帶有電聲隔膜換能器的參量揚聲器的制作方法

專利名稱：帶有電聲隔膜換能器的參量揚聲器的制作方法
技術領域：
本發明涉及靜電揚聲器換能器。更具體地說，本發明涉及包括一個定子元件并且基于膜型隔膜的參量揚聲器換能器。這些換能器包括超聲電壓信號至超聲壓縮波的一個單級、電-機轉換，超聲壓縮波的值差別對應于新的聲或亞聲壓縮波頻率。
參量揚聲器是一種對于一個聲頻信號直接發射由載波頻率和從載波頻率的調制生成的邊帶頻率表示的高頻超聲波的聲發射器件。這些分散超聲頻率在一種諸如空氣之類的非線性介質中解調，以把調制聲頻信號重新生成實際聲頻輸出。在理論上，參量聲音由其值的差落在聲頻范圍內的兩個超聲頻率在空氣(作為非線性介質)中的交互產生。理想地，生成的聲頻壓縮波在空氣中發射，并且作為純聲音聽到。盡管理想的理論，但對于實際用途通過聲混合的聲音產生已經使該行業困惑超過100年了。
因為聲頻輸出的產生沿超聲傳播的長度延伸，所以增大聲壓級(SPL)沿超聲波束產生，直到耗盡超聲能量。以這種方式，參量揚聲器的輸出類似于常規揚聲器的端射陣。盡管在參量揚聲器與常規揚聲器系統之間的一些相似性，但顯著的新性能產生，因為聲頻輸出間接從高能超聲發射產生，而不是由在聲頻下運動的錐或隔膜產生。這些獨特性能的一些是熟知的，如聲音至發射區域的長距離成束效應和局部化。其他的性能以前還沒有識別到，并且已經防止商業參量揚聲器系統的實施。本公開、以及標題為用于參量揚聲器系統的調制器處理的同時提出申請，探索這些性能的幾種作為一種全操作參量揚聲器的部分。當前發明的參量揚聲器具有全范圍聲頻輸出，有與高質量常規聲音系統不相上下的音量、清晰度和保真度。
在參量揚聲器應用方面先有技術的努力一般限于對某些有限性能和集中安裝在一個支撐表面上的壓電雙壓電晶片換能器的一個換能器陣列的用途的理論研究。每個雙壓電晶片發射體分離地用導線連接到信號源上。根據這種配置，參量產品的商業開發已經使行業困惑。這主要由于缺乏與諸如動態和靜電揚聲器系統之類的其他常規聲系統不相上下的有效聲音復制。即使在參量揚聲器提供諸如增強方向性之類的顯著優點的地方，商業成功也因為不滿足有鑒別力聽眾的高成本、實際功率要求、和差的質量，一直很小。
參量揚聲器取決于獨特性質的超聲聲音輸出與周圍空氣的有效耦合。如上所述，以前的理論和商業產品研究主要集中在使用也稱作壓電彎曲機的壓電雙壓電晶片結構的發射體器件。這些器件使用彼此粘結且異相驅動的兩層壓電材料。當一層在長度上延伸時，另一層收縮，在對于膨脹/收縮方向的90度的平面內提供輸出運動。盡管這些器件的力很大，但實際空氣位移和耦合相當差。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動的轉換過程的一個第二級。這借助于包括板式和盤式結構的各種空氣匹配裝置實現，這些結構在尺寸上與感興趣頻率的波長相差不大。
為了開發有意義的SPL，多個這樣的器件沿一塊支撐或其他支撐結構隔開。見例如從Tanaka等的美國專利4,823,908得到、包括500串或超過1400個雙壓電晶片單元的圖6。因為這些器件的每一個表示一個局部化發射體，所以本發明者已經發現緊在每個器件前面的高驅動強度能容易地把空氣驅動成激波或飽和。這種現象破壞聲頻信號的有效解調，引起功率輸出的損失和聲頻聲音分量的嚴重失真、以及對參量揚聲器操作的一般過程的其他嚴重不利影響。另外，雙壓電晶片具有差的頻率響應和多余的次諧波。
至較大程度上，用于在雙壓電晶片系統中增強SPL的先有技術努力一直集中在增加雙壓電晶片發射體的數量。盡管已經發覺增加雙壓電晶片發射體的數量會提供高超聲輸出，但它僅擴大空氣飽和問題和嚴重的功率損失。而且，本發明者已經發現多種伴隨的限制，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成本和復雜性。的確，這些分立器件的相位關系是這樣的，從而用作一串的多個器件的總輸出不會添加僅通過求和所有器件預計的量。例如，試驗已經表明，每個單獨能夠產生120db的SPL的一個10雙壓電晶片換能器的陣列，產生僅125至127db的集中SPL。特別是，這奇怪地小于理論上表示十個具有120db單獨輸出的器件的累加的130db。如以上指示的那樣，本發明者相信，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生。
另一個或許把研究者引導到依賴于雙壓電晶片器件的另一個因素，是一種發射體應該以與要發射的超聲能量的波長相對應的尺寸構造的感覺。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的尺寸建造的靜電發射體。即使當使用這些器件時，仍需要使用較大器件計數以實現需要的輸出。事實上，感覺一直是這樣的，如果希望較高的SPL，則必須應用較大數量的發射體，以較高電壓級驅動。這種邏輯由來自常規聲頻系統的傳統設計感覺產生。然而，這些結論不是以平行關系遵循參量揚聲器系統。
本發明者相信，除在帶有雙壓電晶片換能器的參量系統中的不滿意結果之外，從常規聲頻系統得出的其他傳統觀點可能誤導了在參量揚聲器領域中的早期研究者，導致阻礙參量揚聲器進步的失望結果。這由如下事實表明，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。似乎在參量揚聲器內的雙壓電晶片換能器的希望使用可能是在聲頻行業中平行經驗的自然結果，其中對動態揚聲器(也特征化為大功率器件)的強烈偏愛優于靜電揚聲器。換句話說，磁驅動錐的流行性和一般接收(在本質上類似于雙壓電晶片驅動器和附加的空氣耦合錐)，顯得已經把在參量領域內的發展想法引導成偏愛雙壓電晶片而遠離諸如膜發射體之類的低輸出發射體結構。
例如，在世界上銷售的約百分之99的聲頻系統落在動態揚聲器的種類內，由機械耦合到一個錐上的磁驅動單元或類似的聲驅動器表明。動態揚聲器基于兩個概念操作。第一個涉及一個把聲頻輸出的電壓信號轉換成機械運動的電-機過程。這由諸如一種磁鐵和線圈組合之類的磁驅動單元實現。第二個概念伴隨著第一個，其中機械運動與一個聲耦器件相結合，如與用于壓縮波的位移的錐的運動相結合。這在概念上稱作一個兩級揚聲器。
這樣的動態揚聲器稱作大功率器件，因為他們能夠根據驅動系統的強度產生高音量級，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。動態揚聲器的多樣性和其操作的簡單性(一個運動錐)已經給予一個基本不中斷的領導位置，優于靜電揚聲器和用于聲頻復制其他系統。而且，這樣的發展已經出現，盡管需要昂貴和復雜的聲頻控制系統來混合、交叉、均衡，并且象這樣的相關問題枚列在通過參考包括在這里的美國專利申請Serial No.08/684,311中。
盡管動態揚聲器有市場強度，但靜電揚聲器工業已經為商業利益提供了顯著潛力。然而，因為低功率輸出、大尺寸要求和建造限制，靜電揚聲器沒能獲得顯著的市場份額-小于1％。不顧在聲頻工業中由靜電揚聲器供給的明顯優點超過動態揚聲器，商業發展和研究繼續集中在大功率、磁驅動動態系統上。
現在可能顯得，在聲學界中的這種趨勢也會影響在聲音復制的參量領域內的研究方向。具體地說，在本發明者之前的實際所有參量研究都是對于雙壓電晶片換能器的使用，在結構上類似于具有其大功率操作的動態揚聲器。如以上提到的那樣，雙壓電晶片系統還沒有實現對于參量揚聲器系統的商業化必需的結果。借助于“大功率”形式(雙壓電晶片換能器)的一個超聲發射體沒有實現要求級的音量和質量，由熟悉本專業的技術人員有這樣一種明顯假設，靜電或低功率膜型發射體更不可能運行在參量聲音領域中。所以，寬片隔膜的使用和類似單級電聲轉換系統不認為是適于參量研究的換能器。
聲學科學早就知道可運動靜電薄膜或與一個定子或驅動件有關和與其絕緣的膜作為揚聲器/或麥克風器件使用。這種器件的典型結構包括一個可彎曲Mylar(tm)或Kapton(tm)膜，該膜帶有由一個空氣間隙或絕緣材料分離的一個金屬化涂層；和一塊有關的導電、剛性板。包括一個聲或超聲信號的施加電壓傳送到該電容性組件，并且操作移動可彎曲發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器。單端揚聲器包括單塊板，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。就超聲發射體而論，膜已經偏移成與板的不規則表面直接接觸，并且允許膜在空穴或空腔中振動。一個空氣、塑料膜或類似非導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，板和隔膜聯接到一個直流電源上，以在金屬化涂層和板的相應導電表面上建立相反的極性。
第二主要種類的靜電揚聲器由推挽配置表示。在這種情況下，揚聲器帶有對稱放置在一個導電薄膜的每一側的兩塊剛性板。當施加電壓時，一塊板相對于薄膜變成負的，而相對板呈現正電荷。可變電壓(例如交流)至換能器的傳送加強對薄膜的推挽作用，由此增大功率輸出。常用靜電發射體設計的理論和構造的另外細節在Ronald Wagner的ELctostatic Loudspeaker(靜電擴音器)，Audio Amateur Press，1993中找到。
多年定向研究已經對這種系統產生各種技術改進，但分量定義基本上保持相同。意想不到的是，本發明者已經發現，把這種低功率換能器用作壓電膜、靜電膜、及其他類似膜發射體的單級轉換過程，為參量揚聲器提供顯著的優點。如下公開對以上在參考專利申請中敘述的這些概念和實施例提供進一步的增強。
因此本發明的一個目的在于，把一種膜換能器應用于聲音復制的參量領域。
本發明的另一個目的在于，提供一種能夠響應電激勵產生大振幅壓縮波的改進揚聲器隔膜，該隔膜不需要常規聲頻揚聲器或超聲換能器的一種剛性隔膜結構。
本發明的另外目的在于，使對于給定總量系統輸出驅動空氣每部分的隔膜基本上是連續的。
本發明的另外一個目的在于，使一種換能器能輸送高輸出同時使失真、相位偏移、及諧波諧振最小。
本發明的又一個目的在于，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，從而束寬能擴展到換能器系統的直徑甚至更大。
本發明的再一個目的在于，通過把一種泡沫材料用作揚聲器系統的定子元件能夠減小重量和剛度要求。
本發明的另一個目的在于，提供一個能夠在單個或推挽配置中操作的板或支撐件。
本發明的另一個目的在于，通過使用磁驅動薄膜發射體間接產生具有商業可接收的音量級的至少一種新聲波或亞聲波，該薄膜發射體在具有等于至少一個新聲波或亞聲波的不同頻率的至少兩個超聲信號之間提供干涉。
本發明的另一個目的在于，提供一種帶有一個同相操作的低功率、常用發射體部分的陣列。
本發明的一個專門目的在于，提供一種帶有通常經單個觸點由一個參量信號源供電的弓形發射體部分的壓電膜。
本發明的又一個目的在于，使帶有一個弓形發射體部分陣列的基本上連續的隔膜一般在沒有飽和的級下、而以用來使總系統輸出最大的受控方式驅動周圍空氣的相鄰區域。
