CN101558659B - 直接数字扬声器中的音量和音调控制 - Google Patents

Abstract

一种包括被配置为耦合到直接数字扬声器的直接数字扬声器音量控制设备的系统。直接数字扬声器包括许多压强产生元件，而不使用数模转换器，压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级(SPL)和给定频率产生声音。直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应。直接数字扬声器音量控制设备包括一模块和选择器，所述模块用于提供几个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下呈现出没有衰减，而在其截止频率以上呈现出衰减的响应；选择器用于根据依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的一个滤波器，以及将该滤波器应用到输入信号用于产生馈送给扬声器的被滤波的信号。

Description

直接数字扬声器中的音量和音调控制

对共同未决申请的参考 

要求以下申请案的优先权：2006年5月22日提交的，题目为“Anapparatus for generating pressure”的第60/802,126号美国临时申请、2006年12月4日提交的，题目为“Volume Control”的第60/872,488号美国临时申请、2007年4月2日提交的，题目为“Apparatus for generating pressureand methods of manufacture thereof”的第60/907,450号美国临时申请以及2007年5月3日提交的，题目为“Apparatus and Methods for GeneratingPressure Waves”的第60/924,203号美国临时申请。 

发明领域

本发明一般涉及用于扬声器的音量控制，且更具体地涉及用于直接数字扬声器的音量控制。 

发明背景 

认为包括微致动器阵列的致动器的技术发展水平由下列各项代表，除非另有说明，所有都是美国专利文件： 

2002/0106093：摘要、图1-42以及第0009、0023和0028段显示了电磁辐射、致动器和换能器(transducer)以及静电设备。 

6,373,955：摘要和第4栏第34行-第5栏第55行显示了换能器的阵列。 

JP 2001016675：摘要显示了声输出换能器的阵列。 

6,963,654：摘要、图1-3、7-9和第7栏第41行-第8栏第54行显示了基于电磁力的换能器操作。 

6,125,189：摘要、图1-4和第4栏第1行-第5栏第46行显示了包括静电驱动的电声转换单元。 

WO 8400460：摘要显示了具有磁体阵列的电磁-声换能器。 

4,337,379：摘要、第3栏第28-40行以及图4、9显示了电磁力。 

4,515,997：摘要以及第4栏第16-20行显示了音量级(volume level)。 

6,795,561：第7栏第18-20行显示了微致动器的阵列。 

5,517,570：摘要显示将声现象映射为离散的、可编址的声素(soundpixel)。 

JP 57185790：摘要显示消除了对D/A转换器的需要。 

JP 51120710：摘要显示了不需要任何D-A转换器的数字扬声器系统。 

JP 09266599：摘要显示直接将数字信号应用到扬声器。 

6,959,096：摘要和第4栏第50-63行显示了设置在阵列内的多个换能器。 

在下面的公开中描述了制造高分子磁体的方法： 

Lagorce，L.K.和M.G.Allen的“Magnetic and Mechanical Properties ofMicro-machined Strontium Ferrite/Polyimide Composites”，1997年12月份IEEE微机电系统期刊6(4)；以及 

Lagorce，L.K.、Brand，O.和M.G.Allen的“Magnetic micro actuatorsbased on polymer magnets”，1999年三月份IEEE微机电系统期刊8(1)。 

授予Nakaya的美国专利4,337,379描述了包括图4A中的类似线圈的结构的平面电动力学的电声换能器。 

授予Sotme等人的美国专利6,963,654描述了一种隔板、扁平型的声换能器以及扁平型的隔板。Sotme的系统包括图7中的类似线圈的结构。 

半导体数字扬声器阵列是已知的，例如在下列文件中描述的：美国专利文件20010048123，授予David Thomas、被转让给Texas Instruments并于2002年6月11日发布的美国专利6,403,995，授予Sony的美国专利 4,194,095,授予Walter Stinger以及Diamond Brett M.等人的美国专利4,515,997，“Digital sound reconstruction using array of CMOS-MEMSmicro-speakers”，Transducers′03，关于固态传感器、致动器和微系统的第12届国际会议，波士顿，2003年6月8日-6月12日；以及例如BBE的DS48 Digital Loudspeaker Management System(DS48数字扬声器管理系统)。 

众所周知，要求常规的模拟扬声器显示出平坦的频率响应。本领域中已知的且在下文中使用的术语“频率响应”是任何系统的传递函数的度量，把系统的输出信号与具有不变的振幅但是变化的频率的输入信号相比较。频率响应一般由以分贝为单位度量的系统的传递函数与以Hz为单位度量的频率比值的大小来描述特征。 

在扬声器的情况下，该响应一般由在无限障板中的振动活塞的技术领域内已知的方程决定： 

$\left(1\right)P=\frac{\sqrt{2}\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·S\·f^2\·\left(\frac{A}{2}\right)}{R}$

其中： 

P代表由振动活塞产生的RMS压强[N/m²]； 

A代表峰-峰振动幅度[m]； 

S代表振动活塞的表面面积[m²]； 

ρ代表介质(即气体)的密度[Kg/m³]，活塞在所述介质中振动； 

R代表从活塞的表面(face)到测量点的距离[m]； 

f代表振动频率[Hz]； 

因此，举例来说，将频率f增加两倍导致压强P相应的增加4倍(假设所有其它参数保持不变)。 

(2)SPL＝20·Log₁₀P/P₀

其中 

P₀代表不变的参考压强。一般选择为人可听见的最小的RMS压强或20·10^-6N/m²

P代表活塞RMS压强(见(1)) 

SPL代表声压级。SPL越高，被听众感受到的扬声器的声音越大。 

如容易由方程(1)产生的，假定除了频率f以外的所有参数保持不变，并进一步假定频率f加倍(即增加一倍频程(octave))，这将导致将压强P乘以4，并且后者将导致(见方程(2))SPL增加12分贝，引起12分贝/倍频程的频率响应。这不是期望的效果，因为从听众的角度来看，扬声器应该在其整个指定的频率范围内，显示平坦的响应。因此，例如，增加一倍频程(即加倍频率)不应影响所产生的SPL，除非听众有意调节，否则所述所产生的SPL应该保持基本不变。 

尽管有特定的12分贝/倍频程的频率响应，但是模拟扬声器也显示平坦的响应，这是因为模拟扬声器具有固有的性质，依照该固有的性质，频率f的增加使得峰-峰振幅A降低。因此，回到方程(1)，当频率f被加倍时，振幅A实质上降低为原来的四分之一，由此保持产生的压强P基本不变，而且，如容易由方程(2)产生的，SPL也保持基本不变，引起期望的平坦响应。 

显然地，当听众希望增加声级时，他可以在整个频率范围内增加峰-峰振幅A。 

说明书中提到的所有出版物和专利文件以及在此直接或间接引用的出版物和专利文件的公开内容，特此通过引用而被并入。 

发明内容

在此使用术语“直接数字扬声器(direct digital speaker)”或DDS来包括接受数字信号并将该数字信号转变成声波而不使用单独的数模转换器(DAC)的扬声器。这样的扬声器可在某些时候包括模数转换器(ADC)以便允许这些扬声器改为转变模拟信号或除了转变数字信号还转变模拟信号。这样的扬声器可包括DDS(直接数字扬声器)，DDL(直接数字扩 音器)，DSR(数字声音重构)扬声器，数字相同扩音器阵列(digital uniformlouderspeaker array)，矩阵扬声器以及MEMS扬声器。在此使用的术语“直接数字扬声器”旨在包括具有大量压强产生元件的扬声器装置，所述压强产生元件，或者依靠例如在此具体描述的他们的运动；或者通过加热并冷却这些元件所处于其中的介质，例如气体；或者通过加速这些元件所处于其中的介质，例如通过电离介质并提供沿轴的位差(potential difference)；或者通过作为阀门来操作以选择性地引流与周围环境受压不同的介质，例如气体的储存室，来产生压强。工作压强产生元件(即工作以产生压强的元件)的数目一般为输入信号的强度或输入信号的数字编码强度的单调递增函数，例如，在模拟的情况下，与输入信号的强度成比例，或者在数字的情况下，与输入信号的数字编码强度成比例。 

在此使用的DDS旨在包括压强产生元件的阵列以便每个元件可以被个别地控制从而控制所产生的声音的频率、SPL及/或其它性质。DDS(与模拟扬声器不同)不需要应用数模(D/A)转换器并因此在DDS中，向扬声器馈送数字信号(指示所产生的输入信号，比方说音响系统产生的，可能是经过某些处理后的输入信号)。 

应该知道，决定DDS产生的压强的方程与上面描述的方程不同。在一些情况下，DDS可以展示在频率f和产生的压强P之间非平方的依赖关系，因而呈现不同于12分贝/倍频程的频率响应斜率。 

在许多情况下，DDS中的扬声器元件的峰-峰振幅是不变的。 

因此，在本领域中存在提供一种不同的技术以控制DDS中的音量的需要。 

根据本发明的一个方面，提供了一种系统，所述系统包括直接数字扬声器音量控制设备，所述直接数字扬声器音量控制设备被配置为耦合到直接数字扬声器；所述直接数字扬声器包括多个压强产生元件，而不使用数模转换器，所述多个压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级(SPL)和给定频率产生声音；所述直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应；所述直接数字扬声器音量控制设备包括： 

(a)模块，其用于提供至少两个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下基本上呈现出没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上呈现出衰减的响应； 

(b)选择器，其用于根据至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的至少一个滤波器，以及将所述滤波器应用到所述输入信号用于产生被配置为馈送给所述扬声器的被滤波的信号。 

根据本发明的某个实施方式，所述滤波器中的至少一个滤波器在所述滤波器的截止频率以上呈现出相应于所述扬声器的所述频率响应的衰减的响应。 

根据本发明的另一个实施方式，所述滤波器中的至少一个滤波器在所述滤波器的截止频率以上呈现出相应于所述扬声器的所述频率响应的衰减的响应，使得所述扬声器基本上在所述扬声器的整个指定的频率范围内呈现出平坦的响应。 

根据本发明的又一实施方式，所述扬声器的所述频率响应在所述扬声器的整个频率范围内基本上为6分贝/倍频程，以及其中所述滤波器中的每一个滤波器都在超过所述截止工作频率的整个频率范围内呈现出-6分贝/倍频程响应的衰减的响应，并且在所述截止工作频率以下基本上呈现出没有衰减。 

根据本发明的另一个实施方式，所述滤波器中的至少一个滤波器是低通滤波器(LPF)。 

根据本发明的另一个实施方式，所述LPF中的至少一个LPF是IIR类型的滤波器。 

根据本发明的又一实施方式，所述LPF中的至少一个LPF是FIR类型的滤波器。 

根据本发明的另一个实施方式，所述直接数字扬声器音量控制设备包括用于调整所述的所产生的声音的SPL的音量控制模块。 

根据本发明的又一实施方式，所述选择标准依赖于以下各项中的至少一项：(i)期望产生的SPL，(ii)产生的声音的期望的频率范围，(iii)输入信号的频谱以及(iv)输入信号的增益。 

根据本发明的另一方面，提供了一种直接数字扬声器，其包括多个压强产生元件，而不使用数模转换器，所述多个压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级(SPL)和给定频率产生声音；所述直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应；所述直接数字扬声器包括直接数字扬声器音量控制设备，所述直接数字扬声器音量控制设备包括： 

(a)模块，其用于提供至少两个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下基本上呈现出没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上呈现出衰减的响应； 

(b)选择器，其用于根据至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的至少一个滤波器，以及将所述滤波器应用到所述输入信号用于产生被配置为馈送给所述扬声器的被滤波的信号。 

根据本发明的一个方面，提供了一种用于产生声音的扬声器系统，由此产生的声音的至少一个属性相应于输入数字信号的至少一个特征，所述输入数字信号被根据时钟周期性地采样，所述系统包括至少一个致动器设备，各致动设备包括： 

活动元件(moving element)的阵列，其中每个单独的活动元件响应于交变的磁场，且在存在交变的磁场时，响应于对所述活动元件起作用的电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动； 

至少一个闩锁装置(latch)，其可操作以将所述活动元件的至少一个子集选择性地闩锁在至少一个闩锁位置，由此阻止所述单独的活动元件响应于所述电磁力； 

磁场控制系统，其可操作以接收所述时钟，且相应地控制所述电磁力到所述活动元件的阵列的施加；以及 

闩锁控制器，其可操作以接收所述数字输入信号并相应地控制所述至少一个闩锁装置，其中所述闩锁控制器与指定的直接数字扬声器音量控制设备相关联。 

根据本发明的又一实施方式，提供了一种用于产生声音的扬声器系统，由此产生的声音的至少一个属性相应于所述输入数字信号的至少一个特征，所述输入数字信号被根据时钟周期性地采样的，所述系统包括至少一个致动器设备，各致动设备包括： 

活动元件的阵列，其中每个单独的活动元件响应于交变的磁场，且在存在交变的磁场时，响应于对所述活动元件起作用的电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动； 

至少一个闩锁装置，其可操作以将所述活动元件的至少一个子集选择性地闩锁在至少一个闩锁位置，由此阻止所述单独的活动元件响应于所述电磁力； 

磁场控制系统，其可操作以接收所述时钟，且相应地控制所述电磁力到所述活动元件的阵列的施加；以及 

闩锁控制器，其可操作以接收所述数字输入信号并相应地控制所述至少一个闩锁装置，其中所述闩锁控制器与指定的直接数字扬声器音量控制设备相关联。 

根据本发明的又一方面，提供了一种方法，所述方法用于控制被配置为馈送给直接数字扬声器的输入信号的音量；所述直接数字扬声器包括多个压强产生元件，而不使用数模转换器，所述多个压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级(SPL)和给定频率产生声音；所述直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应；所述方法包括： 

a.提供至少两个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下基本上呈现出没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上呈现出衰减的响应； 

b.根据至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的至少一个滤波器，以及将所述滤波器应用到所述输入信号用于产生被配置为馈送给所述扬声器的被滤波的信号。 

根据本发明的又一实施方式，所述滤波器中的至少一个滤波器被应用到被实时接收的输入信号。 

根据本发明的又一实施方式，所述应用的步骤包括预处理应用到输入信号的所述滤波器中的至少一个滤波器。 

根据本发明的又一方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储器，所述存储器被配置为存储用于实现上述方法中的步骤的计算机代码部分。 

在此使用的另外的相关术语： 

阵列：该术语旨在包括任一组活动元件，这些活动元件的轴优选地以相互平行的方向布置且互相齐平，以便限定可以是平面的或弯曲的表面。 

“在...上方(above)”以及“在...下方(below)”：应该知道在此使用术语“在...上方”和“在...下方”以及类似的术语，是如以举例的方式示出的，假定活动元件的运动方向是上下地，然而情况不是必须如此，且可选择地，活动元件可以沿着任何期望的轴运动，例如沿着水平轴运动。 

致动器：该术语旨在包括换能器以及用于能量形式的相互转换的其它设备。在使用术语“换能器”时，这只是作为举例且旨在指所有适合的致动器，例如扬声器，包括扩音器。 

致动器元件：该术语旨在包括组件的任何“列(column)”，所述组件的任何“列”一般结合许多其他这样的列，形成致动器，各列一般包括活动元件，一对闩锁装置或者“闩锁元件”，因此每个闩锁元件包括一个或更多的电极和绝缘的分隔材料，绝缘的分隔材料使活动元件与电极相分离。 

线圈：应该知道，根据本发明优选的实施方式施加在活动元件阵列上的交变的电磁力可由交流电流产生，所述交流电被调整(oriented)以产生磁场梯度，该磁场梯度与期望的活动元件的运动轴共线(co-linear)。此电流可包括流过适当调整的传导线圈或者任何其它合适的结构的传导元件的电流。术语“线圈”作为举例而贯穿本说明书使用，然而，应该知道这不旨在限制本发明，本发明旨在包括用于施加交变的电磁力的所有装置， 例如，如上文所述。在使用“线圈”表示导体时，应该知道导体可具有任何合适的结构，例如圆形或其他闭合的形状或其大部分，而不旨在限于具有多圈的结构。 

通道，也称为“孔”或者“隧道”：尽管情况并不是必须如此，但仅作为举例，将这些通道示为圆柱形。 

电极：静电闩锁装置。包括底部静电闩锁装置或顶部静电闩锁装置，所述闩锁装置依靠其被相反地充电而闩锁其相应的活动元件，以使得各闩锁装置和其活动元件构成一对相反地充电的电极。 

弯曲部分(flexure)：至少一个柔性元件，在所述柔性元件上安装物体，所述柔性元件给予该物体至少一个运动自由度，举例来说，处于外围的且一般一体地形成的，比如由单片材料形成的一个或更多的柔性的薄的或者小的元件，且具有中心部分，在该中心部分上可以安装或可以不安装另一个物体，由此给予中心部分以及安装在中心部分上的物体至少一个运动自由度。 

闩锁装置，闩锁层，闩锁机构：该术语旨在包括用于将一个或更多的活动元件选择性地锁入到固定位置的任何设备。一般地，提供“顶部”闩锁层和“底部”闩锁层，所述闩锁层可以是并排的而不必一个叠在另一个上面，且各闩锁层包括一个或许多的闩锁机构，所述闩锁机构可以或可以不在数目上相应于将要被闩锁的活动元件的数目。术语“闩锁对”是用于单独的活动元件的一对闩锁装置，举例来说，包括顶部闩锁装置和底部闩锁装置，所述顶部闩锁装置和底部闩锁装置可以是并排的而不必一个叠在另一个上面。 

活动元件：活动元件旨在包括任何活动元件，每个活动元件都响应于施加在其上的交变的电磁力而被迫使沿着轴交替地来回移动。这里活动元件也称为“微扬声器”、“像素(pixel)”、“微致动器”、“隔膜”(单独地或者共同地)以及“活塞”。 

分隔器，也称为“空间保持器(space maintainer)”：包括机械地保持电极和活动元件的各自的位置的任何单个元件或多个元件。 

在此使用术语“直接数字扬声器”以包括接受数字信号并将该信号转变为声波，而不使用单独的数模转换器的扬声器。这样的扬声器可在某些时候包括模数转换器以便允许扬声器改为转变模拟信号或除了转变数字信号还转变模拟信号。这样的扬声器可包括DDS(直接数字扬声器)，DDL(直接数字扩音器)，DSR(数字声音重构)扬声器，数字相同扩音器阵列，矩阵扬声器以及MEMS扬声器。在此使用的术语“直接数字扬声器”旨在包括具有多压强产生元件的扬声器设备，所述压强产生元件依靠例如在此具体描述的自身的运动；或通过加热并冷却这些元件所处的介质，例如气体；或通过例如电离介质并提供沿轴的位差来使这些元件所处的介质加速；或通过作为阀门来操作以使与周围环境受压不同的介质，例如气体的储存室选择性地排出介质来产生压强。工作的压强产生元件(即工作以产生压强的元件)的数目一般为例如模拟信号的情况下，与输入信号的强度成比例的输入信号的强度的单调增函数，或者数字信号的情况下，与输入信号的数字编码强度成比例的输入信号的数字编码强度的单调增函数。 

在此使用的术语“时钟”指与系统时钟的单次时间间隔相关联的持续时间。 

在此使用的术语“方向图”指由扬声器装置产生的声能的空间分布的图案。 

附图简述 

在下面的附图中示出了本发明的优选实施方式： 

图1A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的致动器装置的简化的原理框图图示。 

图1B是根据本发明优选的实施方式构造并操作的图1A的活动元件的阵列的等距图示，其中各活动元件都包括磁体且各活动元件除了被闩锁的情况之外，都响应施加到活动元件阵列上的交变电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动。 

图1C-1G是根据本发明的五个可选择的实施方式构造并操作的闩锁装置的简化的顶视图图示，所述闩锁装置可以充当具体显示在图1B中的闩锁装置的替换。 

图2A显示了响应向下施加的电磁力处于第一、底部极限位置的图1B的阵列。 

图2B显示了响应向上施加的电磁力处于第二、顶部极限位置的图1B的阵列。 

图2C与图2B类似，只是单独的活动磁体之一没有响应向上的力，这是因为单独的磁体已通过布置在单独的活动磁体上方的且起到顶部闩锁装置作用的相应的电荷而被锁入到了其顶部的极限位置。 

