CN111527757B - 热激励型的声波产生装置及声波产生系统 - Google Patents

热激励型的声波产生装置及声波产生系统 Download PDF

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Abstract

提供一种提高声波的产生效率的热激励型的声波产生装置及声波产生系统。热激励型的声波产生装置(100)具备：第一发热体(13)；在主面配置有第一发热体的基板(11)；和隔着第一发热体而配置在与基板对置的位置的对置体(21)，利用基板和对置体形成声波的路径(40)，路径的长度(Ly)接近声波的1/4波长的整数倍。

Description

热激励型的声波产生装置及声波产生系统
技术领域
本发明涉及通过加热空气来产生声波的热激励型的声波产生装置及声波产生系统。
背景技术
专利文献1公开了一种热激励型的声波产生装置，该声波产生装置具有：热传导性的基板、形成于基板上的一个面的热绝缘层、和形成在热绝缘层上并利用交流的信号电流来电驱动的电阻器即发热体薄膜。该声波产生装置在发热体薄膜上具有亥姆霍兹共振器(Helmholtz resonator)。亥姆霍兹共振器由覆盖发热体薄膜的上方空间的共振箱和形成在共振箱的顶部的贯通孔即管道构成。由此，在共振箱的内部产生亥姆霍兹共振。固有振动频率根据共振箱的容积(相当于弹簧常数)和管道内的气柱的质量确定，因而共振箱的容积和管道的形状被决定，使得成为可听频带的期望的频率。由此，高效地产生低频的可听频带的声波。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-167252号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明的课题在于提供一种提高声波的产生效率的热激励型的声波产生装置以及声波产生系统。
用于解决课题的手段
本发明涉及的热激励型的声波产生装置具备：第一发热体、在主面配置有第一发热体的基板、和隔着第一发热体而配置在与基板对置的位置的对置体，利用基板和对置体形成声波的路径，路径的长度接近声波的1/4波长的整数倍。
本发明涉及的声波产生系统具备：产生声波的热激励型的声波产生装置、和向声波产生装置供给驱动信号的驱动装置，声波的波长由驱动信号来规定。
发明效果
根据本发明涉及的热激励型的声波产生装置以及声波产生系统，能够提高声波的产生效率。
附图说明
图1是示出实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置的结构的立体图。
图2是实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置的剖视图。
图3是实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置的分解立体图。
图4是用于说明实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置中的声波的行进方向上的内部空间的长度的图。
图5是实施方式一涉及的声波产生系统的电路图。
图6是用于说明实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置的声波的周期的图。
图7是示出实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置的模拟结果的曲线图。
图8是示出实施方式一涉及的热激励型的声波产生装置的实测值的曲线图。
图9是示出实施方式二涉及的热激励型的声波产生装置的结构的分解立体图。
图10是用于说明实施方式二涉及的热激励型的声波产生装置中的声波的行进方向上的内部空间的长度的图。
图11是示出热激励型的声波产生装置的变形例的立体图。
图12是示出热激励型的声波产生装置的变形例的立体图。
图13是示出热激励型的声波产生装置的变形例的立体图。
图14是示出热激励型的声波产生装置的变形例的立体图。
图15是图14的声波产生装置的分解立体图。
图16是示出热激励型的声波产生装置的变形例的立体图。
图17是示出热激励型的声波产生装置的变形例的立体图。
图18是图17的声波产生装置的剖视图。
具体实施方式
本发明涉及的热激励型的声波产生装置及声波产生系统为了提高声波的产生效率，具有利用气柱共振的结构。以下，参照附图来说明本发明涉及的热激励型的声波产生装置及声波产生系统的实施方式。
各实施方式是例示，能够进行在不同的实施方式中示出的结构的部分置换或组合，这是不言而喻的。在实施方式二以后，省略针对与实施方式一共同的事项的描述，而仅针对不同点进行说明。特别地，针对根据相同结构的相同作用效果，未在每个实施方式中依次提及。
(实施方式一)
1、结构
