新型薄膜材料，助力傳統(tǒng)揚(yáng)聲器瘦身降價(jià)
Corinne Rouby
法國國立高等先進(jìn)技術(shù)大學(xué)（巴黎綜合理工大學(xué)）力學(xué)教師、研究員
Olivier Doaré
法國國立高等先進(jìn)技術(shù)大學(xué)（巴黎綜合理工大學(xué)）流體力學(xué)教授
傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)組成中，磁鐵和銅線圈太過笨重，且成本很高。科研人員正在致力于開發(fā)新型的薄膜材料，用于升級(jí)新一代揚(yáng)聲器。新型的薄膜材料是否能滿足揚(yáng)聲器的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)？新型材料在哪些方面具有更突出的優(yōu)勢，又有哪些缺陷？
當(dāng)前應(yīng)用最廣的電動(dòng)式揚(yáng)聲器的原理是：利用磁鐵與銅線圈之間的相互作用力，振動(dòng)音箱發(fā)聲。
磁鐵和銅線圈既笨重又昂貴，未來有望被介電彈性體薄膜取代。
新型薄膜重量輕，而且符合效率、頻譜平衡和線性度三方面的標(biāo)準(zhǔn)。
不過，新型薄膜揚(yáng)聲器仍面臨一些技術(shù)障礙，例如薄膜脆弱易損。
一旦克服障礙，價(jià)格更低、重量更輕的新型揚(yáng)聲器就可啟動(dòng)大規(guī)模生產(chǎn)。
如今市面上的揚(yáng)聲器型號(hào)各異，尺寸五花八門，但內(nèi)在機(jī)制大同小異，基本都使用西門子創(chuàng)始人維爾納·馮·西門子于19世紀(jì)發(fā)明的經(jīng)典結(jié)構(gòu)：將磁鐵與銅線圈的運(yùn)動(dòng)耦合，帶動(dòng)錐形薄膜振動(dòng)而發(fā)聲。
磁鐵和銅線圈又重又占空間，且成本很高。不過，利用簡單的介電彈性體薄膜配合新技術(shù)，有望取代這兩個(gè)傳統(tǒng)元件。
橡膠作為彈性體，是一種非常靈活的材料。新型橡膠薄膜有著特殊的介電性能，傳導(dǎo)的電流非常小。在薄膜的兩側(cè)涂抹導(dǎo)電油脂，就能形成電極，讓傳輸?shù)奖∧ど系碾娦盘?hào)帶動(dòng)膜的震動(dòng)，發(fā)出聲波。
圖片來源：PI France - 使用電介質(zhì)彈性體膜的揚(yáng)聲器示意圖[1]
上述原理可以作為新一代揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在法國國立高等先進(jìn)技術(shù)大學(xué)（巴黎綜合理工大學(xué)）的力學(xué)講師Corinne Rouby與力學(xué)教授Olivier Doaré的指導(dǎo)下，研究員Emil Garnell撰寫了一篇論文[1]，提出了優(yōu)化橡膠薄膜揚(yáng)聲器技術(shù)的若干策略[2, 3]。
01
材料升級(jí)換代
Doaré解釋道：“完美的揚(yáng)聲器必須符合三方面的標(biāo)準(zhǔn)：效率、頻譜平衡和線性度。”具體而言，揚(yáng)聲器要以盡可能少的電能產(chǎn)生盡可能多的聲能（效率），產(chǎn)生的聲波要盡可能忠實(shí)地將接收到的電信號(hào)再現(xiàn)成聲波（頻譜平衡），而且無論音量大小如何，聲音都不能失真（線性度）。
“完美的揚(yáng)聲器必須符合三方面的標(biāo)準(zhǔn)：效率、頻譜平衡和線性度。”
一款好的揚(yáng)聲器必須能忠實(shí)轉(zhuǎn)換音頻信號(hào)，而不是簡單地發(fā)出最響亮的聲音。在滿足特定條件的情況下，電介質(zhì)彈性體薄膜不僅可以使揚(yáng)聲器變輕，維持高保真度，還能降低生產(chǎn)成本。
Rouby表示：“自2000年代以來，對(duì)介電彈性體的研究方興未艾[4]，但這些研究并沒有與揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)掛鉤。”實(shí)際上，介電彈性體的天然優(yōu)勢很適合應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域。她說：“傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器因?yàn)槭褂昧舜盆F，所以很重而且生產(chǎn)成本高，但磁鐵其實(shí)沒必要。”
用介電彈性薄膜取代銅線圈和磁鐵，能減輕揚(yáng)聲器重量，開辟行業(yè)新天地，不過新設(shè)計(jì)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。研究人員解釋道：“論文雖然已經(jīng)完成，但研究仍需繼續(xù)。”下一步研究將由一位化學(xué)專業(yè)的博士后完成，調(diào)整各個(gè)材料之間的匹配。