這些和其他目的以一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出的方法實現，所述方法包括步驟a)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到直接與空氣耦合作為單級能量轉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直接轉換成機械位移，作為一個參量揚聲器的一個驅動件；d)把至少兩個超聲信號從隔膜機械發射到空氣中，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生參量聲頻輸出。
本發明的另一個實施例是一種揚聲器器件，該揚聲器器件帶有一塊剛性發射體板，包括一個帶有多個小孔或空腔的外表面；一個薄壓電膜，跨過發射體板的小孔布置，使膜擴張到空腔中以形成能夠響應在壓電膜處施加電氣輸入的變化收縮和延伸的一個弓形發射體配置的陣列，由此在周圍環境中產生壓縮波；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。弓形發射體配置的陣列能通過正的或負的壓力實現或延伸到該裝置。
本發明另外一個實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)產生一個至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到一個帶有形成在膜內的弓形發射體部分的一個陣列的發射體膜換能器隔膜；c)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；d)把至少兩個超聲信號從隔膜發射到空氣中，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生參量聲頻輸出。
本發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)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)同時把電子信號傳送到一個形成在一個常用電聲換能器隔膜內的弓形發射體部分的一個陣列；c)以受控方式移動發射體部分以便使周圍空氣的飽和最小；d)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；e)把至少兩個超聲信號從隔膜發射到空氣中，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生參量聲頻輸出。
把本發明的另外一個實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)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號包括一個超聲載波信號和至少一個另外的超聲信號，具有一個相對于載波信號落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到一個形成在一個常用電聲膜換能器隔膜內的弓形發射體部分的一個陣列，該隔膜帶有一根傳播主軸；c)以一般的中凹形式配置發射體部分的陣列，以便以相對于傳播主軸的一個預定會聚角度從陣列的至少一個外周邊提供發射超聲波束的會聚；d)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；e)把至少兩個超聲信號從隔膜發射到空氣中，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生參量聲頻輸出。
本發明的另一個實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動相比有較大隔膜位移的超聲發射體器件的設備實現。該器件包括一個能夠建立一個第一磁場的磁心件。一個可運動隔膜沿磁心件伸展，并且從磁心件移動一個短分離距離，以提供一個隔膜相對于磁心件的正交位移的預計范圍并且在磁場的一個較強部分內。至少一個、小質量、平面的、導電電線圈布置在可運動隔膜上，并且包括用來使電流流經線圈的第一和第二觸點。一種可變電流流動施加到線圈上以便產生一個第二磁場，該第二磁場可變地與第一磁場相互作用，以便為了可以包括一個具有用其調制的聲頻信號的超聲頻率范圍的一系列波的產生，以希望頻率吸引和排斥隔膜。
在本發明的一個不同方面，用于一個參量揚聲器的發射體包括一個由單個發射體薄膜組成的鼓，該薄膜布置在一個由其中的多個小孔組成的常用發射體表面上，其中小孔對準，以便發射從其沿平行軸產生的所有頻率，并且其中在鼓內和在發射體薄膜后面產生接近真空，由此消除反向波產生。
在本發明的另一個方面，發射體包括一個由單個發射體薄膜組成的鼓，該薄膜布置在一個由其中的多個小孔組成的常用發射體表面上，但其中現在加壓鼓。
在本發明的又一個方面，帶有一個作為發射體薄膜的壓電膜、且跨過一個其中帶有小孔的傳感器表面伸展的鼓，能夠通過檢測壓縮波對壓電膜的影響產生的電氣信號而檢測壓縮波。
根據結合如下附圖所作的最佳實施例的如下詳細描述，對于熟悉本專業的技術人員，本發明的其他目的和特征是顯然的。


圖1a表示使用多個壓電雙壓電晶片換能器的先有技術參量擴音器。
圖1b表示使用多個壓電雙壓電晶片換能器的參量擴音器的另一個圖1c是在空間聽小點處驅動空氣和引起激波的雙壓電晶片換能器的圖。
圖1d是以分布驅動和減小激波的均勻方式驅動空氣的本發明的膜換能器的圖。
圖1e是在激波級以下和在激波級處的一個原頻率波形的圖。
圖2是用于一個大規模靜電膜換能器的一塊圓形V形開槽后板的表示。
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/雙極次級頻率模式中的正弦成形壓電膜的圖。
圖5是與一塊后板一起以中凹或中凸凹紋形式使用的壓電膜的圖。
圖5a是以凹紋形式的中凸使用的壓電膜的圖。
圖5b是以凹紋形式的中凹使用的壓電膜的圖。
圖6表示把多壓電雙壓電晶片換能器用作一個超聲發射源的先有技術參量擴音器。
圖7表示使用多壓電雙壓電晶片換能器的參量擴音器的另一個先有技術實施例，并且表示在揚聲器性能中的各種缺陷。
圖8是按照本發明的原理制成的一種發射體鼓換能器的立體圖。
圖9是俯視圖，表示在發射體鼓換能器的一個發射體表面中的多個小孔。
圖10是發射體鼓換能器和發射體表面的剖視輪廓圖，表示布置在發射表面中的小孔上方的薄膜。
圖11A-B是正在振動的同時在發射體表面中在多個小孔上伸展的薄膜的閉合輪廓圖。
圖12是曲線圖，表示在最佳實施例中薄膜(壓電膜)位移與頻率的關系曲線的一個例子。該曲線圖表示產生的諧振頻率和典型帶寬。
圖13是其中加壓發射體鼓的一個可選擇實施例的發射體鼓換能器的剖視輪廓圖。
圖14是本發明一種更具體實施，發射聲學混合的一個超聲基頻和一個超聲情報載波頻率，以產生一個新的聲頻率或亞聲頻率。
圖15是一個實施例，表示傳感器鼓換能器和傳感器表面的剖視圖，表示布置在傳感器表面中的小孔上的檢測薄膜的。
圖16是帶有一個已經完成中凹橢圓形狀的隔膜的換能器的立體圖。
圖17是圖16的橫截面，表示帶有振動產生一種超聲波的完成薄膜的換能器。
圖18描繪一種單端靜電揚聲器的的剖視側視圖。
圖19表示一種弓形形狀，代表用于當前揚聲器器件的一種彎曲外形。
圖20表示一種圓柱形狀，代表用于揚聲器器件的一種可能外形。
圖21是在推挽配置中揚聲器器件的一種泡沫定子揚聲器實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泡沫定子之間的揚聲器器件的一個實施例。
圖23和24表示揚聲器器件的多膜實施例。
圖25是頂部立體圖，表示一種帶有布置在發射體隔膜上并且懸掛在一個磁心元件上方的多個磁性線圈的薄膜隔膜。
圖26是一個可選擇實施例的分解視圖，表示在發射體隔膜和磁心上的相對磁性線圈。
圖27是剖視、頂部立體圖，表示一種帶有布置在發射體隔膜上并且懸掛在一個磁心元件上方的多個環的薄膜隔膜。圖28是一種諧振調諧靜電發射體的放大立體圖。
圖29是圖28的發射體的橫截面。
圖30是一種半球形靜電揚聲器的剖視側視圖。
圖31是一種半球形靜電揚聲器的立體剖視圖。
圖32是一種半球形靜電揚聲器的立體側視圖。
下面參考附圖，其中本發明的各種元件將給出數字指示，并且其中將討論本發明，以便使熟悉本專業的技術人員能夠實施和使用本發明。要理解，如下描述僅是本發明的示范，而不應該看作限制隨后的權利要求書。
圖1a和1b是表示使用多個壓電雙壓電晶片換能器11的先有技術參量揚聲器10的圖。這些已經與500至超過1500的雙壓電晶片換能器的串一起使用。對于參量擴音器的困難之一在于，當在超聲級下驅動空氣以提供適當的轉換效率和在次級生成頻率下的響度時，能把空氣驅動到一個激波極限中，其中基本頻率不能變得更響，而只有失真分量級增大。該激波極限當驅動空氣空間的各個、小點時更差。越限制強度，激波越容易存在。
圖1c是一組每個在空間12中的小點處驅動空氣并且引起激波的雙壓電晶片換能器的圖。圖1d是以分布驅動14和減小激波的均勻方式驅動空氣的本發明的一種膜換能器13的圖。圖1e是在激波級15以下和在激波級16處的一個原頻率波形的圖。一種大規模膜換能器的一個最佳實施例基于靜電驅動原理。靜電類型的換能器使用一塊帶有靠近后板的一個導電膜的導電后板。把一個偏壓施加到膜或后板上，并且膜和后板都由驅動信號的兩個極性驅動。圖2是一個帶有一塊圓形V形開槽后板21的大規模靜電膜換能器的表示。后板結構可以在形狀上交替地凹下(中凹)或起波紋(中凸)。圖2a是靜電后板23和隔膜22的剖視圖。
當高頻從較大隔膜射出時，與感興趣的頻率波長相比，波束能達到這樣高的方向性，從而高頻率會聚減小成一個窄波束。這由于高強度會聚在一個小空域中，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，以具有一個在寬度上與換能器相差不大的方向性窗口或甚至一個使激波受限波形最小的稍寬的聲音散布。
圖2b表示一個帶有一塊彎曲后板23和解決該問題的互補狀膜隔膜22的靜電膜換能器。本發明的另一個實施例利用壓電膜(PVDF)。該膜在電激勵時膨脹和收縮，并因此必須形成以實現聲輸出。應該認識到，這些大面積膜換能器包括但不限于靜電膜、駐極體膜、和諸如PVDF之類的壓電膜、電熱機械膜、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的整流正弦形式的壓電膜30的圖。通過把后板與膜隔開一個波長的四分之一，發射體的輸出在其波長是從膜到后板的距離的四倍的頻率下能增大高達3dB。圖3b是一種淺整流正弦形式的壓電膜32的圖。圖3c是一種帶有后板31的壓電膜32的淺整流正弦形式的圖。
圖4是一種正弦成形壓電膜的圖。這種形式在利用所有的膜方面可能是有效的。對于遠大于或遠小于高度的1/2wL的正弦形狀，波峰和波谷可能彼此異相。在這種情況下，可能需要一個補償裝置，如以與波谷反相地電氣驅動波峰。圖4a是一種帶有隔開后板31的正弦成形壓電膜33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。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。
大多數超聲發射體和參量擴音器在輻射圖案中基本上是單極的。借助于本發明通過使用一個打開膜(例如PVDF)而不用后板能實現一種雙極參量擴音器，圖4c，并且該擴音器在原頻率范圍內以一種雙極異相輻射圖案輻射，同時對于所有次級參量驅動信號以一種雙極同相方式操作。這能用在想要在兩個相反方向上射出高度定向的、同相聲音的地方。這對于任何先有技術器件是不實際的。圖4c是一種用在雙極原頻率/雙極次級頻率模式中的正弦成形壓電膜的圖。
