玻璃基压电薄膜超声换能器关键技术研究
发布时间：2021-04-17 18:18
多媒体设备正朝着轻薄化、全面屏方向发展,全新的屏幕结构设计大大缩小传统音箱的空间,让声音反射和缓冲次数减少,进而导致音质变差。本课题提出的定向屏幕扬声器方案,是将屏幕声场技术与声频定向原理相结合,利用压电薄膜超声换能器实现屏幕兼具显示器与扬声器的双重功能,为便携式电子设备的沉浸式“音画一体”功能和家用多媒体设备的分区应用实现提供可行方案。首先,本文基于压电薄膜超声换能器基本原理,根据声频定向基本理论和具体应用场景,通过对比传统压电换能器结构,提出了适用于本课题应用需求的多层圆形压电薄膜结构为阵元结构并对其进行声学特性的理论分析。然后,以全透明为首要标准,为各功能层选择对应材料。以电击穿为重点考察指标,确定压电层材料为聚偏氟乙稀（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）。以高电-声转换效率为牵引,确定上下电极材料分别为氧化铟锡（Indium Tin Oxides,ITO）和钼（Mo）。其余的辅助性材料层以匹配压电层和电极层需求为主,结合现有成熟工艺进行选择。再采用选定材料参数确定单阵元的几何结构参数,包括:各材料层厚度、阵元半径。从声压级和指向性等声学性能以及实际的应用...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统扬声器与定向扬声器对比示意图
电子科技大学硕士学位论文处理的相关研究，中科院声学所东海研究站杨益、温周斌、冯海泓[36]得到了较好的研究成果。屏幕发声技术是针对电子类设备的外观和发声效果之间矛盾而应运而生的新兴技术方向。现在不同的国家的研究机构和涉及制造单位都在尝试不同的实现方法来获取理想的发声效果和广泛的应用场景，主要包括：激振技术、“空气驱动技术”、静电薄膜技术、悬臂梁技术，压电感应与骨传导结合和压电技术等。但是，现在的发声技术还不算成熟，存在包括影响屏幕画质、频带较窄、高低频发生效果较差等问题。而且同一研发团队针对不同的设备的具体应用场景的不同，所选择的实现技术手段也有所不同，这也大大增加了屏幕发声技术相关内容的研发成本和消费者对于这类产品的消费压力。作为近年来的一个新兴的研究热点，屏幕发声技术在研究机构和生产制造企业的合作密切合作之下快速的进入到商品化和市场化的路径。2002年，日本松下股份有限公司和日本松下电子元器件公司联合开发出了一种透明平板扬声器，该扬声器的布置方式是直接粘接于LCD屏幕的表面，实现声音传输，透明的材料使其不会遮挡住屏幕的显示内容。这种扬声器主要是依靠普通振膜的振动推动空气进行发声，具体过程为：空气的气压变化通过显示器一端的传声孔传送到空气隙使透明平板间接地发生振动，这种技术被命名为“空气驱动技术”[37]。在2008年，日本学者SugimotoT等人研制了一种基于PVDF的柔性透明扬声器，并扬声器失真特性进行了研究[38]。在他们发表文章中提出的扬声器为两层结构，一层为PVDF，面积为A4大小，厚度80um；另一层为PES，面积为A4，厚度为200um，如图1-2所示。图1-2透明扬声器结构示意图4
