CN114342417A - 声学膜阵列的优化 - Google Patents

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CN114342417A CN202080060498.4A CN202080060498A CN114342417A CN 114342417 A CN114342417 A CN 114342417A CN 202080060498 A CN202080060498 A CN 202080060498A CN 114342417 A CN114342417 A CN 114342417A
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Abstract

一种声学装置(100)，该声学装置包括形成在箔(10)上的声学膜(1，2，3，4)的阵列。声学膜(1，2，3，4)中的每一个被配置为在声学膜(1，2，3，4)的谐振频率(Fr)下进行振动，以产生相应的声波(W1，W2，W3，W4)。相对相位(ΔΦ12，ΔΦ34)被确定，在该相对相位处，声学膜(1，2，4，5)被致动以在声波(W1，W2，W3，W4)之间生成预定的干涉图案(C)。兰姆波(Ws)的兰姆波长(λs)被确定，该兰姆波在谐振频率(Fr)下穿过邻近声学膜(1，2；3，4)之间的箔(10)的中间部分(10i，10j)。布局中的邻近声学膜(1，2；3，4)之间的中间部分(10i，10j)的距离(X12，X34)是根据相对相位(ΔΦ12，ΔΦ34)和兰姆波长(λs)来确定的，以使得通过声学膜(1，3)产生的兰姆波(Ws)与邻近的声学膜(2，4)同相到达。

Description

声学膜阵列的优化
技术领域
本公开涉及包括声学膜阵列的声学装置，以及用于优化这种装置的设计和制造的方法。
背景技术
人们对多元件声学阵列的结构和小型化很感兴趣，例如，用于医学诊断、无损检测、空中触觉和其他应用中的超声换能器。在声学阵列的设计和制造中，一个重要的方面是使所有元件(例如膜)具有预定义的相位，这些元件在该预定义的相位处进行振动以实现最佳聚焦。然而，阵列中各元件的元件间机械串扰会降低性能，例如，因为一个基本换能器的致动也会影响邻近的换能器。避免串扰的一种方法是在换能器之间增加进一步的隔音。然而，这可能会增加制造成本并且导致更大体积的设计。避免串扰的另一种方法是增加换能器之间的距离。然而，这同样减少了在给定表面上可以安装的换能器的数量。
仍然期望的是在声学阵列的设计和制造方面的进一步改进，例如，使得能够在相对薄(柔性)的基底(例如箔)上安装密集堆积的声学膜阵列。
发明内容
在不受理论约束的情况下，发明人发现在相对薄的基底或箔上的邻近声学膜之间的机械串扰的主要来源可以追溯到穿过这种基底的中间部分的反对称兰姆波(lambwaves)。本公开的各个方面旨在设计一种声学阵列，其中，在邻近声学膜的相应对之间的中间距离是预定的，使得在膜的谐振频率下穿过基底的中间部分产生的兰姆波与邻近膜同相到达。对于被配置为以相同相位进行振动的膜对或邻近(同相)膜之间的距离优选地为一整数乘以兰姆波长(可选地，允许较小的小数偏差的存在)。以这种方式，穿过基底的声波实际上可以增强邻近换能器的致动。另外地，或者替代地，一些声学换能器对实际上可以被设计成以特定的相位差进行振动。例如，在聚焦阵列中可以期望的是，与距离焦点更远的换能器相比，与声波的焦点更接近的换能器以相位延迟进行致动。对于被配置为以相对相位差进行振动的膜对或邻近(相位延迟)膜之间的距离优选地为一整数加上一预定的小数，乘以兰姆波长。在这种情况下，该小数是根据特定相位差进行选择的。例如，波长的小数倍可以对应于相位差的小数周期。
在一种实现方式中，膜换能器阵列的设计包括对载体基底或箔进行表征以确定其材料特性。由于膜换能器优选地使用特定的膜谐振频率，因此对于与所需频率相关的箔，兰姆波色散曲线可以根据，例如实验或计算确定。例如，可以通过色散兰姆波的相位速度和各个振动膜之间的距离来确定相位差。例如，特定频率(膜的谐振)下的相速度可以根据，例如箔的厚度和箔的材料特性(密度、泊松比和杨氏模量)进行确定。另外地，或者替代地，箔中的相速度和/或兰姆波长也可以通过实验进行确定。阵列随后可以被设计为使得兰姆波在邻近的振动膜(基于预期相位)之间同相到达，以避免相消干涉。
附图说明
根据以下描述、所附权利要求和附图，将更好地理解本公开的装置、系统和方法的上述和其他的特征、方面和优点，在附图中：
图1A示出了包括形成在箔上的声学膜阵列的声学装置的俯视图；