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構。這種形狀可以通過熱形成膜實現，或利用泡沫支撐結構把膜推壓成這種形狀。把膜形成彎曲發射體部分也能通過用正或負壓力把膜推或拉成空腔實現。此外，有可能利用泡沫或塑料支撐結構把膜推壓成希望形狀。
圖5是一種帶有產生中凹或中凸形式的后板52的壓電膜51的圖。圖5a是以起波紋形式使用的具有中凹延伸的壓電膜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。熟悉本專業的技術人員將明白，在本發明的概念下能應用用來在壓電膜中產生希望彎曲的多種變更。而且，可以開發多種支撐機構，以在壓電膜內提供這些希望的彎曲，特別當應用于聲頻聲音的參量輸出的產生，作為來自主要超聲發射的一種次發射時。
一種可彎曲膜隔膜的適用性提供超過常規剛性雙壓電晶片器件的多個優點。這些好處的一些更具體地表明在圖6和7中。圖6表示使用多個壓電雙壓電晶片換能器62的一種先有技術參量擴音器60。如描述的那樣，在致力于產生高效參量輸出的過程中，這些已經用于在500至1500雙壓電晶片換能器之間的串中。本公開已經辨別出在雙壓電晶片發射體中從緊在換能器表面前面的局部發射區域處的空氣飽和產生的一種缺陷。圖7用圖表明這種失真原因、以及由于相位失真和誤對準的原因從先有技術參量陣列60產生的其他缺陷。這些不適合，如提到的相位異常，按圖7的70、71和72表示。
重要的是要注意，這些雙壓電晶片發射體是一般具有不同物理和電氣性能的分離結構。的確，對于不同的構造環境，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，把他們扔到一個普通倉庫中，并且在隨機選擇基礎上分配為客戶指定具體結構規格。結果，在傳播超聲波66中的相位誤匹配能導致相位抵消和其他形式的聲音及由虛線76和78表示的方向失真。項78表示相鄰超聲波束的彎曲作用，其中來自每個發射體的各個頻率異相。例如，發射體70正在傳播與來自發射體71的波66b稍微異相的波66a。虛線78表明來自參量揚聲器的聲頻輸出的方向偏移，這種偏移產生于相位誤對準。發射體72已經傾斜安裝，如由銳角69表明的那樣，它稍微偏離相對于一個安裝支撐板64的一根垂直軸77。這里同樣，從發射體傳播的沒有對準而適當相位對準的波束，導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常規陣列的500至1500個發射體，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，這些諧振在參量擴音器的解調聲頻分量中進一步失真。
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63。的確，對于參量擴音器由本發明者注意到的困難之一在于，當以提供適當轉換效率和響度的超聲級驅動空氣時，能把空氣驅動到一種其中基本頻率不能變得更響而只有失真分量在級上增大的激波極限中。這種激波極限在驅動空域的較小、各個點時增大，如對于雙壓電晶片換能器73出現的那樣。越限制強度，激波越容易存在。這特別對于諸如常規雙壓電晶片之類的高強度器件成立。
本發明者已經發現，通過把高能量級分布在膜的寬廣表面區域上，與雙壓電晶片陣列換能器的局部化發射體元件相反，能控制激波的管理。當期望一個小雙壓電晶片發射體的陣列在把130db供給到發射體時產生希望的SPL時，希望的SPL不足，并且失真大大地放大。在本發明的原理下，一個寬廣發射膜以小于120db供給。然而，通過把能量分散在膜的多個小發射體部分上，在換能器前面的任何局部點處不會把空氣驅動到飽和或激波。用于由膜發射體產生的參量輸出的轉換效率非常高，并且大大地減小失真。該過程表示從試圖通過會聚從高強度發射體，如雙壓電晶片族，輸出的較高db增大音量的先有技術的一種變向。
一般地說，這些各種概念表示一種在作為一種非線性介質的空氣中根據多個超聲頻率的相互作用來提高參量聲頻輸出的方法，其中通過以前類型的結構的一種或多種實施如下基本步驟。這些步驟列在下面，并且包括a)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到一個帶有形成在膜內的弓形發射部分的陣列的發射體膜換能器隔膜；c)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；及d)把至少兩個超聲信號從隔膜機械地發射到空氣中，作為在空氣中相互作用以產生參量聲頻輸出的超聲壓縮波。
在先有技術通過增大在雙壓電晶片發射體表面處的db級尋求增大SPL輸出的地方，本發明把能量散布在較大表面區域上。盡管這減小了在空間中任何點處傳播的壓縮波的db級，但整個效果是增大SPL，因為表面面積較大。而且，因為使失真減小，所以能把SPL升高到更有效的級。這表示一個用使在各弓形發射體部分處周圍空氣的飽和最小的最大強度級限制電子信號的概念步驟。如下幾何形狀和相關db級表明具有膜發射體的db發射級的廣泛幾何形狀的適當平衡。
在本發明的概念下容易實施的另外一個步驟涉及，提供從膜發射體部分的每一個傳播的超聲能量的各波束的改進對準。波束的方位能由后板的支撐結構控制。具體地說，單獨的、常用板結構以較高精度提供發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發射體的分別定位，導致誤對準。借助于適當對準的所有發射體部分，對準超聲發射。顯著減小來自由非對準發射產生的異相交互作用的干擾損失。考慮到來自超聲發射的聲頻信號的解調的虛擬端射陣，較窄波束的超聲能量也提供較有效的轉換。具體地說，較窄波束圖案提供對于解調的較大集中，由此增大沿超聲波束長度的聲頻SPL。
本發明的另一個實施例是表示一個超聲發射體的一個更高效實施例的圖8。在該正交視圖中表示的最佳實施例中，發射體鼓換能器100是一個一般圓柱形的物體。發射體鼓換能器100的側壁106最好是金屬或金屬合金。然而，從發射體鼓換能器100的頂表面產生壓縮波的一個發射體表面102包括至少兩種材料。發射體表面102的外表面包括一個壓電膜104。壓電膜104由施加到其上的電信號激勵，并且由此引起在希望頻率下振動以產生壓縮波。在壓電膜104上面并且繞發射體表面102的周邊布置的是一個導電環114。導電環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希望金屬餅(但下文稱作盤，見圖9)。
發射體鼓換能器100一般在內側是空的，并且在一個底表面處由一個后蓋110封閉。把發射體鼓換能器100密封成一般是氣密的，從而一種近真空(下文稱作真空)或一種加壓狀態能存在于發射體鼓換能器100內。在使隔膜離后板選擇頻率波長的四分之一遠的發射體鼓換能器100內的正壓力能產生一種有用的反向波。當然，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。
為了更好地理解發射體鼓換能器100的結構，圖9提供布置在壓電膜104(見圖8)下面的盤108的一個面向外側126的俯視圖。在該最佳實施例中，盤108是金屬的，并且打有一般均勻尺寸的多個小孔112。小孔112完全穿過盤108的厚度從一個面向內側128(見圖10)延伸到面向外側126。為了提供可預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。在應用單向膜的地方，圖16中所表明的細長形狀是希望的。
在這種情況下選擇表示在圖8中盤108上的小孔圖案112，因為它能夠使最大數量的小孔112布置在一個給定區域內。這種圖案一般描述成“蜂窩”圖案。選擇蜂窩圖案，是因為由于聲學混合的特性希望具有大量具有平行軸的小孔112。特別是在產生超聲頻率的情況下，希望在一個基頻與一個載波情報的頻率之間引起混合干擾，由此產生一個包含情報的新的聲頻率或亞聲頻率。因此，彼此靠近引起干擾的較大數量的基本和情報載波信號，具有產生比如果單對基本和情報載波頻率正在干擾時大的音量的新聲頻率或亞聲頻率的效果。換句話說，本發明提供產生一種響得足以商業可用的音量的顯著優點。頻率發射的平行軸提供較大的可預測性，以便確定在何處將產生新的聲頻率或亞聲頻率。
圖10提供本發明的最佳實施例的有益輪廓和剖視立體圖，包括與對發射體鼓換能器100的電氣連接有關的較多細節。發射體鼓換能器100的側壁106提供一個用于盤108的外殼。使其多個小孔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處于接觸的整個暴露表面上。在壓電膜104與小孔112之間的粘結劑邊角的變化尺寸引起否則均勻的小孔112產生不均勻的諧振頻率。因此，最佳實施例講授僅把壓電膜104的一個外邊緣粘結到盤108上。
后蓋110這樣提供，從而在該最佳實施例中，能在發射體鼓換能器100內創建真空或近真空。近真空能定義為小得足以要求以毫乇測量的壓力。對于在發射體鼓換能器100內有真空有幾個原因。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每一個上的壓電膜104產生的諧振頻率的均勻性。事實上，壓電膜104和小孔112組合的每一種形成一個小型發射體元件或單元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。
關于真空的第二原因在于便利地消除無意識產生“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。如果能使壓電膜104在由箭頭130指示的方向上從發射體鼓換能器100“向外”產生超聲壓縮波，則僅在邏輯上，也正在從壓電膜104產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入發射體鼓換能器100。因此，這些向后傳播或反向波失真波能干擾產生希望頻率的壓電膜104的能力。當反向波反射離開發射體鼓換能器100內的表面時，這種干擾出現，直到他們再次經一個小孔112傳播，并且反射離開壓電膜104，由此改變其振動。因此，通過消除在發射體鼓換能器100內用于壓縮波傳播的介質，不干擾壓電膜104的振動。
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，并且進行要從發射體鼓換能器100的每個單元124發射的頻率的電氣表示。這些電氣引線120電氣聯接到所示的一些信號源122上。
圖11A是圖10中兩個單元128的閉合輪廓圖(包括在兩個小孔112上的壓電膜104)。壓電膜104以僅用于說明目的的夸大振動表示成向發射體鼓換能器100的內部向內擴張。從與圖11B的比較應該明白，壓電膜104的向內擴張跟隨有向外且遠離發射鼓換能器100內部的擴張。壓電膜104向內和向外擴張的量僅為了說明目的夸大表示。擴張的實際量將在后面討論。
