MITが家中に設置できる紙のように薄いスピーカーを開発

MITのエンジニアたちは、あらゆる表面を音源に変えることができる紙のように薄いスピーカーを開発した。

重さは10セント硬貨とほぼ同じで、どんな表面に貼り付けても高品質のサウンドを生み出します。

このフィルムスピーカーは、歪みを最小限に抑えたサウンドを生成し、従来のスピーカーよりもはるかに少ないエネルギーを使用します。

これらの特性を実現するために、研究者らは、わずか 3 つの基本ステップしか必要としない、一見単純な製造技術を開発しました。この技術を使うと、車内や部屋全体を覆うのに十分な大きさの超薄型スピーカーを作ることができます。

さらに、このフィルム スピーカーは、同じ振幅で逆位相の音を生成することにより、騒音環境 (飛行機のコックピットなど) でのアクティブ ノイズ低減を実現できます。この柔軟なデバイスは、劇場やテーマパークで3次元オーディオを提供するなど、没入型エンターテインメントにも使用できます。軽量で動作に必要な電力が非常に少ないため、バッテリー寿命が限られているスマート デバイス アプリケーションに最適です。

この研究結果は最近、IEEE Transactions of Industrial Electronics誌に掲載されました。

論文リンク: https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

「一見薄い紙を2つのクリップで留め、コンピューターのヘッドホンジャックに差し込むだけで、音が出るようになるのは素晴らしいことです。どこでも使えて、動作に必要な電力はほんのわずかです」と、MIT.nanoのディレクターで論文の著者でもあるウラジミール・ブロビ氏は言う。

このフィルムスピーカーはどのように作られているのでしょうか?

ヘッドフォンやオーディオ システムに搭載されているような一般的なスピーカーは、電流入力をコイルに通して磁場を発生させ、スピーカーの膜を動かしてその上の空気を動かし、私たちが聞く音を生成します。対照的に、MIT のエンジニアが設計した新しいスピーカーは、従来の設計を簡素化し、圧電材料の成形された薄膜を使用しています。電圧をかけると膜が動き、その上の空気を動かして音を発生させます。

ほとんどの膜スピーカーは、膜が音を出すために自由に曲がる必要があるため、自立型（サポートなし）として設計されています。これらのスピーカーを表面に取り付けると、振動が妨げられ、音を出す能力が低下します。

この問題を克服するために、MIT チームは膜スピーカーの設計を再考しました。彼らの解決策は、素材全体を振動させるのではなく、圧電素材の薄い層にある小さなドームの振動によって音を発生させ、それぞれの小さなドームが個別に振動するというものです。わずか数本の髪の毛ほどの幅しかないドームは、膜の上部と下部にあるスペーサー層に囲まれており、取り付け面から保護しながらも自由に振動することができます。日常的な操作では、同じスペーサー層がドームを摩耗や衝撃から保護し、スピーカーの耐久性を高めます。

スピーカーを作るために、研究者たちはレーザーを使って軽量プラスチックであるPETのシートに小さな穴を開けた。彼らは、穴のあいた PET 層の下側に、PVDF と呼ばれる圧電材料の非常に薄い (8 マイクロメートル) フィルムを取り付けました。次に、接着したシートの上に真空を作り、シートの下に摂氏80度の熱源を当てました。

PVDF 層は非常に薄いため、真空と熱源によって生じる圧力差によって PVDF 層が膨張します。 PVDF は PET 層を通り抜けることができないため、PET によってブロックされない部分には小さなドーム型の突起があります。これらの突起は、PET 層の穴と自動的に位置合わせされます。次に研究者らは、ドームと接合面の間のスペーサーとして機能する別の PET 層を PVDF の反対側に積層しました。

「これは非常に単純でわかりやすいプロセスだ。これをロール・ツー・ロール方式と組み合わせれば、こうしたスピーカーを大量生産し、壁紙と同じように壁や車内、飛行機内に貼り付けることができる」と論文の筆頭著者であるジンチ・ハン氏は述べた。

高品質、低消費電力

メンブレンスピーカーの小さなドームの高さは15マイクロメートルで、人間の髪の毛の太さの約6分の1であり、振動すると約0.5マイクロメートルしか上下に動きません。各ドームは独立した音生成ユニットであるため、可聴音を生成するには、何千ものこれらの小さなドームが一緒に振動する必要があります。

シンプルな製造プロセスのもう一つの利点は、高度に調整可能であることです。研究者は PET の穴のサイズを変更してドームのサイズを制御できます。ドームの半径が大きいほど、より多くの空気が振動し、より大きな音が生成されますが、ドームが大きいほど共振周波数も低くなり、音声の歪みが生じる可能性があります。

研究者たちは製造技術を完成させた後、いくつかの異なるドームのサイズと圧電層の厚さをテストし、最適な組み合わせを見つけました。

彼らは膜スピーカーをマイクから30センチ離れた壁に取り付け、音圧レベル（デシベルで測定）を測定した。 1キロヘルツの周波数で25ボルトをデバイスに流すと、スピーカーは66デシベルの高品質の音を生成しました。 10 kHz では、音圧レベルは 86 dB まで増加し、市街地の交通量と同程度になります。

このエネルギー効率の高いデバイスは、スピーカー面積1平方メートルあたり約100ミリワットの電力しか必要としません。これに対し、一般的な家庭用スピーカーが同様の距離で同様の音圧を出すために消費する電力は1ワット以上です。

ハン氏は、膜全体ではなく小さなドーム部分が振動するため、このスピーカーは画像撮影などの超音波アプリケーションに効果的なほど高い共振周波数を持っていると説明する。超音波画像診断では、極めて高周波の音波を使用して画像を生成します。周波数が高くなるほど、解像度の高い画像が生成されます。

ブロビッチ氏は、この装置はコウモリがエコーロケーションを使うのと同じように超音波を使って室内で人が立っている場所を検出し、その人の動きを追う音波を発生させることもできると語る。フィルムの振動ドーム部分が反射面で覆われていれば、将来のディスプレイ技術の発光パターンを決定するために使用できる可能性がある。振動膜を液体に浸すと、化学物質を撹拌する新しい方法が提供され、バルク処理方法よりも少ないエネルギーで化学処理技術を使用できるようになります。

「伸縮性のある物理的表面を活性化することで、空気の機械的な動きを正確に生成する能力があります。この技術の可能性は無限です」とブロヴィッチ氏は語った。