CN109155891B

CN109155891B - 具有受控离子生成的电声换能器

Info

Publication number: CN109155891B
Application number: CN201680083081.3A
Authority: CN
Inventors: 马克西姆·维克托罗维奇·奇若夫
Original assignee: AGA AD MEDIA LLP
Current assignee: AGA AD MEDIA LLP
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: US9445202B1; WO2017115339A1; CN109155891A; EP3398354A1

Abstract

本公开涉及声学领域、声音再现技术以及扬声器的设计原理，更具体地，涉及具有受控离子生成的电声换能器。该电声换能器(20)包括阳极(24)，该阳极具有电连接到电压源的第一端子的一个或多个放电元件(28)，该阳极(24)的一个或多个放电元件(28)具有第一表面区域，该第一表面区域配置为与所连接的电压源一同生成离子。该电声换能器还包括阴极(22)，该阴极具有电连接到电压源的第二端子的一个或多个放电元件，该阴极(22)的一个或多个放电元件(28)具有第二表面区域，该第二表面区域配置为与所连接的电压源一同生成离子，其中第一表面区域与第二表面区域的比值大于1。

Description

具有受控离子生成的电声换能器

技术领域

本公开涉及声学领域、声音再现技术以及扬声器设计原理；更具体地，涉及具有受控离子生成的电声换能器。

背景技术

扬声器(以下称为电声换能器)是将电能转化为能量声学振荡的装置。电声换能器用于许多消费者产品，例如家用立体声系统、家庭影院系统、汽车声音系统、便携式音乐装置、耳机、录音室装置、声学传感设备及其他。对来自这些和其他产品的高品质的声音产生和/或记录的需求引起了对电声换能器的开发的极大兴趣，该电声换能器可以将电子信号转换成更高精度和更高清晰度的声波。

已知的电声换能器的一个问题是：它们依赖移动部件(例如音圈和膜片)以在两步能量转换过程中产生声学振荡。在第一步中，声音信号的电能被转换成附接到电声换能器上的膜片的机械振动。在第二步中，膜片的机械振动在周围气体介质(例如空气)中产生声学震荡。膜片具有一定质量、极限刚度和给定的边界，这影响了在第二步的在周围空间中再现的声音的质量。因此，声音再现的质量在物理上受到膜的这些方面的限制。一些制造商试图通过生产不使用移动部分而操作的不同类型的电声换能器来克服这些挑战。例如，已经开发了使用区域性放电来产生声波的电声装置。然而，已知的采用区域性放电的电声换能器可能不能最佳地进行。

在Krichtafovich等人的美国专利申请公开No.20090022340 A1(简称‘340公布)中公开了利用电离气体粒子代替移动膜片操作的电声换能器的一个示例。‘340公布公开了在一个电极上的离子生成，该电极因为具有大表面曲率的放电元件的存在而是有源的。产生的离子漂移到第二电极，由于缺少具有大表面曲率的放电元件，所以该第二电极是无源的。在漂移过程中，产生了所谓的离子风，这是宏观气体流动。这种流动也会在调制过程中生成声学振动。然而，偶极辐射模式(即两个对立波的生成)需要使用防止声学短路的声学处理。由于单极电晕放电过程的不对称性，这种设计可能不允许实现高的操作稳定性，并可能导致咝嘶声、噼啪声、电弧或火花放电，尤其当输出功率增加时更是如此。周围气体分子的电离可以作为同一符号的离子的导体，这可以禁止过程的自稳定化。结果，在空间中以移动离子的形式分布的放电可以被允许“坍塌”，变成火花或电弧放电，从而导致听得见的咝嘶声或噼啪声。

在Bondar的美国专利No.4460809(简称‘809专利)中公开了电声换能器的另一示例，该示例利用电离气体粒子而不是移动的膜片来操作。‘809专利描述了电声换能器，其包括由电介质材料片分隔的多行电极。每个相邻的一行或多个电极连接到一个电压源的相反极点。该设计实现了所谓的双极性电晕放电，其中电晕放电过程涉及两种类型的带电粒子，即阳离子和阴离子。然而,在离子漂移过程中，允许离子沿着电解质片周围的弯曲路径从一个电极自由地行进到另一个电极。由于离子在相邻电极间无限制的运动，‘809专利的系统可能不能提供用于实现自稳定过程的条件。即‘809专利的系统可以允许在空间中分布的移动离子的放电“坍塌”，并改变为火花或电弧放电。

在Chizhov等人的乌克兰专利No.105621C2(简称‘621专利)中公开了电声换能器的另一示例。‘621专利的电声换能器包括阴极和阳极，其具有放电元件排列在一行中，且线性间隔不超过4mm。放电元件延伸到阴极和阳极之间的空间(即“电极间空间”)，并且是具有大表面曲率的三维体。将阳极和阴极连接到电压源的电路包括限流元件。‘621专利电声换能器的配置可以提高电极间空间中电场的均匀性，从而稳定电晕放电，并防止产生的阳离子和阴离子将其空间放电坍塌成火花或电弧。

