CN109716791B - 等离子扬声器及耳机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及扬声器(10)包括限定了内部空间(11)的外壳(8)；和至少一个声音发生器(7)，其包括一个或多个设有空气通道导管(15)的表面，空气可通过该空气通道管道(15)进出内部空间。声音发生器(7)还包括多个电极，所述多个电极包括至少一个空气暴露电极(1,4)和至少一个绝缘电极(2,3)。电压源(6)被配置为在至少一个空气暴露电极(1,4)和至少一个绝缘电极(2,3,7)之间产生电场，可操作地为多个电极和空气通道管道(15)内产生等离子体(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将电信号转换成相应的声音信号的等离子体扬声器。
背景技术
目前，大多数可用的扬声器或电声换能器包括移动膜，该移动膜将声能传递到周围空气。移动膜的质量以及其他非线性(例如，磁非线性和悬架非线性)在声音中引入失真/音色外扰。
此外，由于移动膜的力学性能，目前没有可用的单个扬声器能够充分有效地覆盖整个音频频谱。因此，有必要使用多个扬声器串联以覆盖整个音频频谱(低音扬声器，中音扬声器，高音扬声器)。使用多个扬声器能够导致在不同频率范围内的显著重叠，这也会使预期声音失真。
为了克服这些公知的扬声器存在的问题，已经进行了多次尝试以获得一种具有有效零质量(除了移动空气的质量之外)的扬声器。制造无质量扬声器的一种方法是使用大气等离子体来移动空气。
通过在空气的体积上施加大电场，最容易产生大气等离子体。电场导致空气分子的破坏。一旦空气分子破裂，它们就会被电离并沿着施加的电场梯度的方向移动。这些移动的离子将其动量传递给周围的空气。通过调制电场，可以使空气及时移动到音频信号，从而产生声波。
三种公知的扬声器分别为：
等离子弧：这些扬声器使用电弧，使用音频信号进行调制。由于所涉及的高电场引起的触点的侵蚀，电弧最终会击穿；此外，使用电弧是非常危险的。
特斯拉线圈：这些扬声器基于特斯拉线圈，它们会造成很多电气干扰，商业化是非常不切实际的。
火焰：这些扬声器使用火焰(本生灯)来产生声音。通过使用施加的高电压调制火焰内的离子，可以产生声音。同样，这种装置的商业化非常困难，并且使用火焰是非常危险的。
虽然上述的方法不同，但通常认为这些类型的等离子体扬声器是非常不实用的，并且具有显著的性能限制，例如，在产生的声音的频率范围和音量。
例如，这些已知的等离子体扬声器都不能在低音频段产生足够的音量(小于2.5kHz)。因此，这些等离子体扬声器被限制用作高音喇叭(高频扬声器)。
DBD(电介质阻挡放电)是用于在电极之间产生等离子体的已知装置。等离子体通常在施加大电压(大于空气击穿电场)的两个平行板电极之间的绝缘表面上形成。DBD主要针对表面处理，以增强材料预生产的润湿性或医疗应用中的表面消毒。 DBD可以在空气，其他气体或低压气体中形成。关于DBD的许多研究涉及稳定等离子体形成(例如，去除微放电)以形成精确表面处理所需的均匀等离子体。
等离子体致动器也是公知的，其源自DBD。等离子体致动器是用于使用一对电极来操纵气流的装置，所述电极包括一个绝缘的或封装的电极和一个空气暴露电极。在两个电极之间产生电场，该电场在电场梯度的方向上(通常朝向绝缘电极)引起空气向致动器表面上方的运动。这种气流是一种壁式喷射。
气流由等离子体的动能转换产生，等离子体的动能来源于等离子体粒子沿着电场线移动至靠近致动器空气处。
Suzen的电渗式流动模型(基于等离子体致动器的低压涡轮机流量分离控制数值模拟，Suzen,Y B,Huang,P G,Ashpis,D E,第45届AIAA航空航天科学会议和展览 2007年1月8日至11日，45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 8-11 January2007,里诺，内华达州)，Roth的顺电流模型(用于空气动力学流量控制的顺电式单气氛均匀辉光放电等离子体(oaugdpTM)致动器的物理和现象学，Roth,J Reece, Dai,Xin,Rahel,Jozef,Sherman,Daniel M,AIAA PAPER 2005-0781)，和Alonso Chirayath的模型(等离子体驱动无人机，Chirayath,V,Alonso,Dr J.斯坦福大学，物理系，2010年，2011年，美国宇航局资助)涉及正/负电压的不同物种电离率，用于解释移动离子如何将动量传递到空气的理论的示例。
根据Suzen的模型，电子跟随电场线直到它们到达绝缘体/空气的暴露电极的表面(取决于极性)。当它们到达绝缘体表面时，它们分散以试图抵消施加的电场。离子速度慢得多，并且每个AC循环不会走得很远。根据该理论，绝缘体表面电荷与离子之间的相互作用导致动量转移到空气中。总体等离子体积在ns时间范围内是中性的。
当空气暴露电极为负极时，电子行进到绝缘体表面并形成表面电荷。表面电荷以这样的方式重新分布，以产生远离空气暴露电极的净动量(由离子引起)。
