CN102572667A

CN102572667A - 一种柔性透明的热致发声装置

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Publication number: CN102572667A
Application number: CN2012100307025A
Authority: CN
Inventors: 任天令; 田禾; 谢丹; 杨轶; 刘理天
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种柔性透明热致发声装置，属于发声装置技术领域，该装置包括：一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；所述发声元件包括一柔性透明基底，在该基底上设置至少一导电薄膜结构、一端连接在该导电薄膜结构两边的一对电极或多对电极；所述信号输入装置的输入端与所述电极的另一端相连；使该导电薄膜结构改变周围介质密度发出声波。本发声元件本身无机械振动并且是透明的、可以弯折和拉伸的特点，这种热致发声装置能够在101千赫兹至100兆赫兹频段内产生高的声压输出。具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的优势，能够同显示屏幕集成同时实现发声和显示功能，从而广泛应用到手机、MP3、MP4、电视、电脑、超声成像、测距***等电子领域。

Description

一种柔性透明的热致发声装置

技术领域

本发明属于热致发声装置技术领域，特别涉及一种基于热声效应的柔性透明热致发声装置结构设计。

背景技术

发声装置一般由发声元件和信号输入装置构成，通过加上电激励信号驱动声音装置，声音装置发出相应的声音。现有技术的发声元件一般为扬声器，扬声器为一种把电信号转换成声音信号的电声器件。现有的扬声器的种类很多，根据其工作原理可以分为：电磁式、静电式、电动式以及压电式。这些传统的扬声器虽然工作原理不同，但是一般都会产生自身的机械振动，从而影响附近的空气产生波动，进而实现从电转换成机械振动，最后到声音的过程。这些类型的器件都依靠振膜的振动发声，并且结构较为复杂，这类器件都是硬质器件，不能弯折。

对于传统的热声发声器件最早可以追溯到上世纪初，在文献“The Thermophone”，C.W.Edward，Vol.XIX，No.4，pp333-345以及“On some thermal effects of electriccurrents”，H.P.William，Proceedings of the royal society of London，Vol.30(1879-1881)，pp408-411。这种热声发声装置通过向一金属片或丝中通过交流电来实现发声。当电流通过金属片或金属丝时，随着交流电流强度的变化，会产生焦耳热，并快速传导给周围介质，由于周期性的加热，使得周围介质不断发声膨胀或者收缩，从而引起声波的产生。

在1917年时，H.D.Arnld和I.B.Crandall就提出了一种基于热声效应的发声装置(可以参考文献H.D.Arnld；I.B.Crandall.“The thermophone as a precision sourceof sound，Phys”.Rev.L.10，22-38(1917)，如图1所示，该发声装置10由铂片作为发声元件12，同时通过一个夹具14进行固定，将发生元件12和夹具14一同固定在一个基板18上，电流经引线16流过发声元件，从而产生声音信号。这种发声元件12的发声强度的大小同铂片的单位面积热容量密切相关。当铂片的单位面积热容量大时，则发声装置输出的声音频率范围窄，强度低；当单位面积热容量小时，则发声装置输出的声音频率范围宽，强度高。要想获得较宽的发声频率以及声音强度，就需要单位面积热容量越小越好，即铂片厚度越薄越好。但是由于当时技术水平的限制，金属铂片的厚度只能做到0.7微米，因此其单位热容量较大，其发声频率最高仅为4千赫兹。因此当时这种发声元件12的发生频率较窄，并且发声强度较低，导致在很长一段时间都没有得到实际应用。

2011年本申请人申请了一项热致发声装置的专利(申请号：201110204478.2)，该技术方案包括一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；所述发声元件包括至少一石墨烯薄膜，这种热致发声装置能够在10赫兹至100千赫兹频段内产生高的声压输出。

对于传统金属片而言，技术不足在于：单位面积热容量较大、发声频率范围窄、声音强度弱；对于上述的石墨烯薄膜发声装置而言，技术不足在于：难以实现大面积均匀石墨烯薄膜、生产成本高、装置不透明、难以实现可柔性弯折，可靠性较低，工作频率范围无法满足兆赫兹高频声学应用，实用性较差。因此有必要研制出一种具有大面积、低成本、柔性、透明、发声频段较宽、发声强度较高、可靠性较高、实用性较高的发声装置。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种新的柔性透明热致发声装置，使其具有柔性、透明、发声频率较宽，发声强度较高，实用性强的特点，并且能够面向实际的声学应用。

本发明提出的一种柔性透明热致发声装置，该装置包括：一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；其特征在于，所述发声元件包括一柔性透明基底，在该基底上设置至少一导电薄膜结构、一端连接在该导电薄膜结构两边的一对电极或多对电极；所述信号输入装置的输入端与所述电极的另一端相连；信号输入装置通过与该导电薄膜结构相连的电极，将激励信号传输给该导电薄膜结构，使该导电薄膜结构改变周围介质密度发出声波。

