DE102017106256A1

DE102017106256A1 - Mikroelektromechanischer Lautsprecher

Info

Publication number: DE102017106256A1
Application number: DE102017106256.4A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Yauheni Belahurau; Manuel Dorfmeister; Christoph Glacer; Manfred Kaltenbacher; Ulrich Schmid; Michael Schneider; David Tumpold
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US10462580B2; US20180279055A1

Abstract

Ein mikroelektromechanischer Lautsprecher kann Folgendes umfassen: mehrere elementare Lautsprecher, die jeweils eine Ansteuereinheit und eine durch die Ansteuereinheit auslenkbare Membran umfassen, und einen Controller, der dazu ausgelegt ist, jeweils Steuersignale an die Ansteuereinheiten zu liefern. Die Ansteuereinheiten können jeweils dazu ausgelegt sein, die entsprechenden Membrane gemäß den jeweiligen Steuersignalen, die von dem Controller geliefert werden, auszulenken, um akustische Wellen zu erzeugen. Ein Steuersignal, das an mindestens eine Ansteuereinheit geliefert wird, kann mindestens ein lokales Extremum aufweisen, und ein globales Extremum einer Krümmung des Steuersignals mit einem höchsten absoluten Wert der Krümmung kann sich an einer Position des Steuersignals befinden, die einer Position des mindestens einen lokalen Extremums des Steuersignals vorangeht.

Description

Technisches Gebiet
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf einen mikroelektromechanischen Lautsprecher, der dazu ausgelegt ist, akustische Wellen digital zu rekonstruieren.
Hintergrund
Mikroelektromechanische Lautsprecher, die dazu ausgelegt sind, akustische Wellen digital zu rekonstruieren, wurden in den letzten Jahren zu einem Gegenstand intensiver Forschung, da sie die Möglichkeit bieten, digitale Informationen, die Schall kodieren, direkt in Schall zu transformieren. Der momentan durch herkömmliche mikroelektromechanische Lautsprecher dieser Art aus digitalen Signalen erreichbare Schalldruck ist allerdings gering.
Daher besteht ein Bedarf an mikroelektromechanischen Lautsprechern, die dazu ausgelegt sind, akustische Wellen in einer hocheffizienten Weise digital zu rekonstruieren.
Zusammenfassung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein mikroelektromechanischer Lautsprecher bereitgestellt. Der mikroelektromechanische Lautsprecher kann Folgendes umfassen: mehrere elementare Lautsprecher, die jeweils eine Ansteuereinheit und eine durch die Ansteuereinheit auslenkbare Membran umfassen, und einen Controller, der dazu ausgelegt ist, jeweils Steuersignale an die Ansteuereinheiten zu liefern. Die Ansteuereinheiten können jeweils dazu ausgelegt sein, die entsprechenden Membrane gemäß den jeweiligen Steuersignalen, die von dem Controller geliefert werden, auszulenken, um akustische Wellen zu erzeugen. Ein Steuersignal, das an mindestens eine Ansteuereinheit geliefert wird, kann mindestens ein lokales Extremum aufweisen, ferner kann sich ein globales Extremum einer Krümmung des Steuersignals mit einem höchsten absoluten Wert der Krümmung an einer Position des Steuersignals, die einer Position des mindestens einen lokalen Extremums des Steuersignals vorangeht, befinden.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen über die verschiedenen Ansichten hinweg auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird im Allgemeinen Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Offenbarung darzustellen. In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften mikroelektromechanischen Lautsprechers, der mehrere Speaklets umfasst, ist;
2 ein herkömmliches Steuersignal zum Steuern eines Speaklets zeigt;
3 eine beispielhafte periodische akustische Welle, die digital rekonstruiert werden soll, zeigt;
4 ein Schema des Überlagerns mehrerer Schallimpulse zeigt, die durch mehrere Speaklets zum Rekonstruieren der in 3 gezeigten akustischen Wellen erzeugt werden;
5 die Auslenkung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung einer Membran zeigt, die gemäß den in 2 gezeigten Steuersignalen oszilliert;
6 einen Schalldruckimpuls, der durch eine wie in 5 gezeigt oszillierende Membran erzeugt wird, zeigt;
7 ein Steuersignal gemäß der vorliegenden Offenbarung sowie die Auslenkung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung einer Membran, die gemäß diesem Steuersignal oszilliert, zeigt;
8 ein modifiziertes Steuersignal gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
9 eine schematische Ansicht eines mikroelektromechanischen Lautsprechers zeigt, der mehrere Speaklets umfasst, die in mehrere Bitgruppen gruppiert sind;
10A eine digital rekonstruierte akustische Welle zeigt;
10B die Beträge der Frequenzkomponenten der in 10A gezeigten digital rekonstruierten akustischen Welle zeigt;
11 eine Darstellung ist, die ein modifiziertes Betriebsprinzip der in 9 gezeigten Speaklets zeigt;
12A eine digital rekonstruierte akustische Welle gemäß dem modifizierten Betriebsprinzip, das in 11 gezeigt ist, zeigt;
12B die Beträge der Frequenzkomponenten der in 12A gezeigten digital rekonstruierten akustischen Welle zeigt;
13 eine schematische Ansicht eines modifizierten mikroelektromechanischen Lautsprechers ist, der mehrere Speaklets, die in mehrere Bitgruppen gruppiert sind, und eine zusätzliche Speakletgruppe umfasst, ist;
14 eine Darstellung ist, die ein weiteres Betriebsprinzip zum Betreiben des in 13 gezeigten Lautsprechers zeigt;
15A eine akustische Welle zeigt, die durch einen Lautsprecher gemäß 13, der drei Bitgruppen umfasst, digital rekonstruiert ist;
15B die Beträge der Frequenzkomponenten der in 15A gezeigten digital rekonstruierten akustischen Welle zeigt;
15C eine akustische Welle zeigt, die durch einen Lautsprecher gemäß 13, der vier Bitgruppen umfasst, digital rekonstruiert ist;
15D die Beträge der Frequenzkomponenten der in 15C gezeigten digital rekonstruierten Schallwelle zeigt;
16 eine Tabelle ist, die die Hauptmerkmale verschieden konfigurierter mikroelektromechanischer Lautsprecher, die auf unterschiedliche Weisen betrieben werden, zusammenfasst;
17A eine beispielhafte Schallwelle mit einer Frequenz von 1 kHz, die digital rekonstruiert werden soll, zeigt; und
17B ein beispielhaftes Schema zum digitalen Rekonstruieren der in 17A gezeigten Schallwelle zeigt.

Beschreibung
Die folgende genaue Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft spezifische Einzelheiten und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen.
Das Wort „beispielhaft“ wird hier in der Bedeutung“als Beispiel, Fall oder Abbildung dienend“ verwendet. Jede hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Anordnung ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Anordnungen anzusehen.
1 ist eine schematische Ansicht eines mikroelektromechanischen Lautsprechers 100. Der mikroelektromechanische Lautsprecher 100 kann mehrere elementare Lautsprecher 102-1, 102-2, ... 102-M und einen Controller 104 umfassen. Die elementaren Lautsprecher 102-1, 102-2, ..., 102-M sind im Folgenden generell als Speaklets bezeichnet. Jedes der Speaklets 102-1, 102-2, ... 102-M kann jeweilige Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M und jeweilige Membrane 108-1, 108-2, ..., 108-M, die durch eine jeweilige Ansteuereinheit 106-1, 106-2, ..., 106-M auslenkbar sind, umfassen.
