CN109451406A - 具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置 - Google Patents

具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109451406A
CN109451406A CN201811482106.4A CN201811482106A CN109451406A CN 109451406 A CN109451406 A CN 109451406A CN 201811482106 A CN201811482106 A CN 201811482106A CN 109451406 A CN109451406 A CN 109451406A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
graphene film
flat
wideband
rung
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811482106.4A
Other languages
English (en)
Inventor
谢金
黄伟
乐先浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201811482106.4A priority Critical patent/CN109451406A/zh
Publication of CN109451406A publication Critical patent/CN109451406A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/06—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2400/00—Loudspeakers
    • H04R2400/11—Aspects regarding the frame of loudspeaker transducers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置。热声装置中设有石墨烯热声膜、溅射层、左右电极和支撑基底。石墨烯热声膜将电流信号通过热声原理转换为与信号频率相关的声压信号；左右电极将电压施加在石墨烯膜上，信号源的交流信号给热声装置施加基本声波信号，直流偏置将使得输出声波信号频率与输入电流信号频率一致；支撑基底可以将石墨烯膜进行支撑从而适应不同的场合；溅射在石墨烯膜上面形成溅射层可稳定悬空部分的石墨烯膜。本发明提出的新型的悬空的石墨烯热声装置具有结构小，带宽长且平坦，声压高的优势。

