CN101715155B - 耳机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耳机，其包括：至少一壳体；以及至少一扬声器，该扬声器设置于壳体内部；其中：所述至少一扬声器包括一碳纳米管结构。所述耳机结构简单，无需振动膜，有利于降低成本，并可在无磁条件下工作。所述耳机的发声频率范围较宽，发声效果较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种耳机，尤其涉及一种基于碳纳米管的耳机。
背景技术
现有技术中的耳机一般包括壳体及设置于壳体内部的扬声器。按扬声器的工作原理可以将耳机分为电动式、电容式、静电式、气动式及压电式等类型。按耳机的佩戴方式可以将耳机分为头戴式、耳挂式及耳塞式等类型。按音频信号的传输方式可以将耳机分为有线耳机及无线耳机等类型。
耳机的壳体一般为形状与人耳大小相当的中空结构，其材料为塑料或树脂等。耳塞的壳体可以设置于人耳的外耳内，头戴式及耳挂式耳机的壳体覆盖于耳上。
耳机壳体内部的扬声器用于将电信号转换成声音信号。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。其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，现有的采用电动式扬声器的耳机10一般包括一壳体110、设置于壳体110内部的扬声器100。该扬声器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。由于载流导体在磁场中会受到洛仑兹力，音圈102放在所述磁铁104产生的磁场里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，该采用电动式扬声器100的耳机10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，vol354，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声学领域。
因此，确有必要提供一种耳机，该耳机结构简单，可在无磁的条件下工作。
发明内容
一种耳机，其包括：至少一壳体；以及至少一扬声器，该扬声器设置于壳体内部；其中：所述至少一扬声器包括一碳纳米管结构。
与现有技术相比较，所述耳机具有以下优点：其一，由于所述耳机中的扬声器可仅包括碳纳米管结构，无需磁铁等其它复杂结构，故该耳机的结构较为简单，有利于降低该耳机的成本。其二，该耳机利用外部输入的音频电信号造成该碳纳米管结构温度变化，从而使其周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，无需振膜，故该扬声器组成的耳机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，由一层状碳纳米管结构组成的扬声器可均匀地加热周围的气体介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围气体介质进行快速热交换，使周围气体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(1Hz～100kHz)、发声效果较好。其四，由于碳纳米管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、尺寸的耳机，进而方便地应用于各种领域。
附图说明
图1是现有技术中耳机的结构示意图。
图2是本技术方案第一实施例耳机的结构示意图。
图3是本技术方案第一实施例耳机中碳纳米管结构的结构示意图。
图4是本技术方案第一实施例耳机中碳纳米管结构的扫描电镜照片。
图5是本技术方案第一实施例耳机中碳纳米管线状结构的扫描电镜照片。
图6是本技术方案第一实施例耳机中一种扬声器的结构示意图。
图7是本技术方案第一实施例耳机中一种扬声器的结构示意图。
图8是本技术方案第一实施例耳机的频率响应特性曲线。
图9是本技术方案第二实施例耳机的结构示意图。
图10是本技术方案第三实施例耳机的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案实施例的耳机。
本技术方案提供一种耳机，该耳机包括至少一壳体以及至少一扬声器，该扬声器设置于壳体内部。
请参阅图2，本技术方案第一实施例提供一种耳塞式耳机20，该耳机包括一壳体210及一扬声器200。该壳体210为一中空结构，该扬声器200设置于壳体210内部。进一步地，该耳机20可包括至少一音频数据线230通过所述壳体210内部与所述扬声器200电连接，并将音频电信号传导至该扬声器200。
该壳体210可以进一步包括形成于壳体210上的至少一通孔212。该壳体210的材料为质量较轻并具有一定强度的材料，如：塑料或树脂等。所述壳体210与人耳大小相当。
该扬声器200可覆盖所述通孔212。优选地，该扬声器200与所述通孔212间隔并相对设置，从该扬声器200发出的声音可以通过通孔212传出耳机20外部。