Der Controller 104 kann dazu ausgelegt sein, Steuersignale S1, S2, ..., SM an die jeweiligen Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M beispielsweise über jeweilige Steuerleitungen 110-1, 110-2, ..., 110-M zu liefern. Die Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M können dazu ausgelegt sein, die zugehörigen Membrane 108-1, 108-2, ..., 108-M gemäß den Steuersignalen S1, S2, ..., SM, die durch den Controller 104 geliefert werden, auszulenken, um dadurch akustische Wellen zu erzeugen.
Mindestens eine Ansteuereinheit 106-1, 106-2, ..., 106-M, mehrere Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M oder sogar alle Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M können dazu ausgelegt sein, eine elektrische Ansteuerspannung oder einen Ansteuerstrom an eine entsprechende Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M anzulegen, um beispielsweise eine elektrostatische Kraft gemäß den jeweiligen Steuersignalen S1, S2, ..., SM, die von dem Controller 104 geliefert werden, zu erzeugen, um die jeweiligen Membrane 108-1, 108-2, ..., 108-M auszulenken. Alternativ oder zusätzlich können mindestens eine Ansteuereinheit 106-1, 106-2, ..., 106-M, mehrere Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M oder sogar alle Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M ein jeweiliges piezoelektrisches Element umfassen und die entsprechende Ansteuereinheit 106-1, 106-2, ..., 106-M kann dazu ausgelegt sein, eine elektrische Spannung und/oder einen Strom gemäß einem Steuersignal S1, S2, ..., SM, das durch den Controller 104 geliefert wird, an das piezoelektrische Element anzulegen, um die Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M des entsprechenden Speaklets 102-1, 102-2, ..., 102-M gemäß den jeweiligen Steuersignalen Si, S2, ..., SM auszulenken.
Beispielhaft kann der Controller 104 eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder einen Mikrocontroller und/oder eine feldprogrammierbare Gateanordnung (FPGA) und/oder ein programmierbares Ein-Chip-System (pSoC) umfassen oder als solches ausgelegt sein. Für Fachleute im Bereich der Steuerung kann der Controller 104 jede geeignete Steuereinheit, die den vorher erwähnten ähnlich ist, sein.
Die Speaklets 102-1, 102-2, ..., 102-M des mikroelektromechanischen Lautsprechers 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung können durch den Controller 104 so gesteuert werden, dass sie akustische Wellen (Schall) durch die Überlagerung von Schallimpulsen, die durch die einzelnen Speaklets 102-1, 102-2, ..., 102-M erzeugt werden, erzeugen. Dieser Ansatz wird im Allgemeinen als digitale Schallrekonstruktion (DSR) bezeichnet.
Im Folgenden werden die Merkmale von akustischen Wellen, die durch eine vibrierende Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M erzeugt werden, kurz beschrieben.
Im Allgemeinen ist der Schalldruck p_a, der durch eine vibrierende Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M bei einem Abstand R davon erzeugt wird, durch die folgende Gleichung gegeben:
$p_{a} (R, t) \approx ρ_{0} / (4 π R) \cdot \partial^{2} u / \partial t^{2} \cdot Γ$
In Gleichung (1) ist ρ₀ die mittlere Dichte eines Fluids wie etwa Luft, das die Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M umgibt, R ein Abstand von der Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M, u eine Auslenkung der Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M, t die Zeit, ∂²u/∂t² eine Beschleunigung der Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M und Γ die Fläche der Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M. Wie durch die obige Gleichung (1) angegeben ist der Schalldruck p_a, der durch eine vibrierende Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M erzeugt wird, annähernd proportional zu der Beschleunigung der Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M.
Die durch einen Controller gelieferten Steuersignale sind in einem herkömmlichen mikroelektromechanischen Lautsprecher üblicherweise wie in 2 gezeigt glockenförmig. Wie in 2 gezeigt weist ein derartiges herkömmliches glockenförmiges Steuersignal CS ein einzelnes lokales Maximum CS_max auf und ist im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine vertikale Linie VL, die das Maximum CS_max des Steuersignals CS schneidet. Das in 2 gezeigte Steuersignal CS weist eine ansteigende Flanke RE zwischen einem Initialwert CS_ini und dem Maximum CS_max, und eine fallende Flanke FE zwischen dem Maximum CS_max und einem Endwert CS_end des Steuersignals CS auf. Die Dauer des Steuersignals CS entspricht der Zeitspanne zwischen dem Initialwert CS_ini und dem Endwert CS_end des Steuersignals CS und wird als digitale Zeit T_dig bezeichnet.
Die digitale Zeit T_dig kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der durch digitale Schallrekonstruktion zu rekonstruierenden Schallwelle sowie der Anzahl M von Speaklets festgelegt werden. In 3 ist die Variation des Schalldrucks (akustischen Drucks) p_a einer beispielhaften akustischen Welle im Zeitverlauf gezeigt. Die in 3 gezeigte beispielhafte akustische Welle ist periodisch, d. h. monofrequent. Als solche ist sie unter anderem durch ihre Periode T_audio oder durch ihre Frequenz f_audio, die der inverse Wert der Periode T_audio, d. h. T_audio= 1/f_audio, ist, charakterisiert.
Durch Anlegen des in 2 gezeigten Steuersignals CS an die Speaklets eines mikroelektromechanischen Lautsprechers in einer vorbestimmten Weise kann die in 3 gezeigte Schallwelle digital rekonstruiert werden. Dies ist beispielhaft in 4 gezeigt. Die drei Diagramme von 4 zeigen einzelne Impulsfolgen, die aus mehreren Steuersignalen, die in 2 gezeigt sind, sowie aus mehreren daraus gebildeten negativen Impulsen bestehen, die an eine jeweilige vorbestimmte Anzahl von Speaklets eines mikroelektromechanischen Lautsprechers angelegt werden. In einem beispielhaften mikroelektromechanischen Lautsprecher können die Impulsfolgen in dem oberen Diagramm an eine erste vorbestimmte Anzahl von Speaklets angelegt werden, die Impulsfolgen in dem mittleren Diagramm können an eine zweite vorbestimmte Anzahl von Speaklets angelegt werden, und die Impulsfolgen in dem unteren Diagramm von Fig. 4 können an eine dritte vorbestimmte Anzahl von Speaklets angelegt werden. Jedes Speaklet, an das die jeweiligen Impulsfolgen angelegt werden, erzeugt Schallimpulse. Durch eine Überlagerung der Schallimpulse, die durch die einzelnen Speaklets erzeugt werden, kann die in 3 gezeigte Schallwelle erzeugt werden, d. h. digital rekonstruiert werden.
Wie in 4 gezeigt weist die digital zu rekonstruierende Schallwelle eine Frequenz f_audio von etwa 500 Hz auf.
Da bei der digitalen Schallrekonstruktion eine vorbestimmte akustische Welle durch eine Überlagerung mehrerer einzelner Schallimpulse, die durch einzelne Speaklets erzeugt werden, erzeugt wird, wird für eine effiziente digitale Schallrekonstruktion eine effiziente Erzeugung von Schallimpulsen durch die einzelnen Speaklets benötigt, d. h. die Erzeugung von Schallimpulsen mit einem hohen Schalldruck.
Der Schalldruck, der durch ein gegebenes Speaklet erzeugt werden kann, hängt insbesondere von der genauen Konfiguration eines Steuersignals ab, das die Erzeugung der Schallimpulse durch ein auf der Basis davon gesteuertes Speaklet steuert. Dies wird nachfolgend ausgehend von dem in 2 gezeigten Steuersignal unter Bezugnahme auf 5 erklärt.
