CN112203175B - 发声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发声装置，包括至少一空气脉冲产生元件。每个空气脉冲产生元件包括振膜、第一音腔与至少一开口，其中一腔体压力存在于第一音腔中，且开口连接在第一音腔与发声装置周围的环境之间。振膜被致动以改变第一音腔的腔体压力以产生多个空气脉冲，空气脉冲通过开口而传播，空气脉冲在声压位准方面产生一非零偏移，且非零偏移是相对于发声装置外的环境压力的压力值的一偏差。

Description

发声装置
技术领域
本发明涉及一种发声装置，特别是涉及一种能够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的再现是最难挑战。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∝Sm·A(公式-1)，其中Sm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Sm与振膜的加速度A的乘积。此外，振膜位移Dm可表示为Dm∝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∝Sm·Dm。对于特定的扬声器驱动，其振膜表面积为常数，且对于一特定声压P，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，对于一特定声压P，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值是360,000。换句话说，为了在30Hz与18kHz产生相同的声压位准(sound pressure 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。
通过传统扬声器产生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。因此，通过适当选择扬声器驱动与外壳的参数，可利用组合的外壳-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。
然而，当扬声器外壳的内部空间不够大时，空气运动量对于外壳的空间的比值会上升，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。为了避免此问题，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能手机、平板、笔记型电脑、智能手表、智能眼镜等装置中。在任何的小型装置中，由于其主机装置的尺寸限制，扬声器的空间通常非常小。但若传统扬声器的尺寸受到限缩，由传统扬声器所产生的声音的品质/保真度会因为上述问题而急剧下降。
因此，如何提供一种发声装置来克服上述传统扬声器所面临的设计挑战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能够产生保真度高的声音的发声装置。
本发明的一实施例提供一种发声装置，其包括至少一空气脉冲产生元件。每个空气脉冲产生元件包括振膜、第一音腔与至少一开口，其中一腔体压力存在于第一音腔中，开口连接在第一音腔与发声装置周围的环境之间。振膜被致动以改变第一音腔的腔体压力以产生多个空气脉冲，空气脉冲通过开口而传播，空气脉冲在声压位准(sound pressurelevel)方面产生一非零偏移(non-zero offset)，且非零偏移是相对于发声装置外的环境压力(ambient pressure)的压力值的一偏差。
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所示为本发明第一实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图。
图2所示为沿着图1的剖面线A-A’的剖面示意图。
图3所示为气流速度与边界层厚度的示意图。
图4所示为本发明一实施例的通孔的示意图。
图5所示为本发明第一实施例的振膜的示例性移动的剖面示意图。
图6所示为本发明一实施例的驱动信号、振膜位移量、腔体压力以及腔体压力与环境压力之间的压力差的示意图。
图7所示为本发明一实施例的驱动信号与输入信号之间的关系示意图。
图8所示为本发明另一实施例的驱动信号的示意图。
图9所示为本发明另一实施例的驱动信号的示意图。
图10所示为本发明一实施例的方波驱动信号、振膜位移量与腔体压力的示意图。
图11所示为本发明一实施例的斜坡波形驱动信号、振膜位移量与腔体压力的示意图。
图12所示为本发明一实施例的弯曲波形驱动信号、振膜位移量与腔体压力的示意图。
图13所示为本发明另一实施例的驱动信号与输入信号之间的关系示意图。
图14所示为本发明另一实施例的驱动信号与输入信号之间的关系示意图。
图15所示为本发明一实施例由发声装置所产生的多个空气脉冲的声压位准与声波的示意图。
图16所示为本发明第二实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图。
图17所示为沿着图16的剖面线B-B’的剖面示意图。
图18所示为本发明第三实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图。
图19所示为本发明第四实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图。
图20所示为沿着图19的剖面线C-C’的剖面示意图。
图21所示为本发明一实施例的发声装置的俯视示意图。
图22所示为本发明一实施例的两组空气脉冲的波形与结合此些组的空气脉冲后的波形的示意图。
图23所示为本发明一实施例的多个空气脉冲的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100、200、300、400 空气脉冲产生元件
112 第一板体
112w 第一侧壁
114 第二板体
114w 第二侧壁
120 振膜
120a 第一表面
120b 第二表面
130 致动件
140 吸收物件
410 狭缝
Af 气流
AL 压电材料层
AP 空气脉冲
BDL 边界层
BS 边界表面
CH1 第一音腔
CH2 第二音腔
CPV 特征压力差值
CY 脉冲周期
D 距离
Dn 方向
DRS、DRS’、DRS”、DRS1、DRS2、
DRS3、DRS4、DRS5、DRS6、DRS7、
驱动信号
DRS8、DRS9、DRS10、DRS11、DRS12、
Sp、Sq、Su
E1、E2 电极
L1 第一振膜位移量
L2 第二振膜位移量
Ld 位移量
OPR 矩形区域
PA1、PA2 阵列
PC1 第一快速压力变化
PC2 第二快速压力变化
PCH 腔体压力
Pd 压力差
Pe 压力值
PGS 脉冲产生时段
PIS 脉冲隔离时段
Pr1 第一压力值
Pr2 第二压力值
PS0 初始位置
PS1 第一位置
PS2 第二位置
PSa、PSb 位置
PWA 理想压力
S1 第一部
S2 第二部
S3 第三部
S4 第四部
SD 发声装置
SI 输入信号
SN 声波
Tf 下降期间
TH 通孔
THa 第一子部分
THb 第二子部分
THw 孔壁
Ti 隔离期间
Tm 维持期间
Tr 上升期间
V0、V1、V4 电压位准
δ’ 边界层厚度
具体实施方式
为使本领域技术人员能更进一步了解本发明，以下特列举本发明的优选实施例，并配合附图详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。须注意的是，附图均为简化的示意图，且基于目前技术说明了关键元件的材料和参数范围，因此，仅显示与本发明有关的元件与组合关系，以对本发明的基本架构、实施方法或操作提供更清楚的描述。实际的元件与布局可能更为复杂，且所使用的材料或参数范围可能会随着未来技术的发展而变化。另外，为了方便说明，本发明的各附图中所示的元件可非以实际数目、形状、尺寸做等比例绘制，其详细情况可依照设计的需求进行调整。
