專利名稱：一種熱致發(fā)聲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)聲裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于熱聲效應(yīng)的熱致發(fā)聲裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
發(fā)聲裝置一般由發(fā)聲元件和信號輸入裝置構(gòu)成，通過加上電激勵信號驅(qū)動聲音裝置，聲音裝置發(fā)出相應(yīng)的聲音?，F(xiàn)有技術(shù)發(fā)聲元件一般為揚聲器，揚聲器為一種把電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號的電聲器件?，F(xiàn)有的揚聲器的種類很多，根據(jù)其工作原理可以分為電磁式、 靜電式、電動式以及壓電式。這些傳統(tǒng)的揚聲器雖然工作原理不同，但是一般都會產(chǎn)生自身的機械振動，從而影響附近的空氣產(chǎn)生波動，進而實現(xiàn)從電轉(zhuǎn)換成機械振動，最后到聲音的過程。這些類型的器件都依靠振膜的振動發(fā)聲，并且結(jié)構(gòu)較為復雜。早在上世紀初，在相關(guān)文獻上就有基于熱聲效應(yīng)的發(fā)聲元件的報道了，在文獻 "The ThermophoneC. W. Edward, Vol. XIX, No. 4, pp333-345 以及"On some thermal effects of electric currents", H. P. William, Proceedings of the royal society of London, Vol. 30 (1879-1881)，pp408_411。這種熱聲發(fā)聲裝置通過向一金屬片或絲中通過交流電來實現(xiàn)發(fā)聲。當電流通過金屬片或金屬絲時，隨著交流電流強度的變化，會產(chǎn)生焦耳熱，并快速傳導給周圍介質(zhì)，由于周期性的加熱，使得周圍介質(zhì)不斷發(fā)聲膨脹或者收縮，從而引起聲波的產(chǎn)生。在1917年時，H. D. Arnld和I. B. Crandall就提出了一種基于熱聲效應(yīng)的發(fā)聲裝置(可以參考文獻 H. D. Arnld ;Ι· B. Crandall. "The thermophone as a precision source of sound,Phys". Rev. L. 10，22-38 (1917)，如圖1所示，該發(fā)聲裝置10由鉬片作為發(fā)聲元件 12，同時通過一個夾具14進行固定，將發(fā)生元件12和夾具14 一同固定在一個基板18上， 電流經(jīng)引線16流過發(fā)聲元件，從而產(chǎn)生聲音信號。這種發(fā)聲元件12的發(fā)聲強度的大小同鉬片的單位面積熱容量密切相關(guān)。當鉬片的單位面積熱容量大時，則發(fā)聲裝置輸出的聲音頻率范圍窄，強度低；當單位面積熱容量小時，則發(fā)聲裝置輸出的聲音頻率范圍寬，強度高。 要想獲得較寬的發(fā)聲頻率以及聲音強度，就需要單位面積熱容量越小越好，即鉬片厚度越薄越好。但是由于當時技術(shù)水平的限制，金屬鉬片的厚度只能做到0.7微米，因此其單位熱容量較大，其發(fā)聲頻率最高僅為4千赫茲。因此當時這種發(fā)聲元件12的發(fā)生頻率較窄，并且發(fā)聲強度較低，導致在很長一段時間都沒有得到實際應(yīng)用。對于傳統(tǒng)金屬片而言，單位面積熱容量較大，發(fā)聲頻率范圍窄，聲音強度弱。有必要研制出一種發(fā)聲頻段較寬，發(fā)聲強度較高的發(fā)聲裝置，并且能夠應(yīng)用到實際中去。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，，設(shè)計出一種新的熱致發(fā)聲裝置，使發(fā)聲頻率更寬，發(fā)聲強度更高，實用性強，并且能夠面向?qū)嶋H的聲學應(yīng)用。本發(fā)明提出的一種發(fā)聲裝置，該裝置包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發(fā)聲元件包括至少一石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，所述信號輸入裝置的輸入信號給該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，使該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述發(fā)聲裝置具有以下優(yōu)點本發(fā)明采用石墨烯薄膜作為發(fā)聲元件，當石墨烯產(chǎn)生焦耳熱后，焦耳熱傳導給周圍空氣，引起空氣介質(zhì)疏密變化，從而產(chǎn)生聲壓的改變，進而發(fā)出聲音。這種發(fā)聲裝置同傳統(tǒng)的揚聲器工作原理不同，傳統(tǒng)發(fā)聲裝置一般都會產(chǎn)生自身的機械振動，而本發(fā)聲裝置本身無機械振動，這種熱致發(fā)聲裝置能夠在10赫茲至100千赫茲頻段內(nèi)產(chǎn)生高的聲壓輸出。本發(fā)明采用的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)具有很小的單位面積熱容量和很大的比表面積，故該發(fā)聲元件具有升溫的迅速快、熱滯后很小、熱交換速度很快的特點。這種石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的發(fā)聲裝置可以實現(xiàn)在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生聲音，實現(xiàn)很大的發(fā)聲強度。由于石墨烯具備很高的透光率和機械強度，這中發(fā)聲器件具有高的實用性和可靠性。相比傳統(tǒng)發(fā)聲裝置，這種熱致發(fā)聲裝置具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的優(yōu)勢，能夠廣泛應(yīng)用到手機、MP3、MP4、電視、電腦、超聲成像、測距系統(tǒng)等電子領(lǐng)域。