当空气暴露电极为正极时，电子从绝缘体表面迁移到空气暴露电极(遵循电场线)，并且离子朝向绝缘体表面移动，远离空气暴露电极(几乎与电场线相切)。离子负责几乎所有的动量转移。两个周期的动量通常不相等；这会在空中产生推/小推动作。
等离子体致动器涉及流量控制应用，主要在航空航天领域(例如飞机机翼)中。通过使用穿过大气等离子体的电场的非直线特性，气流被传到周围的空气中。通过在等离子体表面上产生抽吸/吹气效应，该气流可用于减少致动器上方的气流中的湍流。
流量控制应用中等离子体致动器的主要限制之一是产生的气流速度低。大多数研究旨在提高气流速度，主要是通过修改：电极间隙尺寸，电极尺寸，介电类型，金属类型，锯齿状电极，执行器电压和频率，交流电压波形(正弦波，三角波，锯齿波等)。
有几个名称与等离子体致动器有关：SDBD(单个介质阻挡放电)，滑动SDBD (其中，额外的AC或DC电压用于增加力，至少是略微增加)，OAUGDP(单气氛均匀辉光放电等离子体，用于表面处理的例子)，Micro DBD(MEMs标尺装置)。有几种改进的空气暴露电极SDBD设计，例如，蛇形或三角形设计(主要用于产生用于气流控制的微涡流)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种根据权利要求1所述的扬声器。
根据本发明的第二方面，提供了根据权利要求25所述的耳机。
根据第一方面的扬声器是一种零质量扬声器，即除了产生的等离子体之外，不具有移动部件的扬声器。因为是零质量的，所以，扬声器能够比具有机械可移动膜的已知扬声器更准确地再现声音。
此外，根据第一方面的扬声器可以覆盖整个音频频谱(即使在低频，小于2.5kHz)。因此，扬声器能够用单个较小的单元替换低音单元，中音和高音扬声器的现有扬声器组合。此外，生成的声音的音量范围也得到改善。
与现有的等离子高频扬声器相比，根据本发明的扬声器能够在空气路径导管内推动大量空气。例如，对于面积为50mm2的导管，可以在1-10m/s之间推动空气，并且可能在1m处产生75dB，甚至是84dB SPL(声压级)。相比之下，等离子高音扬声器仅在放电尖端周围移动一小部分空气(几毫米平方)-这对于2.5kHz音频的低音量是令人满意的，但是在较低频率下不会产生足够的空气来产生可听见的声音。还可以将扬声器的操作扩展到超声区域中。
此外，根据第一方面的扬声器的结构易于扩展，并且与大多数公知的扬声器相比，其尺寸明显更小。尺寸甚至可以降低到MEM(微机电系统)水平或更低，从而允许微型设计或耳机，以及允许降低扬声器的操作电压。
根据本发明的小尺寸扬声器还可以更容易产生诸如定向声音的效果。
与已知的等离子高频扬声器相比，根据第一方面的扬声器也明显更安全。
通常，应当理解，根据第一方面的扬声器结构明显更简单，更小，设计上更容易和更便宜，材料清单减少，并且与已知扬声器相比，它也更可靠和更安全，而在当时，即使在音频频谱的较低频率下，也能有效地提供高质量的声音转导和音量。
附图说明
现在，附图说明将参考附图通过示例描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的扬声器的局部剖视图；
图2是图1中所示的扬声器的声音发生器；
图3是根据本发明的第二实施例的扬声器的剖视图；
图4是根据本发明的第三实施例的扬声器的局部剖视图；
图5是图4中所示的扬声器的声音发生器；
图6是根据本发明的第四实施例的扬声器的剖视图；
图7是根据本发明的第五实施例的扬声器的剖视图；
图8是图7中所示的扬声器的声音发生器的前视图(图7的外壳未示出)；
图9是根据本发明的第六实施例的扬声器的剖视图；
图10是根据本发明的第七实施例的扬声器的剖视图；
图11是根据本发明的扬声器的第一实施例的电压源装置示意图；
图12是根据本发明的扬声器的第二示例性电压源装置示意图；和
图13是根据本发明的实施例的扬声器的外壳的示意图；
图14和15是根据本发明的扬声器的两个实施例，包括多个声音发生器；和
图16是根据本发明的扬声器的又一实施例，其包括多个声音发生器。
应当注意，在下面的详细描述中，从结构和/或功能的观点来看，相同或相似的部件可以具有相同的附图标记，而不管它们是否在本公开的不同实施例中示出；还应注意，为了清楚和简明地描述本发明，附图可能不一定按比例绘制，并且本公开的某些特征可以以略微示意的形式示出。
具体实施方式
参考附图，本发明公开涉及一种扬声器10，其包括：形成内部空间11的外壳8；所述内部空间11优选地填充有气体，例如空气，但是所述内部空间11也可以填充有其他流体。
所述扬声器10还包括：至少一个声音发生器7。所述声音发生器7包括：形成空气通道管道15的一个或多个表面，空气可通过该空气通道管道15可操作地进出内部空间11。
在图1-6所示的实施例中，声音发生器7包括彼此分开的第一块31和第二块32。第一块31包括表面12,21，表面12,21与第二块32的表面13,22分开，以在它们之间限定空气通道管道15。
