Fremtidige telefoner og bærbare computere kunne have højttalere lavet af kulstof nanorør

(Phys.org) – For det sidste år, forskere ved Tsinghua University i Beijing har lyttet til musik på en bærbar computer gennem et par usædvanlige høretelefoner. Selvom høretelefonerne ser almindelige ud, de indeholder ikke den typiske metalspolehøjttaler, der findes i de fleste øretelefoner, men snarere en chip lavet af mange strenglignende carbon nanorør (CNT) garn med riller ætset i dem. Fordi de er nemme at fremstille, fungerer på 60 mW strøm, og giver klar lydkvalitet, de CNT-baserede chips kunne bruges som komponenter i en lang række højttalere, inklusive dem, der findes i mobiltelefoner og bærbare computere.

"CNT termoakustiske chip er siliciumbaseret, vibrationsfri, tynd, og magnetisk fri, " fortalte Yang Wei fra Tsinghua University Phys.org . "Det introducerer CNT-baseret nanoteknologi i den konventionelle halvlederindustri. Dette gennembrud vil i høj grad sænke omkostningerne og dermed fremme kommercialiseringen af ​​nanoteknologi. Mere funktionaliserede enheder kan integreres i den termoakustiske chip, da den er baseret på en siliciumwafer. CNT-højttaleren kan arbejde i lang tid takket være dens vibrationsfrie egenskab. Den lille tykkelse gør det muligt at imødekomme kravet om miniaturisering af enheden. Ulempen er den lave effektivitet, som angivet af følsomheden. Men CNT-øretelefonens strømforbrug er acceptabelt for forbrugerelektronik."

I deres papir offentliggjort i et nyligt nummer af Nano bogstaver , forskerne forklarer, at CNT-højttalerne fungerer helt anderledes end konventionelle højttalere. De fleste højttalere producerer lyde ved mekanisk vibration af et fysisk materiale, såsom metal, papir, eller plastik, som så får omgivende luftpartikler til at vibrere. I modsætning, CNT-højttalerne producerer lyde på grund af en vekselstrøm, der periodisk opvarmer CNT-garn-arrayet, som skaber temperaturbølger i den omgivende luft. Den termiske udvidelse og sammentrækning af den omgivende luft genererer lyd. På trods af forskellene mellem disse to metoder til lydproduktion, lyden fra CNT-højttalerne er stort set den samme som den, der genereres af mekaniske vibrationer.

Termoakustiske effekter var kendt så langt tilbage som 1917, da fysikerne H.D. Arnold og I.B. Crandall, arbejder på forskningslaboratoriet hos American Telephone and Telegraph Co. og Western Electric Company, Inc., som senere blev til Bell Labs, observerede, at tilførsel af en elektrisk strøm ind i en tynd leder kunne producere lyde og fungere som en termofon.

Imidlertid, der var ingen væsentlige fremskridt med termakustiske effekter før 2008, da et hold af forskere fra Kina, herunder nogle af forfatterne til det aktuelle papir, fremstillet en termoakustisk højttaler lavet af et stykke justeret CNT-film. Forskerne fandt ud af, at brug af CNT-materialet i stedet for en konventionel leder i høj grad kan forstærke den termoakustiske effekt på grund af CNT-filmens ultralille varmekapacitet pr. arealenhed. På denne måde CNT-films egenskaber i nanoskala har gjort det gamle termofonkoncept praktisk.

I det aktuelle papir, fysikerne erstattede den justerede flervæggede CNT-film med flervæggede CNT tynde garn-arrays, som har en høj mekanisk styrke og hurtig termisk respons svarende til filmen. CNT garn arrays blev suspenderet på tværs af en række riller, der var mønstret på en silicium wafer, og sølvelektroder blev klistret på siderne af hver chip. Forskerne fandt ud af, at lydtrykniveauet er meget afhængigt af rilledybden, som her varierede fra 5 til 200 um, med dybere riller, der giver højere lydtryksniveauer.

Forskerne fastslog også, at ifølge temperaturbølgeteori, et substrat eller en anden genstand, der er inden for en termisk bølgelængde af arrayet, kan muligvis forårsage varmetab og undertrykke lyden. Men så længe substratet er mindst én termisk bølgelængde væk fra arrayet, det forstyrrer ikke lydproduktionen.

Størrelsen af ​​hver termoakustisk chip er 9,5 mm x 9,5 mm, på størrelse med en negl. En enkelt chip kan erstatte den konventionelle spolehøjttaler i en øretelefon, hvor den termoakustiske chip har den fordel, at den er meget tyndere end spolen. Konventionelt øretelefonhylster har normalt små huller på bagsiden for at frigøre tryk genereret af den vibrerende spole. Imidlertid, disse huller er unødvendige for den termoakustiske øretelefon, da der ikke er nogen vibrationskomponent, og forskerne fandt ud af, at tætning af disse huller mindsker lydlækage, især ved lave frekvenser.

Den termoakustiske øretelefon har på dette stadium en effektivitet på 48 dB/mW, som ikke er så effektiv som en konventionel øretelefon, som har en værdi på omkring 100 dB/mW. Imidlertid, som fysikerne nævnte, strømforbruget på 60 mW er velegnet til praktiske enheder.

Forskerne viste, at den termoakustiske chip kan samles til et integreret kredsløb og drives af en USB. Da chippen involverer en siliciumwafer, forskerne kunne pakke chippen ind i et standard halvlederhus, som nemt kan samles til printkort ved lodning. I fremtiden, det kan være muligt at integrere yderligere funktioner såsom hukommelsesenheder og musikafspillere.

Forskerne demonstrerede også et 4-tommers chip-array, bestående af 69 chips på en siliciumwafer. Større termoakustiske højttalere kan have forskellige applikationer, som kan omfatte akustiske enheder med lang rækkevidde og akustisk undervandskommunikation.

"Vi har bevist, at en CNT termoakustisk chip er egnet til at blive anvendt i forbrugerelektronik, men der er stadig meget arbejde at gøre for at kommercialisere denne teknologi, "Yang Wei sagde. "Vi vil gøre en indsats for at optimere enhedens design og akustiske design og yderligere reducere omkostningerne. Mere opmærksomhed fra industrien vil være nyttig for teknologifremme, da der ikke er nogen specialiseret IC til at drive de termoakustiske højttalere, og CNT-øretelefonen er stadig inkompatibel med den konventionelle lydudgang."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.