CN109678392A - 二氧化硅气凝胶吸音材料和发声装置 - Google Patents

二氧化硅气凝胶吸音材料和发声装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化硅气凝胶吸音材料和发声装置。所述二氧化硅气凝胶吸音材料为三维立体网状结构，其中具有纳米级孔道，所述纳米级孔道从二氧化硅气凝胶吸音材料的内部贯通至外部，所述纳米级孔道包括微孔孔道和介孔孔道，所述微孔孔道的直径范围为0.5nm‑1.5nm，所述介孔孔道的直径范围为2nm‑30nm，孔道直径在50nm以下的所述纳米级孔道的累积孔容积的范围为0.6cm3/g‑3.5cm3/g，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的比表面积范围为300m2/g‑1500m2/g。本发明的一个技术效果在于该吸音材料能够用于降低发声装置的谐振频率。

Description

二氧化硅气凝胶吸音材料和发声装置
技术领域
本发明属于声学器件技术领域，具体地，涉及一种二氧化硅气凝胶吸音材料和发声装置。
背景技术
近年来消费类电子产品的发展迅速，手机、平板电脑等电子设备得到消费者的广泛应用。其中，扬声器是电子产品中的重要声学部件，其用于将电信号转化成声音，以供消费者收听。随着电子产品相关技术的快速发展，消费者对电子产品的声学性能提出了更高的性能需求。在这种情况下，本领域技术人员需要对声学器件作出相应的改进。
发声装置的谐振频率f0是重要的声学性能指标，在实际应用中，如果发声装置的谐振频率f0过高，会造成低音性能降低、产生失真等声音性能的问题。因此，本领域技术人员通过对发声装置、电子产品的结构进行改进，或者增设其它声学辅助器件，从而设法降低发声装置的谐振频率f0，进而提高发声装置的声学性能。
对于发声装置单元，其谐振频率f0可以用以下方程式表示：
在以上方程式中，Mms是发声装置单元的质量，Cms是发声装置单元的等效声顺性。
在将发声装置单元装配到发声装置的箱体或电子产品腔体中后，其谐振频率f01可以用以下方程式表示：
在以上方程式中，CMS是发声装置的箱体容积的空气声顺性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够用于降低发声装置的谐振频率的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种二氧化硅气凝胶吸音材料，所述二氧化硅气凝胶吸音材料为三维立体网状结构，其中具有纳米级孔道，所述纳米级孔道从二氧化硅气凝胶吸音材料的内部贯通至外部，所述纳米级孔道包括微孔孔道和介孔孔道，所述微孔孔道的直径范围为0.5nm-1.5nm，所述介孔孔道的直径范围为2nm-30nm，孔道直径在50nm以下的所述纳米级孔道的累积孔容积的范围为0.6cm3/g-3.5cm3/g，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的比表面积范围为300m2/g-1500m2/g。
可选地，孔道直径在50nm以下的所述纳米级孔道的累积孔容积的范围为0.8cm3/g-2.5cm3/g。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的密度范围为0.01g/cm3-0.25g/cm3。
可选地，所述微孔孔道的直径集中在0.6nm-1.3nm之间。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料还包括大孔孔道，所述大孔孔道的直径范围为50nm-100nm。
可选地，所述微孔孔道的累积孔容积与所述介孔孔道的累积孔容积的比例范围为0.1-8。
可选地，所述微孔孔道的累积孔容积与所述介孔孔道的累积孔容积的比例范围为0.2-2.6。
可选地，采用硅源材料与溶剂以及催化剂混合制成溶胶，所述溶胶经老化处理和干燥处理后制成所述二氧化硅气凝胶吸音材料，所述硅源材料包括有机硅原料和无机硅原料中的至少一种。