特别地，表面21和22彼此分开并相对，以便形成通向空气通道管道15的进入内部空间11的入口16(用于允许空气从外壳8的外部进入空气通道管道15)。表面 13和12彼此分开并相对，以便在它们之间形成空气通道管道15的间隙18。
优选地，表面21相对于第一块31的相邻表面12倾斜，并且表面22相对于第二块32的相邻表面13倾斜。更优选地，表面21,22倾斜以便减小二者之间的沿着朝向间隙18方向的距离。
在本说明书中，术语“倾斜的”相对于表面意味着具有倾斜或斜率，或者相对于这样的表面形成角度；；因此，术语“倾斜”包括相对于表面的倾斜”，“使倾斜”，“使成角度”，“斜率”，“横向”，“弯曲”，“弧形的”。
在图1-2和4-5所示的实施例中，表面21相对于第一块31的相邻表面12倾斜，并且表面22相对于第二块32的相邻表面13倾斜。
在图3所示的实施例中，表面21朝向内部空间11弯曲，而表面22相对于表面 13倾斜。
在图6所示的实施例中，表面21和22相对于相应的表面12和13弯曲。
在图1-2和3所示的实施例中，第二块32的表面13横向于第一块31的相对表面12布置，使得其间的距离沿着朝向内部空间11的方向增加。以这种方式，间隙 18沿着所述方向扩大。
在图4-5和6所示的实施例中，表面12和13包括平行的扁平通道和端部41；所述端部41朝向内部空间11弯曲。特别地，端部41以这样的方式弯曲，以使间隙 18的端部朝向内部空间11扩大。
在图9和10所示的实施例中，所述声音发生器7包括：彼此分开的第一块61 和第二块62。声音发生器7还包括布置在第一块62和第二块63之间的、并与之分离的第三块63。
第一块61，第二块62，第三块63的分开的表面形成了空气通道管道15。具体地，第三块63包括相对的表面64和65。第一块61包括与表面64分开的表面66和 67，和第二块62包括与表面65分开的表面66和69。表面66和64在它们之间形成空气通道管道15的第一间隙180，并且表面68和65在它们之间形成空气通道管道 15的第二间隙181。
表面67和69彼此分开，并且表面67和69与表面64和65分开，以便形成朝向内部空间11的通向空气通道管道15的入口16。
在图9-10所示的实施例中，第三块63具有椭圆形状，但是期可以具有其他合适的形状，例如球形或矩形。
表面67和69分别相对于表面66和68倾斜；特别地，表面67和69是倾斜的，以便减小它们从入口16到第一间隙180、第二间隙181之间的距离。这样，空气通道管道15从入口16减小到第一间隙180和第二间隙181。
或者，表面67和69可以是弯曲的，以便减小它们从入口16到第一间隙180、第二间隙181之间的距离。
表面66和68设置成使得它们与第三块63的相应表面64和65的距离沿着朝向内部空间11的方向增加。以这种方式，第一间隙180、第二间隙181沿着所述方向扩大。
图13示出了，例如，外壳8，根据前面公开的实施例之一的声音发生器7可以安装在外壳8中，使得到达空气通道管道15的入口16可以设置在外壳8的墙壁17 处。例如，图示的外壳8可以是密封盒8。
在图7-8所示的实施例中，所述声音发生器7包括：第三块33。第三块33包括：圆柱形表面24和弯曲表面35和36，弯曲表面35和36设置在圆柱形表面24的相对端。
这些表面24,35,36限定了空气通道管道15。特别地，弯曲表面35形成了朝向内部空间11的通向空气通道管道15的入口16，圆柱形表面24形成了中央圆柱形孔 19。空气通道管道15和弯曲表面36形成了空气通道管道15的朝向内部空间11的端部。
优选地，表面35是弯曲的，以便将空气通道管道15从圆柱形孔19朝向入口16 进行扩大。
优选地，表面36是弯曲的，以便将空气通道管道15从圆柱形孔19朝向内部空间11进行扩大。
参考附图，所述声音发生器7还包括多个电极，其包括至少一个空气暴露电极 1,4和至少一个绝缘电极2,3,70。绝缘电极2,3和70可以是用任何合适的非导电材料绝缘。
优选地，每个电极具有其自己的延伸的导电表面。电极可具有任何合适的形状；例如电极可以是但不限于扁平的，直的，板状的，锯齿状的，条状的或细线状的电极。
例如，但不限于，空气暴露电极1-4可以由铜或其他电导体/半导体制成，绝缘电极2,3可以封装在聚酰亚胺(例如，Kapton)或陶瓷或任何其他绝缘或半导体材料中。
扬声器10还包括电压源装置6，其被配置为在至少一个空气暴露电极1,4和至少一个绝缘电极2,3,70之间产生电场，以便可操作地在多个电极附近和在空气通道管道15内产生等离子体100。
声音发生器7的多个电极相对于彼此和空气通道管道15设置，使得除了在空气通道管道15内产生等离子体100之外，根据电场的调制，电场引起所产生的等离子体100的离子朝向或远离外壳8的内部空间11移动。
以这种方式，移动的离子可以将动量传递到周围空气的颗粒，例如，迫使通过空气通道管道15的气流朝向或远离内部空间11。
优选地，至少一个绝缘电极2,3,70设置在限定空气通道管道15的相应一个表面下方，并且至少一个空气暴露电极1,4设置在空气通道管道15内，相对于至少一个绝缘电极2,3偏移，以这样的方式，其间的电场引起等离子体的离子向内部空间11 的移动。
