“Теплое” звучание

“Теплое” звучание

Динамики из углеродных нанотрубок проигрывают музыку с помощью тепла и открывают новые возможности для использования вне звукового оборудования

Уже прошло определенное время с тех пор, как мы начали всерьез задумываться об использовании наноматериалов в производстве аудиооборудования. Хотя научные исследования в этой области все еще не приобрели массовый характер, уже сформировались определенные традиционные представления для данной технологии производства, берущей свое начало от первой разработки динамиков на основе углеродных нанотрубок в 2008 году. Так, например, считается, что в ближайшее время у динамиков из углеродных нанотрубок нет шансов завоевать симпатии меломанов за счет качества звука. Однако, они предлагают ряд необычных и потенциально очень полезных характеристик, которые в большинстве своем следуют из их лишенного магнитов дизайна.

Заслуженная награда

В настоящее время группа исследователей из Мичиганского технологического университета (Michigan Technological University, MTU) продолжила эту традицию аляповатости динамиков из углеродных нанотрубок и получила награду Best of Show Award на Конференции и выставке шума и вибрации (Noise and Vibration Conference and Exhibition) в 2015 году, проводимой SAE International (глобальной ассоциации, объединяющей более 128 000 инженеров и технических экспертов по всему миру в аэрокосмической отрасли и в сфере производства автомобилей и коммерческих транспортных средств).

Как уже было сказано, исследователи MTU не изменили тренду довольно элементарного дизайна звуковых громкоговорителей, использующих углеродные нанотрубки, но реальный потенциал проводимых ими акустических исследований открывается при применении данного решения вне привычной области использования аудио. К примеру, команда исследователей считает, что свойство углеродных нанотрубок производить звук с помощью тепла может оказаться очень полезным для авто- и авиапромышленности.

Новые возможности

Маша Асгарисабет (Mahsa Asgarisabet) и Трой Боуман (Troy Bouman), аспиранты Мичиганского технологического университета, чье акустическое научное исследование динамиков из углеродных нанотрубок, проводимое в тесном сотрудничестве с Андреем Бернардом (Andrew Barnard), доцентом кафедры машиностроения в Мичиганском техническом университете, было удостоено премии ассоциации SAE International, с радостью продемонстрировали полученные на данный момент результаты.

Трой Боуман нажал «play», и громкоговорители, расположенные на столе, заиграли бодрую университетскую песню. Но это не обычные динамики. Это преобразователи на основе углеродных нанотрубок, — и они создают звук из тепла, получаемого с помощью подаваемого на динамики переменного тока. Основная работа этой группы исследователей как раз и заключалась в развитии свойств и возможностей применения данного фундаментального физического явления, положенного в основу этих пока еще малоиспользуемых акустическим систем.

Перед все еще очень молодой технологией применения наноматериалов в производстве аудиооборудования открываются огромные, почти бесконечные потенциальные возможности для применения. Это буквально все, начиная от использования в качестве системы антиобледенения лопастей вертолета до создания акустической автомобильной системы с дополнительной возможностью применения оной в качестве нагревательных элементов для задних стеклоочистительных обогревателей.

Между тем, демонстрируемые громкоговорители сами по себе выглядят довольно скромно. Тефлоновая основа поддерживает два медных стержня и то, что очень напоминает тонкую прозрачную черную ткань, натянутую между ними. Фактически, вся конструкция очень легкая и тонкая. «Небольшой порыв ветра может их просто сдуть», — рассказал Андрей Бернард. — «Но вы их можете подвергнуть любому количеству колебаний, которому только захотите. Так как у них очень малая масса, у них практически отсутствует инерция».

Материал является прочным, так как тонкая пленка на самом деле состоит из коллекции нанотрубок, невидимых невооруженным глазом.

Нанотрубки являются трубочно-подобными структурами со стенками толщиной всего лишь в один атом углерода, и они могут нагреваться и остывать до 100 000 раз в секунду. Для сравнения, лист платины толщиной в 700 нанометров может нагреваться и остывать только 16 раз в секунду. Нагревание и охлаждение углеродных нанотрубок заставляет контактирующие с ним молекулы двигаться, что заставляет воздух расширяться и сжиматься. Эти движения молекул воздуха и создают звуковые волны.

«Традиционные динамики используют подвижную катушку (прикрепленную к мембране и взаимодействующую с постоянным магнитом), и этим объясняется то, как они создают звук», — объяснил Трой Боуман. — «Динамики из углеродных нанотрубок используют совершенно другие физические свойства». Отсутствие магнита делает громкоговорители очень легкими.

Несмотря на очень привлекательные свойства, почти невесомые динамики из углеродных нанотрубок имеют одно проблематичное свойство: они дублируют каждую частоту, полученную ими, делая производимый ими звук беспорядочным, который изначально практически невозможно разобрать нашими ушами. Проводимое Троем Боуманом исследование, как раз и сосредоточено на том, чтобы сделать этот звук более понятным слушателю. Он уже выяснил, как обрабатывать этот шум, и смог сделать слышимый нами звук более понятным.

Звукопоглощение

Большинство проведенных и проводимых в данное время исследований углеродных нанотрубок было сосредоточено на используемом материале и его свойствах. Как инженеры и специалисты по акустике, команда ученых из Мичиганского технологического университета продолжают совершенствовать свое понимание этих технологий.

Потенциал применения пленки из углеродных нанотрубок зависит от получения точных моделей того, как эти громкоговорители работают. Получив точную модель, исследователи надеются понять саму суть динамиков на основе углеродных нанотрубок. Маша Асгарисабет как раз прорабатывает детальную тепловую модель функционирования этих динамиков, которая должна заложить основу для создания новых вариаций применения этой технологии. В частности, ожидается, что в результате значительно продвинутся исследования по разработке активных звукопоглощающих решений для шумозащиты.

«Динамики на основе углеродных нанотрубок очень легкие и не имеют движущихся частей», — поведала Маша Асгарисабет. — «Они идеально подходит для моей работы по изучению активного шумоподавления. К примеру, пленки из углеродных нанотрубок могут изолировать пассажиров самолета от шума работающих двигателей или убрать дорожный шум из автомобилей. Но сначала необходимо сосредоточиться на получении детальной тепловой модели этих динамиков».

Огромный потенциал

В данный момент большинство исследований в этой области все еще сосредоточено на основных физических свойствах динамиков из углеродных нанотрубок. Между тем, возможность использовать параллельно как тепловые, так и звуковые свойства делает их универсальными и потенциально открывают очень широкие перспективы применения. Тонкость и практически невесомость также выглядят очень привлекательно.

«В большинстве случаев это очень податливые динамики», — резюмировал Андрей Бернард. — «Тонкая пленка может быть «накинута» на приборную панель, окна, стены, сиденья и, возможно, даже на одежду. Чтобы получить динамики с такими возможностями, мы должны продолжить нашу исследовательскую работу над технологиями эффективности и прочности этой тонкой пленки из углеродных нанотрубок».

По материалам IEEE Spectrum.