CN114765719A - 空气脉冲产生装置及其发声方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种空气脉冲产生装置及其发声方法，其包括一振膜结构、一阀结构及一盖体结构。振膜结构、阀结构与盖体结构之间形成一腔室。腔室内形成以一操作频率振动的一空气波。阀结构用来被致动以进行一开合运动来形成至少一开口。至少一开口连通腔室内的空气与腔室外的空气。开合运动与操作频率同步。

Description

空气脉冲产生装置及其发声方法
技术领域
本申请涉及一种空气脉冲产生装置及其发声方法，特别是涉及能够提高整体空气脉冲率、改善声压级及/或省电的一种空气脉冲产生装置及其发声方法。
背景技术
扬声器驱动器及后壳体是扬声器产业的两大设计挑战。现有扬声器难以覆盖整个音频频带，例如从20Hz至20KHz。为了产生具有足够高声压级的高保真(fidelity)声音，现有扬声器的辐射/运动表面及后壳体的量体/尺寸须足够大。
因此，如何克服现有扬声器所面临的设计挑战且同时设计出小型发声装置是本领域的重要目标。
发明内容
因此，本申请的主要目的是提供一种空气脉冲产生装置及其发声方法，以改善现有技术的不足及/或限制。
本申请的一实施例提供一种空气脉冲产生装置，包括一振膜结构及一阀结构；一盖体结构，其中所述振膜结构、所述阀结构与所述盖体结构之间形成一腔室；其中，在所述腔室内形成以一操作频率振动的一空气波；其中，所述阀结构用来被致动以进行一开合运动来形成至少一开口，所述至少一开口连通所述腔室内的空气与所述腔室外的空气；其中，所述开合运动与所述操作频率同步。
本申请的另一实施例提供一种发声方法，应用在一空气脉冲产生装置，所述发声方法包括在一腔室内形成一空气波，其中所述空气波以一操作频率振动，所述腔室形成在所述空气脉冲产生装置内；以及以一打开频率在所述空气脉冲产生装置形成至少一开口，其中所述至少一开口连通所述腔室内的空气与所述腔室外的空气；其中，所述打开频率与所述操作频率同步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本申请实施例的空气脉冲产生装置的剖视示意图。
图2是本申请实施例的多个波形的示意图。
图3是本申请实施例的多个信号的示意图。
图4是本申请实施例的多个振膜驱动信号的示意图。
图5是图1所示的空气脉冲产生装置的俯视示意图。
图6至图9是本申请实施例的空气脉冲产生装置的剖视示意图。
图10及图11是图8所示的空气脉冲产生装置设置在本申请实施例的结构内的示意图。
图12是本申请实施例的移动装置的示意图。
图13至图15是本申请实施例的空气脉冲产生装置的剖视示意图。
图16是本申请实施例的阀运动的示意图。
具体实施方式
美国专利10,425,732提供一种发声装置或气压脉冲扬声器(air-pressure-pulse-speaker，APPS)，其包括多个空气脉冲产生元件，其能够在高于最高人类听觉频率的超声脉冲率(ultrasonic pulse rate)产生多个脉冲幅度调制(pulse-amplitudemodulation，PAM)的空气脉冲。美国专利10,425,732还公开APPS可提供风扇的功能，其可设置在电子装置内，有助于电子装置的散热。
为了进一步提高声压级(sound pressure level，SPL)性能及低音频响应，美国专利10,771,893提供一种单端幅度调制(single ended amplitude modulation，SEAM)的驱动信号，用在能够在超声脉冲率产生单端的PAM的空气脉冲的发声装置或APPS。SEAM驱动信号包括多个电脉冲。相较/相对于某一电压，所述多个电脉冲具有相同的极性。对于SEAM驱动信号，每个电脉冲循环(cycle)包括一PAM阶段及一RST(复位)阶段(reset phase)，这会在后面说明。SEAM驱动信号可以是PAM阶段内的PAM信号，且可回至RST阶段内的复位电压(reset voltage)。
美国申请号16/802,569提供一种发声装置或APPS，其通过由振膜运动激发的腔室(chamber)压缩/扩张产生空气脉冲，且空气脉冲通过在发声装置的板或振膜上形成的压力喷射孔窍(pressure ejection orifices，PEO)传播，以便在发声装置的尺寸较小的情况下达至显著的气压。
美国专利11,043,197提供一种空气脉冲产生元件及APPS，其利用振膜来对腔室内的空气进行压缩/扩张，并利用形成在振膜的狭缝(silt)形成虚拟阀(virtual valve)，所述虚拟阀可暂时打开以提供空气分流(shunt)，从而加速振膜两侧之间的气压平衡过程。
在一实施例，本申请的空气脉冲产生装置可用在APPS应用，其用来根据APPS发声原理以超声脉冲率产生PAM空气脉冲。在另一实施例，本申请的空气脉冲产生装置可用在空气运动或风扇应用，其提供风扇的功能且类似于美国专利10,425,732。
图1是本申请实施例的一空气脉冲产生装置890的剖视示意图。空气脉冲产生装置890可用在APPS。空气脉冲产生装置890包括振膜结构12、阀结构11及盖体(cover)结构804。振膜结构12、阀结构11及盖体结构804之间形成腔室105。空气脉冲产生装置890在端口707L及707R处产生其(气压)输出。图1(以实线轮廓)示出振膜结构12处在振膜结构12(实质上)平坦且平行于XY平面的状态，且(以虚线轮廓)示出振膜结构12处在振膜结构12弯曲的致动状态。
振膜结构12及阀结构11可具有薄膜结构，其可例如通过使用绝缘体硅(SOI/Silicon of insulator)或绝缘体上多晶硅(Poly-Silicon on insulator，POI)的晶圆的微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)制造工艺来制造，但不限于此。在图1所示的实施例，振膜结构12包括第一振膜部分102a及第二振膜部分102b。阀结构11包括第一阀部分101及第二阀部分103。盖体结构804包括顶板804T及侧壁804L及804R。腔室105被振膜部分102a及102b、阀部分101及103、顶板804T及侧壁804L及804R围绕。振膜部分101/103的一端锚定至支撑结构110/115且另一端可自由运动，所述自由运动端靠近侧壁804L/804R。
振膜结构12用来被致动以产生空气波AW。此外，通过仔细选择馈送至振膜结构12的驱动信号，空气波AW可在操作频率fCY振动且沿着平行于振膜结构12的方向(例如X方向)在腔室105内传播。
在一面向，空气波可相关于在某一时间周期由于气压变化或空气分子密度变化而使空气分子团周期性地在前后方向上运动(例如鉴于X轴分量运动，在X方向上左右运动)。以某一频率振动的空气波可与操作频率fCY相关，操作频率fCY是所述时间周期的倒数，反之亦然。
阀结构11用来被致动以在打开频率进行开合运动(open-and-close movement)，以周期性地形成至少一开口，其中所述至少一开口将腔室105内的空气连通至周围环境/腔室105外的空气。具体地，可致动阀部分101以进行(沿Z方向的)上下运动，其导致开口112形成或不形成，并称作阀101的打开(open)或关闭(close)。类似地，可致动阀部分103以进行(沿Z方向的)上下运动，其导致开口114形成或不形成，并称作阀103的打开或关闭。(包括阀(部分)101及103的)阀结构11的开合运动(或打开频率)可与空气波AW同步，其进一步与操作频率fCY同步。阀结构/阀部分的开合运动与操作频率fCY同步意味着阀结构/阀部分的开合运动(优选地)以操作频率fCY或以频率(M/N)*fCY进行，其中M及N均是整数。开合运动、上下运动、形成不形成(form-and-unform)等动作将在后面详述。为了简洁，在以下描述中阀部分101/103可称作阀101/103。
阀开口(valve opening)的功能类似于可变电阻器的功能，阀开口对气流的阻力ZVALVE由阀开口的程度控制。当阀关闭时(即Z101<ZO/C或Z103<ZO/C)，ZVALVE的大小会很高(Hi-Z)。当阀打开时(即Z101>ZO/C或Z103>ZO/C)，ZVALVE的大小会与开口的程度(或Z101–ZO/C或Z103–ZO/C)相反地(inversely)相关。阀打开得越宽，ZVALVE的值就越低，且对于任何给定的腔室压力，气流就越高。
腔室谐振
注意，假设侧壁804L及804R可用作反射壁，振膜结构12产生的空气波AW可包括入射波及反射波。在一实施例，腔室105的宽度(以W105表示)或侧壁804L与804R之间的距离可设计成使得入射波及反射波可聚合且在腔室105内可形成驻波(standing wave)。
在一实施例，侧壁804L与804R之间的距离或宽度W105可等于对应于空气波AW的操作频率fCY的半波长(即λ/2)的整数倍，λ＝C/fCY，其中C是声速。
