CN117202058B - 一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器，涉及数字扬声器发声技术领域，以解决原有静电式数字扬声器声压级低，结构复杂问题。像素发声单元包括：第一放电端和第二放电端；所述第一放电端和所述第二放电端之间存在内部介质；在所述第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使所述内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩发出声波脉冲。本发明提供的像素发声单元产生的声波脉冲声压级高且结构简单。

Description

一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器

技术领域

本发明涉及数字扬声器发声技术领域，尤其涉及一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器。

背景技术

基于换能原理，现有扬声器主要分为：电动式、电磁式、静电式、压电式扬声器。基于声音重构方式又可以分为模拟扬声器和数字扬声器。其中模拟扬声器是通过机械振动推动空气产生模拟的声信号，整个过程中，机械的振动特性决定了扬声器发声的品质。数字扬声器采用的是数字声音重构（DSR）发声，扬声器对外辐射的离散声脉冲能量。

现有的数字扬声器发声原理主要基于静电驱动像素发声单元方式，通过极薄的振膜在静电力的作用下前后移动发声，由于振膜的振动频率以及振幅有限，静电驱动像素发声单元产生脉冲速度低、声压级低，设计工艺复杂，进而导致数字扬声器音质低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器，用于解决原有静电式数字扬声器声压级低，结构复杂问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种像素发声单元，包括：第一放电端和第二放电端；所述第一放电端和所述第二放电端之间存在内部介质；在所述第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使所述内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩发出声波脉冲。

与现有技术相比，本发明提供的一种像素发声单元，包括：第一放电端和第二放电端；第一放电端和所述第二放电端之间存在内部介质；通过在第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使内部介质发生电离放电，产生高温，内部介质发生剧烈热胀冷缩推动内部介质产生一束强声波脉冲，产生的声波脉冲声压级高，且通过静电击穿内部介质实现直接发声，不需要振膜驱动，发声速度响应快；另外由于静电击穿的像素发声单元没有振膜的概念，结构尺寸可以更小，可以增大单位面积的像素发声单元数量，提高数字发声音质。本像素发声单元仅通过两个放电端以及内部介质即可实现发声，结构简单。

第二方面，本发明提供一种像素发声单元发声方法，应用于像素发声单元，所述像素发声单元包括：第一放电端和第二放电端；所述第一放电端与所述第二放电端相对设置，且第一放电端和第二放电端之间设置有内部介质；所述方法包括：

获取待施加的静电击穿电压；

将所述静电击穿电压施加在所述第一放电端和第二放电端中的任意一端，使所述内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩发出声波脉冲；所述第一放电端和所述第二放电端用于在所述内部介质中形成电场。

第三方面，本发明提供一种数字扬声器，包括多个级联成阵列的如上述的像素发声单元。

与现有技术相比，本发明提供的像素发声单元发声方法以及数字扬声器的有益效果与上述技术方案所述一种像素发声单元的有益效果相同，此处不做赘述。

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为本发明提供的像素发声单元结构框图；

图2为本发明提供的开放式像素发声单元的主视图；

图3为本发明提供的开放式像素发声单元的立体图；

图4为本发明提供的不同形状开口结构示意图；

图5为不对称式开口结构对应的像素发声单元的立体结构图；

图6本发明提供的壳体为弹性薄壁的像素发声单元的结构图；

图7本发明提供的壳体为绝缘隔离层的像素发声单元的结构图；

图8本发明提供的数字扬声器的结构图。

附图标记：

1-第一放电端，2-第二放电端，3-壳体，4-内部介质。

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。

静电驱动像素单元通常由铝制极板和振膜组成，通过在极板上施加音频信号，振膜振动将音频信号转化为声音，然而振膜受本身材质的影响，振动频率低，产生脉冲速度低导致数字发声音质低，另外由于电极板距离很近，静电驱动像素单元发出的脉冲声压级小，且由静电驱动像素单元组成的数字扬声器设计工艺复杂。另外，静电驱动式数字扬声器由于自身结构，不能实现水下发声。

为解决上述问题，本发明提供一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器，采用新的发声方式，解决原有数字扬声器声压级低、音质低、结构复杂，且不能水下发声的问题。接下来结合附图进行说明。

图1为本发明提供的一种像素发声单元结构示意图，如图1所示，像素发声单元包括：第一放电端1、第二放电端2以及壳体3；第一放电端1和第二放电端2之间存在内部介质4；第一放电端1和第二放电端2置于壳体3内。

