CN101594563A - 发声装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发声装置，其包括：一发声元件；以及一信号输入装置，用于输出信号至该发声元件；其中，该发声元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构用于接收所述信号输入装置输出的信号发出相应声波。所述发声装置可用于耳机、音箱、收音机等可发声的装置中。

Description

发声装置

技术领域

本发明涉及一种发声装置，尤其涉及一种基于碳纳米管的发声装置。

背景技术

发声装置一般由信号输入装置和发声元件组成。通过信号输入装置输入电信号给发声元件，进而发出声音。现有技术中的发声元件一般为一扬声器。该扬声器为一种把电信号转换成声音信号的电声器件。具体地，扬声器可将一定范围内的音频电功率信号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。

现有的扬声器的种类很多，根据其工作原理，分为：电动式扬声器、电磁式扬声器、静电式扬声器及压电式扬声器。虽然它们的工作方式不同，但一般均为通过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-力-声”之转换。其中，电动式扬声器的应用最为广泛。

请参阅图1，现有的电动式扬声器100通常由三部分组成：音圈102、磁铁104以及振膜106。音圈102通常采用通电导体，当音圈102中输入一个音频电流信号时，音圈102相当于一个载流导体。由于放在所述磁铁104产生的磁场里，根据载流导体在磁场中会受到力的作用而运动的原理，音圈102会受到一个大小与音频电流成正比、方向随音频电流变化而变化的力。因此，音圈102就会在所述磁铁104产生的磁场作用下产生振动，并带动振膜106振动，振膜106前后的空气亦随之振动，将电信号转换成声波向四周辐射。然而，该电动式扬声器100的结构较为复杂，且其必须在有磁的条件下工作。

自九十年代初以来，以碳纳米管(请参见Helical microtubules of graphiticcarbon，Nature，Sumio Iijima，vol 354，p56(1991))为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。例如，由于碳纳米管所具有的独特的电磁学、光学、力学、化学等性能，大量有关其在场发射电子源、传感器、新型光学材料、软铁磁材料等领域的应用研究不断被报道。然而，现有技术中却尚未发现碳纳米管用于声学领域。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种发声装置，该发声装置结构简单，可在无磁的条件下工作。

一种发声装置，其包括：一发声元件；以及一信号输入装置，用于输出信号至该发声元件；其中，该发声元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构用于接收所述信号输入装置输出的信号发出相应声波。

一种发声装置，其包括：一信号输入装置；至少两电极，该至少两电极间隔设置；以及一发声元件，该发声元件通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的信号与所述信号输入装置电连接；其中，该发声元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的信号发出相应的声波。

一种热致发声装置，其中，包括：一热致发声元件，该热致发声元件包括一碳纳米管膜状结构；以及一信号输入装置，用于输出信号至该热致发声元件；该碳纳米管膜结构用于接收所述信号输入装置输出的信号发出相应声波。

与现有技术相比较，所述发声装置具有以下优点：其一，由于所述发声装置中的发声元件包括碳纳米管结构，无需磁铁等其它复杂结构，故该发声装置的结构较为简单，有利于降低该发声装置的成本。其二，该发声装置利用输入信号造成该碳纳米管结构温度变化，从而使其周围气体迅速膨胀和收缩，进而发出声波，即热致发声，故该碳纳米管结构组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其三，由于碳纳米管结构具有较小的单位面积热容和较大的比表面积，故该碳纳米管结构具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点，故该碳纳米管结构组成的发声装置可以发出很宽频谱范围内的声音，且具有较好的发声效果。其四，当该碳纳米管结构厚度比较小时，该碳纳米管结构为透明的，故所构造发声装置为透明发声装置，可以直接安装在各种显示装置如显示器、油画等的上表面作为节省空间的透明发声装置。其五，由于碳纳米管具有较好的机械强度和韧性，故由碳纳米管组成的碳纳米管结构具有较好的机械强度和韧性，耐用性较好，从而有利于制备由碳纳米管结构组成的各种形状、尺寸的发声装置，进而方便地应用于各种领域。

