CN110351636B - 发声装置、扬声器及扬声器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发声装置、扬声器及扬声器系统，其包括：空气脉冲产生元件以及控制单元。空气脉冲产生元件包括音腔与致动器。控制单元用以产生施加于空气脉冲产生元件的致动器的驱动电压，使得空气脉冲产生元件根据驱动电压而产生多个空气脉冲。多个空气脉冲具有一脉冲率，且多个空气脉冲的脉冲率高于最大可听频率。本发明实施例提供的发声装置尺寸小，且能够产生高保真度的声音。

Description

发声装置、扬声器及扬声器系统
技术领域
本发明涉及一种发声装置、扬声器及扬声器系统，特别是涉及一种能够以小尺寸产生保真度高的声音的发声装置。
背景技术
扬声器驱动(speaker driver)在扬声器产业中对于高保真声音再现是最难挑战。在声波传播的物理学教导上，在人类可听频率范围内，通过加速传统扬声器驱动的振膜所产生的声压可表示为P∝S·A(公式-1)，其中S为振膜表面积，A为振膜的加速度。也就是说，声压P正比于振膜表面积S与振膜的加速度A的乘积。此外，振膜位移D可表示为D∝1/2·A·T2∝1/f2(公式-2)，其中T与f分别为声波的周期与频率。传统扬声器驱动所引起的空气运动量VA,CV可表示为VA,CV∝S·D。对于特定的扬声器驱动，其中振膜表面积为常数，空气运动量VA,CV正比于1/f2，即VA,CV∝1/f2(公式-3)。
举例而言，在传统的电动力学扬声器驱动中，其线圈和磁铁用于产生振膜驱动力，18千赫兹(KHz)的声音是由其振膜于一定的表面积以18KHz振动所产生，而30Hz的声音也是由振膜以30Hz振动所产生。在结果上，在此两频率(即，30Hz与18KHz)之间，由振膜所移动的净空气体积的比率是360,000。换句话说，为了在30Hz与18KHz产生相同的声压位准(soundpressure level,SPL)，扬声器驱动在30Hz所需移动的空气量为在18KHz的360,000倍。
为了覆盖人类可听频率的全部范围，即由20Hz至20KHz，高频扬声器(tweeter)、中范围驱动(mid-range driver)和低频扬声器(woofer)必须包含在传统扬声器中。此些所有附加元件将占据传统扬声器的大空间，并且还增加其生产成本。因此，传统扬声器的设计挑战之一是不可能使用单个驱动来覆盖人类可听频率的全部范围。
通过传统扬声器所产生的高保真度声音的另一个设计挑战是其外壳。扬声器外壳通常用于容纳所产生声音的向后辐射波，以避免在某些频率中消除向前辐射波，其中此声音频率的对应波长明显大于扬声器尺寸。扬声器外壳也可用于帮助改善或重塑低频响应，举例来说，在低音反射(通口盒(ported box))型的外壳中，所产生的通口共振用于反转向后辐射波的相位，并实现与向前辐射波于通口-腔室的共振频率附近的同相位相加效应。另一方面，在声中止(acoustic suspension)(封闭盒(closed box))型的外壳中，外壳用作弹簧功能，其与振动振膜形成共振电路。通过适当选择扬声器驱动与外壳的参数，可利用组合外壳-驱动的共振峰值来增强共振频率附近的声音输出，因此改善所得扬声器的性能。
决定传统扬声器(具有其中一种形式的外壳)的低频保真度的关键因素之一是扬声器外壳的空间，或等效地，为VA/VEN的比率，其中VA表示根据公式-2所计算的通常空气运动量，VEN表示外壳的空间。当扬声器外壳的内部空间不够大，此比率会上升，外壳内部的压力变动也上升，其导致振膜在其运动范围的最小峰值或最大峰值的附近会出现非线性或畸变运动。为了避免振膜的非线性运动，传统扬声器外壳要求含有足够大的空间。对于最高保真度的扬声器，外壳内部空间因此通常远大于扬声器驱动的实体空间。
近年来，微型扬声器有望被包含在例如智慧型手机、平板、笔记型电脑或甚至耳机等装置中。在任何的小型装置中，由于其主机装置的尺寸限制，扬声器外壳的空间通常非常小。如此小的外壳将导致“外壳压缩所引起的失真”，当声音频率变低时，其导致失真急剧上升，并导致低频声音品质/保真度急剧下降。
因此，如何设计一个可同时克服上述传统扬声器所面临的设计挑战的小发声装置是本领域的一个重要目标。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种具有小尺寸而能够产生高保真度的声音的发声装置。
本发明的一实施例提供一种发声装置，其包括：空气脉冲产生元件以及控制单元。空气脉冲产生元件包括音腔与致动器。控制单元用以产生施加于空气脉冲产生元件的致动器的驱动电压，使得空气脉冲产生元件根据驱动电压而产生多个空气脉冲。多个空气脉冲具有一脉冲率，且多个空气脉冲的脉冲率高于最大可听频率。
在一实施例中，由多个空气脉冲中的一空气脉冲所产生的空气质量流速在所述空气脉冲的脉冲周期内，从初始值开始增加而达到峰值，再减小到最终值。
在一实施例中，多个空气脉冲中的一空气脉冲在脉冲周期内为正脉冲(positivepulse)、负脉冲(negative pulse)或零脉冲(null pulse)，且对应正脉冲与负脉冲的空气质量流速为相反方向。
在一实施例中，发声装置接收声音输入信号，且由发声装置所产生的各空气脉冲的振幅与极性相关于声音输入信号于一取样时间(time-sample)的振幅与极性。
在一实施例中，多个空气脉冲就声压位准的角度而言，各脉冲周期中的声压位准相关于一声音输入信号的振幅与极性。在一实施例中，多个空气脉冲以发声装置所产生的一空气体积聚集运动的角度而言，各脉冲周期中的空气体积聚集运动相关于一声音输入信号的振幅与极性。
在一实施例中，发声装置包括多个空气脉冲产生元件，控制单元产生多个驱动电压至多个空气脉冲产生元件，使得多个空气脉冲产生元件产生多个声压位准(soundpressure level)。多个空气脉冲产生元件被分组成为多个空气脉冲产生群组，各空气脉冲产生群组包括一个或多个空气脉冲产生元件，且控制单元产生对应于多个空气脉冲产生群组的多个驱动电压。多个驱动电压具有相同的最小振幅与最大振幅，但具有不同的电压轮廓曲线(voltage profile)。
在一实施例中，空气脉冲产生元件还包括振膜与多个阀。发声装置形成音腔，且振膜将音腔区分隔成多个子音腔。多个阀受控于控制单元控制而开启或关闭，以控制气流的方向，气流对应于多个子音腔中一子音腔中的一空气脉冲。
在一实施例中，使用反馈回路结构(feedback loop structure)的修正的积分-微分架构(sigma-delta scheme)用以在产生多个脉冲的同时连续更新残差(residualerror)，其中残差计算基于由多个脉冲所产生的实际可听声压(actual audible soundpressure)。
在一实施例中，发声装置用于扬声器。扬声器包括背部音箱/外壳。背部音箱/外壳包含一内部空间以缓冲多个空气脉冲。背部音箱/外壳包括吸收物件，用以吸收多个空气脉冲的脉冲能量。
在一实施例中，发声装置可用于主动散热(active thermal management)或主动冷却(active cooling)的应用。
本发明实施例提供的发声装置尺寸小，且能够产生高保真度的声音。
在阅读了下文绘示有各种附图的实施例的详细描述之后，对于所属领域的技术人员来说，应可清楚明了本发明的目的。
附图说明
图1所示为本发明一实施例的发声装置的示意图；
图2所示为本发明一实施例的空气脉冲产生元件的剖面示意图；
图3所示为本发明一实施例的致动器的示意图；
图4所示为本发明一实施例的驱动电压与阀控制信号的时序图；
图5所示为本发明一实施例的空气质量流速的示意图；
图6所示为本发明一实施例的空气质量流速的示意图；
图7所示为本发明一实施例的空气质量流速的示意图；
图8所示为本发明一实施例的声压位准(SPL)的示意图；
图9所示为本发明一实施例的SPL的示意图；
图10a和图10b所示为本发明一实施例的驱动电压的电压轮廓曲线的示意图；
图11所示为本发明一实施例的SPL的示意图；
图12所示为本发明一实施例的SPL的示意图；
图13所示为本发明一实施例的控制单元的示意图；
图14所示为本发明一实施例的驱动电压产生电路的一部分的示意图；
图15所示为图14中的电路的时序图；
图16所示为本发明一实施例的基于增强分辨率的电荷回收电压(enhance-resolution charge-recovering voltage,CRVSER)的电路的时序图；
