Tulosta Tulosta Lähetä linkki Bookmark and Share

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.


Lisätietoja

Panu Helistö
Johtava tutkija
020 722 3577

 

 

Lisätietoja

Panu Helistö
Johtava tutkija
020 722 3577