像素发声单元在实际工作时：通过在第一放电端1和第二放电端2任意一端施加静电击穿电压，使第一放电端1和第二放电端2之间的内部介质4发生电离放电，产生剧烈高温，内部介质4发生剧烈热胀冷缩推动内部介质4发出一束强声波脉冲。通过在第一放电端1和第二放电端2加载瞬时高压实现施加静电击穿电压。施加静电击穿电压的放电端为正极，另一个放电端为负极，通过施加静电击穿电压，使第一放电端1和第二放电端2之间形成电场。

由于空气在未电离时为良好的绝缘材料，当第一放电端1和第二放电端2达到击穿场强时，空气分子电离成导电离子，产生瞬间放电。当撤去高压，放电结束后，空气恢复正常，又可以参与下次脉冲发声，因此内部介质可以为空气。

上述结构中的施加的静电击穿电压大小以及第一放电端和第二放电端之间的距离需要符合帕邢定律，帕邢定律如公式（1）所示：

V=f(pd)（1）

其中，V为击穿电压，p为大气压强，d为放电端间隙，即第一放电端和第二放电端之间的距离。一般大气下，5um的间隙对应的击穿场强约为1e8V/m。

上述结构中的壳体为开放式结构或封闭式结构。当壳体为开放式结构时，由本像素发声单元组成的静电击穿式扬声器可以在正常环境中实现发声，由于水存在部分导电性，静电击穿式扬声器不能直接作用于水，因此将壳体设置为封闭式结构，可以实现静电击穿式扬声器在水下发声。

上述结构中的第一放电端和第二放电端可以为倍压整流电路。为实现静电击穿，像素发声单元需要提供高压、低电流的脉冲电信号，即在第一放电端和第二放电端任意一端施加的静电击穿电压一般大于2000V，且电流小于10mA。由于低电流小于人体的安全电流，可以保证静电击穿扬声器设计不会对人体产生短路危害，另外低电流可以使扬声器的功耗低。

根据上述结构可知，本像素发声单元通过在第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使内部介质发生电离放电，产生高温，剧烈热胀冷缩推动内部介质产生一束强声波脉冲，产生的声波脉冲声压级高，且通过静电击穿内部介质实现直接发声，不需要振膜驱动，发声速度响应快；另外由于静电击穿的像素发声单元没有振膜的概念，结构尺寸可以更小，可以增大单位面积的发声像素数量，提高数字发声音质。本像素发声单元仅通过两个放电端以及内部介质即可实现发声，结构简单，且由于施加的静电击穿电压为低电流，因此功耗低。

作为一种可能实现的方式，当壳体为开放式结构时，参见图2和图3，像素发声单元中第一放电端和第二放电端之间的内部介质可以为空气，壳体为绝缘层，绝缘层形成一个立体空间，第一放电端和第二放电端以及内部介质设置在绝缘层内部，用于防止第一放电端和第二放电端放电过程中电荷外泄。绝缘层的一侧设置有开口，开口可以与第一放电端位于同一面，空气通过开口进入壳体，同时产生的声波脉冲从开口发出。

其中，开口形状可以根据需要设计，可以设计为对称结构，也可以设计为不对称结构，如图4所示，为壳体中开口结构所在面的结构，示出了不同形状开口结构，图4中的（a）中的开口为不对称结构，在该表面的三端设置有连通的开口；图4中的（b）为对称结构，在该表面的左右两端均设置有不相互连通的开口；图4中的（c）也为对称结构，在该表面四角处分别设置了互不连通的开口。如图5所示，为图4中的（a）不对称开口结构对应的像素发声单元的立体结构。

壳体可以为封闭式结构，图6和图7示出了壳体为封闭式结构的两种方案。

作为一种可选的方式，如图6所示，像素发声单元的壳体包括两个弹性薄壁，第一放电端和第二放电端之间存在的内部介质可以为空气，两个弹性薄壁与第一放电端和第二放电端形成封闭空间，像素发声单元在实际工作中，在第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩推动两个弹性薄壁振动，从而推动外界介质发出声波脉冲，两个弹性薄壁可以将外界介质和两个放电端间的内部介质隔离开，外界介质可以为水或空气。因此由此像素发声单元结构组成的数字扬声器可以实现在水下发声也可以在正常环境中发声。外界介质为像素单元外的介质。

