基于热声效应的银线栅网络薄膜的声学性能计算及实验研究

作     者：唐金龙 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李双

授予年度：2021年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：银线栅网络薄膜 热声效应 声学特性 温度场 

摘      要：微米级和纳米级的金属线栅因其高导电性和延展性,被广泛用作柔性透明电极。近几年,多种金属线栅薄膜均被证明有良好的声学特性。目前,热声扬声器的主要制作材料为石墨烯和碳纳米管,但石墨烯薄膜面积普遍较小,而碳纳米管薄膜保存困难,极易损坏。相比之下,金属线栅可制备边长达上百厘米的薄膜,且制造成本较低,其电阻小,强度高,可任意弯曲折叠,对保存条件要求较低,更适合制作柔性透明热声扬声器。本文在国家自然科学基金面上项目资助下,以银线栅网络薄膜为主要研究对象,探究其传热及声学特性。主要研究内容和结论如下:(1)建立银线栅网络薄膜的传热模型,得到薄膜表面温升的表达式,并进行了温升计算。搭建测试平台,对银线栅网络薄膜的表面温度分布及变化进行了测试。研究表明:薄膜的温升测试值与理论计算值的整体趋势一致,验证了温升模型的正确性。薄膜的温升时间约为50s,温升时间主要受金属线栅材料、薄膜的厚度及基底影响,与输入电功率和环境温度等无关;表面温度分布不均衡,由中央向四周递减。(2)借鉴石墨烯薄膜和碳纳米管薄膜的热声模型,得到银线栅网络薄膜热致发声的声压公式,并进行了声压计算。搭建银线栅网络薄膜的声学测试平台,对不同周期、不同面积薄膜的输出声压进行了测试。结果表明:实验测试值与理论计算值的整体趋势一致,验证了理论模型的正确性。银线栅网络薄膜的输出声压在近场近似为平面波,在远场近似为球面波;薄膜的输出声压与输入电功率成正比;在远场区域,声压与距离近似成反比。(3)利用仿真软件模拟银线栅网络薄膜的声场分布。模拟结果表明:热致发声的实际声源是薄膜表面一层极薄的空气层;微尺寸下,连续平面薄膜的输出声压与网络化薄膜的输出声压基本一致。声压指向性分析表明:薄膜输出声压在远场近似成球面;随着频率升高、薄膜面积增加或测距减小,薄膜输出声能量向正前方集中。(4)考虑到银线栅的氧化及水下应用等问题,对银线栅网络薄膜进行了封装设计。分析表明:薄膜在密度大、热导率高以及比热低的气体中,其输出声压将增大;薄膜的输出声压随着封装层厚度的增加、输出声压频率的升高或两侧介质阻抗特性的增大而减小。