CN114245279A - 一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器 - Google Patents

Abstract

一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，包括一块发声元件，发声元件的主要部件为碳纳米管海绵、金属电极和导线，发声元件的尺寸和大小根据实际功能需求调整。当音频信号由导线经金属电极接入时，碳纳米管海绵会与其周围环境介质产生相应的温度梯度，进而环境介质发生周期性的膨胀和收缩并激发出声波。本发明具有宽带频响特性、高能量转换效率等显著的热声性能和柔韧性良好、力学强度较高等优异的力学性能。碳纳米管海绵热声扬声器可输出宽频带高保真的音频且具有较强的可靠性，确保其作为传统音圈和压电扬声器的潜在替代品的可行性，同时也为开发用于声纳阵列、柔性扬声器和噪声消除设备的宽频带、低成本、微型化和高保真的热声发射器带来可能性。

Description

一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器

技术领域

本发明属于扬声器技术领域，涉及一种基于碳纳米管海绵热声效应的宽频带高保真热声扬声器。

背景技术

当前世界经济政治形势十分严峻，中国虽然是世界电声器件的第一大生产国和出口国，但是国外对高端产品核心技术的垄断依然是不得不引起重视的问题，所以掌握电声器件的核心技术，增强我国产业链和供应链自主可控的能力势在必行。电声器件行业需要坚定不移地走自主创新和绿色发展道路，提出自己的核心技术，实现弯道超车，增强我国科技应对国际风险的能力。扬声器是电声器件的关键元件，也是家电、计算机、手机、汽车等的配套元件，多种终端应用产品对其需求持续增加，促使扬声器朝着小型化、便携化、低失真的方向发展。然而，目前扬声器仍然是高保真放音系统中最薄弱的环节，音质失真和频响不佳长久以来阻碍了扬声器的发展。因此，设计一种小型化、便携化、高保真、宽频带的扬声器，对当前适应国内外市场需求和带动其他配套行业发展都具有十分重要的意义。

传统扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能电声器件，音频电能通过电磁，压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振(共鸣)而发出声音。目前常用的传统扬声器主要有四个缺点：(1)传统扬声器的振膜在发声过程中自身会振动，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。(2)常用的传统扬声器为了限制振膜横向运动且避免音圈与导磁板相碰，需要折环和定心支片等元件来共同组成扬声器，导致其结构复杂，成本较高。(3)传统扬声器的频率响应范围窄，只能较好地重放音频的某一部分，而在有效频响范围外的声压输出低且效率不高，进而导致扬声器失真大且工作不稳定。(4)目前常用的发声材料机械强度较低，容易损坏，且大多数含有大量可能污染环境的重金属，不利于响应国家倡导的环境保护和绿色生产的号召。

三维多孔碳纳米管海绵具有低比热容、宽带频响特性和高能量转换效率等显著的热声性能，因此利用碳纳米管海绵制作的热声扬声器能够输出宽频带高保真的音频。并且三维多孔碳纳米管海绵具有独特的骨架结构、良好的柔韧性和较高的力学强度，因此以碳纳米管海绵作为扬声器的发声元件可以根据实际要求裁剪成任意尺寸与形状，对恶劣环境的耐受性较强，在规定的条件下和时间内的可靠性较高。碳纳米管海绵基于以上优异的热声性能和力学性能，确保了其作为传统扬声器发声材料潜在替代品的可行性。

发明内容

针对现有技术存的问题，本发明提供一种碳纳米管海绵热声扬声器，该类扬声器具有宽带频响特性、高能量转换效率等显著的热声性能和柔韧性良好、力学强度较高等优异的力学性能，其可以输出宽频带、高保真和具有较强可靠性的音频。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，包括碳纳米管海绵、两个金属电极、两根导线、一个基板和一个扬声器外壳。

