奇跡材料石墨烯“發(fā)聲”的開創(chuàng)性新技術(shù)可能會(huì)徹底改變?nèi)蛞纛l和電信行業(yè)。你能找到的幾乎每款揚(yáng)聲器里，都有一層膜用于機(jī)械震動(dòng)，通過震動(dòng)空氣產(chǎn)生聲波。但英國(guó)埃克塞特大學(xué)的研究人員竟然研發(fā)出一款揚(yáng)聲器，不需要靠振動(dòng)發(fā)出聲音。此項(xiàng)頗具開創(chuàng)性技術(shù)的關(guān)鍵，就是石墨烯，通過細(xì)微調(diào)整過的電流加熱或冷卻這種材質(zhì)，就可以制造聲波。此項(xiàng)研究的論文發(fā)表于期刊《Scientific Reports》。

    該新型揚(yáng)聲器可以將揚(yáng)聲器，放大器和均衡器混合在一起，所有這些器件被集成在只有毫米尺寸的設(shè)備內(nèi)

    奇跡材料石墨烯“發(fā)聲”的開創(chuàng)性新技術(shù)可能會(huì)徹底改變?nèi)蛞纛l和電信行業(yè)。你能找到的幾乎每款揚(yáng)聲器里，都有一層膜用于機(jī)械震動(dòng)，通過震動(dòng)空氣產(chǎn)生聲波。但英國(guó)埃克塞特大學(xué)的研究人員竟然研發(fā)出一款揚(yáng)聲器，不需要靠振動(dòng)發(fā)出聲音。此項(xiàng)頗具開創(chuàng)性技術(shù)的關(guān)鍵，就是石墨烯，通過細(xì)微調(diào)整過的電流加熱或冷卻這種材質(zhì)，就可以制造聲波。

    石墨烯又輕又薄，卻極其強(qiáng)韌，幾年前就有人想到用它來造揚(yáng)聲器了，但通常都是用石墨烯制作上文提到的那層膜。因?yàn)槭┖茌p，所以用很小的能量就能產(chǎn)生振動(dòng)，因此揚(yáng)聲器可以變得又小又節(jié)能。

    埃克塞特大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種開創(chuàng)性的方法來使用石墨烯來產(chǎn)生復(fù)雜和可控的聲音信號(hào)。實(shí)質(zhì)上，它將揚(yáng)聲器，放大器和均衡器組合成為一個(gè)只有指甲蓋大小的芯片。

    傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器利用運(yùn)動(dòng)的線圈或膜片來回驅(qū)動(dòng)空氣，空氣的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生聲音，這是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，在一個(gè)多世紀(jì)以來幾乎沒有顛覆性的改變。而這種創(chuàng)新的新技術(shù)將不再有需要機(jī)械振動(dòng)的部件，核心部件是只有一個(gè)原子厚度的材料石墨烯薄膜，由于輸入電流的大小，石墨烯薄膜被快速加熱和冷卻產(chǎn)生了膨脹和收縮，引起周圍空氣振動(dòng)從而產(chǎn)生聲波。

    那無需機(jī)械震動(dòng)的揚(yáng)聲器音質(zhì)怎么樣呢？研發(fā)團(tuán)隊(duì)稱，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)電流穿過石墨烯的強(qiáng)度和位置，可以制造多種多樣的聲波。這種加熱、冷卻的循環(huán)往復(fù)，能讓揚(yáng)聲器同時(shí)混合、放大、均衡多種聲波，輸出的聲波甚至能超出人類聽覺響應(yīng)范圍，應(yīng)用于超聲領(lǐng)域。

    而這就是熱量轉(zhuǎn)化為聲能的能量轉(zhuǎn)化，這在科學(xué)界并不是新鮮事。不過，埃克塞特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)卻是第一個(gè)在熱-聲轉(zhuǎn)化過程中實(shí)現(xiàn)不同頻率聲波的疊加、放大以及均衡。更加難得的是，所有的這一切都發(fā)生在這樣一個(gè)指甲蓋大小的芯片里。石墨烯幾乎完全透明，無需身體運(yùn)動(dòng)就能產(chǎn)生復(fù)雜的聲音，可以開創(chuàng)新一代視聽技術(shù)，我們可以甚至展望可以傳輸圖像同時(shí)發(fā)出聲音的手機(jī)屏幕。

