CN105917667A - 改进的参数化变换器及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波音频扬声器，其包括背板，该背板包括第一主表面和导电区域，该背板进一步包括布置在该第一主表面上的多个纹理元件。邻近该背板的第一主表面布置的柔性层包括导电区域和绝缘区域，其中该柔性层邻近该背板布置，使得该绝缘区域被定位在该背板与该柔性层的导电区域之间，并且使得在该柔性层与纹理元件的表面之间存在大量空气。

Description

改进的参数化变换器及相关方法

技术领域

本说明书总体上涉及参数化扬声器。更具体地，一些实施例涉及超声波发射器。

背景技术

非线性转换是将足够密集的、音频调制超声波信号引入空气柱中的结果。自解调或下变频沿着空气柱发生，导致可听声学信号的形成。此过程由于已知的物理原理而发生，即，当在同一介质中同时辐射具有不同频率的两个声波时，由两个声波的非线性(参数化)相互作用产生包括两个频率的总和以及差异的调制波形。当两个原始声波是超声波并且其之间的差异差被选择为音频频率时，可以通过参数化相互作用生成可听声音。

参数化音频重现系统通过在非线性过程中的两个声学信号的外差作用(heterodyning)产生声音，该非线性过程发生在诸如空气的介质中。声学信号通常在超声频率范围中。介质的非线性导致由介质产生的作为声学信号的总和以及差异的声学信号。因此，在频率上分开的两个超声信号可以导致在60Hz至20,000Hz的人类听觉范围内的差音。

发明内容

本文中所描述的技术的实施例包括超声波音频扬声器系统，其包括发射器和驱动器。在一些实施例中，超声波音频扬声器包括：包括第一主表面和导电区域的背板，该背板进一步包括布置在第一主表面上的多个纹理元件；邻近背板的第一主表面布置的柔性层，该柔性层包括导电区域和绝缘区域，其中柔性层邻近背板布置，使得绝缘区域被定位在背板与柔性层的导电区域之间，并且使得在柔性层与纹理元件的表面之间存在大量空气；其中，背板和柔性层均被配置以被电耦接至携带音频调制超声波载波的一对信号线中的相应的一个信号线，并且进一步地，其中，在应用音频调制超声波载波后，柔性层被配置以将音频调制超声波载波信号的压力波表示发射到空中。

结合附图，根据下列具体实施方式，本发明的其他特征和方面将变得明显，该附图通过示例图示说明根据本发明的实施例的特征。上述发明内容不旨在限制本发明的范围，该范围仅由所附的权利要求书限定。

附图说明

根据一个或多个不同实施例参照附图详细描述了本发明。附图被提供仅用于图示说明的目的并且仅描绘本发明的典型实施例或示例实施例。这些附图被提供用于帮助读者理解本文所描述的系统和方法，并且不应被认为限制要求保护的发明的宽度、范围或应用性。

本文中包括的附图中的一些附图从不同的视角图示说明了本发明的不同实施例。尽管所附的描述性文本可能参考在其中被描绘为在设备的“顶部”、“底部”或“侧部”的元件，然而除非以其他方式明确声明，否则这种参考仅是描述性的并且不暗示或要求以特定的空间取向实现或使用本发明。

图1是图示说明适合与本文中所描述的发射器技术一起使用的超声波声音系统的图示。

图2是图示说明适合与本文中所描述的发射器技术一起使用的信号处理系统的另一示例的图示。

图3是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的示例发射器的放大图。

图4是图示说明根据在图3中图示说明的示例的组装发射器的横截面视图的图示。

图5是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的超声波发射器的另一示例配置的图示。

图6A是图示说明能够用于驱动本文中所披露的发射器的简单驱动器电路的示例的图示。

图6B是图示说明用来在从信号自身抽取需要的电压的发射器处生成偏置电压的简单电路的示例的图示。在本示例中，电路被设计成在300V处偏置，但是通过改变二极管ZD1，其他的电压是可能的。

图6C是图示说明能够用于形成罐形磁芯电感器的罐形磁芯的示例的剖面图的图示。

图7是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的另一示例发射器配置的图示。

图8是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的另一示例发射器配置的图示。

图9A是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的包括脊的不规则表面的一部分的横截面图的图示。

图9B是图示说明在图9A中示出的背板104的一个实施例的表面的多个行的透视图的图示。

图9C是图示说明在用于形成不规则表面的峰(而不是细长的脊)的形状中形成的不规则物的透视图的图示。

图10是图示说明具有包括脊的不规则表面的另一个实施例的一部分的横截面图的图示。

图11A图示说明根据以上参照图9和图10描述的实施例的纹理表面的示例尺寸。

图11B图示说明根据以上参照图9和图10描述的实施例的纹理表面的另一示例尺寸。

图12A图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的纹理元件的横截面图。

图12B图示说明在图12A中描绘的纹理元件的透视图。

图13是图示说明具有多个纹理元件(诸如在图12中图示说明的纹理元件)的轮廓的示例的图示。

图14是图示说明其中在每个相邻脊之间提供倒圆状表面的轮廓的示例的图示。

图15是图示说明根据以上参照图12至图14描述的实施例的纹理表面的示例性尺寸的图示。

图16A图示说明根据本文中描述的实施例的示例纹理表面的横截面图。

图16B图示说明根据本文中描述的实施例的示例纹理表面的透视图。

图17A是图示说明以拱形配置形成的示例发射器的自顶向下视图的图示。

图17B图示说明以柱形配置形成的示例发射器的自顶向下视图。

图18A图示说明拱形配置的示例发射器的透视图。

图18B图示说明柱形配置的示例发射器的透视图。

这些附图并不意是穷举性的或将本发明限制于所披露的精确形式。应理解，本发明可以通过修改和替换来实现，并且本发明仅由权利要求及其等同物限制。

具体实施方式

本文中所描述的系统和方法的实施例针对各种不同的应用提供超音速声音(HyperSonic Sound，HSS)音频系统或其他超声波音频系统。某些实施例针对超声波载波音频应用提供薄膜超声波发射器。