参照图1～3来对实施方式一涉及的声波产生装置的结构进行说明。图1是示出本实施方式涉及的热激励型的声波产生装置100的结构的立体图。图2是图1的A-A’剖面处的声波产生装置100的剖视图。图3是图1的声波产生装置100的分解立体图。热激励型的声波产生装置100是通过反复执行空气的加热及冷却来制造空气的疏密，产生空气的压力波、即声波的热致发声器。声波产生装置100例如可以在通过向对象物发送超声波并接收反射波来检测到对象物的距离的超声波传感器等距离传感器或接近传感器等用途中利用。
声波产生装置100包括：第一声波源10、第二声波源20、以及配置在第一声波源10和第二声波源20之间的一对电极30a、30b。
第一声波源10包括基板11、配置在基板11的一主面的绝热层12、和配置在与基板11相反侧的绝热层12的主面的发热体13。第二声波源20包括对置体21、配置在对置体21的一主面的绝热层22、配置在与对置体21相反侧的绝热层22的主面的发热体23。利用一对电极30a、30b，将第二声波源20保持在第一声波源10上。第一声波源10和第二声波源20被定位为使得发热体13、23彼此对置。发热体13、23与共同的电极30a、30b电连接。
基板11和对置体21是绝缘性的平板状的基板。基板11和对置体21例如由Si或Al2O3构成。例如，作为基板11和对置体21可以使用铝基板等陶瓷基板、散热性优异的玻璃基板、印刷基板等。绝热层12、22由玻璃釉、多孔Si、或SiO2构成。绝热层12、22例如具有比基板11和对置体21的热传导率小的热传导率。作为发热体13、23可以使用：Ag、Ag/Pd、RuO2等导体、Au、Pt等金属膜、或者碳管或碳片。发热体13、23例如具有500[J/kg℃]以下的比热和50[W/mK]以上的热传导率。发热体13、23分别例如可以在基板11和对置体21的主面上图案印刷为具有各种形状。电极30a、30b由Ag、Ag/Pd、Sn、Al、Au、Cu等导电性材料构成。电极30a、30b例如利用导电性粘接剂与发热体13、23粘接。
内部空间(以下也称为“路径”)40形成在第一声波源10、第二声波源20和电极30a、30b之间。一对电极30a、30b在第一声波源10和第二声波源20之间沿Y方向配置。即，通过一对电极30a、30b，在X方向上内部空间40封闭。在图1和图3中的声波产生装置100的正面和背面侧的、第一声波源10和第二声波源20之间设置有开口41a、41b。开口41a、41b为矩形。内部空间40是开口41a、41b的形状即矩形沿Y方向延伸的四棱柱状。开口41a、41b形成内部空间40的开口端(所谓的自由端)。
若用于使发热体13、23发热的电流(以下也称为“驱动电流”)经由电极30a、30b供给至发热体13、23，则发热体13、23发热。若发热体13、23发热，则发热体13、23附近的空气被加热而膨胀。另一方面，若向发热体13、23的驱动电流的供给停止，则由于基板11和对置体21对发热体13、23的热进行散热，因此发热体13、23的温度下降。由此，发热体13、23附近的空气冷却而收缩。利用该空气的膨胀和收缩，在内部空间40内产生空气的压力波(即声波)。压力波从开口41a、41b出射。这样，内部空间40成为在内部空间40内产生的压力波(即声波)的路径。
压力波倾向于向四方扩散。然而，由于在内部空间40的高度方向(Z方向)上配置有基板11和对置体21，因此向高度方向的扩散受到限制。基板11和对置体21对置的一侧的主面、即、基板11的上表面和对置体21的下表面是平坦的。换言之，第一声波源10的上表面15和第二的声波源20的下表面25是平坦的。由此，能够抑制非期望的方向的扩散。基板11的上表面和对置体21的下表面的平坦度的偏差相对于所设计的间隔距离(相当于内部空间40的高度Lz)为1/3以下。
内部空间40的开口41a、开口41b之间的方向(Y方向)的长度Ly、即路径的长度由基板11和对置体21的Y方向的长度规定。内部空间40的高度Lz由电极30a、30b的厚度、以及将电极30a、30b和发热体13、23粘接的导电性粘接剂的厚度规定。内部空间40的高度Lz小于长度Ly。例如，Lz小于Ly的1/10，具体地，Lz为1mm以下。Lz可以是Ly的1/100，具体地Lz可以是0.16mm左右。由此，能够在限制压力波的高度方向的扩散的同时，促进向水平方向的扩散。
通过限制向高度方向的扩散，压力波倾向于向水平方向、即开口41a、开口41b之间的方向(Y方向)和电极30a、30b之间的方向(X方向)扩散。然而，在本实施方式中，由于电极30a、30b配置为将内部空间40的X方向封闭，因此电极30a、30b起到在X方向上向内部空间40内的方向反射压力波的反射体的作用。因而，在内部空间40内向水平方向扩散的压力波在电极30a、30b的内面被反射，从开口41a、41b出射。即，能够将朝向开口41a、41b之间的方向(Y方向)以外的方向的压力波的能量沿着电极30a、30b引导向开口方向。因此，从开口41a、41b输出的压力波的能量增加。开口41a、41b之间的方向(Y方向)成为压力波即声波的行进方向。
图4的(a)是声波产生装置100的俯视图。图4的(b)示出了在内部空间40内产生的压力波即声波的波形。
