JP2023174649A - Air pulse generator generating asymmetrical air pulse - Google Patents

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Abstract

To provide an air pulse generator for improving defects of a conventional technology.SOLUTION: An air pulse generator has a membrane structure. The membrane structure is driven so as to form an amplitude modulated ultrasonic air pressure change having an ultrasonic carrier frequency. The membrane structure is driven so as to form an aperture at a rate synchronized with the ultrasonic carrier frequency. The air pulse generator generates a plurality of air pulses according to the amplitude-modulated ultrasonic air pressure change, and the plurality of air pulses are asymmetrical.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、空気パルス発生装置に関し、特に、非対称な空気パルスを生成し、同期復調を実施できる空気パルス発生装置に関する。 The present invention relates to an air pulse generator, and more particularly to an air pulse generator capable of generating asymmetric air pulses and performing synchronous demodulation.

スピーカドライバおよび背面エンクロージャは、スピーカ産業における2つの主要な設計課題である。従来のスピーカでは、例えば、20Hzから20kHzまでの全オーディオ周波数帯域を網羅することは容易ではない。高い忠実性で十分に高い音圧レベル(SPL)を有する音を生成するため、従来のスピーカの背面エンクロージャの放射/移動の表面および体積/サイズの両方が、十分に大きいことが必要とされる。 Speaker drivers and rear enclosures are two major design challenges in the speaker industry. Conventional speakers cannot easily cover the entire audio frequency band from 20Hz to 20kHz, for example. In order to produce sound with sufficiently high sound pressure level (SPL) with high fidelity, both the radiating/transferring surface and the volume/size of the back enclosure of a conventional loudspeaker are required to be sufficiently large. .

従って、従来のスピーカが直面する設計上の課題を克服しつつ、小型の音生成装置をどのように設計するかが、この分野における重要な目的となっている。 Therefore, how to design compact sound generating devices while overcoming the design challenges faced by conventional speakers has become an important objective in this field.

本発明の主な目的は、従来技術の欠点を改善する空気パルス発生装置を提供することである。 The main object of the present invention is to provide an air pulse generator that improves the drawbacks of the prior art.

本開示のある実施形態では、空気パルス発生装置であって、
膜構造を有し、
前記膜構造は、超音波搬送周波数を有する振幅変調された超音波空気圧力変化を形成するように駆動され、
前記膜構造は、前記超音波搬送周波数と同期した速度で開口を形成するように駆動され、
当該空気パルス生成装置は、前記振幅変調された超音波空気圧力変化に従って複数の空気パルスを生成し、前記複数の空気パルスは、非対称である、空気パルス発生装置が提供される。
In some embodiments of the present disclosure, an air pulse generator comprising:
It has a membrane structure,
the membrane structure is driven to create an amplitude modulated ultrasonic air pressure change having an ultrasonic carrier frequency;
the membrane structure is driven to form an aperture at a speed synchronized with the ultrasound carrier frequency;
An air pulse generating device is provided, the air pulse generating device generating a plurality of air pulses according to the amplitude modulated ultrasonic air pressure change, the plurality of air pulses being asymmetric.

本開示のある実施形態では、空気パルス発生装置であって、
超音波搬送周波数を有する振幅変調された超音波空気圧力変化が生成されるよう、変調動作を実行するように構成された変調手段であって、前記振幅変調された超音波空気圧力変化は、入力オーディオ信号に従って振幅変調され、前記入力オーディオ信号は、音信号の電気的表現である、変調手段と、
前記振幅変調された超音波空気圧力変化のスペクトル成分が前記超音波搬送周波数の整数倍の量だけシフトされるように、前記振幅変調された超音波空気圧力変化に対して、同期復調動作を実行するように構成された復調手段と、
を有し、
当該空気パルス発生装置は、前記同期復調動作を実施することにより、複数の空気パルスを生成し、
前記複数の空気パルスの可聴スペクトル成分は、前記音信号に対応する、空気パルス発生装置が提供される。
In some embodiments of the present disclosure, an air pulse generator comprising:
modulating means configured to perform a modulating operation such that an amplitude modulated ultrasonic air pressure change having an ultrasonic carrier frequency is generated, the amplitude modulated ultrasonic air pressure change being connected to an input modulating means amplitude modulated according to an audio signal, said input audio signal being an electrical representation of a sound signal;
performing a synchronous demodulation operation on the amplitude modulated ultrasonic air pressure change such that a spectral component of the amplitude modulated ultrasonic air pressure change is shifted by an amount that is an integer multiple of the ultrasonic carrier frequency; demodulating means configured to;
has
The air pulse generator generates a plurality of air pulses by performing the synchronous demodulation operation,
An air pulse generator is provided, wherein the audible spectral components of the plurality of air pulses correspond to the sound signal.

