Ультратонкие пленки вполне могут заменить тяжелые и энергозатратные компоненты, используемые в современных громкоговорителях, делая акустические системы легче и экологичнее. И это не только облегчило бы жизнь техникам сцены и роуди, которым приходится устанавливать громкоговорители на стадионах и концертных залах, но и могло бы снизить потребность в электроэнергии в миллионах домов. Магнитные драйверы громкоговорителей, которые обычно используются в системах громкой связи и сценических установках громкоговорителей, потребляют много электроэнергии. Нередко уровень мощности достигает сотен тысяч ватт на крупномасштабных мероприятиях. Но энергопотребление в бытовых установках объемного звучания (системах домашней музыки или домашнего кинотеатра) также не является незначительным. Большинство из нас знает, как быстро требуется подзарядка беспроводного динамика с батарейным питанием.

Но новая технология, разрабатываемая профессором Стефаном Зелеке и его исследовательской группой в лаборатории интеллектуальных материальных систем Саарского университета и в ZeMA (Центре мехатроники и технологий автоматизации) в Саарбрюккене, заметно более энергоэффективна. Их технология не основана на дорогих и труднодоступных материалах; все, что для этого нужно, - это силиконовая пленка, немного технического углерода и интеллектуальный блок управления. Эти новые приводные системы на основе пленки дают возможность создавать громкоговорители совершенно новых форм. "Наши системы интеллектуальных материалов, изготовленные из диэлектрических эластомеров, открывают возможности для переосмысления многого из того, что мы знаем в области акустики. Эти системы могли бы помочь сделать технологию громкоговорителей более устойчивой и развивать ее в новых направлениях", - сказал профессор Стефан Зелеке.

Диапазон возможных применений очень широк. Например, пленки могут быть встроены в настенный текстиль для активного подавления окружающего шума, или, если их носить на теле, они могут излучать акустические сигналы. Исследовательская группа из Саарбрюккена демонстрирует свою технологию на выставке Hannover Messe в этом году, где они будут искать коммерческих и промышленных партнеров, с которыми они могли бы исследовать и разрабатывать технологию для новых применений.

Технология основана на тонких силиконовых пленках, покрытых электропроводящим слоем, для создания диэлектрических эластомеров, для работы которых требуется очень низкий уровень электроэнергии. Изменяя приложенное электрическое поле, команда исследователей может заставить эластомер вибрировать с высокой частотой или выполнять плавно изменяющиеся изгибающие движения. Если эластомерную пленку свернуть в рулон, ее можно использовать в качестве драйвера громкоговорителя нового типа, заменяющего тяжелые, потребляющие энергию электромагниты или постоянные магниты, которые приводят в действие мембраны громкоговорителей, сохраняя при этом насыщенные басовые частоты.

"На обе стороны силиконовой пленки нанесен очень гибкий электродный слой на основе технического углерода", - объяснил профессор Пол Моцки, который проводил исследования в этой области в качестве постдокторанта в команде Зелеке. "Если мы подадим напряжение на эластомер, электроды притянутся друг к другу, сжимая полимер и заставляя его расширяться в стороны, тем самым увеличивая площадь его поверхности", - сказал Моцки, который в настоящее время является профессором в области интеллектуальных систем материалов для инновационного производства в Саарландском университете и в ZeMA, где он возглавляет исследовательское направление "Интеллектуальные материальные системы". Поскольку полимерные пленки сокращаются таким образом, их также называют искусственными мышцами. И каждый раз, когда они меняют форму, меняется и электрическая емкость пленки. Каждое значение емкости соответствует определенному положению пленки. Пленка, по сути, становится своим собственным сенсором. Комбинируя данные измерений с интеллектуальными алгоритмами, команда может программировать чрезвычайно быстрые последовательности движений и, таким образом, точно контролировать поведение эластомерной пленки. Изменяя приложенное электрическое поле, исследователи могут заставить пленку пульсировать или заставлять ее колебаться или изгибаться с некоторой требуемой частотой.

Пленка также может генерировать отдельные акустические тона или даже несколько тонов, если несколько частот колебаний накладываются друг на друга, превращая эластомерную пленку в собственный громкоговоритель. "В зависимости от области применения мы можем использовать пленку одновременно и как приводную систему, и как генератор звука. Мы можем разрабатывать технические решения с новыми формами и дизайном, которые к тому же невероятно компактны, толщиной всего в несколько миллиметров", - объяснила Софи Налбах, которая работала над "умными" пленками в рамках своей докторской диссертации в группе профессора Зелеке и в настоящее время является лидером группы в области исследований "Интеллектуальных материальных систем" в ЗеМА. Хотя пленки не вытесняют достаточно воздуха, чтобы соответствовать характеристикам современных обычных громкоговорителей, их, безусловно, можно было бы встроить в текстиль, который затем смог бы издавать акустические предупреждающие сигналы.

Фон:

Обсуждаемая здесь технология была изучена и разработана в рамках нескольких докторских исследовательских проектов. Результаты были опубликованы в виде статей в различных научных журналах. Исследовательская работа также получила поддержку из многочисленных источников. Например, правительство штата Саар оказало финансовую поддержку в рамках проекта BEAT, совместного проекта с базирующейся в Сааре компанией Stamer GmbH, и в рамках проекта iSMAT Европейского фонда регионального развития (ERDF). Финансирование ЕС было предоставлено через исследовательскую стипендию Марии Кюри.

Команда профессора Зелеке в настоящее время работает над рядом различных исследовательских проектов, направленных на разработку этих приводных систем на основе пленки для целого ряда различных применений, включая способы их соединения таким образом, чтобы они могли взаимодействовать коллективно. Для этого исследователям необходимо будет придать новые возможности поверхностям и интерфейсам, что, в свою очередь, требует дальнейшей миниатюризации технологии.

Компания "mateligent GmbH" была выделена из отдела профессора Зелеке, чтобы облегчить передачу результатов их прикладных исследований для коммерческого и промышленного применения.