CN102307325B - 一种热致发声装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热致发声装置，属于发声装置技术领域，其包括一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；其特征在于，所述发声元件包括至少一石墨烯薄膜结构，所述信号输入装置输入信号给该石墨烯薄膜结构，使该石墨烯薄膜结构改变周围介质密度发出声波。本发声装置本身无机械振动，这种热致发声装置能够在10赫兹至100千赫兹频段内产生高的声压输出。具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的优势，能够广泛应用到手机、MP3、MP4、电视、电脑、超声成像、测距系统等电子领域。

Description

一种热致发声装置

技术领域

本发明属于发声装置技术领域，特别涉及一种基于热声效应的热致发声装置结构设计。

背景技术

发声装置一般由发声元件和信号输入装置构成，通过加上电激励信号驱动声音装置，声音装置发出相应的声音。现有技术发声元件一般为扬声器，扬声器为一种把电信号转换成声音信号的电声器件。现有的扬声器的种类很多，根据其工作原理可以分为：电磁式、静电式、电动式以及压电式。这些传统的扬声器虽然工作原理不同，但是一般都会产生自身的机械振动，从而影响附近的空气产生波动，进而实现从电转换成机械振动，最后到声音的过程。这些类型的器件都依靠振膜的振动发声，并且结构较为复杂。

早在上世纪初，在相关文献上就有基于热声效应的发声元件的报道了，在文献“TheThermophone”，C.W.Edward，Vol.XIX，No.4，pp333-345以及“On some thermal effectsof electric currents”，H.P.William，Proceedings of the royal society ofLondon，Vol.30(1879-1881)，pp408-411。这种热声发声装置通过向一金属片或丝中通过交流电来实现发声。当电流通过金属片或金属丝时，随着交流电流强度的变化，会产生焦耳热，并快速传导给周围介质，由于周期性的加热，使得周围介质不断发声膨胀或者收缩，从而引起声波的产生。

在1917年时，H.D.Arnld和I.B.Crandall就提出了一种基于热声效应的发声装置(可以参考文献H.D.Arnld；I.B.Crandall.“The thermophone as a precision sourceof sound，Phys”.Rev.L.10，22-38(1917)，如图1所示，该发声装置10由铂片作为发声元件12，同时通过一个夹具14进行固定，将发生元件12和夹具14一同固定在一个基板18上，电流经引线16流过发声元件，从而产生声音信号。这种发声元件12的发声强度的大小同铂片的单位面积热容量密切相关。当铂片的单位面积热容量大时，则发声装置输出的声音频率范围窄，强度低；当单位面积热容量小时，则发声装置输出的声音频率范围宽，强度高。要想获得较宽的发声频率以及声音强度，就需要单位面积热容量越小越好，即铂片厚度越薄越好。但是由于当时技术水平的限制，金属铂片的厚度只能做到0.7微米，因此其单位热容量较大，其发声频率最高仅为4千赫兹。因此当时这种发声元件12的发生频率较窄，并且发声强度较低，导致在很长一段时间都没有得到实际应用。

对于传统金属片而言，单位面积热容量较大，发声频率范围窄，声音强度弱。有必要研制出一种发声频段较宽，发声强度较高的发声装置，并且能够应用到实际中去。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，，设计出一种新的热致发声装置，使发声频率更宽，发声强度更高，实用性强，并且能够面向实际的声学应用。

本发明提出的一种发声装置，该装置包括：一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；其特征在于，所述发声元件包括至少一石墨烯薄膜结构，所述信号输入装置的输入信号给该石墨烯薄膜结构，使该石墨烯薄膜结构改变周围介质密度发出声波。

与现有技术相比较，所述发声装置具有以下优点：

本发明采用石墨烯薄膜作为发声元件，当石墨烯产生焦耳热后，焦耳热传导给周围空气，引起空气介质疏密变化，从而产生声压的改变，进而发出声音。这种发声装置同传统的扬声器工作原理不同，传统发声装置一般都会产生自身的机械振动，而本发声装置本身无机械振动，这种热致发声装置能够在10赫兹至100千赫兹频段内产生高的声压输出。

本发明采用的石墨烯薄膜结构具有很小的单位面积热容量和很大的比表面积，故该发声元件具有升温的迅速快、热滞后很小、热交换速度很快的特点。这种石墨烯薄膜结构的发声装置可以实现在很宽的频率范围内产生声音，实现很大的发声强度。由于石墨烯具备很高的透光率和机械强度，这中发声器件具有高的实用性和可靠性。

相比传统发声装置，这种热致发声装置具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的优势，能够广泛应用到手机、MP3、MP4、电视、电脑、超声成像、测距系统等电子领域。

附图说明

图1是传统技术中发声装置的结构示意图。

图2是本发明实施例发声装置的结构示意图。

图3是本发明实施例发声装置中的频率响应特性曲线。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的发声装置。

请参阅图2，本发明实施例设计了一种发声装置20，该发声装置20包括一个信号输入装置22，一由一石墨烯薄膜结构24，一衬底结构26，一第一电极28以及一第二电极30组成的发声元件。所述第一电极28和第二电极30间隔设置在该石墨烯薄膜结构24的两端，并且与所述信号输入装置22电连接。所述衬底结构26用于对石墨烯薄膜结构24、第一电极28和第二电极30起支撑和保护。

