一种新型多功能声学薄膜

近日，美国麻省理工学院电机电子工程与计算机科学系博士后韩金池团队研发出一种新型多功能声学薄膜，比起传统扬声器，具有厚度薄、柔性好、透明且具有较好声学特性。当坐在沙发上，房间的墙纸能放音乐，让你沉浸于真实的环绕立体声中；这些墙纸还具有麦克风功能，让你能对智能家居发号施令。这项研究发表在国际顶刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。

(1)巧妙的“三明治”设计

韩金池团队筛选出3种较为合适的方案，其中两种为基于静电效应的声学薄膜和基于压电技术的声学薄膜。经过建模和仿真、衡量加工难度后，最终压电方案胜出。

“拿起一张看起来像纸的东西，在上面夹上音频线，音频线另一端插入电脑的耳机端口，就能听到它发出的声音。这感觉非常奇妙。”论文附上的演示视频如此介绍这个新发明。

薄膜在加电压后要自由振动发声，薄膜必须做成悬空的设计，使振动不受阻。但不让它接触任何物体表面，就无法做成墙纸贴在室内墙壁上，也无法嵌入汽车内饰，这大大限制了应用范围。悬空的薄膜结构才是关键。韩金池用一个巧妙的“三明治”设计，解决了这些难题。

通过设计了一些悬空的微结构——许多像泡泡一样的小圆顶，它们可以自由振动，并代替薄膜的整体振动来产生声音。

小圆顶形成阵列结构

图片来源：受访者供图

这些圆顶微结构采用真空压纹工艺附于超薄的聚偏二氟乙烯压电薄膜上，把这个压电薄膜夹在两片多孔PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）材料中间，相当于给圆顶创造了一定的空间，使它们始终悬空，并且可以自由振动。

两层PET各司其职。底层是为了让压电薄膜能与安装的物体表面形成一个空间，从而不影响圆顶振动，确保在各类应用场合下展现出优异的性能；顶层则是为了保护脆弱的小圆顶在日常操作中免受磨损和冲击，提高耐用性。

图片来源：受访者供图

每个小圆顶高约15微米，不及一根头发的厚度。压电材料的厚度只有8~12微米。PET的厚度是50微米。虽然叠加了这么多材料，但整个声学薄膜依然很薄，厚约0.1毫米，相当于一张纸而已。

韩金池表示，将来还可以把这款薄膜扬声器做得更薄。“我们的核心思想是以实用化为导向，目的并不是要在性能上创纪录，所以亮点并不在材料本身。”用最常见的材料、最低成本的加工手段，并保证优异性能，才能让这项技术走得更远。

(2)低功耗、高性能、可降噪

韩金池团队开发的薄膜扬声器，其压电材料上每个微小圆顶都是一个单独的发声单元，当数千个这样的小圆顶形成阵列结构并一起振动，便可以产生声音。

“整个过程靠电场驱动，没有很大的电流，也就不会形成很明显的发热现象，功耗比现有的扬声器低很多。”韩金池表示。

值得一提的是，与现有的各类薄膜扬声器相比，该发明在产生声音方面具备更高的灵敏度和带宽，并且可贴在任何物体表面使用。即使在一些弯曲或不规则表面上，它依旧能输出高质量的声音。

可不要小看这些小圆顶，它们不仅可以产生声波，还能感应声波。也就是说，这款声学薄膜可以用作麦克风来记录音频，且具备高保真度。

声学薄膜

图片来源：受访者供图

其主动降噪的能力更是引起了关注。“未来大面积布置的薄膜扬声器可以在嘈杂的环境（例如飞机座舱）中，通过产生相同幅度但相位相反的声音来削弱噪声，实现主动降噪。”韩金池说。

这项技术的优势还在于可调节性强，将来可面对不同的应用。“现在的性能还有很大的提升空间，我们可以做很多微结构设计来替代圆顶，甚至做一些特定微结构的组合改善低频的特性。”

接下来，他们会不断尝试、继续改进，让该技术未来能够在空间主动降噪与沉浸式音频、人机声学接口、智能家居、柔性消费电子设备、超声测距与成像、生物医学工程等领域大显身手。

论文链接：

https://doi.org/10.1109/TIE.2022.3150082

审核编辑 ：李倩