CN103918283A - 具有电活性聚合物致动器的音频设备 - Google Patents

具有电活性聚合物致动器的音频设备 Download PDF

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CN103918283A CN201280039857.3A CN201280039857A CN103918283A CN 103918283 A CN103918283 A CN 103918283A CN 201280039857 A CN201280039857 A CN 201280039857A CN 103918283 A CN103918283 A CN 103918283A
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Abstract

公开了一种包含电活性聚合物模块的感觉增强音频设备。电活性聚合物模块可位于例如头戴式耳机的耳杯中。该模块包括具有设置在第一和第二电极之间的至少一个弹性体电介质元件的电活性聚合物致动器阵列。可将托盘配置成接纳电活性聚合物致动器阵列和被耦合到该致动器阵列的质量块。电路被电耦合到电活性聚合物致动器阵列。该电路用以生成驱动信号以促使电活性聚合物致动器阵列根据该驱动信号来进行移动。该驱动信号优选地在约2Hz至约200Hz的频率范围内。

Description

具有电活性聚合物致动器的音频设备
相关申请的交叉引用
根据美国法典第35条第119（e）款，本申请要求：2011年6月16日提交、题为“ELECTRO-MECHANICAL SYSTEM FOR SIMULATING LOW FREQUENCY AUDIO SENSATIONS”的美国临时申请号：61/497,556；以及2011年11月29日提交、题为“ACOUSTIC NOISE REDUCTION TECHNIQUES FOR TACTILE HEADPHONE ACTUATORS”的61/564,437的优先权；它们中的每一个的全部公开被通过引用结合到本文中。
技术领域
在各种实施例中，本公开一般地涉及用于模拟低频音频感觉的机电系统。更特别地，本公开涉及装配有电活性聚合物致动器或换能器的音频设备。特别地，本公开涉及装配有电活性聚合物致动器及机械和电子声学噪声减少模块的头戴式耳机。
背景技术
常规声学头戴式耳机包括通过头环互耦的一对耳杯。耳杯包括安装在耳杯的外壳部分内并被保持在接近于用户的耳朵的适当地方的扩音器。头戴式耳机包括电线以将扩音器连接到音频信号源，诸如音频放大器、无线电装置、CD播放器、便携式媒体播放器、计算机、平板电脑、移动设备或游戏控制台。常规头戴式耳机的某些形式还包括用于对从音频信号源接收到的声信号进行信号调节和处理的电子电路。不包括头环且被具体地设计成被直接放置在用户耳朵中的音频头戴式耳机的形式也称为耳机或者用口语称为耳塞。
常规音频信号包括在约20 Hz至约20 kHz范围内的声频分量。大多数声学再现系统（家庭音响、头戴式耳机、耳塞、电话、扬声器）不能有效地覆盖整个音频范围，并且通常在低频下（在约200Hz以下）表现很差。相应地，采用大的声学辐射器来准确地再现低频音频信号。通常，这些设备在物理上是大的且消耗相当大的功率量。声学辐射器的一个示例是在家庭影院系统中使用的低音音箱。将低频音频内容实现到诸如头戴式耳机的相对小的声学再现设备中是困难的。这样做的某些方法基本上要求密封收听者的耳朵周围的空气体积并使用直接耦合的气压波。这种方法是有效的，但是甚至在适中的声音水平下也引起不舒适的压力。在较高声音水平下，其甚至可以变得危险且引起短期或长期的听力损失。
骨传导是声音通过头骨的骨头到内耳的传导（http://en.wikipedia.org/wiki/Bone_conduction）。骨传导是为什么人的声音对他/她来说在其被记录和被重放时听起来不同的原因。由于头骨比空气更好地传导较低的频率，所以人们感觉到他们自己的声音比其他人所感觉的更低且更深。骨传导还解释为什么一个人自己的声音的记录听起来比一个人习以为常的更高。骨传导据说是由作曲家路德维格·范·贝多芬发现的，他几乎是聋的。贝多芬按照推测发现了通过咬住被附着到他的钢琴的棒来通过其颚骨听到音乐的方式。
某些助听器采用骨传导，从而实现了等效于直接借助于耳朵进行收听的效果。耳机（headset）以人类工程学方式位于太阳穴和脸颊上，并且将电信号转换成机械振动的机电换能器通过颅骨将声音发送到内耳。同样地，可以使用扩音器经由骨传导来记录说出的声音。在美国专利号号1,521,287中提供了骨传导助听器的首次描述。
可将骨传导设备分为三类：免提耳机或头戴式耳机；助听器和辅助听觉设备；以及专用通信设备（例如水下&高噪声环境）。骨传导设备相比于传统头戴式耳机具有若干个优点：此类设备是“耳朵自由的”，因此提供了扩展的使用舒适性和安全性；在强噪声环境中具有高声音清晰度；可用于听力保护；并且可提供立体声的感知。
在设备缺点之中：某些实现要求比头戴式耳机更多的功率；并且某些设备可由于降低的频率带宽而提供与传统头戴式耳机和扩音器相比较不清楚的记录&重放。
骨传导扬声器的示例是横跨约40mm且6mm厚的橡胶过成型压电挠曲盘，其被水肺潜水员所使用。连接电缆被成型到盘中，导致坚韧、防水的组件。在使用中，抵靠着在耳朵后面的穹状骨突起中的一个将扬声器用带子缚住。如将预期的那样，产生的声音仿佛来自于用户头部的内部，但可以是惊人地清脆。
骨传导音频设备不限于耳机或头戴式耳机，而是还能够在设备在那里可被耦合到骨骼系统的身体的其他部分上使用。
本公开提供了改进的音频设备，诸如具有诸如电活性聚合物致动器之类的用于模拟低频音频感觉的机电系统的头戴式耳机。该改进的音频设备包括机械和电子声学噪声减少模块。
可由本发明解决的另一应用在于感觉增强音频设备，其中除音频信号之外的信息被传送给用户。在美国专利号1,531,543中描述了用以传送已编码信号的感觉增强头戴式耳机的早期示例。
发明内容
在一个实施例中，本公开适用于一种感觉增强音频设备。该音频设备包括电活性聚合物致动器阵列，其包括设置在第一和第二电极之间的至少一个弹性体电介质元件。可将托盘配置成接纳电活性聚合物致动器阵列和被耦合到该电活性聚合物致动器阵列的质量块。电路被电耦合到电活性聚合物致动器阵列。该电路用以生成优选地在约2 Hz至约200 Hz的频率范围内的驱动信号以促使电活性聚合物致动器阵列根据驱动信号进行移动或振动。电活性聚合物致动器在头戴式耳机的情况下使耳杯摇动（振动），该振动跟踪输入低频音频，从而在不产生潜在地对鼓膜有危险的高压声波的情况下给出低频音频的感觉。在本文中公开的电活性聚合物致动器增强常规音频设备、诸如头戴式耳机的“收听”体验。利用适当的驱动信号，还可以使用致动器阵列来传送与音频信号无关的信息。根据本文中下面的具体实施方式，本发明的这些及其他优点和益处将是显而易见的。
附图说明
现在将结合附图出于举例说明而非限制的目的描述本发明，在所述附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的感觉增强头戴式耳机的透视图；
图2是根据一个实施例的图1中所示的左耳杯的透视图；
图3是根据一个实施例的图1中所示的左耳杯的前视图；
图4是根据一个实施例的图1中所示的右耳杯的透视图；
图5是根据一个实施例的图1中所示的右耳杯的后视图；
图6是根据一个实施例的沿着如图4中所示的剖面线6-6截取的右耳杯的剖面图；
图7是根据一个实施例的沿着如图4中所示的剖面线6-6截取的右耳杯的剖面图；
图8是根据一个实施例的图6和7中所示的耳杯的前视图；
图9是根据一个实施例的电活性聚合物系统的剖视图；
图10是用以图示出操作原理的电活性聚合物系统的一个实施例的示意图；
图11A、11B、11C图示出根据各种实施例的三个可能配置，即一/三/六杆电活性聚合物致动器阵列；
图12是根据一个实施例的用于声学头戴式耳机系统的电活性聚合物致动器系统的一个实施例的分解图；
图13图示出根据一个实施例的电活性聚合物致动器和扬声器元件；
图14图示出根据一个实施例的用以示出底层电活性聚合物致动器阵列的没有图13中所示的质量块的图13中所示的电活性聚合物致动器；
图15图示出根据一个实施例的托盘被去除的情况下的图14中所示的电活性聚合物致动器；
图16图示出根据一个实施例的质量块和电活性聚合物致动器阵列的盒部分被去除以仅仅示出托盘和底部刚性框架元件的情况下的图14中所示的电活性聚合物致动器；
图17图示出根据一个实施例的电活性聚合物致动器的顶视图；
图18图示出根据一个实施例的沿着剖面线18-18截取的图17中所示的电活性聚合物致动器的剖面图；
图19是根据一个实施例的电活性聚合物致动器的透视图；
图20是根据一个实施例的图19中所示的电活性聚合物致动器的后视图；
图21是根据一个实施例的沿着剖面线21-21截取的图19中所示的电活性聚合物致动器的剖面图；