图3A-3C是歪斜的活动元件的阵列的分别的顶部的、截面的以及等距的视图，各活动元件都被迫使响应由环绕阵列的线圈施加到活动元件的阵列的交变的电磁力，沿着各自的轴交替地来回移动。 

图4A是致动器设备的分解图，致动器装置包括活动元件的阵列和闩锁装置，每个所述活动元件都被迫使响应通过线圈而施加到活动元件的阵列的交变的电磁力，沿着各自的轴交替地来回移动；所述闩锁装置，形成为一层，操作以选择性地将活动元件的至少一个子集锁入至少一个闩锁位置，由此阻止单独的活动元件响应电磁力。 

图4B是根据本发明的优选实施方式操作的优选的致动方法的简化的流程图图示。 

图5是根据本发明的优选实施方式构造和操作的图4A的致动器设备的等距的静态视图，其中活动元件的阵列由薄箔(thin foil)形成，各活动元件受到围绕其一体形成的弯曲部分的限制。 

图6A是图5的致动器设备的部分的分解视图。 

图6B和6C分别是根据本发明的优选实施方式构造和操作的活动元件和相关联的弯曲部分、闩锁装置以及分隔器元件的组件的透视图图示和分解视图，该优选实施方式减少了气体通过弯曲部分的泄漏。 

图6D是显示分别在顶部极限位置、底部极限位置以及中间位置的三个活动元件的图6B-6C的装置的截面图。 

图6E是图6D的图例。 

图7A是图5-6C的活动元件层的静态的部分顶视图图示。 

图7B是沿着在图7A中显示的A-A轴截取的图5-6的活动元件层的截面图。 

图7C是图5-7B的活动元件层的透视图，其中单独的活动元件显示为向上朝其顶部极限位置运动，这使得其弯曲部分向上延伸出薄箔的平面。 

图7D是根据本发明可供选择的实施方式构造并操作的活动元件层的透视图，其中图5-7C的实施方式的盘形的永磁体被环形的永磁体替换。 

图7E是在图7D的实施方式中的单独的活动元件的受弯曲部分限制的中心部分的侧视图图示。 

图8A是示出用于具体实施例的对闩锁装置以及线圈感应的电磁力的控制的控制图，其中活动元件被排列成组，每组都可选择性地被共同地致动，其中闩锁层中的各闩锁装置与永磁体相关联，以及其中闩锁层中所有永磁体的磁极都被相同地布置。 

图8B是示出优选的方法的流程图，借助于所述的优选的方法，闩锁控制器可处理进入的输入信号并相应地成组控制活动元件的闩锁装置。 

图8C是例如图8A的处理器802的处理器的简化的原理框图图示，所述处理器在实质上控制任何具有在此所显示和描述的静电闩锁机构的致动器设备方面是有用的。 

图8D是用于初始化图1-8C的装置的优选的方法的简化的流程图图示。 

图8E是根据本发明的优选实施方式构造并操作的组装的扬声器系统的简化的等距视图图示。 

图8F是用于使用根据本发明的实施方式构造并操作的装置产生声音的优选的操作方法的简化的流程图图示。 

图9A是汇总了某些，尽管不是全部的对根据本发明优选的实施方式的活动元件施加的力的曲线图。 

图9B是根据本发明的优选实施方式构造并操作的磁场梯度感应层的简化的示意图。 

图9C-9D示出了图9B的传导层的磁场梯度感应功能。 

图10A是适合于闩锁分隔为几组的活动元件的闩锁层的简化的顶部截面图示，所述闩锁层的特征在于任何数目的活动元件都可以通过共同地致动从划分的组中选择的组而被致动，闩锁层中的各闩锁装置都与永磁体相关联，其中闩锁层中所有永磁体的磁极都被相同地布置。 

图10B是图1-10A的闩锁层的可供选择的实施方式的简化的电路图，其中，各闩锁装置通过图8C的闩锁控制器50而被单独地控制。应该知道闩锁装置显示为环形的，然而可选择地，闩锁装置可以具有如在此描述的任何的其他合适的结构。图10B的层包括界定结点的垂直导线和水平导线的网格。一般在各结点处提供门电路，例如场效应晶体管。为导通单独的门电路而由此对相应的闩锁装置充电，沿着相应的垂直导线和水平导线提供电压。 

图11A是显示在单向的扬声器应用中由闩锁控制器使用的优选的控制方案的时序图，其中代表期望的声音的输入信号被接收，并且根据本发明的优选实施方式构造并操作的活动元件被响应性地控制，以便获得声图案，其中在扬声器前面的音量大于其他区域的音量，闩锁层中的各闩锁装置与永磁体相关联，而闩锁层中所有永磁体的磁极优选地全部或基本上全部被类似地或相同地布置。 

图11B是图11A的时序图所关于的活动元件的示例性的阵列的示意性图示。 

图11C是显示在全向的扬声器应用中由闩锁控制器使用的优选的控制方案的时序图，其中代表期望的声音的输入信号被接收，并且根据本发明的优选实施方式构造并操作的活动元件被响应性地控制，以便获得声图 案，其中在扬声器的前面的音量与环绕扬声器的所有其他区域的音量类似。 

图12A和12B分别是根据可供选择的实施方式的活动元件层的简化的顶视图和截面视图图示，其中永磁体的一半放置为北极向上而一半放置为北极向下。 

图13是与图10A类似的简化的顶视图图示，只不过闩锁层中一半的永磁体布置为北极向上，而闩锁层中剩余的一半永磁体布置为北极向下。 

图14是示出用于具体实施例的对闩锁装置以及线圈感应的电磁力的控制的控制图，其中活动元件被排列成组，每组可选择性地被共同地致动，类似于图8A，只不过闩锁层中一半的永磁体布置为北极向上而闩锁层中剩余的一半永磁体布置为北极向下。 

图15A是显示在单向的扬声器应用中由闩锁控制器使用的优选的控制方案的时序图，该时序图类似于图11A的时序图，只不过闩锁层中一半的永磁体布置为北极向上而闩锁层中剩余的一半永磁体布置为北极向下。 

图15B是图15A的时序图所关于的活动元件的示例性的阵列的示意性图示。 

图15C是显示在不同时间，并作为图8C的闩锁控制器接收的输入信号的频率的函数的、布置在顶部极限位置和底部极限位置的活动元件的数目的变化的图示。 

图16A示出作为图1A以及图2A-2C中显示的活动元件层的替换的活动元件层，其中所述层由薄箔形成，这使得各活动元件都包括中心部分和周围部分。 

图16B是在图1A和图2A-2C中显示的活动元件层的又一种替换，其中一片柔性材料，例如橡胶能够实现运动，也就是在磁体下有刚性盘。磁体可以是刚性元件，但可能不是足够刚硬。 

图16C是在图7A-7E或者图16A中描述的活动元件和周围的弯曲部分的优选的实施方式的等距视图，其中弯曲部分在厚度上有所变化。 

图16D是图16C的装置的成本有效的替换形式的等距示图，其中弯曲部分在宽度上有所变化。 

图17是类似于图3A的阵列的致动器元件的阵列的顶部、截面视图的图示，只不过在图3A中，单独的活动元件或闩锁装置的连续的行各自是歪斜的，以便增加可以装入给定区域的致动器元件的数目，而在图17中，行不是歪斜的且一般构成矩形阵列。 

图18是致动器元件的阵列的可供选择的实施方式的分解图，其中各致动器元件的截面是方形的而不是圆形的。 

图19是被支承在支架内的致动器的等距阵列，其提供作为单独的致动器阵列的有效面积的总和的有效面积。 

图20示出了根据本发明的某些实施方式的SPL与频率的关系曲线图，显示对于DDS来说典型的6分贝/倍频程的频率响应。 

图21示出描述根据本发明的某些实施方式的DDS的频率响应斜率以及衰减器的相应的频率响应斜率的曲线图。 

图22A-22B示出了一组具有不同截止频率的滤波器，所述滤波器用于在根据本发明的某些实施方式的系统中使用。 

图23示出了根据本发明的某些实施方式的一般的系统体系结构。 

优选实施方式的详细说明 

本发明的技术领域是长冲程电机微致动器的数字换能器阵列，使用制造材料和技术来构造所述数字换能器阵列以生产用于广泛的各种应用的低成本设备，例如音频扬声器、生物医学分配应用、医学和工业传感系统，光交换(optical switching)，用于显示系统的光反射，以及要求或得益于长行程致动及/或流体(例如气体或液体)的与换能器尺寸相比较的更大体积的位移的任何其他应用。 

本发明的优选实施方式试图提供一种换能器结构、数字控制机构和各种各样的制造技术来制造具有数目N个微致动器的换能器阵列。阵列一般 是由典型的三个主要层的结构构成的，在某些实施方式中所述的层将由隔膜层构成，所述隔膜层由特别的低疲劳性质的材料制得，所述的材料一般在两侧铺设有具有特定的极性排列的磁性涂料并蚀刻有数目N个独特的“蜿蜒(serpentine)”形状，以便使得隔膜的部分能够双向线性地自由运动(致动器)。隔膜的每个运动的部分的双向线性移动被限制在一个室(致动器通道)内，所述室一般通过将隔膜层夹入两个镜像的支承结构而自然地形成，所述的支承结构由电介质、硅、聚合物或任何其他类似的绝缘基板构成，一般制造有与隔膜的N个蜿蜒蚀刻的数目相等的N个尺寸精确的通孔，并且一般精确地定位为一种图案，该图案使各通孔与隔膜的各蜿蜒蚀刻精确地对准。一般地，进一步固定到支承结构的顶层和底层的外表面的是传导性的伸出的表面，例如传导性的圆环或者圆盘(“可编址的电极”)，这些伸出的表面起到一般通过施加静电电荷，在各致动器达到其行程的终点时吸引并保持各致动器的作用。 

现参考图1B、2A-2C、3A-3C、4A、5、6A、7A-7B、8A-8B、9、10A、11A、12A、13、14、15A、16A-C、17-19来描述根据本发明的优选实施方式构造并操作的设备。 

图1B是设备的一小部分的概要图。图2A描绘了在磁场作用下活动元件的运动。图2B描绘了在相反的磁场作用下相同活动元件的运动。图2C描绘了在一个电极被充电时，在磁场作用下活动元件的运动。图3A-3C分别是本发明的一个优选实施方式的顶视图、截面视图和透视图。 

图4A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的设备的分解视图。图5是根据本发明的优选实施方式构造并操作的设备的一小部分的详细的图示。图6A是所述的同一小部分的分解视图。图7A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的蜿蜒的和活动的元件子组件的示意图。图7B是根据本发明的优选实施方式构造并操作的运动中的单个元件的说明性的视图。图8A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的扬声器系统的方块图。图8B是根据本发明的优选实施方式构造并操作的扬声器系统的流程图。图9A示出施加到活动元件的不同的力之间的优选的关系。 

图10A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的电极的分组视图。图11A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的时序图和控制图。图12A示出用于可选择的编址实施方式的活动元件的磁性性质。图13示出可选择的编址实施方式中的电极的分组。图14是在可选择的编址实施方式中扬声器系统的简化的方块图。图15A是用于可选择的实施方式的时序图和控制图。图16A是根据本发明的优选实施方式构造并操作的活动元件子组件的一小部分。图16B是活动元件子组件的不同的实施方式的一小部分，其使用了根据本发明的优选实施方式构造并操作的柔性基板。 

尽管上面的图3A-3C示出了根据本发明的优选实施方式构造并操作的蜂窝结构中的元件的阵列，而图17却示出根据本发明的优选实施方式构造并操作的方形结构中的元件的阵列。图18是使用方形元件的实施方式的一小部分的分解视图。图19示出了使用多个设备(设备的阵列)的装置。 

一般通过挑选的电极之间的互连的独特的模式和独特的信号处理算法来实现有效的编址，所述有效的编址一般有效地将单个换能器中的全部数量的致动器分成N个不同大小的可编址的致动器组，以一个致动器的组开始，随后是两倍于前组的致动器的数目的组，直到换能器中的所有N个致动器都被这样分组为止。 

为了获得致动器冲程，一般用导线线圈包围换能器，所述的导线线圈在施加电流时，在整个换能器上产生电磁场。电磁场使隔膜的活动部分一般地以线性方式运动通过致动器通道。如果电流交替改变其极性，则其导致隔膜的运动部分振动。当静电电荷被施加到特定的可编址的电极组时，其将一般地引起该组中的所有致动器闩锁在冲程的终点，根据应用的要求，闩锁在支承结构的顶部或底部。由在任何特定间隔没有被锁定(极限位置)的N个致动器的总数来共同地实现换能器提供的位移。 

换能器结构一般在每个换能器的致动器的数目、各致动器的尺寸和各致动器的冲程的长度以及可编址的致动器组的数目上是完全可改变的。在某些实施方式中，致动器元件可通过将不同的形状蚀刻成特定的材料，或通过使用涂覆有柔性材料的分层的金属圆盘或通过使用自由浮动的致动 器元件来构造。隔膜(弯曲部分)材料可包括硅、铍铜、铜钨合金、铜钛合金、不锈钢或任何其他低疲劳的材料。支承结构的可编址的电极可以按任意模式分组，以便获得适合于换能器应用的编址。可编址的电极可被固定以使得产生与隔膜致动器的接触，或者其可以按与隔膜没有物理接触的方式而被固定。基板材料可以是任何的绝缘材料，例如FR4、硅、陶瓷或任何种类的塑料。在一些实施方式中，材料可以包含铁氧体颗粒。多个蚀刻成隔膜的蜿蜒形状或浮动的致动器元件以及支承结构相应的通道可以是圆形的、方形的或任何其他的形状。电磁场可通过围绕整个换能器、围绕换能器的部分或围绕各致动器元件来缠绕线圈，或者通过紧邻一个或更多的致动器元件放置一个或更多的线圈来产生。 

在某些实施方式中，直接数字方法被用来使用微扬声器的阵列产生声音。数字声音重构一般涉及对离散的声音能量脉冲总和以产生声波。这些脉冲可基于来自音频电子设备或数字媒体的数字信号，其中每个信号位控制一组微扬声器。在本发明的一个优选的实施方式中，进入的数字信号的第n位控制阵列中的2ⁿ个微扬声器，其中最高有效位(MSB)控制大约一半的微扬声器而最低有效位(LSB)控制至少一单个微扬声器。当特定位的信号为高时，在该采样间隔内，分配给所述位的组中的所有扬声器一般都被激活。阵列中扬声器的数目以及脉冲频率决定产生的声波的分辨率。在一般的实施方式中，脉冲频率可为源采样速率。经由来自人耳或其他来源的声低通滤波器的后应用(post application)，听众一般听见声音上较平滑的信号，此信号与由数字信号表现的原模拟波形相当。 

根据在此描述的声音重构方法，所产生的声压与工作的扬声器的数目成比例。通过随时间变化扬声器的脉冲的数目而产生不同的频率。与模拟扬声器不同，单独的微扬声器一般在非线性区域工作以最大化动态范围，同时仍能够产生低频率的声音。阵列的净线性(net linearity)一般由声波方程的线性和单独的扬声器之间的一致性产生。在所产生的声波中的非线性分量的总数一般与设备中微扬声器的数目成反比。 

在优选的的实施方式中，使用数字换能器阵列以实现真实的、直接的数字声音重构。所产生的声音的动态范围与阵列中微扬声器的数目成比 例。最大声压与各微扬声器的冲程成比例。因此可期望产生长冲程换能器并且使用尽可能多的这种换能器。多年来已经发展了一些数字换能器阵列设备。值得一提的是在卡内基梅伦大学(Carnegie Mellon University)研发的CMOS-MEMS微扬声器。使用CMOS制造工艺，研发人员设计出具有255个方形微扬声器的8位数字扬声器芯片，各微扬声器的一侧为216μm。隔膜主要由涂覆有聚合物的蜿蜒的AlSiO₂网状物组成，并且可通过在CMOS金属叠层(metal stack)和硅基板之间施加变化的电位而被静电地致动。平面运动的结果是产生声音的压强波(pressure wave)的源。各隔膜具有约10μm的冲程。这种短冲程是不能满足要求的，而且所产生的声级对于扩音器来说轻了。另一个问题是该设备需要40V的驱动电压。这种电压需要复杂且昂贵的开关电子设备。在此描述的设备的优选实施方式克服了这些限制中的某些或全部限制，且在消除了对高开关电压的需求的同时产生更大的声级。 

认为各换能器的形状对扬声器的声性能没有显著的影响。换能器可以封装成方形、三角形或六角形的网格和其他的形状。 

本发明一般利用磁力和静电力的组合以实现长冲程，同时避免与传统的磁性致动器或静电致动器相关联的问题。 

换能器阵列的活动元件一般制造为导电且可以被磁化从而使得磁极与换能器阵列表面垂直。适度的传导是足够的。线圈围绕整个换能器阵列或紧邻各元件放置而产生致动力。对线圈施加交流电流或交变的电流脉冲产生交变的磁场梯度，该磁场梯度迫使所有活动元件以与交流电流相同的频率向上以及向下运动。为了控制各活动元件，可使用两个电极，一个电极在活动元件上方，一个在活动元件下方。 

对线圈施加的电流一般驱使活动元件依次相继地邻近顶部电极及底部的电极。对该活动元件施加一小静电电荷。对电极之一施加相反电荷而在活动元件和该电极之间产生吸引力。当活动元件非常接近电极时，吸引力一般变得大于线圈磁场和回缩弹簧(retracting spring)所产生的力，活动元件被闩锁到电极。从电极移除电荷或部分电荷一般允许活动元件与所有其他活动元件在线圈磁场和弯曲部分的影响下一起运动。 

根据某些实施方式，致动器阵列可由5个板或层来制造： 

-顶部电极层 

-顶部分隔器(一同显示为层402) 

-活动元件403 

-底部分隔器 

-底部电极层(一同显示为层404) 

根据某些实施方式，阵列由大的线圈401围绕。此线圈的直径一般比用于现有技术的磁性致动器的传统线圈的直径大得多。线圈可使用常规的制造方法来制造。 

在某些实施方式中，活动元件由传导的且磁性的材料制造。适度的电传导一般是足够的。活动元件可以使用许多种类的材料制造，所述的材料包括但不限于橡胶、硅或金属及其合金。如果材料不能被磁化或需要较强的磁体，则磁体可以固定在该材料上或该材料可用磁性材料涂覆。此涂覆一般是使用丝网印刷工艺或其他本领域中已知的技术来应用装载有磁粉的环氧树脂或其它树脂而完成的。在一些实施方式中，可使用通过光刻工艺产生的树脂掩膜来进行丝网印刷。一般在固化树脂/磁粉基体(magneticpowder matrix)后移除该层。在某些实施方式中，环氧树脂或者树脂在装置设备受到强磁场作用的同时被固化，使树脂基体(resin matrix)中的粉末颗粒调整到期望的方向。活动元件的几何形状可以变化。在另外的实施方式中，部分活动元件可涂覆有磁体且以被调整为一个方向的磁场而被固化，同时，剩余的活动元件稍后被涂覆并以相反的磁场而被固化，使得这些元件在相同的外部磁场下朝相反方向运动。在一个优选的实施方式中，活动元件包括一板，该板具有围绕其的蜿蜒的形状，一般由薄箔切割出。可选择地，在某些实施方式中，能够使用只在弯曲部分的区域打薄的厚材料，或使相对厚的板与图案化为弯曲部分的薄层结合。该形状允许部分箔运动，同时蜿蜒形状充当顺从的(compliant)弯曲部分。在某些其他的实施方式中，活动部分是在顶部电极和底部电极之间来回自由运动的圆柱体或球体。 

