CN119629552B - 基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，属于换能器技术领域。包括一块三维碳纳米多孔材料作为主要的发声元件，位于三维碳纳米多孔材料两侧的强磁铁块，及用于安装强磁铁的外框架；所述的发声元件由一块碳纳米管海绵，和位于其上下两端的金属电极和位于其左右两端的氧化铝镜面陶瓷绝缘棒组成，电信号接入发声元件中。本发明基于磁热声耦合效应，同时产生热声波和磁声波，叠加成新的声波，有着宽广且平坦的频率响应，展示换能器的高保真性能，避免传统扬压电换能器元件间音频信号的串扰与丢失；能够提升的换能器的能量转换效率、提升使用寿命。

Description

基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器

技术领域

本发明属于换能器技术领域，涉及一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器。

背景技术

随着科学技术的不断进步，声学换能器在医学成像(王严冬.多孔硅热致超声发射的建模研究[D]；中国科学技术大学,2015.)、无损检测(Bowary P.,GreenbergB.D.Noninvasive focused ultrasound for neuromodulation:a review[J].Psychiatric Clinics of North America,2018,41(3):505-514.)、通信技术(AlievA.E.,Mayo N.K.,Baughman R.H.,et al.Thermoacoustic excitation of sonarprojector plates by free-standing carbon nanotube sheets[J].Journal ofPhysics D:Applied Physics,2014,47(35):355302.)等多个领域中扮演着至关重要的角色。迫切需要我们研究探索新型材料和换能机制，提高我国对于声学换能器的产业链与供应链自主创新能力，进而实现曲线超越，突破核心技术瓶颈，从而增强我国科技体系抵御国际风险的能力。此外，基于新型单向可控声场换能器的单向可控发射在声学领域具有巨大的应用潜力，有望为医学成像、无损检测、通信技术等领域提供更为高效、精确的声学换能解决方案。因此，探索新型材料和换能机制，设计一种新型单向可控声场换能器，提高声学换能器的性能和应用范围具有十分重要的意义。

现有声学换能器的发声元件主要由压电陶瓷、压电晶体或压电聚合物等制成，其通过在压电材料上激励周期性的交变电场，由于逆压电效应产生机械振动，从而产生满足需求的声波。由压电材料制成的传统声学换能器主要有4个缺点：(1)频响范围窄(许光,吴培荣,刘振君.高频换能器功率疲劳分析[J].声学技术,2015,34(03):283-286)，一般只能在固定频率附近工作。(2)压电材料在发声过程中自身会振动，引起共振效应。(3)元件之间的信号会产生串扰，易失真(Tian F.H.,Liu Y.M.,Ma R.L.,et al.Properties of PMN-PTsingle crystal piezoelectric material and its application in underwateracoustic transducer[J].Applied Acoustics,2021,175(4):107827.)，且功率损耗严重。(4)传统声学换能器由外壳、压电材料、声窗匹配层和背衬等元件组成，结构复杂，生产工艺繁琐，制作成本高(Hu H.J.,Zhu X.,Wang C.H.,et al.Stretchable ultrasonictransducer arrays for three-dimensional imaging on complex surfaces[J].Science Advances,2018,4(3):eaar3979.)。这意味着现有的压电换能器仍然存在一定的局限性，导致其使用场景受到限制，在高强度、高频率和宽带宽超声信号的应用中可能无法满足需求。

碳纳米管海绵(Aliev A.E.,Mayo N.K.,De Andrade M.J.,et al.Alternativenanostructures for thermophones[J].ACS Nano,2015,9(5):4743-4756.)的单位面积比热容极低，在直流偏置交流电信号驱动时即可迅速产生热能并释放到周围介质，使周围环境介质发生膨胀和收缩进而产生相应热声波。此外，碳纳米管海绵由无数多壁碳纳米管互相搭接组装形成的弹性、高比表面积、高孔隙比的海绵状碳纳米管宏观体材料，具有自支撑、易裁剪、良好的柔性，其形状与尺寸可以根据实际要求进行裁剪制作。在静磁场环境中，当直流偏置的交流电信号作用于碳纳米管海绵时，它会因受到安培力的作用而产生受迫振动。这种振动进一步导致周围环境介质周期性地膨胀和收缩，从而激发出相应的磁声波。磁热声耦合效应的应用使得声场的发射方向和强度可以精确控制，提高了换能器的可控性和灵活性。因此，基于碳纳米管海绵优异的热声性能和力学性能，研究磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器旨在打破传统声场换能器的技术壁垒，实现声波的定向发射与高效转换。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，该换能器可以产生1Hz-100kHz的频率范围的超声波，实现可变频的作用，该换能器利用碳纳米管海绵的优异力学和电学性能，结合磁热声耦合效应，使得换能器在能量转换效率上显著提高，实现了声场的单向可控发射。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，所述的单向可控声场换能器包括一块三维碳纳米多孔材料作为主要的发声元件，及位于三维碳纳米多孔材料两侧的强磁铁块，用于安装强磁铁的亚克力板外框架8。具体的：

