CN109195087B - 一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器 - Google Patents

Abstract

一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，属于机械设计领域，包括外框架、多层相互平行且并联连接的碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜作为发声元件，其层数最少为两层、最多为四层。碳纳米管薄膜由碳纳米管组成，两端连接金属电极，金属电极固定在外框架上，同侧金属电极连接在同一导线，且各层碳纳米管薄膜连接的金属电极不接触。发声元件根据接入的音频信号产生相应的温度变化，使周围的介质迅速膨胀和收缩，发出声波。本发明提供的扬声器自身无振动部件，避免共振效应；且结构较为简单，制作所需耗材少，可根据需求制作成任意大小，声场介质均匀受热，不存在分割振动现象；能够产生全部可听声范围内的高响度声音，可以应用于音箱、收音机等可发声的设备中。

Description

一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种热声发声装置，尤其是一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜扬声器。

背景技术

扬声器是一种把电信号转换为声信号的换能器件，是音响中最重要的组成部分，其性能的优劣直接影响着音响的质量。现代社会中，扬声器正扮演着一个不可或缺的角色，尤其是随着人们生活水平的提高，对高质量音频的需求日益突出。因此，设计和制造一种具有频响范围宽、失真度小的扬声器显得尤为重要。

现有扬声器均为电动式扬声器，其工作原理为：当音频电流流经音圈时，置于磁场中的音圈受磁场力的作用产生相应的运动，通过音圈骨架传递给音盆，音盆振膜产生振动，从而还原出声音。该类扬声器存在4个局限：(1)由于需要电磁力带动音圈和振膜振动，振膜的刚性一般较小，必须制成圆锥形状才能减小振动时的弯曲变形，圆锥形状的振膜就会构成前气室。在振膜振动时，前气室内的空气将产生共振，使声场分布上出现很大的紊乱。(2)理想的音盆振膜的振动应该是振膜任一部位都是同时以相同幅度相同方向振动，即做刚体活塞运动，实际上由于刚性较小的圆锥形状音盆，因此会产生局部分割振动。虽然压电式扬声器可以利用压电效应取消圆锥形前气室设计，避免前气室中的空气振动。然而，压电耗材昂贵，制作成本较高，而且在有效的输入功率下，无法获得更大的声压强。(3)在采用电动式扬声器的音响中，扬声器的振膜前后发出的声波是反相的，一经相遇就会相互抵消。为了避免这种现象，必须采用音响外壳来分隔前后声波。(4)由于振动发声的特性，在可听声的频率范围内，振膜必然会与所发音频信号产生共振。因此，一个电动式扬声器不能满足全部可听声的范围，现有专业音响也只能采用多个不同大小的扬声器单元来解决该问题。

近年来，一类具有显著热声效应的碳纳米管薄膜材料逐渐受到人们的关注。如果在拉膜方向通以特定频率交流电，薄膜由于热声效应就可以发出相应频率的声波。发声过程中薄膜自身不振动，无需制成特定形状，不存在影响薄膜发声的结构部件。通电情况下，薄膜整体均匀产热发声，所有部位产生声压振幅相同、相位一致。此外，薄膜向介质中的传热在薄膜前后两侧同时进行，产生的声波在前后两侧也是一致的，无需设置间隔。薄膜不振动避免了共振现象，因此碳纳米管薄膜可以产生全部可听声范围内的音频。碳纳米管薄膜具有轻便、可延展性、灵活、透明等特点。碳纳米管薄膜可以在实验室中成长获得，利用碳纳米管薄膜作为扬声器，可以避免使用传统扬声器中的磁铁，制作成本大幅降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，为了在有限的功率载荷范围内获得高强度的声压，本发明涉及一种多层碳纳米管薄膜堆叠式的热声扬声器，各层碳纳米管薄膜间设有间隔。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，包括外框架、多层相互平行且并联连接的碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜作为发声元件，其层数最少为两层、最多为四层。所述的碳纳米管薄膜由同向排列的首尾相连的碳纳米管组成，碳纳米管薄膜两端连接金属电极，金属电极固定在外框架上，同侧金属电极连接在同一导线，且各层碳纳米管薄膜连接的金属电极不能相互接触，电信号由金属电极传导至碳纳米管薄膜，薄膜接收电信号发出相应的声波。发声元件根据接入的音频信号产生相应的温度变化，从而使周围的介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波。