在下文说明书与权利要求书中，「包括」、「含有」、「具有」等词为开放式词语，因此其应被解释为「含有但不限定为…」之意。因此，当本发明的描述中使用术语「包括」、「含有」及/或「具有」时，其指定了相应的特征、区域、步骤、操作及/或构件的存在，但不排除一个或多个相应的特征、区域、步骤、操作及/或构件的存在。
说明书与权利要求书中所使用的序数例如「第一」、「第二」等的用词用以修饰元件，其本身并不意含及代表该(或该些)元件有任何之前的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。权利要求书与说明书中可不使用相同用词，据此，说明书中的第一构件在权利要求中可能为第二构件。
须知悉的是，以下所举实施例可以在不脱离本发明的精神下，可将数个不同实施例中的特征进行替换、重组、混合以完成其他实施例。各实施例间特征只要不违背发明精神或相冲突，均可任意混合搭配使用。
本发明的发声装置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，而是以一脉冲率产生一系列空气脉冲(如图15所示)，其中此脉冲率高于人类最大可听频率。术语「脉冲」与「空气脉冲」在以下记载和权利要求书中可互换使用，且他们应该被解释为「由脉冲周期内的发声装置所引起的相对于环境压力(ambient pressure)的气压的非周期性脉动变化」，也就是说，每个空气脉冲对应一个脉冲周期，其中脉冲周期等于脉冲率的倒数。换句话说，空气脉冲可用声压位准(sound pressure level,SPL)表示，且脉冲周期内的空气脉冲的净声压位准不为0。在一实施例中，脉冲率可为超音波率，例如72kHz或96kHz，明显高于人类最大可听频率(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，脉冲率需至少高于人类最大可听频率(一般视为20kHz)与要产生的声音信号的最大频率的总和。由发声装置产生的系列/多个空气脉冲可以称为超音波脉冲阵列(ultrasonic pulse array,UPA)。
请参考图1与图2，图1所示为本发明第一实施例的发声装置或发声装置中的空气脉冲产生元件阵列的一个空气脉冲产生元件的俯视示意图，图2所示为沿着图1的剖面线A-A’的剖面示意图。如图1所示，发声装置SD包括至少一空气脉冲产生元件100，其中空气脉冲产生元件100用以产生空气脉冲，且每个空气脉冲响应对应的驱动信号，而驱动信号是基于输入信号的至少一取样值。须注意的是，输入信号的取样值表示在取样时刻取样的输入信号的瞬间值。在图1中，发声装置SD仅包括一个空气脉冲产生元件100，但本发明不以此为限。空气脉冲产生元件100包括第一板体112、振膜120、第一音腔CH1与致动件130。可选择地，在图1与图2中，空气脉冲产生元件100还可包括第二板体114与第二音腔CH2。这些在空气脉冲产生元件100中的元件将在之后讨论。在一些实施例中，空气脉冲产生元件100还可基于需求而包括任何其他适合的元件。
第一板体112与第二板体114基于方向Dn而相对设置，而振膜120、致动件130、第一音腔CH1与第二音腔CH2设置在第一板体112与第二板体114之间。第一板体112与第二板体114的每一个可包括任何适合的材料以作为硬质板体，且第一板体112的材料可相同或不同于第二板体114的材料。须注意的是，第一板体112与第二板体114在发声装置SD运作以产生空气脉冲时固定不动。
在图2中，振膜120设置在第一板体112与第二板体114之间，其中振膜120的第一表面120a实质上面对第一板体112，振膜120的第二表面120b实质上面对可选择的第二板体114(若第二板体114存在)。振膜120用以被致动以产生空气脉冲。在一些实施例中，振膜120可包括单晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(poly-crystalline silicon)、任何其他适合的材料或其组合。在一些实施例中，振膜120可由至少一半导体工艺来形成。振膜120的长度可为300～1500微米(μm)。在一些实施例中，振膜120可为微机电系统(microelectro mechanical system,MEMS)的至少一部分。在振膜120与第一板体112之间的距离D可为20～200微米。
如图2所示，第一音腔CH1形成在振膜120的第一表面120a、第一侧壁112w与第一板体112之间，而可选择的第二音腔CH2(若第二音腔CH2存在)形成在振膜120的第二表面120b、第二侧壁114w与第二板体114之间。另外，第一音腔CH1的容积(即，腔体容积)通常小于第二音腔CH2的容积。第二板体114与第二侧壁114w可形成空气脉冲产生元件100的背部外壳。须注意的是，在下文与权利要求书中，用语「腔体压力」应指「存在于第一音腔CH1中的气压」，且用语「压力差」应指「通过将发声装置SD周围的环境中的气压减去第一音腔CH1中的气压而获得的差」。
在图2中，致动件130设置在振膜120上，致动件130根据施加在致动件130上的致动电压而使振膜120移动至一位置，使得空气脉冲产生在每个脉冲周期中。也就是说，致动件130能够致动振膜120以产生空气脉冲。更具体地，振膜120可被致动以沿平行于图2中的方向Dn的方向移动，其中振膜120的位置可由施加在致动件130上的驱动电压来控制。致动件130可包括由压电材料所制的致动层或纳米静电致动式(nanoscopic-electrostatic-drive,NED)结构，以作为压电式致动件或NED致动件。具体地，在一些实施例中，例如图2所示，致动件130包括压电式致动件，压电式致动件包含两电极E1、E2以及设置在两电极E1、E2之间的压电材料层AL，其中压电材料层AL根据施加在电极E1、E2之间的驱动跨电压来控制振膜120的位移量。换句话说，振膜120的位置由施加在电极E1、E2之间的跨电压来控制。
特别地，在驱动信号(驱动电压)施加在致动件130之后，振膜120根据驱动信号的变化而移动。在振膜120移动的结果上，第一音腔CH1内的腔体容积会改变，而此腔体容积的容积变化造成第一音腔CH1内的气压变化。请参考图2，第一音腔CH1内的压力变化(ΔP)可被表示为
Figure BDA0002533617660000081
(公式-4)，其中V为第一音腔CH1的腔体容积，D为振膜120与第一板体112之间的平均距离(如图2所示)，ΔUz为振膜120沿着方向Dn的平均移动量。在下面的范例中可以领会到腔体压缩而压力产生的有效性：使D≈100微米且ΔUz≈1微米，然后ΔP≈0.01大气压(atm)，并给定1帕(Pa)＝93.78dB声压位准、0.01大气压＝1013.25帕＝154dB声压位准。也就是说，藉由利用腔体压缩的效果，振膜120仅有1微米的位移量可在第一音腔CH1内产生高达154dB的声压。
为了运用由上述腔体压缩效果所产生的压力变化ΔP，振膜120或第一板体112具有至少一开口，而开口连接在第一音腔CH1内的腔体容积与发声装置SD周围的环境之间。在本实施例中，开口可为通孔TH。换句话说，振膜120或第一板体112可具有至少一通孔TH。在图2中，第一板体112具有单一个通孔TH，但不以此为限。要注意的是，在下文中，除了另有说明，用语「通孔TH」应指连接在第一音腔CH1内的腔体容积与周围环境之间的一个或多个通孔TH的全部集合。
