Les nouveaux haut-parleurs ultra-fins du MIT peuvent couvrir n’importe quelle surface pour transformer votre pièce en salle de concert

Les ingénieurs du MIT ont développé un haut-parleur fin comme du papier qui peut transformer n’importe quelle surface en une source audio active.

Ce haut-parleur à couche mince produit un son avec une distorsion minimale tout en utilisant une fraction de la puissance requise par un haut-parleur traditionnel. Le haut-parleur de la taille d’une main dont l’équipe a fait la démonstration, qui pèse presque un centime, peut générer un son de haute qualité, quelle que soit la surface à laquelle le film est fixé.

Pour obtenir ces propriétés, les chercheurs ont mis au point une technique de fabrication d’une simplicité trompeuse, qui ne nécessite que trois étapes de base et peut être mise à l’échelle pour produire des haut-parleurs ultra-minces suffisamment grands pour couvrir l’intérieur d’une voiture ou tapisser une pièce.

Utilisé de cette manière, le haut-parleur à couche mince pourrait fournir une annulation active du bruit dans des environnements bruyants, comme une cabine d’avion, en générant un son d’amplitude égale mais de phase opposée ; les deux sons s’annulent.

Le dispositif flexible pourrait également être utilisé pour un divertissement immersif, fournissant peut-être un son tridimensionnel dans un théâtre ou un parc à thème. Et parce qu’il est léger et nécessite une si petite quantité d’énergie pour fonctionner, l’appareil est idéal pour les applications d’appareils intelligents où la durée de vie de la batterie est limitée.

« C’est extraordinaire de prendre ce qui ressemble à une fine feuille de papier, d’y attacher deux trombones, de le brancher sur le port casque de votre ordinateur et de commencer à écouter les sons qui en émanent. Peut être utilisé n’importe où. Vous avez juste besoin d’une pincée d’électricité pour le faire fonctionner », déclare Vladimir Bulović, titulaire de la chaire Fariborz Maseeh en technologies émergentes et auteur principal de l’article, qui l’a écrit avec Jinchi Han, postdoctorant à ONE Lab, et co-auteur principal Jeffrey. Lang. , le professeur Vitesse de génie électrique.

Une nouvelle approche

Felice Frankel, MIT

Un haut-parleur typique trouvé dans un casque ou un système audio utilise des entrées de courant électrique qui traversent une bobine de fil qui génère un champ magnétique, qui déplace la membrane du haut-parleur, qui déplace l’air dessus, ce qui produit le son que nous entendons. Au lieu de cela, le nouveau haut-parleur simplifie la conception des haut-parleurs en utilisant un film mince d’un matériau piézoélectrique en forme qui se déplace lorsqu’une tension lui est appliquée, déplaçant l’air dessus et générant du son.

La plupart des haut-parleurs à couche mince sont conçus pour être autonomes car le film doit se plier librement pour produire du son. Le montage de ces haut-parleurs sur une surface empêcherait les vibrations et entraverait leur capacité à générer du son.

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Pour surmonter ce problème, l’équipe du MIT a repensé la conception d’un haut-parleur à couche mince. Au lieu que tout le matériau vibre, leur conception repose sur de minuscules dômes au-dessus d’une fine couche de matériau piézoélectrique qui vibre individuellement. Ces dômes, chacun d’une largeur de quelques cheveux seulement, sont entourés de couches d’espacement en haut et en bas du film qui les protègent de la surface de montage et leur permettent de vibrer librement. Les mêmes couches d’espacement protègent les dômes de l’abrasion et des chocs lors de la manipulation quotidienne, améliorant ainsi la durabilité de l’enceinte.

Pour construire le haut-parleur, les chercheurs ont utilisé un laser pour découper de minuscules trous dans une fine feuille de PET, qui est un type de plastique léger. Ils ont stratifié le fond de cette couche de PET perforée avec un film très fin (aussi fin que 8 microns) de matériau piézoélectrique, appelé PVDF. Ils ont ensuite appliqué un vide sur les feuilles jointes et une source de chaleur, à 80 degrés Celsius, sous elles.