所述的发声元件由一块碳纳米管海绵1，和位于其上下两端的金属电极和位于其左右两端的氧化铝镜面陶瓷绝缘棒组成。所述金属电极包括第一金属电极2、第二金属电极3，每个金属电极连接一根绝缘导线，导线用于连接外部设备或电源。所述氧化铝镜面陶瓷绝缘棒包括第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒6，第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒7，氧化铝镜面陶瓷绝缘棒配合金属电极固定碳纳米管海绵。

所述的强磁铁块包括第一强磁铁块9、第二强磁铁块10，对称放置于碳纳米管海绵1的两侧，固定在门型结构的亚克力板外框架8两侧，提供静磁场环境条件。

电信号通过一端绝缘导线接入发声元件中，由另一端导线流出，保证磁场方向与电流方向相互垂直，当电信号通过金属电极流经碳纳米管海绵1时，碳纳米管海绵1表面迅速产生温度变化和受迫振动，使周围环境介质发生膨胀和收缩，进而分别产生热声波和磁声波，两种声波进行叠加，实现单向传播可控声场的声波。

进一步的，所述电信号是直流偏置交流电信号，确保单向可控声场换能器的磁声和热声产生一倍频声波进行叠加，直流偏置交流电信号通过其中一根导线经金属电极接入到发声元件中，再由另一根导线经另一金属电极输出。

进一步的，所述强磁铁块是稀土强磁，具体为钕铁硼磁铁，在保持强大磁性的同时，强磁铁的体积相对较小，重量也较轻。所述强磁铁与碳纳米管海绵1的间距为1.5厘米。

进一步的，所述的两个强磁铁块所在面和两个金属电极所在面在空间内相互垂直，保证磁场方向与电流方向相互垂直，共同组成磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器。

进一步的，所述碳纳米管海绵1是由多个多壁碳纳米管互相搭接组装形成的弹性、高比表面积、高孔隙比的海绵状碳纳米管宏观体材料，为三维多孔结构，碳纳米管海绵具有优秀的电学和力学性能，能够实现独立支撑，根据具体需求，选择合适尺寸。

进一步的，所述金属电极连接在碳纳米管海绵1两端，采用紫外线光敏导电胶连接电极后，将绝缘导线锡焊固定在电极上。

进一步的，所述金属电极可选择铜电极，锌电极，铁电极，铝电极等良好导电性和高温稳定性的材料。

进一步的，所述氧化铝镜面陶瓷绝缘棒是绝缘和高温稳定性的材料，其体积电阻为10¹⁴欧姆米，选择的材料直径为2毫米，实际选择的直径可根据实际需求确定。

进一步的，所述第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒6、第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒7垂向布置，贴合与碳纳米管海绵左右两侧。

进一步的，所述使用电烙铁工具焊接绝缘导线与金属电极，焊锡可选焊锡材料有锡铅合金焊锡、加锑焊锡、加镉焊锡、加银焊锡、加铜焊锡等多种类型。

本发明的有益效果为：

(1)相较于传统的声学换能器，碳纳米管海绵的新型单向可控声场换能器基于磁热声耦合效应，同时产生热声波和磁声波，叠加成新的声波，有着宽广且平坦的频率响应，展示了换能器的高保真性能，避免了传统扬压电换能器元件间音频信号的串扰与丢失。

(2)碳纳米管海绵的单向可控声场换能器基于热致发声效应，换能器产生的热声波关于碳纳米管海绵本身对称；在磁声振动效应下，换能器因磁声效应产生的磁声波应关于碳纳米管海绵换能器中心对称，正向的波形与热声声波的波形相同，反向的波形与热声声波的波形相反；基于碳纳米管海绵本体利用热声和磁声的声波特性，单个换能器设备同时发出热声和磁声，并进行叠加，进而能够实现正向声压增强、反向声压削弱的单向传声，提升的换能器的能量转换效率。

