CN104320741B - 带有石墨烯复合音膜的音频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有石墨烯复合音膜的音频装置，其具有：振动音膜；壳体框架，其限定出可供振动音膜在其内发生振动的腔室；以及驱动电路或感测电路，用于驱动音膜振动发声或感测振动音膜的振动而输出信号，其中，该音频装置的振动音膜采用的复合音膜，通过将纤维网状石墨烯层与聚合物薄膜进行复合而形成。通过设置石墨烯复合音膜，可显著降低复合音膜的厚度和质量，改善音膜的声学频响特性，提高音频装置的灵敏度和保真度，该复合音膜安装便利，耐用可靠性高，制造成本低，而且在保持高频响性的前提下，音质与音色均有极大改善。

Description

带有石墨烯复合音膜的音频装置

技术领域

本发明涉及带有复合振动音膜的音频装置，更具体而言，本发明涉及一种带有石墨烯复合音膜的音频装置。

背景技术

对于通过音膜振动来采集声响信号和回放声音信号的音频装置而言，音频的机械特性是至关重要的。现有技术中存在大量的现有技术方案，如在专利文件CN 202679593U中就公开了一种复合音膜结构，该现有技术采用了在工程薄膜上复合片状材料来形成复合音膜的结构，且为克服该复合音膜的环形固定结构所存在的工艺制作困难，在音膜底部增设热压成型的薄膜固定环，但该复合音膜存在着质量大、频响灵敏度低的缺点。

为解决音膜振动质量、频响灵敏差的确定，现有技术中提出了采用石墨烯材料作为音频振动薄膜的技术方案，如在专利文件CN 102638753B中就公开了一种采用石墨烯薄膜的微机电(MEMS)声学传感器，其通过将石墨烯薄膜夹置在绝缘体间，利用石墨烯薄膜的振动来采集声音信号，该技术方案利用了石墨烯材料优异的机械性能，达到了更高的灵敏度和分辨率。此外，专利文件WO 2014/100012A1也公开了一种石墨烯扬声器，其同样采用了石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜固定在位于两侧的第一、第二框架之间，经电极驱动后振动发声，得益于石墨烯薄膜极低的质量密度和极高的机械强度，该扬声器在很宽的声频范围内都具有良好的响应性。

对于上述的现有技术，仍然存在着一些难于解决的困难。首先，尽管石墨烯材料具有优异的性能，但其材料成本和制造成本都高于现有的音膜材料，如将石墨烯音膜材料应用于诸如MEMS声学传感器，成本问题尚不显著，但如广泛应用在诸如耳机、音箱扬声器、麦克风等音频设备时，成本因素就必须加以考虑。此外，对于扬声器等需要低音效果的大口径设备，厚度仅为原子量级的石墨烯薄膜在安装及环周固定方面存在很大的困难，石墨烯极高的弹性系数也使得其断裂韧性不足，在存在剪切力等不佳受力条件下，极易损坏，故对环周固定结构和组装工艺提出了很高的要求。另外，尽管石墨烯音膜的频响特性好一特别是高频段频响灵敏度很好，但由于其机械特性刚硬，混响不足，音质响亮但干涩，不能满足高品质音响效果的要求。

现有技术中还存在着将石墨烯材料与聚合物材料进行复合的技术方案。在专利文件CN 102618955A中公开了一种制备聚乙烯/石墨烯复合纤维的方法，但该现有技术方案中的复合纤维用于制造防弹装甲材料，并非用于制造音膜，该文件也未给出将聚合物薄膜与石墨烯薄膜进行复合来制得复合薄膜的技术启示，仅公开了将石墨烯粉末掺入到聚乙烯材料中来形成复合纤维的制造方法。

专利文件CN 202276458U公开了一种音膜，该音膜具有球顶部分和围绕球顶部分的连接部，其中，在球顶部分上制有若干折痕，以此来提高球顶部的刚性，从而改善音质。此外，专利文件CN 103702265A公开了一种印制有石墨烯布图的振动音膜，石墨烯涂层在该技术方案中起到导电音圈线路的作用，该音膜并未利用石墨烯优异的机械性能来提升音膜的声学特性。