当由腔体容积压缩或扩大产生的压力变化(公式-4的ΔP)为非零(non-zero)，压力梯度会通过开口(即，通孔TH)形成，而声波(即，空气脉冲)将因此传播。此外，由于声波通过空气分子之间的碰撞来传播，传输方向将大致平行于通孔TH的孔壁(垂直于通孔TH的开口表面的平面)，而传输速度为恒定(声速)。因此，在一种情况下，开口可面对收听者而使他/她听到声波，但不以此为限。在另一种情况下，发声装置SD可包括引导导管，引导导管设置在开口上并与开口对应，使得空气脉冲在由空气脉冲产生元件100产生之后可转向到其他方向。举例而言，引导导管可将空气脉冲转向到垂直于方向Dn的方向，但不以此为限。
在每个脉冲周期内通过通孔TH传输的声音能量可表示为
Figure BDA0002533617660000091
(公式-5)，其中ΔPt(根据公式-5)为在时间t时通孔TH的瞬时压力差，S为通孔TH的总表面面积，而t0、CY分别为一个脉冲周期的开始时间与脉冲周期的长度(根据图6)。为了使从空气脉冲产生元件100输出的声音能量最大化，期望使ΔPt·S的乘积最大化，这意味着既要有较高的压力变化ΔP(根据公式4)又要有较大的通孔TH的总表面面积S。然而，关于各个通孔TH，通孔TH的大表面积会导致较多的空气从第一音腔CH1逸出(反之亦然)，所以通孔TH的表面积越大会使压力变化ΔP下降越快，因此，当在脉冲周期内积分时(根据公式-5)，空气脉冲产生元件100的净输出SPL会降低。因此，期望提供一种构造，其中对于声音传播的有效表面积(关于空气分子之间的碰撞)可以显著地大于对于气流的有效表面积(关于空气质量的动力学运动)。
请参考图3，其绘示气流Af的速度与边界层厚度(boundary layer thickness)δ’之间的关系。气流的边界层的效果可总结为：当气流Af在防滑固体边界表面BS的边界层BDL中流动时，气流Af的速度从边界层BDL外部的自由气流速度(free stream airflowvelocity)减小到边界表面BS的表面处的0，从而确定边界表面BS的边界层厚度δ’。通过利用上述边界层的效果，在通孔TH中，用于气流的有效表面积可减小以减少流过通孔TH的空气，因此减慢了空气逸出第一音腔CH1的速度，进而缩减了公式-5中的ΔPt·S的下降。
图4所示为本发明一实施例的一个通孔的俯视示意图。举例来说，考虑通孔TH的直径等于边界层(对应通孔TH的孔壁THw的表面条件与曲率)的厚度δ的2倍的情况，流动在通孔TH的边界层内的气流的速度可被区分为如图4所示的两个部分：位于通孔TH中心的第一子部分THa以及从第一子部分THa的边界延伸至通孔TH的孔壁THw的第二子部分THb，其中第一子部分THa的边界与孔壁THw之间的径向间距等于δ/2或是等于边界层厚度δ的一半，使得在第二子部分THb内的气流的速度从位于孔壁THw的表面处的0上升到位于第一子部分THa的边界处的自由气流速度的约50％，且随着气流朝着通孔TH的中心，气流的速度持续朝着自由气流速度而上升。对于直径为2·δ的通孔TH，第二子部分THb中的平均气流速度约为自由气流速度的1/8倍(其中，
Figure BDA0002533617660000101
)。在结果上，通孔TH的整个表面上的气流的平均速度可约为AFTHb+AFTHa＝自由气流速度的0.28倍(其中，
Figure BDA0002533617660000102
Figure BDA0002533617660000103
)。换句话说，关于通孔TH，其对于气流的有效表面积因为边界层的效果而减少了约70％。在一些情况下，通孔TH的整个表面上的气流的平均速度小于自由气流速度的0.3倍。较为笼统地说，如上述范例所示，当通孔TH的直径(或尺寸)减小到边界层厚度δ的低倍数以下时，第二子部分THb的面积对于通孔TH的总面积之间的比值会迅速增加，使得通过通孔TH的气流的平均速度会显著地下降，以更好地维持第一音腔CH1内的空间(腔体压力)与第一空气室CH1外的环境之间的压力差。因此，将特定的总表面积(或总面积)S划分为大量的小通孔TH取代以一个或几个大通孔TH来实现特定的总表面积S会更有利(例如，使用1600个直径为3微米的通孔取代四个直径为60微米的通孔)，使得落在距孔壁1/2·δ距离之内的通孔面积对于通孔总表面积的比值增加。此增强的气流边界层的效果会导致通过相同的通孔总表面积S的气流的平均速度变慢，因此，改善了通孔TH两端的压力差ΔPt(在公式-5中)的保持率。
根据以上讨论，由于通孔TH的尺寸可影响腔体压力的维持，所有通孔TH的总面积以及通孔TH的个别尺寸需一起设计，以同时达到目标的腔体压力保持率以及目标的声音脉冲传输效率。在本发明的一典型实施例中，通孔TH的总面积S可为振膜120的表面面积的5％至35％，每个通孔TH的直径(或开口宽度)可小于或等于对应于通孔TH的表面条件与曲率的气流边界层厚度δ的5倍(可为0.6至3倍)，但不以此为限。在一些实施例中，通孔TH的面积的至少一半(例如，一半的面积或整个面积)可在通孔TH的边界层内，但不以此为限。
此外，如图1与图2所示，为了最大化空气脉冲传播的效率，通孔TH应位在或分布在振膜120的位移量较大的区域附近，其中振膜120的位移量被定义为振膜120在一个脉冲周期CY中在方向Dn上的位置变化量。在一些实施例中，开口可对应振膜120的最大位移位置，其中最大位移位置被定义为振膜120在一个脉冲周期CY中以一最大位移量移动的位置。举例来说，在图1与图2中(甚至，在图5中)，振膜120的最大位移位置位于振膜120的中心附近，且通孔TH在方向Dn上对应振膜120的中心，但不以此为限。在一些实施例中，在俯视上，开口可对应振膜120的一区域，其中此区域在方向Dn上的位移量的范围大于一阈值(thresholdvalue)，阈值可为1.5微米，但不以此为限。在另一观点，在俯视上，包含所有开口的最小区域的中心在方向Dn上可对应振膜120的最大位移位置，其中此最小区域可为任何适合的形状，例如三角形、矩形、多边形、圆形或具有弯曲边缘的形状。举例而言，在图1中，由于空气脉冲产生元件100仅包括一个通孔TH，包含此通孔TH的最小区域可为圆形区域，此圆形区域的边界相同于通孔TH的边缘，且此最小区域的中心可对应振膜120的中心，但不以此为限。在一些实施例中，在俯视上，此最小区域的中心可对应振膜120的一区域，其中此区域在方向Dn上的位移量的范围大于阈值。
图2示出了选择性的背部外壳，背部外壳包括第二板体114与第二侧壁114w，背部外壳用以避免向前发射的空气脉冲(通过通孔TH)被向后发射的空气脉冲所抵销。空气脉冲产生元件100还可包括吸收物件140，吸收物件140设置在第二音腔CH2中，其中吸收物件140用以消散向后发射的空气脉冲的超声波能量。在一些实施例中，吸收物件140可由例如声音吸收泡绵等的材料所制。在其他实施例中，吸收物件140可以是散布在发声装置SD的主机装置内的杂物。然而，由于向后发射的空气脉冲通过振膜的加速而产生，而向前发射的空气脉冲通过腔体压缩而产生，因此，若成功完成第一音腔CH1及其相关通孔TH的设计，则向前辐射的空气脉冲的SPL可以比向后辐射的空气脉冲的SPL强10倍至50倍，以使得背部外壳(即，第二音腔CH2)为可选择性的设置。
请参考图5，图5所示为本发明第一实施例的振膜的示例性移动的剖面示意图，其中图5绘示图2中的发声装置SD的一部分，以清楚地表示振膜120的移动。如图5所示，振膜120可被致动而沿方向Dn移动。当振膜120从位置PSb向位置PSa移动时(负的ΔUz)，第一音腔CH1内的腔体容积减少(即，压缩)，导致由公式-3所表示的气体压力变化ΔP为正，因此，当第一音腔CH1压缩时会产生正的空气脉冲。另一种情况，当振膜120从位置PSa向位置PSb移动时(正的ΔUz)，第一音腔CH1内的腔体容积增加(即，扩大)，导致由公式-3所表示的气体压力变化ΔP为负，因此，当第一音腔CH1扩大时会产生负的空气脉冲。在结果上，振膜120被致动以改变第一音腔CH1的腔体容积以改变腔体压力的值(即，腔体压力值)，且空气脉冲是藉由改变腔体压力的值而产生。此外，振膜120可被致动而以逐步方式移动以在多个脉冲周期中产生相同极性的空气脉冲，以取代在单个步骤中在位置PSa和位置PSb之间移动。