尽管‘621专利的电声换能器可以是有效的，但是还可以实现对电声换能器的操作中的电离气体粒子的产生和控制的进一步改进，以在更高的功率水平下实现改进的声音质量。

所公开的电声换能器旨在克服上述的一个或多个问题和/或现有技术中的其他问题。

发明内容

在一个方面本公开指向电声换能器。该电声换能器可以包括阳极和阴极，该阳极具有电连接到电压源的第一极点的一个或多个放电元件，该阴极具有电连接到电压源的第二极点的一个或多个放电元件。该放电元件具有有源区，当在阴极和阳极之间施加足够的电势差时，该有源区表现为其周围的气体的辉光，并且该放电元件提供阳离子和阴离子的生成。该有源区的特征在于每个放电元件的表面上的区域，该区域暴露于周围的气体，并当电压被施加至电极时直接参与离子的生成。放电元件的形状、尺寸和位置被选择为使得阳极的有源区的区域大于阴极放电元件的有源区的区域。

在另一方面，阳极和阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件可以具有不超过3mm的横截面长度。

在另一方面，放电元件的一个或多个放电元件组中的每一个放电元件组可以通过电介质屏障而与相邻的元件或放电元件组分隔。电介质阻挡层可具有在每个放电元件或放电元件组处发生的放电过程的有效空间分离所需的形状和尺寸，防止在将一个或多个放电元件或放电元件组连接到电压源的限流元件中的电位重新分布中发生击穿。

附图说明

构成该说明书的一部分的附图阐释了若干实施例，并与下文具体描述共同解释了所公开的原理。

图1是已知的电声换能器的阳极和阴极之间的双极冠状放电的摄影图像；

图2是示例性公开的电声换能器的图示阐释；

图3是可以与图2的电声换能器一起使用的示例性公开的放电元件的顶视图阐释；

图4是可以与图2的电声换能器一起使用的示例性公开的放电的正视图阐释；

图5是示例性公开的放电元件的顶视图阐释，该放电元件的横截面长度小于3mm；

图6是示例性公开的放电元件的正视图阐释，该放电元件的横截面长度小于3mm；

图7-10是可以与图2的电声换能器一起使用的示例性公开电路的示意图阐释；

图11是示例性公开的电声换能器的图示阐释；

图12是可以与图11的电声换能器一起使用的示例性公开的电路的示意图阐释；

图13是示例性公开的电声换能器的图示阐释；

图14是可以与图13的电声换能器一起使用的示例性公开的电路的示意图阐释；

图15是示例性公开的电声换能器的图示阐释；

图16是可以与图15的电声换能器一起使用的示例性公开的电路的示意图阐释；

图17是示例性公开的电声换能器的顶视图阐释；

图18是图17的实施例的侧视图阐释；

图19是具有一个以上阴极和/或阳极的示例性公开的电声换能器的图示阐释；

图20是具有弯曲电极和虚拟弯曲表面的示例性公开的电声换能器的图示说明；以及

图21是与本公开的实施例一致的示例性公开的电声换能器的正视图阐释。

具体实施方式

图1示出了现有技术的电声换能器10，其具有阴极12和阳极14。阴极12和阳极14均包括一排延伸到阳极14和阴极12之间的空间中的放电元件16。每个放电元件16被与在阳极14和阴极12之间施加电压时发生的放电过程相关的弱辐射区域围绕。至少一个电极(即阴极12和/或阳极14)的相邻放电元件16之间的距离不大于4mm。电极之间的距离是受限制的，因为该距离的增加空间地分隔在每个放电元件处发生的放电过程，这可能不利地影响双极电晕放电的稳定性及电声换能器的声学特性(即可能降低产生的声音质量)。

图1的电声换能器10的阳极14和阴极12具有大的表面曲率，在通电时该大的表面曲率在放电元件16附近产生高场强。当图1的电声换能器10通电时(即当电压施加到电极时)，在阴极和阳极的每个放电元件上形成有源区。如本文所使用的，术语“有源区”是指直接参与离子生成的每个放电元件的区域(例如表面区域)。直接参与离子生成的区域(即有源区)可以被识别为当电声换能器通电时(即当电压源通过电压源施加到阳极24和阴极22时)被电离气体的辉光包围的表面区域。当电声换能器通电时，有源区形成在每个放电元件的表面区域上。在其上可以形成有源区的每个放电元件的表面区域在本文中称为“放电元件区域”。当电声换能器未通电时，放电元件区域可以识别为放电元件从电极突出的一部分。

在图1的电声换能器中，阳极和阴极上的放电元件的有源区的区域的尺寸取决于施加的电压，这可能对所产生的声音的质量产生不利影响。也就是说，由于可用于参与电离过程的过量的放电元件区域，每个放电元件的有源区可以增加，以在施加的电压增加时包括更多的可用放电元件区域(并且当减少施加的电压降低时可以减少)。因此，当向电极(即阳极14和阴极12)施加电势差和动态电压(即调制信号(例如电子音频信号))时，可以响应于动态电压的变化来调制放电元件16的有源表面区域的尺寸。然而，相对于动态电压信号的变化，该调制不会产生有源区的尺寸的线性变化。相反，在调制期间，有源区的尺寸与动态电压信号的频率和幅度非线性地(例如由传递函数描述)变化，从而降低了发射的声波的质量。

