CN101600140A - 发声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发声装置，其包括：一信号输入装置；以及一发声元件，该发声元件与所述信号输入装置的两端电连接；其中，所述发声元件包括至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管，所述信号输入装置输入电信号给该发声元件，使该发声元件加热周围气体介质发出声波。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洛仑兹力，音圈102会受到一个大小与音频电流成正比、方向随音频电流方向的变化而变化的力。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发声领域。
因此，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。
发明内容
一种发声装置，其包括：一信号输入装置；以及一发声元件，该发声元件与所述信号输入装置的两端电连接；其中，所述发声元件包括至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管，所述信号输入装置输入电信号给该发声元件，使该发声元件加热周围气体介质发出声波。
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仅包括碳纳米管薄膜，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发声元件温度变化，从而使其周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，无需振膜，且该发声元件组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其三，由于碳纳米管薄膜具有较小的热容和大的比表面积，且碳纳米管薄膜中的碳纳米管相互平行、均匀分布，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，由至少一层碳纳米管薄膜组成的发声元件可均匀地加热周围的气体介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围气体介质进行快速热交换，使周围气体介质迅速膨胀和收缩，发出人耳可感知的声音，且所发出的声音的频率范围较宽(1Hz～100kHz)、发声效果较好。另外，当该发声元件厚度比较小时，例如小于10微米，该发声元件具有较高的透明度，故所形成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、手机显示屏的显示表面或油画显示装置、油画等的表面作为节省空间的透明发声装置。其四，由于碳纳米管具有较好的机械强度和韧性，故由相互平行的碳纳米管组成的至少一层碳纳米管薄膜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薄膜组成的各种形状、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是本技术方案第一实施例发声装置的结构示意图。
图3是本技术方案第一实施例发声装置中碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图4是本技术方案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技术方案实施例的发声装置。
请参阅图2，本技术方案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，且与所述发声元件14电连接。所述第一电极142和第二电极144可起到支撑所述发声元件14的作用。另外，所述第一电极142和第二电极144分别通过外接导线149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包括至少一层碳纳米管薄膜。请参见图3，所述碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管。相邻两个碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。所述碳纳米管薄膜中的相邻两个碳纳米管之间的距离小于50微米。所述碳纳米管薄膜的长度为碳纳米管薄膜中单根碳纳米管的长度。所述碳纳米管薄膜的宽度不限。所述碳纳米管薄膜的厚度为0.5纳米～100微米。所述碳纳米管薄膜的长度为1微米～30毫米。进一步地，所述发声元件14包括至少两层重叠设置的碳纳米管薄膜，相邻两层碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合，且相邻两层碳纳米管薄膜中的碳纳米管之间具有一交叉角度α，α大于等于0度且小于等于90度，具体可依据实际需求制备。当相邻两层碳纳米管薄膜中的碳纳米管之间的夹角α大于0度时，所述发声元件14中的多个碳纳米管形成一网状结构，且该网状结构包括多个均匀分布的微孔，其孔径为小于50微米。当所述发声元件14包括多层碳纳米管薄膜时，由于相邻两层碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合，故所述发声元件14具有很好的自支撑性能。所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管可为单壁碳纳米管、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。所述发声元件14的厚度为0.5纳米～1毫米。当该发声元件14的厚度比较小时，例如小于10微米，该发声元件14具有较高的透明度，故采用该发声元件14的发声装置10为透明发声装置10，可以直接安装在各种显示装置、手机显示屏的显示表面或油画的表面作为节省空间的透明发声装置10。
本技术方案实施例中，所述发声元件14包括两层碳纳米管薄膜，且碳纳米管在该两层碳纳米管薄膜中沿同一方向排列。所述发声元件14的长度为3厘米，宽度为3厘米，厚度为50纳米。
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。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、金属性碳纳米管、铟锡氧化物(ITO)等。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。进一步地，所述第一电极142和第二电极144可起到支撑所述发声元件14的作用。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，并通过所述第一电极142和第二电极144固定。由于所述发声元件14为自支撑，所述第一电极142和第二电极144也可间隔设置固定在所述发声元件14两端或表面，且至少部分碳纳米管的两端分别与所述第一电极142和第二电极144电连接。本技术方案实施例中，所述第一电极142和第二电极144为棒状金属电极，所述第一电极142和第二电极144间隔设置固定在所述发声元件14两端，且所述发声元件中的部分碳纳米管的两端分别与所述第一电极142和第二电极144电连接。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，该碳纳米管薄膜本身有很好的粘附性，故采用该至少一层碳纳米管薄膜作发声元件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。
可以理解，当所述发声元件14具有自支撑性能时，所述第一电极142与第二电极144为可选择的结构。所述信号输入装置12可直接通过导线或电极引线等方式与所述发声元件14电连接。任何可实现所述信号输入装置12与所述发声元件14之间电连接的方式都在本技术方案的保护范围之内。
