专利名称：光驱动发声装置的制作方法
光驱动发声装置
技术领域：
本发明涉及一种发声装置，特别是一种由光信号驱动的发声装置，属于光学及发声技术领域。
背景技术：
现有的发声装置和器件，如扬声器(又称喇叭)及耳机，是一种将电能转换为声能的发声器件。虽然现有的扬声器种类很多，工作方式也不尽相同，但在发声原理上都是通过一定的振动部件产生机械振动，推动周围的空气，使空气介质产生波动从而实现电能到机械能再到声能的转换。扬声器可分为电动式扬声器、静电式扬声器，以及平板式扬声器等几种。其中，目前应用最为广泛的是电动式扬声器。常见的电动式扬声器一般由盆架、磁体、音圈、振动锥盆等组成。当音频电流经过音圈时，音圈在磁场的作用下产生振动。与音圈固定在一起的锥盆在振动时推动周围的空气运动，使扬声器周围的空气密度发生变化，而产生声音。描述扬声器性能的技术参数有多种，最主要的包括有效频率范围、特性灵敏度、.额定最大正弦功率、额定谐波失真等。随着扬声器制作材料和工艺及技术的不断发展，各种功能和不同用途的扬声器产品都已被开发出来。尽管如此，现有的扬声器由其发声原理决定了它们都存在如下固有问题-
1. 现有的扬声器均是由电流驱动，音圈容易受外界环境的干扰和影响。例如，在强电磁场存在的环境中，扬声器会受电磁场的干扰而出现杂音，严重的情况下甚至无法使用。
2. 对现有的扬声器，如果要实现良好的发声效果，需要合理设计其结构并精心选取各种材料，还要考虑其电气性能，以及与音频放大器之间的匹配。
3. 现有的扬声器中电磁、机械运动等环节的非线性特性导致扬声器产生高次谐波，容易造成谐波失真，从而影响发声的保真度。
发明内容本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种新型的发声装置，特别是一种由光信号驱动的发声装置。
该发声装置与现有的电动发声装置在驱动方式和发声机理上完全不同，它是以光的动量和能量驱动发声薄膜，或者产生机械振动，或者产生温度变化，或者是上述两种共同作用，推动周围的空气，使空气介质产生波动，实现由光能到声能的转换。与现有的电动发声装置相比，本发明所涉及的发声装置无需使用磁体和音圈，所以对外界磁场没有任何响应，可以在强电磁场存在的环境中正常工作；该发声装置无需使用金属或其它导体材料，发声所需要的能量可以由空间传输，或是使用光纤传输。
本发明所涉及的光驱动发声装置的工作原理频率为v的光子具有的能量为hv (h为普朗克常数)。当光入射到一非反光且非透明物体上，光的能量就会被吸收，导致其温度上升。而该物体又作为一热源，热量会向其周围介质传递。在周围介质为静止空气的情况下，热量将主要以热传导的方式由该物体向空气传递。如果该物体的热容量很小，则会将所吸收的光辐射能量以很高的效率传递给周围介质，即该物体的作用是实现由光能到热 能的转换。如果入射光的光强是随时间变化的，该物体的温度也就随时间变化，热传导的 结果是使其周围静止空气的密度产生随时间的变化，即产生声场并在空气中传播。
由于物体吸收光辐射所产生的热量与入射光强度成线性关系，由热传导造成的空气的 密度变化也与入射光强度成线性关系，所以，由光驱动方式产生的发声过程是一线性过程, 原理上不会造成谐波失真，具有极高的发声保真度。另一方面，该发声过程是由光能到热 能再到声能的转换过程，在该转换过程中，没有涉及电信号，也无需使用导电材料。光信 号的传导可以使用光纤完成，所以外界的电磁场不会对信号的传输产生任何干扰。
下面考虑光子动量的作用。频率为v的光子具有的动量为hv/C (C为光速)， 一般情 况下，光子的动量极其微小，其作用可以忽略。当一能量为E的光脉冲以90度角入射到 一物体上，设其表面反射率为R，其余均被物体所吸收，则物体由入射光脉冲获得的动量 为(l+R) E/C。若入射光脉冲的宽度为At，则入射光脉冲对物体的作用力为(1+R)E/(CA
t)。所以对于峰值功率极高的超短激光脉冲，其对物体的作用力将是变得明显。如果该物 体是厚度极薄(nm量级)的薄膜时，激光脉冲的作用将引起薄膜的振动，从而引起空气 介质产生波动，产生声音。
本发明提供的光驱动发声装置的具体结构依次包括-光源用于产生输出光；
