專利名稱：帶有電聲隔膜換能器的參量揚(yáng)聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電揚(yáng)聲器換能器。更具體地說，本發(fā)明涉及包括一個(gè)定子元件并且基于膜型隔膜的參量揚(yáng)聲器換能器。這些換能器包括超聲電壓信號(hào)至超聲壓縮波的一個(gè)單級(jí)、電-機(jī)轉(zhuǎn)換，超聲壓縮波的值差別對(duì)應(yīng)于新的聲或亞聲壓縮波頻率。
背景技術(shù)：
參量揚(yáng)聲器是一種對(duì)于一個(gè)聲頻信號(hào)直接發(fā)射由載波頻率和從載波頻率的調(diào)制生成的邊帶頻率表示的高頻超聲波的聲發(fā)射器件。這些分散超聲頻率在一種諸如空氣之類的非線性介質(zhì)中解調(diào)，以把調(diào)制聲頻信號(hào)重新生成實(shí)際聲頻輸出。在理論上，參量聲音由其值的差落在聲頻范圍內(nèi)的兩個(gè)超聲頻率在空氣(作為非線性介質(zhì))中的交互產(chǎn)生。理想地，生成的聲頻壓縮波在空氣中發(fā)射，并且作為純聲音聽到。盡管理想的理論，但對(duì)于實(shí)際用途通過聲混合的聲音產(chǎn)生已經(jīng)使該行業(yè)困惑超過100年了。
因?yàn)槁曨l輸出的產(chǎn)生沿超聲傳播的長(zhǎng)度延伸，所以增大聲壓級(jí)(SPL)沿超聲波束產(chǎn)生，直到耗盡超聲能量。以這種方式，參量揚(yáng)聲器的輸出類似于常規(guī)揚(yáng)聲器的端射陣。盡管在參量揚(yáng)聲器與常規(guī)揚(yáng)聲器系統(tǒng)之間的一些相似性，但顯著的新性能產(chǎn)生，因?yàn)槁曨l輸出間接從高能超聲發(fā)射產(chǎn)生，而不是由在聲頻下運(yùn)動(dòng)的錐或隔膜產(chǎn)生。這些獨(dú)特性能的一些是熟知的，如聲音至發(fā)射區(qū)域的長(zhǎng)距離成束效應(yīng)和局部化。其他的性能以前還沒有識(shí)別到，并且已經(jīng)防止商業(yè)參量揚(yáng)聲器系統(tǒng)的實(shí)施。本公開、以及提出于1999年8月26日和標(biāo)題為“用于參量揚(yáng)聲器系統(tǒng)的調(diào)制器處理”的同時(shí)提出申請(qǐng)序列No.09/384,084，探索這些性能的幾種作為一種全操作參量揚(yáng)聲器的部分。當(dāng)前發(fā)明的參量揚(yáng)聲器具有全范圍聲頻輸出，有與高質(zhì)量常規(guī)聲音系統(tǒng)不相上下的音量、清晰度和保真度。
在參量揚(yáng)聲器應(yīng)用方面先有技術(shù)的努力一般限于對(duì)某些有限性能和集中安裝在一個(gè)支撐表面上的壓電雙壓電晶片換能器的一個(gè)換能器陣列的用途的理論研究。每個(gè)雙壓電晶片發(fā)射體分離地用導(dǎo)線連接到信號(hào)源上。根據(jù)這種配置，參量產(chǎn)品的商業(yè)開發(fā)已經(jīng)使行業(yè)困惑。這主要由于缺乏與諸如動(dòng)態(tài)和靜電揚(yáng)聲器系統(tǒng)之類的其他常規(guī)聲系統(tǒng)不相上下的有效聲音復(fù)制。即使在參量揚(yáng)聲器提供諸如增強(qiáng)方向性之類的顯著優(yōu)點(diǎn)的地方，商業(yè)成功也因?yàn)椴粷M足有鑒別力聽眾的高成本、實(shí)際功率要求、和差的質(zhì)量，一直很小。
參量揚(yáng)聲器取決于獨(dú)特性質(zhì)的超聲聲音輸出與周圍空氣的有效耦合。如上所述，以前的理論和商業(yè)產(chǎn)品研究主要集中在使用也稱作壓電彎曲機(jī)的壓電雙壓電晶片結(jié)構(gòu)的發(fā)射體器件。這些器件使用彼此粘結(jié)且異相驅(qū)動(dòng)的兩層壓電材料。當(dāng)一層在長(zhǎng)度上延伸時(shí)，另一層收縮，在對(duì)于膨脹/收縮方向的90度的平面內(nèi)提供輸出運(yùn)動(dòng)。盡管這些器件的力很大，但實(shí)際空氣位移和耦合相當(dāng)差。因此，雙壓電晶片的成功特性取決于其中在周圍空氣中放大雙壓電晶片的局部運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換過程的一個(gè)第二級(jí)。這借助于包括板式和盤式結(jié)構(gòu)的各種空氣匹配裝置實(shí)現(xiàn)，這些結(jié)構(gòu)在尺寸上與感興趣頻率的波長(zhǎng)相差不大。
為了開發(fā)有意義的SPL，多個(gè)這樣的器件沿一塊支撐或其他支撐結(jié)構(gòu)隔開。見例如從Tanaka等的美國(guó)專利4,823,908得到、包括500串或超過1400個(gè)雙壓電晶片單元的圖6。因?yàn)檫@些器件的每一個(gè)表示一個(gè)局部化發(fā)射體，所以本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)緊在每個(gè)器件前面的高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度能容易地把空氣驅(qū)動(dòng)成激波或飽和。這種現(xiàn)象破壞聲頻信號(hào)的有效解調(diào)，引起功率輸出的損失和聲頻聲音分量的嚴(yán)重失真、以及對(duì)參量揚(yáng)聲器操作的一般過程的其他嚴(yán)重不利影響。另外，雙壓電晶片具有差的頻率響應(yīng)和多余的次諧波。
至較大程度上，用于在雙壓電晶片系統(tǒng)中增強(qiáng)SPL的先有技術(shù)努力一直集中在增加雙壓電晶片發(fā)射體的數(shù)量。盡管已經(jīng)發(fā)覺增加雙壓電晶片發(fā)射體的數(shù)量會(huì)提供增大的超聲輸出，但它僅擴(kuò)大空氣飽和問題和嚴(yán)重的功率損失。而且，本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種伴隨的限制，有由從器件至器件的變化造成的相位匹配誤差、失真和帶寬問題及使用這么多分立器件的有關(guān)成本和復(fù)雜性。的確，這些分立器件的相位關(guān)系是這樣的，從而用作一串的多個(gè)器件的總輸出不會(huì)添加僅通過求和所有器件預(yù)計(jì)的量。例如，試驗(yàn)已經(jīng)表明，每個(gè)單獨(dú)能夠產(chǎn)生120db的SPL的一個(gè)10雙壓電晶片換能器的陣列，產(chǎn)生僅125至127db的集中SPL。特別是，這奇怪地小于理論上表示十個(gè)具有120db單獨(dú)輸出的器件的累加的130db。如以上指示的那樣，本發(fā)明者相信，這種功率損失由相位異常、和在本公開中辨別的其他缺陷產(chǎn)生。
另一個(gè)或許把研究者引導(dǎo)到依賴于雙壓電晶片器件的另一個(gè)因素，是一種發(fā)射體應(yīng)該以與要發(fā)射的超聲能量的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的尺寸構(gòu)造的感覺。這與其他類型的超聲器件一致，如以等于或大于感興趣的最低頻率的波長(zhǎng)的尺寸建造的靜電發(fā)射體。即使當(dāng)使用這些器件時(shí)，仍需要使用較大器件計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)需要的輸出。事實(shí)上，感覺一直是這樣的，如果希望較高的SPL，則必須應(yīng)用較大數(shù)量的發(fā)射體，以較高電壓級(jí)驅(qū)動(dòng)。這種邏輯由來自常規(guī)聲頻系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)感覺產(chǎn)生。然而，這些結(jié)論不是以平行關(guān)系遵循參量揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
本發(fā)明者相信，除在帶有雙壓電晶片換能器的參量系統(tǒng)中的不滿意結(jié)果之外，從常規(guī)聲頻系統(tǒng)得出的其他傳統(tǒng)觀點(diǎn)可能誤導(dǎo)了在參量揚(yáng)聲器領(lǐng)域中的早期研究者，導(dǎo)致阻礙參量揚(yáng)聲器進(jìn)步的失望結(jié)果。這由如下事實(shí)表明，早期研究努力基本上限于一般分類為大功率器件的雙壓電晶片換能器的使用。似乎在參量揚(yáng)聲器內(nèi)的雙壓電晶片換能器的希望使用可能是在聲頻行業(yè)中平行經(jīng)驗(yàn)的自然結(jié)果，其中對(duì)動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器(也特征化為大功率器件)的強(qiáng)烈偏愛優(yōu)于靜電揚(yáng)聲器。換句話說，磁驅(qū)動(dòng)錐的流行性和一般接收(在本質(zhì)上類似于雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器和附加的空氣耦合錐)，顯得已經(jīng)把在參量領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展想法引導(dǎo)成偏愛雙壓電晶片而遠(yuǎn)離諸如膜發(fā)射體之類的低輸出發(fā)射體結(jié)構(gòu)。
例如，在世界上銷售的約百分之99的聲頻系統(tǒng)落在動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的種類內(nèi)，由機(jī)械耦合到一個(gè)錐上的磁驅(qū)動(dòng)單元或類似的聲驅(qū)動(dòng)器表明。動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器基于兩個(gè)概念操作。第一個(gè)涉及一個(gè)把聲頻輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電-機(jī)過程。這由諸如一種磁鐵和線圈組合之類的磁驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)概念伴隨著第一個(gè)，其中機(jī)械運(yùn)動(dòng)與一個(gè)聲耦器件相結(jié)合，如與用于壓縮波的位移的錐的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合。這在概念上稱作一個(gè)兩級(jí)揚(yáng)聲器。
這樣的動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器稱作大功率器件，因?yàn)樗麄兡軌蚋鶕?jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度產(chǎn)生高音量級(jí)，特別是在低頻下。他們也良好地適于用在諸如小房間、汽車等之類的小空間內(nèi)。動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的多樣性和其操作的簡(jiǎn)單性(一個(gè)運(yùn)動(dòng)錐)已經(jīng)給予一個(gè)基本不中斷的領(lǐng)導(dǎo)位置，優(yōu)于靜電揚(yáng)聲器和用于聲頻復(fù)制其他系統(tǒng)。而且，這樣的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)，盡管需要昂貴和復(fù)雜的聲頻控制系統(tǒng)來混合、交叉、均衡，并且象這樣的相關(guān)問題枚列在通過參考包括在這里的美國(guó)專利申請(qǐng)Serial No.08/684,311中。
盡管動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器有市場(chǎng)強(qiáng)度，但靜電揚(yáng)聲器工業(yè)已經(jīng)為商業(yè)利益提供了顯著潛力。然而，因?yàn)榈凸β瘦敵?、大尺寸要求和建造限制，靜電揚(yáng)聲器沒能獲得顯著的市場(chǎng)份額-小于1％。不顧在聲頻工業(yè)中由靜電揚(yáng)聲器供給的明顯優(yōu)點(diǎn)超過動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器，商業(yè)發(fā)展和研究繼續(xù)集中在大功率、磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)上。
現(xiàn)在可能顯得，在聲學(xué)界中的這種趨勢(shì)也會(huì)影響在聲音復(fù)制的參量領(lǐng)域內(nèi)的研究方向。具體地說，在本發(fā)明者之前的實(shí)際所有參量研究都是對(duì)于雙壓電晶片換能器的使用，在結(jié)構(gòu)上類似于具有其大功率操作的動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器。如以上提到的那樣，雙壓電晶片系統(tǒng)還沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)于參量揚(yáng)聲器系統(tǒng)的商業(yè)化必需的結(jié)果。借助于“大功率”形式(雙壓電晶片換能器)的一個(gè)超聲發(fā)射體沒有實(shí)現(xiàn)要求級(jí)的音量和質(zhì)量，由熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員有這樣一種明顯假設(shè)，靜電或低功率膜型發(fā)射體更不可能運(yùn)行在參量聲音領(lǐng)域中。所以，寬片隔膜的使用和類似單級(jí)電聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不認(rèn)為是適于參量研究的換能器。
聲學(xué)科學(xué)早就知道可運(yùn)動(dòng)靜電薄膜或與一個(gè)定子或驅(qū)動(dòng)件有關(guān)和與其絕緣的膜作為揚(yáng)聲器/或麥克風(fēng)器件使用。這種器件的典型結(jié)構(gòu)包括一個(gè)可彎曲Mylar(tm)或Kapton(tm)膜，該膜帶有由一個(gè)空氣間隙或絕緣材料分離的一個(gè)金屬化涂層；和一塊有關(guān)的導(dǎo)電、剛性板。包括一個(gè)聲或超聲信號(hào)的施加電壓傳送到該電容性組件，并且操作移動(dòng)可彎曲發(fā)射體膜以傳播希望的超聲或聲壓縮波。
存在兩種主要種類的靜電揚(yáng)器。單端揚(yáng)聲器包括單塊板，該板一般帶有允許聲音通過的孔。膜懸掛在板的前面或后面，并且可以通過墊片不與板接觸地移動(dòng)。就超聲發(fā)射體而論，膜已經(jīng)偏移成與板的不規(guī)則表面直接接觸，并且允許膜在空穴或空腔中振動(dòng)。一個(gè)空氣、塑料膜或類似非導(dǎo)電材料的絕緣阻擋層夾持在膜與板之間，以防止電氣接觸和起弧。一般地，板和隔膜聯(lián)接到一個(gè)直流電源上，以在金屬化涂層和板的相應(yīng)導(dǎo)電表面上建立相反的極性。