本発明のこれらおよび他の目的は、各種図面および図面に示された好適実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかである。 These and other objects of the invention will be apparent to those skilled in the art from reading the various drawings and the following detailed description of the preferred embodiments illustrated in the drawings.

本発明の実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による復調駆動信号および変調駆動信号の波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing waveforms of a demodulated drive signal and a modulated drive signal according to an embodiment of the present invention. 図1の装置に対応するシミュレーション結果を示す図である。2 is a diagram showing simulation results corresponding to the device of FIG. 1. FIG. 図1のAPG装置の音圧レベルのシミュレートされた周波数応答をプロットした図である。2 is a plot of the simulated frequency response of the sound pressure level of the APG device of FIG. 1; FIG. 図1の装置に対応するシミュレーション結果を示した図である。2 is a diagram showing simulation results corresponding to the device of FIG. 1. FIG. 図1の装置に対応するシミュレーション結果を示した図である。2 is a diagram showing simulation results corresponding to the device of FIG. 1. FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 図1の装置のエネルギー伝達比の周波数応答を示した図である。2 is a diagram showing the frequency response of the energy transfer ratio of the device of FIG. 1. FIG. 図8の装置のエネルギー伝達比の周波数応答を示した図である。9 is a diagram showing the frequency response of the energy transfer ratio of the device of FIG. 8. FIG. 図8の装置の製造方法の一工程を示した図である。9 is a diagram showing one step of the method for manufacturing the device of FIG. 8. FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施形態に係る駆動信号配線方式を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a drive signal wiring system according to an embodiment of the present invention. 図12の装置の周波数に対するSPL測定結果を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing SPL measurement results with respect to frequency of the device in FIG. 12. 図12の装置のピークツーピーク電圧に対するSPL測定結果を示した図である。13 is a diagram showing the SPL measurement results for the peak-to-peak voltage of the device in FIG. 12. FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 図17の装置と同様の装置のFEM(有限要素法)シミュレーション圧力プロファイルのスナップ写真を示した図である。18 is a diagram showing a snapshot of an FEM (finite element method) simulation pressure profile of a device similar to the device of FIG. 17; FIG. 図17の装置の周波数に対するイヤー(耳)カプラSPL測定結果を示した図である。18 is a diagram showing ear coupler SPL measurement results for frequencies of the device of FIG. 17. FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による仮想バルブの開放のタイミング整合(timing alignment)を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating timing alignment of opening of a virtual valve according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の一実施形態による仮想バルブの開放のタイミング整合を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating timing alignment of virtual valve openings according to an embodiment of the invention. 異なる程度の非対称性を有する1つの動作周期内の全周期パルスを示した図である。FIG. 3 shows full-period pulses within one operating cycle with different degrees of asymmetry; 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の上面図の概略図である。1 is a schematic diagram of a top view of an air pulse generator according to an embodiment of the invention; FIG. 図29の空気パルス発生装置の上面図の概略図である。30 is a schematic diagram of a top view of the air pulse generator of FIG. 29; FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の上面図である。1 is a top view of an air pulse generator according to an embodiment of the invention. FIG. 図31の空気パルス発生装置の2組の変調(復調)駆動信号の波形を示した図である。32 is a diagram showing waveforms of two sets of modulation (demodulation) drive signals of the air pulse generator of FIG. 31. FIG. 本発明の一実施形態による空気パルス発生装置の上面図である。1 is a top view of an air pulse generator according to an embodiment of the invention. FIG. 各構成素子の機能およびそれらの対応する周波数領域効果のシステム斜視図を示した図である。FIG. 3 shows a system perspective view of the function of each component and their corresponding frequency domain effects;