5 zeigt die Auslenkung u in der Mitte einer durch ein in 2 gezeigtes Steuersignal gesteuerten Membran. In 5 sind die Geschwindigkeit v der Membran in der Mitte davon sowie die Beschleunigung der Membran in der Mitte davon gezeigt. Wie vorher in Bezug auf Gleichung (1) gezeigt ist der Schalldruck p_a, der durch die vibrierende Membran erzeugt wird, proportional zu der zweiten Zeitableitung der Auslenkung der Membran, d. h. proportional zu ihrer Beschleunigung. Daraus folgt, dass die Beschleunigung der Membran für den durch die vibrierende Membran erzeugten Schalldruck p_a bezeichnend ist.
Wie in 5 gezeigt weist die Beschleunigung der Membran positive und negative Amplituden in Bezug auf einen Anfangswert a_ini davon auf, die auch in dem Schalldruck vorhanden sind, wie deutlich in 6 ersichtlich ist, die die Amplitude des entsprechenden Schalldrucks p_a im Zeitverlauf zeigt. In 6 bezeichnet T_flight die Zeit, die die Schallwellen, die durch eine vibrierende Membran erzeugt werden, benötigen, um ein Mikrophon zu erreichen. T_dig bezeichnet die oben erörterte digitale Zeit.
Wie in 6 deutlich ersichtlich ist, weist der durch die vibrierende Membran eines Speaklets erzeugte Schalldruck p_a sowohl positive als auch negative Amplituden ähnlichen Betrags auf, was zu einer Auslöschung von Schallimpulsen, die durch ein Speaklet erzeugt werden, führt, wenn sie sich mit den Schallimpulsen, die durch andere Speaklets des mikroelektromechanischen Lautsprechers erzeugt werden, interferieren.
Diese Probleme können durch ein in 7 gezeigtes Steuersignal S überwunden werden. Das in 7 gezeigte Steuersignal S weist ein lokales Minimum S_min, das kleiner als ein Anfangswert S_ini davon ist, und ein lokales Maximum S_max, das größer als der Anfangswert S_ini des Steuersignals S ist, auf.
Ein globales Maximum amax einer Krümmung des Steuersignals S mit einem höchsten Absolutwert der Krümmung befindet sich an einer Position (einem Zeitpunkt) t_amax des Steuersignals S, die einer Position t_Smin des lokalen Minimums S_min des Steuersignals S und einer Position t_Smax des lokalen Maximums S_max des Steuersignals S vorangeht. Der Absolutwert des Maximums amax der Krümmung kann in Bezug auf einen Anfangswert a_ini der Krümmung, d. h. als Differenz zwischen a_max und a_ini, definiert sein. Die obige Beziehung kann durch die entsprechenden Zeitpunkte oder Positionen tamax, tsmin, und t_Smax des globalen Maximums amax der Krümmung des Steuersignals S, des lokalen Minimums S_min des Steuersignals S bzw. des lokalen Maximums S_max des Steuersignals S ausgedrückt werden:
$t_{amax} {<t}_{Smin} {<T}_{Smax} .$
Wie in 7 gezeigt kann ein derart ausgebildetes Steuersignal S mit einer asymmetrischen Form versehen sein, die einen Signalabschnitt mit einer hohen Krümmung zum Erzeugen eines Schallimpulses mit einem hohen Schalldruck eines vorbestimmten Vorzeichens und einem Signalabschnitt, der das lokale Minimum S_min und das lokale Maximum S_max enthält, zum Wiederherstellen der Anfangsposition der Membran auf wohldefinierte Weise enthalten, wodurch Signalabschnitte mit einer hohen Krümmung eines Vorzeichens, das dem Vorzeichen des globalen Maximums a_max entgegengesetzt ist, vermieden werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform können das lokale Maximum S_max und das lokale Minimum S_min dadurch gekennzeichnet sein, dass die erste Ableitung des Steuersignals S zu den jeweiligen Zeitpunkten t_Smax und t_Smin des lokalen Maximums S_max bzw. des lokalen Minimums S_min verschwindet.
In 7 ist die Auslenkung u in der Mitte einer Membran eines Speaklets, das durch das Steuersignal S gesteuert wird, zusammen mit der Geschwindigkeit v und der Beschleunigung a der Membran in der Mitte davon gezeigt. Wie in 7 deutlich ersichtlich ist, weist die Beschleunigung a der Mitte der Membran ähnlich zu der in 5 gezeigten Beschleunigung lokale Maxima und lokale Minima auf. Im Gegensatz zu der in 5 gezeigten Beschleunigung ist der Betrag des globalen Maximums amax in Bezug auf einen Anfangswert a_ini davon bedeutend größer als der Betrag des globalen Minimums a_min in Bezug auf einen Anfangswert a_ini davon. Daher ist der Effekt gegenseitiger Auslöschung der durch verschiedene Speaklets eines mikroelektromechanischen Schallwandlers erzeugten Schallimpulse verglichen mit Schallimpulsen, die durch durch die in 2 gezeigten Steuersignale gesteuerten Speaklets erzeugt werden, verringert. Auf diese Weise können, verglichen mit Speaklets, die durch einen in 2 dargestellten Steuerimpuls CS gesteuert werden, Schallimpulse mit einem höheren Nettoschalldruck eines bestimmten Vorzeichens erzeugt werden.
In einem Ausführungsbeispiel können der Anfangswert S_ini und/oder der Endwert S_end des Steuersignals S gleich, beispielsweise null, sein. Auf diese Weise kann eine nahtlose Anregung einer Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M eines Speaklets 102-1, 102-2, ..., 102-M sichergestellt werden, wodurch eine genaue digitale Rekonstruktion von Schall möglich wird. Zusätzlich kann das Steuersignal S eine verschwindende erste und zweite Ableitung an seiner Startposition oder einem Zeitpunkt t₀ und/oder an seiner Endposition oder einem Zeitpunkt T_dig aufweisen.
Wie in 7 gezeigt ist das lokale Maximum S_max des Steuersignals S größer als ein Endwert S_end des Steuersignals S und das lokale Minimum S_min des Steuersignals S ist kleiner als der Endwert S_end des Steuersignals S. Auf diese Weise kann die Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M eines Speaklets 102-1, 102-2, ..., 102-M um eine neutrale Position davon oszillieren, wodurch eine im Wesentlichen lineare Ablenkung der einzelnen Membran 108-1, 108-2, ..., 108-M ermöglicht wird, was wiederum eine genaue digitale Rekonstruktion von Schall ermöglicht.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das lokale Maximum S_max ein globales Maximum des Steuersignals S und/oder das lokale Minimum S_min ist ein globales Minimum des Steuersignals S. Auf diese Weise kann ein Steuersignal S mit nur zwei lokalen Extrema bereitgestellt werden, was wiederum zu einer Verringerung von Oberschwingungsverzerrungen beiträgt, da eine Membran, die durch ein derartiges Steuersignal S gesteuert wird, ihre Richtung während der digitalen Zeit T_dig nur zweimal ändert.
Wie in 7 gezeigt kann das Steuersignal Folgendes umfassen: eine erste fallende Flanke FE1 zwischen dem Anfangswert S_ini des Steuersignals S und dem globalen Minimum S_min des Steuersignals S, eine steigende Flanke RE zwischen dem globalen Minimum S_min des Steuersignals S und dem globalen Maximum S_max des Steuersignals S, und eine zweite fallende Flanke FE2 zwischen dem globalen Maximum S_max des Steuersignals S und dem Endwert S_end des Steuersignals S.
Die erste fallende Flanke FE1 des Steuersignals S kann wie in 7 gezeigt monoton fallend sein oder sogar strikt monoton fallend sein. Die zweite fallende Flanke FE2 des Steuersignals S kann wie in 7 gezeigt ebenso monoton fallend sein oder sogar strikt monoton fallend sein. Die steigende Flanke RE des Steuersignals S kann wie in 7 gezeigt monoton steigend oder sogar strikt monoton steigend sein. Ein Steuersignal dieser Art weist nur zwei lokale Extrema auf, d. h. das globale Maximum S_max und das globale Minimum S_min, was wie vorher erwähnt zu einer Verringerung von Oberschwingungsverzerrungen beitragen kann.