图1B示出了换能器的一个同相对的横截面图；
图1C示出了换能器的具有预定相位差的一个相位延迟对的横截面图；
图2示出了具有被配置为在预定位置处进行相长干涉的声学膜阵列的装置；
图3A和图3B示出了相应的声学膜阵列的俯视图；
图4A示出了沿同心圆图案布置的膜的俯视图；
图4B示出了具有类似图案的实际装置的照片；
图5A示出了具有沿螺旋图案分布的膜的声学装置；
图5B示出了产生声波以形成焦点的装置的对应的等轴测视图；
图6A示出了用于构造膜阵列的典型基底(箔)的兰姆波色散曲线；
图6B示出了由换能器阵列产生的声压级的曲线图，该声压级是换能器之间不同距离下的频率的函数。
具体实施方式
用于描述特定实施例的术语目的不在于对本发明进行限制。如在本文中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述/该(the)”也意在包括复数形式，除非上下文另外有明确地指示。术语“和/或”包括所列出的相关项目的一个或多个的任意和所有组合。将理解的是，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定所述特征的存在，但是并不排除一个或多个其他特征的存在或添加。将进一步理解的是，当方法的特定步骤被称为另一步骤的后续步骤时，除非另外说明，该特定步骤可以直接跟在所述另一步骤的后面，或者在执行该特定步骤之前可以执行一个或多个中间步骤。同样，应当理解的是，当描述结构或部件之间的连接时，除非另外说明，该连接可以直接建立或者可以通过中间结构或部件来建立。
以下参照附图更全面地对本发明进行了描述，在附图中示出了本发明的实施例。在附图中，为清楚起见，系统、部件、层和区域的绝对和相对尺寸可能被夸大。可以参考本发明的可能理想化的实施例和中间结构的示意图和/或截面图对实施例进行描述。在说明书和附图中，贯穿全文，相同的数字是指相同的元素。相关术语及其衍生物应被解释为是指如随后描述的或如所讨论的附图中所示的取向。这些相关术语是为了便于描述，并且不要求在特定取向上对系统进行构造或操作，除非另有说明。
图1A示出了包括形成在箔10上的声学膜1、2、3、4的阵列的声学装置100的俯视图。图1B示出了换能器1、2的一个同相对的横截面图。图1C示出了换能器3、4的具有预定相位差ΔΦ13的一个相位延迟对的横截面图。
本公开的一些方面涉及包括形成在箔10上的声学膜1、2、3、4的阵列的声学装置100。在一个优选实施例中，声学膜1、2、3、4中的每一个被配置为在声学膜1、2、3、4的谐振频率Fr下进行振动，以用于产生相应的声波W1、W2、W3、W4。
在一些实施例中，阵列的至少第一子集由邻近声学膜1、2的同相对形成。例如，每个同相对包括相应的第一声学膜1和邻近的第二声学膜2。在一个实施例中，例如，如图所示，第一声学膜1与第二声学膜2通过两者之间的箔10的第一中间部分10i间隔开。优选地，第一声学膜1和第二声学膜2之间的第一中间部分10i的第一距离X12是兰姆波Ws的预定兰姆波长λs的第一整数N12倍，该兰姆波通过声学膜1、2在谐振频率Fr下穿过邻近声学膜1、2之间的中间部分10i产生。
在一些实施例中，可以允许较小偏差的存在。例如，距离X12可以是兰姆波长(λs)的整数倍加上或减去小于兰姆波长(λs)十分之一的第一小数d12。这可以表示为X12＝(N12±d12)·λs。为了将邻近膜1、2的同相对之间的串扰干涉最小化，优选地该小数d12相对较小，例如，小于五分之一(<0.2)、小于十分之一(<0.1)、小于二十分之一(<0.05)、小于五十分之一(<0.02)、或者甚至小于百分之一(<0.01)。最优选地，小数d12尽可能地低，即为零(在测量或制造公差内)。小数d12越小，所述对之间的相消干涉的影响越小。
在一些实施例中，阵列的至少第二子集由邻近声学膜3、4的相位延迟对形成。例如，每个相位延迟对包括第三声学膜3和邻近的第四声学膜4。在一个实施例中，例如，如图所示，第三声学膜3与第四声学膜4通过二者之间的箔10的第二中间部分10j间隔开。优选地，第三声学膜3和第四声学膜4之间的第二中间部分10j的第二距离X34是第二整数N34加上或减去一个非零的第二小数d34，乘以兰姆波Ws的预定兰姆波长λs，其中，兰姆波通过声学膜3、4在谐振频率Fr下穿过邻近声学膜3、4之间的中间部分10i产生。这可以表示为X34＝(N45±d34)·λs。优选地，第二小数d34是根据第三声学膜3和第四声学膜4之间的相位延迟
Figure BDA0003521276650000041
预先确定的。
