Diketahui bahwa pengeras suara elektrodinamik tradisional bersama dengan sejumlah keunggulan memiliki kerugian yang nyata, misalnya, batas kesetiaan tertentu. Untuk mencapai indikator kualitas suara yang tinggi, prinsip elektromekanis pengoperasian speaker tradisional memerlukan banyak trik, dengan serius membatasi kemampuan pengembang, mengarah pada biaya yang signifikan dan, akibatnya, meningkatkan biaya mereka. Selain itu, bahan tradisional yang digunakan untuk membran speaker, seperti yang Anda tahu, memiliki "langit-langit" pada tingkat distorsi serendah mungkin, cukup besar, dan magnet permanen menimbulkan distorsi tambahan.
Dalam posting sebelumnya, kami telah menggambarkan beberapa alternatif terkenal untuk speaker, seperti elektrostatik, iso / emitor ortodinamik dan ionofon. Dalam materi ini kita akan berbicara tentang mungkin penggantinya yang paling canggih dan berteknologi tinggi dari driver dinamis yang kita kenal - penghasil emisi yang dibuat berdasarkan nanotube.
Sedikit tentang nanotube
Karbon nanotube adalah modifikasi alotropik karbon dalam bentuk struktur silinder berongga graphene dan dengan diameter dari sepersepuluh hingga beberapa nanometer. Sederhananya, ini adalah molekul besar yang terdiri dari jutaan atom karbon yang terletak di puncak elemen struktural bentuk heksagonal biasa.
Sebagai bahan, nanotube karbon memiliki kekuatan yang sangat tinggi terhadap rasio kepadatan. Koefisien kekuatan tabung adalah dari 1 hingga 100 GPa (koefisien kekuatan baja adalah 500-3000 MPa), sedangkan kerapatan material sedikit lebih tinggi dari kerapatan air - 1,35 g / cu. lihat. Saat ini, serat dari nanotube adalah yang paling tipis yang diketahui, ketebalan serat ini 30.000 kali lebih rendah dari ketebalan rata-rata rambut manusia. Fitur penting lainnya (terutama untuk penggunaan akustik) dari nanotube adalah pemanasannya yang cepat di bawah pengaruh arus listrik bolak-balik dan kapasitas panas yang rendah.
Karena sifat mereka, nanotube telah menemukan aplikasi praktis di sejumlah besar daerah. Saya hanya akan memberikan sebagian kecil: benang tugas berat, kawat nano, sensor pendeteksi gas, obat-obatan pada umumnya dan bedah khususnya, generator dan mesin energi, otot buatan, sumber saat ini, dan banyak lainnya. dll. Salah satu proyek paling ambisius terkait nanotube adalah kabel untuk elevator ruang angkasa. Meskipun, dalam sejumlah publikasi, penggunaannya dipertanyakan, mengingat hilangnya kekuatan yang signifikan saat membuat serat.
Tidak seperti lift ruang angkasa, tidak ada keraguan tentang efektivitas menggunakan nanotube untuk membuat pemancar akustik dengan kesetiaan tinggi. Prototipe dari pembicara tersebut telah dibuat untuk tujuan eksperimental. Tetapi efisiensi adalah satu hal, dan produksi serial adalah hal lain.
Momen kunci untuk menggunakan sifat akustik nanotube adalah tahun 1991, ketika beberapa jenis (lapisan tunggal dan multi-lapisan) dari film karbon transparan dibuat dari mereka.
Pemancar termoakustik dengan membran nanotube
Perlu dicatat bahwa sifat akustik dari nanotube karbon ditemukan secara kebetulan. Sejumlah percobaan dengan bahan yang relatif baru telah mengarah pada kesimpulan bahwa lembaran nanotube mampu memancarkan gelombang suara di bawah pengaruh arus bolak-balik.
Pada 2008, para peneliti China yang dipimpin oleh Kaili Jiang menarik perhatian pada fakta bahwa selembar nanotube mengeluarkan suara di bawah pengaruh arus bolak-balik. Setelah itu, mereka menerapkan sinyal musik yang dimodulasi dan menyadari bahwa lembaran itu mampu mereproduksi suara. Dengan mengirimkan vibrometer laser (Polytech PSV 300-F) ke lembaran, para ilmuwan terkejut bahwa film yang digunakan sebagai radiator tidak bergerak. Belakangan, adalah mungkin untuk mengetahui bahwa suara itu muncul sebagai akibat dari pemanasan lembaran yang cepat, mis. proses termoakustik.
