發(fā)布時(shí)間：2017-11-01 05:22

  本文關(guān)鍵詞：基于碳納米管薄膜熱聲光聲特性及蜃景效應(yīng)的理論研究和數(shù)值分析

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【摘要】：1.熱聲技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)在廣泛使用的揚(yáng)聲器是由連著錐形紙盆的剛性結(jié)構(gòu),能夠沿著永磁體中心圓柱形空隙作軸向振動(dòng)的音圈以及其它輔助支撐系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)一個(gè)音頻電流作用于音圈,則產(chǎn)生一個(gè)可變電磁場(chǎng)。這個(gè)可變電磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使音圈按照音頻電流的輸入頻率振動(dòng),從而復(fù)原原始音頻信號(hào)。然而,基于動(dòng)態(tài)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的頻率特性是欠優(yōu)的。這種揚(yáng)聲器的響應(yīng)頻率帶寬相對(duì)較窄,因此很難調(diào)整它們的頻率范圍。響應(yīng)頻帶寬度是受最大響應(yīng)頻率所制約的,因而會(huì)受揚(yáng)聲器的尺寸所限制。其他類型的揚(yáng)聲器有壓電揚(yáng)聲器[3,4]和靜電揚(yáng)聲器[5-7]。壓電揚(yáng)聲器的頻響特性也是受到限制的,這點(diǎn)和動(dòng)態(tài)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器一樣。自從Hanna[5]首次介紹靜電揚(yáng)聲器的概念已經(jīng)經(jīng)歷了80多年,由于其存在固有的缺陷,所以靜電揚(yáng)聲器并沒有受到過多的關(guān)注。事實(shí)上,靜電揚(yáng)聲器的隔膜偏移是非常有限,所以要到達(dá)到較高的聲壓輸出和效率轉(zhuǎn)換,作用到靜電揚(yáng)聲器的電壓必須非常高,從而增加了電弧產(chǎn)生的概率,這樣就大大降低了設(shè)備的安全性。此外,隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,塵埃粒子更容易被揚(yáng)聲器所吸引,因此靜電揚(yáng)聲器的性能的穩(wěn)定性也存在潛在的威脅。 熱聲揚(yáng)聲器的概念是大約一個(gè)世紀(jì)前首次由Arnold和Crandall提出[8]。熱聲揚(yáng)聲器設(shè)備的物理機(jī)制與傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器有很大區(qū)別,傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器是通過膜的機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生聲音。熱聲揚(yáng)聲器則是由圍繞在薄膜導(dǎo)體周圍的介質(zhì)在電能作用下被周期性加熱從而產(chǎn)生溫度波動(dòng)導(dǎo)致的[9]。因?yàn)闊崧晸P(yáng)聲器的頻率響應(yīng)范圍很寬,因此熱聲揚(yáng)聲器的出現(xiàn)大大簡化了揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)[10]。Arnold和Crandall[8]曾經(jīng)就熱聲揚(yáng)聲器做了一系列實(shí)驗(yàn),同時(shí)也推導(dǎo)出了一種用以解釋其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論模型。在他們實(shí)驗(yàn)中,他們使用的是700納米厚的鉑金薄膜,但是只有很微弱的聲音信號(hào)被撲捉到。這是由于他們使用的鉑金薄膜的單位面積熱容(HCPUA)很高,因此其電聲轉(zhuǎn)換效率很低,所以輸出的聲信號(hào)很微弱。由于在上個(gè)世紀(jì),單位面積熱容小的材料很難制造,因此熱聲技術(shù)發(fā)展繼Arnold和Crandall的研究之后停滯了幾十年。近年來,隨著納米技術(shù)出現(xiàn)和快速發(fā)展以及先進(jìn)的納米加工技術(shù)的日益成熟,為熱聲裝置的制作和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9]。特別是Iijima[11,12]發(fā)現(xiàn)的碳納米管材料為熱聲學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。