原则上，对在膜之间拟合的兰姆波长的数目进行计数的整数N12、N34可以为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10等的值。然而优选地，换能器之间的距离X12或X34保持相对较小。例如，第一整数N12和/或第二整数N34优选地小于或等于三、二或甚至一。换能器之间的距离越小，箔10的每个表面面积可以安装越多的换能器。将理解的是，特别是对于相对较小的距离，本教导可以在避免不期望的串扰方面提供益处。在一些实施例中，可能期望在换能器之间具有足够的距离和材料，以使得在换能器之间实现至少一些隔离。因此，可以期望将所述整数设定为至少为一或二。
虽然原则上膜可以支持不同的谐振振动，但优选地，使用具有最低谐振频率的基频模式(u01、1s)以有效地生成声波。通常，谐振频率Fr是通过，例如声学膜的直径和膜材料特性中的一个或多个进行确定的。还可以使用其他或另外的参数，例如，密度、泊松比和杨氏模量。在一些实施例中，基本频率Fr(Hz)可以通过膜张力T(N/m)、密度σ(kg/m2)、直径D(m)表示为
Figure BDA0003521276650000051
替代地，或者附加地，膜的基本频率可以通过任何其他分析或数值建模来确定。兰姆波长也可以通过实验进行确定，例如，在谐振频率下致动箔并且记录波。在一个实施例中，通过设定与膜的张力和密度有关的特定直径D来确定特定谐振频率Fr。例如，直径D可以对应于在膜中传播的波的在谐振频率下的半个波长以产生驻波。
通常，兰姆波长λs通过例如，生成兰姆波Ws的频率(例如，膜的谐振频率Fr)以及中间部分10i的材料性质和厚度来确定。还可以使用其他或类似的参数，例如箔(包括基体箔和任何另外的层)的密度、泊松比和杨氏模量。例如，波长可以被确定为兰姆波(在谐振频率下)的相速度除以谐振频率的函数。替代地，或者附加地，膜的基本频率可以通过任何其他分析或数值建模来确定。优选地，最近的相邻膜之间的中间部分的距离在膜直径的一半到两倍之间，并且根据本公开中所描述的相对相位的规格进行微调。
在一个优选实施例中，声学膜1、2、3、4形成为箔10的整体部分。例如，声学膜1、2、3、4的致动表面包括箔的层10b。例如，膜之间的箔的中间部分10i、10j可以设置有一个或多个另外的层10a，以提供声学膜边缘的定义和/或在膜之间提供至少一些声绝缘。在一些实施例中，声学膜本身可以包括另外的层(未示出)，例如，夹在相应的底部和顶部电极层之间的压电层。通过对压电层通电，例如，在电极上施加电压，压电层和膜可以变形。例如，可以将AC电压信号施加到电极，其中，该信号包括与谐振频率Fr一致的频率分量。也可以以其他方式提供膜的致动，例如，单独的换能器。
通常，箔10相对较薄。原则上，箔可以由任意固体材料的薄片形成，例如，该固体材料的厚度小于可以在材料中(由换能器)生成的压缩/剪切波的波长，或该固体材料的厚度与所述压缩/剪切波的波长具有相同的量级。优选地，膜之间的箔的中间部分的总厚度(包括任意另外的层10a、10b)小于两毫米、小于一毫米，或甚至小于半毫米。形成相应声换能器的膜可以更薄，例如，小于箔的中间部分的百分之八十，优选地小于百分之六十，或者甚至更薄，例如，至少薄两倍或三倍。在一些实施例中，箔10可以是相对柔性的，例如，使得箔(包括膜)能够在小于20厘米、小于10厘米或甚至小于5厘米的半径上弯曲，而声学装置100不会失去基本的(电/声)功能。
在一些实施例中，可以改变箔10的中间部分10i、10j的厚度以影响兰姆波的传播，例如，使得兰姆波与邻近膜同相到达。还可以设想为至少一些换能器之间的中间部分增加进一步的厚度或声绝缘，这些换能器不能被设定为期望的距离，否则相互之间会进行相消干涉。组合也是可能的，例如，其中，沿共同半径或圆的膜被设定为间隔一距离，以使兰姆波相长干涉，而不同圆上的膜通过额外的材料或通过夹紧在所述不同圆上的膜之间的箔而彼此绝缘。
如本公开中所述，阵列中的膜优选地以预先确定的布局进行分布，以避免邻近膜之间的相消干涉，例如，其中，分隔距离被确定使得兰姆波与振动膜同相到达。因此，本公开的各方面可以体现为如本公开中所述的制造声学装置的方法，或者体现为其他方式。
一些实施例包括：确定形成在箔10上的声学膜1、2、3、4的阵列的布局，其中，声学膜1、2、3、4中的每一个被配置为在声学膜1、2、3、4的谐振频率Fr下进行振动，以产生相应的声波W1、W2、W3、W4。其它或另外的实施例包括：确定相对相位ΔΦ12、ΔΦ34，在该相位处，声学膜1、2、4、5将被致动以在声波W1、W2、W3、W4之间生成预先确定的干涉图案C。其它或另外的实施例包括：确定兰姆波Ws的兰姆波长λs，该兰姆波Ws在谐振频率Fr下穿过阵列中的邻近声学膜1、2以及3、4之间的箔10的中间部分10i、10j。