Wie ebenfalls in 7 gezeigt ist die Differenz zwischen dem Anfangswert S_ini und dem globalen Minimum S_min größer als als die Differenz zwischen dem globalen Maximum S_max und dem Anfangswert S_ini. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Differenz zwischen dem Anfangswert S_ini und dem globalen Minimum S_min mehr als zweimal so groß, optional mehr als fünf mal so groß, weiterhin optional mehr als zehn mal so groß wie die Differenz zwischen dem globalen Maximum S_max des Steuersignals S und dem Anfangswert S_ini davon sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Differenz zwischen dem Zeitpunkt t_Smin des globalen Minimums S_min und dem Anfangszeitpunkt t₀ des Steuersignals S kleiner sein als die Differenz zwischen dem Zeitpunkt t_Smax des globalen Maximums S_max und dem Zeitpunkt tsmin des globalen Minimums S_min. Hiermit kann effizient ein Ungleichgewicht zwischen positiven und negativen Schalldruckamplituden erzeugt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Dauer T_dig* des Steuersignals S, während der die Beschleunigung a positiv ist, weniger als T_dig/5, optional weniger als T_dig/4, weiterhin optional weniger als T_dig/3 betragen.
Eine alternative Implmentierung eines Steuersignals gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 8 gezeigt. Das in 8 gezeigte Steuersignal S' kann aus einem in 7 gezeigten Steuersignal durch Invertierung erhalten werden. Die Steuersignale S und S' können folglich verwendet werden, um positive bzw. negative Druckimpulse durch die Speaklets eines mikroelektromechanischen Lautsprechers zu erzeugen.
Wie in 8 gezeigt weist das Steuersignal S' eine erste steigende Flanke RE1' zwischen einem Anfangswert S_ini' des Steuersignals S' und einem globalen Maximum S_max' des Steuersignals S', eine fallende Flanke FE' zwischen dem globalen Maximum S_max' des Steuersignals S' und dem globalen Minimum S_min' des Steuersignals S', und eine zweite steigende Flanke RE2' zwischen dem globalen Minimum S_min' des Steuersignals S' und einem Endwert S_end' des Steuersignals S', der der digitalen Zeit T_dig' entspricht, auf.
Die erste steigende Flanke RE1' des Steuersignals S' kann wie in 8 gezeigt monoton steigend oder sogar strikt monoton steigend sein. Die zweite steigende Flanke RE2' des Steuersignals S' kann wie in 8 gezeigt monoton steigend oder sogar strikt monoton steigend sein. Die fallende Flanke FE' des Steuersignals S' kann wie in 8 angezeigt monoton fallend oder sogar strikt monoton fallend sein.
Wie ebenfalls in 8 gezeigt ist die Differenz zwischen dem Anfangswert S_ini' und dem globalen Minimum S_min' kleiner als die Differenz zwischen dem globalen Maximum S_max' und dem Anfangswert S_ini'. Zusätzlich oder alternativ kann die Differenz zwischen dem Zeitpunkt t_Smax' des globalen Maximums S_max' und dem Anfangszeitpunkt t₀' des Steuersignals S' kleiner sein als die Differenz zwischen dem Zeitpunkt tsmin' des globalen Minimums S_min' und dem Zeitpunkt t_Smax' des globalen Minimums S_max'. Hiermit kann effizient ein Ungleichgewicht zwischen positiven und negativen Schalldruckamplituden erzeugt werden.
Zusätzlich können der Anfangswert S_ini' und der Endwert S_end' des Steuersignals S' gleich, beispielsweise null, sein. Auf diese Weise kann wie oben erwähnt eine Membran nahtlos ausgelenkt werden.
In einer beisipelhaften Ausführungsform kann eine Dauer T_dig* des Steuersignals S', während der die Beschleunigung a negativ ist, kleiner als T_dig/5, optional kleiner als T_dig/4, weiterhin optional kleiner als T_dig/3 sein.
Wie in 9 gezeigt können die elementaren Lautsprecher (Speaklets) 102-1, 102-2, ..., 102-M des oben erörterten Lautsprechers 100 in mehrere Elementarlautsprechergruppen (Speakletgruppen) SG1-SG4 gruppiert sein. Die Speaklets, die voneinander verschiedenen Elementarlautsprechergruppen SG1-SG4 zugordnet sind, sind durch jeweilige in 9 gezeigte vertikale oder horizontale Linien voneinander getrennt. Der Controller 104 kann dazu ausgelegt sein, einen vorbestimmten Zeitrahmen, beispielsweise mit einer Dauer der vorher erörterten digitalen Zeit T_dig, einer vorbestimmten Speakletgruppe SG1-SG4 zuzuordnen und gleichzeitig während des vorbestimmten Zeitrahmens T_dig Steuersignale S, S' an die Ansteuereinheiten 106-1, 106-2, ..., 106-M der elementaren Lautsprecher 102-1, 102-2, ..., 102-M der vorbestimmten Elementarlautsprechergruppen SG1-SG4 zu liefern.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die digitale Zeit T_dig größer oder gleich 20 kHz, optional größer oder gleich 40 kHz, sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform können die Speaklets 102-1, 102-2, ..., 102-M, die den jeweiligen Speakletgruppen SG1-SG4 zugeordnet sind, durch den Controller 104 in Abhängigkeit von der Amplitude der akustischen Welle, die digital rekonstruiert werden soll, gesteuert werden. Beispielhaft kann der Controller 104 dazu ausgelegt sein, Steuersignale S, S', die in 7 bzw. 8 gezeigt sind, während eines vorbestimmten Zeitrahmens T_dig an die Speaklets nur einer der Speakletgruppen SG1-SG4 zu liefern, wenn beispielsweise eine akustische Welle mit einer kleinen Amplitude digital rekonstruiert werden soll. Bei höheren Schallwellenamplituden, die rekonstruiert werden sollen, können die Speaklets anderer Speakletgruppen SG1-SG4 gesteuert werden, um ebenfalls einzeln Schall zu erzeugen.
Ein beispielhaftes digitales Schallrekonstruktionsschema zum digitalen Rekonstruieren einer sinusförmigen akustischen Welle mit einer Frequenz von 1 kHz, die in 17A gezeigt ist, ist beispielhaft in 17B auf der Basis eines beispielhaften Lautsprechers mit drei Speakletgruppen z. B. den in 9 gezeigten Speakletgruppen SG1 bis SG3, gezeigt. Wie in 17B gezeigt werden die Steuersignale S, S' in Abhängigkeit von dem Betrag des zu rekonstruierenden Schalldrucks an die Speaklets verschiedener Speakletgruppen SG1-SG3 geliefert. Genauer gesagt werden wie in 17B gezeigt bei niedrigen positiven und negativen Schalldrücken Steuersignale nur an die erste Speakletgruppe SG1 geliefert, während mittlere Schalldrücke mit Hilfe der zweiten Speakletgruppe SG2 und hohe Schalldrücke mit Hilfe der dritten Speakletgruppe SG3 erzeugt werden. Wie in 17B gezeigt werden die Speaklets einer Speakletgruppe wiederholt dazu verwendet, eine akustische Welle zu rekonstruieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Controller 104 dazu ausgelegt sein, zwei voneinander verschiedene Speakletgruppen SG1-SG4 jeweiligen Zeitrahmen T_dig, die miteinander überlappen, zuzuordnen, was bedeutet, dass der Controller 104 Steuersignale S, S' während der überlappenden Zeitspanne der jeweiligen Zeitrahmen an die Speaklets beider Speakletgruppen SG1-SG4 liefert.