声波产生装置100具有利用第一声波源10、第2声波源20和电极30a、30b形成的开管构造。声波产生装置100在内部空间40内产生气柱共振，并使空气的压力变化、即声压变大。气柱共振是由开口41a、41b之间的长度Ly决定的固有振动频率下的波的重叠引起的共振。在本实施方式中，将内部空间40的开口41a、41b之间的长度Ly设定为引起气柱共振的长度。具体地，如式(1)所示，将基板11和对置体21的Y方向的长度设定为使内部空间40的开口41a、41b之间的长度Ly接近在内部空间40内产生的压力波的半波长λ/2的n倍(n为整数，例如n＝1、2、3)。例如，设定为n＝1。如后述那样，压力波的波长λ根据向发热体13、23供给驱动电流的周期(图6的脉冲周期Tp)的长度来决定。
【数学式1】
Figure BDA0002552548850000061
2、动作
使用图5～8说明本实施方式涉及的声波产生系统1的整体动作。
图5示出了声波产生装置100和驱动声波产生装置100的驱动装置200的电路图。利用声波产生装置100和驱动装置200，构成声波产生系统1。在图5中，第一声波源10的发热体13是具有电阻值R1的电阻器。第二声波源20的发热体23是具有电阻值R2的电阻器。
驱动装置200具备：直流电源201、脉冲驱动电路202、MOSFET 203、电容器204、以及电阻205。
直流电源201输出直流电压。直流电源201由各种电源电路和/或电池等构成。各种电源电路例如包括AC/DC转换器、DC/AC转换器、调节器、电池。
脉冲驱动电路202与MOSFET 203的栅极连接，以驱动MOSFET 203。脉冲驱动电路202包括振荡器等。脉冲驱动电路202例如基于预先设定的周期和占空比等生成表示导通电压Von或截止电压Voff的脉冲信号Sp(参照图6)。在本实施方式中，由于利用共振，因而脉冲驱动电路202例如生成包括占空比50％的多个波(例如2～5个波)的爆炸波Wb的脉冲信号Sp。由此，在内部空间40内生成空气的驻波(声波)。由于声波产生装置100根据脉冲信号Sp而被驱动，因而在本实施方式中将脉冲信号Sp也称为用于驱动声波产生装置100的“驱动信号”。脉冲驱动电路202使用脉冲信号Sp来对MOSFET 203进行通断控制。
MOSFET 203连接在电极30a和直流电源201的低压侧端之间。MOSFET 203的源极例如接地。MOSFET 203的漏极与电极30a连接。MOSFET 203是对流经发热体13、23的驱动电流I进行通断控制的开关元件的一个例子。在图5中，示出了使用n型的MOSFET203作为开关元件的结构例。
电容器204位于电阻205和直流电源201的低压侧端之间，与发热体13、23和MOSFET203的串联电路并联地连接。电容器204例如是电解电容器或陶瓷电容器。
电阻205连接在直流电源201的高压侧端和电容器204之间。电阻205具有电阻值R3。电阻205是限制从直流电源201流向发热体13、23的电流的电阻器的一个例子。
在上述结构的驱动装置200中，脉冲驱动电路202向MOSFET203的栅极输出脉冲信号Sp，对MOSFET 203进行脉冲驱动。MOSFET203在脉冲信号Sp示出导通电压Von时导通(ON)，在脉冲信号Sp示出截止电压Voff时截止(OFF)。
MOSFET 203导通时，没有电流流经发热体13、23，因而发热体13、23不发热。此时，来自直流电源201的直流电压经由电阻205施加在电容器204上，从而电容器204被充电。
MOSFET 203导通时，电容器204被放电，电流从电容器204流向发热体13、23，发热体13、23发热。发热体13、23分别根据所流动的电流I1、I2的大小而发热。电阻205的电阻值R3例如设定为大到使从直流电源201流向发热体13、23的电流相对于从电容器204流向发热体13、23的电流而言为可忽视的程度的值。由此，即使在MOSFET 203导通从而形成了直流电源201、电阻205、发热体13、23以及MOSFET 203的闭合电路时，从直流电源201向发热体13、23也几乎不流动电流。因而，例如在MOSFET 203因故障而始终处于导通状态的情况下，也能够避免发热体13、23成为过热状态，从而提高声波产生装置100的安全性。
通过使MOSFET203连续地通断，从而连续地制造出发热体13、23周围的空气被加热的状态和不被加热的状态，产生空气的膨胀、收缩。由此，产生声波。
使用图6对声波产生装置100通过驱动装置200的动作而产生的声波的周期进行说明。图6是用于说明声波的周期的时序图。图6的(a)示出在驱动装置200的MOSFET 203中的脉冲信号Sp的输入定时。在图6的(a)中，横轴是时间(s)，纵轴是电压(V)。图6的(b)示出声波产生装置100所产生的声波的输出定时。在图6的(b)中，横轴是时间(s)，纵轴是声压(Pa)。
如图6的(a)所示，输入到MOSFET 203的栅极的脉冲信号Sp在时刻t1之前，示出截止电压Voff。此时，电容器204处于接近满充电的状态。