在图1-6所示的实施例中，所述声音发生器7包括第一绝缘电极2和第二绝缘电极3，第一绝缘电极2设置在第一块31的表面12下方，第二绝缘电极3设置在第二块32的表面13下方。
所述第一绝缘电极2和第二绝缘电极3通过绝缘材料与相应的表面12和13分开，例如，介电材料；例如，在所示实施例中，第一绝缘电极2和第二绝缘电极3 被封装到相应第一块31和第二块32的绝缘材料中。
优选地，第一绝缘电极2和第二绝缘电极3平行于相应的表面12和13，在表面 12和13之下设置第一绝缘电极2和第二绝缘电极3。尽管如此，在这些实施例的变型中，绝缘电极可以倾斜以增加远离暴露电极的电场梯度。
在图1-3所示的实施例中，所述声音发生器7还包括一个暴露在空气中的电极1，该电极1放置在第一块31的表面21上。
以这种方式，所述空气暴露电极1设置在相对于第一绝缘电极2偏移的空气通道管道15内；特别地，空气暴露电极1设置在通向空气通道管道15的入口16和表面12之间，第一绝缘电极2设置在该表面12之下。
在图1-2中，由于表面21相对于相邻表面12倾斜，所以空气暴露电极1也相对于这样的表面12倾斜。
在图3中，由于表面21相对于表面12弯曲，所以放置在其上的空气暴露电极1 也相对于这样的表面12弯曲。
电压源装置6被配置为在空气暴露电极1和第一绝缘电极2、第二绝缘电极3之间产生电场。
由于空气暴露电极1相对于第一绝缘电极2、第二绝缘电极3偏移，所以电场线被引导远离空气暴露电极1并进入间隙18。
沿着这些电场线，产生的等离子体100至少部分地沿着表面12延伸，第一绝缘电极2设置在所述表面12之下。第二绝缘电极3向上提升等离子体100，使得等离子体100至少部分地也沿着表面13延伸。根据电场的强度，第二绝缘电极3还与空气绝缘电极1一起有助于产生等离子体100。
等离子体100的离子在最大电场点处产生，即在空气暴露电极1处产生；电场线引起所产生的离子远离空气暴露电极1的移动并被引导到间隙18中。
移动的离子将动量传递到周围的空气颗粒，从而产生穿过空气通道管道15并被引向内部空间11的气流。
在实践中，当沿着电场线行进时，离子具有切向力分量，该切向力分量被引入间隙18并朝向内部空间11，可由间隙18本身接近。因此，等离子体100推动周围空气，以这种方式迫使气流通过空气通道管道15并被引向内部空间11。
除了空气暴露电极1之外，图4-6中所示的声音发生器7还包括空气暴露电极4。
该附加的空气暴露电极4设置在第二块32的表面22上。
以这种方式，空气暴露电极4设置在偏离第二绝缘电极3的空气通道管道15内；；特别地，空气暴露电极4设置在入口16和表面13之间，第二绝缘电极3设置在表面13之下。
在图4-5中，由于表面22相对于相邻表面13倾斜，所以空气暴露电极4也相对于这样的表面13倾斜。
在图6中，由于表面22相对于相邻表面13弯曲，所以放置在其上的空气暴露电极4也相对于这样的表面13弯曲。
电压源装置6被配置为产生从每个空气暴露电极1，4引导到第一绝缘电极2，第二绝缘电极3的电场。由于空气暴露电极1，4相对于第一绝缘电极2偏移，如图3所示，电场线远离空气暴露电极1，4并进入间隙18。
沿着这些电场线，所述产生的等离子体100至少部分地沿着表面12和13延伸。此外，第二绝缘电极3将沿表面12产生的等离子体100向上提升，并且第一绝缘电极2将沿表面13产生的等离子体100向下提升。以这种方式，等离子体100沿着表面12,13以及在表面12,13之间的间隙18的剩余空间中广泛地延伸。
等离子体100的离子在最大电场点处产生，即在空气暴露电极1和4处产生；电场线引起所产生的离子远离空气暴露电极1,4并且被引导到间隙18中。
移动的离子将动量传递到周围的空气颗粒，例如以产生通过空气通道管道15并朝向内部空间11的气流。
在图9-10所示的实施例中，声音发生器7包括第一绝缘电极2和第二绝缘电极 3，第一绝缘电极2设置在块61的表面66下方，第二绝缘电极3设置在块62的表面68下方，第三绝缘电极70设置在椭圆形块63的相对表面64,65下方。
第一绝缘电极2,第二绝缘电极3和第三绝缘电极70封装在相应的块61,62和椭圆形63的绝缘材料中。
所述声音发生器7还包括一个空气暴露电极1，其设置在入口16和限定间隙180,181的表面之间的与间隙180和181相邻的空气通道管道15中。
在图9中，空气暴露电极1是铺设在椭圆形块63上的弯曲电极，而在图10中，空气暴露电极1是设置在块63前面的导线。
以这种方式，空气暴露电极1布置在相对于第一绝缘电极2,第二绝缘电极3和第三绝缘电极70偏置的空气通道管道15内。
电压源装置6被配置为在空气暴露电极1和第一绝缘电极2、第二绝缘电极3、第三绝缘电极70之间产生电场。
由于空气暴露电极1相对于第一绝缘电极2、第二绝缘电极3、第三绝缘电极70 偏移，所以电场线被引导远离空气暴露电极1并进入间隙180和181。