本発明の基本的な態様は、空気パルス発生装置に関し、より詳細には、変調手段および復調手段を備える空気パルス発生装置に関し、前記変調手段は、周波数fUCを有する超音波空気圧力波/変動(UAW)を生成し、UAWの振幅は、音声信号SSの電気的(アナログまたはデジタル)表現である、入力オーディオ信号SINに従って変調される。次に、この振幅変調された超音波空気圧力波/変化(AMUAW)は、前記復調手段により同期復調され、AMUAWに埋め込まれたスペクトル成分は、±n fUC(nは正の整数)だけシフトされる。ここで、nは、正の整数である。この同期復調の結果、音声信号SSに対応するAMUAWのスペクトル成分は、部分的にベースバンドに移され、その結果、可聴音声信号SSが再生される。ここで、振幅変調された超音波空気圧力波/変化AMUAWは、超音波搬送周波数fUCを有するキャリア成分に対応し、変調成分は、入力オーディオ信号SINに対応する。 A fundamental aspect of the invention relates to an air pulse generator, and more particularly to an air pulse generator comprising modulation means and demodulation means, said modulation means comprising ultrasonic air pressure waves/fluctuations having a frequency f UC . (UAW), the amplitude of which is modulated according to the input audio signal S IN , which is an electrical (analog or digital) representation of the audio signal SS. This amplitude modulated ultrasonic air pressure wave/change (AMUAW) is then synchronously demodulated by the demodulation means, and the spectral components embedded in the AMUAW are shifted by ±nf UC (n is a positive integer). Ru. Here, n is a positive integer. As a result of this synchronous demodulation, the spectral components of the AMUAW corresponding to the audio signal SS are partially transferred to baseband, resulting in the reproduction of the audible audio signal SS. Here, the amplitude modulated ultrasonic air pressure wave/change AMUAW corresponds to a carrier component with an ultrasonic carrier frequency f UC and the modulation component corresponds to the input audio signal S IN .

図1には、本発明の一実施形態による空気パルス発生(APG)装置100の概略図を示す。装置100は、入力(オーディオ)信号SINに応じて音響音を生成する音響生成装置として適用されてもよいが、これに限定されない。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an air pulse generation (APG) device 100 according to one embodiment of the invention. The device 100 may be applied as a sound generation device that generates an acoustic sound in response to an input (audio) signal S IN , but is not limited thereto.

装置100は、装置層12およびチャンバ画定層11を有する。装置層12は、壁124L、124Rと、フラップ101、103、105、および107までエッチングされる薄膜層を支持する支持構造123R、123Lとを有する。一実施形態において、装置層12は、例えば、123L/Rおよび124R/Lを形成するためにエッチングされる厚さが250~500μmのSi基板を使用して、MEMS(小型電気機械システム)製造プロセスにより製造されてもよい。一実施形態では、このSi基板の上で、シリコンオンインシュレータSOIまたはPOLYオンインシュレータPOI層で構成された、典型的には厚さ3~6μmの薄層がエッチングされ、フラップ101、103、105および107が形成される。 Device 100 has device layer 12 and chamber-defining layer 11 . Device layer 12 has walls 124L, 124R and support structures 123R, 123L that support the thin film layers that are etched down to flaps 101, 103, 105, and 107. In one embodiment, the device layer 12 is formed in a MEMS (small electromechanical systems) manufacturing process using, for example, a 250-500 μm thick Si substrate that is etched to form 123L/R and 124R/L. It may be manufactured by. In one embodiment, a thin layer, typically 3-6 μm thick, composed of a silicon-on-insulator SOI or a POLY-on-insulator POI layer is etched on top of this Si substrate, with flaps 101, 103, 105 and 107 is formed.