在时刻t1，脉冲信号Sp上升至导通电压Von(图6的(a))，MOSFET203导通。于是，电容器204开始放电，电流I流向发热体13、23。此时，发热体13、23的温度上升，发热体13、23对周围的空气进行加热。由此，内部空间40内的空气热膨胀，空气的压力(即声压)如图6的(b)所示从稳态值P0上升。
在MOSFET 203导通的期间Ton(以下也称为“脉冲宽度”)内，由于电容器204的放电而对发热体13、23持续供给电流I。在该期间Ton的经过过程中，内部空间40内的空气的温度变化稳定化，声压恢复至稳态值P0(图6的(b))。
在从时刻t1经过导通期间Ton后的时刻t2，脉冲信号Sp下降至截止电压Voff(图6的(a))，MOSFET 203截止。由此，电容器204停止放电，对发热体13、23的电流I的供给停止。此时，发热体13、23变得不发热，随着温度的下降，将空气冷却。由此，内部空间40内的空气收缩，如图6的(b)所示，声压从稳态值P0下降。之后，声压恢复至稳态值P0。
脉冲信号Sp包括爆炸波Wb，爆炸波Wb包括以脉冲周期Tp(＝Ton+Toff)产生的多个脉冲(例如2～5个波)，在时刻T3再次上升。通过根据脉冲信号Sp的脉冲的导通期间Ton和截止期间Toff而产生声压的上升和下降，从而形成与脉冲周期Tp相应的周期Ts的声波(图6的(b))。
在爆炸波Wb之后，脉冲信号Sp维持截止电压Voff，在MOSFET 203截止的期间内，电容器204被充电。在从时刻t1经过给定的爆炸周期Tb后的时刻T4，脉冲信号Sp再次上升(图6的(a))。由此，反复形成与上述同样的与爆炸波Wb相应的声波。
如上所述，根据本实施方式的声波产生系统1，能够根据脉冲信号Sp的爆炸波Wb，如图6的(b)所示，在每个爆炸周期Tb产生多个脉冲声波。
在本实施方式中，声波产生装置100生成的声波的频率fs为“fs＝1/Ts”。构成脉冲信号Sp的爆炸波Wb的脉冲的脉冲频率fp为“fp＝1/Tp”。声波产生装置100生成的声波的周期Ts根据脉冲信号Sp的脉冲周期Tp的长度而确定，因此声波的频率fs根据脉冲频率fp而确定。即，式(1)所示的声波的波长λ由脉冲信号Sp的脉冲频率fp确定。
在本实施方式中，根据要输出的声波的频率fs设定脉冲信号Sp的爆炸波Wb的脉冲频率fp和内部空间40的开口41a、41b之间的长度Ly。
在此，由于本实施方式的声波产生装置100为开管构造，因此如式(2)所示，内部空间40内的气柱具有取决于内部空间40的开口41a、41b之间的长度Ly的固有振动频率fr。在式(2)中，c为声速(25℃的情况下为346.5m/sec)。
【数学式二】
Figure BDA0002552548850000091
在本实施方式中，由于利用气柱共振，因而脉冲信号Sp的爆炸波Wb的脉冲频率fp被设定为使得声波产生装置100输出的声波的频率fs为内部空间40内的气柱的固有振动频率fr或其附近。在上述式(2)中，例如，在设Ly＝4mm、c＝346.5m/sec的情况下，气柱的固有振动频率fr为43kHz。在该情况下，脉冲信号Sp的爆炸波Wb的脉冲频率fp被设定为使得声波的频率fs例如为43kHz(fs＝fr)。
图7是用于确认共振效果的模拟结果，示出了设Ly＝4mm、c＝346.5m/sec，在变更了连续的正弦波的频率时的声压振幅的模拟结果。在图7中，横轴是正弦波的频率(Hz)，纵轴是声压振幅(arb.unit)。在图7中，实线71表示在本实施方式的声波产生装置100、即、使第一声波源10和第二声波源20对置的结构中产生的声波的声压振幅。虚线72表示仅一个声波源、即、不具有对置的结构的以往的声波产生装置产生的声波的声压振幅。该模拟中，如实线71所示，获得声压振幅的峰值的频率fr1接近34kHz。图7的模拟中的半宽为8kHz。如实线71和虚线72所示，示出了本实施方式的声波产生装置100相比较于仅一个声波源，能获得最大14倍程度的声压。
图8示出了在约25℃的环境(c＝346.5m/sec)中，在具有Ly＝4mm的长度的声波产生装置100的开口端附近配置有MEMS扩音器的状态下，在由占空比50％的5个脉冲构成的爆炸波Wb中，在变更了爆炸波Wb的脉冲频率fp时的扩音器的输出的实测值。在图8中，横轴是相当于“1/Tp”的脉冲频率fp(kHz)，纵轴是扩音器输出(arb.unit)。在图8中，实线81表示本实施方式的声波产生装置100、即、使第一声波源10与第二声波源20对置的结构下的输出值。虚线82表示仅一个声波源、即、不具有对置的结构的以往的声波产生装置中的输出值。在实际测量中，如实线81所示，获得扩音器输出的峰值的频率fr2接近30kHz。在图8的实际测量中，半宽为21kHz。
在此，可认为内部空间40内的压力波的波腹位置(n×λ/2)实际上处于开口41a、41b的稍外侧。另外，可认为还会存在声波的周期Ts比脉冲信号Sp的脉冲周期Tp略长的情况。因此，如利用图7的模拟结果和图8的实测值所示的那样，最能获得气柱共振效果的频率fr1(34kHz)、fr2(30kHz)不一定与利用式(2)而理论计算出的固有振动频率fr(43kHz)一致，而成为与固有振动频率fr接近的值。因而，可以考虑脉冲信号Sp的脉冲频率fp与利用式(2)计算出的固有振动频率fr之间的误差来设定脉冲频率fp。
