1375945 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明涉及一種發聲裝置，尤其涉及一種於液體介質 鲁 • 中工作之發聲裝置。 【先前技術】 發聲裝置一般由訊號輸入裝置與發聲元件組成。通過 訊號輸入裝置输入訊號給發聲元件，進而發出聲音。現有 之發聲元件種類很多，如電動式、電磁式、靜電式及壓電 籲式，它們大都採用振膜振動發出聲音，結構較為複雜。早 於二十世紀初，即有人提出了一種基於熱聲效應之熱致發 聲元件之構想，請參見文獻“ The Thermophone ” ， EDWARD C. WENTE，Vol.XIX，Νο·4，pp333-345 及 “On Some Thermal Effects of Electric Currents ” ，William Henry Preece, Proceedings of the Royal Society of London, Vol.30,（1879-1881)，pp408-411 °該熱致發聲元件通過向一 I金屬箔片或金屬絲中通入交流電來實現發聲。該金屬箔片 _或金屬絲須具有較小之熱容，較薄之厚度，且可將其内部 產生之熱量迅速傳導給周圍氣體介質之特點。當交流電通 • 過該金屬箔片或金屬絲時，隨交流電電流強度之變化，該 • 金屬箔片或金屬絲可迅速升降溫，並與周圍氣體介質迅速 發生熱交換，使該周圍氣體介質分子受熱運動並使該周圍 氣體介質產生密度變化，進而發出聲波。 H.D.Arnold與I.B.Crandall也介紹了一種簡單之熱致 發聲裝置，請參見 “The thermophone as a precision source 1375945 of sound- , η. D. Arnold, I. B. Crandall, Phys. Rev. 10, 38 (1917)明參見圖i，該文獻中介紹之發聲裝置loo 包括一用銘片製成之發聲元件1〇2，該翻片之厚度為〇7 微米。該發聲元件102通過一夾具1〇4固定，該發聲元件 池及夾具1〇4没置於一基體1〇8表面。一電流引線1〇6 與該發聲元件102電連接，用於向該發聲元件搬輸入電 訊號。由=發聲元件皿之發聲頻率與其單位面積熱容密 =相關。單位面積熱容大，則發聲頻率範圍窄，強度低； 單位面積熱容小，則發聲頻率範圍寬，強度高。欲獲得且 有較寬f聲頻率範圍及較高強度之聲波，則要求發 102之單位面積熱容愈小愈好。該發聲元件⑽使用具有 較小熱容之金屬|^，受材料本身之限制，其小。 能達到0.7微米，巾〇.7微米厚之鉑片之單位面積熱容； 小只能達到2乂1〇.4焦耳每平方釐米克爾文。由於受材料單 位面積，容之限制，該發聲元件1〇2之發聲頻率最高僅達 4千赫茲’且該發聲元件1〇2之發聲強度也不足以 直接感知。 綜上所述’該發聲元件1〇2之發聲強度低，人耳難以 直接感知’該發聲元件1〇2發聲頻率範圍窄且都係於空 氣中發聲’應用範圍比較窄，應用領域比較單一。 【發明内容】 有鑒於此，提供一種發聲頻率範圍寬，發聲強产譆人 耳能夠直接感知’且能夠於液態介f中發聲之發聲^ 达》、八® i貝 1375945 一種發聲裝置，其包括一訊號輸入裝置及一發聲元 件。該發聲元件與該訊號輸入裝置電連接。該發聲元件包 •括一奈米碳管結構，該奈米碳管結構至少一表面與一液態 質接觸。該訊號輸入裝置輸入訊號給該奈米碳管結構， 使該奈米碳管結構改變該液態介質之密度而發出聲波。 相較於先前技術，該發聲裝置中採用奈米碳管結構做 發聲元件，該奈米碳管結構熱容小且比表面積大，因此該 •發聲裝置有著足夠高之發聲強度與足夠寬之發聲頻率範 圍，能夠讓人耳直接感知，而且該發聲裝置中還能夠於液 態”質中發聲。