图17所示为本发明一实施例的基于CRVSER的电路的时序图；
图18所示为本发明一实施例的驱动电压产生电路的示意图；
图19所示为本发明一实施例的以3为基数(base-3)的转换单元的示意图；
图20所示为本发明一实施例的两个发声装置的示意图；
图21所示为本发明一实施例的电子装置的示意图；
图22所示为本发明一实施例的扬声器的示意图；
图23所示为本发明一实施例的空气脉冲产生装置的示意图；
图24所示为图23的空气脉冲产生装置的时序图。
其中，附图标记说明如下：
9 电子装置
10、85a、85b 发声装置
12、12a、12b 控制单元
14、B0 空气脉冲产生元件
22 扬声器
60、SW0～SWn、SWC_0～SWC_7 开关电路
101、B00 致动器
101_a、101_b 电极
101_c 压电层
102 振膜
103_1～103_4 阀
104 前面板
105 后面板
106_1、106_2 侧壁
107 上位置
108 下位置
109 振膜支撑元件
110、116 六边形
111、112、113 时间
114 脉冲周期
115 时刻
120 驱动电压产生电路
122 阀信号产生电路
123 以3为基数的转换单元
124 控制电压产生器
124a、124b 风机控制单元
140 音腔
140_f 前子音腔
140_b 后子音腔
211 内部空间
212 吸收物件
213 开口
220 背部音箱/外壳
600 电容
601 交换网路
651、652、653、654 脉冲宽度
701 平滑曲线
711～717、711’～717’、1500 电压曲线
801 校准单元
811 计算单元
813 映射单元
820 回路结构
ADD 加法器
AUD 声音输入信号
B01 FET晶体管
B02 返驰变压器
B03 二极管
B07 阴极
B08 阳极
B09 腔室
B10、B11 多孔板
dbSPLi,-1、dbSPLi,+1 参考声压位准
DC0 中间值
F1～F5、P0～P2 空气脉冲产生群组
FV 最终值
G、H 阀控制信号
InV 初始值
nMax 声压位准最大负值
oFan_a、oFan_b 风机控制值
pMax 声压位准最大正值
PV 峰值
R0～R7 电阻
SPLin 合并声压位准
TRV0～TRV7 三位值
VP0～VP2、VF1～VF5、VMBN 驱动电压
Vout 电压
ΔSPL 残差
具体实施方式
请参考图1，其为本发明一实施例的发声装置10的示意图。发声装置10不是如传统的发声装置那样以声音的频率产生声音，例如产生符合于古典声波定理的零平均流假设(zero-mean-flow assumption)的声波，而是以脉冲率产生如图6～图9与图11～图12所示的一系列空气脉冲，其中脉冲率明显高于最大人类可听频率。空气脉冲表示在脉冲周期内由发声装置10引起的空压/声压的变化，其中脉冲周期为脉冲率的倒数。换句话说，多个空气脉冲用声压位准(SPL)或空气质量流速表示。在一实施例中，脉冲率可为超音波率，例如64千赫兹(KHz)，明显高于最大人类可听频率(一般视为20KHz)的两倍。此脉冲率基于奈奎斯特定律(Nyquist law)来决定，此定律说明，为了避免频谱混迭，脉冲率需比声音输入信号的最大频率高至少两倍。由发声装置10产生的系列/多个空气脉冲可以称为超音波脉冲阵列(ultrasonic pulse array,UPA)。
发声装置10包括空气脉冲产生元件14以及控制单元12。各空气脉冲产生元件14包括阀、音腔与致动器，将于之后讨论。控制单元12耦接于所有的空气脉冲产生元件14以控制其空气脉冲产生的操作。具体地，控制单元12产生阀控制信号至空气脉冲产生元件14的阀以及产生驱动电压VMBN至空气脉冲产生元件14的致动器，使得空气脉冲产生元件14根据驱动电压VMBN而产生多个空气脉冲，例如UPA。
在图1所示的实施例中，空气脉冲产生元件14被分组为以P0、P1、P2与F1～F5标示的空气脉冲产生群组。分别地，空气脉冲产生群组P2包括9个空气脉冲产生元件14，空气脉冲产生群组P1包括3个空气脉冲产生元件14，且空气脉冲产生群组P0与F1～F5包括1个空气脉冲产生元件14。图1中所示的空气脉冲产生元件的分组方式仅用于作为说明目的的实施例，但其不以此为限。举例来说，所示的群组是以3为基数(base-3)的配置方式，但并非排除基数为2(base-2)的配置方式。须说明的是，基数为2的配置方式会需要较多的控制电极以达到相同水平的总谐波畸变(total harmonic distortion,THD)。具体地，基数为2的配置方式所需的控制电极数量相较于以3为基数的配置方式为ln(3N)/ln(2)/N＝1.585倍。
空气脉冲产生元件14与致动器的结构的一实施例绘示于图2与图3中。具体地，图2与图3分别为本发明一实施例的空气脉冲产生元件14与致动器101的剖面示意图。空气脉冲产生元件14可为微机电(micro-electrical-mechanical-system,MEMS)装置。在图2所绘示的结构中，空气脉冲产生元件14包括致动器101、振膜102、阀103_1～103_4(第一阀、第二阀、第三阀和第四阀)、前面板104、后面板105、侧壁106_1、106_2以及振膜支撑元件109。前面板104、后面板105与侧壁106_1、106_2形成音腔140。一样的，图2所示的空气脉冲产生元件14的结构仅用于作为说明目的的实施例，但其不以此为限。
振膜102为由硅(silicon,Si)所制的薄的振膜，较佳为单晶硅。致动器101设置在振膜102上，并可包括压电(piezoelectric)层101_c夹设于两个电极101_a、101_b之间。驱动电压VMBN施加在上电极101_a与下电极101_b。压电层101_c可由但不限于锆钛酸铅(leadzirconate titanate,PZT)或掺杂钪的氮化铝(scandium doped aluminum nitride,AlScN)所制。特别是PZT和epi-PZT由于其高ε31而为一种较佳的压电材料。另一方面，AlScN具有对称的双极驱动特性，其可大幅简化发声装置10的几何设计。
在当前的实施例中，致动器101与振膜102通过压电力而产生多个空气脉冲。在另一实施例中，空气脉冲产生元件14也可包括设置在振膜102上的另一种类型的致动手段。在一实施例中，面板104、105可由磁性材料所制并形成静磁场，且致动器101的致动手段可包括平面线圈。当驱动电压施加在致动器101的平面线圈，会对应产生电磁场，以产生磁力造成振膜102在位置107和位置108之间移动。阀103_1～103_4同样可使用通过静磁场和动态电磁场之间的交互作用而产生的力来致动，如上述振膜的情况，此也在本发明的范围内。
在一实施例中，面板104、105可由导电材料所制。可在面板104、105施加合适的跨压。然后形成静电场，其中正电(+)留存在面板104的下表面，且负电(–)留存在面板105的上表面。致动器101的致动手段可包括导电板。当驱动电压施加于致动器101的导电板，两个致动电场产生在致动器101与面板104之间以及产生在致动器101与面板105之间，使得净电力引起振膜102在位置107和位置108之间移动。阀103_1～103_4同样可使用通过静电场和致动电场之间的交互作用而产生的力来致动，如上述振膜的情况，此也在本发明的范围内。
在另一观点中，前面板104设置在空气脉冲产生元件14的前侧；后面板105设置在空气脉冲产生元件14的后侧。阀103_1(第一阀)设置在前面板104的第一边缘处，并藉由阀控制信号G(第一阀控制信号)控制；阀103_2(第二阀)设置在后面板105的第一边缘处，并藉由阀控制信号H(第二阀控制信号)控制；阀103_3(第三阀)设置在后面板105的第二边缘处，并藉由阀控制信号G(第三阀控制信号，在本实施例中相同于第一阀控制信号)控制；阀103_4(第四阀)设置在前面板104的第二边缘处，并藉由阀控制信号H(第四阀控制信号，在本实施例中相同于第二阀控制信号)控制。因此，阀103_1、103_2、前面板104、支撑元件109、振膜102与侧壁106_1形成前子音腔140_f(第一子音腔)；阀103_3、103_4、后面板105、支撑元件109、振膜102与侧壁106_2形成后子音腔140_b(第二子音腔)。前子音腔140_f与后子音腔140_b共同形成音腔140。
