CN101605289B - 发声装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发声装置，其包括一电磁波信号输入装置以及一发声元件。该发声元件与该电磁波信号输入装置间隔设置。其中，该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，该电磁波信号输入装置传递电磁波信号至该碳纳米管薄膜，使该碳纳米管薄膜通过吸收该电磁波信号发热，从而加热气体介质发出声波。

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。扬声器的种类很多，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。

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通常采用一导体，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。若将其放在固定磁场里，根据载流导体在磁场中会受到洛伦兹力作用，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变化而变化的力。因此，音圈102就会在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。

进一步地，现有技术中的发声装置的发声原理为“电-力-声”之转换原理，即发声的最基本条件为电信号的输入。在极端环境，如无电环境下，则无法应用上述发声装置进行发声。

光声效应是指当物质受到周期性强度调制的光照射时，会产生声信号的现象。当物质受到光照射时，物质因吸收光能而受激发，并通过非辐射跃迁使吸收的光能全部或部分转变为热。如果照射的光束经过周期性的强度调制，则在物质内产生周期性的温度变化，使这部分物质及其邻近的媒质热胀冷缩而产生应力(或压力)的周期性变化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。目前，利用光声效应制造的光声谱仪及光声显微镜已经被广泛应用于物质组分分析检测领域。例如，现有技术中的光声谱仪一般包括一光源、一样品室及一信号检测器。该光源一般为一调制的脉冲激光源或连续激光源。该信号检测器一般为一麦克风。该样品室中放置有待测的样品，该样品材料不限，可以为气体、液体或固体材料，如一固体粉末或一生物样品等。该激光源发射激光照射到样品室中的样品上，由于光声效应中产生的声能直接正比于物质吸收的光能，而不同成分的物质在不同光波的波长处出现吸收峰值，因此当具有多谱线或连续光谱的光源以不同波长的光束相继照射样品时，样品内不同成分的物质将在与各自的吸收峰相对应的光波波长处产生光声信号极大值。该信号检测器通过检测该光声信号的极大值，从而判断待测样品的材料种类。

然而，一般材料受到光吸收能力的限制，产生的光声信号强度较弱，且频率范围在兆赫兹以上，只能通过麦克风或压电传感器等换能装置接收，因此，现有技术中还没有利用光声效应制造的发声装置使其产生的声音信号能直接被人耳感知。另外，现有技术中也没有将广义的电磁波应用光声效应制造的发声装置。

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作为发声元件用于声学领域。

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、无电的条件下直接发出能够被人耳感知的声音。

发明内容

一种发声装置，其包括一电磁波信号输入装置以及一发声元件。该发声元件与该电磁波信号输入装置间隔设置。其中，该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，该电磁波信号输入装置传递电磁波信号至该碳纳米管薄膜，使该碳纳米管薄膜通过吸收该电磁波信号发热，从而加热气体介质发出声波。

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由碳纳米管薄膜组成，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薄膜温度变化，从而使其周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，故该碳纳米管薄膜组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其三，由于该碳纳米管薄膜具有较小的热容和大的比表面积，故该碳纳米管薄膜具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点，故该碳纳米管薄膜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，由于碳纳米管薄膜为多个相互平行且并排设置的长碳纳米管组成，故碳纳米管薄膜具有较好的机械强度和韧性，并且沿碳纳米管排列方向具有较好的导热性能，从而使发声元件具有较好的发声效果。其五，由于碳纳米管具有极大的比表面积，在范德华力的作用下，碳纳米管薄膜本身有很好的黏附性，故碳纳米管薄膜可方便地直接黏附于支撑结构表面。

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包括一电磁波信号输入装置112，一发声元件114，一支撑结构116及一调制装置118。该发声元件114设置于该支撑结构116上。该支撑结构116为一可选择结构，用于支撑和固定该发声元件114。该电磁波信号输入装置112与该发声元件114对应且间隔设置，用于提供一电磁波信号120。该调制装置118设置于该电磁波信号输入装置112与发声元件114之间，用于对所述电磁波信号120进行强度或频率的调制。从该电磁波信号输入装置112发出的电磁波信号120通过该调制装置118进行强度和频率的调制后传递至该发声元件114表面。

