发声照明装置 【技术领域】
本发明涉及一种发声照明装置，尤其涉及一种基于碳纳米管的发声照明装置。
背景技术
现有技术中的发声照明装置包括一光源及一发声元件，该发声元件与光源集成设置在一个底座上。该发声元件与光源可以分别具有独立的控制电路或者该发声元件的控制电路与光源的控制电路相关联，使得发光与发声相互配合，从而达到一定的使用目的，如舞台照明中灯光与音乐共同变化。在发声照明装置中采用的发声元件根据其工作原理，一般为电动式、电磁式、静电式或压电式等。
然而，现有技术中的发声照明装置中采用的发声元件的发声原理为“电-力-声”之转换，即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发出声音。这种发声元件结构较为复杂。以应用最为广泛的电动式发声元件为例，该发声元件通常由三部分组成：音圈、磁铁以及振膜。音圈通常采用通电导体，当音圈中输入一个音频电流信号时，音圈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，音圈放在所述磁铁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，音圈就会在所述磁铁产生的磁场作用下产生振动，并带动振膜振动，振膜前后的空气亦随之振动，将电信号转换成声波向四周辐射。这种发声元件必须在有磁的条件下工作，并且采用此种发声元件的发声照明装置结构较为繁杂。
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用于声学领域。
因此，确有必要提供一种发声照明装置，该发声照明装置结构简单，可在无磁的条件下工作。
【发明内容】
一种发声照明装置，其包括：一光源；以及至少一发声元件，该发声元件设置于该光源附近，其中：所述至少一发声元件包括一碳纳米管结构。
与现有技术相比较，所述发声照明装置具有以下优点：其一，由于所述发声照明装置的发声元件包括一碳纳米管结构及至少两个间隔设置并与碳纳米管结构电连接的电极，故该发声照明装置结构简单，有利于降低发声照明装置的成本。其二，该发声照明装置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，改变碳纳米管结构周围介质密度，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，故该发声照明装置可在无磁的 条件下工作。其三，由于碳纳米管结构具有较小的单位面积热容和较大的比表面积，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，该碳纳米管结构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(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，且结构简单有利于微加工，因此有利于制造包括碳纳米管结构的各种形状、尺寸的发声照明装置，进而方便地应用于各种领域。
【附图说明】
图1是本技术方案第一实施例发声照明装置的结构示意图。
图2是本技术方案第一实施例发声照明装置中碳纳米管膜的结构示意图。
图3是本技术方案第一实施例发声照明装置中碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图4是本技术方案第一实施例发声照明装置中碳纳米管线状结构的扫描电镜照片。
图5是本技术方案第一实施例发声照明装置的频率响应特性曲线。
图6是本技术方案第二实施例发声照明装置的结构示意图。
图7是本技术方案第三实施例发声照明装置的结构示意图。
图8是本技术方案实施例碳纳米管结构的透光度。
【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发声照明装置。
本技术方案提供一种发声照明装置，该发声照明装置包括一光源；以及至少一发声元件，该发声元件设置于光源附近，如发声元件环绕、部分环绕光源设置，或者发声元件设置在光源的一侧以及发声元件与光源间隔设置，从而使发声元件与光源共同构成一整体的发声照明装置。该发声元件与光源可通过一支撑元件固定设置。
请参阅图1，本技术方案第一实施例提供一种发声照明装置10，其包括一光源110、一发声元件100及一支撑元件120。该光源110固定设置于支撑元件120，该发声元件100通过支撑元件120设置于该光源110附近。
具体地，该光源110可以为一点光源或平面光源，如荧光灯、白炽灯、发光二极管(LED)光源、场发射光源或高压气体放电灯等。该光源110通过该支撑元件120支撑并固定。该支撑元件120材料不限，可以为具有确定形状的材料，达到支撑所述光源110及发声元件100的目的。第一实施例中，该支撑元件120可为底座。该底座具有一中空结构，与光源110电极电连接的导线(图未示)可通过该底座内部与外部电源相连。
该发声元件100可为一平面结构或曲面结构。具体地，该发声元件100至少部分环绕该光源110设置，包括包围或半包围该光源110设置，或者，该发声元件100设置于光源110的一侧。可以理解，当该发声元件100包围或半包围该光源110设置时，该发声元件100可作为一灯罩使用。具体地，该发声元件100可以为一中空柱状结构并环绕该光源110设置，或者为一曲面结构部分包围该光源110设置。另外，该发声元件100可以直接设置于所述支撑元件120的一个表面。
