Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

Нанотрубки испустили звук

Создан лёгкий, гибкий и прозрачный динамик с превосходной акустикой

Валерий Кривецкий 13.11.2008, 19:05

Забытый термоакустический эффект получил новую жизнь благодаря плёнкам углеродных нанотрубок. Тончайшие прозрачные динамики гнутся, растягиваются и обладают превосходными акустическими характеристиками, не меняющимися при деформациях. У них есть все шансы вытеснить своих конкурентов с магнитами и электромагнитными катушками.

Практически все современные акустические системы имеют одинаковую конструкцию, главным элементом которой является катушка индуктивности, которая при приложении к ней переменного тока движет своим переменным электромагнитным полем постоянный магнит. К магниту прикреплена мембрана акустического излучателя, движения которой и вызывают колебания воздуха, которые мы воспринимаем как музыку или человеческие голоса.

Развитие акустических систем с целью получения максимально достоверного звучания продолжается уже не первый десяток лет и в наши дни при взгляде со стороны уже более напоминает искусство или, если позволите, шаманство, нежели электроинженерное дело. Конструкторы акустических систем применяют различные материалы мембран, делая их из бумаги, из пластика и из композитных материалов. Разработчики портативной акустики изобретают более тяжелые магниты и особые профили обмотки катушек. Да и сами корпуса громкоговорителей могут быть сделаны и из ДСП, и из древесины японской сакуры. И это не просто признак премиум-класса акустики – такие колонки действительно лучше звучат.

Тем временем китайские ученые показали, как с помощью углеродных нанотрубок сделать акустический динамик без единой движущийся части.

Уже первый, опытный образец не только обладает прекрасными частотными характеристиками практически во всём диапазоне, но и способен свободно растягиваться и сгибаться. Кроме того, он практически прозрачен, что открывает совершенно немыслимые прежде перспективы пользовательского применения устройства.

С пометкой «срочно» статья Кайли Цзяна и его коллег из пекинского Университета Цинхуа опубликована в последнем номере ежемесячного журнала Nano Letters Американского химического общества.

Громкоговоритель из углеродных нанотрубок, помещенный поверх стандартного ЖК-дисплея // American Chemical Society
Громкоговоритель из углеродных нанотрубок, помещенный поверх стандартного ЖК-дисплея // American Chemical Society

Для создания целого набора динамиков группа Цзяна использовала так называемые пленки из углеродных нановолокон. Такие пленки получаются при вытягивании углеродных нановолокон, выращенных на кремниевой пластине так, что волокна в конечном итоге оказываются выстроены параллельно друг другу.

Вытянутая пленка может быть легко закреплена на двух электродах в виде металлических стержней. Собственно, это и есть громкоговоритель.

Достаточно подключить его к выходу обычного плеера или акустической системы, и вы услышите высококачественный звуковой сигнал. Динамик, правда, издает звуки с удвоенной частотой по сравнению с частотой возбуждающего переменного тока, но этот недостаток легко устраним с помощью простой электрической схемы, помещенной между усилителем и громкоговорителем

Проведя исследования акустических параметров полученного громкоговорителя, команда китайских ученых убедилась в том, что пленка углеродных нановолокон оказывается способна выдавать звук с высоким уровнем звукового давления, а амплитудно-частотная характеристика динамика линейна практически во всем диапазоне частот. Исключение составляют лишь самый нижний регистр, где величина ангармонических искажений может достигать пятидесяти процентов.

Так что разработчики сабвуферов могут спать спокойно. А вот производителям обычных акустических систем есть от чего беспокоиться.

Дело в том, что громкоговоритель Цзяна обладает набором дополнительных качеств – он прекрасно растягивается и может деформироваться как угодно.

Динамику можно легко придать любую форму, сделав его хоть сферическим и заставив распространять звук во всех направлениях. Кроме того, рабочая поверхность громкоговорителя пропускает 80% видимого света, а в перспективе Цзян утверждает, что этот показатель можно будет довести до 95%. Это значит, что практически прозрачный динамик можно поместить на одежду, поверх элементов декора помещений и даже непосредственно на дисплеи электронных устройств.

Пропускание света и уровень звукового давления для расслабленной (чрная линия) и растянутой вдвое (красная) плнок. Даже при таком растяжении ни общая громокость, ни спектральный состав сигнала практически не меняются. Мощность входного сигнала 2,5 Вт. // American Chemical Society
Пропускание света и уровень звукового давления для расслабленной (чрная линия) и растянутой вдвое (красная) плнок. Даже при таком растяжении ни общая громокость, ни спектральный состав сигнала практически не меняются. Мощность входного сигнала 2,5 Вт. // American Chemical Society

Например, в сопровождающем статью видео показано, как динамик проигрывает известную всем мелодию, будучи закрепленным на колышущемся флажке.

Обнаружив такие замечательные свойства гибкого динамика из нанотрубок, ученые не сразу поняли механизм возникновения звука.

Закрепленная на ткани пленка из волокон априори не могла совершать колебания. Это подтвердилось и при исследовании с помощью лазерного виброметра, который показал, что в процессе испускания звука пленка остается неподвижной.

Секрет кроется в том, что распространение звуковой волны – процесс адиабатический, то есть звуковые колебания не приводят к переносу тепловой энергии. Таким образом, в фронте распространения звуковой волны, например в воздушной среде, есть области с повышенной и пониженной температурой.

В случае динамика из нановолокон наблюдается обратный процесс – звуковая волна возникает из-за колебаний температуры углеродной пленки, которая нагревается и остывает под действием протекающего через нее электрического тока.

Этот эффект, получивший название термоакустического, известен уже достаточно давно и свое математическое описание получил в начале минувшего столетия. Тогда ученые Арнольд и Крэндэлл, работавшие в исследовательской лаборатории Американской телефонной и телеграфной компании, заметили, что приложение переменного тока акустической частоты к тонкой платиновой фольге вызывает появление звуковых колебаний с частотой вдвое большей, чем частота тока. Такое удвоение обусловлено тем, что тонкая фольга успевает нагреться и остыть дважды за период колебаний, в течение которого ток нарастает, останавливается, идёт в обратном направлении и снова останавливается. Этот эффект проиллюстрирован в видеофайле, сопровождающем статью.

В 1917 году даже был создан громкоговоритель на основе этого эффекта, названный термофоном, однако материал – тонкая металлическая фольга — не позволял добиться достаточно громкого звучания. В результате ученые лишь описали рабочие параметры такого громкоговорителя, отметив высочайшую достоверность передаваемого звука.

Они также сформулировали список требований, предъявляемых к материалу термофона: он должен быть тонким, иметь очень низкую теплоемкость и очень высокую теплопроводность. 90 лет назад таких материалов не существовало, и учёные просто забыли о своей разработке, посчитав её бесперспективной.

Если попросить любого современного химика назвать вещество, удовлетворяющее этим требованиям, он назовёт плёнку из углеродных волокон. И, похоже, «бесперспективной» технологии начала XX века в веке XXI предстоит вытеснить все остальные технологии с массового рынка.