Yang menarik, fenomena efek termoakustik itu sendiri sudah dikenal sejak akhir abad ke-19. Deskripsi terperinci pertamanya dibuat oleh ilmuwan Amerika HD Arnold dan IB Crandall dalam artikel "The Thermophone sebagai Sumber Presisi Suara", yang diterbitkan 1 Juli 1917. Pada saat itu, tidak ada bahan yang memungkinkan untuk menggunakan prinsip termoakustik dalam praktik dengan cara apa pun.
Hasil penelitian tim Kylie Jiang diterbitkan dalam Pengeras Suara Film Tipis Karbon Nanotube yang Fleksibel, Merenggang, Transparan. Dalam artikel itu, para ilmuwan menggambarkan perangkat yang berhasil mereproduksi sinyal dan suara musik dari mikrofon menggunakan efek termoakustik.
Suhu lembar maksimum ketika sinyal dipasok dengan daya nominal 12 W (8 Ohm) adalah 80 derajat Celcius. Menurut Kylie Jiang, dimungkinkan untuk membuat speaker serupa dengan suhu yang lebih rendah, tetapi ini tidak diterapkan sebagai bagian dari percobaan. Pada saat yang sama, emitor memiliki sejumlah karakteristik unik.
Foto 2 Menguji kinerja akustik dari pengeras suara film tipis CNT. (a) Ilustrasi skematis dari pengaturan eksperimental. (b) Tingkat tekanan suara (dalam dB) dan distorsi harmonik total dari pengeras suara CNT satu-lapis (merah) dan empat-lapis (biru) pada jarak 5 cm antara pengeras suara dan mikrofon. Daya input masing-masing adalah 3 W dan 12 W untuk speaker lapisan tunggal dan empat. © Tekanan suara dihasilkan oleh loudspeaker CNT empat lapis, tergantung pada daya input, yang menunjukkan hubungan linier. Kotak hitam mewakili hasil eksperimen, dan garis merah mewakili hasil yang sesuai. (d) Sinyal waktu-nyata dari tegangan input CNT empat lapisan film tipis dan output tekanan suara dari mikrofon, yang menunjukkan bahwa frekuensi tekanan suara menggandakan frekuensi tegangan input. (C) Surat Nano
Selama percobaan yang dijelaskan, tercatat bahwa emitor memungkinkan Anda untuk menghasilkan suara dengan rentang frekuensi dan tingkat tekanan suara (SPL) yang cukup untuk digunakan dalam peralatan akustik portabel dan stasioner modern. Selain itu, prototipe memiliki tingkat distorsi harmonik (THD) yang sangat rendah.
Data teoritis dan eksperimental untuk pengeras suara film tipis termoakustik. (a) Hasil teoritis dan eksperimental SPL dibandingkan dengan operator pengeras suara film tipis termoakustik. Data eksperimental diwakili oleh kotak merah solid dan segitiga untuk film CNT tipis satu lapis dan empat lapis. Garis hijau dan garis hitam adalah SPL yang dihitung oleh teori Arnold dan Crendall (equiv. 1) dan teori kami (equiv. 2) untuk speaker CNT single-layer (atas) dan empat-layer (sedang) dan ketebalan termophone Pt 700 nm (lebih rendah). Daya input adalah 4,5 watt. (B) Ketergantungan SPL (pada 10 kHz dengan daya input 1 W) pada HCPUAC dihitung berdasarkan teori Arnold dan Crandall (ekuivalen 1, garis merah), dan teori kita (ekuivalen 2, garis hitam). (C) Surat Nano
Artikel itu mencatat bahwa lembaran yang digunakan sebagai membran transparan dan fleksibel. Kylie Jiang menyebutkan bahwa itu dapat dideformasi tanpa kerusakan signifikan pada kualitas suara. Itu juga menemukan bahwa film nanotube ditempatkan pada bingkai silindris memungkinkan suara yang akan dipancarkan dengan intensitas yang sama di semua arah. Sebuah fitur menarik yang menyangkal beberapa kesimpulan dari Arnold dan Krendel, adalah bahwa ketika film ditarik (200% dari area aslinya), sinyal tetap hampir tidak berubah.
Publikasi para peneliti Cina dikutip oleh media untuk beberapa waktu. Media bahkan meramalkan kematian sistem speaker tradisional yang akan segera terjadi, tetapi inovasi segera dilupakan. Tidak ada upaya yang diketahui untuk membuat driver serial.
