На практике беспроводные ультразвуковые устройства дополняют стандартную радиопередачу с использованием электромагнитных волн в областях, где радио нецелесообразно, например под водой, но с гораздо большей точностью, чем современные ультразвуковые или сонарные устройства. Их также можно использовать для связи через предметы, такие как сталь, через которые электромагнитные волны не могут проникнуть.
«Морские млекопитающие и летучие мыши используют высокочастотный звук для эхолокации и общения, но люди просто не использовали это в полной мере, на мой взгляд, потому что технологии там не было», — сказал физик Калифорнийского университета в Беркли Алекс Зеттл. "До сих пор у нас не было хороших широкополосных ультразвуковых передатчиков или приемников. Эти новые устройства — технологические возможности."
И в динамиках, и в микрофонах используются диафрагмы, обычно сделанные из бумаги или пластика, которые вибрируют, производя или улавливая звук соответственно.
Диафрагмы в новых устройствах представляют собой листы графена толщиной всего в один атом, которые имеют правильное сочетание жесткости, прочности и легкого веса, чтобы реагировать на частоты в диапазоне от дозвуковых (ниже 20 герц) до ультразвуковых (выше 20 килогерц). Люди могут слышать от 20 до 20 000 герц, тогда как летучие мыши слышат только в диапазоне килогерц, от 9 до 200 килогерц.
Громкоговорители и микрофоны с графемами работают в диапазоне частот от 20 до 500 килогерц.
Графен состоит из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольной проволочной сетки, которая создает прочный и легкий лист с уникальными электронными свойствами, которые волновали мир физики последние 20 или более лет.
«Сейчас много говорят об использовании графена в электронике и небольших наноразмерных устройствах, но до них еще далеко», — сказал Зеттл, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и член Института нанонаучных исследований энергии Кавли. совместно UC Berkeley и Berkeley Lab. «Микрофон и громкоговоритель являются одними из устройств, наиболее близких к коммерческой жизнеспособности, потому что мы разработали, как сделать графен и установить его, и их легко масштабировать."
Зеттл, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Цинь Чжоу и его коллеги описывают свой графеновый микрофон и ультразвуковой радиоприемник в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Радиоприемники и дальномеры
Два года назад Чжоу построил громкоговорители, используя лист графена в качестве диафрагмы, и с тех пор занимается разработкой электронной схемы для создания микрофона с аналогичной графеновой диафрагмой.
Одним из больших преимуществ графена является то, что лист толщиной в атом настолько легкий, что он хорошо реагирует на различные частоты электронного импульса, в отличие от сегодняшних пьезоэлектрических микрофонов и динамиков. Это удобно при использовании ультразвуковых передатчиков и приемников для одновременной передачи больших объемов информации по множеству разных частотных каналов или для измерения расстояния, как в приложениях гидролокатора.
«Поскольку наша мембрана очень легкая, она имеет чрезвычайно широкий частотный диапазон и способна генерировать резкие импульсы и измерять расстояние намного точнее, чем традиционные методы», — сказал Чжоу.
Графеновые мембраны также более эффективны, они преобразуют более 99 процентов энергии, приводящей устройство в движение, в звук, тогда как современные обычные громкоговорители и наушники преобразуют в звук только 8 процентов. Zettl ожидает, что в будущем устройства связи, такие как мобильные телефоны, будут использовать не только электромагнитные волны — радио, но также акустический или ультразвуковой звук, который может быть очень направленным и дальнодействующим.
«Графен — магический материал; он поражает все« сладкие места »для коммуникационного устройства», — сказал он.
Летучая мышь щебечет
Когда Чжоу рассказал своей жене, Цзинлинь Чжэн, об ультразвуковом микрофоне, она предложила ему попытаться уловить звук щебетания летучих мышей на частотах, слишком высоких для людей. Поэтому они оттащили микрофон в парк в Ливерморе и включили его. Когда они замедлили запись до одной десятой нормальной скорости, преобразовав высокие частоты в звуковой диапазон, который люди могут слышать, они были поражены качеством и точностью вокализации летучей мыши.
«Он достаточно легкий, чтобы его можно было установить на летучую мышь и записать то, что летучая мышь может слышать», — сказал Чжоу.
Эксперт по летучим мышам Михаил Ярцев, недавно принятый на работу доцент кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли и член Института нейробиологии Хелен Уиллс, сказал: «Эти новые микрофоны будут невероятно ценными для изучения слуховых сигналов на высоких частотах, таких как те, которые используются летучими мышами. Использование графена позволяет авторам получать очень плоские частотные характеристики в широком диапазоне частот, включая ультразвук, и позволит детально изучить слуховые импульсы, используемые летучими мышами."
Зеттл отметил, что аудиофилы также оценят графеновые динамики и наушники, которые имеют ровный отклик во всем диапазоне слышимых частот.
«Несколько лет назад это устройство было чертовски невозможно построить из-за сложности изготовления отдельно стоящих листов графена», — сказал Зеттл. «Но за последнее десятилетие сообщество графена собралось вместе, чтобы разработать методы выращивания, транспортировки и крепления графена, поэтому создание такого устройства теперь очень просто; конструкция проста."