请参考图6，其详细解释了本发明一实施例的一个脉冲周期中的致动件的驱动信号，并且，图6示出了驱动信号产生的各种响应，由上而下为：
图例#1为与单位强度脉冲相对应的单位驱动信号的一个脉冲周期。
图例#2为对应图例#1的驱动信号的振膜的位移量。
图例#3为对应图例#2的振膜的位移量的腔体压力。
图例#4为第一音腔CH1与发声装置SD周围的环境之间的压力差。
简单地说，如图6的图例所示，当驱动信号(图6的图例#1)施加在图2的空气脉冲产生元件100的致动件130时，振膜120响应于驱动信号的每个部份而移动(图6的图例#2)，从而导致第一音腔CH1的腔体容积相对应地改变。第一音腔CH1的容积变化造成腔体压力(即，第一音腔CH1内的气压)的变化(图6的图例#3)，且第一音腔CH1内的这种压力变化的顺序会导致空气脉冲的形成，而空气脉冲随后通过通孔TH(即，开口)而传播到周围的环境，并因此通过这些一系列的空气脉冲的包络(envelope)而产生可听见的声音。
更具体地，请参考图6，每个脉冲周期CY以一脉冲产生时段PGS开始，然后是一脉冲隔离时段PIS。另外，脉冲产生时段PGS与脉冲隔离时段PIS可个别被区分为振膜120移动的一第一较短期间以及振膜120维持其位置的一第二较长期间，其中脉冲产生时段PGS被区分为作为第一较短期间的一上升期间Tr以及作为第二较长期间的一维持期间Tm，脉冲隔离时段PIS被区分为作为第一较短期间的一下降期间Tf以及作为第二较长期间的隔离期间Ti。驱动信号DRS在脉冲周期CY中被施加在致动件130，其中驱动信号DRS中对应上升期间Tr、维持期间Tm、下降期间Tf与隔离期间Ti的部分分别被称为第一部S1、第二部S2、第三部S3与第四部S4，如图6的图例#1所示。
请参考图6中的图例的一个脉冲周期CY，在施加驱动信号DRS(图6的图例#1)到振膜120之后，振膜120(图6的图例#2)在脉冲产生时段PGS中从初始位置PS0移动到第一位置PS1，藉由第一振膜位移量L1来改变第一音腔CH1的腔体容积以造成第一音腔CH1的腔体压力从压力值Pe改变成第一压力值Pr1(图6的图例#3)，而振膜120随后在脉冲隔离时段PIS中从第一位置PS1移动到第二位置PS2(对应第二振膜位移量L2)，藉由位移量Ld(相等于第一振膜位移量L1与第二振膜位移量L2之间的差)来改变第一音腔CH1的腔体容积以抵销第一音腔CH1中剩余的压力差(即，第二压力值Pr2与发声装置SD的周围环境的压力值Pe之间的差)。更具体地，在一个脉冲周期CY的期间内，在脉冲产生时段PGS中，振膜120在上升期间Tr中从初始位置PS0移动到第一位置PS1，并在维持期间Tm中将其位置维持在第一位置PS1；在脉冲隔离时段PIS中，振膜120在下降期间Tf中从第一位置PS1朝着第二位置PS2移动，而振膜120在隔离期间Ti(即，脉冲周期CY的剩余部分)中停留在第二位置PS2及/或逐渐移动以靠近第二位置PS2。举例来说，在一些实施例中，在隔离期间Ti中，在振膜120停留在第二位置PS2之间，振膜120可移动以靠近第二位置PS2。
要注意的是，在脉冲周期CY中，初始位置PS0与第一位置PS1之间的第一振膜位移量L1会因为腔体压缩的效果而产生压力变化ΔP(即，Pr1－Pe)，而从第一音腔CH1的内部到外部的此种压力变化ΔP会导致在通孔TH的整个长度上建立压力梯度。换句话说，在脉冲产生时段PGS的起初(即，上升期间Tr)，第一快速压力变化PC1会发生在第一音腔CH1中。压力梯度使得声波会通过自由移动的空气分子之间的碰撞而产生，且声波会通过通孔TH而传播到空气脉冲产生元件100周围的环境。在声波产生与传播的同时，由压力变化ΔP而产生的相同压力梯度也会通过通孔TH产生动力学上的气流。因为此流进或流出第一音腔CH1的气流，第一音腔CH1内的总空气量会在脉冲产生时段PGS中产生变化，而第一压力值Pr1会下降，并在脉冲产生时段PGS结束时下降至第二压力值Pr2。须注意的是，在图6的图例#3中，第二压力值Pr2在第一压力值Pr1与压力值Pe之间。因此，对应脉冲隔离时段PIS的第二位置PS2的第二振膜位移量L2应产生相等于在脉冲产生时段PGS中流通过通孔TH的空气量的净体积变化。在本实施例中，在脉冲隔离时段PIS的起初(即，下降期间Tf)，第二快速压力变化PC2会发生在第一音腔CH1中，而第一快速压力变化PC1的变化量与第二快速压力变化PC2的变化量具有不同的正负号(举例而言，在图6中，若第一快速压力变化PC1的变化量为正值，则第二快速压力变化PC2的变化量为负值)。举例而言，第一快速压力变化PC1的瞬间变化率的绝对值与第二快速压力变化PC2的瞬间变化率的绝对值可大于100帕/微秒(Pa/μs)。另外，在第二快速压力变化PC2之后，腔体压力的压力值会逐渐改变以靠近第一音腔CH1外的环境压力(ambient pressure)的压力值(例如，图6的图例#3所示的压力值Pe)。
请参考图6的图例#4的「压力差」，如上述段落的讨论，应调整空气脉冲产生元件100的设计与操作，使得在脉冲隔离时段PIS结束时(或也称为在脉冲周期CY结束时)第一音腔CH1内的压力应大致相等于第一音腔CH1外的环境压力(例如，图6的图例#3所示的压力值Pe)。如果在脉冲周期CY结束后仍持续存在实质的压力差(即，第一音腔CH1内的压力不同于第一音腔CH1外的环境压力)，则此残余压力会导致脉冲间的干扰并降低由此产生的声音品质。
具体地，如图6的图例#4所示，腔体压力在脉冲产生时段PGS中的压力值不同于发声装置SD外的环境压力的压力值，而在脉冲隔离时段PIS结束之前，腔体压力的压力值会相等于发声装置SD外的环境压力的压力值。换句话说，在脉冲产生时段PGS中的压力差Pd不为0，而在脉冲隔离时段PIS结束时，压力差Pd实质上为0。腔体压力与压力差Pd将于下文详细解释。在脉冲产生时段PGS的上升期间Tr中，因为振膜120从初始位置PS0移动到第一位置PS1，所以腔体压力会因此改变，使得压力差Pd可达到一特征压力差值CPV(即，特征压力差值CPV相等于第一压力值Pr1与压力值Pe之间的差)。也就是说，特征压力差值CPV取决于从初始位置PS0至第一位置PS1的第一振膜位移量L1。在脉冲产生时段PGS的维持期间Tm中，虽然振膜120可维持在第一位置PS1，但压力差Pd的量值会因为气流通过空气脉冲产生元件100的通孔TH而下降。在图6中，举例而言，腔体压力在维持期间Tm从第一压力值Pr1下降至第二压力值Pr2。在脉冲隔离时段PIS的下降期间Tf中，当振膜120从第一位置PS1朝向第二位置PS2移动时，压力差Pd会减少。在脉冲隔离时段PIS结束时或结束之前，振膜120到达第二位置PS2，且压力差Pd实质上为0。换句话说，第一音腔CH1内的气压与第一音腔CH1周围的环境达到平衡。
特别地，在脉冲产生时段PGS中，因为由压力差Pd产生的压力梯度在通孔TH的整个长度上，所以声波通过通孔TH而传播。虽然振膜120并未在维持期间Tm中移动，但非零的压力差Pd所引起的分子碰撞频率的差异会导致声压在整个维持期间Tm内连续产生并传播。与此同时，由于脉冲产生时段PGS中的非零的压力差Pd，空气会取决于压力差Pd的正负号而通过通孔TH从第一音腔CH1流出或流入第一音腔CH1。因此，压力差Pd的量值会随着脉冲产生时段PGS的过程而下降。因此，脉冲隔离时段PIS中的第二位置PS2需存在以产生第一音腔CH1的腔体容积的变化，而此腔体容积的变化值相等于整个脉冲周期CY中流入/流出第一音腔CH1的空气的体积。据此，在脉冲隔离时段PIS结束时，压力差Pd可变为0。