图22是根据一个实施例的顶板被去除以示出位于挠曲悬挂系统的悬挂托盘内的底层质量块的情况下的图19中所示的电活性聚合物致动器的透视图；
图23是根据一个实施例的质量块被去除以示出位于电活性聚合物致动器阵列724上面的底层粘合层的情况下的图22中所示的电活性聚合物致动器的透视图；
图24是根据一个实施例的挠曲托盘被去除以更好地示出底板和底层3杆电活性聚合物致动器阵列的情况下的图23中所示的电活性聚合物致动器的透视图；
图25是根据一个实施例的电活性聚合物致动器阵列被去除以示出底层底板和粘合层的情况下的图24中所示的电活性聚合物致动器的透视图；
图26是根据一个实施例的粘合层和柔性电路被去除以示出底层底板和孔的情况下的图25中所示的电活性聚合物致动器的透视图；
图27是根据一个实施例的沿着剖面线27-27截取的图19中所示的电活性聚合物致动器的剖面图；
图28图示出电活性聚合物致动器的一个实施例；
图29是根据一个实施例的质量块被去除以示出底层粘合层的情况下的图28中所示的电活性聚合物致动器的透视图；
图30图示出根据一个实施例的电活性聚合物致动器阵列被去除的情况下的托盘的底座部分；
图31是根据一个实施例的电活性聚合物致动器800的电活性聚合物致动器阵列部分的透视图；
图32是图示出没有挠曲悬挂系统和被悬挂质量块的电活性聚合物致动器的频率响应的测试数据的图表表示，其中，沿着横轴示出了频率（Hz）且沿着纵轴示出了STROKE（冲程）（mm）位移；
图33是图示出具有挠曲悬挂系统和被悬挂质量块的电活性聚合物致动器的频率响应的测试数据的图表表示，其中，沿着横轴示出了频率（Hz）且沿着纵轴示出了STROKE（冲程）（mm）位移；
图34是耳杯的一个实施例的透视剖面图；
图35是图34中所示的耳杯的透视剖面图；
图36是图34中所示的耳杯的前视剖面图；
图37图示出罩耳衬垫和外壳被去除以暴露被安装到在扬声器后面的音腔的底层独立托盘的情况下的图34-36中所示的耳杯的一个实施例；
图38图示出根据一个实施例的没有独立模块外壳以使电活性聚合物致动器阵列暴露的图37中所示的耳杯；
图39图示出根据一个实施例的没有电活性聚合物致动器阵列以示出底层质量块的图38中所示的耳杯；
图40图示出根据一个实施例的没有底层质量块的图39中所示的耳杯；
图41是根据一个实施例的音腔（示出了安装在其中的扬声器）的底视图；
图42图示出包括包含在耳杯的第一外壳部分中的电活性聚合物致动器的基于电活性聚合物的头戴式耳机的一个实施例；
图43是根据一个实施例的用于产生低频音频信号以便驱动电活性聚合物致动器且用于降低不想要的音频噪声的电子电路的框图；
图44是根据一个实施例的不使用图43中所示的逆多项式电路（例如，“逆平方根电路”）的谐波失真测量结果的图表表示；
图45是根据一个实施例的利用图43中所示的逆多项式电路（“平方根电路”）的谐波失真测量结果的图表表示；
图46图示出根据一个实施例的图43中所示的逆多项式电路（例如，“逆平方根电路”）的一个实施例；
图47是根据一个实施例的包括挠曲悬挂系统的图12中所示的电活性聚合物模块的部分剖视图；
图48是根据一个实施例的包括图12和47中所示的包括挠曲托盘的挠曲悬挂系统的图12中所示的电活性聚合物模块的一个实施例的示意图；
图49图示出根据一个实施例的用于对图12和47-48中所示的挠曲悬挂系统在X和Y方向上的运动进行建模的X和Y轴振动运动图；
图50图示出根据一个实施例的用于对图12和47-48中所示的挠曲悬挂系统在X和Z方向上的运动进行建模的X和Z轴振动运动图；
图51是根据一个实施例的图示出图12和47-48中所示的挠曲悬挂系统的挠曲托盘行程止动块特征的示意图；
图52是根据一个实施例的挠曲联杆横梁模型的示意图；
图53图示出根据一个实施例的没有质量块的挠曲托盘的一个实施例；以及
图54图示出挠曲托盘的一个实施例的一区段。
具体实施方式
在详细地解释本发明的感觉增强音频设备和音频噪声减少模块的实施例之前，应注意的是，所公开的实施例在应用或使用方面不限于附图和描述中举例说明的各部分的构造和布置的细节。在其他实施例、变体和修改中可实现或合并所公开的实施例，并且可以各种方式来实施或执行所公开的实施例。此外，除非另外指明，已出于说明性目的且为了读者的方便起见而出于描述实施例的目的选择了本文所采用的术语和措辞，并且其并不意图是为了使任何实施例局限于所公开的特定实施例的目的。此外，应理解的是，可以在没有限制的情况下将所公开的实施例、实施例的表达以及示例中的任何一个或多个与其他所公开的实施例、实施例的表达以及示例中的任何一个或多个相组合。因此，认为将在一个实施例中公开的元素与在另一实施例中公开的元素相组合是在本公开和所附权利要求的范围内。
本发明提供了一种感觉增强音频设备，该感觉增强音频设备包括具有小于约10的机械Q因数的致动器系统和被电耦合到该致动器系统的电路，其中，该电路用以生成驱动信号以促使致动器系统根据该驱动信号进行移动。
本发明还提供了一种感觉增强头戴式耳机，该感觉增强头戴式耳机包括至少一个耳杯、位于所述至少一个耳杯内的电活性聚合物致动器阵列，该电活性聚合物致动器包括设置在第一和第二电极之间的至少一个弹性体电介质元件和被电耦合到该电活性聚合物致动器阵列的电路，其中，该电路用以生成驱动信号以促使电活性聚合物致动器阵列根据该驱动信号进行振动。
用来使感觉增强音频设备中的致动器系统移动的驱动信号是从音频信号导出的。在本发明中有用的致动器系统包括电活性聚合物致动器阵列，其包括设置在第一和第二电极之间的至少一个弹性体电介质元件。
在一个实施例中，驱动信号被设计成以除根据音频信号之外还用以传送信息的方式来使致动器系统移动。因此，对由于致动器系统的运动而引起的效果强度的控制可以与对音频信号的强度的控制分离。用户能够在不经受可能潜在地使用户的听觉不舒适且对其有害的增大的声音响应的情况下增大例如头戴式耳机的低音响应。
在一个实施例中，本公开提供高质量的低频振动含量以补充有限的基于音频的感觉。这包括感觉增强音频设备，诸如包括例如如下面更详细地描述的电活性聚合物致动器的感觉增强头戴式耳机。虽然不希望受到任何特定理论的束缚，但本发明推测发明的音频设备由于包括电活性聚合物致动器而依赖于骨传导和声波效应的混合。
本公开提供了包含电活性聚合物致动器的感觉增强头戴式耳机的各种实施例。该电活性聚合物致动器包含基于电介质弹性体元件的电活性聚合物模块。此类模块拥有适合于实现供在声学头戴式耳机中使用的电活性聚合物致动器以及适合于实现机械声学噪声减少技术的带宽和能量密度。此类模块由薄片材制成，其中电介质弹性体膜被夹在两个电极层之间。当向电极施加足够高的电压时，两个吸引的电极将电介质弹性体膜压缩。这些模块是纤细的，低功率的，并且能够耦合到惯性质量块以将由从主机设备的音频信号源导出的驱动信号产生的运动放大。
除提供用于感觉增强音频设备实施方式的电活性聚合物致动器的各种实施例之外，在各种方面，本公开还提供了用于减少来自各种源的声学噪声的机械和电子技术。每个技术聚焦于产生非期望音响效果的不同操作条件，并且下面将分别地进行描述。
公开了用于减少声学噪声的机械技术的各种实施例。在一个实施例中，机械降噪技术采用基于电活性聚合物的挠曲悬挂系统通过基本上使位移局限于向单个方向（例如，期望的方向，诸如移动的方向）来使非期望振动模式最小化和将其消除。测试结果支持的是，可以实现基本上沿着期望移动方向的稳定振动。当期望方向与声学辐射器轴正交时，声学噪声的减少是最高的。
还公开了用于减少声学噪声的电子技术的实施例。在一个实施例中，电子声学噪声技术采用非线性逆变换来去除非期望的声学伪迹。电活性聚合物元件的基本运行依赖于由电场产生的静电压力。在此最简单形式中，此压力与电场的平方成比例。因此，为了补偿致动器响应的非期望失真，可采用非线性逆变换，诸如平方根电路。对于如在下文中更详细地公开的电活性聚合物的各向同性、均质、线性电介质性质而言情况是如此。非线性、非各向同性或非均质的其他材料可要求例如附加的电子和/或机械修正。在下文中示出并描述了示出用于实现非线性降噪技术的电子拓扑结构的示例的框图。
在描述各种降噪技术之前，本公开转到图1，其为根据一个实施例的感觉增强头戴式耳机100的透视图。在图1中所示的实施例中，头戴式耳机100包括通过头环106互耦的右耳杯102和左耳杯104。头环106可以是任何适当的常规头环。左和右耳杯102、104每个包括相应的示例性左和右罩耳衬垫108、110。将认识到的是，罩耳衬垫108、110可具有任何形状，虽然传统上此类衬垫是圆形或椭圆形的以环绕耳朵。由于罩耳衬垫108、110完全围绕耳朵，所以例如能够将这些头戴式耳机100设计成抵靠着头部完全密封以使任何入侵的外部噪声衰减。可将衬垫108、110的材料选择成对头戴式耳机与用户之间的耦合程度进行调制。左和右耳杯102、104中的每一个可优选地包括罩耳衬垫108、110、穿孔扬声器格栅112（仅示出了右侧）以及外壳114（仅示出了左侧）。外壳114包含扬声器、电活性聚合物致动器、包括用以驱动致动器的电路的电路板且在某些实施例中以及机械和/或电子声学噪声减少部件。在下文中描述了这些元件的实施例。
