CN115022786A - 一种基于数字发声芯片的平板扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于数字发声芯片的平板扬声器，本发明涉及数字扬声器领域，用于解决现有的平板扬声器尺寸大、响应慢，音质差和低音下潜不足的问题。平板扬声器中的基板上设置有多个数字发声芯片，数字发声芯片包括ASIC模块以及多组发声像素单元阵列。每个数字发声芯片可以播放相同音频；或者若干个数字发声芯片合并播放一个音频；以此提高平板扬声器的音质与声压级。

Description

一种基于数字发声芯片的平板扬声器

技术领域

本发明涉及数字扬声器技术领域，尤其涉及一种基于数字发声芯片的平板扬声器。

背景技术

扬声器为将电信号转变为空气传播的声信号的机电式部件，在消费电子和声学技术的诸多领域发挥着重要作用。按换能方式分类，扬声器可分为电动式(动圈式)、电磁式(舌簧式)、压电式(晶体式)、电容式(静电式)、压缩空气式及离子式等。扬声器的种类繁多，其中，平板扬声器，也经常被称为平板振膜扬声器，具有振动发生器。平板扬声器由音源输入设备、信号放大器(功放)和扬声器组成，是一整套的系统，通过激发器(驱动体)激发发声板中的弯曲波而发声，目前已经广泛应用于：家庭影院系统、背景音乐系统、多媒体音响系统、公共广播系统等。相比于点声源扬声器，平板扬声器在中频上有着更好的角度覆盖性，使得声音指向性相较传统点声源扬声器传播面更广。

但是，现有的平板扬声器整体尺寸大，响应速度慢，音质差和低音下潜不足。

因此，亟需提供一种更为可靠的基于数字发声芯片的平板扬声器系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字发声芯片的平板扬声器，用于解决现有的平板扬声器尺寸大、响应慢，音质差和低音下潜不足的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字发声芯片的平板扬声器，平板扬声器至少包括：

基板；

所述基板上设置有微处理器和多个数字发声芯片，每个所述数字发声芯片包括多个发声像素单元阵列以及ASIC模块，所述发声像素单元被划分为多组；所述ASIC模块采用数字声音重构算法，将音频拆分为多路数字开关信号，分配给各组所述发声像素单元；所述发声像素单元用于发出脉冲声波。

可选的，每个所述数字发声芯片分别播放同一目标音频；

或者，若干个所述数字发声芯片合并为一个数字发声系统，以播放一个目标音频。

可选的，所述振膜质量小于预设阈值，以控制所述像素发声单元的瞬态响应时间控制在微秒级。

可选的，所述数字发声芯片被划分为多组，每组生成一个指定指向性声波；

或者，所述ASIC模块对同一个目标音频信号进行处理，以使每组所述数字发声芯片分别发声，形成虚拟立体环绕音。

可选的，一个所述数字发声芯片的厚度小于或等于2mm，长度小于20mm，所述平板扬声器的尺寸覆盖至5000mm。

可选的，所述数字发声芯片呈线排布或阵列排布；多个所述平板扬声器之间进行级联共同发声。

可选的，所述平板扬声器的形态包括：由一层芯片排列在一个平面上构成的平直板状矩形、芯片排列在二维平面或三维平面上的任意形状。

可选的，当所述平板扬声器的形态为三维平面上的任意形状时，声音指向范围大于180°。

可选的，所述数字发声芯片外部罩接有外壳，所述外壳上设置有透声膜，并且所述外壳上设置有沿垂直于所述基板的方向贯穿所述外壳的出声孔。

可选的，使用MEMS工艺保证多个数字发声芯片在同一个晶圆上。

与现有技术相比，本发明提供的基于数字发声芯片的平板扬声器系统。平板扬声器至少包括：基板，基板上设置有微处理器和多个数字发声芯片，每个数字发声芯片包括多个发声像素单元阵列，发声像素单元被划分为多组，数字发声芯片平面尺寸小，厚度薄，不仅可以使得基于数字发声芯片的平板扬声器整体尺寸小，在有限空间内对其进行灵活布置，同时也可以通过增加级联芯片的数量形成更大的平板扬声器，输出更大的声压，所以有着更大的适用范围；由多个数字发声芯片级联成阵列叠加声波发声，也可以提高响应速度与信噪比。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于数字发声芯片阵列的平板扬声器示意图；

