DE602004001764T2

DE602004001764T2 - Einrichtung zum generieren eines medium-nutzstromes, insbesondere zum generieren von schall

Info

Publication number: DE602004001764T2
Application number: DE602004001764T
Authority: DE
Inventors: Josef Lutz
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: ATE335382T1; KR20050102143A; DE602004001764D1; JP2006519549A; US7667370B2; CN1754405B; US20080191582A1; EP1600036B1; WO2004077880A1; CN1754405A; EP1600036A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Generiereinrichtung, welche Generiereinrichtung zum Generieren eines Medium-Nutzstroms mit mindestens einer Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen und entworfen ist, welche Strömungsgeschwindigkeit mit mindestens einer in einem ersten Frequenzbereich liegenden Nutzfrequenz variiert werden kann, und welche Generiereinrichtung mindestens eine Mediumstrom-Quelle zum Erzeugen von mindestens einem Mediumstrom in abwechselnd aufeinanderfolgend entgegengesetzten Strömungsrichtungen aufweist, welche entgegengesetzten Strömungsrichtungen mit einer in einem zweiten Frequenzbereich liegenden Frequenz aufeinanderfolgend wechseln, wobei der zweite Frequenzbereich frequenzmäßig über dem ersten Frequenzbereich liegt.
Eine Generiereinrichtung entsprechend der eingangs im ersten Absatz beschriebenen Art ist beispielsweise aus dem Patentdokument WO 01/33902 A2 bekannt. Bei dieser Generiereinrichtung handelt es sich um eine Generiereinrichtung zum Generieren eines Luft-Nutzstroms als Medium-Nutzstrom. Eine derartige Generiereinrichtung wird in Fachkreisen auch als so genannter parametrischer Lautsprecher bezeichnet. Die bekannte Generiereinrichtung enthält als Mediumstrom-Quellen eine Mehrzahl von Ultraschall-Quellen, die je ein Ultraschallsignal erzeugen und in den die Ultraschall-Quellen umgebenden Raum abgeben, was zu einem schwingenden Erregen der in diesem Raum vorhandenen Luft und damit zu Luftströmen in abwechselnd aufeinanderfolgend entgegengesetzten Strömungsrichtungen führt. Bei der bekannten Lösung wird die physikalische Tatsache ausgenutzt, dass durch das Abstrahlen von zwei Ultraschallsignalen in einen Luft enthaltenden Raum auf Grund der nicht-linearen Eigenschaften der Luft es zu einer Überlagerung der abgestrahlten Ultraschallsignale kommt, wobei bei dieser Überlagerung auch ein Differenzsignal entsteht, welches hörbaren Schall zur Folge hat.
Bei der bekannten Lösung ist es erforderlich, Ultraschallsignale mit einem verhältnismäßig hohen Energieinhalt in den Luft enthaltenden Raum abzustrahlen, um hörbaren Schall mit ausreichend hohem Energieinhalt zu erzielen. Hierbei muss die Größe der erforderlichen und zu erzeugenden Ultraschallenergie um mehrere Größenordnungen über der Größe der für eine einwandfreie Schallwiedergabe erforderlichen Hörschallenergie liegen, was im Hinblick auf eine möglichst günstige Energiebilanz ungünstig ist. Ferner hängt die Hörschall-Erzeugung von den Eigenschaften der Luft und vor allem von Veränderungen dieser Eigenschaften ab, was im Hinblick auf eine stets gleichbleibend gute Hörschall-Erzeugung ungünstig ist. Außerdem besteht bei der bekannten Lösung das Problem, dass ein relativ aufwendiger baulicher Aufwand erforderlich ist, was im Hinblick auf eine möglichst preiswerte und kostengünstige Realisierung problematisch ist.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, die vorstehend angeführten Probleme zu beseitigen und eine verbesserte Generiereinrichtung zu schaffen.
Zur Lösung der vorstehend angeführten Aufgabe sind bei einer Generiereinrichtung gemäß der Erfindung erfindungsgemäße Merkmale vorgesehen, so dass eine Generiereinrichtung gemäß der Erfindung auf die nachfolgend angegebene Weise charakterisierbar ist, nämlich:
Generiereinrichtung, welche Generiereinrichtung zum Generieren eines Medium-Nutzstroms mit mindestens einer Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen und entworfen ist, welche Strömungsgeschwindigkeit mit mindestens einer in einem ersten Frequenzbereich liegenden Nutzfrequenz variiert werden kann, und welche Generiereinrichtung die nachfolgend angeführten Mittel enthält:
mindestens eine Mediumstrom-Quelle zum Erzeugen von mindestens einem Mediumstrom in abwechselnd aufeinanderfolgend entgegengesetzten Strömungsrichtungen, welche entgegengesetzten Strömungsrichtungen mit mindestens einer in einem zweiten Frequenzbereich liegenden Frequenz aufeinanderfolgend wechseln, wobei der zweite Frequenzbereich frequenzmäßig über dem ersten Frequenzbereich liegt, und
mindestens eine Mediumstrom-Diode, die zum Zusammenwirken mit einem mit mindestens der einen Mediumstrom-Quelle erzeugten Mediumstrom vorgesehen und entworfen und angeordnet ist und die je nach Strömungsrichtung des mit ihr zusammenwirkenden Mediumstroms dem besagten Mediumstrom mit unterschiedlich hohen Strömungswiderständen entgegenwirkt, was einen in einer Durchlassrichtung der mindestens einen Mediumstrom-Diode strömenden Medium-Gesamtstrom zur Folge hat, und
mindestens eine Mediumstrom-Senke, die zum Zusammenwirken mit dem mit Hilfe der mindestens einen Mediumstrom-Diode erzeugten Medium-Gesamtstrom vor gesehen und entworfen und angeordnet ist und die die in dem Medium-Gesamtstrom enthaltenen Stromkomponenten innerhalb dem zweiten Frequenzbereich unterdrückt, was am Ausgang der mindestens einen Mediumstrom-Senke den Medium-Nutzstrom im ersten Frequenzbereich ohne die unterdrückten Stromkomponenten im zweiten Frequenzbereich zur Folge hat.
