Es ist bekannt, dass herkömmliche elektrodynamische Lautsprecher zusammen mit einer Vielzahl von Vorteilen greifbare Nachteile haben, beispielsweise eine bestimmte Grenze der Wiedergabetreue. Um Indikatoren für eine hohe Klangqualität zu erzielen, erfordert das elektromechanische Funktionsprinzip herkömmlicher Lautsprecher viele Tricks, schränkt die Fähigkeiten der Entwickler erheblich ein, führt zu erheblichen Kosten und erhöht folglich deren Kosten. Darüber hinaus haben herkömmliche Materialien für Lautsprechermembranen, wie Sie wissen, eine „Decke“ mit der geringstmöglichen Verzerrung, sind massiv genug und Permanentmagnete führen zu zusätzlichen Verzerrungen.
In früheren Beiträgen haben wir bereits einige bekannte Alternativen zu Lautsprechern beschrieben, wie elektrostatische, iso- / orthodynamische Emitter und Ionophone. In diesem Material werden wir über den vielleicht modernsten und originellsten Ersatz der üblichen dynamischen Treiber sprechen, mit denen wir vertraut sind - Emitter, die auf Basis von Nanoröhren hergestellt wurden.
Ein bisschen über Nanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren sind eine allotrope Modifikation von Kohlenstoff in Form von hohlzylindrischen Graphenstrukturen mit Durchmessern von Zehnteln bis zu mehreren Nanometern. Einfach ausgedrückt ist dies ein riesiges Molekül, das aus Millionen von Kohlenstoffatomen besteht, die sich an der Spitze von Strukturelementen mit regelmäßiger hexagonaler Form befinden.
Kohlenstoffnanoröhren haben als Material ein extrem hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Der Rohrfestigkeitskoeffizient liegt zwischen 1 und 100 GPa (Stahlfestigkeitskoeffizient beträgt 500-3000 MPa), während die Dichte des Materials geringfügig höher ist als die Dichte von Wasser - 1,35 g / cu. Im Moment ist die Faser aus Nanoröhren die dünnste bekannte, die Dicke dieser Faser ist 30.000-mal geringer als die durchschnittliche Dicke eines menschlichen Haares. Ein weiteres wichtiges Merkmal (insbesondere für die akustische Verwendung) von Nanoröhren ist ihre schnelle Erwärmung unter dem Einfluss von elektrischem Wechselstrom und geringer Wärmekapazität.
Aufgrund ihrer Eigenschaften haben Nanoröhren in einer Vielzahl von Bereichen praktische Anwendung gefunden. Ich werde nur einen kleinen Teil geben: Hochleistungsfäden, Nanodrähte, Gasdetektionssensoren, Medizin im Allgemeinen und Chirurgie im Besonderen, Energieerzeuger und -motoren, künstliche Muskeln, Stromquellen und viele andere. usw. Eines der ehrgeizigsten Projekte im Zusammenhang mit Nanoröhren ist ein Kabel für einen Weltraumaufzug. Obwohl in einer Reihe von Veröffentlichungen ihre Verwendung angesichts des erheblichen Festigkeitsverlustes bei der Herstellung von Fasern in Frage gestellt wird.
Im Gegensatz zum Weltraumaufzug besteht kein Zweifel an der Wirksamkeit der Verwendung von Nanoröhren zur Erzeugung von akustischen Emittern mit hoher Wiedergabetreue. Prototypen solcher Lautsprecher wurden bereits zu experimentellen Zwecken erstellt. Aber Effizienz ist eine Sache und Serienproduktion eine andere.
Der entscheidende Moment für die Nutzung der akustischen Eigenschaften von Nanoröhren war das Jahr 1991, in dem verschiedene Arten (einschichtige und mehrschichtige) transparenter Kohlenstofffilme daraus hergestellt wurden.
Thermoakustische Emitter mit einer Nanoröhrenmembran
Es ist zu beachten, dass die akustischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren zufällig entdeckt wurden. Zahlreiche Experimente mit relativ neuem Material haben zu dem Schluss geführt, dass Nanoröhrenblätter unter dem Einfluss von Wechselstrom Schallwellen emittieren können.
Im Jahr 2008 machten chinesische Forscher unter der Leitung von Kaili Jiang darauf aufmerksam, dass eine Folie aus Nanoröhren unter dem Einfluss von Wechselstrom ein Geräusch macht. Danach legten sie ein moduliertes Musiksignal an und stellten fest, dass das Blatt Ton wiedergeben konnte. Durch das Senden eines Laservibrometers (Polytech PSV 300-F) an das Blatt waren die Wissenschaftler überrascht, dass sich der als Strahler verwendete Film nicht bewegte. Später war es möglich herauszufinden, dass der Ton als Ergebnis einer schnellen Erwärmung des Blattes auftrat, d.h. thermoakustischer Prozess.