图2示出了与本公开一致的示例性电声换能器20，并且该电声换能器配置为克服已知的电声换能器的缺陷。图2的电声换能器20可以包括一个或多个电极，该电声换能器20包括由结构元件25支撑的阴极22和阳极24。阴极22和阳极24均可以是固体导电体(例如单一体)或一组一个或多个电连接导体。每个阴极22和阳极24可以电连接到电压源26的相反极点(例如AC电压源、DC电压源等)。每个阴极22和阳极24还可以包括具有一个或多个放电元件28的表面，该一个或多个放电元件28延伸到阴极22和阳极24之间的间隙30中。也就是说，每个放电元件28可以具有连接到电极之一的第一端和朝向另一电极延伸到间隙30中的第二端或端子。

电压源26可以是任何电子装置，其被配置为生成并保持足够的电压以发生双极冠状放电。电压源26可以包括电压调制部件或与电压调制部件结合使用，该电压调制部件配置为响应于调制信号调制冠状放电的功率。例如，电压调制部件可包括真空管、晶体管、键元件、变压器及其组合。调制部件可以在放大、变换或调制模式中使用，并且可以包括装置(例如管放大器、半导体放大器、升压变压器、调制电压源和/或其他装置)。

放电元件28可包括导电材料，例如铜、铝、钢、另一导电材料或其组合。在一些实施例中，每个放电元件28可以在合适的制造工艺(例如锻造、铸造、挤压、添加制造(例如3D打印)、机械加工或任何其他合适的工艺)期间由导电材料形成。在其他实施例中，放电元件28可以由涂有导电材料的合适材料形成。放电元件28还可以或替代性地包括化学惰性或耐腐蚀材料(例如铬、不锈钢等)、贵金属(例如金、铂、银、钯等)、金属间合金、合金和/或其他材料。

在一些实施例中，放电元件28可包括具有相对高或相对低的功函数的材料，以允许更大的离子生成。例如，放电元件28可包括功函数不大于4.5eV的材料。然而，应当理解，放电元件可包括具有更高或更低功函数的材料。

阴极22和阳极24的放电元件28可以沿着相应电极的表面成排布置。在一些实施例中，放电元件28的端子可以延伸到阴极22和阳极24之间的虚拟表面32。每个虚拟表面32之间的距离d₀可以是沿着每行放电元件28等距离的。换句话说，阴极22的每个放电元件28可以与阳极24的相对的放电元件28是等距的。阴极22和阳极24之间的实际距离d₀可以基于一个或多个设计因素来选择，例如阴极22和阳极24之间的间隙30的组成密度、阴极22和阳极24的形状和尺寸以及提供给电极的输入信号的工作频率范围。例如，在一个示例中，当间隙30在正常条件下包含空气时，距离d₀可以大约是10-40mm。在一些实施例中，电声换能器20的放电元件28可以偏离虚拟表面不超过阈值距离。例如，放电元件28的端子可以在距虚拟表面32的任一方向(例如更近或更远)处与虚拟表面32相距不大于2mm。

在一些实施例中，放电元件28可以是一排离散的元件。也就是说，每个电极可包括多个所描绘的放电元件28。例如，多个描绘的放电元件28可包括若干个离散点、针、刀片、锯齿或其他类型的突出或细长特征。离散的放电元件28还可包括分散的金属丝网或波纹片或薄膜的部分或元件。成排的放电元件28(即相应电极的放电元件28)可以相对于相邻的放电元件28等距地布置。在一些实施例中，放电元件28可以沿着几何参考物(例如虚拟表面32)彼此等距地布置。为了改善电晕放电过程中离子产生的控制，离散的放电元件28可以以不超过特定的阈值而间隔开。例如，离散的放电元件28可以以不超过电极间距离(例如电极间距离d₀)的1/6而间隔开。应当理解，可以测试和使用其他间隔阈值。

在其他实施例中，放电元件28可以是跨越相应的电极的长度的连续和/或实心几何体(例如单一元件)。例如，整体元件可包括线、刀片、导电条或其他类型的连续体。在一些实施例中，一个电极(例如阴极22或阳极24)可以具有离散的放电元件28，而另一个电极(例如阴极22和阳极24中的另一个)具有连续的放电元件28。

参见如图3和图4，放电元件28可以从电极(例如阳极24)向外延伸。电极可以涂有电介质34，以允许阴极22和阳极24之间的电压电势增加，而不会发生电弧或火花放电。电介质34可包括任何合适的电介质材料，例如玻璃、陶瓷、塑料、橡胶其他材料和/或它们的组合。在一些实施例中，可以实施具有相对较高耐热性的电介质材料，以改善电声换能器20的寿命。未被电介质34覆盖的任何导体(包括放电元件28的非有源表面区域)可以以不受控制的方式寄生地影响放电过程。当这种影响保持不受控制时，可能产生电流波动，这可能导致电晕放电的可听见的噼啪声和咝嘶声和/或电弧或火花击穿。

每个放电元件28可以具有不大于阈值长度的横截面长度，以便限制放电元件28的有源表面区域的尺寸，并控制在其上的离子生成。例如，每个放电元件28可以具有第一横截面长度d₁和第二横截面长度d₂中的一个或多个。应当理解，具有不同构造的放电元件28可以具有不同的或其他的横截面长度。在一些实施例中，放电元件28的横截面长度d₁和d₂可小于或等于3mm。应该理解，可以使用其它横截面长度。