Durch das Vorsehen der Merkmale gemäß der Erfindung wird erreicht, dass mit Hilfe von mindestens einer Mediumstrom-Quelle, die zum Erzeugen eines relativ hochfrequenten Mediumstroms vorgesehen und entworfen ist, mit Hilfe von nur wenigen und relativ einfachen zusätzlich vorgesehenen Bestandteilen ein Medium-Nutzstrom erzeugbar ist, der in einem gegenüber der Frequenz des mit Hilfe der mindestens einen Mediumstrom-Quelle erzeugten Mediumstroms wesentlich tieferen Frequenzbereich liegt, wobei das Erzeugen des Medium-Nutzstroms im Wesentlichen von dem die Generiereinrichtung umgebenden Medium unabhängig ist. Hierdurch ist gegenüber der Lösung gemäß dem bekannten Stand der Technik der wesentliche Vorteil erreicht, dass das Erzeugen des Medium-Nutzstroms im Wesentlichen unabhängig von Veränderungen der Eigenschaften des die Generiereinrichtung umgebenden Mediums ist, dies deshalb, weil der generierte Medium-Nutzstrom im Wesentlichen innerhalb der Generiereinrichtung generiert wird und nach erfolgtem Generieren in das die Generiereinrichtung umgebende Medium eintritt, wobei das die Generiereinrichtung umgebende Medium aber nicht zum eigentlichen Generieren des Medium-Nutzstroms genutzt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass außerhalb der Generiereinrichtung nur sehr geringe hochfrequente Stromkomponenten auftreten, weil solche hochfrequenten Stromkomponenten nur durch die nach dem Unterdrücken mit Hilfe der mindestens einen Mediumstrom-Senke übrig bleibenden Stromkomponenten gebildet werden.
Bei einer Generiereinrichtung gemäß der Erfindung kann es sich bei dem zum Generieren eines Medium-Nutzstroms verwendeten Medium um eine Flüssigkeit handeln, beispielsweise um Blut oder Plasma oder eine Infusionsflüssigkeit, die einem Patienten verabreicht werden soll, wobei dann die Generiereinrichtung gemäß der Erfindung praktisch die Funktion einer Pumpe bzw. Infusionspumpe erfüllt. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Generiereinrichtung gemäß der Erfindung zusätzlich die Merkmale gemäß dem Anspruch 2 aufweist. Eine derartige Konstruktion hat sich deshalb als sehr vorteilhaft erwiesen, weil mit einer derartigen Konstruktion auf sehr einfache Weise akustisch wahrnehmbarer Schall erzeugt werden kann.
Bei einer wie in dem vorstehenden Absatz erwähnten Ausführungsform einer Generiereinrichtung gemäß der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zusätzlich die Merkmale gemäß Anspruch 3 vorgesehen sind. Bei einer derartigen Lösung ist der Vorteil gegeben, dass eine derartige Ultraschall-Quelle hinsichtlich der Amplitude der erzeugbaren Ultraschallschwingung einfach und gut moduliert werden kann, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Luft schnell und feingängig variiert werden kann. Hierbei kann ein kontinuierlicher oder ein langsam modulierter, also die Frequenz betreffend im hörbaren Frequenzbereich liegender Luftstrom erzeugt werden.
Bei einer wie in dem vorstehenden Absatz erwähnten Ausführungsform einer Generiereinrichtung gemäß der Erfindung kann die Ultraschall-Quelle einen Signalgenerator zum Erzeugen eines Ultraschall-Signals mit einer unveränderbaren fixen Ultraschall-Frequenz aufweisen, welchem Signalgenerator zusätzlich ein Modulationssignal mit einer unveränderbaren fixen Frequenz zum Modulieren des Ultraschall-Signals zugeführt werden kann, wobei dann ein akustisches Signal mit einer gleichbleibenden Frequenz erzeugt wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich bei einer Generiereinrichtung der in dem vorstehenden Absatz erwähnten Art erwiesen, wenn zusätzlich die Merkmale gemäß Anspruch 4 vorgesehen sind. Hierdurch ist der wesentliche Vorteil erreicht, dass mit Hilfe der Generiereinrichtung hörbare Schallsignale erzeugt werden können, deren Frequenzspektrum sich zumindest über den gesamten Hörbereich erstreckt. Beispielsweise ist bei einer derartigen Konstruktion eine Schallwiedergabe in einem Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 20.000 Hz möglich. Es ist aber auch eine Schallwiedergabe weit über 20.000 Hz möglich, nämlich bis zu einer Frequenz, die der halben Frequenz der mit der Ultraschall-Quelle erzeugbaren Ultraschallschwingung entspricht, wobei es sich dann bei der Schallwiedergabe um die Wiedergabe von moduliertem Ultraschall handelt.
Bei einer Generiereinrichtung mit einer in dem vorstehenden Absatz angeführten Konstruktion kann der Signalgenerator zum Erzeugen eines Trägersignals mit einer Ultraschall-Frequenz konzipiert sein, deren Wert das Doppelte des Werts der höchsten Frequenz im Nutzsignal ist. Als sehr vorteilhaft hat es sich aber erwiesen, wenn zusätzlich die Merkmale gemäß Anspruch 5 vorgesehen sind. Eine derartige Konstruktion bietet den Vorteil, dass man einen Nutz-Mediumstrom erhält, der gleichmäßig ist und praktisch keine störenden Welligkeiten aufweist.
Bei einer Generiereinrichtung mit mindestens einer Ultraschall-Quelle hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn zwei Ultraschall-Senken vorgesehen sind. Hier durch wird vorteilhafterweise erreicht, dass ein besonders gutes Unterdrücken der hochfrequenten Stromkomponenten erreicht wird und dass man eine Generiereinrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad erhält.
