100年.11.月17日按正替换頁 1356395 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及一種發聲裝置，尤其涉及一種基於奈米碳管 的發聲裝置。 【先前技術】 [0002] 發聲裝置一般由信號輸入裝置和發聲元件組成。通過信 號輸入裝置輸入電信號給發聲元件，進而發出聲音。先 前技術中的發聲元件一般爲一揚聲器。該揚聲器爲一種 把電信號轉換成聲音信號的電聲器件。具體地，揚聲器 可將一定範圍内的音頻電功率信號通過換能方式轉變爲 失真小並具有足夠聲壓級的可聽聲音。揚聲器的種類很 多，雖然它們的工作方式不同，但一般均爲通過産生機 械振動推動周圍的空氣，使空氣介質産生波動從而實現 “電-力-聲”之轉換。 [0003] 請參閱圖1，先前的電動式揚聲器100通常由三部分組成 :音圈102、磁鐵104及振膜106。音圈102通常採用一導 體，當音圈102中輸入一個音頻電流信號時，音p 102相 當於一個載流導體。若將其放在固定磁場裏，根據載流 導體在磁場中會受到洛倫茲力作用，音圈102會受到一個 大小與音頻電流成正比、方向隨音頻電流方向變化而變 化的力。故，音圈102就會在磁場作用下産生振動，並帶 動振膜106振動，振膜106前後的空氣亦隨之振動，將電 信號轉換成聲波向四周輻射。然而，該電動式揚聲器100 的結構較爲複雜，且其必須在有磁的條件下工作。
I
[0004] 進一步地，先前技術中的發聲裝置的發聲原理爲“電-力 097124106 表單編號A0101 第3頁/共23頁 1003423497-0 1356395 「100年11月17曰俊正销ξτί" 耳之轉換原理》即發聲的最基本條件爲電信號的輸入 。在極端環境’如無電環境下，則無法應用上述發聲裝 置進行發聲。 [_衫效應係指當物質受到周期性強度調㈣光照射時， 會産生聲《的現象。當物質受到光照射時物質因吸 收光能而受激發，並通過非輕射躍遷使吸收的光能全部 或部分轉變爲熱。如果照射的光束經過周期性的強度調 製，則在物質内産生周期性的溫度變化，使這部分物質 及其鄰近的媒質熱脹冷縮而産生應力（或壓力）的周期 性變化’因而産生聲信號，此種信號稱光聲信號。光聲 k號的頻率與光調製頻率相同，其強度和相位則决定於 物質的光學、熱學、彈性和幾何的特性。目前，利用光 聲效應製造的光聲譜儀及光聲顯微鏡已經被廣泛應用於 物質組分分析檢測領域。例如，先前技術中的光聲譜儀 一般包括一光源 '—樣品室及一信號檢測器。該光源一 般爲一調製的脈衝雷射源或連續雷射源》該信號檢測器 一般爲一麥克風。該樣品室中放置有待測的樣品，該樣 品材料不限，可以爲氣體、液體或固體材料，如一固體 粉末或一生物樣品等《該雷射源發射雷射照射到樣品室 中的樣品上，由於光聲效應中産生的聲能直接正比於物 質吸收的光能，而不同成分的物質在不同光波的波長處 出現吸收峰值，故當具有多譜線或連續光譜的光源以不 同波長的光束相繼照射樣品時，樣品内不同成分的物質 將在與各自的吸收峰相對應的光波波長處産生光聲信號 極大值。該信號檢測器通過檢測該光聲信號的極大值’ 097124106 表單编號A0101 第4頁/共23頁 1003423497-0 1356.395 100年11-月17日核正雜頁 從而判斷待測樣品的材料種類。 ' [0006] 然而，一般材料受到光吸收能力的限制，産生的光聲信 號強度較弱，且頻率範圍在兆赫茲以上，只能通過麥克 風或壓電傳感器等換能裝置接收，故，先前技術中還沒 有利用光聲效應製造的發聲裝置使其産生的聲音信號能 直接被人耳感知。另外，先前技術中也沒有將廣義的電 磁波應用光聲效應製造的發聲裝置。 [0007] 自九十年代初以來，以奈米碳管（請參見Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, Sum-io Iijima，vol 354，p56(1991))爲代表的奈米材料 以其獨特的結構和性質引起了人們極大的關注。近幾年 來，隨著奈米碳管及奈米材料研究的不斷深入，其廣闊 的應用前景不斷顯現出來。例如，由於奈米碳管所具有 的獨特的電磁學、光學、力學、化學等性能，大量有關 其在場發射電子源、傳感器、新型光學材料、軟鐵磁材 料等領域的應用研究不斷被報道。然而，先前技術中卻 尚未發現奈米碳管作爲發聲元件用於聲學領域。 [0008] 有鑒於此，提供一種結構簡單，可在無磁、無電的條件 下直接發出能夠被人耳感知的聲音的發聲裝置實為必要 〇 【發明内容】 [0009] 一種發聲裝置，其包括一電磁波信號輸入裝置及一發聲 元件。該發聲元件與該電磁波信號輸入裝置間隔設置。 其中，所述發聲元件包括一奈米碳管薄膜，該奈米碳管 薄膜包括多個相互纏繞的奈米碳管，該電磁波信號輸入 097124106 表單編號 A0101 第 5 頁/共 23 頁 1003423497-0 1356395 _^ 100年.11月17日梭正替換頁 裝置傳遞電磁波信號至該奈米碳管薄膜，使該奈米碳管 薄膜通過吸收該電磁波信號發熱，從而加熱氣體介質發 出聲波。 [0010] 相較於先前技術，所述發聲裝置具有以下優點：其一， 由於所述發聲裝置中的發聲元件僅由奈米碳管薄膜組成 ，無需磁鐵等其它複雜結構，故該發聲裝置的結構較爲 簡單，有利於降低該發聲裝置的成本。其二，該發聲裝 置利用輸入信號造成該奈米碳管薄膜溫度變化，從而使 其周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，進而發出聲波，故該 奈米碳管薄膜組成的發聲裝置可在無磁的條件下工作。 其三，由於該奈米碳管薄膜由相互纏繞的奈米碳管組成 ，故該奈米碳管薄膜具有較小的熱容和大的比表面積， 故該奈米碳管薄膜具有升溫迅速、熱滞後小、熱交換速 度快的特點，故該奈米碳管薄膜組成的發聲裝置可以發 出很寬頻譜範圍内的聲音（ΙΗζ-lOOkHz)，且具有較好 的發聲效果。其四，由於奈米碳管薄膜中奈米碳管相互 纏繞，具有較好的機械強度和韌性，所述奈米碳管薄膜 可以彎曲折叠成任意形狀而不破裂，從而有利於製備由 奈来碳管薄膜組成的各種形狀、尺寸的發聲裝置，進而 方便地應用於各種領域。其五，由於奈米碳管具有極大 的比表面積，在凡德瓦爾力的作用下，奈米碳管薄膜本 身有很好的黏附性，故奈米碳管薄膜可方便地直接黏附 於支撐結構表面。 【實施方式】 [0011] 以下將結合附圖詳細說明本技術方案實施例的發聲裝置 097124106 表單编號A0101 第6頁/共23頁 1003423497-0 1356395 100年11.月17日核正_頁 〇 [0012] 請參閱圖2 ’本技術方案第一實施例提供一種發聲裝置1〇 ，該發聲裝置1〇包括一電磁波信號輸入裝置112 , 一發聲 兀件114，一支撐結構116及一調製裝置118。該發聲元 件114設置於該支撐結構116上。該支撐結構丨丨6爲一可 選擇結構，用於支撐和gj定該發聲元件114。該電磁波信 號輸入裝置112與該發聲元件114對應且間隔設置，用於 長:供電磁波k號1 20 »該調製裝置118設置於該電磁波 信號輸入裝置112與發聲元件ι14之間，用於對所述電磁 波信號12G騎強度或頻㈣婦1該電磁波信號輸入 裝置112發出的電磁波信號120通過該調製裝置H8進行 強度和頻率的調製後傳遞至該發聲元件114表面。 [0013] 所述發聲元件114包括-奈米碳管薄膜。該奈米碳管薄膜 包括多個相互緯繞的奈米碳管，其掃描電鏡照片請參見 圖3。所述奈米碳管薄膜中，奈米碳管爲各向同性，均勻 分佈’無規則排列。所述奈Μ管之間通過凡德瓦爾力 相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構，進而形成大量的微 孔。該微孔的孔徑小於10微米。大量微孔的存在可確保 所述發聲元件114具有較大的比表面積。所述奈来碳管的 長度較長且相互纏繞，故，該奈米碳管薄膜具有自支撐 結構。所述奈米碳管薄膜中的奈米碳管可爲單壁奈米碳 管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所 述單壁奈米碳管的直徑爲0.5奈米~5〇奈米，所述雙壁奈 米碳管的直徑爲1.0奈米〜50奈米，所述多壁奈米碳㈣ 直徑爲1. 5奈米〜50奈米。所述奈米碳管薄膜的長度及寬 097124106 表單編號Α0101 1003423497-0 1356395 100年.11月17日孩正替換百 度不限，可根據實際需求製備。 [0014] 可以理解，所述奈米碳管薄膜的厚度不能太厚，太厚則 影響奈米碳管與周圍氣體介質進行熱交換，從而影響該 發聲元件114的發聲效果。另外，該奈米碳管薄膜的厚度 不能太薄，太薄則該奈米碳管薄膜強度較差，在發聲過 程中容易損壞。當所述奈米碳管薄膜的厚度比較小時， 例如小於10微米，該奈米碳管薄膜具有較高的透明度， 故採用該奈米碳管薄膜的發聲元件11 4爲透明發聲元件 114，此時，可以將該發聲元件114直接設置在各種顯示 裝置、手機顯示屏或油晝的上表面，從而達到節省空間 的目的。優選地，所述奈米碳管薄膜的厚度爲0.5奈米~1 毫米。本技術方案實施例中，所述奈米碳管薄膜的長度 爲3厘米，寬度爲3厘米，厚度爲50奈米。 [0015] 另外，由於奈米碳管相互纏繞，故所述奈米碳管薄膜具 有很好的韌性，可以彎曲折叠成任意形狀而不破裂。本 技術方案實施例中的奈米碳管薄膜爲一平面結構。 [0016] 所述支撐結構116主要起支撐作用，其形狀不限，任何具 有確定形狀的物體，如一牆壁或桌面，均可作爲本技術 方案第一實施例中的支撐結構116。具體地，該支撐結構 116可以爲一平面或曲面結構，並具有一表面。此時，該 發聲元件114直接設置並貼合於該支撐結構11 6的表面上 。由於奈米碳管具有極大的比表面積，在凡德瓦爾力的 作用下，該奈米碳管薄膜本身有很好的黏附性，故採用 該奈米碳管薄膜作發聲元件114時，可以將奈米碳管薄膜 直接黏附於支撐結構116表面。進一步地，所述支撐結構 097124106 表單编號A0101 第8頁/共23頁 1003423497-0 1356395 100年.11.月17日梭正替換頁 116與所述發聲元件114之間還可以通過黏結劑相互黏結 ，從而使所述發聲元件114更好地固定在支撐結構116表 面上。所述黏結劑可以爲一耐高溫的矽膠。 [0017] 由於該發聲元件114整體通過支撐結構116支撐，故該發 聲元件114可以承受強度較高的電磁波信號120輸入，從 而具有較高的發聲強度。另外，該支撐結構11 6也可以爲 一框架結構、桿狀結構或不規則形狀結構。此時，該發 聲元件114部分與該支撐結構116相接觸，其餘部分懸空 設置。此種設置方式可以使該發聲元件114與空氣或周圍 介質更好地進行熱交換。該發聲元件114與空氣或周圍介 質接觸面積更大，熱交換速度更快，故具有更好的發聲 效率。 [0018] 該支撐結構116的材料不限，可以爲一硬性材料，如金剛 石、木質材料、玻璃或石英。