综上所述，虽然现有技术中存在着将石墨烯材料用作音频装置振动音膜的技术方案，但不论是在产品的技术成熟度和制造成本方面，还是在可靠性和使用功效方面，都存在着显著的技术障碍，没有达到既利用石墨烯材料的优异性能、又克服其固有缺陷的最佳效果。此外，尤其是对于音响系统等回放设备，石墨烯音膜极高的机械强度和极轻的质量在保证了音频信号高响应性的同时，也带来了混响不足、音质干涩的问题。

现有技术中存在着使用复合材料薄膜作为音频装置振动音膜的技术方案，还存在着在音膜上制出球顶部分以调整音效的方案。但复合材料音膜存在着振动质量大、安装固定不易的缺点。音膜上球顶部分的结构设计在现有技术中是困难的，因为既要保证音膜的刚性，同时也要使音质符合设计的要求。

发明内容

基于上述的问题，根据本发明的第一方面，本发明的目的在于提供一种带有复合音膜的音频装置，其包括：振动音膜；壳体框架，其限定出可供振动音膜在其内发生振动的腔室；以及驱动电路或感测电路，用于驱动音膜振动发声或感测振动音膜的振动而输出信号，其中，该音频装置的振动音膜采用的复合音膜，其是通过将石墨烯层与聚合物薄膜进行复合而形成的，且与聚合物薄膜进行复合的石墨烯层为纤维网状。

通过为音频装置设置石墨烯复合音膜，可实现如下的优点：采用高刚性的石墨烯薄膜与聚合物薄膜进行复合，可显著降低复合音膜的厚度和质量，从而显著改善音膜的声学频响特性，极大提高了音频装置的灵敏度和保真度。此外，相比于单层的石墨烯音膜，复合音膜的结构脆性得到很大改善，抗剪切强度提高，显著提升了复合音膜的安装便利性，降低了结构难度，提高了可靠性。而且，由于复合音膜中的聚合物薄膜起到了一定的阻尼作用，相比于单层石墨烯薄膜，复合音膜的音质得到了调制，在保持高频响性的前提下，音质与音色均有极大的改善。此外，由于将石墨烯层制成网状，故在保持前述诸多优点的同时，可进一步减轻音膜的质量，缩减制造成本，降低工艺难度，且可利用网状增强结构实现更佳的综合音质。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种带有复合音膜的音频装置，其包括：振动音膜；壳体框架，其限定出可供振动音膜在其内发生振动的腔室；以及驱动电路或感测电路，用于驱动音膜振动发声或感测振动音膜的振动而输出信号，其中，该音频装置的振动音膜采用的复合音膜，复合音膜是由位于中心区域的球顶部分和位于外周的环周部分构成的，球顶部分是通过将石墨烯层与聚合物薄膜进行复合而形成，环周部分是由聚合物薄膜构成的，球顶部分是由PAR薄膜与石墨烯纤维网复合而成的，该球顶部分再复合到PAR基底薄膜上，基底薄膜与音频装置壳体框架之间设置有折环花纹。。

对于上述的音频装置，由于球顶部分采用了石墨烯薄膜与聚合物薄膜的复合结构，而环周部分为聚合物薄膜结构，因而，不但显著降低了音膜的厚度和质量，改善音膜的声学频响特性，而且，提升了复合音膜的安装便利性，降低了音膜安装固定的结构难度，提高了可靠性，再者，仅在球顶部分复合有石墨烯薄膜，这样可显著降低音膜的制造成本，提高性价比，扩大了复合音膜在音响设备上的应用前景。另外，通过对环周部分聚合物薄膜和球顶部分的尺寸、面积进行调整，可方便地对振动音膜的音质与音色进行调制。此外，由于将石墨烯层制成网状，可进一步减轻音膜的质量，缩减制造成本，降低工艺难度，且可利用网状增强结构实现更佳的综合音质。在另一方面，由PAR薄膜与石墨烯网层复合构成的球顶具有很高的杨氏模量，综合内耗低，音膜的质量可控制到比较轻的范围，且基底薄膜和壳体框架之间的折环花纹带来了良好的低音效果。

在本发明的一些实施方式中，所述的聚合物薄膜为PET、PEI、PEN、PEEK、PAR薄膜的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，球顶部分为聚合物薄膜与石墨烯层组成的三明治结构。

此外，在本发明的一种实施方式中，球顶部分的三明治式结构是通过热压或粘合方式复合而成的，且各结构层间具有阻尼胶水，其例如为高弹性中内耗的UV阻尼胶水。

对于这样的实施方式，由于在三明治式结构的各层中加入了阻尼胶水，故在热压或粘合过程中，能将石墨烯层与聚合物薄膜这些具有不同物理特性的膜才能更好地复合成一体，且阻尼胶水的加入有利于对音膜音质的调整。