Wie in 9 angegeben können die mehreren Speakletgruppen SG1-SG4 eine natürliche Zahl N von Bitgruppen BG1, ..., BGN mit paarweise verschiedenen Anzahlen von Speaklets umfassen oder aus diesen bestehen. Die Anzahl der Speaklets einer n-ten Bitgruppe kann 2^n-1, optional ein ganzzahliges Vielfaches von 2^n-1, betragen. Hierbei ist n eine natürliche Zahl, die in einem Bereich zwischen 1 und N liegt.
In dem beispielhaften in 9 gezeigten Lautsprecher sind vier Bitgruppen BG1 bis BG4 vorgesehen. Die erste Bitgruppe BG1 umfasst ein einzelnes (2^1-1=2⁰) Speaklet 102-1. Die zweite Bitgruppe BG2 umfasst 2(=2^2-1) Speaklets 102-2, 102-3. Die dritte Bitgruppe BG3 umfasst 4(=2^3-1) Speaklets 102-4 bis 102-7. Die vierte Bitgruppe BG4 umfasst 8 (=2^4-1) Speaklets 102-8 bis 102-15.
Die Anzahl von Bitgruppen ist natürlich nicht auf vier begrenzt, sondern kann in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung variiert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Lautsprecher 100 nur die erste bis dritte Bitgruppe BG1 to BG3 einschließlich einer Gesamtzahl von 7 Speaklets 102-1 bis 102-7 umfassen.
Das Gruppieren der Speaklets 102-1 bis 102-15 in Bitgruppen wie oben beschrieben bietet eine einfache Weise der digitalen Rekonstruktion von Schall, der digital auf einer Datenspeichervorrichtung kodiert ist, ohne Notwendigkeit des Bereitstellens komplexer Verarbeitungsvorrichtungen zur Umwandlung unterschiedlicher Datenformate.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Controller 104 dazu ausgelegt sein, mehreren der Bitgruppen BG1 bis BG4 oder allen Bitgruppen BG1 bis BG4 jeweilige Zeitrahmen T_dig, die nicht miteinander überlappen, zuzuordnen.
Das Ergebnis einer digitalen Rekonstruktion einer akustischen Welle durch einen Lautsprecher, der einen Controller umfasst, der dazu ausgelegt ist, einzelnen Bitgruppen miteinander nicht überlappende Zeitrahmen zuzuordnen, ist in 10A gezeigt. In 10A ist der Schalldruck, der durch einen mikroelektromechanischen Lautsprecher 100 mit drei Bitgruppen erzeugt wird, (in 10A mit „Digital“ bezeichnet) zusammen mit einem Vergleichsbeispiel (in 10B mit „Analog“ bezeichnet), bei dem alle Speaklets mit einem harmonischen Signal angesteuert werden, das die gleiche Amplitude wie der Maximalwert des Steuersignals aufweist, dargestellt. Wie in dieser Figur klar ersichtlich ist, kann ein höherer Schalldruck erzeugt werden, indem die Spreaklets 102-1 bis 102-7 durch ein oben beschriebenes Steuersignal S, S' gesteuert werden. Hierbei beträgt die Audiofrequenz f_audio 500 Hz und die Trägerfrequenz beträgt 54 kHz.
Die Qualität der digitalen Rekonstruktion kann mittels der Gesamt-Oberschwingungsverzerrung THD charakterisiert werden, die durch die folgende Gleichung definiert ist:
$THD = \sum_{n > 1} A_{n} {/A}_{1} .$
In Gleichung (3) bezeichnet A_n die Beträge der Frequenzkomponenten der digital rekonstruierten akustischen Welle, die in 10A gezeigt ist. A₁ bezeichnet die Amplitude der Frequenzkomponente mit der Frequenz f_audio. Die Beträge der Frequenzkomponenten An der in 10A gezeigten akustischen Welle sind in 10B dargestellt. Wie in 10B gezeigt sind die bedeutendsten Verzerrungen bei Frequenzen der Ordnung der Umkehrung der digitalen Zeit T_dig, d. h. bei Frequenzen in der Größenordnung von 1/T_dig, vorhanden. Für die digital rekonstruierte Schallwelle, die in 10A gezeigt ist, ist mit einem beispielhaften Lautsprecher eine THD von etwa 36 % erreicht worden. Je niedriger die Gesamt-Oberschwingungsverzerrung ist, desto glatter ist die digital rekonstruierte akustische Welle.
Ein weiteres Maß für die Qualität des digital rekonstruierten Schalls ist das Verhältnis R der oben definierten Amplitude A₁ zu der Amplitude A_a des Vergleichsbeispiels, das in 10A mit „Analog“ bezeichnet ist, d. h. R=A₁/A_a. Bei dem in 10A und 10B gezeigten Beispiel ist ein Verhältnis R von etwa 11,2 erzielt worden.
Die Qualität der digitalen Schallrekonstruktion kann verbessert werden, indem eine höhere Anzahl von Speaklets bereitgestellt wird, die gleichzeitig gesteuert werden können, z. B. durch eine höhere Anzahl von Bitgruppen. In dem oben unter Bezugnahme auf 10A und 10B beschriebenen Beispiel konnte die Gesamt-Oberschwingungsverzerrung auf etwa 29 % reduziert werden und das Verhältnis R konnte auf etwa 23,1 erhöht werden, indem die Anzahl der Bitgruppen in einem beispielhaften Lautsprecher von drei auf vier erhöht wurde.
In der folgenden Beschreibung wird die oben beschriebene Konfiguration als „Grundkonfiguration“ bezeichnet.
In der oben beschriebenen Grundkonfiguration überlappen die den einzelnen Bitgruppen BG1-BGN von dem Controller 104 zugeordneten Zeitrahmen nicht miteinander. In einer alternativen Konfiguration kann der Controller 104 dazu ausgelegt sein, den einzelnen Bitgruppen BG1-BGN-Zeitrahmen zuzuweisen, die miteinander überlappen. Genauer gesagt kann der Controller 104 dazu ausgelegt sein, einer n-ten Bitgruppe BGn einen n-ten Zeitrahmen zuzuordnen, der mit einem (n-1)-ten Zeitrahmen, der von dem Controller 104 einer (n-1)-ten Bitgruppe BGn-1 zugeordnet ist, und/oder mit einem (n+1)-ten Zeitrahmen, der von dem Controller 104 einer (n+1)-ten Bitgruppe BGn+1 zugeordnet ist, überlappt.
Dieses Betriebsprinzip des in 9 gezeigten mikroelektromechanischen Lautsprechers 100 wird nachfolgend anhand von 11 beschrieben
In 11 sind mehrere Rechtecksignale über der Zeit dargestellt. Das Rechtecksignal S(BG1) ist eine vereinfachte Darstellung eines in den 7 und 8 gezeigten Steuersignals S oder S', das während eines Zeitrahmens T_dig ^new, der von dem Controller 104 der ersten Gruppe BG1 zugeordnet ist, an den Speaklet 102-1 der ersten Bitgruppe BG1 angelegt wird. Der Zeitrahmen T_dig ^new kann doppelt so lang sein wie der oben diskutierte Zeitrahmen T_dig, d. h. T_dig ^new=2T_dig.
Das Rechtecksignal S(BG2) ist eine vereinfachte Darstellung eines in 7 und 8 dargestellten Steuersignals S oder S', das während eines Zeitrahmens T_dig ^new, der von dem Controller 104 der zweiten Gruppe BG2 zugeordnet wird, an die Speaklets 102-2 und 102-3 der zweiten Bitgruppe BG2 angelegt wird.