所述发声元件114包括至少一层碳纳米管薄膜。所述碳纳米管薄膜的扫描电镜照片请参见图3。所述碳纳米管薄膜包括多个基本相互平行设置的碳纳米管。相邻两个碳纳米管之间通过范德华力结合，且相邻两个碳纳米管之间的距离为0～5微米。所述碳纳米管薄膜的长度为碳纳米管的长度，优选地，所述碳纳米管薄膜的长度为1微米～30毫米。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。

进一步地，所述发声元件114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，0度≤α≤0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114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，其孔径小于5微米。当所述发声元件114包括多层碳纳米管薄膜相互重叠设置时，该发声元件114为一自支撑结构。

可以理解，所述发声元件114的厚度不能太厚，太厚则影响碳纳米管与周围气体介质进行热交换，从而影响该发声元件114的发声效果。另外，该发声元件114的厚度不能太薄，太薄则该碳纳米管薄膜强度较差，在发声过程中容易损坏。当所述发声元件114的厚度比较小时，例如小于10微米，该发声元件114具有较高的透明度，此时，可以将该发声元件114直接设置在各种显示装置、手机显示屏或油画的上表面，从而达到节省空间的目的。优选地，所述发声元件114的厚度为0.5纳米～1毫米。

本技术方案实施例中，所述发声元件114包括两层重叠设置的碳纳米管薄膜，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114的长度为3厘米，宽度为3厘米，厚度为50纳米。

所述支撑结构116主要起支撑作用，其形状不限，任何具有确定形状的物体，如一墙壁或桌面，均可作为本技术方案第一实施例中的支撑结构116。具体地，该支撑结构116可以为一平面或曲面结构，并具有一表面。此时，该发声元件114直接设置并贴合于该支撑结构116的表面上。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，故采用该碳纳米管薄膜作发声元件114时，可以将碳纳米管薄膜直接黏附于支撑结构116表面。进一步地，所述支撑结构116与所述发声元件儿4之间还可以通过粘结剂相互黏结，从而使所述发声元件114更好地固定在支撑结构116上。所述粘结剂可以为一耐高温的硅胶。

由于该发声元件114整体通过支撑结构116支撑，因此该发声元件114可以承受强度较高的电磁波信号120输入，从而具有较高的发声强度。另外，该支撑结构116也可以为一框架结构、杆状结构或不规则形状结构。此时，该发声元件114部分与该支撑结构116相接触，其余部分悬空设置。此种设置方式可以使该发声元件114与空气或周围介质更好地进行热交换。该发声元件114与空气或周围介质接触面积更大，热交换速度更快，因此具有更好的发声效率。

该支撑结构116的材料不限，可以为一硬性材料，如金刚石、木质材料、玻璃或石英。另外，所述支撑结构116还可为一柔性材料，如纸质材料、塑料或树脂。优选地，该支撑结构116的材料应具有较好的绝热性能，从而防止该发声元件114产生的热量过度的被该支撑结构116吸收，无法达到加热空气发声的目的。另外，该支撑结构116优选为具有一较为粗糙的表面，从而可以使设置于上述支撑结构116表面的发声元件114与空气或其他外界介质具有更大的接触面积。

可以理解，由于上述发声元件114中的碳纳米管薄膜为一自支撑结构，故该支撑结构116为一可选择结构。

所述电磁波信号输入装置112包括一电磁波信号源，该电磁波信号源可以发出强度或频率可变的电磁波，形成一电磁波信号120。该电磁波信号120的强度或频率可不断变化，从而能够使作为发声元件114的碳纳米管薄膜吸收该电磁波信号120间歇加热空气，使空气不断膨胀收缩，进而持续发出声音。该电磁波信号120的频率范围包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、微波、X射线及γ射线等。优选的，该电磁波信号源为一光信号源，所发出的电磁波信号120可以为一光信号，该光信号的波长包括从紫外至远红外波长的各种光波。该电磁波信号120的平均功率密度在1μW/mm²～20W/mm²范围内。可以理解，该电磁波信号120的强度不能太弱，太弱则无法使碳纳米管薄膜充分加热周围空气发出声音，并且，该电磁波信号120的强度不能太强，太强使碳纳米管薄膜与空气中的氧发生反应，从而破坏该碳纳米管薄膜。优选地，该电磁波信号源为一脉冲激光发生器。

