Des ingénieurs du MIT ont mis au point un haut-parleur mince 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 l'énergie requise par un haut-parleur traditionnel. Le haut-parleur de la taille d'une main dont l'équipe a fait la démonstration, qui pèse à peu près le poids d'une pièce de dix cents, peut générer un son de haute qualité, quelle que soit la surface sur laquelle le film est collé.
Pour obtenir ces propriétés, les chercheurs ont mis au point une technique de fabrication d'une simplicité déconcertante, qui ne nécessite que trois étapes de base et peut être mise à l'échelle pour produire des haut-parleurs ultrafins suffisamment grands pour recouvrir l'intérieur d'une automobile ou tapisser une pièce.
Utilisé de cette manière, le haut-parleur à couche mince pourrait permettre une annulation active du bruit dans les environnements bruyants, comme le cockpit d'un avion, en générant un son de même amplitude mais de phase opposée ; les deux sons s'annulent mutuellement. Ce dispositif flexible pourrait également être utilisé pour des divertissements immersifs, par exemple en fournissant un son tridimensionnel dans un théâtre ou un parc d'attractions. Et parce qu'il est léger et ne nécessite qu'une faible quantité d'énergie pour fonctionner, le dispositif est bien adapté aux applications sur les appareils intelligents où l'autonomie de la batterie est limitée.
"C'est remarquable de prendre ce qui ressemble à une mince feuille de papier, d'y attacher deux pinces, de la brancher sur le port casque de votre ordinateur et de commencer à entendre les sons qui en émanent. Il peut être utilisé n'importe où. Il suffit d'une petite quantité d'énergie électrique pour le faire fonctionner", explique Vladimir Bulović, titulaire de la chaire Fariborz Maseeh sur les technologies émergentes, directeur du Laboratoire d'électronique organique et nanostructurée (ONE Lab), directeur de MIT.nano et auteur principal de l'article.
M. Bulović a rédigé l'article avec l'auteur principal, Jinchi Han, un post-doc du ONE Lab, et le coauteur principal, Jeffrey Lang, le professeur Vitesse d'ingénierie électrique. La recherche est publiée aujourd'hui dans IEEE Transactions of Industrial Electronics.
Une nouvelle approche
Un haut-parleur typique que l'on trouve dans un casque ou un système audio utilise des entrées de courant électrique qui passent par une bobine de fil qui génère un champ magnétique, qui déplace une membrane de haut-parleur, qui déplace l'air au-dessus d'elle, qui produit le son que nous entendons. En revanche, le nouveau haut-parleur simplifie la conception du haut-parleur en utilisant un film mince d'un matériau piézoélectrique façonné qui se déplace lorsqu'une tension est appliquée sur lui, ce qui déplace l'air au-dessus de lui et produit le son.
La plupart des haut-parleurs à couche mince sont conçus pour être autoportants, car le film doit se plier librement pour produire un son. Fixer ces haut-parleurs sur une surface empêcherait la vibration et entraverait leur capacité à générer du son.
Pour surmonter ce problème, l'équipe du MIT a repensé la conception d'un haut-parleur à couche mince. Plutôt que de faire vibrer l'ensemble du matériau, leur conception repose sur de minuscules dômes sur une fine couche de matériau piézoélectrique qui vibrent individuellement. Ces dômes, qui ne font chacun que la largeur d'un cheveu, sont entourés de couches d'espacement sur le dessus et le dessous du film qui les protègent de la surface de montage tout en leur permettant de vibrer librement. Ces mêmes couches d'espacement protègent les dômes de l'abrasion et des chocs lors des manipulations quotidiennes, ce qui renforce la durabilité du haut-parleur.
Pour construire le haut-parleur, les chercheurs ont utilisé un laser pour découper de minuscules trous dans une fine feuille de PET, un type de plastique léger. Ils ont stratifié la face inférieure de cette couche de PET perforée avec un film très fin (8 microns) de matériau piézoélectrique, appelé PVDF. Ils ont ensuite appliqué un vide au-dessus des feuilles collées et une source de chaleur, à 80 degrés Celsius, en dessous.