法。因为以前所使用的方法是在有限数量的点上给柔性薄膜施加力，而这个力不会传递到薄膜的整个区域。基于双层的结构优势，为了均匀的致动整个PES层，将PVDF作为驱动器整张与PES贴在一起，使用PVDF的压电产生形变作为驱动力。同时还说明了，用其它材料替换PES材料的可能性。2010年，韩国的Fils公司研制出一种透明薄膜式扬声器—FilmSpeaker，主要的工作原理是利用压电材料基本的压电效应使其变形产生振动[40]。2011年，台湾工业技术研究院提出了一种透明式的驻电极体扬声器，分别从其光学性能和声学性能进行了评估分析，如图1-3所示。该扬声器由一对透明的穿孔电极和驻极体隔膜组成，电极和隔膜之间放置间隔物放置以防止它们彼此接触。隔膜由电极驱动，电极中有微小的孔隙，允许空气进出，因此产生的声音可通过电极传播[41]。图1-3透明式驻电极扬声器结构2013年，哈佛大学的研究团队基于传统的静电式扬声器原理研制出了一种透明扬声器，其结构与传统的差异较大，且具有柔性特点。该扬声器的振膜与固定电极都是表面镀有导电膜的薄膜结构，考虑其必须的透明特性，材料选择为透明的聚丙烯酰胺薄膜。与传统的静电式扬声器相似之处在于电极中间的介质均选用盐水，而且两电极必须加上高压静电使得盐水发生电解反应，再叠加上音频电压使得介质液振动发声。新式静电式扬声器具有很宽的频率范围（20Hz~20kHz），可以作为主动降噪设备进行适用。因为扬声器整体采用透明材质制备，所以该扬声器可贴于任意物体的表面而不影响其实际使用功能。若将扬声器覆盖于窗户表面，5
【参考文献】：
期刊论文
[1]超指向性扬声器的系统设计与测试[J]. 杨益,温周斌,冯海泓,付奇. 声学技术. 2008(01)
[2]参量阵扬声器的原理及应用[J]. 周荣冠. 电声技术. 2008(01)
[3]谐振频率可调式PVDF膜声频定向换能器[J]. 陈敏,徐利梅,黄大贵,张德银. 压电与声光. 2007(01)
[4]基于ADSP-BF533的音频处理系统设计[J]. 王莹,李学生,项多云,李爽. 电声技术. 2006(08)
[5]基于MATLAB的换能器阵列指向性分析方法研究[J]. 陈敏,徐利梅,黄大贵,张德银. 电声技术. 2006(05)
[6]参量扬声器系统的探索与研究[J]. 宋朝晖,鲍可进. 电声技术. 2005(08)
[7]透明平板扬声器使触摸屏具有发声功能[J]. 电子设计技术. 2002(08)
硕士论文
[1]透明式定向发声换能器的研究与设计[D]. 杨雨珂.电子科技大学 2019
[2]基于MEMS的压电超声微换能器的设计、仿真和实验[D]. 马腾.电子科技大学 2009
[3]声学参量阵技术研究[D]. 刘圣军.国防科学技术大学 2008
[4]基于DSP的指向性声源的设计与实现[D]. 朱海生.山东科技大学 2007
[5]指向性声源的理论与实验研究[D]. 姬培锋.山东科技大学 2005
本文编号：3143913
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统扬声器与定向扬声器对比示意图
电子科技大学硕士学位论文处理的相关研究，中科院声学所东海研究站杨益、温周斌、冯海泓[36]得到了较好的研究成果。屏幕发声技术是针对电子类设备的外观和发声效果之间矛盾而应运而生的新兴技术方向。现在不同的国家的研究机构和涉及制造单位都在尝试不同的实现方法来获取理想的发声效果和广泛的应用场景，主要包括：激振技术、“空气驱动技术”、静电薄膜技术、悬臂梁技术，压电感应与骨传导结合和压电技术等。但是，现在的发声技术还不算成熟，存在包括影响屏幕画质、频带较窄、高低频发生效果较差等问题。而且同一研发团队针对不同的设备的具体应用场景的不同，所选择的实现技术手段也有所不同，这也大大增加了屏幕发声技术相关内容的研发成本和消费者对于这类产品的消费压力。作为近年来的一个新兴的研究热点，屏幕发声技术在研究机构和生产制造企业的合作密切合作之下快速的进入到商品化和市场化的路径。2002年，日本松下股份有限公司和日本松下电子元器件公司联合开发出了一种透明平板扬声器，该扬声器的布置方式是直接粘接于LCD屏幕的表面，实现声音传输，透明的材料使其不会遮挡住屏幕的显示内容。