Lähetä linkki
Uutta kaiutinteknologiaa VTT:ltä
25.11.2009
Yksinkertainen valmistusmenetelmä mahdollistaa lukuisten ultraäänisovellusten teollisen tuotannon
VTT:llä on kehitetty uudentyyppinen kaiutinelementti, jonka toiminta perustuu termoakustiseen ilmiöön. Toistaiseksi hyviä termoakustisia kaiuttimia ei ole pystytty valmistamaan teollisesti, joten VTT:n kehittämä ilmasiltapohjainen kaiutinratkaisu avaa lukuisia sovellusmahdollisuuksia erityisesti kaikuluotain-, etäisyysmittaus- ja ultraääniteknologioille.
Tavanomaiset kotikäytössä olevat kaiuttimet muuntavat sähkösignaalit suoraan
ilman äänivärähtelyksi kaiuttimessa olevan liikkuvan kalvon avulla. Ääniaallot
puolestaan aiheuttavat pientä vaihtelua ympäröivän ilman lämpötilassa.
Termoakustisen ilmiön avulla saatiin tuotettua ääntä vuonna 2008 hiilen
nanoputkista rakennetulla kaiuttimella, mutta ilmiöön perustuvien kaiuttimien
teollinen valmistus ei ole ollut toistaiseksi mahdollista. Nyt VTT:n tutkijat
ovat kehittäneet huomattavasti yksinkertaisemman ääni- ja ultraäänilähteen
mikroskooppisten alumiinilankasiltojen avulla.
”Ääneen eli
ilmanpaineen vaihteluihin liittyy aina myös ilman lämpötilan vaihtelu.
Käänteisesti ajateltuna on siis mahdollista tuottaa ääntä ilman lämpötilan
nopealla vaihtelulla. Termoakustinen äänigeneraattorimme toimii juuri siten,
että sähköinen lämpöteho siirtyy laitteen pinnalta ympäröivään ilmaan ja
muuttuu osittain akustiseksi painevaihteluksi. Generaattorissa ei siis ole
mitään liikkuvia osia”, sanoo VTT:n johtava tutkija Panu
Helistö.
Laitteessa on 200 mikrometrin pituisia,
kolmen mikrometrin levyisiä ja vain 30 nanometrin paksuisia alumiinijohtoja,
jotka muodostavat alustan päissä olevien tukirakenteiden väliin muutaman
mikrometrin korkeudessa riippuvia ilmasiltoja. Vastaavanlaisia rakenteita on
VTT:llä aiemmin käytetty suprajohtavissa ilmaisimissa. Kontrolloidun
jännitteen ohjaaminen sähköä johtaviin alumiinijohtoihin saa aikaan pieniä
vaihteluita lämpötilassa ja näin ollen pieniä ääniaaltoja. Kun laitteeseen
lisätään tasajännite, kaiutin saadaan toistamaan puhetta ja musiikkia.
VTT:n
tutkijat rakensivat kaiuttimesta useita versioita, joiden koot vaihtelivat
6000 alumiinijohdosta 233 000 johtoon. Kaiuttimet pystyvät tuottamaan
korkeapaineisia ääniaaltoja jopa 110 desibeliin asti kahdeksan senttimetrin
etäisyydellä. Termoakustinen ilmiö soveltuu parhaiten korkeiden taajuuksien
kuten ultraäänten tuottamiseen.
Aikaisempiin
ratkaisuihin verrattuna näiden ilmasiltapohjaisten termoakustisten laitteiden
valmistus on huomattavasti helpompaa ja edullisempaa. Yksinkertaiseen
mikroelektroniikan prosessiin pohjautuva valmistusmenetelmä mahdollistaa
kaiutinparametrien pitkälle menevän, hallitun ja toistettavan optimoinnin sekä
suurtenkin kaiutinmatriisien valmistamisen esimerkiksi ultraäänisovelluksiin.
Valmistusmenetelmän ansiosta on myös mahdollista esimerkiksi integroida
ohjauselektroniikkaa samalle piialustalle kaiutinelementtien kanssa.
”Ratkaisu
tarjoaa vaihtoehdon erilaisille kaikuluotain-, etäisyysmittaus- ja
ultraäänisovelluksille, joissa nykyisin käytetään lähinnä pietsosähköisiä
aktuaattoreita. Käynnissä oleva kokeellinen ja teoreettinen työmme tähtää
teknologian ominaisuuksien parempaan ymmärtämiseen, jotta osaamme arvioida sen
täyden potentiaalin”, Helistö jatkaa.
Kehitys
on tehty osana Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja
komponenttien huippuyksikköä. Projektin laskennallisessa osuudessa on
tarkoitus ennustaa kenttäyhtälöiden ratkaisuilla mitattua akustista dataa ja
optimoida kaiuttimen ominaisuudet.