图2是左耳杯104的透视图且图3是左耳杯104的前视图。如图2和3中所示，左耳杯104包括罩耳衬垫110和穿孔扬声器格栅116。
图4是右耳杯102的透视图且图5是右耳杯102的后视图。如图4和5中所示，右耳杯102包括外壳118。
图6和7是沿着图4中所示的剖面线6-6截取的右耳杯102的剖面图。图8是图6和7中所示的耳杯102的前视图。由于左耳杯104基本上类似于右耳杯102，所以为了本公开的简明和明了起见，本描述的其余部分聚焦于右耳杯102的结构和功能，虽然此类属性可同样地属于左耳杯104。
现在特别地参考图6-8，在一个实施例中，右耳杯102包括外壳118，其限定适合于在其中安装扬声器120和电活性聚合物致动器122的开口124。在图6-8中所示的实施例，致动器122包括若干个子部件，并且因此在本文中可偶尔地被称为电活性聚合物模块。例如，在其中致动器122包括三个杆的特定实施例中，在没有限制的情况下，可将致动器122称为3杆电活性聚合物模块。例如，在其中致动器122包括挠曲悬挂系统的特定实施例中，在没有限制的情况下，可将致动器122称为惯性电活性聚合物模块。现在返回参考图6-8，如所示，可将扬声器120直接安装在穿孔扬声器格栅122后面。然而，在其他实施例中，扬声器120的位置可改变，并且可安装在外壳118的开口124内的任何适当位置上。例如，在一个实施例中，可将电活性聚合物致动器122安装于外壳118的内壁132部分。在一个实施例中，致动器122可包括托盘126、电活性聚合物致动器阵列128以及质量块130。在一个实施例中，可用如在下文中更多地讨论的挠曲悬挂系统来替换托盘126，以便例如通过基本上使位移局限于单个期望移动方向来使引起非期望振动模式的声学噪声最小化、减少或者基本上消除。还可将诸如致动器128之类的电活性聚合物致动器阵列在本文中称为“n杆盒”，其中，“n”代表阵列中的致动器杆的数目。因此，3杆独立盒指的是在没有挠曲元件的情况下安装在托盘中的包括三个致动器杆的电活性聚合物致动器阵列。相反，3杆惯性盒指的是安装在挠曲悬挂系统中的包括三个杆的电活性聚合物致动器阵列。将认识到的是，在没有限制的情况下可用挠曲悬挂托盘来替换包括诸如托盘126之类的独立致动器托盘的所公开的头戴式耳机实施例的任何一个。
现在参考图1-6，在一个实施例中，包括根据本公开的电活性聚合物致动器122的感觉增强头戴式耳机100能够产生在音频频带（例如，约20 Hz至约20 kHz）内的机械振动以在不在耳朵中产生高声压的情况下提供高质量音频感觉。在一个实施例中，耳杯102、104中的每一个包括电活性聚合物致动器122。每个致动器122包括被附着于电活性聚合物致动器阵列128的小质量块130（优选地从1至50g，更优选地25g），从而形成简单质量块/弹簧/阻尼器谐振系统。输入音频的低频部分被传递至连接到致动器122的音频放大器。电活性聚合物致动器122使耳杯102、104摇动（振动），该振动跟踪输入低频音频，从而在不产生潜在地对鼓膜有危险的高压声波的情况下给出低频音频的感觉。在本文中公开的电活性聚合物致动器122增强常规音频头戴式耳机的“收听”体验。低频（20 Hz-200 Hz）振动的产生将音频头戴式耳机的感知频率范围延伸到其正常、最佳范围以下。
然而，由电活性聚合物致动器122产生的振动本质上是非线性的。另外，基于电活性聚合物的致动器122还可产生声学振动，其可能是或者也可能不是期望的。在非期望声学振动的情况下，本公开还提供了用以将非期望声学效果降低至可接受水平的机械和电子技术。有时，振动在扬声器120的情况下可能是平面外的。如果期望的话，通过采用用于驱动被悬挂质量块的音圈，可向感觉增强头戴式耳机100添加振动增加物。然而，这些实施方式可导致具有低阻尼的高Q系统，使得其在与声学辐射器相同的轴中振动得更长，从而引入非期望的声学伪迹。然而，在各种实施例中，可以以使得振动平面垂直于声学辐射器轴的方式对本文公开的电活性聚合物致动器122进行定向，从而显著地减少非期望声学伪迹。
机械Q因数表征系统的机械阻尼。其为无功能量相比于机械能量损失的比。如上文中指出的，高Q系统振动得更长，从而产生更多的声学伪迹和更少定义良好的效果。低Q值指示具有高机械损失的系统，因此振动很容易被衰减，并且致动器系统的运动是定义良好的。
为了获得最佳性能，致动器系统的Q应优选地在10以下、更优选地在5以下且最优选地在1.5与3之间。
如本领域的技术人员认识到的，QMS是无量纲测量结果，其表征驱动器的机械阻尼，亦即在悬挂物（围绕物和支架）中的损失。其大致在0.5与10之间改变，具有约3的典型值。高QMS指示较低的机械损失，并且低QMS指示较高的损失。QMS的主要影响是对驱动器的阻抗，其中高QMS驱动器显示较高的阻抗峰值。用于低QS的一个预测器是金属音圈支架（former）。它们充当涡流制动器并增加阻尼，从而减小QMS，并且必须在筒中设计有电制动器。某些扬声器制造商已在音圈的顶部和底部处放置短路线匝以防止其留下间隙，但是当驱动器被过驱动时由此设备产生的尖锐噪声是警报，并且被所有者感知为问题。低QMS驱动器常常构造有不导电支架，由纸张或各种塑料制成。
致动器系统的谐振频率应适合于期望效果的类型。例如，期望在80至90 Hz范围内的谐振频率以使诸如踏板鼓之类的敲击效果的“冲压”或效果最大化。如果使用单独的扬声器，则致动器系统的运动应与声波的方向正交。虽然能够使用其他类型的致动器，诸如压电换能器、音圈、线性谐振电动机以及偏心旋转电动机，但电活性聚合物致动器特别适合于满足针对此应用的以上标准。可以将其设计成在约50-100 Hz的适当谐振频率范围内具有固有低Q因数，同时以更容易被包含到感觉增强音频设备中的小、轻质且能量高效的外形因数保持快速响应时间和高功率。其可以被驱动电路直接驱动以跟踪并增强音频信号或产生独立于音频信号的特地修整后的效果。在电活性聚合物致动器中的电介质模块的低模量（优选地小于100 MPa）的情况下，与需要与诸如压电聚合物或晶体之类的较高模量材料一起使用相比，可以使用较小惯性质量块来将致动器的运动放大。这降低了致动器系统的总体积和质量，其可能是诸如头戴式耳机之类的便携式音频设备的设计中的重要因素。
在开始对电活性聚合物致动器122的各种实施例的进一步描述之前，例如，如结合图6-8所示，本描述简要地转到图9-11以描述包括适合于在诸如头戴式耳机之类的音频设备中使用的基于电活性聚合物的模块的各种集成设备。图9是可整体地被合并到致动器122中以向头戴式耳机100提供必要的振动运动的电活性聚合物系统的部分剖视图。相应地，在一个实施例中，该系统包括电活性聚合物模块200。电活性聚合物致动器222被配置成当被电压“V”激励时使输出板202（例如，滑动表面）相对于固定板204（例如，固定表面）滑动。板202、204被钢球分离，并且具有将移动约束于期望方向、限制行程且耐受跌落测试的特征。为了集成到头戴式耳机设备中，可将顶板202附着于惯性质量块，诸如图6-8中所示的质量块130。在图9中，电活性聚合物模块200的顶板202包括滑动表面，其被配置成安装到惯性质量块或能够如箭头206所指示的那样双向移动的表面的背面。在输出板202与固定板204之间，电活性聚合物模块200包括至少一个电极208、可选的至少一个间隔物210以及附着到滑动表面（例如顶板202）的至少一个输出杆212。框架和间隔物区段214附着到固定表面（例如底板204）。模块200可包括被配置成阵列以将滑动表面的运动放大的任何数目的杆212。可经由柔性电缆216将电活性聚合物模块200耦合到致动器控制器电路的驱动电子装置。可向柔性电缆的第一和第二导电元件218A、218B施加优选地约1 kV（优选地高达5 kV的任何位置，更优选地在100 V至5 kV之间，更优选地在300 V至5 kV之间）的电压“V”电位差。
将给定覆盖区（footprint）内的电活性聚合物致动器222分成（n）个区段是用于设置电活性聚合物系统的被动硬度和被阻挡力的便利方法。预拉伸电介质被刚性材料保持在适当位置，该刚性材料限定诸如固定板204之类的外部框架和在该框架内的一个或多个窗口。在每个窗口内部的是相同刚性框架材料的输出杆212，并且在输出杆212的一侧或两侧上的是电极208。替换地，粘合剂可替换刚性框架材料，如在2012年1月17日提交的题为FRAMELESS ACTUATOR APPARATUS SYSTEM AND METHOD的共同转让的国际PCT专利申请号PCT/US2012/021511中公开的那样，该申请根据美国法典第35条第119（e）款要求以下各美国临时专利申请号的优先权：2011年1月18日提交、题为“FRAMELESS DESIGN CONCEPT AND PROCESS FLOW”的61/433,640；2011年2月15日提交、题为“FRAME-LESS DESIGN”的61/442,913；2011年3月1日提交、题为“FRAMELESS ACTUATOR LAMINATION AND CASING”的61/447,827；2011年4月21日提交、题为“FRAMELESS APPLICATION”的61/477,712；以及2011年10月10日提交、题为“AN ALTERNATIVE TO Z-MODE ACTUATORS”的61/545,292；它们的全部公开被通过引用结合到本文中。在输出杆212的一侧上跨电介质两端施加电位差（V）在弹性体中产生静电压力，其促使电极面积展开并在输出杆212上施加力。此力随电活性聚合物致动器222的有效横截面而缩放，并且因此随区段的数目而线性地增加，区段中的每一个增加致动器的有效宽度。被动弹簧劲度系数随n2而缩放，因为每个附加区段首先通过使设备在伸展方向（X）上缩短且其次通过增大抵抗位移的宽度（Y）而有效地使设备变硬两次。弹簧劲度系数和被阻挡力两者随电介质层的数目（m）而线性地缩放。
