CN117135542A - 具有共模及差模运动的气脉冲产生装置 - Google Patents

Abstract

一种具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，包括一膜结构，膜结构包括一瓣片对。膜结构被致动以进行一共模运动，以形成具有一超声载波频率的一振幅调制超声空气压力变化。膜结构被致动以进行一差模运动，以用同步于超声载波频率的一频率形成一开口。气脉冲产生装置根据振幅调制超声空气压力变化产生多个气脉冲。

Description

具有共模及差模运动的气脉冲产生装置

技术领域

本发明涉及一种气脉冲产生装置，尤其涉及具有共模及差模运动的一种气脉冲产生装置。

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。现有扬声器难以涵盖整个音频频带(例如从20Hz至20KHz)。为了产生具有足够高声压级的高保真声音，现有扬声器的辐射/运动表面及后壳体的体积/尺寸须足够大。

因此，如何设计出小型的发声装置且同时克服现有扬声器所面临的设计挑战是本领域的重要目标。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种气脉冲产生装置，以改善现有技术的不足。

本发明公开一种气脉冲产生装置，包括一膜结构，包括一瓣片对；其中，该膜结构被致动以进行一共模运动，以形成具有一超声载波频率的一振幅调制超声空气压力变化；其中，该膜结构被致动以进行一差模运动，以用同步于该超声载波频率的一频率形成一开口；其中，该气脉冲产生装置根据该振幅调制超声空气压力变化产生多个气脉冲。

附图说明

图1是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图2是本发明实施例的调制驱动信号与解调驱动信号的波形的示意图。

图3示出对应于图1所示的装置的模拟结果。

图4示出对应于图1所示的APG装置的声压级的模拟频率响应。

图5示出对应于图1所示的装置的模拟结果。

图6示出对应于图1所示的装置的模拟结果。

图7是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图8是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图9示出图1所示的装置的能量传输比的频率响应。

图10示出图8所示的装置的能量传输比的频率响应。

图11示出图8所示的装置的制造方法的流程。

图12是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图13是本发明实施例的驱动信号布线方案的示意图。

图14示出图12所示的装置的SPL测量结果与频率的关系。

图15示出图12所示的装置的SPL测量结果与峰峰值电压的关系。

图16至图17是本发明实施例的气脉冲产生装置的示意图。

图18示出类似于图17所示的装置的有限元法模拟压力分布的快照。

图19示出图17所示的装置的耳耦合器SPL测量结果与频率的关系。

图20至图24是本发明实施例的气脉冲产生装置的示意图。

图25是本发明实施例的虚拟阀打开的时序时间对准的示意图。

图26是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图27是本发明实施例的虚拟阀打开的时序时间对准的示意图。

图28示出具有不同程度不对称性的一操作周期的全周期脉冲。

图29是本发明实施例的一气脉冲产生装置的俯视示意图。

图30示出图29所示的气脉冲产生装置的侧视示意图。

图31是本发明实施例的一气脉冲产生装置的俯视示意图。

图32示出图31所示的气脉冲产生装置的两组(解)调制驱动信号的波形。

图33是本发明实施例的一气脉冲产生装置的俯视示意图。

图34示出系统视角下的每个元件的功能及其对应的频域效应。

附图标记如下：

10:膜结构

100～900,A00～F00:装置

101,103,105,107:瓣片

101A,103A:致动器

102:解调部

104:调制部

11:腔室定义层

110R,110L,122R,122L,111R,111R',111L,111L',110R',110L':侧壁

112:开口

113L,113R:通口

115,125,115',631,705,731,805,831,905,931,A05,B05,B15:腔室

117,404:腔室顶盖

12:装置层

123H,CP,D113,H125,L₆₃₀:距离

123R,123L,123L”,123R”:支撑结构

124L,124R,121,121':壁

126R,126L,413T,B12,B13:孔

135,136,137,403:线段

14:包覆结构

320,407,633,733,833,933,A33,B33:出口

416R,416L:方向

430:区域

431～433:方案

610,640,710,740,810,840,910,940,A10,A40,B10:子组件

613,713:孔口

620:层

630,730,830,930,A30,B30:导管

632,732,832,932,A32,B32:通道

635,735,A35:倒角

650:表面

A,B:组

B11盖子结构

D01～D08,E11～E12,F11～F22:单元

d₁₀₁,d₁₀₃,d₁₀₁-d₁₀₃,V(opening),V(d2)-V(d3),V(ep_vlv),V(p_vlv):曲线

f:频率

fUC:操作频率

H₆₃₁,H₇₀₅,H₈₃₁,H834,H₉₃₁,H₉₃₄,H_A31,H_A34:高度

p1,p2:峰值

P104,P102,P104':气流分布

S(f),W(f),Y(f),Z(f):频谱

S101,S103,-SV,+SV,-SV',+SV':解调驱动信号

S_IN:输入音频信号

SM,SM':调制驱动信号

SS:声音信号

t₀～t₆:时点

T_CY:操作周期

T₂₂:时间段

U104,U102,U104':压力分布

UAW:超声空气压力波

UPA:超声脉冲阵列

V_BIAS:偏置电压

W115,W115':腔室宽度

W631,W₇₀₅,W₇₃₂,W₇₃₄,W₈₀₅,W₈₁₅,W₈₃₂,W₉₀₅,W₉₃₂,W_CP,Z₂:宽度

θ,θ₁,θ₂:角

具体实施方式

本发明在一方面涉及一种气脉冲产生装置，尤指包括调制手段(部件)及解调手段的一种气脉冲产生装置。该调制手段产生具有频率f_UC超声空气(气体)压力波/变化(UAW)，UAW的振幅根据输入音频信号S_IN来调制，输入音频信号S_IN是声音信号SS的电性(模拟或数字)表示。该振幅调制超声空气压力波/变化(AMUAW)接着由该解调手段同步解调，使得嵌入在AMUAW中的频谱分量移位±n·f_UC，其中n是正整数。由于这种同步解调，对应于声音信号SS的AMUAW的频谱分量被部分转移到基带，从而再现了可听的声音信号SS。在此，振幅调制超声空气压力波/变化AMUAW可对应于具有超声载波频率f_UC的载波分量及对应于输入音频信号S_IN的调制分量。

图1是本发明实施例的一气脉冲产生(APG)装置100的示意图。装置100可用作根据输入(音频)信号S_IN产生声学声音的发声装置，但不限于此。

装置100包括装置层12及腔室定义层11。装置层12包括壁124L、124R及支撑一薄膜层的支撑结构123R、123L，该薄膜层被蚀刻成瓣片101、103、105及107。在一实施例，装置层12可通过微机电系统(MEMS)工艺而制成，例如使用厚度为250～500μm的Si基板，将其蚀刻形成123L/R及124R/L。在一实施例，在该Si基板之上，(通常厚度为3～6μM且由硅覆绝缘体(SOI)或多晶硅覆绝缘体(POI)层制成的)薄层将被蚀刻以形成瓣片101、103、105及107。

腔室定义层(也可视为/称为盖子结构)11包括一对腔室侧壁110R、110L及腔室顶盖117。在一实施例，腔室定义层(或盖子结构)11可使用MEMS制造技术而制成。谐振腔室115在腔室定义层11与装置层12之间被定义出来。

换句话说，装置100可视为包括膜结构10及盖子结构11，腔室115形成于两者之间。膜结构10可视为包括调制部104及解调部102。调制部104包括(调制)瓣片105及107，用来被致动以在腔室115内形成超声波空气/声波，其中空气/声波可视作是在时间及空间上都有变化的一种空气压力变化。在一实施例，超声空气/声波或空气压力变化可为具有超声载波频率f_UC的振幅双边带抑制载波(DSB-SC)调制空气/声波。超声载波频率f_UC例如可在160KHz至192KHz的范围内，这远大于人类可听声音的最大频率。

以下将交替使用空气波及声波这两个术语。

解调部102包括(解调)瓣片101及103，用来与调制部104同步操作，将调制部104生成的DSB-SC调制声波的频谱分量移位±n×f_UC，其中n为正整数，根据腔室115内的超声空气波向周围环境产生多个气脉冲，使得多个气脉冲的(由解调部102根据腔室115内的超声空气波产生的)基带频率分量将是或将对应/相关于输入(音频)信号S_IN，其中多个气脉冲的低频分量指的是在可听频谱内的多个气脉冲的频率分量(例如低于20或30KHz)。在此，基带通常指的是可听频谱，但不限于此。