与现有技术相比较，所述发声装置具有以下优点：

本发明采用导电薄膜作为发声元件，当导电薄膜产生焦耳热后，焦耳热传导给周围空气，引起空气介质疏密变化，从而产生声压的改变，进而发出声音。这种发声装置同传统的扬声器工作原理不同，传统发声装置一般都会产生自身的机械振动，而本发声装置本身无机械振动，这种热致发声装置能够在101千赫兹至100兆赫兹频段内产生高的声压输出。

本发明采用的导电薄膜结构具有很小的单位面积热容量和很大的比表面积，故该发声元件具有升温的迅速快、热滞后很小、热交换速度很快的特点。这种导电薄膜结构的发声装置可以实现很大的发声强度。由于导电薄膜具备很高的透光率和机械强度，具有高的实用性和可靠性。

本发明采用了柔性透明材料作为发声元件和基底，因此整个发声元件具有可拉伸、透明的特性，可以覆盖到柔性显示屏幕上进行集成化，从而实现同时发声和显示功能。

相比传统发声装置，这种热致发声装置具有高可靠性、柔性、透明、低成本、高性能的优势，能够同显示屏幕集成同时实现发声和显示功能，从而广泛应用到手机、MP3、MP4、电视、电脑、超声成像、测距***等电子领域。

附图说明

图1是传统技术中发声装置的结构示意图。

图2是本发明第一实施例发声装置的结构示意图。

图3是本发明实施例发声装置中的频率响应特性曲线。

图4是本发明实施例发声装置中的在可见光波长范围的透光率特性曲线。

图5是本发明实施例发声装置同显示屏幕集成化的结构示意图。

图6是本发明第二实施例发声装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的发声装置。

请参阅图2，本发明的实施例1设计了一种柔性透明发声装置20，该柔性透明发声装置20包括一个信号输入装置22，由一导电薄膜结构24，一柔性透明衬底26，一第一电极28以及一第二电极30，导线32组成的一发声元件，第一电极28和第二电极30组成一对电极；所述第一电极28和第二电极30的一侧端连接在该导电薄膜24的两边，另一侧端与所述信号输入装置22电连接；所述衬底26设置在第一电极28和第二电极30及导电薄膜结构24下表面，用于对导电薄膜24、第一电极28和第二电极30起支撑和保护。

本实施例的导电薄膜结构24的材料可采用铟锡氧化物、银纳米线、聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐等中任一种材料制成的透明的导体薄膜，这些材料在传统领域中通常用作透明电极。所述发声元件中的导电薄膜结构24包括至少一层导电薄膜，还可采用双层导电薄膜以及多层导电薄膜中的一种。若导电薄膜结构为一层以上的导电薄膜，导电薄膜结构的厚度从200纳米到100微米，可以根据实际应用调整。本实施例中导电薄膜结构为大小为1x1cm²，厚度为100纳米。当然在实际情况中，导电薄膜结构的大小可以根据实际应用而改变。

所述导电薄膜结构的单位面积热容量小于1×10^-2焦耳每平方厘米开尔文。该导电薄膜结构应用于热声发声元件时，其与空气的接触面积越大，其发声强度越高。由于该导电薄膜结构由导电薄膜组成，因而导电薄膜具有很高的韧性和机械强度。

请参阅图2，本实施例的第一电极28和第二电极30通过外接导线32与所述信号输入装置22的两端建立电气连接，用于将所述信号输入装置22产生的信号传输到所述导电薄膜结构24中。该第一电极28和第二电极30由导电材料形成，其具体材料类型和形状结构不限。具体地，该第一电极28和第二电极30的材料可以选择为金属、导电胶、金属氧化物等制成。该第一电极28和第二电极30的形状可以选择为层状、棒状、块状、或其他形状中的一种。本实施例中优选第一电极28和第二电极30为层状导电胶电极。所述导电薄膜结构24的两端分别与所述第一电极28和第二电极30建立电学连接，并通过所述的第一电极28和第二电极30固定。

本实施例中所述基底26主要起到支撑和保护的作用，其具体形状不限。所述基底26优选为一平面结构或一曲面结构，并具有一表面。此时，该导电薄膜结构24直接设置并贴合于该衬底结构26的表面。由于该导电薄膜结构24整体通过衬底结构26支撑，因此该导电薄膜结构24可以承受强度较强的信号输入，从而具有较高的发声强度。

该基底26的材料为柔性透明的有机材料，如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷等。该衬底结构26的材料具有较好的绝热性能，从而防止该导电薄膜结构24产生的热量被该衬底结构26过多的吸收，从而无法达到加热周围介质进而发声的目的。另外。该基底26可具有一较为粗糙的表面，从而可以使设置于其表面的导电薄膜结构24与衬底26之间形成一定的间隙，从而减少向衬底的漏热，进一步改善所述发声装置20的发声效果。

本实施例的信号输入装置22可以采用常规的音频电信号输入装置、光信号输入装置或电信号输入装置等。相应地，所述信号输入装置22输入的信号不限，包括音频信号、光信号和交流电信号等。