致动器101设置在振膜102上。驱动电压VMBN施加于致动器101，且致动器101变形以使振膜102具有上下运动，其中驱动电压VMBN由控制单元12所产生。另外，阀103_1、103_3与阀103_2、103_4被控制为轮流地开启与关闭，以执行开启-关闭运动。通过适当设计驱动电压VMBN和阀控制信号G、H的时序，空气脉冲产生元件14能够产生多个空气脉冲。
请参考图4，其为本发明一实施例的驱动电压VMBN与阀控制信号G、H的时序图。在图4中，阀控制信号G/H中的六边形110表示其对应值为开启，阀控制信号G/H中的直线111表示其对应值为关闭，六边形116表示振膜102进行上下运动的时段，其在一个脉冲周期内从下位置108移动至上位置107或者从上位置107移动至下位置108。在各脉冲周期114之中，空气脉冲通过施加驱动电压VMBN于致动器101以进行上下运动而产生。从图4可以看出，在脉冲周期114内振膜102所进行的上下运动(参考六边形116)以及阀103_1～103_4所进行的开启-关闭运动(参考六边形110与时间112、113、111中的直线之间的轮替)彼此之间相互同步。
另外，时间112用于从阀103_1、103_3开启转换到阀103_2、103_4开启的过渡时间。在时间112的期间中，所有阀103_1～103_4为关闭。
空气脉冲产生元件14的四种操作模式列于表1中。表1的最左边一栏中的“上＝>下”表示振膜102被驱动为由上位置107(绘示于图2中)移动至下位置108(绘示于图2中)，“下＝>上”表示振膜102被驱动为由下位置108移动至上位置107。表1的第二列中的“G＝1、H＝0”表示阀103_1、103_3为开启且阀103_2、103_4为关闭。表1中的“G＝0、H＝1”表示阀103_1、103_3为关闭且阀103_2、103_4为开启。
表1空气脉冲产生元件14的四种操作模式
Figure GDA0002730252850000101
以图4中表示为“G＝1、H＝0”的第一个脉冲周期114为例，若将振膜102控制为由上位置107移动至下位置108，空气被“拉”进前音腔且空气从后音腔“推”出，气流为由前到后的方向，也表示空气脉冲产生元件14产生负空气脉冲(表示为“-1”状态)。若将振膜102控制为由下位置108移动至上位置107，空气从前音腔“推”出且空气被“拉”进后音腔，气流为由后到前的方向，也表示空气脉冲产生元件14产生正空气脉冲(表示为“+1”状态)。图4中表示为“G＝0、H＝1”的第二个脉冲周期114内的操作同样以与表示为“G＝1、H＝0”的第一个脉冲周期114的相反方向进行，为简洁起见，此处未对其进行叙述。
另外，在当前脉冲周期114内所产生的空气脉冲的极性/方向可无关于振膜102的初始位置，其表示在当前脉冲周期114内所产生的空气脉冲的极性/方向可无关于先前脉冲周期114中的空气脉冲的极性/方向。举例来说，若当前脉冲周期114内的振膜102的初始位置位于上位置107，且振膜102在当前脉冲周期114结束时被驱动至下位置108，则空气脉冲产生元件14可通过控制阀103_1～103_4于“G＝1、H＝0”的状态而产生负脉冲，或是空气脉冲产生元件14可通过控制阀103_1～103_4于“G＝0、H＝1”的状态而产生正脉冲。类似地，若当前脉冲周期114内的振膜102的初始位置位于下位置108，且振膜102在当前脉冲周期114结束时被驱动至上位置107，则空气脉冲产生元件14可通过控制阀103_1～103_4于“G＝1、H＝0”的状态而产生正脉冲，或是空气脉冲产生元件14可通过控制阀103_1～103_4于“G＝0、H＝1”的状态而产生负脉冲。换句话说，无论振膜102的初始位置如何，或等效地无论先前的脉冲周期的脉冲极性/方向如何，空气脉冲产生元件14可恣意地产生正脉冲(在由后到前的方向)、负脉冲(在由前到后的方向)或甚至零脉冲。也就是说，对应于当前脉冲周期114的空气脉冲的极性/方向无关于对应于先前脉冲周期114的空气脉冲的极性/方向。
另外，图4中的时间113表示在时刻115之前开启阀的前导时间，在时刻115时，在各脉冲周期114内致动振膜102。在时间113的期间中，对应的阀(在此情况下为阀103_2、103_4)应略微开启，以避免振膜102试图将空气推出而导致阀开启困难的情况。
简言之，空气脉冲产生元件14可在脉冲周期114内恣意产生正脉冲、负脉冲或零脉冲，并所产生的脉冲与先前的空气脉冲的极性无关，其中对应于正脉冲的空气质量流速以及对应于负脉冲的空气质量流速的方向相反。具体地，当空气脉冲产生元件14产生正脉冲，空气质量流速为由后到前的方向；当空气脉冲产生元件14产生负脉冲，空气质量流速为由前到后的方向。当空气脉冲产生元件14产生零脉冲，空气脉冲产生元件14不产生空气质量流速。
除了空气脉冲产生元件14的“-1”状态和“+1”状态，还有一个额外的“0”状态，其中振膜102在脉冲周期的期间保持闲置/稳定而因此不会产生空气运动。具体地，在脉冲周期114中，可将振膜102控制为维持其位置，即表示在第一个脉冲周期114期间中不移动而保持静止。在此情况下，空气脉冲产生元件14在脉冲周期114的期间中产生零脉冲或是并无产生空气脉冲(对应“0”状态)，而零脉冲不产生空气质量流速。
结合“-1”、“0”和“+1”状态，对应于发声装置10的音讯资料可以利用以3为基数的方式表示。举例来说，由于十进位数5可表示为5＝9-3-1＝+1x 32–1x 31–1x 30，因此十进位数5的以3为基数的表示方法为(+1,-1,-1)，其中(+1,-1,-1)对应(32,31,30)。由于十进位数35可表示为35＝27+9-1＝+1x 33+1x 32+0x 31–1x 30，因此十进位数35的以3为基数的表示方法为(+1,+1,0,-1)，其中(+1,+1,0,-1)对应(33,32,31,30)。
请参考图5，其绘示在一个空气脉冲周期中由发声装置10所产生的以空气质量流速表示的气流。在图5的上半部，由不同线型所绘示的多条曲线表示对应于发声装置10内的空气脉冲产生群组P0、P1、P2、F1～F3的输出波形的不同振幅(在空气速度方面为空压/声压的积分结果)。用以说明目的，仅示出空气脉冲产生群组P0、P1、P2、F1～F3的输出波形，而省略空气脉冲产生群组F4、F5的输出波形。为了具体地绘示时序关系，图4中的时序图的一部分再绘示于图5的下半部。如图5所示，在空气脉冲周期114中，在阀(在此情况下为阀103_1或103_3)开启之后，将气流加速而达到峰值，再短暂保持相对的平坦，然后在阀关闭时降至零，结束当前空气脉冲周期。注意的是，在时间112的期间，由于阀103_1～103_4的关闭而使空气速度衰减至(大约)0。此表示在各脉冲周期114中，由空气脉冲所产生的空气质量流速从初始值InV起始，增加而达到峰值PV，再降低至最终值FV。初始值InV与最终值FV应小于峰值PV的10％，初始值InV与最终值FV之间的差小于峰值PV的5％。较佳地，初始值InV与最终值FV为0或大约0。
请参考图6，其示出空气脉冲产生群组P0、P1、P2于12个连续空气脉冲周期中产生的气流速度(例如空气质量流速)。对应于三个空气脉冲产生群组P0、P1与P2的SPL的振幅表示为SPLP0、SPLP1与SPLP2，其之间具有SPLP0：SPLP1：SPLP2＝1：3：9的比例关系。为了简洁而将表示为“速度＝0”的“0”状态省略。无论先前的空气脉冲的极性如何，在某一个脉冲周期114内，各空气脉冲产生群组可恣意地生正脉冲(对应“+1”状态)、负脉冲(对应“-1”状态)或零脉冲(对应“0”状态)。如图6所示，空气脉冲产生群组P2从3个零脉冲开始，并最后有9个连续地正脉冲；空气脉冲产生群组P1从3个正脉冲开始，接着3个负脉冲与3个零脉冲，最后为3个正脉冲；空气脉冲产生群组P0在4次循环中反复产生负脉冲、零脉冲与正脉冲。因此，由包括有空气脉冲产生群组P0、P1与P2的整个发声装置10所产生的聚集所得的SPL在12个连续周期中具有2：3：4：5：6：7：8：9：10：11：12：13的比例，如图6中的标量形式所示。由发声装置10所产生的UPA(例如系列/多个空气脉冲)可被调幅(amplitude modulated,AM)。要注意的是，SPL是空气质量流速相对于时间的一阶微分。