碳納米管具有獨(dú)特的機(jī)械強(qiáng)度[13-18]、導(dǎo)電性[19,20]、導(dǎo)熱性[21-25]和光熱轉(zhuǎn)化率[26-34]以及其他優(yōu)良屬性。由于納米材料的發(fā)現(xiàn)以及熱聲揚(yáng)聲器的固有優(yōu)勢(shì),特別是極寬的頻響帶寬,熱聲技術(shù)正受到研究人員的重新關(guān)注。 1999年,Shinoda等[35]提出一種基于熱聲原理的有效的超聲波發(fā)射器,這種超聲波發(fā)生器是由置于10毫米厚的微孔硅層上的30納米厚的鋁薄膜和一個(gè)p型晶體硅晶片組成的。當(dāng)輸入熱功率為1W/cm2的正弦變化信號(hào)時(shí),其在很寬的輸入頻域內(nèi)可以獲得高達(dá)0.08Pa的聲壓值。但是這個(gè)超聲波發(fā)射器的電聲轉(zhuǎn)換效率僅為0.03%。隨著碳納米管線[36,37]和碳納米管薄膜[14,38]的發(fā)現(xiàn),碳納米管熱聲學(xué)正經(jīng)歷著迅速的發(fā)展。2008年,Xiao等人[39]提出一種能夠產(chǎn)生高強(qiáng)熱聲聲波的新型有效的方法,即通過使用交流電作用于從碳納米管陣列拉出的碳納米管薄膜[40]上。當(dāng)一個(gè)功率為3W,頻率為20kHz的交流電作用在一個(gè)3x3cm2的單層碳納米管薄膜上時(shí),高達(dá)100dB的輸出聲壓被測(cè)得。Xiao的實(shí)驗(yàn)中使用的單層碳納米管薄膜非常薄(厚度為幾十納米),極輕(典型的單位面積質(zhì)量為1.5μg/cm2)同時(shí)也是優(yōu)良的電導(dǎo)體(典型的電阻約每平方1kQ)[39]。此外,輸入信號(hào)頻率高達(dá)1MHz的交流阻抗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了碳納米管薄膜是一種純電阻,這也有助于提高電聲轉(zhuǎn)換效率[39]。2010年,Aliev等人[41]用實(shí)驗(yàn)研究了置于液體中碳納米管薄膜熱聲換能器的性能,同時(shí)發(fā)現(xiàn)碳納米管薄膜熱聲換能器轉(zhuǎn)換效率在液體中急劇降低。值得注意的是,由于碳納米管的疏水性,當(dāng)浸沒在水中時(shí),在碳納米管薄膜周圍可能形成一層包絡(luò),因此相對(duì)于在酒精(碳納米管薄膜在酒精中表現(xiàn)出的是親水性)中,會(huì)極大地增加熱聲換能器轉(zhuǎn)換效率(高達(dá)100倍)[41]。Aliev等人[41]也研究了在密封在氬氣環(huán)境下的碳納米管薄膜在液體和氣體中的熱聲響應(yīng)的性能。實(shí)驗(yàn)證明,此種換能器在低頻段中的響應(yīng)良好,而在空氣中可以達(dá)0.2%的換能效率。Kozlov等人[42]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用交流電或者近紅外激光作用于多壁碳納米管陣列也能產(chǎn)生熱聲,同時(shí)發(fā)現(xiàn)培植在硅晶片上的碳納米管陣列產(chǎn)生的熱聲會(huì)伴隨三階和四階的諧波失真,而此諧波失真應(yīng)歸因于熱聲的非線性響應(yīng)。這種獨(dú)特的現(xiàn)象在較短的碳納米管陣列中尤為顯著,顯然是因?yàn)闊崮軓奶技{米管陣列中轉(zhuǎn)移到了硅晶片基體中引起的。為了提高熱聲轉(zhuǎn)換效率,Xiao等人[43]研究了碳納米管薄膜在不同氣體介質(zhì)(空氣,氬氣和氦氣)中的對(duì)于不同輸入頻率(從300Hz到100kHz)的響應(yīng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,減少氣體的熱容可以提高碳納米管揚(yáng)聲器的熱聲轉(zhuǎn)換效率。Xiao等人[43]還發(fā)現(xiàn)在他們所研究的頻率范圍內(nèi),碳納米管薄膜產(chǎn)生的聲壓與其所處氣體介質(zhì)的熱容呈反比關(guān)系。Aliev等人[44]將碳納米管薄膜封裝不同的氣體中,在封閉系統(tǒng)下進(jìn)行了相似的實(shí)驗(yàn)。他們還研究了在封閉系統(tǒng)下的氣壓對(duì)熱聲響應(yīng)的影響,并且構(gòu)建了一個(gè)理論模型來解釋他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。 自從2004年Novoselov等人[45]發(fā)現(xiàn)了石墨烯,由于其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性和導(dǎo)電性而倍受研究者關(guān)注。從實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證明石墨烯具有許多的應(yīng)用價(jià)值。Tian等人[46]最先在2011年證明其可以作為熱聲源。