附图说明

图1是现有技术中扬声器的结构示意图。

图2是本发明第一实施例发声装置的结构示意图。

图3是本发明第一实施例发声装置的频率响应特性曲线。

图4是本发明第二实施例发声装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的发声装置。

请参阅图2，本发明第一实施例提供一种发声装置10，该发声装置10包括一信号输入装置12，一发声元件14，一第一电极142以及一第二电极144。所述第一电极142和第二电极144间隔设置，且与所述信号输入装置12电连接。所述第一电极142和第二电极144与所述信号输入装置12的两端电连接，用于将所述信号输入装置12中的信号输入到所述发声元件14中。

所述发声元件14包括一碳纳米管结构。该碳纳米管结构为膜状结构或其它形状，且具有较大的比表面积。所述碳纳米管结构包括均匀分布的碳纳米管，碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。该碳纳米管结构中的碳纳米管为无序或有序排列。所谓无序是指碳纳米管的排列方向无规则。所谓有序是指碳纳米管的排列方向有规则。具体地，当碳纳米管结构包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。该碳纳米管结构的厚度为0.5纳米～1毫米。所述碳纳米管结构的厚度太大，则比表面积减小，单位面积热容增大；所述碳纳米管结构的厚度太小，则机械强度较差，耐用性不够好。优选地，该碳纳米管结构的厚度为50纳米。当该碳纳米管结构厚度比较小时，例如小于10微米，该碳纳米管结构为透明的，故采用该碳纳米管结构的发声装置为透明发声装置，可以直接安装在各种显示装置如显示器、油画等的上表面作为节省空间的透明发声装置。所述发声元件的单位面积热容可小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文。优选地，所述碳纳米管结构的单位面积热容小于1.7×10^-6焦耳每平方厘米开尔文。所述碳纳米管结构可具有自支撑结构。所谓自支撑结构即所述碳纳米管结构中的多个碳纳米管间通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管结构具有特定的形状。所述碳纳米管结构中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。本发明实施例中，所述碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米管，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。所述碳纳米管结构的厚度为50纳米。

所述第一电极142和第二电极144用于实现所述信号输入装置12与所述发声元件14之间的电连接。所述发声元件14分别与所述第一电极142和第二电极144电连接，并可通过所述第一电极142和第二电极144固定。所述第一电极142和第二电极144进一步通过一外接导线149与所述信号输入装置12电连接。所述第一电极142和第二电极144由导电材料形成，其具体形状结构不限，可为一维、二维或三维结构。具体地，所述第一电极142和第二电极144可选择为层状、棒状、块状或其它形状。所述第一电极142和第二电极144的材料可选择为金属、导电胶、碳纳米管、铟锡氧化物(ITO)等。本发明实施例中，所述第一电极142和第二电极144为棒状金属电极。所述发声元件14的两端分别与所述第一电极142和第二电极144电连接，并通过所述第一电极142和第二电极144固定。所述第一电极142和第二电极144可进一步起到支撑所述发声元件14的作用。由于所述第一电极142和第二电极144间隔设置，所述发声元件14应用于发声装置10时能接入一定的阻值避免短路现象产生。由于碳纳米管具有极大的比表面积，在范德华力的作用下，该碳纳米管结构本身有很好的粘附性，故采用该碳纳米管结构作发声元件14时，所述第一电极142和第二电极144与所述发声元件14之间可以直接粘附固定，并形成很好的电接触。

另外，所述第一电极142和第二电极144与所述发声元件14之间还可以进一步包括一导电粘结层(图未示)。所述导电粘结层可设置于所述发声元件14的表面。所述导电粘结层在实现第一电极142和第二电极144与所述发声元件14电接触的同时，还可以使所述第一电极142和第二电极144与所述发声元件14更好地固定。本实施例中，所述导电粘结层为一层银胶。