图1B示出了根据本发明的某些实施方式的设备的小部分的概要图，用以提供完整的换能器阵列结构的概要图。在示出的实施方式中，活动元件为活塞101，其一般被磁化使得一磁极102在各活塞的顶部而另一磁极103在各活塞的底部。一般影响整个换能器阵列结构的磁场产生器(未显示)在整个换能器阵列上产生磁场，一般引起活塞101上下运动，由此迫使气体自腔104排出。静电电极一般存在于各腔的顶部105以及底部106。电极在各活塞接近其冲程的终点时充当吸引并保持各活塞的闩锁机构，一般阻止活塞运动直到闩锁装置被放开为止，同时允许被推动的气体轻松地通过。在某些实施方式中，活塞101由导电材料制成或者涂覆有这种材料。元件、活塞及/或静电电极中的至少一个一般用介电层覆盖，以避免被拉到一起(pull-down)时发生短路。 

一同参照图2A-2C，显示了根据本发明的优选实施方式的元件的运动。在此实施方式中，线圈(未显示)一般围绕整个换能器阵列结构，在整个换能器阵列上产生磁场，这使运动自由的任何磁性元件根据交替的场方向移动。这导致活塞一般地上下运动。 

在图2A中，磁场201的方向向下。该磁场产生一力，驱使整个阵列的活塞101向下。 

在图2B中，磁场202的方向已改变而指向上。该场产生一力，驱使整个阵列的活塞101向上。 

在图2C中，正电荷施加到顶部电极205的其中之一。正电荷一般吸引活塞204中的电子，使得活塞的顶部206被充负电荷。相反的电荷205和206产生吸引力，其在间距(gap)低于临界距离时，一般起作用来将两个元件拉到一起。磁场203的方向已再次改变并指向下。由于磁性吸引，活塞204一般保持在适当的位置，同时剩余的活塞可自由运动，且由于磁场203的影响而运动到底部。在此特定的实施方式中，对电极施加的电荷是正电荷。可选择地，可对电极施加负电荷，这将感应出负电荷以累积在相邻活塞的靠近的一侧。 

图3A-3C显示了一个优选实施方式的顶视图、截面视图及透视图。 

在某些实施方式中，围绕整个换能器阵列缠绕的线圈304在整个阵列结构上产生电磁场，这使得在施加电流时，电磁场导致活塞302向上运动301以及向下运动303。 

图4A显示了根据本发明的某些实施方式构造并操作的设备的分解视图。如图所示，换能器阵列结构的分解视图显示出其包括下列主要部分： 

(a)围绕整个换能器阵列的线圈401在被施加电压时，在整个阵列结构上产生电磁场。用于线圈的优选的实施方式在此参考图9B-9D来描述。 

(b)在某些实施方式中，顶部层结构402可包括分隔器层和电极层。在某一实施方式中，该层可包括具有精确分隔的腔的阵列的印刷电路板(下文中的PCB)层，各腔一般都具有固定在各腔顶部的电极环。 

(c)本实施方式中的活动元件(“活塞”)403可主要由切割或蚀刻有许多很精确的板的传导性的被磁化的材料的薄箔来构成，所述板一般由充当顺从的弯曲部分的“蜿蜒”形状围绕，所述的弯曲部分赋予箔特定的运动自由度。 

(d)底部层结构404可包括分隔器层和电极层。在某一实施方式中，该层可包括具有精确地分隔的腔的阵列的介电层，各腔一般都具有固定在各腔底部的电极环。 

图5显示了根据本发明的优选实施方式构造并操作的设备的小部分的细节。根据示出的实施方式的换能器阵列的详细的截面立体图显示了以下结构：活动元件(“活塞”)，其一般由薄箔501制成，所述的薄箔被切割或蚀刻为精确的板和蜿蜒形状，在顶部502及底部503具有被磁化的层，该薄箔被精确地定位以使各板形状的中心与顶部层电介质腔504以及底部层电介质腔505中的每一个的中心精确地对齐，腔504和505共同地充当移动导向装置和气体管道。在顶部506和底部507的各管道的外边缘是铜环(“电极”)闩锁机构，该机构在施加了静电电荷时，当各活动元件(活塞)接近每一冲程的终点时，该闩锁机构一般吸引各活动元件以在活动元件(“活塞”)和闩锁装置之间产生接触，并保持各活动元件(“活塞”)， 由此阻止活动元件(“活塞”)运动，直至闩锁装置一般通过停止给电极静电充电而被释放为止。 

图6A显示了如在图5中显示的相同的小部分的分解视图，且显示出在此实施方式中，以精确的蜿蜒形状蚀刻以产生活动元件(“活塞”)的薄箔居中并被封入在顶部602及底部603电介质的镜像的腔中，其中各形状的中心在顶部和底部固定有磁化的层。 

图7A显示了根据本发明的优选实施方式构造并操作的蜿蜒形状和活动元件子组件。薄箔的顶部静态视图显示此实施方式中的活动元件一般通过蚀刻精确的圆形蜿蜒形状来构造，所述的形状允许该形状的弯曲部分703限制该形状的中心701的自由运动，该形状的弯曲部分703自材料蚀刻出，由此形成散布的腔702。截面图显示出箔一般具有磁极对齐的磁体层，固定到锡箔活动元件层的顶部704和底部705。作为此实施方式的替换，磁体层可以只固定到薄箔的一侧。 

图7B是运动中的单个元件的说明性的视图，显示某些实施方式的向上的自由运动，其中单个蜿蜒形状的磁化的中心706在受蜿蜒蚀刻的弯曲部分707的导引和限制的同时，自由地向上延伸。说明图中没有示出在中心706以相反方向移动时，蜿蜒形状反向(向下)的运动，且由此所述的弯曲部分向下延伸。 

在某些实施方式中，各形状中心的顶部708以及各层的底部709固定有磁化层，所述的磁化层已被调整为相同的磁极性。 

图8A显示了根据本发明的优选实施方式的扬声器系统的方块图。在某些实施方式中，数字输入信号(公共协议为I2S、I2C或SPDIF)801进入逻辑处理器802，该处理器接着转换该信号以限定各组的活动元件的闩锁机构。组编址是一般分为两个大组(primary group)，一组用于将活动元件闩锁在顶部，而一组用于将活动元件闩锁在其冲程的底部。随后，各组通常进一步分为逻辑编址组，一般由至少一个活动元件的组开始，接着是两倍于前一组的活动元件的另一组，接下来是仍旧为两倍于前一组的元件的数目的另一组，以此类推，直到整个阵列的所有活动元件都被分组为止。第N组包括2^N-1个活动元件。 

在图8A的方块图中描绘的实施方式中，显示了顶部的组：一元件组803、二元件组804，然后是四元件组805，以此类推，直到换能器阵列组件中全部数量的活动元件都已被编址为止，以接收来自处理器802的控制信号。 

通常复制相同的分组模式(grouping pattern)以用于底部闩锁机构，其中一元件组807之后可为二元件组808，然后是四元件组809，以此类推，直到换能器阵列组件中全部数量的活动元件都已被编址为止，以接收来自处理器802的控制信号。 

处理器802也可控制进入围绕整个换能器阵列812的线圈的交流电流，因此产生并控制整个阵列上的磁场。在某些实施方式中，功率放大器811可被用来增大进入线圈的电流。 

图8B示出了扬声器系统的流程图。在某些实施方式中，数字输入信号813的采样速率可能与设备自然的采样速率不同，再采样模块814可对信号重新采样，从而使得信号匹配设备的采样速率。除此之外，再采样模块814传送未经修改的信号。 

缩放模块(scaling module)815一般将一个偏差值(bias level)加至信号并对该信号进行缩放，假定进入的信号813的分辨率为每一采样M位，则采样值X的范围在-2^(M-1)到2^(M-1)-1之间。 

另外假设在某些实施方式中，扬声器阵列具有N个元件组(编号为1...N)，如图8A所示。 

K定义为：K＝N-M 

一般说来，如果输入分辨率高于扬声器中组的数目(M＞N)，则K为负且输入信号按比例缩小(scaled down)。如果输入分辨率低于扬声器中组的数目(M＜N)，则K为正且输入信号按比例增加。如果两者相等，则输入信号不被缩放，仅被施加偏差。缩放模块815的输出Y可为y＝2^K[X+2^M-1]。输出Y化整为最接近的整数。Y值范围则在0到2N-1之间。 

检查构成Y的二进制值的位。各位控制活动元件的不同组。最低有效位(位1)控制最小的组(组1)。下一位(位2)控制大小两倍于组1的组(组2)。再下一位(位3)控制大小两倍于组2的组，等等。最高有效位(位N)控制最大的组(组N)。构成Y的所有位的状态一般用块816、823...824同时来检查。 

以相似的方式处理位。下面是用于检查位1的优选的算法： 

块816检查Y的位1(最低有效位)。如果位1为高，则其与其之前的状态比较817。如果位1之前为高，则无需改变组1中活动元件的位置。如果位1先前为低，则如参考数字818所示，处理器等待磁场指向上，然后如参考数字819所示，处理器一般释放底部闩锁机构B1，同时接合顶部闩锁机构T1，允许组1中的活动元件从设备的底部运动到顶部。 

如果块816确定Y的位1为低，则其与其之前的状态比较820。如果位1之前为低，则无需改变组1中活动元件的位置。如果位1之前的状态为高，则如参考数字821所示，处理器等待磁场指向下，然后如参考数字822所示，处理器释放顶部闩锁机构T1，同时接合顶部闩锁机构B1，允许组1中的活动元件从设备的顶部运动到底部。 

图9A显示施加到活动元件上的不同的主要的力之间的一般的关系。施加到活动元件上的不同的力通常协调地起作用以相互抵消以便获得期望的功能。向中心的力显示为负力，而驱使元件远离中心的力(向着上闩锁机构或向着下闩锁机构)显示为正力。 

在本实施方式中，活动元件受三个主要的力影响： 

a.磁力，其由磁场和永磁体(hard magnet)的相互作用产生。该力的方向决定于活动元件磁体的极性、磁场的方向以及磁场梯度。 

b.静电力，一般通过对电极施加某种电荷而对活动元件施加相反电荷而产生。该力的方向使得将活动元件吸引到电极(在此图中定义为正)。该力在以下状况下增加：当活动元件和电极之间的距离变得非常小时，及/或此间隔包括具有高介电常数的材料。 

c.回缩力，其由弯曲部分(起弹簧作用)产生。该力的方向总是朝向设备的中心(在此图中定义为负)。因弯曲部分是顺从的，该力相对较小，且本质上是线性的。 

力之间的关系显示，一般在活动元件逐渐接近其冲程的终点时，静电力(由闩锁机构所产生)增加，最后达到足够的力来吸引并闩锁活动元件。当闩锁装置被释放时，回缩力和磁力一般能够向着中心将活动元件拉离闩锁装置，由此引起活动元件的移动。当活动元件行进到中心时，一般说来，弯曲部分的回缩力会变小并最终被克服，然后被电磁力和活动元件的动能控制。 

图10A显示了如之前在图8中所述的，为数字编址的目的，在某些实施方式中对活动元件(“活塞”)应用的分组模式的截面视图。在此实施方式中，有在中心的一元件的组1001，接着是二元件组1002，随后是四元件组1003，然后是八元件组1004，然后是十六元件组1005，以此类推。 

如在此实施方式中显示的，在可能的限度内，安排各增大的组围绕着前组扩展，然而可改变此几何结构以便实现不同的音频及/或结构的目的。举例来说，使“集中点(epicenter)”移动到换能器阵列的外围能够使各组和处理器802之间的布线更容易(参考图8A-8B)。 

图11A显示了优选的时序图和控制图。该时序图描述了用于产生特定的声音波形的优选的逻辑和算法。在此描述的范围内，时间线被分为时隙，编号为I1、I2，以此类推。此简单的实例显示了一设备，其使用分成三组的7个活动元件。第一组包括一个活动元件“P1”并受顶部闩锁机构“T1”和底部闩锁机构“B1”的控制。第二组包括两个活动元件“P2”和“P3”，这两个活动元件被同步且一起运动。该组受顶部闩锁机构“T2”和底部闩锁机构“B2”的控制。第二组包括四个活动元件“P4”、“P5”、“P6”和“P7”，这几个元件被同步且一起运动。该组受顶部闩锁机构“T3”和底部闩锁机构“B3”的控制。 

位于图的顶端的“时钟”图表示系统时钟。该时钟一般在设备外产生且与声音信号一同传送至处理器802(参考图8)。在一典型的实施方式中， 设备的采样率是44100Hz。在此情况下，各时钟时间间隔的持续时间是22μsec，且时钟每11μsec变化其状态。 

在此实例中显示的“信号”是设备产生的模拟波形。“数值”图显示在各时钟时间间隔的信号的数字采样值。“磁性”图显示线圈产生的磁场的方向(极性)。此极性与系统时钟同步变化。 

此图使用以下显示规则显示各活动元件的状态：闩锁在顶部的元件1101(“P1”...“P7”)以黑色上色。闩锁在底部的元件1102以白色上色，而运动的元件1103表示为阴影。 

数字采样值指示有多少元件可被闩锁到阵列的顶部以及有多少元件可被闩锁到底部。在此实例中，数字采样值：-3、-2、-1、0、1、2、3，及4是可能的。各值分别表示闩锁到顶部的0、1、2、3、4、5、6和7个元件。 

在时间片I1中，数字采样值是0。这要求3个元件闩锁到顶部以及4个元件闩锁到底部。磁场极性向上。顶部闩锁机构T1和T2被接合，且底部闩锁机构B3也被接合。同时，底部闩锁机构B1和B2被脱离，且顶部闩锁机构T3也被脱离。活动元件P1、P2和P3闩锁到顶部，同时P4、P5、P6和P7闩锁到底部。 

在时间片I3中，数字采样值变化到1。这要求4个元件闩锁到顶部以及3个元件闩锁到底部。磁场极性向上。底部闩锁装置B3被脱离，释放元件P4、P5、P6和P7以使之自由运动。同时，顶部闩锁机构T3被接合。元件在磁场的作用下向上运动，且被当前接合的T3闩锁。 

此时，所有7个活动元件都被闩锁到顶部。在下一时间片I14中，活动元件P1、P2和P3将被闩锁到底部，以保证设备处于期望的状态(4个元件在顶部而3个元件在底部)。在时间片I4中，磁场的极性改变而指向下。顶部闩锁机构T1和T2脱离并释放活动元件P1、P2以及P3。同时，底部闩锁机构B1和B2被接合并且接近的活动元件P1、P2和P3被闩锁至底部位置。活动元件P4、P5、P6和P7被顶部闩锁机构T3保持在适当的位置，并因此被限制而不与其他活动元件一起向下运动。此时设备的状态 为：P1、P2和P3闩锁到底部，而P4、P5、P6以及P7闩锁到顶部。在时间片I5到I4中，闩锁机构被接合以及被脱离，以允许活动元件根据数字采样值而运动，并改变自身的状态。 

图12A显示活动元件的优选的磁性质，用于编址一可选择的实施方式。活动元件箔的静态顶视图显示了活动元件的一种可能的可选择的实施方式。在此实施方式中，产生了活动元件的两个不同的组段1201和1202，使得单一的换能器阵列能够处理并产生更强的信号，或可选择地处理并产生两个分离的信号(例如立体声的左音频信号和右音频信号)。截面视图显示为了实现此实施方式的两个组(由分线1203区别)，各不同的组段一般具有相反的磁极性。 

在一个部分组1201中，固定到薄箔的活动元件的磁体层已被极化为北极(N)在箔的顶侧1204而南极(S)在底侧1205；同时在第二部分组1202中，薄箔活动元件的磁体层已被极化为南极(S)在箔的顶侧1206而北极(N)在底侧1207。 

图13显示了可选择的实施方式中的电极的分组。类似于图10A，图13描绘用于在图12A中描述的可选择的实施方式的可选择的编址方案。在此情况中，为数字编址的目的应用于活动元件的分组模式被分为两个大(primary)组段，一半的换能器阵列处于一个大段组，而另一半换能器阵列处于另一个大段组，就如图12A所示。 

在此实施方式中，有两个相等的组，各组都有相等数目的活动元件，以1个活动元件的两个组1301和1302开始，接着是各组2个元件的两个组1303和1304，然后是各组4个元件的两个组1305和1306，然后是各组8个元件的两个组1307和1308，然后是各组16个元件的两个组1309和1310，以此类推，直到换能器阵列的所有活动元件都已被分组并被编址为止。 

如在当前实施方式中示出的，在可能的限度内，安排各增大的组围绕前组扩展，然而可改变此几何结构以便实现不同的音频及/或结构的目的，举例来说，使大组的“集中点”移动到换能器阵列的外围的相反侧能够使各组和处理器1402之间的布线更容易(参考图14)。其还能够使设备在两 种模式下工作：单声道以及立体声的模式，单声道模式中，两个组都被用来产生两倍振幅的一个波形，立体声模式中，各组都产生分离的声波，以允许重构立体声信号。 

图14显示了可选择的编址实施方式中的扬声器系统的方块图。图14描述了在图12和图13中显示的可选择的实施方式的编址。数字输入信号(I2S、I2C或SPDIF协议)1401进入逻辑处理器1402，该处理器接着转换该信号以限定活动元件的两个大分组中的每一分组的闩锁机构。各编址的组被分为两个大组，一组用于顶部闩锁机构，一组用于底部闩锁机构。接着各组进一步分为逻辑编址组，以一个活动元件的组开始，随后是两倍于前一组的活动元件的另一组，然后是两倍于前一组的元件的数目的另一组，以此类推，直到整个阵列的所有活动元件都被分组为止。 

在图14的方块图中描绘的实施方式中，活动元件的一个主要段的顶部冲程以一元件组1403开始，接着是二元件组1404，然后是四元件组1405，以此类推，直到换能器阵列组件中全部数量的活动元件都已被编址为止，以接收来自处理器1402的控制信号。 

复制同样的分组模式以用于向下的冲程，其中一元件的组1407后面是二元件的组1408，然后是四元件的组1409，以此类推，直到换能器阵列组件中全部数量的活动元件都已被编址为止，以接收来自处理器1402的控制信号。 

复制同样的图案以用于活动元件的第二大段，顶部冲程组以一元件组1413开始，然后是二元件组1414，接着是四元件组1415，以此类推，直到换能器阵列组件中全部数量的活动元件都已被编址为止，以接收来自处理器1402的控制信号。 

复制此图案以用于第二段的向下的冲程，该第二段以一元件的组1417开始，随后是二元件组1418，接着是四元件组1419，以此类推，直到换能器阵列组装部件中全部数量的活动元件都已被编址为止，以接收来自处理器1402控制信号。 

处理器1402也将控制进入一般围绕整个换能器阵列(包括两个大段)的线圈1412的交流电流，因而产生并控制整个阵列上的磁场。在某些实施方式中，功率放大器1411可被用来增大进入线圈的电流。 

图15A显示了用于可选择的实施方式的时序图和控制图。描述逻辑和算法的时序图可被用来产生在图12至14中描述的可选择的实施方式中的特定的声音波形。显示规则类似于在图11A中使用的显示规则，并再现了相同的信号。 

时间线被划分为时隙，编号为I1、I2，以此类推。该简单的实例显示了一设备，其使用分成两个大组(major group)(L和R)的14个活动元件，每个大组分成3个小组(minor group)1、2和3。 

数字采样值指示有多少元件可被闩锁到阵列的顶部和有多少元件可被闩锁到阵列的底部。在此实例中，数字采样值：-3、-2、-1、0、1、2、3、及4是可能的。各值分别表示闩锁到顶部的0、2、4、6、8、10、12和14个元件。 

