CN101610445A - 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：一发声元件；以及一信号输入装置，用于输出电信号至该发声元件；其中，该发声装置包括一支撑结构，该发声元件至少部分通过该支撑结构支撑，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电信号发出相应声波。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
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，此载流导体在磁场中会受到洛伦兹力的作用，从而使音圈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。
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，用于输出电信号至该发声元件；其中，该发声装置包括一支撑结构，该发声元件至少部分通过该支撑结构支撑，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电信号发出相应声波。
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；以及一热致发声膜，该热致发声膜通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的电信号；其中，该发声装置包括一支撑结构，该支撑结构具有一支撑表面，该热致发声膜至少部分通过该支撑结构支撑，并与该支撑表面大致平行，该热致发声膜通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的电信号发出相应的声波。
一种热致发声装置，其中，包括：一碳纳米管膜结构，一支撑结构，该碳纳米管膜结构固定于支撑结构，并且该碳纳米管膜结构基本上相对于该支撑结构悬空设置；以及一信号输入装置，用于输出电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电信号发出相应声波。
本发明所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发声元件温度变化，从而使其周围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，由于碳纳米管结构具有较小的单位面积热容和较大的比表面积，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，由碳纳米管结构组成的发声元件可均匀地加热周围的介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围介质进行快速热交换，使周围介质迅速膨胀和收缩，发出人耳可感知的声音，即热致发声，且所发出的声音的频率范围较宽，发声效果较好。另外，当该发声元件厚度比较小时，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。
图5是本发明第三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为一热致发声装置。该发声装置10包括一信号输入装置12，一发声元件14，一支撑结构16，一第一电极142以及一第二电极144。所述发声元件14通过所述支撑结构16支撑。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中的电信号输入到所述发声元件14中。
所述支撑结构16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，均可作为本发明第一实施例中的支撑结构16。具体地，该支撑结构16可以为一平面结构或一曲面结构，并具有一表面。此时，该发声元件14直接设置并贴合于该支撑结构16的表面。
所述支撑结构16的材料不限，可以为一硬性材料，如金刚石、玻璃或石英。另外，所述支撑结构16还可为一柔性材料，如塑料或树脂。优选地，该支撑结构16的材料应具有较好的绝热性能，从而防止该发声元件14产生的热量过度的被该支撑结构16吸收，无法达到加热周围介质进而发声的目的。另外，该支撑结构16应具有一较为粗糙的支撑表面，从而可以使设置于上述支撑结构16支撑表面的发声元件14与空气或其他外界介质具有更大的接触面积，进而可在一定程度上改善所述发声装置10的发声效果。
所述发声元件14为一热致发声元件，且包括一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构可设置于所述支撑结构16的表面。该碳纳米管结构为膜状或其它形状，且具有较大的比表面积。当所述碳纳米管结构为膜状时，所述发声元件14可为一热致发声膜或一碳纳米管膜结构。所述发声元件14可与所述支撑结构16的支撑表面大致平行。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碳纳米管结构各向同性；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。所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜、多个碳纳米管线或其组合。所述碳纳米管膜可由有序排列的碳纳米管或无序排列的碳纳米管组成。所述多个碳纳米管线可平行设置组成一束状结构或相互扭转组成的一绞线结构。所述碳纳米管线可为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述首尾相连的碳纳米管组成的碳纳米管膜的两端沿相反方向扭转获得。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。可以理解，由于碳纳米管结构设置在所述支撑结构16表面，所述碳纳米管结构可通过所述支撑结构16支撑，故所述碳纳米管结构也可无需具有自支撑结构。
所述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。所述碳纳米管结构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，且碳纳米管基本沿一固定方向择优取向排列，该碳纳米管结构的厚度为50纳米。
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，所述发声元件14与所述支撑结构16之间可以直接粘附固定。进一步地，在所述发声元件14与所述支撑结构16之间还可以进一步包括一粘结层(图未示)。所述粘结层可设置于所述发声元件14的表面。所述粘结层可以将所述发声元件14更好地固定于所述支撑结构16的表面。所述粘结层的材料可为绝缘材料，也可为具有一定导电性能的材料。本实施例中，所述粘结层为一层银胶。
所述第一电极142和第二电极144可分别与所述发声元件14电连接。所述第一电极142和第二电极144可进一步通过一导线149与所述信号输入装置12电连接，用于将所述信号输入装置12的信号输入到所述发声元件14中。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、金属性碳纳米管、铟锡氧化物(ITO)等。由于所述发声元件14设置在所述支撑结构16表面，所述第一电极142和第二电极144可间隔设置固定在所述发声元件14两端或表面。所述第一电极142和第二电极144的设置可与所述发声元件14中的碳纳米管的排列方向有关。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全部碳纳米管沿所述第一电极142至第二电极144的方向延伸。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，并形成较好的电接触。
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，本发明第一实施例可进一步设置多个电极于所述发声元件14表面，其数量不限，只需确保任意两个相邻的电极均间隔设置、与所述发声元件14电连接，且均分别与所述信号输入装置12的两端电连接即可。
可以理解，由于所述发声元件14设置在所述支撑结构16表面，故所述第一电极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。只需确保所述信号输入装置12能将电信号输入给所述发声元件14即可。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发明的保护范围之内。
