新型薄膜材料，助力傳統揚聲器瘦身降價
Corinne Rouby
法國國立高等先進技術大學（巴黎綜合理工大學）力學教師、研究員
Olivier Doaré
法國國立高等先進技術大學（巴黎綜合理工大學）流體力學教授
傳統揚聲器的結構組成中，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準？新型材料在哪些方面具有更突出的優勢，又有哪些缺陷？
當前應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準。
不過，新型薄膜揚聲器仍面臨一些技術障礙，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模生產。
如今市面上的揚聲器型號各異，尺寸五花八門，但內在機制大同小異，基本都使用西門子創始人維爾納·馮·西門子于19世紀發明的經典結構：將磁鐵與銅線圈的運動耦合，帶動錐形薄膜振動而發聲。
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，有望取代這兩個傳統元件。
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，傳導的電流非常小。在薄膜的兩側涂抹導電油脂，就能形成電極，讓傳輸到薄膜上的電信號帶動膜的震動，發出聲波。
圖片來源：PI France - 使用電介質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計的基礎。在法國國立高等先進技術大學（巴黎綜合理工大學）的力學講師Corinne Rouby與力學教授Olivier Doaré的指導下，研究員Emil Garnell撰寫了一篇論文[1]，提出了優化橡膠薄膜揚聲器技術的若干策略[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準：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生盡可能多的聲能（效率），產生的聲波要盡可能忠實地將接收到的電信號再現成聲波（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準：效率、頻譜平衡和線性度。”
一款好的揚聲器必須能忠實轉換音頻信號，而不是簡單地發出最響亮的聲音。在滿足特定條件的情況下，電介質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計掛鉤。”實際上，介電彈性體的天然優勢很適合應用于聲學領域。她說：“傳統的揚聲器因為使用了磁鐵，所以很重而且生產成本高，但磁鐵其實沒必要。”
用介電彈性薄膜取代銅線圈和磁鐵，能減輕揚聲器重量，開辟行業新天地，不過新設計仍處于實驗階段。研究人員解釋道：“論文雖然已經完成，但研究仍需繼續。”下一步研究將由一位化學專業的博士后完成，調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模工業化生產，但前期實驗的結果十分積極，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。電壓過高時會產生電弧，使薄膜無法使用。”這種情況在播放低頻聲音時尤其容易出現，因為低頻聲音需要大量電能。此外，低頻聲音對應著更大幅度的振動，更容易損壞薄膜。
研究人員還優化了電極的形狀（既導電油脂涂抹的形狀），確保薄膜能發出所有頻率的聲音。“各種頻率的振動都會引起薄膜或強或弱的共振。”因此有必要控制共振，避免揚聲器“偏好”某些頻率 [5]。不過，對發送到揚聲器的電信號進行濾波，也可以實現頻率平衡 [6]。
目前還發現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的各種液體泄漏。但是在客廳配備壓力控制器不現實。”盡管如此，Rouby認為這一挑戰并非不可逾越。
一旦克服了上述障礙，新型揚聲器就能大規模工業化生產。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。
作者
Pablo Andres
編輯
Meister Xia
1. E. Garnell, Dielectric elastomer loudspeakers : models, experiments and optimization, Doctoral dissertation, Institut Polytechnique de Paris / Unité de Mécanique de l’ENSTA Paris, 2020.
2. E. Garnell, C. Rouby and O. Doaré, Dynamics and sound radiation of a dielectric elastomer membrane, Journal of Sound and Vibration, 459, 114836, 2019.
3. E. Garnell, O. Doaré and C. Rouby, Coupled vibro-acoustic modeling of a dielectric elastomer loudspeaker, The Journal of the Acoustical Society of America, 147(3), 1812–1821, 2020.
4. R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei and J. Joseph, High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Strain Greater Than 100%, Science, 287(5454), 836–839, 2000
5. E. Garnell, B. Aksoy, C. Rouby, H. Shea and O. Doaré, Geometric optimization of dielectric elastomer electrodes for dynamic applications, Applied Acoustics, 181, 108120, 2021.
6. E. Garnell, O. Doaré and C. Rouby, Model-Based Adaptive Filtering of Dielectric Elastomer Loudspeakers, Journal of the Audio Engineering Society, 69(6), 389–397, 2021.
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