新型薄膜材料，助力传统扬声器瘦身降价
Corinne Rouby
法国国立高等先进技术大学（巴黎综合理工大学）力学教师、研究员
Olivier Doaré
法国国立高等先进技术大学（巴黎综合理工大学）流体力学教授
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？
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。
作者
Pablo Andres
编辑
Meister Xia
1. E. Garnell, Dielectric elastomer loudspeakers : models, experiments and optimization, Doctoral dissertation, Institut Polytechnique de Paris / Unité de Mécanique de l’ENSTA Paris, 2020.
2. E. Garnell, C. Rouby and O. Doaré, Dynamics and sound radiation of a dielectric elastomer membrane, Journal of Sound and Vibration, 459, 114836, 2019.
3. E. Garnell, O. Doaré and C. Rouby, Coupled vibro-acoustic modeling of a dielectric elastomer loudspeaker, The Journal of the Acoustical Society of America, 147(3), 1812–1821, 2020.
4. R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei and J. Joseph, High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Strain Greater Than 100%, Science, 287(5454), 836–839, 2000
5. E. Garnell, B. Aksoy, C. Rouby, H. Shea and O. Doaré, Geometric optimization of dielectric elastomer electrodes for dynamic applications, Applied Acoustics, 181, 108120, 2021.
6. E. Garnell, O. Doaré and C. Rouby, Model-Based Adaptive Filtering of Dielectric Elastomer Loudspeakers, Journal of the Audio Engineering Society, 69(6), 389–397, 2021.
