Il est connu que les haut-parleurs électrodynamiques traditionnels ainsi qu'une multitude d'avantages présentent des inconvénients tangibles, par exemple, une certaine limite de fidélité. Pour atteindre des indicateurs de qualité sonore élevés, le principe de fonctionnement électromécanique des enceintes traditionnelles nécessite de nombreuses astuces, limite sérieusement les capacités des développeurs, entraîne des coûts importants et, par conséquent, augmente leur coût. De plus, les matériaux traditionnels utilisés pour les membranes d'enceintes, comme vous le savez, ont un «plafond» au niveau de distorsion le plus bas possible, sont suffisamment massifs et les aimants permanents introduisent une distorsion supplémentaire.
Dans les articles précédents, nous avons déjà décrit plusieurs alternatives bien connues aux haut-parleurs, tels que les émetteurs électrostatiques, iso / orthodynamiques et les ionophones. Dans ce document, nous parlerons peut-être du remplacement le plus high-tech et le plus original des pilotes dynamiques habituels que nous utilisons - des émetteurs créés à partir de nanotubes.
Un peu sur les nanotubes
Les nanotubes de carbone sont une modification allotropique du carbone sous la forme de structures cylindriques creuses en graphène et avec des diamètres de dixièmes à plusieurs nanomètres. Autrement dit, il s'agit d'une énorme molécule composée de millions d'atomes de carbone situés au sommet d'éléments structurels de forme hexagonale régulière.
En tant que matériau, les nanotubes de carbone ont un rapport résistance / densité extrêmement élevé. Le coefficient de résistance du tube est de 1 à 100 GPa (le coefficient de résistance de l'acier est de 500 à 3000 MPa), tandis que la densité du matériau est légèrement supérieure à la densité de l'eau - 1,35 g / cu. Pour le moment, la fibre issue des nanotubes est la plus fine connue, l'épaisseur de cette fibre est 30 000 fois inférieure à l'épaisseur moyenne d'un cheveu humain. Une autre caractéristique importante (en particulier pour une utilisation acoustique) des nanotubes est leur chauffage rapide sous l'influence d'un courant électrique alternatif et d'une faible capacité thermique.
En raison de leurs propriétés, les nanotubes ont trouvé une application pratique dans un grand nombre de domaines. Je ne donnerai qu'une petite partie: fils lourds, nanofils, capteurs de détection de gaz, médecine en général et chirurgie en particulier, générateurs et moteurs d'énergie, muscles artificiels, sources de courant et bien d'autres. etc. L'un des projets les plus ambitieux liés aux nanotubes est un câble pour un ascenseur spatial. Bien que, dans un certain nombre de publications, leur utilisation soit remise en cause, compte tenu de la perte de résistance importante lors de la création de fibres.
Contrairement à l'ascenseur spatial, il n'y a aucun doute sur l'efficacité de l'utilisation de nanotubes pour créer des émetteurs acoustiques de haute fidélité. Des prototypes de ces haut-parleurs ont déjà été créés à des fins expérimentales. Mais l'efficacité est une chose et la production en série en est une autre.
Le moment clé pour utiliser les propriétés acoustiques des nanotubes a été l'année 1991, lorsque plusieurs types (monocouches et multicouches) de films de carbone transparents ont été créés à partir d'eux.
Émetteurs thermoacoustiques à membrane nanotube
Il est à noter que les propriétés acoustiques des nanotubes de carbone ont été découvertes par hasard. De nombreuses expériences avec des matériaux relativement nouveaux ont permis de conclure que des feuilles de nanotubes sont capables d'émettre des ondes sonores sous l'influence d'un courant alternatif.
En 2008, des chercheurs chinois dirigés par Kaili Jiang ont attiré l'attention sur le fait qu'une feuille de nanotubes émet un son sous l'influence d'un courant alternatif. Après cela, ils ont appliqué un signal musical modulé et ont réalisé que la feuille était capable de reproduire le son. En envoyant un vibromètre laser (Polytech PSV 300-F) sur la feuille, les scientifiques ont été surpris que le film utilisé comme radiateur ne bouge pas. Plus tard, il a été possible de découvrir que le son est apparu à la suite d'un chauffage rapide de la feuille, c'est-à-dire procédé thermoacoustique.