参见图5和图6，当放电元件28的横截面长度d₁和d₂中的一个或多个超过阈值时，放电元件28的有源表面区域可能太大而不允许在没有由电弧或火花引起的不利声音效果的同时生成高功率声音。也就是说，随着放电元件28的尺寸(即放电元件区域)增加，电离的强度和均匀性可以降低，这可能导致产生失真的声音、白噪声、电弧或电火花放电等。在一些实例中，当放电元件28的尺寸增加超过阈值时，可以不产生声音。例如，当横截面长度d₁和d₂中的一个或多个大于3mm时，离子生成的强度和/或均匀性可以降低，从而导致没有声音生成。阈值横截面长度可以根据每个相邻放电元件之间的间隔、电极之间的空间组成(例如气体类型、气体密度、湿度、固体颗粒、液体颗粒等)和电极之间的电压差而变化。

为了进一步限制放电元件28的表面区域(即放电元件区域)，从而在通电时限制每个放电元件的有源区的尺寸，电声换能器20可以配置为表现出阳极24的表面区域(San)与阴极22的表面区域(Scat)之比大于1(即San/Scat>1)。换句话说，阳极24的表面区域可以大于阴极22的表面区域。阳极24和阴极22的相应表面区域可以是与每个相应电极相关联的一个或多个放电元件28的累积表面区域。在一些实施例中，电极的每个放电元件28可以具有相同的尺寸、大约相同的尺寸或不同的尺寸，以避免不期望的电弧或火花放电(以及所导致的声音效果和失真)。

通过保持San/Scat>1的比值而限制阴极22和阳极24的有源表面区域的尺寸，即使在调制阴极22和阳极24之间的电压时，也可以允许在冠状放电过程中在放电元件28附近重新形成相反符号的离子。以San/Scat>1的比值配置电声换能器20可以允许产生高声功率密度(即高音量声音产生)，同时保持冠状放电的空间和时间稳定性(例如减少或消除电弧和/或火花击穿和咝嘶声和/或噼啪声)。

例如，阳离子通过在冠状放电内的放电元件28的有源区中的电击电离而产生。离子产生的强度取决于在电极之间产生的电场的强度、以及形成放电元件28的有源区的放电元件区域的尺寸。阴离子产生于对因自发电子发射而由阴极22发射的自由电子的捕获，这发生在电极之间的空间中。在该空间中，电流发射密度可以达到相对大的值(例如在真空中高达10¹⁰A/cm2)。因此，阴离子产生的速度与阴极22的放电元件的区域成反比。当S_an/S_cat比值≤1且取决于放电电极的形式和排列时，放电过程可能非常弱(即不足以产生适当的声音)或不稳定，因为所产生的阴离子和阳离子的平衡可能被干扰。这种干扰会导致放电不稳定、声学失真以及电弧或火花击穿。当San/Scat>1时，可以避免这些缺陷。

在一些实施例中，S_an/S_cat可以大于1。例如，电声换能器20可配置为25≥San/Scat>1(例如20≥San/Scat>1；15≥San/Scat>1；10≥San/Scat>1；9≥San/Scat>1；8≥San/Scat>1；7≥San/Scat>1；6≥San/Scat>1；5≥San/Scat>1；4≥San/Scat>1；3≥San/Scat>1)。在一些实施例中，电声换能器20可以配置为表现出20>San/Scat≥2(例如，San/Scat＝6)。也就是说，San与Scat的比值可以在2和20之间，包括2和20。如本文所用，在用于参考值的范围时，术语“包括”旨在包括该范围的端点值。应当理解，可以测试和实施除上面列出的那些之外的其他San/Scat的值。

图7示出了配置为经由一个或多个导体36(例如导线)将电声换能器20的阴极22和阳极24连接到电压源26的示例性电路。为了允许电声换能器20在较高电压下操作而没有电弧或火花放电，电声换能器20可以包括一个或多个限流装置，以防止电极接收可能会导致电弧或火花生成的过电压。例如，图8示出了具有限流元件38的示例性电路，该电路配置为在电压尖峰或其他类型的过电压情况的情况下限制到阴极22的电流流动。类似地，图9示出了具有限流元件38的示例性电路，该电路配置为在电压尖峰或其他类型的过电压情况的情况下限制到阳极24的电流流动。在一些实施例中，如图10的示例性电路中所示，多个限流元件38可以被配置为在电压尖峰或其他类型的过压情况的情况下分别限制到阴极22和阳极24的电流流动，限流元件38可包括配置成限制电流流动的一个或多个电路部件。例如，限流元件38可以是电阻器。

在一些实施例中，阳极24和/或阴极22可以被分成多个部段。例如，如在图11中所示的，阴极22可以沿着其长度被分成部段40。相邻的部段40可以通过电介质隔板42分隔，电介质隔板42从阴极22延伸到阳极24和阴极22之间的间隙30中。如图12中所示，每个部段40可以经由导体36和单独的限流元件38电连接到电压源26。

在一些实施例中，如在图13中所示的，阴极24可以沿着其长度被分成部段40。相邻的部段40可以通过电介质隔板42分隔，电介质隔板42从阳极24延伸到阳极24和阴极22之间的间隙30中。如图14中所示，每个部段40可以经由导体36和单独的限流元件38电连接到电压源26。

