CN112995884A - 一种纤维声学换能器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学技术领域，具体为一种纤维声学换能器及其制备方法和应用。本发明纤维声学换能器由金属条带和柔性磁力纤维组合构成；金属条带用于产生振动，柔性磁力纤维提供磁场；作为扬声器工作时，条带状的金属能产生较大的音量，具有良好的稳定性；一维结构的扬声器具有良好的指向性，较高的音质以及较大的输出功率；纤维扬声器具有柔性结构，可通过改变纤维扬声器的形状来改变声场的聚焦点。作为麦克风工作时，将其编入织物，可为使用者定位声源。本发明纤维声学换能器在导盲、抢险救灾等领域具有应用前景。另外将纤维声学换能器编织到织物中，具有更高的实际应用价值。

Description

一种纤维声学换能器及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于声学技术领域，具体涉及一种纤维声学换能器及其制备方法和应用。

背景技术

声音是人们传递信息的重要途径。随着柔性电子器件的蓬勃发展，在可穿戴领域，人们越来越需要用柔性声学换能器来取代传统的笨重的声学器件。^[1]相比于薄膜状的声学换能器，纤维声学换能器可以进一步通过编织制备声学织物的优势更是让其在可穿戴电子设备中具有巨大的应用前景。

近年来，针对柔性声学器件的研究取得一系列进展，如碳纳米管扬声器^[1]，石墨烯扬声器^[2]，驻极体声学换能器^[3]，液态金属声学换能器^[4]和银纳米线声学换能器^[5]。然而，作为扬声器，这些柔性声学换能器是点声源而不是线声源。线声源具有良好的指向性，较高的音质以及较大的输出功率。^[6]目前，线声源的实现方法是通过多个点声源排成一条线构成阵列的方式实现。用这种方法需要满足两个条件。第一是阵列中阵元（每个扬声器）之间的间距要小于声波中最小波长的一半。第二是阵列的总长度要大于声波中最大波长的一半。这对扬声器的尺寸和阵列的总长的要求较高，且对于较高频率和较低频率的声波难以实现线声源。纤维扬声器作为具有柔性的线声源，聚焦点可由其形态变化来调整，有望在导盲中应用。作为麦克风，薄膜状声学换能器无法以编织的形式编入织物，且无法保证透气性。将多个纤维麦克风编入织物可为穿戴者提供声源定位的功能。目前市面上的麦克风和扬声器为两个独立的器件，无法一体化。制备纤维声学换能器及其声学织物将赋予该类产品更高的实际应用价值、商业附加值及可个性定制化潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性好、可编织的，具有扬声器和麦克风功能的新型纤维声学换能器及其制备方法和应用。

本发明提供的纤维声学换能器，具有一维结构，柔性良好，且有连续化制备潜力，可用编织的方法编入织物。作为扬声器时是一种线声源，具有指向性；作为麦克风时可通过多个麦克风实现声源定位。本发明在可穿戴声学器件中有巨大的应用前景。

本发明提供的纤维声学换能器，由金属条带和柔性磁力纤维组合构成，两者之间按一定间距设置固定点，并用丙烯酸压敏胶固定；所述金属条带用于产生振动，柔性磁力纤维提供磁场。

本发明提供的纤维声学换能器，作为扬声器工作时，金属条带通交流电，在柔性磁力纤维提供的磁场中由安培力产生振动，从而发声；可以通过控制交流电的频率来控制发声的频率；作为麦克风工作时，声音传到金属条带时引起其振动，在柔性磁力纤维提供的磁场中由电磁感应产生交流电动势，以此采集声音信号。

本发明中，所述金属条带具体为铝条带、铜条带、银条带或锌条带等。金属条带的宽度为1~5 mm，厚度为10~50μm。金属条带优选铝条带。

本发明中，所述柔性磁力纤维具体为铁氧体磁力纤维或钕铁硼磁力纤维等，纤维的横截面为边长1-3 mm的正方形，优选柔性钕铁硼磁力纤维。

本发明中，固定点间距为20-30mm，优选固定点间距为25 mm。

本发明中，金属条带（如铝条带）质量小，柔性好，空气中稳定，能持续产生较大的振幅。柔性磁力纤维(如柔性钕铁硼磁力纤维)具有良好的柔性和磁性，能让纤维声学换能器拥有更高的转化效率。