Fait intéressant, le phénomène d'effet thermoacoustique lui-même est connu depuis la fin du XIXe siècle. Sa première description détaillée a été faite par les scientifiques américains HD Arnold et IB Crandall dans l'article «Le thermophone comme source de précision du son», publié le 1er juillet 1917. A cette époque, il n'existait aucun matériau avec lequel il serait possible d'utiliser le principe thermoacoustique de quelque manière que ce soit.
Les résultats de recherche de l'équipe de Kylie Jiang ont été publiés dans les haut-parleurs à couche mince de nanotubes de carbone flexibles, extensibles et transparents de Nano Letters. Dans l'article, les scientifiques ont décrit des appareils qui reproduisaient avec succès un signal musical et le son d'un microphone en utilisant un effet thermoacoustique.
La température maximale de la feuille lorsqu'un signal était fourni avec une puissance nominale de 12 W (8 Ohms) était de 80 degrés Celsius. Selon Kylie Jiang, il est possible de créer des enceintes similaires avec une température plus basse, mais cela n'a pas été mis en œuvre dans le cadre de l'expérience. Dans le même temps, les émetteurs avaient un certain nombre de caractéristiques uniques.
Photo 2 Test des performances acoustiques d'un haut-parleur à couche mince CNT. (a) Illustration schématique d'une configuration expérimentale. b) Niveau de pression acoustique (en dB) et distorsion harmonique totale d'un haut-parleur CNT monocouche (rouge) et quatre couches (bleu) à une distance de 5 cm entre le haut-parleur et le microphone. La puissance d'entrée est de 3 W et 12 W pour les haut-parleurs simple et quatre couches, respectivement. © Pression sonore générée par le haut-parleur CNT à quatre couches, selon la puissance d'entrée, montrant une relation linéaire. Les carrés noirs représentent les résultats expérimentaux et une ligne rouge représente un résultat approprié. (d) Signaux en temps réel de la tension d'entrée du haut-parleur à couche mince à quatre couches CNT et de la pression acoustique émise par le microphone, ce qui indique que la fréquence de la pression acoustique double la fréquence de la tension d'entrée. (C) Nano lettres
Au cours des expériences décrites, il a été enregistré que l'émetteur vous permet de générer un son avec une plage de fréquences et un niveau de pression acoustique (SPL) suffisants pour une utilisation dans un équipement acoustique portable et stationnaire moderne. De plus, le prototype avait un niveau de distorsion harmonique (THD) incroyablement bas.
Données théoriques et expérimentales pour les enceintes thermoacoustiques à couches minces. (a) Résultats théoriques et expérimentaux du SPL par rapport à l'opérateur des haut-parleurs thermoacoustiques à couche mince. Les données expérimentales sont représentées par des carrés pleins rouges et des triangles pour les films CNT minces monocouches et quadri-couches, respectivement. Les lignes vertes et les lignes noires sont SPL calculées par la théorie d'Arnold et Crendall (équiv.1) et nos théories (équiv.2) pour les haut-parleurs CNT monocouche (supérieur) et quatre couches (moyen) et une épaisseur de 700 nm Pt thermophone (inférieur). La puissance d'entrée est de 4,5 watts. (B) La dépendance du SPL (à 10 kHz avec une puissance d'entrée de 1 W) vis-à-vis des HCPUAC est calculée selon la théorie d'Arnold et Crandall (équiv.1, ligne rouge) et notre théorie (équiv.2, ligne noire), respectivement. (C) Nano lettres
L'article a noté que la feuille utilisée comme membrane est transparente et flexible. Kylie Jiang a mentionné qu'il peut être déformé sans endommager considérablement la qualité sonore. Il a également été constaté qu'un film de nanotubes placé sur un cadre cylindrique permet d'émettre du son avec la même intensité dans toutes les directions. Une caractéristique intéressante qui réfute certaines des conclusions d'Arnold et Krendel, est que lorsque le film a été étiré (200% de la zone d'origine), le signal est resté presque inchangé.