换言之，在发声应用中，调制部104可根据输入音频信号S_IN而被致动以形成调制空气波，而解调部102与调制部104同步操作，产生具有如同(或对应/相关于)输入音频信号S_IN的低频分量的多个气脉冲。对于发声应用，f_UC通常远高于人类最高可听频率，例如f_UC≥96KHz≈5×20KHz，接着通过在多个气脉冲的(由例如墙壁、地板、天花板、家具或超声波的高传播损耗等物理环境，及例如耳道、鼓膜、锤骨、砧骨、镫骨等人耳系统所引起的)自然/环境低通滤波效应，听众所感知到的将只是由输入音频信号S_IN所代表的可听声音或音乐。

通过显示(解)调制操作前后信号的频谱，图34概念上/示意性地示出(解)调制操作的效果。在图34，调制操作根据输入音频信号S_IN(即声音信号SS的电性(模拟或数字)表示)产生频谱为W(f)的振幅调制超声声学/空气波UAW。S_IN/SS的频谱在图34表示为S(f)。同步解调操作产生频谱为Z(f)的超声脉冲阵列UPA(其包括多个脉冲)，可视为(包括以下步骤)将超声声学/空气波UAW的频谱分量移位±n×f_UC(n为整数)，将声音信号SS对应的超声空气波UAW的频谱分量部分地转移到基带。因此，从Z(f)可看出，与振幅调制UAW W(f)相比，超声脉冲阵列UPA的基带分量是显著的。超声脉冲阵列UPA向周围环境传播。通过自然/物理环境及人类听觉系统固有的低通滤波效应，可再现对应于声音信号SS的结果频谱Y(f)。

请注意，不同于使用正弦载波的常规DSB-SC振幅调制，W(f)在±3×f_UC、±5×f_UC及f_UC的更高阶谐波(未在图34示出)都有分量。这是因为本发明调制载波不是纯正弦波。

请再参考图1，作为同步解调操作的实施例，解调部102可被致动以在与调制空气波的峰值对应/对准的时间及位置处形成开口112。换句话说，当调制空气波在开口112的位置处达到其峰值时，解调部102可被致动使得开口112也达到其峰值(最打开的大小)。

在图1所示的实施例，解调部102在侧壁110L及110R之间的中心位置处形成开口112，侧壁110L及110R之间具有(实质上)λ_UC的表面到表面(或111L到111R)的间距，这意味着瓣片101及103的尖端与侧壁110L及110R(或侧壁表面111L及111R)(实质上)相距λ_UC/2，其中λ_UC代表与超声载波频率f_UC相对应的波长，即λ_UC＝C/f_UC，其中C是声速。

在一实施例，解调部102可被致动以在与超声载波频率f_UC同步同步的一开阀频率下形成开口112。在本发明，开阀频率与超声载波频率f_UC同步一般是指开阀频率为超声载波频率f_UC乘以一个有理数，即f_UC×(N/M)，其中N及M代表整数。在一实施例，(开口112的)开阀频率可为超声载波频率f_UC。例如，阀/开口112可在每个操作周期T_CY打开，其中操作周期T_CY是超声载波频率f_UC的倒数，即T_CY＝1/f_UC。

在本发明中，(解)调制部102/104也用于表示(解)调制瓣片对。此外，形成开口112的解调部(或瓣片对)102可被视为一虚拟阀，其根据特定的阀/解调驱动信号执行打开及关闭运动并(周期性地)形成开口112。

在一实施例，调制部104可在谐振腔室115内实质上产生模式2(或二阶谐波)谐振(或驻波)，如图1所示的压力分布P104及气流分布U104。就此而言，侧壁表面111L与111R之间的间距实质上界定与超声载波频率f_UC相对应的全波长λ_UC，即W115≈λ_UC＝C/f_UC。此外，在图1所示的实施例，调制瓣片105/107的自由端设置在侧壁110L/110R旁。

请注意，产生调制空气波的调制与形成开口112的解调之间可能会发生互调制制(或交叉耦合)，这会降低最终的音质。为了提高音质，需要最小化互调制(或交叉耦合)。为了实现最小化调制与解调之间的交叉耦合，调制瓣片105及107被驱动以具有共模运动，且解调瓣片101及103被驱动以具有差模运动。具有共模运动的调制瓣片105及107意味着瓣片105及107被同时致动/驱动以朝相同方向运动。具有差模运动的解调瓣片101及103意味着瓣片101及103被同时致动以向相反方向运动。此外，在一实施例，可致动瓣片101及103以朝相反的方向运动，并具有(实质上)相同的位移/振幅。

解调部102可在谐振腔室115内实质上产生模式1(或一阶谐波)谐振(或驻波)，如图1所示的解调部102所形成的压力分布P102及气流分布U102。因此，解调部102应在(对应于阀/解调驱动信号的)阀操作/驱动频率f_{D_V}下运行，使得W115≈λ_{D_V}/2，其中λ_{D_V}＝C/f_{D_V}，且阀操作/驱动频率应为超声载波频率f_UC的一半，即f_{D_V}＝f_UC/2。

共模运动及差模运动可由(解)调制驱动信号驱动。图2示出解调驱动信号S101、S103及调制驱动信号SM的波形。调制驱动信号SM用于驱动调制瓣片105及107。解调驱动信号(或阀驱动信号)S101及S103分别用于驱动解调瓣片101及103。

在一实施例中，调制驱动信号SM可视为根据输入音频信号S_IN调制的脉冲振幅调制(PAM)信号。此外，不同于现有的PAM信号，信号SM(相对于恒定电压)的极性在一个操作周期T_CY内切换。一般来说，调制驱动信号SM包括(相对于恒定电压)具有交替极性的脉冲，且脉冲的包络/振幅(实质上)与输入音频信号S_IN的交流(AC)分量相同或成比例/相对应。换句话说，调制驱动信号SM可视为包括脉冲振幅调制信号或包括(相对于恒定电压)具有交替极性的PAM调制脉冲。在图2所示的实施例，调制驱动信号SM的切换率为2×f_UC，这意味着调制驱动信号SM的脉冲的极性在一操作周期T_CY内交替/切换两次。

解调驱动信号S101及S103包括振幅相等但(相对于恒定/平均电压的)极性相反的两个驱动脉冲。换言之，在特定时间，给定S101包括(相对于恒定/平均电压)具有第一极性的第一脉冲，且S103包括(相对于恒定/平均电压)具有第二极性的第二脉冲，第一极性与第二极性相反。如图2所示，解调驱动信号S101/S103的切换率为f_UC，这意味着解调驱动信号S101/S103的脉冲的极性在一操作周期T_CY内交替/切换一次。因此，调制驱动信号(SM)的切换率是解调驱动信号S101/S103的切换率的两倍。

S101/S103的斜率(以及相应的阴影区域)是简化的图示，其表示电压电平转换时的能量回收。请注意，信号S101及S103的转换周期重叠。考虑到瓣片101/R的压电致动器主要是电容性负载，可利用LC振荡器的特性实现能量回收。能量回收概念的相关细节可参考美国专利11,057,692，其通过引用并入本文。请注意，压电致动器为一种实施例，但不限于此。

为了强调瓣片对102是差动驱动的，信号S101及S103也可表示为-SV及+SV，表示这对驱动信号具有相同的波形但极性不同。为了说明的目的，在图2，-SV用于S101，+SV用于S103，但不限于此。在一实施例，S101可为+SV且S103可为-SV。

在另一实施例，可能存在直流偏置电压V_BIAS且V_BIAS≠0，此时驱动信号S101＝V_BIAS–SV，S103＝V_BIAS+SV。诸如此类的变化应被视为在本公开内容的范围内。

此外，图2示出调制驱动信号SM与解调驱动信号±SV之间的切换率差异。调制驱动信号SM与解调驱动信号±SV之间的相对相位延迟(即时序时间对齐)可根据实际需要进行调整。

在一实施例，用于产生信号SM及±SV的驱动电路可包括子电路，其用来在调制驱动信号SM与解调驱动信号±SV之间产生(相对)延迟。产生延迟的子电路的细节不受限制。可将已知技术结合到子电路。只要该子电路能产生满足时序时间对准要求的延迟(稍后将详细描述)，即满足本发明的要求，则该子电路将在本发明的范围内。

请注意，瓣片101及103的尖端位于基本相同的位置(位于侧壁111L与111R之间的中心位置)，且在该位置经受实质上相同的空气压力。此外，瓣片101及103以不同方式运动。因此，瓣片101及103尖端的运动具有共模抑制行为，类似于模拟差动运算放大器电路领域中已知的共模抑制，这意味着解调瓣片101及103尖端的位移差异(或|d₁₀₁-d₁₀₃|)几乎不受调制瓣片105及107形成的空气压力的影响。