本发明提供的纤维声学换能器的连续化制备方法，具体步骤如下：将金属条带和涂好压敏胶的柔性磁力纤维分别卷绕在相应原料滚轮上；两个原料滚轮上下位置对准，经过限位孔定位，使金属条带与柔性磁力纤维同步行进，由橡胶滚轮将两者压实；最后由产品滚轮收集产品。

两个原料滚轮、橡胶滚轮、产品滚轮，均由电机同步驱动。

整个设备功耗约为3W，每分钟可生产约50 cm。

本发明提供的纤维声学换能器，作为纤维扬声器可实现可调定向声，具体作法为，将纤维声学换能器弯曲成特定形状实现定向声，通过改变弯曲形状来调整定向声的方向和位置。此形状包括但不限于圆形。改变形状的方法包括但不限于改变曲率半径。比如，将其弯曲成圆弧形，由于圆弧的圆心到圆弧的任一点距离相等，故圆心处为干涉加强点，其余位置到圆弧上的不同点的距离不等，故不是干涉加强点。因此圆心处的点的声压要高于周围其他点。由于纤维扬声器具有柔性，其形状可改变，故其聚焦点的位置也可以改变，由此可调整聚焦点位置。

由于纤维声学换能器是一维结构，可以用编织的方法将其编入织物，且不会破坏柔性和可穿戴性。

本发明提供的纤维声学换能器，作为纤维麦克风可实现声源定位，具体作法为，将多个纤维声学换能器编织在织物的不同位置，由声音到达不同纤维麦克风的时间差来确定声音的位置。由于声源发声后，不同麦克风收到声音的时间不同。利用这个时间差，通过多点定位的方法计算，可得到声源的位置。

本发明纤维声学换能器，作为扬声器工作时，条带状的金属能产生较大的音量，具有良好的稳定性。此外，一维结构的扬声器是一种线声源，具有良好的指向性，较高的音质以及较大的输出功率。由于纤维扬声器具有柔性结构，可通过改变纤维扬声器的形状来改变声场的聚焦点。作为麦克风工作时，将其编入织物，可为使用者定位声源。因此，纤维声学换能器有望在导盲、抢险救灾等领域应用，从而赋予纤维声学换能器及其编织而成的织物更高的实际应用价值、商业附加值及可个性定制化潜力。

附图说明

图1为纤维声学换能器结构示意图。

图2为纤维声学换能器结构实物图。其中，a为整卷纤维声学换能器实物图，b为纤维声学换能器局部细节图。

图3为纤维扬声器频率响应图。在1 cm远处测量，可听声（20-20,000 Hz）范围内，可以发出40-60 dB的声音。

图4为纤维扬声器音质测试。用纤维扬声器播放一段音乐，用商用麦克风录下后，作时频分析，再将原音频文件也作时频分析后对比。可见两者高度一致。

图5为纤维扬声器实现定向声的仿真结果。其中，a为一段20 cm长的纤维扬声器发声的仿真，轴向声压级比径向大约10 dB。b为一段140 cm长的纤维扬声器弯成圆弧，圆心处声压级比周围大5 dB。

图6为纤维麦克风录音测试。用商用扬声器播放音乐，用纤维麦克风录制。对比两个音频的波形图，结果高度一致。

图7为纤维麦克风用作定向声的测试。两个纤维麦克风排成一条线，在左端麦克风左边146 cm处放置声源，发出1000 Hz正弦波音乐。用两个麦克风同时录音后用带通滤波器滤波，得出两者收到声波的时间差，可算出声源的位置。