在一些实施例中，如在图15中所示的，阴极22和阳极24可以沿着它们的长度被分成部段40。相邻的部段40可以通过电介质隔板42分隔，电介质隔板42从阴极22或阳极24延伸到阳极24和阴极22之间的间隙30中。如图16中所示，每个部段40可以经由导体36和单独的限流元件38电连接到电压源26。

在一些实施例中，如图17和图18所示，其中一个电极(例如阳极24)可以由整体的三维体制成，该整体的三维体具有沿着阳极24的放电元件28的阵列取向的大的表面曲率的元件(例如刀片、窄板、细线等)。例如，阳极24可以是沿着阳极24的长度延伸的线、刀片、板等。阴极22可以是放电元件28的阵列，该放电元件朝向阳极24延伸并进入阴极22和阳极24之间的间隙30。阴极22的端子可以与阳极24的放电元件28是等距的。电介质隔板42可以沿着阴极22的长度将阴极22分成部段40，并且电介质隔板42可以从阴极22延伸到阳极24。

在一些实施例中，如图19所示，电声换能器20可包括阴极22和阳极24的附加的对。可以包括附加的结构元件25，其可以位于阴极22和阳极24的对之间。阴极22和阳极24附加的对可以允许更大的声音生成并且可以允许根据音频信号改变产生的声音的方向性图案。

在一些实施例中，如图20所示，电声换能器20可以具有弯曲特征。例如，阴极22和阳极24可以是弯曲的，并且它们的放电元件28可以从一个电极朝向另一个电极等距地延伸到它们之间的间隙30中。以这种方式，每个电极的放电元件28的端子可以延伸到弯曲的虚拟表面32。每个虚拟表面的曲率可以相同或不同。在一些实施例中，相同的虚拟表面可由两电极共享。

图21示出了所公开的电声换能器20的示例性实施例。如图21所示，电声换能器20可包括支撑结构元件25的基座44。基座44可由任何合适的结构材料形成，例如木材、混凝土、石膏、树脂、塑料、金属、陶瓷等。在一些实施例中，基座44可以容纳电路部件，例如导体36、限流元件38和/或其他部件，例如电源电路(例如AC/DC转换器、变压器等)。在一些实施例中，电路元件也可以或替代性地完全或部分地容纳在结构元件25内。在其他实施例中，所有的电源电路可以延伸到基座44和结构元件25。

阴极22和阳极24可以连接到相应的结构元件25，并且在它们之间以间隙30间隔开。阴极22和阳极24的放电元件28可彼此相对，并且从结构元件25延伸到间隙30中。在图21的实施例中，电介质隔板42沿阳极24间隔，并将阳极24的放电元件28分成多个部段。应当理解，在其他实施例中，阴极22还可以或替代性地包括电介质隔板42。在一些实施例中，阴极22和阳极24都不包括电介质隔板42。

尽管图21的实施例仅示出了一个电极对(即一个阴极22和一个电极24)，但应当理解，电声装置20可以包括另外的电极对。还应注意，电声装置20可设计成具有任何期望的形状。也就是说，结构元件25的形式、形状和结构可以设计成具有任何期望的美学外观。例如，电声装置可以是圆柱形、矩形、三角形、六边形、圆形、螺旋形或任何其它期望的形状。电声换能器20可以具有允许成功实现上述特征的任何合适的设计。

所公开的电声换能器可适用于期望将电信号转换为声波的任何系统。所公开的电声换能器可以产生线性且稳定的电晕放电，并且增加所获得的音频信号的功率。所公开的电声装置可根据阳极和阴极的有源表面区域之间的受限关系来控制生成的阳离子和阴离子的量。所公开的电声装置也可以通过限制与阴极和阳极中的一个或多个相关联的放电元件的尺寸和间隔来改善质量并获得声音。所公开的电声换能器还可以通过将阳极和阴极经由一个或多个限流装置连接到电压源来减少火花和电弧放电。现在将解释所公开的电声换能器的示例性操作。

当来自电压源26的负电势和正电势经由电导体36分别施加到阴极22和阳极24时，放电元件28产生彼此相对的两股负电性和正电性的粒子流(例如离子、带电尘埃粒子、带电蒸汽和/或水滴)。施加到电极的电压电势可足以产生稳定均匀的电晕放电。例如，当用作扬声器时，可以施加7-50kV的恒定电压和0-50kV的调制电压。应当理解，可以实现稳定均匀放电的电压可以根据电极的尺寸、间隙30的尺寸、间隙30的成分密度和/或其他因素而变化。当在每个电极附近的空间中产生带电粒子流时，带电粒子沿着在电极之间产生的电场线流动，并在阴极22和阳极24之间的间隙30中重新组合。

电极之间的电压调制导致与中性原子和环境分子相互作用的离子的量和能量的调制。在信号调制期间，可以向电极提供例如在0-100000Hz之间的信号。在一些实施例中，使用500Hz或更高的输入信号可以以大约90dB或更高的频率生成音频声音。对于低于500Hz的信号，声音生成可主要取决于装置的尺寸(例如放电元件28的尺寸、间隙30的尺寸等)。

由于该调制产生的声学波可以从电极的末端向所有方向行进。声波可以围绕中心轴线46均匀分布，该中心轴线46沿着电极的长度(例如垂直轴线)延伸。声波也可以沿着电极的长度均匀地生成。也就是说，声波可以在沿着电极的长度的每个点处围绕轴线46均匀地分布。