(3)不同于传统的压电换能器的刚性压电材料，碳纳米管海绵具有优秀的柔韧性、超弹性(可在90％应变时恢复原状)、高强度(在90％应变时可承受12MPa的压强)，因此其可贴合任意形状和粗糙度的表面工作。

(4)三维碳纳米管海绵拥有更加优秀的散热能力，使碳纳米管海绵在工作时，其产生的热量也可以迅速排出，降低了表面温度，并且通过磁声振动进一步提升了海绵的散热能力，进而提升碳纳米管海绵的单向可控声场换能器的使用寿命。

附图说明

图1为碳纳米管海绵的单向可控声场换能器示意图。

图2为两种碳纳米管海绵声学换能器产生60dB声波时表面温度对比图；图2中的(a)为磁热声耦合效应的碳纳米管海绵声学换能器图；图2中的(b)为热声耦合效应的碳纳米管海绵热声换能器图。

图3为碳纳米管海绵的单向可控声场换能器的声压频响曲线图。

图4为碳纳米管海绵的单向可控声场换能器声压稳定响应图。

图中：1碳纳米管海绵；2第一金属电极；3第二金属电极；4第一导线；5第二导线；6第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒；7第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒；8亚克力板外框；9第一强磁铁块；10第二强磁铁块。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

图1展示了碳纳米管海绵的单向可控声场换能器的发声元件结构示意图，展示了碳纳米管海绵的单向可控声场换能器的结构示意图，发声元件包括一层碳纳米管海绵1，一个第一金属电极2和一个第二金属电极3，一根第一导线4和一根第二导线5，一根第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒6和一根第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒7，碳纳米管海绵的新型单向可控声场换能器包括一个发声元件，一个亚克力板外框8以及位于其两侧的第一、第二强磁铁块9、10。碳纳米管海绵1两端分别连接第一金属电极2和第二金属电极3；第一导线4通过焊接连接第一金属电极2，第二导线5通过焊接连接第二金属电极3，将第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒6，第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒7与第一金属电极2，第二金属电极3以及碳纳米管海绵1固定；亚克力板外框6与第一强磁铁块9，第二强磁铁块10分别粘贴在碳纳米管海绵1的两侧，并使得第一金属电极2第二金属电极3和第一强磁铁块9，第二强磁铁块10均处于相互垂直；将信号通过第一导线4和第二导线5接入发声元件，进而碳纳米管海绵的新型单向可控声场换能器输出正向声压增强、反向声压削弱的单向传声，提升的换能器的输出声压强度。

所述碳纳米管海绵1碳纳米管海绵由无数多壁碳纳米管互相搭接组装形成的弹性、高比表面积、高孔隙比的海绵状碳纳米管宏观体材料，碳纳米管海绵具有优秀的电学和力学性能，能够实现独立支撑，根据自己的需求，选择合适尺寸，本例中选择的碳纳米管海绵尺寸为长1厘米，宽1厘米，厚2毫米。所述第一金属电极2和第二金属电极3均可选择铜电极，锌电极，铁电极，铝电极等良好导电性和高温稳定性的材料，分别与碳纳米管海绵1采用紫外线光敏胶(VG352)进行固定连接，紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联化学反应，使粘合剂在数秒钟内由液态转化为固态，高粘度，耐湿气，耐高温，抗冲击，适合粘结玻璃，塑料，金属，陶瓷等材料。环氧导电胶的导电材料为纳米级超细银粉，体积电阻率小于10^-3欧姆米，工作温度-40摄氏度-150摄氏度。所述第一导线4和第二导线5为外部采用绝缘材料，内部均为金属材料制成，分别通过电烙铁工具焊接绝缘导线与电极2和电极3，可选焊锡材料有锡铅合金焊锡、加锑焊锡、加镉焊锡、加银焊锡、加铜焊锡等多种类型，信号通过第一导线4接入发声元件。所述第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒6和B7是绝缘和高温稳定性的材料，其体积电阻率为10¹⁴欧姆米。所述强磁铁块A9和强磁铁块B10是稀土强磁，专业名称为钕铁硼磁铁，在保持强大磁性的同时，强磁铁的体积相对较小，重量也较轻，本例中选择的尺寸为长2厘米，宽1厘米，厚5毫米，强磁铁与碳纳米管海绵1的间距为1.5厘米，在碳纳米管海绵处产生磁感应强度大小为1.5毫特斯拉。