具体实施方式

实施例1

（1）制备纤维声学换能器：选择长度30 cm，宽度1mm，厚度10 μm的铝条带。选择长度20 cm，横截面为边长1mm的正方形的柔性钕铁硼磁力纤维。将铝条带以每隔25 mm固定一个点的方式固定在柔性钕铁硼磁力纤维上。两边各留出5cm引电极。所得声学换能器作为扬声器使用时在1cm远处在可听声（20-20,000 Hz）范围内可发出40-60 dB的声音。作为麦克风使用时能清晰录下声波的波形；

（2）由纤维扬声器实现定向声：将长度140 cm的纤维扬声器弯折成为半径64 cm的圆弧。在其两端施加电流大小1A，频率为1000 Hz的正弦波交流电。用Umik-1, miniDSP麦克风测圆心及其周围位置的声压级，圆心处比周围高约6dB；

（3）由纤维麦克风实现声源定位：将2个麦克风排成一条线，在左边的麦克风向左146 cm处发出1000 Hz的声音，记录两个麦克风的信号，由带通滤波器处理后得到两个扬声器收到声音的时间差，从而算出两个麦克风之间的距离为150 cm，与实际值相近；

（4）纤维声学换能器连续化制备方法：将1 mm宽，10 μm厚的铝条带和横截面为1mm的正方形且每隔25 mm粘有丙烯酸压敏胶的柔性钕铁硼磁力纤维分别卷在半径为2 cm的原料滚筒上，用半径为3 cm的橡胶滚轮压实，前后分别有限位孔来固定两者的位置。压实后，由半径为2 cm的产品滚筒来收集纤维声学换能器产品。整套设备功率约为3W，每分钟能生产50 cm的纤维声学换能器。

实施例2

（1）制备纤维声学换能器：选择长度30 cm，宽度1mm，厚度15 μm的铝条带。选择长度20 cm，横截面为边长1mm的正方形的柔性钕铁硼磁力纤维。将铝条带以每隔11 mm固定一个点的方式固定在柔性钕铁硼磁力纤维上。两边各留出5cm引电极。所得声学换能器作为扬声器使用时在1 cm远处在可听声（20-20,000 Hz）范围内可发出40-60 dB的声音。作为麦克风使用时能清晰录下声波的波形；

（2）由纤维扬声器实现定向声：将长度140 cm的纤维扬声器弯折成为半径64 cm的圆弧。在其两端施加电流大小1A，频率为1000 Hz的正弦波交流电。用Umik-1, miniDSP麦克风测圆心及其周围位置的声压级，圆心处比周围高约6dB；

（3）由纤维麦克风实现声源定位：将2个麦克风排成一条线，在左边的麦克风向左145.5 cm处发出1000 Hz的声音，记录两个麦克风的信号，由带通滤波器处理后得到两个扬声器收到声音的时间差，从而算出两个麦克风之间的距离为151.6 cm，与实际值相近；

（4）纤维声学换能器连续化制备方法：将1 mm宽，15μm厚的铝条带和横截面为1 mm的正方形且每隔11 mm粘有丙烯酸压敏胶的柔性钕铁硼磁力纤维分别卷在半径为2 cm的原料滚筒上，用半径为3 cm的橡胶滚轮压实，前后分别有限位孔来固定两者的位置。压实后，由半径为2 cm的产品滚筒来收集纤维声学换能器产品。整套设备功率约为3W，每分钟能生产50 cm的纤维声学换能器。

实施例3

（1）制备纤维声学换能器：选择长度30 cm，宽度1mm，厚度20 μm的铝条带。选择长度20 cm，横截面为边长1mm的正方形的柔性钕铁硼磁力纤维。将铝条带以每隔50mm固定一个点的方式固定在柔性钕铁硼磁力纤维上。两边各留出5cm引电极。所得声学换能器作为扬声器使用时在1 cm远处在可听声（20-20,000 Hz）范围内可发出40-55 dB的声音。作为麦克风使用时能清晰录下声波的波形；