所述的两个金属电极连接在一块碳纳米管海绵的两端，每个金属电极连接一根导线，组成发声元件，其中一根导线作为信息输入端，另一根导线作为信号输出端；发声元件固定在基板上表面，其中发声元件的尺寸和大小可以根据实际功能需求做出调整；基板固定于合适大小的绝缘扬声器外壳壳体内的凹槽中，不与壳体上下表面接触；音频信号通过其中一根导线经金属电极接入到发声元件的碳纳米管海绵中，再由另一根导线经金属电极输出，当信号流经碳纳米管海绵时，其表面迅速升温，与其周围环境介质产生相应的温度梯度，进而环境介质发生周期性的膨胀和收缩并激发出宽频带的超声波，且碳纳米管海绵发声时本身不发生振动，因此扬声器可以输出宽频带、高保真和声音响应稳定的音频。

进一步的，所述碳纳米管海绵的厚度为1～5毫米，可以根据实际需要裁剪制作成任意尺寸和大小；金属电极连接在碳纳米管海绵排列方向的两端，金属电极连接后碳纳米管海绵处于拉紧状态。

进一步的，所述音频信号由其中一根导线经金属电极向碳纳米管海绵接入，再由另一根导线经金属电极输出。

进一步的，所述金属电极与碳纳米管海绵的连接、发声元件与基板的连接、基板与扬声器外壳的连接，均采用粘结剂固定。

进一步的，所述金属电极与导线的连接采用焊接连接，利用焊接工具完成。

进一步的，所述基板是由耐热绝缘材料制成，比如陶瓷材料、耐热的高分子塑胶材料、钢化玻璃材料等；基板的形状与尺寸可以根据实际需要制作成平面形状或曲面形状。

进一步的，所述扬声器外壳是由质量较轻且具有一定强度的绝缘材料制成，如高分子树脂或工程塑料等；外壳壳体内开有一定深度的凹槽，用于支撑固定粘贴有发声元件的基板，且平行于发声元件的外壳壳面开有大小和数量合适的出音孔，且扬声器外壳开设用于通过导线的通孔。

本发明的有益效果为：

(1)当音频信号接入碳纳米管海绵热声扬声器时，碳纳米管海绵发声时本身不发生振动，避免了传统扬声器元件间音频信号的串扰与丢失。

(2)利用碳纳米管海绵制作的热声扬声器无需复杂的支撑辅助元件，和通常利用音圈和磁铁等元件制作传统扬声器的复杂结构相比，碳纳米管海绵热声扬声器的结构更简单、占用的空间体积更小，因此不仅降低了生产成本，而且可以显著减小扬声器的尺寸。

(3)与频响范围窄且声压输出效率低的传统扬声器相比，碳纳米管海绵热声扬声器具有较宽的频率响应范围和较高的能量转换效率，可以输出宽频带高保真的音频。

(4)碳纳米管海绵具有柔韧性好、力学强度高等优异的力学性能，因此其剪裁方便、耐受性较强和可靠性较高。并且不同于传统发声材料含有大量可能污染环境的重金属，碳纳米管海绵不含有害物质，以碳纳米管海绵作为发声材料更加符合国家倡导的环境保护和绿色生产的号召。

附图说明

图1为碳纳米管海绵热声扬声器发声元件示意图。

图2为碳纳米管海绵热声扬声器示意图。

图中：1碳纳米管海绵；2电极A；3电极B；4导线A；5导线B；6基板；7扬声器外壳。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

图1展示了碳纳米管海绵热声扬声器的发声元件结构示意图，图2展示了碳纳米管海绵热声扬声器的结构示意图，发声元件包括一块碳纳米管海绵1，一个电极A2和一个电极B3，一根导线A4和一根导线B5，碳纳米管海绵热声扬声器包括一个发声元件，一个基板6和一个扬声器外壳7。在碳纳米管海绵1的两端分别连接电极A2和电极B3；导线A4通过焊接连接电极A2，导线B5通过焊接连接电极B3；电极A2和电极B3粘贴固定在基板6上；基板6粘贴固定在扬声器外壳7壳体上；将音频信号通过导线A4和导线B5接入发声元件，进而碳纳米管海绵热声扬声器输出宽频带高保真的音频。