在以上讨论中，注意波与流之间的对比以及声学与动力学之间的对比，虽然两种效果都是由振膜120的第一振膜位移量L1所产生的相同压力变化ΔP的结果，但声波没有空气质量运动并以声速传播，而气流涉及空气质量运动并以根据关系式v＝a·t(速度＝加速度·时间)的速度传播。因此，尽管这两种现象具有相同的成因并同时发生，但它们显然是截然不同的。请参考图3与图4以及其相关讨论，本发明的一个特征是通过在较小直径(尺寸)的各通孔TH中增加边界层效应来减慢气流，并同时在所有通孔TH的总表面积S较大的情况下提高声波的传播效率。请参考图18，其示出了体现上述描述的第一板体112。
一般而言，只要能使每个脉冲周期结束时的压力差(图6的图例#4)接近0，会希望使脉冲产生时段PGS尽可能的长，并同时使脉冲隔离时段PIS尽可能的短。脉冲隔离时段PIS的最小长度主要由振膜120的反应时间决定，但较快的反应时间也意味着振膜变硬，而硬的振膜导致振膜位移范围减小，并造成较低的初始压力变化ΔP(即，Pr1－Pe)。因此，需要在快的振膜反应时间和大的振膜位移量之间折衷。在一种实施上，对于72kHz的脉冲率和13.89微秒(μs)的脉冲周期CY，脉冲产生时段PGS的长度可为9～11微秒，而脉冲隔离时段PIS的长度可为3～5微秒(即，脉冲产生时段PGS的长度为脉冲隔离时段PIS的长度的2～3倍)，但不以此为限。
为了达到振膜120的移动与腔体压力的改变，需要提供适合的驱动信号DRS。举例而言，在本实施例中，提供了绘示在图6的图例#1中的驱动信号DRS。要注意的是，上述驱动电压生成过程背后的基本假设是：振膜120的位置以实质上线性的方式相关于施加到致动件130的驱动电压。具体地，在图6的图例#1中，第一部S1的电压位准可相同于第二部S2的电压位准(例如电压位准V1)，以将振膜120维持在第一位置PS1；第三部S3的电压位准可不同于第一部S1的电压位准与第二部S2的电压位准，以使振膜120从第一位置PS1朝第二位置PS2移动；第四部S4的电压位准可不同于第一部S1的电压位准与第二部S2的电压位准，以将振膜120维持在第二位置PS2。举例而言，第四部S4的电压位准可相同于第三部S3的电压位准(例如电压位准V4)，但不以此为限。根据上述，脉冲产生时段PGS中的驱动信号DRS(即，第一部S1与第二部S2)不同于脉冲隔离时段PIS中的驱动信号DRS(即，第三部S3与第四部S4)，而类似的情况也绘示在图8至图12中。另外，由于第一音腔CH1的腔体容积随着振膜120的位移而线性变化，驱动电压的变化会造成第一音腔CH1的腔体容积的对应线性变化，进而导致腔体压力的对应变化，更进而导致由腔体压力与发声装置SD外的环境压力(即，Pe)之间的压力差Pd所造成的空气脉冲对应产生。上述连锁动作在图6中从上到下地表示，其中腔体压力和压力差Pd分别绘示在图6的图例#3和图例#4中。
在图6中，图6所绘示的驱动信号DRS为单位驱动信号。术语「单位驱动信号」具有单位向量相同的概念，意味着可通过缩放和位准平移而将图6的驱动信号DRS的波形转换为特定脉冲周期的转换驱动信号。举例而言，缩放因数(scaling factor)可为输入信号中对应当前脉冲周期的取样值，或为输入信号中连续两取样值之间的差，而位准平移量可等于当前脉冲周期之前的脉冲周期结束时的驱动信号的电压位准。因此，在连续两脉冲周期中，振膜120在先前脉冲周期中的最后位置(即，第二位置)相同于振膜120在当前脉冲周期中的开始位置(即，初始位置)。
请参考图7，其绘示本发明一实施例的驱动信号与输入信号之间的关系，其中图7绘示与四个连续脉冲周期CY对应的四个经过缩放与平移的驱动信号DRS1～DRS4作为范例。驱动信号DRS1～DRS4的驱动期间中，振膜120被致动以移动到对应驱动电压位准的改变量的位置，从而导致第一音腔CH1的腔体容积对应改变，并导致产生与驱动信号DRS1～DRS4的脉冲产生时段PGS相对应的四个空气脉冲。需注意的是，四个驱动信号DRS1～DRS4的每一个都是图6所示的单位驱动波形经缩放与平移的变形，其中缩放因数等于输入信号SI在对应脉冲周期CY的期间内的变化量，也就是说，图6中的位移量Ld对应输入信号SI的连续两取样值之间的差。举例来说，在对应于驱动信号DRS1的脉冲周期CY的期间内输入信号SI明显地增加，因此，在对应于驱动信号DRS1的脉冲周期CY的期间中，驱动信号DRS1依据与输入信号SI的变化量成正比的一较大的正数进行缩放；另一方面，在对应于驱动信号DRS3的脉冲周期CY的期间内输入信号SI些微下降，因此，在对应于驱动信号DRS3的脉冲周期CY的期间中，驱动信号DRS3依据与输入信号SI的变化量成正比的一较小的负数进行缩放。在适当地缩放后，对经过缩放的驱动信号DRS1～DRS4进行位准平移，使得先前的脉冲周期CY结束时的电压位准等于当前的脉冲周期CY的起始电压位准，如图7中驱动信号DRS1～DRS4之间的无缝的连结所示。
更具体地，当产生用于连续脉冲周期CY的缩放的驱动信号时，首先将根据输入信号的对应取样值来缩放单位驱动信号(例如图6的驱动信号DRS图8的驱动信号DRS’)以产生缩放驱动信号，然后对此缩放的驱动信号进行位准平移，使得在位准平移后，当前脉冲周期的电压位准V0相同于当前脉冲周期之前的先前脉冲周期的电压位准V4，使得由此产生的一系列经过缩放与平移的驱动信号可以无缝地连结在一起。
另外，请注意，在以上讨论中，并未考虑通过振膜加速所产生的常规声波的影响。图6的振膜位移量(图例#2)的分析揭示了：由于施加到振膜120以使振膜120从第一位置PS1移动到第二位置PS2的致动力，与藉由压力差Pd所产生的声波具有相反极性的一声学脉冲会产生在下降期间Tf中。由于此声学脉冲可使藉由压力差Pd所产生的声音输出的一部分无效化，因此希望最小化此声学脉冲的量值。请参考图8中的驱动信号DRS’或图9中的驱动信号DRS”，此些驱动信号DRS’、DRS”的第三部S3的电压位准并不是像图6中的驱动信号DRS的第三部S3那样的方形波形，而是具有斜坡波形(sloped waveform)(例如，图8中的驱动信号DRS’)或弯曲波形(curved waveform)(例如，图9中的驱动信号DRS”)。换句话说，第三部S3的电压位准不同于第四部S4的电压位准。因此，振膜120的加速度变成逐渐提高，而此声学脉冲会因为振膜120的加速度的此调整而减小。
在
Figure BDA0002533617660000171
的比值很小(例如小于1/10)的条件下，在脉冲产生时段PGS中流入或流出第一音腔CH1的空气体积在驱动信号的设计中可以被忽略，而膜120在脉冲隔离时段PIS时可简单地从第一位置PS1移动回到初始位置PS0(即，前述的第二位置PS2相同于初始位置PS0)，使得在脉冲周期CY内的振膜120的净位移量为0，也就是说，电压位准V4相同于电压位准V0，且第二位置PS2相同于初始位置PS0。在连续两脉冲周期中，在先前脉冲周期中的驱动信号DRS”在结束时的电压位准(即，第四部S4的电压位准)相同于当前脉冲周期中的驱动信号DRS”在结束时的电压位准(即，第四部S4的电压位准)，使得先前脉冲周期中的第二位置相同于当前脉冲周期中的第二位置。据此，可提供绘示于图9中的驱动信号DRS”。在图9所示的驱动信号DRS”中，施加在脉冲隔离时段PIS中的第四部S4为电压位准V0(即，脉冲周期的初始电压位准)，以在脉冲周期CY的结束时使振膜120返回到其初始位置PS0。
造成
Figure BDA0002533617660000181
此情况的一个因素是使脉冲产生时段PGS的长度(在下文中，脉冲产生时段PGS的长度称为TPGS，脉冲隔离时段PIS的长度称为TPIS，脉冲周期CY的长度称为TCY)变短(例如，提升TPIS/TPGS的比值)，以减少积聚的气流速度。如一范例中，让我们分析一个稳定状态，在该状态下，将生成等幅且极性相同的无限长的一串UPA，且TPIS/TPGS＝n，其中n＞＞1(即，脉冲隔离时段PIS的长度大于脉冲产生时段PGS的长度)。由于在稳定状态中，脉冲周期CY内的净气流量(net airflow)为0，因此根据牛顿(Newton)定律
