Các nhà nghiên cứu tạo ra loa mỏng như tờ giấy

Các kỹ sư MIT đã phát triển một loại loa mỏng như tờ giấy có thể gắn lên bất cứ bề mặt nào trong một thiết bị âm thanh đang hoạt động.

Loa màng mỏng này có thể tạo ra âm thanh với độ méo tiếng tối thiểu trong khi chỉ sử dụng một phần năng lượng của loa truyền thống. Loa của nhóm phát triển có kích thước tương đương bàn tay chỉ nặng ngang với một đồng tiền xu nhưng có thể tạo ra âm thanh chất lượng cao và không phụ thuộc vào bề mặt mà màng mỏng này gắn vào.

Để có được những tính năng đó, các nhà nghiên cứu đã tiên phong phát triển một kỹ thuật chế tác đơn giản, chỉ đòi hỏi có ba bước cơ bản và có thể nâng cao quy mô sản xuất các loại loa siêu mỏng ở mức lớn để có thể bao phủ một chiếc ô tô hoặc dá trên tường một căn phòng.

Sử dụng cách này, chiếc loa màng mỏng có thể đem đến khả năng khử tiếng ồn chủ động trong những môi trường ồn ào, ví dụ như một buồng lái máy bay, bằng việc tạo ra âm thanh cùng biên độ nhưng ngược pha; hai âm thanh lúc đó sẽ loại trừ lẫn nhau. Thiết bị đầy linh hoạt này có thể hữu dụng trong các hoạt động giải trí, có lẽ là cung cấp audio ba chiều trong một nhà hát hoặc một công viên giải trí. Và bởi vì nó nhẹ và đòi hỏi ít điện khi vận hành, thiết bị này phù hợp với những ứng dụng của các thiết bị thông minh, nơi nguồn cung là các loại pin đều giới hạn về vòng đời.

“Thật đáng chú ý khi cầm lấy thứ trông giống như một tờ giấy mỏng, gắn kẹp vào nó rồi cắm vào cổng tai nghe của máy tính và bắt đầu nghe thấy âm thanh phát ra từ nó. Nó có thể được sử dụng ở bất cứ đâu. Chỉ cần một lượng rất nhỏ điện để nó hoạt động”, Vladimir Bulović, người giữ ghế các công nghệ mới nổi Fariborz Maseeh, người phụ trách Phòng thí nghiệm Điện tử cấu trúc hữu cơ và nano (ONE Lab), giám đốc MIT.nano, và tác giả chính của nghiên cứu, nói.

Bulović chấp bút cho bài báo này cùng tác giả thứ nhất Jinchi Han, một postdoc ở ONE Lab, và đồng tác giả liên hệ Jeffrey Lang, giáo sư kỹ thuật điện Vitesse. Nghiên cứu này được xuất bản teen tạp chí IEEE Transactions of Industrial Electronics ¹.

Một cách tiếp cận mới

Một chiếc loa thông thường được tìm thấy ở các tai nghe hoặc hệ thống âm thanh sử dụng đầu vào của dòng điện đi qua một cuộn dây tạo ra từ trường, làm di chuyển màng loa, di chuyển không khí bên trên nó và tạo ra âm thanh mà chúng ta nghe thấy. Ngược lại, loa mới được đơn giản hóa thiết kế bằng cách sử dụng một màng mỏng của vật liệu áp điện di chuyển khi có điện áp đặt lên nó, làm di chuyển không khí bên trên nó và tạo ra âm thanh.

Phần lớn các loa dạng màng mỏng đều được thiết kế với chân đế tự do bởi vì màng này phải được uốn cong một cách tự do để tạo ra âm thanh. Việc gắn các loa này lên một bề mặt sẽ cản trở độ rung và cản trở khả năng phát ra âm thanh của chúng.

Để vượt qua vấn đề này, nhóm nghiên cứu ở MIT đã nghĩ lại về việc thiết kế một loa dạng màng mỏng. Thay vì để toàn bộ vật liệu đó rung động, thiết kế của họ phụ thuộc vào những vòm nhỏ trên một lớp màng mỏng của vật liệu áp điện để mỗi rung động đều ở dạng riêng lẻ. Những vòm đó đều có độ dày ngang sợi tóc, được đặt xung quanh bằng các lớp đệm ở trên và dưới của màng để bảo vệ chúng khỏi bề mặt gắn kết trong khi vẫn cho phép chúng rung động một cách tự do. Các lớp đệm tương tự bảo vệ các vòm khỏi bị mài mòn và va đập trong suốt quá trình xử lý hàng ngày, qua đó cho phép tăng độ bền của loa.

Để tạo ra loa, nhóm nghiên cứu dã sử dụng một tia laser để cắt những lỗ tí hon bên trong một tấm mỏng PET, một loại nhựa mỏng. Họ sau đó dát mặt dưới của lớp PET đục lỗ đó bằng một màng rất mỏng (mỏng tới 8 micron) vật liệu áp điện – được gọi là PVDF. Sau đó, họ đưa chân không vào bên trên các tấm gắn ngoài và một nguồn nhiệt 80 độ C.