チャンバ画定層(「キャップ」構造とも称され/命名され得る)11は、一対のチャンバ側壁110R、110Lと、チャンバ天井117とを有する。一実施形態では、チャンバ画定層(またはキャップ構造)11は、MEMS製造技術を使用して製造されてもよい。このチャンバ画定層11と装置層12の間に、共振チャンバ115が形成される。 Chamber-defining layer (which may also be referred to/named a "cap" structure) 11 has a pair of chamber side walls 110R, 110L and a chamber ceiling 117. In one embodiment, chamber-defining layer (or cap structure) 11 may be manufactured using MEMS manufacturing techniques. A resonant chamber 115 is formed between the chamber defining layer 11 and the device layer 12.

換言すれば、装置100は、膜構造10とキャップ構造11とを有し、それらの間にチャンバ115が形成されていると見なされてもよい。膜構造10は、変調部分104と復調部分102とを含むものとして見ることができる。(変調)フラップ105および107を有する変調部分104は、チャンバ115内に超音波空気/音波を形成、作動するように構成され、空気/音波は、時間および空間の両方で変化する一種の空気圧力変化として見ることができる。一実施形態では、超音波空気/音響波または空気圧力変化は、超音波搬送周波数fUCを有する振幅DSB-SC(両側波帯抑圧搬送波)変調空気/音響波であってもよい。超音波搬送周波数fUCは、例えば、160kHzから192kHzの範囲内であってもよく、これは、人間の可聴音の最大周波数よりも有意に大きい。 In other words, the device 100 may be considered to have a membrane structure 10 and a cap structure 11 with a chamber 115 formed therebetween. Membrane structure 10 can be viewed as including a modulating portion 104 and a demodulating portion 102. (Modulation) The modulation portion 104 with flaps 105 and 107 is configured to form and activate ultrasonic air/sound waves within the chamber 115, where the air/sound waves are a type of air pressure that varies both in time and space. It can be seen as a change. In one embodiment, the ultrasonic air/acoustic wave or air pressure change may be an amplitude DSB-SC (double sideband suppressed carrier) modulated air/acoustic wave with an ultrasonic carrier frequency f UC . The ultrasound carrier frequency f UC may be, for example, in the range of 160kHz to 192kHz, which is significantly greater than the maximum frequency of human audible sound.

以降、空気波および音響波という用語は、相互互換的に使用する。 Hereinafter, the terms air wave and acoustic wave will be used interchangeably.

(復調)フラップ101および103を有する復調部102は、変調部102と同期して動作するように構成され、変調部104によって生成されたDSB-SC変調音響波のスペクトル成分を±n×fUCだけシフトし、ここでnは正の整数であり、チャンバ115内の超音波空気波に従って、複数の空気パルスを周囲に向かって生成し、複数の空気パルスのベースバンド周波数成分(チャンバ115内の超音波空気波に従って復調部102により生成される)は、入力(オーディオ)信号SINとなり、または入力(オーディオ)信号SINに対応/関連する。複数の空気パルスの低周波数成分は、可聴スペクトル(例えば、20または30kHz未満)内にある複数の空気パルスの周波数成分を表す。本願では、ベースバンドは通常、可聴スペクトルと称されてもよいが、これに限定されない。 (Demodulation) A demodulation section 102 having flaps 101 and 103 is configured to operate in synchronization with the modulation section 102, and converts the spectral components of the DSB-SC modulated acoustic wave generated by the modulation section 104 into ±n×f UC , where n is a positive integer, generates air pulses toward the environment according to the ultrasonic air waves within chamber 115, and the baseband frequency components of the air pulses (within chamber 115) (generated by the demodulator 102 according to the ultrasonic air waves) becomes the input (audio) signal S IN or corresponds to/is related to the input (audio) signal S IN . Low frequency components of the air pulses represent frequency components of the air pulses that are within the audible spectrum (eg, below 20 or 30 kHz). In this application, baseband may generally be referred to as, but not limited to, the audio spectrum.