Figure BDA0002533617660000182
假设振膜的反应速度很快，我们可以得出ΔPPGS/ΔPPIS≈－n2，进而得出
Figure BDA0002533617660000183
Figure BDA0002533617660000184
(公式-6)，即SPLCY∝n(n-1)，其中SPLCY为脉冲周期CY内的净声压位准。因此，当n>1则SPLCY>0，甚至正在产生具有极性相同的无限长的一串UPA时，每个脉冲周期CY内的净气流量为0。通过标准化相关于峰对峰SPL＝n2+1与脉冲周期CY(即，TCY+TPGS)＝n+1的公式-6，公式-6可变成SPLCY∝(n2+n)/(n2+1)/(n+1)(公式-7)。一个简单的数值分析(numeric analysis)将显示：当n＝TPIS/TPGS≈2.9时，公式-7的值在0.15达到峰值，而当n在2.2与4.1之间(例如，2<n<4)时，也就是脉冲隔离时段PIS的长度约为脉冲产生时段PGS的长度的2倍至4倍时，公式-7的值保持在大于或等于0.14。
须注意的是，在推导公式-6时假设有以下两个简化：振膜的反应时间无限快；以及在脉冲产生时段PGS中没有压力变化ΔP且在脉冲隔离时段PIS中没有压力变化ΔP。这两个简化都会导致公式-7产生误差，并且需根据每种特定设计的发声装置SD的行为来调整公式。尽管如此，公式-7与TPIS/TPGS的范围(TPIS/TPGS＝2.2～4.1)可作为发声装置SD的设计的规划阶段的良好起点。
在一些实施例中，请参考图10，其绘示方波的驱动信号Sq(图10的图例#1)、振膜120的位移量(图10的图例#2)与腔体压力PCH(图10的图例#3)，其中在图10的图例#3，腔体压力PCH在上升期间Tr从压力值Pe上升至第一压力值Pr1，并在维持期间Tm从第一压力值Pr1衰减至第二压力值Pr2。要注意的是，在图10的图例#3中(同样在图11的图例#3与图12的图例#3中)，忽略了气流通过通孔TH的效果以及其他效果的理想压力PWA以连续点线绘示。如图10的图例#3所示，通过腔体压力PCH与理想压力PWA之间的比较清楚地揭露在脉冲周期CY中图2的空气脉冲产生元件100(或下文的其他实施例的空气脉冲产生元件，例如图20的空气脉冲产生元件400)中的很有影响的气流。在另一些实施例中，通过将方波的驱动信号Sq改变为斜坡波形的驱动信号Sp(绘示于图11的图例#1)或弯曲波形的驱动信号Su(绘示于图12的图例#1)，驱动信号Sp、Su在脉冲产生时段PGS结束时达到其驱动电压峰值。如图11的图例#2与图12的图例#2所示，相较于图10的图例#2，斜坡波形的驱动信号Sp或弯曲波形的驱动信号Su中的逐渐上升的信号使振膜120移动较缓慢，以使进入或逸出第一音腔CH1的气流的加速度在脉冲产生时段PGS被延迟，从而在脉冲产生时段PGS的过程中减少净气流量(如图11的图例#3与图12的图例#3所示)。对于驱动信号Sp、Su，由于驱动信号Sp、Su的倾斜特性，比值TPIS/TPGS＝n需要用概括性公式代替
Figure BDA0002533617660000191
其中DF为工作因数(dutyfactor)。举例来说，方波的驱动信号Sq的DF＝0.5，使方波的驱动信号Sq在两公式中对应n＝1，然而，公式
Figure BDA0002533617660000192
可反应出驱动信号Sp、Su的曲率，但公式n＝TPIS/TPGS则反应出驱动信号Sp、Su的曲率。另外，在图10的图例#1、图11的图例#1与图12的图例#1中，方波的驱动信号Sq、斜坡波形的驱动信号Sp与弯曲波形的驱动信号Su是在脉冲产生时段PGS所施加的驱动信号。
对于图10至图12所示的驱动信号，由于在n>>1的条件下，第一音腔CH1内的压力在脉冲周期CY结束时会大致回到压力值Pe，因此，如图9所示，驱动信号DRS”中的电压位准V4可被设定为相等于电压位准V0，并不使用先前讨论的驱动信号生成过程的位准平移步骤。另外，使用在图9至图12的单位驱动信号来形成缩放的驱动信号的缩放因数也变为「输入信号的取样值」，以取代图7所示的「输入信号中连续两取样值的差」。通过上述两个更改，如图13所示，驱动信号与输入信号之间的关系也发生了变化，其中四个缩放的驱动信号DRS5～DRS8分别对应于图13所示的四个连续的脉冲周期CY以作为范例。此四个连续的脉冲周期CY对应输入信号SI的四个连续的取样时间，且驱动信号DRS5～DRS8藉由输入信号SI在各脉冲周期CY开始时的取样值来缩放，也就是说，初始位置PS0与第一位置PS1之间的位移量Ld对应输入信号SI在脉冲周期CY开始时的取样值。另外，在连续两脉冲周期中，驱动信号在先前脉冲周期(例如，驱动信号DRS5)结束时的电压位准相同于驱动信号在当前脉冲周期(例如，驱动信号DRS6)结束时的电压位准。
要注意的是，如先前的讨论，当比值TPIS/TPGS大于1，或比值TPIS/TPGS较佳为但不限于2.2～4.1时，可产生具有相同极性的无限长的一串UPA。此特性允许在基于单端AM(single-ended-AM,SEAM)的驱动方式的气压脉冲扬声器(air-pressure-pulse-speaker,APPS)中使用经适当设计的驱动信号DRS”，其中如图14所示，SEAM的驱动方式在输入信号SI中加入偏移电压(offset voltage)，使得在每个脉冲周期CY所产生的净SPLCY相对于发声装置SD外的环境压力具有相同极性，因此，此调变方式的名称称为「单端(single-ended)」。也就是说，在每个脉冲周期CY中，驱动信号(例如，图14所示的驱动信号DRS9～DRS12)在脉冲产生时段PGS的电压位准总是高于(或总是低于)驱动信号在脉冲隔离时段PIS中的电压位准，且第一位置PS1在每个脉冲周期CY中总是位在初始位置PS0的相同侧。
要注意的是，对于SEAM驱动方式，顾名思义，发声装置SD必须无限地产生具有相同极性的净SPLCY，因此，图7所示的连续脉冲周期CY之间的位准平移操作会使图6的驱动信号DRS或图8的驱动信号DRS’不适合作为SEAM的单位驱动信号。另一方面，诸如图9至图12所示的驱动信号，其消除了脉冲周期CY之间的位准平移，并可无限地产生具有相同极性的净SPLCY，因此适用于SEAM驱动方式。
请参考图15，图15所示为本发明一实施例由发声装置所产生的多个空气脉冲的声压位准(SPL)与声波的示意图，其中在图15中以粗线绘示的声波SN举例为正弦波(sinusoidal wave)，且空气脉冲AP以细线绘示。如图15所示，每个空气脉冲AP的SPL的相关于声波SN的对应取样值的量值。声波SN多个空气脉冲AP的轮廓线(或包络)产生的。为了保持由空气脉冲AP的轮廓线产生的声波SN的保真度，空气脉冲AP的脉冲率须高于输入信号的最大频率的两倍，较佳可高于人类最大可听频率的两倍(即，2x 20kHz＝40kHz)。在一些实施例中，脉冲率可高于72kHz，以避免室内宠物(例如，猫可听到高达50kHz的声音)被空气脉冲AP或由于空气脉冲AP所引起的反折信号(alias)所烦扰。
在一些实施例中，类似于美国专利申请号16/125,176与美国专利申请号16/420,141中的内容，发声装置SD所产生的空气脉冲在声压位准(SPL)方面产生会具有非零偏移(non-zero offset)，其中非零偏移是相对于发声装置SD的周围的环境的气压值(即，压力值Pe)的一偏差。并且，发声装置SD所产生的空气脉冲在多个脉冲周期内是非周期性的。举例而言，图23所示为发声装置SD所产生的空气脉冲在声压位准(SPL)方面的示意图，可从图23看出空气脉冲在SPL方面产生非零偏移。在图23中，空气脉冲在SPL方面在此10个脉冲周期内是非周期性的。「非零SPL偏移SPL」与「非周期性」的详细内容可参考美国专利申请号16/125,176，为简洁起见，此处将不再赘述。