该发声元件100包括一碳纳米管结构102以及至少两个电极104。该至少两个电极104间隔设置并与所述碳纳米管结构102电连接。该至少两个电极104通过外接导线(图未示)将外部的音频电信号输入到所述发声元件100的碳纳米管结构102中。该至少两个电极104为硬性或具有一定韧性的柔性材料形成，其形状可以为的棒状、杆状或其他结构。该至少两个电极104同时起到导电及支撑作用，所述碳纳米管结构102通过该至少两个电极104支撑，从而使碳纳米管结构102至少部分悬空设置。具体地，所述至少两个电极104间隔设置在所述碳纳米管结构102地两端或表面。
本实施例中，所述发声元件100包括四个电极104。该四个电极104设置在发声照明装置10的底座上。具体地，该四个电极104基本平行且垂直于底座的一个表面，并围绕所述光源110设置。该碳纳米管结构102通过该四个电极104的支撑，环绕所述光源110设置。所述光源110发出的光线可透过碳纳米管结构102出射。
该碳纳米管结构102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102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线状结构组成的复合结构。所述碳纳米管结构102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102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102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102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102的厚度优选为0.5纳米～1毫米。所述碳纳米管结构102的厚度太大，则比表面积减小，热容增大；所述碳纳米管结构102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102的厚度为50纳米。当该碳纳米管结构102厚度比较小时，例如小于10微米，该碳纳米管结构102有很好的透明度。该碳纳米管结构102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102的具体结构不限，优选地，该碳纳米管结构102满足下述三个条件，即：为层状或其它形状，厚度优选为0.5纳米～1毫米；具有较大的比表面积及较小的单位面积热容(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)；包括均匀分布的碳纳米管。更优选地，所述碳纳米管结构102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。
本技术方案第一实施例中，所述碳纳米管结构102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。该碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米，该碳纳米管膜长度不限，宽度为碳纳米管阵列的宽度。请参阅图2及图3，进一步地，所述碳纳米管结构102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102的厚度越大，低频效果越好，强度越大；碳纳米管结构102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102的厚度不同，所述发声元件100具有不同的频响范围。
所述碳纳米管结构102可进一步包括一个或多个碳纳米管线状结构。所述碳纳米管线状结构包括至少一碳纳米管线，该碳纳米管线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4所示，该碳纳米管线状结构进一步包括一碳纳米管绞线结构。该碳纳米管绞线结构为通过将碳纳米管线或膜扭转获得，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102可以为一个碳纳米管线状结构缠绕所述电极形成，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102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。
所述电极104由导电材料形成。具体地，所述电极104可选择为杆状、棒状、块状或其它形状。所述电极104的材料可选择为金属、合金或导电聚合物等硬性材料。另外，所述电极104也可由涂附导电材料层的绝缘材料形成。本技术方案第一实施例中，所述电极104为金属棒，其长度与碳纳米管结构102的宽度基本相当。
当碳纳米管结构102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104至另一个电极104的方向延伸，两电极104之间应具有一基本相等的间距，从而使两电极104之间的碳纳米管能够具有一基本相等的电阻值。该第一实施例中，所述碳纳米管沿基本垂直该棒状电极104长度方向排列。
优选地，所述电极104的长度大于碳纳米管结构102的宽度，从而可以使整个碳纳米管结构102均得到利用。所述电极104使音频电信号均匀地导入碳纳米管结构102中，碳纳米管结构102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。
由于所述电极104间隔设置，所述发声元件100工作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102本身有很好的粘附性，故所述电极104与所述碳纳米管结构102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104粘附固定于碳纳米管结构102表面。
