CN104936103B - 一种充气式透明扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充气式透明扬声器，包括腔体和振动薄膜，所述腔体带有顶部开口，所述振动薄膜电驱动可变形且密封安装在顶部开口处，所述腔体还设有进气口，所述腔体和振动薄膜均透明。本发明的充气式透明扬声器结构简单，易于实现，成本很低，且在非工作时间可以将气放掉，整个装置质量较轻，方便携带；工作寿命大于1000个小时，且对工作环境的要求不高，应用前景广阔。

Description

一种充气式透明扬声器

技术领域

本发明涉及电声换能技术领域，具体涉及一种充气式透明扬声器。

背景技术

扬声器又称“喇叭”，是一种十分常用的电声换能器件，在发声的电子电器设备中都能见到它。扬声器的种类很多，按其原理可分为电动式(即动圈式)、静电式(即电容式)、电磁式(即舌簧式)、压电式(即晶体式)等几种。传统的扬声器一般都由音圈、纸盆、磁铁等部件构成，但大多都为硬质器件。硬器件在传统工业工程中有着不可代替的优势，但同样有着不可弥补的缺陷。而基于软材料的扬声器则具有质轻、廉价、体积小、寿命长等等优点，有非常广阔的应用前景。

功能材料是指在电、光、热、催化等外界激励下表现出特有功能响应的材料。这些功能响应可以是变形、荧光、化学反应，等等。在具备受外界激励可产生功能响应的同时，功能软材料还拥有着软材料的某些特性。功能软材料对外界的激励(机械载荷、温度场、电磁场、化学场等)能够产生不同程度的功能响应。相比传统硬质材料具有轻质廉价、可承受大变形、具备良好生物亲和性等特点。从石油开采密封到微流体药物输送，从柔性机器人到潮汐能源收集，功能软材料及其应用器件已被广泛应用到工程实践中，并在柔性电子、航空航天、智能仿生、生物医药以及新能源领域有着广泛的应用潜力。介电高弹聚合物(Dielectric Elastomer，DE)是一种典型的功能软材料。当介电高弹聚合物薄膜(也称为介电高弹体薄膜)在厚度方向上受到电场作用时，其厚度会减少，面积会相应地扩张。当电场消失后，其又会恢复到原来的构型。这种材料具有电致变形大(可高达380％)，机电转换效率高，能量密度大，质量轻等优点，常用于制作驱动器，能量采集器。另外，由于其具有高机电转换效率，抗疲劳与环境适应性好的特点，因此也是一种制作新型扬声器的理想材料。

公开号为104378721A的中国专利申请“扬声器”，公开了一种扬声器，其包括：振膜和支撑所述振膜的盆架；音圈和设置在所述音圈之中的金属柱；与所述音圈相连的第一输入端和第二输入端；磁铁和承载所述磁铁的导磁载体；以及与所述盆架相连且容纳所述音圈、金属柱、磁铁、第一输入端、第二输入端和导磁载体的金属外壳。该发明的扬声器能够屏蔽电磁辐射，从而降低音圈的电磁辐射，有效改善音质消除音频领域的数码声，使得音响的音色变得柔和，解析力得到了提高，提高了音响效果。但是制作过程较为复杂，零部件过于冗余，工作寿命有限，不适合大规模应用。

文献“Stretchable,Transparent,Ionic Conductors”(SCIENCE，30AUGUST2013VOL 341)公开了一种全透明的扬声器。它由透明的离子电极和透明的压电聚合物材料组成，基于离子电极和压电聚合物材料的特性，能够响应从20Hz到20kHz的整个可听范围内的频率，且保真度很高。但其材料来源不易，应用条件较为苛刻，工作寿命有待提升，目前还停留在实验室阶段。因此，选择合适的材料和设计一个合理的结构，有效地将输入的音频信号以电信号的形式转换为输出放大信号并确保其保真度，成为制作新型扬声器的核心。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种充气式透明扬声器。

