Onderzoekers maken zuinige luidspreker van 120 micrometer dikte

Onderzoekers van MIT hebben een zeer zuinige luidspreker met de dikte van een velletje papier ontwikkeld. De werking berust op minuscule bobbeltjes op een plastic en een piëzo-elektrische laag. Het materiaal is eenvoudig en goedkoop te produceren, volgens de makers.

De door MIT ontwikkelde luidspreker weegt 2 gram en heeft een dikte van 120 micrometer. De gevoeligheid van de luidspreker bedraagt bij een spanning van 25 volt 86dB op een afstand van 30 centimeter, ongeacht het oppervlak waar deze op aangebracht is. Het velletje heeft slechts 100 milliwatt aan vermogen per vierkante meter oppervlak nodig voor zijn werking.

De speakers zijn onder andere voor mobiele apparaten te gebruiken, denken de onderzoekers. Daarnaast denken ze aan toepassingen voor de entertainmentindustrie, om gebruikers te kunnen onderdompelen in ruimtelijk geluid door grote oppervlakken als luidspreker te laten dienen. Ook noemen ze toepassingen voor noisecancellation, waarbij dunne flexibele luidsprekers voor antigeluid gebruikt kunnen worden door hinderlijke geluiden op te heffen met een weergave in tegengestelde fase.

Het produceren van grote oppervlakken zou geen probleem zijn en dit zou ook goedkoop kunnen, stellen de onderzoekers. Ze gebruiken een laser om kleine gaatjes in het laagje plastic te maken. Aan de achterkant plaatsen ze een laagje piëzo-elektrisch materiaal. Door warmte aan te brengen, werkt het piëzo-elektrische materiaal zich door de gaatjes en vormt bobbeltjes aan de andere kant. Die bobbeltjes steken 15 micrometer uit en kunnen een halve micrometer omhoog en omlaag vibreren om geluid voort te brengen. De onderzoekers konden eenvoudig de optimale structuur testen door kleinere of grotere gaatjes in het plastic aan te brengen en zo bobbeltjes van verschillende grootte te verkrijgen.

De onderzoekers publiceerden hun werk in EEE Transactions of Industrial Electronics onder de titel An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array.

Reacties (58)

De door MIT ontwikkelde luidspreker weegt 2 gram en heeft een dikte van 120 micrometer. De gevoeligheid van de luidspreker bedraagt bij een spanning van 25 volt 86dB op een afstand van 30 centimeter, ongeacht het oppervlak waar deze op aangebracht is. Het velletje heeft slechts 100 milliwatt aan vermogen per vierkante meter oppervlak nodig voor zijn werking.

Ik vind het een gave uitvinding en zie wel toekomst voor dergelijke platte speakers maar bovenstaande cijfers laten wat vragen achter. Ik weet niet heel veel van dit onderwerp dus misschien stel ik domme vraggen. Dan is er vast wel een vriendelijke tweaker die dat recht zet.

Ten eerste: hoe groot is dat velletje? De video laat een vel zien dus dat zal het wel zijn. Een aantal van de getallen die hier genoemd worden horen bij deze specifieke speaker, niet bij de techniek. Het maakt uit of zo'n speaker 5cm groot is of de hele muur vult.

Ten tweede lijkt 86dB op 30 cm mij misleidend, volgens mij is het gebruikelijk om dit op 1 meter te meten. Op 1 meter afstand is er misschien maar 10% van over (sorry, ik heb mijn formules niet meer paraat, maar het gaat snel).

86dB gevoeligheid betekent nog niet dat deze speaker ook 86dB aan volume produceert. Dat hangt af van hoe sterk je signaal is. De normale definitie van gevoeligheid is "het volume op 1 meter afstand gemeten bij een input signaal van 1W". De vraag is dan wel hoeveel zo'n speaker aan kan.
1W is niet heel veel maar het is ook geen automatisme dat deze speaker dat kan hebben. Ik denk meer hoor, maar als je niet weet hoe "gevoeligheid" werkt bij luidsprekers dan kun je niet zo veel met zo'n getal.