所述信号输入装置12包括音频信号输入装置、光信号输入装置、电信号输入装置及电磁波信号输入装置等。相应地，所述信号输入装置12输入的信号不限，包括电磁波、交流信号、音频信号以及光信号等。可以理解，所述信号输入装置12输入的信号与所述发声装置10的具体应用有关。如：当所述发声装置10应用于收音机时，所述信号输入装置12输入的信号为电磁波；当所述发声装置10应用于耳机时，所述信号输入装置12输入的信号为交流电信号或音频电信号。本发明实施例中，所述信号输入装置为电信号输入装置。

可以理解，根据信号输入装置12的不同，所述第一电极142和第二电极144为可选择的结构，如当输入信号为光或电磁波等信号时，所述信号输入装置12可直接输入信号给所述发声元件14，无需电极及导线。

上述发声装置10在使用时，由于碳纳米管结构由均匀分布的碳纳米管组成，且该碳纳米管结构为膜状、具有较大的比表面积且厚度较小，故该碳纳米管结构具有较小的单位面积热容和较大的散热表面，在输入信号后，碳纳米管结构可迅速升降温，产生周期性的温度变化，并和周围介质快速进行热交换，使周围介质迅速膨胀和冷缩，进而发出声音。故，本发明实施例中，当输入信号为电信号时，所述发声元件14的发声原理为“电-热-声”的转换；当输入信号为光信号时，所述发声元件14的发声原理为“光-热-声”的转换。由上述发声元件14组成的发声装置10具有广泛的应用范围。

所述发声装置的发声频率范围为1赫兹至10万赫兹(即1Hz～100kHz)。图3为采用长宽均为30毫米且碳纳米管首尾相连且沿同一方向择优取向排列的碳纳米管膜用作所述发声元件14，输入电压为50伏时，将一麦克风放在距发声元件5厘米的位置时测得的所述发声装置10的频率响应特性曲线。从图3中可以看出，所述发声装置的声压级大于50分贝，甚至可达105分贝，所述发声装置的发声频率范围为100赫兹至10万赫兹(即100Hz～100kHz)，所述发声装置在500赫兹～4万赫兹频率范围内的失真度可小于3％，该发声装置10具有较好的发声效果。另外，本发明实施例中的碳纳米管结构具有较好的韧性和机械强度，所述碳纳米管结构可方便地制成各种形状和尺寸的发声装置10，该发声装置10可方便地应用于各种可发声的产品中，如音响、手机、MP3、MP4、电视、计算机等电子领域及其它产品中。

请参阅图4，本发明第二实施例提供一种发声装置20，该发声装置20包括一信号输入装置22、一发声元件24、一第一电极242、一第二电极244、一第三电极246以及一第四电极248。

本发明第二实施例中的发声装置20与第一实施例中的发声装置10的结构相同或相类似，区别在于，本发明第二实施例中的发声装置20包括四个电极，即第一电极242、第二电极244、第三电极246和第四电极248。所述第一电极242、第二电极244、第三电极246和第四电极248均为棒状金属电极，且平行间隔设置于至少两个平面内。所述发声元件24环绕所述第一电极242、第二电极244、第三电极246和第四电极248设置并与所述第一电极242、第二电极244、第三电极246和第四电极248分别电连接，形成一环形发声元件24。任意两个相邻的电极均分别与所述信号输入装置22的两端电连接，以使位于相邻电极之间的发声元件24接入输入信号。具体地，先将不相邻的两个电极用一导线249连接后与所述信号输入装置22的一端电连接，剩下的两个电极用导线249连接后与所述信号输入装置22的另一端电连接。本发明实施例中，可先将所述第一电极242和第三电极246用导线249连接后与所述信号输入装置22的一端电连接，再将所述第二电极244和第四电极248用导线249连接后与所述信号输入装置22的另一端电连接。上述连接方式可实现相邻电极之间的碳纳米管结构的并联。并联后的碳纳米管结构具有较小的电阻，可降低工作电压。且，上述连接方式可使所述发声元件24向各个方向均匀辐射，且发声强度得到增强，可实现环绕发声效果。另外，当所述发声元件24的面积较大时，所述第三电极246和第四电极248也可进一步起到支撑所述发声元件24的作用。