在时间片I3，数字采样值由0变为1。这要求8个元件闩锁到顶部以及6个元件闩锁到底部。磁场极性向上。顶部闩锁装置RT1和RT2以及底部闩锁装置LB3被脱离，释放元件RP1、RP2、RP3、LP4、LP5、LP6和LP7以使之自由运动。LP4、LP5、LP6和LP7的磁极性产生向上的力，驱使这些元件向上。RP1、RP2和RP3的磁极性是相反的，且驱动力是向下的。同时，与元件运动相反的闩锁机构被接合，以抓住接近的活动元件并将其闩锁在适当的位置。 

在时间片I4，磁场的极性改变而指向下。顶部闩锁装置LT1和LT2以及底部闩锁装置RB3被脱离，释放元件LP1、LP2、LP3、RP4、RP5、RP6和RP7以使之自由运动。RP4、RP5、RP6和RP7的磁极性产生向上的力，驱使这些元件向上。LP1、LP2和LP3的磁极性是相反的，且驱动力是向下的。同时，与元件运动相反的闩锁机构被接合，以抓住接近的活动元件并将其闩锁在适当的位置。 

在时间片I5到I14，闩锁机构被接合以及被脱离以允许活动元件根据数字采样值运动并改变自身的状态。 

图15C分别示出了声音曲线图II-IV的三种不同的音调(pitch)(22KHz、11KHz及4.4KHz)的产生。曲线图I显示了系统时钟，其在示出的实例中为44KHz。在示出的实施方式中，用来产生这些音调的扬声器有2047个活动元件。当22KHz(时钟的一半)的声音产生时，所有2047个元件在各时钟时刻改变位置(从顶部到底部或反之)。当11KHz(时钟的1/4)的声音产生时，2047个活动元件中的一半活动元件在各时钟时刻改变位置。例如，如果在第一时钟内，所有2047个活动元件在其顶部位置，则在第二时钟内，降低这些元件中的1023个元件，在第三时钟内，降低剩余的1024个元件，在第四时钟内，升高1023个元件，在第五时钟内，升高剩余的1024个元件，以此类推。当4.4KHz(时钟的1/10)的声音产生时，在各时钟时刻处于元件的顶部位置的元件的数目(1340、1852、...)显示在曲线图IV的顶部，而在各时钟时刻处于元件的底部位置的元件的数目(707、195、...)显示在曲线图IV的底部。 

图16A显示了活动元件子组件的一小部分。 

图16A和16B提供了不同实施方式中的活动元件的说明视图。 

在图16A中显示的实施方式是活动元件(“活塞”)的实施方式，所述活动元件由薄箔材料1601构成，且精确的圆形的蜿蜒形状蚀刻进该材料，允许形状的中心1602自由运动，所述的运动受形状的弯曲部分限制。 

图16B显示了使用柔性基板的活动元件子组件的不同的实施方式的一小部分。该实施方式是活动元件(“活塞”)的实施方式，所述活动元件由具有足够弹性的材料构成，例如由橡胶聚乙烯材料1603构成，所述材料或者在材料表面的顶部和底部沉积了特定形状和尺寸的磁性材料，或者材料被固定到特定尺寸的磁化的盘1604，允许由材料本身限制的自由的运动。 

图2C显示了使用自由浮动的部件的活动元件子组件的不同的实施方式的一小部分。该实施方式是自由浮动的活动元件(“活塞”)的实施方式， 所述活动元件由各端具有相对的磁极的被磁化的材料构成。在此具体的实施方式中，北极在顶部而南极在底部。 

图3B示出了在某些实施方式中，基于蜂窝设计的完整的换能器阵列结构的顶视图，其实现表面面积48％的填充系数。图17示出了在某些实施方式中，基于方形设计的完整的换能器阵列结构的顶视图，其实现表面区域38％的填充系数。 

图18显示了使用方形元件的实施方式一小部分的分解视图。此实施方式显示使用方形元件的换能器阵列结构，其旨在增大填充系数并实现更高的单位换能器面积的声压级。 

如之前的实施方式，使用了相同的结构元件。线圈围绕整个换能器阵列(未显示)。在施加电压时，线圈在整个阵列结构上产生电磁致动力。 

顶部层结构一般包括介电层，该介电层具有精确地分隔的腔1802的阵列，各腔都具有电极环，电极环固定在各腔的顶部，用于产生静电闩锁机构1801。 

此实施方式中的活动元件(“活塞”)包括切割或蚀刻有许多很精确的“蜿蜒”形状1803的传导性的被磁化的材料的薄箔，“蜿蜒”形状借助被磁化的顶部1804和底部1805赋予箔特定的运动自由度。各活动元件被四个弯曲部分导引和限制。 

底部层结构一般包括介电层，该介电层具有精确地分隔的腔1806的阵列，各腔都具有电极环，电极环固定在各腔的顶部，用于产生静电闩锁机构1807。 

图19显示了包括多个(一阵列)设备的一种装置。该结构显示了在阵列换能器1902的某些实施方式中多个换能器的使用以便制造能够产生更强的声压级的设备1901，或者以便使用波束形成技术(这不在本发明范围内)来产生定向的声波。 

阵列可具有任何期望的形状，且描述中的圆形形状只是为了说明的目的。 

现对根据本发明的一个实施方式构造并操作，且参考图1B、2A-2C、3A-3C、4A、5、6A、7A-7B、8A-8B、9A、10A、11A、12A、13、14、15A、16A-C、17-19而在上面描述的设备进行更综合(例如参考图1A)且更加详细的描述。另外描述了可选择的实施方式。 

现参考图1A，其为用于产生物理效应的致动器装置的简化的原理框图说明，所述效应的至少一个属性相应于根据时钟周期性地采样的数字输入信号的至少一个特性。根据本发明的优选实施方式，图1A的装置包括至少一个致动器设备，各致动设备包括活动元件的阵列10，各元件一般响应于施加到活动元件阵列10的交变的电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动。各活动元件被构造并操作以响应于电磁力。因此各活动元件可包括导体，可由铁磁材料形成，可包括永磁体，例如在图6C中所示，且可包括带有电流的线圈。 

闩锁装置20可操作以选择性地将活动元件10的至少一个子集闩锁在至少一个闩锁位置，由此阻止个别的活动元件10响应电磁力。电磁场控制器30可操作以接收时钟，且相应地通过磁场产生器40控制对活动元件的阵列施加电磁力。闩锁控制器50可操作以接收数字输入信号并相应地控制闩锁装置。在闩锁控制操作的至少一种模式下，闩锁控制器50可操作以将对由磁场产生器，例如线圈40施加的电磁力作出响应而自由振动的活动元件10的数目设置为实质上与闩锁控制器接收的编码为数字输入信号的声音的强度成比例。优选地，当编码为数字输入信号的声音的强度在正的局部最大值时，所有活动元件闩锁到第一极限位置。当编码为数字输入信号的声音的强度在负的局部最大值时，所有活动元件闩锁到相对的第二极限位置。 

优选地，如在下面所详细描述的，通常在再采样及缩放后，通过使在极限位置，例如在此描述的顶部位置的活动元件的数目匹配数字采样值来实现类似输入信号的物理效应，例如声音。举例来说，如果数字采样值当前为10，在此称为ME1、...ME10的10个活动元件可在其顶部位置。如果数字采样值接着变为13，在此称为ME11、ME12和ME13的三个附加的活动元件可升高到它们的顶部位置以回应此。如果下一个采样值仍是 13，则没有活动元件需要动作来回应此。如果数字采样值之后变为16，则(因为ME11、ME12和ME13已在其顶部位置)在此称为M14、M15和M16的3个不同的活动元件可以升高到它们的顶部位置来回应此。 

在一些实施方式中，如在下面详细描述的，构造并操作活动元件以共同地以组操作，例如一组活动元件的数目都是2的连续的幂的组，例如构造为每一组分别以具有1、2、4、8、16个活动元件的组操作的31个活动元件。在此情况下，并使用以上实例，当采样值比方说为10时，分别包括8个及2个活动元件的两个组都，比方说升高，即组中的所有活动元件都在其顶部位置。然而，当采样值变为13时，直接将3个活动元件从其底部位置移动到其顶部位置通常是不实际的，这是因为在此实例中，因为二进制的分组，这仅能通过升高分别包括1个和2个活动元件的两组来实现，然而，包括2个活动元件的组已经被升高。但是顶部像素的数目可以其他方式与采样值13匹配。因为13＝8+4+1，可升高包括4个和1个像素的两组，而可降低包括2个像素的组，产生+3的净压强变化，从而产生期望的、类似一般在再采样和缩放后的输入信号的声音。 

更一般地，朝向第一极限位置，例如向上移动的活动元件在第一方向上产生压强，在此称为正压。朝向相对的极限位置，例如向下移动的活动元件在相反的方向上产生压强，在此称为负压。通过使适当数目的活动元件在相应的方向上移动，或通过使n个活动元件在相应的方向上移动，而其他的数目为m个的活动元件在相反的方向上移动，而使得差值n-m相应于，例如等于(一般在再采样和缩放后的)采样的信号值，可获得一定大小的正压或负压。 

活动元件一般由这样一种材料形成，所述材料是至少适度地电传导的，例如硅或者涂覆有金属例如金的硅。 

如果活动元件包括永磁体，该永磁体一般在生产过程中即被磁化，以使得磁极与期望的运动轴共线。一般围绕整个换能器阵列的线圈产生致动力。为控制各活动元件，一般使用两个闩锁元件(一般包括静电闩锁装置或者“电极”)，例如一个在活动元件上方的闩锁元件，及一个在活动元件下方的闩锁元件。 

根据一实施方式，致动器是扬声器而活动元件的阵列10布置在流体介质内。随后操作控制器30和50以界定声音的至少一个属性以与数字输入信号的至少一个特性相对应。声音具有至少一个波长，由此界定声音里出现的最短的波长，而各活动元件10一般限定一垂直于活动元件的轴的截面，并限定其最大尺寸，各截面的最大尺寸相对最短波长一般是小的，例如比最短波长小一个数量级。图1B是根据本发明的优选实施方式构造并操作的活动元件的阵列10的等距示图。在此实施方式中，各活动元件10包括磁体，且各活动元件除了被闩锁的情况外，都响应于由磁场产生器40施加到活动元件阵列10上的交变的电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动。 

图1C-1G是闩锁元件72、73、74、76和77的简化的顶视图图示，上述闩锁元件的任何一个元件都可结合相似的或不相似的其他元件而形成根据本发明的可选择的实施方式的静电闩锁装置20。闩锁元件的至少一个元件72可具有穿孔结构，正如在图1C中所示。在图1D中，闩锁元件73显示为具有刻槽结构(notched configuration)以便允许在闩锁装置的尖锐部分集中静电荷，由此增加施加到相应的活动元件上的闩锁力。在图IE中，至少一个闩锁元件74具有这样一种结构，该结构包括中心区域75，该区域阻止气体通过以便延迟气体排出，由此缓冲活动元件10和闩锁元件本身之间的接触。至少一个闩锁元件76可具有环结构，如在图1F中和作为举例在图1B中显示的。图1G的闩锁元件77是又一个可选择的实施方式，该元件类似于图1E的闩锁元件74，只不过设置了至少一个径向的槽78以便消除闩锁装置中的感应电流。 

图2A显示了响应于由或者图1A的线圈其他磁场产生器40施加的、向下的电磁力而处于第一、底部极限位置的图1B的阵列。图2B显示了响应由图1A的线圈或者其他磁场产生器40施加的、向上的电磁力而处于第二、顶部极限位置的图1B的阵列。图2C类似于图2B，只不过活动元件中的一个单独的元件204没有响应于由磁场产生器40施加的向上的力，这是因为该单独的磁体借助布置在单独的活动元件上方并作为顶部闩锁装置起作用的相应的电荷而被闩锁到了其顶部极限位置。应该知道，在图 1A-2C的实施方式中，闩锁装置20包括静电闩锁装置，然而情况并不是必须如此。 

一般地，图2A-2C的装置包括用于各活动元件的一对闩锁元件205和207，尽管一元件不必在另一元件的上方，但是在此简称为“顶部”闩锁元件和“底部”闩锁元件，闩锁元件包括一个或更多的电极，空间保持器220分隔所述电极。在闩锁装置20包括静电闩锁装置的实施方式中，空间保持器220可由绝缘材料形成。 

各对闩锁元件是可操作的以将其单独的活动元件10选择性地闩锁到两个闩锁位置中的可选择的一个位置，在此称为第一闩锁位置和第二闩锁位置，或简称为“顶部”闩锁位置和“底部”闩锁位置，由此阻止单独的活动元件响应电磁力。如果将各活动元件10运动所沿的轴看做包括第一半轴和第二共线的半轴，则第一闩锁位置一般布置在第一半轴内，而第二闩锁位置一般布置在第二半轴内，例如在图2A-2C中所示。 

图3A-3C分别是歪斜的活动元件阵列10的顶部的、截面的以及等距的视图，各活动元件10都响应于例如由如所显示的围绕着阵列缠绕的线圈40施加到活动元件的阵列10的交变的电磁力，而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动。图4是分层的致动器设备的分解视图，所述设备包括活动元件的阵列403和闩锁装置，各所述活动元件响应于由线圈401施加到活动元件403的阵列的交变的电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动，所述的闩锁装置形成为至少一层，其是可操作的以将活动元件403的至少一个子集选择性地闩锁在至少一个闩锁位置，由此阻止单独的活动元件403响应于电磁力。一般说来，使用如图所示围绕阵列403的线圈401产生电磁力。 

闩锁装置一般包括一对层：顶部闩锁层402和底部闩锁层404，所述两闩锁层在被充电时，以及当活动元件处于如在此描述的适当的电磁场中时，将活动元件分别闩锁到顶部极限位置和底部极限位置。各闩锁层402和404一般包括电极层和分隔器层，如在图5-6A中详细所示。分隔器层402和404一般可以由任何适合的介电材料形成。可选择地，可将铁氧体 (ferrite)或铁磁体颗粒加入到介电材料以减少磁体层中磁体之间不期望的相互作用。 

在图5-6A中，设置了弯曲部分和环形磁体或导体或铁磁体，然而应该知道，这并不旨在进行限制。可选择地，例如，可设置其他形状的磁体，或者可由线圈代替环形元件，以及可以设置没有弯曲部分的自由浮动的活动元件，或者活动元件可以具有外围的弹性或柔性部分，或与外围的弹性或柔性构件相关联，都如在此的详细显示和描述。 

图4B是根据本发明的优选实施方式操作的优选的致动方法的简化的流程图图示。在图4B中，产生了一物理效应，所述物理效应的至少一个属性相应于根据系统时钟信号周期性地采样的数字输入信号的至少一个特性。如所示出的，该方法一般包括(步骤450)提供活动元件的至少一个阵列10，各活动元件响应于例如由磁场产生器40对活动元件的阵列10施加的交变的电磁力而被迫使沿着轴15交替地来回移动(图1B)。在步骤460中，活动元件10的至少一个子集通过闩锁装置20而被选择性地闩锁在至少一个闩锁位置，由此阻止单独的活动元件10响应于由磁场产生器40施加的电磁力。在步骤470中，接收系统时钟信号，并相应地，控制电磁力对活动元件的阵列的施加。在步骤480中，接收数字输入信号，并相应地控制闩锁步骤460。一般说来，如上所述，闩锁装置20包括一对层，各层都包括静电闩锁元件的阵列，且至少一个空间保持器层分隔静电闩锁层并由绝缘材料形成。一般地，使用PCB生产工艺来制造闩锁装置和至少一个空间保持器(图4B，步骤450)。活动元件的阵列一般包括磁性层403，磁性层夹在一对电极层之间，所述一对电极层通过一对介电分隔器层与所述磁性层分隔开。一般说来，使用晶片键合技术(wafer bondingtechnology)、层压技术及/或PCB生产工艺及/或这些工艺的组合来制造所述层中的至少一层(图4B，步骤455)。 

图5是根据本发明的优选实施方式构造并操作的图4A的致动器设备的等距静态视图，其中活动元件的阵列10由薄箔形成，各活动元件受围绕其的、一体化形成的弯曲部分606的限制。弯曲部分一般包括散布有剪 切的部分702的箔部分703。图6A是图5的致动器设备的一部分的分解视图。 

根据本发明的优选实施方式，因为需要至少三个弯曲部分来限定一个平面，所以设置了3个弯曲部分。在这里显示和描述的活动元件的情况中，由弯曲部分限定的平面一般是垂直于活动元件的期望的运动轴的平面，或合适地选择的以强迫活动元件沿着期望的轴移动的任何的平面。 

一般地，期望最小化弯曲部分的面积，以便利用设备对活动元件本身的可用面积，因为致动的过程是由活动元件执行的，这样从设备的功能性的角度来看，弯曲部分的面积是额外开销(overhead)。例如，如果致动器是扬声器，则活动元件推动气体，由此产生声音，而限定活动元件的弯曲部分和间隙则不是这样。因此，通常期望弯曲部分的全长与活动元件的周长相似(例如，不是活动元件的周长的两倍)。因此，可期望将弯曲部分的全长作为给定的长度处理，因此，提供的弯曲部分越多，各弯曲部分就越短，在相同的位移下，这些弯曲部分转变为承受较高压力，即，以达到活动元件的相同的运动振幅。 

因此，应认为优选只设置三个弯曲部分，即不多于所要求的用来牢固地固定活动元件的，例如用来限定与活动元件的运动轴垂直的平面的弯曲部分的最小数目。 

图6B和6C分别为根据本发明的优选的低气体泄漏实施方式构造并操作的活动元件、闩锁装置以及分隔器元件的组件的等距的和分解的视图图示。气体泄漏指气体从活动元件的上方空间穿过到活动元件的下方空间，或者从活动元件的下方空间穿过到活动元件的上方空间。 

图6D是6B-6C的装置的截面图，显示了分别处于顶部极限位置610、底部极限位置620以及中间位置630的三个活动元件10。图6E是图6D的图例。一般说来，在图6B-6E的实施方式中，活动元件中的至少一个元件配置成阻止气体通过至少一个弯曲部分的泄漏。如所示出的，至少一个空间保持器640布置在活动元件的阵列10和闩锁机构20之间，空间保持器限定圆柱体660，该圆柱体具有截面，且其中活动元件10中的至少一个元件包括细长元件670和头部元件(head element)680，细长元件670的 截面足够小以避开弯曲部分，头部元件安装在细长元件670之上，其截面类似于圆柱体660的截面。应该知道，为简单起见，只显示了弯曲部分606的一部分。 

图7A是图5-6C的活动元件层的静态的部分顶视图图示。图7B是沿着在图7A中显示的A-A轴截取的图5-6的活动元件层的截面视图。图7C是图5-7B的活动元件层的透视图，其中单独的活动元件显示为向上朝其顶部极限位置运动，使得其弯曲部分弯曲并向上延伸出薄箔的平面。如所显示的，在图7A-7C中，图1A的活动元件10中的至少一个元件具有限定外围706的截面并受连接到外围的至少一个弯曲部分限制。一般说来，至少一个活动元件10及其起限制作用的、一般蜿蜒的弯曲部分由单片材料形成。可选择地，如在图16B中显示的，至少一个弯曲部分1605可以由弹性材料形成。应该知道，基于弯曲部分的实施方式只是本发明的一种可能的实施方式。相比之下，例如在图1B中所显示的，各活动元件可以仅仅包括自由浮动的元件。 

图7D是根据本发明的可供选择的实施方式构造并操作的活动元件层的透视图。图7E是单独的活动元件的受弯曲部分限制的中心部分705的侧视图图示。在图7D-7E实施方式中，图1A的活动元件10一般包括环形的永磁体710而不是图5-7C的实施方式的盘状的永磁体502。一般说来，各活动元件10具有第一和第二相对的、一般圆形的表面711和712，分别面对活动元件的运动轴715的第一端点713和第二端点714，且至少一个永磁体710布置在第一圆形表面711和第二圆形表面712中的至少一个表面上。如果设置了两个永磁体710，则对齐两个永磁体以使得相同磁极指向相同的方向，如图7E所示。 