可选地，所述有机硅原料包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、多聚硅氧烷中的至少一种；
所述无机硅原料包括工业水玻璃、粉煤灰、稻壳灰、硅藻土中的至少一种；
所述溶剂包括水、醇类、丙酮中的至少一种；
所述催化剂采用酸性催化剂或碱性催化剂。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的形状呈颗粒、粉末、纤维薄膜、块体中的至少一种。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料中混合有高分子聚合物粘接剂。
可选地，所述高分子聚合物粘接剂包括聚丙烯酸(酯)类、环氧类、聚氨酯类、聚乙烯醇类、聚苯乙烯类、聚醋酸乙烯类、乳胶类、聚烯烃类粘接剂中的至少一种，所述高分子粘接剂在所述二氧化硅气凝胶吸音颗粒中的质量占比范围为1-10wt％。
根据本发明的另一方面，还提供了一种发声装置，该发声装置包括：
发声装置主体；
上述二氧化硅气凝胶吸音材料，所述二氧化硅气凝胶吸音材料和所述二氧化硅气凝胶颗粒设置在所述发声装置主体中。
根据本公开的一个实施例，二氧化硅气凝胶吸音材料能够有效降低发声装置的谐振频率。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明提供的二氧化硅吸音材料的微观结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供了一种可以应用发声装置中的二氧化硅气凝胶吸音材料，该吸音材料能够有效降低发声装置的谐振频率f0，起到改善声学性能的作用。
所述二氧化硅气凝胶吸音材料为三维立体网状结构的材料，二氧化硅以Si-O-Si的形式相互连接形成三维立体的网络状凝胶骨架，凝胶骨架中具有纳米级孔道。图1示出了二氧化硅气凝胶的微观结构，图1左下角的5万倍放大图中可以明显看到凝胶骨架以及其中的纳米级孔道。凝胶骨架结构使得二氧化硅气凝胶具有相对较低的密度，其中的纳米级孔道从二氧化硅气凝胶吸音材料的内部贯通延伸至外部，纳米级孔道具有交织、开放的结构特点。这样，空气能够在纳米级孔道中流通，使得二氧化硅气凝胶吸音材料能够起到吸附、脱附空气的作用。
所述纳米级孔道包括微孔孔道和介孔孔道，所述微孔孔道的直径集中在0.5nm-1.5nm这一范围内，所述介孔孔道的直径集中在2nm-30nm这一范围内。优选地，所述微孔孔道的直径集中在0.6nm-1.3nm之间。
在将本发明提供的二氧化硅气凝胶吸音材料装入发声装置的箱体中后，发声装置的谐振频率f02可以用以下方程式表示：
发声装置的箱体的容积被二氧化硅气凝胶吸音材料等效扩大了a倍(a>1)。相对于现有技术中提供的为放置吸音材料的谐振频率f01而言，显然的f02小于f01。
在发声装置的箱体中，空气等粒子的受迫振动会消耗掉声波的能量，这种效果等效于箱体的容积中的空气声顺性增加，从而降低了谐振频率f02。二氧化硅气凝胶吸音材料能够吸附空气，在发声装置的箱体中，声波在二氧化硅气凝胶中的传播速度远小于空气介质中的传播速度。在连续工作时，发声装置的箱体中声波经过二氧化硅气凝胶吸音材料的吸收后不断干涉消耗掉能量，这种效果等效于箱体的容积中的空气声顺性增加，从而降低了谐振频率f02。
可见，本发明提供的二氧化硅气凝胶吸音材料能够吸附、脱附空气，在这一过程中消耗声波的能量，从而起到增加发声装置的箱体中的空气声顺性的作用，有效降低发声装置的谐振频率，从而提高发声装置的声学性能。
在微孔孔道以及介孔孔道的直径处在上述范围内时，微孔孔道对空气的吸附量更大，从而表现出更明显的吸附、脱附空气的能力。所述介孔孔道则用于供空气在二氧化硅气凝胶吸音材料中流通，从而能够快速进入微孔孔道或者快速从吸音材料中释放。通过上述微孔孔道和介孔孔道的尺寸特点，二氧化硅气凝胶吸音材料的降低谐振频率f0的效果更强。