換言すれば、音生成用途において、変調部104は、入力オーディオ信号SINに従って変調された空気波を形成するように作動されてもよく、復調部102は、変調部104と同期して動作し、入力オーディオ信号SINとして(または入力オーディオ信号SINに対応する/関連する)その低周波数成分を有する、複数の空気パルスを生成する。通常、fUC≧96kHz≒5×20kHzのような、fUCが人間の最高可聴周波数よりもはるかに高い音生成用途では、複数の空気パルスに対する自然な/環境的なローパスフィルタリング効果(壁、床、天井、調度品などの物理的環境、または音波などの高い伝搬損失、および外耳道、鼓膜、槌骨、キヌタ骨、アブミ骨のような人間の聴覚システムにより引き起こされる)により、聴取者が知覚するのは、入力オーディオ信号SINにより表される可聴音または音楽だけである。 In other words, in sound generation applications, the modulating section 104 may be operated to form a modulated air wave according to the input audio signal S IN , and the demodulating section 102 may be operated synchronously with the modulating section 104. , generates a plurality of air pulses having its low frequency component as (or corresponding to/related to) the input audio signal S IN . Typically, in sound production applications where f UC is much higher than the highest human audible frequency, such as f UC ≥ 96 kHz ≒ 5 × 20 kHz, natural/environmental low-pass filtering effects on multiple air pulses (walls, floors, , caused by the physical environment such as ceilings, furniture, or high propagation losses such as sound waves and the human auditory system such as the ear canal, eardrum, malleus, incus, and stapes) that are perceived by the listener. is only the audible sound or music represented by the input audio signal S IN .

例示的に、図34には、変調(復調)動作の前後の信号の周波数スペクトルを示すことにより、変調(復調)動作の効果を概念的/概略的に示す。図34において、変調動作は、振幅変調された超音波音響/空気波UAWを生成し、音響信号SSの電気的(アナログまたはデジタル)表現である入力オーディオ信号SINに従って、W(f)として示されるスペクトルを有するSIN/SSのスペクトルは、図34においてS(f)として表される。Z(f)として示されるスペクトルを有する超音波パルスアレイUPA(複数のパルスを含む)を生成する同期復調動作は、超音波音響/空気波UAWのスペクトル成分を±n×fUC(nは整数)だけシフトする(ステップを含む)と見なすことができ、音響信号SSに対応する超音波空気波UAWのスペクトル成分は、部分的にベースバンドに搬送される。従って、Z(f)から分かるように、超音波パルスアレイUPAのベースバンド成分は、振幅変調されたUAW W(f)と比較して有意である。超音波パルスアレイUPAは、周囲に向かって伝搬する。自然/物理的な環境および人間の聴覚システムの固有のローパスフィルタリング効果により、音声信号SSに対応する結果として生じるスペクトルY(f)を再生することができる。 Illustratively, FIG. 34 conceptually/schematically illustrates the effect of the modulation (demodulation) operation by showing the frequency spectra of the signal before and after the modulation (demodulation) operation. In Figure 34, the modulation operation produces an amplitude modulated ultrasonic acoustic/air wave UAW, shown as W(f), according to the input audio signal S IN which is an electrical (analog or digital) representation of the acoustic signal SS. The spectrum of S IN /SS with the spectrum represented by S(f) in FIG. A synchronous demodulation operation that produces an ultrasonic pulse array UPA (containing multiple pulses) with a spectrum denoted as Z(f) converts the spectral components of the ultrasonic acoustic/air wave UAW to ±n × f UC (where n is an integer ), the spectral components of the ultrasonic air wave UAW corresponding to the acoustic signal SS are partially carried to baseband. Therefore, as can be seen from Z(f), the baseband component of the ultrasonic pulse array UPA is significant compared to the amplitude modulated UAW W(f). The ultrasonic pulse array UPA propagates towards the surroundings. Due to the natural/physical environment and the inherent low-pass filtering effects of the human auditory system, the resulting spectrum Y(f) corresponding to the audio signal SS can be reproduced.