请参考图16与图17，图16所示为本发明第二实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图，图17所示为沿着图16的剖面线B-B’的剖面示意图。相较于第一实施例，图16与图17的空气脉冲产生元件200包括9个通孔TH。若所有其他参数保持相同，藉由使第二实施例的通孔TH的直径为第一实施例的1/3，边界层的效果会藉由如前述的第二子部分THb的面积对于第一子部分THa的面积的比值的提升而增加，而此效果会降低气流的速度，并在脉冲产生时段PGS中减少压力差Pd的下降。此外，将图16的第一板体112与图1的第一板体112相比较，与第一实施例相比，第二实施例中的这9个通孔TH更均匀地分布，并在振膜的表面区域上以特定距离均匀地分布。这样的均匀分布导致从挤压振膜的压缩区域到通孔TH的行程距离更短且更均匀，因此，在声压产生与声压传递的方面提高了第一板体112的效用。在一些实施例中，两开口(例如，通孔TH)之间的距离远小于振膜120与第一板体112之间的距离D。举例来说，两相邻通孔TH之间的距离小于振膜120与第一板体112之间的距离D的1/2倍，但不以此为限。
此外，在图16与图17中，通孔TH(或开口)的分布可在方向Dn上以振膜120的最大位移位置为中心。举例而言，若振膜120的最大位移位置位于振膜120的中心，通孔TH的分布可在方向Dn上以振膜120的中心为中心。在另一观点，在俯视上，包含所有开口的最小区域的中心可对应振膜120的一区域，其中此区域在方向Dn上的位移量的范围大于阈值。举例而言，在图16中，在俯视上，包含所有通孔TH的最小区域(例如图16所示的矩形区域OPR)可对应振膜120的一区域，其中此区域在方向Dn上的位移量的范围大于例如1.5微米，但不以此为限。在一些实施例中，包含所有开口的最小区域的中心可在方向Dn上对应振膜120的中心或最大位移位置，但不以此为限。在一些实施例中，开口的其中一个(例如图16中的中心的通孔TH)可在方向Dn上对应振膜120的中心或最大位移位置，但不以此为限。在一些实施例中，在俯视上，开口的其中一个(例如图16中的中心的通孔TH)可对应振膜120的一区域，其中此区域在方向Dn上的位移量的范围大于阈值(例如1.5微米)。类似地，包含所有开口的最小区域也存在于图18与图19所示的实施例中，但为了使附图清楚，在图18和图19中省略了这些最小区域的绘示。
请参考图18，图18所示为本发明第三实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图。如图18所示，相较于第二实施例，发声装置SD的空气脉冲产生元件300的第一板体112上设置有大量且尺寸较小的通孔TH。举例而言，每个通孔TH所具有的直径可为边界层厚度δ(对应通孔TH的表面条件与曲率)的1～5倍，且通孔TH的数量可大于或等于(例如100～10,000)，使得通孔TH的总面积可为振膜120的面积的5～40％。在一范例中，每个通孔TH所具有的直径小于或等于5微米，例如0.8～5.0微米，但不以此为限。
请参考图19与图20，图19所示为本发明第四实施例的发声装置的空气脉冲产生元件的俯视示意图，图20所示为沿着图19的剖面线C-C’的剖面示意图。如图20所示，相较于第一实施例与第二实施例，虽然第一音腔CH1仍由振膜120、第一侧壁112w与第一板体112所定义，但振膜120与第一板体112之间的相对位置已经交换，其中振膜120现在位于前面且在面向收听者的方向上，第一板体112现在是背面面板，而并非在前面(不同于图2)。另外，振膜120具有5个通孔TH，空气脉冲会通过通孔TH而直接向收听者传播或再通过引导导管向收听者传播。在图19中，振膜120还包括张力释放特征，例如至少一狭缝410，以助于减少振膜致动过程中的(拉伸)应力，并增加振膜的位移量范围。在一些实施例中，狭缝410可连接于通孔TH中的至少一个，以减少应力与改善振膜的位移量范围。举例而言，如图19所示，每个狭缝410可连接于通孔TH的其中一个。在图19中，每个狭缝410对角地连接到空气脉冲产生元件400的振膜120的角落，以最小化振膜致动过程中应力，并增加振膜的位移量范围。
狭缝410的宽度需谨慎设计，因为它们会引起导致第一音腔CH1内的压力差Pd迅速下降并导致输出SPL减小的气流。在本实施例中，由于振膜120是面向前面的，所以狭缝410也将第一音腔CH1内的空气连接到发声装置SD周围的环境，并在产生和传播声波方面进行与通孔TH类似的功能。在此观点中，狭缝410的宽度应以相同于通孔TH的直径的设计方式进行处置，换句话说，相同于通孔TH的维度，狭缝410的宽度应是对应于图19中狭缝410的形状和表面条件的边界层厚度δ的低倍数。举例而言，狭缝410的宽度可为0.5微米至5微米。在另一观点下，可通过适当设计的多个狭缝410来形成网状物以策略性地替代对于通孔TH的需求，而以狭缝410形成的此网状物既可作为在振膜120的变形期间释放振膜120的应力的物件，也可作为将第一音腔CH1内的空气与外部环境连接并允许声波产生与传输的物件。据此，在本发明中，振膜120或第一板体112具有至少一开口，而开口可包括通孔TH及/或狭缝410。
在图19与图20中，虽然振膜120具有开口，开口的其中一个(例如，中心的通孔TH的边缘)可在方向Dn上对应振膜120的最大位移位置，及/或包含所有开口的最小区域的中心在俯视上(方向Dn上)可对应振膜120的最大位移位置。在一些实施例中，开口的其中一个(例如，中心的通孔TH的边缘)或包含所有开口的最小区域的中心可对应振膜120的一区域，其中此区域在方向Dn上的位移量的范围大于阈值。
通孔TH和狭缝410有无数的变化和可能的设置方式，并应根据每种特定实施的需求而设计通孔TH和狭缝410。图19中所示的特定狭缝410的图案以及狭缝410与通孔TH之间的关系仅出于说明目的，本发明并不以此为限。
要注意的是，在图20的发声装置SD中，由于当发声装置SD的空气脉冲产生元件400运作以产生空气脉冲时第一板体112(背向声音辐射方向)是固定不动的，因此，在发声装置SD的运作过程中不存在向后辐射的声波，且不再需要用于容纳向后辐射的声波以防止其抵消向前辐射的声波的外壳(不用如传统扬声器那要需要外壳)。换句话说，图2与图17所示的第二音腔CH2(或背部外壳)在本实施例中不仅是可选择性的部件，而且也是不相关的部件。
请参考图21，图21所示为本发明一实施例的发声装置的俯视示意图。在图21的实施例中，发声装置SD包括3x3阵列的空气脉冲产生元件，其中每个空气脉冲产生元件可为前述的实施例或可从本发明的教导中得出的实施例。举例而言，在图21中，发声装置SD包括9个空气脉冲产生元件100以形成3x3阵列，但不以此为限。在一些实施例中，包括在阵列中的空气脉冲产生元件可依据需求而彼此相同或不同。