Description

具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置
技术领域
本发明属于声波换能器技术领域中的扬声器领域，特别是涉及基于一种材料的热声效应而实现的热致扬声器。
背景技术
随着生活水平的提高，扬声器也因此更加受到了人们的关注，对它的性能有了更高的要求，如何提高扬声器的性能也是研究者们首先想到的事情。传统扬声器分为动圈式、静电式、电磁式和压电式等。不同种类的传统扬声器存在着相应的缺点如动圈式频率范围相对较窄，静电式扬声器效率低且需要高直流电源，压电式扬声器容易失真等。同时传统扬声器分别通过磁场、电极间力或者压电效应来使得振膜来振动发声[1]，由于材料本身的特性在振动时必然会有一个本振频率，从而导致传统扬声器频率特性欠佳。传统扬声器的频带宽度也会受扬声器的尺寸限制，基本在20kHz以下。热致声器件是通过在发声材料两端施加交流信号，使材料发生焦耳效应，产生相对频率的热振荡[2]。在空气中或者其他介质中，所产生的热振荡进而发声。因此不存在谐振频率导致的频带窄等问题，只要通过改变施加的信号频率就能改变声波频率，且所能产生声波频率达到超声波级别。与现有的热声器件不一样，本发明所设计的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，可以使用低电压达到高分贝，同时宽且平坦的频响。本发明的热声器件易于制作、发声和调试。
引用文献：
[1]H.Tian,T.L.Ren,D.Xie,Y.F.Wang,C.J.Zhou,T.T.Feng,D.Fu,Y.Yang,P.G.Peng,L.G.Wang and L.T.Liu,ACS Nano,2011,5,4878
[2]Shinoda,H.；Nakajima,T.；Ueno,K.；Koshida.,N.ThermallyInducedUltrasonic Emission from Porous Silicon.Nature 1999,400,853–855.
发明内容
本发明提出一种具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，通过对基底结构的设计材料的选择和对石墨烯膜的表面的溅射，在低电压输入的情况下实现增强了声压和改善了频响的品坦度的同时还不减弱其强度从而不易损坏。
本发明解决其技术问题所采用的的技术方案是：
一种具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，包括基底、电极、石墨烯膜和溅射层；所述的基底的中间位置镂空；石墨烯膜作为装置的发声主体，平整铺设于镂空区域上方，且其边缘固定于镂空区域周边的基底上；电极有两个，分别设置于石墨烯膜的两侧，且均与石墨烯膜导通；所述的溅射层淀积于石墨烯膜的上表面，在所述的镂空区域上方与石墨烯膜结合形成提高石墨烯膜刚度的导电复合层；两个电极均连接外部直流电源和交流电源。
作为优选，所述基底的材料为有机玻璃PMMA，其有着低导热系数。
作为优选，所述电极的材料为银胶，其导电性优异且可操作性强。
作为优选，所述石墨烯膜的厚度范围为20nm～100nm。
作为优选，所述溅射层的材料为铜，其导电性好且刚性强。
作为优选，所述溅射层的厚度范围为20nm～100nm。
作为优选，热声装置整体长度为1.5cm，宽度为1cm。
作为优选，基底的长度为1.5cm，宽度为1cm，中间镂空区域为0.25cm2的正方形。
作为优选，所述石墨烯膜的长度为0.6cm，宽度为0.8cm。
作为优选，所述溅射层覆盖整张石墨烯膜的上表面。
作为优选，所述石墨烯膜的导热性为1940±130W/mK；所述基底的导热性为2W/mK。
作为优选，所述石墨烯膜的电阻为8～16Ω。
作为优选，所述热声装置的声压级为70～80dBL，频响为1～40kHz。
作为优选该装置中，所施加的电压较小，在2～2.8V(1W/cm2)。
本发明中，石墨烯膜是装置的发声主体，通过石墨烯膜的热声效应将电流信号转换为与电流信号相关的声压信号。打孔的基底将石墨烯边缘固定同时将其中间部分进行悬空，使得热声装置的声压最大化，即能量从电能转换为声能最大化，减少了在基底中能量的流失。为了防止石墨烯膜的发声时减少振动，即将增大悬浮部分石墨烯的刚度但同时要不影响其发声效果，本发明通过溅射沉积在石墨烯膜上形成一层溅射层，能够给予悬空部分的石墨烯膜进行一定的强度，实现了悬空热声装置的频响平稳。在该装置中，电信号是通过电极将导线与石墨烯进行相连，实现电流的正常输入，交流电作为转换为声压的主信号，直流偏置作为将输出声压的频率与输入信号源频率一致。由于热声器件的本质因素，本发明在施加一定频率的交流电时候，检测到的是两倍原频率的声波，因此在信号源中加入一个等峰值的直流偏置来使得声波信号等于电流信号。为了使装置尽可能的小同时能达到高声压，可通过实验来确定石墨烯大小和基底材料。
从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是，提出了增强热声器声压的结构形式，改善声频响应曲线的平坦度，最终得到在相对小的器件情况下，可以发出与施加信号相同频率的声压，输出高声压和平坦的响应曲线，同时解决了悬空情况下石墨烯膜易被破坏的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是本发明的悬空石墨烯发声装置的结构示意图；
图2是本发明的悬空石墨烯发声装置的电路原理图，a为俯视图，b为侧视图；
图3是本发明的悬空石墨烯发声装置的频响图；
图中：1.基底，2.电极，3.石墨烯，4.铜溅射层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
在图1中，具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，包括基底1、电极2、石墨烯膜3和溅射层4。基底1呈长方体状，其中部位置挖空形成一个镂空区域。石墨烯膜3呈长方形，由基底1支撑但并非直接附着于基底1上，而是平整铺设于镂空区域上方，仅有其四条边固定于镂空区域周边的基底1上。溅射层4的材料需要有一定的强度且导电。溅射层4通过溅射工艺淀积于石墨烯膜3的上表面，且溅射层4覆盖整张石墨烯膜3，在镂空区域上方与石墨烯膜3结合形成提高石墨烯膜3刚度的导电复合层，以增强悬空部分的强度，实现悬空热声装置的频响平稳。该装置中的电极2有两个，分别设置于石墨烯膜3的两侧边，固定于石墨烯膜3和溅射层4上方，均与石墨烯膜3导通。两个电极2均连接外部直流电源和交流电源。电流从两个电极2的输入，交流电作为转换为声压的主信号，直流偏置用于使输出声压的频率与输入信号源频率一致。
本发明中，基底1具有较低的导热系数，在本实施例中选择导热系数在2W/mK左右的有机玻璃PMMA作为基底材料。石墨烯装置结构较小，基底1的宽度尺寸在1.5cm，长度尺寸在1cm，其中镂空部分为面积为0.25cm2的正方形。电极2为了实现良好的导电性同时具有较好的操作性，因此本实施例中选择银胶作为电极材料。石墨烯膜3为了能够较好的附着在基底上同时尽量减少与基底的接触面积来减少散热，因此在本实施例中石墨烯膜3选择长度尺寸在0.8cm，宽度尺寸在0.6cm，厚度在100nm，电阻为13Ω，导热系数为1980W/mK溅射层4为了能稳定石墨烯膜3在空气中的位置，使得石墨烯膜不容易破坏，同时要尽量少的吸收石墨烯中的热量，因此在本实施例中选择有着较好导电性的铜，溅射层4厚度为100nm。
在图2中对发声原理和电路进步一表述，通过电极2给予石墨烯膜3施加一个交流信号时，热声装置中由石墨烯膜3发出焦耳热，致使空气发声热胀冷缩，最后将发出2倍源信号频率的声压，再施加一个等强度的直流偏置时，发出的声压将与信号频率相同。因此将交流信号与直流偏置一起施加在电极2上面，使得石墨烯膜3产生上述的现象进而发声并可放入实际应用中。
在图3中为本实施例中热声装置的声压级测量图，可以看出声压最高可以达到70dB左右，之后声压维持在60dB左右，正负声压10dB，曲线较为平坦，且频响范围也交广达到了1-40kHz(由于测试工具的限制)。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，包括基底(1)、电极(2)、石墨烯膜(3)和溅射层(4)；所述的基底(1)的中间位置镂空；石墨烯膜(3)作为装置的发声主体，平整铺设于镂空区域上方，且其边缘固定于镂空区域周边的基底(1)上；电极(2)有两个，分别设置于石墨烯膜(3)的两侧，且均与石墨烯膜(3)导通；所述的溅射层(4)淀积于石墨烯膜(3)的上表面，在所述的镂空区域上方与石墨烯膜(3)结合形成提高石墨烯膜(3)刚度的导电复合层；两个电极(2)均连接外部直流电源和交流电源。
2.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述基底(1)的材料为有机玻璃PMMA。
3.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述电极(2)的材料为银胶。
4.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述石墨烯膜(3)的厚度范围为20nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述溅射层(4)的材料为铜。
6.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述溅射层(4)的厚度范围为20nm～100nm。
7.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，热声装置整体长度为1.5cm，宽度为1cm；基底(1)的长度为1.5cm，宽度为1cm，中间镂空区域为0.25cm2的正方形；所述石墨烯膜(3)的长度为0.6cm，宽度为0.8cm；所述溅射层(4)覆盖整张石墨烯膜(3)的上表面。
8.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述石墨烯膜(3)的导热性为1940±130W/mK；所述基底(1)的导热性为2W/mK。
9.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述石墨烯膜(3)的电阻为8～16Ω。
10.根据权利要求1所述的具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置，其特征在于，所述热声装置的声压级为70～80dBL，频响为1～40kHz。
CN201811482106.4A 2018-12-05 2018-12-05 具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置 Pending CN109451406A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811482106.4A CN109451406A (zh) 2018-12-05 2018-12-05 具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811482106.4A CN109451406A (zh) 2018-12-05 2018-12-05 具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109451406A true CN109451406A (zh) 2019-03-08