共模抑制(或调制器到解调器隔离)可从图3得到证明。图3示出从装置100的等效电路模型生成的模拟结果。曲线d₁₀₁及d₁₀₃分别表示瓣片101及103的尖端的运动/位移。如图3所示，即使由于调制瓣片105/107产生的声学压力(P104)而使d₁₀₁及d₁₀₃波动相当大，(由在图3以d₁₀₁-d₁₀₃标示的曲线来表示的)差动运动保持(实质上)一致。也就是说，即使当调制部104操作时，阀开口112的宽度/间隙也将是一致的。换句话说，调制器的运动对解调器的功能及性能产生的影响可忽略不计，这就是“调制器到解调器隔离”的意思。

另一方面，对于解调器到调制器隔离，由于瓣片101/103在腔室115内产生一阶谐波谐振或驻波，如图1所示，P102施加在瓣片105及瓣片107的压力将具有实质上相同的振幅但极性相反，导致瓣片105及瓣片107的运动经历(由于P102)的变化也具有相同的振幅但相反的极性。这将产生两个超声波(一个由105产生，另一个由107产生)，且这两个超声波也改变相同的振幅但相反的极性。当这两个超声波传播到阀开口112上方的(图1以虚线区域表示的)位置时，它们合并为一个压力。由于此“合并”的位置发生在装置100的中心、沿X轴或X方向、且与105及107的尖端的距离相等，因此P102引起的变化将相互抵消/补偿，并产生几乎不受解调器/虚拟阀操作干扰的一个净静音。

作为说明，图4示出在与装置100距离1米处测量的声压级(SPL)的模拟频率响应，其条件是S_IN为(在650～22KHz范围内以等对数刻度间距的)10音等振幅的测试信号，并使用装置100的等效电路模拟模型。在当前的模拟，超声载波频率设置为f_UC＝192KHz，阀操作频率设置为f_{D_V}＝f_UC/2＝96KHz。

解调器到调制器隔离可通过(在图4以方块箭头指示的)在96KHz及其附近不存在外来无关杂散频谱分量来证明，这表示具有很高的隔离度。

因此，这两个瓣片对(101/103对105/107)的运动干扰通过(在调制器的)共模对(在解调器的)差模的正交性/排列而最小化。

此外，阀保持打开的时间百分比(或占空因数)是影响装置100输出的关键因素。增加驱动电压S101及S103的振幅可增加瓣片101及103的运动振幅，这将增加阀开口112的最大打开宽度，提高驱动电压也提高阀开口的占空因数。换句话说，阀开口112的占空因数及阀开口112的最大打开宽度/间隙可由驱动电压S101及S103决定。

当阀的打开占空因数接近50％时，如图5所示的(且由先前提到的等效电路模拟模型之一生成的)例子，每个阀打开的周期(标记为V(opening)的曲线为V(opening)>0所示的)与位于阀开口112顶部的位置的振幅调制超声驻波的相同半周期重叠(由图1的虚线区域所示)。通过将阀开口112的打开─关闭与(图5标记为V(p_vlv)的曲线所示的)腔室内驻波同步及时序时间对准，产生(标记为V(ep_vlv)的曲线所示的)形状优美的输出压力脉冲。

在图5，标示为V(d2)-V(d3)的曲线表示瓣片101与103的位移差值(即d₁₀₁-d₁₀₃)，标示为V(opening)的曲线表示虚拟阀112的打开程度。当|V(d2)-V(d3)|>TH时，V(opening)>0，其中TH是由参数定义的阈值，参数例如是瓣片101及103的厚度、瓣片101与103之间的狭缝宽度或边界层厚度等。V(ep_vlv)的形状良好可能表示V(ep_vlv)所示的脉冲是高度不对称的，而不像V(p_vlv)是高度对称的。输出压力脉冲的不对称性将展现由气脉冲产生装置(或简称为APG装置)产生的气脉冲的低频分量(即可听频带的频率分量)，这是APG装置的理想特征。不对称性越高，气脉冲的基带频率分量越强。图6示出图5的缩小视图。图6显示(1.68KHz基带声音信号包络对应的)V(ep_vlv)的不对称性。在本发明，当瓣片101与103的位移差值大于阈值(例如|V(d2)-V(d3)|>TH)时，开口(112)被打开/形成或处于打开状态，否则被关闭或处于关闭状态。

此外，可观察到当阀打开的占空因数(即|V(d2)-V(d3)|>TH)等于或稍微大于50％(例如在55～60％的范围)时，最大输出将会发生，但不限于此。然而，当阀打开的占空因数明显高于50％(例如在80～85％的范围)时，超过腔室内超声驻波的半个周期会通过阀，导致具有不同极性的部分的驻波相互抵消，从而导致装置100的净SPL输出较低。因此，通常倾向将阀打开的占空因数保持在接近50％，通常在50％至70％之间的范围内(其中在45％至70％之间的范围的占空因数亦在本发明的范围内)。

除了占空因数之外，为了确保调制器到解调器隔离，解调瓣片101/103的谐振频率f_{R_V}较佳地充分偏离超声载波频率f_UC，这是另一设计要素。

(从等效电路模拟模型)可观察到，在阀打开的占空因数等于50％的限制下，对于任何给定的瓣片101/103的厚度，谐振驱动比(f_{R_V}：f_{D_V}或f_{R_V}/f_{D_V})越高，阀可打开越大的幅度。由于装置100的输出与阀打开的最大宽度正相关，因此倾向谐振驱动比高于1。

然而，当f_{R_V}落在f_UC±max(f_SOUND)的范围内时，瓣片101/103将开始与AM超声驻波谐振，将部分超声能量转化为瓣片101/103的共模变形，其中max(f_SOUND)可代表输入音频信号S_IN的最大频率。瓣片101/103的这种共模变形将导致瓣片101/103顶部的体积发生变化，导致阀开口112附近腔室115内的压力在受影响的频率范围内波动，从而导致SPL输出降低。

为了避免阀谐振引起的频率响应波动，将瓣片101/103的谐振频率较佳地设计在(f_UC±max(f_SOUND))×M范围之外，其中M是用来涵盖制造公差、温度、海拔等因素的安全裕度，但不限于此。一般而言，一个经验法是倾向f_{R_V}显著低于f_UC(例如f_{R_V}≤(f_UC–20KHz)×0.9)或显著高于f_UC(例如f_{R_V}≥(f_UC+20KHz)×1.1)。请注意，此处采用20KHz是因为20KHz是公认的最高人类可听频率。在HD-/Hi-Res Audio等应用中，可能会采用30KHz甚至40KHz作为max(f_SOUND)，相应地，上述公式应进行修改。

此外，假设w(t)及z(t)表示振幅调制超声声学/空气波UAW及(包括多个脉冲的)超声脉冲阵列UPA随时间变化的函数。由于开口112以超声载波频率f_UC的打开率周期性形成，z(t)与w(t)的比值函数(其可记为r(t)且可表示为r(t)＝z(t)/w(t))与超声载波频率f_UC的打开率具有周期性。换句话说，z(t)可视为w(t)与r(t)在时域上的乘积，即z(t)＝r(t)·w(t)，对UAW执行的同步解调操作可视为w(t)与r(t)在时域上的乘积。这意味着Z(f)可视为W(f)与R(f)在频域上的卷积，即Z(f)＝R(f)*W(f)，其中*表示卷积运算符，对UAW执行的同步解调操作可视为W(f)与R(f)在频域上的卷积。请注意，当r(t)在时域以f_UC的频率呈周期性时，R(f)在频域中是离散的，其中R(f)的频率/频谱分量以f_UC等间距分布。因此，W(f)与R(f)的卷积或同步解调操作涉及/包括将W(f)(或UAW的频谱分量)按±n×f_UC(n为整数)移位的(频移)步骤。在此，r(t)/w(t)/z(t)及R(f)/W(f)/Z(f)构成傅立叶变换对。

图7是本发明实施例的一APG装置200的示意图。装置200类似于装置100，因此使用相同的符号。与装置100不同的是，装置200还包括一包覆结构(外壳)14。腔室125形成在包覆结构14与盖子结构11之间。请注意，通口113L/R分别形成在顶盖117内且位于距离侧壁111L/R的λ_UC/4处，而在超声驻波压力波P104的(如线段135/137所示的)节点。