第二主要種類的靜電揚(yáng)聲器由推挽配置表示。在這種情況下，揚(yáng)聲器帶有對(duì)稱放置在一個(gè)導(dǎo)電薄膜的每一側(cè)的兩塊剛性板。當(dāng)施加電壓時(shí)，一塊板相對(duì)于薄膜變成負(fù)的，而相對(duì)板呈現(xiàn)正電荷?？勺冸妷?例如交流)至換能器的傳送加強(qiáng)對(duì)薄膜的推挽作用，由此增大功率輸出。常用靜電發(fā)射體設(shè)計(jì)的理論和構(gòu)造的另外細(xì)節(jié)在Ronald Wagner的ELctostatic Loudspeaker(靜電擴(kuò)音器)，Audio Amateur Press，1993中找到。
多年定向研究已經(jīng)對(duì)這種系統(tǒng)產(chǎn)生各種技術(shù)改進(jìn)，但分量定義基本上保持相同。意想不到的是，本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，把這種低功率換能器用作壓電膜、靜電膜、及其他類似膜發(fā)射體的單級(jí)轉(zhuǎn)換過程，為參量揚(yáng)聲器提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。如下公開對(duì)以上在參考專利申請(qǐng)中敘述的這些概念和實(shí)施例提供進(jìn)一步的增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的在于，把一種膜換能器應(yīng)用于聲音復(fù)制的參量領(lǐng)域。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種能夠響應(yīng)電激勵(lì)產(chǎn)生大振幅壓縮波的改進(jìn)揚(yáng)聲器隔膜，該隔膜不需要常規(guī)聲頻揚(yáng)聲器或超聲換能器的一種剛性隔膜結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另外目的在于，使對(duì)于給定總量系統(tǒng)輸出驅(qū)動(dòng)空氣每部分的隔膜基本上是連續(xù)的。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的在于，使一種換能器能輸送高輸出同時(shí)使失真、相位偏移、及諧波諧振最小。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，使一種換能器可以配置成提供主要頻率方向性圖案的控制，從而束寬能擴(kuò)展到換能器系統(tǒng)的直徑甚至更大。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于，通過把一種泡沫材料用作揚(yáng)聲器系統(tǒng)的定子元件能夠減小重量和剛度要求。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一個(gè)能夠在單個(gè)或推挽配置中操作的板或支撐件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，通過使用磁驅(qū)動(dòng)薄膜發(fā)射體間接產(chǎn)生具有商業(yè)可接收的音量級(jí)的至少一種新聲波或亞聲波，該薄膜發(fā)射體在具有等于至少一個(gè)新聲波或亞聲波的不同頻率的至少兩個(gè)超聲信號(hào)之間提供干涉。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種帶有一個(gè)同相操作的低功率、常用發(fā)射體部分的陣列。
本發(fā)明的一個(gè)專門目的在于，提供一種帶有通常經(jīng)單個(gè)觸點(diǎn)由一個(gè)參量信號(hào)源供電的弓形發(fā)射體部分的壓電膜。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，使帶有一個(gè)弓形發(fā)射體部分陣列的基本上連續(xù)的隔膜一般在沒有飽和的級(jí)下、而以用來使總系統(tǒng)輸出最大的受控方式驅(qū)動(dòng)周圍空氣的相鄰區(qū)域。
這些和其他目的以一種用來根據(jù)在作為非線性介質(zhì)的空氣中的多個(gè)超聲頻率的交互作用產(chǎn)生參量聲頻輸出的方法實(shí)現(xiàn)，所述方法包括步驟a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)具有落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)把電子信號(hào)傳送到直接與空氣耦合作為單級(jí)能量轉(zhuǎn)換過程的部分的電聲膜換能器隔膜；c)把在隔膜處的電子信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，作為一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件；d)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜機(jī)械發(fā)射到空氣中，作為超聲壓縮波；及e)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產(chǎn)生參量聲頻輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是一種揚(yáng)聲器器件，該揚(yáng)聲器器件帶有一塊剛性發(fā)射體板，包括一個(gè)帶有多個(gè)小孔或空腔的外表面；一個(gè)薄壓電膜，跨過發(fā)射體板的小孔布置，使膜擴(kuò)張到空腔中或從其擴(kuò)張以形成能夠響應(yīng)在壓電膜處施加電氣輸入的變化收縮和延伸的一個(gè)弓形發(fā)射體配置的陣列，由此在周圍環(huán)境中產(chǎn)生壓縮波；及電氣接觸裝置，耦合到用來提供施加電氣輸入的壓電膜上。弓形發(fā)射體配置的陣列能通過正的或負(fù)的壓力實(shí)現(xiàn)或延伸到該裝置。
本發(fā)明另外一個(gè)實(shí)施例的特征在于一種用來提高參量聲頻輸出的方法，該方法包括步驟a)產(chǎn)生一個(gè)至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)具有落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)帶有形成在膜內(nèi)的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列的發(fā)射體膜換能器隔膜；c)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；d)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜發(fā)射到空氣中，作為超聲壓縮波；及e)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產(chǎn)生參量聲頻輸出。
本發(fā)明也通過一種用來提高參量聲頻輸出的方法表示，該方法包括步驟a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)具有落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)同時(shí)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)形成在一個(gè)常用電聲換能器隔膜內(nèi)的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列；c)以受控方式移動(dòng)發(fā)射體部分以便使周圍空氣的飽和最??；d)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；e)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜發(fā)射到空氣中，作為超聲壓縮波；及(f)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產(chǎn)生參量聲頻輸出。
把本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例描述成一種用來提高參量聲頻輸出的方法，該方法基于步驟a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)包括一個(gè)超聲載波信號(hào)和至少一個(gè)另外的超聲信號(hào)，具有一個(gè)相對(duì)于載波信號(hào)落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)形成在一個(gè)常用電聲膜換能器隔膜內(nèi)的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列，該隔膜帶有一根傳播主軸；c)以一般的中凹形式配置發(fā)射體部分的陣列，以便以相對(duì)于傳播主軸的一個(gè)預(yù)定會(huì)聚角度從陣列的至少一個(gè)外周邊提供發(fā)射超聲波束的會(huì)聚；d)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；e)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜發(fā)射到空氣中，作為超聲壓縮波；及(f)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產(chǎn)生參量聲頻輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例通過一種方法和用于一種具有寬頻率范圍容量與典型靜電隔膜運(yùn)動(dòng)相比有較大隔膜位移的超聲發(fā)射體器件的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。該器件包括一個(gè)能夠建立一個(gè)第一磁場(chǎng)的磁心件。一個(gè)可運(yùn)動(dòng)隔膜沿磁心件伸展，并且從磁心件移動(dòng)一個(gè)短分離距離，以提供一個(gè)隔膜相對(duì)于磁心件的正交位移的預(yù)計(jì)范圍并且在磁場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)。至少一個(gè)、小質(zhì)量、平面的、導(dǎo)電電線圈布置在可運(yùn)動(dòng)隔膜上，并且包括用來使電流流經(jīng)線圈的第一和第二觸點(diǎn)。一種可變電流流動(dòng)施加到線圈上以便產(chǎn)生一個(gè)第二磁場(chǎng)，該第二磁場(chǎng)可變地與第一磁場(chǎng)相互作用，以便為了可以包括一個(gè)具有用其調(diào)制的聲頻信號(hào)的超聲頻率范圍的一系列波的產(chǎn)生，以希望頻率吸引和排斥隔膜。
在本發(fā)明的一個(gè)不同方面，用于一個(gè)參量揚(yáng)聲器的發(fā)射體包括一個(gè)由單個(gè)發(fā)射體薄膜組成的鼓，該薄膜布置在一個(gè)由其中的多個(gè)小孔組成的常用發(fā)射體表面上，其中小孔對(duì)準(zhǔn)，以便發(fā)射從其沿平行軸產(chǎn)生的所有頻率，并且其中在鼓內(nèi)和在發(fā)射體薄膜后面產(chǎn)生接近真空，由此消除反向波產(chǎn)生。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，發(fā)射體包括一個(gè)由單個(gè)發(fā)射體薄膜組成的鼓，該薄膜布置在一個(gè)由其中的多個(gè)小孔組成的常用發(fā)射體表面上，但其中現(xiàn)在加壓鼓。


根據(jù)結(jié)合如下附圖所作的最佳實(shí)施例的如下詳細(xì)描述，對(duì)于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，本發(fā)明的其他目的和特征是顯然的。
圖1a表示使用多個(gè)壓電雙壓電晶片換能器的先有技術(shù)參量擴(kuò)音器。
圖1b表示使用多個(gè)壓電雙壓電晶片換能器的參量擴(kuò)音器的另一個(gè)實(shí)施例。
圖1c是在空間聽小點(diǎn)處驅(qū)動(dòng)空氣和引起激波的雙壓電晶片換能器的圖。
圖1d是以分布驅(qū)動(dòng)和減小激波的均勻方式驅(qū)動(dòng)空氣的本發(fā)明的膜換能器的圖。
圖1e是在激波級(jí)以下和在激波級(jí)處的一個(gè)原頻率波形的圖。
圖2是用于一個(gè)大規(guī)模靜電膜換能器的一塊圓形V形開槽后板的正交俯視圖。
圖2a是沿線2a-2a得到的圖2的靜電后板和隔膜的剖視圖。
圖2b是帶有彎曲后板和隔膜的靜電換能器的圖。
圖3是一種整流正弦形式的壓電膜的圖。
圖3a是一種帶有一塊四分之一波間隔的后板的整流正弦形式的壓電膜的圖。
圖3b是一種淺整流正弦形式的壓電膜的圖。
圖3c是一種帶有后板的淺整流正弦形式的壓電膜的圖。
圖4是一種正弦成形壓電膜的圖。
圖4a是一種帶有一塊后板的正弦成形壓電膜的圖。
圖4b是一種具有一塊后板和打開原頻率的方向性角度的彎曲的正弦成形壓電膜的圖。
圖4c是一種用在雙極原頻率/雙極次級(jí)頻率模式中的正弦成形壓電膜的圖。
圖5是一塊與中凹或中凸凹紋形式的壓電膜后板的圖。
圖5a是以中凸凹紋形式使用的壓電膜的圖。
圖5b是以中凹凹紋形式使用的壓電膜的圖。
圖6表示把多壓電雙壓電晶片換能器用作一個(gè)超聲發(fā)射源的先有技術(shù)參量擴(kuò)音器。
圖7表示使用多壓電雙壓電晶片換能器的參量擴(kuò)音器的另一個(gè)先有技術(shù)實(shí)施例，并且表示在揚(yáng)聲器性能中的各種缺陷。
圖8是按照本發(fā)明的原理制成的一種發(fā)射體鼓換能器的立體圖。
圖9是俯視圖，表示在發(fā)射體鼓換能器的一個(gè)發(fā)射體表面中的多個(gè)小孔。
圖10是發(fā)射體鼓換能器和發(fā)射體表面的剖視輪廓圖，表示布置在發(fā)射表面中的小孔上方的薄膜。
圖11A-B是正在振動(dòng)的同時(shí)在發(fā)射體表面中在多個(gè)小孔上伸展的薄膜的閉合輪廓圖。
圖12是曲線圖，表示在最佳實(shí)施例中薄膜(壓電膜)位移與頻率的關(guān)系曲線的一個(gè)例子。該曲線圖表示產(chǎn)生的諧振頻率和典型帶寬。
圖13是其中加壓發(fā)射體鼓的一個(gè)可選擇實(shí)施例的發(fā)射體鼓換能器的剖視輪廓圖。
圖14是本發(fā)明一種更具體實(shí)施，發(fā)射聲學(xué)混合的一個(gè)超聲基頻和一個(gè)超聲情報(bào)載波頻率，以產(chǎn)生一個(gè)新的聲頻率或亞聲頻率。
圖15是帶有一個(gè)已經(jīng)完成中凹橢圓形狀的隔膜的換能器的立體圖。