类似地，可设计空气脉冲产生群组F1～F5使得由空气脉冲产生群组Fy(或空气脉冲产生群组Fy内的空气脉冲产生元件)所产生的SPL的振幅为SPLP0的1/3y，其中y可为1、2、3、4、5。部分的空气脉冲产生元件(即空气脉冲产生群组F1～F5的空气脉冲产生元件)可通过缩小整个单元(即空气脉冲产生群组P0的空气脉冲产生元件)的几何形状或是缩减压电对于振膜的覆盖率来实现。举例来说，致动器101的面积可以缩小到振膜102的1/2或其他比率以取代将近100％的覆盖率，因此缩减小位置107和位置108之间的位移峰值。因此，可进一步改善由整个发声装置10所产生的SPL的振幅的精细度。具体地，整个发声装置10可产生
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个SPL量化位准。
请参考图7，其绘示由发声装置10根据正弦声波(sinusoidal sound wave)而产生的脉冲阵列或系列/多个的空气脉冲。在多个固定周期114产生以实线所示的多个空气脉冲。各脉冲的振幅与极性相关于正弦声波的取样的振幅与极性。换句话说，由发声装置10所产生的多个空气脉冲被视为根据正弦声波来进行调幅。类似地，由发声装置10所产生的多个空气脉冲可依据声音输入信号来进行调幅，其表示各脉冲的振幅与极性相关于声音输入信号于一取样时间的振幅与极性，其中声音输入信号的取样时间表示在取样时刻所取样的声音输入信号的瞬时值。在另一观点，就多个空气脉冲就声压位准的角度而言，各脉冲周期中的声压位准(SPL)相关于一声音输入信号的振幅与极性。在另一观点，多个空气脉冲以发声装置所产生的一空气体积聚集运动(空气体积的移动)的角度而言，各脉冲周期中的空气体积聚集运动相关于一声音输入信号的振幅与极性。
另外，由发声装置10所产生的多个空气脉冲所移动的空气体积与声音输入信号的声频的倒数实质上成正比。由图7可以看出，声波包络具有两个部分，其中右侧部分(粗实线)的频率为左侧部分(粗虚线)的频率的约1.5倍。如同预期，左侧每个声波周期的脉冲数量比右侧的脉冲数量高约1.5倍。
详细而言，请参考图8与图9。图8与图9分别绘示了根据具有800Hz的第一单音输入信号和具有400Hz的第二单音输入信号所产生的声压所示的多个空气脉冲的有限元素法(Finite Element Method,FEM)模拟结果。细线绘示由多个空气脉冲所产生的瞬时SPL，粗线表示多个空气脉冲的SPL的低通滤波结果。在图8与图9中，低通滤波结果的刻度请参考左侧纵轴，由多个空气脉冲所产生的瞬时SPL的刻度请参考右侧纵轴。在图8(图9)中，绘示第一(第二)单音输入信号的第一(第二)期间，即第一(第二)单音输入信号的频率的倒数。如图8与图9所示，第一期间内的多个空气脉冲的第一数量小于第二期间内的多个空气脉冲的第二数量。第二数量大约为第一数量的两倍。假设第一单音输入信号与第二单音输入信号具有相同振幅，由在第二期间内的多个空气脉冲所移动的第二空气体积大约两倍于由在第一期间内的多个空气脉冲所移动的第一空气体积。换言之，对于特定声音输出SPL，由多个空气脉冲所移动的空气体积与声音输入信号的声频的倒数有关。也就是说，对于特定SPL，由空气脉冲产生元件14所引起的空气运动量VA,APS正比于1/f，即VA,APS∝1/f(公式-4)。
由于由空气脉冲产生元件14对某一个SPL所引起的空气运动量正比于1/f，而非如传统扬声器驱动的1/f2，空气脉冲产生元件14所产生的空气运动量远小于传统扬声器所产生的空气运动量，特别是低声频。举例而言，对于一特定SPL如95分贝(dB)，由空气脉冲产生元件14于40Hz所产生的空气运动量VA,APS为于12KHz所产生的空气运动量VA,APS的300倍(因为12K/40＝300)。另一方面，由传统扬声器驱动于40Hz所产生的空气运动量VA,CV为于12KHz所产生的空气运动量VA,CV的3002倍。随着声频的降低，VA,APS与VA,CV之间的差距会提高。回想一下，扬声器的低频保真度对VA/VEN的比率敏感(其中VEN代表外壳的空间)，并且鉴于于低音频时VA,APS远小于VA,CV，这意味着声音产生装置10的外壳的空间也可以相同于VA,APS相对于VA,CV的减少比率来缩减。也就是说，达到相同水平的低频保真度所需的本发明的外壳的空间明显减小。
请参考图10a和图10b，其示出了适用于驱动绘示在图3中的致动器101内的电极101_a、101_b的驱动电压VMBN的设定。在图10a中，电压曲线711～713于周期的初始时快速降低(从V1至V3)，然后转为逐渐平缓的曲线(从V3至V5)。相反地，电压曲线714～717于初始时缓慢降低，然后再迅速地负向加速而至周期结束。在图10b中，电压曲线711’～713’于周期的初始时快速升高(从V1’至V3’)，然后转为逐渐平缓的曲线(从V3’至V5’)。相反地，电压曲线714’～717’于初始时缓慢升高，然后再迅速地正向加速而至周期结束。模拟结果表示，使用电压曲线714～717、714’～717’作为驱动电压VMBN相较于使用电压曲线711～713、711’～713’而提供更好的SPL结果。
请参考图11与图12，其提供FEM模拟结果。细线代表多个空气脉冲所组成的瞬时SPL，瞬时SPL的量测距UPA产生装置(即具有空气脉冲产生元件14的发声装置10)约5个波长(即26毫米(mm))，其中瞬时SPL的刻度示于右侧。粗线代表瞬时SPL的低通滤波SPL，其中低通滤波SPL的刻度示于左侧。要注意的是，由于周围环境(例如垂褶的窗户、纹理的天花板、镶嵌的墙、铺有毯的地板)、从人耳的软组织反弹、通过耳道传播以及通过耳膜产生振动会引起低通滤波的效应，因此低通滤波SPL接近于人类所感知的声音。在图11与图12的右下角角落，示出了在一个脉冲周期114内由振膜施加的空气速度轮廓曲线和空气压力轮廓曲线，其中虚线表示压力轮廓曲线，点状线表示速度轮廓曲线。
对于图11与图12，模拟情境诸如信号源(如400Hz正弦波信号源)、振膜尺寸、振膜位移量与空气脉冲周期都相同。图11与图12之间的差异仅在于由振膜施加的压力轮廓曲线。图11中绘示于右下角角落的压力轮廓曲线于周期114开始时是高的，而在周期的其余部分相对较低。另一方面，图12中绘示于右下角角落的压力轮廓曲线于周期114开始时缓慢地增加，直到空气速度跟进(即增加到某一位准)才迅速地加速速度轮廓曲线。从图11与图12可看出，图12所得的低通滤波SPL的大小约为图11的SPL的48倍。
可从图11与图12观察出，控制由振膜102所施加的压力轮廓曲线对于所得的SPL是重要的。请回头参考图10a和图10b，使用电压曲线711～713或711’～713’作为驱动电压VMBN会产生类似于图11所示的压力轮廓曲线，而使用电压曲线714～717或714’～717’作为驱动电压VMBN会产生类似于图12所示的压力轮廓曲线，其优于图11所示的压力轮廓曲线。换句话说，较佳可在脉冲周期的开始部分内以增加且正向加速的方式将驱动电压VMBN施加至致动器101。
可得出结论，当驱动电压VMBN在脉冲周期114内以递增方式施加时，驱动电压VMBN较佳以正向加速方式施加，当驱动电压VMBN在脉冲周期114内以递减方式施加时，驱动电压VMBN较佳以负向加速方式施加。
在数学上，假设周期114的开始部分内的时刻t1、t2、t3与t4具有t1<t2<t3<t4且t2-t1＝t4-t3＝Δt>0，VMBN(t1)、VMBN(t2)、VMBN(t3)与VMBN(t4)分别为驱动电压VMBN于时刻t1、t2、t3与t4的瞬时值。驱动电压VMBN的递增方式表示VMBN(t1)<VMBN(t2)<VMBN(t3)<VMBN(t4)。驱动电压VMBN的正向加速方式表示在期间/时段[t1,t2]内的VMBN的增加量小于在期间/时段[t3,t4]内的VMBN的增加量，即(VMBN(t2)-VMBN(t1))/Δt<(VMBN(t4)-VMBN(t3))/Δt。驱动电压VMBN的递减方式表示VMBN(t1)>VMBN(t2)>VMBN(t3)>VMBN(t4)。驱动电压VMBN的负向加速方式表示在期间/时段[t1,t2]内的VMBN的减少量小于在期间/时段[t3,t4]内的VMBN的减少量，即|VMBN(t2)-VMBN(t1)|/Δt<|VMBN(t4)-VMBN(t3)|/Δt，其中||表示绝对值运算符子。
在另一观点，图12中的空气脉冲具有比图11的空气脉冲多的“偏移(offset)”，其中“偏移”可被视为周期114内的平均压力与零水平的偏差。图11中的空气脉冲几乎没有偏移，图12中的空气脉冲具有显著的偏移。由振膜102所施加的压力轮廓曲线大幅地影响空气脉冲的偏移，这种偏移将影响所得的可听声音输出SPL。当偏移相对于脉冲振幅较小，如图11，低通滤波SPL倾向于较小。当偏移接近于或甚至大于空气脉冲的振幅，如图12，低通滤波SPL明显提升。