该电磁波信号输入装置112发出的电磁波信号120在发声元件114上的入射角度与位置不限。另外，该电磁波信号输入装置112与发声元件114之间的距离不限，但应确保从该电磁波信号输入装置112发出的电磁波能够传递至该发声元件114表面。优选地，当该电磁波信号为一光信号，且该电磁波信号输入装置112与该发声元件114距离较远时，该电磁波信号输入装置112可以进一步包括一光纤，该光纤一端与所述光信号源连接，另一端延伸至所述碳纳米管薄膜附近，从而使通过上述激光发生器发出的电磁波信号120通过光纤远距离传递至发声元件114表面。

所述调制装置118为一可选择结构，设置于该电磁波信号120的传输路径上，包括强度调制器、频率调制器或两者的结合。所述发声装置10通过调制装置118对电磁波信号120的强度及频率进行调制，从而实现使发声元件114所发出的声音的强度及频率的改变。具体地，可以通过以不同频率开关电磁波信号120调制电磁波信号120的强弱，或者以不同频率变化电磁波信号120的强度调制电磁波信号120的强弱。电磁波信号120强弱的变化影响发声元件114发声频率的变化。通过对该电磁波信号120进行调制，可以使该发声元件114发出不同频率的声音。可以理解，该调制装置118可以与所述电磁波信号输入装置112集成或间隔设置。当所述电磁波信号输入装置112包括一光纤时，该调制装置118可设置于光纤的起始端或结束端上。本实施例中，该调制装置118为一电光晶体。

本技术方案实施例发声装置中采用碳纳米管薄膜作为发声元件，由于碳纳米管对电磁波的吸收接近绝对黑体，从而使发声装置对于各种波长的电磁波具有均一的吸收特性。另外，碳纳米管具有较小的热容和较大的散热面积。因此，当发声元件114中的碳纳米管受到如激光等电磁波的照射时，碳纳米管因吸收光能而受激发，并通过非辐射使吸收的光能全部或部分转变为热。碳纳米管温度迅速升高，并和周围的空气或其他介质进行迅速的热交换。如果照射的电磁波经过周期性的强度调制，则在碳纳米管内产生周期性的温度变化，从而使其周围的气体介质也产生周期性的温度变化，造成周围空气或其他介质迅速的膨胀和收缩，从而发出声音。进一步地，本实施例中，所述发声元件114包括由大量相互平行且并排设置的碳纳米管组成的碳纳米管薄膜，因此当电磁波信号输入装置118发出的电磁波信号120的频率合适，且发声元件114周围介质为空气时，发声元件114发出的声音可以直接被人耳感知。可以理解，当电磁波信号120的频率增高时，该发声元件114可以发出超声波。

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212、一发声元件214、一支撑结构216及一调制装置218。

该支撑结构216为一框架结构、杆状结构或不规则形状结构。该发声元件214部分与该支撑结构216相接触，其余部分悬空设置，从而使声音能够透过该发声元件214传递。该电磁波信号输入装置212与该发声元件214对应且间隔设置。该调制装置218设置于该电磁波信号输入装置212与发声元件214之间。

该发声装置20与第一实施例中的发声装置10的结构基本相似，与第一实施例中的发声装置10的区别在于，该发声装置20进一步包括一拢音结构222，该拢音结构222间隔设置在所述发声元件214远离电磁波信号220输入的一侧。该拢音结构222与该发声元件214相隔设置，从而使发声元件214发出的声波通过拢音结构222反射，增强该发声装置20的发声效果。根据发声元件214的大小，该距离可以为1厘米～1米。可以理解，该拢音结构222可以为具有一较大表面的各种结构，如一平面结构或一曲面结构。本实施例中，该拢音结构222为一平板。该拢音结构222可以通过支架与该发声元件214间隔。另外，该拢音结构222与该支撑结构216也可为一集成设置的整体，如一具有狭窄开口的腔体，该发声元件214平铺于该腔体的开口上，从而形成一亥姆霍兹共振腔。该拢音结构222的材料为木质、塑料、金属或玻璃等。