圖16是圖15的橫截面，表示帶有振動(dòng)產(chǎn)生一種超聲波的完成薄膜的換能器。
圖17是一種靜電揚(yáng)聲器的單端的剖視側(cè)視圖。
圖18表示一種以一個(gè)泡沫件作為一個(gè)定子的單端揚(yáng)聲器器件。
圖19表示一種弓形形狀，代表用于當(dāng)前揚(yáng)聲器器件的一種彎曲外形。
圖20表示一種圓柱形狀，代表用于揚(yáng)聲器器件的一種可能外形。
圖21是在推挽配置中揚(yáng)聲器器件的一種泡沫定子揚(yáng)聲器實(shí)施例的一種基本形式的示意圖。
圖22表示其中膜夾持在相對(duì)泡沫定子之間的揚(yáng)聲器器件的一個(gè)圖23和24表示揚(yáng)聲器器件的多膜實(shí)施例。
圖25是頂部立體圖，表示一種帶有布置在發(fā)射體隔膜上并且懸掛在一個(gè)磁心元件上方的多個(gè)導(dǎo)電線圈的薄膜隔膜。
圖26是一個(gè)可選擇實(shí)施例的分解視圖，表示在發(fā)射體隔膜和磁心上的相對(duì)導(dǎo)電線圈。
圖27是剖視、頂部立體圖，表示一種帶布置在發(fā)射體隔膜上并且懸掛在一個(gè)磁心元件上方的多個(gè)導(dǎo)電環(huán)的薄膜隔膜。
圖28是一種諧振調(diào)諧靜電發(fā)射體的放大立體圖。
圖29是圖28的發(fā)射體的橫截面。
圖30是一種半球形靜電揚(yáng)聲器的剖視側(cè)視圖。
圖31是一種半球形靜電揚(yáng)聲器的立體、部分剖視圖。
圖32是一種半球形靜電揚(yáng)聲器的立體側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖，其中本發(fā)明的各種元件將給出數(shù)字指示，并且其中將討論本發(fā)明，以便使熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖褪褂帽景l(fā)明。要理解，如下描述僅是本發(fā)明的示范，而不應(yīng)該看作限制隨后的權(quán)利要求書。
圖1a和1b是表示使用多個(gè)壓電雙壓電晶片換能器11的先有技術(shù)參量揚(yáng)聲器10的圖。這些已經(jīng)與500至超過1500的雙壓電晶片換能器的串一起使用。對(duì)于參量擴(kuò)音器的困難之一在于，當(dāng)在超聲級(jí)下驅(qū)動(dòng)空氣以提供適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率和在次級(jí)生成頻率下的響度時(shí)，能把空氣驅(qū)動(dòng)到一個(gè)激波極限中，其中基本頻率不能變得更響，而只有失真分量級(jí)增大。該激波極限當(dāng)驅(qū)動(dòng)空氣空間的各個(gè)、小點(diǎn)時(shí)更差。越限制強(qiáng)度，激波越容易存在。
圖1c是一組每個(gè)在空間12中的小點(diǎn)處驅(qū)動(dòng)空氣并且引起激波的雙壓電晶片換能器的圖。圖1d是以分布驅(qū)動(dòng)14和減小激波的均勻方式驅(qū)動(dòng)空氣的本發(fā)明的一種膜換能器13的圖。一片壓電膜18與充電基座17隔開，從而當(dāng)一個(gè)信號(hào)施加到基座17上時(shí)，產(chǎn)生一種機(jī)械相互作用。圖1e是在激波級(jí)15以下和在激波級(jí)16處的一個(gè)原頻率波形的圖。
一種大規(guī)模膜換能器的一個(gè)最佳實(shí)施例基于靜電驅(qū)動(dòng)原理。靜電類型的換能器使用一塊帶有靠近后板的一個(gè)導(dǎo)電膜的導(dǎo)電后板。把一個(gè)偏壓施加到膜或后板上，并且膜和后板都由驅(qū)動(dòng)信號(hào)的兩個(gè)極性驅(qū)動(dòng)。圖2是一個(gè)帶有一塊圓形V形開槽后板21的大規(guī)模靜電膜換能器的俯視圖，而圖2a是其剖視圖。后板結(jié)構(gòu)可以在形狀上交替地凹下(中凹)或起波紋(中凸)。
當(dāng)高頻從較大隔膜射出時(shí)，與感興趣的頻率波長(zhǎng)相比，波束能達(dá)到這樣高的方向性，從而高頻率會(huì)聚減小成一個(gè)窄波束。這由于高強(qiáng)度會(huì)聚在一個(gè)小空域中，能引起過分集中的方向性和聲波的過早激波形成。通過彎曲隔膜，能打開輻射圖案，以具有一個(gè)在寬度上與換能器相差不大的方向性窗口或甚至一個(gè)使激波受限波形最小的稍寬的聲音散布。圖2b表示一個(gè)帶有一塊彎曲后板23和解決該問題的互補(bǔ)狀膜隔膜22的靜電膜換能器。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例利用由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的壓電膜。該膜在電激勵(lì)時(shí)膨脹和收縮，并因此必須變形以實(shí)現(xiàn)聲輸出。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這些大面積膜換能器包括但不限于靜電膜、駐極體膜、諸如PVDF之類的壓電膜、電熱機(jī)械膜、及平面磁配置。
作為整流正弦形狀的壓電膜30的一種最佳形狀表示在圖3中。圖3a是一種帶有一塊四分之一波間隔的后板31的整流正弦形式的壓電膜30的圖。通過把后板30與膜隔開一個(gè)波長(zhǎng)35的四分之一，發(fā)射體的輸出在其波長(zhǎng)是從膜到后板的距離的四倍的頻率下能增大高達(dá)3dB。圖3b是一種淺整流正弦形式的壓電膜32的圖。圖3c是一種使后板31與壓電膜32隔開四分之一波長(zhǎng)的淺整流正弦形式的壓電膜32的圖。
圖4是一種正弦成形壓電膜42的圖。這種形式可能是有效的，使所有膜的運(yùn)動(dòng)能夠作為一種發(fā)射體結(jié)構(gòu)。對(duì)于遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)小于波峰對(duì)波峰高度的一個(gè)波長(zhǎng)(wL)的1/2的正弦形狀，波峰43和波谷44可能彼此異相。在這種情況下，可能需要一個(gè)補(bǔ)償過程，如以與波谷反相地電氣驅(qū)動(dòng)波峰。圖4a是一種帶有隔開后板41的正弦成形壓電膜發(fā)射體42的圖。圖4b是一種具有一塊后板46和打開原頻率的方向性角度48的彎曲47的正弦成形壓電膜45的圖。這種布置使激波形成最小，并且打開分散的窗口，如在上述靜電例子中那樣。
大多數(shù)超聲發(fā)射體和參量擴(kuò)音器在輻射圖案中基本上是單極的。如圖4c中所示，借助于本發(fā)明通過使用一個(gè)打開膜(例如PVDF)而不用后板能實(shí)現(xiàn)一種雙極參量擴(kuò)音器，該擴(kuò)音器在原頻率范圍內(nèi)以一種雙極異相輻射圖案輻射，同時(shí)對(duì)于所有次級(jí)參量驅(qū)動(dòng)信號(hào)以一種雙極同相方式操作。這能用在想要在兩個(gè)相反方向上射出高度定向的、同相聲音的地方。這對(duì)于任何先有技術(shù)器件是不實(shí)際的。圖4c是一種用在雙極原頻率/雙極次級(jí)頻率模式中的正弦成形壓電膜41的圖。
用于壓電膜的另一種隔膜形式是一種中凹或中凸起波紋結(jié)構(gòu)。這種形狀可以通過熱形成膜實(shí)現(xiàn)，或利用泡沫支撐結(jié)構(gòu)把膜推壓成這種形狀。把膜形成彎曲發(fā)射體部分也能通過用正或負(fù)壓力把膜推或拉成空腔實(shí)現(xiàn)。此外，有可能利用泡沫或塑料支撐結(jié)構(gòu)把膜推壓成希望形狀。
圖5是一種帶有產(chǎn)生中凹或中凸形式的后板52的壓電膜51的圖。在后板52中的腔室54用正或負(fù)的壓力壓制，以生產(chǎn)中凹或中凸波紋。這些腔室54能分離地壓制，或者他們可以是一個(gè)較大互連壓力腔室的部分。圖5a是以起波紋形式使用的具有中凹形狀的壓電膜51a的圖。圖5b是以中凸字符的起波紋形式使用的壓電膜51b的圖。熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將明白，在本發(fā)明的概念下能應(yīng)用用來在壓電膜中產(chǎn)生希望彎曲的多種變更。而且，可以開發(fā)多種支撐機(jī)構(gòu)，以在壓電膜內(nèi)提供這些希望的彎曲，特別當(dāng)應(yīng)用于聲頻聲音的參量輸出的產(chǎn)生，作為來自主要超聲發(fā)射的一種次發(fā)射時(shí)。
一種可彎曲膜隔膜的適用性提供超過常規(guī)剛性雙壓電晶片器件的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這些好處的一些更具體地表明在圖6和7中。圖6表示使用多個(gè)壓電雙壓電晶片換能器62的一種先有技術(shù)參量擴(kuò)音器60。如描述的那樣，在致力于產(chǎn)生高效參量輸出的過程中，這些已經(jīng)用于在500至1500雙壓電晶片換能器之間的串中。本公開已經(jīng)辨別出在雙壓電晶片發(fā)射體中從緊在換能器表面前面的局部發(fā)射區(qū)域處的空氣飽和產(chǎn)生的一種缺陷。圖7用圖表明這種失真原因、以及由于相位失真和誤對(duì)準(zhǔn)的原因從先有技術(shù)參量陣列64產(chǎn)生的其他缺陷。這些不適合，如提到的相位異常，表示在圖7的雙壓電晶片70、71、72及73中。
重要的是要注意，這些雙壓電晶片發(fā)射體是一般具有不同物理和電氣性能的分離結(jié)構(gòu)。的確，對(duì)于不同的構(gòu)造環(huán)境，這種雙壓電晶片換能器可以由不同批量的材料制造。典型地，把他們?nèi)拥揭粋€(gè)普通倉庫中，并且在隨機(jī)選擇基礎(chǔ)上分配為客戶指定具體結(jié)構(gòu)規(guī)格。結(jié)果，在傳播超聲波66中的相位誤匹配能導(dǎo)致相位抵消和其他形式的聲音及由虛線77和78表示的方向失真。項(xiàng)78表示相鄰超聲波束的彎曲作用，其中來自每個(gè)發(fā)射體的各個(gè)頻率異相。例如，發(fā)射體70正在傳播與來自發(fā)射體71的波稍微異相的波。虛線78表明來自參量揚(yáng)聲器的聲頻輸出的方向偏移，這種偏移產(chǎn)生于相位誤對(duì)準(zhǔn)。發(fā)射體72已經(jīng)傾斜安裝，如由銳角69表明的那樣，它稍微偏離相對(duì)于一個(gè)安裝支撐板65的一根垂直軸76。這里同樣，從發(fā)射體傳播的波束沒有對(duì)準(zhǔn)，并且適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的相位導(dǎo)致能量損失和可能的失真。由于這些因素乘以一般組合形成一個(gè)常規(guī)陣列的500至1500個(gè)發(fā)射體，所以不利影響可能是顯著的。另外，顯然這些器件往往具有多種諧波諧振和反諧振，這些諧振在參量擴(kuò)音器的解調(diào)聲頻分量中進(jìn)一步失真。
除以上辨別的相位異常之外，圖7表示以上介紹的飽和問題。的確，對(duì)于參量擴(kuò)音器由本發(fā)明者注意到的困難之一在于，當(dāng)以提供適當(dāng)轉(zhuǎn)換效率和響度的超聲級(jí)驅(qū)動(dòng)空氣時(shí)，能把空氣驅(qū)動(dòng)到一種其中基本頻率不能變得更響而只有失真分量在級(jí)上增大的激波極限中。這種激波極限在驅(qū)動(dòng)空域的較小、各個(gè)點(diǎn)時(shí)增大，如對(duì)于雙壓電晶片換能器73出現(xiàn)的那樣。越限制強(qiáng)度，激波越容易存在。這特別對(duì)于諸如常規(guī)雙壓電晶片之類的高強(qiáng)度器件成立。
本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過把高能量級(jí)分布在膜的寬廣表面區(qū)域上，與雙壓電晶片陣列換能器的局部化發(fā)射體元件相反，能控制激波極限。當(dāng)期望一個(gè)小雙壓電晶片發(fā)射體的陣列在把130db供給到發(fā)射體時(shí)產(chǎn)生希望的聲音壓力級(jí)(SPL)時(shí)，希望的LPS不足，并且失真大大地放大。
在本發(fā)明的原理下，一個(gè)寬廣發(fā)射膜以小于120db供給。然而，通過把能量分散在膜的多個(gè)小發(fā)射體部分上，在換能器前面的任何局部點(diǎn)處不會(huì)把空氣驅(qū)動(dòng)到飽和或激波。用于由膜發(fā)射體產(chǎn)生的參量輸出的轉(zhuǎn)換效率非常高，并且大大地減小失真。該過程表示從試圖通過會(huì)聚從高強(qiáng)度發(fā)射體(如雙壓電晶片)輸出的較高db增大音量的先有技術(shù)的一種變向。
一般地說，這些各種概念表示一種在作為一種非線性介質(zhì)的空氣中根據(jù)多個(gè)超聲頻率的相互作用來提高參量聲頻輸出的方法。通過以前類型的結(jié)構(gòu)的一種或多種實(shí)施如下基本步驟。這些步驟列在下面，并且包括a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)具有落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)帶有形成在膜內(nèi)的弓形發(fā)射部分的陣列的發(fā)射體膜換能器隔膜；c)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；及d)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜機(jī)械地發(fā)射到空氣中，作為在空氣中相互作用以產(chǎn)生參量聲頻輸出的超聲壓縮波。
另一個(gè)選擇性步驟是選擇這樣一種換能器隔膜，后者具有大于在其最低頻率波長(zhǎng)值下的超聲頻率的波長(zhǎng)的尺寸。這種概念的一種擴(kuò)展是選擇這樣一種換能器隔膜，后者具有大于在其最低值下的超聲頻率的波長(zhǎng)十倍的尺寸。
在先有技術(shù)通過增大在各個(gè)雙壓電晶片發(fā)射體表面處的db級(jí)尋求增大SPL輸出的地方，本發(fā)明把能量散布在較大表面區(qū)域上。盡管這減小了在空間中任何點(diǎn)處傳播的壓縮波的db級(jí)，但整個(gè)效果是增大SPL，因?yàn)楸砻婷娣e較大。而且，因?yàn)槭故д鏈p小，所以能把SPL升高到更有效的級(jí)。這表示一個(gè)把電子信號(hào)限制到使在各弓形發(fā)射體部分處周圍空氣的飽和最小的最大強(qiáng)度級(jí)的概念步驟。如下幾何形狀和相關(guān)db級(jí)表明具有膜發(fā)射體的db發(fā)射級(jí)的廣泛幾何形狀的適當(dāng)平衡。
