(Phys.org) – För det senaste året, forskare vid Tsinghua University i Peking har lyssnat på musik på en bärbar dator genom ett par ovanliga hörlurar. Även om hörlurarna ser vanliga ut, de innehåller inte den typiska metallspolehögtalaren som finns i de flesta hörlurar, utan snarare ett chip gjord av många strängliknande nanorörsgarn (CNT) med spår etsade i dem. Eftersom de är lätta att tillverka, driva på 60 mW effekt, och ger tydlig ljudkvalitet, de CNT-baserade chipsen kan användas som komponenter i en mängd olika högtalare, inklusive de som finns i mobiltelefoner och bärbara datorer.

"CNT-termoakustiska chipet är kiselbaserat, vibrationsfri, tunn, och magnetfri, " berättade Yang Wei från Tsinghua University Phys.org . "Den introducerar CNT-baserad nanoteknik i den konventionella halvledarindustrin. Detta genombrott kommer att avsevärt sänka kostnaderna och därmed främja kommersialiseringen av nanoteknik. Mer funktionaliserade enheter kan integreras i det termoakustiska chipet, eftersom den är baserad på en silikonwafer. CNT-högtalaren kan fungera länge tack vare sin vibrationsfria egenskap. Den lilla tjockleken gör att den kan möta kraven på miniatyrisering av enheten. Nackdelen är den låga effektiviteten, som indikeras av känsligheten. Men strömförbrukningen för CNT-hörlurarna är acceptabel för konsumentelektronik."

I deras tidning publicerad i ett nyligen utgåva av Nanobokstäver , forskarna förklarar att CNT-högtalarna fungerar helt annorlunda än konventionella högtalare. De flesta högtalare producerar ljud genom mekanisk vibration av ett fysiskt material, som metall, papper, eller plast, vilket sedan får omgivande luftpartiklar att vibrera. I kontrast, CNT-högtalarna producerar ljud på grund av en växelström som periodiskt värmer upp CNT-garnuppsättningen, som skapar temperaturvågor i den omgivande luften. Den termiska expansionen och sammandragningen av den omgivande luften genererar ljud. Trots skillnaderna mellan dessa två metoder för ljudproduktion, ljudet från CNT-högtalarna är i stort sett detsamma som det som genereras av mekaniska vibrationer.

Termoakustiska effekter var kända så långt tillbaka som 1917, när fysikerna H.D. Arnold och I.B. Crandall, arbetar vid forskningslaboratoriet hos American Telephone and Telegraph Co. och Western Electric Company, Inc., som senare blev Bell Labs, observerade att matning av en elektrisk ström till en tunn ledare kunde producera ljud och fungera som en termofon.

Dock, det gjordes inga betydande framsteg med termakustiska effekter förrän 2008, när ett team av forskare från Kina, inklusive några av författarna till den aktuella tidningen, tillverkade en termoakustisk högtalare gjord av en bit inriktad CNT-film. Forskarna fann att användning av CNT-materialet i stället för en konventionell ledare kan avsevärt förstärka den termoakustiska effekten på grund av CNT-filmens ultralilla värmekapacitet per ytenhet. På det här sättet, CNT-filmernas egenskaper i nanoskala har gjort det gamla termofonkonceptet praktiskt.

I den aktuella tidningen, fysikerna ersatte den inriktade flerväggiga CNT-filmen med flerväggiga CNT-tunna garnuppsättningar, som har en hög mekanisk hållfasthet och snabb termisk respons liknande filmen. CNT-garnuppsättningarna hängdes upp över en serie spår som var mönstrade på en silikonwafer, och silverelektroder klistrades på sidorna av varje chip. Forskarna fann att ljudtrycksnivån är starkt beroende av spårets djup, som här varierade från 5 till 200 um, med djupare spår ger högre ljudtrycksnivåer.

Forskarna fastställde också att enligt temperaturvågsteorin, ett substrat eller annat föremål som är inom en termisk våglängd av arrayen kan möjligen orsaka värmeförlust och dämpa ljudet. Men så länge som substratet är minst en termisk våglängd bort från arrayen, det stör inte ljudproduktionen.

Storleken på varje termoakustisk chip är 9,5 mm x 9,5 mm, ungefär lika stor som en fingernagel. Ett enda chip kan ersätta den konventionella spolhögtalaren i en hörlur, med det termakustiska chipet som har fördelen att vara mycket tunnare än spolen. Konventionellt hörlurshölje har vanligtvis små hål på baksidan för att släppa ut trycket som genereras av den vibrerande spolen. Dock, dessa hål är onödiga för den termakustiska hörluren, eftersom det inte finns någon vibrationskomponent, och forskarna fann att tätning av dessa hål minskar ljudläckage, speciellt vid låga frekvenser.

Den termoakustiska hörluren har i detta skede en effektivitet på 48 dB/mW, som inte är lika effektiv som en konventionell hörlur, som har ett värde på ca 100 dB/mW. Dock, som fysikerna nämnde, strömförbrukningen på 60 mW är lämplig för praktiska enheter.

Forskarna visade att det termoakustiska chipet kan sättas ihop till en integrerad krets och drivas av en USB. Eftersom chipet innehåller en kiselskiva, forskarna kunde paketera chippet i standardhalvledarhölje, som enkelt kan monteras till PCB-kort genom lödning. I framtiden, det kan vara möjligt att integrera ytterligare funktioner som minnesenheter och musikspelare.

Forskarna visade också en 4-tums chip array, bestående av 69 chips på en kiselwafer. Större termoakustiska högtalare kan ha olika applikationer, som kan innefatta akustiska enheter med lång räckvidd och akustisk undervattenskommunikation.

"Vi har bevisat att ett CNT-termoakustiskt chip är lämpligt att applicera i hemelektronik, men det finns fortfarande mycket arbete att göra för att kommersialisera denna teknik, "Yang Wei sa. "Vi kommer att göra ansträngningar för att optimera enhetens design och akustiska design och ytterligare minska kostnaderna. Mer uppmärksamhet från industrin kommer att vara till hjälp för teknikfrämjande, eftersom det inte finns någon specialiserad IC för att driva de termakustiska högtalarna, och CNT-hörluren är fortfarande inkompatibel med den konventionella ljudutgången."

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.