紙のように薄い！ MITの科学者が想像力豊かな用途を備えた新しい高品質スピーカーを開発

MIT のエンジニアたちは、あらゆる表面を低電力で高品質の音源に変えることができる可能性のある、柔軟な薄膜デバイスである新しいタイプの超薄型スピーカーを開発した。

この薄膜スピーカーは、従来のスピーカーに必要なエネルギーのほんの一部しか必要とせず、歪みを最小限に抑えて高品質のサウンドを生成できます。研究チームは、わずか10セント硬貨の重さで、フィルムがどのような表面に接着されていても高品質のサウンドを出すことができる手のひらサイズのスピーカーを実証した。

これらの特性を実現するために、研究者らは、車の内部や部屋の壁紙を覆うのに十分な大きさの超薄型スピーカーを生産できるほどスケールアップ可能な、一見単純な製造技術も開発しました。このように、フィルム スピーカーは、飛行機のコックピットなどの騒がしい環境で、振幅は同じだが位相が逆の音を生成することで、アクティブ ノイズ キャンセレーション (つまり、2 つの音を互いに打ち消すこと) を実現できます。

新しいデバイスは、劇場やテーマパークの乗り物で 3D オーディオを提供するなど、没入型エンターテイメントにも使用できます。また、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に最適です。

「薄い紙のように見え、クリップを2つ付けて、コンピューターのヘッドホンポートに差し込むと、音が聞こえるというのは驚きです。どこでも使用でき、動作に必要なのは電源1つだけです」と、MIT.nanoのディレクターで有機ナノ構造エレクトロニクス研究所（ONE Lab）所長であり、この研究の責任著者であるウラジミール・ボロビッチ氏は言う。

ブロヴィッチ氏は、ONEラボのポスドクで筆頭著者のジンチ・ハン氏と電気工学教授のジェフリー・ラング氏と共同でこの論文を執筆した。この研究はIEEE Transactions of Industrial Electronicsに掲載されました。

新しい超薄型スピーカー

ヘッドフォンやオーディオ システムの従来のスピーカーは電流入力を使用していることは誰もが知っています。絶えず変化する電流入力が磁場を生成できるコイルを通過すると、スピーカーの膜が振動し、その上の空気が振動して、私たちが聞く音が生成されます。

対照的に、新しいデバイスは、電圧が加えられると動く圧電材料の薄膜を使用して、その上の空気を振動させて音を出すことで、スピーカーの設計を簡素化します。

メンブレン スピーカーは自立するように設計されているため、音を出すためにはメンブレンの素材が自由に曲がる必要があります。しかし、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、音を出す能力が損なわれる可能性があります。

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。彼らの設計では、材料全体を振動させるのではなく、圧電材料の薄い層にある小さなドームを利用して、各ドームが個別に振動できるようにしています。

（出典：MIT）

わずか髪の毛数本分の幅しかないこれらの小さなドームは、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。同じスペーサー層が、日常の動作中に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。

製造工程も非常にシンプルに見えます。まず、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の薄いシートに小さな穴を開けた。 PVDF と呼ばれる圧電材料の非常に薄い層 (8 マイクロメートルほどの薄さ) が、穴あき PET の下側に積層されました。次に、接着したシートの上に真空をかけて、その下に摂氏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。しかし、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ていない領域では小さなドームが突き出てしまいます。これらの突起は PET 層の穴と一致します。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。

「これは非常にシンプルでわかりやすいプロセスです。将来、ロールツーロールプロセスと統合すれば、これらのスピーカーを高スループットで生産できるようになります。つまり、壁紙で壁や車や飛行機の内装を覆うのと同じように、大量生産できるということです」とハン氏は語った。

高品質、低消費電力、無限の応用可能性

各ドームは独立した音生成ユニットであり、ドームの高さは 15 ミクロン、つまり人間の髪の毛の太さの約 6 分の 1 で、振動時に上下に約 0.5 ミクロンしか動かないため、可聴音を生成するには、これらの小さなドームが何千個も同時に振動する必要があります。

超薄型の音響生成装置を製造することのもう一つの利点は、調整可能性であり、研究者は PET の穴のサイズを変えてドームのサイズを制御できる。半径が大きいドームはより多くの空気を押し出し、より大きな音を生み出しますが、ドームが大きいほど共鳴周波数も低くなります。共振周波数はデバイスが最も効率的に動作する周波数であり、共振周波数が低いとオーディオが歪みます。

（出典：MIT）

多くのテストを経て、研究者たちはさまざまなドームのサイズと圧電層の厚さの最適な組み合わせを見つけました。次に、メンブレンスピーカーをマイクから 30 センチ離れた壁に取り付けてテストしました。

25 ボルトの電気が 1 キロヘルツ (1 秒あたり 1,000 サイクル) でデバイスを通過すると、スピーカーは 66 デシベルの会話レベルの高品質のサウンドを生成します。 10 kHz では、音圧レベルは 86 dB まで増加し、市街地の交通とほぼ同じ音量レベルになります。

エネルギー効率に優れたスピーカー デバイスは、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。比較すると、一般的な家庭用スピーカーは、同等の距離で同様の音圧を生成するために 1 ワットを超える電力を消費する可能性があります。

研究者らは、膜全体ではなくデバイスの小さなドームだけが振動するため、スピーカーの共振周波数は十分に高く、超音波画像診断などの超音波アプリケーションにも効果的に使用できると説明している。超音波画像診断では、非常に高い周波数の音波を使用して画像を生成し、周波数が高くなるほど画像の解像度が向上します。

たとえば、コウモリがエコーロケーションを使用するのと同じように、このデバイスは超音波を使用して、部屋の中で人が立っている場所を検出し、その位置を追跡することができます。フィルムの振動ドームが反射面で覆われていれば、将来の画像技術のための光パターンを作成するために使用できる可能性があります。振動膜を液体に浸すと、化学物質を撹拌する新しい方法も提供され、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。

「物理的で拡張可能な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。この技術の使用方法の選択肢は無限です」とブロビッチ氏は語った。

参考文献:

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

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

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