优选地，布局中的邻近声学膜1、2以及3、4之间的中间部分10i、10j的距离X12、X34是根据相对相位ΔΦ12、ΔΦ34和兰姆波长λs来确定的，以使得兰姆波Ws与邻近声学膜的声学膜对中的第二声学膜2、4同相到达，其中，该兰姆波通过致动邻近声学膜的声学膜对中的第一声学膜1、3而产生并且穿过相应的中间部分10i、10j。因此，可以利用确定的布局来制造声学装置。在一个实施例中，通过改变膜的位置来获得膜之间的优化距离，以使得兰姆波对于每个膜恰好同相到达的情况与初始布局之间的相位差最小化。例如，可以使用最小化程序(minimizer routine)。
图2示出了具有被配置为在预定位置处相长干涉的声学膜阵列的装置。
在一些实施例中，声学膜的全部或至少一个子集被致动以产生具有相应相位的声波，以在箔上方(或下方)的一个或多个特定位置处相长地干涉。例如，所有膜的声波都生成为具有相应的相位，以便在焦点C或焦点线(未示出)处相长干涉。例如，声学装置100形成触觉反馈装置，其中，膜被配置为通过在由不同膜发射的声波W之间进行相长干涉而在装置上方的半空中创建有形点(tangible point)。
在一些实施例中，声学膜1、2以及3、4的相应对(例如在图1B和图1C中示出的)之间的零或非零相位延迟
Figure BDA0003521276650000071
被确定为使得由至少一些(优选地为全部的)声学膜1、2、3、4产生的相应声波W1、W2、W3、W4在阵列上方的焦点C处进行相长干涉。在其他或另外的实施例中，可以基于换能器3、4到焦点C的相应距离Z3、Z4来确定相应换能器3、4的相对相位。例如，第一换能器3和焦点C之间的第一总距离Z3可以表示为声波波长λa(例如在空气中)的整数N3倍加上剩余小数波长的和。所述剩余的小数部分可以表示为相位差ΔΦ3除以整个周期的比值，例如，表示为两π弧度(2πrad)。
在一个实施例中，例如，如图所示，形成邻近膜的相应相位延迟对的声学膜3、4的至少一些(优选地为大多数，或甚至全部)(例如，其中心)设置在与箔10上方的公共焦点C相距特定相应距离Z3和Z4处(例如，当所述箔平放时)。例如，距离Z3和Z4被确定为：
Z3＝N3+ΔΦ3/2π·λa以及Z4＝N4+ΔΦ4/2π·λa，
其中，λa为膜3、4产生的声波的波长，N3和N4为通过相应膜和焦点之间拟合的全波长的数目所确定的整数值，ΔΦ3、ΔΦ4为膜的相应相位(以弧度表示)；
在另一个或另外的实施例中，膜3、4的相位延迟对之间的距离X34是通过X34＝N34+ΔΦ34/2π·λs确定的，
其中，λs是兰姆波长λs，N34是通过在相应换能器和焦点之间拟合的全波长的数目所确定的整数值，并且ΔΦ34是膜3、4的相应相位延迟对之间的相位差(以弧度表示)。
优选地，距离X34被选择为使得相对相位的以下方程成立：
ΔΦ34/2π＝|ΔΦ3/2π-ΔΦ4/2π|±d34，其中，d34是兰姆波之间允许的最大小数相位差，所述兰姆波是由膜3、4的相位延迟对中的一个生成并且到达膜3、4的所述相位延迟对的另一个处。优选地，允许的最大小数相位差d34小于五分之一，优选地小于十分之一，或尽可能地低，例如零，以具有最小的相消干涉。
将理解的是，在距离Z3、Z4到点C的相位延迟大于一个完整周期(2π)的情况下，可以加减整数，例如，在后一个相位差之和中加减整数；或者整数N3、N4可以被调整到例如最大。还可以注意到的是，对于到焦点的距离相等的换能器1、2的同相对(此处未示出)，类似的表达式通常成立。例如，这可以表示为：
ΔΦ12/2π＝|ΔΦ1/2π-ΔΦ2/2π|±d12＝0。
其中，d12是第一小数或允许的最大小数相位差。
在一些实施例中，例如，如图所示，声学装置100包括控制器50，该控制器被配置为产生相应的驱动信号S1、S2、S3以致动阵列中的声学膜。例如，该控制器可以包括信号发生器，该信号发生器被配置为产生用于驱动声学膜上的压电材料的交变电压。在一个实施例中，驱动信号S1、S2、S3中的每一个包括对应于膜的谐振频率Fr的相应驱动频率。在另一个或另外的实施例中，膜的相应的同相对中的声学膜1、2被连接以接收相同的驱动信号S1。在另一个或另外的实施例中，在相应的相位延迟对中的声学膜3、4被连接以接收相位延迟的驱动信号S1、S2。