圖1是傳統(tǒng)技術(shù)中發(fā)聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例發(fā)聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例發(fā)聲裝置中的頻率響應(yīng)特性曲線。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明實施例的發(fā)聲裝置。請參閱圖2，本發(fā)明實施例設(shè)計了一種發(fā)聲裝置20，該發(fā)聲裝置20包括一個信號輸入裝置22，一由一石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M，一襯底結(jié)構(gòu)沈，一第一電極觀以及一第二電極30 組成的發(fā)聲元件。所述第一電極觀和第二電極30間隔設(shè)置在該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M的兩端，并且與所述信號輸入裝置22電連接。所述襯底結(jié)構(gòu)沈用于對石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M、第一電極觀和第二電極30起支撐和保護。所述發(fā)聲元件中的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M包括至少一層石墨烯薄膜，還可采用雙層石墨烯薄膜以及多層石墨烯薄膜中的一種。若石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)為一層以上的石墨烯薄膜， 該石墨烯薄膜的層間距離為0. 33-0. 35納米；石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的厚度從0. 5納米到200納米，可以根據(jù)實際應(yīng)用調(diào)整。本實施例中石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)為大小為lxlcm2，厚度為100納米， 層間為0. 344納米的290層石墨烯薄膜組成。當然在實際情況中，石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的大小可以根據(jù)實際應(yīng)用而改變。所述石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的單位面積熱容量小于1 X 10_2焦耳每平方厘米開爾文。該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于熱聲發(fā)聲元件時，其與空氣的接觸面積越大，其發(fā)聲強度越高。由于該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)由石墨烯薄膜組成，因而石墨烯薄膜具有很高的韌性和機械強度。請參閱圖2，所述第一電極觀和第二電極30通過外接導線32與所述信號輸入裝置22的兩端建立電氣連接，用于將所述信號輸入裝置22產(chǎn)生的信號傳輸?shù)剿鍪┍∧そY(jié)構(gòu)M中。該第一電極觀和第二電極30由導電材料形成，其具體材料類型和形狀結(jié)構(gòu)不限。具體地，該第一電極觀和第二電極30的材料可以選擇為金屬、導電膠、金屬氧化物等。該第一電極觀和第二電極30的形狀可以選擇為層狀、棒狀、塊狀、或其他形狀中的一種。本實施例中，該第一電極觀和第二電極30為層狀導電膠電極。所述石墨烯薄膜結(jié)構(gòu) 24的兩端分別與所述第一電極觀和第二電極30建立電學連接，并通過所述的第一電極觀和第二電極30固定。所述襯底結(jié)構(gòu)沈主要起到支撐和保護的作用，其具體形狀不限，任何具有確定形狀的物體，如一墻壁、桌面、衣服和屏幕等，均可作為本發(fā)明實施例中的襯底結(jié)構(gòu)26。具體地，所述支撐結(jié)構(gòu)26可以為一平面結(jié)構(gòu)或一曲面結(jié)構(gòu)，并具有一表面。此時，該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M直接設(shè)置并貼合于該襯底結(jié)構(gòu)26的表面。由于該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M整體通過襯底結(jié)構(gòu)26支撐，因此該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M可以承受強度較強的信號輸入，從而具有較高的發(fā)聲強度。該襯底結(jié)構(gòu)沈的材料不限，可以為一剛性材料，如玻璃、金剛石、石英、硅和多孔硅。所述襯底結(jié)構(gòu)26的材料還可以為一柔性材料，如樹脂、塑料和紙。優(yōu)選地，該襯底結(jié)構(gòu) 26的材料應(yīng)該具有較好的絕熱性能，從而防止該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M產(chǎn)生的熱量被該襯底結(jié)構(gòu)沈過多的吸收，從而無法達到加熱周圍介質(zhì)進而發(fā)聲的目的。另外。該支撐結(jié)構(gòu)沈可具有一較為粗糙的表面，從而可以使設(shè)置于其表面的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M與襯底26之間形成一定的間隙，從而減少向襯底的漏熱，改善所述發(fā)聲裝置20的發(fā)聲效果。所述信號輸入裝置22可以采用常規(guī)的音頻電信號輸入裝置、光信號輸入裝置或電信號輸入裝置等。相應(yīng)地，所述信號輸入裝置22輸入的信號不限，包括音頻信號、光信號和交流電信號等。9，這種光信號，其特征在于，所述光信號輸入裝置產(chǎn)生的光信號激勵發(fā)聲元件，產(chǎn)生熱聲，進而產(chǎn)生聲壓，實現(xiàn)“光能-熱能-聲能”的轉(zhuǎn)化?？