(Phys.org) —Het afgelopen jaar Onderzoekers van de Tsinghua University in Peking hebben naar muziek geluisterd op een laptop via een paar ongewone oortelefoons. Hoewel de oortelefoons er gewoon uitzien, ze bevatten niet de typische luidspreker met metalen spoel die in de meeste oortelefoons wordt aangetroffen, maar eerder een chip gemaakt van vele draadachtige koolstof nanobuis (CNT) garens met groeven erin geëtst. Omdat ze gemakkelijk te vervaardigen zijn, werken op 60 mW vermogen, en zorgen voor een heldere geluidskwaliteit, de op CNT gebaseerde chips kunnen worden gebruikt als componenten in een breed scala aan luidsprekers, inclusief die gevonden in mobiele telefoons en laptops.

"De CNT thermo-akoestische chip is op silicium gebaseerd, trillingsvrij, dun, en magneetvrij, " vertelde Yang Wei van de Tsinghua University... Phys.org . "Het introduceert op CNT gebaseerde nanotechnologie in de conventionele halfgeleiderindustrie. Deze doorbraak zal de kosten aanzienlijk verlagen en zo de commercialisering van nanotechnologie bevorderen. Meer gefunctionaliseerde apparaten kunnen worden geïntegreerd in de thermo-akoestische chip, omdat het is gebaseerd op een siliciumwafel. De CNT-luidspreker kan lang werken dankzij zijn trillingsvrije karakteristiek. Door de kleine dikte kan het voldoen aan de vraag naar miniaturisatie van het apparaat. Het nadeel is het lage rendement, zoals aangegeven door de gevoeligheid. Maar het stroomverbruik van de CNT-oortelefoon is acceptabel voor consumentenelektronica."

In hun artikel gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters , de onderzoekers leggen uit dat de CNT-speakers heel anders werken dan conventionele speakers. De meeste luidsprekers produceren geluid door de mechanische trilling van een fysiek materiaal, zoals metaal, papier, of kunststof, waardoor de omringende luchtdeeltjes gaan trillen. In tegenstelling tot, de CNT-luidsprekers produceren geluiden als gevolg van een wisselstroom die de CNT-garenreeks periodiek verwarmt, waardoor temperatuurgolven in de omringende lucht ontstaan. De thermische uitzetting en samentrekking van de omringende lucht genereert geluid. Ondanks de verschillen tussen deze twee methoden van geluidsproductie, het geluid van de CNT-luidsprekers is in wezen hetzelfde als het geluid dat wordt gegenereerd door mechanische trillingen.

Thermo-akoestische effecten waren al in 1917 bekend, toen natuurkundigen H.D. Arnold en I. B. Crandall, werkzaam bij het onderzoekslaboratorium van de American Telephone and Telegraph Co. en Western Electric Company, Inc., wat later Bell Labs werd, merkte op dat het voeden van een elektrische stroom in een dunne geleider geluiden kan produceren en als een thermofoon kan werken.

Echter, tot 2008 was er geen significante vooruitgang op het gebied van thermo-akoestische effecten toen een team van onderzoekers uit China, waaronder enkele van de auteurs van het huidige artikel, vervaardigde een thermo-akoestische luidspreker gemaakt van een stuk uitgelijnde CNT-film. De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van het CNT-materiaal in plaats van een conventionele geleider het thermo-akoestische effect aanzienlijk kan versterken vanwege de ultrakleine warmtecapaciteit van de CNT-film per oppervlakte-eenheid. Op deze manier, de nanoschaaleigenschappen van CNT-films hebben het oude thermofoonconcept praktisch gemaakt.

In de huidige krant de natuurkundigen vervingen de uitgelijnde meerwandige CNT-film door meerwandige CNT dunne garenarrays, die een hoge mechanische sterkte en snelle thermische respons hebben, vergelijkbaar met de film. De CNT-garenarrays werden opgehangen over een reeks groeven die waren gevormd op een siliciumwafel, en zilveren elektroden werden op de zijkanten van elke chip geplakt. De wetenschappers ontdekten dat het geluidsdrukniveau sterk afhankelijk is van de groefdiepte, die hier varieerde van 5 tot 200 um, met diepere groeven voor hogere geluidsdrukniveaus.

De onderzoekers stelden ook vast dat, volgens de temperatuurgolftheorie, een substraat of ander object dat zich binnen één thermische golflengte van de array bevindt, kan mogelijk warmteverlies veroorzaken en het geluid onderdrukken. Maar zolang het substraat ten minste één thermische golflengte verwijderd is van de array, het interfereert niet met de geluidsproductie.

De grootte van elke thermo-akoestische chip is 9,5 mm x 9,5 mm, ongeveer zo groot als een vingernagel. Een enkele chip kan de conventionele spoelluidspreker in een oortelefoon vervangen, waarbij de thermo-akoestische chip het voordeel heeft dat hij veel dunner is dan de spoel. Conventionele oortelefoonbehuizing heeft meestal kleine gaatjes aan de achterkant om de door de trillende spoel gegenereerde druk te verminderen. Echter, deze gaten zijn niet nodig voor de thermo-akoestische oortelefoon, aangezien er geen trillingscomponent is, en de onderzoekers ontdekten dat het afdichten van deze gaten geluidslekkage vermindert, vooral bij lage frequenties.

De thermo-akoestische oortelefoon heeft in dit stadium een ​​efficiëntie van 48 dB/mW, die niet zo efficiënt is als een conventionele oortelefoon, die een waarde heeft van ongeveer 100 dB/mW. Echter, zoals de fysici zeiden, het stroomverbruik van 60 mW is geschikt voor praktische apparaten.

De onderzoekers toonden aan dat de thermo-akoestische chip kan worden geassembleerd tot een geïntegreerd circuit en kan worden gevoed door een USB. Omdat de chip een siliciumwafel bevat, de wetenschappers konden de chip in een standaard halfgeleiderbehuizing verpakken, die gemakkelijk kan worden geassembleerd tot printplaat door te solderen. In de toekomst, het kan mogelijk zijn om extra functies zoals geheugenapparaten en muziekspelers te integreren.

De onderzoekers demonstreerden ook een 4-inch chiparray, bestaande uit 69 chips op één siliciumwafel. Grotere thermo-akoestische luidsprekers kunnen verschillende toepassingen hebben, die akoestische apparaten over lange afstand en akoestische communicatie onder water kunnen omvatten.

"We hebben bewezen dat een CNT thermo-akoestische chip geschikt is voor toepassing in consumentenelektronica, maar er is nog veel werk aan de winkel om deze technologie te commercialiseren, " Yang Wei zei. "We zullen ons inspannen om het ontwerp van het apparaat en het akoestische ontwerp te optimaliseren en de kosten verder te verlagen. Meer aandacht van de industrie zal nuttig zijn voor de technologiepromotie, aangezien er geen gespecialiseerd IC is om de thermo-akoestische luidsprekers aan te sturen, en de CNT-oortelefoon is nog steeds niet compatibel met de conventionele audio-uitgang."

© 2013 Fys.org. Alle rechten voorbehouden.