图7的通口113L/R的用途是允许在解调操作期间产生的气流(如112与113L/R之间的两条虚线双向箭头曲线所示地)从腔室115排出，使得腔室115内的平均压力与外部环境之间的差值最小化，且腔室125的功能是扰乱由气流携带进入腔室125的频谱分量，防止这些气流形成额外的可听声音信号。通过将通口113L/R定位在驻波压力波的节点，可防止f_UC周围的频谱分量离开腔室115，从而允许解调以形成超声脉冲阵列(UPA)并产生所需的空气压力脉冲扬声器(APPS)效果。

在本发明，具有APPS效果的APG装置一般是指APG装置在超声载波频率输出的气脉冲中嵌入的基带频率分量(尤其是可听频带的频率分量)不仅是可观测的，且具有显著的强度。对于产生APPS效果的APG装置，通过APG装置产生多个气脉冲，电性输入信号S_IN的频谱将在可听频谱的(与载波频率相比较低频的)基带内被声学地再现，这适合用于发声应用。APPS效果产生的基带强度与APG装置产生的气脉冲的不对称性、程度或数量有关，不对称性将在后面讨论。

请注意，装置100或200的支撑结构123L及123R具有(相对于X轴)平行且笔直的壁，其中123L与123R之间的空间/通道用作声音出口。使用有限元法(FEM)的模拟结果显示，当频率上升到350KHz以上时，沿X方向的横向驻波开始在123L/123R的壁之间形成，且输出开始自抵消。这种横向谐振引起的自抵消现象导致(在Z方向)123L-123R的壁的高度的能量传输比率降低。

为了绕过这个问题，本发明提出了喇叭形出口。例如，图8是本发明实施例的一APG装置300的局部示意图。类似于装置100，装置300包括瓣片101及103，瓣片101及103分别固定在支撑结构123L”及123R”上并用来形成开口112，且通过出口320向环境产生多个气脉冲。不同于装置100的支撑结构123L及123R具有笔直且平行的壁，装置300的支撑结构123L”及123R”的壁是倾斜的且相对于X轴或X方向具有非直角θ，从而形成喇叭形状的出口320。非直角θ可根据实际需求设计。在一实施例，非直角θ可为54.7°，但不限于此。在本发明，喇叭形出口一般是指出口尺寸或隧道尺寸从膜结构向周围逐渐加宽的出口。

图9及图10分别示出对于瓣片101及103的8种不同位移，装置100及300的能量传递比的频率响应，其中Dvv＝k代表每个瓣片尖端的位移为kμM，其产生2kμM的差动运动。图9及图10是使用FEM进行模拟的。通过比较图9与图10，装置100产生的能量传输比在超过170KHz时开始下降，随着频率上升到170KHz以上时出现一些跳跃及下降；而装置300产生的能量传输比在大约120KHz以上时仍保持上升趋势，对于170KHz以上的频率具有更平滑的频率响应。这意味着装置300的能量传输率(在170KHz以上)的频率响应比装置100更加平滑，这有利于APG装置在超声脉冲率(即超声载波频率f_UC)及其高阶谐波(例如n×f_UC)的操作。此外，装置300产生的能量传输率比装置100产生的能量传输率高大约5倍。因此，可从图9及图10验证喇叭形出口为APG装置带来更好的能量传输比。

图11示出用来以两个不同角度蚀刻壁的两步蚀刻/制造方法的实施例。首先，(如图11的(b)所示地)将123R”/123L”的壁刻蚀成锥角，接着(如图11的(c)所示地)采用喷涂涂覆法在锥形壁上覆盖光刻胶或旋涂介质。接着(如图11的(d)所示地)通过光刻方法将光刻胶或旋涂介质图案化，接着(如图11的(e)所示地)以直角蚀刻124L及124R的壁。以上所提供的制造方法仅供说明之用，并不限制本发明的范围。

图12是本发明实施例的一APG装置400的示意图。装置400是根据美国申请号17/553,806的图7进行修改而成，并与本发明图1所示的装置100类似。与装置100不同，装置400仅包括瓣片对102(但不包括瓣片对104)。瓣片对102用来执行调制操作(即形成具有超声载波频率f_UC的振幅调制空气压力变化)及解调操作(即形成(与频率f_UC处的振幅调制超声载波同步的)开口112以根据该振幅调制超声空气压力变化的包络产生气脉冲)。

在图12，U104及P104代表瓣片对102响应调制驱动信号SM形成的压力分布及气流分布，U102及P102代表瓣片对102响应解调驱动信号±SV形成的压力分布及气流分布。在此，解调驱动信号用±SV表示以强调瓣片对102被差动驱动(这意味着解调驱动信号+SV及-SV具有相同的振幅但相反的极性)以执行解调操作。例如，上述的S101及/或S103可用-SV及/或+SV表示。

换言之，调制器及解调器共同位于瓣片对102处或如同瓣片对102设置。与装置100类似，装置400的瓣片对102的膜结构10被致动，以不仅具有共模运动来执行调制且具有差模运动来执行解调。

换句话说，“调制操作”及“解调操作”由相同的瓣片对102同时执行。这种“调制操作”及“解调操作”的并置是通过(如图13所示的)新的驱动信号布线方案实现的。给定装置400可包括设置在瓣片101/103上的致动器101A/103A，而致动器101A/103A包括顶部电极及底部电极，则顶部电极及底部电极均可接收调制驱动信号SM及解调驱动信号±SV。

在一实施例，致动器101A/103A的一电极可接收共模调制驱动信号SM；而另一电极可接收差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)。例如，图13所示的图示431至图示433示出图12所示的区域430的细节。如图示431及432所示，致动器101A/103A的底部电极接收共模调制驱动信号SM；而致动器101A/103A的顶部电极接收差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)。可(如图示432所示地)向底部电极或(如图示433所示地)向顶部电极施加合适的偏置电压V_BIAS，偏置电压V_BIAS可根据实际需求决定。

在(如图示433所示的)一实施例，致动器101A/103A的一电极可同时接收共模调制驱动信号SM及差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)；而另一电极则适当地偏压。在图示433所示的实施例，底部电极接收共模调制驱动信号SM及差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)；而顶部电极则被偏压。

图13所示的驱动信号布线方案实现了(在不考虑V_BIAS下)一致动器(例如101A)的施加信号是或包括-SM-SV而另一致动器(例如103A)的施加信号是或包括-SM+SV的目标。请注意，驱动信号布线方案可根据实际情况/需求进行修改或变更。只要施加在瓣片对102的两个施加信号之间的差模信号分量包括调制驱动信号SM(加上V_BIAS)，而施加在瓣片对102的两个施加信号之间的共模信号分量包括解调驱动信号SV，就满足本发明的要求且在本发明的范围内。在此(或通常情况下)，任意两个信号a和b之间的共模信号分量可表示为(a+b)/2，而任意两个信号a和b之间的差模信信号分量可以表示为(a-b)/2。

请进一步注意，为了最小化(由驱动信号SM引起的)调制操作及(由驱动信号±SV引起)解调操作之间的交叉耦合，在一实施例，瓣片101及103在其机械结构、尺寸及电性特性上被制成一镜像/对称对。例如，瓣片101的悬臂长度应等于瓣片103的悬臂长度；瓣片101的膜结构应与瓣片103相同；虚拟阀112的位置应该在瓣片101及瓣片103的两个支撑壁110之间的中心位置或与两个支撑壁110等距；设置在瓣片101上的致动器图案应与设置瓣片103上的致动器图案相对称；设置在瓣片101及103顶部的致动器的金属线应是对称的。这里只列举一些作为镜像/对称对的项目(或使瓣片101及103是镜像/对称的)，但不限于此。

图14示出在IEC711封闭式耳模拟器对装置400的物理实施例进行的一组频率响应测量结果，其中采用图示431所示的驱动方案来驱动装置400，底部电极的调制驱动信号SM的Vrms为6Vrms，顶部电极的解调驱动信号±SV的峰峰值电压(Vpp)从5Vpp变化到30Vpp，并使用GRAS RA0401耳模拟器来测量声学结果。装置400的操作频率(即超声载波频率f_UC)为160KHz，装置尺寸据此设计(例如W115≈λ_UC＝C/f_UC≈2.10mm，其中C为336m/s)。从图14可知装置400能在低频带产生高SPL的声音(对于小于100Hz的频率至少为99dB)。

此外，图15示出并分析图14所示的装置400的测量结果。图15示出图14的100Hz(粗虚线)及19Hz(粗实线)的SPL对Vvtop(Vpp)的关系图，其中(如连接图示431所示)Vvtop(Vpp)是施加在顶部电极的解调驱动信号的峰峰值电压。从图14及图15可看出，随着Vvtop的增加，SPL也增加。此外，装置100的等效集总电路模型的模拟结果也证实SPL随着(阀驱动或)解调驱动信号的振幅增加而增加。由此可知，可通过解调驱动信号的振幅来控制本发明的气脉冲产生装置产生的声音的音量。