图1是图示说明适合与本文中所描述的系统和方法一起使用的超声波声音系统的图示。在这个示例性超声波系统1中，来自音频源2(例如，麦克风、存储器、数据存储装置、流媒体源、CD、DVD或其他音频源)的音频内容被接收。音频内容可以根据来源被解码并且从数字形式转换成模拟形式。使用调制器将由音频系统1接收的音频内容调制到频率为f1的超声波载波上。调制器通常包括用于生成超声波载波信号的本地振荡器3以及用于将音频信号调制到载波信号上的倍增器4。所产生的信号是具有频率为f1的载波的双边带或单边带信号。在一些实施例中，信号是参数化超声波或HSS信号。在大多数情况中，所使用的调制方案是幅度调制或AM。AM可以通过用信息承载信号乘以超声波载波来实现，该信息承载信号在这种情况中是音频信号。经调制的信号的频谱具有两个边带(即上边带和下边带)和载波自身，这两个边带关于载波频率是对称的。

将经调制的超声波信号提供至变换器6，该变换器将超声波发射到空中以产生超声波7。当通过变换器以足够高的声压水平进行回放时，由于通过其进行“播放”或传输的空气的非线性性能，信号中的载波与(多个)边带混合以解调信号并重现音频内容。这有时候被称为自解调。因此，即使针对单边带实现方式，载波也包括有发射的信号使得自解调可以发生。尽管在图3中所图示说明的系统使用单个变换器来发射单信道音频内容，然而本领域的普通技术人员在阅读本说明书之后将理解，多个混合器、放大器和变换器可以如何被用于使用超声波载波传输多信道音频。

在图2中示意性地图示说明了适合与本文中描述的技术一起使用的信号处理系统10的一个示例。在该实施例中，各种处理电路或者部件以根据一种实现方式对它们进行布置的顺序(相对于信号的处理路径)来图示说明。将理解，处理电路的部件可以变化，同样每个电路或部件处理输入信号的顺序可以变化。同样，根据实施例，处理系统10可以包括比所图示说明的那些部件或电路更多或更少的部件或电路。

同样，在图1中示出的示例被优化以用于处理两个输入和输出信道(例如，“立体声”信号)，其中各种部件或电路对于每个信号信道包括基本上匹配的部件。本领域的普通技术人员在阅读本说明书之后将理解，可以使用单信道(例如，“单耳”或“单声道”信号)、双信道(如图2所图示说明的)或更多数量的信道来实现音频系统。

现在参照图2，示例信号处理系统10可以包括音频输入，该音频输入可以对应于音频输入信号的左信道12a和右信道12b。均衡网络14a、14b可以被包括以提供信号的均衡。均衡网络可以例如升高或抑制预定的频率或频率范围以增加由参数化发射器组件的发射器/电感器组合本质上提供的益处。

在音频信号被压缩之后，压缩器电路16a、16b可以被包括以压缩输入信号的动态范围，有效地提高输入信号的某些部分的幅度并降低输入信号的某些其他部分的幅度。更具体地，压缩器电路16a、16b可以被包括以缩小音频幅度的范围。一方面，压缩器以不小于约2∶1的比率使输入信号的峰到峰幅度变小。将输入信号调整至更窄的幅度范围可以被完成以最小化失真，这是这类调制系统的有限动态范围的特征。在其他实施例中，可以在压缩器16a、16b之前提供均衡网络14a、14b以在压缩之后对信号进行均衡。在替代实施例中，压缩可以发生在均衡之前。

低通滤波器电路18a、18b可以被包括以提供信号的高频部分的截止，并且高通滤波器电路20a、20b提供音频信号的低频部分的截止。在一个示例性实施例中，低通滤波器电路18a、18b用于截除高于约15-20kHz的信号，而高通滤波器电路20a、20b用于截除低于约20-200Hz的信号。

高通滤波器20a、20b可以被配置以消除低频，这些低频在调制之后将引起载波频率的偏差(例如，图6中的最接近载波频率的经调制信号的那些部分)。同样，系统难以有效地重现一些低频并且因此尝试重现这些频率会浪费很多能量。因此，高通滤波器20a、20b可以被配置以截除这些频率。

低通滤波器18a、18b可以被配置以消除较高频率，这些较高频率在调制之后可能导致通过载波产生可听差拍信号(beat signal)。举例来讲，如果低通滤波器截除15kHz以上的频率，并且载波频率约为44kHz，那么差信号将不低于约29kHz，该差信号仍在人类的可听范围之外。然而，如果高达25kHz的频率被允许通过滤波器电路，那么所生成的差信号可以在19kHz的范围内，这在人类听觉的范围内。

在示例系统10中，在通过低通和高通滤波器之后，音频信号由调制器22a、22b进行调制。调制器22a、22b将音频信号与由振荡器23生成的载波信号进行混合或组合。例如，在一些实施例中，单个振荡器(该振荡器在一个实施例中以40kHz至50kHz的选定频率来驱动，该范围对应于可以用于振荡器中的易得到的晶体)被用来驱动两个调制器22a、22b。通过针对多个调制器利用单个振荡器，向多个信道提供相同的载波频率，其在调制器的输出端24a、24b处被输出。针对每个信道使用相同的载波频率使得可能发生任何可听差拍频率的风险变小。

在调制阶段之后还可以包括高通滤波器27a、27b。高通滤波器27a、27b可以用于使经调制的超声波载波信号通过并且确保没有音频频率经由输出端24a、24b进入放大器。因此，在一些实施例中，高通滤波器27a、27b可以被配置以过滤出低于约25kHz的信号。

图3是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的示例发射器的放大图示。图3中示出的示例发射器包括一个导电表面45、另一个导电表面46、绝缘层47和光栅48。在所图示说明的示例中，导电层45布置在背板49上。在各种实施例中，背板49是非导电背板并且用于使导电表面45在背侧上绝缘。例如，导电表面45和背板49可以被实现为沉积在非导电的或相对低导电性的衬底上的金属化层。

作为进一步的示例，导电表面45和背板49可以被实现为具有沉积在其上的金属化层的印刷电路板(或其他类似材料)。作为另一示例，导电表面45可以层叠或喷镀于背板49之上，或者使用各种沉积技术(包括气相或蒸发沉积以及热喷涂)被涂敷于背板49上。又作为另一示例，导电层45可以是金属化膜。

导电表面45可以是连续的表面或者其可以具有狭缝、洞、各种形状的开孔或其他非导电区域。此外，导电表面45可以是光滑的或基本上光滑的表面，或者其可以是粗糙的或有凹痕的。例如，导电表面45可以被隆起、冲压、铺沙、喷砂、在表面形成有凹陷或不规则物、以期望的“橘皮皱”程度沉积或者以其他方式具有纹理。