在本發(fā)明的概念下容易實(shí)施的另外一個(gè)步驟涉及，提供從膜發(fā)射體部分的每一個(gè)傳播的超聲能量的各波束的改進(jìn)對(duì)準(zhǔn)。波束的方位能由后板的支撐結(jié)構(gòu)控制。具體地說，單獨(dú)的、常用板結(jié)構(gòu)以較高精度提供發(fā)射體部分的陣列的物理定位。雙壓電晶片器件的以前定位需要每個(gè)發(fā)射體的分別定位，導(dǎo)致誤對(duì)準(zhǔn)。借助于適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的所有發(fā)射體部分，對(duì)準(zhǔn)超聲發(fā)射。顯著減小來自由非對(duì)準(zhǔn)發(fā)射產(chǎn)生的異相交互作用的干擾損失。考慮到來自超聲發(fā)射的聲頻信號(hào)的解調(diào)的虛擬端射陣，較窄波束的超聲能量也提供較有效的轉(zhuǎn)換。具體地說，較窄波束圖案提供對(duì)于解調(diào)的較大集中，由此增大沿超聲波束長(zhǎng)度的聲頻SPL。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是表示一個(gè)超聲發(fā)射體的一個(gè)更高效實(shí)施例的圖8。在該立體圖中表示的最佳實(shí)施例中，發(fā)射體鼓換能器100是一個(gè)一般圓柱形的物體。發(fā)射體鼓換能器100的側(cè)壁106最好是金屬或金屬合金。發(fā)射體表面102的外表面包括一個(gè)壓電膜104。壓電膜104由施加到其上的電信號(hào)激勵(lì)，并且引起在希望頻率下振動(dòng)以產(chǎn)生壓縮波。在壓電膜104上面并且繞發(fā)射體表面102的周邊布置的是一個(gè)導(dǎo)電環(huán)114。導(dǎo)電環(huán)114用來把電壓施加到壓電膜104上。在壓電膜104下是以后要描述的一個(gè)希望金屬餅(但下文稱作盤，見圖9)。
發(fā)射體鼓換能器100一般在內(nèi)側(cè)是空的，并且在一個(gè)底表面處由一個(gè)后蓋110封閉。把發(fā)射體鼓換能器100密封成一般是氣密的，從而一種近真空(下文稱作真空)或一種加壓狀態(tài)能存在于發(fā)射體鼓換能器100內(nèi)。在使隔膜離后板選擇頻率波長(zhǎng)的四分之一遠(yuǎn)的發(fā)射體鼓換能器100內(nèi)的正壓力能產(chǎn)生一種有用的反向波。一種特別有價(jià)值的選擇頻率是載波頻率。當(dāng)然，一塊后板也能用來借助于玻璃纖維、泡沫或其他聲波吸收材料吸收反向波。
為了更好地理解發(fā)射體鼓換能器100的結(jié)構(gòu)，圖9提供布置在壓電膜104(見圖8)下面的盤108的一個(gè)面向外側(cè)126的俯視圖。在該最佳實(shí)施例中，盤108是金屬的，并且打有一般均勻尺寸的多個(gè)小孔112。小孔112完全穿過盤108的厚度從一個(gè)面向內(nèi)側(cè)128(見圖10)延伸到面向外側(cè)126。為了提供可預(yù)見性和性能的最大效率，如果使用雙向壓電膜，則小孔112以圓柱形形成。在應(yīng)用單向膜的地方，圖15中所表明的細(xì)長(zhǎng)形狀是希望的。
在這種情況下選擇表示在圖9中盤108上的小孔圖案112，因?yàn)樗軌蚴棺畲髷?shù)量的小孔112布置在一個(gè)給定區(qū)域內(nèi)。這種圖案一般描述成“蜂窩”圖案。選擇蜂窩圖案，是因?yàn)橛捎诼晫W(xué)混合的特性希望具有大量具有平行軸的小孔112。特別是在產(chǎn)生超聲頻率的情況下，希望在一個(gè)基頻與一個(gè)載波情報(bào)的頻率之間引起混合干擾，由此產(chǎn)生一個(gè)包含情報(bào)的新的聲頻率或亞聲頻率。因此，彼此靠近引起干擾的基本和情報(bào)載波信號(hào)的數(shù)量越大，產(chǎn)生的新的聲頻率或亞聲頻率的音量越大。換句話說，本發(fā)明提供產(chǎn)生一種響得足以商業(yè)可用的音量的顯著優(yōu)點(diǎn)。頻率發(fā)射的平行軸提供較大的可預(yù)測(cè)性，以便確定在何處將產(chǎn)生新的聲頻率或亞聲頻率。
圖10提供本發(fā)明的最佳實(shí)施例的有益輪廓和剖視立體圖，包括與對(duì)發(fā)射體鼓換能器100的電氣連接有關(guān)的較多細(xì)節(jié)。發(fā)射體鼓換能器100的側(cè)壁106提供一個(gè)用于盤108的外殼。使其多個(gè)小孔112穿過盤108延伸。壓電膜104表示成與盤108接觸。使用試驗(yàn)確定了最好不要把壓電膜104粘合到盤108與壓電膜104處于接觸的整個(gè)暴露表面上。在壓電膜104與小孔112之間的粘結(jié)劑邊角的變化尺寸引起否則均勻的小孔112產(chǎn)生不均勻的諧振頻率。因此，最佳實(shí)施例講授僅把壓電膜104的一個(gè)外邊緣粘結(jié)到盤108上。
后蓋110這樣提供，從而在該最佳實(shí)施例中，能在發(fā)射體鼓換能器100內(nèi)創(chuàng)建真空或近真空。近真空能定義為小得足以要求以毫乇測(cè)量的壓力。對(duì)于在發(fā)射體鼓換能器100內(nèi)有真空有幾個(gè)原因。首先，真空一般均勻地穿過小孔112使壓電膜104拉到貼緊盤108。懸掛在小孔112上面的壓電膜104的張力均勻性是重要的，以便保證由在小孔112每一個(gè)上的壓電膜104產(chǎn)生的諧振頻率的均勻性。事實(shí)上，壓電膜104和小孔112組合的每一種形成一個(gè)小型發(fā)射體元件或單元124。通過控制跨過盤108的壓電膜104的張力，單元124一般均勻地便利響應(yīng)。
關(guān)于真空的第二原因在于便利地消除無意識(shí)產(chǎn)生“反向波”失真的任何可能性。換句話說，通過定義，壓縮波要求有一種通過其能傳播的可壓縮介質(zhì)。如果能使壓電膜104在由箭頭130指示的方向上從發(fā)射體鼓換能器100“向外”產(chǎn)生超聲壓縮波，則僅在邏輯上，也正在從壓電膜104產(chǎn)生的超聲壓縮波在相反方向傳播，在由箭頭132指示的方向上向后進(jìn)入發(fā)射體鼓換能器100。因此，這些向后傳播或反向波失真波能干擾產(chǎn)生希望頻率的壓電膜104的能力。當(dāng)反向波反射離開發(fā)射體鼓換能器100內(nèi)的表面時(shí)，這種干擾出現(xiàn)，直到他們?cè)俅谓?jīng)一個(gè)小孔112傳播，并且反射離開壓電膜104，由此改變其振動(dòng)。因此，通過消除在發(fā)射體鼓換能器100內(nèi)用于壓縮波傳播的介質(zhì)，不干擾壓電膜104的振動(dòng)。
圖10也表示有電氣引線120，電氣引線120電氣耦合到壓電膜104上，并且進(jìn)行要從發(fā)射體鼓換能器100的每個(gè)單元124發(fā)射的頻率的電氣表示。這些電氣引線120電氣聯(lián)接到所示的一些信號(hào)源122上。
圖11A是圖10中兩個(gè)單元128的閉合輪廓圖(包括在兩個(gè)小孔112上的壓電膜104)。壓電膜104以僅用于說明目的的夸大振動(dòng)表示成向發(fā)射體鼓換能器的內(nèi)部向內(nèi)(從其原始形狀104a)擴(kuò)張。從與圖11B的比較應(yīng)該明白，壓電膜104的向內(nèi)擴(kuò)張跟隨有向外且遠(yuǎn)離發(fā)射鼓換能器內(nèi)部的擴(kuò)張。壓電膜向內(nèi)和向外擴(kuò)張的量?jī)H為了說明目的夸大表示。擴(kuò)張的實(shí)際量將在后面討論。
圖12是曲線圖，表示與壓電膜的位移相比按照最佳實(shí)施例的原理生產(chǎn)的發(fā)射體鼓換能器的頻率響應(yīng)(作為施加電壓RMS的函數(shù))。發(fā)射體鼓換能器結(jié)果是在發(fā)射體鼓換能器內(nèi)部在近真空下典型結(jié)果的示范。用在該實(shí)施例中的薄膜(壓電膜104)是厚度約28mm的聚偏二氟乙烯(PVDF)。在試驗(yàn)中，當(dāng)使用73.6Vpp的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，該具體發(fā)射體鼓換能器的諧振頻率表示成是約37.23kHz，帶寬約為百分之11.66，其中上部和下部6dB頻率分別是35.55kHz和39.89kHz。壓電膜位移的最大振幅發(fā)現(xiàn)是約僅超過1微米的波峰對(duì)波峰。該位移對(duì)應(yīng)于125.4dB的聲壓級(jí)(下文為SPL)。
令人驚奇的是，該較大SPL產(chǎn)生于使用理論上假定承受1680Vpp或比所施加的大22.8倍的PVDF的一個(gè)發(fā)射體鼓換能器。因此，在發(fā)射體鼓換能器中使用的這些具體材料的理論極限導(dǎo)致驚人大的152.6的SPL。
重要的是要記住，這里表示的最佳實(shí)施例的諧振頻率是發(fā)射體鼓換能器的各種特性的函數(shù)。這些特性尤其包括跨過發(fā)射體表面108伸展的壓電膜104的厚度(圖8)、和在發(fā)射體盤108中小孔112的直徑。例如，使用一個(gè)較薄的壓電膜104對(duì)于一個(gè)給定施加電壓將導(dǎo)致壓電膜104的較快振動(dòng)。因此，發(fā)射體鼓換能器100的諧振頻率將較高。
較高諧振頻率的優(yōu)點(diǎn)在于，如果帶寬的百分比保持為約百分之10或增大，如由試驗(yàn)結(jié)果表示的那樣，則能容易地產(chǎn)生希望范圍的頻率。換句話說，人類聽覺范圍是約20至20,000Hz。因此，如果帶寬寬得足以包容至少20,000Hz，則作為聲學(xué)混合的結(jié)果能容易地產(chǎn)生人類聽覺的整個(gè)范圍作為一種新聲波。因此，與一種適當(dāng)載波干擾的、帶有其上調(diào)制的情報(bào)的信號(hào)，將導(dǎo)致一個(gè)能產(chǎn)生跨過人類聽覺整個(gè)可聽頻譜的可聽聲音的新聲音信號(hào)。
除使用較薄壓電膜104(圖10)以增大諧振頻率之外，有能實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的其他方法。例如，在一個(gè)可選擇實(shí)施例中，本發(fā)明使用一個(gè)具有較小直徑的小孔112的單元124。較小的小孔對(duì)于一個(gè)施加的驅(qū)動(dòng)電壓也導(dǎo)致較高諧振頻率。
圖13表示當(dāng)前比本發(fā)明的最佳實(shí)施例不便利的一個(gè)可選擇實(shí)施例，但該可選擇實(shí)施例也從幾乎與最佳實(shí)施例一樣建造的一個(gè)發(fā)射體鼓換能器116產(chǎn)生頻率。本質(zhì)差別在于，代之以在發(fā)射體鼓換能器116的內(nèi)部創(chuàng)建真空，現(xiàn)在加壓內(nèi)部。
引入在發(fā)射體鼓換能器130內(nèi)的壓力能變化以改變諧振頻率。然而，壓電膜104的厚度是一個(gè)確定能施加多大壓力的關(guān)鍵因素。這能部分歸因于由具有相當(dāng)各向異性的共聚物制成的壓電膜，而不是諸如PVDF之類的雙向膜。各向異性壓電膜的不良副作用在于，它可能事實(shí)上防止膜在所有方向上的振動(dòng)，導(dǎo)致將引起從其產(chǎn)生的信號(hào)的有害失真的非對(duì)稱性。因此，PVDF是用于壓電膜的最佳材料，不僅因?yàn)樗哂羞h(yuǎn)高于共聚物的屈服強(qiáng)度，而且因?yàn)樗邢喈?dāng)小的各向異性。
發(fā)射體鼓換能器130的一個(gè)缺點(diǎn)在于有害頻率諧振或刺點(diǎn)。這些頻率刺點(diǎn)能歸因于在發(fā)射體鼓換能器116內(nèi)的反向波產(chǎn)生，因?yàn)榇哉婵?，一種彈性介質(zhì)存在于發(fā)射體鼓換能器116內(nèi)。然而，也確定了通過把一種材料放置在發(fā)射體鼓換能器116內(nèi)以吸收反向波能消除反向波。例如，一片泡沫橡膠134或其他聲吸收或衰減材料一般能消除所有頻率刺點(diǎn)。
使用加壓發(fā)射體鼓換能器130的試驗(yàn)結(jié)果表明，在典型選擇壓力和驅(qū)動(dòng)電壓下，發(fā)射體鼓換能器在基本上線性的區(qū)域中操作。例如，確定一個(gè)使用28mm厚PVDF在發(fā)射體鼓換能器內(nèi)具有10磅每平方英寸(psi)壓力的發(fā)射體鼓換能器，能產(chǎn)生比具有5psi內(nèi)部壓力的發(fā)射體鼓換能器大約百分之43的諧振頻率。另外，當(dāng)確定加倍驅(qū)動(dòng)振幅也一般加倍PVDF的位移時(shí)，發(fā)現(xiàn)一般線性的操作區(qū)域。
也用試驗(yàn)確定了，加壓發(fā)射體鼓換能器一般能得到約百分之20的帶寬。建造一種僅具有100KHz諧振頻率的發(fā)射體鼓換能器導(dǎo)致約20KHz的帶寬。這更適于產(chǎn)生人類聽覺的整個(gè)范圍。通過聲學(xué)衰減發(fā)射體鼓換能器116的內(nèi)部以防止引入反向波失真或低頻諧振，加壓實(shí)施例也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明最佳實(shí)施例的商業(yè)可用音量級(jí)的給人深刻印象的結(jié)果。
轉(zhuǎn)到最佳實(shí)施例的一種更具體的實(shí)施，發(fā)射體鼓換能器能例如包括在圖14中所示的系統(tǒng)中。該系統(tǒng)包括一個(gè)用來提供一個(gè)基波或載波221的振蕩器或數(shù)字超聲波源220。這種波221一般稱作第一超聲波或原波。一個(gè)振幅調(diào)制元件222耦合到超聲發(fā)生器220的輸出上，并且接收用來與一個(gè)聲或亞聲輸入信號(hào)223混合的基頻221。聲或亞聲信號(hào)可以以模擬或數(shù)字形式供給，并且能是來自任何常規(guī)信號(hào)源224的音樂或其他形式的聲音。如果輸入信號(hào)223包括上部和下部邊帶，則一個(gè)濾波器元件227包括在調(diào)制器中以便在調(diào)制載波頻率上產(chǎn)生單邊帶輸出。
發(fā)射體鼓換能器表示為標(biāo)號(hào)225，使它發(fā)射超聲頻率f1和f2作為在換能器225a的表面處傳播的一種新波形式。這種新波形式在非線性介質(zhì)空氣中相互作用以產(chǎn)生不同頻率226，作為一種新的聲波或亞聲波。
本發(fā)明能按描述的那樣起作用，因?yàn)榕cf1和f2相對(duì)應(yīng)的壓縮波根據(jù)聲學(xué)混合的原理在空氣中相互作用。聲學(xué)混合有點(diǎn)象對(duì)于發(fā)生在非線性電路中的電氣混合作用的機(jī)械對(duì)應(yīng)物。例如，在電路中的振幅調(diào)制是一種混合過程。混合過程本身簡(jiǎn)單地是兩個(gè)新波的創(chuàng)建。新波是兩個(gè)基本波的和及差。
在聲學(xué)混合中，觀察到當(dāng)至少兩個(gè)超聲壓縮波在空氣中相互作用或干涉時(shí)，出現(xiàn)等于基本波的和及差的新波。本發(fā)明的最佳傳輸介質(zhì)是空氣，因?yàn)樗窃诓煌瑮l件下非線性響應(yīng)的一種高度可壓縮介質(zhì)。空氣的這種非線性有可能使混合過程能夠發(fā)生而不用電路。當(dāng)然，如果希望，任何可壓縮流體都能起傳輸介質(zhì)的作用。
如以上敘述的那樣，聲學(xué)混合作用導(dǎo)致與超聲波f1和f2的和及差相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)壓縮波的創(chuàng)建。和是沒什么興趣的無聲超聲波，并因此沒有表示。然而，差能是有聲的或亞聲的，并且表示為一種一般單向產(chǎn)生于干擾區(qū)域的壓縮波226。