虽然膜优选地以在谐振频率Fr下或接近所述谐振频率下的驱动频率进行致动，但也可以使用其他或另外的驱动频率。在一些实施例中，驱动信号包括多个频率，该多个频率包括与膜的谐振频率Fr对应的载波频率Fc(尽可能最好)；并且该多个频率包括取决于应用的包络或调制频率Fm。例如，触觉反馈装置可以使用40kHz处的载波频率，该触觉反馈装置通过200Hz处的调制频率进行幅度调制。还可以设想使用两个以上的频率，或者甚至使用频率的带宽，例如包括相应换能器的谐振频率的带宽。
在一些实施例中，驱动信号包括10kHz以上的载波频率，例如，将数十或数百kHz调制至少降低10倍，例如低于800Hz。在不受理论约束的情况下，注意到的是，为了在线性意义(linear sense)上诱发触觉反馈(即直接使用低于800赫兹的声音频率)，所需的声音强度非常高以至于可能导致耳聋。此外，由于在这些低频下声音的波长很大(6.8m(50Hz)-0.4m(800Hz))，这意味着需要非常大的换能器(多个波长的大小)以产生任意效能的声音。此外，为了利用换能器的阵列产生这些频率，焦点的尺寸最多只能是一个波长的量级：这意味着横向宽度为0.4-6.8m。因此，对于主体的哪一部分被激发，几乎没有选择。
图3A示出了仅包括同相声学膜的阵列的俯视图。图3B示出了包括沿着阵列的各个行的同相声学膜以及各行之间的相位延迟膜的混合的阵列的俯视图。在一些实施例中，提供了一种声学膜阵列，其中，膜的邻近(最接近的)对中的每一个被设计为彼此同相振动。例如，在所示的配置中，每个膜可以与(最接近的)邻近膜以预定距离Xi间隔开，该距离如图所示可以为相同的距离，或者可以是可变的距离，例如，行内的波长的整数倍数与各行之间的波长的整数倍数(未示出)不同。在其他或另外的实施例中，例如，如图所示，声学膜被配置为六边形图案，其中，六边形的每个角部被膜占据，并且六边形的中心设置有一个膜。这也可以被描述为三角形图案，其中，膜设置在三角形的角部。通常，三角形是等腰三角形，例如，其中，从一个膜到至少两个邻近膜的距离(例如，Xo)是相同的(例如，提供相同的相位差)。图3A和图3B都是这种情况。作为特例，膜可以布置成等边六边形或等边三角形的图案，例如，如图3A所示。其他图案也是可能的，如下文所述。
图4A示出了沿同心圆R1、R2、R3、R4的图案布置的膜的俯视图。图4B示出了具有类似图案的实际装置的照片。
在一个优选实施例中，声学膜沿着同心圆R1、R2、R3、R4的图案布置。在一些实施例中，在同一个圆R1上的邻近膜1、2以及2、3的至少一个子集(优选地全部)形成同相对，该同相对被配置为以相同相位进行振动。例如，每个同相对之间具有相应的第一距离X12、X23，以提供对兰姆波的相长干涉，所述兰姆波在所述第一距离上穿过箔的中间部分传播并且到达邻近的同相膜处。在其它或另外的实施例中，邻近圆R1、R2上的邻近膜2、4以及3、4的至少一个子集(优选地全部)形成相位延迟对，该相位延迟对被配置为以预定相位差进行振动。例如，每个相位延迟对之间具有相应的第二距离X24、X34，以提供兰姆波的有利干涉，所述兰姆波在所述第二距离上穿过箔的中间部分并且到达邻近的相位延迟膜。
在一些实施例中，例如，如图所示，在邻近圆R1、R2上的至少一些邻近膜3、4以及3、5形成相位延迟对，所述相位延迟对之间具有不同的距离X34和X35。例如，所述距离相差整数个波长。在一个实施例中，第一个圆R1上的膜1、2、3中的每一个被配置为以第一相位进行振动。在另一个或另外的实施例中，在与第一个圆R1邻近的第二个圆R2上的膜4、5中的每一个被配置为以不同的第二相位进行振动。在另一个或另外的实施例中，在与第二个圆R2邻近的第三个圆R3上的膜6、7中的每一个被配置为以第三相位进行振动。在一些实施例中，第一相位和第二相位之间的相位延迟与第二相位和第三相位之间的相位延迟不同。例如，相位延迟可以被确定为使得相应的延迟对到公共焦点C的不同距离(通过空气)进行补偿，例如参照图2所描述的。
如前所述，在一些实施例中，可以允许与整数个波长的理想情况的较小的小数差异，例如，如先前所示的，加上或减去小数d12。例如，小于十分之一的小数d12可能只对应于最小的相消干涉。一方面，小数d12越小，邻近对之间的不期望串扰/相消干涉就越少。另一方面，较小的小数d12的存在可以提供不同配置的更大的设计自由度。
在一个优选实施例中，例如，如图所示，声学膜形成规则图案。在一个实施例中，例如，如图所示，同心圆R1-R4中的每个包括围绕相应的圆等距分布的六个膜的整数倍。例如，第一个圆包括六个膜，第二个圆包括十二个膜，第三个圆包括十八个膜等等。如图所示，在中心处也可以设置单个膜。当然其他图案也是可以的，例如，可以使用六的倍数以外的其他倍数，在特定位置处膜可以被省略(如下一个图中所示)，或者可以设想完全不同的图案。