可以理解，根据电信号输入装置22的不同，所述第一电极28、第二电极30以及外接导线32为可选择的结构。当输入信号为光信号时，所述信号输入装置22可以直接输入信号给所述导电薄膜结构24，无需电极以及导线。

在实际使用中，发声装置20导电薄膜结构的整体厚度从200纳米到100微米之间任意值。由于这种导电薄膜结构具有较小的单位面积热容量和较大的散热表面积，在输入信号后，该导电薄膜结构可以迅速升降温，产生周期性的温度变化，并和周围介质快速进行热交换，从而周期性的改变周围介质的密度，使周围介质周期性的膨胀和收缩，进而发出声音。导电薄膜厚度越大，其功率越大。另外，本发明实施例中的导电薄膜结构24具有较高的韧性和机械强度，采用所述的导电薄膜结构可以制作成任意形状和尺寸的发声装置20，如圆形、长方形、三角形以及多边形等，该发声装置20可以方便地应用到可发声的设备中，如手机、MP3、MP4、电视、电脑、超声成像、测距***等电子领域以及其他可发声的设备中。该发声元件24周围的介质可以为液态介质或者气态介质，本实施例中，该发声元件24周围的介质为气态介质。

本实施例中，给该发声元件24输入5伏特的交流电信号，在距离其5厘米处测量可得：(请参阅图3)所述发声元件24声压级最高可达61分贝，最低为49分贝；发声频率范围为1千赫兹至50千赫兹。因此所述发声装置20具有较好的发声强度，并且频率范围较宽，有着较为理想的发声效果(由于受到测试仪器限制，测试声音频率上限仅为50千赫兹，但从理论已经证实该装置能够在101千赫兹至100兆赫兹产生平坦的声压输出)。

本实施例中，在可见光波长范围390纳米到770纳米之间，测试了柔性透明发声装置的透光率(请参阅图4)，经过测试发现可见光的平均透光率为74.8％。因此所述柔性透明发声装置20具有较好透明度，可以非常好的同显示屏进行集成，同时具有高的柔韧性。

请参阅图5，本发明设计了一种同显示屏幕集成化的柔性透明发声装置实施例40，该发声装置40包括一由一导电薄膜结构42、两电极44、信号输入线46和一柔性透明衬底结构48组成的发声元件以及显示屏幕50。所述两电极44间隔设置在该导电薄膜结构42的两端，并且与所述信号输入装置通过导线46电连接。所述柔性透明衬底结构48用于对导电薄膜结构42、两电极44起支撑和保护。整个发声元件安装在显示屏幕50的上面。

上述发声装置40在使用时，由于本发明采用了柔性透明材料作为发声元件和基底，因此整个发声元件具有可拉伸、透明的特性，可以覆盖到柔性显示屏幕上进行集成化，从而实现同时发声和显示功能。

请参阅图6，本发明的实施例2设计了一种插指电极结构的柔性透明发声装置60，该柔性透明发声装置60包括一个信号输入装置62，由一导电薄膜结构64，一柔性透明衬底66，一第一电极插指电极68以及一第二插指电极70，导线72组成的一发声元件，第一插指电极68和第二插指电极70的每个分支依次组成一对电极；所述第一插指电极68和第二插指电极70的一侧端(681、701)连接在该导电薄膜64的两边，另一侧端(682、702)与所述信号输入装置62电连接；所述衬底66设置在第一电极68和第二电极70及导电薄膜结构64下表面，用于对导电薄膜64、第一电极68和第二电极70起支撑和保护。

本实施例相比第一实施例，采用了多对电极结构，这种结构能进一步降低导电薄膜的输出阻抗、提高输出功率，从而加强声压输出强度、提高发声装置性能以及提高可靠性的优点。

Claims

1.一种柔性透明热致发声装置，该装置包括：一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；其特征在于，所述发声元件包括一柔性透明基底，在该基底上设置至少一导电薄膜结构、一端连接在该导电薄膜结构两边的一对电极或多对电极；所述信号输入装置的输入端与所述电极的另一端相连；信号输入装置通过与该导电薄膜结构相连的电极，将激励信号传输给该导电薄膜结构，使该导电薄膜结构改变周围介质密度发出声波。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述发声元件中导电薄膜为铟锡氧化物、银纳米线或聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐中任一种材料制成的透明的导体薄膜。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述发声装置的发声频率为101千赫兹-100兆赫兹。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述导电薄膜结构采用一层导电薄膜，或层叠的多层导电薄膜；导电薄膜结构的总厚度为200纳米-100微米。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述多对电极中的每对电极间隔设置并且与所述导电薄膜结构两端电连接。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述基底选用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷中任一种柔性透明有机材料制成的薄膜。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述信号输入装置采用音频电信号输入装置、或电信号输入装置中的一种。

8.一种柔性透明热致发声装置，该装置包括：一发声元件以及与该发声元件相连的一信号输入装置；其特征在于，所述发声元件包括一柔性透明基底，在该基底上设置至少一导电薄膜结构；所述信号输入装置为光信号输入装置；该光信号输入装置直接照射该导电薄膜结构，使该导电薄膜结构改变周围介质密度发出声波。