La couche de PVDF étant très fine, 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, si bien que de minuscules dômes dépassent dans les zones où ils ne sont pas bloqués par le PET. Ces protubérances 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.
"Il s'agit d'un processus très simple et direct. Il nous permettrait de produire ces haut-parleurs à haut débit si nous l'intégrions à l'avenir à un processus de laminage. Cela signifie qu'ils pourraient être fabriqués en grandes quantités, comme du papier peint pour recouvrir les murs, les voitures ou l'intérieur des avions", explique M. Han.
Haute qualité, faible consommation Les dômes ont une hauteur de 15 microns, soit environ un sixième de l'épaisseur d'un cheveu humain, et ils ne se déplacent vers le haut et vers le bas que d'environ un demi-micron lorsqu'ils vibrent. Chaque dôme constitue une seule unité de production de son, de sorte qu'il faut des milliers de ces minuscules dômes vibrant ensemble pour produire un son audible.
La simplicité du processus de fabrication de l'équipe présente un avantage supplémentaire : les chercheurs peuvent modifier la taille des trous dans le PET pour contrôler la taille des dômes. Les dômes ayant un plus grand rayon déplacent plus d'air et produisent plus de son, mais les dômes plus grands ont également une fréquence de résonance plus basse. La fréquence de résonance est la fréquence à laquelle le dispositif fonctionne le plus efficacement, et une fréquence de résonance plus basse entraîne une distorsion du son.
Une fois que les chercheurs ont perfectionné la technique de fabrication, ils ont testé plusieurs tailles de dômes et épaisseurs de couches piézoélectriques différentes pour parvenir à une combinaison optimale.
Ils ont testé leur haut-parleur à couche mince en le fixant sur un mur à 30 centimètres d'un microphone pour mesurer le niveau de pression acoustique, enregistré en décibels. Lorsque l'appareil était alimenté par 25 volts d'électricité à 1 kilohertz (1 000 cycles par seconde), le haut-parleur produisait un son de haute qualité à un niveau conversationnel de 66 décibels. À 10 kilohertz, le niveau de pression acoustique passait à 86 décibels, soit à peu près le même niveau sonore que la circulation urbaine.
Ce dispositif économe en énergie ne nécessite qu'une puissance d'environ 100 milliwatts par mètre carré de surface d'enceinte. En revanche, un haut-parleur domestique moyen peut consommer plus d'un watt pour générer une pression sonore similaire à une distance comparable.
Étant donné que ce sont les minuscules dômes qui vibrent, et non l'ensemble du film, le haut-parleur a une fréquence de résonance suffisamment élevée pour pouvoir être utilisé efficacement pour des applications à ultrasons, comme l'imagerie, explique Han. L'imagerie par ultrasons utilise des ondes sonores de très haute fréquence pour produire des images, et des fréquences plus élevées donnent une meilleure résolution d'image.
Le dispositif pourrait également utiliser les ultrasons pour détecter l'endroit où se tient un être humain dans une pièce, tout comme les chauves-souris utilisent l'écholocation, puis façonner les ondes sonores pour suivre la personne dans ses déplacements, explique M. 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'agitation des produits chimiques, permettant des techniques de traitement chimique qui pourraient utiliser moins d'énergie que les méthodes de traitement par lots importants.
"Nous avons la capacité de générer avec précision un mouvement mécanique de l'air en activant une surface physique qui est évolutive. Les possibilités d'utilisation de cette technologie sont illimitées", déclare M. Bulović.
"Je pense qu'il s'agit d'une approche très créative pour fabriquer cette catégorie de haut-parleurs ultra-minces", déclare Ioannis (John) Kymissis, professeur d'ingénierie électrique Kenneth Brayer et président du département d'ingénierie électrique de l'université Columbia, qui n'a pas participé à cette recherche. "La stratégie consistant à dominer la pile de films à l'aide de gabarits à motifs photolithographiques est tout à fait unique et susceptible de déboucher sur une série de nouvelles applications dans le domaine des haut-parleurs et des microphones."
Ce travail est financé, en partie, par la subvention de recherche de la Ford Motor Company et un don de Lendlease, Inc.
Pour plus d'informations, visitez le site : https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426 [This is automatically translated from English]