专利名称：发声装置的制作方法
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l,现有的电动式扬声器100通常由三部分组成音圏102、》兹铁104以及振膜106。音圏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变化而变化的力。因此，音圏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
5而，现有技术中却尚未发现碳纳米管用于声学领域。
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，所述发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，所述发声元件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；以及一发声元件，该发声元件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，该发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管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，所述发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个大致平行的碳纳米管，该碳纳米管通过范德华力的作用而形成该碳纳米管膜，该碳纳米管的延伸方向大致与该碳纳米管膜的表面平行，所述碳纳米管膜用于接收所述信号输入装置输出的电信号发出相应声波。
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包括碳纳米管膜，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，由于碳纳米管膜具有较小的单位面积热容和较大的比表面积，且碳纳米管膜中的碳纳米管首尾相连，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膜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，当该发声元件的厚度比较小时，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，故由首尾相连的碳纳米管组成的碳纳米管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。
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中碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图4是图3中的碳纳米管膜中的碳纳米管片段的结构示意图。
图5是本发明第一实施例发声装置的频率响应特性曲线。
图6是本发明第二实施例发声装置的结构示意图。
具体实施例方式
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i殳置，且与所述发声元件14电连接。另外，所述第一电极142和第二电极144与所述信号输入装置12电连接，用于将所迷信号输入装置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膜。该碳纳米管膜包括多个大致平行的碳纳米管，该碳纳米管通过范德华力的作用而形成该碳纳米管膜，该碳纳米管的延伸方向大致与该碳纳米管膜的表面平行。该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管。碳纳米管膜中的碳纳米管均匀分布。所述碳纳米管在该碳纳米管膜中基本或大致沿同一方向择优取向排列。所述碳纳米管膜可通过从一碳纳米管阵列中直接拉取而获得。请参阅图3及图4，进一步地，所述碳纳米管膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管片段143，每个碳纳米管片段143具有大致相等的长度，且碳纳米管片段143两端通过范德华力相互连接。该碳纳米管片段143包括多个长度相等且相互平行排列的碳纳米管145。上述从一碳纳米管阵列中直接拉取而获得的碳纳米管膜可进一步经过挥发性有机溶剂处理，处理后的碳纳米管膜的表面体积比减小，粘性降低，且其机械强度及韧性得到增强。所述碳纳米管膜的厚度可为0.5纳米 100微米。所述发声元件14的厚度可为0.5纳米~1毫米。进一步地，所述发声元件14包括至少两层层叠设置的碳纳米管膜，相邻的碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合。该发声元件14中的碳纳米管膜的层数不限，且相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管145的排列方向之间具有一交叉角度a, a大于等于0度且小于等于卯度，具体可依据实际需求制备。当所述发声元件14包括多层碳纳米管膜时，由于相邻两层碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合，故所述发声元件14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，从而使发声元件14具有特定的形状。所述发声元件14的单位面积热容可小于2xl(T^焦耳每平方厘米开尔文。优选地，所述发声元件14的单位面积热容小于1.7xl0^焦耳每平方厘米开尔文。所述碳纳米管膜中的碳纳米管145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^^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。所述由至少一层碳纳米管膜组成的发声元件14的长度及宽度不限，具体可根据实际需求制备。本发明实施例中，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。当该发声元件14的厚度比较小时，例如小于10微米，该发声元件具有较高的透明度，故采用该发声元件14的发声装置IO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IO。
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。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。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。所述第一电才及142和第二电才及144进一步通过一外接导线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具有自支撑结构，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沿所述第一电极142至第二电极144的方向延伸。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和第二电才及144间隔设置固定在所述发声元件14两端，且所述发声元件14中的碳纳米管可基本沿所述第一电极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，该碳纳米管膜本身有很好的粘附性，故采用该至少一层碳纳米管膜作发声元件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4吏所述第一电极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具有自支撑结构时，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。另外，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将信号输入到发声元件14中。
上述发声装置IO在使用时，由于碳纳米管膜具有较小的热容和较大的
9比表面积，且碳纳米管膜中的碳纳米管首尾相连、均匀分布，由至少一层碳
纳米管膜组成的发声元件14具有较小的单位面积热容，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，所述发声元件14可均勻地加热周围介质、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。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lHz 100kHz)。图5为釆用长宽均为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,当输入电压为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5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，发声频率范围为100赫兹至10万赫兹(即100Hz 100kHz)，且所述发声装置在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IO具有较好的发声效果。另外，本发明实施例中的碳纳米管膜具有较好的韧性和机械强度，故由至少一层碳纳米管膜组成的发声元件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6,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，且平行间隔设置于至少两个平面内。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。任意两个相邻的电才及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，可降低工作电压。且，上迷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，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，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，从而使其周围介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，无需振膜，且故该发声元件组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其三，由于碳纳米管膜具有较小的单位面积热容和大的比表面积，且碳纳米管膜中的碳纳米管首尾相连且择优取向排列且部分碳纳米管的排列方向沿从所述第一电极至第二电极的方向延伸，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膜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，当该发声元件的厚度比较小时，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，则由至少两层由择优取向排列的碳纳米管组成的碳纳米管膜具有较
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。其五，由于碳纳米
管膜为从直接一碳纳米管阵列中拉取获得，其具有极大的比表面积，在范德
华力的作用下，所述碳纳米管膜具有较好的粘性，从而有利于制备大面积的
发声元件及发声装置。
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。
权利要求
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；其特征在于所述发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，所述发声元件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2xl(^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1.7xl0《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，所述发声元件加热周围介质发 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，所述发声元件的厚度为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，所述碳纳米管在碳纳米管膜中 基本沿同 一方向择优取向排列。
10. 如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管膜进一步包括多 个首尾相连的碳纳米管片段，每个碳纳米管片段具有大致相等的长度且每个 碳纳米管片段由多个相互平行的碳纳米管构成，碳纳米管片段两端通过范德 华力相互连接。
11. 如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管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〃暖纳米管的直径为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^^纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。
12. 如权利要求l所述的发声装置，其特征在于，所述发声元件包括至少两层层 叠设置的碳纳米管膜，且相邻两层碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合。
13. 如权利要求l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。
14. 如权利要求13所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置包括两个电极， 所述发声元件中至少部分碳纳米管沿其中一个电极向另一个电极的方向延 伸。
15. 如权利要求13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。
16. 如权利要求l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。
17. 如权利要求13所述的发声装置，其特征在于，所述至少两电极为一维、二 维或三维结构。
18. 如权利要求13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。
19. 如权利要求13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。
20. 如权利要求l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。
21. —种发声装置，其包括 一信号输入装置；至少两电极，该至少两电才及间隔设置；以及一发声元件，该发声元件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，该发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管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。
22. —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；其特征在于所述发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多 个大致平行的碳纳米管，该碳纳米管通过范德华力的作用而形成该碳纳米管 膜，该碳纳米管的延伸方向大致与该碳纳米管膜的表面平行，所述碳纳米管 膜用于接收所述信号输入装置输出的电信号发出相应声波。
全文摘要
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，所述发声元件包括至少一层碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，所述发声元件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。
文档编号H04R23/00GK101600141SQ20091013927
公开日2009年12月9日 申请日期2009年4月22日 优先权日2008年6月4日
发明者姜开利, 林 肖, 范守善, 卓 陈 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司