在一实施例中，侧壁804L与804R之间的距离或宽度W105可设计成使得第一模态谐振(1st mode resonance)(或n＝1模态谐振)(也称作基本模态谐振或第一谐波谐振(1stharmonic resonance))形成在腔室105内。在此情况下，腔室105内仅存在1个空气运动波腹(antinode)(幅度达至峰值(peak))(其可位在腔室105的中心)且仅存在2个空气运动波节(node)(幅度接近0)(其可位在侧壁804L及804R)。腔室105内仅存在1个气压波节(其可位在腔室105的中心)且仅存在2个气压波腹(其可位在侧壁804L及804R)。
在腔室谐振或驻波面向，空气运动波腹代表“空气分子速度/位移的幅度达至在腔室内X轴上的空气运动中的最大值”的位置；空气运动波节代表“空气分子速度/位移的幅度达至在腔室内X轴上的空气运动中的最小值(通常是0运动)”的位置；气压波腹代表“气压变化的幅度达至在腔室内X轴上的气压的最大值”的位置；气压波节代表“气压变化的幅度达至在腔室内X轴上的气压的最小值”的位置。
在图1中，曲线U102示意性表示空气粒子在不同时间沿X方向分布的位移，曲线W102示意性表示腔室内在不同时间的压力分布。例如，虚线绘示的曲线U102及W102对应时间t0，实线绘示的曲线U102及W102对应时间t1。图1的P0可指周围环境压力，其可以是1大气压。在一实施例，为了实现第一模态谐振，侧壁804L与804R之间的距离或宽度W105可以是对应于空气波AW的操作频率fCY的一个半波长(λ/2)。
图16进一步说明阀101/103的阀运动的细节。在时间t0(或当t＝t0时)，阀101可被致动以向上弯曲使得开口112被打开或形成，且阀103可被致动以(实质上)密封开口114，这意味着开口114关闭或未形成(如图16顶部所示)。另一方面，在时间t1(或当t＝t1时)，阀101可被致动以(实质上)密封开口112，这意味着开口112关闭或未成形，且阀103可被致动以向上弯曲使得开口114被打开或形成(如图16底部所示)。在一实施例，在时间t2(或当t＝t2时，其中t2≠t0且t2≠t1)，阀101及103处在开口112及114几乎没有打开或几乎没有关闭的状态(如图16中间所示)，其分别对应图2所示的Z101＝ZO/C及Z103＝ZO/C。
图2是本申请实施例的多个波形的示意图。波形Z101示意性表示阀部分101的自由运动端在Z方向上的位移；波形Z103示意性表示阀部分103的自由运动端在Z方向上的位移。ZO/C表示某一电平(level)的位移，其下标O/C代表区隔打开状态与关闭状态的分界线。当阀Z101的自由运动端的位移大于(高于)位移电平ZO/C时，开口112被形成或阀101被打开。当阀Z103的自由运动端的位移大于位移电平ZO/C时，开口114被形成或阀103被打开。当阀Z101的自由运动端的位移小于(低于)位移电平ZO/C时，开口112未被形成或阀101被关闭。当阀Z103的自由运动端的位移小于位移电平ZO/C时，开口114未被形成或阀103被关闭。
波形P112示意性表示(腔室105内)开口112处的气压。波形P114示意性表示(腔室105内)开口114处的气压。波形Z102a代表振膜部分102a的位移，其可与波形P112共享相似的波形。波形Z102b代表振膜部分102b的位移，其可与波形P114共享相似的波形。波形P707L示意性表示(腔室105外)端口707L处的气压(或类比于气压的量值)。波形P707R示意性表示(腔室105外)端口707R处的气压(或类比于气压的量值)。波形P890代表P707L及P707R的总和/叠加，其对应于装置890的聚合轴上输出声压(aggregated on-axis output acousticpressure)。单位是长度(例如μM)的波形Z102a/Z102b一般与单位是压力(例如Pa)的波形P112/P114具有不同幅度。但是，由于图2的目的主要是为了说明操作的不同部分之间的时序关系，因此为了简洁而将这些波形合并在图2中。
图3是本申请实施例的多个信号的示意图。SIN代表输入音频信号。S101/S103代表用来驱动阀部分101/103的阀驱动信号。S102a/S102b代表用来驱动振膜部分102a/102b的振膜驱动信号。
AM调制波形
从图2的曲线/波形P112及P114可知，P112及P114是/包括幅度调制波形，且幅度调制波形P112/P114一般可表示成载波分量及调制分量的乘积。载波分量(通常表示成cos(2πfCY t))以操作频率fCY振荡，其中fCY＝1/TCY，TCY表示一个操作循环。调制分量(可表示成m(t))由对应于输入音频信号SIN的幅度调制波形的(在图2及图3用虚线包络(envelope)曲线表示的)包络反映。在一实施例，调制分量m(t)可对应于或成比例于输入音频信号SIN。
幅度调制波形P112/P114可通过以脉冲幅度调制驱动信号驱动振膜结构12来实现。例如，图3所示的(驱动振膜部分102a/102b的)振膜驱动信号S102a/S102b是脉冲幅度调制信号，其根据输入音频信号SIN产生。
振膜驱动信号
换言之，振膜驱动信号S102a包括第一脉冲幅度调制(PAM)信号，第一PAM信号包括相对于某一偏置(bias)电压VB的多个第一脉冲。第一脉冲以操作频率fCY在时间上分布/排列。类似地，振膜驱动信号S102b包括第二PAM信号，第二PAM信号包括相对于偏置电压VB的多个第二脉冲。第二脉冲以操作频率fCY在时间上分布/排列。
此外，所述多个第一脉冲包括多个第一转态边缘(transition edge)；而所述多个第二脉冲包括多个第二转态边缘。PAM信号S102a的第一脉冲的第一转态边缘与PAM信号S102b的第二脉冲的第二转态边缘重合。进一步地，在第一转态边缘与第二转态边缘的某一重合时刻(coincidence time)，第一转态边缘对应第一转态极性(transition polarity)，第二转态边缘对应第二转态极性。在所述重合时间，第一转态极性与第二转态极性相反。第一及第二转态边缘的重合以及第一及第二转态极性的相反的细节可参考本申请的图3，或者也可参考美国专利11,043,197或11,051,108，为了简洁，不再赘述。
注意，驱动振膜部分102a/102b的振膜驱动信号S102a/S102b相对于偏置电压VB是双极性的(bipolar)(或双端的(double-ended))，但不限于此。例如，图4绘示第二种类型的振膜驱动信号S102a′及S102b′。振膜部分102a及102b可分别由振膜驱动信号S102a′及S102b′驱动。注意，振膜驱动信号S102a′及S102b′是SEAM的驱动信号，其相对于偏置电压VB是单极性的(bipolar)。如图4所示，与单极性的振膜驱动信号S102a及S102b类似，驱动信号S102a′的多个第一脉冲与驱动信号S102b′的多个第二脉冲相互交错，并具有重合的转态边缘及相反的转态极性。单极性的SEAM驱动信号的细节可参考美国专利10,771,893，为了简洁，不再赘述。
图4还绘示第三种类型的振膜驱动信号S102a″(在底部以实线表示)及S102b″(在底部以虚线表示)。在一实施例中，振膜部分102a可由振膜驱动信号S102a″驱动，振膜部分102b可由振膜驱动信号S102b″驱动。驱动信号S102b″可根据由S102b″＝VB-S102a″(方程式1)或S102b″＝-S102a″(方程式2)表示的方程式而从S102a″求得。换言之，振膜驱动信号S102a″及S102b″的总和可以是恒定的常数。所述常数可以是电压电平VB(如果应用在方程式1)或0V(如果应用在方程式2)。从图4可知，类似于振膜驱动信号S102a及S102b，驱动信号S102a″的多个第一脉冲及驱动信号S102b″的多个第二脉冲具有重合的转态边缘及相反的转态极性。
压力梯度
在一面向，在第一时段(interval)(其可以是操作循环TCY的前半段)，通过施加振膜驱动信号对(S102a，S102b)/(S102a′，S102b′)/(S102a″，S102b″)至振膜部分102a及102b，振膜部分102a可被致动以朝正Z方向运动且振膜部分102b可被致动以朝负Z方向运动。因此，在第一时段，可致动振膜部分102a以压缩腔室105内的(在振膜部分102a上方的)第一部分/量体(volumn)105a，且可致动振膜部分102b以扩张腔室105内的(在振膜部分102b上方的)第二部分/量体105b，使得第一气压梯度(air pressure gradient)形成而(如图1中的框形箭头116指示地)从第一部分/量体105a朝向第二部分/量体105b。
相反地，在第二时段(其可以是操作循环TCY的后半段)，振膜部分102b可被致动以朝正Z方向运动且振膜部分102a可被致动以朝负Z方向运动。因此，在第二时段，可致动振膜部分102b以压缩第二部分/量体105b且可致动振膜部分102a以扩张第一部分/量体105a，使得(图1中未示出的)第二气压梯度形成而(与116相反)从第二部分/量体105b朝向第一部分/量体105a。