上述发声照明装置10在使用时，由于碳纳米管结构102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102的单位面积热容小于2×10-4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。在输入音频信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，由碳纳米管结构102组成的发声元件100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，故本技术方案实施例中，所述发声照明装置10中发声元件100的发声原理为“电-热-声”的转换，且所发出的声音的频率范围较宽、发声效果较好。如图5所示，采用四层碳纳米管膜重叠设置形成的碳纳米管结构102用于发声照明装置10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)。由于碳纳米管结构102具有较好的透光度，不会影响从光源发出的光线通过碳纳米管结构102出射。请参阅图8，所述碳纳米管膜的透光度(光透过比率)与碳纳米管膜的厚度及密度以及光的波长有关。
当碳纳米管膜的厚度为50纳米时，该碳纳米管膜的透光度为67％～82％，波长为550纳米的绿光的透光度为78％。另外，该碳纳米管结构102对紫外线具有较好的吸收效果，因此，该发声元件100环绕该光源110设置具有防止紫外线辐射的作用。
可以理解，该发声照明装置10中的发声元件100与光源110可分别与发声电路及发光电路相连。或者，该发声元件100与光源110可与一发声照明混合电路相连，该电路使光源110的发光亮度或颜色按发声元件100的发声强度或音调发生变化。
请参阅图6，本技术方案第二实施例提供一种发声照明装置20，其包括一光源210、一发声元件200及一支撑元件220。该光源210设置于支撑元件220上，该发声元件200设置于该光源210附近。该发声元件200包括一碳纳米管结构202以及至少两个电极204，该至少两个电极204间隔设置并与所述碳纳米管结构202电连接。
该发声照明装置20的结构与第一实施例发声照明装置10的结构基本相同，其区别在于，该发声元件200进一步包括一支撑结构206，该碳纳米管结构202设置于该支撑结构206上，并通过该支撑结构206支撑。该支撑结构206通过该支撑元件220支撑。
所述支撑结构206主要起支撑作用，其形状不限。具体地，该支撑结构206可以为一平面或曲面结构，并具有一表面。此时，该碳纳米管结构202直接设置并贴合于该支撑结构206的表面上。由于该碳纳米管结构202整体通过支撑结构206支撑，因此该碳纳米管结构202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。可以理解，该支撑结构206可进一步为一灯罩的形状。
另外，该支撑结构206可以为一框架结构、杆状结构或不规则形状结构。此时，该碳纳米管结构202部分与该支撑结构206相接触，其余部分悬空设置。此种设置方式可以使该碳纳米管结构202与空气或周围介质更好地进行热交换。该碳纳米管结构202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。
该支撑结构206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206还可为具有一定强度的柔性材料，如塑料、树脂、纸质、织物或其它用于灯罩的材料。该支撑结构206的材料可以为透明、半透明或不透明材料。优选地，该支撑结构206的材料应具有较好的绝热性能，从而防止该碳纳米管结构202产生的热量过度的被该支撑结构206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206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206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，有利于提高所述发声元件20的发声效果。
本技术方案实施例中，该支撑结构206为一环形透明结构，其材料为玻璃。该支撑结构206环绕所述光源210，并与所述光源210一同设置于支撑元件220上。该碳纳米管结构202设置于支撑结构206的表面，当碳纳米管结构202设置于该环形支撑结构206靠近光源210的表面时，该环形支撑结构206可保护该碳纳米管结构202在使用的过程中不被破坏。
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，故该碳纳米管结构202可直接黏附于该支撑结构206表面，另外，可以采用导电粘结层将碳纳米管结构102黏附固定于支撑结构206表面。
可以理解，当碳纳米管结构202通过支撑结构206支撑时，所述至少两个电极204可以为硬性结构或柔性结构。具体地，该至少两个电极204可以为棒状、杆状、层状或其他形状，其材料可以选自金属、合金、导电聚合物、金属性碳纳米管及铟锡氧化物(ITO)中的一种或多种。优选地，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。
可以理解，当碳纳米管结构202通过支撑结构206支撑时，所述至少两个电极204可竖直设置(即沿经线方向设置)，或水平设置(即沿纬线方向设置)。电极204竖直设置时，碳纳米管结构202中碳纳米管基本沿纬线方向设置，电极204水平设置时，碳纳米管结构202中碳纳米管基本沿经线方向设置。本实施例中，电极204竖直设置，碳纳米管结构202中的碳纳米管沿纬线方向设置。