基于图14及图15的结果可得出调制器-解调器共位的概念是正确的结论，这意味着由装置400执行的调制(形成振幅调制超声空气压力变化)及解调(以同步产生不对称气脉冲的方式形成开口)成功产生APPS效果。因此，可能可缩小腔室宽度(例如装置100的W115)。

例如，图16是本发明实施例的一APG装置500的示意图。类似于装置400，装置500的瓣片对102也利用图13所示的驱动方案之一来驱动，但不限于此。与装置400相比，装置500的腔室宽度W115'减少了一半。在一实施例，装置500的腔室宽度W115'可为λ_UC/2。

此外，腔室(例如图12的115或图16的115')内的驻波并非必需，这意味着腔室宽度(W115)不必是λ_UC、λ_UC/2或与λ_UC、λ_UC/2有关，且无需在侧壁111R/111R'与111L/111L'之间形成/维持/反射平面波。腔室的形状可自由/灵活地改变以优化其他要素，例如，缩短腔室长度以提高发声效率，这可通过装置的单位面积(mm²)的SPL来评估。

图17是本发明实施例的一APG装置600的示意图。装置600可包括子组件610及640。在一实施例，子组件610及640可通过已知的MEMS工艺制造，且使用(诸如干膜的)结合或粘合材料或其他合适的芯片附接材料/方法而通过层620结合在一起。子组件610本身可被视为一APG装置(稍后将在图26及相关段落详细描述)，其包括瓣片对102或膜结构10。子组件640可被视为盖子结构。

类似于装置500，装置600包括瓣片对102，其瓣片101及103采用图13所示的驱动方案之一来驱动，但不限于此，且装置600的瓣片对102被致动以形成具有超声载波频率f_UC的振幅调制超声空气压力变化，并以与超声载波频率f_UC同步的频率形成开口112，而根据超声空气压力变化通过出口向周围环境产生多个气脉冲。

与装置500不同，装置600内形成一导管630。导管630将虚拟阀112(瓣片101与103之间的狭缝)上方的空气体积向外连通到周围环境。导管630包括腔室631、通道632及出口633(或区域631～633)。腔室631形成于膜结构10与盖子结构(子组件)640之间。通道632及出口633形成于盖子结构(子组件)640内。

腔室631可视为半包覆的一压缩腔室，压缩腔室631内的空气压力可响应于共模调制驱动信号SM而被压缩或密度降低，超声空气压力变化/波可产生并经由孔口613直接馈送到通道632。通道632用作波导，其形状及尺寸应被优化以便使在区域/腔室631产生的压力变化/脉冲能有效地向外传播。出口633用来最大程度地减少反射/偏折且最大化耦合到周围环境的声能。为此，出口633的通道尺寸(例如在X方向的宽度)朝周围逐渐加宽且出口633可具有喇叭形状。

在一实施例，开口112(相当于瓣片对102或膜结构10)与表面650之间的导管630的长度/距离L630可(实质上)为与f_UC相对应的四分之一波长λ_UC/4(例如具有±10％的容差)。例如，在f_UC＝192KHz的情况，L630可能是450μm，但不限于此。请注意，(再参考图16)可观察到空气压力波(作为一种空气压力变化)在装置500的腔室115'(或装置100的腔室115)内沿X方向传播，虚拟阀(开口)112与侧壁表面111L'/111R'的距离为λ_UC/4(。在图17，装置600可视为将空气波传播路径折叠/旋转90°以与Z方向对齐，使得空气波或空气压力脉冲经由Z方向直接朝向周围环境发射。

图18是本发明实施例的类似于装置600的装置的FEM模拟压力分布的快照。在图18，辅助箭头表示压力值的极性/符号。装置600与图18所示装置的区别在于，子组件640在腔室631与通道632之间的界面处增加倒角635，以最小化对气流的扰动。在图18，区域631的压力约为+500Pa，接近633的区域632的压力约为-500Pa。最亮的区域呈现压力节点平面。

请注意，区域632的节点平面显示波传播的正确形成，且节点平面632与装置外部的节点平面之间的空间/距离约为1.2*λ/2(此处为λ＝346(m/s)/192(KHz))，其接近(并略大于)λ/2。这意味着存在以声速传播的不间断压力波传播。换句话说，如图18所示，由装置600的膜结构产生的压力脉冲或空气波向周围环境辐射。

图19示出对物理实施的装置600的IEC711封闭式耳耦合器SPL测量结果与频率的关系，其中示出对应于具有20Vpp及15Vpp的解调驱动信号±SV的结果。此外，表一比较用于产生最大SPL的装置400及600的参数。

(表一)

从图14、图19及表一可知，装置600在降低输入振幅的同时，比装置400实现了略高的SPL，同时减小40％的芯片尺寸。这意味着，具有导管630的装置600在功耗及占用的硅空间/面积方面都更加高效。

一般而言，腔室631的宽度W631明显小于λ_UC/2，例如，在装置600的示例，W631≈570μM，而λ_UC/2≈900μM。为了使区域631进行腔室压缩，腔室631的尺寸应该远小于λ_UC。在一实施例，腔室631的高度H₆₃₁可小于λ_UC/5，即H₆₃₁<λ_UC/5。请注意，腔室631的宽度(即X方向的尺寸)可从膜结构10向通道632逐渐变窄，无论是以阶梯形或锥形方式逐渐变窄都属于本发明的范围内。

图20是本发明实施例的一APG装置700的示意图。类似于装置600，装置700包括子组件710及740，且具有形成在其中的导管730。子组件710可通过MEMS工艺制造，且也可视为一APG装置。腔室705形成在子组件710内。子组件710本身也可为一APG装置，其可视为美国专利11,172,310公开的挤压模式操作、美国专利11,043,197公开的虚拟阀及图13所示的驱动方案的结合，其中美国专利11,172,310及美国专利11,043,197通过引用并入本文。

导管730包括腔室731、通道/波导732及喇叭形出口733(或区域731～733)，并将虚拟阀112下方的空气体积向外连通到周围环境。不同于装置600，子组件740可通过诸如3D打印、精密注射成型、冲压等技术形成/制造。通道/波导732包括一第一部分(即蚀刻在子组件710的盖子上的孔口713)及形成在子组件740内的一第二部分，其中可在它们之间添加倒角735以最小化扰动。腔室705与731重叠。由瓣片101及103产生的压力变化/波将被直接馈送到通道/波导732中。

图21是本发明实施例的一APG装置800的示意图。装置800包括子组件810及840。子组件810可具有与装置500相同或相似的结构，其可通过MEMS工艺制造并视为一APG装置，包括由如图13所示的方案之一驱动的瓣片101及103，且虚拟阀(开口)112在其中形成。子组件840可通过诸如3D打印、精密注射成型、精密冲压等技术形成/制造。请注意，通过(解)调制操作，子组件810产生多个气流脉冲。

装置840内形成(将虚拟阀112下方的空气体积向外连通到周围环境的)一导管830。导管830包括(压缩)腔室831、通道/波导832及喇叭形出口833(或区域631～633)。压缩室831用于将多个气流脉冲转换为多个空气压力脉冲。具体而言，腔室831产生压力脉冲ΔP_n∝P_{0_n}ΔM_n/M_{0_n}(方程式1)，其中M_{0_n}是脉冲周期n开始之前腔室831内的空气质量，ΔM_n是与脉冲周期n的气流脉冲相关的空气质量。方程式1表示将气流脉冲转换成空气压力脉冲，且转换后的空气压力脉冲传播到通道/波导832中。在一实施例，区域831的子组件840可具有类似黄铜吹嘴的横截面轮廓。

通道/波导832具有的阻抗可接近、匹配于压缩腔室831或在压缩腔室831的±15％范围内，以便使区域831内产生的压力脉冲向外传播到周围环境的传播效率最大化。在一实施例，可通过适当地选择通道832的横截面积来优化传播效率。

在图21所示的实施例，出口833的通道尺寸(例如在X方向上的宽度)以分段线性方式朝向周围逐渐加宽(其中θ₁<θ₂)，从而形成喇叭形状。请注意，出口的喇叭形状可根据实际需求进行设计。出口的通道尺寸可采用多项式、纯线性、分段线性、拋物线、指数、双曲线等方式加宽，但不限于此。只要出口的通道尺寸向周围逐渐加宽，即可满足本发明的要求而也在本发明的范围内。