导电表面45不必布置于专用背板49上。相反地，在一些实施例中，导电表面45可以沉积在提供另外功能的构件上，如作为扬声器外壳的一部分的构件。导电表面45还可以直接沉积在发射器将安装于其上的壁或其他位置上，等等。

导电表面46提供发射器的另一个电极。导电表面可以被实现为金属化膜，其中，金属化层沉积于膜衬底之上(未单独地图示说明)。该衬底可以例如是聚丙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、双轴向定向的聚对苯二甲酸乙二醇酯(例如，Mylar、Melinex或Hostaphan聚酯薄膜)、Kapton或其他衬底。在一些实施例中，衬底具有低导电性，并且当被定位使得该衬底位于层45与层46的导电表面之间时，该衬底充当导电表面45与导电表面46之间的绝缘体。

此外，在一些实施例中，导电表面46(以及其包括在其中的其绝缘衬底)通过绝缘层47与导电表面45分开。绝缘层47可以例如使用PET、轴向或双轴向定向的聚乙烯对笨二甲酸酯、聚丙烯、聚酰亚胺或其他绝缘膜或材料制成。

为了用足够的电力驱动发射器以达到足够的超声波压力水平，可能在导电表面46与导电表面45之间的间隔太薄的情况下出现电弧。然而，在间隔太厚的情况下，发射器将不会实现谐振。在一个实施例中，绝缘层47是厚度约为0.92密耳的层。在一些实施例中，绝缘层47是厚度为从约0.90密耳至约1密耳的层。在进一步的实施例中，绝缘层47是厚度为从约0.75密耳至约1.2密耳的层。在又进一步的实施例中，绝缘层47的厚度薄至约0.33或0.25密耳。可以使用其他厚度，并且在一些实施例中不提供单独的绝缘层47。例如，一些实施例依赖导电层46的绝缘衬底(例如，如在金属化膜的情况下)来提供在导电表面45与46之间的绝缘。包括绝缘层47的一个益处是其可以允许更高等级的偏置电压被施加到第一和第二导电表面45、46之间而没有电弧。当考虑两个导电表面45、46之间的材料的绝缘属性时，应当考虑层47(如果有的话)的绝缘值以及导电层46沉积于其上的衬底(如果有的话)的绝缘值。

光栅48可以被包括在堆叠的顶部上。光栅48可以由导电或非导电材料制成。在一些实施例中，光栅48可以是形成用于扬声器的外部扬声器光栅的光栅。因为光栅48在一些实施例中与导电表面46接触，所以光栅48可以使用非导电材料制成以屏蔽用户免受存在于导电表面46上的偏置电压。光栅48可以包括洞51、狭缝或其他开口。这些开口可以是一致的，或者它们可以跨区域变化，并且它们可以是从光栅48的一个表面延伸到另一个表面的通孔。光栅48可以具有各种厚度。例如，光栅48可以约为60密耳，然而可以使用其他厚度。

电触点(electrical contact)52a、52b用于将经调制的载波信号耦接于发射器中。以下描述发射器的驱动器电路的示例。

图4是图示说明根据在图3中所图示说明的示例的组装发射器的横截面图的图示。如所图示说明的，此实施例包括背板49、导电表面45、导电表面46(包括沉积在衬底46b上的导电表面46a)、在导电表面45与导电表面46a之间的绝缘层47，以及光栅48。这些和其他附图中的尺寸，并且特别是层的厚度没有按比例绘制。

发射器可以被制成为几乎任何尺寸。在一个应用中，发射器的长度l为10英寸且其宽度ω为5英寸，然而其他尺寸即更大和更小的尺寸都是可能的。长度和宽度的实际范围可以类似于常规书架型扬声器的长度和宽度。更大的发射器面积可以导致更大的声音输出，但也可能要求更高的偏置电压。

表1描述了可以用于提供导电表面46的金属化膜的示例。针对导电表面46，优选低薄层电阻或低Ω/□。因此，在表1上具有＜5且＜1Ω/□的膜比具有较高Ω/□电阻的膜展现出更好的性能。展现2k或更大Ω/□的膜在开发测试中不提供高输出等级。Kapton聚酰亚胺可能是期望的材料，因为它在操作发射器所期望的温度范围内相对是温度不敏感的。聚丙烯由于其相对小的电容可能是其次期望的。发射器中更小的电容意味着需要更大的电感(并且因此需要物理上更大的电感器)来形成谐振电路。如表1所示，用于提供导电表面46的膜的范围可以从约0.25密耳到3密耳(衬底包括在内)。

表1

尽管未在表1中示出，然而可以用于提供导电表面46的另一种膜是可从Dunmore Corporation(邓莫尔公司)获得的DE 320铝/聚酰亚胺膜。此膜是在两侧镀铝的聚酰亚胺基产品。该膜厚约1密耳并且提供＜1的Ω/□。如这些示例所示，多个不同的金属化膜中的任何金属化膜可以被提供作为导电表面45、46。金属化通常使用喷镀或物理气相沉积工艺来执行。考虑到对低Ω/□材料的优选，铝、镍、铬、铜或其他导电材料可以用作金属层。

金属化膜与背板一起通常具有固有谐振频率，在该谐振频率处它们将谐振。针对一些膜/背板组合，它们的固有谐振频率可以在约30-150kHz的范围内。例如，在如上所述的背板的情况下，一些0.33密耳的Kapton膜在约54kHz处谐振，而一些1.0密耳的Kapton膜在约34kHz处谐振。因此，可以选择膜和超声波载波的载波频率从而使得载波频率与膜/背板组合的谐振频率匹配。将载波频率选择在膜/背板组合的谐振频率处可以增加发射器的输出。

图5是图示说明根据本文中所描述的技术的一个实施例的超声波发射器的另一示例配置的图示。图5中的示例包括导电表面45和46以及光栅48。图5中示出的实施例与图3和图4中示出的实施例之间的不同在于图5中示出的实施例不包括单独的绝缘层47。可以使用如以上参照图3和图4描述的相同的材料实现层45、46和48。具体地，为了避免在导电表面45、46之间短路或电弧，导电表面46沉积在具有绝缘属性的衬底上。例如，与在表1中示出的膜相似的金属化Mylar膜或Kapton膜可以用于实现导电表面46，其中膜被定向使得绝缘衬底定位在导电表面45、46之间。