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)熱聲裝置,即將底層印有石墨烯的紙板貼在印制電路板上從而制作了一個(gè)多層石墨烯結(jié)構(gòu)。三個(gè)厚度分別為100,60和20nm的石墨烯樣品被制作并測(cè)試。盡管一個(gè)20nm厚的石墨烯在1W/cm2輸入功率和20kHz的響應(yīng)頻率下能產(chǎn)生能高達(dá)83dB的聲壓,但是該熱聲裝置的性能依然沒有達(dá)到Xiao等人[39,43]使用的碳納米管薄膜熱聲揚(yáng)聲器的性能。Suk等人[47]也將大面積的單層石墨烯印在基底上從而制作了石墨烯熱聲換能器。他們研究了不同底層(玻璃,聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷)的熱聲換能器的性能,并且比較了不同底層對(duì)熱聲轉(zhuǎn)換效率的影響。每個(gè)底層的表面孔隙度對(duì)聲壓的影響也做了詳細(xì)的測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提供表面孔隙度有助于提高石墨烯熱聲換能器性能。石墨烯熱聲換能器技術(shù)的最新發(fā)展的代表是石墨烯寬帶音頻耳機(jī)[48]。和傳統(tǒng)的商業(yè)耳機(jī)相比,石墨烯耳機(jī)的聲音響應(yīng)頻率更寬(從100Hz到50kHz),穩(wěn)定性也更好。實(shí)驗(yàn)研究表明,由石墨烯耳機(jī)產(chǎn)生的35kHz的聲波能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)狗的訓(xùn)練和控制,這也從另一方面驗(yàn)證了石墨烯耳機(jī)在高頻響應(yīng)下的有效性和穩(wěn)定性。 類似于碳納米管薄膜和石墨烯,懸空金屬線陣列和金屬薄膜在通入交流電時(shí)也能產(chǎn)生高幅值的聲波[35,49-54]。Shinoda等人[35]把鋁制薄膜置于一個(gè)帶有微孔結(jié)構(gòu)的硅晶層以減少鋁制薄膜向基體的熱能傳遞從而能夠有效輸出較高的聲壓。Niskanen等人[49]設(shè)計(jì)了一個(gè)類似的結(jié)構(gòu),通過將大量的鋁線懸空在絕緣基體來產(chǎn)生具有較高聲壓值得熱聲聲波,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在10kHz的輸入頻率、15.5W的輸入功率下,聲壓值可以高達(dá)l00dB。Vesterinen等人[52]使用格林函數(shù)方法和有限差分法研究了另一種相似結(jié)構(gòu)的熱聲效率以及吸熱基體對(duì)所產(chǎn)生聲壓的影響。他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了他們的理論模型。然而,基于這些結(jié)構(gòu)的熱聲揚(yáng)聲器的熱聲能量轉(zhuǎn)換效率很低從而局限了其在消費(fèi)電子產(chǎn)品和其他領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。 與實(shí)驗(yàn)研究相比,關(guān)于熱聲學(xué)的理論研究比較少。 Hu等人[55]提出了一種熱力耦合模型,這種模型適用于將金屬線陣列置于多孔硅晶基體上產(chǎn)生超聲的熱聲裝置。Xiao等人[39]改進(jìn)了Arnold和Crandall[8]的活塞模型并用改進(jìn)的模型成功地闡釋了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí),率先提出了薄膜的HCPUA是熱聲裝置能夠輸出高聲壓的聲波以及進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際的關(guān)鍵因素。但是,這個(gè)改進(jìn)的模型僅僅適用于遠(yuǎn)場(chǎng)熱聲響應(yīng)[56]。Vesterinen等人[52]使用格林函數(shù)方法構(gòu)建了熱聲效率的理論模型,這個(gè)理論模型也能夠闡釋吸熱基體對(duì)所產(chǎn)生聲壓的影響。但是,他們并沒有考慮到熱損失或者薄膜的HCPUA的影響。極小的HCPUA的碳納米管薄膜的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了熱聲的發(fā)展同時(shí)使音頻設(shè)備的體驗(yàn)產(chǎn)生了革命性的提高。然而,碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低,這使得其實(shí)際應(yīng)用受到了很大的限制[10]。最近,Wei等人[10]巧妙設(shè)計(jì)了一個(gè)熱聲換能器芯片,此芯片包含了一個(gè)懸掛于硅晶片的碳納米管紗線陣列。這個(gè)芯片擁有很好的機(jī)械性能,因?yàn)樘技{米管紗線比直接從碳納米管陣列抽出的碳納米管薄膜的機(jī)械強(qiáng)度要高出很多倍[10]。