Słuchawki zawierają w sobie przetworniki elektroakustyczne, które przekształcają sygnał elektryczny w słyszalną falę dźwiękową. Tradycyjne zestawy z przetwornikami elektromagnetycznymi i piezoelektrycznymi wydają dźwięki dzięki ruchomym membranom wzbudzanym przez pole elektryczne. Naukowcy z Chin opracowali słuchawki douszne, które działają na zasadzie efektu termoakustycznego, a ich konstrukcja pozostaje nieruchoma.
Nowy typ słuchawek został zbudowany z równolegle ułożonych nanorurek węglowych na krzemowym podłożu. Wysoka przewodność nanorurek węglowych umożliwiła wykorzystanie efektu termoakustycznego, znanego już od ponad stu lat. Konwencjonalne głośniki, tworzą fale dźwiękowe poprzez mechaniczne wibracje. Przepływ sygnału elektrycznego przez cewkę powoduje ruch przymocowanej do niej membrany, co generuje słyszalną falę akustyczną. W nowym typie słuchawek prąd przemienny płynący poprzez nanorurki węglowe powoduje nagrzewanie i ochładzanie materiału oraz otaczającego go powietrza. Na skutek tego, materiał rozszerza się i kurczy, powodując różnicę ciśnień, a w rezultacie powstawanie dźwięków.
Już w 2008 roku zespół badaczy z Tsinghua University w Chinach zaprezentował rozciągliwe, przezroczyste głośniki z nanorurek. Wtedy problemem było odprowadzenie ciepła powstającego przy wytwarzaniu dźwięku. Najnowsza wersja słuchawek została pozbawiona tej wady. Za pomocą wytrawiania naukowcy wyryli rowki na krzemowym podłożu. Następnie osadzili warstwę tlenku krzemu i nanieśli nanorurki węglowe prostopadle do rowków, tworząc siatkę. Rowki usprawniły proces rozpraszania ciepła, powstającego na skutek przepływu prądu. Głębokość rowków miała także wpływ na powstające ciśnienie akustyczne. Im głębszy rowek, tym większe ciśnienie akustyczne a zarazem silniejszy dźwięk. Najlepsze wyniki naukowcy uzyskali dla rowków o głębokości 200 mikrometrów. Z jednego wafla krzemowego badacze uzyskali 69 chipów, o rozmiarach 9,5×9,5mm.
Tak przygotowane chipy zostały umieszczone w słuchawkach dousznych, które testowano przez rok. Nie stwierdzono istotnych oznak zużycia. Poziom ciśnienia akustycznego – SPL (z ang. Sound Pressure Level) – wyrażany w decybelach (dB), oznacza głośność słuchawek. Dla ludzkiego słuchu męczące, a nawet niebezpieczne jest słuchanie dźwięków o natężeniu większym niż 80 dB przez dłuższy okres czasu. Słuchawki z dodatkiem nanorurek uzyskały wartość 78 dB przy mocy wejściowej 31,25 mW.
Inżynierowie odpowiedzialni za projekt twierdzą, że brak ruchomych części w słuchawkach znacząco wydłuży ich żywotność. Do tej pory największym problemem był brak odpowiednich materiałów, posiadających cechy pozwalające uzyskać wystarczająco silny efekt termoakustyczny. Chipy wzbogacone nanorurkami węglowymi, które są znakomitymi przewodnikami elektryczności i ciepła okazały się odpowiednim rozwiązaniem. Proces wytwarzania takich obwodów jest tani i kompatybilny z istniejącymi metodami produkcji chipów komputerowych.
Naukowcy dalej pracują nad usprawnieniem swojego produktu. Kolejnym wyzwaniem, z jakim muszą się zmierzyć jest stosunkowo wysoki pobór energii przy niskiej wydajności konwersji na fale dźwiękowe.
Film prezentuje dźwięk wydawany przez słuchawki z termoakustycznym chipem.
Źródło:
[1] Thermoacoustic Chips with Carbon Nanotube Thin Yarn Arrays. Yang Wei, Xiaoyang Lin, Kaili Jiang, Peng Liu, Qunqing Li, and Shoushan Fan. Nano Letters Article ASAP
[2] http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl402408j | 04.10.2013
[3] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl402408j/suppl_file/
nl402408j_si_001.pdf | 04.10.2013
[4] Earphone by Evandro Felippe (efelippe), flickr.com, CC BY-SA 2.0