沿着这些场线，所述产生的等离子体100至少部分地沿着表面64和65延伸，第三绝缘电极70设置在所述表面64和65之下。第一绝缘电极2从表面64向上提升等离子体100，以便等离子体100至少部分地也沿着表面66延伸。
第二绝缘电极3从表面65向下提升等离子体100，以便等离子体100至少部分地也沿着表面68延伸。取决于电场的强度，第一绝缘电极2,第二绝缘电极3也有助于产生等离子体100，该等离子体100与空气绝缘电极1相结合。
等离子体100的离子在最大电场点处产生，即在空气暴露电极1处产生；电场线引起所产生的离子远离空气暴露电极1的移动并被引导到间隙180和181中。
移动的离子将动量传递到周围的空气颗粒，从而产生通过空气通道管道15的气流。
实际上，当沿着电场线行进时，离子具有切向力分量，该切向力分量被引导到间隙180,181中，并且朝向内部空间11，可由间隙180,181自身接近。因此，等离子体100推动周围空气，以这种方式迫使气流通过空气通道管道15并被引向内部空间11。
在图7-8所示的实施例中，声音发生器7包括绝缘圆柱形电极2，其设置在限定圆柱形孔19的表面14下方。具体地，绝缘圆柱形电极2通过绝缘与相应的表面14 分离，例如，介电材料；例如，在所示实施例中，绝缘圆柱形电极2被封装到块33 的绝缘材料中。
所述声音发生器7还包括设置在弯曲表面35上的暴露于空气的圆形电极1，使得圆形电极1的延伸的导电表面相对于圆柱形表面14弯曲。
所述电压源装置6被配置为产生从暴露于空气的圆形电极1引导到绝缘圆柱形电极2的电场。由于暴露于空气的圆形电极1相对于绝缘圆柱形电极2偏移，因此，电场线被引导远离暴露于空气的圆形电极1并进入圆柱形孔19。
沿着这些场线，所产生的等离子体100至少部分地沿着表面14延伸，绝缘圆柱形电极2设置在该表面14下方。等离子体100的离子在最大电场点处产生，即在暴露于空气的圆形电极1处产生；电场线引起所产生的离子远离暴露于空气的圆形电极1的移动并被引导到孔19中。
移动的离子将动量传递到周围的空气颗粒，例如，以产生通过空气通道管道15 的气流并将该气流引向内部空间11。
实际上，当沿着电场线行进时，离子具有指向圆柱形孔19的切向力分量，并且因此朝向内部空间11可以通过孔19本身进入。因此，等离子体100推动周围空气，以便迫使气流通过空气通道管道15并将其引向内部空间11。
根据本发明的扬声器10的电压源装置6还被配置为响应于所提供的电声信号25调制所产生的电场，以从扬声器10产生相应的电压源信号40。
用于调制电场的电声信号25能够具有进入音频范围的频率，例如，在20Hz和20kHz之间，以产生电压源信号40。
电声信号25可以具有大于20kHz的频率，以便产生频率高达至少3MHz的电压源信号40。
通过调制电场的幅度，产生的等离子体100振动。
特别地，当调制电场的幅度增加时，等离子体100的移动离子被加速，从而增加由等离子体100施加的力，以将周围空气推入内部空间11中。
正如所理解的，通过空气通道管道15并且朝向内部空间11引导的气流由此被加速，导致填充外壳8的内部空间11的气体被压缩。
压缩气体对通过等离子体100推入内部空间11的空气施加恢复力(或相反亦然)。
当调制电场的幅度减小时，等离子体100施加在空气上的推力也减小，直到其被恢复力克服。因此，朝向内部空间11的气流开始减速，直到恢复力将其方向反转出外壳8。
来自扬声器10的电压源信号40是通过空气通道管道15进出内部空间11的气流的这种调制的结果(如图中的双箭头示意性地示出的那样)。
外壳8的壁适合于抵消/吸收压力波，该压力波是通过气流的调制产生到体积11中的；并且阻尼材料也可设置在外壳8的壁的内表面上。
实际上，填充外壳8的气体起到类似于弹簧的作用，而流过空气通道管道15的调制空气起到类似于移动的振动质量的作用。
因此，像哨子效应一样，空气通道管道15和外壳8起到类似于音频调谐电路的作用，其中，所述调谐频率由空气通道管道15的尺寸(长度/宽度)和外壳8的尺寸决定。
在所需操作频率下，选择调谐频率以最大化增益。实际上，可以选择空气通道管道15和/或外壳8的尺寸，以最大化由外壳8和空气通道管道15本身实现的音频调谐电路的Q因数。
例如，这可以通过确定尺寸小的空气通道管道15(意味着其中的空气质量减少)来实现。
例如，如图1-6所示的声音发生器7的尺寸可以是大约6mm宽×45mm高，其中间隙18大约在0.5-3mm之间，优选地，在2-3mm之间。在这种情况下，外壳8可以是大约120×70×60mm。参考图13，入口槽16的长度可以约为45mm。
参考图7-8中所示的声音发生器7，圆柱形孔19的尺寸可以被设计得非常小，使得等离子体100可以立即移动孔19中的所有空气并且停止通过孔19的中心出来的任何背压波(可以用产生的电压源信号40抵消)。该声音发生器7特别适合以 MEMs尺寸实现；实际上，它的结构非常小，最多只有几毫米。
在产生电压源信号40的情况下，外壳8的尺寸也可以更小以使音频Q因数最大化。
参考图1-6和9-10中所示的声音发生器7，通过使用除绝缘电极2之外的绝缘电极3，在间隙18,180,181中产生等离子体，至少部分地沿着两个相对表面形成的上述间隙延伸。