电活性聚合物模块200的优点包括在耳杯外壳内产生能够基本上立即被用户感觉到的低频振动的能力。另外，电活性聚合物模块200消耗低功率，并且非常适合于可定制设计和性能选项。电活性聚合物模块200是由美国加利福尼亚州桑尼维尔市的Artificial Muscle公司开发的电活性聚合物模块的代表。
仍参考图9，电活性聚合物模块200的许多设计变量（例如，厚度、覆盖区）可由模块集成器的需要来决定，而其他变量（例如，电介质层的数目、工作电压）可受到成本的约束。由于致动器几何结构—覆盖区到刚性支撑结构的分配对比活性电介质—并不太多地影响成本，所以使电活性聚合物模块200的性能适合于其中如图6-8中所示将模块200与头戴式耳机设备集成的应用可能是合理方式。
可以采用计算机实现的建模技术来评价不同致动器几何结构的优点，诸如：（1）耳机/用户系统的技工；（2）致动器性能；以及（3）用户感觉。这三个组成部分一起提供用于估计候选设计的能力并使用该估计的能力数据来选择适合于批量生产的电活性聚合物设计的计算机实现的过程。该模型针对两种类型的效果预测能力：长效果（游戏和音乐）以及短效果（按键卡嗒声）。“能力”在本文中被定义为模块在运行中能够产生的最大感觉。在2011年2月15日提交、题为“ELECTROACTIVE POLYMER APPARATUS AND TECHNIQUES FOR QUANTIFYING CAPABILITY THEREOF”的共同转让的国际PCT专利申请号PCT/US2011/000289中更详细地描述了用于估计候选设计的能力的此类计算机实现的过程，该专利申请的全部公开被通过引用结合到本文中。
图10是被设计成图示出电活性聚合物模块的操作原理的电活性聚合物系统300的示意图。电活性聚合物系统300包括被电耦合到电活性聚合物模块304的功率源302，出于说明性目的功率源302被示为低压直流（DC）电池。根据本公开，功率源（VBatt）表示被配置成产生例如在约200Hz以下且在一个实施例中在约2 Hz至约200 Hz之间的低频音频信号的音频信号源的输出，其中，术语“约”代表±10%。电活性聚合物模块304包括设置在（例如，被夹在）两个导电电极308A、308B之间的薄弹性体电介质元件306。导电电极308A、308B是可伸展的（例如，适型的），并且可使用诸如例如丝网印刷之类的任何适当技术被印刷在弹性体电介质元件306的顶部和底部部分上。电活性聚合物模块304通过经由闭合开关312将电池302（例如，信号源）耦合到致动器电路310而被激活。致动器电路310将低DC电压VBatt信号转换成适合于驱动电活性聚合物模块304的较高DC电压Vin信号。根据本公开，可将附加电路定位在由外壳118限定的开口124内，其中，该电路被配置成将来自音频信号源的低压低频音频信号转换成适合于驱动电活性聚合物致动器122（图6-8）的较高电压信号。返回图10，当导电电极308A、308B被施加了电压Vin时，弹性体电介质元件306在静电压力下在垂直方向（V）上收缩且在水平方向（H）上扩展。弹性体电介质元件306的收缩和扩展可以作为运动被利用。
运动或位移量与输入电压Vin成比例。如下面结合图11A、11B以及11C所述，该运动或位移可被电活性聚合物致动器的适当配置放大。
图11A、11B、11C图示出根据各种实施例的电活性聚合物致动器阵列400、420、440的除其它之外的三个可能配置。电活性聚合物致动器阵列的各种实施例可根据应用和应用的物理间距限制而包括任何适当数目的杆。附加杆提供附加移位，并且因此可用来增强用户能够立即感觉到的实际声音再现振动。可经由相应的柔性电缆402、422、442将电活性聚合物致动器阵列400、420、440耦合到致动器控制器电路的驱动电子装置。
图11A图示出单杆电活性聚合物致动器阵列400的示例。单杆电活性聚合物致动器阵列400包括固定板404、输出杆406以及被耦合到固定板404的弹性体电介质元件408。
图11B图示出包括被耦合到固定框架430的三个杆424、426、428的三杆电活性聚合物致动器阵列420的示例。每对杆被间隔物432分开。三个杆424、426、428中的每一个包括输出杆434和弹性体电介质元件436。三杆电活性聚合物致动器阵列420与图11A的单杆电活性聚合物致动器阵列400相比较将滑动表面的运动放大。
图11C图示出包括被耦合到固定框架456的六个杆444、446、448、450、452、454的六杆电活性聚合物致动器阵列440，其中，每对杆被间隔物458分隔开。六个杆444、446、448、450、452、454中的每一个包括输出杆460和弹性体电介质元件462。六杆电活性聚合物致动器阵列440与图1A的单杆电活性聚合物致动器阵列400和图11B的三杆电活性聚合物致动器阵列420相比将滑动表面上的力放大。
可将参考图113A-C所示的电活性聚合物致动器阵列400、420、440集成到用于头戴式耳机应用的各种电活性聚合物致动器中以实现期望效果。例如，在一个实施例中，可将电活性聚合物阵列配置成被安装到外壳118的内表面中，如图6-8中所示。在图6-8中所示的实施例中，将电活性聚合物致动器阵列128与电活性聚合物致动器122集成以实现感觉增强头戴式耳机。
图12是包括可在感觉增强头戴式耳机中采用的挠曲悬挂系统502的电活性聚合物模块500的一个实施例的分解图。在2012年1月17日提交、题为“ELECTROACTIVE POLYMER FLEXURE APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD”的共同转让的国际PCT专利申请号PCT/US2012/021506处能够找到可在所公开的实施例中采用的挠曲悬挂系统的示例，该专利申请根据美国法典第35条第199（e）款要求以下美国临时专利申请号的优先权：2011年1月18日提交、题为“SLIDING MECHANISM AND AMI ACTUATOR INTEGRATION”的61/433,655；2011年4月21日提交、题为“Z-MODE BUMPERS”的61/477,680；2011年6月3日提交、题为“FLEXURE SYSTEM DESIGN”的61/493,123；2011年6月6日提交、题为“ELECTRICAL BATTERY CONNECTION”的61/493,588；以及2011年6月7日提交、题为“BATTERY VIBRATOR FLEXURE WITH METAL BATTERY CONNECTOR FLEXURE”的61/494,096；其中的每一个的全部公开被通过引用结合到本文中。在一个实施例中，挠曲托盘504限定用于将电活性聚合物致动器506（以分解图的格式被示出）接纳在其中的开口510。可以将电活性聚合物致动器506的一侧安装到挠曲托盘504的底部部分，并且可以将致动器506的另一侧耦合到质量块508。电活性聚合物致动器506和质量块508的尺寸被确定为用以适合在由托盘504限定的开口510内。如图12中所示，致动器506包括两组电活性聚合物致动器阵列512、512'。在其他实施例中，可采用一个电活性聚合物致动器阵列512，并且在其他实施例中，例如可在电活性聚合物致动器506中采用超过两组的电活性聚合物致动器阵列512、512'。如所示，第一和第二组电活性聚合物致动器阵列512、512'每个均包括输出杆粘合层514A、514A'以将第一组电活性聚合物致动器阵列514B、514B'耦合到质量块508的底部。使用框架间粘合层514C、514C'来将第一组电活性聚合物致动器阵列514B、514B'耦合到第二组电活性聚合物致动器阵列514D、514D'。底座框架粘合层514E、514E'将第二组电活性聚合物致动器阵列514D、514D'耦合到托盘504内部的安装表面516。如图12中所示，电活性聚合物致动器506包括双重三杆电活性聚合物致动器阵列。在其他实施例中，如下文描述的，可采用包括任何适当数目的杆的任何适当数目的电活性聚合物致动器阵列。虽然在图12中未示出，但质量块508或托盘504可通过例如柔性电缆连接器而被物理地和/或电气地连接到印刷电路板。可以使用挠曲悬挂系统502来实现声学头戴式耳机系统，如下面更详细地描述的。下面结合图47-54来描述挠曲悬挂系统502的附加细节。