Das Rechtecksignal S(BG3) ist eine vereinfachte Darstellung eines in 7 und 8 gezeigten Steuersignals S oder S', das während eines Zeitrahmens T_dig ^new, der von dem Controller 104 der dritten Bitgruppe BG3 zugeordnet wird, an die Speaklets 102-4 und 102-7 der dritten Bitgruppe BG3 angelegt wird.
Durch die Überlappung der den verschiedenen Bitgruppen zugeordneten Zeitrahmen miteinander kann die Amplitude des Schalls mit einer unerwünschten Polarität reduziert werden. Eine Überlappung von zwei einzelnen Zeitrahmen miteinander kann erreicht werden, indem ein Zeitrahmen, der mit einem vorhergehenden Zeitrahmen überlappen soll, um T_dig ^new/2, d. h. um T_dig, vorgerückt wird.
Die mittels dieser Konfiguration erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 12A und 12B für einen beispielhaften mikroelektromechanischen Lautsprecher 100 mit vier Bitgruppen BG1-BG4 gezeigt. In 12A ist eine digital rekonstruierte Schallwelle mit der Bezeichnung „Digital“ zusammen mit einer Schallwelle mit der Bezeichnung „Analog“, die durch das oben beschriebene analoge Verfahren erzeugt wird, dargestellt. In 12B sind die Beträge der Frequenzkomponenten der digital rekonstruierten Schallwelle, die in 12A gezeigt ist, dargestellt.
Die oben unter Bezugnahme auf 11 sowie 12A und 12B beschriebene Konfiguration wird in der nachfolgenden Beschreibung als „Konfiguration mit überlappenden Rahmen“ bezeichnet. Mittels der Konfiguration mit überlappenden Rahmen konnte mit einem beispielhaften Lautsprecher ein Verhältnis R von etwa 8,5 und eine THD von etwa 12 % erreicht werden, was bedeutet, dass sowohl das Verhältnis R als auch die THD im Vergleich zu der oben beschriebenen Grundkonfiguration verringert werden konnten.
Ein modifizierter mikroelektrischer Lautsprecher 200 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. Wie in 13 gezeigt kann der modifizierte Lautsprecher 200 mehrere Bitgruppen, beispielsweise drei oder vier Bitgruppen BG1 bis BG4 ähnlich dem oben beschriebenen mikroelektromechanischen Lautsprecher 100, umfassen. Anders als der in 9 gezeigte Lautsprecher 100 umfasst der in 13 gezeigte Lautsprecher 200 eine zusätzliche Elementarlautsprechergruppe (Speakletgruppe) AS. In der folgenden Beschreibung wird die in 13 gezeigte Konfiguration wird als „Zusatzspeaklet-Konfiguration“ bezeichnet.
Die zusätzliche Speakletgruppe AS unterscheidet sich von den Bitgruppen BG1 bis BG4 und kann ein einzelnes zusätzliches Speaklet 102-A enthalten, wie es in 13 gezeigt ist, oder mehrere zusätzliche Speaklets.
Der Controller 104 kann dazu ausgelegt sein, der zusätzlichen Spreakletgruppe AS einen zusätzlichen Zeitrahmen T_dig ^AS zuzuordnen, der mit einem oder mehreren Zeitrahmen T_dig überlappt, die einer oder mehreren der Bitgruppen BG1 bis BG4 zugeordnet sind.
Das Betriebsprinzip des in 13 gezeigten mikroelektromechanischen Lautsprechers 200 ist in 14 dargestellt. In 14 sind mehrere Rechtecksignale über der Zeit in Einheiten der digitalen Zeit T_dig dargestellt. Das Rechtecksignal S(BG1) ist eine vereinfachte Darstellung eines in 7 bzw. 8 gezeigten Steuersignals S oder S', das während eines Zeitrahmens T_dig, der von dem Controller 104 der ersten Bitgruppe BG1 zugeordnet wird, an das Spreaklet 102-1 der ersten Bitgruppe BG1 angelegt wird.
Das Rechtecksignal S(BG2) ist eine vereinfachte Darstellung eines in 7 bzw. 8 gezeigten Steuersignals S oder S', das während eines Zeitrahmens T_dig ^AS, der von dem Controller 104 der zweiten Bitgruppe BG2 zugeordnet wird, an die Speaklets 102-2 und 102-3 der zweiten Bitgruppe BG2 angelegt wird.
Das Rechtecksignal S(AS) ist eine vereinfachte Darstellung eines in 7 bzw. 8 gezeigten Steuersignals S oder S', das während eines Zeitrahmens T_dig ^AS, der von dem Controller 104 der zusätzlichen Spreakletgruppe AS zugeordnet wird, an die an das zusätzliche Speaklet 102-A der zusätzlichen Speakletgruppe AS angelegt wird.
Wie in 14 deutlich ersichlich ist, überlappen die Signale S(BG1) und S(BG2) nicht miteinander, sondern jedes dieser Signale überlappt mit dem Signal S(AS) während der Hälfte der jeweiligen Zeitrahmen T_dig, die durch den Controller 104 jeweils der ersten und zweiten Bitgruppe BG1 und BG2 zugeordnet sind. Folglich kann die Dauer des der zusätzlichen Spreakletgruppe AS zugeordneten Zeitrahmens mit der Dauer der den Bitgruppen BG1, BG2 zugeordneten Zeiträume identisch sein.
Mit Hilfe der zusätzlichen Speakletgruppe AS können im Vergleich zur Grundkonfiguration ein höherer Schalldruck und eine geringere Gesamt-Oberschwingungsverzerrung erreicht werden, da aufgrund der Überlappung der jeweiligen Zeitrahmen miteinander das Spreaklet 102-A der zusätzlichen Spreakletgruppe AS Schall mit positivem Druck erzeugt, wenn die Sprecher der Bitgruppen Schall mit negativem Druck erzeugen, und umgekehrt.
Das Gesamtleistungsvermögen eines Lautsprechers mit einer zusätzlichen Spreakletgruppe, wie er oben beschrieben ist, hängt zusätzlich von der Anzahl der Bitgruppen ab. Mit einem beispielhaften Lautsprecher mit drei Bitgruppen und einer zusätzlichen Spreakletgruppe konnte ein Verhältnis R von etwa 13,4 und eine THD von etwa 23 % erreicht werden. Mit einem beispielhaften Lautsprecher mit vier Bitgruppen und einer zusätzlichen Spreakletgruppe konnte ein Verhältnis R von etwa 25,1 und eine THD von etwa 21 % erreicht werden. Demzufolge können im Vergleich zu der oben beschriebenen Grundkonfiguration durch die zusätzliche Speakletgruppe sowohl ein höherer Schalldruck, ausgedrückt durch das Verhältnis R, als auch eine niedrigere Gesamt-Oberwellenverzerrung THD erreicht werden.
15A bis 15D zeigen die Ergebnisse, die durch den in 13 gezeigten Lautsprecher 200 erzielt werden. Das Diagramm von 15A zeigt die digital rekonstruierte Schallwelle und das Diagramm von 15B zeigt die Beträge der Frequenzkomponenten davon für einen Lautsprecher 200 mit drei Bitgruppen und einer zusätzlichen Speakletgruppe. Das Diagramm von 15C zeigt die digital rekonstruierte Schallwelle und das Diagramm von 15D zeigt die Beträge der Frequenzkomponenten davon für einen Lautsprecher mit vier Bitgruppen und einer zusätzlichen Spreakletgruppe.