以这种方式，等离子体可以平稳地引导气流通过间隙18,180,181，即避免或至少显著减少涡流或湍流。由于电压源信号40是通过气流通过空气通道管道15的调制产生的，因此改善的气流意味着改善的声音响度/音量和质量。
通过使空气暴露电极1相对于限定间隙18的表面12倾斜，进一步改善通过空气通道管道15的气流。这避免或至少显著地减少了湍流或加速阻尼效应或边界层效应，其通常与拉动/推动空气穿过表面的操作相关联。
基于同样的原因，根据图1-3中所示的块32的表面13沿着间隙18的延伸部分倾斜，并且可以有助于保持气流层流。
参考图4-6中所示的声音发生器7，附加的空气暴露电极4引起等离子体体积的倍增(或者声音发生器7可以产生相同的等离子体积但具有减小的尺寸)。与图1-3 中所示的声音发生器7进行比较。
附加的空气暴露电极4还增加了由移动的离子施加在周围空气上的推力，以迫使气流通过间隙18。
空气暴露电极4相对于表面13倾斜。这避免或至少显著地减少了对通过空气通道管道15的气流的湍流或加速阻尼效应。
此外，表面12,13的弯曲端41来改善通过间隙18的气流，通过避免或至少减少由于边界层效应引起的减速。
参考图9-10中所示的声音发生器7，两个间隙180,181的存在增加了所产生的等离子体100的体积。
圆柱形孔19，因为等离子体至少部分地沿着圆柱形表面14延伸。
通过具有圆形暴露在空气中的电极1并且通过使弯曲表面36相对于圆柱形表面14倾斜，进一步改善了通过空气通道管道15的气流。
根据本发明的扬声器10的电压源装置6，其被配置为产生具有足够水平的电场，以在空气通道管道15内可操作地产生等离子体100。电场应大于空气的击穿电场(或空气通道管道15中的其他气体)的空气，以使空气电离。一旦空气电离，空气将沿电场梯度的方向移动。
参考图11和12中所示的实施例，电压源装置6被配置为在一个或多个空气暴露电极1,4和一个或多个声音发生器7的绝缘电极2,3之间施加电源电压26。
例如，考虑到空气的击穿电场约为3kV/mm和0.5mm的电介质，产生等离子体所需的电源电压26的最小值约为1.5kV，可以设置最大电压值以避免介电饱和度，例如大约30kV。
图11中所示的电压源装置6被配置为产生具有载波频率的电压源信号40。
所述电压源装置6还包括变压器5，例如，反馈变压器5，用于放大电压源信号40并产生高于产生等离子体100所需的最小电压电平的电源电压26。
优选地，为了减少产生的电压源信号40的失真，需要设置偏置电平以将等离子体保持在最小水平，偏置水平由声音发生器7的几何形状和电特性确定。当没有电声信号25存在时，偏置电平可以变为零，不需要预热时间。
偏置电平设置在等离子体力和外壳恢复力之间的平衡点，类似于推拉式放大器的中点，确保等离子体线性地控制整个推拉周期的力。在达到空气击穿点之前，等离子体不会点燃，因此最小水平(上例中的1.5kV)高于空气击穿点以开始推动。偏置点可以在该最小电压和最大电压之间的中间，以0.5*(0kVmin-5kVmax)+1.5kV ＝4kV的范围。
基于预失真算法(Hammerstein Weiner)也可以且更有效地改变偏置点，该算法基于输入音乐流级别有效地设置偏置点而不是将其固定到预设级别。这种算法采用输入信号，确定它将产生多少音频失真(基于扬声器的模型)，然后产生与失真相反的效果以有效地消除失真。
使用诸如电压，电流或光学反馈的方法也可以减少失真。与当前可用扬声器所使用的麦克风反馈相比，使用来自等离子体光强度水平的光学反馈给出了更快的响应时间。
如图11所示，电压源信号40可以由变压器5的初级侧的电声信号25调制。或者，电压源信号40可以由变压器5的次级侧的电声信号25调制。
电压源信号40可以是AC信号。在这种情况下，电压源装置6优选地被配置为通过使用电声信号25来调制电压源信号40的幅度。
电压源信号40可以是脉冲信号。例如，电压源信号40可以是PWM信号，或者电压源信号40可以由PFM(脉冲频率调制)产生，其改变回扫变压器5谐振点周围的频率；实际上，变压器5的斜率用于产生在变压器5的次级侧看起来像PWM信号的信号。
电压源信号40也可以通过直接切换直流高压产生，从而避免使用变压器5，这更适用于MEMs尺寸。
在电压源信号40的情况下，电压源装置6优选地被配置为通过使用电声信号25 对电压源信号40执行脉冲宽度调制。
优选地，电压源信号40的载波频率大于15kHz，并且优选地，电压源信号40 的载波频率大于18kHz。以这种方式，电压源信号40不会引入可听噪声。
载波频率可以是一或几百kHz。例如，载波频率可以与变压器5的初级电路谐振，例如，载波频率大约100k赫兹，这可以在共振点的一侧产生比另一侧更大的推力，从而允许更好的低音响应。
例如，可以选择载波频率以匹配等离子体的尖峰频率(由等离子体微放电引起)，其通常可以具有约3MHz的值。以这种方式，可以减小影响等离子体100的电流尖峰。
