So dünn wie Papier! MIT-Wissenschaftler entwickeln neue hochwertige Lautsprecher mit einfallsreichen Anwendungen

Ingenieure am MIT haben einen neuen Typ ultradünner Lautsprecher entwickelt, ein flexibles Dünnschichtgerät, das potenziell jede Oberfläche in eine stromsparende, hochwertige Audioquelle verwandeln könnte.

Dieser Dünnschichtlautsprecher benötigt nur einen Bruchteil der Energie herkömmlicher Lautsprecher, kann aber hochwertigen Klang mit minimaler Verzerrung erzeugen. Das Forschungsteam stellte einen handflächengroßen Lautsprecher vor, der nur 10 Cent wiegt und unabhängig von der Oberfläche, auf die die Folie geklebt wird, hochwertigen Klang erzeugen kann.

Um diese Eigenschaften zu erreichen, entwickelten die Forscher außerdem eine täuschend einfache Herstellungstechnik, die sich auf den Maßstab hochskalieren ließ, um ultradünne Lautsprecher herzustellen, die groß genug waren, um den Innenraum eines Autos oder die Tapete eines Raumes abzudecken. Auf diese Weise können Filmlautsprecher in lauten Umgebungen wie einem Flugzeugcockpit für eine aktive Geräuschunterdrückung sorgen (d. h., sie sorgen dafür, dass sich zwei Geräusche gegenseitig aufheben), indem sie Geräusche mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase erzeugen.

Die neuen Geräte könnten auch für immersive Unterhaltung eingesetzt werden, etwa zur Bereitstellung von 3D-Audio in Kinos oder auf Fahrgeschäften in Themenparks. Und da es leicht ist und nur sehr wenig Strom benötigt, eignet sich das Gerät perfekt für Smartgeräte mit begrenzter Akkulaufzeit.

„Es ist erstaunlich, dass es wie ein dünnes Stück Papier aussieht. Man klebt zwei Büroklammern daran, steckt es in den Kopfhöreranschluss des Computers und schon hört man Geräusche. Es kann überall eingesetzt werden und benötigt nur eine einzige Stromquelle für den Betrieb“, sagt Vladimir Bolović, Direktor von MIT.nano und Leiter des Labors für organische und nanostrukturierte Elektronik (ONE Lab), der korrespondierende Autor der Studie.

Bulović ist Co-Autor des Artikels zusammen mit dem Erstautor Jinchi Han, einem Postdoc des ONE Lab, und Jeffrey Lang, einem Professor für Elektrotechnik. Die Forschungsergebnisse wurden in IEEE Transactions of Industrial Electronics veröffentlicht.

Neue ultradünne Lautsprecher

Wir alle wissen, dass herkömmliche Lautsprecher in Kopfhörern oder Audiosystemen Stromeingänge verwenden. Wenn der sich ständig ändernde Eingangsstrom durch eine Spule fließt, die ein Magnetfeld erzeugen kann, wird die Lautsprechermembran in Schwingung versetzt, was wiederum die darüber liegende Luft zum Schwingen bringt und so den Ton erzeugt, den wir hören.

Das neue Gerät hingegen vereinfacht das Lautsprecherdesign durch die Verwendung eines dünnen Films aus piezoelektrischem Material, der sich bewegt, wenn Spannung angelegt wird, wodurch die darüber liegende Luft vibriert und Schall erzeugt.

Da Membranlautsprecher freistehend konzipiert sind, muss sich das Membranmaterial frei biegen können, um Ton zu erzeugen. Die Montage dieser Lautsprecher auf Oberflächen kann jedoch Vibrationen verhindern und ihre Fähigkeit zur Tonwiedergabe beeinträchtigen.

Um dieses Problem zu lösen, überdachte das MIT-Team das Design von Membranlautsprechern. Anstatt das gesamte Material zum Vibrieren zu bringen, basiert ihr Design auf winzigen Kuppeln auf einer dünnen Schicht aus piezoelektrischem Material, wodurch jede Kuppel einzeln vibrieren kann.

(Quelle: MIT)

Diese kleinen, nur wenige Haare breiten Kuppeln sind auf der Ober- und Unterseite der Membran von Abstandsschichten umgeben, die sie vor der Montagefläche schützen, ihnen aber dennoch freie Schwingung ermöglichen. Dieselbe Abstandsschicht schützt die Kalotte vor Abnutzung und Stößen im täglichen Betrieb und erhöht so die Lebensdauer des Lautsprechers.

Auch der Herstellungsprozess sieht sehr einfach aus. Zunächst schnitten die Forscher mit einem Laser winzige Löcher in eine dünne Platte aus PET, einem leichten Kunststoff. Eine sehr dünne Schicht eines piezoelektrischen Materials (nur 8 Mikrometer) namens PVDF wurde auf die Unterseite des perforierten PET laminiert. Anschließend legten sie ein Vakuum über die verbundenen Blätter und eine 80 Grad Celsius heiße Wärmequelle darunter.

