Page 121 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 王成等： 氧化铟锡薄膜的磁感应热声分析 117

是在电 -热 -声理论模型基础上来研究磁场对薄膜
0 引言 声场的影响，并未单独建立薄膜的磁 -热 -声理论模
型，也未谈到其应用方向。
1917 年，Arnold 等 [1] 系统性地阐述了热致发
因此，目前无论是薄膜的电-热-声，还是薄膜的
声机理，当通入交流电时，薄膜发热，薄膜表面产
光-热 -声，都有各自的缺点。在电 -热-声模型中，电
生温度振荡，薄膜附近的介质热胀冷缩，产生声音。
极和导线的存在会对薄膜产生的声波造成很大的
不过由于材料的局限性，热声效应在当时并没有取
影响；在光-热-声模型中，虽然薄膜可以应用于更苛
得实质性的研究进展。1999 年，Shinoda 等 [2] 利用
刻的环境，但前提是，需要高质量的可控光源，并且
30 nm厚的铝薄膜和10 µm厚的多孔硅组成了一种
光源与薄膜之间没有任何障碍物。因此，为了改善
热致超声发射模型。2008年，Xiao等 [3] 发现了碳纳
薄膜热致扬声器的应用环境，拟在薄膜的电 -热 -声
米管薄膜的热声效应并设计了热致发声器。近年
和光 -热 -声理论基础上，研究导电膜在磁场下的热
来，纳米技术突飞猛进，给热致发声器的研究开辟
声现象，建立导电膜的磁-热-声的理论模型，通过实
了一条新的道路。2011年，Tian等 [4] 设计制作了纸
验验证模型的有效性。
质基底的石墨烯薄膜声源并进行了实验；2012 年，
Suk 等 [5] 对不同基底的石墨烯薄膜进行了声学测 1 薄膜的热声分析
试研究；2015 年，Tian 等 [6] 以石墨烯薄膜为热声器
件制作耳机，从此人们对耳机发声也有了新的认知； 1.1 热声理论
2016 年，Kim 等 [7] 基于三维还原石墨烯氧化物的 当交变的磁场穿过具有优良导电性的薄膜时，
热声效应，制作了扬声器阵列；同年，Fei 等 [8] 以三 磁场能就会被薄膜转化为涡流损耗，转换成热能，薄
维石墨烯泡沫为热声器件，制作出了性能更优的扬 膜表面就会有温度振荡，从而产生声压，磁-热-声的
声器。以上都是在薄膜电 -热-声的基础上研究热致 理论模型如图1所示。
发声器的一些特性，有一个共同点就是必须给薄膜
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添加电极材料。
为了使热致发声器能在更苛刻的条件下使用， ۳ ࠮
薄膜的光声效应被人们发掘并研究。1880年，Bell [9] अ ႃ
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发现了光声效应。当时技术和设备的相对落后，激
光的强度较低，使光声转换效率低，只能产生微弱的
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声信号，严重阻碍了光声效应的研究进展。直到大
功率激光的出现，光致声波技术才得到有力的提高， 图 1 氧化铟锡导电膜的磁 -热 -声理论模型
并有了较广泛的应用 [10−11] 。随着纳米技术的提高， Fig. 1 Magneto-thermo-acoustic theoretical
在以电信号为基础的热致发声器得到大力发展的 model of Indium Tin Oxide conductive film
同时，关于光声效应的研究同样焕发了新的生机。
以导电膜表面中心为坐标原点建立一维坐标
2014 年，易宁波等 [12] 通过理论和实验推导了石墨
系，热声效应的近场声压公式为 [16]
烯海绵中光声信号的表达式。2015 年，赵继民 [13] ∇T √ ω k g (γ − 1) P γ − 1 √ ω k g
对多层石墨烯薄膜的光声效应进行了研究。薄膜光 P m = √ 2 α g C 0 = √ 2A C 0 α g N .
声现象的发现，使得热致发声器在应用环境上有了 (1)
由线到面的提升。
在远场区域，声波是球面波，远场声压公式为 [16]
2019 年，Mao 等 [14] 将静磁场应用到纳米薄膜 ∇T √ ω k g (γ − 1) R 0
的电 -热 -声理论模型，使纳米薄膜在静磁场的作用 P m = √ 2 α g C 0 r 0
下振动发声，通过多场耦合来改善薄膜的声学响应。 P γ − 1 √ ω k g R 0
= √ . (2)
2021 年，Mao 等 [15] 继续在纳米薄膜的电 -热 -声理 2A C 0 α g N r 0
论模型基础上，对薄膜施加相同频率的周期性磁场 式 (1)∼(2) 中，P 是有效输入热功率，P = P(t)/2，
以激发新的声场，由此来提高薄膜的输出声压。虽 P(t) 为薄膜的瞬时涡流热功率，下文给出其表达式；
√
然，磁场被引入薄膜的热声效应，但是 Mao 等仍然 γ 为空气的比热容，k g /N 1/α g 为进入气体中交变