本发明实施例中，所述发声元件的碳纳米管海绵1为边长10毫米的正方形，厚度为2毫米；所述第一金属电极2和第二金属电极3的材料为金属片；所述第一导线4和第二导线5均为铜质绝缘导线；所述强磁铁块控制静磁场产生的磁感应强度为6毫特斯拉，结构尺寸不限，根据实际需求选择。将紫外线光敏胶(VG352)和环氧导电胶(K-856)均匀涂抹在电极2、电极3与碳纳米管薄膜1的连接处，然后将第一金属电极2、第二金属电极3与碳纳米管薄膜1对准接合到一起并压实，以实现金属电极和海绵的固定连接。用电烙铁将第一导线4和第二导线5分别焊接在第一金属电极2和第二金属电极3上。

本实施例中，根据《GB/T 5170.2－2008》对所述碳纳米管海绵的新型单向可控声场换能器进行了常规条件下的温升测试。环境温度为室温21.5摄氏度，输入功率为1.76瓦，声频率为20000赫兹，测试点位于距离碳纳米管海绵表面中轴线上的10毫米处。利用红外线热成像仪(FLUKE TIS55+)测得通电5分钟后所述碳纳米管海绵表面温度最高为65.6摄氏度，而对比例中，取出强磁铁块，只考虑热声效应下，通电5分钟后，在激发相同大小声压级60dB条件下，碳纳米管海绵表面温度最高为113.9摄氏度，该单向可控声场换能器工作时表面温度更低。

本实施例中，根据《GB/T 43537-2023》对所述碳纳米管海绵单向可控声场换能器进行了声学测试。将所述单向可控声场换能器置于全消声实验平台，即由长方体实验箱内，6个面全贴上8厘米厚的消音海绵，利用声学测量仪器(B&K8103)测量单向可控声场换能器在正面和背面的输出声压，所述的正面为磁声和热声叠加后声压增强一侧，而反面为磁声和热声叠加后声压削弱一侧，输入功率为1瓦，测试点位于距离单向可控声场换能器碳纳米管海绵表面中轴线上的10毫米处。在16000～19000赫兹的频率范围内，所述单向可控声场换能器在正向实验频响曲线的声压级为50dB以上，反向实验的频响曲线的声压级为30dB以下，约等于环境噪声，正反面声压级相差20dB。此外，将输入电流定为5kHz，在每天下午两点对单向可控声场换能器进行30分钟的测量，每5分钟记录一次数据，连续测量七天，该单向可控声场换能器在七天内保持优异的声学性能，声压级平均为52.5dB，具有良好的声响应稳定性。故所述碳纳米管海绵的单向可控声场换能器可以产生频率范围较宽且声压较大的超声波，并且可实现单向传声。

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 (8)

1.一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述的单向可控声场换能器包括一块三维碳纳米多孔材料作为主要的发声元件，位于三维碳纳米多孔材料两侧的强磁铁块，及用于安装强磁铁的外框架(8)；

所述的发声元件由一块碳纳米管海绵(1)，和位于其上下两端的金属电极和位于其左右两端的氧化铝镜面陶瓷绝缘棒组成；

所述发声元件中：所述金属电极包括第一金属电极(2)、第二金属电极(3)，每个金属电极连接一根绝缘导线，导线用于连接外部设备或电源，提供电信号；所述电信号是直流偏置交流电信号，确保单向可控声场换能器的磁声和热声产生一倍频声波进行叠加，直流偏置交流电信号通过其中一根导线经金属电极接入到发声元件中，再由另一根导线经另一金属电极输出；

所述的强磁铁块包括第一强磁铁块(9)、第二强磁铁块(10)，对称放置于碳纳米管海绵(1)的两侧，固定在门型结构的亚克力板外框架(8)两侧，提供静磁场环境条件。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述氧化铝镜面陶瓷绝缘棒包括第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒(6)，第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒(7)，氧化铝镜面陶瓷绝缘棒配合金属电极固定碳纳米管海绵。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述第一氧化铝镜面陶瓷绝缘棒(6)、第二氧化铝镜面陶瓷绝缘棒(7)垂向布置，贴合与碳纳米管海绵左右两侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述强磁铁块是稀土强磁；所述强磁铁与碳纳米管海绵(1)的间距为1.5厘米。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述的两个强磁铁块所在面和两个金属电极所在面在空间内相互垂直，保证磁场方向与电流方向相互垂直，共同组成磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述碳纳米管海绵(1)是由多个多壁碳纳米管互相搭接组装而成。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述金属电极可选择铜电极，锌电极，铁电极，铝电极等良好导电性和高温稳定性的材料。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁热声耦合效应的碳纳米管海绵的单向可控声场换能器，其特征在于，所述外框架(8)为亚克力板。