可以理解，所述电极204为可选择的结构。外部音频电信号源可直接通过导线或电极引线等方式与所述碳纳米管结构202，如碳纳米管线状结构的两端电连接。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。
请参阅图7，本技术方案第三实施例提供一种发声照明装置30，其包括一光源310、一发声元件300以及一支撑元件320。该发声元件300设置于该光源310附近。该发声元件300包括一碳纳米管结构302以及至少两个电极304，该至少两个电极304间隔设置并与所述碳纳米管结构302电连接。
该第三实施例发声照明装置30的结构与第一实施例发声照明装置10的结构基本相同，其区别在于，该支撑元件320为一悬吊装置，该光源310及发声元件300通过该悬吊装置悬于半空。该发声元件300包括一碳纳米管结构302、至少两个电极304及一支撑结构306。
具体地，本技术方案实施例中，该发声元件300的支撑结构306包括多个杆状结构，该杆状结构具有一弧度并沿经线设置，组成一笼状结构包围该光源310。该光源310与该发声元件300的支撑结构306与悬吊装置相连，从而通过悬吊装置悬于半空。该发声元件300的至少两个电极304沿纬线方向设置。所述碳纳米管结构302设置于笼状的支撑结构306上，并环绕该光源310设置。碳纳米管结构302中的碳纳米管沿经线方向排列设置。
可以理解，所述支撑结构306为可选择结构，当所述至少两个电极304沿经线方向设置，并组成一笼状结构包围该光源310设置时，该碳纳米管结构302可通过该电极304支撑。该光源310与该发声元件300的电极304与悬吊装置相连，从而通过悬吊装置悬于半空。该碳纳米管结构302中的碳纳米管沿纬线方向设置。
该支撑结构306可以为棒状、杆状或其他形状，从而使碳纳米管结构302通过该支撑结构306支撑，并部分悬空设置。另外，该支撑结构可以为平面或曲面结构，该碳纳米管结构302贴合设置于该支撑结构表面。该支撑结构306的材料为绝缘材料，具体可以为硬性材料或具有一定强度的柔性材料，如玻璃、树脂、塑料或动植物纤维织物等。此时，所述至少两个电极304可以为硬性结构或柔性结构。具体地，该至少两个电极304可以为棒状、杆状、层状或其他形状，其材料可以选自金属、合金、导电聚合物、金属性碳纳米管及铟锡氧化物(ITO)中的一种或多种。优选地，所述电极304为间隔涂附于所述碳纳米管结构302表面的导电银胶层。
可以理解，本实施例中，该发声元件300环绕该光源310设置，从而同时起到灯罩的作用。
该发声照明装置中的发声元件及光源可分别通过独立的控制电路分别与外部信号输入装置及电源相连，或者通过一个关联电路相连，使光源与发声元件配合工作。当发声元件通过独立电路与信号输入装置相连时，所述发声元件的至少两个电极分别与外部的信号输入装置的两输出电极电连接。信号输入装置为该发声元件提供一交流电信号或音频电信号，该发声元件的碳纳米管结构将交流电信号或音频电信号转换成声音信号，使该发声照明装置在发光的同时达到发声效果。当发声元件包括多个电极时，任意两个电极分别与外部的信号输入装置的两输出电极电连接，以使位于相邻电极之间的发声元件接入输入信号。优选地，该两个电极的位置相邻。具体地，先将不相邻的两个电极用导线连接后与所述信号输入装置的一个电极连接，剩下的两个电极用导线连接后与所述信号输入装置的另一个电极电连接。上述连接方式可实现相邻电极之间的碳纳米管膜的并联。并联后的碳纳米管膜具有较小的电阻，可降低工作电压。
本领域技术人员应该明白，本技术方案的发声照明装置并不局限于上述实施例所示的具体结构。例如，第一实施例与第二实施例中，当发声元件围绕光源并设置于支撑元件上时，所述支撑元件的上表面的面积与发声元件围成的面积不一定相等。支撑元件的上表面的面积可以大于发声元件所围成的面积。发声元件的电极不一定为条状或棒状，可以根据需要设计成各种形状。电极可以弯曲形成各种曲线。碳纳米管薄膜通过弯曲状的电极支撑时可以使发声元件具有类似第三实施例的曲面，或者其它具有装饰效果的曲面，如一螺旋形曲面。发声元件不一定包围或部分包围光源设置，如，发声元件可直接设置于光源表面，或设置于支撑该光源的支撑结构，如底座或悬吊装置，的表面或内部。总之，应保证发声元件设置于光源附近，从而使发声元件与光源构成一完整的发声照明装置。
可以理解，本技术方案的发声照明装置可以应用于较广泛的应用领域，其发声元件的发声频率范围为1赫兹至10万赫兹(即1Hz～100kHz)，可发出具有驱虫效果的超声波。因此，该发声照明装置具有驱虫作用，可作为一驱虫照明装置使用。
本技术方案实施例提供的发声照明装置具有以下优点：其一，由于所述发声照明装置的发声元件包括一碳纳米管结构及至少两个间隔设置并与碳纳米管结构电连接的电极，故该发声照明装置结构简单，有利于降低发声照明装置的成本。其二，该发声照明装置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，改变碳纳米管结构周围介质密度，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，故该发声照明装置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单位面积热容和较大的比表面积，在输入信号后，根据信号强度(如电流强度)的变化，该碳纳米管结构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，且结构简单有利于微加工，因此有利于制造包括碳纳米管结构的各种形状、尺寸的发声照明装置，进而方便地应用于各种领域。
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。