他們也從實(shí)驗(yàn)上證明了此種芯片的響應(yīng)性能并做了詳盡的分析討論。同時(shí)它也可以按比例縮小以制微型揚(yáng)聲器或集成到一個(gè)大規(guī)模設(shè)備上,比如說大型揚(yáng)聲器。盡管熱聲芯片的制作使得碳納米管薄膜的熱聲換能器的機(jī)械性能得到了顯著的提高,但是Wei等人[10]借助于Xiao等人[39]的理論模型僅僅定性而不是定量地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了分析討論,但是xiao[39]等人的理論模型一方面僅僅適用于懸空在自由空間的薄膜的熱聲響應(yīng)情況,另一方面也僅僅適用于遠(yuǎn)場(chǎng)熱聲響應(yīng)。 另一個(gè)與熱聲效應(yīng)相關(guān)的有趣現(xiàn)象是蜃景效應(yīng)。蜃景效應(yīng)是自然界中普遍存在,也是在生活中極易觀察到的現(xiàn)象。它的產(chǎn)生是由于光線穿過一種介質(zhì),而這種介質(zhì)中的溫度場(chǎng)是梯度變化的。這種梯度變化的溫度場(chǎng)使得介質(zhì)的折射率不斷地變化,從而使得光線彎曲而產(chǎn)生蜃景效應(yīng)。Boccara等人[57]引入一種熱光法用以檢測(cè)受熱樣品表面附近的溫度梯度變化。許多實(shí)驗(yàn)和理論也被提出用以研究受熱薄膜附近光線的彎曲角度的大小[58-61]。另外,熱光法也被成功的用于測(cè)量氣體,液體和固體的熱擴(kuò)散率[62]。碳納米管薄膜,石墨烯以及其它納米薄膜已經(jīng)被證明可以用以制作性能良好的的熱聲換能器[35,39,46-49,52],但是這些研究主要著眼于受熱薄膜產(chǎn)生的聲波,但是薄膜附近的溫度場(chǎng)確很少做過專門的研究。Aliev等人[62]利用實(shí)驗(yàn)研究了光線在通過受熱碳納米管薄膜上方是光線的角度偏轉(zhuǎn)。他們不僅在氣體(空氣,氦氣,氬氣)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),同時(shí)他們也在液體(水,酒精等)中進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)研究,但是他們僅僅呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻沒有給出比較合理精確的理論分析。盡管Murphy等人[59]給出了一個(gè)光熱理論模型,但是他們的研究是基于將薄膜置于一個(gè)基體上,而不是自由懸空的薄膜。因此他們的理論模型并不適用于解釋Aliev等人[59]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2.高強(qiáng)度聚焦超聲的發(fā)展 現(xiàn)在,聚焦超聲和非聚焦超聲正越來越多的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和診斷上。然而,超聲診斷并不是超聲在生物醫(yī)療設(shè)備上的唯一應(yīng)用。早在1942年,Lynn等人[63]就利用高強(qiáng)度超聲進(jìn)行了第一次超聲治療的嘗試。但是他們嘗試?yán)酶邚?qiáng)度聚焦超聲通過非接觸頭顱的方式治療大腦中的腫瘤并未取得成功[63,64]。之后,Fry等人[65]成功的利用高強(qiáng)度聚焦超聲對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病進(jìn)行了治療。但是隨后由于缺乏先進(jìn)的成像技術(shù)[66],關(guān)于利用超聲治療神經(jīng)外科的研究一直停滯不前。在上個(gè)世紀(jì)70年代,超聲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程上的潛在應(yīng)用再次引起了人們的注意。但是那時(shí)產(chǎn)生的超聲的聲壓很低,所以利用超聲在腫瘤細(xì)胞內(nèi)引起過高溫度來殺死腫瘤細(xì)胞要花費(fèi)很長時(shí)間。另外,由于沒有無損探溫的設(shè)備,施加于腫瘤上的聲能很難通過反饋信息得到控制,所以,完好組織的意外燒傷很難避免。上世紀(jì)90年代,隨著成像技術(shù)的不斷改進(jìn),高強(qiáng)度聚焦超聲用于治療腫瘤的技術(shù)再次得到人們關(guān)注。不斷改進(jìn)的精確定位技術(shù)伴隨著有效的治療手段能夠使高強(qiáng)度超聲的在醫(yī)學(xué)診療上的潛能得以全部發(fā)揮[68]。研究人員已經(jīng)證實(shí)高強(qiáng)度聚焦超聲幾乎能夠瞬間使聚焦區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞死亡,這種殺死細(xì)胞的機(jī)理源自于細(xì)胞凝固性壞死[69,70]。