正弦波搬送波を使用する従来のDSB-SC振幅変調とは異なり、W(f)は、±3×fUC、±5×fUC、およびより高次のfUCの高調波(図34には図示せず)における成分を有することが留意される。これは、本発明の変調の搬送波は、純粋に正弦波ではないからである。 Unlike traditional DSB-SC amplitude modulation, which uses a sinusoidal carrier, W(f) can vary from ±3 × f UC , ±5 × f UC , and higher harmonics of f UC (in Figure 34 (not shown). This is because the carrier wave of the modulation of the present invention is not a purely sinusoidal wave.

再度図1を参照すると、同期復調動作の一実施形態として、復調部102が作動され、変調された空気波のピークに対応する/整合された時間および位置に、開口112が形成されてもよい。換言すれば、変調された空気波が開口112の位置でピークに達する際、復調部102は、開口112もピークに達するように、作動してもよい。 Referring again to FIG. 1, in one embodiment of synchronous demodulation operation, demodulator 102 may be activated to form aperture 112 at a time and location corresponding to/aligned with the peak of the modulated air wave. . In other words, when the modulated air wave reaches a peak at the location of the aperture 112, the demodulator 102 may operate such that the aperture 112 also reaches its peak.

図1に示す実施形態では、復調部102は、側壁110Lと110Rの間の中心位置に開口112を形成し、これは、表面対表面または111L対111Rを有し、両者の間で(実質的に)λUCだけ離間し、フラップ101および103の先端が、側壁111Lおよび111Rから、または側壁表面111Lおよび111Rから、(実質的に)λUC/2だけ離れていることを意味する。ここでλUCは、超音波搬送周波数fUCに対応する波長を表し、すなわちλUC=C/fUCであり、Cは音速である。 In the embodiment illustrated in FIG. ) λ UC , meaning that the tips of flaps 101 and 103 are (substantially) λ UC /2 apart from side walls 111 L and 111 R, or from side wall surfaces 111 L and 111 R. Here, λ UC represents the wavelength corresponding to the ultrasonic carrier frequency f UC , ie, λ UC =C/f UC , and C is the speed of sound.

一実施形態では、復調部102は、超音波搬送周波数fUCに同期したバルブ開放速度で開口112を形成するように作動されてもよい。本発明において、バルブ開放速度が超音波搬送周波数fUCに同期するとは、通常、バルブ開放速度が超音波搬送周波数fUCに有理数を乗じた値、すなわち、fUC×(N/M)であることを意味する。ここで、NおよびMは整数である。一実施形態では、(開口112の)バルブ開放速度は、超音波搬送周波数fUCであってもよい。例えば、バルブ/開口112は、作動周期TCYごとに開くことができ、ここで作動周期TCYは、超音波搬送周波数fUCの逆数であり、すなわち、TCY=1/fUCである。 In one embodiment, the demodulator 102 may be operated to form the aperture 112 with a valve opening rate synchronized to the ultrasound carrier frequency f UC . In the present invention, when the valve opening speed is synchronized with the ultrasonic carrier frequency f UC , the valve opening speed is usually a value obtained by multiplying the ultrasonic carrier frequency f UC by a rational number, that is, f UC × (N/M). It means that. Here, N and M are integers. In one embodiment, the valve opening rate (of aperture 112) may be the ultrasonic carrier frequency f UC . For example, the valve/aperture 112 may open every actuation period T CY , where the actuation period T CY is the reciprocal of the ultrasound carrier frequency f UC , ie, T CY =1/f UC .

