Des chercheurs du MIT développent un haut-parleur fin comme du papier
Credit photo: MIT
Le dispositif flexible à couche mince a le potentiel de transformer n'importe quelle surface en une source audio de faible puissance et de haute qualité.
Les ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology (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 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 environ un centime, 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 trompeuse, qui ne nécessite que trois étapes de base et peut être mise à l’échelle pour produire des haut-parleurs ultrafins suffisamment grands pour couvrir l’intérieur d’une automobile ou tapisser une pièce.
Utilisé de cette manière, le haut-parleur à couche mince pourrait fournir une suppression active du bruit dans des environnements bruyants, comme un cockpit d’avion, en générant un son de même amplitude mais de phase opposée ; les deux sons s’annulent. Le dispositif flexible pourrait également être utilisé pour un divertissement immersif, peut-être en fournissant 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 bien adapté aux applications sur les appareils intelligents où la durée de vie de la batterie est limitée.
« Il est remarquable de prendre ce qui ressemble à une mince feuille de papier, d’y attacher deux clips, de le 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’un peu d’énergie électrique pour le faire fonctionner », déclare Vladimir Bulovi?, titulaire de la chaire Fariborz Maseeh en technologies émergentes, responsable du laboratoire d’électronique organique et nanostructurée (ONE Lab), directeur du MIT.nano et auteur principal de l’article. .
Bulovi? a rédigé l’article avec l’auteur principal Jinchi Han, un post-doctorant du ONE Lab, et le co-auteur principal Jeffrey Lang, professeur de génie électrique à Vitesse. La recherche est publiée aujourd’hui dans Transactions IEEE d’électronique industrielle.
Une nouvelle approche
Un haut-parleur typique trouvé dans les écouteurs ou un système audio utilise des entrées de courant électrique qui traversent 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 en forme qui se déplace lorsqu’une tension est appliquée dessus, ce qui déplace l’air au-dessus et génère 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.
Pour surmonter ce problème, l’équipe du MIT a repensé la conception d’un haut-parleur à couche mince. Plutôt que de faire vibrer tout le matériau, leur conception repose sur de minuscules dômes sur une fine couche de matériau piézoélectrique qui vibrent chacun individuellement. Ces dômes, chacun d’une largeur de seulement quelques cheveux, sont entourés de couches d’espacement en haut et en bas du film qui les protègent de la surface de montage tout en leur permettant 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 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, qui est un type de plastique léger. Ils ont stratifié la face inférieure de cette couche de PET perforée avec un film très fin (aussi fin que 8 microns) de matériau piézoélectrique, appelé PVDF. Ensuite, ils ont appliqué un vide au-dessus des feuilles collées et une source de chaleur, à 80 degrés Celsius, en dessous.
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 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 côté du PVDF avec une autre couche de PET pour agir comme une entretoise entre les dômes et la surface de collage.
« Il s’agit d’un processus très simple et direct. Cela nous permettrait de produire ces haut-parleurs à haut débit si nous les intégrions à un processus roll-to-roll à l’avenir. Cela signifie qu’il pourrait être fabriqué en grandes quantités, comme du papier peint pour recouvrir des murs, des voitures ou des intérieurs d’avions », explique Han.
Haute qualité, faible consommation
Les dômes mesurent 15 microns de haut, soit environ un sixième de l’épaisseur d’un cheveu humain, et ils ne se déplacent de haut en bas que d’environ un demi-micron lorsqu’ils vibrent. Chaque dôme est une seule unité de génération de son, 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 de l’équipe est sa capacité 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 plus faible 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 fixant à un mur à 30 centimètres 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.
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 peut 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, comme l’imagerie, explique Han. L’imagerie par ultrasons utilise des ondes sonores à très haute fréquence pour produire des images, et des fréquences plus élevées donnent une meilleure résolution d’image.
L’appareil pourrait également utiliser des ultrasons pour détecter où se trouve un humain dans une pièce, tout comme les chauves-souris le font en utilisant l’écholocation, puis façonner les ondes sonores pour suivre la personne pendant qu’elle se déplace, explique Bulovi?. Si les dômes vibrants du film mince sont recouverts d’une surface réfléchissante, ils pourraient être utilisés pour créer des motifs de lumière 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 évolutive. Les options d’utilisation de cette technologie sont illimitées », déclare Bulovi?.
« Je pense que c’est une approche très créative pour créer cette classe d’enceintes ultra-minces », déclare Ioannis (John) Kymissis, professeur Kenneth Brayer de génie électrique et président du département de génie électrique de l’Université de Columbia, qui n’a pas participé à cette recherche. « La stratégie de dôme de la pile de films à l’aide de modèles à motifs photolithographiques est assez unique et susceptible de conduire à une gamme de nouvelles applications dans les haut-parleurs et les microphones. »
Ce travail est financé, en partie, par la bourse de recherche de la Ford Motor Company et un don de Lendlease, Inc.
Source : https://news.mit.edu/2022/low-power-thin-loudspeaker-0426