圖12是曲線圖，表示與壓電膜104的位移相比按照最佳實施例的原理生產的發射體鼓換能器100的頻率響應(作為施加電壓RMS的函數)。提供是典型結果示范的圖11的曲線的發射體鼓換能器100在發射體鼓換能器100內部具有近真空。用在該實施例中的薄膜(壓電膜104)是厚度約28mm的聚偏二氟乙烯(PVDF)。在試驗中，當使用73.6Vpp的驅動電壓時，該具體發射體鼓換能器100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104的最大振幅也發現是約僅超過1微米的波峰對波峰。該位移對應于125.4 dB的聲壓級(下文為SPL)。
令人驚奇的是，該較大SPL產生于使用理論上假定承受1680Vpp或比所施加的大22.8倍的PVDF的一個發射體鼓換能器100。因此，在發射體鼓換能器100中使用的這些具體材料的理論極限導致驚人大的152.6的SPL。
重要的是要記住，這里表示的最佳實施例的諧振頻率是發射體鼓換能器100的各種特性的函數。這些特性尤其包括跨過發射體表面102伸展的壓電膜104的厚度、和在發射體盤108中小孔112的直徑。例如，使用一個較薄的壓電膜104對于一個給定施加電壓將導致壓電膜104的較快振動。因此，發射體鼓換能器100的諧振頻率將較高。
較高諧振頻率的優點在于，如果帶寬的百分比保持為約百分之10或增大，如由試驗結果表示的那樣，則能容易地產生希望范圍的頻率。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，則作為聲學混合的結果能容易地產生人類聽覺的整個范圍作為一種新聲波。因此，帶有其上調制的情報的、且與一種適當載波干擾信號，將導致一個能產生跨過人類聽覺整個可聽頻譜的可聽聲音的新聲音信號。
除使用較薄壓電膜104以增大諧振頻率之外，有能實現這點的其他方法。例如，在一個可選擇實施例中，本發明使用一個具有較小直徑的小孔112的單元124。較小的小孔對于一個施加的驅動電壓也導致較高諧振頻率。
圖13表示當前比本發明的最佳實施例不便利的一個可選擇實施例，但該可選擇實施例也從幾乎與最佳實施例一樣建造的一個發射體鼓換能器116產生頻率。本質差別在于，代之以在發射體鼓換能器116的內部創建真空，現在加壓內部。
引入在發射體鼓換能器116內的壓力能變化以改變諧振頻率。然而，壓電膜104的厚度是一個確定能施加多大壓力的關鍵因素。這能部分歸因于由具有相當各向異性的某些共聚物制成的那些壓電膜，而不是用在最佳實施例中諸如PVDF之類的雙向膜。各向異性壓電膜的不良副作用在于，它可能事實上防止膜在所有方向上的振動，導致將引起從其產生的信號的有害失真的非對稱性。因此，PVDF是用于壓電膜的最佳材料，不僅因為它具有遠高于共聚物的屈服強度，而且因為它有相當小的各向異性。
發射體鼓換能器116的一個缺點在于有害頻率諧振或刺點。這些頻率刺點能歸因于在發射體鼓換能器116內的反向波產生，因為代之以真空，一種彈性介質存在于發射體鼓換能器116內。然而，也確定了通過把一種材料放置在發射體鼓換能器116內以吸收反向波能消除反向波。例如，插入到發射體鼓換能器116中的一片泡沫橡膠134或其他聲吸收或衰減材料一般能消除所有頻率刺點。
使用加壓發射體鼓換能器116的試驗結果表明，在典型選擇壓力和驅動電壓下，發射體鼓換能器116在基本上線性的區域中操作。例如，確定一個使用28mm厚PVDF在發射體鼓換能器116內具有10磅每平方英寸(psi)壓力的發射體鼓換能器，能產生比具有5psi內部壓力的發射體鼓換能器116大約百分之43的諧振頻率。另外確定，當確定加倍驅動振幅也一般加倍PVDF的位移時，發現一般線性的操作區域。
也用試驗確定了，加壓發射體鼓換能器116一般能得到約百分之20的帶寬。因此，通過建造一種僅具有100KHz諧振頻率的發射體鼓換能器116導致約20KHz的帶寬，這更適于產生人類聽覺的整個范圍。通過聲學衰減發射體鼓換能器116的內部以防止引入反向波失真或低頻諧振，加壓實施例也能夠實現本發明最佳實施例的商業可用音量級的給人深刻印象的結果。
轉到本發明最佳實施例的一種更具體的實施，實際上，發射體鼓換能器100能例如包括在圖14中所示的系統中。該系統包括一個用來提供一個基波或載波221的振蕩器或數字超聲波源220。這種波221一般稱作第一超聲波或原波。一個振幅調制元件222耦合到超聲發生器220的輸出上，并且接收用來與一個聲或亞聲輸入信號223混合的基頻221。聲或亞聲信號可以以模擬或數字形式供給，并且能是來自任何常規信號源224的音樂或其他形式的聲音。如果輸入信號223包括上部和下部邊帶，則一個濾波器元件包括在調制器中以便在調制載波頻率上產生單邊帶輸出。
發射體鼓換能器表示為標號225，使它發射超聲頻率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空氣中相互作用以產生不同頻率226，作為一種新的聲波或亞聲波。
本發明能按描述的那樣起作用，因為與f1和f2相對應的壓縮波根據聲學混合的原理在空氣中相互作用。聲學混合有點象對于發生在非線性電路中的電氣混合作用的機械對應物。例如，在電路中的振幅調制是一種混合過程。混合過程本身簡單地是兩個新波的創建。新波是兩個基本波的和及差。
在聲學混合中，觀察到當至少兩個超聲壓縮波在空氣中相互作用或干涉時，出現等于基本波的和及差的新波。本發明的最佳傳輸介質是空氣，因為它是在不同條件下非線性響應的一種高度可壓縮介質。空氣的這種非線性有可能使混合過程能夠發生而不用電路。當然，如果希望，任何可壓縮流體都能起傳輸介質的作用。
如以上敘述的那樣，聲學混合作用導致與超聲波f1和f2的和及差相對應的兩個壓縮波的創建。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生于干擾區域的壓縮波226。
盡管在先有技術中不同波的成功產生顯得僅具有名義音量，但本配置產生全聲音。盡管攜帶基頻和調制單邊帶頻率的單個換能器能夠以相當的距離和印象深刻的音量級發射聲音，但多個共線性信號的結合顯著增大音量。當指向墻壁或其他反射表面時，音量是如此之大，從而它反射得就象墻壁正是聲音產生源。
本發明的一個重要特征在于，基頻和單邊帶從相同換能器表面傳播。因此，完全對準分量波。而且，相位對準是在最大外，提供在兩個不同超聲頻率之間可能的干涉最大級。借助于在這些波之間確保的最大干涉，實現至空氣分子的最大能量傳遞，這成為在參量揚聲器中的“揚聲器”輻射元件。因而，本發明者相信，這對于聲頻輸出信號可能已經產生音量的驚人增大。
在單個膜隔膜上使用發射體部分的一個陣列的圖14的實施例因為多種原因是最佳的。例如，該系統不要求雙壓電晶片器件的單獨安裝，并且因此能便宜地生產。盡管如此，單膜換能器實際產生多個對準信號。而且該系統重量輕、體積小，而最重要的是，具有最大效率。與先有技術的器件相反，本實施例總產生一個具有最大效率的新壓縮波。這是因為，當使用相同超聲換能器225發射實施兩個超聲壓縮波的新超聲波形式227時，兩個分離超聲換能器的方位從來不會匹配，或者超過得到的完全同軸關系。來自發射體鼓換能器100的單個小孔的這種同軸傳播，因此產生最大干涉圖案和最有效的壓縮波產生。
在參量揚聲器中的全音量能力的發展提供優于常規揚聲器系統的顯著優點。最重要的是從較小質量的輻射元件復制聲音的事實。在干涉區域中，并因此在新壓縮波產生位置處，沒有直接輻射元件。通過聲學混合的這種聲音產生特征能基本上消除失真影響，這些影響的大部分由常規揚聲器的輻射元件引起。例如，錐超調和錐失調能修改一個否則在揚聲器錐上具有諧波和駐波的純聲音復制信號。
當與常規揚聲器隔膜的先有技術限制相比時這種改進將是最顯著的。一個直接物理輻射元件例如具有一種不是真正平的頻率響應。而是，它是固有最好適于發射的頻率類型(低頻、中頻、或高頻)的函數。盡管揚聲器形狀、幾何尺寸、及組成直接影響固有揚聲器特性，但聲學混合波產生利用空氣的自然響應，以便避免幾何尺寸和組成問題，并且實現對于聲音產生的真正平頻率響應。借助于聲音可接收振幅級的實現，參量系統現在可以與常規揚聲器直接競爭地商業實施-一種至今通過先有技術參量或脈動混合器件沒有實現的結果。
無失真聲音意味著本發明保持相對于原始記錄聲音的相位相干性。常規揚聲器系統沒有這種能力，因為對于通過最適當揚聲器元件(低音揚聲器、中音或高音揚聲器)的傳播，頻譜由一個交叉網絡分裂。通過消除輻射元件，本發明使常規交叉網絡和相位控制過時。這能夠實現聲音的虛擬或近點源。
其他優點直接產生于超聲膜換能器的獨特本質。因為其小尺寸和小質量，這樣的換能器一般不經受多種限制和在揚聲器中使用的常規輻射元件的缺陷。而且，在極高頻率下超聲換能器的使用避免一個在低頻、中頻及高頻范圍內必須直接復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的多種良好聲學性能現在能間接轉換成聲音或亞聲音副產品。
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實施例。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。在膜上的電氣觸點使電壓的施加成為可能，如以上討論的那樣。弓形發射體部分165模壓或熱成形為一種穩定配置。在支撐板161的頂部表面中的對應空腔或開口對準以接收膜的彎曲部分。這些空腔具有足夠的深度，以允許發射體部分自由地運動，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，并且穩定膜和發射體部分以便如表明的那樣與準直傳播軸170適當對準。同相操作發生，因為膜是一種均勻地響應施加電壓以產生同相和適當對準的壓縮波172的整體式結構。
支撐板161可以由為正確操作提供穩定發射體膜162的能力的任何剛性材料建造。導電板可以用來代替觸點163，使信號電壓能夠施加到壓電膜上。表明的壓電膜包括具有跨過細長發射體部分取向的單向響應的一個共聚物膜，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，并因此提供優良的響應。借助于弓形發射體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射體部分180的可選擇方法來實施本發明的方法。這取決于通過一塊帶有以希望發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，或其他適當方法。凸緣希望由泡沫材料制成以使壓電膜響應施加的電壓振動。
本發明另外一個可選擇實施例使用帶有一個靜電隔膜形式的泡沫定子，以產生超聲參量壓縮波。圖18表示一個使超聲輸出311在向前方向312上傳播的單端揚聲器器件310。該揚聲器可以耦合到一個超聲驅動器313上，超聲驅動器313提供用來供給以上所討論的希望信號的各種電子電路支撐元件。
該器件包括一個響應施加的可變電壓發射超聲輸出的靜電發射體膜315。發射體膜包括一塊塑料板和薄金屬涂層或其他導電表面。靜電發射體膜也是眾所周知的，已經應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。一般地，塑料板是能用作在金屬層與一個定子薄膜320之間的絕緣體的Mylar(tm)、Kapton(tm)或其他非導電成分。具有部分導電性的一個表面或涂層可以用來產生均勻跨過隔膜表面的電荷分布。電阻率的一個最佳范圍是大于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。