另外，所述支撐結構11 6還 可爲一柔性材料，如紙質材料、塑膠或樹脂。優選地， 該支撐結構116的材料應具有較好的絕熱性能，從而防止 該發聲元件114産生的熱量過度的被該支撐結構11 6吸收 ，無法達到加熱空氣發聲的目的。另外，該支撐結構116 優選爲具有一較爲粗糙的表面，從而可以使設置於上述 支撐結構116表面的發聲元件114與空氣或其他外界介質 具有更大的接觸面積。 [0019] 可以理解，由於上述發聲元件114中的奈米碳管薄膜爲一 自支撐結構，故該支撐結構11 6爲一可選擇結構。 [0020] 所述電磁波信號輸入裝置112包括一電磁波信號源，該電 097124106 表單編號A0101 第9頁/共23頁 1003423497-0 1356395
100年11月17日修正替换頁I 磁波彳§號源可以發出強度或頻率可變的電磁波，形成一 電磁波信號120。該電磁波信號120的強度或頻率可不斷 變化，從而能夠使作爲發聲元件Π4的奈来碳管薄膜吸收 該電磁波信號120間歇加熱空氣，使空氣不斷膨脹收縮， 進而持續發出聲音。該電磁波信號12〇的頻率範圍包括無 線電波、紅外線、可見光、紫外線、微波、χ射線及τ射 線等。優選的，該電磁波信號源爲一光信號源，所發出 的電磁波信號120可以爲一光信號，該光信號的波長包括 從紫外至遠紅外波長的各種光波。該電磁波信號丨2〇的平 均功率控度在1/zW/mm2〜20W/min2範圍内。可以理解，該 電磁波信號1 20的強度不能太弱，太劈則無法使奈米碳管 薄膜充分加熱周圍空氣發出聲音，並且，該電磁波信號 120的強度不能太強’太強使奈米碳管薄膜與空氣中的氧 發生反應’從而破壞該奈米碳管薄膜。優選地，該電磁 波信號源爲一脈衝雷射發生器。 [0021]該電磁波信號輸入裝置112發出的電磁波信號120在發聲 元件114上的入射角度與位置不限。另外，該電磁波信號 1 輸入裝置112與發聲元件114之間的距離不限，但應確保 從該電磁波信號輸入裝置11 2發出的電磁波能夠傳遞至該 發聲元件114表面。優選地，當該電磁波信號爲一光信號 ’且該電磁波信號輸入裝置112與該發聲元件114距離較 遠時，該電磁波信號輸入裝置112可以進一步包括一光纖 ，該光纖一端與所述光信號源連接，另一端延伸至所述 奈米碳管薄膜附近，從而使通過上述雷射發生器發出的 電磁波信號120通過光纖遠距離傳遞至發聲元件114表面 097124106 表單编號Α0101 第10頁/共23頁 1003423497-0 1356395 100年.11月17日核正替&頁 [0022] 所述調製裝置118爲一可選擇結構，設置於該電磁波信號 120的傳輸路徑上，包括強度調製器、頻率調製器或兩者 的結合。所述發聲裝置10通過調製裝置118對電磁波信號 120的強度及頻率進行調製，從而實現使發聲元件114所· 發出的聲音的強度及頻率的改變。具體地，可以通過以 不同頻率開關電磁波信號120調製電磁波信號1 20的強弱 ，或者以不同頻率變化電磁波信號120的強度調製電磁波 信號120的強弱。電磁波信號120強弱的變化影響發聲元 件114發聲頻率的變化。通過對該電磁波信號120進行調 製，可以使該發聲元件114發出不同頻率的聲音。可以理 解，該調製裝置118可以與所述電磁波信號輸入裝置11 2 集成或間隔設置。當所述電磁波信號輸入裝置11 2包括一 光纖時，該調製裝置118可設置於光纖的起始端或結束端 上。本實施例中，該調製裝置118爲一電光晶體。 [0023] 本技術方案實施例發聲裝置中採用奈米碳管薄膜作爲發 聲元件，由於奈米碳管對電磁波的吸收接近絕對黑體， 從而使發聲裝置對於各種波長的電磁波具有均一的吸收 特性。