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Jul 13, 2023

Una superficie versatile acusticamente attiva basata su microstrutture piezoelettriche

Microsistemi e nanoingegneria volume 8, Numero articolo: 55 (2022) Cita questo articolo 3094 Accessi 3 Citazioni Dettagli metrici Dimostriamo una superficie versatile acusticamente attiva costituita da un

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Dimostriamo una superficie versatile acusticamente attiva costituita da un insieme di microstrutture piezoelettriche in grado di irradiare e rilevare onde acustiche. Una matrice di microstrutture indipendenti impressa in un unico passaggio su un foglio piezoelettrico flessibile di polivinilidene fluoruro (PVDF) porta a prestazioni acustiche di alta qualità, che possono essere ottimizzate mediante il design delle microstrutture in rilievo. L'elevata sensibilità e l'ampia larghezza di banda per la generazione del suono dimostrate da questa superficie acusticamente attiva superano le prestazioni degli altoparlanti a film sottile precedentemente riportati utilizzando PVDF, copolimeri PVDF o polimeri caricati senza microstrutture. Esploriamo ulteriormente la direttività di questo dispositivo e il suo utilizzo su una superficie curva. Inoltre, la superficie dimostra una percezione del suono ad alta fedeltà, consentendo la sua applicazione microfonica per la registrazione vocale e il riconoscimento degli oratori. La versatilità, le prestazioni acustiche di alta qualità, il fattore di forma minimo e la scalabilità della produzione futura di questa superficie acusticamente attiva possono portare a un’ampia adozione industriale e commerciale di questa tecnologia.

La domanda in rapida crescita di trasduttori acustici è motivata da diverse esigenze industriali e commerciali, come il controllo attivo del rumore1,2, l'interfaccia uomo-macchina3,4, la robotica5, l'imaging a ultrasuoni6, la guida automatizzata7, il rilevamento tattile8 e la manipolazione della materia senza contatto9,10. 11, dove il suono può fungere da mezzo di rilevamento, attuazione e comunicazione. Queste esigenze tecniche stanno stimolando l'interesse per lo sviluppo di tecnologie di trasduttori acustici a basso costo e ad alte prestazioni adatte ad applicazioni su larga scala12,13,14,15,16,17,18,19,20. Tra questi, i trasduttori piezoelettrici sono sempre più attraenti grazie alla loro versatilità, struttura semplice, basso consumo energetico e facilità di scalabilità per applicazioni sia compatte che ad ampia area16,17,18.

Per soddisfare la necessità di fattori di forma di ampia area, è stata sviluppata una varietà di altoparlanti flessibili a film sottile basati su polivinilidene fluoruro (PVDF)1,17, poli(vinilidene fluoruro-co-trifluoroetilene) [P(VDF-TrFE)] 18,19,20,21, nanoparticelle piezoelettriche22, polimeri caricati vuoti23,24 e polimeri elettroattivi25. Tuttavia, la maggior parte dei progetti si basa sulla piegatura di strati piezoelettrici indipendenti e/o curvi. Quando sono incollati sulla superficie di oggetti rigidi, la flessione degli strati è notevolmente limitata e le prestazioni acustiche possono peggiorare. Ciò mina i vantaggi di questi altoparlanti ultrasottili, leggeri ed economici e ne limita le prospettive di applicazione. Inoltre, le risposte microfoniche di questi dispositivi, in quanto ricevitori di suoni piuttosto che generatori di suoni, rimangono spesso inesplorate.

Nel presente lavoro, sviluppiamo un trasduttore acustico a film sottile di ampia area basato su un insieme di microstrutture piezoelettriche indipendenti in grado di rilevare e generare suono. Queste superfici acustiche attive sono sottili e flessibili e possono essere otticamente trasparenti, consentendo loro di essere montate in modo discreto su vari oggetti e quindi implementate come altoparlanti, microfoni e/o ricetrasmettitori a ultrasuoni. Le microstrutture sporgenti indipendenti possono vibrare liberamente, garantendo un'elevata sensibilità per la generazione e la percezione del suono da parte della superficie acustica, anche quando è incollata ad un oggetto rigido. Gli ampi scenari applicativi rappresentano un vantaggio significativo rispetto alla tecnica precedente che coinvolge pellicole acustiche simili senza tali microstrutture. Esempi di applicazioni di superfici acusticamente attive, che soddisfano varie esigenze, sono delineate nella Fig. 1a. Il nostro lavoro dimostra che l’uso di microstrutture attive densamente distribuite su ampie superfici acustiche determina prestazioni di alta qualità e versatilità per le superfici acustiche, consentendo così una nuova interfaccia acustica da utilizzare in applicazioni di intelligenza artificiale, realtà virtuale e aumentata, robotica, casa intelligente tecnologie e ingegneria biomedica.