Interessanterweise ist das Phänomen der thermoakustischen Wirkung selbst seit dem Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Die erste detaillierte Beschreibung wurde von den amerikanischen Wissenschaftlern HD Arnold und IB Crandall in dem am 1. Juli 1917 veröffentlichten Artikel „Das Thermophon als präzise Schallquelle“ vorgenommen. Zu diesem Zeitpunkt gab es keine Materialien, mit denen das thermoakustische Prinzip in irgendeiner Weise in der Praxis angewendet werden könnte.
Die Forschungsergebnisse des Teams von Kylie Jiang wurden in den flexiblen, dehnbaren und transparenten Dünnschichtlautsprechern von Carbon Nanotube von Nano Letters veröffentlicht. In dem Artikel beschrieben Wissenschaftler Geräte, die mit einem thermoakustischen Effekt erfolgreich ein Musiksignal und einen Ton von einem Mikrofon reproduzieren.
Die maximale Blatttemperatur, wenn ein Signal mit einer Nennleistung von 12 W (8 Ohm) geliefert wurde, betrug 80 Grad Celsius. Laut Kylie Jiang ist es möglich, ähnliche Lautsprecher mit einer niedrigeren Temperatur herzustellen, dies wurde jedoch im Rahmen des Experiments nicht implementiert. Gleichzeitig hatten die Emittenten eine Reihe einzigartiger Eigenschaften.
Foto 2 Testen der akustischen Leistung eines CNT-Dünnschichtlautsprechers. (a) Schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus. (b) Schalldruckpegel (in dB) und gesamte harmonische Verzerrung eines einschichtigen (rot) und vierschichtigen (blau) CNT-Lautsprechers in einem Abstand von 5 cm zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrofon. Die Eingangsleistung beträgt 3 W und 12 W für ein- bzw. vierschichtige Lautsprecher. © Der vom vierschichtigen CNT-Lautsprecher erzeugte Schalldruck zeigt je nach Eingangsleistung eine lineare Beziehung. Schwarze Quadrate repräsentieren experimentelle Ergebnisse und eine rote Linie repräsentiert ein geeignetes Ergebnis. (d) Echtzeitsignale der Eingangsspannung des CNT-Vierschicht-Dünnschichtlautsprechers und des vom Mikrofon ausgegebenen Schalldrucks, was anzeigt, dass die Schalldruckfrequenz die Frequenz der Eingangsspannung verdoppelt. (C) Nano-Buchstaben
Während der beschriebenen Experimente wurde aufgezeichnet, dass der Emitter es Ihnen ermöglicht, Schall mit einem Frequenzbereich und Schalldruckpegel (SPL) zu erzeugen, die für die Verwendung in modernen tragbaren und stationären akustischen Geräten ausreichen. Darüber hinaus wies der Prototyp eine beeindruckend geringe harmonische Verzerrung (THD) auf.
Theoretische und experimentelle Daten für thermoakustische Dünnschichtlautsprecher. (a) Theoretische und experimentelle Ergebnisse von SPL im Vergleich zum Betreiber von thermoakustischen Dünnschichtlautsprechern. Die experimentellen Daten werden durch rote durchgezogene Quadrate und Dreiecke für einschichtige bzw. vierschichtige dünne CNT-Filme dargestellt. Die grünen und schwarzen Linien sind SPL, berechnet nach der Arnold- und Crendall-Theorie (Äquiv. 1) und unseren Theorien (Äquiv. 2) für einschichtige (obere) und vierschichtige (mittlere) CNT-Lautsprecher und eine Dicke von 700 nm Pt-Thermophon (untere). Die Eingangsleistung beträgt 4,5 Watt. (B) Die Abhängigkeit von SPL (bei 10 kHz mit einer Eingangsleistung von 1 W) von HCPUACs wird gemäß der Theorie von Arnold und Crandall (Äquiv. 1, rote Linie) bzw. unserer Theorie (Äquiv. 2, schwarze Linie) berechnet. (C) Nano-Buchstaben
In dem Artikel wurde festgestellt, dass die als Membran verwendete Folie transparent und flexibel ist. Kylie Jiang erwähnte, dass es verformt werden kann, ohne die Klangqualität wesentlich zu beeinträchtigen. Es wurde auch festgestellt, dass ein Film aus Nanoröhren, der auf einem zylindrischen Rahmen angeordnet ist, die Emission von Schall mit der gleichen Intensität in alle Richtungen ermöglicht. Ein interessantes Merkmal, das einige der Schlussfolgerungen von Arnold und Krendel widerlegt, war, dass das Signal beim Strecken des Films (200% der ursprünglichen Fläche) nahezu unverändert blieb.
Die Veröffentlichung chinesischer Forscher wurde seit einiger Zeit von den Medien zitiert. Die Medien sagten sogar den bevorstehenden Tod traditioneller Lautsprechersysteme voraus, aber bald wurden Innovationen sicher vergessen. Es waren keine Versuche bekannt, serielle Treiber zu erstellen.