可以理解，所述第一电极242、第二电极244、第三电极246和第四电极248也可与所述发声元件24设置在同一平面内。所述设置在同一平面内的各电极的连接方式与上述电极的连接方式相同或相似。

可以理解，本发明可设置多个电极，其数量不限，只需确保任意两个相邻的电极均分别与所述信号输入装置22的两端电连接即可。

与现有技术相比较，所述发声装置具有以下优点：其一，由于所述发声装置中的发声元件包括碳纳米管结构，无需磁铁等其它复杂结构，故该发声装置的结构较为简单，有利于降低该发声装置的成本。其二，所述发声装置利用输入信号造成该碳纳米管结构温度变化，从而使其周围气体迅速膨胀和收缩，进而发出声波，故该碳纳米管结构组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其三，由于碳纳米管结构具有较小的单位面积热容和较大的比表面积，故该碳纳米管结构具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点，故该碳纳米管结构组成的发声装置可以发出很宽频谱范围内的声音(1Hz～100kHz)，且具有较好的发声效果。其四，当该碳纳米管结构厚度比较小时，该碳纳米管结构为透明的，故所构造发声装置为透明发声装置，可以直接安装在各种显示装置如显示器、油画等的上表面作为节省空间的透明发声装置。其五，由于碳纳米管具有较好的机械强度和韧性，故由碳纳米管组成的碳纳米管结构具有较好的机械强度和韧性，耐用性较好，从而有利于制备由碳纳米管结构组成的各种形状、尺寸的发声装置，进而方便地应用于各种领域。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (22)

1.一种发声装置，其包括：

一发声元件；以及

一信号输入装置，用于输出信号至该发声元件；

其特征在于，该发声元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构用于接收所述信号输入装置输出的信号发出相应声波。

2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件的单位面积热容小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文。

3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件的单位面积热容小于1.7×10^-6焦耳每平方厘米开尔文。

4.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管结构加热周围介质发出声波。

5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置的发声频率为1赫兹～10万赫兹。

6.如权利要求5所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置在500赫兹至4万赫兹频率范围内的失真度小于3％。

7.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置的声压级大于50分贝。

8.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管结构为膜状结构，该碳纳米管结构的厚度为0.5纳米～1毫米。

9.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管结构包括均匀分布的碳纳米管，碳纳米管之间通过范德华力相互连接。

10.如权利要求9所述的发声装置，其特征在于，该碳纳米管结构中的碳纳米管为无序或有序排列。

11.如权利要求9所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管结构中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种，所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。

12.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置进一步包括至少两电极，该至少两电极间隔设置且与所述发声元件电连接。

13.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述至少两电极进一步通过导线与所述信号输入装置的两端电连接。

14.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置进一步包括多个电极，该多个电极中任意两个相邻的电极分别与所述信号输入装置的两端电连接。

15.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述至少两电极为一维、二维或三维结构。

16.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述至少两电极的材料为金属、导电胶、碳纳米管或铟锡氧化物。

17.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置进一步包括一导电粘结层设置在所述至少两电极和碳纳米管结构之间。

18.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述信号输入装置包括音频信号输入装置、光信号输入装置、电信号输入装置或电磁波信号输入装置。

19.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述信号输入装置输入的信号包括电磁波、交流电信号、音频电信号或光信号。

20.一种发声装置，其包括：

一信号输入装置；

至少两电极，该至少两电极间隔设置；以及

一发声元件，该发声元件通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的信号；

其特征在于，该发声元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的信号发出相应的声波。

21.一种热致发声装置，其特征在于，包括：

一热致发声元件，该热致发声元件包括一碳纳米管膜状结构；以及

一信号输入装置，用于输出信号至该热致发声元件；该碳纳米管膜结构用于接收所述信号输入装置输出的信号发出相应声波。

22.如权利要求21所述的热致发声装置，其特征在于，该碳纳米管膜结构包括多个碳纳米管，该碳纳米管通过范德华力相互吸引形成该碳纳米管膜结构。

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