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Parce que la couche de PVDF est si mince, la différence de pression créée par le vide et la source de chaleur l’a fait gonfler. Le PVDF ne peut pas se frayer un chemin à travers la couche de PET, de sorte que de petits dômes dépassent dans les zones où ils ne sont pas bloqués par le PET. Ces bosses s’alignent automatiquement avec les trous de la couche de PET. Les chercheurs stratifient ensuite l’autre face du PVDF avec une autre couche de PET pour servir d’espaceur entre les dômes et la surface de collage.

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« Il s’agit d’un processus très simple et direct. Cela nous permettrait de produire ces haut-parleurs avec des performances élevées si nous les intégrons à un processus continu à l’avenir. Cela signifie qu’il pourrait être fabriqué en grande quantité, comme du papier peint pour recouvrir des murs, des voitures ou des intérieurs d’avion », explique Han.

Haute qualité, faible consommation

Les dômes mesurent 15 microns de haut, environ un sixième de l’épaisseur d’un cheveu humain, et ne se déplacent de haut en bas que d’environ un demi-micron lorsqu’ils sont vibrés. Chaque dôme est une seule unité génératrice de sons, il faut donc que des milliers de ces minuscules dômes vibrent ensemble pour produire un son audible.

Un avantage supplémentaire du processus de fabrication simple du kit est sa possibilité de réglage : les chercheurs peuvent modifier la taille des trous dans le PET pour contrôler la taille des dômes. Les dômes avec un rayon plus grand déplacent plus d’air et produisent plus de son, mais les dômes plus grands ont également une fréquence de résonance plus faible. La fréquence de résonance est la fréquence à laquelle l’appareil fonctionne le plus efficacement, et une fréquence de résonance inférieure entraîne une distorsion audio.

Une fois que les chercheurs ont perfectionné la technique de fabrication, ils ont testé plusieurs tailles de dôme et épaisseurs de couche piézoélectrique différentes pour arriver à une combinaison optimale.

Ils ont testé leur haut-parleur à couche mince en le montant sur un mur à 12 pouces d’un microphone pour mesurer le niveau de pression acoustique, enregistré en décibels. Lorsque 25 volts d’électricité traversaient l’appareil à 1 kilohertz (un taux de 1 000 cycles par seconde), le haut-parleur produisait un son de haute qualité à des niveaux de conversation de 66 décibels. À 10 kilohertz, le niveau de pression acoustique est passé à 86 décibels, soit à peu près le même niveau de volume que le trafic urbain.

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L’appareil économe en énergie ne nécessite qu’environ 100 milliwatts de puissance par mètre carré de surface de haut-parleur. En revanche, un haut-parleur domestique moyen pourrait consommer plus de 1 watt de puissance pour générer une pression sonore similaire à une distance comparable.

Parce que les minuscules dômes vibrent, plutôt que le film entier, le haut-parleur a une fréquence de résonance suffisamment élevée pour qu’il puisse être utilisé efficacement pour des applications à ultrasons telles que l’imagerie, explique Han. L’imagerie par ultrasons utilise des ondes sonores à très haute fréquence pour produire des images, avec des fréquences plus élevées produisant une meilleure résolution d’image.

L’appareil pourrait également utiliser des ultrasons pour détecter où se trouve un humain dans une pièce, un peu comme les chauves-souris utilisent l’écholocation, puis façonner les ondes sonores pour suivre la personne pendant qu’elle se déplace, explique Bulović. Si les dômes vibrants du film mince sont recouverts d’une surface réfléchissante, ils pourraient être utilisés pour créer des motifs lumineux pour les futures technologies d’affichage. Si elles sont immergées dans un liquide, les membranes vibrantes pourraient fournir une nouvelle méthode d’élimination des produits chimiques, permettant des techniques de traitement chimique qui peuvent utiliser moins d’énergie que les méthodes de traitement par lots importants.

« Nous avons la capacité de générer avec précision le mouvement mécanique de l’air en activant une surface physique évolutive. Les options d’utilisation de cette technologie sont illimitées », déclare Bulović.

La recherche est publiée dans Transactions électroniques industrielles IEEE.

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