由(包括振膜部分102a及102b的)振膜结构12产生的气压梯度(例如图1所示的116)的压力梯度方向平行于图1所示的X方向。在腔室105内传播的空气波AW的传播方向也平行于X方向。换言之，压力梯度方向平行于空气波传播方向。此外，平行于X方向的压力梯度方向垂直于振膜结构12的(主要朝Z方向的)振膜位移方向，其中振膜位移方向是指振膜被致动而朝其运动的方向。因此，压力梯度方向平行于XY平面(即振膜结构12的平面)，并与振膜位移方向(即Z方向)正交。考量振膜结构被致动或变形，(由振膜结构12产生的)压力梯度方向可视成实质上上平行于振膜结构12及/或实质上上垂直/正交于振膜位移/运动的方向。
阀开口的空间位置
当腔室105内形成驻波时，为了提高声学输出效率，开口优选地位在或靠近驻波的气压波腹。对于空气脉冲产生装置890，开口在空间上可在空气/驻波达至峰值的位置形成，其中空气/驻波的峰值(对于APPS应用)可以是气压(就气压而言的)。
对于APPS应用，假设腔室内的气压可表示成单变量函数(single-variablefunction)p(x)或双变量函数p(x,t)，其中x表示X轴上的变量，t表示时间轴上的变量。峰值可对应于一次(偏)微分(1st order(partial)derivative)是零的位置，即dp(x)/dx＝0或
Figure BDA0003468180670000081
(以寻求阀开口的最佳空间位置)。换言之，(对于某个固定时间t0)峰值可解释成p(x)/p(x,t0)在x轴的局部最大值或局部最小值。
在此情况下，对于产生空气脉冲产生APPS装置890，开口112及114形成在侧壁804L及804R附近，因为驻波的气压波腹会位在侧壁804L及804R处。
阀开口的时间对准
在另一面向，为了提高空气脉冲产生效率，阀开口的形成时机优选地空气波在阀开口(例如图1所示的112及114)的位置达至峰值压力的时段。给定腔室内的气压可表示成单变量函数p(t)或双变量函数p(x,t)，峰值压力时机可对应于一次时间(偏)微分是零的时点，即dp(t)/dt＝0或
Figure BDA0003468180670000091
(以寻求阀开口的最佳时机，即时间行为)。换言之，(对于某个固定位置x0，其中x0可以是阀开口112或114的位置)峰值可解释成p(x)/p(x0,t)在t轴的局部最大值或局部最小值。
例如，在图2，形成开口112(即阀部分101被致动而被打开或阀101被打开)的时间时段在曲线Z101以点区域示出；形成开口114(即阀部分103被致动而被打开或阀103被打开)的时间时段在曲线Z103以网状区域示出。开口112在(第一)时段T1形成；开口114在(第二)时段T2形成。时段T1及T2都可位在操作循环TCY内，这意味着T1≤TCY，T2≤TCY及T1+T2≤(1+d)×TCY，其中TCY＝1/fCY且d<0.5。
为了提高效率，第一开口112在第一时段T1内形成，在(对应于侧壁804L的)第一位置处的空气波AW的第一峰值压力pk1在第一时段T1达成。第二开口114在第二时段T2内形成，在第二位置处的空气波AW的第二峰值压力pk2在第二时段T2达成。
在一面向，在图2所示的实施例，阀101及103的打开频率等于操作频率fCY。
注意，在图2所示的实施例，(代表阀101的打开时段的)第一时段T1涵盖(cover)一半的操作循环TCY，(代表阀103的打开时段的)第二时段T2涵盖另一半的操作循环TCY，这意味着T1＝T2≈TCY/2(即让时段Ty的长度等于操作循环TCY长度的一半，则Ty≈T1或Ty≈T2)，但不限于此。时段T1或T2可比TCY/2稍短或稍长(例如在±10％或±20％内)。只要阀101的打开时段涵盖第一峰值pk1且阀103的打开时段涵盖第二峰值pk2，则满足本申请的要求，均在本申请的范围内。
此外，(代表阀101的打开时段的)第一时段T1可涵盖第一过压/欠压时段(over/under-pressure interval)，在第一过压/欠压时段，由振膜运动产生的气压P112大于/小于某一压力Pth，其中第一过压/欠压时段与图2所示的实施例的T1重叠。类似地，(代表阀103的打开时段的)第二时段T2可涵盖第二过压/欠压时段，在第二过压/欠压时段，由振膜运动产生的气压P114大于/小于压力Pth，其中第二过压/欠压时段与图2所示的实施例的T2重叠。在此情况下，空气脉冲产生装置890在阀打开时段T1及T2产生正/负空气脉冲，其中在阀打开时段，正/负空气脉冲可从腔室105传播至周围环境。
注意，通过驱动图4的波形S102a′/S102b′产生的AW压力波会是简单的AM，而通过驱动图3的波形S102a/S102b或图4的S102a″/-S102a″产生的AW压力波会是双边带抑制载波(double-sideband,suppress carrier，DSB-SC)。图2所示的时序关系对应于简单的AM调制的AW压力波，且峰值pk1、pk2不会与Pth的线相交。然而，对于DSB-SC调制的AW压力波，只要SIN的极性改变，pk1、pk2就会穿过Pth的线，此时过压变成欠压，反之亦然。
注意，腔室内的总压力可包括两个分量压力：一是由振膜运动产生的，另一是由阀运动产生的。两个分量中的任一个都可以是驻波的形式。图2所示的压力P112及P114仅指振膜运动产生的分量压力。
同步阀开口
此外，阀部分101可在多个第一阀打开时段形成开口112，且气压P112在多个第一过压时段可大于压力Pth。在图2所示的实施例，(阀101的)多个第一阀打开时段与(压力P112的)多个第一过压时段在时间上对齐或重叠，其中(阀101的)第一阀打开时段及(压力P112的)第一过压时段在图2中标注成T1。
类似地，阀部分103可在多个第二阀打开时段形成开口114，且气压P114在多个第二过压时段可大于压力Pth。(阀103的)多个第二阀打开时段与(压力P114的)多个第二过压时段也可在时间上对齐或重叠，其中(阀103的)第二阀打开时段及(压力P114的)第二过压时段在图2中标注成T2。
在本申请，多个第一时间时段与多个第二时间时段在时间上对齐或重叠可指，1)多个第一时间时段及多个第二时间时段以相同的频率在时间上排列(或在时间上出现)；或2)第一时间时段及(与第一时间时段重叠的)第二时间时段形成重叠区域，所述重叠区域的长度是第一(或第二)时间时段的长度的至少50％。
通过对齐阀打开时段及过压时段，空气脉冲产生装置890可经由开口112在端口707L处产生多个第一空气脉冲AP1(在图2示成P707L)，并经由开口114在端口707R处产生多个第二空气脉冲AP2(在图2示成P707R)。此外，对应于Z101/Z103的峰值阀开口的时点优选地对齐对应于振膜运动产生的P112/P114的峰值压力的时点。
从不同的面向，图2的T1可分别表示：阀101的第一阀打开时段(从Z101的面向)；振膜部分102a(从Z102a的面向)及102b(从Z102b的面向)的第一振膜运动时段(其产生从振膜部分102a上方的量体105a指向振膜部分102b上方的量体105b的压力梯度(矢量))；第一过压时段(从P112的面向)；及在端口707L处的第一空气脉冲AP1的第一工作周期。类似地，图2的T2可分别表示：阀103的第二阀打开时段(从Z103的面向)；振膜部分102a(从Z102a的面向)及102b(从Z102b的面向)的第二振膜运动时段(其产生从振膜部分102b上方的量体105b指向振膜部分102a上方的量体105a的压力梯度(矢量))；第二过压时段(从P114的面向)，及在端口707R处的第二空气脉冲AP2的第二工作周期。
如图2所示，阀101的第一阀打开时段、第一腔室压力梯度时段、振膜部分102a及102b的运动、第一过压力时段及第一气压脉冲AP1的第一工作周期在时间上是对齐的(峰对峰(peak-to-peak))且重叠的(在周期方面(period wise))。类似地，阀103的第二阀打开时段、第二腔室压力梯度时段、振膜部分102a及102b的运动、第二过压时段(从P114的面向)及第二气压脉冲AP2的第二工作周期在时间上是对齐的(峰对峰)且重叠的(在周期方面)。
将两个半波整流脉冲合成一个全波整流脉冲
在一面向，通过比较波形P112及P707L，P707L可解释成P112的半波整流(half-wave rectified)版本，其由与阀101的运动Z101相关联的时变阻抗(timing varyingimpedance)来整流。此外，通过比较波形P114及P707R，P707R可解释成P114的半波整流版本，其由与阀103的运动Z103相关联的时变阻抗来整流。(作为波形P707L及P707R的总和并代表装置890的轴上输出声压的)波形P890可解释成P112或P114的全波整流(full-waverectified)版本。