本發明該實施例的主要特征之一涉及作為定子320的一個泡沫件的使用。定子起一個相對于輕的、可彎曲的發射膜315提供慣性的基礎件或剛性元件的作用。該定子是一個把一種極性供給到電容器組合的導電元件。把該元件的電阻率選擇成促進均勻的電荷遷移，以避免超弧和在靜電系統中固有的其他不利影響。已經表明有效性能的一種最佳成分是用作關于計算機和其他電荷敏感內容的包裝材料的常規靜電包裝泡沫(一般稱作“導電泡沫”)。這種材料操作提供從敏感元件的靜態放電。它不僅保護元件免于有害放電或暴露，而且重量非常輕且價格便宜。它典型地以實際任何形狀、密度、或尺寸形成在一種常規泡沫模壓器件中。
材料的先有技術使用一般一直限于其目的是僅保護敏感元件的被動角色(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的空間的臨時放置。通常，這種材料與容器一起扔掉，因為沒有獨立的價值。其在電子市場中的存在一直認為是理所當然的，并且由在全世界上掩埋的巨大量而證實。
附圖表明一種帶有隨機空穴或空腔的泡沫成分。適用技術的使用也允許在塑料母體內較均勻尺寸的空隙。因此，對于特定頻率用途、諧振、及相關性能可以調諧或優化定子成分。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。因而，定子聲學響應的進一步控制，除相對于均勻空隙尺寸的隨機控制之外，能通過多種物理參數的變化控制。在定子元件內剛度的重要性是眾所周知的，并且現在能部分受與泡沫成分唯一性有關的新設計因素的影響。
盡管表明的泡沫件包括一種開放單元結構，但開放和閉合單元結構的結合也是適用的。開放單元結構的優點是聲音的雙向傳播。在圖18實施例中通過在泡沫件后表面上附著無孔薄膜335，已經抑制這種雙向狀況。該薄膜也可以由一個塑料或某一其他剛性材料形成的剛性件代替。可以附著剛性件以便與希望揚聲器外形相符。
例如，常規靜電揚聲器通常是平面的，因為隔膜不與定子接觸，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，對于在泡沫表面上具有發射體膜直接接觸的本發明，一種彎曲外形是簡單地形成平面形狀。的確，彎曲表面供給與完成用來增強接觸的偏置功能的部分的膜相對的希望電阻。用泡沫模壓實際任何形式或形狀的能力允許在配置用于揚聲器表面的各種形狀時的相等縱距。例如，揚聲器可以是圖19中所示的一個彎曲表面，提供聲音傳播的改進分散；或者它能是圓周的，就象圖20中的一個圓柱和一個球(未表示)。這些實施例的每一個提供一直很難以包括在靜電揚聲器系統中的唯一分散圖案，特別是對于聲頻輸出。
本發明另外一個實施例提供推挽操作，并且表明在圖21中。它包括一個第一泡沫件359，第二泡沫件360帶有一個向前表面361的、一個中間磁心部分362及一個后表面363。第二泡沫件的向前表面(稱作第二向前表面)定位在靜電發射體膜365遠離第一泡沫件的相對側。第二向前表面由具有足夠剛度的成分構成以支撐靜電膜，并且包括對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。第二向前表面由一個包括以上所討論的小空腔的表面組成，使周圍壁結構限定每個空腔，所述周圍壁結構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施例的格式。如以上那樣，偏置裝置聯接到第二泡沫件上以便把膜偏置成與第二向前表面的接觸邊緣直接接觸，從而膜直接由第二向前表面支撐。信號源也借助于可變電壓施加到第二向前表面上。
靜電發射體膜365需要以與相應第一第二泡沫薄膜的非接觸關系包括一個導電層，以便使膜能夠以一種推挽關系用第一和第二向前表面電容性地響應可變電壓。相對于第二泡沫件可能要求一個絕緣件。
發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，靜電發射體膜由分別包括一個導電表面374和375的非導電發射體膜的至少兩塊板372和373組成。非導電發射體膜提供在導電層與相應第一和第二向前表面之間的絕緣。相應導電表面374和375粘合在一起以形成一個整體導電層。
圖23和24表示夾持在泡沫或一般支撐件330、331、340、341之間的多個發射體膜332和342的使用。每個另外的發射體膜把約3 db輸出添加到發射的超聲信號上。顯然，在該多重組合圖案中能采用多種配置。
而本發明的另一個實施例涉及使用磁力創建一個參量換能器的平面磁膜隔膜。圖25描繪本發明的一種配置。具體地說，它包括一個借助于與典型靜電隔膜的名義運動相比較大的隔膜位移具有寬廣頻率范圍能力的超聲發射體。的確，正交位移(隔膜從完全延伸至完全收縮位置的波峰對波峰運動)可以大到1-2mm。這與對于剛性換能器發射體表面的0.1至3微米運動范圍相比非常有利。
用于本發明的磁隔膜延伸運動的好處對于一個參量陣列包括超聲、以及聲輸出振幅的顯著增大。本發明的增強聲輸出通過使用由一個磁心件426產生的磁場能夠實現。該磁心可以是一個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，取決于揚聲器陣列的配置。例如，一塊平面板將產生在長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，并且也能夠實現對于發射聲音定向運動的檢測。這能通過順序觸發沿發射體元件(或導電線圈)430的一個線性序列的聲音傳輸實現，發射體元件430沿隔膜434布置。當這些元件在發散配置中向外輻射時，聽眾感覺源象帶有沿該方向運動的物理元件。
現在參照圖25的基本實施例，將注意到，一個永久、剛性磁心或板426已經用作用于可彎曲發射體隔膜434的支撐。該永久磁鐵426以類似于聲學揚聲器的永久磁鐵的方式，作為用來建立相鄰磁心件的一個第一磁場的主要裝置操作。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是一個沿其長度建立一個均勻磁場的平面體，由此提供用于要建立在隔膜434中的可變磁場的必需反作用力。
表明的可運動隔膜434沿磁心件426伸展，并且離開磁心件移動一個短分離距離，以提供隔膜相對于磁心件的預計范圍的正交位移并且在磁場的一個較強部分內。典型地，該隔膜434包括一個Mylar或其他堅固、重量輕的聚合物的薄膜。多種這樣的材料已經用在靜電揚聲器或超聲發射體工業中。
隔膜434的增大位移通過布置在可運動隔膜上的至少一個、小質量、平面、導電線圈(或發射體元件430)實現。當電流經線圈傳導時，薄導電線圈430創建一個磁場。本發明者已經發現，磁場的功率能在布置在平面膜上的音圈中實現，產生基本上隔膜434的位移遠超過先有技術靜電揚聲器系統的好處。該電流由聯接到一個電源上的第一和第二觸點438和442供給到線圈430。第一觸點438聯接到線圈430的一端上，一般在與線圈本身共用的一側。第二觸點442布置在線圈430的相對側，由此提供與第一觸點438的電氣隔離。表明的實施例表示第二觸點442穿過膜(或隔膜434)并且沿膜的相對表面延伸到用來閉合用于電流流動的電路的一個拾取點。電氣隔離相應第一和第二觸點的其他方法對熟悉本專業的技術人員是顯然的。
如圖26中所示，磁心件的另外一個可選擇實施例能包括至少一個由非磁性成分形成的剛性板446，其一個表面包括在結構上類似于對于振動隔膜在以上描述的導電線圈430的至少一個相對導電線圈450。這樣一種線圈包括用來使電流流經相對導電線圈450的第一和第二觸點454和458，由此建立需要的第二磁場。該至少一個相對導電線圈450定位在剛性板上，在與在振動或可運動隔膜434上的至少一個導電線圈430并列的一個位置中，使至少一個導電線圈430和至少一個相對導電線圈450能夠從相互作用的每個線圈產生相應磁場，以產生從隔膜發射的壓縮波。
同樣，第一觸點454定位在隔膜的一側，并且第二觸點458定位在隔膜的一個相對側上。這可以是圖26中表明的單個線圈的形式，或者作為沿圖25中所描述的隔膜相等間距的多個導電線圈。理想地是，導電線圈430和450在并列位置以多行布置，以使磁場的均勻性、以及應用的線圈量最大。
圖27描繪一種參量揚聲器的一種可選擇平面磁配置。具體地說，它包括一個用來給出剛性支撐的磁心件460，至少一個導電線圈462聯接到磁心上；和一個隔膜468，包括一個響應由導電線圈產生的磁場的導電線圈466。在這種結構中的操作原理建立在導電環當通過磁場時產生電流流動的本質上。具體地說，當一個導電環經歷磁場梯度時，電流以建立一個與由線圈產生的磁力相反的磁矩的方位流經該環。這種現象導致在線圈與導電環之間的排斥。許多物理學學生在教室表演中觀察過這種排斥力的力量，它把鋁環發射到空中二十到三十英尺。在線圈462與環466之間的相互作用能由通常稱作法拉第感應定律和楞次定律的兩個物理學原理描述。見Halliday和Resnich的Fundamentals of Physics(物理學基礎)，第二版，第34章。
本發明者已經把這些原理用來產生一種可變延伸和收縮以產生一個希望序列壓縮波的揚聲器隔膜。通過把導電環的一個陣列應用于一個諸如MylarTM或KaptonTM等之類的彈性、可彎曲膜，并且把這種膜疊加在導電線圈的一個相應陣列上，有可能經通過線圈的電流的振幅調制，把膜彈回到一種張力偏置狀態，以產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的偏置靜止位置。該偏置、靜止位置由在線圈與環之間保持排斥力最小值的一個交變電流基礎或載波信號產生。
用情報調制的可變交變電流的連續輸出能夠把表示該情報的頻率和振幅轉換成表示聲音的物理壓縮波。因而，諸如正弦波之類的常規調制載波能用來把一個希望聲頻輸出信號供給到描述的磁膜發射體，以產生一種高效的揚聲器系統。
該系統也提供一種用作具有寬頻范圍容量的超聲發射體的獨特容量，與典型靜電隔膜的名義運動相比具有較大隔膜位移。早就認識到，靜電隔膜的有限運動范圍(在用于超聲的微米范圍內)是高振幅輸出發展的主要障礙。然而，本實施例的磁排斥膜提供一個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波峰運動)。因此，本發明的隔膜位移把最好與剛性換能器發射體表面、或甚至常規靜電發射體的可彎曲隔膜的較小運動范圍不相上下。
這種增大位移是可能的，因為磁場的有效范圍比與靜電場有關的短距力延伸的距離大。因此要注意，盡管靜電發射體的有效力可能僅在幾微米的范圍內延伸，但本發明的磁隔膜具有乘以大于一百的因數的較大范圍。因此，磁力的使用能夠在顯著較大的路徑上排斥或吸引發射體隔膜。
用于本發明的較大磁隔膜的延伸運動的好處包括與雙壓電晶片換能器的一個可比較系統相比，對于參量或聲學混合陣列，聲輸出的振幅顯著增大。而且，就膜發射體而論，與剛性換能器相比，近線性響應較強。這些是能夠使參量揚聲器的場具有提高的商業利用率的顯著因素，而這種利用率至今為止一直受到一些限制。
本發明的另一個實施例表明在表示一個靜電發射體510的圖28中。具體地說，該發射體包括一個能夠攜帶一個電壓的剛性基片511、一種懸掛在基片上的薄膜介電材料512、及一個定位在介電膜512上的導電層513。一般地，介電材料12(如Mylar)在其上表面上涂有一層導電膜513。因此，基本發射體510僅對于基片和金屬涂敷Mylar膜是可操作的。