所述扬声器200包括一碳纳米管结构202。该碳纳米管结构202的形状不限，优选为层状结构，并具有较大比表面积。具体地，该碳纳米管结构202可以为至少一层碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或所述碳纳米管膜和碳纳米管线状结构组成的复合结构。所述碳纳米管结构202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202中的碳纳米管为无序或有序排列。这里的无序指碳纳米管的排列方向不固定，即沿各方向排列的碳纳米管数量基本相等；有序指至少多数碳纳米管的排列方向具有一定规律，如基本沿一个固定方向择优取向或基本沿几个固定方向择优取向。具体地，当碳纳米管结构202包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构202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。该碳纳米管结构202的厚度优选为0.5纳米～1毫米。所述碳纳米管结构202的厚度太大，则比表面积减小，热容增大；所述碳纳米管结构202的厚度太小，则机械强度较差，耐用性不够好。本技术方案实施例中，该碳纳米管结构202的厚度为50纳米。当该碳纳米管结构202厚度比较小时，例如小于10微米，该碳纳米管结构202有很好的透明度，可以用于制造具有透明壳体210的透明耳机20。该碳纳米管结构202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。可以理解，所述碳纳米管结构202的具体结构不限，优选地，该碳纳米管结构202满足下述三个条件，即：为层状或其它形状，且具有较大的比表面积及较小的单位面积热容；包括均匀分布的碳纳米管；以及厚度为0.5纳米～1毫米。更优选地，所述碳纳米管结构202包括有序排列的碳纳米管，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。
本技术方案实施例中，所述碳纳米管结构202为一碳纳米管拉膜结构，其包括一层或重叠设置的多层从碳纳米管阵列中直接拉取获得的碳纳米管膜。请参阅图3及图4，进一步地，所述碳纳米管结构202中碳纳米管膜包括多个碳纳米管沿拉取方向首尾相连并择优取向排列且均匀分布。具体地，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包括多个长度基本相等且相互平行排列的碳纳米管145。当所述碳纳米管拉膜结构包括多层碳纳米管膜相互重叠设置时，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，α大于等于0度且小于等于90度。碳纳米管结构202的厚度越大，低频效果越好，强度越大；碳纳米管结构202的厚度越小，高频效果越好，发声效率越高。根据碳纳米管结构202的厚度不同，所述扬声器200具有不同的频响范围，具体可以为高频扬声器200、中频扬声器200或低频扬声器200。该多个扬声器200可以彼此间隔的设置于所述壳体210内部，达到多声道发声效果。
所述碳纳米管结构202可进一步包括多个碳纳米管线状结构。所述碳纳米管线状结构包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管片段，每个碳纳米管片段包括多个长度基本相等且相互平行排列的碳纳米管。与碳纳米管拉膜结构相似，所述碳纳米管线状结构也为从碳纳米管阵列中直接拉取获得。与碳纳米管拉膜结构不同的是，该碳纳米管线状结构的宽度较窄，宏观呈一线状。如图5所示，该碳纳米管线状结构可经过扭转形成一碳纳米管绞线结构。在上述绞线结构中，碳纳米管绕绞线结构的轴向螺旋状旋转排列。可以理解，该碳纳米管结构202可以为一个碳纳米管线状结构盘绕形成一面形结构，或者为多个碳纳米管线状结构编织构成或并排设置组成。另外，该碳纳米管结构202可由碳纳米管膜与碳纳米管线状结构复合叠加构成。该碳纳米管线状结构的长度不限，直径为0.5纳米～1毫米。
可以理解，当所述耳机20包括多个扬声器200时，只需其中至少一扬声器200包括一碳纳米管结构202即可。具体地，可以根据需要选择其他类型的扬声器，如电动式扬声器或压电式扬声器等，与本技术方案中包括碳纳米管结构202的扬声器200一并设置于耳机20内部，从而达到较好的发声效果。
进一步地，所述扬声器200可进一步包括至少两电极204间隔设置并与该碳纳米管结构202电连接。所述电极204可间隔设置并固定在所述扬声器200两端或表面，用于将外部音频电信号通过音频数据线230输入至扬声器200，从而使所述扬声器200发声。当碳纳米管结构202中的碳纳米管为沿一定方向有序排列时，优选地，所述碳纳米管的排列方向沿一个电极204至另一个电极204的方向延伸，两电极204之间应具有一基本相等的间距，从而使两电极204之间的碳纳米管能够具有一基本相等的电阻值。优选地，所述电极204的长度大于碳纳米管结构202的宽度，从而可以使整个碳纳米管结构202均得到利用。所述电极204使音频电信号均匀地导入碳纳米管结构202中，碳纳米管结构202中的碳纳米管将电能转换成热能，加热周围介质，改变周围介质的密度发出声音。该介质可以是气体或液体。
所述电极204由导电材料形成，其具体形状结构不限。具体地，所述电极204可选择为层状、棒状、块状或其它形状。所述电极204的材料可选择为金属、导电聚合物、导电胶、金属性碳纳米管、铟锡氧化物(ITO)等。本技术方案实施例中，所述扬声器200包括两个电极204，所述电极204为间隔涂附于所述碳纳米管结构202表面的导电银胶层。
具体地，请参阅图7，所述两个电极204间隔涂附于碳纳米管结构202表面当碳纳米管结构202为沿一定方向有序排列时，所述电极204间隔设置，碳纳米管结构202中的碳纳米管的排列方向沿一电极204指向另一电极204。
另外，请参阅图6，所述碳纳米管结构202为圆形时，其中一个电极204可涂附于所述碳纳米管结构202的***，另一电极204可涂附于所述碳纳米管结构202的中心。所述碳纳米管结构202中，碳纳米管为沿一电极204至另一电极204的方向放射状排列。具体地，该碳纳米管结构202可以为多个碳纳米管线状结构或宽度较窄的碳纳米管膜沿放射状排列形成。