86dB op 1 meter is overigens helemaal niet goed, eerder het omgekeerde. Maar dit is 86dB op 30 cm afstand. en dat is dus helemaal niet gevoelig in verhouding tot andere speakers. Ik snap niet waarom ze dit efficient noemen.

het velletje heeft slechts 100 milliwatt aan vermogen per vierkante meter oppervlak nodig voor zijn werking.

Maar kun je dan wat horen? Als je gevoeligheid slechts 86dB op 30cm is (bij 1 watt) dan zal het niet heel hard zijn.
Een auto kan rijden op 1 liter benzine, maar het wordt pas interessant als je weet hoe ver en hoe hard.

Sorry voor de kritische vragen, ik weet net genoeg van het onderwerp om domme vragen te stellen maar ik besef dat het ook aan mij kan liggen

Ten tweede lijkt 86dB op 30 cm mij misleidend, volgens mij is het gebruikelijk om dit op 1 meter te meten. Op 1 meter afstand is er misschien maar 10% van over (sorry, ik heb mijn formules niet meer paraat, maar het gaat snel).

Even los van je andere opmerkingen, die denk ik deels terecht zijn, zal deze uitspraak niet helemaal opgaan.
De speaker is planair en dat wil zeggen dat het een erg gerichte afstraling heeft. En die gerichte straal vertoont niet de normale inverse wortel afname die je bij bolvormige afstraling ziet. Grote kans dus dat je op 1m afstand nog een behoorlijke hap van die 86dB overhoudt.

Ze zeggen dat die luidspreker zuinig is.
Is het niet redelijk om aan te nemen dat die zuinig is vergeleken met andere luidsprekers?

Dat ligt er aan met welke luidsprekers je het vergelijkt. Hoornluidsprekers zijn efficient vergeleken met sommige zuilluidsprekers, die weer (over het algemeen) zuiniger zijn dan electrostatische luidsprekers (Magnepan). Ze varieren enorm in afmetingen en vereist wattage.

Dat ligt er aan met welke luidsprekers je het vergelijkt.

Is het niet redelijk om uit te gaan van gemiddelde reguliere speakers?

Of juist vergelijkbare speakers of eerder concepten die een vergelijkbaar ontwerp hadden (qua dikte).

Als het gaat om platte luidsprekers en zo, kan je ter vergelijking kijken naar elektrostatische luidsprekers (https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrostatische_luidspreker). Daar staat hoe het met die platte platen en lage frequenties zit: Ze hebben gewoon veel oppervlakte nodig. Naar mijn idee is het bij deze platen niet anders.

Voor lage tonen heb je veel luchtverplaatsing nodig. Bijvoorbeeld een luidspreker die een paar millimeter heen en weer kan.
De bewegingsruimte van deze speakers is 100 keer zo klein. Dus je hebt 100 keer zoveel oppervlak nodig.
(Bij die elektrostaten speelt mee dat de achterkant open is. En dat de aan de achterkant uitgestraalde golven de aan de voorkant kunnen cancellen. Door de omweg van de golven aan de achterkant groter te maken komt er een faseverschil.)

Volgens mij is de standaard formule iets met per verdubbeling van de afstand halveert de geluidsdruk. Let dan op dat Decibel logaritmisch is en dus ~3dB 50% van het volume is. (Heb ik gehoord of het staat me bij van uit de natuurkunde boeken.)
Maar goed ik heb even de rekenmachine er bij gepakt. (Distance Attenuation Calculator) en ik krijg op 1 meter afstand 75.54dB. Op 2 meter is dat nog 69.52dB. Dat is best wel veel geluid. Of het ook nog mooi klinkt kan je eigenlijk pas weten als het in een goede klank box zit.

Ik zat me vorige week af te vragen waarom we nog steeds magnetische velden gebruiken voor speakers en niet iets zoals een LED maar dan voor het produceren va geluid. Hier is mijn antwoord gek genoeg. Maar goed, het moet wel een beetje klinken anders heb ik liever die grootte dingen.