比较图7的实线71和图8的实线81与图7的虚线72和图8的虚线82可得知，即使是计算得到的声压振幅的峰值的半值或扩音器输出的峰值的半值，也能获得比仅一个声波源的结构高的输出。即，可得知如果声波的频率fs在接近气柱的固有振动频率fr的范围(例如，fr±20％)内，则能获得充分的气柱共振效果。因此，对于声波产生系统1，可以将脉冲信号Sp的脉冲频率fp设定为使得图7所示的声压振幅成为峰值的半值以上或图8所示的扩音器输出成为峰值的半值以上。换言之，把要输出的声波的频率fs设定为使得相对于气柱的固有振动频率fr，声波的频率fs为“fs＝(1±α)fr”(例如，0≤α≤0.2)。在声波的频率fs设定为
Figure BDA0002552548850000111
的情况下，路径的长度Ly具有从与气柱的固有振动频率fr对应的波长的n/2倍的值±20％程度的允许误差。
如以上所述，声波产生系统1基于要输出的声波的频率fs，决定脉冲信号Sp的脉冲频率fp和声波的行进方向上的内部空间40(即路径)的两端之间的距离Ly，以使得产生气柱共振。另外，声波产生系统1只要是能够利用气柱共振效果的结构即可。因此，可以对应于脉冲信号Sp的脉冲频率fp，来决定内部空间40的开口41a、41b之间的长度Ly。例如，长度Ly可以以由脉冲信号Sp规定的声波的长度λ的n/2倍为基准值，设定为基准值的±20％的范围内。或者，还可以根据内部空间40的开口41a、41b之间的长度Ly，设定脉冲信号Sp的脉冲频率fp。
3、总结
本实施方式涉及的热激励型的声波产生装置100具备：发热体13、在主面侧配置有发热体13的基板11、和隔着发热体13而配置在与基板11对置的位置的对置体21。利用基板11和对置体21，形成产生声波的内部空间40即声波的路径。路径的长度Ly接近声波的1/4波长的整数倍。
“接近声波的1/4波长的整数倍”是指，在路径内能够利用气柱共振的值并且以波长λ的n/4倍为基准值的给定范围内的值。在本实施方式中，由于路径的两端为开口端，因而路径的长度Ly具体为接近声波的1/2波长的整数倍。在此，若以气柱的固有振动频率fr为基准，则接近的范围包括成为“fs＝(1±α)fr”(例如，0≤α≤0.2)的频率fs的声波的1/2波长的整数倍。由此，能够在路径内产生气柱共振并提高声波的产生效率。
基板11与对置体21的间隔距离(即，内部空间40的高度Lz)比路径的长度Ly小。由此，能够在限制路径内的压力波在高度方向上的扩散的同时，促进向水平方向的扩散。
在基板11中与对置体21对置的面是平坦的，并且在对置体21中与基板11对置的面是平坦的。由此，能够抑制非期望的方向的扩散。
反射声波的一对反射体沿着路径设置在基板11与对置体21之间，在基板11、对置体21和一对反射体之间形成路径。在本实施方式中，与发热体13连接而向发热体13供给电流的一对电极30a、30b起到一对反射体的作用。通过设置反射体，能够将朝向开口方向(Y方向)以外的方向的压力波的能量沿着反射体引导至开口方向。由此，从开口输出的压力波的能量增加。
基板11和对置体21隔着起到反射体的作用的电极30a、30b而被保持。由此，电极30a、30b起到隔离件的作用，能够在第一声波源10和第二声波源20之间形成路径。
在对置体21中在与基板11对置的面设置有发热体23。通过具备发热体13、23，能够产生声压更高的声波。此外，通过在第一声波源10和第二声波源20对置的位置具备发热体13、23，能够使声波产生装置100小型化。
发热体23与共同的电极30a、30b连接。由此，在利用发热体23的加热而产生的压力波中也能获得气柱共振效果。此外，发热体13、23经由共同的电极30a、30b被供电，因而能减少电路的部件数量。
路径为四棱柱状。因此，能防止在路径内产生乱流。
本实施方式涉及的声波产生系统1具备热激励型的声波产生装置100和向声波产生装置100供给脉冲信号(驱动信号)Sp的驱动装置200，声波的波长由驱动信号规定。由此，能够根据驱动信号来提高声波的产生效率。
(实施方式二)
在实施方式一中，声波产生装置100具有开管构造。在实施方式二中，声波产生装置100具有闭管构造。以下，对实施方式二涉及的声波产生装置100进行说明。
图9是示出实施方式二的声波产生装置100的结构的分解立体图。本实施方式的声波产生装置100在实施方式一的结构的基础上，还具备堵塞体55。堵塞体55形成内部空间40的闭口端(所谓的固定端)。具体地，堵塞体55在第一声波源10和第二声波源20之间，设置在电极30a、30b之间，以使得堵塞路径的一端、即、内部空间40的Y方向上的一端。因而，本实施方式的声波产生装置100形成有一个开口41b。声波产生装置100具有利用第一声波源10、第二声波源20、电极30a、30b和堵塞体55形成的闭管构造。