图8A为一控制图，该图示出了由图1A的闩锁控制器50对闩锁装置20的控制，以及由图1A的控制器30对一般线圈感应的电磁力的控制，控制图用于这种具体的实例，在实例中活动元件10被排列到组G1、G2、...GN中，各组可选择性地被共同地致动，其中闩锁层中的各闩锁装置一般与永磁体相关联，以及其中闩锁层中所有永磁体的磁极都相同地布置。闩锁装置一般包括顶部闩锁装置和底部闩锁装置，用于各组或各组中的各活动元 件。用于组Gk(k＝1、...、N)的顶部闩锁装置和底部闩锁装置分别称为Tk和Bk。在图8A中，两个控制器都由处理器802实现。 

图8B为示出了优选的方法的流程图，由此图1A的闩锁控制器50可处理进入的输入信号801并相应地以分组方式控制活动元件10的闩锁装置20。根据相关联的箭头的方向，缩写“EM”指示对活动元件的相关组向上或向下施加的电磁力。在图8B中示出的实施方式中，如果在时刻t，再缩放的PCM信号的LSB为1(步骤816)，则这指示组G1中的扬声器元件可处于所选择的终点位置(end-position)。如果(步骤817)组G1已经处于所选择的终点位置，则不需要进一步的动作，然而如果组G1还不处于所选择的终点位置，则闩锁控制器50等待(步骤818)电磁场向上并随后(步骤819)释放集合B1中的底部闩锁装置并接合集合T1中的顶部闩锁装置。加以必要的变更，这也适于所有其他的组G2、...、GN。 

在图8B中，后有向上指或向下指的箭头的标记Tk或Bk指示闩锁或释放(分别向上或向下的箭头)第k组的活动元件的顶部闩锁装置或底部闩锁装置(分别为T或B)。 

图8C是处理器(例如图8A的处理器802)简化的原理框图图示，所述的处理器在实质上控制具有在此显示和描述的静电闩锁机构的任何的致动器设备方面是有用的。在图8C的实施方式中，单个处理器实现电磁场控制器30和闩锁控制器50。电磁场控制器30通常接收一般为方波的系统时钟805，并产生具有相同频率和相位的正弦波，将此正弦波作为致动信号提供给线圈40。DSP 810可例如包括适当地程控的TI 6000数字信号处理器，其可在商业上从Texas Instruments公司获得。用于DSP 810的程序可存在适当的存储芯片820中，例如存在于闪存中。在闩锁控制操作的至少一种模式下，闩锁控制器50是可操作来将对由线圈40施加的电磁力做出响应而自由振动的活动元件的数目设置为实质上与编码为数字输入信号的声音强度成比例。 

电磁场控制器30通常控制进入通常围绕活动元件的整个阵列10的线圈40的交流电流，因此在整个阵列上产生并控制磁场。在某些实施方式中，功率放大器811可被用来增大进入线圈40的电流。电磁场控制器30 一般产生交变的电磁力，电磁力的交变与系统时钟805同步，如参考图11A的曲线图I而在下面所详述的。 

闩锁控制器50是可操作来接收数字输入信号801并相应地控制闩锁机构20。一般地，各单独的活动元件10每时钟，即在一个特定的时钟内最多进行一次移动，各活动元件可以从其底部位置运动到其顶部位置，或从其顶部位置运动到其底部位置，或保持在该两种位置中的任何一个位置上。下面参考图11A描述闩锁控制器50的一个优选的操作模式。根据本发明的优选实施方式，活动元件10保持在其适当的终点位置由闩锁控制器50实现。 

优选地，闩锁控制器50对成组的活动元件进行操作，在此称为“受控的组”。在任何给定的活动元件的组中的所有的活动元件都选择性地或者被闩锁到它们的顶部位置，或者被闩锁到它们的底部位置，或者不被闩锁。优选地，所述“受控的组”形成序列G1、G2、...，而在各受控的组Gk中的扬声器元件的数目为整数，例如2的(k-1)次幂，从而允许任何期望数目的扬声器元件被操作(被向上闩锁、被向下闩锁或不被闩锁)，这是因为任何给定的数目可表示为例如2或10或另外适当的整数的幂的和。如果扬声器元件的总数被选择为2的整数次幂(N)减去1，例如2047，则将全部数量的扬声器元件划分成整数个受控的组，即N个受控的组是可能的。例如，如果有2047个扬声器元件，在序列G1、G2、...中的受控的组的数目是11。 

在此实施方式中，因为再缩放的PCM信号的任何单独的值都可表示为2的整数次幂的和，因此总可通过使适当的受控的组的所有元件共同地处于所选择的终点位置，而将适当数目的扬声器元件放置于所述选择的终点位置。举例来说，如果在时刻t，再缩放的PCM信号的值是100，则因为100＝64+32+4，组G3、G6和G7一起包括恰好100个扬声器元件并因此，在时刻t，使这三组中的所有元件共同地处于所选择的终点位置，例如“向上”或者“顶部”位置，并且同时，使这三组之外的所有组的所有元件共同地处于未被选择的终点位置，例如“向下”或者“底部”位置。应该知道，各活动元件都具有底部闩锁装置和顶部闩锁装置，各闩锁装置一般 通过选择性地施加适当的局部静电力而生成，结合该局部静电力将活动元件分别闩锁到其“向下”和“向上”位置。组Gk中的扬声器元件的底部闩锁装置和顶部闩锁装置的集合分别称为Bk闩锁装置和Tk闩锁装置。 

图8D是用于初始化图1A-8C的装置的优选的方法的简化的流程图图示。根据图8D的方法，活动元件的阵列10进入初始运动，包括使活动元件的阵列中的各活动元件10处于至少一个闩锁位置。如在此所描述的，一般为各活动元件10设置顶部闩锁位置和底部闩锁位置，在此情况中，使阵列中的各活动元件处于至少一个闩锁位置的步骤一般包括使阵列中的活动元件的第一子集处于它们的顶部闩锁位置，而使包括阵列中所有剩余元件的第二子集处于它们的底部闩锁位置。优选地选择第一子集和第二子集以使得当第一子集和第二子集中的活动元件分别处于它们的顶部闩锁位置和底部闩锁位置时，由在第一子集中的活动元件10排出的流体(如气体)产生的总压强与由在第二子集中的活动元件排出的流体(例如气体)产生的总压强大小相等而方向相反。 

活动元件10一般带有具有预定极性的电荷，且各活动元件都限定各自的自然谐振频率，由于生产公差，该频率趋于与其他活动元件的自然谐振频率略有不同，由此限定了活动元件的阵列的自然谐振频率范围，例如42-46KHz。如在此描述的，通常设置第一静电闩锁元件和第二静电闩锁元件，所述的第一静电闩锁元件和第二静电闩锁元件是可操作的以将活动元件10分别闩锁到顶部和底部闩锁位置，使活动元件的阵列进入运动的步骤包括： 

步骤850：以与面对该闩锁装置的活动元件上的极相反的极性对包括在第一子集中的各活动元件的第一(顶部或底部)静电闩锁装置充电。第一子集和第二子集可各包括活动元件的总数的50％。 

步骤855：以与面对该闩锁装置的活动元件上的极相反的极性对包括在第二子集中的各活动元件的第二(底部或顶部)静电闩锁装置充电。 

步骤860：如上所述，活动元件设计为具有一定的自然谐振频率f_r。设计工具可包括计算机辅助建模工具，例如有限元分析(FEA)软件。在步骤860中，系统时钟的频率f_CLK，决定其中布置了活动元件的电磁场的 交变的时序，该频率f_CLK设定为具有最低自然谐振频率的阵列中活动元件的自然谐振频率，所述的最低自然谐振频率称为f_min且一般通过实验方法或者通过计算机辅助建模来确定。 

步骤865-870：系统时钟频率随后可单调递增，从初始值f_min增加到相差Δf的下一频率值，直到系统时钟频率达到具有最高自然谐振频率的阵列中活动元件的自然谐振频率，所述的最高自然谐振频率称为f_max且一般通过实验方法或者通过计算机辅助建模来确定。然而应该知道，可选择地，系统时钟频率可能是单调递减的，从f_max减小到f_min，或者可以非单调地变化。 

应该知道，当活动元件10在其自然谐振频率f_r被激励(excite)时，该活动元件在每一周期增加其振幅，直到达到在下文中称为A_max的某个最大振幅为止。一般地，活动元件达到A_max需要的持续时间Δt在调整(set up)期间被记录，以及在初始化序列期间施加的磁力被选择为使得A_max等于活动元件从其静止状态(idle state)到顶部闩锁装置或者底部闩锁装置所需要移动的距离的两倍。 

Q因数或者品质因数是一已知的因数，其比较振动的物理系统的振幅的衰减的时间常数与该系统的振动周期。等效地，品质因数比较系统振动的频率与系统耗散其能量的速率。较高的Q指示相对于振动频率的较低的能量耗散速率。优选地，活动元件的Q因数或者通过计算机或者通过实验方法来确定。这样确定的Q因数描述了在振幅降到A_max的50％之前，频率f_CLK从f_r离开多少(两个可能值，一个低于f_r，而一个高于f_r)。两个可能值之间的差是Δf。 

作为上述步骤的结果，交变极性的电磁力的序列现被施加到活动元件的阵列。由于系统时钟中引起的变化，在相同极性的力的连续的施加之间的时间间隔随着时间变化，由此限定用于序列的变化的频率级。这导致在任何时间t，增加各个自然谐振频率与在时刻t的频率级足够相似的所有活动元件的振动的振幅。频率级变化的足够慢(即只在适当的时间间隔Δt后，在所有的迭代中，Δt可以相等或可以不相等)，以允许自然谐振频率类似于当前频率级的所有活动元件的集合S在电磁场交变频率级变得与它 们的自然谐振频率不同而停止增加活动元件的集合S的振动的振幅之前被闩锁。频率级的变化范围相应于自然谐振频率范围。一般地，在初始化序列的最后(步骤872)，系统时钟f_CLK被设定为预先定义的系统频率，一般是阵列中活动元件的自然谐振频率的平均值或中值，例如，44KHz。 

用于确定活动元件的自然谐振频率的范围的一种方法是使用振动计检查活动元件的阵列并在不同的频率下对阵列进行激励。 

图8E是根据本发明的优选实施方式构造并操作的装配好的扬声器系统的简化的等距视图图示。安装在PCB 2100上的是致动器元件的阵列，所述致动器元件包括夹在闩锁元件20之间的活动元件10(未显示)。该阵列被线圈40围绕。显示了控制线2110，通过该控制线，由处理器802中的闩锁控制器50(未显示)产生的闩锁控制信号被传播到闩锁元件20。放大器811放大由处理器802中磁场产生控制器30(未显示)提供给线圈40的信号。连接器2120将图8E的装置连接到数字声源。为简单起见，没有显示传统的组件例如电源组件。 

现基于图8F，描述用于使用根据本发明的实施方式构造并操作的装置来产生声音的优选的操作方法。优选地，图8F的方法基于时域中的声音的表示法(representation)，一般为PCM(脉冲编码调制)表示法。 

图8F的再采样器814：除非PCM的采样速率刚好与系统时钟相同，否则对PCM进行再采样以使其采样速率升高到或下降到图1A的装置的系统时钟频率(图11A中的顶行)。 

一般地，可以使用任何适当的采样速率。特别地，本发明的系统产生具有至少两个不同频率的声波，其中一个频率是由输入信号决定的期望的频率，而另一频率是人为产物(artifact)。人为产物的频率是时钟频率即系统的采样速率。因此，优选地，系统采样速率被选择为在人类听觉范围之外，即至少为20KHz。奈奎斯特采样原理教导系统时钟必须选择为扬声器被设计为产生的最高频率的至少两倍。 

缩放器(scaler)815：PCM字长一般为8位、16位或者24位。8位PCM的表示法是无符号的，振幅值随着时间从0变化到255，而16位PCM 和24位PCM的表示法是有符号的，振幅值随着时间分别从-32768变化到32767以及从-8388608变化到8388607。图1-2C的扬声器一般使用无符号的PCM信号，因此，如果PCM信号是有符号的，例如如果PCM字长是16位或者24位，则加上适当的偏差以获得相应的无符号信号。如果PCM字长是16位，则加上32768个振幅单位的偏差以获得0-65535振幅单位的新的范围。如果PCM字长是24位，则增加8388608个振幅单位的偏差以获得0-16777215振幅单位的新的范围。 

接着PCM信号按需要被进一步再缩放，这使得其以振幅单位计的范围等于图1-2C的装置中的扬声器元件的数目。举例来说，如果扬声器元件的数目是2047，而PCM信号是8位的信号，则信号乘以因数：2048/256＝8。或者，如果扬声器元件的数目是2047，而PCM信号是16位的信号，则信号乘以因数：2048/65536＝1/32。 

通过根据再缩放的PCM信号的当前值致动适当数目的扬声器元件，来产生声音以表示再缩放的PCM信号。应该知道，扬声器元件具有两个可能的终止状态(end-state)，在此分别称为“向下”终止状态以及“向上”终止状态，且已分别在图2A和2B中示意性地示出。选择这些终止状态中的单独一个状态，在任何给定的时间，处于该终止状态的扬声器元件的数目匹配再缩放的PCM信号的当前值，同时剩余的扬声器元件处于相反的终止状态。举例来说，如果有2047个扬声器元件，所选择的终止状态为“向上”且在时刻t再缩放的PCM信号的值是100，则在时刻t处于“向上”和“向下”终止状态的扬声器元件的数目分别是100和1947。根据本发明的某些实施方式，只要扬声器元件的总数相应于再缩放的PCM信号的当前值，那么特定的扬声器元件被选择为处于“向上”状态并不重要。 

接着，每当缩放器815产生一个采样值，则执行M次下面的循环。M是图1A的装置中的致动器元件的数目。i是当前循环的索引(index)。使用V_t来标示从缩放器815输出(exit)的当前采样值(为此执行M次循环迭代)。一般地，闩锁到其顶部位置的活动元件的数目正好等于V_t的值，且所有剩余的活动元件都闩锁到它们的底部位置。因此，当i仍然小于V_t时，在图8F中称为“Pi”的第i个活动元件或者像素将被闩锁到其顶部位置。 这可通过检查(图8F，步骤840)在前一循环(t-1)中处理活动元件i时，该元件是处于其顶部闩锁位置或是处于其底部闩锁位置而完成。若情况是处于顶部闩锁位置，则不需进行任何动作，且方法跳到递增步骤842。如果情况是处于底部闩锁位置，则元件i标记为需要闩锁到其顶部位置的元件(步骤839)。为将所有剩余的活动元件闩锁到它们的底部位置，对于索引超过V_t的所有活动元件执行下面的步骤：检查(步骤838)哪些元件已经处于它们的底部位置；这些活动元件不需要进一步的处理。将所有其他的元件标记(步骤841)为需要闩锁到它们的底部位置的元件。一旦所有M个元件都已如上所述般标记或不标记，则执行以下步骤： 

验证磁场指向上，或等待此状况(步骤843)，以及对于待被升高的V_t个或较少的像素，对底部闩锁装置放电而对顶部闩锁装置充电(步骤844)。接下来，等待磁场指向下(步骤845)，以及对于待被降低的(M-V_t)个或较少的像素，对顶部闩锁装置放电而对底部闩锁装置充电(步骤846)。此时，流程等待缩放器815产生下一个样值并随后就如对于上述采样值所描述的，开始循环的M次迭代。 

应该知道，优选地在磁场极性为向下的半时钟周期期间执行步骤843之前的步骤。优选地在磁场将其极性从向下改为向上时执行步骤844。类似地，优选地在磁场将其极性再次从向上改为向下时执行步骤846。还应该知道，为了使设备保持与数字化的输入信号同步，步骤814-846都优选地在小于一个时钟周期中执行。 

图9A是总结了根据本发明的优选实施方式的活动元件10受到的不同的力的曲线图。 

图9B是磁场梯度感应层的简化的示意图，所述磁场梯度感应层根据本发明的优选实施方式构造并操作，且包括至少一个卷绕的传导性元件2600，该元件嵌入介电基板2605并一般配置成在通道2610的阵列之间卷绕。一般说来，沿图9B的传导层的外周没有通道2610，这使得在邻近外周的通道内感应的梯度实质上与邻近传导层的中心的通道内感应的梯度是相同的。 

如果图9B的层与上述的分隔器层是分开的，则图9B的层中的通道相对着上面详述的分隔器层中的通道而被布置，并作为上面详述的分隔器层中的通道的延续部分。通道2610的截面尺寸，例如直径可以与分隔器层中的通道的直径不同。可选择地，图9B的层可同时起分隔器层和磁场感应层的作用，在这种情况下，图9B的通道2610正是上文所述的分隔器层通道。应该知道，为简单起见，形成分隔器层的部分的电极未在图9B中显示。 

图9C和9D示出了图9B的传导层的磁场梯度感应功能。在图9C中，流过卷绕元件2600的电流由箭头2620表示。在图9C中，产生的磁场的方向由X 2630和环绕的点(encircled dot)2640指示，分别指示产生的磁场在什么位置指向页面以及指出页面。 

图10A是根据本发明的优选实施方式的图1A中的闩锁装置20中包括的闩锁层的简化的顶部截面示图。图10A的闩锁层适合于闩锁这样的活动元件：所述的活动元件被划分为几组G1、G2、...，这些组的闩锁装置如所显示地电气地相互连接以便允许闩锁装置的共同致动。一般地此实施方式的特征在于，通过对在划分的组中的所选择的组的闩锁装置共同地充电，可以致动任何数目的活动元件，闩锁层中的各闩锁装置一般与永磁体相关联，其中闩锁层中所有永磁体的磁极都被相同地布置。各组Gk可包括2的(k-1)次幂个活动元件。活动元件的组可螺旋状地离开活动元件的阵列的中心，最小的组最接近中心，如图所示。 

图10B是图10A的闩锁层的可供选择的实施方式的简化的电子线路图，其中，各闩锁装置被图1A的闩锁控制器50单独地控制，而不是共同地控制(即充电)。应该知道，闩锁装置显示为环形的，然而可选择地，这些闩锁装置可以具有如在此描述的任何其他适合的结构。图10B的层包括界定结点的垂直导线和水平导线的网格。一般在各结点处设置门电路，例如双极型场效应晶体管。为打开单独的门电路从而对相应的闩锁装置充电，沿着相应的垂直导线和水平导线提供适当的电压。 

图11A是显示优选的充电控制方案的时序图，所述的方案可在单向扬声器应用中由图1A中的闩锁控制器50使用，其中代表期望的声音的输入 信号被接收，而通过对根据本发明的优选实施方式构造并操作的活动元件10的各自的闩锁装置适当充电，来响应性地控制这些活动元件，以便获得声图案，在所述声图案中，扬声器的前面的音量大于其他区域的音量，闩锁层中的各闩锁装置与永磁体相关联，而闩锁层中所有永磁体的磁极全部相同地布置。图11B是图11A的时序图所关于的活动元件的示例性阵列10的示意图。 

现参考图11A-B描述闩锁控制器50的操作的一个优选的模式。为表述清楚，仅以举例的方式，参考包括如在图11B中显示的编号为P1、P2、...P7的7个像素的扬声器，描述该优选的操作模式。进一步根据用来解释闩锁控制器50的优选的操作模式的实例，7个像素在分别包括1个像素、2个像素和4个像素的三个组中被致动。一般地，如在此详述的，闩锁控制器50使用多种判定参数，以确定在每个时间间隔如何控制各单独的活动元件。根据本发明的优选实施方式构造并操作的扬声器一般是可操作为再生一声音，该声音由曲线图II的模拟信号表示，并随后被数字化且提供给本发明的扬声器。在图11A的曲线图III中显示了数字信号的值。 

曲线图IV显示由线圈或者其他磁场产生器40对活动元件10施加的电磁力的交变。曲线图V是由闩锁控制器50向单独的活动元件P1的顶部闩锁装置提供的信号，P1在图11B中被见到，其自身形成只由P1组成的活动元件的第一组G1。曲线图VI是由闩锁控制器50提供给P1的底部闩锁装置的信号。P1的状态，由于与其相关联的闩锁装置的操作，显示在图VII中，其中黑色指示顶部闩锁装置接合P1的顶部极限位置，白色指示底部闩锁装置接合P1的底部极限位置，而阴影指示中间位置。 