De video zegt dat deze speaker met 100 milliwatt op een vierkante meter aan zulk vel ongeveer evenveel 'sound pressure' produceert op een gelijke afstand als een 1 watt normale speaker.

Het velletje in de video lijkt meer 0.1*0.1 meter te zijn, mocht het verbruik en de geluidsproductie lineair schalen (aanname van mij) dan zal die dit geluid produceren met 1 milliwatt.

Met 1 milliwatt produceren de meeste headphones 85-100 db direct aan de oordop. Dat velletje in de video bereikt dat dus net op 30cm afstand. Voor een gelijke efficiëntie zou een headphone met 1 milliwatt ongeveer 115 db moeten produceren aan de oordop geloof ik, dan zou je 86db overhouden op 30 cm afstand.

Voor speakers test je de 'sensitivity' meestal met 1 watt aan input en meet je op 1 meter afstand. Met koptelefoons test je meestal met 1 milliwatt aan input en meet je aan de oordop. Het geluid gemeten op 30cm afstand maakt het dus lastig te vergelijken, al snap ik het wel. Gezien je een groot oppervlak van 10 vierkante meter nodig hebt om de speaker test te doen, en direct de mic tegen het vel houden geen recht doet aan dat het geluid van een groter oppervlak komt zijn die standaard test methodes ook niet eerlijk naar dit vel. Een velletje van zo'n 10*10cm testen op 30cm afstand met 1 milliwatt aan input wordt misschien wel een nieuwe test standaard voor dit type speaker als het een grote adoptie krijgt

Mijn grootste vraag is, hoe sterk zijn tonen lage frequenties, ik denk vrij zwak.
Zou mij niet verbazen als dit hoorbaar niet lager gaat dan 800hz.

https://youtu.be/4UxhK_8xqe8 11 jaar geleden konden ze dit ook, of is er een groot verschil wat ik mis?

Andere techniek denk ik, misschien is deze efficiënter qua verbruik of makkelijker te produceren?

Het is moeilijk om een grote plak piezo materiaal in de dikte te laten bewegen, dan moet het over de hele lengte en breedte ver naar binnen krimpen. De meeste piezo actuatoren voor wat grotere bewegingen gebruiken hefboom werking om de beweging van het piezo materiaal te minimaliseren, bijv. de bekende piezo buzzers, die buigen voornamelijk de zijkanten op en neer (unimorph heet dat).

Hier maken ze kleine koepeltjes, die koepeltjes kunnen ook als een soort hefboom werken. Alleen zijn in dit geval de koepels veel te klein voor nuttige beweging op alles behalve de hoogste frequenties. Als het zou kunnen werken met koepels van 1 mm hoog zou het veel lagere frequenties aankunnen.

[Reactie gewijzigd door Pinkys Brain op 30 april 2022 08:44]

Klinkt net zo beroerd, lijkt exact hetzelfde.

Klinkt net zo beroerd, lijkt exact hetzelfde.

Ik vermoed als je het velletje op een tafel verlijmd of nog beter een klankkast zo als bijv een akoestisch gitaar, dat het geluid weleens opmerkelijk goed klinkt.
Een traditionele speaker zonder klankkast klinkt ook verschrikkelijk.

Ik denk dat je gelijk hebt, maar.... was het punt niet dat het flinter dun was?

Deze heeft waarschijnlijk geen "achterkant" nodig. Als je het aanbrengt als behang heb je het wel ergens op aangebracht, maar geen grote kast.

Ik krijg gelijk het volgende filmpje aangeboden: 1mm thick piezo film speaker from Kyocera used in LG's curved-screen OLED TV

Overigens is 100mW/m2 wel heel interessant. Dat is 1mW/dm2, perfect laag vermogen wat zo uit een minuscuul ic'tje gevoed kan worden.
Ook lijkt me dit geschikt om direct in een bedieningspaneeltje te integreren: zeer ruimtebesparend.

Domme vraag: hoe kun geluid met een golflengte van zeg 10 cm (=3kHz) produceren met een speakeruitslag van een 1/1000ste mm?