Masalah memperkenalkan termofon
Meskipun keuntungan jelas dari nanotube sebagai bahan untuk membran emitor akustik dan efek termoakustik, pendekatan ini bukan tanpa kekurangan. Masalah utama adalah biaya nanotube sendiri.
Harga grosir saat ini untuk nanotube berdinding tunggal buatan Tiongkok berkisar dari $ 30 hingga $ 90 per gram. Menurut klaim produsen potensial produk akustik dari bahan ini, harga yang ada membuatnya tidak berarti untuk mengeluarkan produk anggaran dengan penggunaannya.
Ujung pasar yang relatif tinggi, di mana harga bisa dibenarkan oleh "nilai prestisius" dari produk, masih lebih sulit. Sudah ada radiator elektrostatik dan ortodinamik yang dekat dan identik dengan serat nanotube dalam hal sifat akustik. Pada saat yang sama, proses dan peralatan teknologi yang memungkinkan produksi akustik tersebut telah diuji dan memiliki efisiensi ekonomi yang diperhitungkan dengan baik. Untuk pengenalan nanotube, perlu untuk berinvestasi dalam peralatan, pengembangan, perencanaan, tanpa jaminan komersial.
Ada juga nuansa teknis yang terkait dengan penggunaan jenis emitor ini. Pertama-tama, masih belum ada penelitian yang diterbitkan tentang mengurangi suhu permukaan emitor, meskipun Kylie Jiang menyebutkan kemungkinan ini. Di sisi lain, jika kita membandingkan suhu film dengan suhu plasma di ionofon (yang sudah diproduksi secara massal), bahkan prototipe driver yang berpengalaman dengan nanotube terlihat jauh lebih aman.
Hibrida Kozlov
Seorang peneliti Amerika asal Rusia Mikhail Kozlov dari University of Texas di Dallas pada 2014 menerbitkan laporan tentang pembuatan prototipe emitor hibrida asli. Menggunakan film nanotube sebagai membran, ia mengembangkan pengeras suara yang menggunakan efek termoakustik dan prinsip tradisional driver dinamis. Menurut peneliti, pendekatan ini akan menyelesaikan beberapa masalah yang dijelaskan di atas.
gambar lembar multilayer karbon nanotube yang digunakan untuk transduser suara termomagnetik. (Gambar: Mikhail Kozlov, Universitas Texas di Dallas).
Menurut ilmuwan, ia berhasil menggabungkan keunggulan driver thermoacoustic dan dinamis. Gagasan yang diajukan Kozlov adalah menempatkan selembar nanotube karbon di antara batang konduktif di sebelah magnet permanen. Dengan eksitasi listrik, respons termal material dikombinasikan dengan getaran lembaran yang disebabkan oleh aksi elektromagnetik gaya Lorentz. Sebagai hasilnya, desain memungkinkan untuk memperoleh radiasi termomagnetik hibrid dari gelombang suara, dengan tingkat distorsi yang relatif rendah dan karakteristik amplitudo yang mengesankan yang melebihi termofor Cina yang dijelaskan di atas.
Ringkasan
Saya sangat berharap bahwa termofon akan muncul di pasar massal dan akan diproduksi secara massal. Dari penelitian Jiang dan Kozlov, menjadi jelas bahwa teknologi memiliki masa depan yang menjanjikan, jika diingatkan. Masalah implementasi yang dijelaskan di atas tidak dapat disangkal serius dan kompleks. Sementara itu, 10 tahun telah berlalu sejak publikasi pertama tentang penampilan prototipe kerja emitor Kylie Jiang, dan selama waktu ini mereka mungkin bisa diselesaikan.
Saya percaya bahwa ada alasan lain, yang kurang objektif dan kurang jelas mengapa teknologi ini tidak terburu-buru untuk diperkenalkan. Alasan-alasan ini termasuk keengganan beberapa pelaku pasar (memiliki kapasitas yang cukup untuk menghasilkan pembicara klasik) untuk kehilangan posisi di segmen mereka. Sayangnya, bertentangan dengan kepercayaan populer, inovasi tidak selalu berguna untuk bisnis, terutama jika banyak uang diinvestasikan dalam teknologi kuno.
Jeans
Katalog kami disajikan Berbagai sistem speaker dengan kesetiaan tinggi .
Konten foto yang digunakan:
www.nanowerk.com
pubs.acs.org
aip.scitation.org