如圖29中所示，該最佳實施例也包括一個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530形成在基片的上表面處。
參照圖28和29，剛性基片511可以由已經應用在一般在先有技術中的靜電發射體中的材料形成。這些材料包括模壓塑料、木材、涂敷在上側帶有一個導電表面的硅圓片、或上側處理以包括要求空腔的簡單導電材料。這種結構的剖視圖提供在圖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空腔516連通的小導管515。該腔室514作為一個共用壓力腔室操作，提供跨過介電膜512的更均勻張力，因為共用壓力與腔室相聯并且每個連接空腔516。該腔室514也能經受負壓，以便把薄膜512機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的熟知問題。
正是該凹下杯520成為響應一個能夠使帶有邊帶的超聲載波信號傳播的可變信號輸入521的振動發射體元件，這些邊帶混合以產生一個聲頻聲音柱525。本發明提供稱作發射體元件的均勻凹下杯，該凹下杯基本上與相鄰發射體元件的作用隔離開以產生一個認真調諧的、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。這允許在相應空腔516中的更精確均勻性，以產生更精細調諧的諧振頻率。
剛描述的本發明實施例提供象參量揚聲器器件那樣的驚人結果。它提供在一個發射超聲柱內分別和間接產生聲頻輸出的空腔陣列。在從調諧發射體元件發射的這些柱的每一個內的超聲混合的發生，實際加強在離發射體510一個距離處的聲壓級(SPL)。如圖29中所示，每個發射體部分520傳播一個高度定向的聲音柱525。通過提供均勻調諧到希望諧振頻率的多個發射扇區520的一個陣列，完成均勻波前的模擬，具有比來自包括一個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優于先有技術的優點在制造中是可復制的，并因此是可預測的。先有技術需要認真檢查每個發射體基片的質量控制，以保證產生凹坑或空腔的可操作表面。這是必要的，因為機械和化學刻蝕技術依據環境的差別產生變化的結果。相反，本實施例能借助于常規模壓或加工過程實施。
一種超聲靜電換能器的另一個實施例表示在圖30中。一個半球形靜電換能器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。兩個圓柱形波紋定子556創建一種半球形形狀，并且一個非平面隔膜560布置在兩個相對定子之間。此外，一種支撐結構553沿半球的內側或沿半球的縱向軸延伸。應該認識到，定子帶有孔或小孔，從而他們是聲學透明的，并且允許超聲波通過。隔膜由一個偏置電壓550偏置，并且施加聲頻信號554以產生一個超聲壓縮波。一個緩沖或絕緣層558包含在定子內，從而隔膜不直接接觸定子上的導電層，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聲器的立體圖。因為該實施例的半球本質，經定子556發出的聲音以多軸在180度內發射。該實施例的一個完整球實施例表示在圖32中。該圖表示是圖31中所示兩個半球的組合的球形實施例580的部分分解圖。該球形布置允許超聲聲波590在所有可能方向上產生。一個電氣組件584(剖開表示)能是用于兩個半球的基座。電氣組件也能把尺寸定得小得足以包含在半球內，并且能使用一個小得多的基座584。當然，能實施諸如圓形之類的其他基座形狀。通過輸入588把一個偏壓施加到包含在半球隔膜上，并且然后經586施加聲頻信號。
顯然，根據本發明的上述實施例，多種變更和組合可以由熟悉本專業的技術人員產生。因而，要理解，本發明用如下權利要求書定義，并且不受以上描述的特定例子限制。
權利要求
1.一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出的方法，所述方法包括步驟a)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到直接與空氣耦合作為單級能量轉換過程的部分的一個電聲膜換能器隔膜；c)把在隔膜處的電子信號直接轉換成機械位移，作為一個參量揚聲器的一個驅動件；及d)把至少兩個超聲信號從隔膜機械發射到空氣中，作為在空氣中相互作用以產生參量聲頻輸出的超聲壓縮波。
2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個靜電膜換能器的更具體步驟。
3.根據權利要求1所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個作為電聲換能器隔膜的壓電膜隔膜的更具體步驟。
4.根據權利要求1所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個作為電聲換能器隔膜的電熱機械膜隔膜的更具體步驟。
5.根據權利要求1所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個作為電聲換能器隔膜的平面磁膜隔膜的更具體步驟。
6.根據權利要求2所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一塊具有表面配置的靜電后板的更具體步驟，該表面配置包括相對于隔膜可作為一個定子件操作的圓形V形槽。
7.根據權利要求3所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個具有整流正弦形式的配置的壓電隔膜的更具體步驟。
8.根據權利要求7所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個壓電膜隔膜的更具體步驟，該壓電膜隔膜由一塊具有整流正弦形式的配置的后板支撐著。
9.根據權利要求3所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個具有正弦形式配置的壓電膜隔膜的更具體步驟。
10.根據權利要求9所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個壓電膜隔膜的更具體步驟，該壓電膜隔膜由一塊具有正弦形式的配置的后板支撐著。
11.根據權利要求1所述的方法，進一步包括步驟選擇一個尺寸大于在其最低頻率波長值處的超聲頻率的波長的換能器隔膜。
12.根據權利要求1所述的方法，進一步包括步驟選擇一個尺寸大于在其最低值處的超聲頻率的十倍波長的換能器隔膜。
13.根據權利要求3所述的方法，進一步包括步驟選擇一個具有一種中凸彎曲的換能器隔膜，該中凸彎曲對于參量輸出的發射產生一種擴散輻射圖案。
14.根據權利要求3所述的方法，進一步包括步驟選擇一個具有一種中凹彎曲的換能器隔膜，該中凹彎曲對于參量輸出的發射產生一種聚焦輻射圖案。
15.根據權利要求3所述的方法，進一步包括步驟選擇一個具有一種雙極傳播模式的換能器隔膜，該雙極傳播模式對于參量輸出的發射產生一種擴散輻射圖案。
16.根據權利要求3所述的方法，進一步包括步驟把換能器隔膜與一塊支撐后板隔開一個選擇頻率的四分之一波的距離。
17.根據權利要求1(6)所述的方法，進一步包括用來電子驅動膜波峰與膜波谷異相的補償裝置。
18.根據權利要求3所述的方法，進一步包括提供一個起波紋換能器隔膜的步驟，該隔膜以緊密間隔包括具有排列成陣列的緊密間隔的中凹波紋的一個整體膜片，這些波紋對于跨過隔膜表面的參量輸出的發射產生基本均勻和同源的輻射圖案。
19.一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出的揚聲器器件，所述器件包括a)一個參量信號產生系統，包括一個超聲信號源、一個聲頻信號源、及一個聯接到超聲和聲頻信號源上用來把超聲和聲頻信號混合以便產生一個生成的電子信號的調制器件，該生成電子信號包括值的差落在一個聲頻頻率范圍內的至少兩個超聲信號；b)一個電聲膜換能器隔膜，聯接到參量信號產生系統上，后者也直接與空氣耦合，作為一個單級能量轉換過程的部分；及c)用來定位和穩定隔膜的支撐結構，實現作為一個參量揚聲器的驅動件的隔膜的機械位移。
20.根據權利要求19所述的方法，其中換能器包括一個靜電換能器。
21.根據權利要求19所述的方法，其中換能器包括一個作為電聲換能器隔膜的電熱機械膜隔膜。
22.根據權利要求19所述的方法，其中換能器包括一個作為電聲換能器隔膜的熱形成機電膜隔膜。
23.根據權利要求19所述的方法，其中換能器包括一個作為電聲換能器隔膜的磁膜隔膜。
24.一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個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)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到一個帶有形成在膜內的弓形發射體部分的一個陣列的發射體膜換能器隔膜；c)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；及d)把至少兩個超聲信號從隔膜發射到空氣中，作為在空氣中相互作用以產生參量聲頻輸出的超聲壓縮波。
25.根據權利要求24所述的方法，其中步驟c)包括一個以一種受控方式移動發射體部分的更具體步驟，以便使在相應弓形發射體部分處周圍空氣的飽和最小，作為對于參量揚聲器的失真減小部分。
26.根據權利要求24所述的方法，其中步驟d)包括從準直配置中的發射體部分發射超聲頻率的更具體步驟。
27.根據權利要求24所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個壓電膜隔膜的更具體步驟。
28.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個帶有圓形、弓形發射體部分的陣列的壓電膜隔膜的更具體步驟。
29.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個帶有細長、弓形發射體部分的陣列的壓電膜隔膜的更具體步驟。
30.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個帶有以基本平行關系定位的細長、通道形凹槽的陣列的壓電膜隔膜的更具體步驟。
31.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個具有整流正弦形式配置的壓電膜隔膜的更具體步驟。
32.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個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。
33.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號傳送到一個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射體部分外具有一種基本的平面配置。