曲线图VIII是由闩锁控制器50提供给在图11B中见到的活动元件P2和P3中的每个元件的顶部闩锁装置或活动元件P2和P3两者的顶部闩锁装置的信号，所述的活动元件P2和P3一起构成活动元件的第二组GII。曲线图IX是由闩锁控制器50提供给第二组GII的底部闩锁装置的信号。P2和P3的状态，由于与其相关联的闩锁装置的操作，分别显示在曲线图X和曲线图XI中，其中黑色指示顶部闩锁装置接合相关活动元件的顶部 极限位置，白色指示底部闩锁装置接合相关活动元件的底部极限位置，且阴影指示相关活动元件的中间位置。 

曲线图XII是由闩锁控制器50提供给在图11B中见到的活动元件P4-P7中的每个元件的顶部闩锁装置或者P4-P7中的所有元件的顶部闩锁装置的信号，所述的活动元件P4-P7一起构成活动元件的第三组GIII。曲线图XIII是由闩锁控制器50提供给第三组GIII的底部闩锁装置的信号。P4-P7的状态，由于与其相关联的闩锁装置的操作，分别显示在曲线图XIV-XVII中，其中黑色指示顶部闩锁装置接合相关活动元件的顶部极限位置，白色指示底部闩锁装置接合相关活动元件的底部极限位置，且阴影指示相关活动元件的中间位置。 

图形XVIII示意性地示出了图11B的活动元件P1-P7处于其不同的位置，这些位置是时间的函数。 

举例来说，在时间间隔I5中，时钟为高(曲线图I)，数字化的采样值是2(曲线图III)，这指示5个元件需要处于它们的顶部位置，2个元件处于其底部位置，如在曲线图XVIII的时间间隔I5中所示。因为在此实施方式中的闩锁装置致动是共同的，这通过选择组G1和G3实现，G1和G3共有5个元件(1+4)将处于它们的顶部位置，而G2中的两个活动元件将处于它们的底部位置。如曲线图IV中示出的，在时间间隔I5中磁场指向上。在时间间隔I4中，如在曲线图XVIII中示出的，G1中的活动元件在其底部位置，并因此需要被升高。为实现此目的，降低控制信号B1(曲线图VI)，而升高控制信号T1(曲线图V)。于是，G1的活动元件呈现其顶部位置，如在曲线图VII中所示。在时间间隔I4中，G2中的活动元件已经如曲线图XVIII中所示，处于它们的底部位置，且因此如在曲线图VIII中所见到的，顶部控制信号T2保持为低，如在曲线图IX中所见到的，底部控制信号B2保持为高，并且因此，如分别在曲线图X和曲线图XI中显示的，G2中的两个活动元件(P2和P3)保持在它们的底部极限位置。对于组G3，在时间间隔I4中，G3中的活动元件已经如曲线图XVIII中所示，处于它们的顶部位置，且因此如在曲线图XII中所见到的，顶部控制信号T3保持为高，如在曲线图XIII中所见到的，底部控制信号 B3保持为低，并且因此，如分别在曲线图XIV-XVII中显示的，G3中的四个活动元件(P4-P7)，保持在它们的顶部极限位置。 

优选地，当曲线图II中的输入信号在正的局部最大值时，所有活动元件都处于它们的顶部位置。当输入信号在负的局部最大值时，所有活动元件都处于它们的底部位置。 

图11C是显示在全向扬声器应用中由闩锁控制器50使用的优选的控制方案的时序图，其中代表期望的声音的输入信号被接收，而根据本发明的优选实施方式构造并操作的活动元件被响应性地控制，以便获得声图案，在所述声图案中，位于扬声器前面的某一距离处的区域的声音的响度与距扬声器相同距离处的环绕扬声器的所有其他区域中的响度相似。 

如所显示的，选择性地闩锁的步骤包括在一时间闩锁特定的活动元件，所述的时间由该特定的活动元件距阵列的中心的距离确定(例如，由图11B的圆形阵列中的r表示)。一般说来，当期望闩锁活动元件的特定的子集(通常在数目上相应于期望的声音的强度)时，活动元件并非被同时闩锁，而是被顺序地闩锁，其中最靠近中心的活动元件首先被闩锁，接着是通常分层地，自中心同心地向外布置的那些活动元件。一般地，同时致动各层中的活动元件。通常，闩锁特定的活动元件的瞬间以及闩锁第一、中心活动元件或多个活动元件的瞬间之间的时间距离Δt是r/c，其中c是声速。 

应该知道，在图11C中的曲线图X中的活动元件显示为包括柔性外围部分，然而这仅是作为举例，而不旨在是限制性的。 

图12A和12B分别是根据本发明的优选实施方式的活动元件层的简化的顶视图和截面视图，其中永磁体的一半放置为北极向上，而一半放置为北极向下。此实施方式的特别的优点为，活动元件可以在电磁场指向上以及电磁场指向下时的两种情况下被升高，而不用等待电磁场指向上再升高活动元件以及等待电磁场指向下再降低活动元件。尽管示出的实施方式显示了相互分离的两个子集，但情况未不是必须如此。两个子集可以相互交错。 

图13是与图10A类似的简化的顶视图图示，只不过闩锁层中一半的永磁体布置为北极向上，而闩锁层中剩余的一半永磁体布置为北极向下。然而在图10A的实施方式中，有各大小为1、2、4、...的一组。在图13的实施方式中，有各大小为1、2、4、...的两个组，由此产生大小为1、2、4、...的组的两个序列(其可如在图10A中所示，绕着中心顺序地排列，尽管情况并不是必须如此)。在示出的实施方式中，第一序列中的组称为GIL、G2L、G3L、...而第一序列中的组称为G1R、G2R、G3R、...这些序列中的每一序列都安排在一个半圆内，例如所示的左半圆和右半圆。半圆内组的排列不必如所示出的，按组的大小同心地向外延伸，而可以是任何期望的排列，然而，优选地，两组互相对称地排列在其各个的半圆内。应该知道，通过使用适当的线圈设计，当线圈产生的磁场在一半的活动元件上具有特定极化而在另一半活动元件上具有相反的极化时，使用全部以相同的方向被极化的永磁体，可以达到相同的效果。 

图10A和图13的实施方式的特有的特点是，相应于某些活动元件的闩锁元件被电地相互连接，由此形成活动元件的组，这些活动元件可以通过分别对它们的电地相互连接的闩锁装置共同地充电或放电而被共同地闩锁或释放。 

图14是示出用于具体实例的对闩锁装置以及线圈感应的电磁力的控制的控制图，其中活动元件被排列成组，每组可选择性地被共同地致动，类似于图8A，只不过如图13中所示，闩锁层中一半的永磁体布置为北极向上而闩锁层中剩余的一半永磁体布置为北极向下，然而在图8A中，闩锁层中所有永磁体的磁极都被相同地布置。如图14所示，向所有的组G1L、G2L、G3L、...以及G1R、G2R、G3R提供闩锁信号。用于这些组的顶部闩锁信号分别表示为LT1、LT2、LT3、...以及RT1、RT2、RT3。用于这些组的底部闩锁信号表示为LB1、LB2、LB3、...以及RB1、RB2、RB3。 

图15A是显示在单向的扬声器应用中由闩锁控制器50使用的优选的控制方案的时序图，该时序图类似于图11A的时序图，只不过如图13中所示，闩锁层中一半的永磁体布置为北极向上而闩锁层中剩余的一半永磁体布置为北极向下，然而在图11A中，闩锁层中所有永磁体的磁极都被相 同地布置。图15B是图15A的时序图所关于的活动元件的示例性的阵列的示意图。 

如上所述，对比图8A、图10A以及图11A的实施方式，图13-15A的实施方式的特别的优点在于，活动元件可在电磁场指向上时以及当电磁场指向下时的两种情况下被升高，而不用等待电磁场指向上再升高活动元件以及等待电磁场指向下再降低活动元件。应该知道，在图11A中，在50％的时隙中没有元件运动，这可能引起声音的失真，且相对来说效率很低。相比之下，在图15A中，元件在100％的时隙中运动(除了其中不需要运动的时隙外，因为数字信号值没有改变)，由此避免失真并提高了效率。 

举例来说，在时间间隔I5中，数字化信号值从1变化到2，如在图11A和15A的曲线图II中所示。因此，图11A中的活动元件P1需要被升高，即从其当前的底部极限位置释放并闩锁到其顶部极限位置，然而尽管在I5中，控制信号B1降低而控制信号T1升高，但是在时间间隔I6中没有变化。相比之下，在图15A中，当活动元件LP1(以及RP1)需要升高时，在时间间隔I5中，控制信号LB1降低且控制信号LT1升高，并后来马上在时间间隔I6中，RB1控制信号降低而RT1信号升高，导致RP1向上的运动，而没有在图11A出现中的延迟。 

一般在图13-15A的实施方式中，因为一半的磁体(比方说左边一半)北极指向上而剩余(右边)一半北极指向下，因此当期望使元件10向上运动时，总可以在没有延迟的情况下完成。如果磁场指向上，则处于阵列左半部分的活动元件可以在处于阵列右半部分的活动元件之前向上运动，而如果恰好发现磁场指向下，则处于阵列右半部分的活动元件可以在处于阵列左半部分的活动元件之前向上运动。 

图15C是显示在不同时间，且作为由图1A的闩锁控制器50接收的输入信号的频率的函数的、布置在顶部极限位置和底部极限位置的活动元件的数目的变化的图示。 

图16A是活动元件层的等距视图图示，该活动元件层是在图1A和图2A-2C中显示的活动元件层的替换形式，其中层由薄箔形成，这使得各活动元件都包括中心部分和周围部分。 

图16B是在图1A和图2A-2C中显示的活动元件层的又一替换形式的等距视图图示，其中在各活动元件的外围的弯曲部分结构包括一片柔性材料，例如橡胶。各活动元件的中心区域包括可以安装或可以不安装在刚性盘上的磁体。 

图16C是在图7A-7E或者图16A中描绘的活动元件以及围绕的弯曲部分的优选的实施方式的等距视图，其中弯曲部分在厚度上有所变化。在图16C中，为简单起见，没有显示致使活动元件1620受磁场影响的组件，可优选地包括磁体或可选择地，铁磁体、传导性的材料或者线圈。如所示的，活动元件1620包括蜿蜒的外围弯曲部分1630，弯曲部分1630具有厚度不同的部分，这些厚度不同的部分将活动元件的中心部分1640连接到薄片1650，薄片1650使所有或许多活动元件互相连接。举例来说，厚度不同的部分可如所示出的，分别包括较厚的部分1660和较薄的部分1670。例如，如果各活动元件的中心部分1640的直径为300微米，且薄片为硅，则在某些情况下，部分1670可以是50微米厚而部分1660可以是100微米厚。更一般地，例如使用FEA(有限元分析)工具，厚度作为材料的函数来计算，以提供特定应用的柔韧性和强度水平。 

图16D是图16C的装置的低成本替换形式的等距图示，其中弯曲部分在宽度上有所变化。如在图16C中，为简单起见，没有显示致使活动元件1720受磁场影响的组件，优选地可包括磁体或可选择地，铁磁体、传导性的材料或者线圈。如所示的，活动元件1720包括蜿蜒的外围弯曲部分1730，弯曲部分1730具有宽度不同的部分，这些宽度不同的部分将活动元件的中心部分1740连接到薄片1750，薄片1750使所有或许多活动元件互相连接。举例来说，宽度不同的部分可如所示出的，分别包括较宽的部分1760和较窄的部分1770。例如，如果各活动元件的中心部分1740的直径为300微米，且薄片为硅，则在某些情况下，部分1770可以是20微米宽而部分1760可以是60微米宽。更一般地，例如使用FEA(有限元分析)工具，宽度作为材料的函数来计算，以提供特定应用的柔韧性和强度水平。 

应该知道，图16C和图16D的实施方式可以被适当的组合，例如以对弯曲部分提供变化的厚度和变化的宽度，及/或可以被改变，例如以提供宽 度及/或厚度连续地或如图示的不连续地变化的，以及如图示的有规律地或不规律地变化的弯曲部分。 

在以上描述中，“厚度”是弯曲部分在活动元件的运动方向上的尺寸，而“宽度”是弯曲部分在垂直于活动元件的运动方向的方向上的尺寸。 

图16C和图16D的实施方式的特别的优点在于，在截面变化的，例如厚度变化或宽度变化的弯曲部分中，应力并不集中在弯曲部分的根部1680或者1780，而是分布在弯曲部分的所有的薄的及/或窄的部分上。另外一般说来，作为弯曲部分弯曲的结果的弯曲部分上的应力是厚度的陡函数(steep function)，一般是厚度的三次方函数，且也是宽度的函数，一般是宽度的线性函数。认为至少对于例如硅的某些材料，以及至少对于利用活动元件的大的位移的某些应用，例如公共广播扬声器(public addressspeaker)来说，选择的弯曲部分尺寸一致地足够薄或足够窄以提供足够低的应力以便防止断裂，且同时足够坚硬以允许期望频率范围的，例如44KHz的自然谐振频率是不切实际的。还是因为这个原因，使用例如在图16C-16D中示出的，厚度变化及/或宽度变化的弯曲部分被认为是有利的。 

图17是类似于图3A的阵列的致动器元件的阵列的顶部、截面图的图示，只不过在图3A中，各个活动元件或闩锁装置的连续的行分别都是歪斜的，以便增加可以装入给定面积的致动器元件的数目，而在图17中，行不是歪斜的且一般构成矩形阵列，在该矩形阵列中行是相互对齐的。 

图18是致动器元件的阵列的可供选择的实施方式的分解视图，包括夹在顶部闩锁层1820和底部闩锁层1830之间的活动元件的层1810。图18的装置的特征在于，各致动器元件的截面是方形的而不是圆形的。各致动器元件也可具有任何其他的截面形状，例如六边形或者三角形。 

图19是被支承在支架内的致动器的等距阵列，所述阵列提供的有效面积是各个致动器阵列的有效面积的总和。换句话说，在图19中，提供了多个致动设备，而不是单个致动设备。这些设备不必相同，且各设备可以具有不同的特征，例如但不限于不同的时钟频率，不同的致动器元件大小以及不同的位移。这些设备可以共用或可以不共用组件，这些组件例如但不限于线圈40及/或磁场控制器30及/或闩锁控制器50。 

术语“有效面积”指在各阵列中所有致动器元件的截面面积的总和。应该知道，一般而言，由根据本发明的优选实施方式构造并操作的扬声器产生的音量(或者，对于一般的致动器而不是扬声器来说，增益)的范围往往受有效面积的限制。另外，可产生的音量的分辨率与提供的致动器元件的数目成比例，这又往往受有效面积的限制。通常，例如，如果各致动器阵列存在于晶片上，则对各致动器阵列的大小有实际的限制。 

如果扬声器用作耳机，则只需要提供相对小范围的音量。家用扬声器(home speaker)通常需要中级音量范围，而公共广播扬声器一般具有大的音量范围，例如其最大音量可以是120分贝。扬声器应用在扬声器的可用物理空间的大小上也不同。最后，用于特定应用的音量的分辨率由期望的音质决定，例如手机一般不需要高的音质，然而空间是受限的。 

根据本发明的某些实施方式，活动元件上的磁体层可被磁化为在不同于元件的运动方向的方向上被极化，以实现沿着与期望的元件运动方向对齐的电磁场梯度的最大力。 

此外再次参考图12A-15B，应该知道，如果使用的线圈设计为使用在元件的两侧承载电流的导体，且磁体全部被以相同的方向极化，则当电流在线圈中流动时，在各导体的一侧上的元件将在相反的方向上运动。 

本发明的优选实施方式的特有的特性在于，由活动元件执行的运动的冲程比较长，这是因为施加到活动元件上的场是磁性的场，因此其以与活动元件和产生磁场的电流之间的距离成反比的速率衰减。相比之下，静电场以与在活动元件和产生静电场的电荷之间的距离的平方成反比的速率衰减。作为由活动元件达到的长冲程的结果，增加了由此达到的速度，因为由活动元件的高速运动产生的气压增加，因此可以达到的响度增加。 

应该知道，这里具体示出的实施方式并不旨在是限制性的，例如从活动元件不必皆为相同的大小的意义上说，活动元件的组，或者各个活动元件如果被单独地致动，则不必在相同的谐振或以相同的时钟操作，以及活动元件不必具有相同位移的幅值。 

在此显示及描述的扬声器设备通常可操作为产生其强度与编码成输 入数字信号的强度值相对应的声音。任何适当的协议都可用来产生输入数字信号，例如但不限制于PCM或PWM(SACD)协议。可选择地，或附加地，设备可支持压缩的数字协议，例如ADPCM、MP3、AAC或AC3，在这些情况下，解码器通常将压缩的信号转换为非压缩的形式，例如PCM。 

根据在此显示和描述的任何实施方式的数字扩音器的设计可由特定应用的计算机建模与仿真辅助。响度计算可按惯例执行，例如使用流体动力有限元计算机建模以及根据经验的实验。 

一般而言，随着越多的扬声器元件(活动元件)被提供，动态范围(可产生的最大及最轻的音量之间的差别)变得越宽，失真(失真越少，声音越像输入信号)变得越小而频率范围变得越宽。另一方面，如果提供较少的扬声器元件，则装置会更小且成本更低。 

一般而言，如果活动元件具有大直径，则有效面积及无效面积之间的比率(填充系数)提高，且假设振动位移保持相同，则在弯曲部分有应力时，应力较小，这转化为装备的较长的预期寿命。另一方面，如果活动元件具有小的直径，则在每单位面积提供更多的元件，且由于较少的质量，线圈或其他电磁力产生器中需要较少的电流，这转化为较低的功率需求。 

一般而言，如果活动元件的振动位移大，则给定尺寸的阵列产生更大的音量，而如果振动位移小，则弯曲部分上有应力时，应力很小，且功率需求较低。 

一般而言，如果采样速率为高，则最高可产生的频率为高而可听见的噪音减少。另一方面，如果采样速率为低，则在弯曲部分上有加速度、力、应力时，加速度、力、应力较小，且功率需求较低。 

现在描述三个特定应用的扬声器的实例。 

实例1：可期望制造一种手机扬声器，这种扬声器非常小、成本低、声音足够大以至于在隔壁房间听得到铃声，但仅具有普通音质。期望的小尺寸和低成本要求扬声器具有相对小的面积，例如最大300mm²。如果期望相对高目标的最大响度，例如90分贝SPL，则这要求大的位移。手机扬声器中可接受的失真水平(10％)及动态范围(60分贝)要求1000个 元件的最小阵列尺寸(使用M＝10^(60/20)计算)。因此，合适的扬声器可包括划分为10个二进制组的1023个活动元件，各元件占约0.3mm²的面积。因此单元尺寸(cell size)将是约550μm×550μm。 

由于实际的原因，适合此空间的最大活动元件可具有450μm的直径。这种活动元件的合理位移可以约为150μm PTP(峰-峰)，这允许达到目标响度。采样速率可为低，例如为32KHz，因为手机声音被蜂窝信道限制为4KHz。 

实例2：可期望制造高保真度的耳机，这种耳机具有非常高的声质(尽可能地最高)以及非常低的噪音，另外该耳机足够小以佩戴舒适，以及最后，尽可能的有成本效益。 

为获得高音质，可使用宽的动态范围(至少96分贝)、宽的频率范围(20Hz-20KHz)以及非常低的失真(＜0.1％)。在这些给定的假设下，元件的最少数目可以为63000。因此，举例来说，扬声器可具有划分成16个二进制组的65535个元件。最大响度可保持为低(80分贝)以便允许约50μm PTP的位移。能够达到这种位移的最小的活动元件的直径为约150μm。这样的元件可占据200μm×200μm或0.04mm²的单元，以使得65535个元件装入到2621mm²，例如52mm×52mm的面积中。采样速率一般是想要扬声器产生的最高频率的至少两倍，或40KHz。最接近的标准采样速率是44.1KHz。 