Das Verhältnis R, das mit einem beispielhaften Lautsprecher 200 mit drei Bitgruppen erhalten wird, beträgt etwa 13,4, und mit einem beispielhaften Lautsprecher 200 mit vier Bitgruppen etwa 25,1. Die THD, die mit einem beispielhaften Lautsprecher 200 mit drei Bitgruppen erhalten wird, beträgt etwa 23 %, und mit einem beispielhaften Lautsprecher 200 mit vier Bitgruppen etwa 21 %.
Die Ergebnisse der oben diskutierten Konfigurationen sind für beispielhafte Lautsprecher in der Tabelle von 16 zusammengefasst. Wie in dieser Tabelle deutlich ersichlich ist, wurde das höchste Verhältnis R durch einen beispielhaften Lautsprecher erzielt, der die Zusatzspeaklet-Konfiguration implementiert und vier Bit-Gruppen enthält. Die niedrigste THD wurde durch einen beispielhaften Lautsprecher erzielt, der die Konfiguration mit überlappenden Rahmen implementiert und vier Bitgruppen enthält.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Beispiel 1 ist ein mikroelektromechanischer Lautsprecher. Der Lautsprecher kann Folgendes umfassen: mehrere elementare Lautsprecher, die jeweils eine Ansteuereinheit und eine durch die Ansteuereinheit auslenkbare Membran umfassen, und einen Controller, der dazu ausgelegt ist, jeweils Steuersignale an die Ansteuereinheiten zu liefern. Die Ansteuereinheiten können jeweils dazu ausgelegt sein, die entsprechenden Membrane gemäß den jeweiligen Steuersignalen, die durch den Controller geliefert werden, auszulenken, um akustische Wellen zu erzeugen. Ein Steuersignal, das an mindestens eine Ansteuereinheit geliefert wird, optional Steuersignale, die an mehrere Ansteuereinheiten geliefert werden, ferner optional die Steuersignale, die an jede Ansteuereinheit geliefert werden, kann/können mindestens ein lokales Extremum aufweisen, und sich ein globales Extremum einer Krümmung des Steuersignals mit einem höchsten Absolutwert der Krümmung an einer Position des Steuersignals befinden kann, die einer Position des mindestens einen lokalen Extremums des Steuersignals vorangeht.
In Beispiel 2 kann der Gegenstand des Beispiels 1 optional ferner umfassen, dass das Steuersignal mehrere lokale Extrema aufweist.
In Beispiel 3 kann der Gegenstand des Beispiels 2 optional ferner umfassen, dass die Position des globalen Extremums der Krümmung des Steuersignals mit dem höchsten Absolutwert den Positionen jedes der mehreren lokalen Extrema des Steuersignals vorangeht.
In Beispiel 4 kann der Gegenstand eines der Beispiele 2 oder 3 optional ferner umfassen, dass das Steuersignal ein lokales Minimum, das kleiner als ein Anfangswert und/oder ein Endwert davon ist, und ein lokales Maximum, das größer als der Anfangswert und/oder der Endwert davon ist, aufweist.
In Beispiel 5 kann der Gegenstand des Beispiels 4 optional ferner umfassen, dass das lokale Maximum ein globales Maximum des Steuersignals ist und/oder das lokale Minimum ein globales Minimum des Steuersignals ist.
In Beispiel 6 kann der Gegenstand des Beispiels 5 optional ferner umfassen, dass die Position des globalen Maximums des Steuersignals der Position des globalen Minimums des Steuersignals vorangeht und dass das Steuersignal Folgendes umfasst: eine erste steigende Flanke zwischen dem Anfangswert des Steuersignals und dem globalen Maximum des Steuersignals, eine fallende Flanke zwischen dem globalen Maximum des Steuersignals und dem globalen Minimum des Steuersignals und eine zweite steigende Flanke zwischen dem globalen Minimum des Steuersignals und dem Endwert des Steuersignals.
In Beispiel 7 kann der Gegenstand des Beispiels 6 optional ferner umfassen, dass die erste steigende Flanke des Steuersignals monoton steigend, optional streng monoton steigend, ist, und/oder die zweite steigende Flanke des Steuersignals monoton steigend, optional streng monoton steigend, ist und/oder die fallende Flanke des Steuersignals monoton fallend, optional streng monoton fallend, ist.
In Beispiel 8 kann der Gegenstand des Beispiels 5 optional ferner umfassen, dass die Position des globalen Minimums des Steuersignals der Position des globalen Maximums des Steuersignals vorangeht und dass das Steuersignal Folgendes umfasst: eine erste fallende Flanke zwischen dem Anfangswert des Steuersignals und dem globalen Minimum des Steuersignals, eine steigende Flanke zwischen dem globalen Minimum des Steuersignals und dem globalen Maximum des Steuersignals und eine zweite fallende Flanke zwischen dem globalen Maximum des Steuersignals und dem Endwert des Steuersignals.
In Beispiel 9 kann der Gegenstand des Beispiels 8 optional ferner umfassen, dass die erste fallende Flanke des Steuersignals monoton fallend, optional streng monoton fallend, ist und/oder die zweite fallende Flanke des Steuersignals monoton fallend, optional streng monoton fallend, ist und/oder die steigende Flanke des Steuersignals monoton steigend, optional streng monoton steigend, ist.
In Beispiel 10 kann der Gegenstand eines der Beispiele 5 bis 9 optional ferner umfassen, dass eine Differenz zwischen dem Anfangswert und dem globalen Minimum des Steuersignals von einer Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem Anfangswert des Steuersignals verschieden ist. Optional kann die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem globalen Minimum des Steuersignals kleiner als die Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem Anfangswert des Steuersignals sein oder die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem globalen Minimum des Steuersignals größer als die Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem Anfangswert des Steuersignals sein.
In Beispiel 11 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 10 optional ferner umfassen, dass die elementaren Lautsprecher in mehrere Elementarlautsprechergruppen gruppiert sind. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, einen vorbestimmten Zeitrahmen einer vorbestimmten Elementarlautsprechergruppe zuzuordnen und gleichzeitig während des vorbestimmten Zeitrahmens Steuersignale an die Ansteuereinheiten der elementaren Lautsprecher der vorbestimmten Elementarlautsprechergruppe zu liefern.
In Beispiel 12 kann der Gegenstand des Beispiels 11 optional ferner umfassen, dass der Controller dazu ausgelegt ist, während des vorbestimmten Zeitrahmens Steuersignale nur an die Ansteuereinheiten der elementaren Lautsprecher der vorbestimmten Elementarlautsprechergruppe zu liefern.
In Beispiel 13 kann der Gegenstand des Beispiels 11 optional umfassen, dass der Controller dazu ausgelegt ist, zwei voneinander verschiedenen Elementarlautsprechergruppen jeweilige Zeitrahmen zuzuordnen, die miteinander überlappen.
In Beispiel 14 kann der Gegenstand eines der Beispiele 11 bis 13 optional ferner umfassen, dass die mehreren Elementarlautsprechergruppen N Bitgruppen mit paarweise verschiedener Anzahl von elementaren Lautsprechern umfassen, wobei N eine natürliche Zahl ist. Die Anzahl der elementaren Lautsprecher einer n-ten Bitgruppe kann 2^n-1, optional ein ganzzahliges Vielfaches von 2^n-1, sein, wobei n eine natürliche Zahl im Bereich zwischen 1 und N ist.
In Beispiel 15 kann der Gegenstand der Beispiele 12 und 14 optional ferner umfassen, dass der Controller dazu ausgelegt ist, mehreren der Bitgruppen oder allen Bitgruppen jeweilige Zeitrahmen zuzuordnen, die nicht miteinander überlappen.