优选地，在所述二氧化硅气凝胶吸音材料中，孔道直径在50nm以下的所述纳米级孔道的累积孔容积的范围为0.6cm3/g-3.5cm3/g。进一步地，上述范围可以优选在0.8cm3/g-2.5cm3/g范围内。所述二氧化硅气凝胶吸音材料需要具有足够的累积孔容积才能够对空气起到良好的吸附、脱附作用。一般而言，累积孔容积越大，对空气的吸附脱附作用越好。但是，如果累积孔容积大于3.5cm3/g时，二氧化硅气凝胶吸音材料的堆积密度会严重下降。进而造成单位体积内壳加入后腔的吸音材料的质量降低，从而影响降低谐振频率的效果。因此，纳米级孔道的累积孔容积一般不大于3.5cm3/g，优选的累积孔容积范围在0.8cm3/g-2.5cm3/g。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的比表面积范围为150m2/g-1500m2/g。优选地，比表面积的范围为300m2/g-1500m2/g。在一定范围内，二氧化硅气凝胶的比表面面积与其累积孔容积具有正相关性。比表面积越大，累积孔容积越大。在适当的范围内，累计孔容积越大，二氧化硅气凝胶对空气吸附能力越大，对谐振频率f0的降低效果越好。如果比表面积过小，则微孔孔道的含量会降低，吸音材料吸附空气的能力降低，造成降低谐振频率f0的效果减弱。而如果比表面积过大，则微孔孔道的含量过高，会出现空气的流动受到阻塞的问题，同样会造成降低谐振频率f0的效果减弱的情况。因此，比表面积的优选范围为300m2/g-1500m2/g。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的密度范围为0.01g/cm3-0.25g/cm3。进一步地，该密度的优选范围为0.11g/cm3-0.20g/cm3。所述二氧化硅气凝胶吸音材料的密度会对降低谐振频率f0的效果产生影响。通常情况下，吸音材料的密度越小，声波在其中传送的速度越小，也即吸音材料能够更有效的吸收掉空气的振动。在发声装置连续工作时，发声装置的箱体中的声波在吸音材料的作用下产生更明显的相互干涉，从而将振动的能量消耗掉。这种效果更有效的增加了发声装置的箱体中的空气声顺性，进一步提高降低谐振频率f0的效果。但是另一方面，如果吸音材料的密度过小，则会造成在一定体积内能够填充到发声装置的箱体中的吸音材料的质量较少，能够起到吸音效果的物质减少，相应的会削弱降低谐振频率f0的效果。因此，二氧化硅气凝胶吸音材料的密度优选在0.01g/cm3-0.25g/cm3之间，更优的处在0.11g/cm3-0.20g/cm3之间。
可选地，所述二氧化硅气凝胶吸音材料中还包括大孔孔道，所述大孔孔道的直径范围为50nm-100nm。所述大孔孔道能够在介孔孔道之间形成连通关系，使空气能够更快速的经大孔孔道、介孔孔道进而进入所述微孔孔道中，实现空气被吸附的效果。另一方面，大孔孔道也能够使被微孔孔道吸附的空气快速经介孔孔道移动至大孔孔道，从而使空气能够从吸音材料中脱出。在二氧化硅气凝胶吸音材料中形成有大孔孔道的实施方式中，该吸音材料对于空气的流动、气压的变化具有更灵敏的响应速度，能够更好的适应发声装置的箱体中的气压变化。
可选地，所述微孔孔道的累积孔容积与所述介孔孔道的累积孔容积的比例范围为0.1-8。对于具有相同质量、上述比例不同的二氧化硅气凝胶吸音材料，微孔孔道的累积孔容积与介孔孔道的累积孔容积的比值越高，空气的吸附、脱附性能越强。这一性能特点主要体现在微孔孔道能够提供更大的体积，用于对空气进行吸收，使其对于发声装置的箱体的等效扩容倍率越大。进一步地，吸音材料降低谐振频率f0的效果越好。
但是上述两者的比值优选不超过8。在两者的比值超过8后，二氧化硅气凝胶吸音材料降低谐振频率的效果出现明显下降。其原因在于，上述比值过大体现出微孔孔道含量过高，二氧化硅气凝胶吸音材料中大部分的孔道结构的尺寸过小。也即，介孔孔道以及大孔孔道的含量过少。微孔孔道的尺寸较小，空气无法在其中快速移动，而介孔孔道和大孔孔道的含量过少，无法提供空气的流通通道。这种孔道特点阻碍了空气的对流、阻碍了空气在二氧化硅气凝胶吸音材料中进出。进而影响了声波的传播，其对谐振频率f0的降低效果明显减弱。本发明提供的微孔孔道与介孔孔道的累积孔容积的优选比例范围为0.2-2.6。例如，在实际应用中可以选择的比例为1或2。在本发明提供的优选比例范围内，既能够满足大量吸附空气，又能够使空气快速吸附脱附。