这种扬声器主要是依靠普通振膜的振动推动空气进行发声，具体过程为：空气的气压变化通过显示器一端的传声孔传送到空气隙使透明平板间接地发生振动，这种技术被命名为“空气驱动技术”[37]。在2008年，日本学者SugimotoT等人研制了一种基于PVDF的柔性透明扬声器，并扬声器失真特性进行了研究[38]。在他们发表文章中提出的扬声器为两层结构，一层为PVDF，面积为A4大小，厚度80um；另一层为PES，面积为A4，厚度为200um，如图1-2所示。图1-2透明扬声器结构示意图4
法。因为以前所使用的方法是在有限数量的点上给柔性薄膜施加力，而这个力不会传递到薄膜的整个区域。基于双层的结构优势，为了均匀的致动整个PES层，将PVDF作为驱动器整张与PES贴在一起，使用PVDF的压电产生形变作为驱动力。同时还说明了，用其它材料替换PES材料的可能性。2010年，韩国的Fils公司研制出一种透明薄膜式扬声器—FilmSpeaker，主要的工作原理是利用压电材料基本的压电效应使其变形产生振动[40]。2011年，台湾工业技术研究院提出了一种透明式的驻电极体扬声器，分别从其光学性能和声学性能进行了评估分析，如图1-3所示。该扬声器由一对透明的穿孔电极和驻极体隔膜组成，电极和隔膜之间放置间隔物放置以防止它们彼此接触。隔膜由电极驱动，电极中有微小的孔隙，允许空气进出，因此产生的声音可通过电极传播[41]。图1-3透明式驻电极扬声器结构2013年，哈佛大学的研究团队基于传统的静电式扬声器原理研制出了一种透明扬声器，其结构与传统的差异较大，且具有柔性特点。该扬声器的振膜与固定电极都是表面镀有导电膜的薄膜结构，考虑其必须的透明特性，材料选择为透明的聚丙烯酰胺薄膜。与传统的静电式扬声器相似之处在于电极中间的介质均选用盐水，而且两电极必须加上高压静电使得盐水发生电解反应，再叠加上音频电压使得介质液振动发声。新式静电式扬声器具有很宽的频率范围（20Hz~20kHz），可以作为主动降噪设备进行适用。因为扬声器整体采用透明材质制备，所以该扬声器可贴于任意物体的表面而不影响其实际使用功能。若将扬声器覆盖于窗户表面，5
【参考文献】：
期刊论文
[1]超指向性扬声器的系统设计与测试[J]. 杨益,温周斌,冯海泓,付奇. 声学技术. 2008(01)
[2]参量阵扬声器的原理及应用[J]. 周荣冠. 电声技术. 2008(01)
[3]谐振频率可调式PVDF膜声频定向换能器[J]. 陈敏,徐利梅,黄大贵,张德银. 压电与声光. 2007(01)
[4]基于ADSP-BF533的音频处理系统设计[J]. 王莹,李学生,项多云,李爽. 电声技术. 2006(08)
[5]基于MATLAB的换能器阵列指向性分析方法研究[J]. 陈敏,徐利梅,黄大贵,张德银. 电声技术. 2006(05)
[6]参量扬声器系统的探索与研究[J]. 宋朝晖,鲍可进. 电声技术. 2005(08)
[7]透明平板扬声器使触摸屏具有发声功能[J]. 电子设计技术. 2002(08)
硕士论文
[1]透明式定向发声换能器的研究与设计[D]. 杨雨珂.电子科技大学 2019
[2]基于MEMS的压电超声微换能器的设计、仿真和实验[D]. 马腾.电子科技大学 2009
[3]声学参量阵技术研究[D]. 刘圣军.国防科学技术大学 2008
[4]基于DSP的指向性声源的设计与实现[D]. 朱海生.山东科技大学 2007
[5]指向性声源的理论与实验研究[D]. 姬培锋.山东科技大学 2005
本文编号：3143913
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