In Beispiel 16 kann der Gegenstand der Beispiele 13 und 14 optional ferner umfassen, dass der Controller dazu ausgelegt ist, einer n-ten Bit-Gruppe einen n-ten Zeitrahmen zuzuordnen. Der n-te Zeitrahmen kann mit einem (n-1)-ten Zeitrahmen überlappen, der durch den Controller einer (n-1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist, und/oder mit einem (n+1)-ten Zeitrahmen überlappen, der durch den Controller einer (n+1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist.
In Beispiel 17 kann der Gegenstand eines der Beispiele 14 bis 16 optional ferner umfassen, dass die mehreren Elementarlautsprechergruppen ferner eine zusätzliche Elementarlautsprechergruppe umfassen, die sich von den N Bitgruppen unterscheidet. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, der zusätzlichen Elementarlautsprechergruppe einen zusätzlichen Zeitrahmen zuzuweisen, der mit einem n-ten Zeitrahmen überlappt, der einer n-ten Bitgruppe zugeordnet ist.
In Beispiel 18 kann der Gegenstand des Beispiels 17 optional umfassen, dass der zusätzliche Zeitrahmen mit einem (n+1)-ten Zeitrahmen, der einer (n+1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist, und/oder mit einem (n-1)-ten Zeitrahmen, der einer (n-1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist, überlappt.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, sollte für Fachleute zu verstehen sein, dass verschiedene Änderungen an Form und Detail gemacht werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Der Umfang der Erfindung ist somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben und alle Änderungen, die unter die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher einbezogen sein.

Claims

Mikroelektromechanischer Lautsprecher, der Folgendes umfasst: mehrere elementare Lautsprecher, die jeweils eine Ansteuereinheit und eine durch die Ansteuereinheit auslenkbare Membran umfassen, und einen Controller, der dazu ausgelegt ist, jeweils Steuersignale an die Ansteuereinheiten zu liefern, wobei die Ansteuereinheiten jeweils dazu ausgelegt sind, die entsprechenden Membrane gemäß den jeweiligen Steuersignalen, die durch den Controller geliefert werden, auszulenken, um akustische Wellen zu erzeugen, wobei ein Steuersignal, das an mindestens eine Ansteuereinheit geliefert wird, mindestens ein lokales Extremum aufweist und ein globales Extremum einer Krümmung des Steuersignals mit einem höchsten Absolutwert der Krümmung sich an einer Position des Steuersignals, die einer Position des mindestens einen lokalen Extremums des Steuersignals vorangeht, befindet.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 1, wobei das Steuersignal mehrere lokale Extrema aufweist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 2, wobei die Position des globalen Extremums der Krümmung des Steuersignals mit dem höchsten Absolutwert den Positionen jedes der mehreren lokalen Extrema des Steuersignals vorangeht.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Steuersignal ein lokales Minimum, das kleiner als ein Anfangswert und/oder ein Endwert davon ist, und ein lokales Maximum, das größer als der Anfangswert und/oder der Endwert davon ist, aufweist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 4, wobei das lokale Maximum ein globales Maximum des Steuersignals ist und/oder das lokale Minimum ein globales Minimum des Steuersignals ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 5, wobei die Position des globalen Maximums des Steuersignals der Position des globalen Minimums des Steuersignals vorangeht und das Steuersignal Folgendes umfasst: eine erste steigende Flanke zwischen dem Anfangswert des Steuersignals und dem globalen Maximum des Steuersignals, eine fallende Flanke zwischen dem globalen Maximum des Steuersignals und dem globalen Minimum des Steuersignals und eine zweite steigende Flanke zwischen dem globalen Minimum des Steuersignals und dem Endwert des Steuersignals.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 6, wobei die erste steigende Flanke des Steuersignals monoton steigend, optional streng monoton steigend, ist, und/oder die zweite steigende Flanke des Steuersignals monoton steigend, optional streng monoton steigend, ist und/oder die fallende Flanke des Steuersignals monoton fallend, optional streng monoton fallend, ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 5, wobei die Position des globalen Minimums des Steuersignals der Position des globalen Maximums des Steuersignals vorangeht und das Steuersignal Folgendes umfasst: eine erste fallende Flanke zwischen dem Anfangswert des Steuersignals und dem globalen Minimum des Steuersignals, eine steigende Flanke zwischen dem globalen Minimum des Steuersignals und dem globalen Maximum des Steuersignals und eine zweite fallende Flanke zwischen dem globalen Maximum des Steuersignals und dem Endwert des Steuersignals.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 8, wobei die erste fallende Flanke des Steuersignals monoton fallend, optional streng monoton fallend, ist und/oder die zweite fallende Flanke des Steuersignals monoton fallend, optional streng monoton fallend, ist und/oder die steigende Flanke des Steuersignals monoton steigend, optional streng monoton steigend, ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei eine Differenz zwischen dem Anfangswert und dem globalen Minimum des Steuersignals von einer Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem Anfangswert des Steuersignals verschieden ist, wobei optional die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem globalen Minimum des Steuersignals kleiner als die Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem Anfangswert des Steuersignals ist oder die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem globalen Minimum des Steuersignals größer als die Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem Anfangswert des Steuersignals ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elementaren Lautsprecher in mehrere Elementarlautsprechergruppen gruppiert sind, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Zeitrahmen einer vorbestimmten Elementarlautsprechergruppe zuzuordnen und gleichzeitig während des vorbestimmten Zeitrahmens Steuersignale an die Ansteuereinheiten der elementaren Lautsprecher der vorbestimmten Elementarlautsprechergruppe zu liefern.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 11, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, während des vorbestimmten Zeitrahmens Steuersignale nur an die Ansteuereinheiten der elementaren Lautsprecher der vorbestimmten Elementarlautsprechergruppe zu liefern.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 11, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, zwei voneinander verschiedenen Elementarlautsprechergruppen jeweilige Zeitrahmen zuzuordnen, die miteinander überlappen.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die mehreren Elementarlautsprechergruppen N Bitgruppen mit paarweise verschiedener Anzahl von elementaren Lautsprechern umfassen, wobei N eine natürliche Zahl ist, und wobei die Anzahl der elementaren Lautsprecher einer n-ten Bitgruppe 2^n-1, optional ein ganzzahliges Vielfaches von 2^n-1, ist, wobei n eine natürliche Zahl im Bereich zwischen 1 und N ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach den Ansprüchen 12 und 14, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, mehreren der Bitgruppen oder allen Bitgruppen jeweilige Zeitrahmen zuzuordnen, die nicht miteinander überlappen.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach den Ansprüchen 13 und 14, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, einer n-ten Bit-Gruppe einen n-ten Zeitrahmen zuzuordnen, wobei der n-te Zeitrahmen mit einem (n-1)-ten Zeitrahmen überlappt, der durch den Controller einer (n-1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist, und/oder mit einem (n+1)-ten Zeitrahmen überlappt, der durch den Controller einer (n+1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die mehreren Elementarlautsprechergruppen ferner eine zusätzliche Elementarlautsprechergruppe umfassen, die sich von den N Bitgruppen unterscheidet, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, der zusätzlichen Elementarlautsprechergruppe einen zusätzlichen Zeitrahmen zuzuweisen, der mit einem n-ten Zeitrahmen überlappt, der einer n-ten Bitgruppe zugeordnet ist.
Mikroelektromechanischer Lautsprecher nach Anspruch 17, wobei der zusätzliche Zeitrahmen mit einem (n+1)-ten Zeitrahmen, der einer (n+1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist, und/oder mit einem (n-1)-ten Zeitrahmen, der einer (n-1)-ten Bitgruppe zugeordnet ist, überlappt.