من المعروف أن مكبرات الصوت الكهربائية الديناميكية التقليدية إلى جانب مجموعة من المزايا لها عيوب ملموسة ، على سبيل المثال ، حد معين من الدقة. لتحقيق مؤشرات جودة صوت عالية ، يتطلب المبدأ الكهروميكانيكي لتشغيل السماعات التقليدية الكثير من الحيل ، ويحد بشكل خطير من قدرات المطورين ، ويؤدي إلى تكاليف كبيرة ، وبالتالي يزيد من تكلفتهم. بالإضافة إلى ذلك ، من المعروف أن المواد التقليدية المستخدمة في أغشية السماعات لها "سقف" عند أدنى مستوى ممكن من التشويه ، وهي ضخمة بما يكفي ، والمغناطيس الدائم يقدم تشويهًا إضافيًا.
في المنشورات السابقة ، وصفنا بالفعل العديد من البدائل المعروفة للمتحدثين ، مثل الإلكتروستاتيكي ، والانبعاثات iso / orthodynamic و ionophones. في هذه المادة ، سنتحدث عن ربما أكثر التقنيات العالية والأصل استبدال المحركات الديناميكية المعتادة التي نعرفها - الباعثات التي تم إنشاؤها على أساس الأنابيب النانوية.
قليلا عن الأنابيب النانوية
الأنابيب النانوية الكربونية هي تعديل موحد للكربون في شكل هياكل أسطوانية جوفاء من الجرافين وبأقطار من أعشار إلى عدة نانومتر. ببساطة ، هذا جزيء ضخم يتكون من ملايين ذرات الكربون الموجودة على قمم العناصر الهيكلية ذات الشكل السداسي المنتظم.
كمادة ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية لها قوة عالية للغاية إلى نسبة الكثافة. يكون معامل قوة الأنبوب من 1 إلى 100 جيجا باسكال (معامل قوة الفولاذ 500-3000 ميجا باسكال) ، في حين أن كثافة المادة أعلى قليلاً من كثافة الماء - 1.35 جم / متر مكعب. انظر ، في الوقت الحالي ، تكون الألياف من الأنابيب النانوية هي الأقل سمكًا ، ويبلغ سمك هذه الألياف 30.000 مرة أقل من متوسط سمك شعرة الإنسان. ميزة أخرى مهمة (خاصة للاستخدام الصوتي) للأنابيب النانوية هي تسخينها السريع تحت تأثير التيار الكهربائي المتناوب والقدرة الحرارية المنخفضة.
نظرًا لخصائصها ، وجدت الأنابيب النانوية تطبيقًا عمليًا في عدد كبير من المجالات. سأعطيك جزءًا صغيرًا فقط: الخيوط الثقيلة ، والأسلاك النانوية ، وأجهزة استشعار الكشف عن الغازات ، والطب بشكل عام والجراحة بشكل خاص ، ومولدات ومحركات الطاقة ، والعضلات الاصطناعية ، والمصادر الحالية ، وغيرها الكثير. الخ. أحد أكثر المشاريع طموحًا فيما يتعلق بالأنابيب النانوية هو كابل لمصعد فضاء. على الرغم من أن استخدامها في عدد من المنشورات موضع تساؤل ، نظرًا لفقدان القوة بشكل كبير عند إنشاء الألياف.
على عكس مصعد الفضاء ، ليس هناك شك في فعالية استخدام الأنابيب النانوية لإنشاء بواعث صوتية عالية الدقة. تم بالفعل إنشاء نماذج أولية لمثل هذه السماعات لأغراض تجريبية. لكن الكفاءة شيء ، والإنتاج التسلسلي شيء آخر.
كانت اللحظة الرئيسية لاستخدام الخصائص الصوتية للأنابيب النانوية عام 1991 ، عندما تم إنشاء عدة أنواع (طبقة واحدة وطبقات متعددة) من أفلام الكربون الشفافة منها.
بواعث حرارية صوتية مع غشاء أنبوب نانوي
وتجدر الإشارة إلى أنه تم اكتشاف الخصائص الصوتية للأنابيب النانوية الكربونية عن طريق الصدفة. أدت العديد من التجارب على مواد جديدة نسبيًا إلى استنتاج مفاده أن صفائح الأنابيب النانوية قادرة على بث موجات صوتية تحت تأثير التيار المتناوب.
في عام 2008 ، لفت الباحثون الصينيون بقيادة Kaili Jiang الانتباه إلى حقيقة أن ورقة من الأنابيب النانوية تصدر صوتًا تحت تأثير التيار المتناوب. بعد ذلك ، قاموا بتطبيق إشارة موسيقية معدلة وأدركوا أن الورقة كانت قادرة على إعادة إنتاج الصوت. عن طريق إرسال مقياس اهتزاز ليزر (Polytech PSV 300-F) إلى الورقة ، فوجئ العلماء بأن الفيلم المستخدم كمبرد لم يتحرك. في وقت لاحق ، كان من الممكن معرفة أن الصوت ظهر نتيجة التسخين السريع للورقة ، أي عملية صوتية حرارية.