由于所述电极204间隔设置，所述扬声器200应用于耳机20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202本身有很好的粘附性，故所述电极204与所述碳纳米管结构202之间可以直接粘附固定，并形成很好的电接触，另外，可以采用导电粘结层将电极204粘附固定于碳纳米管结构202表面。
可以理解，所述电极204为可选择的结构。所述外部音频电信号源可直接通过音频数据线或电极引线等方式与所述碳纳米管结构202电连接。另外，任何可实现所述外部音频电信号源与所述碳纳米管结构202之间电连接的方式都在本技术方案的保护范围之内。
所述扬声器200可通过粘结剂、卡槽、钉扎结构等方式固定设置于壳体210内部。具体地，该耳机20可进一步包括一支撑结构220。该支撑结构220固定于壳体210内部，或与该壳体210一体成型形成。所述扬声器200通过该支撑结构220支撑，并与所述壳体210间隔设置。
所述支撑结构220主要起支撑作用，其形状不限。具体地，该支撑结构220也可以为一框架结构、杆状结构或不规则形状结构。此时，该扬声器200部分与该支撑结构220相接触，其余部分悬空设置。此种设置方式可以使该扬声器200与空气或周围介质更好地进行热交换。该扬声器200与空气或周围介质接触面积更大，热交换速度更快，因此具有更好的发声效率。本技术方案实施例中，该支撑结构220为形成于所述壳体210内部的环状凸起结构。
另外，该支撑结构220可以为一平面或曲面结构，并具有一表面。此时，该扬声器200直接设置并贴合于该支撑结构220的表面上。由于该扬声器200整体通过支撑结构220支撑，因此该扬声器200可以承受强度较高的音频信号输入，从而具有较高的发声强度。
该支撑结构220的材料为绝缘材料或导电性较差的材料，具体可以为一硬性材料，如金刚石、玻璃、陶瓷或石英。另外，所述支撑结构220还可为具有一定强度的柔性材料，如塑料、树脂或纸质材料。优选地，该支撑结构220的材料应具有较好的绝热性能，从而防止该碳纳米管结构220产生的热量过度的被该支撑结构220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220应具有一较为粗糙的表面，从而可以使设置于上述支撑结构220表面的碳纳米管结构202与空气或其他外界介质具有更大的接触面积，有利于提高所述耳机20的发声效果。
可以理解，该支撑结构220为可选择结构，当该耳机20不包括该支撑结构220时，所述扬声器200可直接设置于壳体210的内壁上。
另外，由于碳纳米管结构202中的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202本身有很好的粘附性，并且，该碳纳米管结构202具有很好的自支撑性，故该扬声器200可以直接粘附在所述壳体210的侧壁上。
上述耳机20在使用时，由于碳纳米管结构202具有较小的单位面积热容和大的比表面积。具体地，该碳纳米管结构202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1×10-4焦耳每平方厘米开尔文。本实施例中，由于该碳纳米管结构102为一直接从碳纳米管阵列中拉取得到的碳纳米管拉膜结构，具有更小的厚度，该碳纳米管结构102的单位面积热容为1.7×10-6焦耳每平方厘米开尔文。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202组成的扬声器200可均匀地加热周围的气体介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围气体介质进行快速热交换，使周围气体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。如图9所示，采用四层碳纳米管薄膜重叠设置形成的碳纳米管结构202用于耳机20的发声强度可达105分贝声压级，发声频率范围为1赫兹至10万赫兹(即1Hz～100kHz)。故本技术方案实施例中，所述扬声器200的发声原理为“电-热-声”的转换，具有广泛的应用范围。
请参阅图9，本技术方案第二实施例提供一种头戴式耳机30，包括两个壳体310、一连接体320以及至少两个扬声器300。该连接体320为弯曲结构，可以戴于使用者头上。该连接体320的两端分别与两个壳体310连接。当该连接体320戴于使用者头上时，该两个壳体310分别覆盖于使用者耳上。
该头戴式耳机30的壳体310的内部结构与第一实施例的耳塞式耳机20的壳体210的内部结构基本相同。该至少两个扬声器300分别设置于两个壳体310内部。其中，至少一个扬声器300包括一碳纳米管结构302。该扬声器300可以进一步包括至少两电极304间隔设置并与该碳纳米管结构302电连接。
可以理解，该一个壳体310内部可以设置多个扬声器300，从而达到多声道发声效果。该多个扬声器300可以为不同类型的扬声器300，如电动式、压电式等。该多个扬声器300彼此相互配合，只要其中一个扬声器300包括一碳纳米管结构302即可。
进一步地，该头戴式耳机30可包括两个海绵罩体330，覆盖所述壳体310，起到缓冲耳部压力的作用。另外，该头戴式耳机30可包括一麦克风(图未示)与所述连接体320相连接。另外，该头戴式耳机30可包括一无线信号接收单元(图未示)设置于壳体310内部，并与所述扬声器300电连接，从而使耳机30接收无线音频信号。
请参阅图10，本技术方案第三实施例提供一种耳挂式耳机40，包括至少一壳体410、一挂钩420以及至少一扬声器400。该挂钩420为弯曲结构，可以挂于使用者耳上。当该挂钩420挂于使用者耳上时，该壳体410贴于使用者耳侧。