图10的(a)是实施方式二的声波产生装置100的俯视图。图10的(b)示出了实施方式二中的内部空间40内的压力波即声波的波形。在本实施方式中，如式(3)所示，设定基板11和对置体21的Y方向的长度Ly，使得内部空间40的闭口端和开口端之间的长度Ly与在内部空间40内产生的压力波的1/4波长的奇数倍(2n-1)接近。在式(3)中，n为整数(例如，n＝1、2、3)。例如，设定为n＝1。
【数学式三】
Figure BDA0002552548850000131
如式(4)所示，闭管构造具有取决于内部空间40的Y方向的长度Ly的固有振动频率fr。在式(4)中，c为声速。
【数学式四】
Figure BDA0002552548850000132
与实施方式一同样，驱动装置200将脉冲信号Sp的爆炸波Wb的脉冲频率fp(＝1/Tp)设定为使声波的频率fs为“fs＝(1±α)fr”(例如，0≤α≤0.2)。由此，在内部空间40中产生气柱共振并且声压变大。
如以上所述，在本实施方式的声波产生装置100中，在声波的行进方向上的内部空间40(路径)的两端的一者为开口端，另一者为闭口端。路径的长度Ly接近声波的1/4波长的奇数倍。在此，接近的范围包括相对于气柱的固有振动频率fr成为“fs＝(1±α)fr”(例如，0≤α≤0.2)的频率fs的声波的1/4波长的奇数倍。由此，与实施方式一同样，由于在内部空间40内生成气柱共振，因而声波的产生效率提高。
(其他实施方式)
在第一和第二实施方式中，说明了第一声波源10和第二声波源20是平板状，并且开口41a、41b形成在第一声波源10与第二声波源20之间的例子。然而，声波产生装置100的结构并不限于此。声波产生装置100只要是利用共振的结构即可。以下，参照图11至图18，说明声波产生装置100的其它结构例。
图11～图13示出了声波产生装置100的变形例。在图11的例子中，第一声波源10是凹型，第二声波源20是平板状。在图12的例子中，第一声波源10是L字型，第二声波源20是平板状。在图13的例子中，第一声波源10和第二声波源20都是L字型。在图11～图13中，发热体13、23配置在第一声波源10与第二声波源20对置的面上。此外，在图11～图13的各个图中，均利用第一声波源10、第二声波源20和电极30a、30b形成内部空间(路径)40。在图11～图13中，为了使内部空间(路径)40清楚，将第一声波源10、第二声波源20和电极30a、30b用阴影表示。例如，在图11中，内部空间40成为在YZ面上的凹型的形状向X方向延伸的形态。在图11～图13中，内部空间(路径)40的长度Ly为内部空间(路径)40内的开口41a、41b之间的最短距离。例如，在图11的例子中，内部空间(路径)40的长度Ly与在凹型的内部空间40中沿第二声波源20的外缘的长度相当。
图14是示出声波产生装置100的另一变形例的立体图。图15是图14的声波产生装置100的分解立体图。在该声波产生装置100中，利用凹型的电极30a、30b，使第二声波源20保持在第一声波源10上。因而，在内部空间40中与声波的行进方向垂直的方向(X方向)的两端存在间隙45。在这样的情况下，也能获得共振效果。
图16示出了声波产生装置100的又一变形例。在上述实施方式中，在第一声波源10与第二声波源20之间形成有开口41a、41b，但是在图16的例子中，开口41a、41b是设置于对置体21的贯通孔。图16的声波产生装置100没有绝热层22和发热体23。声波产生装置100在发热体13和对置体21之间具备隔离件51。利用隔离件51形成内部空间40。在该情况下，开口41a、41b间的距离Ly也被设计为满足式(1)。此外，开口41a、41b也可以是设置于第一声波源10的贯通孔。也可以是，形成开口41a、41b的贯通孔中的一个设置于第一声波源10，另一个设置于第二声波源20。
图17示出了声波产生装置100的又一变形例。图18是图17的B-B’剖面处的声波产生装置100的剖视图。图17和图18示出的声波产生装置100没有绝热层22和发热体23。图17中的对置体21是壳体。壳体例如利用绝缘性的材料形成。第一声波源10隔着电极30a、30b而配置在壳体的底面上，以使发热体13与壳体对置。在作为壳体的对置体21和第一声波源10之间形成有内部空间40。
在上述实施方式中，声波产生装置100可以是具备2个开口41a、41b的结构，也可以是仅具备开口41a、41b的任意一者的结构。即，在开管构造的情况下，只要内部空间(路径)40的长度Ly满足式(1)即可，在闭管构造的情况下，只要内部空间(路径)40的长度Ly满足式(3)即可。
在上述实施方式中，发热体13、23与共同的电极30a、30b连接，但是发热体13、23也可以与不同的一对电极连接。此外，通过经由同一电极30a、30b来向第一声波源10和第二声波源20的发热体13、23供给驱动电流I，能够削减电路的部件数量。
在上述实施方式中，可以是仅第一声波源10和第二声波源20中的任一者具备发热体的结构。在发热体为1个的情况下，也能够产生气柱共振。此外，通过对置的第一声波源10和第二声波源20两者均具备发热体，能够提高声压。此外，通过设置为2个发热体13、23对置的结构能够使声波产生装置100小型化。