Bei einer Generiereinrichtung mit mindestens einer Ultraschall-Quelle hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Vielzahl von akustischen Dioden vorgesehen sind. Hierdurch ist vorteilhafterweise erreicht, dass eine relativ hohe Freiheit hinsichtlich des Dimensionierens der akustischen Dioden besteht und dass der insgesamt wirksame Querschnitt aus einer Vielzahl von kleinen Querschnitten der Vielzahl von akustischen Dioden besteht, also ein großer wirksamer Querschnitt zur Verfügung steht, dies aber in Kombination mit einem hohen Gleichrichtungs-Wirkungsgrad jeder einzelnen akustischen Diode, der durch den kleinen Querschnitt jeder akustischen Diode begründet ist.
Bei einer Generiereinrichtung mit einer Vielzahl von akustischen Dioden hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn zusätzlich die Maßnahmen gemäß Anspruch 8 vorgesehen sind. Eine derartige Konstruktion hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere im Hinblick auf eine relativ einfache Herstellbarkeit und im Hinblick auf eine möglichst raumsparende Konstruktion.
Bei einer wie in dem vorstehenden Absatz angeführten Generiereinrichtung mit einer Luftstromkammer hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zusätzlich die Merkmale gemäß Anspruch 9 vorgesehen sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass man einen besonders hohen Gleichrichtereffekt erhält.
Bei einer Generiereinrichtung mit einer Luftstromkammer hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die akustischen Dioden trichterförmige Löcher aufweisen, die zum Erzeugen von turbulenten Luftströmungen ausgebildet sind. Eine derartige Konstruktion hat sich im Hinblick auf eine relativ einfache Herstellbarkeit der akustischen Dioden als vorteilhaft erwiesen, weil die Form und die Abmessungen der trichterförmigen Löcher, die für das Erzeugen von so genannten turbulenten Luftströmungen im Wesentlichen verantwortlich sind, relativ einfach und gut reproduzierbar hergestellt werden können.
Bei einer Generiereinrichtung gemäß der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn alle Bestandteile der Generiereinrichtung in integrierter Schaltungstechnik aus integrierbaren Festkörperelementen hergestellt sind. Hierdurch ist der große Vorteil erreicht, dass eine hohe Anzahl von Generiereinrichtungen gemäß der Erfindung unter Anwendung von an sich von der Halbleitertechnologie her bekannten Verfahren und Methoden auf relativ einfache Weise als mikromechanische Produkte hergestellt wer den können.
Die vorstehend angeführten Aspekte und weitere Aspekte der Erfindung gehen aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor und werden anhand dieser Ausführungsbeispiele erläutert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben, auf welche Ausführungsbeispiele die Erfindung aber nicht beschränkt ist.
1 zeigt auf stark schematisierte Weise in einem Schnitt eine Generiereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche Generiereinrichtung zum Generieren eines Luft-Nutzstroms vorgesehen ist und eine Ultraschall-Quelle und eine akustische Diode enthält.
2 zeigt in einem gegenüber 1 größeren Maßstab in einem Schnitt die akustische Diode der Generiereinrichtung gemäß 1.
3 zeigt auf analoge Weise wie 2 eine akustische Diode entsprechend einer anderen Ausführungsform, die ebenso in der Generiereinrichtung gemäß 1 zum Einsatz kommen könnte.
4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Amplitude einer Ultraschallschwingung von der Anregungsfrequenz, welche Ultraschallschwingung mit der in der Generiereinrichtung gemäß 1 enthaltenen Ultraschall-Quelle erzeugbar ist.
5 zeigt auf stark schematisierte Weise in einem Schnitt eine Generiereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt auf analoge Weise wie 5 eine Generiereinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt eine Generiereinrichtung 1. Die Generiereinrichtung 1 ist zum Generieren eines Medium-Nutzstroms, und zwar in dem hier vorliegenden Fall eines Luft-Nutzstroms konzipiert. Der Luft-Nutzstrom ist in 1 schematisch mit einem Pfeil 2 angegeben. In dem Luft-Nutzstrom 2 treten viele Strömungsgeschwindigkeiten auf, die in 1 mit einem Doppelpfeil 3 angegeben sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten 3 können mit mindestens einer in einem ersten Frequenzbereich FA1 liegenden Nutzfrequenz f_UF variiert werden. In dem hier vorliegenden Fall handelt es sich um einen im Wesentlichen dem Hörfrequenzbereich entsprechenden ersten Frequenzbereich FA1, der in diesem Fall von etwa 10,0 Hz bis 18000 Hz reicht. Der erste Frequenzbereich FA1 kann sich aber auch von 1,0 Hz bis 20000 Hz erstrecken. Selbst unter 1,0 Hz liegende Frequenzen und sogar die Frequenz Null sind möglich. In dem hier vorliegenden Fall ist der erste Frequenzbereich FA1 durch einen Frequenzbereich gegeben, in dem ein von einer Signalquelle 4 abgegebenes Nutzsignal S_UF (siehe 4) liegt, welches Nutzsignal ein hauptsächlich im Hörbereich liegendes Frequenzspektrum aufweist.
In dem hier vorliegenden Fall ist die Generiereinrichtung 1 – wie bereits erwähnt – zum Generieren eines Luft-Nutzstroms 2 konzipiert, der im Hörfrequenzbereich liegt. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Generiereinrichtung 1 zum Generieren von Schall, und zwar von hörbarem Schall, vorgesehen und konstruiert ist und somit die Funktion eines Lautsprechers erfüllt. Der generierte Luft-Nutzstrom 2, also der hörbare Schall, kann hierbei zum Erzeugen und Wiedergeben eines Sprachsignals dienen. Auch kann der Luft-Nutzstrom 2 zur Wiedergabe von Musiksignalen dienen. Im einfachsten Fall kann der Luft-Nutzstrom 2 zum Erzeugen eines eine bestimmte Frequenz aufweisenden Rufsignals bzw. Warnsignals dienen. Um die Funktion eines Lautsprechers erfüllen zu können, ist die Generiereinrichtung 1 in einer Trennwand 5 aufgenommen, wie dies an sich bei herkömmlichen Lautsprechern, beispielsweise von elektromagnetischen Lautsprechern, seit langem bekannt ist.