盡管在先有技術(shù)中不同波的成功產(chǎn)生顯得僅具有名義音量，但本配置產(chǎn)生全聲音。盡管攜帶基頻和調(diào)制單邊帶頻率的單個(gè)換能器能夠以相當(dāng)?shù)木嚯x和印象深刻的音量級(jí)發(fā)射聲音，但多個(gè)共線性信號(hào)的結(jié)合顯著增大音量。當(dāng)指向墻壁或其他反射表面時(shí)，音量是如此之大，從而它反射得就象墻壁正是聲音產(chǎn)生源。
本發(fā)明的一個(gè)重要特征在于，基頻和單邊帶從相同換能器表面?zhèn)鞑?。因此，完全?duì)準(zhǔn)分量波。而且，相位對(duì)準(zhǔn)是在最大外，提供在兩個(gè)不同超聲頻率之間可能的干涉最大級(jí)。借助于在這些波之間確保的最大干涉，實(shí)現(xiàn)至空氣分子的最大能量傳遞，這成為在參量揚(yáng)聲器中的“揚(yáng)聲器”輻射元件。因而，本發(fā)明者相信，這對(duì)于聲頻輸出信號(hào)可能已經(jīng)產(chǎn)生音量的驚人增大。
在單個(gè)膜隔膜上使用發(fā)射體部分的一個(gè)陣列的圖14的實(shí)施例因?yàn)槎喾N原因是最佳的。例如，該系統(tǒng)不要求雙壓電晶片器件的單獨(dú)安裝，并且因此能便宜地生產(chǎn)。盡管如此，單膜換能器實(shí)際產(chǎn)生多個(gè)對(duì)準(zhǔn)信號(hào)。而且該系統(tǒng)重量輕、體積小，而最重要的是，具有最大效率。與先有技術(shù)的器件相反，本實(shí)施例總產(chǎn)生一個(gè)具有最大效率的新壓縮波。這是因?yàn)椋?dāng)使用相同超聲換能器225發(fā)射實(shí)施兩個(gè)超聲壓縮波的新超聲波形式227時(shí)，兩個(gè)分離超聲換能器的方位從來不會(huì)匹配，或者超過得到的完全同軸關(guān)系。來自發(fā)射體鼓換能器的單個(gè)小孔的這種同軸傳播，因此產(chǎn)生最大干涉圖案和最有效的壓縮波產(chǎn)生。
在參量揚(yáng)聲器中的全音量能力的發(fā)展提供優(yōu)于常規(guī)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)。最重要的是從較小質(zhì)量的輻射元件復(fù)制聲音的事實(shí)。在干涉區(qū)域中，并因此在新壓縮波產(chǎn)生位置處，沒有直接輻射元件。通過聲學(xué)混合的這種聲音產(chǎn)生特征能基本上消除失真影響，這些影響的大部分由常規(guī)揚(yáng)聲器的輻射元件引起。例如，錐超調(diào)和錐失調(diào)能修改一個(gè)否則在揚(yáng)聲器錐上具有諧波和駐波的純聲音復(fù)制信號(hào)。
當(dāng)與常規(guī)揚(yáng)聲器隔膜的先有技術(shù)限制相比時(shí)這種改進(jìn)將是最顯著的。一個(gè)直接物理輻射元件例如具有一種不是真正平的頻率響應(yīng)。而是，它是固有最好適于發(fā)射的頻率類型(低頻、中頻、或高頻)的函數(shù)。盡管揚(yáng)聲器形狀、幾何尺寸、及組成直接影響固有揚(yáng)聲器特性，但聲學(xué)混合波產(chǎn)生利用空氣的自然響應(yīng)，以便避免幾何尺寸和組成問題，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)于聲音產(chǎn)生的真正平頻率響應(yīng)。借助于聲音可接收振幅級(jí)的實(shí)現(xiàn)，參量系統(tǒng)現(xiàn)在可以與常規(guī)揚(yáng)聲器直接競(jìng)爭(zhēng)地商業(yè)實(shí)施-一種至今通過先有技術(shù)參量或脈動(dòng)混合器件沒有實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。
無失真聲音意味著本發(fā)明保持相對(duì)于原始記錄聲音的相位相干性。常規(guī)揚(yáng)聲器系統(tǒng)沒有這種能力，因?yàn)閷?duì)于通過最適當(dāng)揚(yáng)聲器元件(低音揚(yáng)聲器、中音或高音揚(yáng)聲器)的傳播，頻譜由一個(gè)交叉網(wǎng)絡(luò)分裂。通過消除輻射元件，本發(fā)明使常規(guī)交叉網(wǎng)絡(luò)和相位控制過時(shí)。這能夠?qū)崿F(xiàn)聲音的虛擬或近點(diǎn)源。
其他優(yōu)點(diǎn)直接產(chǎn)生于超聲膜換能器的獨(dú)特本質(zhì)。因?yàn)槠湫〕叽绾托≠|(zhì)量，這樣的換能器一般不經(jīng)受多種限制和在揚(yáng)聲器中使用的常規(guī)輻射元件的缺陷。而且，在極高頻率下超聲換能器的使用避免一個(gè)在低頻、中頻及高頻范圍內(nèi)必須直接復(fù)制聲音的直接輻射元件的失真、諧波及其他多余特征。因此，一種顯著無失真超聲換能器系統(tǒng)的多種良好聲學(xué)性能現(xiàn)在能間接轉(zhuǎn)換成聲音或亞聲音副產(chǎn)品。
圖15和16公開了不需要壓力施加和鼓的使用的壓電膜隔膜和支撐板的另一個(gè)實(shí)施例。表明的換能器160包括一塊基板161和由壓電材料制成的支撐膜隔膜162。在膜上的電氣觸點(diǎn)使電壓的施加成為可能，如以上討論的那樣。弓形發(fā)射體部分165模壓或熱成形為一種穩(wěn)定配置。在支撐板161的頂部表面中的對(duì)應(yīng)空腔或開口對(duì)準(zhǔn)以接收膜的彎曲部分。這些空腔具有足夠的深度，以允許發(fā)射體部分自由地運(yùn)動(dòng)，而不招致與空腔壁167的干擾接觸。支撐板的中間表面168接觸膜的平部分162a，并且穩(wěn)定膜和發(fā)射體部分以便如表明的那樣與準(zhǔn)直傳播軸70適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)。同相操作發(fā)生，因?yàn)槟な且环N均勻地響應(yīng)施加電壓以產(chǎn)生同相和適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的壓縮波172的整體式結(jié)構(gòu)。
支撐板161可以由為正確操作提供穩(wěn)定發(fā)射體膜162的能力的任何剛性材料建造。導(dǎo)電板可以用來代替觸點(diǎn)163，使信號(hào)電壓能夠施加到壓電膜上。表明的壓電膜包括具有跨過細(xì)長(zhǎng)發(fā)射體部分取向的單向響應(yīng)的一個(gè)共聚物膜，如由線174表明的那樣。這與諸如PVDF之類的雙向膜相反。單向膜使其形狀尺寸的約80％沿橫向174，并因此提供優(yōu)良的響應(yīng)。借助于弓形發(fā)射體165的較大尺寸，增大表面面積提供有利的SPL輸出。
圖17表明一種借助于用來形成發(fā)射體部分180的可選擇方法來實(shí)施本發(fā)明的方法。這取決于通過一塊帶有以希望發(fā)射體形狀配置的凸緣184的支撐板183成為弓形的壓電材料的一塊整體式平板的位移。施加一個(gè)力F以按圖示的那樣使凸緣上的膜變形。該力可以是從膜的周邊施加以把膜貼著凸緣拉緊的張力，或其他適當(dāng)方法。凸緣希望由泡沫材料制成以使壓電膜響應(yīng)施加的電壓振動(dòng)。
本發(fā)明另外一個(gè)可選擇實(shí)施例使用帶有一個(gè)靜電隔膜的泡沫定子，以產(chǎn)生超聲參量壓縮波。圖18表示一個(gè)使超聲輸出311在向前方向312上傳播的單端揚(yáng)聲器器件310。該揚(yáng)聲器可以耦合到一個(gè)超聲驅(qū)動(dòng)器313上，超聲驅(qū)動(dòng)器313提供用來供給以上所討論的希望信號(hào)的各種電子電路支撐元件。
該器件包括一個(gè)響應(yīng)施加的可變電壓發(fā)射超聲輸出的靜電發(fā)射體膜315。發(fā)射體膜包括一塊塑料板和薄金屬涂層或其他導(dǎo)電表面。靜電發(fā)射體膜也是眾所周知的，已經(jīng)應(yīng)用于下文一般稱作靜電器件的多種電容性或分層電荷系統(tǒng)。一般地，塑料板是能用作在金屬層與一個(gè)定子薄膜320之間的絕緣體的Mylar(tm)、Kapton(tm)或其他非導(dǎo)電成分。具有部分導(dǎo)電性的一個(gè)表面或涂層可以用來產(chǎn)生均勻跨過隔膜表面的電荷分布。電阻率的一個(gè)最佳范圍是大于10K歐姆。這提供較小的電荷遷移，并且防止導(dǎo)致起弧的靜電積累。較高的阻抗，如100M，在該用途中是不常用的。顯然，這種選擇也影響在兩塊板之間的電容。
本發(fā)明該實(shí)施例的主要特征之一涉及作為定子320的一個(gè)泡沫件的使用。定子起一個(gè)相對(duì)于輕的、可彎曲的發(fā)射膜315提供慣性的基礎(chǔ)件或剛性元件的作用。該定子是一個(gè)把一種極性供給到電容器組合的導(dǎo)電元件。把該元件的電阻率選擇成促進(jìn)均勻的電荷遷移，以避免超弧和在靜電系統(tǒng)中固有的其他不利影響。已經(jīng)表明有效性能的一種最佳成分是用作關(guān)于計(jì)算機(jī)和其他電荷敏感內(nèi)容的包裝材料的常規(guī)靜電包裝泡沫(一般稱作“導(dǎo)電泡沫”)。這種材料操作提供從敏感元件的靜態(tài)放電。它不僅保護(hù)元件免于有害放電或暴露，而且重量非常輕且價(jià)格便宜。它典型地以實(shí)際任何形狀、密度、或尺寸形成在一種常規(guī)泡沫模壓器件中。
材料的先有技術(shù)使用一般一直限于其目的是僅保護(hù)敏感元件的被動(dòng)角色(包裝材料)。象其他包裝材料那樣，利用率基于用來填充紙箱或容器內(nèi)的空間的臨時(shí)放置。通常，這種材料與容器一起扔掉，因?yàn)闆]有獨(dú)立的價(jià)值。其在電子市場(chǎng)中的存在一直認(rèn)為是理所當(dāng)然的，并且由在全世界上掩埋的巨大量而證實(shí)。
附圖表明一種帶有隨機(jī)空穴或空腔的泡沫成分。適用技術(shù)的使用也允許在塑料母體內(nèi)較均勻尺寸的空隙。因此，對(duì)于特定頻率用途、諧振、及相關(guān)性能可以調(diào)諧或優(yōu)化定子成分。泡沫的剛性或剛度是材料性能、以及空穴密度及限定各空隙或空穴的壁厚的函數(shù)。因而，定子聲學(xué)響應(yīng)的進(jìn)一步控制，除相對(duì)于均勻空隙尺寸的隨機(jī)控制之外，能通過多種物理參數(shù)的變化控制。在定子元件內(nèi)剛度的重要性是眾所周知的，并且現(xiàn)在能部分受與泡沫成分唯一性有關(guān)的新設(shè)計(jì)因素的影響。
盡管表明的泡沫件包括一種開放單元結(jié)構(gòu)，但開放和閉合單元結(jié)構(gòu)的結(jié)合也是適用的。開放單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是聲音的雙向傳播。在圖18實(shí)施例中通過在泡沫件后表面上附著無孔薄膜335，已經(jīng)抑制這種雙向狀況。該薄膜也可以由一個(gè)塑料或某一其他剛性材料形成的剛性件代替?？梢愿街鴦傂约员闩c希望揚(yáng)聲器外形相符。
例如，常規(guī)靜電揚(yáng)聲器通常是平面的，因?yàn)楦裟げ慌c定子接觸，而是懸掛在定子前面。因此難以在彎曲的路徑中彎曲隔膜而不扭曲在定子與膜之間的間隙。然而，對(duì)于在泡沫表面上具有發(fā)射體膜直接接觸的本發(fā)明，一種彎曲外形是簡(jiǎn)單地形成平面形狀。的確，彎曲表面供給與完成用來增強(qiáng)接觸的偏置功能的部分的膜相對(duì)的希望電阻。用泡沫模壓實(shí)際任何形式或形狀的能力允許在配置用于揚(yáng)聲器表面的各種形狀時(shí)的相等縱距。例如，揚(yáng)聲器可以是圖19中所示的一個(gè)彎曲表面，提供聲音傳播的改進(jìn)分散。彎曲圖19的定子380，并且膜382與這種彎曲相符。外形能是圓周的，就象圖20中的一個(gè)圓柱和一個(gè)球(未表示)。圖20的定子384是一個(gè)圓柱，并且膜386也形成一個(gè)圓柱。這些實(shí)施例的每一個(gè)提供一直很難以包括在靜電揚(yáng)聲器系統(tǒng)中的唯一分散圖案，特別是對(duì)于聲頻輸出。
本發(fā)明另外一個(gè)實(shí)施例提供推挽操作，并且表明在圖21中。它包括一個(gè)第一泡沫件359，第二泡沫件360帶有一個(gè)向前表面361的、一個(gè)中間磁心部分362及一個(gè)后表面363。第二泡沫件的向前表面(稱作第二向前表面)定位在靜電發(fā)射體膜365遠(yuǎn)離第一泡沫件的相對(duì)側(cè)。第二向前表面由具有足夠剛度的成分構(gòu)成以支撐靜電膜，并且包括對(duì)第二向前表面能夠施加可變電壓的性能以供給希望的超聲信號(hào)。第二向前表面361由一個(gè)包括以上所討論的小空腔的表面組成，使周圍壁結(jié)構(gòu)限定每個(gè)空腔，所述周圍壁結(jié)構(gòu)在近似與泡沫件的向前表面重合的接觸邊緣處終止。用來把靜電膜涂敷到第二泡沫件的向前表面上的膜涂敷裝置(未表示)遵循就象以上單端實(shí)施例的格式。如以上那樣，偏置裝置366聯(lián)接到第二泡沫件上以便把膜偏置成與第二向前表面361的接觸邊緣直接接觸，從而膜直接由第二向前表面支撐。信號(hào)源也借助于可變電壓施加到第二向前表面上。
靜電發(fā)射體膜365需要以與相應(yīng)第一第二泡沫薄膜的非接觸關(guān)系包括一個(gè)導(dǎo)電層，以便使膜能夠以一種推挽關(guān)系用第一和第二向前表面電容性地響應(yīng)可變電壓。相對(duì)于第二泡沫件可能要求一個(gè)絕緣件。
發(fā)射體膜的幾種配置是可能的。例如，圖22表示夾持膜件的第一和第二泡沫件370和371。在這種情況下，靜電發(fā)射體膜由分別包括一個(gè)導(dǎo)電表面374和375的非導(dǎo)電發(fā)射體膜的至少兩塊板372和373組成。非導(dǎo)電發(fā)射體膜提供在導(dǎo)電層與相應(yīng)第一和第二向前表面之間的絕緣。相應(yīng)導(dǎo)電表面374和375粘合在一起以形成一個(gè)整體導(dǎo)電層。
圖23和24表示夾持在泡沫或一般支撐件330、331、340、341之間的多個(gè)發(fā)射體膜332和342的使用。每個(gè)另外的發(fā)射體膜把約3db輸出添加到發(fā)射的超聲信號(hào)上。顯然，在該多重組合圖案中能采用多種配置。
而本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例涉及使用磁力創(chuàng)建一個(gè)參量換能器的平面磁膜隔膜。圖25描繪本發(fā)明的一種配置。具體地說，它包括一個(gè)借助于與典型靜電隔膜的名義運(yùn)動(dòng)相比較大的隔膜位移具有寬廣頻率范圍能力的超聲發(fā)射體。的確，正交位移(隔膜從完全延伸至完全收縮位置的波峰對(duì)波峰運(yùn)動(dòng))可以大到1-2mm。這與對(duì)于剛性換能器發(fā)射體表面的0.1至3微米運(yùn)動(dòng)范圍相比非常有利。