为了在区域831进行腔室压缩，腔室/区域831的尺寸较佳地远小于对应于操作频率f_UC的波长λ_UC。例如，在f_UC＝160KHz且λ_UC＝(346/160)＝2.16mm的一实施例，高度H₈₃₁可在λ_UC/10～λ_UC/60的范围内(例如H₈₃₁＝λ_UC/35＝62μm)，且宽度W₈₁₅可在λ_UC/5～λ_UC/30的范围内(例如W₈₁₅的范围为115μm～350μm)，但不限于此。

请注意，膜结构10将空间的体积细分为一侧的谐振腔室805及另一侧的压缩腔室831，且由于这种细分的性质，从腔室805及腔室831的空间来观察，瓣片101及103及共模运动引起的位移将具有完全相同的大小，但方向/极性相反。换句话说，随着瓣片101及103的共模运动，将形成一推拉操作，且这种推拉操作将增加(例如加倍)瓣片101与103之间的压差，从而当虚拟阀112打开时气流将增加。

具体而言，对于具有体积V1的压缩腔室831及具有体积V2的谐振腔室805，膜/瓣片运动引起的体积差DV(假设DV<<V1,V2)将导致V1的压力变化为ΔP_V1＝1–V1/(V1-DV)＝-DV/(V1-DV)≈-DV/V1且V2的压力变化为ΔP_V2＝1–V2/(V2+DV)＝DV/(V2+DV)≈DV/V2。两个体积之间的压差可为ΔP_V2-ΔP_V1＝DV/(V2+DV)+DV/(V1-DV)。当V1≈V2≈Va，ΔP_V2-ΔP_V1≈DV/(Va+DV)+DV/(Va-DV)＝DV·2Va/(Va²–DV²)≈2·DV/Va≈2·ΔP_V2，即推拉操作可使由瓣片101及103分隔的两个子空间之间的压差加倍。

图22是本发明实施例的一APG装置900的示意图。装置900包括子组件910及940。子组件910可通过MEMS工艺制造且可视为一APG装置。子组件940可通过3D打印制造。与装置700或子组件710类似，子组件940也可视为美国专利11,172,310公开的挤压模式操作、美国专利11,043,197公开的虚拟阀及图13所示的驱动方案的结合。在装置900，挤压模式操作腔室905及压缩腔室931是分开的；而在装置700中，挤压模式操作腔室及压缩腔室合并为室731。

子组件810及子组件910在气流脉冲产生方面具有类似的效果，但它们的工作原理不同。子组件810利用谐振；而子组件910利用由膜(瓣片101、103)运动引起的挤压模式操作腔室905的压缩及密度降低。因此，腔室宽度W₉₀₅不再需要满足与λ_UC的任何关系，因此，腔室905的尺寸可缩小到实际/期望的程度。

图23是本发明实施例的一APG装置A00的示意图。因为谐振不是必需的，因此可去除腔室(例如腔室905)的矩形横截面的限制，且其在几何形状上更灵活以优化压力波的产生或波向外界的传播。例如，腔室A05或子组件A40可能具有类似黄铜吹嘴的横截面。

图23的装置A00的另一方面是“直接压力耦合”。与在装置900首先通过孔口913不同，装置A00的压缩腔室A05产生的压力波直接耦合到导管A32，接着经由出口A33出去到周围环境。压缩腔室与导管/出口之间的直接耦合消除孔口913引起的损失，从而与装置900相比显著改善效率。

图24是本发明实施例的一APG装置B00的示意图。装置B00类似于装置A00。与装置A00不同的是，装置B00还包括(盖子)结构B11，盖子结构B11与膜结构10之间形成腔室B05。通过膜结构10的一侧形成腔室A05且膜结构10的另一侧形成腔室B05，可进行推拉操作，从而可增强气流脉冲。

请注意，子组件810及910产生的气脉冲可视为气流脉冲，而子组件840及940可视为气流至空气压力转换器，其具有喇叭形横截面轮廓。另一方面，由子组件610、710、A10及B10产生的气脉冲可视为空气压力脉冲，其直接产生解调/不对称空气压力脉冲，且可能比装置800及900更有效。

另外，具有导管形成于其内的子组件或具有喇叭形横截面轮廓的导管的子组件也可应用在申请人提交的美国专利10,425,732、11,172,310等公开的APG装置或其他装置(例如美国专利8,861,752)，但不限于此。

图25示出本发明的APG装置的虚拟阀(VV)112打开的时序时间对准的示意图。在图25，实线曲线代表调制驱动信号SM产生的瓣片共模运动，背景的深浅色代表对应于虚拟阀的声阻，其中，较暗的阴影表示较高的阻抗(虚拟阀关闭，导致腔室内的体积与环境不连通)，且较浅的阴影表示较低的阻抗(虚拟阀打开，导致腔室内的体积与环境连通)。

在图25的(a)，虚拟阀(VV)112的打开状态的时机与腔室内压力达到最大值(第一个峰值)的时机对齐，这通常略早于瓣片到达其最正共模位移(第一个峰值)的时机；而虚拟阀112的关闭状态的时机与腔室内压力达到最小值(第二个峰值)的时机对齐，这通常略早于瓣片达到其最负共模位移(第二个峰值)的时机。如图25的(a)所示的时序时间对齐，虚拟阀112呈最大开口与腔室内压力的第一个峰值对准是为了最大化气流脉冲的脉冲振幅，这对于(具有腔室但内部没有形成导管的)装置100～500可能是合适的。

另一方面，在图25的(b)，受汽车工业中燃气/活塞发动机的阀时序时间的启发，虚拟阀112的打开状态的时机与向第一方向运动的振膜(瓣片)的共模运动的最大速度对齐；而虚拟阀112的关闭状态的时机与向第二方向运动的振膜(瓣片)的共模运动的最大速度对齐。与第二方向相反的第一方向是从膜结构朝周围环境的方向。图25的(b)所示的时序时间对齐是为了最大化气流脉冲的体积，这对于(腔室包括形成在其中的导管的)装置600或装置700～900、A00及B00可能是合适的

图26是本发明实施例的一APG装置C00的示意图。装置C00类似于先前介绍的APG装置，其包括瓣片101及103。瓣片101及103也可采用图13所示的驱动方案进行驱动。

不同于那些包含盖子结构的装置，装置C00不包含盖子结构。与上文介绍的APG装置相比，装置C00的结构简单很多，需要的光刻蚀刻步骤较少，省去复杂的导管制作步骤，且避免将两个子元件或子组件绑定在一起的需要。装置C00的生产成本大大降低。

由于盖子结构下方没有形成要被压缩的腔室，因此装置C00产生的声学压力主要由瓣片(101及103)运动的加速度产生。通过将(响应于解调驱动信号±SV的)虚拟阀112的打开时机对准(响应于调制驱动信号SM的)瓣片101及103的共模运动的加速度时机，装置C00能产生不对称的空气(压力)脉冲。

请注意，围绕瓣片101及103的空间分为两个子空间：一个在Z>0(或+Z子空间)，另一个在Z<0(或-Z子空间)。对于瓣片101及103的任何共模运动，将产生一对声学压力波，一个在+Z子空间，另一个在-Z子空间。这两个声学压力波具有相同的振幅但相反的极性。因此，当虚拟阀112打开时，虚拟阀112附近的两个空气体积之间的压差将相互抵消。因此，当差模运动达到其峰值的时机(即虚拟阀112达到其最大开口的时机)与共模运动的加速达到其峰值的时机对齐时，预料由共模运动产生的声学压力应因虚拟阀112的打开而被抑制/消除，导致瓣片101及103的两个相对侧的两个声学压力之间的自动中和，其中这两个声学压力具有相同的大小但相反的极性。这意味着当虚拟阀112打开时，装置C00将产生(接近)净零空气压力。因此，当虚拟阀112的打开周期与共模瓣片运动的加速度的(两个)极性之一的时间周期重叠时，装置C00将产生单端(SE)或类单端的空气压力波形/脉冲，其是高度不对称的。

在本发明中，(类)单端波形可指该波形相对于某一准位(实质上)是单极性的。单端声学压力波可指相对于环境压力(例如1ATM)(实质上)是单极性的波形。

图27是本发明实施例的虚拟阀(VV)打开的时序时间对准的示意图。图27所示的时序时间对准方案可应用于装置C00。在图27的(a)，实线/虚线/点线曲线代表响应于调制驱动信号SM的振膜(瓣片101及103)的共模运动的位移/速度/加速度，并且与图25的(a)相似，背景的深浅色代表对应于虚拟阀112的打开─关闭动作引起的声阻。为了说明目的，图27的(a)的振膜/瓣片运动被假设为(或近似绘制为)具有恒定振幅的正弦波，其中速度/加速度波形是位移波形的一阶/二阶导数。如图27的(a)所示，虚拟阀打开的时机与共模振膜/瓣片运动朝第一方向的第一个峰值加速度的时机对齐，如前面讨论的，这种时间对齐导致在+Z及-Z子空间产生的两个声学压力波之间的自动中和，从而抑制净声学压力(如图27的(b)的单端空气压力波形的平坦部分所示)。