图2为本发明实施例提供的数字发声芯片的结构俯视图。

附图标记：

10、数字发声芯片，20、基板，30、外壳，40、透声膜，100、发声像素单元，110、ASIC模块，120、数字发声芯片基板。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

接下来，结合附图对本说明书实施例提供的方案进行说明：

图1为本发明实施例提供的基于数字发声芯片阵列的平板扬声器示意图。如图1所示，该平板扬声器中包括数字发声芯片10，基板20，外壳30以及透声膜40。其中，基板20可以用于固定和支撑各个元件以及各个元件之间的连接。数字发声芯片10级联成阵列的基本元件。平板扬声器中还包括微处理器。基板20连接与支撑各个元件；外壳30可以保护数字发声芯片，并且避免芯片所发出的声波过快与其他芯片叠加(导向作用)；透声膜40也可以保护数字发声芯片，并提供一定的防水功能。平板扬声器由M*N个数字发声芯片级联成阵列，长宽大约为10-5000mm，厚大约为2-20mm，其中，M≥1，N≥1。

进一步地，数字发声芯片的结构可以结合图2，图2为本发明实施例提供的数字发声芯片的结构俯视图。如图2所示，每个数字发声芯片10可以包括多个发声像素单元100，构成发声像素单元阵列，还包括ASIC模块110以及数字发声芯片基板120，发声像素单元100可被划分为多组。发声像素单元100是构成数字发声芯片的基本换能器元件，将电脉冲信号转为声能脉冲信号。各芯片由X*Y个发生像素单元级联成阵列，共同叠加声波发声，其中，X≥1，Y≥1。ASIC模块110可以基于输入数字音频信号，通过DSR算法计算所需工作像素的数量与位置，将音频信号拆分为多路量化数字脉冲信号，并输出给各发声像素单元100。数字发声芯片基板120用于连接和支撑各个元件。

需要说明的是，当所级联的数字发声芯片10数量较少时，可以取消数字发声芯片10上的ASIC模块110，由微处理器执行DSR算法，将拆分后的数字脉冲信号直接分发给不同数字发声芯片10上的各个发声像素单元100。

其中，ASIC是Application Specific Integrated Circuit的英文缩写，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。

所述发声像素单元100中可以包括：

电极、振膜、基底、支撑结构以及介质结构；所述基底形成空腔，所述电极上设置有通孔，所述通孔用于使所述空腔的空气能与外界流通；所述支撑结构用于连接振膜，所述介质结构设置于所述振膜与所述电极之间，分隔所述振膜与所述电极，形成间隙。

每个所述数字发声芯片可以分别播放同一目标音频，例如：平板扬声器包括芯片1，芯片2和芯片3，需要播放的音频是音频A，其中一种实施方式是：芯片1播放音频A，芯片2播放音频A，芯片3播放音频A。

或者，若干个所述数字发声芯片合并为一个数字发声系统，以播放一个目标音频，可以提升Bit数，从而提高所播放目标音频的音质。沿用前例，将芯片1、芯片2以及芯片3作为一个整体X，由X播放音频A。

发声像素单元中包含振膜，振膜质量小于预设阈值，以控制所述像素发声单元的瞬态响应时间在微秒级。该预设阈值可以是行业中振膜的一般尺寸，在这里，本方案中的振膜质量较小，可以控制像素发声单元的瞬态响应时间在微秒级，例如：10微秒。

数字发声芯片可以被划分为两组，一组用于发出左声道声波，另一组用于发出右声道声波；微处理器对所述实际音频信号后进行处理，以使两组所述数字发声芯片分别发声，形成虚拟立体环绕音。

数字发声芯片可以呈行列排布或阵列排布；多个所述平板扬声器之间进行级联共同发声，实现5通道、7通道或更高通道数的环绕声重放。所述平板扬声器的形态可以包括：由一层芯片排列在一个平面上构成的平直板状矩形、芯片排列在二维平面或三维平面上的任意形状。当所述板扬声器的形态为三维平面上的任意形状时，声音指向范围大于180°。

