TWI403180B - 音箱 - Google Patents

Description

音箱

本發明涉及一種音箱，尤其涉及一種基於奈米碳管的音箱。

音箱分為有源音箱和無源音箱兩類。有源音箱一般包括箱體、設置於箱體之中的揚聲器、分頻器、功率放大器及驅動功率放大器工作的電源。無源音箱一般僅包括箱體及設置於箱體之中的揚聲器。

音箱的箱體一般為一具有一定形狀及容積的殼體，其材料為木質、塑料或陶瓷等吸音效果好的材料。

揚聲器用於將電信號轉換成聲音信號。具體地，揚聲器可將一定範圍內的音頻電功率信號通過換能方式轉變為失真小並具有足够聲壓級的可聽聲音。先前的揚聲器的種類很多，根據其工作原理，分為：電動式揚聲器、電磁式揚聲器、靜電式揚聲器及壓電式揚聲器。雖然它們的工作方式不同，但一般均為通過產生機械振動推動周圍的空氣，使空氣介質產生波動從而實現“電-力-聲”之轉換。其中，電動式揚聲器的應用最為廣泛。

請參閱圖1，先前的採用電動式揚聲器的無源音箱10一般包括一箱體110及設置於箱體110內部的揚聲器100。該揚聲器100通常由三部分組成：音圈、磁鐵及振膜。音圈通常採用通電導體，當音圈中輸入一個音頻電流信號時，音圈相當於一個載流導體。由於放在所述磁鐵產生的磁場裏，根據載流導體在磁場中會受到洛侖茲力，音圈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，音圈就會在所述磁鐵產生的磁場作用下產生振動，並帶動振膜振動，振膜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，該採用電動式揚聲器100的音箱10的結構較為複雜，且其必須在有磁的條件下工作。

自九十年代初以來，以奈米碳管(請參見Helical microtubules of graphitic carbon,Nature,Sumio Iijima,vol 354,p56(1991))為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，先前技術中却尚未發現奈米碳管用於聲學領域。

有鑒於此，提供一種結構簡單，可在無磁的條件下工作的音箱實為必要。

一種音箱，其包括：一箱體；及至少一揚聲器，該揚聲器設置於箱體內部，其中：至少一揚聲器包括一奈米碳管結構，所述奈米碳管結構將音頻電信號轉換為熱能，從而加熱周圍氣體介質發出聲波。

相較於先前技術，所述音箱具有以下優點：其一，由於所述音箱中的揚聲器僅包括奈米碳管結構，無需磁鐵等其它複雜結構，故該音箱的結構較為簡單，有利於降低該音箱的成本。其二，該音箱利用外部輸入的音頻電信號造成該奈米碳管結構溫度變化，從而使其周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，進而發出聲波，無需振膜，故該揚聲器組成的音箱可在無磁的條件下工作。其三，由於奈米碳管結構具有較小的熱容和大的比表面積，在輸入信號後，根據信號强度(如電流强度)的變化，由一層狀奈米碳管結構組成 的揚聲器可均勻地加熱周圍的氣體介質、迅速升降溫、產生周期性的溫度變化，並和周圍氣體介質進行快速熱交換，使周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，發出人耳可感知的聲音，且所發出的聲音的頻率範圍較寬(1Hz~100kHz)、發聲效果較好。其四，由於奈米碳管具有較好的機械强度和韌性，耐用性較好，從而有利於製備由奈米碳管結構組成的各種形狀、尺寸的音箱，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，故奈米碳管結構具有較好的粘附性，可直接粘附在音箱的箱體內部，從而使音箱具有更簡單的結構。

10,20,30,40,50,60,70‧‧‧音箱

100,200,300,400,500,600,700‧‧‧揚聲器

110,210,310,410,510,610,710‧‧‧箱體

143‧‧‧奈米碳管片段

145‧‧‧奈米碳管

202,302,402,502,602,702‧‧‧奈米碳管結構

204,304,404,504,604,704‧‧‧電極

212,312,412,512,612,712‧‧‧第一通孔

230‧‧‧分頻器

240‧‧‧功率放大電路

250‧‧‧電源電路

314,414‧‧‧第二通孔

316‧‧‧倒相管

318‧‧‧支撑結構

416‧‧‧擋板

516,716‧‧‧無源錐盆

616‧‧‧號角

6162,7162‧‧‧第一端

6164,7164‧‧‧第二端

圖1係先前技術中音箱的結構示意圖。

圖2係本技術方案第一實施例音箱的結構示意圖。

圖3係本技術方案第一實施例音箱中奈米碳管結構的結構示意圖。

圖4係本技術方案第一實施例音箱中奈米碳管結構的掃描電鏡照片。

圖5係本技術方案第一實施例音箱的連接關係示意圖。

圖6係本技術方案第二實施例音箱的結構示意圖。

圖7係本技術方案第二實施例具有支撑結構的音箱的結構示意圖。

圖8係本技術方案第三實施例音箱的結構示意圖。

圖9係本技術方案第四實施例音箱的結構示意圖。

圖10係本技術方案第五實施例音箱的結構示意圖。

圖11係本技術方案第六實施例音箱的結構示意圖。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案實施例的音箱。

本技術方案提供一種音箱，該音箱包括一箱體；及至少一揚聲器，該揚聲器設置於箱體內部。

請參閱圖2，本技術方案第一實施例提供一種密閉式音箱20，該音箱包括一箱體210及至少一揚聲器200。該箱體210具有至少一第一通孔212，所述揚聲器200具有與該第一通孔212基本等大的面積，並覆蓋於箱體210的第一通孔212上。該箱體210與覆蓋於箱體210的第一通孔212上的揚聲器200共同形成一密閉空間。具體地，該揚聲器200從箱體210內部覆蓋該第一通孔212。

所述箱體210的材料為吸音性能好並具有一定强度的材料，如：木質、金剛石、玻璃、石英、陶瓷、塑料或樹脂等。

所述至少一揚聲器200包括一奈米碳管結構202。該奈米碳管結構202為層狀或其它形狀，且具有較大的比表面積。具體地，該奈米碳管結構202可為至少一層奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或所述奈米碳管膜和線狀結構組成的複合結構。所述奈米碳管結構202包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管結構202中的奈米碳管為無序或有序排列。具體地，當奈米碳管結構202包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管結構202包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者多個方向擇優取向排列。該奈米碳管結構202的厚度為0.5奈米~1毫米。所述奈米碳管結構202的厚度太大，則比表面積減小，熱容增大；所述奈米碳管結構202的厚度太小，則機械强度較差，耐用性不够好。優選地，該奈米碳管結構202的厚度為50奈米。當該奈米碳管結構202厚度比較小時，例如小於10微米，該奈米碳管結構202有很好的透明度。該奈米碳管結構202中的奈米碳管包括單壁奈米碳管 、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為0.5奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。可理解，所述奈米碳管結構202的具體結構不限，只需滿足下述三個條件，即：為層狀或其它形狀，且具有較大的比表面積；包括均勻分佈的奈米碳管；及厚度為0.5奈米~1毫米。優選地，所述奈米碳管結構202包括有序排列的奈米碳管，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列。本技術方案實施例中，所述奈米碳管結構202為一奈米碳管拉膜結構，其包括一層或重叠設置的多層從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的奈米碳管膜。請參閱圖3及圖4，進一步地，所述奈米碳管結構202中奈米碳管膜包括多個奈米碳管沿拉取方向首尾相連並擇優取向排列且均勻分佈。具體地，所述奈米碳管膜包括多個首尾相連且定向排列的奈米碳管片段143，每個奈米碳管片段143具有大致相等的長度，且奈米碳管片段143兩端通過凡德瓦爾力相互連接。該奈米碳管片段143包括多個長度相等且相互平行排列的奈米碳管145。當所述奈米碳管拉膜結構包括多層奈米碳管膜相互重叠設置時，相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管之間具有一交叉角度α，α大於等於0度且小於等於90度。奈米碳管結構202的厚度越大，低頻效果越好，强度越大；奈米碳管結構202的厚度越小，高頻效果越好，發聲效率越高。根據奈米碳管結構202的厚度不同，所述揚聲器200具有不同的頻響範圍，具體可為高頻揚聲器200、中頻揚聲器200或低頻揚聲器200。

所述揚聲器200可通過粘結劑、卡槽、釘扎結構等方式固定設置於箱體210側壁上並覆蓋箱體210上的第一通孔212。另，由於奈米碳管結構202中的奈米碳管具有極大的比表面積，在凡德瓦爾力的作用下，該奈米碳管結構202本身有很好的粘附性，並且，該奈米碳管結構202具有很好的自支撑性，故該揚聲器200可直接粘附在所述箱體210的側壁上。

進一步地，所述揚聲器200可進一步包括至少兩電極204間隔設置並與該奈米碳管結構202電連接。所述電極204可間隔設置並固定在所述揚聲器200兩端或表面，用於將外部音頻電信號輸入至揚聲器200，從而使所述揚聲器200發聲。所述電極204由導電材料形成，其具體形狀結構不限。具體地，所述電極204可選擇為層狀、棒狀、塊狀或其它形狀。所述電極204的材料可選擇為金屬、導電聚合物、導電膠、金屬性奈米碳管、銦錫氧化物(ITO)等。本技術方案實施例中，所述電極204為間隔塗附於所述奈米碳管結構202表面的導電銀膠層。

由於所述電極204間隔設置，所述揚聲器200應用於音箱20時能接入一定的阻值避免短路現象產生。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，該奈米碳管結構202本身有很好的粘附性，故所述電極204與所述奈米碳管結構202之間可直接粘附固定，並形成很好的電接觸，另，可採用導電粘結層將電極204粘附固定於奈米碳管結構202表面。

可理解，所述電極204為可選擇的結構。所述外部音頻電信號源可直接通過導線或電極引線等方式與所述奈米碳管結構202電連接。另，任何可實現所述外部音頻電信號源與所述奈米碳管結構202之間電連接的方式都在本技術方案的保護範圍之內。

可理解，當所述音箱20包括多個揚聲器200時，只需其中至少一揚聲器200包括一奈米碳管結構202即可。具體地，可根據需要選擇其他類型的揚聲器，如振膜式揚聲器或壓電式揚聲器等，與本技術方案中包括奈米碳管結構202的揚聲器200一並設置於音箱20內部，從而達到較好的發聲效果。

進一步地，根據揚聲器200的頻響範圍不同，該音箱20可進一步包括一分頻器230設置於音箱20內部。請參閱圖5，分頻器230的輸出端分別與多個與所述揚聲器200電連接，音頻電信號通過分頻器230的輸入端輸入。分頻器 230用於將全頻段音頻電信號進行頻率分割，經過分頻器230分頻的高頻信號、中頻信號及低頻信號分別傳送至高頻揚聲器200、中頻揚聲器200、低頻揚聲器200，並通過不同的揚聲器200發出聲音。

進一步地，當所述音箱20為一有源音箱20時，可進一步包括一功率放大電路240及一電源電路250，設置於音箱20內部。該電源電路250與功率放大電路240電連接，用於提供該功率放大電路240的工作電壓。當該音箱20不包括分頻器230時，該功率放大電路240與揚聲器200電連接；當該音箱20包括分頻器230時，該功率放大電路240與該分頻器230電連接，用於將外部輸入的音頻電信號進行功率放大。可理解，當所述音箱20為一無源音箱20時，該音箱20與外部的功率放大器電連接。

使用時，外部音頻電信號通過功率放大電路240放大，放大的音頻信號輸入至分頻器230分為不同頻段的音頻信號，最後傳遞至相應的揚聲器200，使揚聲器200發聲。

上述音箱20在使用時，由於奈米碳管結構202具有較小的熱容(小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文)和大的比表面積，在輸入信號後，根據信號强度(如電流强度)的變化，由奈米碳管結構202組成的揚聲器200可均勻地加熱周圍的氣體介質、迅速升降溫、產生周期性的溫度變化，並和周圍氣體介質進行快速熱交換，使周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，將音頻電信號轉換為熱能，從而改變奈米碳管結構202周圍氣體介質密度，發出人耳可感知的聲音，且所發出的聲音的頻率範圍較寬、發聲效果較好。故本技術方案實施例中，所述揚聲器200的發聲原理為“電-熱-聲”的轉換，具有廣泛的應用範圍。

請參閱圖6，本技術方案第二實施例提供一種倒相式音箱30，包括一箱體310及至少一揚聲器300，該揚聲器300設置於箱體310內部。該揚聲器300 包括一奈米碳管結構302及至少兩電極304間隔設置並與該奈米碳管結構302電連接。

該倒相式音箱30的結構與第一實施例的密閉式音箱20基本相同，其區別在於，該音箱30進一步包括至少一倒相管316設置於箱體310內部。具體地，該箱體310具有至少一第一通孔312與至少一第二通孔314。該倒相管與該第二通孔314相連接。該揚聲器300正對箱體310的第一通孔312設置，該揚聲器300可與第一實施例同樣地覆蓋該第一通孔312。

請參閱圖7，該揚聲器300還可與該第一通孔312間隔設置。具體地，該揚聲器300可通過固定於箱體內部的支撑結構318設置。該支撑結構318可為一框架結構，該揚聲器300的奈米碳管結構302粘附固定於該框架結構上。

請參閱圖8，本技術方案第三實施例提供一種迷宮式音箱40，包括一箱體410及至少一揚聲器400，該揚聲器400設置於箱體410內部。該揚聲器400包括一奈米碳管結構402及至少兩電極404間隔設置並與該奈米碳管結構402電連接。

該迷宮式音箱40的結構與第一實施例的密閉式音箱20基本相同，其區別在於，該音箱40進一步包括多個擋板416設置於箱體410內部。具體地，該箱體410具有至少一第一通孔412與至少一第二通孔414。該多個擋板416將箱體410內部分割形成至少一傳輸通道，該傳輸通道與該第二通孔414相連。該揚聲器400正對箱體410的第一通孔412設置。與第二實施例相同，該揚聲器400可覆蓋該第一通孔412，或與該第一通孔412間隔設置。

請參閱圖9，本技術方案第四實施例提供一種被動輻射式音箱50，包括一箱體510及至少一揚聲器500，該揚聲器500設置於箱體510內部。該揚聲器500包括一奈米碳管結構502及至少兩電極504間隔設置並與該奈米碳管結 構502電連接。

該被動輻射式音箱50的結構與第一實施例的密閉式音箱20基本相同，其區別在於，該音箱50進一步包括至少一無源錐盆516設置於箱體510內部。具體地，該箱體410具有至少一第一通孔512與至少一第二通孔514。該無源錐盆516設置於該第二通孔514上，並與該第二通孔514相連接。與第二實施例相同，該揚聲器500可覆蓋該第一通孔512，或與該第一通孔512間隔一定距離設置。該無緣錐盆516的材料為振動膜材料，如紙質材料、樹脂、金剛石、纖維素、碳化硼及陶瓷等。

請參閱圖10，本技術方案第五實施例提供一種號角式音箱60，包括一箱體610及至少一揚聲器600，該揚聲器600設置於箱體610內部。該揚聲器600包括一奈米碳管結構602及至少兩電極604間隔設置並與該奈米碳管結構602電連接。

該號角式音箱60的結構與第一實施例的密閉式音箱20基本相同，其區別在於，該音箱60進一步包括至少一號角616。具體地，該箱體610具有至少一第一通孔612。該號角616具有一較大的第一端6162及較小的第二端6164，該第一端6162設置於該第一通孔614上，並與第一通孔614相連。該揚聲器600覆蓋於該號角616的第二端6164。

請參閱圖11，本技術方案第六實施例提供一種音箱70，包括一箱體710及至少一揚聲器700，該揚聲器700設置於箱體710內部。該揚聲器700包括一奈米碳管結構702及至少兩電極704間隔設置並與該奈米碳管結構702電連接。

該音箱70的結構與第一實施例的密閉式音箱20基本相同，其區別在於，該音箱70進一步包括至少一無源錐盆716。具體地，該箱體710具有至少一第 一通孔712。該無源錐盆716具有一較大的第一端7162及較小的第二端7164，該第一端7162設置於該第一通孔714上，並與第一通孔714相連。該揚聲器700覆蓋於該無源錐盆716的第二端7164。該無緣錐盆716的材料為振動膜材料，如紙質材料、樹脂、金剛石、纖維素、碳化硼及陶瓷等。

可理解，該音箱的結構不限於上述實施例中的音箱結構，其可為上述多種結構共同組成的複合式結構，也可為其它音箱結構，只要音箱中的揚聲器包括一奈米碳管結構即可。

本技術方案實施例提供的音箱具有以下優點：其一，由於所述音箱中的揚聲器可僅包括奈米碳管結構，無需磁鐵等其它複雜結構，故該音箱的結構較為簡單，有利於降低該音箱的成本。其二，該音箱利用外部輸入的音頻電信號造成該揚聲器溫度變化，從而使其周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，進而發出聲波，無需振膜，故該揚聲器組成的音箱可在無磁的條件下工作。其三，由於奈米碳管結構具有較小的熱容和大的比表面積，在輸入信號後，根據信號强度(如電流强度)的變化，由至少一層奈米碳管結構組成的揚聲器可均勻地加熱周圍的氣體介質、迅速升降溫、產生周期性的溫度變化，並和周圍氣體介質進行快速熱交換，使周圍氣體介質迅速膨脹和收縮，發出人耳可感知的聲音，且所發出的聲音的頻率範圍較寬(1Hz~100kHz)、發聲强度可達100dB聲壓級、發聲效果較好。其四，由於奈米碳管具有較好的機械强度和韌性，耐用性較好，從而有利於製備由奈米碳管結構組成的各種形狀、尺寸的音箱，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，故奈米碳管結構具有較好的粘附性，可直接粘附在音箱的箱體上，從而使該音箱具有更簡單的結構。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範 圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

20‧‧‧音箱

200‧‧‧揚聲器

202‧‧‧奈米碳管結構

204‧‧‧電極

210‧‧‧箱體

212‧‧‧第一通孔

Claims (16)

1. 一種音箱，其包括：一箱體；及至少一揚聲器，該揚聲器設置於箱體內部，其改良在於：所述至少一揚聲器包括一奈米碳管結構，所述奈米碳管結構用於將音頻電信號轉換為熱能，從而改變奈米碳管結構周圍氣體介質密度發出聲波。
2. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述揚聲器的熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文。
3. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述揚聲器的發聲頻率大於1赫玆並小於100千赫玆。
4. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述奈米碳管結構包括均勻分佈的奈米碳管。
5. 請求項第4項所述的音箱，其中，所述奈米碳管結構中的奈米碳管為無序或有序排列。
6. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述奈米碳管結構為層狀結構，該層狀結構的厚度為0.5奈米~1毫米。
7. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述奈米碳管結構包括奈米碳管膜、奈米碳管線狀結構或其任意組合形成的複合結構。
8. 請求項第7項所述的音箱，其中，所述奈米碳管膜包括多個奈米碳管沿同一方向首尾相連擇優取向排列。
9. 請求項第8項所述的音箱，其中，所述奈米碳管膜進一步包括通過凡德瓦爾力首尾相連的奈米碳管片段，每個奈米碳管片段具有大致相等的長度 ，並且每個奈米碳管片段由多個相互平行的奈米碳管構成。
10. 請求項第8項所述的音箱，其中，所述奈米碳管結構包括至少兩層重叠設置的奈米碳管膜，且相鄰兩層奈米碳管膜之間通過凡德瓦爾力緊密結合。
11. 請求項第10項所述的音箱，其中，奈米碳管結構中相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向之間具有一交叉角度α，α大於等於0度且小於等於90度。
12. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述揚聲器進一步包括至少兩電極，該至少兩電極間隔設置且與所述奈米碳管結構電連接。
13. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述箱體包括至少一個通孔，所述揚聲器覆蓋該通孔或與該通孔間隔設置。
14. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述音箱進一步包括一分頻器及多個揚聲器，該分頻器分別與所述多個揚聲器電連接。
15. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述音箱進一步包括一功率放大電路及一電源電路，該功率放大電路分別與該電源電路及所述揚聲器電連接。
16. 請求項第1項所述的音箱，其中，所述音箱為密閉式、倒相式、迷宮式、被動輻射式、號角式或上述任意兩種以上結構的組合。