已一般地描述了包括可在图6-8中所示的电活性聚合物致动器122的各种实施例中采用的电活性聚合物反馈模块的各种集成设备，现在描述转到图13-16，其图示出电活性聚合物致动器122的一个实施例。在图13中，未示出耳杯102的外壳118和罩耳衬垫108部分以便更清楚地图示出根据一个实施例的电活性聚合物致动器122和扬声器120元件。在所示实施例中，电活性聚合物致动器122包括独立托盘126（例如，在其他实施例中，可用挠曲悬挂系统来替换托盘126），其限定用于保持质量块130和在质量块130下面的电活性聚合物致动器阵列128（在图14-15中被示出）的开口136。托盘126包括用于将电活性聚合物致动器122附着到外壳118的内壁132（图7-8）的周界表面134。托盘126包括用以接纳柔性电缆以将电活性聚合物致动器阵列128电耦合到致动器电路的槽138。
图14图示出根据一个实施例的没有耳杯102的外壳118和罩耳衬垫108部分且进一步没有质量块130（图13）以示出底层电活性聚合物致动器阵列128的情况下的电活性聚合物致动器122。如图14中所示，电活性聚合物致动器阵列128位于托盘126中。图15图示出根据一个实施例的托盘被去除的情况下的图14中所示的电活性聚合物致动器。参考图14-15，电活性聚合物致动器阵列128包括将电极148与弹性体电介质元件146分离的间隔物142和刚性框架。在电极148的上表面上提供了粘合层144以将电活性聚合物致动器阵列128的上表面以粘合方式安装到质量块130的底表面。由于电活性聚合物致动器阵列128包括三组电极148和弹性体电介质元件146，所以可将电活性聚合物致动器阵列128称为3杆盒。
图16图示出根据一个实施例的质量块130和电活性聚合物致动器阵列128的盒部分被去除以仅仅示出托盘126和底部刚性框架元件142的情况下的图15中所示的电活性聚合物致动器122。
图17和18图示出根据一个实施例的电活性聚合物致动器600的顶视图和沿着剖面线18-18截取的剖面图。电活性聚合物致动器600包括挠曲悬挂系统622，并且可在头戴式耳机100中被采用来代替图1、6-8和13-16中所示的电活性聚合物致动器122。挠曲悬挂系统622包括悬挂托盘608、质量块602以及电活性聚合物致动器阵列624（在图18中示出）。如图18中所示，电活性聚合物致动器600包括位于挠曲悬挂系统622上的顶板610和底板612，该底板612具有将三组输出杆616与弹性体电介质元件618分离的框架和间隔物区段614。因此，电活性聚合物致动器600是3杆惯性电活性聚合物模块。电活性聚合物致动器600包括位于挠曲悬挂系统622的悬挂托盘608内的电活性聚合物致动器。悬挂托盘608包括悬挂物或挠曲臂604、606。电活性聚合物致动器600限定振动的X-Y平面。挠曲悬挂系统622使行程主要局限于一个方向，例如沿着如箭头620所指示的Y轴。Z方向上的受限移动有助于保持Y方向上的自由移动所需的间隙。当电活性聚合物致动器600被由从低频音频信号导出的电压激励时，悬挂托盘608基本上沿着Y轴移动，如箭头620所指示的，并且沿着X和Z轴的运动基本上被最小化。因此，包括挠曲悬挂系统622的电活性聚合物致动器600显著减少或消除了非期望声学效果。挠曲悬挂系统622还可用来产生用以故意地向声轨添加伪迹的声学效果。
在一个实施例中，挠曲悬挂系统622包括被耦合到电活性聚合物致动器阵列624的至少一个挠曲部分，其中，该挠曲部分使得挠曲悬挂系统能够在弹性体电介质元件618中的第一和第二电极被激励时在预定方向上移动。在一个实施例中，挠曲悬挂系统622包括至少一个行程止动块以将悬挂托盘608的移动限制在预定方向上。在一个实施例中，悬挂托盘608包括至少一个挠曲臂604、606。在一个实施例中，挠曲托盘608包括至少一个行程止动块以将挠曲悬挂系统622的移动限制在预定方向上。在一个实施例中，挠曲臂中的至少一个与悬挂托盘608整体地被形成。
图19-27图示出包括类似于图17和18中所示的挠曲悬挂系统622的挠曲悬挂系统722的电活性聚合物致动器700的一个实施例。图19是根据一个实施例的电活性聚合物致动器700的透视图，并且图20是该致动器的后视图。图21是根据一个实施例的沿着剖面线21-21截取的电活性聚合物致动器700的剖面图，并且图27是沿着如图19中所示的剖面线27-27截取的电活性聚合物致动器700的剖面图。现在参考图19-21和27，除挠曲悬挂系统722之外，在一个实施例中，电活性聚合物致动器700还包括顶板710、底板712以及用以接纳柔性电缆728以经由第一和第二导电元件736A、736B将电活性聚合物致动器阵列724电耦合到电子驱动电路740的槽726。底板712包括暴露出电活性聚合物致动器阵列724的输出杆716部分的孔730。
图21示出了根据一个实施例的位于电活性聚合物致动器阵列724与底板712之间以将电活性聚合物致动器700以粘合方式附着于底板712的第一粘合层732和质量块702。第二粘合层734位于质量块702与电活性聚合物致动器阵列724之间以将电活性聚合物致动器阵列724以粘合方式附着于质量块702的底表面。
图22是根据一个实施例的顶板710被去除以示出位于挠曲悬挂系统722的悬挂托盘708内的底层质量块702的情况下的电活性聚合物致动器700的透视图。悬挂托盘708包括第一和第二悬挂臂704、706。如结合图17和18所讨论的，形成于悬挂托盘708中的悬挂臂704、706使得挠曲悬挂系统722能够以预定方式移动。例如，挠曲悬挂系统722的悬挂臂704、706将质量块702在X-Y平面中的行程限制为主要沿着Y轴，如箭头720所指示的。Z方向上的受限移动有助于保持Y方向上的自由移动所需的间隙。因此，当电活性聚合物致动器700被从低频音频信号导出的较高电压激励时，悬挂托盘708在箭头720所指示的运动方向上移动，其基本上沿着Y轴。
图23是根据一个实施例的质量块702被去除以示出位于电活性聚合物致动器阵列724上面的底层粘合层734的情况下的图22中所示的电活性聚合物致动器700的透视图。粘合层734将电活性聚合物致动器阵列724以粘合方式耦合到质量块702的底表面。电活性聚合物致动器阵列724还包括将三个分别的输出杆716与弹性体电介质元件718分离的间隔物区段714和框架。由于电活性聚合物致动器阵列724包括三个杆，所以在没有限制的情况下可将其称为3杆惯性电活性聚合物模块。
图24是根据一个实施例的挠曲托盘708被去除以更好地示出底板712和底层3杆电活性聚合物致动器阵列724的情况下的图23中所示的电活性聚合物致动器700的透视图。如图24中所示，电活性聚合物致动器阵列724包括框架和间隔物区段714、输出杆716、弹性体电介质元件718以及位于输出杆716上面的粘合层734。
图25是根据一个实施例的电活性聚合物致动器阵列724被去除以示出底层底板712和粘合层732的情况下的图24中所示的电活性聚合物致动器700的透视图。底板712包括孔730和位于底板712与电活性聚合物致动器阵列724之间的粘合层732。柔性电路728的第一和第二电导体736A、736B被电连接到相应的第一和第二端子738A、738B。
图26是根据一个实施例的粘合层732和柔性电路728被去除以示出底层底板712和孔730的情况下的图25中所示的电活性聚合物致动器700的透视图。
图28-31图示出电活性聚合物致动器800的一个实施例。在一个实施例中，电活性聚合物致动器800包括托盘822、质量块802以及形成于托盘822中的槽826。槽826的尺寸被确定为用以接纳柔性电缆（未示出）以将电活性聚合物致动器阵列824电耦合到电子驱动电路。图30图示出根据一个实施例的电活性聚合物致动器阵列824被去除的情况下的托盘822的底座部分。托盘822的底座部分包括暴露出电活性聚合物致动器阵列824的输出杆816的孔830。质量块802被位于质量块802和电活性聚合物致动器阵列824之间的粘合层834以粘合方式耦合到电活性聚合物致动器阵列824。电活性聚合物致动器800限定由X-Y平面所指示的振动平面。托盘822将主要在一个方向上的行程限制为沿着如箭头820所指示的Y轴。Z方向上的受限移动有助于保持Y方向上的自由移动所需的间隙。因此，当致动器800被从低频音频信号导出的较高电压激励时，托盘822在箭头820所指示的运动方向上移动，其基本上沿着Y轴。
图29是根据一个实施例的质量块802被去除以示出底层粘合层834的情况下的图28中所示的电活性聚合物致动器800的透视图。如所示，粘合层834位于电活性聚合物致动器阵列824上面，其位于质量块802下面。电活性聚合物致动器阵列824被用粘合层834以粘合方式耦合到质量块802的底表面。电活性聚合物致动器阵列824还包括框架和间隔物区段814，其将电活性聚合物致动器阵列824的三个分别的输出杆816和弹性体电介质元件818分离。由于电活性聚合物致动器阵列824包括三个杆，所以在没有限制的情况下可将其称为3杆电活性聚合物模块。图31是根据一个实施例的电活性聚合物致动器800的电活性聚合物致动器阵列824部分的透视图。
