تقلید صدای خفاش با میکروفن گرافنی

یک میکروفون و بلندگوی جدید بسیار سبک وزن و مافوق صوت که از گرافن ساخته شده می‌تواند از شیوه‌ای که خفاشها و دلفینها برای به کار بردن صدا به منظور برقراری ارتباط و اندازه‌گیری مسافت و سرعت اشیای پیرامون خود استفاده می‌کنند تقلید کند.

دستگاههای فراصوت بی‌سیم، مکمل فرستنده‌های رادیویی استاندارد هستند که با استفاده از امواج الکترومغناطیسی در مناطقی مانند زیر آب که رادیو کار نمی‌کند، خیلی بهتر از دستگاههای فراصوت یا سونار فعلی عمل می‌کنند.

آنها همچنین می‌توانند از طریق اشیایی مانند فولاد که امواج الکترومغناطیس نمی‌توانند در آن نفوذ کنند، برای برقراری ارتباط مورد استفاده قرار گیرند.

پستانداران دریایی و خفاشها از امواج صوتی با فرکانس بالا برای انعکاس و برقراری ارتباط استفاده می‌کنند، اما انسانها هنوز نتوانسته‌اند به طور کامل از این قابلیت بهره‌برداری کنند. تا به امروز، فرستنده یا گیرنده با پهنای باند مناسب به این منظور ساخته نشده است.

دیاگرامی که تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارد

بلندگو و میکروفونهای معمولی هر دو از دیافراگم استفاده می‌کنند، که معمولا از کاغذ یا پلاستیک ساخته شده است و از طریق ارتعاش در تولید یا تشخیص صدا نقش دارد. دیافراگمی که در دستگاههای جدید به کار رفته از ورق گرافن ساخته شده و ضخامت آن به اندازه یک اتم است، سبک وزن است و سختی و استحکام بالایی دارد که می‌تواند به فرکانسهای مختلف از فروصوت(زیر 20 هرتز) گرفته تا فراصوت(بالاتر از 20 کیلوهرتز) پاسخ دهد.

انسان قادر به شنیدن صدا در محدوده 20 تا 20000 هرتز است، در حالیکه خفاشها تنها می‌توانند صداهای محدوده 9 تا 200 کیلوهرتز را بشنوند. محدوده بلندگو و میکروفون از زیر 20 هرتز تا بالای 500 کیلوهرتز است.

ورق گرافن شامل اتم‌های کربن با آرایش شش‌ضلعی، یک ورق محکم و بسیار سبک با خواص الکترونیکی منحصربه‌فرد است که در 20 سال گذشته دنیای فیزیک را تحت تاثیر قرار داده است.

 بحث‌های زیادی در مورد استفاده از گرافن در الکترونیک و دستگاههای در مقیاس نانو وجود دارد، اما تا کنون روشهای چندان کارآمدی پیدا نشده است.

رادیو و فاصله‌یاب

یکی از مزیت‌های بزرگ استفاده از گرافن این است که ورق بسیار نازک آن بسیار سبک است که به خوبی به فرکانس‌های مختلف یک پالس الکترونیکی پاسخ می‌دهد، برخلاف میکروفون و بلندگوهای پیزوالکترونیکی که در حال حاضر استفاده از آنها رایج است.

این فایده‌ گرافن هنگام استفاده از فرستنده و گیرنده‌های فراصوت برای انتقال مقادیر زیاد اطلاعات با فرکانسهای مختلف به طور همزمان یا برای اندازه‌گیری مسافت آشکار می‌شود.

از آنجا که این غشا بسیار سبک است، پاسخ فرکانسی بسیار گسترده‌ای دارد و قادر است تا پالسهای سریعی تولید کرده و فاصله را بسیار دقیق‌تر از روشهای سنتی اندازه‌گیری کند. این غشا همچنین بیش از 99 درصد از انرژی دستگاه را به صدا تبدیل می‌کند، در حالیکه این مقدار برای میکروفون و بلندگوی معمولی تنها 8 درصد است. می‌توان پیش‌بینی کرد که در آینده، درون دستگاههای ارتباطی مانند تلفن همراه، نه تنها از امواج الکترومغناطیسی، که از امواج آکوستیک و صداهای مافوق صوت نیز که بسیار جهت‌دار و دوربرد هستند استفاده شود.

استراق‌سمع خفاش

پژوهشگران سعی کردند تا صدای خفاش‌ها را در فرکانس خیلی بالا که برای انسان قابل شنیدن نیست از طریق یک میکروفون روشن در پارک ثبت کنند. هنگامی که این صداها را با یک هشتم سرعت طبیعی آن و بسیار آهسته ضبط کردند، تبدیل اصوات با فرکانس بالا به صوتی که انسان بتواند بشنود آنهم به این راحتی و با کیفیت عالی، بسیار شگفت ‌انگیز بود.

میکروفون‌های جدید در مطالعه سیگنال‌های شنوایی در فرکانس‌های بالا بسیار کاربردی و مفید خواهد بود، به ویژه در ساخت هدفون که مسلما رضایت دوست‌داران موسیقی را به دلیل ایجاد صدای صاف و با‌کیفیت جلب خواهد کرد.

در سالهای خیلی قبل ساخت ورق گرافن با مشکلاتی روبرو بود اما در طول دهه گذشته این مشکلات رفع شده و قرار است تا از گرافن در الکترونیک به طور گسترده‌ای استفاده شود.

این پژوهش به تازگی در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است. 

No tags for this post.