数字发声芯片外部罩接有外壳，所述外壳上设置有透声膜，并且所述外壳上设置有沿垂直于所述基板的方向贯穿所述外壳的出声孔。

图1中的平板扬声器，在发声时，具有指向性功能，具体实现过程可以包括：系统接收目标音频的收音方位角，根据所述收音方位角，计算每个所述数字发声芯片需提前或滞后的相位；将获取的实际音频信号分配给每个所述数字发声芯片；所述实际音频信号中包括相位信息；基于驱动信号，驱动各个所述数字发声芯片的多个所述发声像素单元发出不同相位的脉冲声波；将各个所述数字发声芯片对应的不同相位的所述脉冲声波相互叠加，重构形成具有指向性的所述目标音频。

基于数字发声芯片的平板扬声器系统。平板扬声器至少包括：基板，基板上设置有微处理器和多个数字发声芯片，每个数字发声芯片包括多个发声像素单元阵列，发声像素单元被划分为多组。其中，数字发声芯片平面尺寸小，厚度薄，不仅可以使得基于数字发声芯片的平板扬声器整体尺寸小，在有限空间内对其进行灵活布置；同时也可以通过增加级联芯片的数量形成更大的平板扬声器，输出更大的声压，所以有着更大的适用范围；由多个数字发声芯片级联成阵列叠加声波发声，提高响应速度与信噪比，并且可实现仅让指定方向可以接收到音频信号，从而在保证平板扬声器提高响应速度与信噪比的同时具有指向性。

在实际实现过程中，天线基带接收到无线定位信号，得到所需收音的方位；微处理器根据方位计算出方位角，微处理器通过指向性算法，根据所需方位角计算各个数字发声芯片需提前或滞后的相位，输入音频信号，由微处理器解码，微处理器将带有相位信息的音频信号分配给各数字发声芯片。数字发声芯片的ASIC模块根据所输入的音频信号，使用DSR算法执行调制以及抽取操作，得到多路量化数字脉冲信号，并分发给各路换能元件。各像素发声单元收到数字脉冲信号，在电极与振膜间施加电势差产生静电力；振膜随后与电极吸附，具有巨大的加速度，因此产生脉冲声波。单个数字发声芯片的像素所发出的声波相互叠加，形成提前或滞后的声波。各数字发声芯片所产生的不同相位的声波再次叠加，形成具有指向性的音频声波。

发声阵列为线性声源或N*M阵列等，可以应用在微型MEMS扬声器中，MEMS扬声器中，电极板上可以设置有阵列分布的圆孔或长孔，以便于空气通过圆孔或长孔流入电极板和振动板之间形成空气阻尼。MEMS扬声器的数量可以为多个，排布方式可以呈阵列分布、线排布或行列排布。对应的，在驱动发声时，可以将多路量化音频数字流转换为驱动电信号，并采用驱动电信号驱动换能元件阵列，得到声音信号。

可选的，所述平板扬声器还可以包括定位装置，所述定位装置可以用于定位所述目标音频的收音方位，并将所述收音方位发送给所述微处理器；所述微处理器根据所述收音方位计算得到所述收音方位角。其中，定位装置可以是无线定位发射器。所述平板扬声器中还可以包括天线基带，用于接收所述定位装置发送的无线定位信号并传送给所述微处理器。

需要说明的是，上述实施例中，输入的方位角可以有若干个；此外还可以旁路平板扬声器的指向性功能，发出全指向音频。当把数字发声芯片分为两个部分(一部分数量的芯片播放左，另一部分数量播放右)，分别播放左右两个声道的音频，并分别指向人的左右耳，以此实现立体声的效果。在此基础上，还可以让微处理器对音频进行处理后播放，实现虚拟环绕声。

上述实施例中的实现方案，基于数字发声芯片阵列的平板扬声器，由多个数字发声芯片级联成阵列叠加声波发声。同时输入需要接收音频的方位角，通过指向性算法调整阵列中各个芯片所需提前或滞后发声的相位，声波叠加后即可实现仅该方向可以接收到音频信号。在有厚度薄，响应快，信噪比高，频响曲线平直等优点的同时，还具有指向性。

另外，对于本方案提供的基于数字发声芯片阵列的平板扬声器，还可以从响应时间、形态、级联以及适用情景上进行说明：

首先，对于基于数字发声芯片阵列的平板扬声器的响应时间，由于各个像素发声单元的振膜质量极轻，阻尼大，瞬态响应时间可以控制在十到几十微秒，远远低于传统扬声器毫秒级的响应时间。