用于本發(fā)明的磁隔膜延伸運(yùn)動(dòng)的好處對(duì)于一個(gè)參量陣列包括超聲和聲輸出振幅的顯著增大。本發(fā)明的增強(qiáng)聲輸出通過使用由一個(gè)磁心件426產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)。該磁心可以是一個(gè)永久磁鐵或一種適于電磁用途的成分。這樣的材料可以是可彎曲的或剛性的，取決于揚(yáng)聲器陣列的配置。例如，一塊平面板將產(chǎn)生在長(zhǎng)距離上具有驚人射出能力的聲柱。通過由可彎曲磁鐵材料制成的與安裝到器具等上的可拆除磁鐵類似的彎曲支撐磁心，可以形成和支撐彎曲的發(fā)射體隔膜。這種彎曲配置提供用于射出聲音的較大分散圖案，并且也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于發(fā)射聲音定向運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。這能通過順序觸發(fā)沿發(fā)射體元件(或?qū)щ娋€圈)430的一個(gè)線性序列的聲音傳輸實(shí)現(xiàn)，發(fā)射體元件430沿隔膜434布置。當(dāng)這些元件在發(fā)散配置中向外輻射時(shí)，聽眾感覺源象帶有沿該方向運(yùn)動(dòng)的物理元件。
現(xiàn)在參照?qǐng)D25的基本實(shí)施例，將注意到，一個(gè)永久、剛性磁心或板426已經(jīng)用作用于可彎曲發(fā)射體隔膜434的支撐。該永久磁鐵426以類似于聲學(xué)揚(yáng)聲器的永久磁鐵的方式，作為用來建立相鄰磁心件的一個(gè)第一磁場(chǎng)的主要裝置操作。然而，在這種情況下，沒有接收定子元件的伸縮式磁心或凹口。而是，磁心426是一個(gè)沿其長(zhǎng)度建立一個(gè)均勻磁場(chǎng)的平面體，由此提供用于要建立在隔膜434中的可變磁場(chǎng)的必需反作用力。
表明的可運(yùn)動(dòng)隔膜434沿磁心件426伸展，并且離開磁心件移動(dòng)一個(gè)短分離距離，以提供隔膜相對(duì)于磁心件的預(yù)計(jì)范圍的正交位移并且在磁場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)。典型地，該隔膜434包括一個(gè)Mylar或其他堅(jiān)固、重量輕的聚合物的薄膜。多種這樣的材料已經(jīng)用在靜電揚(yáng)聲器或超聲發(fā)射體工業(yè)中。
隔膜434的增大位移通過布置在可運(yùn)動(dòng)隔膜上的至少一個(gè)、小質(zhì)量、平面、導(dǎo)電線圈(或發(fā)射體元件430)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流經(jīng)線圈傳導(dǎo)時(shí)，薄導(dǎo)電線圈430創(chuàng)建一個(gè)磁場(chǎng)。本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)的功率能在布置在平面膜上的音圈中實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生基本上隔膜434的位移遠(yuǎn)超過先有技術(shù)靜電揚(yáng)聲器系統(tǒng)的好處。該電流由聯(lián)接到一個(gè)電源上的第一和第二觸點(diǎn)438和442供給到線圈430。第一觸點(diǎn)438聯(lián)接到線圈430的一端上，一般在與線圈本身共用的一側(cè)。第二觸點(diǎn)442布置在線圈430的相對(duì)側(cè)，由此提供與第一觸點(diǎn)438的電氣隔離。表明的實(shí)施例表示第二觸點(diǎn)442穿過膜(或隔膜434)并且沿膜的相對(duì)表面延伸到用來閉合用于電流流動(dòng)的電路的一個(gè)拾取點(diǎn)。電氣隔離相應(yīng)第一和第二觸點(diǎn)的其他方法對(duì)熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員是顯然的。
如圖26中所示，磁心件的另外一個(gè)可選擇實(shí)施例能包括至少一個(gè)由非磁性成分形成的剛性板446，其一個(gè)表面包括在結(jié)構(gòu)上類似于對(duì)于隔膜描述的導(dǎo)電線圈430的至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈450。這樣一種線圈包括用來使電流流經(jīng)相對(duì)導(dǎo)電線圈450的第一和第二觸點(diǎn)454和458，由此建立需要的第二磁場(chǎng)。該至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈450定位在剛性板上，在與在振動(dòng)或可運(yùn)動(dòng)隔膜434上的至少一個(gè)導(dǎo)電線圈430并列的一個(gè)位置中，使至少一個(gè)導(dǎo)電線圈430和至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈450能夠從相互作用的每個(gè)線圈產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，以產(chǎn)生從隔膜發(fā)射的壓縮波。
同樣，第一觸點(diǎn)454定位在隔膜的一側(cè)，并且第二觸點(diǎn)458定位在隔膜的一個(gè)相對(duì)側(cè)上。這可以是圖26中表明的單個(gè)線圈的形式，或者作為沿圖25中所描述的隔膜相等間距的多個(gè)導(dǎo)電線圈。理想地是，導(dǎo)電線圈430和450在并列位置以多行布置，以使磁場(chǎng)的均勻性、以及應(yīng)用的線圈量最大。
圖27描繪一種參量揚(yáng)聲器的一種可選擇平面磁配置。具體地說，它包括一個(gè)用來給出剛性支撐的磁心件460，至少一個(gè)導(dǎo)電線圈462聯(lián)接到磁心上；和一個(gè)隔膜468，包括一個(gè)響應(yīng)由導(dǎo)電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的導(dǎo)電線圈466。在這種結(jié)構(gòu)中的操作原理建立在導(dǎo)電環(huán)當(dāng)通過磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生電流流動(dòng)的本質(zhì)上。具體地說，當(dāng)一個(gè)導(dǎo)電環(huán)經(jīng)歷磁場(chǎng)梯度時(shí)，電流以建立一個(gè)與由線圈產(chǎn)生的磁力相反的磁矩的方位流經(jīng)該環(huán)。這種現(xiàn)象導(dǎo)致在線圈與導(dǎo)電環(huán)之間的排斥。許多物理學(xué)學(xué)生在教室表演中觀察過這種排斥力的力量，它把鋁環(huán)發(fā)射到空中二十到三十英尺。在線圈462與環(huán)466之間的相互作用能由通常稱作法拉第感應(yīng)定律和楞次定律的兩個(gè)物理學(xué)原理描述。見Halliday和Resnich的Fundamentals of Physics(物理學(xué)基礎(chǔ))，第二版，第34章。
本發(fā)明者已經(jīng)把這些原理用來產(chǎn)生一種可變延伸和收縮以產(chǎn)生一個(gè)希望序列壓縮波的揚(yáng)聲器隔膜。通過把導(dǎo)電環(huán)的一個(gè)陣列應(yīng)用于一個(gè)諸如MylarTM或KaptonTM等之類的彈性、可彎曲膜，并且把這種膜疊加在導(dǎo)電線圈的一個(gè)相應(yīng)陣列上，有可能經(jīng)通過線圈的電流的振幅調(diào)制，把膜彈回到一種張力偏置狀態(tài)，以產(chǎn)生一種受控隔膜振蕩。膜的彈性允許其縮回到其中膜處于稍微受力的延伸狀態(tài)的偏置靜止位置。該偏置、靜止位置由在線圈與環(huán)之間保持排斥力最小值的一個(gè)交變電流基礎(chǔ)或載波信號(hào)產(chǎn)生。
用情報(bào)調(diào)制的可變交變電流的連續(xù)輸出能夠把表示該情報(bào)的頻率和振幅轉(zhuǎn)換成表示聲音的物理壓縮波。因而，諸如正弦波之類的常規(guī)調(diào)制載波能用來把一個(gè)希望聲頻輸出信號(hào)供給到描述的磁膜發(fā)射體，以產(chǎn)生一種高效的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
該系統(tǒng)也提供一種用作具有寬頻范圍容量的超聲發(fā)射體的獨(dú)特容量，與典型靜電隔膜的名義運(yùn)動(dòng)相比具有較大隔膜位移。然而，本實(shí)施例的磁排斥膜提供一個(gè)可以大到幾毫米的正交位移(隔膜從完全伸展至偏置靜止位置的波峰對(duì)波峰運(yùn)動(dòng))。因此，本發(fā)明的隔膜位移把最好與剛性換能器發(fā)射體表面、或甚至常規(guī)靜電發(fā)射體的可彎曲隔膜的較小運(yùn)動(dòng)范圍不相上下。
這種增大位移是可能的，因?yàn)榇艌?chǎng)的有效范圍比與靜電場(chǎng)有關(guān)的短距力延伸的距離大。因此要注意，盡管靜電發(fā)射體的有效力可能僅在幾微米的范圍內(nèi)延伸，但本發(fā)明的磁隔膜具有乘以大于一百的因數(shù)的較大范圍。因此，磁力的使用能夠在顯著較大的路徑上排斥或吸引發(fā)射體隔膜。
用于本發(fā)明的較大磁隔膜的延伸運(yùn)動(dòng)的好處包括與雙壓電晶片換能器的一個(gè)可比較系統(tǒng)相比，對(duì)于參量或聲學(xué)混合陣列，聲輸出的振幅顯著增大。而且，就膜發(fā)射體而論，與剛性換能器相比，近線性響應(yīng)較強(qiáng)。這些是能夠使參量揚(yáng)聲器的場(chǎng)具有提高的商業(yè)利用率的顯著因素，而這種利用率至今為止一直受到一些限制。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例表明在表示一個(gè)靜電發(fā)射體510的圖28中。具體地說，該發(fā)射體包括一個(gè)能夠攜帶一個(gè)電壓的剛性基片511、一種懸掛在基片上的薄膜介電材料512、及一個(gè)定位在介電膜512上的導(dǎo)電層513。一般地，介電材料512(如Mylar)在其上表面上涂有一層導(dǎo)電膜513。因此，基本發(fā)射體510僅對(duì)于基片和金屬涂敷Mylar膜是可操作的。
如圖29中所示，該最佳實(shí)施例也包括一個(gè)布置在基片下面的空氣腔室514，使用于在腔室與小空腔516之間的氣流的小通道515形成在基片的上表面處。
參照?qǐng)D28和29，剛性基片511可以由已經(jīng)應(yīng)用在一般在先有技術(shù)中的靜電發(fā)射體中的材料形成。這些材料包括模壓塑料、木材、涂敷在上側(cè)帶有一個(gè)導(dǎo)電表面的硅圓片、或上側(cè)處理以包括要求空腔的簡(jiǎn)單導(dǎo)電材料。這種結(jié)構(gòu)的剖視圖提供在圖29中。表示的剛性基片511帶有從空氣腔室514至形成在基片的上表面中的每個(gè)空腔516連通的小導(dǎo)管515。該腔室514作為一個(gè)共用壓力腔室操作，提供跨過介電膜512的更均勻張力，因?yàn)楣灿脡毫εc腔室相聯(lián)并且每個(gè)連接空腔516。該腔室514也能經(jīng)受負(fù)壓，以便把薄膜512機(jī)械地偏置成凹下杯形520，如圖28中所示。偏置壓力的使用避免與偏置電壓使用有關(guān)的熟知問題。
正是該凹下杯520成為響應(yīng)一個(gè)能夠使帶有邊帶的超聲載波信號(hào)傳播的可變信號(hào)輸入的振動(dòng)發(fā)射體元件，這些邊帶混合以產(chǎn)生一個(gè)聲頻聲音柱525。本發(fā)明提供稱作發(fā)射體元件的均勻凹下杯，該凹下杯基本上與相鄰發(fā)射體元件的作用隔離開以產(chǎn)生一個(gè)認(rèn)真調(diào)諧的、諧振頻率的均勻值。形成在基片511中的空腔516最好以均勻尺寸和外形精確模壓。這允許在相應(yīng)空腔516中的更精確均勻性，以產(chǎn)生更精細(xì)調(diào)諧的諧振頻率。
剛描述的本發(fā)明實(shí)施例提供象參量揚(yáng)聲器器件那樣的驚人結(jié)果。它提供在一個(gè)發(fā)射超聲柱內(nèi)分別和間接產(chǎn)生聲頻輸出的空腔陣列。在從調(diào)諧發(fā)射體元件發(fā)射的這些柱的每一個(gè)內(nèi)的超聲混合的發(fā)生，實(shí)際加強(qiáng)在離發(fā)射體一個(gè)距離處的聲壓級(jí)(SPL)。如圖29中所示，每個(gè)發(fā)射體部分520傳播一個(gè)高度定向的聲音柱525。通過提供均勻調(diào)諧到希望諧振頻率的多個(gè)發(fā)射扇區(qū)520的一個(gè)陣列，完成均勻波前的模擬，具有比來自包括一個(gè)可在單電壓源上操作的單膜的靜電隔膜的大得多的振幅。均勻空腔的使用也是一個(gè)優(yōu)于先有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在制造中是可復(fù)制的，并因此是可預(yù)測(cè)的。先有技術(shù)需要認(rèn)真檢查每個(gè)發(fā)射體基片的質(zhì)量控制，以保證產(chǎn)生凹坑或空腔的可操作表面。這是必要的，因?yàn)闄C(jī)械和化學(xué)刻蝕技術(shù)依據(jù)環(huán)境的差別產(chǎn)生變化的結(jié)果。相反，本實(shí)施例能借助于常規(guī)模壓或加工過程實(shí)施。
一種超聲靜電換能器的另一個(gè)實(shí)施例表示在圖30中。一個(gè)半球形靜電換能器551的剖視圖表示成錨定到基座552上。圖30是圖31沿箭頭570的橫截面。兩個(gè)圓柱形波紋定子556創(chuàng)建一種半球形形狀，并且一個(gè)非平面隔膜560布置在兩個(gè)相對(duì)定子之間。此外，一種支撐結(jié)構(gòu)553沿半球的內(nèi)側(cè)或沿半球的縱向軸延伸。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，定子帶有孔或小孔，從而他們是聲學(xué)透明的，并且允許超聲波通過。隔膜由一個(gè)偏置電壓550偏置，并且施加聲頻信號(hào)554以產(chǎn)生一個(gè)超聲壓縮波。一個(gè)緩沖或絕緣層558包含在定子內(nèi)，從而隔膜不直接接觸定子上的導(dǎo)電層，并且避免與定子的其他扭曲接觸。
圖31是一種半球形靜電揚(yáng)聲器的立體圖。因?yàn)樵搶?shí)施例的半球本質(zhì)，經(jīng)定子556發(fā)出的聲音以多軸在180度內(nèi)發(fā)射。該實(shí)施例的一個(gè)完整球?qū)嵤├硎驹趫D32中。該圖表示是圖31中所示兩個(gè)半球的組合的球形實(shí)施例580的立體圖。該球形布置允許超聲聲波590在所有可能方向上產(chǎn)生。一個(gè)可以包含一個(gè)電氣組件的基座584連接兩個(gè)半球。一個(gè)電氣組件也能把尺寸定得小得足以包含在半球內(nèi)，并且能使用一個(gè)小得多的基座584。當(dāng)然，能實(shí)施諸如圓形之類的其他基座形狀。通過輸入588把一個(gè)偏壓施加到包含在半球隔膜上，并且然后經(jīng)586施加聲頻信號(hào)。