附图说明

下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述，在附图中：

图1中的侧视剖面图表示了根据本发明音频装置的一种实施方式；

图2表示了根据本发明的音频装置的另一种实施方式；

图3中的侧视图表示了本发明实施方式中的复合音膜结构；以及

图4表示了根据本发明的带有折环花纹球顶部分的实施方式。

具体实施方式

图1中的侧视剖面图表示了根据本发明的一种音频装置，该音频装置用于将电信号转换为声波振动，或者将声波振动转换为电信号，该音频装置例如是扬声器、麦克风、声音传感器或音响系统的喇叭。

该音频装置具有振动音膜10，其被设置在音频装置的壳体框架中，该壳体框架限定出可供振动音膜在其内发生振动的腔室，且该壳体框架的两侧具有供声波振动传入或传出的通孔11，壳体框架包括在图中位于上下两侧的夹固体107，夹固体107夹置着振动音膜10，使其在振动腔室内振动。该音频装置还具有电路部分，其或者为驱动电路，或者为感测电路，分别用于驱动音膜振动发声或感测振动音膜的振动而输出信号，该电路部分包括电极110和115，用于从振动音膜两侧输入或输出电信号，其中，在电极110和115的外部，淀积有氧化物绝缘层120，以防止振动音膜在强幅振动时与电极110和115发生短路接触，该氧化物绝缘层例如为SiO₂层。

在该音频装置中，所述的振动音膜采用的是复合音膜，其是通过将石墨烯层与聚合物薄膜进行复合而形成的，其中，石墨烯层可以为单层石墨烯薄膜或多层石墨烯薄膜，且与聚合物薄膜进行复合的石墨烯层可以为纤维网状。例如，该石墨烯层可以包含1到50层石墨烯薄膜，其厚度范围为20纳米到2微米之间。其中的聚合物薄膜为PET、PEI、PEN、PEEK、或PAR薄膜，其通过热压或粘贴方式与石墨烯层复合成一体而形成该振动音膜10。该振动音膜10的各层间可设置阻尼胶水，以提高复合强度，并便于对音质特性的调整，其中的阻尼胶水例如为高弹性中内耗的UV阻尼胶水。

通过用石墨烯复合音膜取代现有音频装置中的聚合物音膜或石墨烯薄膜，实现了多方面的优点，既显著降低了振动音膜的厚度和质量，显著改善音膜的声学频响特性，极大提高了音频装置的灵敏度和保真度，又显著改善了石墨烯音膜音膜的结构脆性，提高了音膜的抗剪切强度，显著提升了音膜的安装便利性，降低了结构难度，提高了可靠性。此外，由于复合音膜中的聚合物薄膜和阻尼胶水具有一定的阻尼作用，相比于单层石墨烯薄膜，复合音膜的音质得到了调制，在保持高频响性的前提下，音质与音色均有极大的改善。

图2表示了根据本发明的另一种音频装置，其同样采用了由聚合物薄膜和石墨烯层复合而成的复合音膜。该音频装置为耳机扬声器，该扬声器的中央处采用了用复合音膜制成的振动膜，该复合音膜是由单层或数层石墨烯薄膜与PET、PEI、PEN、PEEK、或PAR等薄膜热压或粘贴复合而成的，并可在层间设置阻尼胶水。与图1所示实施方式的区别在于，在该音频装置中，与聚合物薄膜进行复合的石墨烯层为纤维网状。如图所示，纤维网状的石墨烯层210贴接在聚合物薄膜211上而形成复合音膜

对于上述结构，由于将石墨烯层制成网状，故在保持图1所示音频装置诸多优点的同时，进一步减轻音膜的质量，缩减制造成本，降低工艺难度，且可利用网状的石墨烯增强结构实现更佳的综合音质。

图3中的侧视图表示了根据本发明的另一种实施方式。如图所示，图中表示了一种复合音膜，该复合音膜为三明治式结构，在上下两层PET聚合物薄膜之间，采用热压或粘贴的方式夹置了一层石墨烯薄膜310，如上文所述那样，该石墨烯薄膜同样可以是由单层或数层石墨烯构成的。并且，如图所示，该复合音膜是由位于中心区域的球顶部分311和位于外周的环周部分312构成的，其中，球顶部分是上述具有三明治式结构的复合音膜，而环周部分是由聚合物薄膜构成的。而且，球顶部分所复合的石墨烯层也可采用纤维网状结构。