特别地，由于多个空气脉冲产生元件被包括在发声装置SD中，空气脉冲产生元件可以一时间交错方式(temporally interleaved manner)来产生整体的空气脉冲，且声波SN对应这些整体的空气脉冲所产生的组合效应。关于时间交错方式，空气脉冲产生元件可被区分为多个群组，由不同群组所产生的空气脉冲可彼此时间交错，且此些空气脉冲可结合而成为整体的空气脉冲。举例而言，请参考图22，图22绘示由群组A1的空气脉冲产生元件所产生的空气脉冲的阵列PA1的波形、由群组A2的空气脉冲产生元件所产生的空气脉冲的阵列PA2的波形以及两阵列PA1、PA2的结合的波形。如图22所示，阵列PA1与阵列PA2在时间上相互交错，阵列PA1与阵列PA2的每一者都具有脉冲率PRG，也就是说，阵列PA1的一个空气脉冲对准于与阵列PA2的连续两空气脉冲之间的中点。因此，在图22中，由于整体的空气脉冲是由此两阵列PA1、PA2所结合，整体的空气脉冲的整体脉冲率为脉冲率PRG的两倍(即，2×脉冲率PRG)。在结果上，若空气脉冲产生元件被区分为M个群组，且由每个群组所产生的空气脉冲的阵列具有脉冲率PRG，则整体的空气脉冲的整体脉冲率为脉冲率PRG的M倍(M×脉冲率PRG)，也就是说，若群组的数量大于1，则由一个群组(即，一个或一些空气脉冲产生元件)所产生的空气脉冲的阵列的脉冲率小于由所有群组(即，所有空气脉冲产生元件)所产生的整体的空气脉冲的整体脉冲率。
在一实施例中，如图21所示，通过将3x3阵列分成三个群组(例如三列的三个空气脉冲产生元件)，并通过以时间交错方式控制和驱动这三个群组的空气脉冲产生元件，整体脉冲率(即，由图21中的所有9个空气脉冲产生元件所产生的空气脉冲的脉冲率)可为变为3倍，或者，由每个空气脉冲产生元件所产生的空气脉冲的脉冲率可能降低3倍(即，变为1/3倍)以维持原始的整体脉冲率。
举例来说，为了取代将每个空气脉冲产生元件强制以72千脉冲/秒(kilo-pulse-per-second,kpps)的脉冲率来操作，图21的发声装置SD可将每个空气脉冲产生元件的操作需求降低到24kpps以保持72kpps的整体有效脉冲率，进而大幅简化所产生的发声装置SD的设计与制造并减少发声装置SD的成本。
综上所述，本发明提供能够产生保真度高的声音的发声装置SD，且发声装置SD的尺寸可被缩减。
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 (29)

1.一种发声装置，其特征在于，包括：
至少一空气脉冲产生元件，每个所述至少一空气脉冲产生元件包括：
一振膜；
一第一音腔，其中一腔体压力存在于所述第一音腔中；以及
至少一开口，连接在所述第一音腔与所述发声装置周围的一环境之间；
其中所述振膜被致动以改变所述第一音腔的所述腔体压力以产生多个空气脉冲，所述多个空气脉冲通过所述至少一开口而传播，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所述发声装置外的一环境压力的一压力值的一偏差；
其中所述至少一开口包括一第一开口，所述第一开口的直径或宽度小于或等于所述第一开口的一边界层的一边界层厚度的5倍。
2.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述至少一开口的其中一个对应所述振膜的中心。
3.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述至少一开口的其中一个对应所述振膜的一区域，且所述振膜的所述区域具有大于一阈值的位移量。
4.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，每个所述空气脉冲具有一脉冲周期，所述振膜的一最大位移位置被定义为所述振膜在所述脉冲周期的其中一个中以一最大位移量移动的位置，且所述至少一开口的其中一个对应所述振膜的所述最大位移位置。
5.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，在俯视上，包含所有所述至少一开口的一最小区域的中心对应所述振膜的中心。
6.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，在俯视上，包含所有所述至少一开口的一最小区域对应所述振膜的一区域，且所述振膜的所述区域具有大于一阈值的位移量。
7.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，每个所述空气脉冲具有一脉冲周期，所述振膜的一最大位移位置被定义为所述振膜在所述脉冲周期的其中一个中以一最大位移量移动的位置，且包含所有所述至少一开口的一最小区域的中心在俯视上对应所述振膜的所述最大位移位置。
8.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述振膜具有所述至少一开口。
9.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述至少一开口包括一通孔。
10.如权利要求9所述的发声装置，其特征在于，所述通孔具有一直径，所述直径小于或等于所述通孔的一边界层的一边界层厚度的5倍。
11.如权利要求10所述的发声装置，其特征在于，所述通孔的面积的至少一半在所述通孔的所述边界层内。
12.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，流通过所述至少一开口的一气流的平均速度小于所述气流的自由气流速度的0.3倍。
13.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述至少一开口包括一狭缝。
14.如权利要求13所述的发声装置，其特征在于，所述狭缝的宽度为0.5微米至5微米。
15.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述至少一开口包括多个开口。
16.如权利要求15所述的发声装置，其特征在于，所述振膜具有所述多个开口，所述多个开口的其中一个为一通孔，且所述多个开口的其中另一个为一狭缝。
17.如权利要求16所述的发声装置，其特征在于，所述狭缝连接于所述振膜的一角落。
18.如权利要求16所述的发声装置，其特征在于，所述狭缝连接于所述通孔。
19.如权利要求15所述的发声装置，其特征在于，所述多个开口包括多个狭缝，所述多个狭缝形成的一网状物。
20.如权利要求15所述的发声装置，其特征在于，所述多个开口的数量大于或等于100。
21.如权利要求15所述的发声装置，其特征在于，每个所述至少一空气脉冲产生元件还包括一第一板体，所述第一音腔形成在所述第一板体与所述振膜之间，且所述多个开口中的两相邻开口之间的距离小于所述振膜与所述第一板体之间的距离。
22.如权利要求21所述的发声装置，其特征在于，所述多个开口中的两相邻开口之间的所述距离小于所述振膜与所述第一板体之间的所述距离的1/2倍。
23.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述至少一开口的总面积为所述振膜的面积的5％至35％。
24.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，每个所述至少一空气脉冲产生元件还包括一第一板体，所述第一音腔形成在所述第一板体与所述振膜之间，且所述振膜或所述第一板体具有所述至少一开口。
25.如权利要求24所述的发声装置，其特征在于，所述第一板体在所述发声装置运作时固定不动。
26.如权利要求24所述的发声装置，其特征在于，每个所述至少一空气脉冲产生元件还包括：
一第二板体，其中所述振膜设置在所述第一板体与所述第二板体之间；以及
一第二音腔，形成在所述振膜与所述第二板体之间，
其中所述第一板体具有所述至少一开口。
27.如权利要求26所述的发声装置，其特征在于，每个所述至少一空气脉冲产生元件还包括一吸收物件，所述吸收物件设置在所述第二音腔中。
28.如权利要求1所述的发声装置，其特征在于，每个所述至少一空气脉冲产生元件还包括一致动件，所述致动件设置在所述振膜上，且所述致动件能够致动所述振膜，以产生所述多个空气脉冲。
29.如权利要求28所述的发声装置，其特征在于，所述致动件包括一压电式致动件或一纳米静电致动式致动件。
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