图6A是图示说明可以用于驱动本文中所披露的发射器的简单驱动器电路的示例的图示。如将由本领域的普通技术人员认识的，在使用多个发射器的情况下(例如，针对立体声应用)，可以针对每个发射器提供驱动器电路50。在一些实施例中，驱动器电路50被提供在与发射器相同的外壳或组件中。在其他实施例中，驱动器电路50被提供在单独的外壳中。此驱动器电路仅是示例，并且本领域的普通技术人员将认识其他驱动器电路可以与本文中所描述的发射器技术一起使用。

通常，来自信号处理系统10的经调制的信号电耦接至放大器(未示出)。放大器可以是驱动器电路50的一部分并且与其在相同的外壳或壳体中。替代地，放大器可以被单独地封装。在放大之后，信号被递送至驱动器电路50的输入端A1、A2。在本文中所描述的实施例中，发射器组件包括可以用超声波频率操作的发射器。该发射器(未在图6中示出)在触点D1、D2处连接到驱动器电路50。电感器54与发射器一起形成并联谐振电路。通过配置与发射器并联的电感器54，可以实现通过电感器和发射器以及并联谐振电路的电流循环。因此，发射器的电容变得重要，因为发射器的较低电容值要求较高的电感来实现在期望频率处的谐振。因此，在发射器设计中，层与发射器的电容值作为整体可以是重要的考虑因素。

偏置电压被施加到端子B1、B2两端以为发射器提供偏置。全波整流器57和滤波电容器58向发射器输入端D1、D2两端的电路提供DC偏置。理想地，所使用的偏置电压约为发射器期望采用的反向偏置的两倍(或更大)。这是为了确保偏置电压足以将发射器从反向偏至状态中拉出。在一个实施例中，偏置电压近似300-450伏特，然而可以使用其他范围中的电压。例如，可以使用350伏特。针对超声波发射器，偏置电压通常在几百至数百伏特的范围中。

尽管可以使用串联安排，将电感器54与发射器并联地安排相对于串联安排可以提供优点。例如，在该配置中，可以在放大器未直接存在于电流路径中的情况下在电感器-发射器电路中实现谐振。与串联配置相比，这可以导致发射器更稳定和可预测的性能，以及更少的功率被浪费。

在最优系统性能下获得谐振可以提高系统的效率(即，减少由系统消耗的功率)并减少由系统产生的热。

在串联安排的情况下，电路使浪费的电流流过电感器。如本领域中已知的，发射器将在电路中实现电谐振的点处(或附近)表现最佳。然而，放大器在电路中引入变化，其可以随着温度、信号偏差、系统性能等变化。因此，当电感器54与发射器(和放大器)串联定向时，可能更加难以获得(并维持)电路中稳定的谐振。

图6B是图示说明可以与本文中所披露的发射器一起使用的简单偏置电路的示例的图示。如将由本领域的普通技术人员认识的，在使用多个发射器的情况下(例如，用于立体声应用)，可以针对每个发射器提供偏置电路53。在一些实施例中，偏置电路53被提供在与发射器相同的外壳或组件中。在其他实施例中，偏置电路53被提供在单独的外壳中。此驱动器电路仅是示例，并且本领域的普通技术人员将认识到，其他驱动器电路可以与本文中所描述的发射器技术一起使用。

通常，来自信号处理器10的经调制的信号电耦接至放大器(未示出)。放大器可以是驱动器电路53的一部分并且与其在相同的外壳或壳体中。可替代地，放大器可以被单独地封装。在放大之后，信号被递送至电路53的输入端A1、A2。在本文中所描述的实施例中，发射器组件包括可以以超声波频率操作的发射器。发射器在触点E1、E2处连接到驱动器电路53。图5B中示出的电路的优势在于可以从超声波载波信号中生成偏压，并且不需要供应单独的偏置供应。在操作中，二极管D1-D4结合电容器C1-C4被配置以作为整流器或电压倍增器操作。具体地，二极管D1-D4和电容器C1-C4被配置以作为整流器和电压四倍器，该电压四倍器产生高达节点E1、E2两端的载波电压幅度的约四倍的DC偏置电压。可以使用类似的已知的电压倍增技术提供其他级别的电压倍增。

电容器C5被选择得足够大以保持偏置并向E1处的DC电压呈现开路(即，防止DC短路到地)，但是足够小以允许经调制的超声波载波通过发射器。电阻器R1、R2形成分压器，并且与齐纳二极管ZD1组合以将偏置电压限制到期望等级，该期望等级在所图示说明的示例中为300伏特。

电感器54可以是本领域的普通技术人员已知的各种类型。然而，电感器生成可以“泄漏”超出电感器约束的磁场。该场可以干扰发射器的操作和/或响应。同样，在超声波声音应用中使用的许多电感器/发射器对以生成大量热能的电压操作。热量还可以负面地影响参数化发射器的性能。

至少由于这些原因，在大多数常规参数化声音系统中，电感器物理上位于距发射器相当远的距离处。虽然这种解决方案解决了以上概述的问题，但是其添加了另外的并发问题。从电感器传送到发射器的信号可能是相对高的电压(近似160V峰到峰或更高)。由此，将电感器连接到发射器的布线针对高电压应用必须是额定的。同样，在某些安装中线路的长期运转是必要的，这可能是既昂贵又危险的，并且还可能干扰与参数化发射器系统无关的通信系统。

可以使用罐形磁芯电感器实现电感器54(包括如在图6A和图6B的配置中示出的部件)。罐形磁芯电感器被封装在罐形磁芯内，该罐形磁芯通常由铁氧体材料制成。这约束了电感器绕组以及由电感器生成的磁场。通常，罐形磁芯包括限定腔体60的两个铁氧体半体59a、59b，其中电感器的绕组可以布置在该腔体中。参见图6C。空气间隙G可以被包括以增加罐形磁芯的磁导率而不影响磁芯的屏蔽能力。因此，通过增加空气间隙G的大小，罐形磁芯的磁导率被增大。然而，增加空气间隙G还要求增加保持在罐形磁芯中的电感器的匝数以便实现期望的电感量。因此，空气间隙可以增加磁导率并且同时降低由罐形磁芯电感器生成的热量，而不牺牲磁芯的屏蔽属性。

