[发明专利]超声波麦克风和超声波声学无线电设备

说明书

本公开提供涉及超声波麦克风和超声波声学无线电设备的系统、方法和装置。一方面，系统包括发射器和接收器。接收器包括膜。膜包括二维材料的单层或多层。接收器可操作以接收在频率范围内的声波，该频率范围是超声波频率范围。

相关申请

本申请要求递交于2015年3月16日的美国临时专利申请序列No.62/133,804和递交于2015年4月6日的美国专利申请序列No.62/143,565的优先权，它们通过引用结合于此。本申请涉及递交于2015年6月12日的美国专利申请序列No.14/737,903，其通过引用结合于此。

政府支持声明

本发明由政府支持，符合由美国能源部授予的合同No.DE-AC02-05CH11231、符合由海军研究办公室授予的批准No.N00014-09-1066、并且符合由国家科学基金会授予的批准No.EEC-083819。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

本公开通常涉及能够发射和接收声音的设备，尤其涉及能够发射和接收超声波声音的设备。

背景技术

现代无线通信是基于生成和接收电磁(EM)波，该电磁波跨越从Hz到THz的宽频率范围，提供了丰富的频带资源。然而，EM通信存在缺点，包括导电材料的高消光系数和天线尺寸。另一方面，几千年来，动物已经有效地使用声波来进行短距离通信。基于声波的通信可以克服一些EM难点。

例如，声波在导电材料中传播良好，因此已经被开发用于潜艇的水下通信。已知诸如鲸鱼和海豚的海洋哺乳动物通过声波进行有效沟通。在基于陆地的声波通信中，可听频带或声音频带(即，在约20Hz至20kHz的能够被人耳听到的声音)往往由人对话占有，而次声频带可以被移动车辆和建筑施工扰乱。

超声波频带虽然具有宽的频率跨度并且通常没有干扰，但是很少用于高数据速率通信的目的。超声波频带是大于人类听觉范围上限的频率，并且通常被认为是大于约20kHz。很少使用超声波频带的一个重要原因是缺少宽带宽的超声波生成器和接收器。常规的基于压电的换能器仅在一个谐振频率下工作，从而阻碍了在较宽带宽被需要用于嵌入信息流的通信中的使用。

发明内容

本文描述了一种宽带超声波声学无线电设备，包括基于石墨烯的静电声波生成器和接收器。声学换能器在整个人类可听区域(即，大约20Hz-20kHz)以及超声波状态(即，至少0.5MHz)中显示了优异的平坦频率响应。已成功记录了频率扫描超声波蝙蝠叫声。展示了0.3MHz的信息的调幅传输。超声波声学无线电设备还提供了一种使用声学和电磁信号之间的干扰进行测距的新方法。

本公开中描述主题的一个创新方面可以被实现在包括发射器和接收器的系统中。接收器包括膜，并且膜包括二维材料的单层或多层。接收器可操作以接收频率范围内的声波，该频率范围是超声波频率范围。

在一些实施例中，膜包括石墨烯膜。在一些实施例中，接收器还包括邻近膜的第一侧的第一电极和与该第一电极相关联的电路。该电路可操作以测量膜的振动速度，其中，振动是由声波引起的。

本公开中描述主题的另一创新的方面可以通过包括用发射器生成具有频率的声波并且用接收器接收该声波的方式而实现。声波的频率在超声波频率范围内。接收器包括膜，该膜包括二维材料的单层或多层。

在一些实施例中，膜包含石墨烯膜。在一些实施例中，发射器包括第二膜，并且第二膜包括二维材料的单层或多层。在一些实施例中，接收器还包括邻近膜的第一侧的第一电极和与第一电极相关联的电路。该电路可操作以测量膜的振动速度，其中振动是由声波引起的。

在本公开中描述主题的另一创新的方面可以在包括具有二维材料的单层或多层的膜、邻近膜的第一侧的第一电极以及与第一电极相关联的电路的设备中实现。该电路可操作以测量膜的振动速度，该振动是由声波引起的。