34.根據權利要求24所述的方法，進一步包括選擇一個換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有比在其最低值處的超聲頻率的波長大的尺寸。
35.根據權利要求24所述的方法，進一步包括選擇一個換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有比在其最低值處的超聲頻率的波長大十倍的尺寸。
36.根據權利要求24所述的方法，進一步包括選擇一個換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有一種對于參量輸出的發射產生一種擴散輻射圖案的整體中凸彎曲。
37.根據權利要求24所述的方法，進一步包括選擇一個換能器隔膜的步驟，該換能器隔膜具有一種對于參量輸出的發射產生一種聚焦輻射圖案的整體中凹彎曲。
38.根據權利要求37所述的方法，進一步包括步驟使根據頻率值從空氣內的超聲能量吸收產生的超聲發射的衰減速率、與隔膜的中凹彎曲的半徑相關，所述半徑選擇成通過把超聲發射聚焦成一個會聚超聲束來至少補償超聲能量損失。
39.根據權利要求24所述的方法，進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的距離的步驟。
40.根據權利要求39所述的方法，其中選擇頻率是載波頻率。
41.根據權利要求27所述的方法，進一步包括提供一個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整體膜片，該陣列對于跨過隔膜表面的參量輸出的發射產生一個基本均勻和同源的輻射圖案。
42.根據權利要求27所述的方法，其中步驟b)包括把電子信號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射體部分對準的開口的配置，并且具有足夠的深度以允許隔膜弓形發射體部分的自由振動。
43.一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個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)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號具有落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)同時把電子信號傳送到一個形成在一個常用電聲膜換能器隔膜內的弓形發射體部分的一個陣列；c)以受控方式移動發射體部分以便使在相應弓形發射體部分處周圍空氣的飽和最小，作為對于參量揚聲器失真減小的部分；d)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；e)把至少兩個超聲信號從隔膜發射到空氣中，作為超聲壓縮波；及c)相互作用在空氣中的超聲壓縮波以產生參量聲頻輸出。
44.根據權利要求43所述的方法，其中步驟c)包括根據在聲壓級、超聲頻率及發射體部分的尺寸之間的一種加權關系用一個最大電子信號極限限制電子信號的更具體步驟，該最大電子信號極限通過使在相應弓形發射體部分處周圍空氣的飽和最小防止聲頻輸出的連續失真。
45.根據權利要求44所述的方法，其中步驟c)包括把對于所有發射體部分的聲壓級限制到小于140db的更具體步驟。
46.一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出的揚聲器器件，所述器件包括a)一個參量信號產生系統，包括一個超聲信號源、一個聲頻信號源、及一個聯接到超聲和聲頻信號源上用來把超聲和聲頻信號混合以便產生一個生成的電子信號的調制器件，該生成的電子信號包括值的差落在一個聲頻頻率范圍內的至少兩個超聲信號；b)一個電聲膜換能器隔膜，帶有聯接到參量信號產生系統上的弓形發射體部分的一個陣列；及c)支撐結構，聯接到隔膜上并且帶有與弓形發射體部分的陣列對準的空腔，用來定位和穩定弓形發射體部分，以便實現弓形發射體部分與一個參量揚聲器的一個驅動件同相的機械位移。
47.根據權利要求46所述的器件，其中對準和支撐弓形發射體部分的陣列，以便傳播用于參量輸出的增強產生的超聲發射的準直波束。
48.根據權利要求46所述的器件，其中換能器包括一個作為電聲換能器隔膜的壓電膜隔膜。
49.根據權利要求46所述的器件，其中弓形發射體部分具有一種圓形配置。
50.根據權利要求49所述的器件，其中壓電膜隔膜包括貫穿弓形發射體部分產生均勻電-機響應的各向同性性質。
51.根據權利要求46所述的器件，其中弓形發射體部分具有一種帶有一根細長軸的細長配置。
52.根據權利要求51所述的器件，其中壓電膜隔膜包括垂直于弓形發射體部分的細長軸產生較大電-機響應的各向異性性質。
53.根據權利要求51所述的器件，進一個包括一個聯接到發射體部分上的艙室，其中該艙室保持在與環境壓力不同且具有足夠強度把隔膜移動成與一個發射體部分一樣彎曲的希望壓力下。
54.根據權利要求53所述的器件，其中希望壓力包括與環境壓力不相上下的負壓力級，由此把隔膜拉到對準空腔中。
55.根據權利要求53所述的器件，進一步包括聯接到艙室上用于具有希望壓力的艙室的永久密封的裝置。
56.一種用來根據在作為非線性介質的空氣中的多個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)產生一個包括至少兩個超聲信號的電子信號，這兩個超聲信號包括一個超聲載波信號和至少一個另外的超聲信號，具有一個相對于載波信號落在一個聲頻頻率范圍內的值的差；b)把電子信號傳送到一個形成在一個常用電聲膜換能器隔膜內的弓形發射體部分的一個陣列，該隔膜帶有一根傳播主軸；c)以一般的中凹形式配置發射體部分的陣列，以便以相對于傳播主軸的一個預定會聚角度從陣列的至少一個外周邊提供發射超聲波束的會聚；d)與一個參量揚聲器的一個驅動件同相地電-機移動弓形發射體部分的陣列；e)把至少兩個超聲信號從隔膜發射到空氣中，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生參量聲頻輸出。
57.根據權利要求56所述的方法，其中配置陣列的步驟包括根據對通過空氣中吸收的超聲能量的能量損失補償的需要選擇會聚角度。
58.根據權利要求56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聚的角度。
59.根據權利要求58所述的方法，其中配置步驟包括根據選擇與空間選擇區域處的計算能量損失近似匹配的會聚角度計算超聲能量損失的另外步驟。
60.根據權利要求58所述的方法，包括在相對于傳播主軸0.1至5度的范圍內選擇一個會聚角度的更具體步驟。
61.根據權利要求58所述的方法，包括選擇相對于傳播主軸3度的一個會聚角度的更具體步驟。
62.一種用來把參量或超聲壓縮波發射到周圍空氣中以便產生聲頻或亞聲輸出的換能器揚聲器元器件，所述器件包括一個一般空心的鼓，帶有一個側壁及第一和第二相對端；一塊剛性發射體板，固定到鼓的第一端上，所述板具有一個遠離鼓定向的外表面和一個向鼓的內部空腔布置的內表面，所述發射板帶有在外和內表面之間延伸的多個小孔；一個薄壓電膜，跨過發射體板的小孔布置；電氣接觸裝置，聯接到壓電膜上用來提供施加的電氣輸入；壓力裝置，聯接到鼓上，用來產生在小孔處相對于薄膜的偏置壓力，以便把膜擴張成一種響應在壓電膜處施加的電氣輸入的變化能夠收縮和伸展的弓形發射體配置，由此在周圍環境中產生一種壓縮波。
63.根據權利要求62所述的器件，其中小孔包括穿過發射體板延伸的圓開口，所述壓力裝置是可操作的，以便在弓形發射體配置中的小孔內擴張薄膜。
64.根據權利要求63所述的器件，其中壓力裝置包括在內部空腔中的真空裝置，用來在薄膜處產生負壓力，以便把膜向鼓的內部空腔拉到弓形發射體配置中。
65.根據權利要求64所述的器件，其中保持裝置包括一塊使小孔與發射體板的小孔一樣對準的掩蓋板，所述膜夾持在發射體板與掩蓋板之間。
66.根據權利要求62所述的器件，其中壓力裝置包括用來在薄膜處產生正壓力的裝置，以便把膜推到弓形發射體配置中遠離發射體板。
67.根據權利要求63所述的器件，其中所述器件進一步包括一塊聯接到鼓的第二端上的底板、和用來密封鼓的內部空腔使在鼓內部與周圍環境之間能夠產生壓差的密封裝置。
68.根據權利要求62所述的器件，其中電氣接觸裝置包括一個定位在薄膜上且與其周邊電氣接觸的導電圓周環，所述環聯接到一個用于施加的電氣輸入的源上。
69.根據權利要求63所述的器件，其中薄膜由聚偏二氟乙烯組成。
70.根據權利要求62所述的器件，其中發射體板包括一個盤，該盤帶有繞盤的中心區緊密和均勻隔開的至少十個小孔。
71.根據權利要求68所述的器件，其中小孔為了最大密度以蜂窩圖案排列。
72.根據權利要求66所述的器件，進一步包括定位在鼓的內部空腔內的聲吸收材料，以便減小在鼓內接收的反向波的不利影響。
73.根據權利要求62所述的器件，進一步包括把換能器膜與一塊支撐后板隔開選擇頻率的四分之一波的距離。
74.根據權利要求73所述的器件，其中選擇頻率是載波頻率。
75.根據權利要求62所述的器件，進一步包括一個超聲頻率發生裝置，用來把一個超聲信號供給到壓電膜；一個聲頻發生裝置，用來供給一個調制到超聲信號上的聲音信號；調制裝置，聯接到超聲頻率發生裝置和聲頻發生裝置上，以產生一個帶有調制聲波的超聲載波信號；傳送裝置，聯接到調制裝置上，用來把載波和調制聲波供給到壓電膜，以便激勵在發射體板處的對應壓縮波的產生。
76.根據權利要求71所述的器件，其中調制器包括一個振幅調制器件。
77.一種用來從至少兩個不同值的超聲頻率間接產生至少一個新的聲頻率和亞聲頻率的系統，所述系統包括一個一般空心的鼓，帶有一個第一端、一個第二端及一個中間側壁；一塊發射體板，聯接到鼓的第一端上，并且帶有一個外表面和一個內表面，所述板包括從內表面至外表面延伸的多個小孔；一個后蓋，聯接到鼓的第二端上，并且布置成密封空心鼓的第二端；一個電氣響應薄膜，布置在多個小孔上方的發射體板上；壓力裝置，應用于發射體板和薄膜，用來把在小孔處的薄膜擴張到一種弓形發射體配置中，能夠響應施加的電氣輸入在超聲頻率范圍內產生壓縮波；及電氣輸入裝置，聯接到薄膜上，用來產生在多個小孔處且與弓形發射體配置有關的振動響應，其中振動作為一個超聲頻率發射體操作，以便同時傳播(i)一個第一超聲頻率和(ii)一個在一種可壓縮傳送介質內與第一超聲頻率相互作用的第二超聲頻率，以便傳播在一個聲帶寬度內的差頻率。
78.根據權利要求77所述的器件，其中電氣輸入裝置包括一個聯接到薄膜上的調制裝置，由此供給用來產生第一和第二超聲頻率的電氣信號，作為一個輸入超聲頻率和一個聲頻率的調制輸出，所述第一和第二超聲頻率具有等于至少一個新的聲頻率或亞聲頻率的值的差。
79.一種用來從進入空氣中的超聲發射產生聲頻輸出的發射體，所述發射體包括一個可彎曲壓電薄膜，該薄膜帶有跨過薄膜一個表面布置的且配置成響應與超聲頻率對應的電氣信號的多個弓形發射體配置，以便產生進入空氣中的超聲壓縮波。
80.根據權利要求79所述的發射體，進一步包括一塊聯接到薄膜上的支撐板，用來借助于弓形發射體配置支撐薄膜，以便發射進入空氣中的超聲壓縮波。