所述信号输入装置12输入的信号包括交流电信号以及音频电信号等。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，由于碳纳米管结构由均匀分布的碳纳米管组成，碳纳米管具有较小的热容，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，发声效果较好。故本发明实施例中，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。
所述发声装置10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小于3％，所述发声装置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、一支撑结构26、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的结构基本相同，区别在于，本发明第二实施例中的发声元件24环绕所述支撑结构26设置，形成一环形发声元件24。所述支撑结构26的形状不限，可为任何立体结构。优选地，所述支撑结构26为一立方体、一圆锥体或一圆柱体。本发明实施例中，所述支撑结构26为一圆柱体。所述第一电极242、第二电极244、第三电极246和第四电极248间隔设置在所述发声元件24表面并与所述发声元件24电连接。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，从而实现环绕发声效果。
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间隔设置、与所述发声元件24电连接，且均分别与所述信号输入装置22的两端电连接即可。
请参阅图5，本发明第三实施例提供一种发声装置30，该发声装置30包括一信号输入装置32、一发声元件34、一支撑结构36、一第一电极342、一第二电极344。
本发明第三实施例中的发声装置30与第一实施例中的发声装置10的结构基本相同，区别在于，本发明第三实施例中的发声元件34部分设置在所述支撑结构36表面，从而在所述发声元件34表面至支撑结构36之间形成一拢音空间。所形成的拢音空间可为一封闭空间或一开放空间。所述支撑结构36为一V型、U型结构或一具有狭窄开口的腔体。当所述支撑结构36为一具有狭窄开口的腔体时，该发声元件34可平铺固定设置于该腔体的开口上，从而形成一亥姆霍兹共振腔。该支撑结构36的材料可为木质、塑料、金属或玻璃等。本发明实施例中，所述支撑结构36为一V型结构。所述发声元件34固定于支撑结构36，并且基本上相对于该支撑结构36悬空设置。所述V型结构具有两个倾斜的侧壁，该两个侧壁分别具有一第一端和一第二端。所述两个侧壁的第一端紧密连接形成该V型结构。所述发声元件34设置在所述两个侧壁的第二端，即从其中一个侧壁的第二端延伸至另一个侧壁的第二端，使所述发声元件34部分悬空设置，从而在所述发声元件34表面至支撑结构36之间形成一拢音空间。所述第一电极342和第二电极344间隔设置在所述发声元件34表面。所述第一电极342和第二电极344连接导线349后与所述信号输入装置32的两端电连接。所述V型支撑结构36可反射所述发声元件34位于所述支撑结构36一侧的声波，增强所述发声装置30的发声效果。
本发明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发声元件温度变化，从而使其周围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，由于碳纳米管结构具有较小的单位面积热容和大的比表面积，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，由碳纳米管结构组成的发声元件可均匀地加热周围的介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围介质进行快速热交换，使周围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，发声效果较好。另外，当该发声元件厚度比较小时，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，则由碳纳米管结构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。其五，当所述支撑结构为一V型、U型结构或一具有狭窄开口的腔体时，所述发声元件部分设置于所述支撑结构表面，形成一拢音空间，所述支撑结构可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 (24)
1.一种发声装置，其包括：
一发声元件；以及
一信号输入装置，用于输出电信号至该发声元件；
其特征在于，该发声装置包括一支撑结构，该发声元件至少部分通过该支撑结构支撑，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电信号发出相应声波。
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～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1所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件直接设置并贴合于所述支撑结构的表面。
12.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件通过所述支撑结构至少部分悬空设置。
13.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述支撑结构为一V型、U型结构或一具有狭窄开口的腔体，所述发声元件通过该支撑结构部分悬空设置，在所述发声元件至支撑结构之间形成一拢音空间。
14.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述支撑结构为一立体结构，所述发声元件环绕所述支撑结构设置。
15.如权利要求1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、塑料或树脂。
16.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。
17.如权利要求16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。
18.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。
19.如权利要求16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。
20.如权利要求16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。
21.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。
22.一种发声装置，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
一热致发声膜，该热致发声膜通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的电信号；
其特征在于，该发声装置包括一支撑结构，该支撑结构具有一支撑表面，该热致发声膜至少部分通过该支撑结构支撑，并与该支撑表面大致平行，该热致发声膜通过所述至少两电极接收所述信号输入装置输出的电信号发出相应的声波。
23.一种热致发声装置，其特征在于，包括：
一碳纳米管膜结构，
一支撑结构，该碳纳米管膜结构固定于支撑结构，并且该碳纳米管膜结构基本上相对于该支撑结构悬空设置；以及
一信号输入装置，用于输出电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电信号发出相应声波。
24.如权利要求23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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