بلندگویی به نازکی کاغذ

دانشمندان بلندگویی به نازکی کاغذ ساخته‌اند که می‌تواند هر سطحی را به منبع صوتی فعال تبدیل کند.

این ابزار را که فقط ۲ گرم وزن دارد و اندازه دست انسان است، پژوهشگرانی، از جمله محققانی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در ایالات متحده، ساخته‌اند.

این بلندگوی کوچک قادر به ارائه حذف صداهای محیطی (noise cancellation) در محیط‌های حساس مانند کابین خلبان هواپیما، و حتی [ارائه] صدای سه‌بعدی در سالن نمایش یا شهر بازی‌ها است.

این بلندگو فقط با استفاده از بخشی از انرژی مورد نیاز برای بلندگوهای قدیمی، صدا را با کمترین واپیچش (distortion) تولید می‌کند.

به گفته دانشمندان، این دستگاه که به تازگی در مجله «تبادلات آی‌ای‌ای‌ای بر الکترونیک صنعتی» (IEEE Transactions on Industrial Electronics) معرفی شده است، می‌تواند بدون توجه به اینکه توری روی آن به چه صفحه‌ای چسبیده باشد، صدایی با کیفیت بالا تولید کند.

ولادیمیر بولویا، نویسنده ارشد مقاله از دانشگاه ام‌آی‌تی (MIT)، در بیانیه‌ای گفت: «احساس فوق‌العاده‌ای است که چیزی شبیه ورقه‌ای کاغذ نازک را بردارید دو گیره به آن بزنید و آن را به ورودی هدفون کامپیوتر خود وصل کنید و شروع کنید به شنیدن صداهایی که از آن بیرون می‌آید. هر جایی می‌شود از آن استفاده کرد. هر کسی فقط با اندکی نیروی برق می‌تواند آن را به کار اندازد.»

دانشمندان همچنین اشاره کردند که به علت آنکه این دستگاه سبک وزن است و فقط به مقدار کمی نیروی برق نیاز دارد تا کار کند، بسیار مناسب برنامک‌های دستگاه‌های هوشمند است که عمر باتری‌شان محدود است.

آن‌ها در این مطالعه نوشتند: «بلندگوهای بسیار نازک، سبک‌وزن، با کارایی بالا، کم‌‌قیمت و کم‌‌مصرفی که می‌توان آن‌ها را در گستره وسیعی تولید کرد، برای سیستم‌های صوتی سنتی و برنامک‌های نوظهوری مانند کنترل نوفه فعال و برنامه‌های سرگرمی فراگیر، جذابیت روزافزونی یافته‌اند.»

بلندگوی معمولی مورد استفاده در هدفون‌ها و سیستم‌های صوتی، ورودی جریان برقی دارند که از سیم‌پیچی می‌گذرد تا میدانی مغناطیسی ایجاد کند که غشای بلندگو و هوای بالای آن را حرکت می‌دهد و صدایی ایجاد می‌کند که ما آن را می‌شنویم.

بلندگوهای جدید به جای آن، طراحی ساده‌ای دارند که از ورقه نازکی از ماده پیزوالکتریک شکل داده‌شده- نوعی ماده که شارژ الکتریکی در آن جمع می‌شود- استفاده می‌کند  و فشار وارد آمده بر آن را به برق تبدیل می‌کند و وهنگامی که ولتاژ آن بالا می‌رود، حرکت می‌کند.

«بلندگوی جدیدی که به نازکی کاغذ است می‌تواند هر سطحی را به منبع فعال صوتی تبدیل کند. این بلندگو صدا را با حداقل واپیچش تولید می‌کند و وزنش به اندازه یک سکه ده سنتی است.»

ین [بلندگو] هوای بالایش را حرکت می‌دهد تا صدا ایجاد کند.

بلندگوهای قوی ورقه‌ای نازک معمولا طوری طراحی می‌شوند که بتوانند به خودی خود بایستند، زیرا ورقه آن‌ها باید آزادانه خم شود تا صدا تولید کند. اما وصل کردن آن‌ها به سطح، جلو ارتعاش را می‌گیرد و از توان آن‌ها در تولید صدا می‌کاهد.