一种充气式透明扬声器包括腔体和振动薄膜，所述腔体带有顶部开口，所述振动薄膜电驱动可变形且密封安装在顶部开口处，所述腔体还设有进气口，所述腔体和振动薄膜均透明。

本发明中腔体应具有一定的抗压强度(当腔体内压强在一定范围内不发生变形)，质量适中，优选为亚克力板材料制作。

腔体进气口的形状和位置，以及进气量的多少能够影响到腔体内压强的变化，进而影响到振动薄膜的振动情况，最终会对扬声器发出的声音效果产生影响。本发明中腔体的进气口设置于腔体的侧壁上，用于对气腔充气或放气，以调节腔体内的气压。作为优选，进气口离腔体的底端的距离为4～6cm，优选为5cm，伸出长度为2～4cm，优选为3cm。其截面优选为圆形，直径为0.5～2cm，优选为1cm。

所述的振动薄膜包括振动层，内嵌于振动层中的透明纤维，以及位于振动层上、下表面的透明电极层，所述透明纤维的弹性模量至少为振动层的10倍。

透明纤维弹性模量比振动层大，因此能够对振动薄膜的振动情况起到一定的限定作用，实际使用时，根据应用需求，可以通过调节透明纤维的数量、排布方式以及材质，达到不同的发声效果。

作为优选，所述透明纤维的数量为6～12。进一步优选，所述透明纤维为8根。

所述振动层为圆形，所述透明纤维绕振动层的中心呈辐射状均匀分布，且互不相交。进一步优选，每根透明纤维距离振动层的中心的距离为3～5mm，最优的，每根透明纤维距离振动层的中心的距离为5mm。

通过使各根透明纤维在中心处不连接在一起，能够使振动层的中心处不受限制地自由振动，从而产生各个频率段的声音。

本发明中透明纤维的截面形状可以为三角形、方形，圆形等，优选为圆形。

为便于实现，本发明还提供了另一种振动薄膜，所述的振动薄膜包括振动层，以及位于振动层上、下表面的透明电极层。不在振动层中内嵌透明纤维，能够降低制作难度。

所述的透明电极层应具有透明性、良好的导电性、稳定性以及能和振动层紧密结合等性能，可采用离子型导电水凝胶等材料制备而成。

为避免电极层对振动薄膜振动性能的影响，透明电极层应该尽可能薄。作为优选，所述透明电极层的厚度为0.1～0.3mm，优选为0.2mm。

且为保证上、下表面的电极层之间电气绝缘，透明电极层的边缘到振动层的边缘之间应留有间距，作为优选，该间距为1～2cm。

所述振动薄膜上、下表面上均设有与腔体顶部开口的形态相匹配的环状连接件，且下表面的连接件固定在腔体的顶部开口处，具体如下：

所述振动薄膜上、下表面均设有环状连接件，两个环状连接件相互对正以夹持振动薄膜，处在振动薄膜下表面的环状连接件与腔体的顶部开口相互对接。

下表面的连接件(即环状连接件)通常采用胶黏的方式固定在顶部开口处。顶部开口的形状与连接件的形状相匹配，应理解为环状的连接件与腔体顶面(即侧壁的顶面)的形状相同，且能够完全覆盖在腔体顶面上。

连接件较振动薄膜硬，优选为ABS板材料。连接件一共有两片，一方面与振动薄膜可以紧密连接，另一方面可以和腔体通过液体胶粘紧，因此气密性可以得到有效保证。

本发明中设置连接件能够提高采用振动薄膜密封后气腔的密封性。且相对于直接将振动薄膜粘结在气腔上的方法相比，采用特定的液体胶(如在特定情况下能够脱黏，即可逆胶黏)，即可实现无损伤的更换振动薄膜，大大提高了扬声器的应用范围。

为了不影响扬声器的发声效果，所述连接件的厚度为0.3～0.7cm，优选为0.5cm。

由于透明纤维内嵌于振动层中，相应的，透明纤维的截面形状的在竖直方向上的尺寸应小于振动层的厚度。当截面形状为圆形时，透明纤维的直径为0.3～0.5mm，优选为0.4mm。