在电晕放电过程中，离子连续地生成并在间隙30中传输。由电晕放电产生的离子可以在间隙30中朝向与其自身相反电荷的电极行进。离子的连续重组还导致在间隙30中生成热量和过量的中性原子。当离子行进到带相反电荷的电极时，它们可能与间隙30中的中性原子和气体分子(例如空气)碰撞。因此，可以通过将电能转换为声学振动的三种机制而生成声波：中性原子离子与气体分子之间的动能转移；在阳离子和阴离子重组过程中绝热加热气体；以及由于它们在电极间空间中的连续生成、漂移和复合，极间空间中的中性原子数的变化。

为了确保高的声学功率密度，同时保留冠状放电的空间和时间稳定性，通过限制阳极24和阴极22的放电元件28的有源表面区域的面积的比值为San/Scat>1，从而建立离子产生过程的控制，并因此建立相反符号的离子的重新组合。通过将放电元件28的横截面长度限制为阈值长度(例如3mm)来进一步控制离子的生成。

当电极包括多个单独的部段40(参见图11-16)时，部段40可以通过电介质隔板42与相邻的部段40隔离。放电元件28可以通过单独的限流元件38和导体36从电压源26接收电压信号。在该配置中，电介质隔板42提供电绝缘，从而可以防止发生不期望的火花或电弧放电。用于放电元件28的每个部段40的单独的限流元件38也可以帮助减少或防止不期望的放电。例如，限流元件38可以是5-30MΩ的电阻器，每个电阻器串联在电极和电压源之间。在放电过程中的统计上可能的波动、电极的机械损坏，或异物、液体等进入电极间空间的情况下，电极间间隙30的导电性可以增加，这可能允许发生火花或电弧放电。为了防止火花或电弧放电，限流元件38可以配置为允许串联连接的电极和镇流电阻器之间的电压降的重新分布，使得火花或电弧放电的发生立即消失。应当理解，防止电弧和火花放电所需的电阻器量可以随着提供的电压量和电声换能器20的尺寸(例如放电元件20的尺寸、间隙30的尺寸等)而变化。

电声换能器20通过允许电极两端的电压增加来稳定放电过程，从而允许增加所接收的音频信号的功率，同时防止由过压、火花和电弧引起的失真。以这种方式，可以在宽范围的电压内实现稳定的高质量声音生成。

当放电元件28以不大于电极间距离的1/6的间隔沿电极间隔开时，可以改善电声换能器20的功能质量。当以这种方式配置放电元件28时，可以增加沿着放电元件28的放电过程的均匀性，从而最小化或完全防止调制信号的失真。

当阴极22的放电元件28和阳极24沿虚拟表面32等距地布置时，可以产生声波的定向辐射图案。以这种方式，可以控制期望空间区域中的声音等级。

当限流元件38连接在电极和电压源26之间时，可以减少或消除电极两端的过电压的情况。以这种方式，可以减少或防止由与过电压事件相关联的火花或电弧引起的声音失真，从而改善在宽范围的电压下产生的声音质量。

当放电元件28包括纳米尺寸或亚微米导电元件时，可以增加所产生的声音的声学功率密度。也就是说，使用纳米尺寸或亚微米导电元件可以允许更高的自发电流发射，从而提供更高的声功率密度和更大的声音输出。当放电元件28包括具有相对小的功函数(例如小于4.5eV)的材料时，可以进一步增加电极的自发电流发射。而且，为了防止可能影响放电过程性能的放电元件的物理和化学变化，可以用耐腐蚀材料(例如金、铂等)制备或涂覆放电元件。

当放电元件28形成为连续导电体时，所产生的电晕放电可以更均匀，从而改善离子生成过程的均匀性和质量。

当放电元件28通过电介质隔板42被分隔成部段40并且每个部段40通过单独的限流元件38连接到电压源时，与每个电极仅使用一个限流元件38的实施例相比，可以降低每个限流元件38两端的电压。该电压降可以导致电声换能器20的更高操作效率。当阳极的放电元件28(或放电元件28的部段40)由电介质隔板42分隔时，可以进一步降低每个限流元件38两端的电压。以这种方式，可以进一步提高电声换能器20的效率。当阴极的放电元件(或放电元件的部段40)由电介质隔板42分隔时，可以进一步降低每个限流元件38两端的电压。以这种方式，电声换能器20的效率可以进一步提高，因为从电压源流到电极的电流将流过并联连接的电阻器，从而减小放电元件之间的幅度电压降。当在每种情况下限流元件38是电阻器时，可以简化电路设计并且可以降低电声换能器20的制造成本。

当阴极的放电元件28延伸到虚拟表面32并且放电元件28的端子在虚拟表面32的2mm内时，可以简化电声换能器20的制造工艺，由此导致更快且成本更低的制造工艺。

示例

示例1

参见图2-图4，电声换能器20可以由两个电极(例如阴极22和阳极24)组成，并包括经由导体36连接到电压源26的放电元件28。放电元件28可以成排布置，并且它们的端子可以指向(即延伸到)阴极22和阳极24之间的间隙30。每个电极上的放电元件28的端子可以与相对电极的放电元件的端子等距。尽管在图2中描绘为离散元件，但是放电元件28可以是离散或连续的体，具有不大于3mm的横截面长度。电压源26可以是能够在电声换能器20的电极上产生并维持足以生成双极冠状放电、并与调制信号(例如音频信号)一致地调制冠状放电的功率的足够电位差的任何电装置。可以使用合适的装置来进行调制，这种装置可以包括真空管、晶体管、键元件、变压器及其组合。这些装置可以用于放大、变换或调制模式，并且可以包括管放大器、半导体放大器、升压变压器或调制电压源。