为了将载波频率设置为实际尖峰等离子体频率，扬声器10可以包括控制装置30，控制装置30被配置为将载波频率调整为对应于所产生的等离子体100的尖峰的实际频率的测量值。
在扬声器10用于产生电压源信号40的情况下，应选择相应的较高载波频率，以便通过电声信号25调制电压源信号40，或者，电声信号25可以直接用作电压源信号40。
由等离子体100施加的、用于推动空气通过空气通道管道15的力取决于电压源信号40的幅度/持续时间。
除了电源电压26之外，电压源装置6还可以被配置为将DC电压27施加到声音发生器7的多个电极。以这种方式，推力增加，从而增加所产生的电压源信号40 的幅度。在这种情况下，高压DC位于变压器5的次级侧，因此需要单独的DC电源。
推力还取决于等离子体密度。为了增加等离子体密度，可以用合适的灰尘/气溶胶接种空气通道管道15中的空气。气溶胶/尘埃充当电离粒子，其通过施加的电场传输，随之拖动周围的空气。
图12中所示的电压源装置6被配置为首先将源电压50施加到多个电极1-4，以在空气通道管道15中产生等离子体100。在产生等离子体100之后，例如，电压源装置6被配置为从源电压50切换到PWM信号51。
施加到多个电极1-4的PWM信号51由电声信号25调制，以产生电压源信号 40。
优选地，在这种情况下，源电压50包括一系列纳秒脉冲。等离子体的密度由纳秒脉冲能量确定，而等离子体的推力取决于等离子体密度和PWM信号周期。
根据本发明的扬声器10可包括多个声音发生器7。
例如，声音发生器7可以串联设置，以增加施加在空气上的总力。还可以使不同的等离子体阶段相位以产生波动效应以使力倍增或引导电压源信号40。
例如，图15示出了扬声器10，其包括根据图10中所示的实施例的两个声音发生器7，其串联设置。
此外，声音发生器7可以彼此设置，以便获得网状/蜂窝结构。例如，图14示出了扬声器10，其包括根据图7-8所示的实施例的多个发生器7。
现在参照图16，在另一个实施例中，代替分别如图14和15中那样并行或串联操作的多个声音发生器，声音发生器可以设置成反相操作。因此，如图16的实施例所示，暴露的电极1和后电极2'，3'之间的驱动信号可以与暴露的电极1和后电极 2”，3”之间的驱动信号反相。因此，如上述实施例中那样，空气被主动地推动和拉动通过声音发生器而不是仅被主动推动或拉动。应当理解，虽然图16中仅示出了单个公共电极1，但也可以采用多个电极。同样，电极2'，3'和2”，3”可以是圆柱形的，因此，只需要一个连接到驱动信号。
在上面说明和描述的实施例中，空气暴露电极朝向外壳的外表面示出。在可替代实施例中，空气暴露电极和绝缘电极的位置可以颠倒，因此空气暴露电极位于外壳内部，并因此防止接触。在这样的实施例中，扬声器将空气拉出外壳，并且外壳提供恢复力。
与图示实施例中所示相比，结合电极的块31，32，33和61，62也可以在外壳内凹入，并且在一些情况下，膜可以覆盖间隙18或通路16以捕获任何产生的臭氧从外壳中排出，并保护电极免于接触。此外，暴露在空气中的电极也可以接地，绝缘电极也可以连接到高压-而不是相反。
应当理解，扬声器产生臭氧，并且在一些实施例中，外壳可以气密密封以防止放电。然而，可以使用其他分散臭氧的技术，例如，将气隙18加热到高于约100℃或使用催化层或在外壳内使用诸如氦气或氩气的气体。
Claims (25)
1.一种扬声器（10），其包括：
一外壳（8），其限定了一内部空间（11）；
至少一个声音发生器（7），所述声音发生器（7）包括：一个或多个表面，用于形成空气可控制地进出内部空间（11）的空气通道管道（15），声音发生器（7）还包括多个电极，所述多个电极包括至少一个空气暴露电极和至少一个绝缘电极；
电压源装置（6），用于在所述至少一个空气暴露电极和所述至少一个绝缘电极之间产生电场，在多个电极附近和在空气通道导管（15）内，以产生等离子体（100）；
其特征在于，
多个电极相对设置并且空气通道管道（15）使得所产生的电场可操作地感应所产生的等离子体（100），以使气流通过所述空气通道管道（15）；和
电压源装置（6）还被配置为调制电场以响应于所提供的电声信号（25），以便调制通过空气通道管道（15）的气流并从扬声器（10）产生相应的电压源信号（40）。
2.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，
所述至少一个绝缘电极设置在限定所述空气通道管道（15）的所述一个或多个表面中的相应一个的下方；和
所述至少一个空气暴露电极设置在空气通道管道（15）内，相对于所述至少一个绝缘电极偏移。
3.根据权利要求2所述的扬声器（10），其特征在于，所述至少一个空气暴露电极设置在所述一个或多个表面之间的空气通道管道（15）内，对应于所述至少一个绝缘电极和通向空气通道管道（15）的入口（16）。
4.根据权利要求2或3所述的扬声器（10），其特征在于，所述至少一个空气暴露电极设置在所述空气通道管道（15）内，所述空气通道管道（15）相对于所述一个或多个表面相邻并相对于所述至少一个绝缘电极对应的表面倾斜。