02
缺陷亟待克服
新型的揚(yáng)聲器還不能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但前期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果十分積極，值得開展進(jìn)一步研究。不過，實(shí)驗(yàn)也暴露出了新技術(shù)亟待克服的缺陷。
Rouby解釋道：“首先，薄膜雖然彈性好，卻非常易損。電壓過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，使薄膜無法使用。”這種情況在播放低頻聲音時(shí)尤其容易出現(xiàn)，因?yàn)榈皖l聲音需要大量電能。此外，低頻聲音對(duì)應(yīng)著更大幅度的振動(dòng)，更容易損壞薄膜。
研究人員還優(yōu)化了電極的形狀（既導(dǎo)電油脂涂抹的形狀），確保薄膜能發(fā)出所有頻率的聲音。“各種頻率的振動(dòng)都會(huì)引起薄膜或強(qiáng)或弱的共振。”因此有必要控制共振，避免揚(yáng)聲器“偏好”某些頻率 [5]。不過，對(duì)發(fā)送到揚(yáng)聲器的電信號(hào)進(jìn)行濾波，也可以實(shí)現(xiàn)頻率平衡 [6]。
目前還發(fā)現(xiàn)的一個(gè)顯著缺陷是揚(yáng)聲器密封。“在實(shí)驗(yàn)室里，新型揚(yáng)聲器配有壓力控制器，可以控制音箱空腔內(nèi)的各種液體泄漏。但是在客廳配備壓力控制器不現(xiàn)實(shí)。”盡管如此，Rouby認(rèn)為這一挑戰(zhàn)并非不可逾越。
一旦克服了上述障礙，新型揚(yáng)聲器就能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。由于其成本更低、重量更輕，定會(huì)受到消費(fèi)者的歡迎。Doaré目前還在試圖將類似的理念用于耳機(jī)設(shè)計(jì)，將彈性薄膜換成壓電式薄膜。隨著研究的不斷推進(jìn)，新型揚(yáng)聲器和耳機(jī)也許很快會(huì)走進(jìn)我們的生活，帶來更高端的聽覺享受。
作者
Pablo Andres
編輯
Meister Xia
1. E. Garnell, Dielectric elastomer loudspeakers : models, experiments and optimization, Doctoral dissertation, Institut Polytechnique de Paris / Unité de Mécanique de l’ENSTA Paris, 2020.
2. E. Garnell, C. Rouby and O. Doaré, Dynamics and sound radiation of a dielectric elastomer membrane, Journal of Sound and Vibration, 459, 114836, 2019.
3. E. Garnell, O. Doaré and C. Rouby, Coupled vibro-acoustic modeling of a dielectric elastomer loudspeaker, The Journal of the Acoustical Society of America, 147(3), 1812–1821, 2020.
4. R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei and J. Joseph, High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Strain Greater Than 100%, Science, 287(5454), 836–839, 2000
5. E. Garnell, B. Aksoy, C. Rouby, H. Shea and O. Doaré, Geometric optimization of dielectric elastomer electrodes for dynamic applications, Applied Acoustics, 181, 108120, 2021.
6. E. Garnell, O. Doaré and C. Rouby, Model-Based Adaptive Filtering of Dielectric Elastomer Loudspeakers, Journal of the Audio Engineering Society, 69(6), 389–397, 2021.
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