除了用于切除腫瘤細(xì)胞,高強(qiáng)度聚焦超聲還可以利用其形成的沖擊波,聲空化或者熱沉積效應(yīng)[72,77]實(shí)現(xiàn)快速加熱局部組織[71],藥物輸運(yùn)[72],機(jī)械式的組織摧毀和組織均勻化[73],局部性提高藥物溶解和吸收[75],血栓溶解[75]以及血腦屏障功能[76]。值得一提的是近年來高強(qiáng)度超聲在超聲碎石[78,79]以及超聲診療例如組織摧毀術(shù)[80]上的應(yīng)用已經(jīng)取得了突破性的的進(jìn)展。 基于高強(qiáng)度超聲的診療技術(shù)主要涉及兩個(gè)主要的物理機(jī)制：一個(gè)是熱效應(yīng),另一個(gè)是機(jī)械效應(yīng)[66]。治療腫瘤就是利用目標(biāo)區(qū)域吸收聚焦超聲能量形成熱沉積來達(dá)到治療目的；而超聲碎石則是利用高強(qiáng)度超聲波使目標(biāo)區(qū)域形成空化效應(yīng)而達(dá)到治療效果。多數(shù)情況下,腫瘤細(xì)胞是和關(guān)鍵完好組織相鄰的,因此在做腫瘤細(xì)胞切除的同時(shí),要保證這些完好組織不能受到損傷。很明顯,超聲聚焦聲斑必須足夠小以保證精準(zhǔn)的控制從而達(dá)到有效的治療效果。然而由傳統(tǒng)的低頻壓電換能器產(chǎn)生的超聲聲斑達(dá)不到足夠的空間解析度以保證診療的絕對(duì)安全。同時(shí),由傳統(tǒng)壓電換能器產(chǎn)生的超聲聲壓很難達(dá)到診療所需的聲壓幅值。Spadoni等人[81]利用冪律材料制作了一種非線性聲棱鏡,這種聲棱鏡可以產(chǎn)生精準(zhǔn)的高幅值超聲波(聲彈),同時(shí)超聲聚焦區(qū)域也是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。但是這個(gè)設(shè)備的最大缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝要求也非常高。 隨著納米材料的發(fā)現(xiàn)和納米技術(shù)的不斷進(jìn)步,高頻高強(qiáng)度超聲已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。Yang等人[82]將金納米粒子夾鋪于一個(gè)透明基體和PDMS層之間,然后用激光照射這個(gè)設(shè)計(jì)好的裝置而產(chǎn)生高頻超聲。盡管金納米粒子的光吸收性能很好,但是這個(gè)設(shè)備的總的光聲轉(zhuǎn)換效率依然很低。因此這種設(shè)備并不能產(chǎn)生足夠高的超聲聲壓用以滿足醫(yī)學(xué)診療[77]。近來,許多研究者報(bào)道了豎向排列的CNT陣列表現(xiàn)出了對(duì)光的近黑體吸收特性[28-30,83,84]。因此,CNT陣列可以作為制作高強(qiáng)度超聲設(shè)備的最佳選擇。Baac等人[77]結(jié)合CNT陣列的近黑體性和PDMS高彈性高熱膨脹性[85]的優(yōu)良特性制作了一種光聲超聲棱鏡。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此種光聲超聲棱鏡表現(xiàn)出了極好的聲學(xué)性能。盡管這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有說服性的,但是Baac等人并沒有給出具有說服性的理論支撐。事實(shí)上,關(guān)于光聲的實(shí)驗(yàn)和理論研究不在少數(shù),例如文獻(xiàn)[82,85-90]都是對(duì)于光聲的或?qū)嶒?yàn)或理論的研究代表。但是這些文獻(xiàn)都是基于一維情況下的研究。借助于格林函數(shù)方法,Diebold等人[91]研究了一維,二維以及三維情況下的光聲響應(yīng),同時(shí),Calasso等人[92]也推導(dǎo)了一種適用于三維光聲點(diǎn)源的模型。然而,這些研究者把目光全部集中在了由光脈沖輻射產(chǎn)生的聲波上而忽略了臨近介質(zhì)對(duì)于所產(chǎn)生的光聲壓力的影響。因此,Diebold[91]的模型并不能用以解釋Baac等人[77]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 3.研究動(dòng)機(jī)和目標(biāo) 大多數(shù)聲換能器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng),但是這種聲換能器的效應(yīng)頻帶很窄,只能在其共振頻率附近的響應(yīng)才能取得較好的效果。這種傳統(tǒng)的生換能器設(shè)備都包含一個(gè)所謂的“活塞”的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,當(dāng)活塞振動(dòng)時(shí),引起其附近的空氣粒子隨之運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生聲波輻射出去[53]。