ومن المثير للاهتمام أن ظاهرة التأثير الصوتي الحراري معروفة منذ نهاية القرن التاسع عشر. تم تقديم أول وصف مفصل له من قبل العلماء الأمريكيين HD Arnold و IB Crandall في مقالة "The Thermophone كمصدر دقيق للصوت" ، المنشور في 1 يوليو 1917. في ذلك الوقت ، لم تكن هناك مواد يمكن من خلالها استخدام مبدأ الصوت الحراري عمليًا بأي شكل من الأشكال.
نُشرت نتائج بحث فريق كايلي جيانغ في مكبرات الصوت Nano Letters 'مرنة ، ومطاطية ، وشفافة أنابيب الكربون النانوية الرقيقة. في المقالة ، وصف العلماء الأجهزة التي أعادت إنتاج إشارة موسيقية وصوت من ميكروفون بنجاح باستخدام تأثير صوتي حراري.
كانت درجة الحرارة القصوى للورقة عندما تم تزويد إشارة بقوة اسمية 12 وات (8 أوم) 80 درجة مئوية. وفقًا لـ Kylie Jiang ، من الممكن إنشاء مكبرات صوت مماثلة بدرجة حرارة أقل ، ولكن لم يتم تنفيذ ذلك كجزء من التجربة. في الوقت نفسه ، كان للباعثون عدد من الخصائص الفريدة.
صورة 2 اختبار الأداء الصوتي لمكبر الصوت الرقيق CNT. (أ) رسم تخطيطي لإعداد تجريبي. (ب) مستوى ضغط الصوت (بالديسيبل) والتشوه التوافقي الكلي لمكبر صوت CNT أحادي الطبقة (أحمر) وأربع طبقات (أزرق) على مسافة 5 سم بين مكبر الصوت والميكروفون. طاقة الإدخال هي 3 وات و 12 وات لمكبرات الصوت أحادية وأربع طبقات ، على التوالي. ضغط الصوت الناتج عن مكبر الصوت CNT المكون من أربع طبقات ، اعتمادًا على قوة الإدخال ، مما يدل على وجود علاقة خطية. تمثل المربعات السوداء نتائج تجريبية ، ويمثل الخط الأحمر نتيجة مناسبة. (د) إشارات في الوقت الفعلي لجهد الإدخال لمكبر الصوت الرقيق من أربع طبقات CNT وخرج ضغط الصوت من الميكروفون ، مما يشير إلى أن تردد ضغط الصوت يضاعف تردد جهد الإدخال. (ج) رسائل نانو
خلال التجارب الموصوفة ، تم تسجيل أن المرسل يسمح لك بتوليد صوت مع نطاق تردد ومستوى ضغط صوتي (SPL) يكفي للاستخدام في المعدات الصوتية المحمولة والثابتة الحديثة. بالإضافة إلى ذلك ، كان للنموذج الأولي مستوى منخفض للغاية من التشويه التوافقي (THD).
البيانات النظرية والتجريبية لمكبرات الصوت ذات الأغشية الرقيقة الصوتية. (أ) النتائج النظرية والتجريبية لـ SPL مقارنة مع مشغل مكبرات الصوت ذات الأغشية الرقيقة الصوتية. يتم تمثيل البيانات التجريبية بمربعات ومثلثات صلبة حمراء لأغشية CNT أحادية الطبقة وأربع طبقات ، على التوالي. يتم حساب الخطوط الخضراء والخطوط السوداء بواسطة SPL بواسطة نظرية Arnold و Crendall (ما يعادل 1) ونظرياتنا (ما يعادل 2) لمكبرات الصوت أحادية الطبقة (العليا) وأربع طبقات (متوسطة) وسمك 700 نانومتر حراري (أقل). قوة الإدخال 4.5 واط. (ب) يتم اعتماد اعتماد SPL (عند kHz 10 بقوة إدخال 1 وات) على HCPUAC s وفقًا لنظرية Arnold و Crandall (ما يعادل 1 ، الخط الأحمر) ونظريتنا (ما يعادل 2 ، الخط الأسود) ، على التوالي. (ج) رسائل نانو
أشارت المقالة إلى أن الورقة المستخدمة كغشاء شفافة ومرنة. ذكرت كايلي جيانغ أنه يمكن تشوهها دون الإضرار بجودة الصوت. وقد وجد أيضًا أن فيلمًا من الأنابيب النانوية الموضوعة على إطار أسطواني يسمح بانبعاث الصوت بنفس الشدة في جميع الاتجاهات. ميزة مثيرة للاهتمام تدحض بعض استنتاجات أرنولد وكريندل ، أنه عندما تم تمديد الفيلم (200 ٪ من المنطقة الأصلية) ، ظلت الإشارة دون تغيير تقريبًا.
وقد استشهدت وسائل الإعلام بنشر الباحثين الصينيين لبعض الوقت. حتى أن وسائل الإعلام توقعت الموت الوشيك لأنظمة السماعات التقليدية ، ولكن سرعان ما تم نسيان الابتكار بأمان. لم تكن هناك محاولات معروفة لإنشاء برامج تشغيل تسلسلية.