顯然，根據(jù)本發(fā)明的上述實(shí)施例，多種變更和組合可以由熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員產(chǎn)生。因而，要理解，本發(fā)明不受以上描述的特定例子限制。
權(quán)利要求
1.一種用來根據(jù)在作為非線性介質(zhì)的空氣中的多個(gè)超聲頻率的交互作用提高參量聲頻輸出的方法，所述方法包括步驟a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)具有落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)帶有形成在膜內(nèi)的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列的發(fā)射體膜換能器隔膜；c)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；及d)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜發(fā)射到空氣中，作為在空氣中相互作用以產(chǎn)生參量聲頻輸出的超聲壓縮波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟c)包括一個(gè)以一種受控方式移動(dòng)發(fā)射體部分的更具體步驟，以便使在相應(yīng)弓形發(fā)射體部分處周圍空氣的飽和最小，作為對(duì)于參量揚(yáng)聲器的失真減小部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟d)包括從準(zhǔn)直配置中的發(fā)射體部分發(fā)射超聲頻率的更具體步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)壓電膜隔膜的更具體步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)帶有圓形、弓形發(fā)射體部分的陣列的壓電膜隔膜的更具體步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)帶有細(xì)長(zhǎng)、弓形發(fā)射體部分的陣列的壓電膜隔膜的更具體步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)帶有以基本平行關(guān)系定位的細(xì)長(zhǎng)、通道形凹槽的陣列的壓電膜隔膜的更具體步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)具有整流正弦形式配置的壓電膜隔膜的更具體步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)壓電膜隔膜的更具體步驟，該壓電膜隔膜由一塊具有基本平面配置的后板支撐著。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一個(gè)壓電膜隔膜的更具體步驟，該壓電膜隔膜除從平面配置稍微延伸的弓形發(fā)射體部分外具有一種基本的平面配置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括選擇一個(gè)換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有比在其最低值處的超聲頻率的波長(zhǎng)大的發(fā)射體尺寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括選擇一個(gè)換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有比在其最低值處的超聲頻率的波長(zhǎng)大十倍的發(fā)射體尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括選擇一個(gè)換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有一種對(duì)于參量輸出的發(fā)射產(chǎn)生一種擴(kuò)散輻射圖案的整體中凸彎曲。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括選擇一個(gè)換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有一種對(duì)于參量輸出的發(fā)射產(chǎn)生一種聚焦輻射圖案的整體中凹彎曲。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括步驟使根據(jù)頻率值從空氣內(nèi)的超聲能量吸收產(chǎn)生的超聲發(fā)射的衰減速率、與隔膜的中凹彎曲的半徑相關(guān)，所述半徑選擇成通過把超聲發(fā)射聚焦成一個(gè)會(huì)聚超聲束來至少補(bǔ)償超聲能量損失。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括把換能器隔膜與一塊支撐后板隔開選擇頻率的四分之一波長(zhǎng)的距離的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中選擇頻率是載波頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括提供一個(gè)起波紋換能器隔膜的步驟，該隔膜包括具有排列成緊密陣列的緊密間隔的中凹波紋的一個(gè)整體膜片，該陣列對(duì)于跨過隔膜表面的參量輸出的發(fā)射產(chǎn)生一個(gè)基本均勻和同源的輻射圖案。
19.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號(hào)傳送到一塊后板的更具體步驟，該后板具有一種包括與弓形發(fā)射體部分對(duì)準(zhǔn)的開口的配置，并且具有足夠的深度以允許隔膜弓形發(fā)射體部分的自由振動(dòng)。
20.一種用來根據(jù)在作為非線性介質(zhì)的空氣中的多個(gè)超聲頻率的相互作用提高參量聲頻輸出的方法，該方法包括步驟a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)具有落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)同時(shí)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)形成在一個(gè)常用電聲膜換能器隔膜內(nèi)的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列；c)以受控方式移動(dòng)發(fā)射體部分以便使在相應(yīng)弓形發(fā)射體部分處周圍空氣的飽和最小，作為對(duì)于參量揚(yáng)聲器失真減小的部分；d)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；e)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜發(fā)射到空氣中，作為超聲壓縮波；及f)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產(chǎn)生參量聲頻輸出。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中步驟c)包括根據(jù)在聲壓級(jí)、超聲頻率及發(fā)射體部分的尺寸之間的一種加權(quán)關(guān)系用一個(gè)最大電子信號(hào)極限限制電子信號(hào)的更具體步驟，該最大電子信號(hào)極限通過使在相應(yīng)弓形發(fā)射體部分處周圍空氣的飽和最小防止聲頻輸出的連續(xù)失真。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中步驟c)包括把對(duì)于所有發(fā)射體部分的聲壓級(jí)限制到小于140db的更具體步驟。
23.一種用來根據(jù)在作為非線性介質(zhì)的空氣中的多個(gè)超聲頻率的交互作用產(chǎn)生參量聲頻輸出的揚(yáng)聲器器件，所述器件包括a)一個(gè)參量信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，包括一個(gè)超聲信號(hào)源、一個(gè)聲頻信號(hào)源、及一個(gè)聯(lián)接到超聲和聲頻信號(hào)源上用來把超聲和聲頻信號(hào)混合以便產(chǎn)生一個(gè)生成的電子信號(hào)的調(diào)制器件，該生成的電子信號(hào)包括值的差落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的至少兩個(gè)超聲信號(hào)；b)一個(gè)電聲膜換能器隔膜，帶有聯(lián)接到參量信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)上的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列；及c)支撐結(jié)構(gòu)，聯(lián)接到隔膜上并且?guī)в信c弓形發(fā)射體部分的陣列對(duì)準(zhǔn)的空腔，用來定位和穩(wěn)定弓形發(fā)射體部分，以便實(shí)現(xiàn)弓形發(fā)射體部分與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相的機(jī)械位移。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的器件，其中對(duì)準(zhǔn)和支撐弓形發(fā)射體部分的陣列，以便傳播用于參量輸出的增強(qiáng)產(chǎn)生的超聲發(fā)射的準(zhǔn)直波束。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的器件，其中換能器包括一個(gè)作為電聲換能器隔膜的壓電膜隔膜。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的器件，其中弓形發(fā)射體部分具有一種圓形配置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的器件，其中壓電膜隔膜包括貫穿弓形發(fā)射體部分產(chǎn)生均勻電-機(jī)響應(yīng)的各向同性性質(zhì)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的器件，其中弓形發(fā)射體部分具有一種帶有一根細(xì)長(zhǎng)軸的細(xì)長(zhǎng)配置。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的器件，其中壓電膜隔膜包括垂直于弓形發(fā)射體部分的細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生較大電-機(jī)響應(yīng)的各向異性性質(zhì)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的器件，進(jìn)一個(gè)包括一個(gè)聯(lián)接到發(fā)射體部分上的艙室，其中該艙室保持在與環(huán)境壓力不同且具有足夠強(qiáng)度把隔膜移動(dòng)成與一個(gè)發(fā)射體部分一樣彎曲的希望壓力下。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中希望壓力包括與環(huán)境壓力不相上下的負(fù)壓力級(jí)，由此把隔膜拉到對(duì)準(zhǔn)空腔中。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，進(jìn)一步包括聯(lián)接到艙室上用于具有希望壓力的艙室的永久密封的裝置。
33.一種用來根據(jù)在作為非線性介質(zhì)的空氣中的多個(gè)超聲頻率的相互作用提高參量聲頻輸出的方法，該方法包括步驟a)產(chǎn)生一個(gè)包括至少兩個(gè)超聲信號(hào)的電子信號(hào)，這兩個(gè)超聲信號(hào)包括一個(gè)超聲載波信號(hào)和至少一個(gè)另外的超聲信號(hào)，具有一個(gè)相對(duì)于載波信號(hào)落在一個(gè)聲頻頻率范圍內(nèi)的值的差；b)把電子信號(hào)傳送到一個(gè)形成在一個(gè)常用電聲膜換能器隔膜內(nèi)的弓形發(fā)射體部分的一個(gè)陣列，該隔膜帶有一根傳播主軸；c)以一般的中凹形式配置發(fā)射體部分的陣列，以便以相對(duì)于傳播主軸的一個(gè)預(yù)定會(huì)聚角度從陣列的至少一個(gè)外周邊提供發(fā)射超聲波束的會(huì)聚；d)與一個(gè)參量揚(yáng)聲器的一個(gè)驅(qū)動(dòng)件同相地電-機(jī)移動(dòng)弓形發(fā)射體部分的陣列；e)把至少兩個(gè)超聲信號(hào)從隔膜發(fā)射到空氣中，作為超聲壓縮波；及(f)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產(chǎn)生參量聲頻輸出。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中配置陣列的步驟包括根據(jù)對(duì)通過空氣中吸收的超聲能量的能量損失補(bǔ)償?shù)男枰x擇會(huì)聚角度。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中配置步驟包括選擇沿傳播主軸添加與由通過空氣的超聲能量吸收生成的能量損失近似匹配的超聲能量的會(huì)聚的角度。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中配置步驟包括根據(jù)選擇與空間選擇區(qū)域處的計(jì)算能量損失近似匹配的會(huì)聚角度計(jì)算超聲能量損失的另外步驟。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，包括在相對(duì)于傳播主軸0.1至5度的范圍內(nèi)選擇一個(gè)會(huì)聚角度的更具體步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，包括選擇相對(duì)于傳播主軸3度的一個(gè)會(huì)聚角度的更具體步驟。