可选地，本发明提供的二氧化硅气凝胶吸音材料可以通过硅源材料、溶剂以及催化剂混合制成。首先，将硅源材料与溶剂和催化剂混合制成溶胶。在催化剂的作用下，硅源材料自身产生化学反应，从而形成上述凝胶骨架结构。之后，对溶胶进行老化处理，通过加热、静止放置等方式促使化学反应结束。最后，通过干燥等手段去除溶胶中的溶剂，从而形成气凝胶，制得本发明的二氧化硅气凝胶吸音材料。
可选地，所述硅源材料可以为有机硅原料和无机硅原料。有机硅原料可以包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、多聚硅氧烷中的至少一种，也可以是其它硅溶胶。无机硅原料可以包括工业水玻璃、粉煤灰、稻壳灰、硅藻土中的至少一种，也可以是其它无机硅材料。
可选地，所述溶剂则可以采用水、醇类、丙酮中的至少一种。将硅源材料溶解在溶剂中后，再添加入催化剂，即可指的所需的溶胶。根据溶剂种类的不同，可以将最终制成的气凝胶分为水凝胶、醇凝胶等。
可选地，所述催化剂可以包括酸性催化剂和碱性催化剂。酸性催化剂包括盐酸、乙酸、草酸、氢氟酸、柠檬酸中的一种或多种。碱性催化剂则可以包括氨水、氢氧化钠中的一种或多种。
溶胶的制备完成后，经过一段时间的化学反应会逐渐凝固形成凝胶。此时，凝胶中硅源材料的化学反应不会完全结束，可以通过加热等处理手段对凝胶进行老化处理，加速化学反应。所述老化过程能够使凝胶骨架得到强化，机械强度增高。
经过老化工艺后，可以通过干燥处理将凝胶中的溶剂去除，从而得到以空气为分散介质的气凝胶。常用的干燥工艺包括常压干燥、冷冻干燥和超临界干燥等。
超临界干燥工艺能够最大程度的保留气凝胶的高孔隙率和低密度特性。常压干燥工艺能够增强凝胶骨架的机械强度并对凝胶骨架进行疏水改性，从而抵抗干燥过程中的毛细管张力及避免Si-OH发生缩合反应。冷冻干燥则能够避免气凝胶在干燥过程中出现气-液两相界面。
可选地，本发明提供的二氧化硅气凝胶吸音材料在实际应用中可以制备成不同的形状，以便发挥更好的吸音性能。例如，吸音材料可以制成颗粒状、粉末、纤维、薄膜、块体。不同的发声装置中结构不同，根据结构特点可以将不同结构形状的吸音材料置于发声装置中。
本发明提供的二氧化硅气凝胶吸音材料的原料可以为粉末状材料，之后经过成型工艺制成如上所述的颗粒状、纤维状、块体或薄膜状等。在一种可选的实施方式中，可以在二氧化硅气凝胶吸音材料中混合高分子聚合物粘接剂，通过粘接工艺制成特定性状的吸音材料。所述高分子聚合物粘接剂被配置为在能保证二氧化硅气凝胶吸音颗粒的定型、结构稳定性的基础上，尽可能不破坏、阻塞无定型二氧化硅气凝胶粒子中的孔道结构。
可选地，所述高分子聚合物粘接剂包括聚丙烯酸(酯)类、环氧类、聚氨酯类、聚乙烯醇类、聚苯乙烯类、聚醋酸乙烯类、乳胶类、聚烯烃类粘接剂中的至少一种。上述高分子聚合物粘接剂也可以在制成具有特定性状的二氧化硅气凝胶吸音材料，例如颗粒、块状后，再通过脱脂工艺从吸音颗粒中取出，从而留下更丰富的孔道结构。优选地，所述高分子粘接剂在所述二氧化硅气凝胶吸音颗粒中的质量占比范围为1-10wt％。如果高分子粘接剂的含量过高，无定型二氧化硅气凝胶粒子的用量相应减少，则吸收空气的性能会受到影响。而如果高分子粘接剂的含量过低，制成的二氧化硅气凝胶吸音颗粒易出现起粉、破碎等问题，造成结构可靠性降低。