熱聲設(shè)備的聲發(fā)射機(jī)制與傳統(tǒng)的機(jī)械式的聲換能器有著本質(zhì)的區(qū)別。熱聲換能器并沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,因此不受活塞共振頻率的影響而表現(xiàn)出寬頻響應(yīng)的優(yōu)良特性。這種熱聲換能器有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值,如水下寬帶聲通信,制作具有指向性的聲參量陣等。關(guān)于熱聲換能器以及高強(qiáng)度超聲換能器已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí),但是關(guān)于熱聲換能器的理論研究卻相對(duì)較少。理論模型的研究以及相應(yīng)的數(shù)值分析研究對(duì)于改進(jìn)和優(yōu)化熱聲換能器以及應(yīng)用于實(shí)際工程中都是必要的。 本論文的主要目標(biāo)就是針對(duì)不同的情況建立熱聲換能器的理論模型,而后通過具體的數(shù)值分析刻畫不同熱聲換能器的聲壓響應(yīng)特性。在本研究中,首先對(duì)于置于自由空間中的碳納米管薄膜的熱聲響應(yīng)建立了熱力耦合模型。在一定的頻率響應(yīng)范圍內(nèi),近似的得出了聲壓的解析結(jié)果。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)我們的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)吻合的非常好,這也反過來證明了我們的模型的合理性。通過對(duì)薄膜參數(shù)的理論分析發(fā)現(xiàn),單位面積熱容的大小是影響熱聲設(shè)備的關(guān)鍵性因素。單位面積熱容越小,熱聲換能器的表現(xiàn)性能越佳。同時(shí)通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn),在近場(chǎng)范圍內(nèi),對(duì)于不同的輸入頻率,輸出的聲壓信號(hào)幾乎保持不變,而對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)則隨著輸入頻率的提高,輸出的聲壓也作相應(yīng)的提高。 由于密封的碳納米管薄膜熱聲換能器具有和自由空間的薄膜熱聲換能器有著截然不同的響應(yīng)特性,本論文也對(duì)密封碳納米管薄膜熱聲換能器建立了理論模型,同樣,給出了近似的解析結(jié)果。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),本論文的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。通過實(shí)際的例子,研究了薄膜和窗口之間的距離的大小對(duì)熱聲響應(yīng)的影響。另外,通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn),此種熱聲換能器在特定的頻率輸出條件下會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,因此,此類型的換能器可以用于產(chǎn)生特定頻率的高幅值聲波,也可以用于從一列寬頻信號(hào)中提取特定頻率的聲信號(hào)。對(duì)于將此種密封薄膜換能器置于不同介質(zhì)(氣體和液體)中的響應(yīng)特性也給出了數(shù)值分析。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn),在氣體中,換能器在低頻段表現(xiàn)更佳而在液體中卻在高頻段表現(xiàn)更佳。 由于碳納米管薄膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很差,所以對(duì)于置于自由空間的碳納米管薄膜熱聲換能器很容易受到破壞,從而限制了其的實(shí)際應(yīng)用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),可以將碳納米管薄膜置于一個(gè)基體上,讓基體對(duì)其有一定的支撐作用,這樣熱聲換能器的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就得到了極大的提高。本文也對(duì)有基體支撐的熱聲換能器的響應(yīng)特性建立理論模型并給出了具體的解析結(jié)果。此理論模型亦通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。通過得到的理論結(jié)果,詳細(xì)分析了碳納米管薄膜和基體間的間隔距離對(duì)于熱聲相應(yīng)的影響。