示例2

参见图5和图6，根据本公开的第二示例可以类似于示例1，其中阴极22和阳极24的放电元件28的有源表面区域可以在S_an/S_cat>1的比值内，而放电元件28是具有大于3mm的横截面尺寸的离散体。

该第二示例的电声换能器可能不能有效地提供足够强烈、均匀或稳定的离子生成，因为放电元件28的过量表面区域可能响应于调制信号而以非线性的方式有助于离子生成。而且，放电元件的横向尺寸的增加导致电场强度的降低和离子产生效率的降低。离子产生和调制信号之间的这种非线性关系可能对于离子产生、声学失真以及电弧或火花的击穿是不稳定的。

示例3

根据本公开的第三示例可以类似于示例1，其中阴极22和阳极24的放电元件28的有源表面区域可以在S_an/S_cat≤1的比值内，而放电元件28是具有小于或等于3mm的横截面尺寸的离散体。

该第二示例的电声换能器可能无法有效地控制阳离子和阴离子的生成是在允许在宽电压范围内成功操作的比值内。在该示例中，当S_an/S_cat的比值≤1时，放电过程可以非常弱(即不足以产生适当的声音)或不稳定，因为所生成的阴离子和阳离子的平衡可能受到干扰，导致系统不稳定、声学失真和/或电弧或火花击穿。

示例4

参见图8-图10，根据本公开的第三示例可以类似于示例1，其中可以用电阻器充当的限流元件38包括在电压源26与阴极22和/或阳极24中的一个或多个之间的电路中。

电声换能器可以类似于示例1的而起作用，并且可以提供对电弧或火花放电的发生的保护，从而允许电极电压并且因此允许音频信号的功率增加。

当电路中有一个或多个限流元件38时，可以减少或防止如在过压或环境条件的变化的情况下的稳定的、无声的双极冠状放电转换成电弧或火花放电。例如，在发生不受控制的预击穿过程之后，气态介质的导电率可能急剧增加，并且电压降的大小在电极和限流元件38上重新分布。以这种方式，可以防止放电元件28的端子处的过压，并且防止冠状放电到电弧或火花的转换，从而保护系统的稳定操作。

示例5

参见图11-16，根据本公开的第五示例可以类似于示例1那样，其中阴极22和/或阳极24可以被分成部段40，包括线性排列的放电元件28的组，由此，每个部段40通过电介质隔板42与相邻部分电绝缘，并且通过单独的限流元件38经由电导体36连接到电压源26。

根据该示例的电声换能器可以类似于示例1的电声换能器操作，并防止发生电弧或火花放电，同时通过减小每个限流元件38中的电压降来提高效率。

将电极分隔成并联包含电阻器的部段40可以允许减小电极电路中的有效电阻器的大小，并且减小电压降的大小，从而增加系统的效率。

示例6

参见图11和图12，根据本公开的第六示例可以类似于示例1，其中阴极22可以具有分成线性排列体的部段的放电元件28，每个部段通过电介质隔板42与相邻的部段电绝缘，并且阴极22通过分离的限流元件38经由电导体36连接到电压源26。

该示例的电声换能器可以类似于示例1操作，并防止发生电弧或火花放电，同时通过减小每个限流元件38中的电压降也提高了效率。

示例7

参见图13和图14，根据本公开的第七示例可以类似于示例1，其中阳极24可以具有分成线性排列体的部段的放电元件28，每个部段通过电介质隔板42与相邻的部段电绝缘，并且阳极24通过分离的限流元件38经由电导体36连接到电压源26。

示例8

参见图15和图16，根据本公开的第八示例可以类似于示例1，其中阴极22和阳极24都可以具有分成线性排列体的部段的放电元件28，每个部段通过电介质隔板42与相邻的部段电绝缘，并且阴极2和阳极24通过分离的限流元件38经由电导体36连接到电压源26。

示例9

根据本公开的第九示例可以类似于示例1，其中阴极22的放电元件28可以包括亚微米和/或纳米尺寸元件。

包括亚微米或纳米尺寸的放电元件28可以增加电极附近的电场强度，从而增加电声换能器的自发电子发射和功率密度。

示例10

根据本公开的第十示例可以类似于示例1，阴极22的放电元件28由金属丝网制成，其中分散的纤维相对于第二电极等距地延伸到电极间空间中。

该示例的电声换能器可以类似于示例1操作并且具有替代的设计，其扩展了用于制造电声换能器的技术能力。

示例11

参见图3-6、17和18，根据本公开的第11示例可以类似于示例1，其中一个电极(例如阳极24)可以由整体的三维体制成，该整体的三维体具有沿着阳极24的放电元件28的阵列取向的大的表面曲率的元件(例如刀片、窄板、细线等)，并且该电极与阴极22的放电元件28的端子等距。

