文|创瞰巴黎 Pablo Andres
编辑|Meister Xia
导读
传统扬声器的结构组成中，磁铁和铜线圈太过笨重，且成本很高。科研人员正在致力于开发新型的薄膜材料，用于升级新一代扬声器。新型的薄膜材料是否能满足扬声器的多项标准？新型材料在哪些方面具有更突出的优势，又有哪些缺陷？
一览：
- 当前应用最广的电动式扬声器的原理是：利用磁铁与铜线圈之间的相互作用力，振动音箱发声。
- 磁铁和铜线圈既笨重又昂贵，未来有望被介电弹性体薄膜取代。
- 新型薄膜重量轻，而且符合效率、频谱平衡和线性度三方面的标准。
- 不过，新型薄膜扬声器仍面临一些技术障碍，例如薄膜脆弱易损。
- 一旦克服障碍，价格更低、重量更轻的新型扬声器就可启动大规模生产。
如今市面上的扬声器型号各异，尺寸五花八门，但内在机制大同小异，基本都使用西门子创始人维尔纳·冯·西门子于19世纪发明的经典结构：将磁铁与铜线圈的运动耦合，带动锥形薄膜振动而发声。
磁铁和铜线圈又重又占空间，且成本很高。不过，利用简单的介电弹性体薄膜配合新技术，有望取代这两个传统元件。
橡胶作为弹性体，是一种非常灵活的材料。新型橡胶薄膜有着特殊的介电性能，传导的电流非常小。在薄膜的两侧涂抹导电油脂，就能形成电极，让传输到薄膜上的电信号带动膜的震动，发出声波。
图片来源：PI France - 使用电介质弹性体膜的扬声器示意图[1]
上述原理可以作为新一代扬声器设计的基础。在法国国立高等先进技术大学（巴黎综合理工大学）的力学讲师Corinne Rouby与力学教授Olivier Doaré的指导下，研究员Emil Garnell撰写了一篇论文[1]，提出了优化橡胶薄膜扬声器技术的若干策略[2, 3]。
01 材料升级换代
Doaré解释道：“完美的扬声器必须符合三方面的标准：效率、频谱平衡和线性度。”具体而言，扬声器要以尽可能少的电能产生尽可能多的声能（效率），产生的声波要尽可能忠实地将接收到的电信号再现成声波（频谱平衡），而且无论音量大小如何，声音都不能失真（线性度）。
“完美的扬声器必须符合三方面的标准：效率、频谱平衡和线性度。”
一款好的扬声器必须能忠实转换音频信号，而不是简单地发出最响亮的声音。在满足特定条件的情况下，电介质弹性体薄膜不仅可以使扬声器变轻，维持高保真度，还能降低生产成本。
Rouby表示：“自2000年代以来，对介电弹性体的研究方兴未艾[4]，但这些研究并没有与扬声器设计挂钩。”实际上，介电弹性体的天然优势很适合应用于声学领域。她说：“传统的扬声器因为使用了磁铁，所以很重而且生产成本高，但磁铁其实没必要。”
用介电弹性薄膜取代铜线圈和磁铁，能减轻扬声器重量，开辟行业新天地，不过新设计仍处于实验阶段。研究人员解释道：“论文虽然已经完成，但研究仍需继续。”下一步研究将由一位化学专业的博士后完成，调整各个材料之间的匹配。
02 缺陷亟待克服
新型的扬声器还不能大规模工业化生产，但前期实验的结果十分积极，值得开展进一步研究。不过，实验也暴露出了新技术亟待克服的缺陷。
Rouby解释道：“首先，薄膜虽然弹性好，却非常易损。电压过高时会产生电弧，使薄膜无法使用。”这种情况在播放低频声音时尤其容易出现，因为低频声音需要大量电能。此外，低频声音对应着更大幅度的振动，更容易损坏薄膜。
研究人员还优化了电极的形状（既导电油脂涂抹的形状），确保薄膜能发出所有频率的声音。“各种频率的振动都会引起薄膜或强或弱的共振。”因此有必要控制共振，避免扬声器“偏好”某些频率 [5]。不过，对发送到扬声器的电信号进行滤波，也可以实现频率平衡 [6]。
目前还发现的一个显著缺陷是扬声器密封。“在实验室里，新型扬声器配有压力控制器，可以控制音箱空腔内的各种液体泄漏。但是在客厅配备压力控制器不现实。”尽管如此，Rouby认为这一挑战并非不可逾越。
一旦克服了上述障碍，新型扬声器就能大规模工业化生产。由于其成本更低、重量更轻，定会受到消费者的欢迎。Doaré目前还在试图将类似的理念用于耳机设计，将弹性薄膜换成压电式薄膜。随着研究的不断推进，新型扬声器和耳机也许很快会走进我们的生活，带来更高端的听觉享受。
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