图5A示出了具有沿螺旋图案分布的膜的声学装置100。图5B示出了产生声波W以形成焦点C的装置的相应的等轴测视图。在一个实施例中，例如，如图所示，阵列中的膜沿着螺旋图案布置。有利地，沿着螺旋的每个后续膜之间可以使用固定或可变的距离X12。例如，可以根据由于膜到公共焦点C的相应路径长度的差异而导致的后续膜之间的相位差来选择距离X12。例如，路径长度的差异可以(例如使用勾股定理)根据半径R1、R2和轴向距离Z的差异进行计算。在一些实施例中，可以根据阿基米德螺旋来确定螺旋图案，其中，后续绕组(winding)之间的距离DR是恒定的。在其他或另外的实施例中，距离DR可以变化，例如根据后续绕组之间的期望相位延迟进行变化。
图6A示出了用于构造膜阵列的典型基底(箔)的兰姆波色散曲线。例如，在典型的谐振频率FR＝40kHz下，基底中的兰姆波速度Vs＝70m/s。在这种情况下，基底中的兰姆波长λs＝1.75mm。
图6B示出了由换能器阵列产生的并且在换能器之间的不同距离X12下作为频率(F)的函数的声压级(sound pressure level，SPL)的曲线图。可以观察到的是，对于40kHz的谐振频率，通过距离X12＝1.01·λs(即接近整数个波长，此示例中N12＝1，小数在d12＝±0.01内)可以得到最佳的声压级。注意的是，标度以分贝(dB)表示，即以对数计算。在不了解本发明的情况下，将惊讶地发现的是，对于更高密度的换能器(例如较小的距离X12＝0.71·λs)会获得较低的峰值SPL。对于X12＝0.91·λs，SPL峰值仅略微减弱，但可能存在仍然会对性能产生负面影响的另外的作用。
在一些实施例中，例如，如图所示，可以注意到的是，对于X12的偏差值(即，不是理想的整数个波长)，SPL峰值不仅更小，而且还可以在频率上转移。例如，X12<λs的峰值转移到远离膜的实际谐振频率(Fr)的更高频率。在不受理论约束的情况下，对应于较高(非谐振)频率的较低波长可以更好地拟合换能器之间的距离。不希望出现的频率远离预期谐振频率的转移会导致进一步的问题。例如，如果不同的换能器以不同的频率进行振动，则这可能导致周期性的相消干涉。因此，最优选的是所有换能器具有相同的谐振频率Fr，和/或在换能器丧失同步性之前，采取措施以对换能器的相位进行周期性地复位。
为了清楚和简洁的描述，在此将特征描述为相同或单独实施例的一部分，然而，将理解的是，本发明的范围可以包括具有所描述的全部特征或一些特征的组合的实施例。虽然本公开中描述的一些实施例涉及一种被配置为形成单个焦点的装置，但是也可以产生其他的形状，例如，产生焦点的直线或曲线。还可以设想根据驱动信号的相应相位来提供可变的焦点、线或其他形状。声学膜或箔的元件可以被组合或被分裂成一个或多个替代组件。所讨论和示出的实施例的各种元件提供了特定的优点，诸如，提升声学阵列的效率。当然，应当理解的是，上述实施例或过程中的任何一个可以与一个或多个其他实施例或过程相结合，以在寻找和匹配设计方面提供进一步的改进和优势。可以理解的是，本公开对形成在相对薄的(例如柔性的)箔或基底上的声学膜阵列或形成在所述箔或基底中的声学膜阵列提供了特别的优点，并且通常可以应用于任何用于减少形成在基底上的阵列中的声学换能器之间的串扰的应用或其他应用。
在解释所附权利要求时，应当理解的是，“包括”一词并不排除存在给定的权利要求中所列内容或行为以外的其他内容或行为；在元素之前的词“一个(a)”或“一个(an)”并不排除存在多个这样的元素；权利要求中的任何附图标记都不限制权利要求的范围；多种“方式”可以用相同或不同的项目或实施的结构或功能来表示；除非另有特别地说明，否则任一所公开的装置或该装置的部分可以组合在一起或者被分离为更进一步的部分。当一项权利要求引用另一项权利要求时，这可以表示这些权利要求的各自特征的结合所实现的协同优势。但是，在相互不同的权利要求中引述某些措施的并不是表示这些措施的组合不能被用于获取优势。因此，所述实施例可以包括权利要求的全部有效的组合，其中，每项权利要求原则上可以引用在先的任一项权利要求，除非上下文中明确地排除。

Claims (15)

1.一种声学装置(100)，所述声学装置包括：
-形成在箔(10)上的声学膜(1，2，3，4)的阵列；以及
-控制器(50)，所述控制器被配置为产生相应的驱动信号以使所述声学膜(1，2，3，4)在所述声学膜的相应谐振频率(Fr)下进行振动以产生相应的声波(W1，W2，W3，W4)，