所述的多层碳纳米管薄膜发声元件相邻两层之间的间隔为0.6毫米，最外侧两层的间隔不超过1.8毫米；每层碳纳米管薄膜厚度为0.5纳米到1微米。

所述的碳纳米管薄膜中碳纳米管的排列方向与该碳纳米管薄膜的表面平行，碳纳米管间通过范德华力连接在一起。

所述的电极与碳纳米管薄膜连接位置在碳纳米管排列方向的首尾端。

所述的金属电极和碳纳米管薄膜之间的连接，采用粘结剂连接或者直接涂抹金属电极的方式。

所述的金属电极和外框架的连接，采用粘结剂成固定连接，将连接的碳纳米管薄膜拉伸。

所述的碳纳米管薄膜中碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或多种，其中，单壁碳纳米管的直径为0.5纳米到50纳米，双壁碳纳米管的直径为1纳米到50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.5纳米到50纳米。

所述的外框架由刚度较大的绝缘材料制成，例如单晶硅，硬质绝缘塑料或陶瓷。

本发明的有益效果为：其一，由于采用碳纳米管薄膜作为发声元件，发声过程中薄膜自身不振动，无需制成特定形状，不存在影响薄膜发声的结构部件。扬声器无需磁铁等复杂结构，无需钕等昂贵的稀土材料，结构较为简单，耗材少，有利于降低发声装置的成本。其二，碳纳米管薄膜通入电信号后，薄膜温度变化在整体上是均匀一致的，因而产生的声波振幅和相位在薄膜范围内是一致的，不存在分割振动的现象。其三，碳纳米管薄膜根据输入信号产生相应的温度变化，从而使周围的介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波。薄膜向介质中的传热在薄膜前后两侧同时进行，产生的声波在前后两侧也是一致的，不仅不会相互干扰，而是会相互加强。故无需设置间隔以抑制一侧的声波，即可以将发声装置悬空放置。其四，发声装置无振动部件，不存在共振现象。同时，在可听声频率范围内，即20赫兹至20000赫兹内，各层碳纳米管薄膜的间隔大于全频率段相应的热扩散长度，避免了热积累；总的长度小于全频率段相应的波长的十分之一，避免了音频失真。因此，本扬声器满足可听声频率范围内的所有音频发射。研究表明，所得声压与碳纳米管薄膜的层数成正比。因此，在每层碳纳米管薄膜施加功率载荷有限的情况下，本发明可以获得高的声压值。

附图说明

图1为本发明扬声器的结构示意图。

图2为沿着图1中E-E线的示意图，对应本发明第一实施例扬声器。

图3为产生声压级随发声元件层数的变化图。

图中：1第一电极；2第二电极；3第一发声元件；4第二发声元件；5外框架；6导线A；7导线B。

具体实施方式

以下结合具体实施例多本发明做进一步说明。

图1示出了两层碳纳米管薄膜扬声器结构图，图2示出了沿着图1中E-E线的示意图，包括外框架5，两个第一电极1，两个第二电极2，第一发声元件3，第二发声元件4。发声元件3两侧分别连接一个第一电极1和一个第二电极2，发声元件4两侧分别连接一个第一电极1和一个第二电极2。第一电极1和第二电极2分别固结在外框架5上，两个第一电极和两个第二电极相互间不接触，且使得连接的发声元件3和发声元件4平行且间隔为0.6毫米。两个第一电极通过导线A6电连接，两个第二电极通过导线B7电连接，发声元件3和发声元件4成并联关系。通过导线A6和导线B7将音频信号输送到发声元件3和发声元件4，进而发出声波。

所述发声元件3和发声元件4为碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜由超顺排的首尾相连的碳纳米管组成，碳纳米管之间通过范德华力排列在一起，所述发声元件3和发声元件4的厚度为0.8微米。所述碳纳米管薄膜中碳纳米管为双壁碳纳米管。所述第一电极1和第二电极2采用导电金属，具体形状及材料不限，可根据实际工艺及形状要求制备。所述发声元件3和发声元件4长度及宽度不限，具体可根据实际需求制备。