在图6A和图6B中所图示说明的示例中，使用双绕组升压变压器。然而，在通常被称为自耦变压器配置中可以将主绕组55和次绕组56组合，主绕组和次绕组中的任一者或两者可以包含在罐形磁芯中。

如以上所讨论的，期望的是利用电感器54和发射器实现并联谐振电路。还期望的是使电感器/发射器对的阻抗与放大器期望的阻抗匹配。这通常要求增加电感器发射器对的阻抗。还可能期望的是实现这些目标同时将电感器物理上定位在发射器附近。因此，在一些实施例中，罐形磁芯的空气间隙被选择使得主绕组55的匝数呈现放大器期望的阻抗负载。以此方式，电路的每个回路可以被调谐来以增加的效率等级操作。增加罐形磁芯中的空气间隙提供能力来增加电感器元件55的匝数而不改变电感器元件56的期望电感(这将以其他方式影响发射器回路的谐振)。这进而提供能力来调整电感器元件55的匝数以匹配放大器期望的阻抗负载。

增加空气间隙的大小的附加益处是罐形磁芯的物理大小可以被减小。因此，可以使用更小的罐形磁芯同时仍然提供相同的电感以与发射器产生谐振。

使用升压变压器为本系统提供附加的优点。因为变压器从放大器到发射器的方向上“升压”，所以其必须从发射器到放大器的方向上“降压”。因此，可能以其他方式从电感器/发射器对行进至放大器的任何负反馈通过降压过程被减弱，因此通常使在放大器和系统上的任何此类事件的影响被最小化(具体地，电感器/发射器对中可能影响由放大器经历的阻抗负载的变化被减小)。

在一个实施例中，涂漆的Litz线30/46用于主绕组和次绕组。Litz线包括许多单独绝缘并且绞合或编织在一起的细线股。Litz电线使用多根平行的细的单独绝缘的导线。单根导线的直径被选择为小于在工作频率处的趋肤深度，使得这些线股不遭受可感知的趋肤效应损耗。因此，Litz线可以允许在更高频率下的更好性能。

偏置电压被施加到端子B1、B2两端以为发射器提供偏置。全波整流器57和滤波电容器58向发射器输入端D1、D2两端的电路提供DC偏置。理想地，所使用的偏置电压约为预望发射器所呈现的反向偏置的两倍(或更大)。这是为了确保偏置电压足以将发射器从反向偏压状态中拉出。在一个实施例中，偏置电压近似350-420伏特。在其他实施例中，可以使用其他偏置电压。针对超声波发射器，偏置电压通常在几百至数百伏特的范围中。

尽管未在附图中示出，然而在偏置电压足够高的情况下，可能在导电层45、46之间出现电弧。该电弧可以通过中间绝缘层以及在发射器的边缘处(在绝缘层的外边缘周围)出现。因此，绝缘层47可以被制得在长度和宽度上比导电表面45、46更大以防止边缘电弧。同样地，在导电层46是绝缘衬底上的金属化膜的情况下，导电层46可以被制得在长度和宽度上比导电层45更大，以增加从导电层46的边缘到导电层45的边缘的距离。

电阻器R1可以被包括以降低谐振电路的Q因数或使其平坦化。并非在所有情况中都需要电阻器R1并且作为负载的空气将自然地降低Q。同样地，电感器54中较细的Litz线也可以降低Q从而使得峰不会过度尖锐。

图7是图示说明了根据本文中所描述的技术的一个实施例的另一示例发射器配置的图示。在该配置中的发射器包括作为底层的导电光栅65、绝缘中间层47以及上导电层46。可以使用以上参照图3和图4描述的用于层46和47的示例实现层46和47。可以使用导电材料或具有导电表面或涂层的材料制成导电光栅65。因为导电光栅65形成发射电极中的一个电极，所以输入引线52b连接至导电光栅65。

导电光栅65可以具有洞、狭缝或其他开口的图案。在一些实施例中，这些开口组成导电光栅65的约50％的面积。在其他实施例中，这些开口可以组成导电光栅65的更大或更小百分比的面积。导电光栅65的厚度可以约为60密耳。在其他实施例中，导电光栅65可以具有不同的厚度。

图8是图示说明了根据本文中所描述的技术的一个实施例的另一示例发射器配置的图示。在该配置中的发射器包括作为底层的导电光栅65、绝缘中间层47以及上导电层46和上光栅48。除了光栅48之外，在图8中图示说明的发射器类似于在图7中图示说明的示例。

组成本文中所描述的发射器的层可以使用多种不同的技术接合在一起。例如，可以使用框架、钳夹、夹子、粘合剂或其他附接机制将这些层接合在一起。这些层可以在边缘处接合在一起以避免干扰发射器膜的谐振。

如以上指出的，在各种实施例中，导电表面45具有不规则的表面。为了产生该不规则表面，在以上所讨论的实施例中，表面可以被隆起、冲压、铺沙、喷砂、在表面形成有凹陷或不规则形状、以期望的“橘皮皱”程度沉积或者以其他方式具有纹理。在其他实施例中，导电表面45可以包括导电板或其他构件，该构件被形成有或具有脊或其他类似的纹理元件以向导电发射器膜46呈现不规则表面。

图9A是图示说明了根据本文中所描述的技术的一个实施例的包括脊的不规则表面的一部分的横截面图的图示。在图9A中所图示说明的示例中，导电背板104具有脊状表面105。脊状表面105的峰支撑导电层46。尽管导电层46被示为由脊状表面的峰105间隔开，然而导电层46可以停靠在脊状表面的峰105上或与之接触。在一些实施例中，导电层46包括传导层46a和将传导层46a与峰分隔开的绝缘层46b。尽管未图示说明，然而当偏置电压被施加到发射器两端时，导电层46将被吸入与表面105更稳定地接触，从而导致层46接触峰，在充分的偏置的情况下，被至少部分向下吸入到谷中。优选地，偏置不足以强到将层46吸入与整个表面105完整接触，因为期望一些空气量以允许层46响应于音频调制超声波信号的应用而移动。

