Des chercheurs du MIT ont mis au point un haut-parleur ultrafin capable de transformer toute surface rigide en une source audio active de haute qualité. Le processus de fabrication simple qu’ils ont introduit peut permettre la production à grande échelle de ces dispositifs à couche mince. Crédit : Felice Frankel
Le dispositif flexible à couche mince a le potentiel de transformer n’importe quelle surface en une source audio de haute qualité et de faible puissance.
MIT engineers have developed a paper-thin loudspeaker that can turn any surface into an active audio source.
This thin-film loudspeaker produces sound with minimal distortion while using just a fraction of the energy required by a traditional loudspeaker. The hand-sized loudspeaker the team demonstrated, which weighs about as much as a dime, can generate high-quality sound no matter what surface the film is bonded to.
To achieve these remarkable properties, the researchers pioneered a deceptively simple fabrication technology that involves only three basic steps and can be scaled up to manufacture ultrathin loudspeakers large enough to cover the inside of an automobile or wallpaper a room.
Used this way, the thin-film loudspeaker could provide active noise cancellation in clamorous environments, such as an airplane cockpit, by generating sound of the same amplitude but opposite phase; the two sounds cancel each other out. The flexible device could also be used for immersive entertainment, perhaps by providing three-dimensional audio in a theater or theme park ride. And because it is lightweight and requires such a small amount of power to operate, the device is well-suited for applications on smart devices where battery life is limited.
“It feels remarkable to take what looks like a slender sheet of paper, attach two clips to it, plug it into the headphone port of your computer, and start hearing sounds emanating from it. It can be used anywhere. One just needs a smidgeon of electrical power to run it,” says Vladimir Bulovic, the Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader of the Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), director of MIT.nano, and senior author of the paper.
Bulovic wrote the paper with lead author Jinchi Han, a ONE Lab postdoc, and co-senior author Jeffrey Lang, the Vitesse Professor of Electrical Engineering. The research is published today (April 26, 2022) in IEEE Transactions of Industrial Electronics.
A new approach
A typical loudspeaker found in headphones or an audio system uses electric current inputs that pass through a coil of wire that generates a magnetic field, which moves a speaker membrane, that moves the air above it, that makes the sound we hear. By contrast, the new loudspeaker simplifies the speaker design by using a thin film of a shaped piezoelectric material that moves when voltage is applied over it, which moves the air above it and generates sound.
Most thin-film loudspeakers are designed to be freestanding because the film must bend freely to produce sound. Mounting these loudspeakers onto a surface would impede the vibration and hamper their ability to generate sound.
To overcome this problem, the MIT team rethought the design of a thin-film loudspeaker. Rather than having the entire material vibrate, their design relies on tiny domes on a thin layer of piezoelectric material which each vibrate individually. These domes, each only a few hair-widths across, are surrounded by spacer layers on the top and bottom of the film that protect them from the mounting surface while still enabling them to vibrate freely. The same spacer layers protect the domes from abrasion and impact during day-to-day handling, enhancing the loudspeaker’s durability.
To build the loudspeaker, the researchers used a laser to cut tiny holes into a thin sheet of PET, which is a type of lightweight plastic. They laminated the underside of that perforated PET layer with a very thin film (as thin as 8 microns) of piezoelectric material, called PVDF. Then they applied vacuum above the bonded sheets and a heat source, at 80 degrees Celsius, underneath them.
Because the PVDF layer is so thin, the pressure difference created by the vacuum and heat source caused it to bulge. The PVDF can’t force its way through the PET layer, so tiny domes protrude in areas where they aren’t blocked by PET. These protrusions self-align with the holes in the PET layer. The researchers then laminate the other side of the PVDF with another PET layer to act as a spacer between the domes and the bonding surface.
“This is a very simple, straightforward process. It would allow us to produce these loudspeakers in a high-throughput fashion if we integrate it with a roll-to-roll process in the future. That means it could be fabricated in large amounts, like wallpaper to cover walls, cars, or aircraft interiors,” Han says.
Haute qualité, faible puissance
Les dômes mesurent 15 microns de hauteur, 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’un demi-micron lorsqu’ils vibrent. Chaque dôme est une unité de production de son unique, il faut donc des milliers de ces minuscules dômes vibrant 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 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 audio.
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 est traversé par une tension électrique de 25 volts à une fréquence de 1 kilohertz (1 000 cycles par seconde), le haut-parleur produit un son de haute qualité à un niveau conversationnel de 66 décibels. À 10 kilohertz, le niveau de pression sonore augmentait 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.
Comme ce sont les minuscules dômes qui vibrent, et non le film entier, 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.
L’appareil pourrait également utiliser les ultrasons pour détecter l’emplacement d’un être humain dans une pièce, comme le font les chauves-souris en utilisant l’écholocation, puis façonner les ondes sonores pour suivre la personne dans ses déplacements, explique M. Bulovic. 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 constituer 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.
“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. Bulovic.
“Je pense qu’il s’agit d’une approche très créative pour fabriquer cette catégorie de haut-parleurs ultrafins”, déclare Ioannis (John) Kymissis, professeur d’ingénierie électrique Kenneth Brayer et président du département d’ingénierie électrique de Columbia University, who was not involved with this research. “The strategy of doming the film stack using photolithographically patterned templates is quite unique and likely to lead to a range of new applications in speakers and microphones.”
Reference: “An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array” by Jinchi Han, Jeffrey Lang and Vladimir Bulovic, 26 April 2022, IEEE Transactions of Industrial Electronics.
DOI: 10.1109/TIE.2022.3150082
This work is funded, in part, by the research grant from the Ford Motor Company and a gift from Lendlease, Inc.