    此項(xiàng)研究的第一作者David Horsell認(rèn)為，過去人們不夠重視熱聲學(xué)，因?yàn)椴恢浪惺裁磳?shí)際用途，他們的團(tuán)隊(duì)則將關(guān)注點(diǎn)放在了聲音產(chǎn)生的過程上。他們發(fā)現(xiàn)通過控制穿過石墨烯的電流，不僅能制造聲音，還能調(diào)節(jié)音量大小，并精確控制頻率。這種精確的控制為研究人員開啟了新大門，發(fā)現(xiàn)了諸多我們未曾設(shè)想過的應(yīng)用途徑。

    該團(tuán)隊(duì)正在研究將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于超聲成像，能用于醫(yī)院以及其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)。對(duì)于新技術(shù)的應(yīng)用，霍西爾博士表示：“其實(shí)發(fā)出聲音是一部分，而將不同頻率的聲波混合在一起是更加關(guān)鍵的一步。對(duì)于高效地產(chǎn)生超聲波或者次聲波也是很重要的。

    石墨烯由于具備高強(qiáng)度和柔韌性，可以與被成像體表面充分接觸從而實(shí)現(xiàn)更好的成像效果。此外，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的聲學(xué)設(shè)備低成本而且非常簡(jiǎn)單，使得未來可以直接監(jiān)視和治療病人的智能繃帶這樣的概念產(chǎn)品具有真正實(shí)現(xiàn)的可能。

    霍斯?fàn)柌┦垦a(bǔ)充說：”混頻是新應(yīng)用的關(guān)鍵，聲發(fā)生機(jī)制使我們可以采用兩種或更多種不同的聲源，并將它們疊加，從而有效地產(chǎn)生超聲波（和次聲波），但最令人興奮的是，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單和可控制的技術(shù)，這可能對(duì)電信行業(yè)產(chǎn)生真正的影響，電信行業(yè)需要以這種方式組合信號(hào)，但目前使用的方式相當(dāng)復(fù)雜而昂貴。

    石墨烯揚(yáng)聲器研究進(jìn)展：

    之前有很多相關(guān)研究已經(jīng)證明，基于石墨烯的熱聲揚(yáng)聲器是可行的，但是Exeter研究人員首先在毫米級(jí)的設(shè)備上嵌入這樣的揚(yáng)聲器、放大器和、均衡器。

    使用石墨烯驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器膜是一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域。 最早的報(bào)告是2011年，韓國(guó)的研究人員開發(fā)了一個(gè)由石墨烯制成的透明揚(yáng)聲器。 2013年，研究人員展示了一款基于石墨烯的揚(yáng)聲器，可以超越最好的商用耳機(jī)。

    最近幾家公司發(fā)布了石墨烯增強(qiáng)型耳機(jī)。 例如，小米的活塞3 Pro耳機(jī)就像使用菲利浦電子F3一樣使用石墨烯膜。

    以色列音頻先驅(qū)Waves Audio正在使用基于石墨烯的納米級(jí)活性膜開發(fā)創(chuàng)新的靜電揚(yáng)聲器。 石墨烯增強(qiáng)型音頻設(shè)備開發(fā)公司ORA是加拿大的早期創(chuàng)業(yè)公司，最近公布了其石墨烯氧化物復(fù)合材料，被稱為石墨烯Q。

    昨天也就是2017年5月7日，蘋果公司一項(xiàng)關(guān)于石墨烯揚(yáng)聲器的準(zhǔn)備被授予。 Apple的專利（2015年提交并于2017年初授予）詳細(xì)介紹了使用由石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料制成的隔膜的音頻設(shè)備。 蘋果的石墨烯膜可用于揚(yáng)聲器，麥克風(fēng)或耳機(jī)設(shè)備，該專利具體包括iPhone設(shè)備的圖像作為示例應(yīng)用。

    蘋果解釋說，隨著設(shè)備變得越來越小，使用常規(guī)材料提供高質(zhì)量音頻越來越具有挑戰(zhàn)性，石墨烯可以改善音頻設(shè)備的機(jī)械響應(yīng)。 此外，在某些情況下，使用石墨烯或石墨烯薄片材料可以減少或消除額外的外部阻尼的需要。

    這里的主要發(fā)明似乎是膜本身由兩種類型的材料制成，這兩種材料與所使用的石墨烯薄片的量不同，因此硬度不同。 膜的第一部分是固定的，而第二部分是靈敏的，用于檢測(cè)或產(chǎn)生聲音。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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