光调制器根据输入的音频信号对光源产生的输出光强度进行调制； 光放大器对光调制器调制后的光信号进行放大； 传输光纤将光放大器放大后的光信号传输到发声薄膜；
发声薄膜经传输光纤传输的光信号入射到发声薄膜上，发声薄膜吸收入射光，光 强度变化引起发声薄膜温度变化，使与发声薄膜靠近的空气层产生随光强度变化的热膨 胀，引起空气介质密度变化，产生声音。
所述的光源可以为连续光源，也可以为脉冲光源。
具体讲，所述的光源可以是连续输出的光纤激光器，或脉冲输出的光纤激光器；或 者是连续输出的半导体激光器，或脉冲输出的半导体激光器。 所述的光放大器为光纤放大器。
本发明提供的光驱动发声装置也可以采用电流驱动电路来实现，该装置依次包括 电流驱动源用于产生受音频信号调制的驱动电流； 半导体发光器件用于产生光强随驱动电流变化的输出光； 传输光纤将光信号传输到发声薄膜；
发声薄膜经传输光纤传输的光信号入射到发声薄膜上，发声薄膜吸收入射光，光 强度变化引起发声薄膜温度变化，使与发声薄膜靠近的空气层产生随光强度变化的热膨胀，引起空气介质密度变化，产生声音。
所述的半导体发光器件为半导体激光器；或半导体发光二极管。
本发明的优点和积极效果
与现有的电动发声装置相比，本发明所涉及的发声装置无需使用磁体和音圈，所以对 外界磁场没有任何响应，可以在强电磁场存在的环境中正常工作；该发声装置无需使用金 属或其它导体材料，发声所需要的能量可以由空间传输，或是使用光纤传输。
由光驱动方式产生的发声过程是一线性过程，原理上不会造成谐波失真，具有极高的 发声保真度。
图1为光调制光信号驱动发声装置结构示意图。
图中101为光源；102为光强度调制器；103为电压放大器；104为输入音频信号； 105为光纤放大器；106为传输光纤；107为发声体壳体；108为发声薄膜；109为声场。 图2为电调制光信号驱动发声装置结构示意图。
图中201为电流驱动源；202为光纤输出半导体发光器件；104为输入音频信号；106 为传输光纤；107为发声体壳体；108为发声薄膜；109为声场。
图3为强度调制的连续光信号示意图。图中301为光强随时间变化曲线。 图4为强度调制的脉冲光信号示意图。图中401为光强随时间变化曲线。 图5为在基片上制作的发声薄膜。图中501为入射光；502为发声薄膜；503为基片。
具体实施方式
实施例1:
如附图1所示，光源101采用德国Pilas， A丄.S. GmbH公司提供的PIL106半导体激光 器，该半导体激光器即可以产生连续输出，也能产生脉冲输出，其输出模式由其电流控制 单元EIG1000D设定。PIL106半导体激光器的输出波长为1060nm，连续输出功率大于 400mW。光强度调制器102采用美国BATI提供的高速可变光纤衰减器(VOA) n VOA302。 该VOA采用电光陶瓷作为开关材料，动态响应时间为1M，对1060nm波长的插入损耗 小于0.6dB。动态衰减范围25dB，反射损耗大于55dB。电光陶瓷具有很强的Kerr效应， 电光系数比锂酸铌大2个数量级，半波电压远低于铌酸锂晶体。实验发现，对所选用的可 变光纤衰减器，开关电压在100-150V范围内。光强度调制器102由电压放大器103驱动。 电压放大器103采用美国BATI提供的电压放大电路，其输出信号电压幅度在50V-150V 连续可调。电压放大器103的信号输入端接输入音频信号104。
输入音频信号104经光强度调制器102加载到由半导体激光器输出的连续光的强度 上，如附图3所示。再经光纤放大器105放大和传输光纤106传至发声装置壳体107，光信号由传输光纤106的输出端以一发散角经一空间传输距离入射到发声薄膜108上。发声 装置壳体107是由塑料或是尼龙等非金属材料制成，发声薄膜108为厚度在亚微米的量级， 材料为塑料或其它非金属材料。发声薄膜108固定在发声装置壳体107上。发声薄膜108 的另一种方式是在基片上制作的发声薄膜，如附图5所示。
强度受音频信号104调制的光信号被发声薄膜108吸收，转换为热能，使发声薄膜 108的温度产生随音频信号104的变化，该温度变化引起发声薄膜108随音频信号104变 化的热膨胀，致使其周围的空气密度发生改变，产生声场109，实现发声。
实施例2:
如附图1所示，光源101采用PIL106半导体激光器，其输出模式由其电流控制单元 EIG1000D设定为脉冲输出，脉冲宽度选为40ps，重复频率设定为lMHz。光强度调制器 102采用美国BATI提供的高速可变光纤衰减器P VOA302，光纤放大器105为高峰值功率 脉冲放大器。各种器件的连接方式与实施例1类似。不同的是序列光脉冲的脉冲能量被音 频信号104经光强度调制，如附图4所示。发声薄膜108为厚度在亚微米量级的金箔。光 脉冲入射到金箔表面， 一部分光被反射， 一部分被吸收。被吸收的光能转换为热能，形成 与实施例1相同的发声过程。同时，光脉冲的动量使金箔产生振动，引起空气介质产生波 动，产生声音。
实施例3:
如附图2所示，半导体发光器件202采用美国JDSU公司6397系列带尾纤输出的半 导体激光器。该半导体激光器为多模连续输出，其连续输出波长为915nm，最大输出为 6.5W，输出尾纤纤芯直径为105微米，驱动电流大于6A。电流驱动源201采用THORLABS LDC340半导体激光器电流驱动源，音频信号104接LDC340的调制输入(MOD IN)端。 光强经调制的半导体激光器的输出由传输光纤106连接至发声体壳体107,入射到发声 薄膜108上。强度受音频信号104调制的光信号被发声薄膜108吸收，转换为热能，使 发声薄膜108的温度产生随音频信号104的变化，该温度变化引起发声薄膜108随音频 信号104变化的热膨胀，致使其周围的空气密度发生改变，产生声场109，实现发声。
本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式
以外 的其它方式实现。
权利要求
1、一种光驱动发声装置，其特征在于，该装置依次包括光源用于产生输出光；光调制器根据输入的音频信号对光源产生的输出光强度进行调制；光放大器对光调制器调制后的光信号进行放大；传输光纤将光放大器放大后的光信号传输到发声薄膜；发声薄膜经传输光纤传输的光信号入射到发声薄膜上，发声薄膜吸收入射光，光强度变化引起发声薄膜温度变化，使与发声薄膜靠近的空气层产生随光强度变化的热膨胀，引起空气介质密度变化，产生声音。
2、 根据权利要求1所述的光驱动发声装置，其特征在于所述的光源为连续光源或脉 冲光源。
3、 根据权利要求2所述的光驱动发声装置，其特征在于所述的光源为连续输出的光 纤激光器，或脉冲输出的光纤激光器。
4、 根据权利要求2所述的光驱动发声装置，其特征在于所述的光源为连续输出的半 导体激光器，或脉冲输出的半导体激光器。
5、 根据权利要求1至4任一项所述的光驱动发声装置，其特征在于所述的光放大器 为光纤放大器。
6、 一种光驱动发声装置，其特征在于，该装置依次包括 电流驱动源用于产生受音频信号调制的驱动电流； 半导体发光器件用于产生光强随驱动电流变化的输出光； 传输光纤将光信号传输到发声薄膜；发声薄膜经传输光纤传输的光信号入射到发声薄膜上，发声薄膜吸收入射光，光 强度变化引起发声薄膜温度变化，使与发声薄膜靠近的空气层产生随光强度变化的热膨 胀，引起空气介质密度变化，产生声音。
7、 根据权利要求6所述的光驱动发声装置，其特征在于，所述的半导体发光器件为 半导体激光器。
8、 根据权利要求6所述的光驱动发声装置，其特征在于，所述的半导体发光器件为半导体发光二极管。
全文摘要
一种光驱动发声装置。该发声装置包括光源、光调制器、光放大器、传输光纤和发声薄膜。由光源产生的输出光，其强度经光调制器被音频信号调制，再经光放大器放大，入射到发声薄膜上，发声薄膜吸收入射光引起温度变化，使与发声薄膜靠近的空气层产生随光强度变化的热膨胀，引起空气介质密度变化，产生声音。本发明由光驱动方式产生的发声过程是一线性过程，原理上不会造成谐波失真，具有极高的发声保真度。与现有的电动发声装置相比，本发明所涉及的发声装置无需使用磁体和音圈，所以对外界磁场没有任何响应，可以在强电磁场存在的环境中正常工作；该发声装置无需使用金属或其它导体材料，发声所需要的能量可以由空间传输，或是使用光纤传输。
文档编号G10K9/00GK101650935SQ20091006778
公开日2010年2月17日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者李恩邦 申请人:天津大学