegos fazem usando a ecolocalização, e então moldar as ondas sonoras para seguir a pessoa enquanto ela se move, diz Bulovic. Se as cúpulas vibratórias do filme fino forem cobertas com uma superfície refletiva, elas poderão ser usadas para criar padrões de luz para futuras tecnologias de exibição. Se imersas em um líquido, as membranas vibratórias podem fornecer um novo método de agitação de produtos químicos, permitindo técnicas de processamento químico que podem usar menos energia do que os métodos de processamento em grandes lotes.
“Temos a capacidade de gerar precisamente o movimento mecânico do ar ativando uma superfície física que é escalável. As opções de como usar essa tecnologia são ilimitadas”, diz Bulovic.
“Acho que essa é uma abordagem muito criativa para fazer essa classe de alto-falantes ultrafinos”, diz Ioannis (John) Kymissis, professor de engenharia elétrica Kenneth Brayer e presidente do departamento de engenharia elétrica da Universidade de Columbia, que não esteve envolvido com essa pesquisa. “A estratégia de domar a pilha de filmes usando modelos fotolitograficamente padronizados é bastante única e provavelmente levará a uma série de novas aplicações em alto-falantes e microfones.”
Este trabalho é financiado, em parte, pela bolsa de pesquisa da Ford Motor Company e um presente da Lendlease, Inc.
Publicado em 30/04/2022 19h46
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