图9B是图示说明了在图9A中示出的背板104的一个实施例的表面的多行的透视图的图示。在所图示说明的示例中，脊状表面105的峰在跨背板104的全部或部分的长度上延伸。可以用细长的纹理元件107(在该示例中，为基本上一致的脊)制造背板104的部分，该纹理元件跨背板104的全部或部分大致平行地延伸。在其他实施例中，表面105中的不规则物17具有较短的长度。图9C是图示说明了在用于形成不规则表面的峰(而不是细长的脊)的形状中形成的不规则物的透视图的图示。在图9C所图示说明的示例中，表面不规则物是正方棱锥的形式(具有被截去的平坦的峰)，然而也可以使用矩形锥。尽管表面不规则物(例如，图9B的脊107和图9C的椎体108)的边缘被示为具有尖锐的边缘，然而表面不规则物的边缘的部分或全部可以具有较大的半径(即，其可被缓和或不那么尖锐)。

在图9所图示说明的实施例中，每个峰的高度基本上是一致的或者基本上是相同的高度。在替代实施例中，脊的峰的高度可以逐行或逐峰变化。图10是图示说明了具有包括脊的不规则表面的另一个实施例的一部分的横截面图的图示。在图10所图示说明的实施例中，脊状表面111的峰具有不同的高度。具体地，存在由较高峰112限定的多个较低峰114。在该示例中，峰112是负载峰(loaded peak)，因为它们支撑发射器层46。较短峰114是非负载峰并且可以以被选择用于在发射器层46与背板104之间提供期望的空气量的高度来提供。如在参照图9B图示说明并描述的实施例的情况下，表面111可以包括跨背板104的全部或部分延伸的多个细长的脊。替代地，如以上参照图9C图示说明并描述的实施例的情况下，表面111可以包括布置在背板104的表面上或形成背板104的表面的多个正方棱锥或矩形锥。在这种情况下，负载锥体可以被安排成行使得负载椎体的行邻近非负载椎体的多行。替代地，负载锥体可以被安排使得它们被非负载锥体环绕。

纹理元件(例如，锥体)的高度可以变化，但是优选地该变化相对较小。图11A和图11B是图示说明了根据以上参照图9和图10描述的实施例的纹理表面的示例性尺寸的图示。在图11A的示例中，脊或锥体的高度为0.008″并且以0.019″的间距被安排。在锥体的顶部处的平坦台面的宽度是0.003″。在相邻锥体的侧壁之间形成的交叉区处的角度优选地是直角，然而可以使用其他角度。类似地，在图11B的示例中，锥体或脊可以具有类似的尺寸，即具有0.019″的间距、0.008″的负载锥体高度以及0.003″的峰宽度。在图11B的示例实施例中，负载锥体与非负载锥体之间的高度差可以相对较小，近似0.00025″-0.004″。然而，这些尺寸是示例性的并且可以随着应用变化，这些示例图示说明了由纹理元件提供的纹理可以是精细的纹理。例如，脊或锥体的高度的范围可以从0.005″至0.015″，并且间距的范围可以从0.012″至0.100″，然而在两种情况中可以使用更小或更大的尺寸。

包括图12A和图12B的图12提供背板的纹理元件的又一替代实施例。图12A是根据本文中所描述的技术的一个实施例的纹理元件的横截面图，而图12B呈现了透视图。现在参照图12A和图12B，在该示例中，脊120具有经修改的扇形顶表面121。表面121包括多个高点125和凹陷127，其提供了纹理元件(例如，脊120)的顶部的轮廓。

同样在图12A中图示说明的是定位在背板104上方的导电层46。虽然导电层46被示为与脊120的峰间隔开，然而导电层46可以停靠在脊状表面120的峰上或与之接触，条件是导电层46在传导层46a与背板104之间包括绝缘层46b。尽管未图示说明，然而当偏置电压施加到发射器两端时，导电层46将被吸入与扇形顶表面121的更稳定的接触中，从而导致层46接触高点125，并且在充分偏置的情况下可能被至少部分地吸入到脊之间的凹陷127和谷中。优选地，偏置不足以强到将层46吸入与背板104的整个表面的完全接触中，因为期望一些空气量以允许层46响应于音频调制超声波信号的应用而移动。

图13是图示说明了具有如在图12中所图示说明的那些纹理元件的多个纹理元件的轮廓的示例的图示。在该示例中，纹理元件以彼此平行定位脊的形式安排，这些脊跨背板104的全部或部分扩展(running)。如该示例中示出的，纹理元件在每个纹理脊的底部处符合V形。在相邻锥体的侧壁之间形成的交叉区处的V形的角度优选地是直角，然而可以使用其他角度。

在替代实施例中，纹理元件在脊之间的谷中不符合V形配置。例如，在一个替代方案中，在相邻脊120之间的表面是倒圆表面(radius surface)(例如，U形配置)。此倒圆表面的示例在图14中示出，其中在相邻脊120的每个脊之间提供放倒圆状表面122。作为另一个示例，在另一替代中，相邻脊121之间的表面具有平坦的底部或基底123。此表面的示例在图15中示出，其中脊121从其对应的峰向下倾斜(在示例中为恒定斜率，然而也可以使用弯曲表面)并且在基本上平坦的谷基底123处相遇。从脊斜坡到谷基底的过渡可以是尖锐的，或者其可以是倒圆状的。

纹理元件(例如，脊120)的高度可以变化，但是优选地该变化相对较小。图16是图示说明了根据以上参照图12至图15描述的实施例的纹理表面的示例性尺寸的图示。图16A呈现沿着脊120的行向下看的横截面图，而图16B呈现观看具有多个高点125和凹陷127的单个脊120的透视图。在图16的示例中，脊120的高度为0.008″并且以0.035″的间距被间隔开。每个脊的峰以0.035″的间距被安排；在高点125的顶部处的平坦台面的长度和宽度分别是0.003″和0.030″；并且凹陷127的深度是0.008″。

然而，这些尺寸是示例性的并且可以随着应用变化，这些示例图示说明了由纹理元件提供的纹理可以是精细的纹理。例如，脊或锥体的高度的范围可以从0.005″至0.015″，并且间距的范围可以从0.012″至0.100″，然而在两种情况中可以使用更小或更大的尺寸。