本发明还提供了一种发声装置，该发声装置包括发声装置主体和上述二氧化硅气凝胶吸音材料。所述二氧化硅气凝胶吸音材料设置在所述发声装置主体中，从而降低发声装置的谐振频率。例如，发声装置主体中具有后声腔和前声腔，发声装置主体的振膜将腔室结构分割成后声腔和前声腔，所述前声腔连通至出声孔，所述后声腔则封闭在发声装置主体内。所述二氧化硅气凝胶吸音材料填充在所述后声腔中，以降低谐振频率f0。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶吸音材料为三维立体网状结构，其中具有纳米级孔道，所述纳米级孔道从二氧化硅气凝胶吸音材料的内部贯通至外部，所述纳米级孔道包括微孔孔道和介孔孔道，所述微孔孔道的直径范围为0.5nm-1.5nm，所述介孔孔道的直径范围为2nm-30nm，孔道直径在50nm以下的所述纳米级孔道的累积孔容积的范围为0.6cm3/g-3.5cm3/g，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的比表面积范围为300m2/g-1500m2/g。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，孔道直径在50nm以下的所述纳米级孔道的累积孔容积的范围为0.8cm3/g-2.5cm3/g。
3.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的密度范围为0.01g/cm3-0.25g/cm3。
4.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述微孔孔道的直径集中在0.6nm-1.3nm之间。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶吸音材料还包括大孔孔道，所述大孔孔道的直径范围为50nm-100nm。
6.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述微孔孔道的累积孔容积与所述介孔孔道的累积孔容积的比例范围为0.1-8。
7.根据权利要求6所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述微孔孔道的累积孔容积与所述介孔孔道的累积孔容积的比例范围为0.2-2.6。
8.根据权利要求1-7任意之一所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，采用硅源材料与溶剂以及催化剂混合制成溶胶，所述溶胶经老化处理和干燥处理后制成所述二氧化硅气凝胶吸音材料，所述硅源材料包括有机硅原料和无机硅原料中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述有机硅原料包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、多聚硅氧烷中的至少一种；
所述无机硅原料包括工业水玻璃、粉煤灰、稻壳灰、硅藻土中的至少一种；
所述溶剂包括水、醇类、丙酮中的至少一种；
所述催化剂采用酸性催化剂或碱性催化剂。
10.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶吸音材料的形状呈颗粒、粉末、纤维、薄膜、块体中的至少一种。
11.根据权利要求1-10所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶吸音材料中混合有高分子聚合物粘接剂。
12.根据权利要求11所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，其特征在于，所述高分子聚合物粘接剂包括聚丙烯酸(酯)类、环氧类、聚氨酯类、聚乙烯醇类、聚苯乙烯类、聚醋酸乙烯类、乳胶类、聚烯烃类粘接剂中的至少一种，所述高分子粘接剂在所述二氧化硅气凝胶吸音颗粒中的质量占比范围为1-10wt％。
13.一种发声装置，其特征在于，包括：
发声装置主体；
权利要求1-12任意之一所述的二氧化硅气凝胶吸音材料，所述二氧化硅气凝胶吸音材料设置在所述发声装置主体中。
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