[發明專利]一種柔性透明的熱致發聲裝置

無效

• 申請號: 201210030702.5
• 申請日: 2012-02-10
• 公開（公告）號: CN102572667A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 任天令;田禾;謝丹;楊軼;劉理天
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H04R23/00
• 分類號: H04R23/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于熱致發聲裝置技術領域，特別涉及一種基于熱聲效應的柔性透明熱致發聲裝置結構設計。

背景技術

發聲裝置一般由發聲元件和信號輸入裝置構成，通過加上電激勵信號驅動聲音裝置，聲音裝置發出相應的聲音。現有技術的發聲元件一般為揚聲器，揚聲器為一種把電信號轉換成聲音信號的電聲器件。現有的揚聲器的種類很多，根據其工作原理可以分為：電磁式、靜電式、電動式以及壓電式。這些傳統的揚聲器雖然工作原理不同，但是一般都會產生自身的機械振動，從而影響附近的空氣產生波動，進而實現從電轉換成機械振動，最后到聲音的過程。這些類型的器件都依靠振膜的振動發聲，并且結構較為復雜，這類器件都是硬質器件，不能彎折。

對于傳統的熱聲發聲器件最早可以追溯到上世紀初，在文獻“The?Thermophone”，C.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。這種熱聲發聲裝置通過向一金屬片或絲中通過交流電來實現發聲。當電流通過金屬片或金屬絲時，隨著交流電流強度的變化，會產生焦耳熱，并快速傳導給周圍介質，由于周期性的加熱，使得周圍介質不斷發聲膨脹或者收縮，從而引起聲波的產生。

在1917年時，H.D.Arnld和I.B.Crandall就提出了一種基于熱聲效應的發聲裝置(可以參考文獻H.D.Arnld；I.B.Crandall.“The?thermophone?as?a?precision?source?of?sound，Phys”.Rev.L.10，22-38(1917)，如圖1所示，該發聲裝置10由鉑片作為發聲元件12，同時通過一個夾具14進行固定，將發生元件12和夾具14一同固定在一個基板18上，電流經引線16流過發聲元件，從而產生聲音信號。這種發聲元件12的發聲強度的大小同鉑片的單位面積熱容量密切相關。當鉑片的單位面積熱容量大時，則發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，則發聲裝置輸出的聲音頻率范圍寬，強度高。要想獲得較寬的發聲頻率以及聲音強度，就需要單位面積熱容量越小越好，即鉑片厚度越薄越好。但是由于當時技術水平的限制，金屬鉑片的厚度只能做到0.7微米，因此其單位熱容量較大，其發聲頻率最高僅為4千赫茲。因此當時這種發聲元件12的發生頻率較窄，并且發聲強度較低，導致在很長一段時間都沒有得到實際應用。

2011年本申請人申請了一項熱致發聲裝置的專利(申請號：201110204478.2)，該技術方案包括一發聲元件以及與該發聲元件相連的一信號輸入裝置；所述發聲元件包括至少一石墨烯薄膜，這種熱致發聲裝置能夠在10赫茲至100千赫茲頻段內產生高的聲壓輸出。

對于傳統金屬片而言，技術不足在于：單位面積熱容量較大、發聲頻率范圍窄、聲音強度弱；對于上述的石墨烯薄膜發聲裝置而言，技術不足在于：難以實現大面積均勻石墨烯薄膜、生產成本高、裝置不透明、難以實現可柔性彎折，可靠性較低，工作頻率范圍無法滿足兆赫茲高頻聲學應用，實用性較差。因此有必要研制出一種具有大面積、低成本、柔性、透明、發聲頻段較寬、發聲強度較高、可靠性較高、實用性較高的發聲裝置。

發明內容

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，設計出一種新的柔性透明熱致發聲裝置，使其具有柔性、透明、發聲頻率較寬，發聲強度較高，實用性強的特點，并且能夠面向實際的聲學應用。

本發明提出的一種柔性透明熱致發聲裝置，該裝置包括：一發聲元件以及與該發聲元件相連的一信號輸入裝置；其特征在于，所述發聲元件包括一柔性透明基底，在該基底上設置至少一導電薄膜結構、一端連接在該導電薄膜結構兩邊的一對電極或多對電極；所述信號輸入裝置的輸入端與所述電極的另一端相連；信號輸入裝置通過與該導電薄膜結構相連的電極，將激勵信號傳輸給該導電薄膜結構，使該導電薄膜結構改變周圍介質密度發出聲波。

與現有技術相比較，所述發聲裝置具有以下優點：

本發明采用導電薄膜作為發聲元件，當導電薄膜產生焦耳熱后，焦耳熱傳導給周圍空氣，引起空氣介質疏密變化，從而產生聲壓的改變，進而發出聲音。這種發聲裝置同傳統的揚聲器工作原理不同，傳統發聲裝置一般都會產生自身的機械振動，而本發聲裝置本身無機械振動，這種熱致發聲裝置能夠在101千赫茲至100兆赫茲頻段內產生高的聲壓輸出。