从上面的讨论中可看出，因为零平均流假设(古典声学定理的定理之一)已经通过UPA的偏移的存在而被破坏，发声装置10内的各空气脉冲产生群组的SPL输出实际上是单独的空气脉冲，而并非“超声波”。
发声装置10产生脉冲阵列而不是波的一个关键原因是，在每个周期114的时间112的期间中，所有阀103_1～103_4都关闭，以便通过空气脉冲产生元件14内的空气产生“振膜夹紧作用(membrane-clamping action)”。如上所述的夹紧作用会将“振膜振动”从一个周期延续到下一个周期。无论下一个空气脉冲周期是产生正脉冲、负脉冲或零脉冲，任两个连续周期之间都不存在相互作用和记忆效应。
藉由通过控制单元12产生控制信号，发声装置10将产生UPA(即系列的空气脉冲)，其中根据声音输入信号调整各脉冲(以SPL表示)的振幅，所得的脉冲与其对应的包络绘示于图7～图9与图11～图12。然后，调幅空气UPA将离开发声装置10并向外传播。在此传播期间，所射出的UPA将与诸如墙壁、窗户、窗户装饰、地毯、地板、天花板等周围物体相互作用。抵达听者耳朵的所得/残留UPA将穿过人耳结构，从外耳穿过耳道、耳膜而到锤骨(malleus)、砧骨(incus)和镫骨(stapes)。此些周围物体与人耳通道通过吸收/破坏高频振动而进行某一程度的低通滤波效应。也就是说，低通滤波效应将移除大部分具有或高于脉冲率的高频部分，且人类所感知的声音将是对应于输入至控制单元12的声音输入/音源信号的频率部分。因此，作为单个扬声器驱动的发声装置10能够产生覆盖人类可听频率的全部范围的高保真声音，并克服了传统扬声器驱动的最困难的挑战之一。从声音输入信号到调幅脉冲阵列的操作细节将于如下详述。
回想一下，音讯资料可由以3为基数的方法表示，控制单元12将声音输入信号AUD转换为以3为基数的表示方法。在控制单元12中使用三进制系统(ternary system)而非二进制系统(binary system)。以3为基数的系统的各三位元值(trit value)(类似于二进制系统中的位元值(bit value))可为-1、0或+1。对于各脉冲周期114，控制单元12根据声音输入信号AUD的一取样时间而产生三位元值TRV7、TRV6、…、TRV0，其中三位元值TRVi可为-1、0或+1，而i＝0、1、2、…、7。在产生三位元值TRV7、TRV6、TRV5、…、TRV0之后，控制单元对应产生驱动电压VP2、VP1、VP0、VF1、…、VF5，其中驱动电压VPX对应TRVx+5，驱动电压VFy对应TRV5-y，而x＝0、1、2且y＝1、2、…、5。
请参考图13，其绘示本发明控制单元12的示意图。控制单元12包括以3为基数的转换单元123以及控制电压产生器124，控制电压产生器124包括驱动电压产生电路120以及阀信号产生电路122。以3为基数的转换单元123用以将于一取样时间的声音输入信号AUD转换为三位元值TRV7、TRV6、…、TRV0，其中TRV7为最高有效三位元(most significant trit,MST)，类似于二进制系统中的最高有效位元(most significant bit,MSB)，而TRV0为最低有效三位元(least significant trit,LST)，类似于二进制系统中的最低有效位元(leastsignificant bit,LSB)。
驱动电压产生电路120可产生驱动电压VP0～VP2以及VF1～VF5，其中驱动电压VP0～VP2与VF1～VF5分别表示为施加于空气脉冲产生群组P0～P2与F1～F5的驱动电压VMBN，并作为空气脉冲产生群组P0～P2与F1～F5内的空气脉冲产生元件14的驱动电压VMBN。阀信号产生电路122用以产生阀控制信号G、H。
关于三位元值TRV7、TRV6、TRV5(即，关于三位元值TRVi而i＝7、6、5)，三位元值TRVi＝+1表示空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14产生正空气脉冲，三位元值TRVi＝-1表示空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14产生负空气脉冲，三位元值TRVi＝0表示气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14产生零脉冲。换句话说，当以3为基数的转换单元123产生三位元值TRVi＝+1，控制电压产生器124产生驱动电压VP(i-5)与阀控制信号G、H至空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14，使得空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14产生正空气脉冲。当以3为基数的转换单元123产生三位元值TRVi＝-1，控制电压产生器124产生驱动电压VP(i-5)与阀控制信号G、H至空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14，使得空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14产生负空气脉冲。当以3为基数的转换单元123产生三位元值TRVi＝0，控制电压产生器124产生驱动电压VP(i-5)以在脉冲周期114内维持不变，使得空气脉冲产生群组P(i-5)内的空气脉冲产生元件14的振膜102在脉冲周期114中保持静止。
关于三位元值TRV4、TRV3、TRV2、TRV1、TRV0(即，关于三位元值TRVi而i＝4、3、…、0)，三位元值TRVi＝+1表示空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14产生正空气脉冲，三位元值TRVi＝-1表示空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14产生负空气脉冲，三位元值TRVi＝0表示空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14产生零脉冲。换句话说，当以3为基数的转换单元123产生三位元值TRVi＝+1，控制电压产生器124产生驱动电压VF(5-i)与阀控制信号G、H至空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14，使得空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14产生正空气脉冲。当以3为基数的转换单元123产生三位元值TRVi＝-1，控制电压产生器124产生驱动电压VF(5-i)与阀控制信号G、H至空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14，使得空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14产生负空气脉冲。当以3为基数的转换单元123产生三位元值TRVi＝0，控制电压产生器124产生驱动电压VF(5-i)以在脉冲周期114内维持不变，使得空气脉冲产生群组F(5-i)内的空气脉冲产生元件14的振膜102在脉冲周期114中保持静止。
请参考图14至图15，其绘示开关电路60的示意图以及与其对应的时序图与输出。开关电路60(多级电荷回收电压源(charge-recovering voltage source,CRVS))可用以实现驱动电压产生电路120的一部分，而此部分产生驱动电压VP0～VP2以及VF1～VF5的其中一个。如图14所示，开关电路60包括(n-1)个外部电荷储存电容600，其中各电容的电容值至少大于发声装置10的总负载电容(即，由致动器101所形成的负载电容)的总和的10倍。(n-1)个电容600中的每个连接于交换网路601中的开关以产生电压Vout，其中电压Vout表示驱动电压VP0～VP2以及VF1～VF5的其中一个。交换网路601包含(n+1)个开关。交换网路601的操作类似于升降梯，如图15中的时序图所示。在图15所绘示的范例中，9-电容的CRVS用以产生11级振膜致动器的驱动电压VMBN，并如粗线所示(即，电压曲线1500)。驱动电压VMBN对应一个周期114。当电压曲线1500施加于电极101_a、101_b时，会产生出如图11与图12右下角所示的压力轮廓曲线的一个周期。