其中，所述阵列的至少第一子集由邻近声学膜(1，2)的同相对形成，所述邻近声学膜的同相对被连接以接收来自所述控制器(50)的相同驱动信号(S1)，其中，每个同相对包括相应的第一声学膜(1)和邻近的第二声学膜(2)，其中，所述第一声学膜(1)与所述第二声学膜(2)通过两者之间的所述箔(10)的第一中间部分(10i)间隔开，
其中，所述第一声学膜(1)和所述第二声学膜(2)之间的所述第一中间部分(10i)的第一距离(X12)为：第一整数(N12)加上或减去小于十分之一的第一小数(d12)，乘以兰姆波(Ws)的预定兰姆波长(λs)，所述兰姆波通过所述声学膜(1，2)在所述谐振频率(Fr)下穿过所述邻近声学膜(1，2)之间的所述中间部分(10i)产生。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阵列的至少第二子集由邻近声学膜(3，4)的相位延迟对形成，所述邻近声学膜的相位延迟对被连接以接收来自所述控制器(50)的相位延迟的驱动信号(S1，S2)，其中，每个相位延迟对包括第三声学膜(3)和邻近的第四声学膜(4)，其中，所述第三声学膜(3)与所述第四声学膜(4)通过两者之间的所述箔(10)的第二中间部分(10j)间隔开，
其中，所述第三声学膜和第四声学膜(3，4)之间的所述第二中间部分(10j)的第二距离(X34)为：第二整数(N12)加上或减去非零的第二小数(d34)，乘以兰姆波(Ws)的预定兰姆波长(λs)，其中，所述兰姆波通过所述声学膜(3，4)在所述谐振频率(Fr)下穿过所述邻近声学膜(3，4)之间的所述中间部分(10i)产生，其中，所述第二小数(d34)是根据所述第三声学膜和第四声学膜(3，4)之间的相位延迟
Figure FDA0003521276640000021
预先确定的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，相应的声学膜对(1，2；3，4)之间的零或非零相位延迟
Figure FDA0003521276640000022
被确定为使得由所述声学膜(1，2，3，4)产生的相应声波(W1，W2，W3，W4)在所述阵列上方的焦点(C)处进行相长干涉。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，形成邻近膜的相应相位延迟对的声学膜(3，4)设置在所述箔(10)上方与公共焦点(C)相距相应距离Z3和Z4处，
其中，所述距离Z3和Z4被确定为
Z3＝N3+ΔΦ3/2π·λa以及Z4＝N4+ΔΦ4/2π·λa，
其中，λa为所述膜(3，4)产生的声波的波长，N3和N4为通过在所述相应膜和所述焦点之间拟合的全波长的数目所确定的整数值，并且ΔΦ3和ΔΦ4为所述膜的相应相位；
其中，膜(3，4)的所述相位延迟对之间的距离X34是通过X34＝N34+ΔΦ34/2π·λs确定的，
其中，λs是所述兰姆波长(λs)，N34是通过在所述相应换能器和所述焦点之间拟合的全波长的数目所确定的整数值，并且ΔΦ34是膜(3，4)的所述相应相位延迟对之间的相位差；
其中，所述距离X34被选择为使得：
(ΔΦ34/2π)＝|(ΔΦ3/2π)-(ΔΦ4/2π)|±d34，
其中，d34是允许的最大小数相位差，所述允许的最大小数相位差的值小于十分之一。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述驱动信号(S1，S2，S3)中的每一个包括对应于所述膜的谐振频率(Fr)的相应驱动频率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述声学膜沿着同心圆(R1，R2，R3，R4)的图案布置，
其中，在同一个圆(R1)上的邻近膜(1，2；2，3)的至少一个子集形成同相对，所述同相对被配置成以相同相位进行振动，每个同相对之间具有相应的第一距离(X12，X23)以提供兰姆波的相长干涉，所述兰姆波在所述第一距离上穿过所述箔的中间部分并且到达邻近的同相膜处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在邻近圆(R1，R2)上的邻近膜(2，4；3，4)的至少一个子集形成相位延迟对，所述相位延迟对被配置为以预定的相位差进行振动，每个相位延迟对之间具有相应的第二距离(X24，X34)以提供兰姆波的相长干涉，所述兰姆波在所述第二距离上穿过所述箔的中间部分并且到达邻近的相位延迟膜处。