所述碳纳米管海绵1可以根据实际需要裁剪制作成任意形状。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，分别与碳纳米管海绵1的两端相连接，连接采用粘结剂固定连接。所述导线A4和导线B5均为金属材料制成，分别通过焊接与金属电极A2和金属电极B3连接，音频信号通过导线接入发声元件。所述基板6为耐热绝缘材料制成，且形状与尺寸可以根据实际需要制作成平面形状或曲面形状。所述扬声器外壳7为常用的商用塑胶外壳。

本发明实施例中，所述发声元件的碳纳米管海绵1为长方体，长度为2.4厘米，宽度为1.2厘米，厚度为0.2厘米；所述金属电极A2和金属电极B3的材料为铜；所述导线A4和导线B5均为铜质导线；所述基板6为直径4.8厘米、高度0.5厘米的薄圆板，材料为亚克力板；所述扬声器外壳7为直径4.8厘米、高度2厘米的圆柱壳，材料为ABS塑料。将环氧导电胶(SINWE6529)均匀涂抹在金属电极A2、金属电极B3和碳纳米管海绵1两端的连接处，然后将金属电极A2、金属电极B3与碳纳米管海绵1对准接合到一起并压实，等待24小时后胶粘剂完全固化，以实现金属电极和海绵的固定连接。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。用紫外线固化胶(ergo8500)将金属电极A2与金属电极B3粘贴固定在基板6上。用紫外线固化胶(ergo8500)将基板6粘贴固定在合适大小的扬声器外壳7的壳体内。

本发明实施例中，声音的传播介质为室温下的空气，输入功率为1瓦，测试点位于距离热声扬声器表面中轴线上的3厘米处。在0～60000赫兹的频率范围内，所述碳纳米管海绵热声扬声器表现出稳定的声响应和较高的热声效率，且与高保真音圈扬声器相比，在小于2000赫兹或者大于20000赫兹的范围内，所述碳纳米管海绵热声扬声器的声压级保持稳定，而音圈扬声器的声压级由于其谐振特性在该频率范围内急剧下降，因此与传统音圈扬声器相比，所述碳纳米管海绵热声扬声器具有更宽的频带和更稳定的声压响应；此外，为了验证碳纳米管海绵热声扬声器的保真度，本实施例测量了在音乐信号作用下的输出信号，所述碳纳米管海绵热声扬声器信号与音圈扬声器信号和原始输入信号匹配良好，具有高保真度；最后，为了验证碳纳米管海绵热声扬声器的声音响应稳定性，本实施例测量了所述热声扬声器在一周内(每天30分钟)的声压级，声音频率为5000赫兹，所述碳纳米管海绵热声扬声器在一段时间内的声音响应相当稳定，具有较强的可靠性。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，其特征在于，所述的扬声器包括碳纳米管海绵、两个金属电极、两根导线、一个基板和一个扬声器外壳；所述的两个金属电极连接在一块碳纳米管海绵的两端，每个金属电极连接一根导线，组成发声元件，其中一根导线作为信息输入端，另一根导线作为信号输出端，且发声元件的尺寸和大小根据实际功能调整；所述发声元件固定在基板上表面，基板固定于绝缘的扬声器外壳壳体内，平行于发声元件的扬声器外壳壳面开有出音孔，且扬声器外壳开设用于通过导线的通孔；音频信号通过导线经金属电极接入到发声元件的碳纳米管海绵中，再由另一根导线经金属电极输出，当信号流经碳纳米管海绵时，扬声器输出宽频带、高保真和声音响应稳定的音频。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，其特征在于，所述碳纳米管海绵的厚度为1～5毫米，金属电极连接后碳纳米管海绵处于拉紧状态。

3.根据权利要求1所述的一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，其特征在于，所述金属电极与碳纳米管海绵的连接、发声元件与基板的连接、基板与扬声器外壳的连接，均采用粘结剂固定。

4.根据权利要求1所述的一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，其特征在于，所述基板是由耐热绝缘材料制成，基板的形状与尺寸根据实际需要制作成平面形状或曲面形状。

5.根据权利要求1所述的一种宽频带高保真碳纳米管海绵热声扬声器，其特征在于，所述扬声器外壳壳体内开有凹槽，用于支撑固定粘贴有发声元件的基板。

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