图32和33是分别地图示出两个类型的电活性聚合物致动器的频率响应的测试数据的图表表示900、950，其中，沿着横轴示出了频率（Hz），并且沿着竖轴示出了STROKE（冲程）（mm）位移。图32中所示的图表900示出了没有挠曲悬挂系统和被悬挂质量块的电活性聚合物致动器的频率响应曲线，该电活性聚合物致动器诸如电活性聚合物致动器122（图6-8和13）和电活性聚合物致动器800（图28），其主要依赖于电活性聚合物致动器阵列的运动来使被悬挂质量块移动。在某些频率（具体地20Hz至50Hz）下，被悬挂质量块摆动，这是因为其在所有方向上自由地移动，并且在非期望方向上不存在限制或支撑。这种现象将其自身表现为期望方向位移和最终期望的感觉方面的失真902、904。图33中所示的图表950示出了利用挠曲悬挂系统、诸如图17-19中所示的各致动器600、700的挠曲悬挂系统622、722的电活性聚合物致动器的频率响应曲线。区域952和954清楚地显示出，非期望失真已通过挠曲悬挂系统622、722被成功地消除。
图34-40图示出可在图1中所示的感觉增强头戴式耳机100中采用的耳杯1000的一个实施例。根据一个实施例，图34和35是耳杯1000的透视剖面图，并且图36是该耳杯的前剖面图。现在特别地参考图34-36，在一个实施例中，右耳杯1000包括罩耳衬垫1008和外壳1018，其限定适合于在其中安装扬声器1020和电活性聚合物致动器1022的开口1024。在图34-36中所示的实施例中，可将电活性聚合物致动器1022称为电活性聚合物模块。更特别地，在图34-36中所示的实施例中，在没有限制的情况下可将电活性聚合物致动器1022称为3杆惯性电活性聚合物模块。如所示，可将扬声器1020直接安装在穿孔扬声器格栅1012后面。然而，在其他实施例中，扬声器1020的位置可改变。在一个实施例中，致动器1022包括被配置成将电活性聚合物致动器阵列1028和质量块1030接纳在其中的独立托盘1026。电活性聚合物致动器1022被安装到音腔1050，音腔1050被直接安装在扬声器1020后面。在其他实施例中，致动器1022可包括挠曲悬挂系统，例如，诸如图17-19中所示的各致动器600、700的挠曲悬挂系统622、722，以机械地修正较低频率（例如，小于200 Hz）下的微小失真。致动器1022还包括电活性聚合物致动器阵列1028和质量块1030。
图37-41图示出根据一个实施例的其他元件被去除以便示出底层结构的情况下的耳杯1000的各种元件。相应地，图37图示出罩耳衬垫1008和外壳1018被去除以使被安装到在扬声器1020后面的音腔1050的底层独立托盘1026暴露的情况下的耳杯1000的一个实施例。
图38图示出根据一个实施例的没有独立模块外壳1026以使电活性聚合物致动器阵列1028暴露的图37中所示的耳杯1000。电活性聚合物致动器阵列1028包括将输出杆1048与弹性体电介质元件1046分离的间隔物1042和刚性框架。在输出杆1048上提供了粘合层1044以将电活性聚合物致动器阵列1028以粘合方式安装到独立托盘1026。质量块1030可从被附着于独立托盘1026的挠曲部分（未示出）被悬挂。可提供第二粘合层（未示出）以将独立托盘1026以粘合方式安装到音腔1050。
图39图示出根据一个实施例的没有电活性聚合物致动器阵列1028以示出底层质量块1030的情况下的图38中所示的耳杯1000。根据一个实施例，图40图示出没有底层质量块1030的图39中所示的耳杯1000，并且图41是示出安装在其中的扬声器1020的音腔1050的底视图。
已描述了包括用于减少声学噪声的机械技术的各种电活性聚合物头戴式耳机实施例，本公开现在转到能够被实现到本文所述的电活性聚合物致动器的任何实施例中的减少声学噪声的电子方法。下面描述采用非线性逆变换来去除不期望声学伪迹的电子声学噪声减少技术的实施例。然而，首先，本公开简要地转到图42，其图示出包括被包含在耳杯1110的第一外壳部分1104中的电活性聚合物致动器1102的感觉增强头戴式耳机1100的一个实施例。还示出包括用于在低音频频率下驱动电活性聚合物致动器1102且用于减少不期望声学噪声的电子电路的电路板1106。可将电路板1106安装在电活性聚合物致动器1102后面。电活性聚合物致动器1102和电路板1106的整个组件可位于第一外壳部分1104与第二外壳部分1108之间。
图43是根据一个实施例的用于产生低频音频信号以便驱动电活性聚合物致动器且用于降低不期望音频噪声的电子电路的框图1200。还实现了各种信号调节、放大、补偿以及驱动电路。特别地，模拟音频信号模块1202从差分放大器源接收模拟音频信号。在一个实施例中，可用任何适当的集成电路放大器来实现差分放大器，诸如，例如可从马萨诸塞州诺伍德市的Analog Devices公司获得的AD822单源、轨至轨低功率场效应晶体管输入运算放大器或其任何适当的等效物。
自动增益控制模块1204从模拟音频信号模块1202接收输出信号，并提供例如从0 dB至20 dB或任何适当增益的自动增益控制。在一个实施例中，可用任何适当的集成电路放大器来实现自动增益控制模块1204，诸如，例如可从加利福尼亚州桑尼维尔市的Maxim Integrated Products公司获得的具有自动增益控制和低噪声扩音器偏置的MAX9814扩音器放大器或其任何适当的等效物。在一个实施例中，自动增益控制模块1204被配置成与实际音频声音信号的量不同地控制用于驱动每个耳杯中的电活性聚合物致动器的振动的量。虽然用于驱动每个耳杯中的电活性聚合物致动器的振动水平不同于实际音频声音信号的量，但振动水平增益是基于音频声音水平增益或与之相关。在各种实施例中，振动水平增益与音频声音水平增益之间的关系可根据特定设计实现而是线性的或非线性的。在一个实施例中，增益之间的关系是非线性的，以便近似诸如正弦、平方根、对数、指数等的非线性函数。在所示实施例中，振动水平增益与音频声音水平增益之间的关系是近似平方根函数的非线性函数。换言之，振动水平增益与音频声音水平增益的平方根近似相关。因此，电活性聚合物致动器振动跟踪输入低频音频，并在不产生可能潜在地对鼓膜有危险的高压声波的情况下提供低频音频的感觉。
在一个实施例中，振动水平增益近似音频声音水平增益的平方根，如表1中所示。
从自动增益控制模块1204，信号被传递至低频数字滤波器模块1206。可使用任何适当的电路技术来实现低频数字滤波器模块1206，并且除其他数字或模拟处理电路元件之外，低频数字滤波器模块1206还可包括微控制器和可编程门阵列电路。在一个实施例中，可用任何适当的可编程系统来实现低频数字滤波器模块1206，诸如，例如可从加利福尼亚州圣何塞市的Cypress Semiconductor公司获得的CY8C29466可编程芯片上系统控制器或其任何适当的等效物。
低频放大器模块1208将低频数字滤波器1206的输出放大，并且该输出被传递至可编程门阵列电路。在一个实施例中，可使用任何适当的集成电路放大器来实现低频放大器模块1208，诸如可从加利福尼亚州桑尼维尔市的Maxim Integrated Products公司获得的MAX9618低功率、零漂移运算放大器或其任何适当的等效物。
低频数字滤波器1206的输出被提供给诸如逆多项式电路1210之类的非线性逆变换电路（平方根电路），其提供电子音频信号补偿以去除被用来使电活性聚合物致动器振动的音频信号中的不期望失真。换言之，例如，逆多项式电路1210近似逆函数以使电活性聚合物致动器线性化。在各种实施例中，可使用集成电路、可编程电路、分段线性电路和/或其它们的任何组合来实现逆多项式电路1210。在一个实施例中，可以使用分段线性电路来近似非线性函数，例如，诸如正弦、平方根、对数、指数等。近似的质量取决于分段线性电路所采用的段数和在确定各段时所使用的策略。一般而言，存在用以构建分段线性电路的两个方法：（1）具有用来在各段之间进行切换的二极管（或晶体管）的非线性分压器和（2）将一连串的饱和放大器的输出加和。可采用这两个方法，并且这两个方法在技术上是等效的，虽然每个都具有其优点和缺点。
二极管方法具有简单化的优点，但缺点包括对开关阈值的温度相关性和相对慢的响应。饱和放大器方法具有复杂性的缺点，但具有对阈值的最小温度相关性和高速度的优点。在各种实施例中，可将逆多项式电路1210实现为压缩或扩展电路，每个类型具有不同的电路拓扑。压缩电路压缩输入信号的动态范围，而扩展电路扩展该动态范围。压缩电路的示例包括平方根、对数以及正弦，并且一般地采用非线性分压器技术。扩展电路的一个示例是指数函数。在其他实施例中，例如，可采用压缩电路和扩展电路的组合来实现逆多项式电路1210以使电活性聚合物致动器线性化。在本文中结合图46来更详细地描述使用二极管开关来近似逆平方根函数的分段线性电路的一个实施例。