该示例的电声换能器可以类似于示例1起作用并且具有替代的设计，其扩展了用于制造要求保护的装置的技术能力。

示例12

参见图19，根据本公开的第12示例可以类似于示例1，其中该电声换能器包括附加的电极对(例如阴极11和阳极24)。

该示例的电声换能器可以类似于示例1起作用，并且提供通用的声功率系统，使得可以改变音频信号的方向性图案。

示例13

参见图20，根据本公开的第13示例可以类似于示例1，其中阴极22和阳极24可以是弯曲的。也就是说，阴极22和阳极24可以是弯曲的，并且在它们之间包括共用的虚拟表面32。

该示例的电声换能器可以类似于示例1起作用，并且可以提供声音的发射方向性，同时允许电声换能器20的期望的外观。

通过实施所公开的电声换能器20可以实现若干优点。特别地，因为电声换能器20可以产生稳定的电晕放电，所以可以显着减少或消除由电弧、火花或其他不希望的反应而造成的声音失真。此外，因为电声换能器20可以变化的输入电压范围上生成稳定的均匀电晕放电，所以音频信号可以被转换成音量随着输入信号的调制而线性变化的声波。附加地，所公开的电声换能器20的配置可允许电声换能器20在处于待机模式时、或当音频信号未被供应到电极时，保持通电不生成不期望的声音效果。此外，因为所公开的电声换能器通过直接电离和调制空气或其他气体粒子而将音频信号转换成声波而不依赖于运动部件来传递动能，所公开的电声换能器可以产生具有高精度和高清晰度的声波(即没有或降低声音的损耗和失真)。

对本公开的电声换能器进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。考虑到本文公开的电声换能器的说明书和实践，电声换能器的其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和示例仅视为说明性的，本公开的真实范围由所附权利要求及其等同物来指示。

元件清单

标题：具有受控离子生成的电声换能器

文件：13084.0003-00000

10.电声换能器

12.阴极

14.阳极

15.导线

16.放电元件

20.电声换能器

22.阴极

24.阳极

25.结构元件

26电压源

28.放电元件

30.间隙

32.虚拟弯曲表面

34.电介质

36.导体

38.限流元件

40.部段

42.电介质隔板

44.基座

46.中心轴线

Claims

1.电声换能器，包括：

阳极，其具有电连接到电压源的第一端子的一个或多个放电元件，所述阳极的所述一个或多个放电元件具有第一表面区域，该第一表面区域配置为与所连接的电压源一同生成离子；和

阴极，其具有电连接到电压源的第二端子的一个或多个放电元件，所述阴极的所述一个或多个放电元件具有第二表面区域，该第二表面区域配置为与所连接的电压源一同生成离子，其中所述第一表面区域与所述第二表面区域的比值大于1；

其中所述第一表面区域是所述阳极的所述一个或多个放电元件的表面区域，该表面区域被配置为当通过电压源向阳极施加电压电势时被电离气体的辉光包围；并且

所述第二表面区域是所述阴极的所述一个或多个放电元件的表面区域，其被配置为当通过电压源向阴极施加电压电势时被电离气体的辉光包围。

2.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于：

所述第一表面区域是所述阳极的所述一个或多个放电元件的表面区域，并配置为当通过电压源向阳极施加电压电势时直接参与离子生成；并且

所述第二表面区域是所述阴极的所述一个或多个放电元件的表面区域，并配置为当通过电压源向阴极施加电压电势时直接参与离子生成。

3.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述第一表面区域与所述第二表面区域的比值在2到20之间，包括2和20。

4.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极或所述阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件朝向所述阳极或所述阴极中的另一极等距地延伸到所述阳极和所述阴极之间的空间中。

5.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极和所述阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件具有不超过3mm的横截面长度。

6.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极或所述阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件与相邻的放电元件间隔开不大于所述阳极和所述阴极之间的距离的1/6。

7.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阴极或所述阳极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件与相邻的放电元件间隔开均匀的距离。

8.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，一个或多个所述阴极和所述阳极通过限流元件电连接到电压源。

9.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极或所述阴极的一个或多个放电元件包括亚微米导电元件或纳米尺寸的导电元件。

10.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极和所述阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件包括功函数小于4.5eV的导电材料。

11.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述放电元件或所述放电元件的端子由耐腐蚀材料制成，或涂有耐腐蚀材料。

12.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件被划分成由电介质隔板分开的多个部段。

13.根据权利要求12所述的电声换能器，其特征在于，所述阴极的放电元件的多个部段中的每一个部段通过单独的限流元件电连接到电压源。

14.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件被划分成由电介质隔板分开的多个部段。

15.根据权利要求14所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极的放电元件的多个部段中的每一个部段通过单独的限流元件电连接到电压源。

16.根据权利要求15所述的电声换能器，其特征在于，所述单独的限流元件是电阻器。

17.根据权利要求1所述的电声换能器，其特征在于，所述阳极或所述阴极的一个或多个放电元件延伸到平滑的虚拟表面。

18.根据权利要求17所述的电声换能器，其特征在于，虚拟表面是虚拟平坦表面和虚拟弯曲表面中的其中之一。

19.根据权利要求18所述的电声换能器，其特征在于，所述阴极的一个或多个放电元件中的每一个放电元件的端子距离所述虚拟表面不大于2mm。