另外，可使用增强分辨率的CRVS(enhance-resolution charge-recoveringvoltage,CRVSER)架构/机制。不同于CRVS机制，CRVSER是基于RC(电阻-电容(resistor-capacitor))充电机制。通过利用由电容负载所引起的RC延迟(RC delay)，CRSVER利用短脉冲来控制交换网路601内的开关，使得储存电容CX(表示对应于SWx的储存电容600)与储存电容CX+1(表示对应于SWx+1的储存电容600)之间的过渡分为m个子步骤。
举例而言，请参考图16，其绘示由CRVSER架构/机制所提供的电压轮廓曲线。如图16所示，CX-1、CX与CX+1之间的电压被分为5个子步骤的两组。通过适当选择开关时序与相应电阻的值，10个步骤的曲线仅使用1个外部储存电容来产生，此从图15的原始CRVS架构简化而来。
另外，由于随着电容充电的进行而RC曲线变平坦/平滑，若交换控制时序保持不变，则子步骤可不均匀分布。为了对此进行补偿，开始时使开关导通时间可较短，并随着RC充电接近饱和而使导通时间可逐渐变长。此导通时间的变化由所绘示的脉冲宽度651对于脉冲宽度652或是脉冲宽度653对于脉冲宽度654来说明，其中651/653中的三个脉冲可分别具有约0.7x、0.8x、1x时间单位的较短导通时间，同时652/654中的脉冲的导通时间可分别为约1.5x与2.5x时间单位。
请参考图17，其绘示由4-电容CRVSER所产生的细粒的26级驱动电压曲线。由于CRSVER架构的使用，CRSVER所产生的曲线相较于图15中的CRVS的实施更接近所期望的平滑曲线701，尽管CRSVER相对使用不到一半的外部储存电容。
请参考图18，其绘示驱动电压产生电路120的示意图。驱动电压产生电路120可包括开关电路SWC_0～SWC_7与电阻R0～R7。开关电路SWC_0～SWC_7象征性地绘示。开关电路SWC_0～SWC_7的详细内容可参考图14，其中各开关电路SWC_i可藉由开关电路60来实现。图14中标注为Vout的五边形表示为在图18中标注为VP0～VP2以及VF1～VF5的每个五边形。电阻R0～R7的电阻值应适当的选择，以与对应于各特定节点(各自对应空气脉冲产生群组P2、P1、P0、F1、F2、F3、F4、F5)的负载电容产生一致的RC时间常数，以输出驱动电压VP0～VP2、VF1～VF5。
另外，当空气脉冲产生元件14产生正脉冲与负脉冲时，存在有压力峰值差量(peakdelta pressure)的本质不对称性。假设V表示音腔140的空气体积，且ΔV表示于各脉冲周期114内由振膜102所移动的空气体积。本质不对称性是指在正脉冲周期期间中的压力峰值差量和负脉冲周期期间中的压力峰值差量之间的不对称性。具体地，其表示在正脉冲周期期间中的压力峰值差量，其为(V+ΔV)/(V-ΔV)-1，不相同于在负脉冲周期期间中的压力峰值差量，其为(V-ΔV)/(V+ΔV)-1。
为了对抗本质不对称性与其他误差，在图1的控制单元12的一实施例中使用修正的积分-微分架构以不断地更新其中的残差。请参考图19，其绘示以3为基数的转换单元123的示意图。以3为基数的转换单元123可包括加法器ADD、校准单元801、计算单元811以及映射单元813。
校准单元801用以校准多个参考声压位准dbSPLi,+1、dbSPLi,-1。当在第i个空气脉冲产生群组内的所有空气脉冲产生元件14产生正脉冲时，参考声压位准dbSPLi,+1为所量测的SPL。当在第i个空气脉冲产生群组内的所有空气脉冲产生元件14产生负脉冲时，参考声压位准dbSPLi,-1为所量测的SPL。若i＝7、6、5，则第i个空气脉冲产生群组为空气脉冲产生群组P(i-5)，或是若i＝4、3、2、1、0，则第i个空气脉冲产生群组为空气脉冲产生群组F(5-i)。在一实施例中，校准单元801或图1的控制单元12可将参考声压位准dbSPLi,+1、dbSPLi,-1储存在储存单元，如资料库。
计算单元811可计算对应于正空气脉冲的声压位准最大正值pMax以及对应于负空气脉冲的声压位准最大负值nMax。计算单元811可根据值pMax、nMax计算中间值DC0。具体地，计算单元811可将值pMax计算为
Figure GDA0002730252850000211
计算单元811可将值nMax计算为
Figure GDA0002730252850000212
此外，计算单元811可将中间值DC0计算为DC0＝(pMax+nMax)/2。在一观点中，值pMax可被视为发声装置10可达到的由后到前的方向的最大SPL，值nMax可被视为发声装置10可达到的由前到后的方向的最大SPL。值pMax与值nMax之间的范围可被视为一种动态范围，而中间值DC0代表动态范围的中间点。
将参考声压位准dbSPLi,+1、dbSPLi,-1、值pMax、nMax以及中间值DC0送到映射单元813。于是映射单元813可产生三位元值TRV7、…、TRV0与残差ΔSPL。具体地，对于先前脉冲周期114k-1，映射单元813可计算或估计对应于先前脉冲周期114k-1的残差ΔSPL，以ΔSPLk-1表示。对于当前脉冲周期114k，加法器ADD合并对应于当前脉冲周期114k的声音输入信号/声源声压位准AUD，以AUDk表示，并与残差ΔSPLk-1结合以产生对应于当前脉冲周期114k的合并声压位准SPLin，以SPLin,k表示，其中SPLin,k＝AUDk-ΔSPLk-1。映射单元813根据当前合并声压位准SPLin,k计算对应于当前脉冲周期114k的三位元值TRV7、…、TRV0以及ΔSPLk，其中ΔSPLk为对应当前脉冲周期114k的残差ΔSPL。当前残差ΔSPLk会反馈至加法器ADD以计算下次脉冲周期114k+1的SPLin,k+1＝AUDk+1-ΔSPLk。
在一实施例中，映射单元813可执行如下所示的程序813’以计算残差ΔSPL与三位元值TRV7、…、TRV0。值得注意的是，在图19中所绘示的会反馈残差ΔSPL的回路结构820类似于积分-微分的数字-模拟转换器(digital-to-analog converter,DAC)，其能够达到噪音重整与失真(由非线性引起)补偿。
[程序813’]
Figure GDA0002730252850000213
Figure GDA0002730252850000221
绘示于图19中的以3为基数的转换单元123的功能性方块用以说明目的。以3为基数的转换单元123的包括有程序813’的功能可依据实际设计情况而由硬件、软件或两者的组合来实施。
要注意的是，控制电压产生器124产生施加于空气脉冲产生群组P0～P2、F1～F5的驱动电压VMBN，或等效地根据三位元值TRV7、…、TRV0产生驱动电压VP0～VP2、VF1～VF5。也就是说，驱动电压VMBN根据中间值DC0与值pMax、nMax所产生，以充分利用发声装置10的动态范围。
在本发明的另一实施例中，多个空气脉冲的脉冲率可根据声音输入信号的内容而动态调整以再现。举例而言，在第一期间中的声音输入信号包含男性人类播音员声音且在第二期间中的声音输入信号包含小号音乐的情况下，声音输入信号于第一期间的第一最大声频明显低于声音输入信号于第二期间的第二最大声频。发声装置10的脉冲率在声音输入信号的第一期间中调整至较低，而在声音输入信号的第二期间中调整至较高。
具体地，发声装置10可耦接于脉冲率决定单元，其中脉冲率决定单元可包括声音输入分析器。声音输入分析器可在特定时段内分析声音输入信号，以确定声音输入信号的最大声频，而脉冲率决定单元可决定发声装置10的脉冲率。因此，发声装置10的脉冲率可根据不同情境或不同应用进行调整，可由于功耗与脉冲率呈正相关而降低功耗。
请回头参考图10a和图10b，电压曲线711～717与711’～717’具有相同的最大值与最小值(从V0至V5或从V5’至V0’)，但具有不同的电压轮廓曲线。在一实施例中，电压曲线711～717、711’～717’的所有或是一些在一个脉冲周期114中可施加作为驱动电压VP0～VP2、VF1～VF5。也就是说，在某个脉冲周期114内，驱动电压VP0～VP2、VF1～VF5可具有相同的最大值与最小值，但具有不同的电压轮廓曲线。在一实施例中，电压曲线711～717、711’～717’的所有或是一些可被施加作为驱动电压VMBN，其中驱动电压VMBN可表示为驱动电压VP0～VP2、VF1～VF5的其中一个。也就是说，在不同的脉冲周期114中，驱动电压VMBN可具有相同的最大值与最小值，但相对于时间具有不同的电压轮廓曲线不同。
