传统扬声器利用压电材料薄膜的自由弯曲产生声音，但固定的外壳结构会抑制振动，并限制音频响应。麻省理工学院设计出一种微型压电圆顶阵列扬声器。该技术可扩展谐振频率，除适用于听觉范围的声音，还可以有效地用于医学超声应用。像纸一样薄的阵列扬声器，贴在墙上，便构成“墙纸”声源。
压电效应是一种非常有用且非常普及的现象，工程师已将其应用于无数传感器应用。在其中一些应用中，施加在压电材料上的电压被转换为机械应变输出，可用来制作纳米定位致动器，甚至用作基本声源。反过来，若机械应力被施加到压电材料上，压电材料则成为传感器并产生电压。这听起来好像都是非常陈旧的概念，但那些具有创造性的聪明头脑，总能利用合适材料的这种独特特性，发挥这种效应并制造出各种类型的坚固、可靠和低成本的器件。
作为声源的压电式扬声器具有多种属性。它们可以做得相当薄，并产生相对较高的声压值(SPL)，但由于机械和物理材料问题，声音质量一直受到约束。如今，麻省理工学院的一个团队设计出了一种密集的微型压电圆顶扬声器阵列，为这种经典模拟功能提供了一种新的物理呈现。最终产品是一个薄如纸且极具柔性的扬声器，它可以将任何表面变成有源声源，为“声墙”一词赋予了新的含义(图1)。
图1：密集排列的压电扬声器阵列具有柔软纸片的外观和感觉。资料来源：麻省理工学院
传统薄膜扬声器必须允许薄膜自由弯曲来产生声音，而将扬声器牢固地安装在表面上，这不仅会抑制振动，还会对其输出产生衰减，并对其频率响应产生限制。
麻省理工学院(MIT)的团队采用不同的方式解决了这个问题。他们的设计不是让整个材料振动，而是在一薄层的压电材料上制造出很多微型圆顶，其中每个圆顶都可以独立振动。这些高约15微米的圆顶在振动时上下仅移动约半微米。每个圆顶都是一个独立的发声单元，因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可听到的声音。基本型扬声器仅重2克，厚120微米，并且可以使用MIT团队一直延用的标准工艺进行低成本制造(图2)。
图2：六步制造过程利用标准加工步骤对常见材料进行创新的排列和分层(a)；所得压电片的柔韧性清晰可见(b)；这张显微照片展示了圆顶阵列的密度(c)。
圆顶被薄膜顶部和底部的间隔层所包围，不仅可以保护圆顶免受安装表面的影响，同时能让它们自由振动。这些同样的间隔层还可以保护圆顶在日常使用过程中免受磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。
研究人员使用激光在聚对苯二甲酸乙二酯——也称为PET薄片、一种包括饮料瓶在内得到广泛应用的标准塑料上切出微小的孔，并将穿过孔的PET层的底面与8微米厚的薄膜聚氟乙烯(PVDF)、即一种常见的商业和工业涂料层压在一起。接着研究人员将粘合紧密的片材上方抽真空，并在下方施加80°C的热源。
由于PVDF层非常薄，真空和热源产生的压力差很容易让它鼓起来。由于PVDF无法强行穿过坚韧的PET层，因此微小的圆顶会凸出在未被PET阻挡的区域，并且这些凸出部分会与PET层中的孔自动对齐。然后，研究人员将PVDF的另一面与另一个PET层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的隔离层。
经过广泛的测试，结果发现，用1kHz/25Vrms的信号作为激励时，在30cm处可以测量到的声压值为66dB，若激励信号电压保持不变，而将频率提高到10kHz时，所测得的声压值高达86dB，且与其粘合的刚性表面无关。
这种制造方案的另一个有趣的属性是，它允许通过改变PET中孔径的大小，来实现一定程度的可调。半径较大的圆顶会推动更多的空气，从而产生更大的声音，但这些较大的圆顶也具有较低的共振频率。
该技术不仅只适用于听觉范围的声音。由于振动的只是那些微小的圆顶而不是整个薄膜，因此扬声器具有的谐振频率很高，可有效地用于医学成像等超声应用。
“拿起看似一张又薄又窄纸张的压电片，在上面夹上两个夹子，将它插入电脑的耳机端口，就可以欣赏它发出的声音，这很奇迹！”Fariborz Maseeh 新兴市场主席、有机与纳米结构电子实验室(ONE Lab)负责人、MIT.nano主任Vladimir Bolović表示。另外，这种压电材料甚至可以贴到墙壁上，构成“墙纸”声源，他补充道。
(参考原文：Piezo audio devices go micro, revitalize output in a big way ）
本文为《电子工程专辑》2022年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅
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