图3所示的复合音膜可被应用到图1所示的音频装置中，以取代图1中的整体式复合音膜。由于图3所示复合音膜的环周部分为普通的聚合物薄膜，故显著降低了音膜安装固定的技术要求，也降低了对音频装置壳体框架的结构要求。

对于这样的音频装置，由于球顶部分采用了石墨烯薄膜与聚合物薄膜的复合结构，而环周部分为聚合物薄膜结构，则不仅能进一步降低了音膜的厚度和质量，改善音膜的声学频响特性，而且提升了复合音膜的安装便利性，降低了音膜安装固定的结构难度，提高了可靠性。此外，由于仅在球顶部分复合有石墨烯薄膜，可在保持石墨烯复合音频原有优点的同时，显著降低音膜的制造成本，提高性价比。另外，通过调整环周部分聚合物薄膜和球顶部分的尺寸/面积比，可方便地对振动音膜的音质与音色进行调制。

图4中的实施方式同样采用了具有环周部分411和球顶部分410的石墨烯复合音膜，其中的球顶部分是由PAR薄膜与石墨烯纤维网复合而成的，该球顶部分再复合到PAR基底薄膜412上，球顶部分410的复合音膜上设置有向边缘延伸的折痕413，并且在基底薄膜412与音频装置壳体框架之间设置有折环花纹线414。

上述实施方式的球顶部分410具有很高的杨氏模量，综合内耗低，音膜的质量可控制到比较轻的范围，且基底薄膜和壳体框架之间的折环花纹带来了良好的低音效果。

尽管上文中对本发明的具体实施方式进行了描述，但这仅是示例性的，本领域技术人员可以领会到：在权利要求书所限定的范围内，还可以有多种其它的实施方式，且所有基于本发明设计思想的实施方式都在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种带有复合音膜的音频装置，其包括：

振动音膜；

壳体框架，其限定出可供振动音膜在其内发生振动的腔室；以及

驱动电路或感测电路，用于驱动音膜振动发声或感测振动音膜的振动而输出信号，

其特征在于：所述音频装置的振动音膜采用复合音膜，复合音膜是通过将石墨烯层与聚合物薄膜进行复合而形成的，所述石墨烯层为纤维网状，所述复合音膜是通过热压或粘合方式复合而成的。

2.根据权利要求1所述的音频装置，其特征在于：所述的聚合物薄膜为PET、PEI、PEN、PEEK、PAR薄膜的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的音频装置，其特征在于：复合音膜的各层间具有阻尼胶水。

4.根据权利要求3所述的音频装置，其特征在于：所述阻尼胶水为高弹性中内耗的UV阻尼胶水。

5.一种带有复合音膜的音频装置，其包括：

振动音膜；

壳体框架，其限定出可供振动音膜在其内发生振动的腔室；以及

驱动电路或感测电路，用于驱动音膜振动发声或感测振动音膜的振动而输出信号，

其特征在于：所述振动音膜采用复合音膜，复合音膜是由位于中心区域的球顶部分和位于外周的环周部分构成的，球顶部分是通过将石墨烯层与聚合物薄膜进行复合而形成，环周部分是由聚合物薄膜构成，所述石墨烯层为纤维网状，所述球顶部分为聚合物薄膜与石墨烯层组成的三明治结构。

6.根据权利要求5所述的音频装置，其特征在于：所述球顶部分是由PAR薄膜与石墨烯层复合而成，该球顶部分再复合到PAR基底薄膜上，基底薄膜与音频装置壳体框架之间设置有折环花纹。

7.根据权利要求5所述的音频装置，其特征在于：所述的聚合物薄膜为PET、PEI、PEN、PEEK、PAR薄膜的一种或几种。

8.根据权利要求5所述的音频装置，其特征在于：所述三明治结构是通过热压或粘合方式复合而成的。

9.根据权利要求8所述的音频装置，其特征在于：三明治结构的各层间具有阻尼胶水。

10.根据权利要求9所述的音频装置，其特征在于：所述阻尼胶水为高弹性中内耗的UV阻尼胶水。