此外，发声装置10也可进行主动散热或主动冷却的功能。具体地，关于设置在电子装置(例如智慧型手机、平板电脑、笔记型电脑)内的发声装置10，发声装置10可在由后向前的方向(即，推出方向)不断地产生系列的正空气脉冲或是可在由前到后的方向(即，拉入方向)不断地产生系列的负空气脉冲。在这两种情况中的任何一种中，发声装置10除了具有产生可听声音的扬声器功能以外，还可具有风机功能，其产生连续的推出气流或是拉入气流。
请参考图20，其绘示发声装置85a与发声装置85b的示意图。发声装置85a、85b形成立体声扬声器系统。发声装置85a/85b类似于发声装置10，因此，相同的组件由相同的标记表示。
不同于发声装置10，发声装置85a包括控制单元12a。除了控制单元12功能性方块以外，控制单元12a还包括风机控制单元124a。风机控制单元124a用以产生风机控制值oFan_a。风机控制值oFan_a可为直流(direct current,DC)值、近DC值或是低频值，其中低频值的频率要足够低，使得根据风机控制值oFan_a所产生的声音不会被人耳所感知。控制单元12a将风机控制值oFan_a与声音输入信号/声源声压位准AUD合并/相加，从而发声装置85a可产生推出气流或是拉入气流，其表示发声装置85a可在推出方向上不断地产生系列的正空气脉冲或是可在拉入方向上不断地产生系列的负空气脉冲。此连续气流，无论是在推出方向还是在拉入方向上，都可被引导而通过/朝向产生高热量的位置，使得减少了设置有发声装置85a的电子装置中的热量聚集。
此外，风机控制值oFan_a的正负号/极性可定期反转，以减少设置有发声装置85a的电子装置内的碎屑与灰尘的聚集。此表示风机控制值oFan_a可在第一期间内为正，并在第二期间内反转为负。此也表示气流方向可定期反向(即，从拉入方向到推出方向，或是反之亦然)。
另外，风机控制值oFan_a可依据声音输入信号/声源声压位准AUD而产生。当声音输入信号/声源声压位准AUD较高而占据发声装置10的动态范围时，风机控制值oFan_a可较低，反之亦然。
发声装置85b的特征或操作原理与发声装置85a的特征或操作原理相同，因此为简洁起见，未在此描述。
请参考图21，其绘示电子装置9的示意图。在电子装置9中设置有发声装置85a、85b。值得一提的是，风机控制值oFan_a与风机控制值oFan_b可具有相反的正负号。举例来说，风机控制值oFan_a可为正且风机控制值oFan_b可为负。在此情况下，发声装置85a将空气从电子装置9的内部推出，发声装置85b将空气拉入电子装置9的内部，使得空气从发声装置85b的位置流至发声装置85a的位置。因此，提升了电子装置9内的散热表现。
发声装置10可设置在独立运转的扬声器中。请参考图22，其绘示扬声器22的剖面示意图。扬声器22包括发声装置10与背部音箱/外壳220。为简单起见，仅将空气脉冲产生元件14示于图22中，并省略控制单元12。背部音箱/外壳220用以避免朝向前方发射的空气脉冲被朝向后方发射的空气脉冲所抵消。背部音箱/外壳220可包含内部空间211，其包括吸收物件212，且背部音箱/外壳220形成开口213。吸收物件212可由例如声音吸收泡绵等的材料所制。吸收物件212用于吸收由前方空气脉冲产生元件14所产生的空气脉冲的能量，以减弱空气脉冲产生元件14所产生的声音。在通过吸收物件212来减弱之后，所剩余的部分是在系列UPA中所移动的空气体积，而空气体积可通过开口213从背部音箱/外壳220中排出。开口213的一个功能是作为剩余空气的通道。
开口213的另一个功能是进行低通滤波。具体地，如图22所示，开口213可以成形为短管或隧道，以形成背部音箱/外壳220的通口。由开口213所形成的通口的共振频率(resonant frequency)(或调谐频率(tuning frequency))可通过开口213的尺寸来调节，例如直径或长度。高于开口213的调谐频率的频率部分将被阻挡而无法通过开口213，并进一步由背部音箱/外壳220内的吸收物件212来吸收。低于开口213的调谐频率的频率部分将经由开口213而流出。
要注意的是，相较于传统扬声器，本发明的扬声器22的背部音箱/外壳220的调谐频率去耦合于扬声器22的低频响应，并可比传统扬声器的调谐频率高约10倍。在传统的扬声器中，背部音箱/外壳的调谐频率受限于传统扬声器可往低频推低的低声频。举例而言，传统背部音箱/外壳的调谐频率的范围可为20～60Hz，其需要大外壳空间和大通口直径以便在低频下维持高保真度。另一方面，可决定背部音箱/外壳220的调谐频率，使得向后辐射的声能不足以破坏向前辐射的声能。在一实施例中，背部音箱/外壳220的调谐频率可在400～500Hz的范围内，使得向后辐射的声能比向前辐射的声能小约25～30倍。因此，背部音箱/外壳220的调谐频率可比传统的背部音箱/外壳的调谐频率高约10倍，故显著缩减了扬声器22的外壳空间与通口直径。
在图2的一实施例中，振膜102的尺寸可为0.9平方毫米(mm2)，主振膜在位置107与108之间的位移可为6微米(μm)，脉冲/空气脉冲产生率可为64KHz。可知腔室通口调谐频率
Figure GDA0002730252850000261
且外壳空间
Figure GDA0002730252850000262
其中L为最大压力变化，而VP为各空气脉冲的空气体积，藉由选择发声装置10的K＝150与L＝1％，得到
Figure GDA0002730252850000263
Figure GDA0002730252850000264
立方公分(cc)，
Figure GDA0002730252850000265
由上述可看出，扬声器22的外壳空间VEN相较于传统扬声器的外壳空间急遽地缩减。因此，藉由克服了声音保真度的挑战以及外壳空间的挑战，扬声器22适合嵌入于例如手机等小型电子装置。
发声装置10除了设置在独立运转的扬声器内以外，也可设置在电子装置的表面/侧面上，类似于图21。在此情况下，不需要背部外壳。举例来说，当发声装置10设置在电子装置的表面/侧面上时，电子装置的框体/壳体自然地形成类似于背部音箱/外壳220的背部外壳。由于内部元件复杂地设置在电子装置内，向后的空气脉冲可被视为向随机方向反射。向后的空气脉冲通过复杂地设置在电子装置内的元件而反射之后，发生了向后空气脉冲的破坏性干扰，并吸收向后的空气脉冲的能量。因此可以看出，电子装置内的内部元件起到相同于吸收物件212的作用，即吸收向后的脉冲的能量。在由内部元件所造成的破坏性干扰后的剩余空气可通过框体/壳体上的孔洞或间隙离开/流出，即此孔洞或间隙类似于图22中的开口213。因此，发声装置10可设置在电子装置中而不具有明显的背部音箱/外壳，而所产生的性能仍像是存在有这样的外壳。
请参考图23，其绘示空气脉冲产生元件B0的电路示意图。空气脉冲产生元件B0利用电场加速(E-field-accelerated)的离子化的空气来产生UPA。空气脉冲产生元件B0包括：用以产生高电压脉冲的返驰变压器(fly-back transformer)B02；FET晶体管B01与二极管B03，以驱动变压器B02；以及致动器B00。致动器B00包括spindt型微带阴极(spindt-typemicrostrip cathode)B07与阳极B08，以离子化腔室B09内的空气；以及多孔板B10、B11，以产生用来加速离子化空气并产生空气脉冲的电场。换句话说，空气脉冲产生元件B0的致动器B00可通过藉由在多孔板B10、B11之间施加适当电场将空气离子化而产生多个空气脉冲。
请参考图24，其绘示空气脉冲产生元件B0的时序图。当通过晶体管B01和二极管B03的交换动作适当地使返驰变压器B02通电时，将产生高电压(high-voltage,HV)脉冲。HV脉冲引起阴极B07发射电子，随后朝向阳极B08加速，造成在腔室B09内产生气态离子。在腔室B09内的空气充分离子化后，可在多孔板B10、B11施加例如图10a和图10b的电压轮廓曲线，以产生正交于由阴极B07指向阳极B08的向量的电场。所述的在多孔板B10、B11之间的电场造成气态离子在B10至B11的方向或在B11至B10的方向上加速，并随后通过与其他气体分子碰撞而产生气流。此气流将通过多孔板B10、B11上的孔洞排出而形成空气脉冲，其可在空气脉冲产生元件B0之外观察到。藉由控制施加在B10与B11上的电压，气流图案可近似于图5至图7中所示的气流图案。装置B00可被视为致动器。因此，空气脉冲产生元件B0内的致动器B00能够通过电场来加速离子化空气而产生多个空气脉冲。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种发声装置，其特征在于，包括：