参考曲线P707L，多个第一空气脉冲AP1是以对应于操作频率fCY的第一(空气)脉冲率APR1产生。参考曲线P707R，多个第二空气脉冲AP2是以对应于操作频率fCY的第二(空气)脉冲率APR2产生。
参考曲线P890，由于多个第一空气脉冲AP1与多个第二空气脉冲AP2在时间上相互交错，其可解释成空气脉冲产生装置890产生多个聚合空气脉冲AP。多个聚合空气脉冲AP包括具有第一脉冲率APR1的多个第一空气脉冲AP1及具有第二脉冲率APR2的多个第二空气脉冲AP2。聚合空气脉冲AP是以整体(空气)脉冲率PRO所产生。
如图2所示的实施例，在APR1＝APR2＝fCY的条件下，整体脉冲率PRO是脉冲率APR1(或APR2)的两倍。换言之，整体脉冲率PRO对应于操作频率fCY的两倍，即PRO＝2*fCY，类比于60Hz及110VAC的正弦波形经过全波整流后会产生120Hz的半正弦波形(half-sinewaveform)。
类比于AM无线电解调
在一面向，振膜运动的动作可比作AM无线电台(radio station)，其产生(由声音信号而幅度调制的)EM波并将AM的EM波辐射至空气。装置890产生幅度调制超声波(而不是产生EM波)并将这种AM超声波发射至腔室105。这种超声波在阀的位置由腔室105的驻波结构体(construct)进一步放大。腔室105的驻波结构体类比于EM波导(waveguide)，其中通过将端口配置在波导的波节及波腹处来最大化信号强度。在阀的位置接收的信号会通过(类比于AM接收器的同步本地振荡器(synchronous local oscillator)的)阀的周期性操作及(类比于AM接收器的混频器(mixer)的)ZVALVE的非线性特征而被解调(demodulated)，并通过将P112/P114除以其相应阀的阻抗ZVALVE(t)来产生输出P707R/P707R。
例如，为了简洁，假设曲线Z101、P112、Z103及P114是正弦的(sinusoidal)，意即凭借交错的驱动信号S101、S103可得Z101∝sin(ωt)及Z103∝-sin(ωt)；在图1所示的例子，凭借n＝1驻波，P112与P114之间会发生相位反转(phase inversion)，因此这两个局部压力可表示成P112∝SIN·sin(ωt)及P114∝-SIN·sin(ωt)，其中负号“-”代表180°的相位差，且ω＝2πfCY。假设“当Z101>ZO/C时ZVALVE∝1/(Z101-ZO/C)否则ZVALVE＝∞”，则P707L可表示成“当Z101>ZO/C时P707L∝SIN·sin2(ωt)否则P707L＝0”。类似地，P707R可表示成“当Z103>ZO/C时P707R∝SIN·sin2(ωt)否则P707R＝0”。量值P890(即P707L+P707R)代表装置890产生的声学声音。在替换P707L及P707R后，对于装置890操作的所有时间可得P890＝P707L+P707R∝SIN·sin2(ωt)。
注意，当(数学表达式是SIN·sin(ωt)的)DSB-SC的AM无线电波形用乘法器(multiplier)由(同步本地振荡器产生的)载波信号(carrier signal)sin(ωt)来解调，其结果可表示成SIN·sin(ωt)·sin(ωt)＝SIN·sin2(ωt)，这与前一段落推导出的P890的数学表达式完全相同。
如本领域技术人员可知，将AM调制信号/波形SIN·sin(ωt)乘以解调信号sin(ωt)后，结果信号(即SIN·sin2(ωt))的2/3的能量在基带(baseband)，且结果信号的1/3的能量在(以载波频率(carrier frequency)的两倍作中心(即中心是2·ω或2·fCY)的)频带(frequency band)。例如，假设P890∝SIN·sin2(ωt)＝SIN·(1/2-1/2cos(2ωt))(方程式3)。方程式3的第一项(term)(即1/2·SIN)表示基带上的解调分量；而方程式3的第二项(即1/2·SIN·cos(2ωt))代表超声频带的分量。从方程式3可知，在基带的第一项的第一能量是第二项的第二能量的两倍。基带是指输入音频信号SIN的频带，基带涵盖/重叠人类听觉频带。
在图1(或图6)，阀101、103、振膜部分102a、102b下方的氧化物衬底(substrate)材料可通过光刻工艺去除，且可形成支撑件110及壁111。根据极细线的图案，可刻蚀Si或POLY层以形成开口/狭缝(slit)。这种狭缝在阀101/103形成自由运动端(例如，当阀的自由运动端的位移超过ZO/C时，这些狭缝可形成开口112/114)。或者，狭缝可增加振膜部分102a/102b的柔顺性(例如通过在振膜部分102a、102b形成狭缝113a、113b)。
图5是图1所示的空气脉冲产生装置890的俯视示意图。空气脉冲产生装置890(可选地)可包括交联梁871、872以将(长)阀101、103或(长)振膜部分102a、102b分解成较短的部分并加强支撑件110及891。空气脉冲产生装置890(可选地)可具有狭槽(slot)873，狭槽873可通过加宽振膜部分的狭缝来形成，以提供气流通路(pathway)的功能而允许压力释放。狭缝一般具有与MEMS制造工艺的刻蚀分辨率(resolution)相对应的宽度，例如在3～7μM厚的Si膜上的宽度是0.5～1.8μM；狭槽是指不受MEMS制造工艺限制的线几何宽度。
高次谐波
空气脉冲产生装置中可发生高次谐波谐振(higher harmonic resonance)。例如，图7是本申请实施例的空气脉冲产生装置850的剖视示意图。在空气脉冲产生装置850，侧壁804L与804R之间的宽度W105可以是对应于操作频率fCY的一个波长(λ)以实现第二模态谐振(或n＝2模态谐振)。在第二模态谐振，腔室105内存在2个空气运动波腹(其可例如分别位在/靠近与侧壁804L或侧壁804R相隔四分之一的宽度W105处)且存在3个空气运动波节(其可分别位在腔室105的中心或靠近侧壁804L、804R)。腔室105内存在2个气压波节(其可例如分别位在/靠近与侧壁804L或侧壁804R相隔四分之一的宽度W105处)且存在3个气压波腹(其可分别位在腔室105的中心或靠近侧壁804L、804R)。(示意性表示腔室105内随时间的压力分布的)曲线W102可由空气脉冲产生装置830的振膜部分102c及102d的运动引起且相对于中心线703对称。如图7的W102所示，当装置850的腔室105内形成n＝2模态驻波时，通过驱动振膜102e及102f而与共同的一个波形(例如S102a”)同步，侧壁804L及804R附近的气压波形会彼此同相(in-phase)，且腔室105的中心处会产生具有相似幅度的倒相(phase inverted)气压波形。空气脉冲产生装置850的阀开口112可位在/靠近侧壁804L与804R之间的中心位置处，因为气压波腹位在腔室105的中心(或宽度W105的中心)。换言之，对于高次谐波谐振(即n≥2)中，空气脉冲产生装置的开口除了靠近侧壁804L及804R也可位在/靠近(引起谐振的)两侧壁之间的气压波腹。
前一段落的描述也适用于图6的装置830。
在空气脉冲产生装置(例如图6的装置830、图7的装置850或图1的装置890)，阀101及103的解调操作会产生气流脉冲(pulses of airflow)，其在接续的脉冲中累积，导致腔室105内的长期净空气团(long-term net air mass)变化并增加/减少腔室105内的压力P0。由于这种背压(back pressure)会导致输出SPL下降，因此优选地释放这种压力。
在图6的空气脉冲产生装置830，狭缝开口113a*/113b*可设计成靠近(位在与侧壁804L/804R相隔W105/4处的)气压波节。由于(如波形W102与P0相交所示的)n＝2驻波的气压波节的声学滤波作用，加大的狭缝113a*/113b*会对装置830的操作具有最小影响，且释放由于(如阀开口112所示的)阀101及103的解调操作引起的压力。
在图7，空气脉冲产生装置850也以对应于(横跨腔室的宽度W105的)n＝2模态谐振的频率fCY操作，振膜102e及102f各自包括(附接至各自的支撑件110的)1个单件的薄翼片(thin flap)。装置830的振膜102c、102d各自由两个子部分(sub-portion)构成且分别由狭缝113a及113b分开，不同于装置830，在装置850，因为(用来使振膜102e及102f可自由运动的)狭缝112及114位在装置850的腔室105内的气压波腹，这些狭缝的宽度须最小化以抑制气压的泄漏。因此，可在顶板804T上且气压波节的位置(例如位在与侧壁804L/804R相隔W105/4的距离处)形成一或多个通气口(vent opening)713T及804R。虽然理论上一个通气口可满足释放背压的目的，但是，考虑到腔室105气压的最佳平衡，可如图7所示而将一对的通气口713T以中心镜像方式(center-mirroring fashion)设置。