拓展了採用“熱聲”效應之發聲裝置之應 用領域及範圍。 【實施方式】 以下將結合附圖詳細說明本發明實施例之於液態介質 工作之發聲裝置。 请參閱圖2，本發明第一實施例提供一種發聲裝置 鲁200，其包括一訊號輸入裝置，至少兩個電極220及一 發聲元件230。該至少兩個電極220間隔設置並與該發聲 元件230電連接’該訊號輸入裝置21〇經由該電極220與 該發聲元件230電連接。在工作時，該發聲元件23〇至少 • 一表面與一液態介質300相接觸，在本實施例中，該發聲 元件230浸沒於一液態介質3〇〇中。 該訊號輸入裝置210用於輸入音頻電訊號或交流電訊 號給該發聲元件230，該發聲元件230將該音頻電訊號或 父流電訊號轉變為熱能’通過加熱周圍液態介質3〇〇，並 1375945 改變該周圍液態介質300之密度而發出聲波β 該訊號輸入裝置210通過該電極220與該發聲元件 230電連接，在本實施例中，該電極22〇之數量為兩個， 分別為第一電極220a與第二電極22〇b。該第一電極22〇a 與第二電極220b分別設置於該發聲元件23〇之兩端，且該 第一電極220a與第二電極220b分別與該訊號輪入裝置 210之兩端電連接，從而形成一個訊號回路。另外，該第 一電極220a與第二電極220b還可支撐固定該發聲元件 230。該電極220之設置，可使該訊號輸入裝置21〇電連接 並輸入訊號給該發聲元件230。可以理解，該電極22〇之 具體結構與形式不限，如該訊號輸入装置21〇 導線與該發聲元件230電連接。 ° 該發聲元件230包括一奈米碳管結構，該奈米碳管結 構具有較大之比表面積，從而具有與液體介質接觸之較大 ，面積。該奈米碳管結構之單位面積熱容小於2xl〇-4焦耳 每平方釐米克爾文，優選地，該奈米碳管結構之單位面積 熱容小於1.7xl〇·6焦耳每平方釐米克爾文。 該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜，至少一奈米 碳管線狀結構或奈米碳管膜與奈米碳管線狀結構-起形成 3合結構。該奈米碳管膜包括無序奈卡碳管膜與有序奈 米炭s膜。這裏之無序指該奈米碳管膜中之奈米碳管之排 列方向無規則；有序指該奈㈣管膜中至少多數奈米碳管 之㈣方向具# —定規律’如該多數奈米碳管通過凡德瓦 爾力首尾相連’或該多數奈米碳管基本沿一個固定方向擇 10 1375945 優取向排列或基本沿幾個固定方向擇優取向排列。 具體地，該奈米碳管膜包括奈米碳管絮化膜、奈米碳 管碾壓臈及奈米碳管拉膜。 〜該奈米碳管絮化膜通過對一奈米碳管陣列絮化處理而 獲得’該奈米碳管絮化膜中之奈米碳管相互纏繞或各向同 性排列。該奈米碳管絮化膜之結構及製備方法請參見范守 。等人於2007年4月13日申請，並於2008年1〇月 曰公開之第CN101284662A號大陸公開專利申請（申請 人.清華大學；鴻富錦精密工業（深圳）有限公司）。 請參閱圖3,該奈米碳管礙壓膜通過礙壓一奈米碳管 陣列而獲得，該奈米碳管礙壓膜可採用一平面壓頭沿垂直 於上述奈来碳管陣列生長之基底之方向擠壓上述奈米碳管 陣列而獲得。此時該奈米碳管礙壓膜中之奈来碳管各向同 性；該奈米碳管碾壓膜也可採用一滾軸狀壓頭沿某一固定 方向礙壓上述奈米碳管陣列而獲得，此時該奈米碳管礙壓 #膜中之奈米碳管於該固定方向擇優取向；該奈求碳管礙壓 膜還可採用滾轴狀壓頭沿不同方向礎壓上述奈米碳管陣列 而獲得，此時該奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管沿不同方向 *擇優取向。