所述信号输入装置12输入的信号包括交流电信号或音频电信号等。所述信号输入装置12通过导线149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将信号输入到所述发声元件14中。
上述发声装置10在使用时，由于碳纳米管薄膜具有较小的热容和大的比表面积，且碳纳米管薄膜中的碳纳米管相互平行、均匀分布，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，由至少一层碳纳米管薄膜组成的发声元件14可均匀地加热周围的气体介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围气体介质进行快速热交换，使周围气体介质迅速膨胀和收缩，发出人耳可感知的声音，且所发出的声音的频率范围较宽。本技术方案实施例提供的发声装置10的发声频率范围为1赫兹至10万赫兹(即1Hz～100kHz)。故本技术方案实施例中，所述发声元件14的发声原理为“电-热-声”的转换，具有广泛的应用范围。另外，本技术方案实施例中的碳纳米管薄膜具有较好的韧性和机械强度，故由至少一层碳纳米管薄膜组成的发声元件14可方便地制成各种形状和尺寸的发声装置，该发声装置可方便地应用于各种可发声的装置中，如音响、手机、MP3、MP4、电视、计算机等电子领域及其它发声装置中。
请参阅图4，本技术方案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。
本技术方案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的结构基本相同，区别在于，本技术方案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，且空间平行间隔设置。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。本技术方案实施例中，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发声元件24的并联。并联后的发声元件24具有较小的电阻，可降低发声元件24的工作电压。且，上述连接方式可使所述发声元件24具有较大的幅射面积，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，本技术方案可设置多个电极，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仅包括碳纳米管薄膜，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发声元件温度变化，从而使其周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，无需振膜，且该发声元件组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其三，由于碳纳米管薄膜具有较小的热容和大的比表面积，且碳纳米管薄膜中的碳纳米管相互平行、均匀分布且部分碳纳米管的两端分别与所述信号输入装置的两端电连接，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，由至少一层碳纳米管薄膜组成的发声元件可充分利用碳纳米管的特性，如优异的轴向导电、导热性能，可均匀地加热周围的气体介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围气体介质进行快速热交换，使周围气体介质迅速膨胀和收缩，发出人耳可感知的声音，且所发出的声音的频率范围较宽(1Hz～100kHz)，发声效果较好，且所述发声装置的响应速度较快、灵敏度较高。另外，当该发声元件厚度比较小时，例如小于10微米，该发声元件具有较高的透明度，故所形成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、手机显示屏的显示表面或油画显示装置、油画等的表面作为节省空间的透明发声装置。其四，由于所述发声元件中的多个碳纳米管形成一网络结构，且网络结构由多个孔径小于50微米的微孔组成，所述微孔的存在可增大所述发声元件的比表面积，从而有利于改善所述发声元件的发声效果。其五，由于碳纳米管具有较好的机械强度和韧性，则由至少两层由碳纳米管沿不同方向排列的碳纳米管薄膜组成的发声元件具有较好的机械强度和韧性，耐用性较好，从而有利于制备由发声元件组成的各种形状、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 (15)

1.一种发声装置，其包括：
一信号输入装置；以及
一发声元件，该发声元件与所述信号输入装置的两端电连接；
其特征在于：所述发声元件包括至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管，所述信号输入装置输入电信号给该发声元件，使该发声元件加热周围气体介质发出声波。
2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，至少部分碳纳米管的两端分别与所述信号输入装置的两端电连接。
3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中的相邻两个碳纳米管之间的距离小于50微米。
4.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中相邻两个碳纳米管之间通过范德华力结合。
5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件包括至少两层重叠设置的碳纳米管薄膜，相邻两层碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合，且相邻两层碳纳米管薄膜中的碳纳米管之间形成一夹角α，α大于等于0度且小于等于90度。
6.如权利要求5所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件为一网状结构，该网状结构包括均匀分布的微孔，该微孔的孔径小于50微米。
7.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件的厚度为0.5纳米～1毫米。
8.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管为单壁碳纳米管、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。
9.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中的部分碳纳米管的两端电连接。
10.如权利要求9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。
11.如权利要求9所述的发声装置，其特征在于，所述至少两电极为层状、棒状或块状。
12.如权利要求9所述的发声装置，其特征在于，所述电极的材料为金属、导电胶、金属性碳纳米管或铟锡氧化物。
13.如权利要求9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发声元件之间。
14.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置包括多个电极，该多个电极间隔设置且均与所述发声元件电连接，且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交流电信号或音频电信号。
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