实例3：可期望制造公共广播扬声器，例如用于舞厅，这种扬声器非常大声，具有宽的频率范围，延伸到非常低的频率，且具有低失真。因此，PA(公共广播)扬声器一般具有许多大的活动元件。可以使用600μm的活动元件，其能够达到200μm PTP的位移。这样的元件占据750μm×750μm或者0.5625mm²的单元。由于低频率需求，可使用划分成18个二进制组的最少262143个活动元件。扬声器的尺寸可约为40cm×40cm。此扬声器通常达到120分贝SPL的最大响度水平并向下延伸到15Hz。 

现大概参考图20-23，这些图描述了优选的系统，该系统用于使用直接数字扬声器，例如此处在图1A-19中显示的扬声器中的任一扬声器，或例如传统的直接数字扬声器，该直接数字扬声器可例如包括在授予David Thomas，转让给Texas Instruments并在2002年6月11日发布的美国专利6,403,995中，或者在Diamond Brett M.等人的“Digital sound reconstructionusing array of CMOS-MEMS micro-speakers”，Transducers(换能器)′03，2003年6月8日-6月12日在波士顿的关于固态传感器、致动器和微系统的第12届国际会议中显示和描述的扬声器，来实现用于期望的声流(soundstream)的音量控制。 

除非另有说明，否则根据下面的讨论明显的是，应该知道在整个的说明书讨论中，使用术语，例如“处理”、“计算(computing)”、“选择”、“施加”、“计算(calculating)”、“确定”、“产生(generating)”、“生产(producing)”、“提供”、“得到”及类似词指计算机或者计算系统，或者处理器，或者逻辑或者类似的电子计算设备的动作及/或过程，上述的设备把在计算系统的寄存器及/或记忆体内表示为物理的，例如电子的量的数据，处理及/或转换成在计算系统的记忆体、寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。 

本发明的实施方式可使用术语，例如用于执行在此的操作的处理器、计算机、存储器、数据库、装置、系统、子系统、模块、单元(unit)、选择器以及设备(以单数或复数形式)。这可为期望的目的特别构造，或者其可包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地启动或重新配置的通用的计算机。这样的计算机程序可存储在计算机可读的存储介质中，例如但不限于，任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM，磁光盘，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、磁卡或光卡，或者适合于存储电子指令，并能够被耦合到计算机系统总线的任何其他类型的介质。 

在此提到的处理/设备(或上面说明的作用相当的术语)及显示器并不固有地与任何特定的计算机或其他装置相关。各种通用的系统可与根据这里教导的程序一同使用，或者可证明构造更专用的装置来执行期望的方法是方便的。用于多种这些系统的期望的结构将在以下的描述中出现。另外，本发明的实施方式不是参考任何特定的程序设计语言来描述的。应该知道，多种程序设计语言可用来实现如在此描述的本发明的教导。 

根据本发明的某些实施方式的适当的DDS被公开在2006年5月22日提交的美国60\802,126号专利中，其内容通过引用而被并入。 

这里在DDS中的音量控制的描述是特别在获得平坦频率响应的情况下说明的。注意到以下描述不受限于特定的DDS，而是能应用于任何DDS，例如但不限于参考图1A-19在以上显示和描述的那些实施方式或例如传统的DDS系统。 

如在下面将更加详细说明的，DDS可呈现不同于模拟扬声器的12分贝/倍频程的频率响应斜率。然而，尽管在模拟扬声器中隔膜的振幅补偿特定的响应，在扬声器的整个频率范围内引起扬声器期望的平坦响应，但这种中和作用在DDS中不存在。在DDS的某些实施方式中，频率响应斜率可以是6分贝/倍频程。 

在图20中示出了6分贝/倍频程的斜率(显示振幅(纵坐标)vs.频率(横坐标))。如所显示的，将频率从100Hz加倍到200Hz(3010，3020)将导致6分贝的振幅增加(从-42增加到-36-分别参见3030和3040)。该6分贝/倍频程的增益可应用在DDS的整个频率范围。 

为更好的理解6分贝/倍频程的特性，注意力回到上面的方程(1)和方程(2)。 

如可回忆起的，根据DDS的某些实施方式，线圈围绕整个换能器阵列结构，在整个换能器阵列上产生磁场，这将使得运动自由的任何元件能够根据场的交变方向而移动。线圈用比方说44KHz的固定频率f_CLK或者例如参考图15C在上文显示和描述频率的交流电来驱动。DDS可产生不同音调(22KHz、11KHz和4.4KHz分别是在形图II-IV中提供的实例)的声音。曲线图I显示了系统时钟，其在示出的实例中为44KHz。在示出的实施方式中，用来产生这些音调的扬声器具有2047个活动元件。当22KHz(时钟频率的一半)的声音产生时，所有2047个元件在各时钟时刻改变方向(从顶部到底部或从底部到顶部)。当11KHz(时钟频率的1/4)的声音产生时，2047个活动元件的一半在各时钟时刻改变位置。例如，如果在第一时钟，所有2047个活动元件在其顶部位置，则在第二时钟，降低元件中的1023个元件，在第三时钟，降低剩余的1024个元件，在第四时钟， 升高1023个元件，在第五时钟，升高剩余的1024个元件，以此类推。当4.4KHz(时钟频率的1/10)的声音产生时，在各时钟处于元件的顶部位置的元件的数目(1340，1852，...)显示在曲线图IV的顶部，而在各时钟处于元件的底部位置的元件的数目(707，195，...)显示在曲线图IV的底部。 

如在下面进一步详细描述的，由扬声器产生的声音的频率通过随时间改变压强产生元件的运动数目而变化，这使得在每个23μsec(＝1/44000)的时间间隔(以下称为时钟或者时钟间隔)内，给定数目的压强产生元件同时运动。注意到改变所产生的声音信号的频率不影响保持为常数的特定的频率f_CLK。因此，举例来说，考虑一种情况：在这种情况中，在给定的时钟间隔，所有微扬声器元件执行单向(1-way)冲程，例如，从底部位置运动到顶部位置(由于在给定方向产生的磁场的影响)，且在随后的时钟间隔内，磁场的方向倒转，强制所有元件执行反向冲程，即从顶部位置运动到底部位置。净效应(net effect)是所有压强产生元件在两个时钟间隔内或在本实施例中的46μsec内完成往复的冲程循环(从底部到顶部并从顶部到底部)，导致所产生的声音具有22KHz或f_CLK/2频率。 

现在，假设期望进一步将所产生的声音的频率分为原来的1/4(divideinto 4)，施加到线圈的驱动时钟将保持为常数(f_CLK)，然而时钟间隔的数目将从2变到4(同样影响每一时钟间隔将同时运动的元件的数目)。更具体地说，在第一时钟时间间隔内，一半的压强产生元件将从底部位置运动到顶部位置，且在随后的(第二)时钟时间间隔内，剩下的一半元件将从底部位置运动到顶部位置，由此完成压强产生元件的整个阵列的单向冲程。接下来，在第三时钟脉冲，一半的压强产生元件将从顶部位置运动到底部位置，而在第四时钟时间间隔，剩余一半元件将从顶部位置运动到底部位置，在4个时钟时间间隔内或者92μsec内完成阵列的往复的冲程，由此产生f_CLK/4或者11KHz的特定频率。注意到在上述两种情况下，交变信号都是以频率f_CLK施加到线圈的。 

记住上面提到的内容，与所产生的声音的频率f无关，在方程(1)中提到的频率f_CLK为恒定的(并因此不影响由各活动元件产生的压强P)。 应该知道，就模拟扬声器而言，情况不是这样，即改变f以便影响所产生的声音信号的频率。 

回到DDS，如可回忆起的，方程(1)还提到了代表振动的活塞表面面积的S。注意到在DDS情况下的S是同时运动的所有压强产生元件的总计的表面。在上面的实例中，将频率减半并不影响频率f_CLK，而将S减为原来一半(因为在各时钟时间间隔内，阵列中只有一半活动元件同时运动)。换句话说，将频率减半导致表面积S相应的减小(减为原来的1/2)，使得压强P减半(根据给定的方程(1))。显然地，使频率加倍将导致S变为原来的2倍，并且相应地使压强P加倍。概括地说，尽管在模拟扬声器中使频率加倍引起所产生的压强P增加到原来的4倍(不考虑峰-峰振幅A的补偿因数，以便讨论)，但是在DDS中频率的相同的增加将导致所产生的压强只增加为原来的两倍。 

如可另外回忆起的，在模拟扬声器中(再次假设，隔膜的振幅A没有补偿效应，以便讨论)，频率的加倍使压强P增加为原来的4倍，这(根据方程(2))导致SPL增加12分贝，引起12分贝/倍频程的扬声器频率响应。在DDS中，如上面所解释的，使频率加倍导致压强P相应的加倍，这本身又导致所产生的SPL增加6分贝(与模拟扬声器中的12分贝相比较)，引起6分贝/倍频程的扬声器频率响应。更进一步地，在模拟扬声器的实际的操作情况中，隔膜的峰-峰运动(A)补偿12分贝/倍频程的特性，产生期望的平坦响应。相比之下，在DDS中，微型元件阵列的峰-峰运动的这种补偿因数一般不存在，因为各活动元件都通过通道在满冲程中(从底部位置到顶部位置以及从顶部位置到底部位置)运动，而与扬声器的所产生的频率无关，由此对于任何频率f都保持A基本上恒定。 

注意，本发明不受限于以6分贝/倍频程频率响应为特征的DDS的特定的结构和操作情况。 

为了在DDS中获得期望的平坦响应，本身已知的滤波器可应用到进入的数字采样的信号上以补偿6分贝/倍频程的频率响应。滤波器基于输入信号的频率和滤波器的特性来改变输入信号的振幅。根据某些实施方式， 这样的滤波器应呈现-6分贝/倍频程的频率响应，从而在整个频率范围内，保持基本上平坦的响应(即0分贝/倍频程)。 

应该知道，在DDS的某些实施方式中，在压强产生元件的控制机构中引入小的延迟以允许对DDS的方向的操控，例如参考图11A-11C以及图15A-15B且特别是图11C的上面的描述。通常，这样的延迟将随后影响在任何给定的时钟时间间隔可操作的压强产生元件的数目，从而影响扬声器的斜率。因此DDS的斜率可不同于6分贝/倍频程。如果情况如此，则调整滤波器的斜率以匹配DDS的斜率并具有与之相反的符号。 

根据某些实施方式，DDS的斜率不同于特定的6分贝/倍频程。例如，在全向扬声器的情况下(例如基于在此所描述的图11的实施方式，及/或基于关于除DDS系统外的扬声器系统中的全向性的已知的教导)，特定的斜率通常不同于6分贝/倍频程，而对于单向扬声器，特定的斜率一般为6分贝/倍频程。 

另外应该知道，在某些实施方式中，可能不需要平坦的频率响应，例如在通信设备的情况，所述通信设备例如手机。如果情况如此，则滤波器的斜率可不同于DDS的斜率。例如，DDS的斜率可以是9分贝/倍频程而滤波器的斜率可以是-6分贝/倍频程，实质上导致3分贝/倍频程的系统斜率。 

另外应该知道，在此描述的滤波器指在本领域已知的数字的或者模拟的任何系统，特征在于非平坦的频率响应，例如本身已知的均衡器(equalizer)或者放大器，或者衰减器，或者多个上述装置，或上述装置的组合等。 

一种呈现所要求的特性的、非常普通的形式的滤波器在本领域称为低通滤波器，在下文中称为LPF。通常这种LPF的传递函数的特征在于：在足够低的频率下的平坦的频率响应以及在足够高的频率下的倾斜的响应。频率从平坦变为倾斜时的频率在本领域称为滤波器的截止频率，并通常称为f_c。在一些情况下，滤波器呈现为连续的传递函数，且斜率从平坦逐渐地变为倾斜，在这种情况下，截止频率通常定义为与最大数值相比，数值 下降到-3分贝时的频率，在LPF情况下，该最大数值通常在传递函数的平坦部分获得。 

应该知道，包括结合了具有截止频率f_c的LPF的DDS的系统将只在超过截止频率f_c时显示平坦的频率响应。在所述截止频率以下，滤波器对系统的频率响应没有影响，从而导致频率响应斜率类似于DDS本身的斜率，即6分贝/倍频程。 

为描述的方便，将参考上面参考图1A-19所描述类型的DDS来描述音量控制扬声器设备，然而本发明绝不受限于使用特定的DDS，并因此其他适当的已知类型的DDS可以是适用的。 

在转为描述根据本发明的不同实施方式的一般系统结构之前，注意图21，该图示出这种曲线图，所述曲线图描绘了6分贝/倍频程的频率响应斜率3110(与参考图20描述的相同)以及-6分贝/倍频程的相应的滤波器响应斜率3120，该斜率3120补偿特定的频率响应并在整个频率范围内产生期望的平坦响应。 

注意，尽管理论上，应用具有在图21中所描绘类型的频率响应的LPF实现了期望的扬声器的平坦响应，但是这(如将在下面详细解释的)是以过低的SPL为重大代价而实现的，这种过低的SPL从听众的角度看是不可接受的。因此，如果特定的LPF在整个可听见的频率范围，比方说从20Hz到20KHz或约10倍频程内实现了平坦响应，则LPF应在60分贝的范围是可操作的(如在显示从-60变化到0的分贝单位的曲线图3100的纵坐标中所示)。LPF的这样一个频率响应表明滤波器截止频率f_c应该非常低，即20Hz或者如图21中所示的31.25Hz。 

一般而言，因为所产生的SPL直接与同时运动的压强产生元件的数目成比例，所以很容易发生，为了实现平坦响应，滤波器通常指示基本上相同数目的压强产生元件将在任何频率(在指定的频率范围内)(同时地)运动，例如参考图15C而在上面所描述的。 

DDS的所产生的频率由活动元件的指定组(bank)完成往复的冲程使用的时钟时间间隔(周期)的数目确定。作为举例，且如上所举例说明的， 假设阵列由n个压强产生元件组成，如果在给定的时钟时间间隔，所有n个压强产生元件都从底部位置运动到顶部位置，且在随后的时钟时间间隔，所有n个压强产生元件从顶部位置运动到底部位置，则所产生的频率将为f_CLK/2，因为完成活动元件组的往复冲程所需要的时间是两个时钟时间间隔(依此例，该组由全部n个元件组成)。注意，依此例，因为所有n个压强产生元件同时运动，因此获得了最大SPL。如以上所举例说明的，为了分频(f_CLK/4)，阵列被配置为在四个时钟时间间隔内(而不是两个时钟时间间隔内)完成往复冲程。因此，在第一时间间隔，使n/2个压强产生元件从底部位置运动到顶部位置，而在第二时间间隔，使另外n/2个压强产生元件从底部位置运动到顶部位置，完成所有n个压强产生元件阵列的单向冲程。类似地，在第三时间间隔内，使n/2个压强产生元件从顶部位置运动到底部位置，而在第四周期，使另外n/2个压强产生元件从顶部位置运动到底部位置，完成所有压强产生元件阵列的往复冲程。注意，依此例，所产生的f_CLK/4频率的SPL是所产生的f_CLK/2频率的SPL的一半，因为在前者中，n/2个元件同时运动，而在后者中，n个元件同时运动。注意，这种扬声器质量指标(specification)将不满足期望的平坦响应(对于所有的频率来说保持基本上相同的SPL)。继续此例，一种实现期望的平坦响应的可能的方法是只使用(对于较高的f_CLK/2频率)n/2个元件，而不是全部的n个元件。因此，在第一时间间隔中，n/2个元件(而不是n个元件)从底部位置运动到顶部位置，而在随后的周期内，相同的n/2个元件从顶部位置运动到底部位置，在两个周期内完成往复冲程(因此获得频率f_CLK/2)，然而产生相应于n/2个元件的移动的SPL，正如在特定的f_CLK/4频率的情况中，由此实现期望的平坦响应。 

应该知道，例如通过LPF而指定的，用于闩锁选定数目的压强产生元件的闩锁方法的实例在此参考图15C进行了描述。 

已经举例说明了如何产生f_CLK/2和f_CLK/4的频率，很容易出现这种情况：产生的较低频率要求将活动元件组划分成更小的子集，使得完成往复冲程所需要的时钟时间间隔的数目反比于期望的产生的频率。由DDS产生的最低可能频率(以下称为f_MIN)将要求在每个时钟时间间隔使一个元 件运动，致使在n个时钟时间间隔使所有n个元件的组从底部位置运动到顶部位置，以及在另一个n个时钟时间间隔使n个元件从顶部位置运动到底部位置，产生用于完成压强产生元件的组的往复的冲程的持续时间为T＝2·n。显然地，依此例，所产生的SPL非常低，这是因为在每个时钟时间间隔只有1活动元件在运动。 

概括地说，所产生的频率越高，在每一时钟时间间隔运动的元件越多。因此，所选择的f_c越高(即截止频率越高)，则产生的SPL越高。 

现在注意图22A，其示出了具有不同截止频率的一组LPF 3200，用于在根据本发明的某些实施方式的系统中使用。横坐标表示所产生的频率，而纵坐标表示所实现的增益(以分贝为单位)。如所显示的，描绘了几个具有不断增加的截止频率的LPF斜率。注意为便于说明，图22A描绘了从31.25Hz的截止频率(3210)扩大到4000Hz的截止频率3230的一组LFP。当然这只是实例，且取决于特定的应用，可静态地或动态地选择该组LPF，例如在20Hz到20KHz的特定的范围内。 

记住上面提到的内容，斜率3210具有31.25Hz的截止频率，而因此在超过31.25Hz的任何频率下获得期望的-6分贝/倍频程的衰减。下一斜率3220具有62.5Hz的截止频率，而因此在超过62.5Hz的任何频率下获得期望的-6分贝/倍频程的衰减。另外的斜率被示为分别用于截止频率125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz以及4000Hz(后者具有参考数字3230)。关注斜率3230，易于看出，在截止频率(3240)以下，没有获得衰减。因此，例如，如果LPF 3230被用于给定的频率，比方说1000Hz，那么加倍频率(到2000Hz)，将使所产生的SPL增加6分贝，并且特定的LPF(在4000Hz以下不起作用)将不会补偿此SPL的增加，这是因为特定的频率在滤波器3230的截止频率以下。相比之下，且如在上面所详细解释的，由于滤波器的补偿效应，(在截止频率以上的)频率中任何变化将不会影响所产生的SPL。 

图22B示出了对于几个不同的截止频率，组合的LPF和DDS的频率响应。应该知道，对每个LPF，组合的频率响应在截止频率以下，显示倾斜的部分，而在截止频率以上，显示基本上平坦的、恒定的部分。另外应 该知道，截止频率越高，频率响应的平坦部分越窄，因而扬声器的频率范围越窄。然而，截止频率越高，频率响应的恒定部分的SPL越高。 

更具体地说，在某些实施方式中，可期望在不同的使用情况下改变扬声器的性质。这可以是布置在手机内的DDS的情况。手机的扬声器可具有一种以上的用途。例如可使用该扬声器在特定的时间产生铃音，而在不同的时间，其可用于在“喇叭扩音器”或者“免提”模式下重现讲话人的语音。在前面一种情况中，需要DDS在相对低的SPL水平(即86分贝)重现350Hz以上的范围频率，而在后面一种情况中，虽然频率范围不很重要，但是需要明显更大的SPL(即95分贝)。因此，在第一种情况下，LPF的截止频率将被选择为350Hz，而在第二种情况下，LPF的截止频率将被选择为1000Hz，允许频率响应的平坦部分达到最大的SPL，比前一种情况高9分贝。 