La publication de chercheurs chinois a été citée par les médias pendant un certain temps. Les médias ont même prédit la mort imminente des systèmes de haut-parleurs traditionnels, mais l'innovation a vite été oubliée. Il n'y a eu aucune tentative connue de créer des pilotes série.
Problèmes d'introduction de thermophones
Malgré les avantages évidents des nanotubes en tant que matériau pour les membranes des émetteurs acoustiques et les effets thermoacoustiques, cette approche n'est pas sans inconvénients. Le principal problème est le coût des nanotubes eux-mêmes.
Les prix de gros actuels des nanotubes à paroi simple fabriqués en Chine varient de 30 $ à 90 $ le gramme. Selon les affirmations des fabricants potentiels de produits acoustiques à partir de ce matériau, les prix existants rendent inutile l'émission de produits économiques avec leur utilisation.
L'extrémité relativement élevée du marché, où le prix pourrait être justifié par la «valeur prestigieuse» des produits, est encore plus difficile. Il existe déjà des radiateurs électrostatiques et orthodynamiques proches et identiques à la fibre nanotube en termes de propriétés acoustiques. Dans le même temps, les procédés et équipements technologiques permettant de produire une telle acoustique ont été testés et ont une efficacité économique bien calculée. Pour l'introduction des nanotubes, il est nécessaire d'investir massivement dans l'équipement, le développement, la planification, sans aucune garantie commerciale.
Il existe également des nuances techniques associées à l'utilisation de ce type d'émetteurs. Tout d'abord, il n'y a toujours pas d'études publiées sur la réduction de la température de surface de l'émetteur, bien que Kylie Jiang ait mentionné cette possibilité. D'un autre côté, si nous comparons les températures du film avec les températures du plasma dans les ionophones (qui sont déjà produites en masse), alors même les prototypes de pilotes expérimentés avec des nanotubes semblent beaucoup plus sûrs.
Hybrides Kozlov
Un chercheur américain d'origine russe Mikhail Kozlov de l'Université du Texas à Dallas en 2014 a publié un rapport sur la création d'un prototype de l'émetteur hybride d'origine. En utilisant un film de nanotubes comme membrane, il a développé un haut-parleur qui utilise l'effet thermoacoustique et le principe traditionnel d'un conducteur dynamique. Selon le chercheur, cette approche résoudra certains des problèmes décrits ci-dessus.
image d'une feuille multicouche de nanotubes de carbone utilisée pour un transducteur de son thermomagnétique. (Image: Mikhail Kozlov, Université du Texas à Dallas).
Selon le scientifique, il a réussi à combiner les avantages des pilotes thermoacoustiques et dynamiques. L'idée proposée par Kozlov est de placer une feuille d'un nanotube de carbone entre des tiges conductrices à côté d'un aimant permanent. Avec l'excitation électrique, la réponse thermique du matériau est combinée avec les vibrations de la feuille provoquées par l'action électromagnétique de la force de Lorentz. En conséquence, la conception permet d'obtenir un rayonnement thermomagnétique hybride des ondes sonores, avec un niveau de distorsion relativement faible et des caractéristiques d'amplitude impressionnantes qui dépassent les thermophones chinois décrits ci-dessus.
Résumé
J'espère sincèrement que les thermophones apparaîtront sur le marché de masse et seront produits en masse. D'après les recherches de Jiang et Kozlov, il devient clair que la technologie a un avenir prometteur, si on songe à lui. Les problèmes de mise en œuvre décrits ci-dessus sont indéniablement graves et complexes. Pendant ce temps, 10 ans se sont écoulés depuis la première publication sur l'apparition d'un prototype fonctionnel de l'émetteur Kylie Jiang, et pendant ce temps, ils pourraient probablement être résolus.
Je pense qu'il y a d'autres raisons, moins objectives et moins évidentes, pour lesquelles cette technologie n'est pas pressée d'être introduite. Ces raisons incluent la réticence de certains acteurs du marché (ayant une capacité suffisante pour produire des enceintes classiques) à perdre du terrain dans leur segment. Malheureusement, contrairement à la croyance populaire, l'innovation n'est pas toujours utile pour les entreprises, surtout si beaucoup d'argent est investi dans une technologie archaïque.
Jeans
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