該奈米碳管碾壓膜之結構及製備方:妹參見三 •守善等人於2007年6月1日申請，申請月號“ 200710074699.6號之大陸專利申請（申請人：清華大學 鴻富錦精密工業（深圳）有限公司）。 干’ 請參閱圖4,該奈米碳管拉膜通過採用一拉伸工具自 -奈米碳管陣列直接拉取而獲得，該奈米碳管拉膜為透明 11 明’且該奈求碳管拉膜中之 瓦爾力首尾相連，米碳管 T通過凡德 參見范守善等人於2_年2/9膜9之；1構及其製備方法請 公開之第CN1G1239712 ⑺’於霸年8月 人：清華大與m 就大陸公開專利Φ請（申請 實施例中；太2!?::業（_)有限公司)。在本 管-構由福：：ί“碳管拉膜，且該奈米碳 ;;:5二數重疊設置之奈米碳管拉膜組成，形成-個厚 =1 間之層狀結構，且相鄰之奈米碳管 拉膜中之奈米碳管之間具 度且小於等於90产。優.㈣二"大於等於0 太乎石山〜士心& 選地’备該夹角α為0度時，該 構包括層數較多之奈米碳管拉膜（如大於或等 置S冑该奈米碳管結構於保證發聲強度之同時，也 具〇備一定之機械性能’·當該爽角α大於〇度且小於或等於 ^ 該奈米奴管結構包括層數較少之奈米碳管拉膜 如J於16層）’這係因為當該相鄰之奈米碳管拉膜中之 奈米碳管之間具有一交又角度時，該奈米碳管相互交織形 成-網狀結構，使該奈米碳管結構之機械性能增加，可避 免該碳奈米結構從空氣放入液態介質3〇〇中時由於液態介 。〇〇之表面張力使奈米碳管膜收縮，從而可減少該；米 碳管拉膜之層數。本實施例中，該奈米碳管結構包括16 層相互重疊設置之奈米碳管拉膜’相鄰奈米碳管拉膜中之 奈米碳管之間具有90度夾角。 可以理解，該發聲裝置200採用透明或者半透明該奈 米碳管拉膜為發聲元件23〇，使該發聲裝置細能夠應用 到一些特殊場合，如光源之外表面。 碳管線狀結構包括至少一奈米碳管線，該奈米 ^ 複數首尾相連之奈米碳管。該奈米碳管線狀,士 構可為由複數Μ碳管線動Μ域之綠結構， 互扭轉組成之絞線結構。另外，該奈米碳管結構可由該太 米碳管線狀結構平行設置、相互纏繞或相互編織組成Γ' 該奈米碳管線通過對一有序奈米碳管膜進行有機溶劑 處理或機械力扭轉而獲得，該奈Μ管線包括複數通過凡 ，瓦爾力f尾相連之奈米碳管。該通過有機溶劑處理而獲 得之非扭轉之奈米碳管線包括複數沿奈米碳管線長度方向 排列並首尾相連之奈米碳管。該通過機械力扭轉而獲得之 扭轉之奈米碳管線包括複數繞奈米碳管線軸向螺旋排列之 奈米碳管。該奈来碳管線長度不限，直徑為G5奈米· 微米。該通過有機溶劑處理獲得之奈米碳管線及其製備方 法請參見范守善等人於2005年12月16日申請，於2〇〇7 年6月20日公開之第CN19822〇9A號大陸公開專利申請 (申請人··清華大學；鴻富錦精密工業（深圳）有限公司）。 該發聲裝置200於工作時，該發聲元件23〇全部浸沒 於液態介質300中。由於該碳奈米結構單位面積熱容小於 2xl(T4焦耳每平方釐米克爾文，當該發聲元件23〇接收到 該訊號輸入裝置210之訊號後，該發聲元件230中之奈米 碳管結構將電能轉換為熱能’並迅速與周圍之液態介質 300產生熱交換，使周圍之液態介質3〇〇改變密度。當該 訊滅輸入裝置210之訊號為週期變化之交流電訊號或經過 13 1375945 調製後之音頻電訊號時，該奈米碳管結構產生之熱能也會 同步發生變換，使該發聲元件230周圍之液態介質3〇〇之 密度也會產生變化，從而發出聲波。同時利用該液態介質 300良好之導熱性，對該發聲元件23〇所發出之熱量及時 散埶0 · 為保證該發聲元件230之電熱轉換效率，該液態介質 300之電阻率應大於2xl〇-2歐姆•米。