Da die PVDF-Schicht so dünn ist, dehnt sie sich aufgrund des durch das Vakuum und die Wärmequelle erzeugten Druckunterschieds aus. Allerdings kann sich PVDF nicht durch die PET-Schicht zwängen, sodass die winzigen Kuppeln in Bereichen hervorstehen, die nicht durch PET blockiert sind. Diese Vorsprünge sind auf die Löcher in der PET-Schicht ausgerichtet. Anschließend laminierten die Forscher die andere Seite des PVDF mit einer weiteren PET-Schicht, die als Abstandshalter zwischen den Kuppeln und der Klebefläche dient.

„Es ist ein sehr einfacher, unkomplizierter Prozess. Wenn wir ihn künftig in ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren integrieren, können wir diese Lautsprecher im Hochdurchsatz produzieren. Das bedeutet, dass sie in großen Mengen hergestellt werden können, genau wie Tapeten eine Wand, den Innenraum eines Autos oder eines Flugzeugs bedecken können“, sagte Han.

Hohe Qualität, geringer Stromverbrauch, unbegrenztes Anwendungspotenzial

Jede Kuppel ist eine separate klangerzeugende Einheit. Da die Kuppel 15 Mikrometer hoch ist, also etwa ein Sechstel der Dicke eines menschlichen Haares, und sich bei Vibrationen nur etwa einen halben Mikrometer auf und ab bewegen kann, sind Tausende dieser kleinen Kuppeln, die gemeinsam vibrieren, nötig, um hörbaren Ton zu erzeugen.

Ein weiterer Vorteil der Herstellung des ultradünnen Tonerzeugungsgeräts ist seine Abstimmbarkeit, da die Forscher die Größe der Löcher im PET variieren können, um die Größe der Kuppel zu steuern. Eine Kuppel mit größerem Radius drückt mehr Luft und erzeugt einen lauteren Ton, aber eine größere Kuppel hat auch eine niedrigere Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei der das Gerät am effizientesten arbeitet. Niedrigere Resonanzfrequenzen führen zu Audioverzerrungen.

(Quelle: MIT)

Nach vielen Tests fanden die Forscher die beste Kombination aus verschiedenen Kuppelgrößen und piezoelektrischen Schichtdicken. Anschließend testeten sie ihre Membranlautsprecher, indem sie sie 30 Zentimeter vom Mikrofon entfernt an einer Wand montierten.

Wenn 25 Volt Strom bei 1 Kilohertz (1.000 Zyklen pro Sekunde) durch das Gerät fließen, erzeugt der Lautsprecher einen hochwertigen Ton mit 66 Dezibel in Gesprächslautstärke. Bei 10 kHz steigt der Schalldruckpegel auf 86 dB, was etwa der Lautstärke des Stadtverkehrs entspricht.

Das energieeffiziente Lautsprechergerät benötigt nur etwa 100 Milliwatt Leistung pro Quadratmeter Fläche. Zum Vergleich: Ein typischer Heimlautsprecher verbraucht möglicherweise über 1 Watt Leistung, um in vergleichbarer Entfernung einen ähnlichen Schalldruck zu erzeugen.

Die Forscher erklären, dass der Lautsprecher eine ausreichend hohe Resonanzfrequenz aufweist, sodass er auch bei Ultraschallanwendungen, wie etwa der Ultraschallbildgebung, effektiv eingesetzt werden könnte, weil nur die winzige Kuppel des Geräts und nicht die gesamte Membran vibriert. Bei der Ultraschallbildgebung werden zur Bilderzeugung Schallwellen mit sehr hoher Frequenz verwendet, und höhere Frequenzen führen zu einer besseren Bildauflösung.

Beispielsweise könnte das Gerät mithilfe von Ultraschall feststellen, wo sich eine Person in einem Raum befindet, und diesen Standort verfolgen, ähnlich wie Fledermäuse die Echoortung nutzen. Wenn die vibrierenden Kuppeln des Films mit einer reflektierenden Oberfläche bedeckt sind, könnten sie zum Erstellen von Lichtmustern für zukünftige Bildgebungstechnologien verwendet werden. Wird die vibrierende Membran in eine Flüssigkeit eingetaucht, könnte sie auch eine neue Möglichkeit bieten, Chemikalien zu bewegen, und so chemische Verarbeitungsverfahren ermöglichen, die weniger Energie verbrauchen als Massenverarbeitungsmethoden.

„Wir sind in der Lage, durch die Aktivierung einer physischen, ausdehnbaren Oberfläche eine mechanische Luftbewegung präzise zu erzeugen. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind endlos“, sagte Bulović.

Quellen:

https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426

https://ieeexplore.ieee.org/document/9714188

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