81.根據權利要求79所述的發射體，其中支撐板包括與弓形發射體配置對準的小孔，這些小孔允許弓形配置擴張或收縮，以便響應一個施加電壓修改薄膜在小孔上的彎曲。
82.根據權利要求80所述的發射體，其中支撐板和薄膜配置成產生超聲壓縮波的均勻波前。
83.根據權利要求82所述的發射體，其中薄膜的弓形配置對準，以便從薄膜沿平行軸發射壓縮波。
84.根據權利要求81所述的發射體，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射體配置對準。
85.根據權利要求79所述的發射體，其中壓電膜包括用于接收施加給膜的所有發射體配置的單個信號的電觸點，從而使超聲發射中的諧波和相位失真最小。
86.根據權利要求79所述的發射體，其中膜的發射體配置在尺寸，曲率和成份上是均勻的。
87.根據權利要求79所述的發射體，其中發射體配置以蜂窩構造跨過膜表面布置。
88.根據權利要求80所述的發射體，其中小孔允許膜的運動。
89.根據權利要求79所述的發射體，其中壓電膜由聚偏二氟乙烯制成，具有各向同性性質。
90.根據權利要求79所述的發射體，其中壓電膜由具有各個異性性質的成份制成。
91.一種參量揚聲器，包括一塊支撐板和一個薄壓電膜，薄壓電膜帶有用來將超聲壓縮波發射進入一個非線性空氣介質中的超聲發射體陣列。
92.根據權利要求91所述的參量揚聲器，其中超聲發射體陣列包括跨過壓電膜布置的弓形發射體單元的一個陣列。
93.根據權利要求92所述的參量揚聲器，其中壓電膜由聚偏二氟乙烯組成。
94.一種參量揚聲器器件，包括一個靜電發射體膜，響應施加的可變電壓發射包括一個希望聲信號的超聲信號，該希望聲信號調制到超聲信號上；一個第一泡沫件，帶有一個向前表面、一個中間磁心部分和一個后表面；至少所述向前表面由一種具有足夠剛度來支撐靜電膜的成分組成，并且包括能夠向向前表面施加可變電壓以供給希望聲信號的導電性質；所述向前表面由一個包括具有限定每個空腔的周圍壁結構的小空腔的表面組成，所述周圍壁結構在接觸邊緣處終止，近似與泡沫件的向前表面重合；膜涂敷裝置，用來把靜電膜涂敷到泡沫件的向前表面上；偏置裝置，用來偏置與向前表面的接觸邊緣直接接觸的膜，從而膜直接由向前表面支撐；一個信號源，用來把帶有聲信號的超聲信號施加到發射體膜上；及聯接裝置，用來把信號源聯接到揚聲器器件上，以便供給包括聲信號的可變電壓。
95.根據權利要求94所述的器件，進一步包括一個第二泡沫件，帶有一個向前表面、一個中間磁心部分和一個后表面，第二泡沫件的所述向前表面(稱作二向前表面)定位在靜電發射體膜遠離第一泡沫件的相對側；所述第二向前表面由一種具有足夠剛度來支撐靜電膜的成分組成，并且包括能夠向第二向前表面施加可變電壓以供給希望聲信號的導電性質；所述第二向前表面由一個包括具有限定每個空腔的周圍壁結構的小空腔的表面組成，所述周圍壁結構在接觸邊緣處終止，近似與泡沫件的向前表面重合；膜涂敷裝置，用來把靜電膜涂敷到第二泡沫件的向前表面上；所述偏置裝置聯接到第二泡沫件上，用來偏置與第二向前表面的接觸邊緣直接接觸的膜，從而膜直接由第二向前表面支撐；所述聯接裝置包括借助于包括聲信號的可變電壓用來把信號源聯接到第二向前表面上的裝置；所述靜電發射體膜以與相應第一和第二泡沫件的非接觸關系包括一個導電層，使膜用第一和第二向前表面以推挽關系電容性地響應可變電壓。
96.根據權利要求94所述的器件，進一步包括一個第二泡沫件，帶有一個向前表面、一個中間磁心部分和一個后表面，第二泡沫件的所述向前表面(稱作第二向前表面)定位在靜電發射體膜遠離第一泡沫件的相對側；所述第二泡沫件由一種具有足夠剛度來支撐靜電膜的成分組成，并且包括能夠施加可變電壓以供給希望聲信號的導電性質；所述第二向前表面由一個包括具有限定每個空腔的周圍壁結構的小空腔的表面組成，所述周圍壁結構在接觸邊緣處終止，近似與泡沫件的向前表面重合；膜涂敷裝置，用來把靜電膜涂敷到第二泡沫件的向前表面上；所述偏置裝置聯接到第二泡沫件上，用來偏置與第二向前表面的接觸邊緣直接接觸的膜，從而膜直接由第二向前表面支撐；所述聯接裝置包括借助于包括聲信號的可變電壓用來把信號源聯接到第二泡沫件上的裝置。
97.根據權利要求96所述的器件，其中靜電發射體膜包括一個以與相應第一和第二泡沫件的接觸關系偏置的導電層，以便使膜用第一和第二向前表面以推挽關系電容性地響應可變電壓。
98.一種用來根據多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出以在作為非線性介質的空氣中產生聲或亞聲信號的揚聲器器件，所述器件包括一個磁心件，帶有用來建立一個與磁心件相鄰的第一磁場的裝置；一個可運動隔膜，沿磁心件伸展，并且從磁心件移動一個短分離距離，以提供一個隔膜相對于磁心件的正交位移的預計范圍并且在第一磁場的一個較強部分內；至少一個、小質量、平面的、導電電線圈，布置在可運動隔膜上，并且包括用來使電流流經線圈的相對端的第一和第二觸點；用來把可變電流流動施加到至少一個線圈上以便產生一個第二磁場的裝置，該第二磁場可變地與第一磁場相互作用，以便為了可以調節成包括一個超聲頻率范圍的一系列壓縮波的產生以希望頻率吸引和排斥隔膜。
99.根據權利要求98所述的器件，其中永久磁鐵包括一塊尺寸稍大于發射體器件的活動發射表面的尺寸的磁性材料剛性板。
100.根據權利要求98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，該板的一個表面包括至少一個相對導電線圈，該線圈帶有能夠使電流流經相對導電線圈的第一和第二觸點。
101.根據權利要求100所述的器件，至少一個相對導電線圈定位在剛性板上，在與可運動隔膜上的至少一個導電線圈并列的位置中，使至少一個導電線圈和至少一個相對導電線圈能夠從相互作用的每個線圈產生相應磁場，以產生壓縮波。
102.根據權利要求98所述的器件，其中隔膜包括一個薄膜，所述至少一個線圈布置在膜的一側。
103.根據權利要求102所述的器件，其中膜由一種跨過其表面具有各向同性性質的聚合物組成，以提供對施加張力的均勻響應。
104.根據權利要求98所述的器件，其中至少一個導電線圈包括多個音圈，每個音圈包括與隔膜接觸的一個支撐周邊，并且提供用來把在每個線圈處的隔膜的位移與相鄰線圈基本隔離的裝置。
105.根據權利要求104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開口位移空腔的柵格配置，每個空腔與導電線圈之一對準。
106.根據權利要求105所述的器件，其中用來提供第一磁場的裝置包括一個至磁心處的至少一個線圈的可變電流流動，這種流動與施加產生第二磁場的可變電流具有相位顛倒關系，由此增大隔膜的吸引和排斥，以便產生可以調節成包括超聲頻率范圍的一系列壓縮波。
107.一種用來根據多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出以在作為非線性介質的空氣中產生聲或亞聲信號、而與典型靜電隔膜運動的較小運動相比具有用于相當大的隔膜位移的能力的方法，所述方法包括步驟(a)提供與一個支撐磁心件相鄰的一個第一磁場；(b)把至少一個導電線圈施加到沿磁心件延伸并且離磁心件一個短分離距離的可運動隔膜上，以提供隔膜相對于磁心件的預計范圍的正交位移并且在第一磁場的一個較強部分內；及(c)把可變電流供給到用來產生一個第二磁場的至少一個線圈上，該第二磁場與第一磁場相互作用，以便為了產生可以調節成包括在超聲頻率范圍內的一系列壓縮波以希望頻率吸引和排斥隔膜。
108.一種用來根據多個超聲頻率的交互作用產生參量聲頻輸出以在作為非線性介質的空氣中產生聲或亞聲信號、而與典型靜電隔膜運動相比具有相當大的隔膜位移的寬頻范圍能力的超聲發射體器件，所述器件包括一個磁心件，帶有用來建立與磁心件相鄰的一個可變磁場的裝置；一個可運動隔膜，以張力沿磁心件布置，并且離磁心件一個短分離距離，以提供隔膜相對于磁心件的一個預計范圍的正交位移并且在可變磁場的一個較強部分內；及至少一個導電環，布置在可運動隔膜上，用來使電流流動在產生一個反向、相反磁力的方位中，該磁力由磁心件的可變磁場在希望頻率下排斥，以便產生可以調節成包括超聲頻率范圍的一系列壓縮波。
109.根據權利要求108所述的器件，其中磁心件由一個電磁鐵組成。
110.根據權利要求109所述的器件，其中剛性板包括一塊平板，使均勻可變磁場沿著與可運動隔膜最緊相鄰的板的一個表面。
111.根據權利要求103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，板的一個表面包括帶有第一和第二端觸點的至少一個相對導電線圈，以便使電流流經導電線圈。
112.根據權利要求111所述的器件，其中至少一個導電線圈定位在剛性板上，在與可運動隔膜上的至少一個導電環并列的位置中，能夠使至少一個導電線圈和至少一個相對導電環引起相對磁場相互作用，以產生壓縮波。
113.根據權利要求108所述的器件，其中隔膜包括一個薄膜，所述至少一個線圈布置在膜的一側。
114.根據權利要求111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的聚合物組成，以提供對施加張力的均勻響應。
115.一種用來通過超聲發射的聲音混合把電氣信號轉換成聲頻輸出的超聲發射體器件，所述器件包括一個剛性磁心件，帶有一個包括預定尺寸的空腔的一個陣列的上表面，并且包括用于至少一個諧振頻率的提高的裝置，該諧振頻率可作為在一個超聲頻率范圍內的載波頻率操作；用來在磁心件的上表面處產生一個靜電場的裝置；一個彈性、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射扇區的一個預計范圍或正效位移，并且在靜電場的一個較強部分內；一種導電介質，涂敷到隔膜的一個表面上，并且與磁心件電氣隔離；及調制裝置，聯接到導電介質上，用來使一個可變靜電場施加到隔膜上，該隔膜與磁心件的靜電場相互作用，以產生在希望超聲頻率范圍內從隔膜的發射扇區發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中解調的超聲壓縮波系列以產生聲頻輸出。
116.根據權利要求115所述的器件，其中磁心件包括具有均勻中凹配置的一個空腔陣列，這些配置一般調諧到一個共用諧振頻率。
全文摘要
一種參量揚聲器,直接產生多個高頻,以便通過使用在直徑或橫截面方面一般大于載波頻率的波長的基本上整體的膜換能器間接創建較低頻率。這些膜換能器(33)包括靜電、駐極體、PVDF、電熱機械膜、及平面磁配置。金屬、泡沫、塑料或木材支撐結構或定子(31)可以用來支撐膜換能器。一種可選擇配置可以包括一個沿磁心件伸展且在一個磁場的一個較強部分內移動一個短距離的可運動隔膜。至少一個、小質量、平面、導電線圈布置在可運動隔膜上,并且包括兩個觸點,以使經線圈的電流流動產生一個以希望頻率吸引和排斥隔膜的第一磁場,以便產生可以調節成包括一個超聲頻率范圍的一個壓縮波序列。
文檔編號H04R19/00GK1331901SQ99812680
公開日2002年1月16日 申請日期1999年8月26日 優先權日1998年9月24日
發明者艾倫·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 申請人:美國技術公司