また本発明において、変調(復調)部分102/104は、変調(復調)フラップ対を示すために使用される。また、開口112を形成する復調部(またはフラップ対)102は、仮想バルブとみなされ、特定のバルブ/復調駆動信号に従って(周期的に)開閉運動を行い、開口112を形成してもよい。 Also in the present invention, the modulation (demodulation) section 102/104 is used to indicate a modulation (demodulation) flap pair. Furthermore, the demodulator (or flap pair) 102 that forms the aperture 112 may be regarded as a virtual valve, and may perform opening and closing movements (periodically) according to a specific valve/demodulation drive signal to form the aperture 112.

一実施形態において、変調部104は、図1に示す圧力プロファイルP104および空気流プロファイルU104のように、共振チャンバ115内にモード2(または2次高調波)共振(または定在波)を実質的に生成してもよい。この点に関して、側壁表面111Lと111Rとの間の間隔は、超音波搬送周波数fUCに対応する全波長λUCを実質的に定め、すなわち、W115≒λUC=C/fUCである。さらに、図1に示した実施形態では、変調フラップ105/107の自由端は、側壁110L/110Rにより配置される。 In one embodiment, the modulator 104 substantially creates a mode 2 (or second harmonic) resonance (or standing wave) within the resonant chamber 115, such as the pressure profile P104 and airflow profile U104 shown in FIG. may be generated. In this regard, the spacing between sidewall surfaces 111L and 111R substantially defines a total wavelength λ UC corresponding to the ultrasound carrier frequency f UC , ie, W115≈λ UC =C/f UC . Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 1, the free ends of modulating flaps 105/107 are located by side walls 110L/110R.

変調された空気波を生成する変調と開口112を形成する復調との間に、相互変調(またはクロスカップリング)が発生する可能性があり、生じる音質を劣化し得ることに留意する必要がある。音質を向上させるために、相互変調(またはクロスカップリング)を最小限に抑えることが望ましい。これを達成するため(すなわち、変調と復調との間のクロスカップリングを最小化するため)、変調フラップ105および107は、共通モード移動を有するように駆動され、復調フラップ101および103は、差動モード移動を有するように駆動される。変調フラップ105および107が共通モード移動を有するとは、フラップ105および107が同時に作動/駆動され、同じ方向に向かって移動することを意味する。復調フラップ101および103が差動モード移動を有するとは、フラップ101および103が同時に作動され、反対方向に動くことを意味する。さらに、一実施形態では、フラップ101および103は、(実質的に)同じ変位/大きさで、反対方向に向かって移動するように作動されてもよい。 It should be noted that intermodulation (or cross-coupling) may occur between the modulation generating the modulated air wave and the demodulation forming the aperture 112, which may degrade the resulting sound quality. . To improve sound quality, it is desirable to minimize intermodulation (or cross-coupling). To achieve this (i.e. to minimize cross-coupling between modulation and demodulation), modulation flaps 105 and 107 are driven to have common mode movement, and demodulation flaps 101 and 103 are driven to have a common mode movement. driven to have dynamic mode movement. By modulating flaps 105 and 107 having common mode movement is meant that flaps 105 and 107 are actuated/driven at the same time and move toward the same direction. By demodulating flaps 101 and 103 having differential mode movement is meant that flaps 101 and 103 are actuated simultaneously and move in opposite directions. Furthermore, in one embodiment, flaps 101 and 103 may be actuated to move in opposite directions with (substantially) the same displacement/magnitude.

復調部102は、図1に示す復調部102によって形成された圧力プロファイルP102および空気流プロファイルU102として、共振チャンバ115内にモード1(または1次高調波)共振(または定在波)を実質的に生成してもよい。従って、復調部102は、W115≒λD_V/2のような、バルブ動作/駆動周波数fD_V(バルブ/復調-駆動信号に対応する)で作動する。ここで、λD_V=C/fD_Vであり、バルブ動作/駆動周波数は、超音波搬送周波数Fucの半分、すなわち、fD_V=fuc/2である。 The demodulating section 102 substantially generates mode 1 (or first harmonic) resonance (or standing wave) within the resonant chamber 115 as the pressure profile P102 and air flow profile U102 formed by the demodulating section 102 shown in FIG. may be generated. Therefore, the demodulator 102 operates at a valve operating/driving frequency f D_V (corresponding to the valve/demodulating drive signal) such that W115≈λ D_V /2. Here, λ D_V = C/f D_V and the valve operating/driving frequency is half of the ultrasound carrier frequency Fuc, ie, f D_V = fuc/2.