Bởi vì lớp PVDF này vô cùng mỏng nên sự khác biệt về áp suất do chân không và nhiệt tạo ra khiến chúng bị phồng lên. Lớp PVDF không thể PVDF không thể di chuyển được qua lớp PET nên các mái vòm nhỏ đều nhô ra ở những khu vực mà chúng không bị PET chặn. Các phần nhô ra này có thể tự căn chỉnh với các lỗ trên lớp PET. Sau đó, các nhà nghiên cứu dát mặt còn lại của PVDF bằng một lớp PET khác để nó có thể hoạt động như một tấm đệm giữa các mái vòm và bề mặt liên kết.

“Đây là một quá trình vô cùng đơn giản. Nó cho phép chúng tôi tạo ra những chiếc loa theo kiểu thông lượng cao nếu chúng tôi tích hợp nó với một quá trình xử lý cuộn trong tương lai. Điều đó có nghĩa là có thể chế tạo nó với quy mô lớn, giống như giấy dán tường có thể bao phủ lên tường, ô tô, hoặc buồng lái”, Han nói.

Chất lượng cao, nguồn điện thấp

Các vòm có chiều cao 15, độ dày bằng một phần sáu sợi tóc người và chỉ chuyển động lên và xuống khoảng một micron khi rung động. Mỗi vòm là một đơn vị âm thanh, vì vậy có khoảng hàng nghìn vòm tí hon dao động cùng nhau để tạo ra âm thanh có thể nghe thấy.

Một lợi ích tăng thêm của quá trình chế tạo đơn giản mà nhóm nghiên cứu thực hiện là năng lực điều chỉnh của nó – các nhà nghiên cứu có thể thay đổi kích thước của các lỗ trong vật liệu PET để kiểm soát kích thước của các vòm. Các vòm có có bán kính lớn hơn sẽ di chuyển được nhiều không khí hơn và do đó tạo ra nhiều âm thanh hơn, nhưng các vòm lớn hơn cũng có tần số cộng hưởng thấp hơn. Tần số cộng hưởng là tần số mà thiết bị hoạt động hiệu quả nhất, và tần số cộng hưởng thấp hơn sẽ dẫn đến biến dạng âm thanh.

Khi các nhà nghiên cứu hoàn chỉnh kỹ thuật chế tạo, họ đã áp dụng thử nghiệm một số kích thước mái vòm khác nhau và độ dày lớp áp điện để đi đến sự kết hợp tối ưu.

Họ đã thử nghiệm loa màng mỏng của mình bằng cách gắn nó vào tường cách micrô 30 cm để đo đạc mức áp suất âm thanh, được ghi bằng decibel. Khi dòng điện 25 vôn chạy qua thiết bị với tốc độ 1 kilohertz (tốc độ 1.000 chu kỳ/giây), loa tạo ra âm thanh chất lượng cao ở mức độ đàm thoại là 66 decibel. Ở mức 10 kilohertz, mức áp suất âm thanh tăng lên 86 decibel, tương đương mức âm lượng của giao thông trong thành phố.

Thiết bị hiệu quả về mặt năng lượng này chỉ đòi hỏi một nguồn điện 100 milliwatts trên mỗi mét vuông diện tích loa đặt. Ngược lại, một loa gia đình trung bình có thể tiêu thụ hơn 1 watt điện để tạo ra áp suất âm thanh tương tự ở một khoảng cách tương đương.

Do các vòm nhỏ dao động chứ không phải toàn bộ màng mỏng, loa có một tần số cộng huiwngr đủ cao nên có thể hữu dụng với những ứng dụng siêu âm, ví dụ như hình ảnh, Han giải thích. Hình ảnh siêu âm sử dụng các sóng âm thanh tần số cao để tạo ra hình ảnh và các tần số cao hơn được đem lại những bức ảnh có độ phân giải cao hơn.

Thiết bị này cũng có thể sử dụng sóng siêu âm để phát hiện chỗ có người đang đứng trong một căn phòng phòng, giống như loài dơi sử dụng định vị bằng tiếng vang và sau đó định hình sóng âm thanh để theo dõi người đó khi họ di chuyển, Bulović nói. Nếu các vòm rung của màng mỏng được bao phủ bởi một bề mặt phản chiếu, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các mẫu ánh sáng cho các công nghệ hiển thị trong tương lai. Nếu nó được đặt vào trong một chất lỏng, màng rung có thể cung cấp một phương pháp trộn hóa chất mới, cho phép các kỹ thuật xử lý hóa học có thể sử dụng ít năng lượng hơn so với các phương pháp xử lý hàng loạt lớn.

“Chúng tôi có năng lực để tạo ra chuyển động cơ học của không khí một cách chính xác bằng việc kích hoạt bề mặt vật lý có thể mở rộng quy mô. Các ý tưởng về cách sử dụng công nghệ này thực sự không có giới hạn”, Bulović nói.

“Tôi nghĩ là cách tiếp cận này rất sáng tạo để tạo ra một lớp loa siêu mỏng”, Ioannis (John) Kymissis, giáo sư Kỹ thuật điện Kenneth Brayer và phụ trách Khoa Kỹ thuật điện tại Đại học Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu, nhận xét. ‘Chiến lược tạo vòm màng mỏng bằng cách sử dụng các khuôn theo mẫu hình quang khắc hoàn toàn độc đáo và có khả năng dẫn đến một loạt các ứng dụng mới trong loa và micrô”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn:

https://www.newscientist.com/video/2317655-paper-thin-speaker-can-play-queen-from-any-surface/

https://www.techexplorist.com/paper-thin-loudspeaker/46899/

——————————————————————————————————-

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