Die Generiereinrichtung 1 weist den großen Vorteil auf, dass alle Bestandteile der Generiereinrichtung 1 in integrierter Technik aus integrierbaren Festkörperelementen hergestellt sind. Dies heißt, dass die Generiereinrichtung 1 mit Hilfe von einem Festkörpersubstrat, vorzugsweise mit Hilfe von einem Halbleitersubstrat – wie einem Siliziumsubstrat – hergestellt ist. Dies bringt den großen Vorteil mit sich, dass eine sehr hohe Anzahl von derartigen Generiereinrichtungen 1 mit Hilfe von einem einzigen Integrationsprozess hergestellt werden kann.
Die Generiereinrichtung 1 weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 6 auf, von welchem Gehäuse 6 in der 1 drei Seitenwände 7, 8 und 9 sowie eine Frontwand 10 und eine Rückwand 11 dargestellt sind. Die vierte Seitenwand des Gehäuses 6 ist aufgrund der Schnittdarstellung gemäß 1 nicht ersichtlich. In der Frontwand 10 ist eine Vielzahl von Schalldurchgangsöffnungen 12 vorgesehen. Die Schalldurchgangsöffnungen 12 sind zum Austreten von Luft aus dem Inneren des Gehäuses 6 und zum Hindurchströmen von Luft in der Weise ausgebildet, dass man nach dem Hindurchströmen durch die Schalldurchgangsöffnungen 12 den Luft-Nutzstrom 2 erhält. In der Rückwand 11 sind ebenso Luftdurchgangsöffnungen 13 vorgesehen, die ein Eintreten von Luft in das Innere des Gehäuses 6 ermöglichen. Auf Grund der im Wesentlichen quaderförmigen Ausbildung des Gehäuse 6 weist ein senkrecht zu den Seitenwänden 7, 8 und 9 verlaufender Schnitt durch das Gehäuse 6 einen rechteckigen Querschnitt auf. Das Gehäuse 6 kann aber auch einen quadratischen oder kreisförmigen oder elliptischen oder sechseckigen Querschnitt aufweisen.
Die Generiereinrichtung 1 weist eine Mediumstrom-Quelle 14 zum Erzeugen von einem Mediumstrom 15 auf, welcher Mediumstrom 15 in 1 mit einem Pfeil 15 angedeutet ist. Bei dem Mediumstrom 15 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Luftstrom 15. In dem Luftstrom 15 treten abwechselnd aufeinanderfolgend entgegengesetzte Strömungsrichtungen 16 auf, welche entgegengesetzte Strömungsrichtungen 16 in 1 mit einem weiteren Doppelpfeil 16 angegeben sind. Die entgegengesetzten Strömungsrichtungen 16 wechseln aufeinanderfolgend mit einer in einem zweiten Frequenzbereich FA2 liegenden Frequenz f_US. Der zweite Frequenzbereich FA2 liegt frequenzmäßig über dem ersten Frequenzbereich FA1, wobei es sich bei der Frequenz f_US um eine Ultraschall-Frequenz handelt. Die Ultraschall-Frequenz f_US beträgt im vorliegenden Fall etwa 4 MHz. Die Ultraschall-Frequenz f_US kann aber zwischen 40 kHz und 100 MHz und gegebenenfalls sogar 200 MHz liegen.
Die Ultraschall-Quelle 14 weist ein scheibenförmiges Piezoelement 17 auf. Das scheibenförmige Piezoelement 17 ist mit seinem Randbereich in den Seitenwänden 7, 8 und 9 und in der nicht dargestellten Seitenwand des Gehäuses 6 festgehalten. Das Piezoelement 17 ist in den entgegengesetzten Strömungsrichtungen gemäß dem Pfeil 16 in Ultraschallschwingungen versetzbar. Das Piezoelement 17 besteht im Wesentlichen aus einer aus nicht-leitendem Material bestehenden Trägerschicht, die an ihren zwei Hauptflächen je mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist. Eine derartige Konstruktion eines Piezoelements ist in Fachkreisen allgemein bekannt. Ein derartiges Piezoelement 17 kann auch als steife Membran betrachtet werden.
Mit den beiden Beschichtungen des Piezoelements 17 ist über je eine durch die Seitenwand 9 hindurch geführte Verbindungsleitung 18 und 19 ein Signalgenerator 20 der Ultraschall-Quelle 14 verbunden. Der Signalgenerator 20 ist zum Erzeugen eines Trägersignals CS mit der Ultraschall-Frequenz f_US vorgesehen. Der Signalgenerator 20 weist zusätzlich einen Anschluss 21 zum Zuführen des Nutzsignals S_UF auf. Der Signalgenerator 20 ist hierbei so konstruiert, dass der Signalgenerator 20 zum Modulieren des Trägersignals CS in Abhängigkeit von dem Nutzsignal S_UF geeignet ist. Hierdurch wird erreicht, dass – wie dies aus der 4 ersichtlich ist – in Abhängigkeit von dem Nutzsignal S_UF eine Modulation des Trägersignals CS durchgeführt wird, so dass starke Änderungen der Amplitude der von der Ultraschall-Quelle 14 abgegebenen Ultraschallschwingung und folglich starke Änderungen der Amplitude des Luft-Nutzstroms 2 und folglich eine hohe Lautstärke erzielbar sind.
