Audiotechnik: MIT entwickelt ultradünnen Lautsprecher

Ein Lautsprecher als Tapete: Eine mögliche Anwendung ist Schallunterdrückung in lauten Umgebungen.

Artikel veröffentlicht am 28. April 2022, 16:00 Uhr, Werner Pluta

Dünnfilm-Lautsprecher des MIT (Bild: Felice Frankel/MIT)

Alles wird zum Lautsprecher: Ein Team des Massachusetts Institute Of Technology (MIT) hat einen sehr dünnen Lautsprecher entwickelt. Er soll jede Oberfläche in eine aktive Audioquelle verwandeln können.

Der Lautsprecher besteht aus einem dünnen Film aus einem geformten piezoelektrischen Material. Wird Spannung an das Material angelegt, bewegt es sich und versetzt dadurch die Luft in seiner Umgebung ebenfalls in Bewegung. Diese Schallwellen sind dann als Töne wahrnehmbar.

Die meisten Dünnfilm-Lautsprecher sind freistehend und können schwingen. Die Idee des Teams des Organic and Nanostructured Electronics Laboratory am MIT ist jedoch, das papierdünne Material großflächig auf feste Oberflächen aufzubringen und diese so in einen Lautsprecher zu verwandeln. Das Problem dabei ist, das Material in Schwingung zu versetzen.

Haarfeine Kuppeln aus piezoelektrischem Material

Das Team erfand deshalb ein neues Konzept: Bei seinem Lautsprecher wird nicht der gesamte Film in Bewegung versetzt, sondern nur Teile davon. Dabei handelt es sich um haarfeine Kuppeln aus dem thermoplastischen Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem Kunststoff mit piezoelektrischen Eigenschaften. Diese Kuppeln können auch dann vibrieren, wenn der Film auf einer festen Oberfläche befestigt ist.

Träger für den Lautsprecher ist eine dünne Platte aus dem Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET). In diese schnitten die Forscher mit einem Laser winzige Löcher. Anschließend laminierten sie auf der Unterseite eine wenige Mikrometer dicke Schicht aus PVDF. Dann wurde die mit PVDF beschichtete Seite erwärmt. Auf der gelochten Oberseite wurde ein Vakuum angelegt.

Der Unterdruck bewirkte, dass sich das PVDF in die Löcher zog und darin kleine Kuppeln bildete. Diese können, wenn eine Spannung angelegt wird, in den kleinen Löchern vibrieren. Im letzten Schritt wurde unter die PVDF-Schicht als Abstandshalter zum festen Untergrund eine weitere PET-Schicht laminiert.

Der Lautsprecher nimmt wenig Leistung auf

Du Kuppeln sind etwa 15 Mikrometer groß und können um etwa einen halben Mikrometer schwingen. Um einen hörbaren Ton zu erzeugen, bedarf es mehrerer Tausend von ihnen, die zusammen schwingen müssen. Über die Größe der Löcher in der PET-Schicht kann die Lautstärke verändert werden: Kuppeln mit einem größeren Radius erzeugen lautere Töne, neigen aber auch zu Verzerrungen. Bei Tests nahm der Lautsprecher etwa 100 Milliwatt Leistung pro Quadratmeter Lautsprecher auf.

Das Team beschreibt seine Entwicklung in der Fachzeitschrift IEEE Transactions of Industrial Electronics. "Das ist ein sehr einfacher, unkomplizierter Prozess", sagte Jinchi Han, einer der Autoren. "Wenn wir ihn in Zukunft in ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren integrieren, können wir diese Lautsprecher in einem hohen Durchsatz herstellen. Das bedeutet, dass sie in großen Mengen hergestellt werden könnten, wie Tapeten."

So könnten sich mit den Lautsprechern Wände tapezieren lassen. Allerdings nicht unbedingt als Schallquelle: Eine mögliche Anwendung ist Schallunterdrückung in lauten Umgebungen, etwa im Flugzeug: Der Lautsprecher könnte dann den Umgebungsgeräuschen entsprechende Töne erzeugen, aber mit umgekehrter Phase, so dass beide sich aufheben.