在这些和其他实施例中，在脊或锥体之间的信道的深度在确定膜/背板发射器系统的谐振中可以是重要的因素。优选地，经调制的超声波信号的载波频率被选择为发射器系统的谐振频率或在该频率附近以便于有效操作。在各实施例中，谐振频率优选地大于35kHz。在进一步的实施例中，谐振频率优选地大于50kHz。在一些实施例中，发射器层46可以具有在从30kHz到150kHz的范围中的任何值处的固有谐振频率，然而替代方案可能高于或低于此范围。在一个实施例中，使用谐振频率为80kHz的膜/背板发射器。

同样地，在膜46与背板104之间的空气量可以被调整以形成范围在30kHz到150kHz中的谐振系统，然而高于或低于此范围的其他频率是有可能的。在一个实施例中，使用80kHz的载波频率并且空气量被配置以给出80kHz的系统谐振频率。在各种应用中，空气量将是确定谐振频率的主导因素。在其他配置中，膜的刚度将是主导的而空气量可以被任意地选择。在其他配置中，它们两者几乎贡献相等的作用。因此，设计折衷可以被考虑并且利用低于理想的频率匹配。

在以上参照图9至图16所描述的实施例中，以及在其他类似实施例中，背板104可以由铝或其他导电材料制成。铝由于其质量轻且耐腐蚀因而是期望的。铝或其他导电材料可以被机加工(例如，铣削)、铸造、冲压、或以其他方式被制造以形成背板104的期望的表面图案。此外，背板可以由塑料或其他非导电材料制成并且然后用诸如镍或铝的导电材料涂覆。该非导电背板可以被注模、铸造、冲压或以其他方式制造以形成期望的表面图案。

发射器可以通过使用多种不同的制造技术将层46与背板104接合来制造。例如，在一个实施例中，层46沿着其长度和宽度被拉紧并且使用粘合剂、机械紧固件或其他紧固技术被固定地附连到背板104。进一步举例来讲，可以提供围绕背板104的周边的相对平坦的区域以呈现膜46可以被粘合到或以其他方式附连到背板104的平坦区域。膜46可以沿着背板104的整个周边或在选定的位置处被粘合到或以其他方式固定到背板104。此外，膜46可以在周边内的选定的点或位置处被粘合到或以其他方式固定到背板104。在制造过程中施加到膜的张力优选地是足够大的张力以使该膜平滑从而避免褶皱或者不必要的多余材料。所期望的是在均匀地施加偏置电压到背板的区域两端后，足够大的张力允许膜被吸引到板。在一些应用中，张力的量可以近似为10PSI，然而可以使用其他张力。

为了避免在附连操作期间在膜46与背板104之间捕获不想要的空气，可以在背板104的背部提供一个或多个空气洞以允许空气逸出。这可以避免在空气腔中建立不想要的压力并且避免在组件后膜的“鼓胀”。

此外，在一些实施例中，背板的纹理导电表面可以被阳极化处理或者以其他方式在顶表面上配备绝缘材料的薄涂覆。如以上指出的，在一些实施例中，膜46可以是具有传导表面的金属化Mylar膜或Kapton膜，其被应用于聚合物或其他类似绝缘膜上。在背板104的表面被阳极化处理的情况下，不需要双层膜(例如，层46a、46b)来将膜46与背板104隔离，并且传导膜(在没有绝缘膜的情况下)可以被利用。

组成本文中所披露的各种发射器的导电层和非导电层可以使用柔性材料制成。例如，本文中所描述的实施例使用柔性金属化膜来形成导电层，并且使用非金属化膜来形成电阻层。由于这些材料的柔性性质，它们可以被模制以形成期望的配置和形状。在其他实施例中，组成发射器的这些层可以使用模制材料或成形材料来形成以实现期望的配置或形状。

例如，如在图17A中所图示说明的，这些层可以以拱形配置施加于衬底74。图18A提供了以拱形配置形成的发射器的透视图。在该示例中，衬背材料(blacking material)71被模制或形成拱形形状而发射器层72附装于其上。其他示例包括柱形(图17b和图18b)和球形。如在阅读本说明书之后对本领域的普通技术人员将是明显的是，根据本文中所披露的技术，可以使用其他形状的衬背材料或在其上的其他形状的衬底来形成超声波发射器。

Mylar膜、Kapton膜和其他金属化膜可以被拉伸或伸展至一定程度。伸展膜并且以拉伸配置使用膜可以为发射器增添更高程度的定向性。超声波信号本质倾向于是自然定向的。然而，伸展膜产生更高等级的定向性。同样地，导电层可以使用多种导电材料中的任何导电材料制成。可以使用的常见导电材料包括铝、镍、铬、金、锗、铜、银、钛、钨、铂和钽。导电金属合金也可以被使用。

如以上指出的，导电层45、46可以使用金属化膜制成。这些金属化膜包括Mylar膜、Kapton膜和其他类似的膜。可获得不同透明程度(从基本上完全透明到不透明)的此类金属化膜。同样地，绝缘层47可以使用透明膜制成。因此，本文中所披露的发射器可以使用透明材料制成，从而产生透明的发射器。这种发射器可以被配置以放置在各种物体上以形成超声波扬声器。例如，一个或一对(或更多)的透明发射器可以作为透明膜被放在电视屏幕上方。这是有利的，因为随着电视变得越来越薄，存在可用于大扬声器的较小的空间。将(多个)发射器层叠在电视屏幕上允许放置扬声器而不需要附加的机柜空间。作为另一示例，发射器可以被放置在相框上，从而将图片转换成超声波发射器。同样，因为金属化膜也可以是高反射性的，所以超声波发射器可以被制成镜子。

虽然以上已描述了本发明的各种实施例，但应理解的是它们仅通过示例而不是限制的方式来呈现。同样地，各种图示可以描绘本发明的示例架构或其他配置，其被完成以帮助理解可以包括在本发明中的特征和功能性。本发明不局限于所图示说明的示例架构或配置，而是可以使用各种替代性架构和配置来实现期望的特征。实际上，将对本领域技术人员明显的是，可以如何实现替代性功能的、逻辑的或物理的分区和配置以实现本发明的期望特征。同样，不同于本文中所描绘的那些名称的众多不同的构成模块名称可以应用于各部分。此外，关于流程图、操作说明以及方法权利要求，除非另有明确说明，否则本文中呈现的步骤的顺序并不要求各种实施例被实施以便以相同顺序来执行所阐述的功能。