一空气脉冲产生元件，包括：
一音腔；以及
一致动器；以及
一控制单元，用以产生施加于所述空气脉冲产生元件的所述致动器的一驱动电压，使得所述空气脉冲产生元件根据所述驱动电压产生多个空气脉冲；
其中，所述多个空气脉冲具有一脉冲率，且所述多个空气脉冲的所述脉冲率高于一最大可听频率；
其中，所述多个空气脉冲在声压位准方面产生一非零偏移，且所述非零偏移是相对于零声压位准的偏差。
2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，由所述多个空气脉冲中的一空气脉冲所产生的一空气质量流速在所述空气脉冲的一脉冲周期内，从一初始值开始，增加而达到一峰值，并减小到一最终值。
3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述多个空气脉冲中的一空气脉冲在一脉冲周期内为一正脉冲、一负脉冲或一零脉冲，且对应所述正脉冲与所述负脉冲的空气质量流速为相反方向。
4.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，对于一特定声压位准，由所述多个空气脉冲所移动的空气体积与声频的倒数成正比。
5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置接收一声音输入信号，且由发声装置所产生的各所述空气脉冲的一振幅与一极性相关于所述声音输入信号于一取样时间的一振幅与一极性。
6.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述发声装置包括多个空气脉冲产生元件，所述控制单元产生多个驱动电压至所述多个空气脉冲产生元件，使得所述多个空气脉冲产生元件产生多个声压位准。
7.如权利要求6所述的发声装置，其特征在于，所述多个空气脉冲产生元件被分组成为多个空气脉冲产生群组，各所述空气脉冲产生群组包括一个或多个所述空气脉冲产生元件，且所述控制单元产生对应于所述多个空气脉冲产生群组的所述多个驱动电压。
8.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述致动器通过压电力产生所述多个空气脉冲。
9.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述多个空气脉冲的所述脉冲率至少高于要再现的一声音输入信号的一最大频率的两倍。
10.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述多个空气脉冲的所述脉冲率至少高于所述最大可听频率的两倍。
11.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，根据要再现的一声音输入信号的内容，调整所述多个空气脉冲的所述脉冲率。
12.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述空气脉冲产生元件还包括：
一振膜，其中所述发声装置形成所述音腔，且所述振膜将所述音腔分隔成多个子音腔；以及
多个阀，受控于所述控制单元而开启或关闭，以控制一气流的一方向，所述气流对应于所述多个子音腔中一子音腔中的一空气脉冲。
13.如权利要求12所述的发声装置，其特征在于，所述致动器还包括：
一致动手段，设置在所述振膜上，使得所述致动手段带动所述振膜而一上下运动。
14.如权利要求13所述的发声装置，其特征在于，于一脉冲周期中，所述空气脉冲所产生的一空气质量流速的方向为一由前到后的方向或是一由后到前的方向，所述空气质量流速的方向与所述振膜的一初始位置无关，且所述控制单元产生多个阀控制信号至所述多个阀以进行一开关运动。
15.如权利要求14所述的发声装置，其特征在于，所述致动手段所进行的所述上下运动与所述多个阀所进行的所述开关运动彼此之间相互同步。
16.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述控制单元还用以进行以下步骤：
取得对应于一第一脉冲周期的一残差；
将一第二脉冲周期的一音源声压位准以及对应于所述第一脉冲周期的所述残差进行组合以产生一组合声压位准，其中所述第一脉冲周期在所述第二脉冲周期之前；以及
根据所述组合声压位准，产生所述残差与所述驱动电压。
17.如权利要求16所述的发声装置，其特征在于，所述控制单元还用以进行以下步骤：
校正由所述空气脉冲产生元件所产生的多个参考声压位准，而产生多个校正参考声压位准；
储存所述多个校正参考声压位准至一储存单元；以及
根据所述组合声压位准以及所述多个校正参考声压位准，产生所述残差与所述驱动电压。
18.如权利要求17所述的发声装置，其特征在于，所述控制单元还用以进行以下步骤：
校正由所述空气脉冲产生元件所产生的一声压位准，以产生对应于一正空气脉冲的一第一最大声压位准以及对应于一负空气脉冲的一第二最大声压位准；
根据所述第一最大声压位准以及所述第二最大声压位准计算一中间值；以及
根据所述中间值产生所述驱动电压，以充分利用所述发声装置的一动态范围。
19.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述多个空气脉冲就声压位准的角度而言，各脉冲周期中的所述声压位准相关于一声音输入信号的一振幅与一极性。
20.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述多个空气脉冲以所述发声装置所产生的一空气体积聚集运动的角度而言，各脉冲周期中的所述空气体积聚集运动相关于一声音输入信号的一振幅与一极性。
21.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述空气脉冲产生元件包括：
一前面板，设置在所述空气脉冲产生元件的一前侧；
一后面板，设置在所述空气脉冲产生元件的一后侧，并相对于所述前面板；
一第一阀，由一第一阀控制信号所控制，并控制通过所述前面板的气流；以及
一第二阀，由一第二阀控制信号所控制，并控制通过所述后面板的气流；
其中一第一子音腔形成在所述第一阀与所述第二阀之间。
22.如权利要求21所述的发声装置，其特征在于，所述空气脉冲产生元件包括：
一第三阀，由一第三阀控制信号所控制，并控制通过所述后面板的气流；以及
一第四阀，由一第四阀控制信号所控制，并控制通过所述前面板的气流；
其中一第二子音腔形成在所述第三阀与所述第四阀之间。
23.如权利要求22所述的发声装置，其特征在于，
所述第一阀控制信号相同于所述第三阀控制信号；以及
所述第二阀控制信号相同于所述第四阀控制信号。
24.一种扬声器，其特征在于，包括：
如权利要求1所述的发声装置；
一背部音箱，具有一内部空间以缓冲所述多个空气脉冲，其中所述背部音箱包括：
一吸收物件，用以吸收所述多个空气脉冲的脉冲能量。
25.如权利要求24所述的扬声器，其特征在于，于所述背部音箱上形成有一空气通道，以允许剩余的气流离开所述背部音箱。
26.如权利要求24所述的扬声器，其特征在于，所述扬声器设置在一电子装置内，所述背部音箱由所述电子装置的一壳体所形成，所述电子装置内的一空的空间形成所述内部空间，且所述电子装置内的多个内部元件与所述内部元件之间的空间形成所述吸收物件。
27.一种扬声器系统，其特征在于，包括：
一第一发声装置，其中所述第一发声装置为权利要求1所述的发声装置，且所述第一发声装置中的所述控制单元包括一第一风机控制单元，所述第一风机控制单元用以产生一第一风机控制值；
其中所述第一发声装置的所述空气脉冲产生元件根据所述第一风机控制值产生一第一气流。
28.如权利要求27所述的扬声器系统，其特征在于，所述第一风机控制值的一正负号周期性地反转，以减少碎屑和灰尘的积累。
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