在图1的空气脉冲产生装置890，出自阀112及113的声学声音(例如声学声音P890)的压力脉冲具有相同的极性，其合成而增加/减少腔室105内的压力P0。因此，通过形成顶板上的(位在或靠近(如气压轮廓W102与P0相交的位置所示的)气压波节的)通气口713T以允许气流通过，释放阀101及103的解调操作引起的压力。
可调整通气口713T的长度及宽度以用腔室105的量体形成合适的声学低通滤波器(low pass filter，LPF)。通气口713T的位置可位在相对于操作频率fCY的气压波节，其对应于驻波的频率分量的幅度几乎是零。据此，可形成声学缺口(notch)滤波器，且对应于幅度调制驻波的压力在/靠近腔室105内的通气口713T处可被抑制，且只有解调操作引起的压力变化可在/靠近通气口713T处出现。对于操作在第二模态谐振的装置(例如装置850)，空气脉冲的通气口713T可位在与侧壁804L/804R相隔大约四分之一的宽度W105(W105/4)处，而不同于操作在第一模态谐振的装置(例如装置890)，其中(空气脉冲产生装置890的)的通气口713T可靠近两侧壁804L与804R之间的中点。
空气脉冲产生装置850的结构可根据不同的设计考量而改变。例如，振膜102e/102f可具有两个振膜子部分，或如同振膜102a/102b或102c/102d而是2片，但不限于此。注意，单片振膜结构体(例如图6的102e/102f)的最大Z方向位移需要远小于102e/102f的(Z方向的)厚度以避免腔室105的气压泄漏。相较下，在双片振膜结构体，由于两个子部分总是汇接地(in tandem)运动，因此不存在Z方向的振膜位移限制，这意味着更大的位移是可能的，因此导致(每米SPL的)单位装置面积效率(unit-device-area effectiveness)的改善。
另外，图7所示的阀部分101、103可视成一个虚拟阀。换言之，当阀部分101及103被充分致动时，形成在阀部分101与103之间的狭缝可变成暂时形成/打开的阀开口(112′)。暂时形成/打开的阀开口可周期性地形成。当开口打开时，腔室及周围环境通过开口(112′)而连通。当开口未打开时，流过狭缝的空气是可忽略的或小于阈值。虚拟阀(即暂时形成的开口)的细节可参考美国专利11,043,197，为了简洁，不再赘述。
此外，类似于图1所示的装置890，压力梯度也通过振膜运动及驻波的性质而在装置850形成。不同于装置890，振膜部分102e及102f被致动而以同相方式运动，意指在某一时间，振膜部分102e及102f都被致动而向上(或向下)运动。在此情况下，压力梯度也是通过利用n＝2驻波的性质而形成。类似于图1的描述，在图7，虚线绘示的曲线U102及W102对应时间t0，实线绘示的曲线U102及W102对应时间t1。在时间t0，振膜部分102e及102f被致动而向上(即沿正Z方向)运动，压力梯度(如虚线绘示的W102的斜率所示)在向内方向(即沿X方向)形成。在时间t1，振膜部分102e及102f被致动而向下(即沿负Z方向)运动，压力梯度(如实线绘示的W102的斜率所示)在向外方向(即沿X方向)形成。类似地，振膜运动方向实质上上垂直于压力梯度方向。
空气运动或风扇应用
装置890/830/850的结构/机制可复制/调整而用在空气运动或风扇应用。与以声速C传播的声波不同，空气运动是与空气粒子的动力学运动相关的气流，如风的运动，且是由振膜部分(例如对应于空气脉冲产生装置890/830/850的振膜部分102a～102d/102)的位移产生。在这些装置的空气运动或风扇应用/模式中，装置内的空气粒子可主要根据流体动力学或空气动力学来描述；相较下，在这些装置的空气脉冲(APPS)产生应用/模式中，装置内的空气行为可主要根据声学来描述。
对于空气运动或风扇应用，阀开口(例如装置890/830/850的开口112及114)可在空间上的一位置及在时间上暂时形成，使得空气运动最大化，其中空气运动的峰值可以是空气运动的速度(就空气运动的速度而言的)或是空气运动的量体(就空气运动的量体而言的)。
用在气流产生或风扇应用的装置的驱动信号与APPS应用的驱动信号不同。例如，在空气运动或风扇应用中，装置890可通过施加相同的驱动信号至振膜102a及102b来致动两个振膜(102a及102b)而同步地运动，以在腔室105内的量体与装置890外的周围环境之间产生压差。相较下，在APPS应用，装置890通过分别施加交错的(例如S102a、S102b)或极性反转(polarity inverted)(例如S102a”、-S102a”)的两个驱动信号至振膜102a及102b来致动两个振膜(102a及102b)而(以(沿Z轴的)相反方向)对称地运动，以在腔室105内两个振膜上方产生压力梯度(矢量116)。
这两种操作模式之间的主要区别在于装置的腔室尺寸与操作频率之间的关系不同。装置890/830/850在APPS应用下，操作频率可选择成可在腔室形成n模态的驻波。换言之，操作频率fCY与腔室宽度W105的关系可以是方程式W105＝n/2·λCY，其中λCY＝C/fCY，λCY是特征长度或fCY的波长，n是小的正整数，例如可介在1～3之间。另一方面，装置890/830/850在空气运动或风扇应用下，振膜运动转化至气流的转化率(conversion rate of membranemovement to airflow)通常随着λCY/Wchamber的比值增加而增加，其中，Wchamber是装置的腔室宽度，其对应于空气脉冲产生装置890/830/850的腔室105的宽度W105。换言之，当用在空气运动或风扇应用的气流产生装置的腔室(对应于空气脉冲产生装置890/830/850的腔室105)内的压力变得更均匀时，振膜运动转化至气流的转化率通常增加，这与欲使空气脉冲产生装置890/830/850的压力梯度(或腔室105内压力的不均匀性)最大化的作法正好相反。
例如，在空气脉冲产生装置890，在96KHz的操作频率下W105＝λCY＝3.6mm，因为悬臂梁(cantilever beam)的谐振频率f与其长度L的关系可以是f∝1/L3。另一方面，通过将用在空气运动或风扇应用的空气脉冲产生装置的操作频率从96KHz降低至24KHz，并将用在空气运动或风扇应用的空气脉冲产生装置的振膜部分及阀部分的谐振频率降低至24KHz，振膜部分的宽度可从0.94mm增加至1.44mm，阀部分的宽度可从0.46增加至0.73mm，导致腔室的宽度可以是2×(0.1+0.73+0.2)+1.44＝3.5mm，这比24KHz频率下的14.6mm的波长短得多，表示振膜运动转化至气流的转化率更高。因此，尽管剖视视图几乎相同，但“(用在空气运动或风扇应用的空气脉冲产生装置的)振膜部分及阀部分的谐振频率均是24KHz”且“以24KHz的相同波形驱动(用在空气运动或风扇应用的空气脉冲产生装置的)两个振膜部分”可能适合空气运动应用，但空气脉冲产生装置890针对发声应用(其中例如振膜部分102a及102b由交错的波形S102a′、S102b′驱动或由对称的波形S102a”、-S102a”驱动，以在每个操作循环TCY产生接近0的净空气运动(near-0 net air movement))进行的优化可能不适合空气运动装置。
总之，装置890的振膜部分102a/102b或102c/102d的对称振膜位移可用来最大化APPS应用的腔室内(in-chamber)压力梯度，但可采用(通过以相同极性的信号来驱动振膜部分而引起的)同步/相同的振膜位移以最大化振膜运动转化至气流的转化率。在另一面向，对于APPS应用，(在X方向的)腔室宽度W105可等于或接近n/2×λCY(其中n是小的正整数)以利用腔室谐振(即驻波)最大化其声学输出；另一方面，对于空气运动应用，用在空气运动或风扇应用的空气脉冲产生装置的(在X方向的)腔室宽度可远小于λCY/2，以最大化振膜运动转化至气流的转化率。
以下描述不同结构的实施例的(空气脉冲产生)装置。例如，图8是本申请实施例的空气脉冲产生装置880的剖视示意图。空气脉冲产生装置880的振膜结构12包括一振膜部分，其分成振膜子部分102e′、102f′及102g。振膜子部分102e′及102g可根据振膜部分的狭缝113e及113f来区分。空气脉冲产生装置880的具有振膜子部分102e′及102g的振膜结构12可用作空气脉冲产生装置890的振膜部分102a及102b(或空气脉冲产生装置830的振膜部分102c及102d)。
对于APPS应用，振膜子部分102e′及102g可由类似于振膜驱动信号对(S102a，S102b)/(S102a′，S102b′)/(S102a″，S102b″)的一对的振膜驱动信号来驱动，使得振膜子部分102e′及102g可几乎相反地运动以具有对称的振膜位移。类似于振膜部分102a向下弯曲及振膜部分102b向上弯曲，振膜子部分102e′及102f′可凹入地(concavely)向下弯曲，而振膜子部分102f′及102g可凸出地(convexly)向上弯曲，反之亦然。