數(shù)值結(jié)果顯示,對(duì)于小的間隔距離(50微米以下),隨著間隔距離的增加,輸出聲壓呈指數(shù)型增加,而當(dāng)間隔距離繼續(xù)增加,輸出聲壓幾乎保持不變。如果當(dāng)間隔距離達(dá)到毫米量級(jí),由于薄膜產(chǎn)生的原波和基體反射的反射波之間發(fā)生干涉效應(yīng),因此在特定的距離處會(huì)出現(xiàn)零聲壓的現(xiàn)象。 蜃景效應(yīng)是自然界中常見的自然現(xiàn)象。當(dāng)一束光線通過溫度梯度變化的介質(zhì)時(shí),光線將沿曲線傳播而不是直線。本文對(duì)于由受熱碳納米管薄膜在液體和氣體中產(chǎn)生的蜃景效應(yīng)作了詳細(xì)的分析。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn),本文的模型能夠足夠精確的預(yù)測(cè)出光線彎曲的角度。另外,通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),蜃景效應(yīng)更易在液體中發(fā)生。通過測(cè)量彎曲光線的相位變化的方法去測(cè)量介質(zhì)的熱擴(kuò)散率也做了細(xì)致的研究。最后,本文提出了一種用于測(cè)量氣體介質(zhì)的折射率的新方法。 雖然高強(qiáng)度聚焦超聲正被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)工程上,但是傳統(tǒng)的超聲設(shè)備產(chǎn)生的聚焦超聲的聲斑在空間依然比較大,因此空間精度很差。此外,傳統(tǒng)的超聲設(shè)備發(fā)射的超聲波聲壓難以滿足醫(yī)療所需聲壓�；诖朔N原因,本論文研究了一種由碳納米管制作的高強(qiáng)度光聲超聲棱鏡。值得注意的是,盡管光聲設(shè)備的熱能來自于光而熱聲設(shè)備的熱能來自于電流,但是他們的發(fā)聲機(jī)理是一樣的。本文將得到的理論結(jié)果與已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在空間和時(shí)間上做了細(xì)致的對(duì)比,對(duì)比結(jié)果顯示,本文的理論模型和實(shí)驗(yàn)吻合的非常好。另外通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn),如果選擇特定的輸入頻率,此種聚焦光聲棱鏡的表現(xiàn)可以得到顯著的提高。總的來說,本文提出的聚焦光聲棱鏡模型可以為高強(qiáng)度超聲棱鏡的設(shè)計(jì)和制作提高強(qiáng)有力的理論支撐和指導(dǎo)。 總的來說,本論文從理論上研究了碳納米管熱聲和光聲換能器的響應(yīng)特性,并就理論結(jié)果做了詳細(xì)的數(shù)值分析。研究了一系列不同條件下,不同參數(shù)下的換能器響應(yīng)規(guī)律。本論文的理論模型和數(shù)值結(jié)果有望對(duì)于熱聲光聲換能器的設(shè)計(jì)制作和優(yōu)化提供必要的理論支撐和指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN643;O613.71
【目錄】：

• ABSTRACT5-9
• ACKNOWLEDGEMENTS9-15
• LIST OF FIGURES15-22
• LIST OF TABLES22-23
• AWARDS AND PUBLICATIONS23-25
• CHAPTER 1 INTRODUCTION25-41
• 1.1 Background25-35
• 1.1.1 Development of thermo-acoustic technology25-32
• 1.1.2 Development of high-intensity ultrasound32-35
• 1.2 Research motivation and objectives35-38
• 1.3 Thesis layout38-41
• CHAPTER 2 THEORY oF SUSPENDED CARBON NANOTUBE THIN-FILMAS A THERMO-ACOUSTIC SOURCE41-57
• 2.1 Near-Field thermo-acoustic theory for carbon nanotube(CNT)thin-films42-44
• 2.2 Approximate analytical solutions for near-field acoustic response44-48
• 2.3 Numerical solutions and discussion48-56
• 2.3.1 Response in near-field48-50
• 2.3.2 Response in far-field50-52