Bezüglich des Signalgenerators 20 zum Erzeugen des Trägersignals CS ist zu erwähnen, dass der Signalgenerator 20 zum Erzeugen eines Trägersignals CS mit einer Ultraschall-Frequenz f_US konzipiert ist, deren Wert in dem hier vorliegenden Fall das 200-fache des Wertes der höchsten Frequenz im Nutzsignal S_UF ist.
Bezüglich der Ultraschall-Quelle 14 ist zu erwähnen, dass die Ultraschall-Quelle 14 – wie dies ebenso aus der 4 erkennbar ist – im Bereich ihrer Resonanzfrequenz f_res betrieben wird. In dem gemäß der 4 dargestellten Fall der Generiereinrichtung 1 gemäß der 1 wird die Oszillationsamplitude der Ultraschallschwingung der Ultraschall-Quelle 14 in dem zu der Resonanzfrequenz f_res benachbarten Bereich durch die Änderung der Versorgungsfrequenz variiert, was mit Hilfe des zugeführten Nutzsignals S_UF erfolgt. Es sei erwähnt, dass die Oszillationsamplitude der Ultraschallschwingung der Ultraschall-Quelle 14 auch durch ein Variieren der Resonanzfrequenz f_res der Ultraschall-Quelle 14 variiert werden kann. Bei der Generiereinrichtung 1 gemäß der 1 wird ihre obere Grenzfrequenz unter anderem auch von der Ultraschall-Quelle 14 bestimmt. Zusätzlich wird die obere Grenzfrequenz auch noch von zwei so genannten Senkenkammern bestimmt, auf welche Senkenkammern nachfolgend noch näher eingegangen wird.
Die Generiereinrichtung 1 umfasst weiterhin eine Mediumstrom-Diode 22, die in diesem Fall durch eine akustische Diode 22 gebildet ist. Die akustische Diode 22 ist im vorliegenden Fall in der Mitte des Piezoelements 17 angeordnet und mit dem Piezoelement 17 verbunden. Die akustische Diode 22 ist zum Zusammenwirken mit dem mit der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Mediumstrom 15, also mit dem mit der Ultraschall-Quelle erzeugten Luftstrom 15, vorgesehen und konstruiert und angeordnet. Die akustische Diode 22 besteht aus einer turmartigen und sich in Richtung zu der Frontwand 10 hin verjüngenden Erhebung, in der ein trichterförmiges Loch H vorgesehen ist. Das Loch H ist so geformt, dass mit Hilfe des Lochs H so genannte turbulente Luftströmungen erzeugt werden können. Derartige turbulente Strömungen sind erforderlich, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. So genannte laminare Strömungen sind im vorliegenden Fall nicht geeignet. Die akustische Diode 22 wirkt je nach Strömungsrichtung 16 des mit ihr zusammenwirkenden Luftstroms 15 dem besagten Luftstrom 15 mit unterschiedlich hohen Strömungswiderständen entgegen. Dadurch ergibt sich im Mittel bei konstanter Amplitude der mit Hilfe der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Ultraschallschwingung ein konstanter Luftstrom 15 in die durch die akustische Diode 22 definierte Durchlassrichtung. Wenn die Amplitude der mit der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Ultraschallschwingung variiert wird – im vorliegenden Fall in Abhängigkeit von dem Nutzsignal S_UF – dann ändert sich der Betrag des mittleren Luftstroms 15 in die durch die akustische Diode 22 definierte Durchlassrichtung. Mit anderen Worten heißt dies, dass das Vorsehen der akustischen Diode 22 einen in einer Durchlassrichtung der akustischen Diode 22 strömenden Medium-Gesamtstrom zur Folge hat. Die Generiereinrichtung 1 weist in diesem Fall zwei Mediumstrom-Senken 23 und 24 auf. Die zwei Mediumstrom-Senken 23 und 24 sind hierbei durch eine erste Senkenkammer 23 und durch eine zweite Senkenkammer 24 gebildet. Die erste Senkenkammer 23 liegt zwischen der Frontwand 10 des Gehäuses 6 und dem Piezoelement 17. Die zweite Senkenkammer 24 liegt zwischen der Rückwand 11 des Gehäuses 6 und dem Piezoelement 17. Die zwei Senkenkammern 23 und 24 können beim Herstellen der Generiereinrichtung 1 mit Hilfe eines vorstehend bereits erwähnten Integrationsverfahrens durch ein Herstellen von zwei so genannten Opferschichten realisiert werden, die im Zuge der Durchführung des Integrationsverfahrens wieder beseitigt werden, was an sich seit langem bekannt ist. Die Dimension D1 der ersten Senkenkammer 23 und die Dimension D2 der zweiten Senkenkammer 24 können in der Praxis einen Wert von etwa 0,1 mm aufweisen.
Die zwei Senkenkammern 23 und 24 sind zum Zusammenwirken mit dem mit Hilfe der Ultraschall-Quelle 14 und der akustischen Diode 22 erzeugten Medium-Gesamtstrom vorgesehen und konstruiert und angeordnet. Die Abmessungen der zwei Senkenkammern 23 und 24 sind hierbei in Relation zu den in dem erzeugten Medium-Gesamtstrom auftretenden Frequenzen so gewählt, dass die zwei Senkenkammern 23 und 24 die in dem Medium-Gesamtstrom enthaltenen Stromkomponenten in dem zweiten Frequenzbereich FA2 unterdrücken, was im Anschluss an die Senkenkammern 23 und 24 einen Nutzstrom ohne den unterdrückten Stromkomponenten zur Folge hat. Dies heißt, dass die erste Senkenkammer 23 am Ausgang der genannten ersten Senkenkammer 23 den Medium-Nutzstrom 2, also den Luft-Nutzstrom 2, gemäß dem ersten Frequenzbereich FA1 ohne die unterdrückten Stromkomponenten im zweiten Frequenzbereich FA2 zur Folge hat. Auf Grund der Dimensionierung der ersten Senkenkammer 23 und der zweiten Senken kammer 24 ist bei der Generiereinrichtung 1 der Sachverhalt gegeben, dass es sich in beiden Fällen um je eine Ultraschall-Senke handelt.
Bezüglich der Dimensionierung der zwei Senkenkammern 23 und 24 ist noch darauf hinzuweisen, dass die parallel zu den Strömungsrichtungen 16 verlaufenden Abmessungen D1 und D2 so gewählt sind, dass in den beiden Senkenkammern 23 und 24 die Bildung einer stehenden Welle in der betreffenden Senkenkammer ermöglicht wird, wobei die stehende Welle ein Maximum im Bereich der akustischen Diode 22 aufweist. Aufgrund dieser Sachlage ist eine erhöhte Effizienz der Ultraschall-Quelle 14 sichergestellt.
Bei der Generiereinrichtung 1 gemäß 1, die eine Schallquelle bildet, ist vom Prinzip her der generierte Schallfluss der Schallquelle als Funktion der Frequenz über den gesamten Frequenzbereich praktisch konstant. Die Linearität des Schallflusses über die Amplitude (Oberwellen) hängt praktisch nur von der Linearität der Amplitude der mit der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Ultraschallschwingung als Funktion des die Ultraschall-Quelle 14 steuernden Steuersignals, also des wiederzugebenden Nutzsignals S_UF, ab und, kann, falls dies erforderlich sein sollte, elektronisch kompensiert werden.
Die zwei Ultraschall-Senken, also die zwei Senkenkammern 23 und 24, weisen je ein den im vorliegenden Fall auftretenden wesentlichen Ultraschallfrequenzen angepasstes Volumen auf, so dass mit Hilfe der Senkenkammern 23 und 24 ein Herausfiltern des Ultraschallanteils erfolgt, was wiederum zur Folge hat, dass außerhalb des Gehäuses 6 der Generiereinrichtung 1 praktisch nur mehr ein Luft-Nutzstrom 2 auftritt und wirksam ist, der dem ersten Frequenzbereich FA1 entspricht und dessen Amplitude unter Ausnutzung der Amplitude der mit Hilfe der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Ultraschallschwingung variiert werden kann.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei einer Konstruktion der akustischen Diode 22 als mit einem Steuersignal steuerbare aktive Diode die Variation der Amplitude des Luft-Nutzstroms 2 nach der Ultraschall-Senke 23, also das wahrnehmbare akustische Signal, nicht nur durch die Änderung der Amplitude des mit Hilfe der Ultraschall-Quelle 14 erzeugbaren Ultraschallsignals, sondern auch durch eine Frequenzänderung bzw. eine Phasenänderung (Frequenz- bzw. Phasen-Modulation) des Steuersignals für die aktive Diode erfolgen kann.
Bei der in der Generiereinrichtung 1 verwendeten akustischen Diode 22 (siehe auch 2) handelt es sich um eine so genannte passive akustische Diode 22, die keine beweglichen Komponenten aufweist. Anstelle einer derartigen rein passiv konstruier ten akustischen Diode 22 gemäß 2 kann auch eine akustische Diode 25 gemäß 3 verwendet werden. Die akustische Diode 25 gemäß 3 weist ebenso einen Durchgang H auf, wie dies auch bei der akustischen Diode 22 gemäß 2 vorgesehen ist. Unterschiedlich bezüglich des Durchgangs H ist, dass bei der akustischen Diode 25 gemäß 3 der Durchgang H etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wogegen der Durchgang H bei der akustischen Diode 22 gemäß 2 trichterförmig mit einer gekrümmt verlaufenden Innenbegrenzungsfläche ausgebildet ist. Bei der akustischen Diode 25 gemäß 3 handelt es sich um eine akustische Diode gemäß dem so genannten Ventilprinzip, wobei die akustische Diode 25 mit einem Ventilblättchen 26 ausgerüstet ist. Das Ventilblättchen 26 kann bei einer passiven Konstruktion der akustischen Diode 25 nur durch den mit Hilfe der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Luftstrom bewegt werden, wogegen bei einer aktiven Konstruktion der akustischen Diode 25 auch ein aktives Steuern der Position des Ventilblättchens durchgeführt werden kann, wobei das Steuern der Position des Ventilblättchens 26 mit Hilfe des Piezoeffekts und unter Verwendung eines Steuersignals durchgeführt werden kann.
5 zeigt eine Generiereinrichtung 1, die ebenso in integrierter Technik hergestellt ist wie die Generiereinrichtung 1 gemäß 1. In der 5 sind für entsprechende Bestandteile der Generiereinrichtung 1 dieselben Bezugszeichen verwendet wie in
1.
Das Gehäuse 6 der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 enthält eine parallel zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen 16 verlaufende Luftstromkammer 30. Die Luftstromkammer 30 ist von den zwei Seitenwänden 7 und 8 und von der der Seitenwand 8 gegenüberliegenden und aus der 5 nicht ersichtlichen vierten Seitenwand des Gehäuses 6 begrenzt. Eine weitere parallel zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen 16 verlaufende Begrenzungswand der Luftstromkammer 30 ist mit Hilfe einer schwingungsfähig ausgebildeten Membran der Ultraschall-Quelle 14 begrenzt. Diese Membran ist hierbei ebenso durch ein steif ausgebildetes scheibenförmiges Piezoelement 31 gebildet, wobei aber bei dem Piezoelement 31 der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 mit diesem Piezoelement 31 keine akustische Diode unmittelbar verbunden ist. Das Piezoelement 31 ist mit seinem Randbereich mit der Seitenwand 8 und mit der der Seitenwand 8 gegenüberliegenden und aus der 5 nicht ersichtlichen vierten Seitenwand des Gehäuses 6 sowie mit zwei quer zu den entgegensetzten Strömungsrichtungen 16 verlaufenden Begrenzungswänden 32 und 33 verbunden. Mit Hilfe der zwei Begrenzungswände 32 und 33 ist die Luft stromkammer 30 quer zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen 16 begrenzt. Die Membran, also das scheibenförmige Piezoelement 31, ist schwingungsfähig ausgebildet und kann parallel zu der Richtung des Doppelpfeils 34 in Schwingungen versetzt werden, und zwar dadurch, dass ein entsprechendes Anregungssignal an das Piezoelement 31 angelegt wird, welches Anregungssignal von dem Signalgenerator 20 über die Leitungen 18 und 19 dem Piezoelement 31 zugeführt wird.
Benachbart zu der Luftstromkammer 30 ist bei der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 eine zusätzlich Kammer 35 vorgesehen, die mit Hilfe der Seitenwand 8 und der Seitenwand 9 und der der Seitenwand 8 gegenüberliegenden und aus der 5 nicht ersichtlichen vierten Seitenwand des Gehäuses 6 sowie mit Hilfe der Begrenzungswände 32 und 33 begrenzt ist. Durch das Vorsehen der zusätzlichen Kammer 35 ist ein einwandfreies und unbehindertes Schwingen der Membran, also des Piezoelements 31 gewährleistet. Weiterhin verhindert die Kammer 35 ein Abgeben von Ultraschall-Signalen in einer von der Luftstromkammer 30 wegweisenden Richtung, was für das Erzielen eines möglichst hohen Wirkungsgrads der Generatoreinrichtung 1 vorteilhaft ist.
Bei der Generiereinrichtung 1 weisen jene Abschnitte der Begrenzungswände 32 und 33, welche Abschnitte die Luftstromkammer 30 begrenzen, eine Vielzahl von akustischen Dioden 36 und 37 auf. Die akustischen Dioden weisen hierbei im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildete Löcher 38 und 39 auf. Die trichterförmigen Löcher 38 und 39 sind so dimensioniert und ausgebildet, dass die Löcher 38 und 39 zum Erzeugen von turbulenten Luftströmungen geeignet sind. Die Durchlassrichtung der akustischen Dioden 36 und 37 verläuft in Richtung des mit Hilfe des Piezoelements 31 der Ultraschall-Quelle 14 erzeugten Luftstroms 15. Der Abstand zwischen den zwei Begrenzungswänden 32 und 33 ist so gewählt, dass in den zwei Senkenkammern 32 und 33 die Bildung einer stehenden Welle in der betreffenden Senkenkammer ermöglicht wird, wobei die stehende Welle im Bereich der akustischen Dioden 36 und 37 ein Maximum aufweist, was im Hinblick auf das Erzielen eines möglichst hohen Wirkungsgrads der Generiereinrichtung 1 vorteilhaft ist.
Angrenzend an die erste Begrenzungswand 32 ist eine erste Senkenkammer 40 vorgesehen. Die erste Senkenkammer 40 ist mit Hilfe der Seitenwände 7, 8 und 9 und der aus der 5 nicht ersichtlichen vierten Seitenwand und mit Hilfe der ersten Begrenzungswand 32 sowie der Frontwand 10 des Gehäuses 6 begrenzt. In der Frontwand 10 sind Schalldurchgangsöffnungen 12 vorgesehen.
Angrenzend an die zweite Begrenzungswand 33 ist eine zweite Senken kammer 41 vorgesehen. Die zweite Senkenkammer 41 ist mit Hilfe der Seitenwände 7, 8 und 9 und der aus der 5 nicht ersichtlichen vierten Seitenwand des Gehäuses 6 und mit Hilfe der zweiten Begrenzungswand 33 und der Rückwand 11 des Gehäuses 6 begrenzt. In diesem Fall sind die für ein Zuführen von Luft in die zweite Senkenkammer 41 vorgesehenen Durchgangslöcher 13 im Bereich der Seitenwand 7 und der Seitenwand 9 vorgesehen. Die zwei Senkenkammern 40 und 41 bilden je eine Ultraschall-Senke.
Bei der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 sind das Piezoelement 31 der Ultraschall-Quelle 14 und die akustischen Dioden 36 und 37 voneinander unabhängig ausgeführt, was vorteilhaft ist, weil hierdurch ein hoher Freiheitsgrad hinsichtlich der Konstruktion und der Herstellung dieser Bestandteile und insbesondere der akustischen Dioden 36 und 37 gegeben ist.
6 zeigt eine Generiereinrichtung 1, bei der es sich um eine Abwandlung der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 handelt.
Der wesentliche Unterschied gegenüber der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 besteht bei der Generiereinrichtung 1 gemäß 6 darin, dass auch die zusätzliche Kammer 35 als Luftstromkammer konstruiert und verwendet ist. Zu diesem Zweck sind auch in den Abschnitten der quer zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen 16 verlaufenden Begrenzungswände 32 und 33, welche Abschnitte die zusätzliche Kammer 35 begrenzen, eine Vielzahl von akustischen Dioden 36 und 37 vorgesehen, die ebenso trichterförmige Löcher 38 und 39 aufweisen. Auch in diesem Fall sind die trichterförmigen Löcher 38 und 39 so dimensioniert und ausgebildet, dass die Löcher 38 und 39 zum Erzeugen von turbulenten Luftströmungen geeignet sind. Die Generiereinrichtung 1 gemäß 6 weist einen gegenüber der Generiereinrichtung 1 gemäß 5 höheren Wirkungsgrad im Hinblick auf das Erzeugen von Schall auf.
Bei der Generiereinrichtung 1 gemäß 6 sind die Durchgangslöcher 13 im Bereich der Seitenwand 7 und der Seitenwand 9 und der Rückwand 11 vorgesehen.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten einer Generiereinrichtung 1 ist jeweils nur eine einzige Mediumstrom-Quelle, nämlich eine Ultraschall-Quelle, vorgesehen. Es sei festgehalten, dass bei einer Generiereinrichtung 1 gemäß der Erfindung auch mehr als eine Mediumstrom-Quelle, beispielsweise zwei oder drei oder vier oder mehrere Ultraschall-Quellen, vorgesehen sein können. Wenn zwei Mediumstrom-Quellen vorgesehen sind, dann können diese seitlich nebeneinander liegend angeordnet sein und hierbei mit Mediumstrom-Dioden zusammenwirken, wobei die Mediumstrom-Dioden so ausgerichtet sein können, dass man zwei Generiereinrichtungen 1 erhält, die entweder zwei in der gleichen Richtung abgegebene Medium-Nutzströme oder zwei in entgegengesetzten Richtungen oder sich kreuzenden Richtungen abgegebene Nutzströme erzeugen.

Claims

Generiereinrichtung (1), welche Generiereinrichtung (1) zum Generieren eines Medium-Nutzstroms (2) mit mindestens einer Strömungsgeschwindigkeit (3) vorgesehen und entworfen ist, welche Strömungsgeschwindigkeit (3) mit einer in einem ersten Frequenzbereich liegenden Nutzfrequenz variiert werden kann, und welche Generiereinrichtung (1) die nachfolgend angeführten Mittel enthält: mindestens eine Mediumstrom-Quelle (14) zum Erzeugen von mindestens einem Mediumstrom (15) in abwechselnd aufeinanderfolgend entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16), welche entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16) mit einer in einem zweiten Frequenzbereich liegenden Frequenz aufeinanderfolgend wechseln, wobei der zweite Frequenzbereich frequenzmäßig über dem ersten Frequenzbereich liegt, und mindestens eine Mediumstrom-Diode (22; 25; 36, 37), die zum Zusammenwirken mit einem mit der mindestens einen Mediumstrom-Quelle erzeugten Mediumstrom vorgesehen und konstruiert und angeordnet ist und die je nach Strömungsrichtung des mit ihr zusammenwirkenden Mediumstroms dem besagten Mediumstrom mit unterschiedlich hohen Strömungswiderständen entgegenwirkt, was einen in einer Durchlassrichtung der mindestens einen Mediumstrom-Diode strömenden Medium-Gesamtstrom zur Folge hat, und mindestens eine Mediumstrom-Senke (23, 24; 40, 41), die zum Zusammenwirken mit dem mit Hilfe der mindestens einen Mediumstrom-Diode erzeugten Medium-Gesamtstrom vorgesehen und konstruiert und angeordnet ist und die die in dem Medium-Gesamtstrom enthaltenen Stromkomponenten in dem zweiten Frequenzbereich unterdrückt, was am Ausgang der mindestens einen Mediumstrom-Senke (23; 40) den Medium-Nutzstrom (2) in dem ersten Frequenzbereich ohne die unterdrückten Stromkomponenten in dem zweiten Frequenzbereich zur Folge hat.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Generiereinrichtung (1) zum Generieren eines Luft-Nutzstroms (2) entworfen ist.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Generiereinrichtung (1) mindestens eine Ultraschall-Quelle (14) als Mediumstrom-Quelle und mindestens eine akustische Diode (22; 25; 36, 37) als Mediumstrom-Diode und mindestens eine Ultraschall-Senke (23, 24; 40, 41) als Mediumstrom-Senke aufweist.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Ultraschall-Quelle (14) einen Signalgenerator (20) zum Erzeugen eines Trägersignals (CS) mit einer Ultraschall-Frequenz (f_US) aufweist, welcher Signalgenerator (20) zusätzlich mindestens einen Anschluss (21) zum Zuführen eines Nutzsignals (S_UF) mit einem hauptsächlich im Hörbereich liegenden Frequenzspektrum aufweist und wobei der Signalgenerator (20) zum Modulieren des Trägersignals (CS) in Abhängigkeit von dem Nutzsignal (S_UF) entworfen ist.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der Signalgenerator (20) zum Erzeugen eines Trägersignals (CS) mit einer Ultraschall-Frequenz (f_US) entworfen ist, deren Wert zumindest das Zehnfache des Werts der höchsten Frequenz im Nutzsignal ist.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei zwei Ultraschall-Senken (23, 24; 40, 41) vorgesehen sind.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl von akustischen Dioden (36, 37) vorgesehen sind.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei mindestens eine parallel zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16) verlaufende Luftstromkammer (30; 30, 35) vorgesehen ist, bei welcher Luftstromkammer zumindest eine parallel zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16) verlaufende Begrenzungswand mit Hilfe einer schwingungsfähig ausgebildeten Membran (31) der Ultraschall-Quelle (14) gebildet ist und bei welcher Luftstromkammer zumindest eine quer zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16) verlaufende Begrenzungswand (32, 33) eine Vielzahl von akustischen Dioden (36, 37) aufweist, wobei an zumindest einer eine Vielzahl von akustischen Dioden (36, 37) umfassenden Begrenzungswand (32, 33) eine Senkenkammer (40, 41) vorgesehen ist, die eine Ultraschall-Senke bildet.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei beide quer zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16) verlaufende Begrenzungswände (32, 33) der mindestens einen Luftstromkammer (30; 30, 35) eine Vielzahl von akustischen Dioden (36, 37) aufweisen und wobei an beide quer zu den entgegengesetzten Strömungsrichtungen (16) verlaufende Begrenzungswände (32, 33) der mindestens einen Luftstromkammer (30; 30, 35) angrenzend eine Senkenkammer (40, 41) als Ultraschall-Senke vorgesehen ist.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei die akustischen Dioden (22) trichterförmige Löcher (H) aufweisen, die zum Erzeugen von turbulenten Luftströmungen ausgebildet sind.
Generiereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei alle Bestandteile der Generiereinrichtung (1) in integrierter Technik aus integrierbaren Festkörperelementen hergestellt sind.