图9是本申请实施例的空气脉冲产生装置800的剖视示意图。空气脉冲产生装置800的振膜结构12包括振膜部分102g及102h，振膜部分102g及102h锚定在空气脉冲产生装置800的支撑件110的中心处。振膜部分102g及102h的狭缝/尖端靠近侧壁804L及804R。
空气脉冲产生装置800没有空气脉冲产生装置890/830/850/880的阀101及103。当振膜部分102g及102h由一对的振膜驱动信号(S102a，S102b)/(S102a′,S102b′)/(S102a″,S102b″)驱动时，振膜部分102g及102h可通过利用振膜部分102g、102h与壁111之间的狭缝来进行空气脉冲产生装置890的阀101、103的开口112、114的AM超声载波整流功能，从而提供(空气脉冲产生装置890的阀101、103的)压力调节功能及(空气脉冲产生装置890的振膜部分102a、102b的)压力产生功能。
据此，振膜部分102g可振动以形成(提供阀101的开口112的功能的)开口112g，同时产生最大/最小的压力变化(例如第一峰值压力pk1)。振膜部分102h可振动以形成(提供阀103的开口114的功能的)开口114h，同时产生最大/最小的压力变化(例如第二峰值压力pk2)。
气压波形P707L可表示成“当Z102a>ZO/C时P707L∝(SIN·sin(ω·t)+Z0AC)2否则P707L＝0”。气压波形P707R可表示成“当Z102b>ZO/C时P707R∝(SIN·sin(-ω·t)+Z0AC)2否则P707R＝0”。波形Z102a、Z102b分别代表振膜部分102g、102h的位移；波形P707L、P707R分别代表(腔室105外)端口707L、707R处的气压。
可施加负偏压至振膜部分102g/102h的致动器(actuator)的底部电极，使得(当输入交流电压是0V时)振膜部分102g/102h(的尖端)在Z方向上的位置被抬升至等于或略高于位移电平ZO/C。换言之，Z0AC可以是正的。如果输入交流电压是0V时，振膜部分102g/102h(的尖端)在Z方向上的位置低于位移电平ZO/C，则Z0AC可能是负的，而在低电平输入信号发生类似于B类放大器的削波现象。在削波现象下，振膜部分102g/102h可能没有完全打开。
当Z0AC是正数时，空气脉冲产生装置800的聚合轴上输出声压(即P800＝P707R+P707L)可表示成：
当|SIN·sin(ω·t)|<Z0AC，
800∝(SIN·sin(ω·t)+Z0AC)2+(SIN·sin(-ω·t)+Z0AC)2＝SIN 2·(1-cos2(2ω·t))+2·Z0AC 2(方程式5a)，
当|SIN·sin(ω·t)|＞＞Z0AC，
P800∝(SIN·sin(ω·t)+Z0AC)2≈1/2SIN 2·(1-cos2(2ω·t))+2·SIN·sin(ω·t)·Z0AC(方程式5b)，
当Z0AC→0+，P800∝(SIN·sin(ω·t))2≈1/2SIN 2·(1-cos2(2ω·t))(方程式5c)。
Z0AC是当输入交流电压是0V时相对于位移电平ZO/C的振膜位移。
在一实施例，Z0AC可设定成小的正值以减少方程式5a第二项的2·Z0AC 2及方程式5b听不见的第二项的2·SIN·sin(ω·t)·Z0AC。例如，Z0AC可能在最大振膜位移的1％～10％之间。
在一实施例，为了补偿方程式5a至5c的SIN 2的非线性，可由嵌入在主机处理器(host processor)的DSP功能块(function block)进行线性补偿。
通过将Z0AC设定成小的正值，当输入交流电压是0V时，振膜部分102g/102h可略微打开。给定振膜驱动信号(S102a，S102b)/(S102a′，S102b′)/(S102a″，S102b″)的对称性，在任一时点，开口112g、114h中至少一个可略微打开/形成。因此，可平衡(由于开口112g、114h的整流作用而导致的)腔室105内的压力变化，且空气脉冲产生装置800可没有通气口713T或较宽的狭缝开口113a*/113b*。
在空气脉冲产生装置800，无论腔室105内是否发生谐振，空气脉冲产生装置800都可产生全波整流及同步解调的作用。即使没有(在侧壁804L及804R处或附近产生最大声压的)驻波，也可由振膜部分102g、102h的开口112g、114h的物理位置及(驱动振膜部分102g、102h的致动器以在侧壁804L及804R附近引起最大位移的)对称的振膜驱动信号(S102a、S102b)/(S102a′,S102b′)/(S102a″,S102b″)而造成这样的最大声压。例如，振膜部分102g可被致动以压缩腔室105内的(在振膜部分102g的上方的)第一部分/量体105a以最大化局部压力。振膜部分102h可被致动以扩张腔室105内的(在振膜部分102h上方的)第二部分/量体105b以最小化局部压力。部分/量体105a及105b随时间的压力轮廓可相同于第一模态谐振的驻波下随时间的压力轮廓。换言之，空气脉冲产生装置800可在没有腔室105谐振的情况下实现全波整流及同步解调，从而增加空气脉冲产生装置设计的灵活性。
在空气脉冲产生装置800，如果发生谐振，空气脉冲产生装置800的输出有益于这种谐振的驻波。例如，当空气脉冲产生装置800的腔室105的宽度W105等于对应于操作频率fCY的波长的一半(λ/2)时，(类似于驻波的压力分布的)压力分布可以是由振膜部分102g及102h的运动引起，因此增强已在腔室105内形成的驻波引起的输出。
无壳体
由于空气脉冲产生装置890/850/830不会产生(现有扬声器产生的)一对的非同相(out-of-phase)基带辐射(即前辐射(front radiation)及倒相背辐射(phase-invertedback radiation))，因此空气脉冲产生装置890/850/830不需要(现有扬声器所需的)后壳体(enclosure)，后壳体是用来包含或转换背辐射并防止倒相背辐射抵消前辐射)。因此，产生声音的空气脉冲产生装置890/850/830可以是无壳体的。
在装置890，通过利用在时间上的阀开口的交错及腔室105的第一模态谐振，空气脉冲产生装置890产生同相的(而不是相位相差180°(180°out of phase)的)两个辐射。通过阀101/103的(在图2以Z101/Z103表示的)打开时机与压力波P112/P114之间在时间上的对齐，声能的相位正确地相位对齐，且超声辐射被转换而加倍基带输出SPL，提高总声能利用率，实现超声AM信号的等效(effective)解调，同时免除壳体需求。
声学滤波器
空气脉冲产生装置前可增加一声学滤波器。例如，图10是本申请实施例的空气脉冲产生装置890设置在结构体A00内的示意图。图11是本申请实施例的空气脉冲产生装置890设置在结构体A30内的示意图。在空气脉冲产生装置890的端口707L及707R处测量的声学气压不仅可包括解调的AM超声波P707L及P707R还可包括阀101及103运动产生的超声波。阀101及103的对称运动可表征成偶极子(dipole)。(阀101及103运动产生的)超声波的叠加可沿着阀101及103的平面达至峰值并在侧壁804L与804R之间的中心平面上变成零。结构体A00/A30可用来最小化由阀101及103的运动产生的超声波，从而用作声学滤波器。
在图10，结构体A00可包括漏斗结构体A05，用来滤除阀101/103运动产生的超声波。漏斗结构体A05可具有(位在结构体A00内侧的)宽开口、倾斜的侧面及(位在结构体A00外侧附近的)窄管。漏斗结构体A05的宽开口可比腔室105的宽度W105小。漏斗结构体A05可合并端口707L及707R的输出，使阀101及103的对称运动产生的超声波相互抵消而留下波P890，即波P770L及P770R的总和/叠加。
在图11，结构体A30可包括外腔室A06及(用作结构体A30的输出端口的)端口A07。外腔室A06的侧壁A06T、A06B之间的宽度Wa06可等于腔室105的宽度W105(例如等于λCY的一半)，使得驻波可在(对应第一模态谐振的)频率fCY及(对应第二模态谐振的)频率2·fCY发生。端口A07的宽度Wa07可小于腔室105的宽度W105。端口A07的宽度Wa07可等于腔室105的宽度W105的一半或λCY的四分之一。
结构体A30可用来滤除阀101/103运动产生的超声波。对于阀101及103的(具有频率fCY的)对称运动产生的超声波，声能可驻留在外腔室A06的(具有位在/靠近侧壁A06T与A06B之间的中点的气压波节的)第一模态谐振，驻波的压力可在端口A07的宽度Wa07上合并至零。对于脉冲率是2·fCY的声波P890，声能可驻留在外腔室A06的(具有位在/靠近侧壁A06T与A06B之间的中点(即端口A07的中心)的气压波腹的)第二模态，并且，当驻波的压力在端口A07的宽度Wa07整合时可产生最大的输出压力。通过两种不同的谐振模态，外腔室A06可由第一模态谐振移除频率fCY的超声频谱分量并由第二模态谐振传递频率2·fCY的超声频谱分量(即波P890)。