مشاكل إدخال الميكروفونات
على الرغم من المزايا الواضحة للأنابيب النانوية كمادة لأغشية البواعث الصوتية والتأثيرات الصوتية الحرارية ، فإن هذا النهج لا يخلو من العيوب. المشكلة الرئيسية هي تكلفة الأنابيب النانوية نفسها.
تتراوح أسعار الجملة الحالية للأنابيب النانوية أحادية الجدار الصينية الصنع من 30 دولارًا إلى 90 دولارًا للجرام. وفقًا لمزاعم الشركات المصنعة المحتملة للمنتجات الصوتية من هذه المادة ، فإن الأسعار الحالية تجعل من غير المعقول إصدار منتجات الميزانية باستخدامها.
لا تزال النهاية العالية نسبيًا للسوق ، حيث يمكن تبرير السعر "بالقيمة المرموقة" للمنتجات ، أكثر صعوبة. توجد بالفعل مشعات إلكتروستاتيكية وتقويمية موجودة قريبة ومتشابهة من ألياف الأنابيب النانوية من حيث الخصائص الصوتية. في الوقت نفسه ، تم اختبار العمليات والمعدات التكنولوجية التي تسمح بإنتاج مثل هذه الصوتيات ولديها كفاءة اقتصادية محسوبة بشكل جيد. من أجل إدخال الأنابيب النانوية ، من الضروري الاستثمار بكثافة في المعدات والتطوير والتخطيط دون أي ضمانات تجارية.
هناك أيضًا فروق دقيقة تقنية مرتبطة باستخدام هذا النوع من أجهزة البث. بادئ ذي بدء ، لا توجد حتى الآن دراسات منشورة حول خفض درجة حرارة سطح الباعث ، على الرغم من أن كايلي جيانغ ذكرت هذا الاحتمال. من ناحية أخرى ، إذا قارنا درجات حرارة الفيلم مع درجات حرارة البلازما في الأيونات (التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة بالفعل) ، فإن النماذج الأولية للسائقين ذوي الأنابيب النانوية تبدو أكثر أمانًا.
هجين Kozlov
نشر باحث أمريكي من أصل روسي ميخائيل كوزلوف من جامعة تكساس في دالاس في عام 2014 تقريرًا عن إنشاء نموذج أولي للباعث الهجين الأصلي. باستخدام فيلم من الأنابيب النانوية كغشاء ، طور مكبر الصوت الذي استخدم تأثير الصوت الحراري والمبدأ التقليدي لمحرك ديناميكي. وبحسب الباحث فإن هذا النهج سيحل بعض المشكلات الموضحة أعلاه.
صورة لورقة متعددة الطبقات من الأنابيب النانوية الكربونية المستخدمة لمحول الصوت الحراري المغناطيسي. (الصورة: ميخائيل كوزلوف ، جامعة تكساس في دالاس).
وفقا للعالم ، تمكن من الجمع بين مزايا المحركات الصوتية والديناميكية. الفكرة التي اقترحها كوزلوف هي وضع ورقة من الأنابيب النانوية الكربونية بين قضبان موصلة بجوار مغناطيس دائم. مع الإثارة الكهربائية ، يتم دمج الاستجابة الحرارية للمادة مع اهتزازات الصفائح الناتجة عن العمل الكهرومغناطيسي لقوة لورنتز. ونتيجة لذلك ، يسمح التصميم بالحصول على إشعاع مغناطيسي حراري هجين للموجات الصوتية ، مع مستوى منخفض نسبيًا من التشويه وخصائص السعة المذهلة التي تتجاوز الميكروفونات الصينية الموصوفة أعلاه.
الملخص
آمل بصدق أن تظهر الميكروفونات الحرارية في السوق الشامل وأن يتم إنتاجها بكميات كبيرة. من بحث جيانغ وكوزلوف ، يصبح من الواضح أن التكنولوجيا لها مستقبل واعد ، إذا تم أخذها في الاعتبار. مشاكل التنفيذ الموصوفة أعلاه خطيرة ومعقدة بلا شك. في هذه الأثناء ، مرت 10 سنوات منذ أول نشر حول ظهور نموذج أولي يعمل من باعث كايلي جيانغ ، وخلال هذا الوقت ربما يمكن حلها.
أعتقد أن هناك أسبابًا أخرى أقل موضوعية وأقل وضوحًا تجعل هذه التكنولوجيا ليست في عجلة من أمرها لتقديمها. تشمل هذه الأسباب إحجام بعض المشاركين في السوق (الذين يمتلكون القدرة الكافية لإنتاج مكبرات صوت كلاسيكية) على فقدان الأرض في فئتهم. لسوء الحظ ، على عكس الاعتقاد الشائع ، لا يكون الابتكار مفيدًا دائمًا للأعمال ، خاصة إذا تم استثمار الكثير من المال في التكنولوجيا القديمة.
جينز
يتم عرض كتالوجنا مجموعة واسعة من أنظمة مكبرات الصوت عالية الدقة .
محتوى الصورة المستخدم:
www.nanowerk.com
pubs.acs.org
aip.scitation.org