石墨烯发声器声压解析模型的研究

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石墨烯发声器是近几年来出现的用以代替传统电声扬声器的新型器件。石墨烯发声器无需振动部件,相比较于依靠金属振动部件的传统扬声器,避免了体积大、重量高、频带宽度受尺寸制约等缺陷。石墨烯发声器已开始应用于耳机、人造喉咙等领域,但是缺乏石墨烯发声器热声效应的理论模型研究,尤其是针对在不同激励条件下石墨烯发声器的热声效率分析。因此本文针对以上问题进行了石墨烯发声器声压解析模型的研究。本文主要的研究内容如下:(1)第一部分介绍了石墨烯发声器的研究背景,并针对当下制备石墨烯薄膜的两种主要方法:CVD及激光划片,进行分类并介绍了国内外研究现状。从中总结出了石墨烯发声器相比于传统电声器件的优势,对比了两种制备方法之间的优缺点,并发现了目前缺乏适用于不同激励条件下的石墨烯发声器的声压理论模型。(2)第二部分为石墨烯发声器的热声理论,首先,研究了石墨烯发声器的温度梯度理论模型,并重新优化求解了温度梯度方程。然后针对交直流激励以及纯交流激励条件分别推导了石墨烯发声器的声压解析模型。最后,使用数学仿真工具以及有限元仿真分析了影响石墨烯发声器热声效率的因素。研究表明,施加的交直流/纯交流激励功率与石墨烯发声器的声压级(SPL)呈正比;声压级与频率之间呈3/2次方关系,在0-25k Hz范围内不随时间变化;声压级在固定参数的石墨烯发声器远场范围内与测量距离之间呈反比关系。(3)第三部分使用激光划片还原聚酰亚胺薄膜的方式制备了石墨烯薄膜并制作了发声器,分析了激光划片石墨烯薄膜的材料性质。进行了交直流激励与纯交流激励下的温度梯度测试,并与第二章的温度梯度理论模型进行了对比。分别验证了交直流激励下直流电压分量与温度梯度的线性关系、纯交流激励下交流电压与温度梯度的平方关系。在5V交直流激励、10V纯交流激励下测试了石墨烯发声器的声压数值并与声压解析模型进行了拟合与对比。针对当施加的交直流激励的幅值总和一致时交直流电压乘积越高的石墨烯发声器声压越高的推论以及纯交流激励下交流电压数值越高石墨烯发声器声压越高的结论加以实验验证。
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