在图11，结构体A30可包括(疏水性(aquaphobia)材料制成的)膜A08。膜A08可设置在端口A07以提供保护设备的功能(来防止灰尘、蒸汽及湿气进入)，并提供声阻的功能(而通过用外腔室A06的量体形成的低通滤波器来衰减剩余的频率2·fCY的超声频谱分量)。
图12是本申请实施例的移动装置A60的示意图。两个空气脉冲产生装置A02及A03中的每一个可以是空气脉冲产生装置890/850/830的任一个且安装在(例如是智能手机或笔记本电脑的)移动装置A60的边缘A01。空气脉冲产生装置A02、A04的端口707L及707R可面向外部，且空气脉冲产生装置A02、A03产生的超声波可通过孔窍阵列A04、A05。移动装置A60可利用结构体A00或A30的结构来去除(阀101及103运动产生的)频率fCY的超声频谱分量，同时允许频率2·fCY的波P890通过。结构体A30的膜A08可进一步减少频率2·fCY附近的剩余的超声频谱分量。
图13是本申请实施例的空气脉冲产生装置300的剖视示意图。类似于空气脉冲产生装置890，当空气脉冲产生装置300的腔室105形成驻波时，空气脉冲产生装置300的振膜部分102c及102d的运动是对称的且可产生接近0的净空气运动。由于每一操作循环TCY的所述接近0的净空气运动，振膜部分102c/102d施加的大部分能量变成(气压梯度或驻波的形式的)声能，而接近零的能量变成(气团运动(即风)的形式的)动能。
图14是本申请实施例(用来将空气量体从装置的一端口移动至另一端口的)空气运动装置100的剖视示意图。
不同于空气脉冲产生装置850/890，气流产生装置100的振膜102的振动频率产生的波长λ可远大于腔室105的宽度，腔室105内的压力可视成是一致的。交错的阀驱动信号S101、S103可用来以时间交错的方式或相位相差180°的方式打开阀部分101、103，并产生从端口107至端口108或从端口108至端口107的空气运动。例如，如果当振膜102沿正Z方向(+Z方向)运动以压缩腔室105内的量体时阀101/103打开而阀103/101关闭，则空气会通过端口107/108流出腔室105。相反地，如果当振膜102沿负Z方向(-Z方向)运动以扩张腔室105的量体时阀101/103打开而阀103/101关闭，则空气将通过端口107/108流入腔室105。
空气运动装置100的帽盖104可提供散热板/垫的功能，其与(例如笔记本电脑中央处理器(CPU)或智能手机应用处理器(AP)等的)发热元件进行物理接触，但不限于此。帽盖104可例如由铝或铜等导热材料制成。为了提高传热效率，可在腔室105内的帽盖104的表面上形成精细的扇片(未示出)，但不限于此。
注意，在空气脉冲产生装置850/890，空气装置100/300的帽盖104被顶板804T及(也用作侧壁的)间隔件804L、804R代替。顶板804T可以是印刷电路板(PCB)或平面网格数组封装(Land grid array，LGA)衬底，并包括(亦可改成设置在衬底109或板115上的)金属走线、通孔及接触垫。顶板804T的厚度可以是0.2～0.3mm，侧壁804L/804R的厚度可以是0.05～0.15mm，壁111的厚度可以是0.25～0.35mm。空气脉冲产生装置的总厚度的厚度可以是0.6～0.8mm，但不限于此。
美国专利10,536,770公开的脉冲交错概念可用在本申请。换言之，在为APPS产生超声脉冲时，为了提高声音质量，在一实施例，可将多个空气脉冲产生装置(例如多个空气脉冲产生装置100)级联(cascade)在一起以形成一个单一的空气脉冲产生装置。用在空气脉冲产生装置100的驱动信号(例如振膜驱动信号S102a/S102b/S102或阀驱动信号S101/S103)可交错以形成一交错群组并将等效空气脉冲率提高至两倍或更高的频率而远离人类听觉频带。例如，一空气脉冲产生装置100的振膜驱动信号的多个脉冲可与另一空气脉冲产生装置100的振膜驱动信号的多个脉冲交错，使得一空气脉冲产生装置100的聚合空气脉冲可与另一空气脉冲产生装置100的聚合空气脉冲交错以增加等效空气脉冲率。或者，一空气脉冲产生装置100的振膜驱动信号的每个脉冲可位在/靠近另一空气脉冲产生装置100的振膜驱动信号的两个连续脉冲之间的中点处，使得一空气脉冲产生装置100的每个聚合空气脉冲位在/靠近另一空气脉冲产生装置100的两个连续聚合空气脉冲之间的中点处，以增加等效空气脉冲率。在一实施例，(分别以24KHz的操作频率TCY操作的)两个空气脉冲产生装置100可并排(side-by-side)设置或背对背(back-to-back)连接并以交错方式驱动，使得等效空气脉冲率变成48KHz。
图15是本申请实施例的空气脉冲产生装置400的示意图。空气脉冲产生装置400可视成背对背堆叠的两个空气脉冲产生装置100及100′。在空气脉冲产生装置400，两个空气脉冲产生装置100及100′的两个腔室105及105′通过开口116连通以形成空气脉冲产生装置400的腔室106。
空气脉冲产生装置400可包括第一阀部分101、第二阀部分103、第三阀部分101′及第四阀部分103′。振膜部分101锚定在壁111的第一锚点，振膜部分103锚定在壁111的第二锚点，第一锚点及第二锚点沿X方向对齐。另一方面，振膜部分101′锚定在壁111的第三锚点，第一锚点及第三锚点沿Z方向对齐。阀部分101及103(或阀部分101′及103′)相对于YZ平面对称；另一方面，当施加至阀部分101及101′的阀驱动信号S101(或S103)下降至零时，(未致动的)阀部分101及101′(或阀部分103及103′)相对于(不平行于YZ平面的)第二平面(例如XY平面)对称。阀部分101及101′(或阀部分103及103′)不共面；当施加至阀部分101及103的阀驱动信号S101及S103下降至零时，(未致动的)阀部分101及103(或阀部分101′及103′)可共面。
在APPS应用的一实施例，通过交错两个空气脉冲产生装置100的驱动信号，空气脉冲产生装置400的振膜部分102(或阀部分101、103)的位移轮廓可与空气脉冲产生装置400的振膜部分102′(或阀部分101′、103′)的位移轮廓镜像对称。或者，通过交错或反转两个空气脉冲产生装置100的驱动信号，空气脉冲产生装置400的振膜部分102(或阀部分101、103)的位移轮廓可与空气脉冲产生装置400的振膜部分102′(或阀部分101′、103′)的位移轮廓相同，使得振膜部分102的位移(的方向及大小)可等于振膜部分102′的位移(的方向及大小)，导致腔室106的压力波动被抵销。振膜部分102可平行于(或偏移以匹配)振膜部分102′。
在空气运动应用的一实施例，特征长度λCY通常远大于空气脉冲产生装置400的尺寸。由于振膜部分102的位移可等于振膜部分102′的位移，因此空气脉冲产生装置400可仅包括一振膜部分，且可移除振膜部分102、102′之一，从而降低功耗并提高操作效率。
省电
在另一面向，空气脉冲产生装置的输出与A(t)·p(t)有关，其中A(t)是开口112/114的面积，p(t)代表腔室105的气压。换言之，阀101/103的开口112/114与空气脉冲产生装置的输出强度直接相关/成比例。具体地，最大SPL输出是(由振膜运动产生的)腔室105内的气压p(t)的最大值及(由阀运动产生的)开口112/114的面积A(t)的最大值的组合。通过适当地调制/操纵面积A(t)，可降低空气脉冲产生装置的操作功率。
面积A(t)可不以人类听觉可听见的变化率改变，而可以是通过根据产生的声音的音量或包络慢慢改变阀驱动电压S101/S103来调整。例如，阀驱动电压S101/S103可通过50毫秒的起音(attack)时间及5秒的释放时间的包络检测来控制。当空气脉冲产生装置产生的声音持续是低音量时，可用5秒的(长)释放时间逐渐降低阀驱动电压S101/S103。当欲产生高声压时，阀驱动电压S101/S103可用(短)50毫秒的起音时间升高。
综上，本申请的空气脉冲产生装置可通过先振动其振膜结构，然后响应最大/最小声压(或空气速度)的发生而打开/关闭其阀结构来过滤/重塑声压(或空气运动)，最后在全波整流作用下输出声波(或气流)，以产生声压(或空气运动)。可通过相对于最大/最小声压(或空气速度)的发生而以锁相(phase-locked)及时间对齐的方式打开/关闭其阀结构，及/或通过以时间上交错的方式打开/关闭阀结构的阀部分来进行同步解调。
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)

1.一种空气脉冲产生装置，其特征在于，包括：
一振膜结构及一阀结构；
一盖体结构，其中所述振膜结构、所述阀结构与所述盖体结构之间形成一腔室；