梢岳斫猓鶕?jù)電信號輸入裝置22的不同，所述第一電極觀、第二電極30以及外接導線32為可選擇的結(jié)構(gòu)。當輸入信號為光信號時，所述信號輸入裝置22可以直接輸入信號給所述石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M，無需電極以及導線。上述發(fā)聲裝置20在使用時，所述多層石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的層間距離為0. 344納米， 石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的整體厚度從0. 3納米到200納米之間任意值。由于這種石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)具有較小的單位面積熱容量和較大的散熱表面積，在輸入信號后，該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)可以迅速升降溫，產(chǎn)生周期性的溫度變化，并和周圍介質(zhì)快速進行熱交換，從而周期性的改變周圍介質(zhì)的密度，使周圍介質(zhì)周期性的膨脹和收縮，進而發(fā)出聲音。石墨烯薄膜厚度越大，其功率越大。另外，本發(fā)明實施例中的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)M具有較高的韌性和機械強度，采用所述的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)可以制作成任意形狀和尺寸的發(fā)聲裝置20，如圓形、長方形、三角形以及多邊形等，該發(fā)聲裝置20可以方便地應(yīng)用到可發(fā)聲的設(shè)備中，如手機、MP3、MP4、電視、 電腦、超聲成像、測距系統(tǒng)等電子領(lǐng)域以及其他可發(fā)聲的設(shè)備中。所述介質(zhì)可以為液態(tài)介質(zhì)或者氣態(tài)介質(zhì)，本實施例中，該該發(fā)聲元件M周圍的介質(zhì)為氣態(tài)介質(zhì)。本實施例中，發(fā)聲裝置20采用一平面結(jié)構(gòu)的發(fā)聲元件，其包括100納米厚度的多層石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)。給該發(fā)聲元件M輸入5伏特的交流電信號，在距離其5厘米處測量可得(請參閱圖幻所述發(fā)聲元件M聲壓級最高可達61分貝，最低為43分貝；發(fā)聲頻率范圍為3千赫茲至50千赫茲。因此所述發(fā)聲裝置20具有較好的發(fā)聲強度，并且頻率范圍較寬，有著較為理想的發(fā)聲效果。
權(quán)利要求
1.一種熱致發(fā)聲裝置，該裝置包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發(fā)聲元件包括至少一石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，所述信號輸入裝置的輸入信號給該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，使該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)聲裝置，其特征在于，所述石墨烯結(jié)構(gòu)單位面積熱容量小于 1 χ 10_2焦耳每平方厘米開爾文；所述發(fā)聲裝置的發(fā)聲頻率為20赫茲-10萬赫茲。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)聲裝置，其特征在于，所述石墨烯結(jié)構(gòu)的厚度為0.3納米-200納米。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)聲裝置，其特征在于，所述發(fā)聲裝置進一步包括至少兩個電極，該至少兩電極間隔設(shè)置并且與所述石墨烯結(jié)構(gòu)兩端電連接，所述信號輸入裝置通過電極給發(fā)聲元件輸入信號。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)聲裝置，其特征在于，所述發(fā)聲裝置進一步包括一襯底結(jié)構(gòu)， 該石墨烯結(jié)構(gòu)通過該襯底結(jié)構(gòu)固定支撐。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)聲裝置，其特征在于，所述信號輸入裝置產(chǎn)生的信號包括電信號和光信號中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱致發(fā)聲裝置，屬于發(fā)聲裝置技術(shù)領(lǐng)域，其包括一發(fā)聲元件以及與該發(fā)聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發(fā)聲元件包括至少一石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，所述信號輸入裝置輸入信號給該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，使該石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)改變周圍介質(zhì)密度發(fā)出聲波。本發(fā)聲裝置本身無機械振動，這種熱致發(fā)聲裝置能夠在10赫茲至100千赫茲頻段內(nèi)產(chǎn)生高的聲壓輸出。具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的優(yōu)勢，能夠廣泛應(yīng)用到手機、MP3、MP4、電視、電腦、超聲成像、測距系統(tǒng)等電子領(lǐng)域。
文檔編號H04R23/00GK102307325SQ201110204478
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 楊軼, 田禾, 謝丹 申請人:清華大學