逆多项式电路1210的输出被提供给高压功率放大器1212以用于放大到足以驱动电活性聚合物致动器模块的水平。一般地，驱动电活性聚合物致动器模块所需的电压可在从几百伏（V）至几千伏（kV）的范围内，其中标称驱动电压约1 kV。高压放大器1212的左通道输出1214L被提供给左折转致动器和质量块1216L，例如至位于头戴式耳机的左耳杯中的电活性聚合物致动器。高压放大器1212的右通道输出1214R被提供给右折转致动器和质量块1216R，例如至位于头戴式耳机的右耳杯中的电活性聚合物致动器。在一个实施例中，可以使用包括电活性聚合物致动器的感觉增强头戴式耳机中的平方根电路来改善单相致动器。例如，还可在多相致动器中采用非线性控制技术。
在一个实施例中，该电子电路包括视觉反馈显示模块1218。在本实施例中，蓝色显示器（例如，发光二极管或LED）指示音频信号。绿色显示器指示已处理信号。橙色/红色显示器指示混合和高压信号。本领域的技术人员将认识到，可使用期望色彩的任何组合来提供视觉反馈。
图44是根据一个实施例的没有使用图43中所示的逆多项式电路1210（例如，“逆平方根电路”）的谐波失真测量结果1300的图表表示。底部轨迹1302是在没有平方根电路1210的情况下在100 Hz下的所测量的加速度波形，并且顶部轨迹1304是示出高二次谐波1306的傅立叶变换。
图45是根据一个实施例的利用图43中所示的逆多项式电路1210（“平方根电路”）的谐波失真测量结果1350的图表表示。底部轨迹1352是利用平方根电路1210在100 Hz下的测量的加速度波形，并且顶部轨迹1354是示出了显著减小的二次谐波1356的傅立叶变换。
图48图示出图43中所述的逆多项式电路1210的一个实施例，其采用使用二极管开关来近似逆平方根函数的分段线性电路。如结合图43所述，可采用其他非线性电路拓扑来实现线性化函数以使电活性聚合物致动器线性化，并且结合图46所述的拓扑仅仅是一个示例。因此，逆多项式电路的实施例在该上下文中不应受到限制。在图46中所示的实施例中，逆多项式电路1210包括电压至电流转换器电路1220、采用二极管开关拓扑的分段线性电路1230以及最终增益放大器1240。例如，输出电压V 0 被提供给高压功率放大器1212，如图43中所示。
电压至电流转换器电路1220采用第一放大器A1和电阻器R1-R4来产生与来自图43中的低频数字滤波器模块1206的输入电压Vin成比例的电流i。电流i被提供给分段线性电路1230，其被配置成使用R5-R15和二极管D1-D5来近似逆平方根函数（电流至电压）。包括电阻器R16-R17和第二放大器A2的最终增益放大器1240设置最终缩放（利用R16和R17），并且可以是1和100之间的任何值，但是通常在1和2之间。
在所示实施例中，分段线性电路1230包括五个段，这五个段根据电流i以及显露的节点电压vn而被接入。每个段具有断点电压，其基于vn的输入电压范围而近似不同的斜率。例如，第一段具有等于VA加跨D1两端的二极管电压降的第一断点电压V1。相似地，第二段具有等于VB加跨D2两端的二极管电压降的第二断点电压V2，以此类推直至第五段，其具有等于VE加跨D5两端的二极管电压降的第五断点电压V5。每个段具有基于电阻器R5-R15的并联组合的不同斜率。随着每个段被接入，斜率改变，以使得节点处的电压vn根据为电阻器所选的值而近似逆平方根函数。分段线性电路1230还可根据所选的电阻器值而实现平方根或其他非线性函数。放大器A1和A2可以是任何适当的集成电路放大器，诸如，例如可从马萨诸塞州诺伍德市的Analog Devices公司获得的AD823轨至轨FET输入运算放大器或其任何适当的等效物。在一个实施例中，例如，电压V+可以是+5V。
在一个实施例中，在表2中示出了用以实现电压至电流转换器电路1220的电阻器R1-R4、用以实现分段线性电路1230的电阻器R5-R15以及用以实现最终增益放大器1240的电阻器R16-R17。将认识到的是，电阻器的值可根据要实现的准确度水平而具有不同的公差，并且可以是±10%、±5、±1，或者可以将其修整为任何适当的值。
图47-54图示出根据所公开的实施例的挠曲悬挂系统的附加细节。图47是根据一个实施例的包括挠曲悬挂系统的图12中所示的电活性聚合物模块500的部分剖视图。
图48是根据一个实施例的包括图12和47中所示的包括挠曲托盘504的挠曲悬挂系统506的图12中所示的电活性聚合物模块500的一个实施例的示意图。参考图47和48，挠曲托盘504包括挠曲部分570、行程止动块572、574以及位于由挠曲托盘504限定的开口内的质量块508。可以将挠曲部分570和行程止动块572、574成型到挠曲托盘504中，或者可以将它们提供为单独的部件。如先前所讨论的，挠曲托盘504被耦合到安装表面568，其充当用于挠曲悬挂系统502的机械基础。位于一个或多个位置上的挠曲部分570使得挠曲托盘504能够在一个或多个运动方向上振动。在所示实施例中，挠曲托盘504包括使得挠曲托盘504能够在X和Y方向上移动的四个单独的挠曲部分570。挠曲托盘504还包括X行程止动块572和Y行程止动块574，以将行程或移动限制在预定方向上并防止来自冲击型移动的损坏。提供X和Y行程止动块572、574是为了约束挠曲托盘504在X和Y运动方向上的运动而被提供，如下面参考图49和60更详细地讨论的，从而使得挠曲悬挂系统502能够限制非期望移动方向上的非期望振动。
图49图示出根据一个实施例的用于对图12和和47-48中所示的挠曲悬挂系统502在X和Y方向上的运动进行建模的X和Y轴振动运动图580。图50图示出根据一个实施例的用于对图12和47-48中所示的挠曲悬挂系统502在X和Z方向上的运动进行建模的X和Z轴振动运动图582。现在参考图12和47-50，kfx＝X轴方向上的挠曲部分570和电连接的组合硬度，kax＝X轴方向上的电活性聚合物致动器506的主动硬度，kfZ＝Z轴方向上的挠曲部分570和电连接的组合硬度，kaz＝Z轴方向上的电活性聚合物致动器506的硬度，mtray + mbatt＝由运动中的质量块508和任何其他支撑结构组成的总的簧上质量。
x轴柔度
X轴方向上的柔度是在评估挠曲悬挂系统502的性能时要考虑的一个因素。应尽可能地减小组合非致动器硬度（kfx）并例如保持在致动器硬度（kax）的约10%以下。应将来自电互连的附加硬度计入非致动器硬度计算中。X轴方向上的挠曲部分570的硬度在适当使用行程止动块572、574的情况下提供适当的移动控制。
Z轴柔度
应尽可能减小Z轴方向上的柔度以减少由于重力或用户输入而引起的动态质量块的偏转，并且特别是当挠曲悬挂系统502被与其中应在用户输入期间确保组件的无限制的X轴移动的触摸表面（例如触摸屏或触控板）悬挂应用集成时。理想地，总Z轴硬度可以在总X轴硬度的300倍以上。如果不使用负Z方向（-Z方向）行程止动块，则应将挠曲部分570配置成耐受在质量块508被去除过程中可能经历的力和冲击。
Y轴柔度
在适当设计的挠曲部分570的情况下，当挠曲部分570横梁处于压缩或张紧状态中时，Y轴方向上的柔度是相对小的。Y轴方向上的任何柔度都是挠曲部分570的翘曲或伸展的结果，其在所有情况下都是不期望的。例如，应使Y轴方向上的偏转量最小化以防止移动期间对挠曲部分570的损坏。
下表3提供了根据一个实施例的基于硬度小于总电活性聚合物致动器506硬度的10%的总挠曲硬度，其中，所提供的值是近似示例值。
图51是图示出根据一个实施例的图12和47-48中所示的挠曲悬挂系统502的挠曲托盘504行程止动块572、574特征的示意图584。在图51中所示的挠曲悬挂系统502中，通过被粘合片材590可替换地附着于设备的安装表面568和挠曲托盘504的底座的多个丝网印刷电活性聚合物致动器框架588来分布电活性聚合物层586。为了方便和明了起见，象征性地表示挠曲部分570。在一个实施例中，在可能的情况下提供了止动块572、574，同时允许动态质量块在正常负荷下的自由移动。行程止动块572、574防止过度延伸和对挠曲部分570和电活性聚合物致动器506的损坏。在本文中提出的挠曲部分570的实施例非常适合于除-Z方向之外的所有轴方向上的内置行程止动块572、574，在-Z方向上将质量块508拉出挠曲托盘504可造成损坏。可使用致动器框架本身来实现正Z方向（+Z方向）止动块，例如，其可适合于经受住高达1.5m的行业标准跌落测试。
下表4提供了根据一个实施例的挠曲托盘止动块572、574间隙。下表4中的标记为A-F的间隙是近似示例值且对应于图51中的被相似地标记的间隙。
