文|創(chuàng)瞰巴黎 Pablo Andres
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
傳統(tǒng)揚聲器的結(jié)構(gòu)組成中，磁鐵和銅線圈太過笨重，且成本很高。科研人員正在致力于開發(fā)新型的薄膜材料，用于升級新一代揚聲器。新型的薄膜材料是否能滿足揚聲器的多項標(biāo)準(zhǔn)？新型材料在哪些方面具有更突出的優(yōu)勢，又有哪些缺陷？
一覽：
- 當(dāng)前應(yīng)用最廣的電動式揚聲器的原理是：利用磁鐵與銅線圈之間的相互作用力，振動音箱發(fā)聲。
- 磁鐵和銅線圈既笨重又昂貴，未來有望被介電彈性體薄膜取代。
- 新型薄膜重量輕，而且符合效率、頻譜平衡和線性度三方面的標(biāo)準(zhǔn)。
- 不過，新型薄膜揚聲器仍面臨一些技術(shù)障礙，例如薄膜脆弱易損。
- 一旦克服障礙，價格更低、重量更輕的新型揚聲器就可啟動大規(guī)模生產(chǎn)。
如今市面上的揚聲器型號各異，尺寸五花八門，但內(nèi)在機制大同小異，基本都使用西門子創(chuàng)始人維爾納·馮·西門子于19世紀發(fā)明的經(jīng)典結(jié)構(gòu)：將磁鐵與銅線圈的運動耦合，帶動錐形薄膜振動而發(fā)聲。
磁鐵和銅線圈又重又占空間，且成本很高。不過，利用簡單的介電彈性體薄膜配合新技術(shù)，有望取代這兩個傳統(tǒng)元件。
橡膠作為彈性體，是一種非常靈活的材料。新型橡膠薄膜有著特殊的介電性能，傳導(dǎo)的電流非常小。在薄膜的兩側(cè)涂抹導(dǎo)電油脂，就能形成電極，讓傳輸?shù)奖∧ど系碾娦盘枎幽さ恼饎樱l(fā)出聲波。
圖片來源：PI France - 使用電介質(zhì)彈性體膜的揚聲器示意圖[1]
上述原理可以作為新一代揚聲器設(shè)計的基礎(chǔ)。在法國國立高等先進技術(shù)大學(xué)（巴黎綜合理工大學(xué)）的力學(xué)講師Corinne Rouby與力學(xué)教授Olivier Doaré的指導(dǎo)下，研究員Emil Garnell撰寫了一篇論文[1]，提出了優(yōu)化橡膠薄膜揚聲器技術(shù)的若干策略[2, 3]。
01 材料升級換代
Doaré解釋道：“完美的揚聲器必須符合三方面的標(biāo)準(zhǔn)：效率、頻譜平衡和線性度。”具體而言，揚聲器要以盡可能少的電能產(chǎn)生盡可能多的聲能（效率），產(chǎn)生的聲波要盡可能忠實地將接收到的電信號再現(xiàn)成聲波（頻譜平衡），而且無論音量大小如何，聲音都不能失真（線性度）。
“完美的揚聲器必須符合三方面的標(biāo)準(zhǔn)：效率、頻譜平衡和線性度。”
一款好的揚聲器必須能忠實轉(zhuǎn)換音頻信號，而不是簡單地發(fā)出最響亮的聲音。在滿足特定條件的情況下，電介質(zhì)彈性體薄膜不僅可以使揚聲器變輕，維持高保真度，還能降低生產(chǎn)成本。
Rouby表示：“自2000年代以來，對介電彈性體的研究方興未艾[4]，但這些研究并沒有與揚聲器設(shè)計掛鉤?！睂嶋H上，介電彈性體的天然優(yōu)勢很適合應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域。她說：“傳統(tǒng)的揚聲器因為使用了磁鐵，所以很重而且生產(chǎn)成本高，但磁鐵其實沒必要?！?/p>
用介電彈性薄膜取代銅線圈和磁鐵，能減輕揚聲器重量，開辟行業(yè)新天地，不過新設(shè)計仍處于實驗階段。研究人員解釋道：“論文雖然已經(jīng)完成，但研究仍需繼續(xù)。”下一步研究將由一位化學(xué)專業(yè)的博士后完成，調(diào)整各個材料之間的匹配。
02 缺陷亟待克服
新型的揚聲器還不能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但前期實驗的結(jié)果十分積極，值得開展進一步研究。不過，實驗也暴露出了新技術(shù)亟待克服的缺陷。
Rouby解釋道：“首先，薄膜雖然彈性好，卻非常易損。電壓過高時會產(chǎn)生電弧，使薄膜無法使用?！边@種情況在播放低頻聲音時尤其容易出現(xiàn)，因為低頻聲音需要大量電能。此外，低頻聲音對應(yīng)著更大幅度的振動，更容易損壞薄膜。
研究人員還優(yōu)化了電極的形狀（既導(dǎo)電油脂涂抹的形狀），確保薄膜能發(fā)出所有頻率的聲音?！案鞣N頻率的振動都會引起薄膜或強或弱的共振?！币虼擞斜匾刂乒舱瘢苊鈸P聲器“偏好”某些頻率 [5]。不過，對發(fā)送到揚聲器的電信號進行濾波，也可以實現(xiàn)頻率平衡 [6]。
目前還發(fā)現(xiàn)的一個顯著缺陷是揚聲器密封。“在實驗室里，新型揚聲器配有壓力控制器，可以控制音箱空腔內(nèi)的各種液體泄漏。但是在客廳配備壓力控制器不現(xiàn)實?！北M管如此，Rouby認為這一挑戰(zhàn)并非不可逾越。
一旦克服了上述障礙，新型揚聲器就能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。由于其成本更低、重量更輕，定會受到消費者的歡迎。Doaré目前還在試圖將類似的理念用于耳機設(shè)計，將彈性薄膜換成壓電式薄膜。隨著研究的不斷推進，新型揚聲器和耳機也許很快會走進我們的生活，帶來更高端的聽覺享受。