CN110639783B - 一种碳纳米管薄膜换能器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纳米管薄膜换能器阵列，属于超声波疗领域。该换能器阵列包括换能器阵列框架和发声元件，发声元件包括碳纳米管薄膜、金属电极和导线，各发声元件处于同一平面或曲面上，发声元件的排列规律、尺寸大小和相邻发声元件之间的中心间距可以根据功能需求做出调整。当发声元件接入音频信号时，碳纳米管薄膜产生相应的温度变化，使周围介质发生膨胀和收缩并激发出声波，各发声元件发出的声波在空间中相互叠加、干涉，从而产生能量高度集中的声波。本发明中换能器阵列具有无振动部件、排列灵活、形状可随意变动以及生产成本低等优点；且可以产生高频、高指向性、高灵敏度的声波，应用于超声医疗、先进雷达等领域。
Description
技术领域
本发明属于超声波疗领域，涉及一种基于碳纳米管薄膜热声效应的超声换能器阵列。
背景技术
随着我国社会主义建设进程的不断加快，人民的生活水平日益提高，人们对于个人健康问题愈加重视，因此对于医疗设备质量和数量的要求不断提高。在各种医疗设备中，超声医疗设备由于具有造成的创伤小、价格低廉、能够实时成像等特点而成为了一类重要的诊疗设备。目前，超声医疗设备被广泛应用于成像、诊察、组织切割和消除、杀菌消毒等诊疗环节，比如人们常用的B超设备、超声手术刀、肿瘤聚焦超声治疗系统等。超声换能器阵列是超声医疗设备的主要部件，其特点是能够产生能量高度集中的超声波波束；而超声波波束的声压强度、指向性以及灵敏度直接关系到诊疗的结果，因此设计一种高声压、高指向性、高灵敏度、成本低廉的超声换能器阵列，对当前的超声医疗设备的应用具有重要意义。
现有的超声换能器阵列的发声元件主要由压电材料制成，其工作原理是基于压电效应，即压电材料受外电场作用时会产生变形。当音频信号通过压电体时，压电体发生变形带动周围介质振动，从而发出声音。由压电材料制作成的超声换能器阵列主要有4个缺点：(1)压电材料的阻抗随着材料面积的减小而增大，导致换能器阵列的灵敏度降低，产生的声音声压降低；(2)由于压电材料在发声过程自身会振动，会引起共振效应，且会导致元件之间的信号串扰，进而导致音频信号的传输错误或丢失；(3)为了放置更多的发声元件以增强声压和指向性，且避免产生栅瓣，有限空间中的超声换能器阵列的发声元件通常要小于2毫米，导致压电换能器阵列制造起来非常困难，极大地增加了制造成本；(4)目前被广泛应用的压电材料(比如压电陶瓷)含有大量的污染环境的重金属离子，处理不当很容易会破坏生态环境。
近年来，碳纳米管薄膜由于其显著的热声效应引起了人们的广泛关注。当碳纳米管薄膜被接入音频信号时，能发出相应频率的声音。碳纳米管薄膜的比热容极低，通电产生的热能迅速释放到周围介质，引起介质的振动，产生的声场声压高、灵敏度高；且薄膜发声过程中自身不振动，避免了共振效应；碳纳米管薄膜可以从商业化生产中获得，且轻便、可延展、剪裁方便，可以制作成任意的大小以及形状，对应的换能器阵列的制作成本低。此外，碳纳米管薄膜不含任何对环境有害的重金属离子，无环境污染性。
发明内容
为解决背景技术中提到的问题，本发明提出一种基于碳纳米管薄膜热声效应的换能器阵列，碳纳米管薄膜能够基于热声效应发射出声波，即当电信号接入换能器阵列时，碳纳米管薄膜的温度发生相应的变化，使得碳纳米管薄膜周围的介质发生膨胀和收缩，进而发出声音，各个碳纳米管薄膜发出的声音相互叠加、干涉，形成具有高指向性、高声压、高信噪比的声场。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种碳纳米管薄膜换能器阵列，包括换能器阵列框架6和发声元件。
所述的换能器阵列框架6内设有多个横梁，用于安装固定发声元件。
所述的发声元件包括碳纳米管薄膜1、金属电极A2、金属电极B3和导线。所述的碳纳米管薄膜1由首尾相连、同向排列的碳纳米管组成，碳纳米管之间相互平行。所述金属电极A2和金属电极B3分别连接在碳纳米管薄膜1的两侧，且与碳纳米管排列方向一致；金属电极A2和金属电极B3均连接一根导线，两根导线分别作为音频信号的输入端和输出端。所述发声元件通过碳纳米管薄膜1两侧的金属电极固定在换能器阵列框架6上，并使碳纳米管薄膜1处于拉紧状态；多个发声元件根据功能需求按照规律排列固定在换能器阵列框架6上，比如按照4行4列、6行6列、8行10列等规律排列固定在换能器阵列框架6上；将音频信号通过发声元件上的导线接入发声元件。