優選地，該液態介 質300為非電解質溶液、純水、海水、淡水及有機溶劑中 之一種或任意組合。在本實施例中，該液態介質3〇〇為純 水。該純水不僅電導率達到1>5><1〇7歐姆•米，且該純水 之比熱容也較大，可迅速吸收奈米碳管結構表面之熱量， 對該奈米碳管結構進行快速散熱。 請參閱圖5，為該發聲裝置2〇〇於純水水面下〇 lcm 之深度時分別加40 V、50 V及60 V電壓得到之頻率回應 特性曲線’該發聲裝置200之發聲元件23〇採用16層同向 重疊設置之奈米碳管拉膜所製成。於靠近該水面之地方設 置一麥克風用於測試該發聲裝置2〇〇自該水面下發出之聲 波。從圖5可看出，該發聲元件23〇之發聲強度超過6〇 分貝每瓦聲壓級，最高可達95分貝每瓦聲壓級；該發聲元 件230之發聲頻率範圍為1赫茲至10萬赫茲以上。因此該 發聲裝置200具有較高之發聲強度，且頻率範圍比較寬， 有著非常理想之發聲效果。 請參閱圖6,本技術方案第二實施例提供一種發聲裝 置400 ’該發聲裝置4〇〇包括訊號輸入襄置，電極42〇 14 1375945 及發聲元件430。 本實施例中之發聲裝置400與第一實施例中之發聲裝 置200之結構基本相同，其主要區別在於，本實施例中之 發聲裝置400包括四個棒狀電極420，即第一電極420a， 苐二電極420b，第三電極420c及第四電極420d。該第一 電極420a，第二電極420b，第三電極420c及第四電極420d 空間平行間隔設置。該發聲元件430環繞該第一電極 420a，第二電極420b，第三電極420c及第四電極420d設 • 置，並與該第一電極420a，第二電極420b，第三電極420c 及第四電極420d分別電連接，形成一環形發聲元件430。 任意兩個相鄰之電極均分別與該訊號輸入裝置410之兩端 電連接，以使位於相鄰電極之間之發聲元件430接入輸入 訊號。具體地，先將不相鄰之兩個電極電連接後與該訊號 輸入裝置410之一端電連接，剩下之兩個電極電連接後與 該訊號輸入裝置410之另一端電連接。本實施例中，可先 $將該第一電極420a及第三電極420c電連接後與該訊號輸 入裝置410之一端電連接，再將該第二電極420b及第四電 極420d電連接後與該訊號輸入裝置410之另一端電連接。 上述連接方式可實現相鄰電極之間之奈米碳管結構之並 聯。並聯後之奈米碳管結構具有較小之電阻，可降低工作 電壓。且，上述連接方式可使該發聲元件430具有較大之 輻射面積，且發聲強度得到增強，可實現環繞發聲效果。 另外，當該發聲元件430之面積較大時，該第三電極420c 及第四電極420d也可進一步起到支撐該發聲元件430之作 15 1375945 用。 該第一電極420a，第二電極420b，第三電極420c及 . 第四電極420d也可與該發聲元件430設置於同一平面内。 • 該設置於同一平面内之各電極之連接方式與上述電極之連 接方式相同或相似。可以理解，本實施例可設置複數電極， 其數量不限，只需確保任意兩個相鄰之電極420均分別與 該訊號輸入裝置410之兩端電連接即可。 請參閱圖7,本技術方案第三實施例提供一種發聲裝 鲁置500,該發聲裝置500包括一訊號輸入裝置510,兩個電 極520，分別為第一電極520a及第二電極520b，及一發聲 元件530。 本實施例提供之發聲裝置500與第一實施例之發聲裝 置200結構基本相同，其主要區別在於，本實施例中之發 聲裝置500進一步包括一支撐結構540。該發聲元件530 至少部分設置於該支撐結構540之表面。 I 該支撐結構540可由硬性材料，如金剛石、玻璃或石 英製成；也可由柔性材料，如塑膠或樹脂製成。