其中，在所述腔室内形成以一操作频率振动的一空气波；
其中，所述阀结构用来被致动以进行一开合运动来形成至少一开口，所述至少一开口连通所述腔室内的空气与所述腔室外的空气；
其中，所述开合运动与所述操作频率同步。
2.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
其中，所述空气脉冲产生装置根据一输入音频信号产生一声学声音；
其中，所述腔室内由所述振膜结构产生的所述空气波包括对应于具有所述操作频率的一载波分量的一幅度调制波形及对应于所述输入音频信号的一调制分量。
3.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，所述振膜结构用来根据一振膜驱动信号而被致动以产生所述空气波，所述振膜驱动信号包括一脉冲幅度调制信号，所述脉冲幅度调制信号是根据一输入音频信号产生。
4.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
所述振膜结构包括一第一振膜部分及一第二振膜部分；
所述第一振膜部分与所述第二振膜部分用来根据一第一振膜驱动信号与一第二振膜驱动信号而同时被致动，以产生所述空气波。
5.如权利要求4所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
所述第一振膜驱动信号包括一第一脉冲幅度调制信号，所述第一脉冲幅度调制信号包括根据所述操作频率在时间上分布的多个第一脉冲；
所述第二振膜驱动信号包括一第二脉冲幅度调制信号，所述第二脉冲幅度调制信号包括根据所述操作频率在时间上分布的多个第二脉冲。
6.如权利要求5所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，所述多个第一脉冲的第一转态边缘与所述多个第二脉冲的第二转态边缘在时间上重合。
7.如权利要求5所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，所述多个第一脉冲与所述多个第二脉冲在时间上交错。
8.如权利要求4所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，所述第一振膜驱动信号与所述第二振膜驱动信号的总和是常数。
9.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
所述振膜结构在一时段在所述腔室内产生具有一压力梯度方向的一压力梯度；
其中，所述时段在一操作循环的一半内；
其中，所述操作循环是所述操作频率的倒数。
10.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，所述振膜结构产生的一压力梯度的一压力梯度方向与所述振膜结构实质上平行。
11.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
所述振膜结构包括一第一振膜部分及一第二振膜部分；
在一时段，所述第一振膜部分被致动以压缩所述腔室的一第一部分且所述第二振膜部分被致动以扩张所述腔室的一第二部分，从而形成具有从所述第一部分指向所述第二部分的一压力梯度方向的一压力梯度。
12.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
在一操作循环的一第一半段内的一第一时段，所述振膜结构在所述腔室内的一位置处产生一第一气压梯度；
在所述操作循环的一第二半段内的一第二时段，所述振膜结构在所述腔室内的所述位置处产生一第二气压梯度；
所述第一气压梯度与所述第二气压梯度方向相反；
所述操作循环是所述操作频率的倒数。
13.如权利要求12所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，所述第一气压梯度的一第一大小与所述第二气压梯度的一第二大小实质上相同。
14.如权利要求1所述的空气脉冲产生装置，其特征在于，
所述振膜结构包括一振膜部分，用来被致动以产生具有一振膜运动方向的一振膜运动；
具有一压力梯度方向的一压力梯度因所述振膜运动而产生；
所述振膜运动方向与所述压力梯度方向实质上垂直。
15.一种发声方法，应用在一空气脉冲产生装置，其特征在于，所述发声方法包括：
在一腔室内形成一空气波，其中所述空气波以一操作频率振动，所述腔室形成在所述空气脉冲产生装置内；以及
以一打开频率在所述空气脉冲产生装置形成至少一开口，其中所述至少一开口连通所述腔室内的空气与所述腔室外的空气；
其中，所述打开频率与所述操作频率同步。
16.如权利要求15所述的发声方法，其特征在于，形成所述操作频率的所述空气波的步骤包括：
根据一输入音频信号形成一幅度调制波形；
其中，所述幅度调制波形包括具有所述操作频率的一载波分量及对应于所述输入音频信号的一调制分量。
17.如权利要求15所述的发声方法，其特征在于，所述空气脉冲产生装置包括一振膜结构，形成所述操作频率的所述空气波的步骤包括：
通过一振膜驱动信号驱动所述振膜结构，从而产生所述空气波；
其中，所述振膜驱动信号包括根据一输入音频信号产生的一脉冲幅度调制信号。
18.如权利要求15所述的发声方法，其特征在于，所述空气脉冲产生装置包括一振膜结构，所述振膜结构包括一第一振膜部分及一第二振膜部分，形成所述操作频率的所述空气波的步骤包括：
通过一第一振膜驱动信号驱动所述第一振膜部分；
通过一第二振膜驱动信号驱动所述第二振膜部分；
其中所述空气波是通过同时由所述第一振膜驱动信号驱动所述第一振膜部分且由所述第二振膜驱动信号驱动所述第二振膜部分而产生的。
19.如权利要求18所述的发声方法，其特征在于，还包括：
根据一输入音频信号产生所述第一振膜驱动信号，其中所述第一振膜驱动信号包括一第一脉冲幅度调制信号，所述第一脉冲幅度调制信号包括根据所述操作频率在时间上分布的多个第一脉冲；以及
根据所述输入音频信号产生所述第二振膜驱动信号，其中所述第二振膜驱动信号包括一第二脉冲幅度调制信号，所述第二脉冲幅度调制信号包括根据所述操作频率在时间上分布的多个第二脉冲。
20.如权利要求19所述的发声方法，其特征在于，包括：
产生所述第一脉冲幅度调制信号及产生所述第二脉冲幅度调制信号，其中所述多个第一脉冲的第一转态边缘与所述多个第二脉冲的第二转态边缘在时间上重合。
21.如权利要求19所述的发声方法，其特征在于，包括：
产生所述第一脉冲幅度调制信号及产生所述第二脉冲幅度调制信号，所述多个第一脉冲与所述多个第二脉冲在时间上交错。
22.如权利要求19所述的发声方法，其特征在于，包括：
产生所述第一脉冲幅度调制信号及产生所述第二脉冲幅度调制信号，其中所述第一振膜驱动信号与所述第二振膜驱动信号的总和是常数。
23.如权利要求15所述的发声方法，其特征在于，所述空气脉冲产生装置包括一振膜结构，形成所述操作频率的所述空气波的步骤包括：
通过所述振膜结构在所述腔室内产生具有一压力梯度方向的一压力梯度；
其中，所述振膜结构产生的所述压力梯度的所述压力梯度方向与所述振膜结构实质上平行。
24.如权利要求23所述的发声方法，其特征在于，在所述腔室内产生具有所述压力梯度方向的所述压力梯度的步骤包括：
在一时段在所述腔室内产生具有所述压力梯度方向的所述压力梯度；
其中，所述时段在一操作循环的一半内；
其中，所述操作循环是所述操作频率的倒数。
25.如权利要求23所述的发声方法，其特征在于，所述振膜结构包括一第一振膜部分及一第二振膜部分，产生具有所述压力梯度方向的所述压力梯度的步骤包括：
在一时段，通过致动所述第一振膜部分来压缩所述腔室的一第一部分；
在所述时段，通过致动所述第二振膜部分来扩张所述腔室的一第二部分；
其中所述压力梯度方向是从所述第一部分指向所述第二部分。
26.如权利要求15所述的发声方法，其特征在于，所述空气脉冲产生装置包括一振膜结构，形成所述操作频率的所述空气波的步骤包括：
在一操作循环的一第一半段内的一第一时段，所述振膜结构在所述腔室内的一位置处产生一第一气压梯度；
在所述操作循环的一第二半段内的一第二时段，所述振膜结构在所述腔室内的所述位置处产生一第二气压梯度；
其中，所述第一气压梯度与所述第二气压梯度方向相反；
其中，所述操作循环是所述操作频率的倒数。
27.如权利要求26所述的发声方法，其特征在于，包括：
产生具有一第一大小的所述第一气压梯度及具有一第二大小的所述第二气压梯度；
其中，所述第一气压梯度的所述第一大小与所述第二气压梯度的所述第二大小实质上相同。
28.如权利要求15所述的发声方法，其特征在于，振膜结构包括一振膜部分，形成所述操作频率的所述空气波的步骤包括：
致动所述振膜部分以产生具有一振膜运动方向的一振膜运动，从而形成一压力梯度；
其中，具有一压力梯度方向的所述压力梯度因所述振膜运动而产生；
其中，所述振膜运动方向与所述压力梯度方向实质上垂直。
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