Os engenheiros do MIT desenvolveram um alto-falante fino como papel que pode transformar qualquersuperfÍcie em uma fonte de a¡udio ativa.

Este alto-falante de filme fino produz som com distorção ma­nima enquanto usa uma fração da energia necessa¡ria para um alto-falante tradicional. O alto-falante do tamanho de uma ma£o que a equipe demonstrou, que pesa cerca de uma moeda de dez centavos, pode gerar som de alta qualidade, independentemente dasuperfÍcie a  qual o filme estãocolado.

Para alcana§ar essas propriedades, os pesquisadores foram pioneiros em uma técnica de fabricação enganosamente simples, que requer apenas três etapas ba¡sicas e pode ser ampliada para produzir alto-falantes ultrafinos grandes o suficiente para cobrir o interior de um automa³vel ou para colocar papel de parede em uma sala.

Usado dessa forma, o alto-falante de filme fino pode fornecer cancelamento de rua­do ativo em ambientes barulhentos, como um cockpit de avia£o, gerando som de mesma amplitude, mas de fase oposta; os dois sons se cancelam. O dispositivo flexa­vel também pode ser usado para entretenimento imersivo, talvez fornecendo a¡udio tridimensional em um teatro ou passeio de parque tema¡tico. E porque éleve e requer uma quantidade tão pequena de energia para operar, o dispositivo éadequado para aplicações em dispositivos inteligentes onde a duração da bateria élimitada.

“a‰ incra­vel pegar o que parece ser uma folha de papel fina, anexar dois clipes a ela, conecta¡-la a  porta de fone de ouvido do seu computador e comea§ar a ouvir os sons que emanam dela. Pode ser usado em qualquer lugar. Basta um pouquinho de energia elanãtrica para funcionar”, diz Vladimir Bulović, presidente da Fariborz Maseeh em Tecnologia Emergente, lider do Laborata³rio de Eletra´nica Orga¢nica e Nanoestruturada (ONE Lab), diretor do MIT.nano e autor saªnior do artigo. .

Bulović escreveu o artigo com o autor principal Jinchi Han, um pa³s-doc no ONE Lab, e o coautor saªnior Jeffrey Lang, professor de engenharia elanãtrica da Vitesse. A pesquisa foi publicada hoje no IEEE Transactions of Industrial Electronics .

Um alto-falante ta­pico encontrado em fones de ouvido ou em um sistema de a¡udio usa entradas de corrente elanãtrica que passam por uma bobina de fio que gera um campo magnanãtico, que move uma membrana de alto-falante, que move o ar acima dela, que produz o som que ouvimos. Por outro lado, o novo alto-falante simplifica o design do alto-falante usando um filme fino de um material piezoelanãtrico moldado que se move quando a tensão éaplicada sobre ele, o que move o ar acima dele e gera som.

A maioria dos alto-falantes de filme fino são projetados para serem independentes porque o filme deve se dobrar livremente para produzir som. A montagem desses alto-falantes em umasuperfÍcie impediria a vibração e prejudicaria sua capacidade de gerar som.

Para superar esse problema, a equipe do MIT repensou o projeto de um alto-falante de filme fino. Em vez de fazer todo o material vibrar, seu design se baseia em pequenas cúpulas em uma fina camada de material piezoelanãtrico, cada uma vibrando individualmente. Essas cúpulas, cada uma com apenas algumas larguras de cabelo, são cercadas por camadas espaa§adoras na parte superior e inferior do filme que as protegem dasuperfÍcie de montagem enquanto ainda permitem que elas vibrem livremente. As mesmas camadas espaa§adoras protegem as cúpulas contra abrasão e impacto durante o manuseio dia¡rio, aumentando a durabilidade do alto-falante.

Para construir o alto-falante, os pesquisadores usaram um laser para fazer pequenos furos em uma fina folha de PET, que éum tipo de pla¡stico leve. Eles laminaram a parte inferior dessa camada de PET perfurada com um filme muito fino (tão fino quanto 8 ma­crons) de material piezoelanãtrico, chamado PVDF. Em seguida, aplicaram va¡cuo acima das chapas coladas e uma fonte de calor, a 80 graus Celsius, embaixo delas.