在上述实施方式中，电极30a、30b起到将声波向内部空间40内的方向反射的反射体的作用。然而，反射体只要是在第一声波源10和第二声波源20之间沿着声波的行进方向(Y方向)延伸即可。例如，反射体可以与电极30a、30b分体，还可以在一部分包括电极30a、30b。在这种情况下，第二声波源20通过反射体保持在第一声波源10上。也可以是，反射体起到隔离件的作用，利用第一声波源10、第二声波源20和反射体形成内部空间40。
在上述实施方式中，在发热体13、23的对置面(例如，发热体13的上表面和发热体23的下表面)也可以形成有具有电绝缘性的薄导热层等涂层。
产业实用性
本发明作为产生声波的热激励型的声波产生装置和声波产生系统是有用的。
附图标记说明
1：声波产生系统
10：第一声波源
11：基板
12、22：绝热层
13、23：发热体
20：第二声波源
21：对置体
30a、30b：电极
40：内部空间
55：堵塞体
100：声波产生装置
200：驱动装置

Claims (10)

1.一种热激励型的声波产生装置，具备：
第一发热体；
基板，在主面配置有所述第一发热体；和
对置体，隔着所述第一发热体而配置在与所述基板对置的位置，
利用所述基板和所述对置体形成声波的路径，
所述路径的长度接近所述声波的1/4波长的整数倍，
反射所述声波的一对反射体沿着所述路径设置在所述基板与所述对置体之间，
所述路径形成在所述基板、所述对置体和所述一对反射体之间，
所述一对反射体是一对电极，所述一对电极与所述第一发热体连接而向所述第一发热体供给电流。
2.根据权利要求1所述的热激励型的声波产生装置，其中，
所述路径的两端为开口端，
所述路径的长度接近所述声波的1/2波长的整数倍。
3.根据权利要求1所述的热激励型的声波产生装置，其中，
所述路径的一端为开口端，另一端为闭口端，
所述路径的长度接近所述声波的1/4波长的奇数倍。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热激励型的声波产生装置，其中，
所述基板与所述对置体的间隔距离比所述路径的长度小。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的热激励型的声波产生装置，其中，
在所述基板中与所述对置体对置的面是平坦的，
在所述对置体中与所述基板对置的面是平坦的。
6.根据权利要求1所述的热激励型的声波产生装置，其中，
所述基板和所述对置体隔着所述一对反射体而被保持。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的热激励型的声波产生装置，其中，
在所述对置体中与所述基板对置的面设置有第二发热体。
8.根据权利要求1所述的热激励型的声波产生装置，其中，
在所述对置体中与所述基板对置的面设置有第二发热体，
所述第二发热体与所述一对电极连接。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的热激励型的声波产生装置，其中，
所述路径为四棱柱状。
10.一种声波产生系统，具备：
权利要求1～9中任一项所述的热激励型的声波产生装置，产生声波；和
驱动装置，向所述声波产生装置供给驱动信号，
所述声波的波长由所述驱动信号规定。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024024153A1 (ja) * 2022-07-29 2024-02-01 株式会社村田製作所 物体検知装置
WO2024057603A1 (ja) * 2022-09-12 2024-03-21 株式会社村田製作所 圧力波発生素子

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003154312A (ja) * 2001-11-20 2003-05-27 Japan Science & Technology Corp 熱誘起圧力波発生装置
JP2007255924A (ja) * 2006-03-20 2007-10-04 Denso Corp 超音波センサの保護部材
JP2009118093A (ja) * 2007-11-05 2009-05-28 Seiko Epson Corp 静電型トランスデューサ、および超音波スピーカ
WO2010061060A1 (en) * 2008-11-27 2010-06-03 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus Sound source based on the thermoacoustic effect
CN101771920A (zh) * 2008-12-30 2010-07-07 北京富纳特创新科技有限公司 发声装置
CN203167267U (zh) * 2012-11-20 2013-08-28 清华大学 热致发声装置