该耳挂式耳机40的壳体310的内部结构与第一实施例的耳塞式耳机20的壳体210的内部结构基本相同。该扬声器400设置于壳体410内部。其中，至少一个扬声器400包括一碳纳米管结构402。该扬声器400可以进一步包括至少两电极404间隔设置并与该碳纳米管结构402电连接。
可以理解，该一个壳体410内部可以设置多个扬声器400，从而达到多声道发声效果。该多个扬声器400可以为不同类型的扬声器400，如电动式或压电式等。该多个扬声器400彼此相互配合，只要其中一个扬声器400包括一碳纳米管结构402即可。
进一步地，该耳挂式耳机40的可包括一麦克风(图未示)。另外，该耳挂式耳机40可包括一无线信号接收单元(图未示)及无线信号发送单元(图未示)分别设置于壳体410内部，并分别与所述扬声器400及麦克风电连接，从而使耳机40接收或发送无线音频信号。
本技术方案实施例提供的耳机具有以下优点：其一，由于所述耳机中的扬声器可仅包括碳纳米管结构，无需磁铁等其它复杂结构，故该耳机的结构较为简单，有利于降低该耳机的成本。其二，该耳机利用外部输入的音频电信号造成该扬声器温度变化，从而使其周围气体介质迅速膨胀和收缩，进而发出声波，无需振膜，故该扬声器组成的耳机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，由至少一层碳纳米管结构组成的扬声器可均匀地加热周围的气体介质、迅速升降温、产生周期性的温度变化，并和周围气体介质进行快速热交换，使周围气体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(1Hz～100kHz)、发声强度可达100dB声压级，发声效果较好。其四，由于碳纳米管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、尺寸的耳机，进而方便地应用于各种领域。其五，由于碳纳米管具有极大的比表面积，故碳纳米管结构具有较好的粘附性，可以直接粘附在耳机的壳体上，从而使该耳机具有更简单的结构。
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 (16)
1.一种耳机，其包括：
至少一壳体；以及
至少一扬声器，该扬声器设置于壳体内部；
其特征在于：所述至少一扬声器包括一碳纳米管结构及至少两电极，该至少两电极间隔设置且与所述碳纳米管结构电连接，所述碳纳米管结构将音频电信号转换为热能，改变碳纳米管结构周围气体介质密度发出声波。
2.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构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所述的耳机，其特征在于，所述扬声器的发声频率为1赫兹~100千赫兹。
4.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构包括均匀分布的碳纳米管。
5.如权利要求4所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构中的碳纳米管为有序排列。
6.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构为层状结构，该碳纳米管层状结构的厚度为0.5纳米~1毫米。
7.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构包括碳纳米管膜、碳纳米管线状结构或其组合形成的复合结构。
8.如权利要求7所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管沿同一方向首尾相连择优取向排列。
9.如权利要求8所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管膜进一步包括通过范德华力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，并且每个碳纳米管片段由多个相互平行的碳纳米管构成。
10.如权利要求8所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少两层重叠设置的碳纳米管膜，相邻两层碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的排列方向之间具有一交叉角度α，α大于等于0度且小于等于90度。
11.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述碳纳米管结构中碳纳米管从一个电极向另一个电极延伸。
12.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述壳体包括至少一个通孔，所述扬声器与该通孔间隔并相对设置。
13.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述壳体包括一支撑结构，所述扬声器通过该支撑结构支撑。
14.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述耳机进一步包括一分频器及多个扬声器，该分频器分别与所述多个扬声器电连接。
15.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述耳机为耳塞式、头戴式或耳挂式结构。
16.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，所述耳机包括一无线信号接收单元与所述扬声器电连接。
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