进一步地，所述的换能器阵列框架6由耐热绝缘材料制成，包括陶瓷材料、耐热的橡胶或塑料或钢化玻璃材料等；换能器阵列框架6根据实际需要制作成平面形状或曲面形状。
进一步地，所述的金属电极A2和金属电极B3为低电阻率的固体金属导体；所述的导线为金属材料；碳纳米管薄膜1的形状根据实际需要制作成方形、圆形、圆环形等形状。
进一步地，所述金属电极A2和金属电极B3通过粘结剂分别固定在碳纳米管薄膜1的两侧，金属电极A2和金属电极B3均采用焊接方式与导线连接，用焊接工具完成；发声元件通过粘结剂固定在换能器阵列框架6上。
进一步地，音频信号的接入方式为：通过信号输入装置将音频信号接入各个发声元件，每一块发声元件的音频信号均和其他发声元件的音频信号之间具有相位差，相位差的大小由碳纳米管薄膜换能器阵列的焦点位置确定。
本发明的有益效果：(1)碳纳米管薄膜具有很小的单位面积比热容，热声效率很高，可以发出各种频率的、高声压级的、低谐波失真的声音，因此利用碳纳米管薄膜制作的换能器阵列能够辐射出高指向性、高声压、高灵敏度的声场，将其应用到超声设备可以获得高强度聚焦的声波束。(2)碳纳米管薄膜非常容易被剪裁和弯曲，因此可以根据实际需要，将其剪裁制作成任何形状，比如方形、圆形或者圆环形，也很方便将其粘贴在任意形状的框架或者基底上，比如平面的、曲面的框架或基底；与利用压电材料制作超声换能器阵列的复杂工序相比，用碳纳米管薄膜制作超声换能器阵列可以减少大量的时间成本和经济成本。(3)碳纳米管薄膜发声时本身不发生振动，避免了共振效应，不需要其他结构来辅助发声，结构简单。(4)碳纳米管薄膜可以同时向正反两个方向发出声音且不会相互干涉导致衰减，因此碳纳米管薄膜换能器阵列既可以放置在基底上，也可以悬空放置。(5)不同于压电材料含有大量可能污染环境的重金属，碳纳米管薄膜不含有害物质，不会污染环境。
附图说明
图1为本发明碳纳米管薄膜换能器阵列的发声元件示意图。
图2为本发明碳纳米管薄膜换能器阵列的结构示意图。
图3为本发明利用信号输入装置将音频信号输入碳纳米管薄膜换能器阵列的示意图。
图中：1.碳纳米管薄膜；2.金属电极A；3.金属电极B；4.导线a；5.导线b；6.换能器阵列框架；7.信号输入装置。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
图1为本发明碳纳米管薄膜换能器阵列的发声元件结构示意图，图2为本发明碳纳米管薄膜换能器阵列的结构示意图，图3为本发明利用信号输入装置将信号输入碳纳米管薄膜换能器阵列的方式示意图。如图1、图2所示，一种碳纳米管薄膜换能器阵列，包括换能器阵列框架6和发声元件。所述的换能器阵列框架6内设有多个横梁，用于安装固定发声元件。每个发声元件包括一层碳纳米管薄膜1、金属电极A2、金属电极B3、导线a4和导线b5。所述的碳纳米管薄膜1由首尾相连、同向排列的碳纳米管组成，碳纳米管薄膜1在沿着碳纳米管排列方向的两侧分别连接金属电极A2和金属电极B3；发声元件通过金属电极A2和金属电极B3粘贴固定在换能器阵列框架6上，并使得碳纳米管薄膜1处于拉紧状态；导线a4焊接在金属电极A2上，导线b5焊接在金属电极B3上；如图3所示，通过信号输入装置7将不同相位的音频信号通过各个发声元件的导线分别独立输入，进而碳纳米管薄膜换能器阵列辐射出高指向性、高声压、高灵敏度声场。
所述碳纳米管薄膜1可以根据需要制作成方形、圆形、圆环形等形状。所述金属电极A2和金属电极B3均由低电阻率的固体金属导体制成，分别通过粘结剂与碳纳米管薄膜1沿碳纳米管排列方向的两侧相连。所述导线a4和导线b5均为金属材料制成，两根导线分别作为音频信号的输入端和输出端。所述换能器阵列框架6由耐热绝缘材料制成，且可以根据需要制作成平面形状或曲面形状。
实施例1
所述发声元件的碳纳米管薄膜1为正方形，边长为2毫米，所述金属电极A2和金属电极B3的材料为铜，导线a4和导线b5均为铜质导线，换能器阵列框架6均为硬质耐热绝缘塑料。将甲醇均匀涂抹在金属电极A2、金属电极B3与碳纳米管薄膜1的连接处，然后将金属电极A2和金属电极B3分别粘贴在碳纳米管薄膜1两侧并等待甲醇干燥，以实现金属电极和碳纳米管薄膜1的固定连接。再用电烙铁将导线a4和导线b5分别焊接在金属电极A2和金属电极B3上。用胶水将金属电极A2与金属电极B3固定粘贴在换能器阵列框架6上。