CN103841478A (zh) * 2012-11-20 2014-06-04 清华大学 耳机

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5228093A (en) * 1991-10-24 1993-07-13 Agnello Anthony M Method for mixing source audio signals and an audio signal mixing system
JP3705926B2 (ja) * 1998-04-23 2005-10-12 独立行政法人科学技術振興機構 圧力波発生装置
JP2008167252A (ja) 2006-12-28 2008-07-17 Victor Co Of Japan Ltd 熱励起型の音波発生装置
US8259967B2 (en) * 2008-04-28 2012-09-04 Tsinghua University Thermoacoustic device
US8325947B2 (en) * 2008-12-30 2012-12-04 Bejing FUNATE Innovation Technology Co., Ltd. Thermoacoustic device
US8905610B2 (en) * 2009-01-26 2014-12-09 Flex Lighting Ii, Llc Light emitting device comprising a lightguide film
US8811632B2 (en) * 2011-03-29 2014-08-19 Tsinghua University Thermoacoustic device
US20150369663A1 (en) * 2013-02-06 2015-12-24 Empire Technology Development Llc. Thermo-optic tunable spectrometer
US9856030B2 (en) * 2014-11-26 2018-01-02 Rohr, Inc. Acoustic attenuation with adaptive impedance
WO2018096215A1 (en) 2016-11-24 2018-05-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Sensor
KR102365184B1 (ko) * 2017-08-25 2022-02-18 삼성전자주식회사 빔 선택 방법 및 그 전자 장치
US10788422B2 (en) * 2017-09-22 2020-09-29 Lg Electronics Inc. Mobile terminal comprising a dust sensor for sensing scattered light by dust particles and operation method of the same
US10779089B1 (en) * 2018-07-26 2020-09-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Thermoacoustic device with acoustically transparent housing

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003154312A (ja) * 2001-11-20 2003-05-27 Japan Science & Technology Corp 熱誘起圧力波発生装置
JP2007255924A (ja) * 2006-03-20 2007-10-04 Denso Corp 超音波センサの保護部材
JP2009118093A (ja) * 2007-11-05 2009-05-28 Seiko Epson Corp 静電型トランスデューサ、および超音波スピーカ
WO2010061060A1 (en) * 2008-11-27 2010-06-03 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus Sound source based on the thermoacoustic effect
CN101771920A (zh) * 2008-12-30 2010-07-07 北京富纳特创新科技有限公司 发声装置
CN203167267U (zh) * 2012-11-20 2013-08-28 清华大学 热致发声装置
CN103841478A (zh) * 2012-11-20 2014-06-04 清华大学 耳机

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