• 2.3.3 Influences of HCPUA and distance on acoustic pressure52-54
• 2.3.4 Applicable scope of approximate solutions54-56
• 2.4 Summary56-57
• CHAPTER 3 GAS-FILLED ENCAPSULATED THERMO-ACOUSTICTRANSDUCER57-81
• 3.1 Theoretical model and the solution57-70
• 3.1.1 Sound transmission through the window68-69
• 3.1.2 Sound generated from window vibration69-70
• 3.2 Numerical results and discussion70-78
• 3.3 Summary78-81
• CHAPTER 4 GAP SEPARATION EFFECT ON THERMO-ACOUSTICWAVE GENERATION BY HEATED SUSPENDED CNT THIN-FILM81-101
• 4.1 Theory and analytical modeling82-90
• 4.1.1 Thermal field83-86
• 4.1.2 Acoustic field86-90
• 4.2 Result and discussion90-99
• 4.3 Summary99-101
• CHAPTER 5 GENERATION OF MIRAGE EFFECT BY HEATED CARBONNANOTUBE(CNT)THIN FILM101-121
• 5.1 Theory,Model and Solution Methodology102-108
• 5.1.1 Temperature Field102-104
• 5.1.2 Photo-thermal Deflection104-107
• 5.1.3 Phase of Deflected Beam107-108
• 5.1.4 Measurement of Gas Refraction108
• 5.2 Results and Discussion108-119
• 5.3 Summary119-121
• CHAPTER 6 GENERATION OF HIGH INTENSITY FOCUSEDULTRASOUND BY CARBON NANOTUBE OPTO-ACOUSTIC LENS121-143
• 6.1 Theory and Analytical Modeling122-131
• 6.1.1 Temperature field123-127
• 6.1.2 Acoustic field127-131
• 6.2 Result and discussion131-141
• 6.3 Summary141-143
• CHAPTER 7 CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS143-151
• 7.1 Conclusions143-147
• 7.2 Future works147-151
• Appendix Ⅰ151-155
• Appendix Ⅱ155-157
• Appendix Ⅲ157-161
• Appendix Ⅳ161-169
• Appendix Ⅴ169-171
• REFERENCES171-185
• 附錄185-196

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉維;殷明志;;碳納米填料幾何形狀和界面熱阻對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響[J];中國膠粘劑;2013年11期

2 魏燦;張艷斌;唐智國;席俊華;楊曉亮;吳畏;;急性上尿路梗阻合并膿毒血癥13例診療體會(huì)[J];安徽醫(yī)學(xué);2014年04期

3 Runyuan Liu;;Graphene Electrostatic Loudspeaker as an Alternative to Current Loudspeaker Designs[J];電子世界;2014年14期

4 蔡欣;侯紹聰;于瀟;吳紅偉;彭鳴;鄒德春;;碳纖維基能源器件研究和應(yīng)用進(jìn)展[J];高分子通報(bào);2014年08期

5 郭士軍;楊慶生;;基于碳納米管的三維納米結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能預(yù)測(cè)[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2015年01期

6 張東利;王召巴;陳振茂;李勇;;渦流傳感器斜偏對(duì)輸油管道涂層厚度測(cè)量精度的影響及斜偏矯正[J];中國機(jī)械工程;2013年07期

7 章t，

本文編號(hào)：1125439