39.一種用來從進(jìn)入空氣中的超聲發(fā)射產(chǎn)生聲頻輸出的發(fā)射體，所述發(fā)射體包括一個(gè)可彎曲壓電薄膜，該薄膜帶有跨過薄膜一個(gè)表面布置的且配置成響應(yīng)與超聲頻率對(duì)應(yīng)的電氣信號(hào)的多個(gè)弓形發(fā)射體配置，以便產(chǎn)生進(jìn)入空氣中的超聲壓縮波。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，進(jìn)一步包括一塊聯(lián)接到薄膜上的支撐板，用來借助于弓形發(fā)射體配置支撐薄膜，以便發(fā)射進(jìn)入空氣中的超聲壓縮波。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，其中支撐板包括與弓形發(fā)射體配置對(duì)準(zhǔn)的小孔，這些小孔允許弓形配置擴(kuò)張或收縮，以便響應(yīng)一個(gè)施加電壓修改薄膜在小孔上的彎曲。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的發(fā)射體，其中支撐板和薄膜配置成產(chǎn)生超聲壓縮波的均勻波前。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的發(fā)射體，其中薄膜的弓形配置對(duì)準(zhǔn)，以便從薄膜沿平行軸發(fā)射壓縮波。
44.根據(jù)權(quán)利要求41所述的發(fā)射體，其中小孔用共用尺寸配置，這些小孔與支撐在支撐板上的薄膜的發(fā)射體配置對(duì)準(zhǔn)。
45.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，其中壓電膜包括用于接收施加給膜的所有發(fā)射體配置的單個(gè)信號(hào)的電觸點(diǎn)，從而使超聲發(fā)射中的諧波和相位失真最小。
46.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，其中膜的發(fā)射體配置在尺寸，曲率和成份上是均勻的。
47.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，其中發(fā)射體配置以蜂窩構(gòu)造跨過膜表面布置。
48.根據(jù)權(quán)利要求40所述的發(fā)射體，其中小孔允許膜的運(yùn)動(dòng)。
49.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，其中壓電膜由聚偏二氟乙烯制成，具有各向同性性質(zhì)。
50.根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)射體，其中壓電膜由具有各個(gè)異性性質(zhì)的成份制成。
51.一種參量揚(yáng)聲器，包括一塊支撐板和一個(gè)薄壓電膜，薄壓電膜帶有用來將超聲壓縮波發(fā)射進(jìn)入一個(gè)非線性空氣介質(zhì)中的超聲發(fā)射體陣列。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的參量揚(yáng)聲器，其中超聲發(fā)射體陣列包括跨過壓電膜布置的弓形發(fā)射體單元的一個(gè)陣列。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的參量揚(yáng)聲器，其中壓電膜由聚偏二氟乙烯組成。
54.一種用來根據(jù)多個(gè)超聲頻率的交互作用產(chǎn)生參量聲頻輸出以在作為非線性介質(zhì)的空氣中產(chǎn)生聲或亞聲信號(hào)的揚(yáng)聲器器件，所述器件包括一個(gè)磁心件，帶有用來建立一個(gè)與磁心件相鄰的第一磁場(chǎng)的裝置；一個(gè)可運(yùn)動(dòng)隔膜，沿磁心件伸展，并且從磁心件移動(dòng)一個(gè)短分離距離，以提供一個(gè)隔膜相對(duì)于磁心件的正交位移的預(yù)計(jì)范圍并且在第一磁場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)；至少一個(gè)、小質(zhì)量、平面的、導(dǎo)電電線圈，布置在可運(yùn)動(dòng)隔膜上，并且包括用來使電流流經(jīng)線圈的相對(duì)端的第一和第二觸點(diǎn)；以及用來把可變電流流動(dòng)施加到至少一個(gè)線圈上以便產(chǎn)生一個(gè)第二磁場(chǎng)的裝置，該第二磁場(chǎng)可變地與第一磁場(chǎng)相互作用，以便為了可以調(diào)節(jié)成包括一個(gè)超聲頻率范圍的一系列壓縮波的產(chǎn)生以希望頻率吸引和排斥隔膜。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的器件，其中永久磁鐵包括一塊尺寸稍大于發(fā)射體器件的活動(dòng)發(fā)射表面的尺寸的磁性材料剛性板。
56.根據(jù)權(quán)利要求54所述的器件，這里磁心件包括一塊非磁性成分形成的剛性板，該板的一個(gè)表面包括至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈，該線圈帶有能夠使電流流經(jīng)相對(duì)導(dǎo)電線圈的第一和第二觸點(diǎn)。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的器件，至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈定位在剛性板上，在與可運(yùn)動(dòng)隔膜上的至少一個(gè)導(dǎo)電線圈并列的位置中，使至少一個(gè)導(dǎo)電線圈和至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈能夠從相互作用的每個(gè)線圈產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，以產(chǎn)生壓縮波。
58.根據(jù)權(quán)利要求54所述的器件，其中隔膜包括一個(gè)薄膜，所述至少一個(gè)線圈布置在膜的一側(cè)。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的器件，其中膜由一種跨過其表面具有各向同性性質(zhì)的聚合物組成，以提供對(duì)施加張力的均勻響應(yīng)。
60.根據(jù)權(quán)利要求54所述的器件，其中至少一個(gè)導(dǎo)電線圈包括多個(gè)音圈，每個(gè)音圈包括與隔膜接觸的一個(gè)支撐周邊，并且提供用來把在每個(gè)線圈處的隔膜的位移與相鄰線圈基本隔離的裝置。
61.根據(jù)權(quán)利要求60所述的器件，其中用來隔離線圈的支撐周邊包括一種限制在與隔膜相鄰的磁心件表面處的多個(gè)開口位移空腔的柵格配置，每個(gè)空腔與導(dǎo)電線圈之一對(duì)準(zhǔn)。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的器件，其中用來提供第一磁場(chǎng)的裝置包括一個(gè)至磁心處的至少一個(gè)線圈的可變電流流動(dòng)，這種流動(dòng)與施加產(chǎn)生第二磁場(chǎng)的可變電流具有相位顛倒關(guān)系，由此增大隔膜的吸引和排斥，以便產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)成包括超聲頻率范圍的一系列壓縮波。
63.一種用來根據(jù)多個(gè)超聲頻率的交互作用產(chǎn)生參量聲頻輸出以在作為非線性介質(zhì)的空氣中產(chǎn)生聲或亞聲信號(hào)、而與典型靜電隔膜運(yùn)動(dòng)的較小運(yùn)動(dòng)相比具有用于相當(dāng)大的隔膜位移的能力的方法，所述方法包括步驟(a)提供與一個(gè)支撐磁心件相鄰的一個(gè)第一磁場(chǎng)；(b)把至少一個(gè)導(dǎo)電線圈施加到沿磁心件延伸并且離磁心件一個(gè)短分離距離的可運(yùn)動(dòng)隔膜上，以提供隔膜相對(duì)于磁心件的預(yù)計(jì)范圍的正交位移并且在第一磁場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)；及(c)把可變電流供給到用來產(chǎn)生一個(gè)第二磁場(chǎng)的至少一個(gè)線圈上，該第二磁場(chǎng)與第一磁場(chǎng)相互作用，以便為了產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)成包括在超聲頻率范圍內(nèi)的一系列壓縮波以希望頻率吸引和排斥隔膜。
64.一種用來根據(jù)多個(gè)超聲頻率的交互作用產(chǎn)生參量聲頻輸出以在作為非線性介質(zhì)的空氣中產(chǎn)生聲或亞聲信號(hào)、而與典型靜電隔膜運(yùn)動(dòng)相比具有相當(dāng)大的隔膜位移的寬頻范圍能力的超聲發(fā)射體器件，所述器件包括一個(gè)磁心件，帶有用來建立與磁心件相鄰的一個(gè)可變磁場(chǎng)的裝置；一個(gè)可運(yùn)動(dòng)隔膜，以張力沿磁心件布置，并且離磁心件一個(gè)短分離距離，以提供隔膜相對(duì)于磁心件的一個(gè)預(yù)計(jì)范圍的正交位移并且在可變磁場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)；及至少一個(gè)導(dǎo)電環(huán)，布置在可運(yùn)動(dòng)隔膜上，用來使電流流動(dòng)在產(chǎn)生一個(gè)反向、相反磁力的方位中，該磁力由磁心件的可變磁場(chǎng)在希望頻率下排斥，以便產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)成包括超聲頻率范圍的一系列壓縮波。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的器件，其中磁心件由一個(gè)電磁鐵組成。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的器件，其中剛性板包括一塊平板，使均勻可變磁場(chǎng)沿著與可運(yùn)動(dòng)隔膜最緊相鄰的板的一個(gè)表面。
67.根據(jù)權(quán)利要求64所述的器件，其中磁心件包括一塊由非磁性成分形成的剛性板，板的一個(gè)表面包括帶有第一和第二端觸點(diǎn)的至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電線圈，以便使電流流經(jīng)導(dǎo)電線圈。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的器件，其中至少一個(gè)導(dǎo)電線圈定位在剛性板上，在與可運(yùn)動(dòng)隔膜上的至少一個(gè)導(dǎo)電環(huán)并列的位置中，能夠使至少一個(gè)導(dǎo)電線圈和至少一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電環(huán)引起相對(duì)磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生壓縮波。
69.根據(jù)權(quán)利要求64所述的器件，其中隔膜包括一個(gè)薄膜，所述至少一個(gè)線圈布置在膜的一側(cè)。
70.根據(jù)權(quán)利要求67所述的器件，其中膜由一種跨過其表面具有各向同性的彈性性質(zhì)的聚合物組成，以提供對(duì)施加張力的均勻響應(yīng)。
71.一種用來通過超聲發(fā)射的聲音混合把電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲頻輸出的超聲發(fā)射體器件，所述器件包括一個(gè)剛性磁心件，帶有一個(gè)包括預(yù)定尺寸的空腔的一個(gè)陣列的上表面，并且包括用于至少一個(gè)諧振頻率的提高的裝置，該諧振頻率可作為在一個(gè)超聲頻率范圍內(nèi)的載波頻率操作；用來在磁心件的上表面處產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)的裝置；一個(gè)彈性、介電隔膜，以張力沿上表面且跨過磁心件的空腔布置，以提供定位在磁心件的空腔上方的隔膜的發(fā)射扇區(qū)的一個(gè)預(yù)計(jì)范圍或正效位移，并且在靜電場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)；一種導(dǎo)電介質(zhì)，涂敷到隔膜的一個(gè)表面上，并且與磁心件電氣隔離；及調(diào)制裝置，聯(lián)接到導(dǎo)電介質(zhì)上，用來使一個(gè)可變靜電場(chǎng)施加到隔膜上，該隔膜與磁心件的靜電場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生在希望超聲頻率范圍內(nèi)從隔膜的發(fā)射扇區(qū)發(fā)出的一系列超聲壓縮波，該頻率范圍傳播在一種非線性空氣介質(zhì)中解調(diào)的超聲壓縮波系列以產(chǎn)生聲頻輸出。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的器件，其中磁心件包括具有均勻中凹配置的一個(gè)空腔陣列，這些配置一般調(diào)諧到一個(gè)共用諧振頻率。
全文摘要
一種參量揚(yáng)聲器，直接產(chǎn)生多個(gè)高頻，以便在直徑或橫截面方面大于載波頻率的波長(zhǎng)的基本上整體的大面積膜換能器間接創(chuàng)建較低頻率。其一種配置包括一個(gè)沿磁心件伸展且在一個(gè)磁場(chǎng)的一個(gè)較強(qiáng)部分內(nèi)移動(dòng)一個(gè)短距離的可運(yùn)動(dòng)隔膜。至少一個(gè)小質(zhì)量平面導(dǎo)電線圈布置在可運(yùn)動(dòng)隔膜上，并且包括第一和第二觸點(diǎn)，以使經(jīng)線圈的電流流動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)以希望頻率吸引和排斥隔膜的第一磁場(chǎng)，以便產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)成包括一個(gè)超聲頻率范圍的一個(gè)壓縮波序列。
文檔編號(hào)H04R19/02GK1620195SQ20041008779
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期1999年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月24日
發(fā)明者艾倫·羅伯特·賽爾夫利治, 皮埃爾·克胡利－亞庫比, 愛爾伍德·G.·諾里斯, 詹姆斯·J.·克羅夫特三世 申請(qǐng)人:美國(guó)技術(shù)公司