图52是根据一个实施例的挠曲联杆594横梁模型的示意图592。挠曲联杆594可以由许多材料制成。在一个实施例中，例如，挠曲联杆594可使用被构建到耳机后壳或平板电池安装框架中的注塑成型联杆组由塑料来制成。在此类实施例中，例如，在没有限制的情况下，挠曲联杆材料可由诸如丙烯腈二乙烯树脂之类的可成型塑料制成。涉及到较大Z方向负荷和/或具有有限空间的应用，挠曲联杆594可由片材金属制成，并且可被成型到塑料框架中。替换地，可以制作整个冲压片材金属子组件并将其用在要求较大Z方向负荷的应用中。例如，可以使用图52中所示的横梁模型来计算单独联杆594的硬度，其中，对挠曲联杆594在相应的力（Fx和Fz）下在X和Z方向上的偏转（dx和dz）进行建模。
图53图示出没有质量块508的挠曲托盘504的一个实施例。挠曲托盘504包括被固定安装到安装表面的刚性外框架596。在所示实施例中，可借助于穿过一个或多个孔598而被插入的紧固件将刚性外框架596固定地安装到安装表面。典型紧固件包括螺钉、螺栓、铆钉等。如图53中所示，挠曲托盘504包括使得挠曲托盘504能够在X和Y方向上移动以提供用户的振动电活性聚合物刺激的挠曲部分570。还示出了用以防止过度延伸和对挠曲部分570和电活性聚合物致动器的损坏的X行程止动块572和Y行程止动块574。
图54图示出挠曲托盘504的一个实施例的区段599。区段599示出了挠曲部分570的直径和以及两个挠曲区段之间的重叠距离d1和挠曲部分570的弯曲区段之间的距离d2。表5提供了根据一个实施例的参考设计挠曲参数，其中，提供的值是近似示例值。
将认识到的是，本文所述的实施例图示出示例性实施方式，并且可用符合所述实施例的各种其他方式来实现功能元件、逻辑块、程序模块以及电路元件。此外，由此类功能元件、逻辑块、程序模块以及电路元件执行的操作可针对给定实施方式被组合和/或分离，并且其可由更多数目或更少数目的部件或程序模块来执行。如在阅读本公开时对于本领域的技术人员而言将显而易见的，本文所述和所示的各个实施例中的每一个具有分立部件和特征，在不脱离本公开的范围的情况下，其可容易地与其他多个实施例中的任意实施例的特征分离或组合。可以按照叙述的事件的顺序或按照逻辑上可能的任何其他顺序来执行任何所述方法。
虽然可以示例的方式来描述某些模块和/或块，但能够认识到的是，可使用更大或更少数目的模块和/或块且其仍落在实施例的范围内。此外，虽然可就模块和/或块而言描述各种实施例以促进描述，但此类模块和/或块可由一个或多个硬件部件（例如，处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器件、专用集成电路、电路、寄存器）、软件部件（例如，程序、子例程、逻辑）和/或它们的组合来实现。
在本文中阐述了许多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解的是，可在没有这些特定细节的情况下实施所述实施例。在其他情况下，未详细地描述众所周知的操作、部件和电路以免使实施例模糊。能够认识到的是，本文公开的特定结构和功能细节可以是代表性的，并且不一定限制实施例的范围。
值得注意的是，对“一个实施例”或“实施例”的任何提及意味着在至少一个实施例中包括结合该实施例所述的特定特征、结构或特性。本说明书中的短语“在一个实施例中”或“在一个方面中”的出现不一定全部指代同一实施例。
值得注意的是，可使用措辞“耦合”和“连接”以及其衍生词来描述某些实施例。这些术语并不意图作为彼此的同义词。例如，可使用术语“连接”和/或“耦合”来描述某些实施例以指示两个或更多元件相互进行直接物理接触或电接触。然而，术语“耦合”还可意指两个或更多元件并未进行直接接触，但是仍相互合作或交互。
将认识到的是，本领域的技术人员将能够发明各种布置，其虽然在本文中并未明确地描述或示出，但体现本公开的原理并被包括在本公开的范围内。此外，本文所述的所有示例和条件语言主要意图是帮助读者理解在本公开中所述的原理和对促进本领域有贡献的概念，并且应将其理解为并不限于此类具体叙述的示例和条件。此外，在本文中叙述原理、实施例以及实施例及其特定示例的所有说明都意图涵盖其结构和功能等效物两者。另外，意图在于使此类等效物包括当前已知的等效物和未来开发的等效物两者，即执行相同功能的所开发的任何元件，无论结构如何。因此，本公开的范围并不意图被限制为示例性实施例和在本文中所示和所述的实施例。相反，由所附权利要求来体现本公开的范围。
应将在本公开的上下文中（尤其是以下权利要求的上下文中）使用的术语“一”、“一个”和“该”及类似对象的使用理解为涵盖单数和复数二者，除非在本文中另外指明或按照上下文明显冲突。本文中的值范围的叙述仅仅意图充当单独地提及落在该范围内的每个单独值的速记方法。除非在本文中另外执行，否则每个单独值被并入到本说明书中，如同其在本文中被单独地叙述一样。可以以任何适当顺序来执行本文所述的所有方法，除非在本文中另外指明或按照上下文明显冲突。在本文中提供的任何和所有示例或示例性语言（例如，“诸如”、“在该情况下”、“举例来说”）的使用仅仅意图更好地举例说明本发明，并且并不对本发明的范围施加限制，除非另外主张权利。不应将本说明书中的语言理解为将任何未要求保护的元素指示为对于本发明的实施而言必不可少。还应注意的是，可将权利要求草拟成排除任何可选元件。这样，本说明意图充当与权利要求元素的叙述相结合的诸如单独地、仅仅等排他性术语的使用或负面限制的使用的前置基础。
不应将本文中公开的替换元件或实施例的分组理解为限制。可单独地或与在本文中找到的其他元素或该组的其他成员的任何组合的方式来参考并要求保护每个组成员。可预期的是，可出于方便和/或可专利性的原因将组的一个或多个成员包括在组中或从其删除。
虽然如上所述已举例说明了实施例的某些特征，但本领域的技术人员现在将想到许多修改、替换、变更以及等价物。因此应理解的是，所附权利要求意图覆盖落在所公开的实施例和所附权利要求的范围内的所有此类修改和变更。

Claims (17)

1. 一种感觉增强音频设备，包括： 
致动器系统，其具有小于约10的机械Q因数；以及
电路，其被电耦合到致动器系统，其中，该电路用以生成驱动信号以促使致动器系统根据该驱动信号进行移动。
2. 根据权利要求1所述的感觉增强音频设备，其中，所述致动器系统具有从约1.5至约3的机械Q因数。
3. 根据权利要求1和2中的一项所述的感觉增强音频设备，其中，所述致动器系统具有在约50至约100 Hz之间的谐振频率。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的感觉增强音频设备，其中，所述致动器系统包括电活性聚合物致动器阵列，所述电活性聚合物致动器阵列包括设置在第一和第二电极之间的至少一个弹性体电介质元件。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的感觉增强音频设备，其中，所述驱动信号是从音频信号导出的。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的感觉增强音频设备，还包括声学辐射器和用以将致动器系统的运动约束为基本上在与声学辐射器轴的轴正交的方向上的装置。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的感觉增强音频设备，其中，由所述电路产生的驱动信号在约2 Hz至约200 Hz的频率范围内。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的感觉增强音频设备，还包括被配置成接纳致动器系统的托盘。
9. 根据权利要求1至8中的一项所述的感觉增强音频设备，还包括被耦合到致动器系统的质量块。
10. 根据权利要求8所述的感觉增强音频设备，其中，所述托盘包括至少一个孔。
11. 根据权利要求8所述的感觉增强音频设备，还包括被安装到托盘的音腔。
12. 根据权利要求8所述的感觉增强音频设备，其中，所述托盘包括用以通过基本上使位移局限于单个方向来使非期望振动模式最小化的悬挂系统。
13. 根据权利要求12所述的感觉增强音频设备，其中，所述悬挂系统包括： 
悬挂托盘，其限定用以在其中接纳质量块和致动器系统的开口；以及 
至少一个挠曲臂，其形成在悬挂托盘中；
其中，所述致动器系统限定由第一轴和第二轴限定的振动平面，并且所述悬挂系统允许沿着第一轴的主要在一个方向上的移动。
14. 根据权利要求1至13中任一项所述的感觉增强音频设备，还包括用以计算非线性逆变换以从驱动信号中去除非期望声学伪迹的逆多项式电路。
15. 根据权利要求1至14中任一项所述的感觉增强音频设备，其中，所述音频设备是头戴式耳机。
16. 权利要求15的头戴式耳机，其中，所述头戴式耳机包括至少一个耳杯，所述至少一个耳杯包括所述致动器系统。
17. 根据权利要求1至15中任一项所述的感觉增强音频设备，其中，独立于所述音频信号的强度来控制由所述致动器系统的运动产生的效果的强度。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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