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在邻近圆(R1，R2)上的至少一些邻近膜(3，4；3，5)形成相位延迟对，所述相位延迟对之间具有不同的距离(X34，X35)，其中，所述距离相差整数个波长。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述声学膜(1，2，3，4)形成为所述箔(10)的整体部分，其中，所述声学膜(1，2，3，4)的致动表面包括所述箔的层(10b)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述谐振频率(Fr)是通过所述声学膜的膜材料特性和直径中的一个或多个来确定的，其中，所述兰姆波长(λs)是通过产生所述兰姆波(Ws)的所述谐振频率(Fr)以及所述箔(10)的所述中间部分(10i，10j)的材料特性和厚度确定的，其中，所述箔(10)的所述中间部分(10i，10j)的总厚度小于一毫米，并且所述声学膜的总厚度比所述箔(10)的所述中间部分(10i，10j)的所述厚度至少低两倍。
11.一种用于制造声学装置(100)的方法，所述方法包括：
-确定形成在箔(10)上的声学膜(1，2，3，4)的阵列的布局，其中，所述声学膜(1，2，3，4)中的每一个被配置为在所述声学膜(1，2，3，4)的谐振频率(Fr)下进行振动，以用于产生相应的声波(W1，W2，W3，W4)；
-确定相对相位(ΔΦ12，ΔΦ34)，在所述相对相位处，所述声学膜(1，2，4，5)将被致动以在所述声波(W1，W2，W3，W4)之间生成预定的干涉图案(C)；
-确定兰姆波(Ws)的兰姆波长(λs)，所述兰姆波在所述谐振频率(Fr)下穿过所述阵列中的邻近声学膜(1，2；3，4)之间的所述箔(10)的中间部分(10i，10j)；
其中，根据所述相对相位(ΔΦ12，ΔΦ34)和所述兰姆波长(λs)确定所述布局中的所述邻近声学膜(1，2；3，4)之间的所述中间部分(10i，10j)的距离(X12，X34)，以使得所述兰姆波(Ws)与邻近声学膜的声学膜对中的第二声学膜(2，4)同相到达，其中，所述兰姆波通过致动邻近声学膜的所述声学膜对中的第一声学膜(1，3)并穿过相应的所述中间部分(10i，10j)产生。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述阵列的至少第一子集由邻近声学膜(1，2)的同相对形成，其中，每个同相对包括相应的第一声学膜(1)和邻近的第二声学膜(2)，其中，所述第一声学膜(1)与所述第二声学膜(2)通过两者之间的所述箔(10)的第一中间部分(10i)间隔开，其中，所述第一声学膜(1)和所述第二声学膜(2)之间的所述第一中间部分(10i)的第一距离(X12)为：第一整数(N12)加上或减去小于十分之一的第一小数(d12)，乘以兰姆波(Ws)的预定兰姆波长(λs)，所述兰姆波通过所述声学膜(1，2)在所述谐振频率(Fr)下穿过所述邻近声学膜(1，2)之间的所述中间部分(10i)产生。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述阵列的至少第二子集由邻近声学膜(3，4)的相位延迟对形成，其中，每个相位延迟对包括第三声学膜(3)和邻近的第四声学膜(4)，其中，所述第三声学膜(3)与所述第四声学膜(4)通过两者之间的所述箔(10)的第二中间部分(10j)间隔开，其中，所述第三声学膜和第四声学膜(3，4)之间的所述第二中间部分(10j)的第二距离(X34)为：第二整数(N34)加上或减去非零的第二小数(d34)，乘以兰姆波(Ws)的预定兰姆波长(λs)，所述兰姆波通过所述声学膜(3，4)在所述谐振频率(Fr)下穿过所述邻近声学膜(3，4)之间的所述中间部分(10i)产生，其中，所述第二小数(d34)是根据所述第三声学膜和第四声学膜(3，4)之间的相位延迟
Figure FDA0003521276640000051
预先确定的。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，将声学膜的相应对之间的箔的中间部分的厚度进行改变以影响兰姆波(Ws)的传播，使得由相应对中的一个声学膜产生的兰姆波与所述相应对中的邻近声学膜同相到达。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述阵列中的所述声学膜沿螺旋图案布置。
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