所述的换能器阵列框架6为平面结构，一共含有64块发声元件，按照8行8列的规律排列，相邻发声元件中心间距为2.5毫米，将所有的发声元件用铜质导线并联起来，当输入音频信号时，所有发声元件的功率、相位都是一致的。本实施例中声音的传播介质为室温空气，采用的声音频率为100000赫兹，各个发声元件的输入功率为0.01瓦。当音频信号输入到碳纳米管薄膜换能器阵列中时，基于碳纳米管薄膜的热声效应，换能器阵列辐射出高指向性声场，本实施例中，在离换能器阵列中心为0.5米的半球形观测面上，声场的主瓣宽度为20.16度，最大声压级为77.37分贝。
实施例2
换能器阵列框架6为平面结构，一共含有100块发声元件，按照10行10列的规律排列，各个发声元件组装方式与实施例1相同，相邻的各个发声元件相距2.5毫米，声音频率为100000赫兹，各个发声元件的输入功率均为0.01瓦，声音传播介质为室温空气。换能器阵列基于热声效应而辐射出的声场中，在离换能器阵列中心为0.5米的半球形观测面上，声场的主瓣宽度为16.09度，最大声压级为81.25分贝。
实施例3
换能器阵列框架6为球面结构，一共含有100块发声元件，按照10行10列的规律排列，每个发声元件的组装方式与实施例1相同，声音频率为100000赫兹，各个发声元件的输入功率均为0.01瓦，声音传播介质为室温空气。本实施例中，在离换能器阵列中心为0.025米的半球形观测面上，声场的主瓣宽度为17.06度，最大声压级为107.27分贝。
Claims (5)
1.一种碳纳米管薄膜换能器阵列，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜换能器阵列包括换能器阵列框架(6)和发声元件；
所述的换能器阵列框架(6)内设有多个横梁，用于安装固定发声元件；所述的换能器阵列框架(6)由耐热绝缘材料制成；
所述的发声元件包括碳纳米管薄膜(1)、两个金属电极和导线；所述的碳纳米管薄膜(1)由首尾相连、同向排列的碳纳米管组成，碳纳米管之间相互平行；两个金属电极分别连接在碳纳米管薄膜(1)两侧、且与碳纳米管排列方向一致；每个金属电极均连接一根导线，两根导线分别作为音频信号的输入端和输出端；
所述的发声元件通过碳纳米管薄膜(1)两侧的金属电极固定在换能器阵列框架(6)上，并使碳纳米管薄膜(1)处于拉紧状态；多个发声元件根据功能需求按照规律排列固定在换能器阵列框架(6)上；音频信号通过发声元件上的导线接入发声元件；
所述的音频信号的接入方式为：通过信号输入装置(7)将音频信号接入各个发声元件，各个发声元件的音频信号之间存在相位差，相位差的大小根据碳纳米管薄膜换能器阵列焦点的位置进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管薄膜换能器阵列，其特征在于，所述的换能器阵列框架(6)是陶瓷材料、耐热的橡胶、耐热的塑料或钢化玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管薄膜换能器阵列，其特征在于，所述的换能器阵列框架(6)为平面形状或曲面形状。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管薄膜换能器阵列，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜(1)的形状为方形、圆形或圆环形。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管薄膜换能器阵列，其特征在于，所述金属电极通过粘结剂固定在碳纳米管薄膜(1)的两侧，金属电极采用焊接方式与导线连接；发声元件通过粘结剂固定在换能器阵列框架(6)上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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