尽管以上就不同示例性实施例和实现方式而言描述了本发明，但是应理解，在一个或多个单独实施例中描述的不同特征、方面以及功能不限于这些特征、方面以及功能对通过其被描述的特定实施例的适用性，而是相反地，这些特征、方面以及功能可以单独或以不同组合应用到本发明的一个或多个其他实施例，而不论此类实施例是否被描述并且也无论此类特征是否呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本发明的宽度和范围不应该受以上描述的示例性实施例中的任何示例实施例的限制。

除非另有明确声明，否则在本文档中使用的术语和短语以及其变体应该被解释为开放性的而不是限制性的。如前述的示例：术语“包括”应被解读为意味着“包括，但不限于”等等；术语“示例”用于提供所讨论的项的示例性实例，并非穷举性的或限制其列表；术语“一种”或“一个”应被解读为意味着“至少一个”、“一个或多个”等等；并且诸如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”的形容词以及类似含义的术语不应被解释为将所描述的项限制于给定的时间段或者限制为在给定时间可获得的项，而是相反地应被理解为包含可在现在或在未来的任何时候获得的常规的、传统的、正常的或标准的技术。同样，在本文档指那些本领域的普通技术人员将清楚或已知的技术的情况下，此类技术包括现在或在未来的任何时候熟练的业内人士清楚或已知的那些技术。

在一些实例中，扩展性词汇和短语诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”等的存在不应被解释为意味着在可能不存在此类扩展性短语的情形下期望或需要更窄的情况。术语“模块”的使用并不暗示所描述的或所要求保护的部件或功能性作为模块的一部分全部被配置在共同的封装体中。事实上，模块的任何或所有不同部件(无论是控制逻辑还是其他部件)都可以被组合在单个封装体中或被单独地维护，并且可以进一步分布在多个分组或封装体中或跨越多个位置来分布。

此外，本文中陈述的不同实施例在示例性框图、流程图以及其他图示方面被描述。如在阅读了本文文档之后对本领域的普通技术人员将变得清楚的是，所示的实施例及其不同替代方案可以被实施而不受所示示例的约束。例如，框图及其随附描述不应该被解释为要求特定架构或配置。

Claims (18)

1.一种超声波音频扬声器，包括：

背板，所述背板包括第一主表面和导电区域，所述背板进一步包括布置在所述第一主表面上的多个纹理元件；

邻近所述背板的所述第一主表面布置的柔性层，所述柔性层包括导电区域和绝缘区域，其中所述柔性层邻近所述背板布置使得所述绝缘区域被定位在所述背板与所述柔性层的所述导电区域之间，并且使得在所述柔性层与所述纹理元件的表面之间存在大量空气；

其中所述背板和所述柔性层均被配置以被电耦接至携带音频调制超声波载波的一对信号线中的相应一个信号线上，并且进一步地，其中在应用所述音频调制超声波载波后，所述柔性层被配置以将所述音频调制超声波载波信号的压力波表示发射到空中。

2.如权利要求1所述的超声波音频扬声器，其中所述纹理元件包括布置在所述背板的所述第一主表面上的多个脊，其中对应的凹陷被布置在每个相邻的一对脊之间。

3.如权利要求2所述的超声波音频扬声器，其中所述多个脊中的每个脊包括以某一角度从相邻的凹陷延伸的两个表面和沿着所述脊的峰扩展的平坦部分。

4.如权利要求3所述的超声波音频扬声器，其中所述谷包括一对相邻脊的相邻表面的交叉区。

5.如权利要求3所述的超声波音频扬声器，其中谷包括在一对相邻脊的相邻表面之间的倒圆状表面。

6.如权利要求3所述的超声波音频扬声器，其中谷包括在一对相邻脊的相邻表面之间的平坦表面。

7.如权利要求3所述的超声波音频扬声器，其中所述多个脊中的每个脊的峰包括扇形轮廓。

8.如权利要求1所述的超声波音频扬声器，其中所述柔性层包括金属化膜。

9.一种静电发射器，其包括：

第一电极，所述第一电极包括具有纹理表面的导电元件；

第二电极，所述第二电极包括邻近所述第一电极的所述纹理表面布置的金属化膜；

其中，在应用音频调制超声波载波后，所述第二电极被配置以响应于音频调制信号发生谐振并且将所述音频调制超声波载波信号的压力波表示发射到空中。

10.如权利要求9所述的超声波音频扬声器，其中所述纹理表面包括布置在所述背板的所述第一主表面上的多个脊，其中相应的凹陷被布置在每个相邻的一对脊之间。

11.如权利要求10所述的超声波音频扬声器，其中所述多个脊中的每个脊包括以某一角度从相邻的凹陷延伸的两个表面和沿着所述脊的峰扩展的平坦部分。

12.如权利要求11所述的超声波音频扬声器，其中所述谷包括一对相邻脊的相邻表面的交叉区。

13.如权利要求11所述的超声波音频扬声器，其中谷包括在一对相邻脊的相邻表面之间的倒圆状表面。

14.如权利要求11所述的超声波音频扬声器，其中谷包括在一对相邻脊的相邻表面之间的平坦表面。

15.如权利要求11所述的超声波音频扬声器，其中所述多个脊中的每个脊的峰包括扇形轮廓。

16.一种超声波音频扬声器，其包括：

第一层，所述第一层具有第一主表面、第二主表面和导电区域；

第二层，所述第二层邻近所述第一层布置并且具有第一主表面、第二主表面和导电区域；以及

布置在所述第一区域与所述第二区域之间的绝缘区域；

其中所述第二层包括背板并且所述背板包括多个纹理元件。

17.如权利要求16所述的超声波音频扬声器，其中所述第一层包括邻近所述背板的所述纹理元件布置的柔性层，所述柔性层包括导电区域和绝缘区域，其中所述柔性层邻近所述背板布置，使得所述绝缘区域被定位在所述背板与所述柔性层的所述导电区域之间，并且使得在所述柔性层与所述纹理元件的表面之间存在大量空气。

18.如权利要求16所述的超声波音频扬声器，其中所述第一层和所述第二层均被配置以电耦接至携带音频调制超声波载波的一对信号线中的相应的一个信号线，并且进一步地，其中在应用所述音频调制超声波载波后，所述柔性层被配置以将所述音频调制超声波载波信号的压力波表示发射到空中。