本发明中定义尺寸为截面形状上距离最大的两点之间的距离，则竖直方向上的尺寸应理解为透明纤维在的截面形状在振动层厚度方向上的距离最大的两点之间的距离。

介电高弹体(DE)薄膜在受到厚度方向的电压后，其面积会扩大，厚度会减少。本发明中，所述振动层优选为介电高弹体薄膜，进一步优选为VHB4905薄膜。

所述振动层的相对介电常数为3～4.7，优选为3.5。

所述振动层对金属的粘结正拉强度为900～1200kPa，优选为1100kPa。

在初始状态时(即气腔未充气，压强为正常大气压时)，所述振动层没有预拉伸，为圆形，厚度为0.3～0.8mm，优选为0.5mm。

本发明中腔体、振动层以及连接件的大小根据实际应用情况设定，且腔体、振动层和连接件三者的形状和大小必须匹配。

本发明中腔体优选为圆筒状，其外径为8～12cm，内径为7～11cm，高度为10～20cm。作为优选，其外径为10cm，内径为9cm，高度为15cm。

相应的，振动层的形状为圆形，直径为8～12cm，优选为10cm。且连接件为圆环形，其外径为8～12cm，内径为6～10cm，厚度为0.3～0.7cm。作为优选，连接件的外径为10cm，内径为8cm，厚度为0.5cm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

结构简单，易于实现，成本很低，且在非工作时间可以将气放掉，整个装置质量较轻，方便携带；工作寿命大于1000个小时，且可以通过更换振动薄膜延长其工作寿命；对工作环境的要求不高，应用前景广阔。

附图说明

图1为实施例1的充气式透明扬声器的结构示意图；

图2为实施例1中振动薄膜的结构示意图；

图3为实施例1中功能纤维的排布示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例中基于功能软材料的充气式透明扬声器包括顶部开口的腔体1、和振动薄膜3，振动薄膜3的上、下表面的靠近边缘的设有环形连接件2，且下表面的连接件2固定在腔体的顶部。

腔体1具有一定的抗压强度，质量适中，本实施例中由透明亚克力板材料(即PMMA)制作。腔体1为圆筒状，其外径为10cm，内径为9cm，高度为15cm。

腔体1的侧壁设有一个进气口1-1，用于对腔体的气腔充气或抽气使振动层上下振动(鼓起或凹下)。进气口1-1离腔体的底端的距离为5cm，伸出长度为3cm。其截面为圆形，直径为1cm。

在腔体1未充气时，振动薄膜3的如图2所示，由包括振动层3-1，内嵌于振动层中的透明纤维3-2，以及位于振动层上、下表面的透明电极层3-3。

本实施例中连接件2优选为ABS板材料。连接件2的形状与腔体1的开口形状相匹配，为圆环形，其外径为10cm，内径为8cm，厚度为0.5cm。

连接件一共有上、下两个，该两个连接件相对于振动薄膜的一面，直接粘贴在振动薄膜上，且振动薄膜下表面的连接件通过液体胶与腔体顶面粘紧从而对腔体密封。

振动层3-1为介电高弹体(DE)薄膜，DE膜在受到厚度方向的电压后，其面积会扩大，厚度会减少。振动层3-1的相对介电常数为3～4.7，对金属的粘结正拉强度为900～1200kPa。

本实施例中振动层3-1采用VHB4905，其相对介电常数为3.5，对金属的粘结正拉强度为1100kPa。

在初始状态时振动层3-1没有预拉伸，其为圆形，厚度为0.5mm，直径为10cm。

透明电极层3-3应具有透明性、良好的导电性、稳定性以及能和振动层3紧密结合等性能。本实施例中透明电极层3-3为离子型导电水凝胶，透明，具有良好的导电性，且不易挥发，能和振动层3-1紧密结合。

本实施例中透明电极层3-3也为圆形，直径为8cm，其厚度为0.2mm。

透明电极层3-3的边缘到振动层3-1的边缘之间刚好用于安设圆环形的连接件2。

透明纤维3-2应具有透明性和高于振动层3-1(介电高弹体薄膜)一个数量级的弹性模量，优选为鱼线。鱼线的截面形状优选为圆形，其直径为0.4mm。透明纤维3内嵌在振动层3-1中，其长度为4.5cm。

本实施例中透明纤维3一共有八根，其排列形式如图3所示，

其围绕振动层3的中心O沿直径方向均匀，且各透明纤维在中心O处没有连接在一起。即：所有透明纤维绕振动层的中心呈辐射状均匀分布，且互不相交。本实施例中每根透明纤维距离振动层的中心的距离为5mm。