现注意图23，其示出了根据本发明的实施方式的一般系统结构。如所显示的，系统3300包括本身已知的数字音频产生系统3310，该系统3310安装在比方说CD播放机、电视机系统、移动电话系统等中。所产生的数字音频信号3320馈送给DDS音量控制系统，该DDS音量控制系统包括LPF 3370、耦合到LPF贮存器(repository)3340的LPF选择逻辑3330。如将在下面详细解释的，LPF 3370根据由选择逻辑3330选择的、并从LPF贮存器3340抽取的LPF特征，对数字信号3320进行滤波。注意，馈送给LPF的数字信号3320可受到本身已知的预处理，例如采样速率转换器、均衡器、动态范围压缩器/扩展器、声效产生器、回音消除器等。可例如通过图8C的DSP 810来实现所述预处理，所述的DSP 810可在图8B的再采样阶段814和缩放阶段之间执行一个、一些或全部的这些预处理操作。 

LPF贮存器3240是用于产生或提供至少两个滤波器(例如参见在图22中所描绘的)的模块的实例，各所述滤波器具有不同的截止频率，使得各滤波器在其截止频率以下，基本上显示为没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上，显示相应于扬声器的所述频率响应斜率的衰减斜率。在一般的应用中，在本领域中众所周知，LPF可以按数字IIR或FIR滤波器的形式实现(分别为无限冲激响应或有限冲激响应)。这样的滤波器的频率 响应由一组滤波器系数决定。如果情况如此，则滤波器选择逻辑3330一般决定需要使用哪个滤波器系数组，从滤波器贮存器3340中取回所选择的系数组，并在块3390将该系数组传送到LPF 3370。 

注意根据某些实施方式，LPF的特性，例如系数组，由外部设备产生并存储在贮存器3340中，该贮存器3340将数据提供给LPF选择逻辑3330。根据某些实施方式，特定的特征在贮存器3340中产生，并由此提供给LPF选择逻辑3330。 

作为非限制性的实例，被提取的LPF特性与在图23中所描绘类型的LPF斜率匹配。被提取的LPF具有给定的截止频率，而且根据一般概念：截止频率越高，如此获得的SPL越高(在整个频率范围)，其有利于保持基本上恒定的SPL(在指定的频率范围内)，所有都如上面所详细解释的。 

根据某些实施方式，DDS音量控制包括LPF选择逻辑3330，该逻辑配置成根据选择标准来选择所述滤波器中的至少一个(例如来自贮存器3340的LPF特性)，根据某些实施方式，所述的选择标准至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率。已经选择了给定的LPF后，通过LPF 3370该LPF被施加到数字输入信号。例如通过用于增大或减小音量的用户界面或者音量控制3350，可控制特定的音量。界面3350可包括例如由用户控制的旋钮。在其他实施方式中，可通过外部的设备或应用自动地提供音量控制信号，而不用用户的干预。这可以是在上面的实例中描述的手机的情况，其中由手机控制电路基于手机是在“喇叭扩音器”模式下使用还是被用来产生铃声，来提供音量控制信号。控制机构3330从界面3350接收输入音量控制并选择适合的LPF，由此，只要所产生的频率高于扬声器的截止频率，则获得经滤波的数字信号3380，用于保持基本上相同的SPL。如此被滤波的信号3380被馈送给包括DDS控制器3360的DDS，并且例如根据阶段815以及参考图8B的在先描述的方式而被处理，且被馈送到扬声器机构(例如，换能器阵列)用于产生期望的声音。 

应该知道，在某些实施方式中，LPF贮存器3240可实时地准备LPF，而在其他的实施方式中，LPF贮存器3240只存储现成的LPF的组。例如，考虑处于喇叭扩音器模式和铃音模式中的特定的实例。合适的滤波器可通 过特定的逻辑以上面所描述的方式实时地应用于输入信号(不管输入信号是表示铃音还是人类语音)。根据某些实施方式，滤波器中的至少一个滤波器被实时地应用，而至少一个其他的滤波器被预处理，并且不被实时地应用。因此，举例来说，在人类语音的情况中，以所说明的方式实时地应用滤波器。然而，比方说在录音棚，通过选择适当的滤波器并将该滤波器应用于铃声，以及将已滤波的信号馈送到移动电话，铃音(其“内容”事先已知)可被预处理。因此，当适当的铃声被激活时，已经被预处理的信号被馈送到扬声器。注意，在这种情况下，选择逻辑实际上被分开，其中选择逻辑的一个组件存在于录音棚中(用于选择相应于铃音的滤波器)，而(适用于扬声器模式)另外的滤波器存在于电话中。 

显然地，其中依赖于输入信号的性质，滤波器中的至少两个滤波器可被选择或以预处理的方式应用。 

本发明不受限于示例性的阶段(电话和录音棚)，并因此，滤波器的选择及/或应用可用于过程的两个或更多的阶段。 

本发明同样不受限于移动电话的特定的实例及/或特定的铃音/扬声器模式。 

应该知道，根据本发明的优选实施方式，可结合图1A和图23的教导以便提供集成的扬声器系统，在这种系统中，一般地，图1A的闩锁控制器50包括图23的单元3330、3340、3350、3360和3370，而图1A中的输入信号由图23的音频产生系统3310产生。在此实施方式中，扬声器和数字控制机构3360可根据图1A-19的任何教导构造并操作，而块3330、3340、3350和3370可根据图20-23的任何教导构造并操作。根据某些实施方式，DDS可包括参考图1A-19中的任何一图而在上面显示和描述的实施方式中的任何一个。 

回到图23，根据特定的应用来确定可能的选择标准。在某些实施方式中，AGC(自动增益控制)机制可用于保证DDS的SPL基本上保持相同，而不管输入信号的音量如何变化。在这种情况下，AGC机制以本身已知的方式，自动地选择匹配期望的音量水平和输入信号的音量的LPF。 

举例来说，考虑移动电话应用。如在本领域中已知的，由于指定使用相对小尺寸的模拟扬声器的移动电话单元的物理限制，当前的模拟扬声器显示降低的性能。(安装在移动电话单元中的)模拟扬声器的小尺寸及其固有的被限制的振动幅度导致窄的频率响应和扬声器相对差的性能，特别是在低频情况下(例如，人类语音的较低的音区)。 

因此，举例来说，人类语音从呼叫者的移动电话传送，并在接收者的单元被重构。语音的在1000Hz以下的频率成分与较高的频率成分相比，或者完全被截断，或者严重地失真并被减小到很低的SPL。因此，对于移动电话单元的普通用户来说所熟知的，净效应是，重构的语音信号的质量下降。即使在较高的频率，所产生的音频信号的SPL在许多情况下强度也不是足够的。 

如将在下面所详细解释的，使用本发明的各种实施方式来处理特定的缺点。因此，根据本发明的某些实施方式，使用具有特定的数字音量控制的DDS。LPF选择逻辑3330可使用一种标准(出自许多可能的标准)以选择期望的LPF。比如，所述标准可依赖于下列各项中的至少一项：(i)期望产生的SPL(ii)所产生的声音的期望的频率范围(iii)输入信号的频谱以及(iv)输入信号的增益。 

举例来说，考虑人类语音，如在上面所详细说明的，人类语音也以低频成分为特征。当接电话或拨出电话、且当电话语音信道有效时，移动电话的控制电路指示选择逻辑3330：需要具有低截止频率(比方说滤波器3250的250Hz)的LPF。利用这种LPF将有助于在人类语音的频率范围内的任何频率(从低于人类语音的较低的范围，350Hz以下开始)获得期望的平坦响应。显然地，选择具有较低截止频率的LPF将实现期望的平坦响应，然而，代价是，与选择了具有较高的截止频率的LPF而产生的SPL相比，获得了较低的SPL，这看上去似乎是一个缺点。然而，更重要地，对于任何给定的频率，使用特定的(低截止)LPF所产生的SPL与使用传统的模拟扬声器时在相同的频率产生的相应的SPL相比，是高出许多的。原因在于，一旦模拟扬声器在低频区域达到其最大振幅，则高频处所产生的最大的SPL(使用模拟扬声器)将以急剧的衰减响应(-12分贝/倍频程) 降低。相比之下，在DDS中，高频处的最大SPL将以只有-6分贝/倍频程的更适度的斜率(根据某些实施方式)降低，在特定的低频内得到所产生的较高的SPL。 

那么，净效应将是：根据某些实施方式，与模拟扬声器相比，DDS将在任何频率下都显示较高的SPL，同时在整个频率范围内(当使用LPF时)，包括在低频下，保持期望的平坦响应。 

已举例说明了用于给定的应用的具有低截止频率的LPF(即移动电话，用于重构具有低频(低音)语音成分的人类语音)的选择，下面是用于使用期望的SPL和期望的频率范围标准选择LPF的另一个实例。因此，回到移动电话的应用，在期望产生的声音是铃音(而不是人类语音)，即移动电话控制电路检测到来电的情况中，铃音的特征通常在于较高的频率成分和较不显著的低频率成分。另外，在许多应用中，期望有高音量的铃音，从而允许移动电话所有者听到铃音，例如即使电话放在包里也是如此。在某些实施方式中，此情形将实施选择具有较高的截止频率的LPF，在较高的频率下保持指定的平坦响应，其中截止频率比方说为1000Hz或者SPL为95分贝(在图22A中的3260)。自然地，且如在上面所详细解释的，截止频率越高，可获得的SPL越高，因此满足用于产生的铃音的高SPL的需求。 

另一个实例是用在家庭影院应用中的DDS。当系统被用于播放纪录片时，频率范围可限制到人类语音的频率范围，因此可使用350Hz的LPF。当同样的系统被要求播放古典音乐时，则要求更宽的频率范围，并将选择合适的LPF(例如，具有20Hz的截止频率的LPF)。 

精通本领域的技术人员将容易地知道，本发明不限于使用特定的SPL和频率范围标准，且同样地，不限于详细说明的具体的实例。 

精通本领域的技术人员将容易地认识到，DDS音量控制可以是耦合到扬声器的外部设备，或根据某些其他的实施方式而与DDS集成在一起。另外应该知道，DDS音量控制可以预先应用于信号，提供被滤波后的音频内容，在这种情况下，所述的音频内容，例如录制在光盘上的歌曲无需滤波就可以用于DDS类型的扬声器。 

根据某些实施方式，无限冲激响应(IIR)类型的滤波器被用作LPF。根据某些其他的实施方式，有限输入响应(FIR)类型的滤波器可用作LPF。这些只是根据本发明的某些实施方式使用LPF的许多可能的实例中的少数实例。选择滤波器类型可根据于性能需求以及可用的计算资源，所有这些本身都是已知的。应该知道，在某些实施方式中，可使用不同类型的滤波器，例如FIR和IIR的组合以满足对质量、准确性和计算复杂性的某些要求。例如，FIR滤波器通常比IIR滤波器更稳定，对化整误差更不敏感并产生较小的相位失真。然而，FIR滤波器比IIR滤波器要求显著更多的计算资源，例如记忆体和计算速度。在某些实施方式中，IIR滤波器可在某些条件下使用，而FIR滤波器在其他条件下使用。举例来说，为产生铃音，手机处理单元可能部分地参与对MP3文件解码或合成MIDI文件，因此为本发明的音量控制机构分配很少的资源。如果情况如此，则可使用IIR滤波器。然而，在语音会话期间，手机处理单元上的负载明显较低，允许计算资源更多地分配给音量控制，因此允许使用通常品质较高的FIR滤波器。在这种实施方式中，滤波器贮存器3340可存储，例如FIR和IIR滤波器系数，且音量控制界面3350可指示LPF选择逻辑3330需要什么类型的滤波器。 

精通本领域的技术人员将容易地知道，在DDS的系统体系结构中不需要数模(D/A)转换器(DAC)。与DDS相比，这种DAC是模拟扬声器中的必不可少的组件。 

上面的描述集中于实现平坦的响应，即在整个频率范围内实现基本上恒定的SPL。显然地，这涉及这样一种情况：对于任何产生的频率，听众更喜欢保持相同的SPL。根据某些实施方式，用户可以选择性地调整音量(增大或减小)以实现期望的SPL。因此，举例来说，数字增益技术可以在本身已知的数字信号控制系统中实现。 

根据某些实施方式，通过使输入信号(例如，被馈送到LPF模块3370的信号)乘以给定的常数而实现音量控制。举例来说，如果期望使音量强度加倍，则输入信号乘以常数值2。根据某些实施方式，使用移位操作(shiftoperation)，即右移用于减小音量，而左移用于增大音量，信号强度可按 比例缩小(用于减小音量)-6分贝音级(等价于在每个音级将音量除以二)，或者按比例放大(用于增大音量)6分贝音级(等价于在每个音级将音量加倍)。举例来说，右移n个位置将使音量强度减小为原来的1/2ⁿ。类似地，左移n个位置将使音量强度增大为原来的2ⁿ倍。 

应该知道，电磁场控制器30优选地被设计为保证流过线圈的交流电一直且在所有条件下都保持适当的磁场强度，以允许活动元件10和静电闩锁装置20之间足够接近以实现闩锁，同时阻止活动元件10运动过快以及由于冲击损坏活动元件10自身或闩锁装置20。 

特别参考附图，应强调，所示的特例是作示例用，并仅是为了本发明的优选实施方式的说明性的讨论的目的，且其提出是为了提供认为是本发明的原理以及概念方面的最有用和最易了解的描述。关于这一点，没有试图更详细地显示本发明的结构细节，而只是显示了从根本上理解本发明所必需的细节。结合附图的描述使本领域技术人员清楚本发明的几种形式可怎样在实践中实施。 

在不同的实施方式的情况中描述的本发明的特征也可以按组合的方式在单一的实施方式中提供。相反地，为简洁起见而在单个实施方式情况下描述的本发明的特征可分别地提供或以任何适当的子组合的形式提供。例如，活动元件可以是自由浮动的，或可安装在类似丝状物的弯曲部分上，或可以具有由柔性材料形成的周围部分。独立于上述内容之外，装置可以配置为或可以不配置为如上所述减少通过其的气体泄露。独立于所有上述内容之外，活动元件可例如包括导体、线圈、环形或者盘形的永磁体，或者，如果提供的话，环形或者盘形的铁磁体和磁体可以排列成或可以不排列成使得一些上述活动元件，例如50％的上述活动元件的极与剩余的元件，例如50％的磁体的极相对地布置。独立于所有上述内容之外，闩锁装置的截面形状可以是实心的、环形的、以大的中心部分穿孔或没有以大的中心部分穿孔，或者刻槽的，或者具有任何其他合适的结构。独立于所有上述内容之外，闩锁装置的控制可以是单独的或分组的或其任何组合。独立于所有上述内容，可存在致动器元件的一个或更多的阵列，各阵列可以是或者可以不是歪斜的，且各致动器元件的截面可以是圆形、方形、三角形、 六边形或任何其他合适的形状。独立于上述内容之外，压强产生元件可包括参考图1A-19在上面描述的活动元件，且相反地，当具体地涉及活动元件时，所述活动元件可在适当的情况下由任何其他类型的压强产生元件代替。 

还应理解，根据本发明的系统可以是适当地编程的计算机。同样地，本发明预期了一种计算机可读的、用于执行本发明的方法的计算机程序。本发明进一步预期了一种机器可读的记忆体，其有形地体现可由机器执行的、用于执行本发明的方法的指令的程序。 

已经以一定程度的特殊性描述了本发明，但精通本领域的技术人员将容易知道，可进行各种变化和更改，而不偏离下面的权利要求的范围。 

Claims (14)

1.一种用于直接数字扬声器中的音量和音调控制的系统，所述系统包括直接数字扬声器音量控制设备，所述直接数字扬声器音量控制设备被配置为耦合到直接数字扬声器；所述直接数字扬声器包括多个压强产生元件，而不使用数模转换器，所述多个压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级SPL和给定频率产生声音；所述直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应；所述直接数字扬声器音量控制设备包括：

(c)模块，其用于提供至少两个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下基本上呈现出没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上呈现出衰减的响应；

(d)选择器，其用于根据至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的至少一个滤波器，以及将所选择的滤波器应用到所述输入信号用于产生被配置为馈送给所述扬声器的被滤波的信号。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述滤波器中的至少一个滤波器在所述滤波器的截止频率以上呈现出相应于所述扬声器的所述频率响应的衰减的响应。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述滤波器中的至少一个滤波器在所述滤波器的截止频率以上呈现出相应于所述扬声器的所述频率响应的衰减的响应，使得所述扬声器基本上在所述扬声器的整个指定的频率范围内呈现出平坦的响应。

4.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述扬声器的所述频率响应在所述扬声器的整个频率范围内基本上为6分贝/倍频程，以及其中所述滤波器中的每一个滤波器都在超过所述截止频率的整个频率范围内呈现出-6分贝/倍频程响应的衰减的响应，并且在所述截止频率以下基本上呈现出没有衰减。

5.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述滤波器中的至少一个滤波器是低通滤波器LPF。 

6.如权利要求5所述的系统，其中所述低通滤波器中的至少一个低通滤波器是无限冲激响应类型的滤波器。

7.如权利要求5或6中任一项所述的系统，其中所述低通滤波器中的至少一个低通滤波器是有限冲激响应类型的滤波器。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述直接数字扬声器音量控制设备包括用于调整所产生的声音的所述声压级的音量控制模块。

9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述选择标准依赖于以下项中的至少一项：(i)期望产生的声压级，(ii)所产生的声音的期望的频率范围，(iii)所述输入信号的频谱以及(iv)所述输入信号的增益。

10.一种直接数字扬声器，所述直接数字扬声器包括多个压强产生元件，而不使用数模转换器，所述多个压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级SPL和给定频率产生声音；所述直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应；所述直接数字扬声器包括直接数字扬声器音量控制设备，所述直接数字扬声器音量控制设备包括：

(a)模块，其用于提供至少两个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下基本上呈现出没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上呈现出衰减的响应；

(b)选择器，其用于根据至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的至少一个滤波器，以及将所选择的滤波器应用到所述输入信号用于产生被配置为馈送给所述扬声器的被滤波的信号。

11.一种扬声器系统，所述扬声器系统用于产生声音，由此产生的声音的至少一个属性相应于输入数字信号的至少一个特征，所述输入数字信号被根据时钟周期性地采样，所述系统包括至少一个致动器设备，各致动设备包括： 

活动元件的阵列，其中每个单独的活动元件响应于交变的磁场，且在存在交变的磁场时，响应于对所述活动元件起作用的电磁力而被迫使沿着各自的轴交替地来回移动；

至少一个闩锁装置，其可操作以将所述活动元件的至少一个子集选择性地闩锁在至少一个闩锁位置，由此阻止所述子集的单独的活动元件响应于所述电磁力；

磁场控制系统，其可操作以接收所述时钟，且相应地控制所述电磁力到所述活动元件的阵列的施加；以及

闩锁控制器，其可操作以接收所述输入数字信号并相应地控制所述至少一个闩锁装置，其中所述闩锁控制器与根据权利要求1-9中的任一项的直接数字扬声器音量控制设备相关联。

12.一种用于控制被配置为馈送给直接数字扬声器的输入信号的音量的方法，所述直接数字扬声器包括多个压强产生元件，而不使用数模转换器，所述多个压强产生元件适合于响应输入信号而以一声压级SPL和给定频率产生声音；所述直接数字扬声器在其整个频率范围内固有地呈现出频率响应；所述方法包括：

a.提供至少两个滤波器，各滤波器具有不同的截止频率使得各滤波器在其截止频率以下基本上呈现出没有衰减，而在所述滤波器的截止频率以上呈现出衰减的响应；

b.根据至少依赖于所产生的声音的期望的音量和频率的选择标准，来选择所述滤波器中的至少一个滤波器，以及将所选择的滤波器应用到所述输入信号用于产生被配置为馈送给所述扬声器的被滤波的信号。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述滤波器中的至少一个滤波器被应用到被实时接收的输入信号。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述应用的步骤包括用所述滤波器中的至少一个滤波器预处理输入信号。 

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