另外，奈米碳管具有較小的熱容和較大的散熱面 積。故，當發聲元件114中的奈米碳管受到如雷射等電磁 波的照射時，奈米碳管因吸收光能而受激發，並通過非 輻射使吸收的光能全部或部分轉變爲熱。奈米碳管溫度 迅速升高，並和周圍的空氣或其他介質進行迅速的熱交 換。如果照射的電磁波經過周期性的強度調製，則在奈 米碳管内産生周期性的溫度變化，從而使其周圍的氣體 097124106 表單編號A0101 第11頁/共23頁 1003423497-0 1356395 100年11月17日梭正替換頁 介質也產生周期性的溫度變化，造成周圍空氣或其他介 質迅速的膨脹和收縮，從而發出聲音《進一步地，本實 施例中，所述發聲元件114包括由大量相互纏繞的奈米碳 管組成的奈米碳管薄膜，故當電磁波信號輸入裝置112發 • 出的電磁波信號120的頻率合適，且發聲元件114周圍介 質爲空氣時，發聲元件114發出的聲音可以直接被人耳感 知。可以理解，當電磁波信號120的頻率增高時，該發聲 元件114可以發出超聲波。 [0024] 請參閱圖4，本技術方案第二實施例提供一種發聲裝置20 ，該發聲裝置20包括一電磁波信號輸入裝置212、一發聲 元件214、一支撐結構21 6及一調製裝置218。 [0025] 該支撐結構21 6爲一框架結構、桿狀結構或不規則形狀結 構。該發聲元件214部分與該支撐結構216相接觸，其餘 部分懸空設置，從而使聲音能夠透過該發聲元件214傳遞 。該電磁波信號輸入裝置212與該發聲元件214對應且間 隔設置。該調製裝置218設置於該電磁波信號輸入裝置 212與發聲元件214之間。 [0026] 該發聲裝置20與第一實施例中的發聲裝置10的結構基本 相似，與第一實施例中的發聲裝置1〇的區別在於，該發 聲裝置20進一步包括一攏音結構222，該攏音結構222間 隔設置在所述發聲元件214遠離電磁波信號220輸入的一 侧。該攏音結構222與該發聲元件214相隔設置，從而使 發聲元件214發出的聲波通過攏音結構222反射，增強該 發聲裝置20的發聲效果。根據發聲元件214的大小，該距 離可以爲1厘米~1米。可以理解，該攏音結構222可以爲 097124106 表單编號A0101 第12頁/共23頁 1003423497-0 1356395 核正 1100年11月17日 具有一較大表面的各種結構，如一平面结構或一曲面結 構。本實施例中，該攏音結構222爲一平板。該攏音結構 222可以通過支架與該發聲元件214間隔。另外，該攏音 結構222與該支撐結構216也可爲一集成設置的整體，如 一具有狭窄開口的腔體，該發聲元件214平舖於該腔體的 開口上，從而形成一亥姆霍茲共振腔。該攏音結構222的 材料爲木質、塑膠、金屬或玻璃等。 [0027] 本技術方案實施例提供的發聲裝置的發聲強度可達1〇〇分 貝聲壓級，發聲頻率範圍爲丨赫茲至1〇萬赫茲（即 ΙΗζ-lOOkHz) °另外，本技術方案實施例中的奈米碳管 薄膜由多個相互纏繞的奈米碳管組成，故該奈米碳管薄 膜具有較好的韌性和機械強度，利用所述奈米碳管薄膜 可方便地製成各種形狀和尺寸的發聲裝置，該發聲裝置 可方便地應用於各種音樂設備中，如音響、手機、Mp3、 MP4、電視、計算機等電子領域及其它發聲裝置中。另外 ，由於電磁波，尤其係雷射，可以在真空中遠距離傳播 ，該發聲裝置可以用於遠距離信號傳輸領域，如將聲音 信號通過電磁波的形式遠距離傳輸。進一步地，由於上 述發聲元件通過電磁波照射即可發聲，故，當該電磁波 爲紅外線、可見光、紫外線、微波、χ射線及了射線時， 該發聲元件可以在-無電、無磁的極端環境下工作。 [0028] 本技術方案實施例提供的發聲裝置具有以下優點：其一 ，由於所述發聲裝置中的發聲元件僅由奈米碳管薄膜組 成，無需磁鐵等其它複雜結構，故該發聲裝置的結構較 爲簡單，有利於降低該發聲裝置的成本。其」由於所 097124106 表單编號Α0101 第13買/共23頁 1003423497-0 1356395 100年.11月17日接正替換頁 述由奈米碳管薄膜組成的發聲元件可以通過輸入一電磁 波信號發聲，故，該發聲元件可以在一無電環境下工作 。其三，該發聲裝置利用輸入信號造成該奈米碳管薄膜 溫度變化，從而使其周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，進 而發出聲波，故該奈米碳管薄膜組成的發聲裝置可在無 磁的條件下工作。其四，由於該奈米碳管薄膜由相互纏 繞的奈米碳管組成，故該奈米碳管薄膜具有較小的熱容 和大的比表面積，故該奈米碳管薄膜具有升溫迅速、熱 滯後小、熱交換速度快的特點，故該奈米碳管薄膜組成 的發聲裝置可以發出很寬頻譜範圍内的聲音（ ΙΗζ-lOOkHz)，且具有較好的發聲效果。其五，由於奈 米碳管薄膜中奈米碳管相互纏繞，具有較好的機械強度 和韌性，所述奈米碳管薄膜可以彎曲折叠成任意形狀而 不破裂，從而有利於製備由奈米碳管薄膜組成的各種形 狀、尺寸的發聲裝置，進而方便地應用於各種領域。其 六，由於奈米碳管具有極大的比表面積，在凡德瓦爾力 的作用下，奈米碳管薄膜本身有很好的黏附性，故奈米 碳管薄膜可方便地直接黏附於支撐結構表面。其七，當 該發聲元件厚度比較小時，例如小於10微米，該發聲元 件具有較高的透明度，此時，可以將該發聲元件直接設 置在各種顯示裝置、手機顯示屏的顯示表面或油畫的上 表面，從而達到節省空間的目的。其八，所述發聲裝置 可進一步包括支撐結構及攏音結構，該支撐結構可以提 高發聲裝置的發聲'強度，該攏音結構可以反射發聲元件 發出的聲波，增強所述發聲裝置的發聲效果。 097124106 表單编號A0101 第14頁/共23頁 1003423497-0 [0029]1356395 100年11月17日修正_頁I 综上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提 出專利申請。惟，以上料者僅林判之較佳實施例 ，自不能以此限制本案之申請專利範 技藝之人士援依本發明之精神所作之 皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 圍。舉凡習知本案 等致修稀或變化， [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] 【圖式簡單說明】 圖1係先前技術中揚聲器的結構示意圖。 圖2係本技術方案第一實施例發聲裝置的& 巧、、告構示意圖。 圖3係本技術方案第一實施例發聲裝置 掃描電鏡照片。 圖4係本技術方案第二實施例發 【主要元件符號說明】 揚聲器：100 音圈：102 磁鐵：104 振膜：106 奈米碳管薄膜的 聲裴置的結構示意圖 發聲裝置：10，20 電磁波信號輸入裝置：112，212 發聲元件：114，214 支撐結構：116，216 調製裝置：118，218 097124106 表單編號A0101 第15頁/共23頁 1003423497-0 100年11月17日梭正替換百 1356395 [0043] 電磁波信號：120，220 [0044] 攏音結構：222 1003423497-0 097124106 表單编號A0101 第16頁/共23頁