Dat kan heel zacht, extreem gebundeld evt op een specifieke frequentie of anders met een hoorn, maar niet op zichzelf nee.

Dat heeft alles te maken met de akoestische koppeling.
86dB is voor een piezo transducer ook helemaal niet zo bijzonder.
Zie;
https://nl.mouser.com/c/e...~Sound%20Pressure%20Level

Dit soort "uitvindingen" gaan dan allemaal typisch over de toepassing en productie, niet over fundamentele fysica, die staat namelijk gewoon vast.

100mW per m² is dan ook het addertje waar je naar moet kijken.
Zie het als talloze akoestische bronnen die je allemaal bij elkaar zet.
Gevolg is wel dat de bundeling extreem hoog is.

[Reactie gewijzigd door B_FORCE op 29 april 2022 15:02]

Dat staat los van elkaar: de uitslag van de speaker is het geluidsvolume.
Voor de lagere tonen heb je denkelijk ook hier wel een wat groter oppervlak nodig - vermoed dat het eerder als een electrostatic speaker gaat werken - die hebben ook vaak een subwoofer voor de lagere tonen erbij.

[Reactie gewijzigd door batteries4ever op 29 april 2022 15:03]

Nee joh, dat ding is totaal niet in staat genoeg energie in lage tonen te stoppen. Zn natuurlijk frequentiebereik begint ongeveer waar het menselijk gehoor begint op te houden. Het optimum ligt boven het menselijk gehoor.

Lage tonen = luchtverplaatsing. Daarom is een subwoofer groot en kan die een stuk heen en weer.
Als de maximale uitslag 15 micrometer is, moet het uit de oppervlakte komen. Om mee te doen met een subwoofer is het oppervlak dan 1000 keer groter. Beetje subwoofer is 300 cm2 = 0.03 m2. Dus 30 vierkante meter hiervan en je hebt deftige bas.

Het mooie is dat ik dat nog als haalbaar zie ook, mits het goedkoop genoeg is te produceren. Bedek bijvoorbeeld heel je plafond met het spul en je hebt bas die niet uit een richting lijkt te komen. Dat met 5 normale tweeters zou best wel eens heel leuk kunnen worden. Met mijn subwoofer heb ik toch altijd het gevoel de richting waar die staat te voelen wat als het niet matched met de speaker heel raar voelt (in games dan, als het stil is voor je en toch de bas van voor komt IPV achter)

Hoe zit het dan met planars (i.e. magnetostaten)? Ik heb Hifiman koptelefoons met planar speakers en die produceren met een oppervlakte van ongeveer 8x10 cm heel deftige bassen. Ik ben wel heel benieuwd naar de natuurkundige principes hierachter.

Die zitten misschien in een opgesloten ruimte met je oren.
En zo niet, dan zit je alsnog in het "nabije veld" van de luidspreker. Ofwel, de achterkant van het membraan is veel verder van je oor verwijderd (omweg) dan de voorkant.

Correct me if im wrong, maar geluid met een golflengte van 10 cm houdt in dat de hoge luchtdruk gebieden, die door de uitslag van de luidspreker veroorzaakt worden, 10 cm afstand hebben. Bij elke uitslag kan er lucht verplaatst worden, het gaat er om hoe vaak de uitslag plaatsvindt.

Volgens mijn idee is deze speaker een verzameling van hele veel kleine speakertjes die samen als 1 grote werken. Een beetje vergelijkbaar met de actieve array antennes zoals door starlink gebruikt worden. Zelfde concept, andere frequentie. Al moet ik zeggen dat het filmpje met de simpele aansluiting met 2 draadjes en geen nadere sturing dit weer ontkrachten.

Zelf zie ik ook een zekere vergelijking met elektrostatische speakers (https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrostatische_luidspreker) maar dat is vooral vanwege de dunne plaat.

update: Gewijzigd inzicht na zien van filmpje.

[Reactie gewijzigd door beerse op 29 april 2022 15:42]

Zo hoef je het niet te gebruiken, maar het is ook een leuke optie: volg de luisteraar, en 2 luisteraars horen beide iets verschillends. (Jammer alleen van de echo's die je van het geluid voor de ander gaat horen).