对于基于数字发声芯片阵列的平板扬声器的尺寸优势：扬声器的厚度可以优选为2mm，或者小于2mm，且不需要声学后腔；单个芯片长宽可以小于20mm，多个芯片级联后调整芯片的数量及间距，构成平板扬声器尺寸可以覆盖至5000mm。

对于基于数字发声芯片阵列的平板扬声器的形态：可以是平直的板状矩形，由一层芯片排列在一个面上都可以统称为平板扬声器。还可以是二维平面上的任意形状，如圆形、矩形、六边形等等。也可以是三维平面上的任意形状，比如类似于凸面镜具有更大的发散角度，提供大于180°的指向范围；类似于凹面镜可以将声音汇聚。也可以是环形、半球形、球形等等，实现真实的环绕效果。

对于基于数字发声芯片阵列的平板扬声器的级联：芯片间级联除了行列排布外，还可以采用阵列，包括线性、圆形、螺旋形等等。多个平板扬声器之间也可以级联共同发声，通过有线或无线相互通讯。

对于基于数字发声芯片阵列的平板扬声器的适用情景：较小的平板扬声器可以置于电视、显示器、音响等家电之中，主要在室内使用；大型的平板扬声器可以用于室外；多个平板扬声器分开环绕布置共同发声，可以作为家庭影院实现环绕声；环形平板扬声器可以用于影院、展览等特殊场合。

另外，对于本方案的基于数字发声芯片阵列的平板扬声器，将一个数字发声芯片的发声像素单元分为k组，每组分别有2⁰，2¹，2²……2^k-1个发声像素。由k组像素可以重构出0～2^k-1范围内任意一个所需的整数个像素。此时，单个芯片具有k Bit精度。当有N个芯片合并，当作一个更大的芯片播放一个音频时，共可以分为k+log₂(N)组像素，即此时这N个芯片合并增加了log₂(N)Bit精度，提高了平板扬声器的音质与声压级。

关于基于数字发声芯片阵列的平板扬声器的一致性：数字发声芯片结构简单，使用MEMS工艺保证多颗芯片在一个晶圆上，尺寸和性能上具有一致性，实现同时刻蚀等工序加工；半导体的这种同步工艺，使得同一块晶圆上的像素单元和发声芯片更容易做到尺寸性能的一致性，多个发声芯片的级联更具优势。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，平板扬声器至少包括：

基板；

所述基板上设置有微处理器和多个数字发声芯片，每个所述数字发声芯片包括多个发声像素单元阵列以及ASIC模块；

所述发声像素单元被划分为多组；所述ASIC模块采用数字声音重构算法，将音频拆分为多路数字开关信号，分配给各组所述发声像素单元；所述发声像素单元用于发出脉冲声波。

2.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，每个所述数字发声芯片分别播放同一目标音频；

或者，若干个所述数字发声芯片合并为一个数字发声系统播放一个目标音频。

3.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，所述发声像素单元中包含振膜，所述振膜质量小于预设阈值，以控制所述像素发声单元的瞬态响应时间在微秒级。

4.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，

所述数字发声芯片被划分为多组，每组生成一个指定指向性声波；

或者，所述ASIC模块对同一个目标音频信号进行处理，以使每组所述数字发声芯片分别发声，形成虚拟立体环绕音。

5.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，一个所述数字发声芯片的厚度小于或等于2mm，长度小于20mm，所述平板扬声器的尺寸覆盖至5000mm。

6.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，所述数字发声芯片呈线排布或阵列排布；多个所述平板扬声器之间进行级联共同发声。

7.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，所述平板扬声器的形态包括：由一层芯片排列在一个平面上构成的平直板状矩形、芯片排列在二维平面或三维平面上的任意形状。

8.根据权利要求7所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，当所述平板扬声器的形态为三维平面上的任意形状时，声音指向范围大于180°。

9.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，所述数字发声芯片外部罩接有外壳，所述外壳上设置有透声膜，并且所述外壳上设置有沿垂直于所述基板的方向贯穿所述外壳的出声孔。

10.根据权利要求1所述的基于数字发声芯片的平板扬声器，其特征在于，使用MEMS工艺保证多个数字发声芯片在同一个晶圆上。

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