本实施例中的振动薄膜3通过如下方法制备得到：

先将两片DE薄膜切成规定大小的圆形，再将八根透明纤维按照图3所示样式布置在一片DE薄膜的一侧，然后将另外一片DE薄膜与之前的一片紧密粘合，确保它们完全重合，并使八根透明纤维牢固地内嵌在两片DE薄膜之间，然后在粘合后的双层DE薄膜结构的外表面(上、下表面)刷涂离子型导电水凝胶形成与振动层同心的圆形透明电极层，且透明电极层的直径为8cm。

然后，将两个连接件2分别置于振动层3-1的上、下表面，同时放置时确保连接件与振动层的边缘重合。振动层3-1是介电高弹材料(即介电高弹聚合物)，其具有很强的粘性，因此可以和连接件2紧密粘合。

最后，布置引线，然后使用液体胶将连接件2粘接在腔体1上，即得到本实施例的扬声器。

本实施例的充气式透明扬声器基于功能软材料(DE材料)实现，DE材料基于电驱动工作，工作时需要外接提供电能进而发生形变。因此，该扬声器在使用时应配合引线(导线)一起使用。因为介电高弹体薄膜的工作原理是通过输入电压信号的变化来使介电高弹体薄膜产生振动从而发声，所以引线的作用是使上、下两层透明电极层2与高压电源信号相连。引线数量为两根，分别位于振动薄膜的上下两侧和直径的两端，并且延伸至振动层3的外侧。

本实施例中一种新型的基于功能软材料的充气式透明扬声器的工作过程如下，工作时使用鼓风机或者气筒通过腔体1的进气口进气，因为整个系统良好的气密性，顶部的振动薄膜会鼓起。通过进气量的多少可以控制顶部振动薄膜的鼓起程度，这样可以改变振动薄膜的振动特性。信号发声装置(例如功放)发出的信号通过高压电源放大并转换为电信号，通过两根引线分别与振动薄膜中的两个透明电极层相连，振动薄膜受到电信号的作用下产生振动并发出声音。

因为振动层3-1、透明电极层2和透明纤维3都为透明材料，因此本发明中的振动薄膜为全透明结构，在生活生产中有特殊的作用和用途。由于介电高弹材料优越的力电性能，该充气式透明扬声器可以覆盖整个可听范围内的发声频率，即20Hz～20kHz。其工作寿命大于1000个小时，且可以通过更换振动薄膜延长其工作寿命，此装置对工作环境的要求不高，具有非常广阔的应用前景。在非工作时间可以将气放掉，整个装置质量较轻，成本很低，方便携带。

实施例2

与实施例1相同，所不同的是振动层中不设置功能纤维。但是其发声效果不会有显著降低。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种充气式透明扬声器，其特征在于，包括腔体和振动薄膜，所述腔体顶部开口且设有进气口，所述振动薄膜电驱动可变形，所述振动薄膜固定在所述腔体的开口处以封闭腔体；

所述的振动薄膜包括振动层，内嵌于振动层中的透明纤维，以及位于振动层上、下表面的透明电极层，所述透明纤维的弹性模量至少为振动层的10倍；

所述振动层为圆形，所述透明纤维呈轴对称均匀分布在振动层内，且每根透明纤维自距振动层的中心3～5mm处沿径向延伸至振动层的边缘；

透明电极层的边缘到振动层的边缘之间应留有间距。

2.如权利要求1所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述透明纤维的数量为6～12。

3.如权利要求1所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述的振动薄膜包括振动层，以及位于振动层上、下表面的透明电极层。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述振动薄膜上、下表面上均设有与腔体顶部开口的形态相匹配的环状连接件，且下表面的连接件固定在腔体的顶部。

5.如权利要求4所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述振动层为介电高弹体薄膜。

6.如权利要求5所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述振动层的相对介电常数为3～4.7。

7.如权利要求6所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述振动层对金属的粘结正拉强度为900～1200kPa。

8.如权利要求5所述的充气式透明扬声器，其特征在于，所述振动层厚度为0.3～0.8mm。