5.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述一个或多个表面用于使得空气通道管道（15）在其端部朝向外壳（8）的内部空间（11）扩大。
6.根据权利要求5所述的扬声器（10），其特征在于，其中所述一个或多个表面包括朝向所述外壳（8）的内部空间（11）的弯曲端（41）。
7.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，
形成所述空气通道管道（15）的一个或多个表面包括：第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面彼此相对并分开以便形成二者之间的第一间隙；
所述至少一个绝缘电极包括：至少一个设置在所述第一表面下方的第一绝缘电极和设置在所述第二表面下方的第二绝缘电极（3）；和
所述至少一个空气暴露电极包括：第一空气暴露电极（1），设置在所述空气通道管道（15）内并且与所述第一间隙相邻。
8.根据权利要求7所述的扬声器（10），其特征在于，所述第一空气暴露电极（1）相对于限定第一间隙的所述第一表面倾斜。
9.根据权利要求7所述的扬声器（10），其特征在于，所述第一表面和第二表面之间的距离至少在第一表面和第二表面的端部朝向外壳（8）的内部空间（11）增加。
10.根据权利要求7所述的扬声器（10），其特征在于，所述至少一个空气暴露电极还包括第二空气暴露电极（4），其设置在所述空气通道管道（15）内并与所述第二表面（13）相邻。
11.根据权利要求10所述的扬声器（10），其特征在于，所述第二空气暴露电极（4）相对于形成第一间隙（18）的所述第二表面（13）倾斜。
12.根据权利要求7所述的扬声器（10），其特征在于，
所述一个或多个表面还包括第三表面（65）和第四表面（68），所述第三表面（65）和第四表面（68）彼此相对并分离，以便在二者之间形成第二间隙（181）； 和
所述第一空气暴露电极（1）设置在与所述第二间隙（181）相邻的空气通道管道（15）内。
13.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述一个或多个表面包括：表面（14），形成了所述空气通道管道（15）的孔（19）；和其中所述至少一个空气暴露电极和至少一个绝缘电极的设置包括第一绝缘电极（2），该第一绝缘电极（2）设置在形成孔（19）的所述表面（14）下方，并且第一空气暴露电极（1）设置在空气通道管道（15）内并且邻近孔（19）。
14.根据权利要求13所述的扬声器（10），其特征在于，所述表面（14），所述孔（19）和所述第一绝缘电极（2）是圆柱形的。
15.根据权利要求13所述的扬声器（10），其特征在于，所述第一空气暴露电极（1）相对于所述表面（14）倾斜。
16.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述电压源装置（6）用于产生具有载波频率的电压源信号（40）；和所述电压源装置（6）还用于调制所述电压源信号（40）和所述电声信号（25）；以便为所述多个电极产生电源电压（26）。
17.根据权利要求16中的所述的扬声器（10），其特征在于，所述载波频率大于15kHz。
18.根据权利要求16所述的扬声器（10），其特征在于，所述电压源装置（6）还用于为将额外的DC电压（27）施加到所述多个电极。
19.根据权利要求16所述的扬声器（10），其特征在于，扬声器包括控制装置（30），用于为将载波频率调整到与所产生的等离子体（100）的实际尖峰频率相对应的值。
20.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述电压源装置（6）用于：
向所述多个电极施加源电压（50），以可操作地产生等离子体（100）；
在产生等离子体之后从源电压（50）切换到PWM信号（51）；
利用所述电声信号（25）调制PWM信号（51）。
21.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述至少一个声音发生器包括多个声音发生器（7）彼此串联和/或并行。
22.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述电声信号（25）的频率范围为20Hz至20kHz。
23.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述电声信号（25）的频率大于20kHz。
24.根据权利要求1所述的扬声器（10），其特征在于，所述扬声器包括至少一个位于共同的空气通道管道周围的声音发生器，至少一个另外的声音发生器与至少一个声音发生器中的一个轴向分开；所述至少一个另外的声音发生器与所述至少一个声音发生器中的一个进行反相位驱动。
25.一种耳机，包括至少一个根据前述权利要求1-24中的任一项所述的扬声器（10）。
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