图27的(a)还示出虚拟阀关闭的时机与共模振膜/瓣片运动朝第一方向的第二个峰值加速度的时机对齐，第二方向与第一方向相反。由于虚拟阀在第二个峰值加速度期间/附近关闭，瓣片101及103的第二个峰值加速度产生的声学压力能从瓣片101及103辐射出去，导致高度不对称的声学压力波(如图27的(b)的单端空气压力波形的半正弦部分所示)。

请注意，虚拟阀112的开启并不决定声学压力脉冲的强度/振幅，而是决定“接近净零压力”(或自动中和)效应的强度。当虚拟阀112的开口宽(大程度地打开)时，“净零压力”效应强，自动中和完成/完全，不对称性强/明显，导致强/显著的基带信号或APPS效应。反之，当虚拟阀112开口较窄(稍微打开)时，“净零压力”效应较弱，自动中和未完成/不完全，不对称性降低，导致基带信号或APPS效应较弱。

在FEM模拟中，装置C00可在20Hz时产生145dB SPL。从FEM模拟可知即使装置C00产生的SPL比装置600产生的SPL(20Hz时约157dB SPL)低约12dB，但在相同的驱动条件下，装置C00的总谐波失真(THD)比装置600低10～20dB。因此，模拟验证了装置C00(即没有盖子结构或没有在其中形成腔室的APG装置)的功效。

请注意，“虚拟阀打开的时机与腔室内峰值压力或共模振膜运动的峰值速度/加速度的时机对齐”的陈述隐含地暗示±e％的公差是可接受的。也就是说，虚拟阀打开的时机对齐(1±e％的)腔室内的峰值压力或共模振膜运动的峰值速度/加速度的时机的情况也在本发明的范围内，其中e％可1％、5％或10％，具体数值视实际需要而定。

关于脉冲的不对称性，图28示出具有不同程度不对称性的(在一操作周期T_CY内的)全周期脉冲。在本发明，不对称性程度可通过p₂与p₁的比值来评价，其中p₁>p₂，p₁代表相对于一准位具有第一极性的第一个半周期脉冲的峰值，p₂代表相对于该准位具有第二极性的第二半周期脉冲的峰值。在声学领域，该准位可对应于环境条件(环境压力(零声学压力)或零声学气流)，其中本发明的气脉冲可指气流脉冲或空气压力脉冲。

图28的(a)示出r＝p₂/p₁>80％的全周期脉冲。图28的(a)所示的全周期脉冲或r＝p₂/p₁≈1的脉冲具有低度的不对称性。图28的(b)示出40％≤r＝p₂/p₁≤60％的全周期脉冲。图28的(b)所示的全周期脉冲或r＝p₂/p₁≈50％的脉冲具有中等程度的不对称性。图28的(c)示出r＝p₂/p₁<30％的全周期脉冲。图28的(c)所示的全周期脉冲或r＝p₂/p₁→0的脉冲具有高度的不对称性。

如上所述，不对称性程度越高，超声气脉冲的APPS效应及基带频谱分量越强。在本发明，不对称的气脉冲是指至少具有中等程度不对称性的气脉冲，即r＝p₂/p₁≤60％。

请注意，本发明的APG装置的解调操作是根据调制操作产生的超声空气压力变化振幅来产生不对称的气脉冲。从某种角度来看，本发明的解调操作类似于无线电通信系统的振幅调制(AM)包络检测器的整流器。

在(如本领域已知的)无线电通信系统，一包络检测器(一无线电振幅调制(非同调)解调器)包括一整流器及一低通滤波器。包络检测器将产生对应于输入振幅调制信号的包络。包络检测器的输入振幅调制信号通常具有(r＝p₂/p₁→1的)高度对称性。整流器的一目的是转换对称的振幅调制信号，使得经过整流的振幅调制信号是(r＝p₂/p₁→0的)高度不对称的。在对高度不对称的整流AM信号进行低通滤波后，可恢复与振幅调制信号相对应的包络。

本发明的解调操作将(r＝p₂/p₁→1的)对称的超声空气压力变化转换为(r＝p₂/p₁→0的)不对称的气脉冲。本发明的解调操作类似于作为AM解调器的包络检测器的整流器，其中低通滤波操作交给自然环境及人类听觉系统(或例如麦克风等声音感测装置)，使得与输入音频信号S_IN相对应的声音/音乐可被恢复、被收听者感知或被声音感测装置测量。

APG装置的解调操作产生不对称性是至关重要的。在本发明，脉冲的不对称性仰赖于(与产生超声空气压力变化的振膜(瓣片)运动对齐的)适当的打开时机。(如图25及图27所示)不同的APG结构会有不同的时序时间对齐方法。换言之，形成开口112的时机被指定以使得APG装置产生的多个气脉冲是不对称的。

产生不对称气脉冲的APG装置也可应用于气泵/运动应用，其可具有冷却、干燥或其他功能。

此外，可通过适当的单元及信号路由配置来降低功耗。例如，图29是本发明实施例的一APG装置D00的俯视示意图，且图30示出沿着图29所示的A-A'线的装置D00的横截面图。装置D00包括排列成阵列的单元D01～D08。每个单元(D0x)可为上述的APG装置(例如400～C00)之一。在第图。为简洁起见，图30省略其中形成有导管的子组件及盖子结构。假设装置D00的所有瓣片都由驱动信号方案431驱动，其中顶部电极接收信号+SV或信号-SV且底部电极接收SM-V_BIAS。

在图29，沿Y方向延伸的长方形表示瓣片或设置在瓣片上的致动器的顶部电极。网底可表示致动器的底部电极，或表示致动器的底部电极是电性连接的。

在装置D00中，接收信号-SV的瓣片(例如101)及接收信号+SV的瓣片(例如103)在空间上交错排列。例如，当单元D01的瓣片103接收到信号+SV时，单元D02的瓣片101较佳地接收信号-SV。这是因为当信号+SV、-SV切换极性时或在信号+SV、-SV的转换周期时，会有电容负载(放电)充电电流沿X方向流过底部电极，且底部电极的有效电阻(R_BT,P，其中P是指并联电流流动)会很低，因为L/W＜＜1，且装置D00的功耗会很低，其中L/W表示从(放电)充电电流看进去的通道长度/宽度。

另一方面，在驱动信号-SV、+SV以{+SV,–SV}、{–SV,+SV}、{+SV,–SV}、{–SV,+SV}、{+SV,–SV}、{–SV,+SV}、{+SV,–SV}、{–SV,+SV}的模式布线的情况下(未示于图29)(其中{…,…}表示一单元D0x的一对差动驱动信号)，负载(放电)充电电流将在Y方向流动，底部电极的有效电阻(R_BT,S，其中S是指串联电流流动)会高得多(即R_BT,S＞＞R_BT,P因为L/W＞＞1)，这种方案的功耗会更高。

换句话说，通过利用图29所示的布线方案，(以单元D01及D02为例)假设接收信号+SV的单元D01的瓣片103在空间上相邻接收信号-SV的单元D02的瓣片101设置，且信号±SV的转换周期在时间上重叠，电流从一瓣片(例如D01的103)的底部电极直接行进到相邻的瓣片(例如D02的101)，而不需从一焊垫离开装置D00再从另一焊垫重新进入装置D00。因此，底部电极的有效电阻显著降低，功耗也随之降低。

此外，可通过并入多个(例如2个)单元来提高操作频率。具体地，采用本发明的APG装置的空气压力脉冲扬声器(APPS)发声方案是一种离散时间采样系统。一方面，通常倾向提高此类采样系统的采样率以实现高保真度。另一方面，倾向降低装置的操作频率以降低所需的驱动电压及功耗。

与如同一APG装置的采样率而提高操作频率相比，通过在时间和空间上交错(至少)两组具有低脉冲/操作频率的子系统，可有效实现高脉冲/操作频率。

图31是本发明实施例的一APG装置E00的俯视示意图(以显示空间布置)。装置E00包括彼此紧邻/相邻设置的两个单元E11及E12。单元E11/E12可为本发明的APG装置之一。