این طرح جدید در عوض برآمدگی‌های ریزی روی ورقه‌ای نازک از ماده پیزوالکتریک دارد که به جای لرزاندن همه مواد، به تنهایی مرتعش می‌شود.

دانشمندان بلندگوی جدید را با استفاده از لیزر برای بریدن سوراخ‌های کوچک داخل ورقه‌های نازک پلاستیک پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) سبک شکل دادند و داخل آن را با لایه‌ای از ورقه نازک پلی وینیلیدین فلورید (PVDF)، نوعی ماده پیزوالکتریک (piezoelectric)، پوشاندند.

آن‌ها سپس روی ورقه‌های پیوند داده‌شده، فضای خلاء ایجاد کردند و منبع حرارتی به اندازه ۸۰ درجه سانتی‌‌گراد زیر آن‌ به‌کار گرفتند.

تفاوت فشار ایجاد شده با خلاء و منبع حرارتی، باعث باد کردن لایه پی‌وی‌دی‌اف (PVDF) بسیار نازک، و ایجاد برجستگی‌های ریز در جایی شد که پلی‌اتیلن ترفتالات مانع آن نیست.

سپس دانشمندان طرف دیگر پی‌وی‌دی‌اف را با لایه دیگری از پلی اتیلن ترفتالات پوشاندند تا به صورت جداکننده میان برجستگی‌ها و سطح پیوندی عمل کند.

در این مطالعه گفته شده است که برجستگی‌ها حدود ۱۵ میکرون بلندی دارند - حدود یک ششم ضخامت موی انسان - و وقتی مرتعش می‌شوند، حدود نیم میکرون بالا و پایین حرکت می‌کنند.

محققان توضیح دادند که هر یک از این برجستگی‌ها واحد تولید تک‌صدا است و وقتی هزاران عدد از این برجستگی‌های کوچک با هم مرتعش می‌شوند، صدای قابل شنیدن تولید می‌کنند.

در این مطالعه دانشمندان همچنین روشی فراوری (fabrication) را توسعه داده‌اند که به گفته آن‌ها می‌تواند بلندگوهای بسیار نازک را چنان بزرگ کند که داخل اتومبیل یا سطح کاغذ دیواری اتاقی را بپوشاند.

جینچی هان، نویسنده همکار دیگر این مطالعه، گفت: «این فرایندی بسیار ساده و سرراست است. این فرایند به ما اجازه می‌دهد که در صورتی که این بلندگوها را در آینده با فرایند طاقه به طاقه (roll-to-roll) بیامیزیم، بتوانیم آن‌ها را به صورت مدلی با ظرفیت زمانی بالا تولید کنیم. این بدان معنا است که می‌شود این بلندگوها را مانند کاغذ دیواری به مقدار زیاد ساخت تا دیوار، اتوموبیل، یا داخل هواپیما را بپوشاند.»

محققان این دستگاه را با وصل کردن آن روی دیواری به فاصله ۳۰ سانتی‌‌متر از میکروفون آزمایش کردند تا میزان فشار صدا را که به دسی‌بل ضبط می‌شد، اندازه بگیرند.

وقتی حدود ۲۵ ولت الکتریسیته را با سرعت یک کیلوهرتز از این دستگاه عبور دادند - به میزان ۱۰۰۰ دور در ثانیه - بلندگو صدایی با کیفیت بالا در حد ۶۶ دسی‌بل تولید کرد؛ یعنی بلندی صدایی کمی بیشتر از دامنه حرف زدن معمولی.

به گفته دانشمندان، این دستگاه در هر متر مربع از فضا فقط به حدود ۱۰۰ میلی‌وات نیروی برق نیاز دارد.

آن‌ها گفتند که در مقایسه، یک بلندگوی معمولی خانگی ممکن است «بیش از یک وات نیروی برق مصرف کند تا فشار صدایی مشابه را در فاصله‌ای قابل قیاس تولید کند.»

این فناوری می‌تواند کاربردهایی نیز در بخش‌های غیرصوتی داشته باشد.

اگر برجستگی‌های مرتعش ورقه نازک با سطحی منعکس کننده پوشانده شوند، می‌تواند در تولید لایه‌های نوری در فناوری‌های «نماگر» (display) آینده به کار آید.

دکتر بولویک گفت: «گزینه‌های چگونگی استفاده از این فناوری نامحدود است.»