本技术方案实施例提供的发声装置的发声强度可达100分贝声压级，发声频率范围为1赫兹至10万赫兹(即1Hz-100kHz)。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，利用所述碳纳米管薄膜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音乐设备中，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。另外，由于电磁波，尤其是激光，可以在真空中远距离传播，该发声装置可以用于远距离信号传输领域，如将声音信号通过电磁波的形式远距离传输。进一步地，由于上述发声元件通过电磁波照射即可发声，因此，当该电磁波为红外线、可见光、紫外线、微波、X射线及γ射线时，该发声元件可以在一无电、无磁的极端环境下工作。

本技术方案实施例提供的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由碳纳米管薄膜组成，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，由于所述由碳纳米管薄膜组成的发声元件可以通过输入一电磁波信号发声，因此，该发声元件可以在一无电环境下工作。其三，该发声装置利用输入信号造成该碳纳米管薄膜温度变化，从而使其周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，故该碳纳米管薄膜组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其四，由于该碳纳米管薄膜具有较小的热容和大的比表面积，故该碳纳米管薄膜具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点，故该碳纳米管薄膜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。其五，由于碳纳米管薄膜为多个相互平行且并排设置的长碳纳米管组成，故该碳纳米管薄膜沿碳纳米管排列方向具有较好的导热性能，能充分发挥碳纳米管的特性，从而使发声元件具有较好的发声效果。其六，由于碳纳米管具有极大的比表面积，在范德华力的作用下，碳纳米管薄膜本身有很好的黏附性，故碳纳米管薄膜可方便地直接黏附于支撑结构表面。其七，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，此时，可以将该发声元件直接设置在各种显示装置、手机显示屏的显示表面或油画的上表面，从而达到节省空间的目的。其八，所述发声装置可进一步包括支撑结构及拢音结构，该支撑结构可以提高发声装置的发声强度，该拢音结构可以反射发声元件发出的声波，增强所述发声装置的发声效果。

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 (16)

1.一种发声装置，其包括：

一电磁波信号输入装置；

一发声元件，该发声元件与该电磁波信号输入装置对应且间隔设置；

其特征在于，该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，该电磁波信号输入装置传递电磁波信号至该碳纳米管薄膜，使该碳纳米管薄膜通过吸收该电磁波信号发热，从而加热气体介质发出声波，所述碳纳米管薄膜中，碳纳米管并排设置，相邻两个碳纳米管相互接触，且相邻两个碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。

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的排列方向形成一夹角α，0度≤α≤90度。

3.如权利要求2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5微米。

4.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。

5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，该发声装置进一步包括一支撑结构，所述发声元件通过该支撑结构固定设置。

6.如权利要求5所述的发声装置，其特征在于，所述支撑结构为一平面或曲面结构，并具有一表面，所述发声元件直接设置并贴合于该支撑结构的表面。

7.如权利要求5所述的发声装置，其特征在于，所述支撑结构为一框架结构、杆状结构或不规则形状结构，所述发声元件通过该支撑结构支撑并部分悬空设置。

8.如权利要求7所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置进一步包括一拢音结构，所述拢音结构设置于发声元件远离电磁波信号输入装置的一侧，与所述发声元件相对并间隔设置。

9.如权利要求5所述的发声装置，其特征在于，所述支撑结构的材料为金刚石、玻璃、石英、塑料、树脂、木质材料或纸质材料。

10.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一拢音结构，所述拢音结构包括一亥姆霍兹共振腔，所述发声元件通过该拢音结构固定设置。

11.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述电磁波信号为无线电波、红外线、可见光、紫外线、微波、X射线及γ射线中的一种或多种。

12.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述电磁波信号输入装置包括一光信号源，所述电磁波信号输入装置通过该光信号源发出光信号，该光信号的波长范围为从紫外区至远红外区之间。

13.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述光信号源为一脉冲激光发生器。

14.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述电磁波信号输入装置进一步包括一光纤，该光纤一端与所述光信号源连接，另一端延伸至所述碳纳米管薄膜附近，所述光信号通过光纤传递至碳纳米管薄膜。

15.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，该发声装置进一步包括一调制装置，该调制装置设置于所述电磁波信号输入装置与发声元件之间，且位于所述电磁波信号的传输路径上，该调制装置包括强度调制装置、频率调制装置或两者的结合。

16.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述电磁波信号的平均功率密度为1μW/mm²～20W/mm²。

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