Je haalt twee dingen door elkaar.
De speakeruitslag bepaalt de amplitude (volume).
De frequentie wordt bepaald door hoe vaak de uitslag plaatsvindt (in jouw geval dus ongeveer 3420 keer per seconde)

Door de uitslag te maken in een cyclus van 1/3000 seconde.
Amplitude en frequentie zijn twee verschillende zaken.

Domme vraag: hoe kun geluid met een golflengte van zeg 10 cm (=3kHz) produceren met een speakeruitslag van een 1/1000ste mm?

De golflengte van het geluid hangt niet van de amplitude van de uitslag, maar van de frequentie van de uitslag. De uitslag bepaalt wel de geluidsdruk.

Denk dat je beetje in de war bent ,een golflengte van 10cm is +/- 2,99Ghz en 3Khz heeft een golflengte van 29,97Km

Eeh, nee. Jij bent in de war
Dit gaat over geluid en niet over electromagnetische straling.
10cm golflengte van geluid in typische lucht (20 graden) komt neer op ongeveer 3.4kHz.

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 30 april 2022 09:03]

Dat heb je fout. Geluid heeft een snelheid van 343 m/s. Dat betekent dat de golflengte van 1Hz 343 m is. Alle frequenties hoger dan 1 Hz hebben altijd een kleinere golflengte want de formule voor de golflengte is: (geluidsnelheid / frequentie). Ik denk dat je in de war bent met elektromagnetische straling waarbij de golflengte is gebaseerd op de snelheid van het licht.

[Reactie gewijzigd door Skix_Aces op 29 april 2022 17:06]

Laat ik je vraag met een wedervraag beantwoorden: Hoe denk je dat je oordopjes dat doen?

Ik denk dat je eerder aan behangtoepassing moet denken dan aan oordopjes, tenzij je hele grote oren hebt

Oordopjes hebben ook een speakeruitslag van niks, maar kunnen ook grote golflengtes weergeven, dat wordt hier bedoeld lijkt me.

Wat heeft frequentie met amplitude te maken dan?

waar in dit artikel komt je vraag vandaan?

antwoord is niks. frequentie is welk geluid, amplitude is hoe luid het is

De stroom besparing is nogal nihil, misschien in procenten, maar desondanks een mooi stukje techniek en veelzijdige toepassingen.

Ik vermoed dat ze bedoelen dat het qua energieverbruik toepasbaar is.
Als je genoeg elektriciteit ergens doorheen perst krijg je namelijk altijd een klein beetje geluid. Denk aan het (zachtjes) brommen van elekriciteitsdraden.
Alleen om daar muziek mee te maken heb je onpraktische vermogens nodig.

Doet mij denken aan een speaker in een wenskaart, het ronde metalen schijfje met 2 draadjes.
Volgens mij het zelfde Piëzo electric tech?

Ik kijk hier wel naar uit, maar betwijfel of ze dezelfde hoogwaardige geluidskwaliteit kunnen benaderen als elektrostatische luidsprekers.

Ik denk dat het alleen voor koptelefoons interessant zal zijn. Wellicht in closedback vorm en dit ‘papier’ in geribbelde vorm opgevouwen om oppervlakte zo groot mogelijk te maken. Daarbij denk ik dat je ook een grote bass roll off zal hebben en een paar scherpe pieken in de top frequenties. Gezien het zo makkelijk te produceren is met verschillende grootte bubbels valt de driver denk ik heel goed te tunen, je geeft dan weliswaar efficiëntie op voor de midrange en bass door grotere gaten te introduceren. Het heeft zeker potentie voor de hifi industrie, en kan potentieel goedkoop hele hoge geluidskwaliteit leveren in draagbare audio.

hmmm , ik zou dit wel willen kopen als " noise-cancelling " begang-papier voor mn slaapkamer

Coole tech. Vraag me af of er bijvoorbeeld ook tactiele/haptische toepassingen zijn, mits alle bubbels individueel aan te sturen zijn.