（2）由纤维扬声器实现定向声：将长度140 cm的纤维扬声器弯折成为半径64 cm的圆弧。在其两端施加电流大小1A，频率为1000 Hz的正弦波交流电。用Umik-1, miniDSP麦克风测圆心及其周围位置的声压级，圆心处比周围高约6dB；

（3）由纤维麦克风实现声源定位：将2个麦克风排成一条线，在左边的麦克风向左58 cm处发出1000 Hz的声音，记录两个麦克风的信号，由带通滤波器处理后得到两个扬声器收到声音的时间差，从而算出两个麦克风之间的距离为49 cm，与实际值相近；

（4）纤维声学换能器连续化制备方法：将1 mm宽，20 μm厚的铝条带和横截面为1mm的正方形且每隔50 mm粘有丙烯酸压敏胶的柔性钕铁硼磁力纤维分别卷在半径为2 cm的原料滚筒上，用半径为3 cm的橡胶滚轮压实，前后分别有限位孔来固定两者的位置。压实后，由半径为2 cm的产品滚筒来收集纤维声学换能器产品。整套设备功率约为3W，每分钟能生产50 cm的纤维声学换能器。

参考文献

[1]S. W. Jin, Y. R. Jeong, H. Park, K. Keum, J. S. Ha, Small 2019,15, 1905263.

[2]Lin, Xiao, Zhuo, Chen, Chen, Feng, Liang, Liu, Zai-Qiao, Bai, Nano Letters 2008, 8, 4539–4545.

[3]L. Q. Tao, H. Tian, Y. Liu, Z. Y. Ju, Y. Pang, Y. Q. Chen, D. Y.Wang, X. G. Tian, J. C. Yan, N. Q. Deng, Nature Communications 2017, 8,14579.

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[6]M. S. Ureda, Journal of the Audio Engineering Society. Audio Engineering Society 2004, 52, 1176-1176.。

Claims (7)

1.一种纤维声学换能器，其特征在于，由金属条带和柔性磁力纤维组合构成，两者之间按一定间距设置固定点，并用丙烯酸压敏胶固定；其中，所述金属条带用于产生振动，柔性磁力纤维提供磁场；作为扬声器工作时，金属条带通交流电，在柔性磁力纤维提供的磁场中由安培力产生振动，从而发声；通过控制交流电的频率来控制发声的频率；作为麦克风工作时，声音传到金属条带时引起其振动，在柔性磁力纤维提供的磁场中由电磁感应产生交流电动势，以此采集声音信号。

2.根据权利要求1所述的纤维声学换能器，其特征在于:

所述金属条带为铝条带、铜条带、银条带或锌条带；金属条带的宽度为1~5 mm，厚度为10~50μm；

所述柔性磁力纤维具体为铁氧体磁力纤维或钕铁硼磁力纤维，纤维的横截面为边长1-3 mm的正方形。

3.根据权利要求1所述的纤维声学换能器，其特征在于固定点间距为20-30mm。

4.如权利要求1-3之一所述纤维声学换能器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将金属条带和涂好压敏胶的柔性磁力纤维分别卷绕在相应原料滚轮上；两个原料滚轮上下位置对准，经过限位孔定位，使金属条带与柔性磁力纤维同步行进，由橡胶滚轮将两者压实；最后由产品滚轮收集产品；

两个原料滚轮、橡胶滚轮、产品滚轮，均由电机同步驱动。

5.如权利要求1-3之一所述纤维声学换能器在制备可穿戴织物中的应用，用编织的方法将纤维声学换能器编入织物中。

6.根据权利要求1-3之一所述纤维声学换能器作为纤维扬声器实现可调定向声的应用，具体作法为，将纤维声学换能器弯曲成特定形状实现定向声，通过改变弯曲形状来调整定向声的方向和位置。

7.根据权利要求1-3之一所述纤维声学换能器作为纤维麦克风实现声源定位的应用，具体作法为，将多个纤维声学换能器编织在织物的不同位置，由声音到达不同纤维麦克风的时间差来确定声音的位置。

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