作为另一种可选的方式，如图7所示，像素发声单元的壳体为绝缘隔离层，壳体为U型结构，U型结构的一端设置有第一封闭壳体，U型结构的另一端设置有第二封闭壳体，第一放电端位于第一封闭壳体内，第二放电端位于第二封闭壳体内，绝缘隔离层将第一放电端和第二放电端与两个放电端之间的内部介质隔离开，同时防止第一放电端和第二放电端产生的电场未击穿前电荷释放。由此像素发声单元结构组成的数字扬声器可以实现在水下发声也可以实现在正常环境中发声，此时第一放电端和第二放电端之间的内部介质可以为水或空气。

本发明还提供一种像素发声单元发声方法，应用于上述像素发声单元，像素发声单元包括：第一放电端和第二放电端；第一放电端与所述第二放电端相对设置，且第一放电端和第二放电端之间设置有内部介质；方法包括：

获取待施加的静电击穿电压；

将静电击穿电压施加在第一放电端和第二放电端中的任意一端，使内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩发出声波脉冲；第一放电端和所述第二放电端用于在所述内部介质中形成电场。

参见图8，本发明还提供一种数字扬声器，包括多个级联成阵列的如上述像素发声单元结构。数字扬声器通过数字声音重构将多个像素发声单元产生的声波脉冲叠加，产生声音。

通过上述结构和实际工作过程可知，本发明提供的一种像素发声单元、发声方法及数字扬声器可以改善原有模拟电离扬声器发声音质差的问题，改善静电式数字扬声器的声压级低的问题，另外解决了静电式数字扬声器无法在水声领域中应用的问题，静电击穿的像素发声单元没有振膜的概念，结构尺寸可以更小，可以增大单位面积的发声像素数量，提高数字发声音质。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种像素发声单元，其特征在于，包括：

第一放电端和第二放电端；所述第一放电端和所述第二放电端之间存在内部介质；在所述第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使所述内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩发出声波脉冲；所述像素发声单元还包括壳体，所述壳体为封闭式结构，所述壳体为绝缘隔离层，所述壳体为U型结构，所述U型结构的一端设置有第一封闭壳体，所述U型结构的另一端设置有第二封闭壳体，所述第一放电端位于所述第一封闭壳体内，所述第二放电端位于所述第二封闭壳体内，所述绝缘隔离层将所述第一放电端和第二放电端与所述内部介质隔离，用于防止所述第一放电端和第二放电端产生的电场未击穿前电荷释放。

2.根据权利要求1所述像素发声单元，其特征在于，所述第一放电端和所述第二放电端置于所述壳体内。

3.根据权利要求2所述像素发声单元，其特征在于，所述壳体包括两个弹性薄壁，两个所述弹性薄壁与所述第一放电端和所述第二放电端形成封闭空间，在所述第一放电端和第二放电端任意一端施加静电击穿电压，使所述内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩推动两个所述弹性薄壁振动，从而推动外界介质发出声波脉冲，所述外界介质为水或空气。

4.根据权利要求1所述像素发声单元，其特征在于，所述第一放电端和所述第二放电端为倍压整流电路，在所述第一放电端和第二放电端任意一端施加的所述静电击穿电压大于2000V，且电流小于10mA。

5.根据权利要求1所述像素发声单元，其特征在于，施加的所述静电击穿电压以及第一放电端和第二放电端之间的距离是根据帕邢定律设置的。

6.一种像素发声单元发声方法，其特征在于，应用于像素发声单元，所述像素发声单元包括：第一放电端和第二放电端；所述第一放电端与所述第二放电端相对设置，且第一放电端和第二放电端之间设置有内部介质；所述像素发声单元还包括壳体，所述壳体为封闭式结构，所述壳体为绝缘隔离层，所述壳体为U型结构，所述U型结构的一端设置有第一封闭壳体，所述U型结构的另一端设置有第二封闭壳体，所述第一放电端位于所述第一封闭壳体内，所述第二放电端位于所述第二封闭壳体内，所述绝缘隔离层将所述第一放电端和第二放电端与所述内部介质隔离，用于防止所述第一放电端和第二放电端产生的电场未击穿前电荷释放；所述方法包括：

获取待施加的静电击穿电压；

将所述静电击穿电压施加在所述第一放电端和第二放电端中的任意一端，使所述内部介质发生电离放电，产生热胀冷缩发出声波脉冲；所述第一放电端和所述第二放电端用于在所述内部介质中形成电场。

7.一种数字扬声器，其特征在于，包括多个级联成阵列的如权利要求1~5任意一项所述的像素发声单元。