本发明实施例中，所述发声元件3和发声元件4的长度为7.5厘米、宽度为5厘米、厚度为50纳米，所述第一电极1和第二电极2采用铜质薄片，用甲醇将铜质薄片和碳纳米管薄膜连接处润湿，然后快速干燥以连接发声元件和电极。外框架5采用硬质绝缘塑料，铜质薄片采用胶水粘贴在外框架上。发声元件3和发声元件4处于平行状态，不能有任何接触，其间距保持为0.6毫米。由于碳纳米管薄膜具有拉伸性，可将碳纳米管薄膜拉伸绷紧。两个第一电极采用导线A6电连接，两个第二电极通过导线B7电连接，发声元件3和发声元件4成并联关系，因此输入发声元件3和发声元件4的电流是相同的，所产生的声音信号会得到加强。本发明实施例所在环境为室温下空气环境，各层碳纳米管薄膜输入功率为1瓦，所采用声音频率为3000赫兹，单层碳纳米管薄膜发声元件产生的声压级为74.60分贝，本发明实施例产生的声压级为80.61分贝。

本发明第二实施例，采用三层碳纳米管薄膜发声元件组成的扬声器，相比于第一实施例，多了一层发声元件、一个第一电极和一个第二电极，组装形式同第一实施例相同。三层发声元件相互间的间隔为0.6毫米。本发明实施例所在环境为室温下空气环境，各层碳纳米管薄膜输入功率为1瓦，所采用声音频率为3000赫兹，单层碳纳米管薄膜发声元件产生的声压级为74.60分贝，本发明实施例产生的声压级为84.12分贝。

本发明第三实施例，采用四层碳纳米管薄膜发声元件组成的扬声器，相比于第一实施例，多了两层发声元件、两个第一电极和两个第二电极，组装形式同第一实施例相同。四层发声元件相互间的间隔为0.6毫米。本发明实施例所在环境为室温下空气环境，各层碳纳米管薄膜输入功率为1瓦，所采用声音频率为3000赫兹，单层碳纳米管薄膜发声元件产生的声压级为74.60分贝，本发明实施例产生的声压级为86.60分贝。如图3所示为所产生的声压级随发声元件层数的变化情况。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器包括外框架、多层相互平行且并联连接的碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜作为发声元件，其层数最少为两层、最多为四层；

所述的碳纳米管薄膜由同向排列的首尾相连的碳纳米管组成，碳纳米管的排列方向与该碳纳米管薄膜的表面平行，碳纳米管间通过范德华力连接；碳纳米管薄膜两端连接金属电极，金属电极固定在外框架上，同侧金属电极连接在同一导线，且各层碳纳米管薄膜连接的金属电极不能相互接触，电信号由金属电极传导至碳纳米管薄膜，薄膜接收电信号发出相应的声波；

所述的多层碳纳米管薄膜发声元件相邻两层之间的间隔为0.6毫米，最外侧两层的间隔不超过1.8毫米；每层碳纳米管薄膜厚度为0.5纳米到1微米。

2.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜中碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或多种，其中，单壁碳纳米管的直径为0.5纳米到50纳米，双壁碳纳米管的直径为1纳米到50纳米，双壁碳纳米管的直径为1.5纳米到50纳米。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的金属电极和碳纳米管薄膜之间的连接，采用粘结剂连接或者直接涂抹金属电极的方式。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的金属电极和外框架的连接，采用粘结剂成固定连接，将连接的碳纳米管薄膜拉伸。

5.根据权利要求3所述的一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的金属电极和外框架的连接，采用粘结剂成固定连接，将连接的碳纳米管薄膜拉伸。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的外框架由刚度大的绝缘材料制成，包括单晶硅，硬质绝缘塑料或陶瓷。

7.根据权利要求3所述的一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器，其特征在于，所述的外框架由刚度大的绝缘材料制成，包括单晶硅，硬质绝缘塑料或陶瓷。

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