6 октября 2012 22:21

Углерод издавна использовался в микрофонах первой звукозаписывающей и громкоговорителях первой звуковоспроизводящей аппаратуры. И в этих первых устройствах углерод использовался, как правило, в виде мелких угольных зерен или цельных частей, изготовленных из графита. Постепенно, с развитием технологий, углерод был вытеснен из звуковоспроизводящих устройств, уступив свое место электрическим катушкам, магнитам и пьезоэлектрическим кристаллам. Сейчас же, стараниями ученых, углерод снова возвращается в область звуковоспроизведения, но на этот раз в виде пакета из графеновых пленок, толщиной всего в несколько атомов, который воспроизводит звук за счет колебаний высокой температуры.

Эффект, который используется в графеновом динамике, называется термоакустическим эффектом, не требующим использования катушек и постоянных магнитов. За счет отсутствия громоздких и подвижных частей термоакустические динамики могут быть любых размеров, принимать любую форму и накладваться на любую поверхность.

Идея создания графеновых термоакустических динамиков принадлежит Чжи Вон Сук (Ji Won Suk), исследователю из Техасского университета в Остине. Он использовал принцип, известный давным-давно, пропустите электрический ток через проводящий материал и этот материал нагреется до высокой температуры. Пропуская через материал переменный ток определенной частоты можно получить колебания температуры, по частоте совпадающие с частотой электрического тока.

Чжи Вон Сук в качестве токопроводящего материала использовал графен, материал, состоящий из атомов углерода, расположенных в один слой, который обладает высокой электрической проводимостью. Пакет из нескольких графеновых слоев был облачен в оболочку из стекла и заключен между двумя слоями гибкого полимерного материала. Получившийся «бутерброд» является гибким и прочным материалом, достаточно хорошо проводящим тепло. Пропустив через графеновую пленку переменный ток с частотой от 22 до 500 Герц, исследователи получили звуковоспроизводящее устройство.

Обычные динамики используют отталкивание или притяжение магнитных полей постоянного магнита и электрической катушки, на которую подается переменный ток. Силы взаимодействия магнитных полей заставляют вибрировать упругий диффузор динамика, который толкает окружающий воздух, создавая звуковые колебания. Термоакустические динамики устроены на совершенно ином принципе, тепло от нагретого материала передается окружающему воздуху и тепловая энергия заставляет колебаться непосредственно молекулы воздуха. Если эти колебания происходят в звуковом диапазоне, то такой динамик попросту воспроизводит звук.

Конечно, термоакустический динамик будет демонстрировать максимальную эффективность тогда, когда его нагревательный элемент имеет прямой контакт с воздухом, в этом случае тепловая энергия максимально быстро и полно передается молекулам воздуха. Чжи Вон Сук утверждает, что в случае графеновой пленки, имеющей толщину в несколько атомов, такой подход будет не очень практичным с точки зрения технологии изготовления собственно динамика.

Проводя свои эксперименты, Чжи Вон Сук подавал на графен электрический ток не очень большой величины, от десятков до сотен миллиампер. Но, согласно его заявлению, ничто не мешает собрать почти обычный усилитель звуковых частот, который заставит графеновый термоакустический динамик воспроизводить музыку с любого источника, к примеру с плеера iPod.