所述发声元件中的石墨烯薄膜结构24包括至少一层石墨烯薄膜，还可采用双层石墨烯薄膜以及多层石墨烯薄膜中的一种。若石墨烯薄膜结构为一层以上的石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜的层间距离为0.33-0.35纳米；石墨烯薄膜结构的厚度从0.5纳米到200纳米，可以根据实际应用调整。本实施例中石墨烯薄膜结构为大小为1x1cm²，厚度为100纳米，层间为0.344纳米的290层石墨烯薄膜组成。当然在实际情况中，石墨烯薄膜结构的大小可以根据实际应用而改变。

所述石墨烯薄膜结构的单位面积热容量小于1×10^-2焦耳每平方厘米开尔文。该石墨烯薄膜结构应用于热声发声元件时，其与空气的接触面积越大，其发声强度越高。由于该石墨烯薄膜结构由石墨烯薄膜组成，因而石墨烯薄膜具有很高的韧性和机械强度。

请参阅图2，所述第一电极28和第二电极30通过外接导线32与所述信号输入装置22的两端建立电气连接，用于将所述信号输入装置22产生的信号传输到所述石墨烯薄膜结构24中。该第一电极28和第二电极30由导电材料形成，其具体材料类型和形状结构不限。具体地，该第一电极28和第二电极30的材料可以选择为金属、导电胶、金属氧化物等。该第一电极28和第二电极30的形状可以选择为层状、棒状、块状、或其他形状中的一种。本实施例中，该第一电极28和第二电极30为层状导电胶电极。所述石墨烯薄膜结构24的两端分别与所述第一电极28和第二电极30建立电学连接，并通过所述的第一电极28和第二电极30固定。

所述衬底结构26主要起到支撑和保护的作用，其具体形状不限，任何具有确定形状的物体，如一墙壁、桌面、衣服和屏幕等，均可作为本发明实施例中的衬底结构26。具体地，所述支撑结构26可以为一平面结构或一曲面结构，并具有一表面。此时，该石墨烯薄膜结构24直接设置并贴合于该衬底结构26的表面。由于该石墨烯薄膜结构24整体通过衬底结构26支撑，因此该石墨烯薄膜结构24可以承受强度较强的信号输入，从而具有较高的发声强度。

该衬底结构26的材料不限，可以为一刚性材料，如玻璃、金刚石、石英、硅和多孔硅。所述衬底结构26的材料还可以为一柔性材料，如树脂、塑料和纸。优选地，该衬底结构26的材料应该具有较好的绝热性能，从而防止该石墨烯薄膜结构24产生的热量被该衬底结构26过多的吸收，从而无法达到加热周围介质进而发声的目的。另外。该支撑结构26可具有一较为粗糙的表面，从而可以使设置于其表面的石墨烯薄膜结构24与衬底26之间形成一定的间隙，从而减少向衬底的漏热，改善所述发声装置20的发声效果。

所述信号输入装置22可以采用常规的音频电信号输入装置、光信号输入装置或电信号输入装置等。相应地，所述信号输入装置22输入的信号不限，包括音频信号、光信号和交流电信号等。9，这种光信号，其特征在于，所述光信号输入装置产生的光信号激励发声元件，产生热声，进而产生声压，实现“光能-热能-声能”的转化。

可以理解，根据电信号输入装置22的不同，所述第一电极28、第二电极30以及外接导线32为可选择的结构。当输入信号为光信号时，所述信号输入装置22可以直接输入信号给所述石墨烯薄膜结构24，无需电极以及导线。

上述发声装置20在使用时，所述多层石墨烯薄膜结构的层间距离为0.344纳米，石墨烯薄膜结构的整体厚度从0.3纳米到200纳米之间任意值。由于这种石墨烯薄膜结构具有较小的单位面积热容量和较大的散热表面积，在输入信号后，该石墨烯薄膜结构可以迅速升降温，产生周期性的温度变化，并和周围介质快速进行热交换，从而周期性的改变周围介质的密度，使周围介质周期性的膨胀和收缩，进而发出声音。石墨烯薄膜厚度越大，其功率越大。另外，本发明实施例中的石墨烯薄膜结构24具有较高的韧性和机械强度，采用所述的石墨烯薄膜结构可以制作成任意形状和尺寸的发声装置20，如圆形、长方形、三角形以及多边形等，该发声装置20可以方便地应用到可发声的设备中，如手机、MP3、MP4、电视、电脑、超声成像、测距系统等电子领域以及其他可发声的设备中。所述介质可以为液态介质或者气态介质，本实施例中，该该发声元件24周围的介质为气态介质。

本实施例中，发声装置20采用一平面结构的发声元件，其包括100纳米厚度的多层石墨烯薄膜结构。给该发声元件24输入5伏特的交流电信号，在距离其5厘米处测量可得：(请参阅图3)所述发声元件24声压级最高可达61分贝，最低为43分贝；发声频率范围为3千赫兹至50千赫兹。因此所述发声装置20具有较好的发声强度，并且频率范围较宽，有着较为理想的发声效果。

Claims (4)

1.一种热致发声装置，该装置包括：一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；其特征在于，所述发声元件包括至少一石墨烯薄膜结构，所述信号输入装置的输入信号给该石墨烯薄膜结构，使该石墨烯薄膜结构改变周围介质密度发出声波；所述石墨烯结构的厚度为0.3纳米—200纳米；所述信号输入装置产生的信号包括电信号和光信号中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述石墨烯结构单位面积热容量小于1×10^-2焦耳每平方厘米开尔文；所述发声装置的发声频率为20赫兹—10万赫兹。

3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置进一步包括至少两个电极，该至少两电极间隔设置并且与所述石墨烯结构两端电连接，所述信号输入装置通过电极给发声元件输入信号。

4.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置进一步包括一衬底结构，该石墨烯结构通过该衬底结构固定支撑。

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