優選地， 該支撐結構540之材料應具有較好之絕熱性能，從而防止 該發聲元件530產生之熱量被該支撐結構540吸收，無法 - 達到加熱周圍液態介質進而發聲之目的。 該支撐結構540用於支撐該發聲元件530，任何具有 確定形狀之物體，均可作為本實施例中之支撐結構540。 具體地，該支撐結構540可為一平面結構或一曲面結構， 並具有一表面。此時，該發聲元件530直接設置並貼合於 16 1375945 該支撐結構540之表面。由於該發聲元件530整體通過支 撐結構540支撐，因此該發聲元件530可承受強度較高之 ' 訊號輸入，從而具有較高之發聲強度。另外，由於發聲元 件530設置於支撐結構540表面，故將該奈米碳管結構放 入該液態介質令時，該支撐結構可起到保護奈米碳管結構 不被破壞或改變之作用。 該支撐結構540也可為一立體結構，如一立方體、一 圓錐體或一圓柱體。此時，該發聲元件530可環繞該支撐 •結構540設置，形成一環形發聲元件530。該發聲元件530 也可部分設置於該支撐結構540表面，從而於該發聲元件 530表面至支撐結構540之間形成一攏音空間。所形成之 攏音空間可為一封閉空間或一開放空間。該支撐結構540 可為一 V型、U型結構或一具有狹窄開口之腔體。當該支 撐結構540為一具有狹窄開口之腔體時，該發聲元件530 可平鋪固定設置於該腔體之開口上，從而形成一亥姆霍茲 I共振腔。當該支撐結構540為一 V型結構時，該發聲元件 530設置於該V型結構之兩端，即從V型結構之一端延伸 至另一端，使該發聲元件530部分懸空設置，從而於該發 • 聲元件530表面至支撐結構540之間形成一攏音空間。該 第一電極520a與第二電極520b間隔設置於該發聲元件 530表面。該第一電極520a與第二電極520b與該訊號輸 入裝置510之兩端電連接。該V型支撐結構540可反射該 發聲元件530位於該支撐結構540 —側之聲波，增強該發 聲裝置500之發聲效果。 17 137-5945 在本實施例中’該支撐結構540為一平面結構，該發 聲元件530貼合設置於該支撐結構540表面。 該發聲裝置中採用奈米碳管結構做發聲元件，該奈米 碳官結構熱容小且比表面積大，因此該發聲裝置有著足夠 高之發聲強度與足夠寬之發聲頻率範圍，能夠讓人耳直接 感知，而且該發聲裝置中還能夠於液態介質中發聲。拓展 了採用“熱聲”效應之發聲裝置之應用領域及範圍。 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内。 〜 【圖式簡單說明】 圖1係先前技術中發聲裝置之結構示意圖。 圖2係本發明第一實施例發聲裝置之結構示意圖。 圖3係本發明第一實施例作為發聲元件之擇優取向夺 米碳管碾壓膜之掃描電鏡照片。 ，、 圖4係本發明第一實施例作為發聲元件之奈米碳管 膜之掃描電鏡照片。 線。圖5係本發實關發衫置之頻率響應特性曲 圖6係本發明第二實施例發聲装置之結構示意圖。 圖7係本發明第三實施例發聲裝置之結構示意圖。 【主要元件符號說明】 18 1375945 發 聲 裝 置 100、 200 ' 400、 500 發 聲 元 件 102、 230、 430、 530 夾 具 104 電 流 引線 106 基 體 108 訊 號 4^ m 入裝置 210、 410 ' 510 電 極 220、 420 ' 520 第 一 電 極 220a > 420a ' 520a 第 二 電 極 220b ' 420b 、520b 液 態 介 質 300 第 二 電 極 420c 第 四 電 極 420d 支 撐 結 構 540 19