Family

ID=65558060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811482106.4A Pending CN109451406A (zh) 2018-12-05 2018-12-05 具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109451406A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102724615A (zh) * 2011-03-29 2012-10-10 清华大学 热致发声装置及电子装置
CN106878913A (zh) * 2017-03-27 2017-06-20 清华大学 基于编织网格结构石墨烯的热致发声器及制备方法
CN108486568A (zh) * 2018-02-26 2018-09-04 武汉理工大学 一种用于导热的大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜及其制备方法
CN108821264A (zh) * 2018-07-10 2018-11-16 杭州高烯科技有限公司 一种纳米级声波发生器
CN108892133A (zh) * 2018-07-10 2018-11-27 浙江大学 一种纳米级声波发生薄膜及纳米级声波发生器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102724615A (zh) * 2011-03-29 2012-10-10 清华大学 热致发声装置及电子装置
CN106878913A (zh) * 2017-03-27 2017-06-20 清华大学 基于编织网格结构石墨烯的热致发声器及制备方法
CN108486568A (zh) * 2018-02-26 2018-09-04 武汉理工大学 一种用于导热的大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜及其制备方法
CN108821264A (zh) * 2018-07-10 2018-11-16 杭州高烯科技有限公司 一种纳米级声波发生器
CN108892133A (zh) * 2018-07-10 2018-11-27 浙江大学 一种纳米级声波发生薄膜及纳米级声波发生器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
黄旭等: "《多倍直流偏置电压对碳纳米管薄膜声源的影响》", 《电声技术》, pages 34 - 38 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106131761A (zh) 热致发声装置
TWI500331B (zh) 熱致發聲裝置
US9635468B2 (en) Encapsulated thermoacoustic projector based on freestanding carbon nanotube film
US5283835A (en) Ferroelectric composite film acoustic transducer
WO2020029959A1 (zh) 多重引擎阵列系统及扬声器
JP6505845B2 (ja) 電気音響変換フィルム
CN209002215U (zh) 一种具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置
CN109451406A (zh) 具有平坦且宽频响的悬空石墨烯热声装置
CN101600141B (zh) 发声装置
CN109195087B (zh) 一种基于热声效应的多层碳纳米管薄膜堆叠式扬声器
EP2114088B1 (en) Sound producing device
WO2017002573A1 (ja) 電気音響変換器
TW201130574A (en) Ultrasonic generator
TW201233196A (en) Piezoelectric planar speaker having plurality of dual-mode piezoelectric plates
CN202738101U (zh) 薄型静电扬声器
JP5356992B2 (ja) 熱音響装置
CN204377110U (zh) 一种耳机用压电扬声器
KR20160052296A (ko) 마이크로폰
CN206820949U (zh) 平面振膜扬声器及耳机
CN110277971A (zh) 一种温度调节型薄膜体声波谐振器
US20110255697A1 (en) Digital sound projector
CN103987006A (zh) 音叉式压电陶瓷平面扬声器
KR102198700B1 (ko) 박막 스피커
CN210868154U (zh) 一种应用于定向发声的柔性膜
CN103024650A (zh) 一种参量扬声器用超磁致伸缩稀土换能器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination