Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: První grafenový reproduktor

Vědci předpokládají, že grafenQ přinese do produkce audiotechniky nejen lepší kvalitu zvuku, ale také jednodušší výrobní postupy a ekonomické úspory (foto: Freeimages)

Fyzici a technologové z Montrealu vyvinuli první prakticky použitelný reproduktor z oxidu grafenu. Technologie je kompatibilní s výrobou současných reproduktorů a dalších audiosystémů, a může nalézt uplatnění v řadě komerčních produktů.

Grafen je tvořen jedinou vrstvou uhlíkových atomů a má zcela unikátní elektrické a mechanické vlastnosti. Jde o nejpevnější dosud známý materiál. Elektrony se v něm pohybují prakticky volně, takže má také mimořádně vysokou elektrickou vodivost. I když se o něm hovoří jako o zázračném materiálu, na své výrazné komerční využití stále čeká. To je částečně dáno vysokými náklady na jeho výrobu a problémy spojenými s jeho formováním do požadovaného tvaru.

Kanadští fyzici a technologové nyní zkoumali kompozitní materiál na bázi oxidu grafenu, který má velmi podobné vlastnosti jako čistý grafen. Nazvali ho grafenQ. Jeho vysoká tuhost a nízká hustota ho přímo předurčují k použití v akustických aplikacích. Veličina Q v radiotechnice znamená činitel jakosti rezonančního obvodu. Je-li Q vysoké, je rezonanční křivka obvodu úzká. Naopak při nízkém Q je křivka široká. Reproduktor z grafenuQ má nízký činitel jakosti Q, a tak je schopen vyzařovat signály v širokém pásmu akustických kmitočtů přibližně se stejnou intenzitou.

Zmíněný oxid grafenu vědci vytvořili redukcí čistého grafenu. Následným přidáním vhodných příměsí vznikl kompozitní materiál. Díky nižšímu činiteli jakosti Q je k potlačení nežádoucích frekvenčních odezev u nového reproduktoru zapotřebí menšího tlumení než v případě komerčních zařízení. Takový reproduktor může pracovat s budícím proudem pouhých několika nanoampérů. To je výhodné zejména v případě přenosných zařízení. Menší tlumení na nízkých frekvencích také znamená, že oblasti basových a sopránových tónů nemají nižší vyzařovaný výkon, což výrazně ovlivní kvalitu reprodukované hud­by.

GrafenQ je velmi tuhý, a tak díky vysoké hodnotě Youngova modulu (130 Gpa) velmi málo zkresluje. Youngův modul neboli modul pružnosti v tahu lze definovat jako poměr napětí a jím vyvolané deformace. V praxi se jeho hodnota vyjadřuje v gigapascalech. Například u konstrukční oceli je jeho velikost 210 Gpa. Vyšší hodnotu modulu pružnosti mají materiály, které potřebují na dosažení stejné deformace vyšší napětí. Díky vysoké hodnotě Youngova modulu se mohou zvukové vlny velmi rychle šířit materiálem a mezní kmitočet grafenového reproduktoru se posouvá k nadzvukové oblasti, čímž se zvyšuje celková kvalita zvuku. Materiál má také vysokou tepelnou vodivost, takže se tak často nepoškozuje přehřátím, které bývá nejčastější příčinou zničení reproduktoru.

Reproduktor pracuje prostřednictvím vibrací tenké membrány. Tyto vibrace vytvářejí tlakové vlny v okolním vzduchu, které přenášejí různé zvuky skládající se ze signálů na různých kmitočtech. Membránu v reproduktoru lze považovat za jednoduchý harmonický oscilátor sestávající ze závaží a pružiny. Čím je membrána těžší, tím má větší setrvačnost a ostřejší rezonanci (vyšší hodnota Q). Nejobvyklejším způsobem, jak zmenšit rezonanci a zvětšit šířku pásma, je přidat tlumení. To má však za následek snížení účinnosti. Aby se potřeba tlumení vyloučila, musí mít membrána co nejmenší hmotnost. To lze zajistit dvěma hlavními způsoby. První spočívá v použití co nejmenšího množství materiálu a co nejtenčí membrány. Dokonce i velmi tuhé materiály se dobře ohýbají, pokud jsou dostatečně tenké. Druhou možností je použít materiál s nízkou hustotou, který má pro stejnou tloušťku nižší hmotnost. Membrány zhotovené z grafenuQ jsou ideálním řešením, protože mají nízkou hustotu, jsou velmi tenké a mají vysoký Youngův modul. Poskytují tedy ideální rovnováhu pevnosti, hustoty a tlumení.

Vědci předpokládají, že grafen přinese do produkce audiotechniky nejen lepší kvalitu zvuku, ale také jednodušší výrobní postupy a ekonomické úspory. Výroba grafenuQ je totiž levná, materiál snadno škálovatelný a lehce se tvaruje do 3D tvarů. To dovoluje konstruovat jak reproduktory miniaturní velikosti, tak ty velké určené do výkonných reproduktorových beden. Materiál má lepší vysokofrekvenční odezvu než většina používaných membrán. Nový reproduktor by se mohl stát součástí jakýchkoli audio zařízení od domácích audiosystémů, přes sluchátka, přenosné telefony a sluchové pomůcky až po reproduktorové soustavy určené pro velké arény.

Původní materiál lze najít na nanotechweb.org.


Mohlo by vás zajímat:

Fyzikální „Top Ten“ za rok 2016: Část II
Fyzikální „Top Ten“ za rok 2016: Část I
Barvy inspirované přírodou
Papírová páska překvapuje vědce

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop