CN101605292A - 发声装置及发声元件 - 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；其中，该发声元件包括至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，该电磁波信号输入装置传递电磁波信号至该碳纳米管膜，使该碳纳米管膜通过吸收该电磁波信号发热，从而加热介质发出声波。本发明还涉及一种发声元件。

Description

发声装置及发声元件

技术领域

本发明涉及一种发声装置及发声元件，尤其涉及一种基于碳纳米管的发声装置及发声元件。

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，且扬声器100中的磁铁102可能对其它与之靠近的电子设备造成不利影响。

进一步地，现有技术中的扬声器的发声原理为“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，则无法应用上述扬声器进行发声。

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。

发明内容

因此，确有必要提供一种发声装置及发声元件，该发声装置结构简单，该发声装置中的发声元件无需磁铁，可在无电的条件下直接发出能够被人耳感知的声音。

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；其中，该发声元件包括至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，该电磁波信号输入装置传递电磁波信号至该碳纳米管膜，使该碳纳米管膜通过吸收该电磁波信号发热，从而加热介质发出声波。

一种发声元件，其包括至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜通过吸收一电磁波信号并发热，从而加热介质发出声波。

一种发声装置，其包括：至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，通过吸收一电磁波信号发热，从而加热该介质发出声波；以及一基体，该碳纳米管膜设置于该基体表面，其中，该基体为显示器、手机、电脑、电视、音响、门、窗、银幕、家具或交通工具。

一种发声装置，其包括：一个或多个普通光源；至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，通过吸收该普通光源发出的光而发热，从而加热该介质发出声波；以及一调制电路与该普通光源电连接，通过输入的音频电信号控制该普通光源的强度或频率的变化。

与现有技术相比较，所述发声装置及发声元件具有以下优点：其一，由于所述发声装置中的发声元件可仅由碳纳米管膜组成，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，故该碳纳米管膜组成的发声元件无需磁铁，避免对其它电子设备造成不利影响。其三，由于该碳纳米管膜具有较小的单位面积热容和较大的比表面积，故该碳纳米管膜具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点，故该碳纳米管膜组成的发声元件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，由于碳纳米管通过范德华力首尾相连，故由碳纳米管组成的碳纳米管膜具有较好的机械强度和韧性，并且首尾相连的碳纳米管沿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，碳纳米管膜本身有很好的黏附性，故碳纳米管膜可方便地直接黏附于支撑结构表面。其六，由于所述碳纳米管膜为从碳纳米管阵列中直接拉取获得，其宽度及长度均不限，因此可以容易地制备较大面积的发声元件。其七，该碳纳米管膜通过将电磁波信号转换为热，无需通电即可发声，适于特殊环境下应用。

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中碳纳米管膜中碳纳米管片段的结构示意图。

图4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5是本发明第一实施例悬空设置的发声元件的结构示意图。

图6是本发明第一实施例通过光纤传输光信号的发声装置的结构示意图。

图7是本发明第一实施例发声元件对800纳米单脉冲激光的响应曲线。

图8～图11是本发明第一实施例发声元件在不同波长激光下的功率-声压响应曲线。

图12是本发明第二实施例发声装置的结构示意图。

图13是本发明第二实施例具有腔体的发声装置的结构示意图。

图14是本发明第三实施例的发声装置的结构示意图。

图15是图14的俯视示意图。

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，并通过该支撑结构116支撑。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包括一碳纳米管层。该碳纳米管层与一气体或液体介质接触。该碳纳米管层具有较大的比表面积，且包括均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管层包括至少一层碳纳米管膜。该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管。该碳纳米管膜中碳纳米管基本平行且平行于碳纳米管膜的表面。所述碳纳米管膜为通过从碳纳米管阵列中直接拉取获得，为一自支撑结构。所谓“自支撑结构”即该碳纳米管膜无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状，悬空设置且两面均能与空气或其它介质接触。由于该自支撑结构的碳纳米管膜中大量碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管膜具有特定的形状，形成一自支撑结构。具体地，每一碳纳米管膜包括多个沿同一方向择优取向且基本平行于碳纳米管膜表面排列的碳纳米管。所述碳纳米管通过范德华力首尾相连，以形成一自支撑的碳纳米管膜。请参阅图3及图4，具体地，每一碳纳米管膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力相互吸引。该碳纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米，宽度与拉取该碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。该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。

该碳纳米管膜中，相邻的碳纳米管具有一定间隙，从而使该碳纳米管膜具有大量微孔，进而使该碳纳米管膜具有极大的比表面积。本实施例中，该碳纳米管膜的比表面积大于100平方米每克。

进一步地，所述碳纳米管层可以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。该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管。该碳纳米管层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之间具有一交叉角度α，0°≤α≤90°，具体可依据实际需求制备。当相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管之间的夹角α大于0°时，在碳纳米管膜结构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。

可以理解，所述碳纳米管层的厚度不能太厚，太厚则影响碳纳米管与周围气体或液体介质进行热交换，从而影响该发声元件114的发声效果。另外，该碳纳米管层的厚度不能太薄，太薄则该碳纳米管层强度较差，在发声过程中容易损坏。该碳纳米管对各种波长的电磁波具有均一的吸收特性，可以理解，该碳纳米管层越厚，吸收光能的能力越好，发声元件114发出的声音强度越大，因此应在保证具有足够小的单位面积热容的前提下，尽量提高该发声元件114的厚度。优选地，所述碳纳米管层的厚度为0.5纳米～1毫米。本实施例中，所述碳纳米管层的长度为3厘米，宽度为3厘米，厚度为50纳米，所述碳纳米管层包括一碳纳米管膜。

由于碳纳米管膜具有极大的比表面积，在范德华力的作用下，该碳纳米管层中的碳纳米管膜本身有很好的粘附性，故采用该碳纳米管层作发声元件114时，可以将碳纳米管层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114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。

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，均可作为本发明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，请参阅图5，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。例如，该发声元件114可包括两相互交叉并层叠设置的碳纳米管膜。该碳纳米管膜的两端固定于支撑结构116上，碳纳米管膜的中部悬空设置。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与空气或周围气体或液体介质接触面积更大，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，无法达到加热周围气体或液体介质发声的目的。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。或者，该支撑结构116表面可具有一凹部，如一通孔或盲孔，该发声元件114覆盖该凹部处悬空，从而增加与空气或其它介质的接触面积。

可以理解，由于上述发声元件114中的碳纳米管层为一自支撑结构，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的碳纳米管层吸收该电磁波信号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层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，太强使碳纳米管层与空气中的氧发生反应，从而破坏该碳纳米管层。该电磁波信号120的平均功率密度越大，该碳纳米管膜的发声强度越强。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，该电磁波信号为一光信号。请参阅图6，该电磁波信号输入装置112可以进一步包括一光纤122，该光纤122一端与所述光信号源124连接，另一端延伸至所述碳纳米管层附近，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122远距离传递至发声元件114表面。该电磁波信号120通过该光纤122传输，可使该电磁波信号输入装置112与该发声元件114距离较远设置，且使该电磁波信号120的传播不受物体阻挡，或沿非直线路径传播。

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122时，该调制装置118可设置于光纤122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。可以理解，当该电磁波信号输入装置112本身发出的电磁波信号120已为一强度或频率变化的信号(如脉冲信号)，该电磁波信号120无需调制，传递至该发声元件114即可实现发声。

本发明第一实施例中碳纳米管膜的制备方法主要包括以下步骤：

步骤一：提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。

本发明实施例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。本实施例中，该超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为50纳米～5毫米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。

本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。

可以理解，本实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法。也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。

步骤二：采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管膜。其具体包括以下步骤：(a)从所述超顺排碳纳米管阵列中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；(b)以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜。该拉取方向沿基本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。

在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其它碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜。该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管基本沿拉伸方向排列。请参阅图3及图4，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管145。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，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包括多个相互平行排列的碳纳米管145。该直接拉伸获得碳纳米管膜的方法简单快速，适宜进行工业化应用。

本实施例中，该碳纳米管膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸以及选定的碳纳米管阵列的宽度有关，该碳纳米管膜的长度不限，可根据实际需求制得。该碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米。该碳纳米管膜中的碳纳米管145可为单壁碳纳米管145、双壁碳纳米管145及多壁碳纳米管145中的一种或多种。所述单壁碳纳米管145的直径为0.5纳米～50纳米。所述双壁碳纳米管145的直径为1.0纳米～50纳米。所述多壁碳纳米管145的直径为1.5纳米～50纳米。

可以理解，由于本实施例超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管145非常纯净，且由于碳纳米管145本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管膜本身具有较强的粘性。因此，该碳纳米管膜作为发声元件114时，可以直接黏附于所述支撑结构116表面。

另外，可使用有机溶剂处理上述碳纳米管膜。具体地，可通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管膜表面浸润整个碳纳米管膜。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。该碳纳米管膜经有机溶剂浸润处理后，在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，该碳纳米管膜可牢固地贴附在支撑结构116表面，且表面体积比减小，粘性降低，具有良好的机械强度及韧性。

请参阅图7，当将一飞秒激光器作为所述信号输入装置112，并从该飞秒激光器中发出一800纳米波长的单脉冲激光，照射至所述碳纳米管膜时，该碳纳米管膜发出一宽度约为10微秒～20微秒的声压信号，这说明该碳纳米管膜最小可响应的激光脉冲宽度为10微秒～20微秒。当一脉冲宽度在10微秒以下的脉冲激光(如此处的飞秒激光)照射至该碳纳米管膜时，其引起的声压响应的信号宽度只能达到微米数量级。

图8～图11分别为波长为355nm的紫外光，532nm的可见光，1.06μm的红外光和10.6μm的远红外光照射至碳纳米管膜的功率-声强响应曲线。可以发现，该激光的平均功率密度越大，该碳纳米管膜的发声强度越强。

本发明实施例发声装置中采用碳纳米管膜作为发声元件114，由于碳纳米管对电磁波的吸收接近绝对黑体，从而使发声元件114对于各种波长的电磁波具有均一的吸收特性。另外，碳纳米管膜具有较小的单位面积热容(该碳纳米管膜的单位面积热容小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文，优选地，小于1.7×10^-6J/cm²·K焦耳每平方厘米开尔文)和较大的散热表面积。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。由于碳纳米管膜具有较小的单位面积热容，故该碳纳米管膜的温度随产生的热量迅速升高，由于该碳纳米管膜具有较大的比表面积，故当该碳纳米管膜吸收光能或其它形式的电磁波的能量产生热量后可以迅速的与周围气体或液体介质进行热交换，从而使周围气体或液体介质加热。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或液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由于密度的改变而迅速的膨胀和收缩，从而发出声音，即通过“电磁波-热-声”的转换实现一热致发声。进一步地，本实施例中，所述发声元件114包括由大量首尾相连的碳纳米管组成的碳纳米管膜，因此当电磁波信号输入装置118发出的电磁波信号120的频率及强度合适，且发声元件114周围介质为气体或液体时，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12，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100微米～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。该拢音结构222的材料为木质、塑料、金属或玻璃等。另外，请参阅图13，该拢音结构222与该支撑结构也可为一集成设置的整体，如一具有狭窄开口226的腔体，该发声元件214平铺于该拢音结构222的开口226上，从而使该拢音结构222具有一亥姆霍兹共振腔。该发声元件214通过拢音结构222固定，并部分悬空设置。

请参阅图14及图15，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312、一发声元件314及一支撑结构316。该支撑结构316为一框架结构，该发声元件314通过该框架结构支撑，并部分悬空设置。

该第三实施例的发声装置30与第一实施例的发声装置10基本相同，其区别在于，该电磁波信号输入装置312包括一调制电路330。该调制电路330与一电信号装置340电连接，并根据该电信号装置340输入的音频电信号控制该电磁波信号输入装置312发出的电磁波信号的强度和/或频率的变化。

本实施例中，该信号输入装置312可包括一个或多个普通光源320。该发声元件314的悬空部分正对该普通光源320，并与该普通光源320接触或间隔设置。当314与320间隔设置时，该普通光源320与该发声元件314之间的距离不限，但应确保足够强度的光能够到达作为发声元件314的碳纳米管结构表面。优选地，该普通光源320与该发声元件314之间间隔小于1厘米。本实施例中，该普通光源320与该发声元件314之间间隔5毫米。该调制电路330与该普通光源320电连接。该调制电路330用于接收从一外接的电信号装置340输入的音频电信号，并根据该音频电信号频率的变化控制该普通光源320的发光强度或频率。具体地，该调制电路330可通过根据该音频电信号的频率控制该普通光源320的开关实现对该普通光源320发光强度的控制。本实施例中，该普通光源320为一发光二极管，该发光二极管的额定电压为3.4伏～3.6伏，额定电流为360毫安，额定功率为1.1瓦，光效为65流明/瓦，工作温度小于65度。该发光二极管的数量不限，本实施例中为16个。该电信号装置340可以为音频播放器，如一MP3播放器。可以理解，该信号输入装置312也可以包括该电信号装置340。

该发声装置30在工作时，所述发声元件314中的碳纳米管结构吸收上述普通光源320发出的光，并将光能转换为热能，通过上述热致发声原理加热空气发出声波。可以理解，该发声元件314的厚度越大，吸收光能的能力越好，发出的声音强度越大，因此应在保证具有足够小的单位面积热容的前提下，尽量提高该发声元件314的厚度。

本发明实施例中，所述发声元件发声的频率范围为1赫兹至10万赫兹。当发声元件中的碳纳米管层为单层碳纳米管膜时，发声强度就可以达到70分贝声压级(dBSPL)。当该碳纳米管层中碳纳米管膜的层数增加时，该发声元件的发声强度可以进一步增强。另外，本发明实施例中的碳纳米管层具有较好的韧性和机械强度，利用所述碳纳米管层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。该发声元件可贴合于一基体，如一显示器、手机、电脑、电视、音响、门、窗、银幕、家具或交通工具。另外，该碳纳米管膜具有较好的透明度，可用于制备一透明的发声元件及发声装置。由于该发声元件无需磁铁及振膜，因此具有较为简单的结构，且不致对其它电子装置产生干扰。

声音传输有很多限制条件，如需要气体或液体作为介质，并且随距离的变化衰减相当强烈。由于电磁波，尤其是激光，可以在真空中远距离传播，比如宇宙空间的传播、长距离的传播，并且在传输过程损失相当小，因此该发声装置可以用于远距离信号传输领域，例如对激光的光强和频率进行调制，通过激光加载所需的声音信号，传输至碳纳米管层发出声音，从而实现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的极端环境下工作。

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仅由碳纳米管膜组成，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膜温度变化，从而使其周围气体或液体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，故该碳纳米管膜组成的发声装置可在无磁的条件下工作。其四，由于该碳纳米管膜具有较小的热容和大的比表面积，故该碳纳米管膜具有升温迅速、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，由于碳纳米管通过范德华力首尾相连，故由碳纳米管组成的碳纳米管膜具有较好的机械强度和韧性，并且首尾相连的碳纳米管沿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，碳纳米管膜本身有很好的黏附性，故碳纳米管膜可方便地直接黏附于支撑结构表面。其七，由于所述碳纳米管膜为从碳纳米管阵列中直接拉取获得，其宽度及长度均不限，因此可以容易地制备较大面积的发声元件。其八，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。其九，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 (24)

1.一种发声装置，其包括：

一电磁波信号输入装置；以及

一发声元件；

其特征在于，该发声元件包括至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，该电磁波信号输入装置传递电磁波信号至该碳纳米管膜，使该碳纳米管膜通过吸收该电磁波信号发热，从而加热介质发出声波。

2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管膜将电磁波信号转变为热，通过加热改变碳纳米管膜周围介质密度发出声波。

3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米，所述发声元件的厚度为0.5纳米～1毫米。

4.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管膜为自支撑结构。

5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管。

6.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述碳纳米管膜中碳纳米管基本相互平行且平行于碳纳米管膜表面。

7.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。

8.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。

9.如权利要求8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。

10.如权利要求8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部分悬空设置。

11.如权利要求10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。

12.如权利要求8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。

13.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并部分悬空设置。

14.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。

15.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。

16.如权利要求15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。

17.如权利要求15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膜附近，所述光信号通过光纤传递至所述碳纳米管膜。

18.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。

19.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，该电磁波信号输入装置包括一调制电路，该调制电路通过输入的音频电信号控制该电磁波信号输入装置发出的电磁波信号的强度和/或频率的变化。

20.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。

21.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述介质为气体或液体。

22.一种发声元件，其包括至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜通过吸收一电磁波信号并发热，从而加热介质发出声波。

23.一种发声装置，其包括：

至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，通过吸收一电磁波信号发热，从而加热该介质发出声波；以及

一基体，该碳纳米管膜设置于该基体表面，

其中，该基体为显示器、手机、电脑、电视、音响、门、窗、银幕、家具或交通工具。

24.一种发声装置，其包括：

一个或多个普通光源；

至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管膜与一介质接触，通过吸收该普通光源发出的光而发热，从而加热该介质发出声波；

以及

一调制电路与该普通光源电连接，通过输入的音频电信号控制该普通光源的强度或频率的变化。

Images