Como a camada de PVDF étão fina, a diferença de pressão criada pelo va¡cuo e pela fonte de calor fez com que ela inchasse. O PVDF não pode forçar seu caminho atravanãs da camada de PET, então pequenas cúpulas se projetam em áreas onde não são bloqueadas pelo PET. Essas saliaªncias se alinham automaticamente com os orifa­cios da camada de PET. Os pesquisadores então laminam o outro lado do PVDF com outra camada de PET para atuar como um espaa§ador entre as cúpulas e asuperfÍcie de ligação.

“a‰ um processo muito simples e direto. Isso nos permitiria produzir esses alto-falantes de forma de alto rendimento se integra¡-lo com um processo roll-to-roll no futuro. Isso significa que pode ser fabricado em grandes quantidades, como papel de parede para cobrir paredes, carros ou interiores de aeronaves”, diz Han.

As cúpulas tem 15 ma­crons de altura, cerca de um sexto da espessura de um fio de cabelo humano, e são se movem para cima e para baixo cerca de meio ma­cron quando vibram. Cada cúpula éuma única unidade de geração de som, então são necessa¡rias milhares dessas minaºsculas cúpulas vibrando juntas para produzir um som auda­vel.

Um benefa­cio adicional do processo de fabricação simples da equipe ésua capacidade de ajuste - os pesquisadores podem alterar o tamanho dos orifa­cios no PET para controlar o tamanho das cúpulas. Caºpulas com um raio maior deslocam mais ar e produzem mais som, mas cúpulas maiores também tem menor frequência de ressona¢ncia. A frequência de ressonância éa frequência na qual o dispositivo opera com mais eficiência, e a frequência de ressonância mais baixa leva a  distorção do a¡udio.

Depois que os pesquisadores aperfeia§oaram a técnica de fabricação, eles testaram vários tamanhos de cúpulas e espessuras de camada piezoelanãtricas diferentes para chegar a uma combinação ideal.

Eles testaram seu alto-falante de filme fino montando-o em uma parede a 30 centa­metros de um microfone para medir onívelde pressão sonora, registrado em decibanãis. Quando 25 volts de eletricidade passaram pelo dispositivo a 1 kilohertz (uma taxa de 1.000 ciclos por segundo), o alto-falante produziu um som de alta qualidade em na­veis de conversação de 66 decibanãis. A 10 kilohertz, onívelde pressão sonora aumentou para 86 decibanãis, aproximadamente o mesmonívelde volume do tra¡fego da cidade.

O dispositivo energeticamente eficiente requer apenas cerca de 100 miliwatts de potaªncia por metro quadrado de área de alto-falante. Por outro lado, um alto-falante domanãstico manãdio pode consumir mais de 1 watt de energia para gerar pressão sonora semelhante a uma distância compara¡vel.

Como as pequenas cúpulas estãovibrando, em vez de todo o filme, o alto-falante tem uma frequência de ressonância alta o suficiente para que possa ser usado efetivamente para aplicações de ultrassom, como imagens, explica Han. A imagem por ultrassom usa ondas sonoras de frequência muito alta para produzir imagens, e frequências mais altas produzem melhor resolução de imagem.  

O dispositivo também pode usar ultrassom para detectar onde um humano estãoem uma sala, assim como os morcegos fazem usando a ecolocalização, e então moldar as ondas sonoras para seguir a pessoa enquanto ela se move, diz Bulović. Se as cúpulas vibrata³rias do filme fino forem cobertas com umasuperfÍcie refletiva, elas podera£o ser usadas para criar padraµes de luz para futuras tecnologias de exibição. Se imersas em um la­quido, as membranas vibrata³rias podem fornecer um novo manãtodo de agitação de produtos qua­micos, permitindo técnicas de processamento qua­mico que podem usar menos energia do que os manãtodos de processamento em grandes lotes.

“Temos a capacidade de gerar precisamente o movimento meca¢nico do ar ativando umasuperfÍcie física que éescala¡vel. As opções de como usar essa tecnologia são ilimitadas”, diz Bulović.

“Acho que essa éuma abordagem muito criativa para fazer essa classe de alto-falantes ultrafinos”, diz Ioannis (John) Kymissis, professor de engenharia elanãtrica Kenneth Brayer e presidente do departamento de engenharia elanãtrica da Universidade de Columbia, que não esteve envolvido com essa pesquisa. “A estratanãgia de domar a pilha de filmes usando modelos fotolito graficamente padronizados ébastante única e provavelmente levara¡ a uma sanãrie de novas aplicações em alto-falantes e microfones.”

Este trabalho éfinanciado, em parte, pela bolsa de pesquisa da Ford Motor Company e um presente da Lendlease, Inc.