图32示出用于单元E11及E12的两组(解)调制驱动信号A及B的波形(以显示时间关系)。组A包括解调驱动信号±SV及调制驱动信号SM；而组B包括解调驱动信号±SV'及调制驱动信号SM'。在图32所示的实施例，信号组B的解调驱动信号+SV'/-SV'是信号组A的解调驱动信号+SV/-SV的延迟版本。此外，信号组B的信号+SV'/-SV'是信号，，。组A的信号+SV/-SV延迟T_CY/2(操作周期的一半)的延迟版本，其中T_CY＝1/f_UC且f_UC表示单元E11/E12的操作频率。组B的调制驱动信号SM'可视为组A的调制驱动信号SM的反相或极性反转版本。信号SM及SM'可具有SM’＝-SM或SM+SM’＝C的关系，其中C是某个常数或偏置。例如，当组A的调制驱动信号SM在时间段T₂₂相对(如图32虚线所示的)电压电平具有负极性的脉冲时，组B的调制驱动信号SM'在时间段T₂₂相对(如图32虚线所示的)电压电平具有正极性的脉冲。

通过将组A及B其中的一组提供给单元E11并将组A及B其中的另一组提供给单元E12，装置E00可产生脉冲/采样率为2×f_UC的脉冲阵列，其中f_UC是每个单元的操作频率。

图33是本发明实施例的一APG装置F00的俯视示意图。装置F00包括(排列成2×2阵列的)单元F11、F12、F21及F22。装置F00的单元可为本发明的APG装置之一。F11、F12、F21及F22中的两个单元可接收信号组A，另外两个单元可接收信号组B。

在一实施例，单元F11、F12接收信号组A，单元F21、F22接收信号组B。在一实施例，单元F11、F22接收信号组A，单元F12、F21接收信号组B。信号组B。在一实施例，单元F11、F21接收信号组A，单元F12、F22接收信号组B。与装置E00类似，该装置也产生脉冲/采样率为2×f_UC的脉冲阵列。

请注意，使用物理表面运动来产生声波的现有扬声器(例如动态驱动器)会面临前向/后向辐射波相互抵消的问题。当物理表面运动引起气团运动时，会产生一对声波(即前向辐射波及后向辐射波)。这两个声波会抵消大部分的对方，导致净SPL远低于单独测量前向/后向辐射波的声压级。

解决前向/后向辐射波相互抵消问题的普遍采用方案是利用后壳体或开放式瓣片。这两种解决方案都需要与感兴趣的最低频率的波长相当的物理尺寸/大小，例如频率为230Hz时的波长为1.5米。

与现有扬声器相比，本发明的APG装置仅占用几十平方毫米(远小于现有扬声器)，且(尤其在低频)产生巨大的声压级。

这是通过产生不对称的振幅调制气脉冲来实现的，其中调制部通过振膜运动产生对称的振幅调制空气压力变化，解调部通过虚拟阀产生不对称的振幅调制气脉冲。调制部及解调部由在同一制作层制造的瓣片对来实现，从而降低制造/生产的复杂性。调制操作通过瓣片对的共模运动来执行，且解调操作通过瓣片对的差模运动来执行，其中(通过共模运动的)调制操作及(通过差模运动的)解调操作可通过单一瓣片对来进行。差模运动与共模运动之间的适当时序时间对齐增强输出气脉冲的不对称性。此外，喇叭形出口或喇叭形管道有助于提高传播效率。

综上所述，本发明的气脉冲产生装置包括调制手段及解调手段。调制手段可通过将调制驱动信号施加到瓣片对(102或104)来实现，以根据声音信号产生具有超声载波频率的振幅调制超声声学/空气波。解调手段可通过将一对解调驱动信号+SV及-SV施加到瓣片对(102)或驱动瓣片对(102)来周期性地形成开口(112)来实现，以执行(将超声声学/空气波UAW的频谱分量移位±n×f_UC的)同步解调操作。据此，对应于声音信号的超声空气波的频谱分量被移位到可听基带且声音信号被再现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (23)

1.一种具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，包括：

一膜结构，包括一瓣片对；

其中，该膜结构被致动以进行一共模运动，以形成具有一超声载波频率的一振幅调制超声空气压力变化；

其中，该膜结构被致动以进行一差模运动，以用同步于该超声载波频率的一频率形成一开口；

其中，该气脉冲产生装置根据该振幅调制超声空气压力变化产生多个气脉冲。

2.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，该多个气脉冲是不对称的。

3.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，该多个气脉冲根据一输入音频信号进行振幅调制。

4.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该瓣片对被驱动以进行该共模运动，以形成具有该超声载波频率的该振幅调制超声空气压力变化；

其中，该瓣片对被驱动以进行该差模运动，以用同步于该超声载波频率的该频率形成该开口，并根据该振幅调制超声空气压力变化在一第一腔室内产生该多个气脉冲。

5.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该瓣片对包括一第一瓣片及一第二瓣片；

其中，该第一瓣片及该第二瓣片形成一对称对。

6.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，形成该开口的一占空因数介于45％至70％之间。

7.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，该瓣片对的一谐振频率与一阀驱动频率的一比值大于1。

8.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，该瓣片对的一谐振频率大于该超声载波频率加上一输入音频信号的一最大频率。

9.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，该瓣片对的一谐振频率小于该超声载波频率减去一输入音频信号的一最大频率。

10.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该瓣片对包括一第一瓣片及一第二瓣片；

其中，该第一瓣片由一解调驱动信号驱动；

其中，该气脉冲产生装置产生的一声音的一音量是通过该解调驱动信号的一振幅来控制。

11.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，另包括：

一盖子结构；

其中，该膜结构与该盖子结构之间形成一第一腔室；

其中，该膜结构被致动进行该共模运动，以在该第一腔室内形成具有该超声载波频率的该振幅调制超声空气压力变化；

其中，该膜结构被致动以进行该差模运动，以用同步于该超声载波频率的该频率形成该开口；

其中，该气脉冲产生装置根据该振幅调制超声空气压力变化在该第一腔室内产生该多个气脉冲；

其中，该气脉冲产生装置根据该第一腔室内的该振幅调制超声空气压力变化产生该多个气脉冲。

12.如权利要求11所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该盖子结构包括一第一侧壁及一第二侧壁；

其中，该第一侧壁与该第二侧壁之间的一距离是对应于该超声载波频率的一波长。

13.如权利要求11所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该盖子结构包括一第一侧壁及一第二侧壁；

其中，该瓣片对在该第一侧壁与该第二侧壁之间的一中心位置形成该开口。

14.如权利要求11所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该盖子结构包括一侧壁；

其中，该开口形成在距离该侧壁一半波长的一位置；

其中，该半波长对应于该超声载波频率。

15.如权利要求11所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该盖子结构包括一侧壁及一顶盖；

其中，一通口形成在该顶盖；

其中，该通口距离该侧壁一四分之一波长；

其中，该四分之一波长对应于该超声载波频率。

16.如权利要求11所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该盖子结构包括一顶盖；

其中，一第一通口及一第二通口形成在该顶盖；

其中，该第一通口与该第二通口之间的一距离是对应的该超声载波频率一半波长。

17.如权利要求11所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，另包括：

一包覆结构；

其中，该盖子结构包括一顶盖；

其中，该包覆结构与该顶盖之间形成一第二腔室。

18.如权利要求17所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，至少一出口形成于该包覆结构。

19.如权利要求1所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该膜结构包括一第一瓣片对及一第二瓣片对；

其中，该第一瓣片对被致动以进行该差模运动，以用同步于该超声载波频率的该频率形成该开口，并根据该振幅调制超声空气压力变化产生该多个气脉冲；

其中，该第二瓣片对被致动以进行该共模运动，以形成具有该超声载波频率的该振幅调制超声空气压力变化。

20.如权利要求19所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该第一瓣片对包括一第一解调瓣片及一第二解调瓣片；

其中，该第一解调瓣片及该第二解调瓣片被驱动而向相反方向运动，以形成该开口。

21.如权利要求19所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该第二瓣片对包括一第一调制瓣片及一第二调制瓣片；

其中，该第一调制瓣片及该第二调制瓣片被驱动而向同一方向运动，以形成一超声空气波。

22.如权利要求19所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，

其中，该第一瓣片对形成具有一模式一谐振的一第一空气波；

其中，该第二瓣片对形成具有一模式二谐振的一第二空气波。

23.如权利要求19所述的具有共模及差模运动的气脉冲产生装置，其中，该第一瓣片对的一阀驱动频率为该超声载波频率的一半。