Probleme beim Einführen von Thermophonen
Trotz der offensichtlichen Vorteile von Nanoröhren als Material für Membranen von Schallemittenten und thermoakustischen Effekten ist dieser Ansatz nicht ohne Nachteile. Das Hauptproblem sind die Kosten der Nanoröhren selbst.
Die aktuellen Großhandelspreise für einwandige Nanoröhren aus chinesischer Produktion liegen zwischen 30 und 90 US-Dollar pro Gramm. Nach den Behauptungen potenzieller Hersteller von Akustikprodukten aus diesem Material machen es die bestehenden Preise bedeutungslos, Budgetprodukte mit ihrer Verwendung herauszugeben.
Noch schwieriger ist das relativ hohe Marktsegment, in dem der Preis durch den „prestigeträchtigen Wert“ der Produkte gerechtfertigt werden könnte. Es gibt bereits elektrostatische und orthodynamische Strahler, die hinsichtlich der akustischen Eigenschaften nahe und identisch mit der Nanoröhrenfaser sind. Gleichzeitig wurden technologische Prozesse und Geräte getestet, mit denen eine solche Akustik erzeugt werden kann, und sie weisen eine gut kalkulierte Wirtschaftlichkeit auf. Für die Einführung von Nanoröhren ist es notwendig, ohne kommerzielle Garantien stark in Ausrüstung, Entwicklung und Planung zu investieren.
Es gibt auch technische Nuancen, die mit der Verwendung dieser Art von Emittern verbunden sind. Erstens gibt es noch keine veröffentlichten Studien zur Reduzierung der Oberflächentemperatur des Emitters, obwohl Kylie Jiang diese Möglichkeit erwähnte. Wenn wir andererseits die Filmtemperaturen mit den Plasmatemperaturen in Ionophonen vergleichen (die bereits in Massenproduktion hergestellt werden), sehen selbst erfahrene Prototypen von Treibern mit Nanoröhren viel sicherer aus.
Kozlov-Hybriden
Ein amerikanischer Forscher russischer Herkunft, Mikhail Kozlov von der University of Texas in Dallas, veröffentlichte 2014 einen Bericht über die Erstellung eines Prototyps des ursprünglichen Hybrid-Emitters. Mit einem Film aus Nanoröhren als Membran entwickelte er einen Lautsprecher, der den thermoakustischen Effekt und das traditionelle Prinzip eines dynamischen Treibers nutzte. Laut dem Forscher wird dieser Ansatz einige der oben beschriebenen Probleme lösen.
Bild einer mehrschichtigen Schicht aus Kohlenstoffnanoröhren, die für einen thermomagnetischen Schallwandler verwendet wird. (Bild: Mikhail Kozlov, Universität von Texas in Dallas).
Dem Wissenschaftler zufolge gelang es ihm, die Vorteile von thermoakustischen und dynamischen Treibern zu kombinieren. Die von Kozlov vorgeschlagene Idee besteht darin, eine Schicht eines Kohlenstoffnanoröhrchens zwischen leitenden Stäben neben einem Permanentmagneten zu platzieren. Bei elektrischer Anregung wird das thermische Verhalten des Materials mit Blattschwingungen kombiniert, die durch die elektromagnetische Wirkung der Lorentzkraft verursacht werden. Infolgedessen ermöglicht das Design die Erzielung einer hybriden thermomagnetischen Strahlung von Schallwellen mit einem relativ geringen Verzerrungsgrad und beeindruckenden Amplitudeneigenschaften, die die oben beschriebenen chinesischen Thermophone übertreffen.
Zusammenfassung
Ich hoffe aufrichtig, dass Thermophone auf dem Massenmarkt erscheinen und in Massenproduktion hergestellt werden. Aus den Forschungen von Jiang und Kozlov wird deutlich, dass Technologie eine vielversprechende Zukunft hat, wenn man sie in Betracht zieht. Die oben beschriebenen Implementierungsprobleme sind zweifellos schwerwiegend und komplex. Inzwischen sind 10 Jahre seit der ersten Veröffentlichung über das Erscheinen eines funktionierenden Prototyps des Emitters Kylie Jiang vergangen, und in dieser Zeit konnten sie wahrscheinlich gelöst werden.
Ich glaube, dass es andere, weniger objektive und weniger offensichtliche Gründe gibt, warum es nicht eilig ist, diese Technologie einzuführen. Zu diesen Gründen gehört die Zurückhaltung einiger Marktteilnehmer (die über ausreichende Kapazitäten zur Herstellung klassischer Lautsprecher verfügen), in ihrem Segment an Boden zu verlieren. Leider ist Innovation entgegen der landläufigen Meinung nicht immer nützlich für Unternehmen, insbesondere wenn viel Geld in archaische Technologie investiert wird.
Jeans
Unser Katalog wird vorgestellt Eine breite Palette von High-Fidelity-Lautsprechersystemen .
Verwendeter Fotoinhalt:
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