共通モード移動および差動モード移動は、変調(復調)駆動信号により、駆動できる。図2には、復調駆動信号S101、S103、および変調駆動信号SMの波形を示す。変調駆動信号SMは、変調フラップ105および107を駆動するために使用される。復調駆動信号(またはバルブ駆動信号)S101、S103は、それぞれ、復調フラップ101、103を駆動するために使用される。 Common mode movement and differential mode movement can be driven by modulation (demodulation) drive signals. FIG. 2 shows waveforms of demodulated drive signals S101, S103 and modulated drive signal SM. Modulation drive signal SM is used to drive modulation flaps 105 and 107. Demodulation drive signals (or valve drive signals) S101 and S103 are used to drive demodulation flaps 101 and 103, respectively.

一実施形態では、変調駆動信号SMは、入力オーディオ信号SINに従って変調されるパルス振幅変調(PAM)信号とみなすことができる。さらに、従来のPAM信号とは異なり、信号SMの(定電圧に対する)極性は、1作動サイクル(周期)TCY内でトグル切り替えられる。一般に、変調駆動信号SMは、(定電圧に対して)交番極性を有するパルスを含み、パルスのエンベロープ/振幅は、入力オーディオ信号SINのAC(交流電流)成分と(実質的に)同じであるか、またはそれに比例/対応する。換言すれば、変調駆動信号SMは、パルス振幅変調信号を有し、または定電圧に対して交互の極性を有するPAM変調されたパルスを有するものと見なすことができる。図2に示される実施形態では、変調駆動信号SMのトグリング速度は、2×fucであり、これは、変調駆動信号SM内のパルスの極性が1作動周期TCY内で2回交番/トグルすることを意味する。 In one embodiment, the modulated drive signal SM can be considered a pulse amplitude modulated (PAM) signal that is modulated according to the input audio signal S IN . Furthermore, unlike conventional PAM signals, the polarity (relative to constant voltage) of signal SM is toggled within one actuation cycle (period) TCY . In general, the modulated drive signal SM contains pulses with alternating polarity (for a constant voltage), the envelope/amplitude of the pulses being (substantially) the same as the AC (alternating current) component of the input audio signal S IN . is or is proportional to/corresponds to it. In other words, the modulated drive signal SM can be considered as having a pulse amplitude modulated signal or as having PAM modulated pulses with alternating polarity for a constant voltage. In the embodiment shown in FIG. 2, the toggling rate of the modulated drive signal SM is 2×fuc, which means that the polarity of the pulses in the modulated drive signal SM alternates/toggles twice within one working period T CY . It means that.

復調駆動信号S101およびS103は、等しい振幅で(一定の/平均電圧に対して)反対の極性を有する2つの駆動パルスを含む。言い換えれば、特定の時間において、所与のS101が(一定の/平均電圧に対して)第1の極性を有する第1のパルスを含み、S103が(一定の/平均電圧に対して)第2の極性を有する第2のパルスを含む場合、第1の極性は、第2の極性とは反対である。図2に示されるように、復調駆動信号S101/S103のトグリング速度は、fucであり、これは、復調駆動信号S101/S103内のパルスの極性が、1つの動作周期TCY内で1回交番/トグリングすることを意味する。従って、変調駆動信号(SM)のトグリング速度は、復調駆動信号S101/S103のトグリング速度の2倍である。 The demodulated drive signals S101 and S103 include two drive pulses with equal amplitude and opposite polarity (for a constant/average voltage). In other words, at a particular time, a given S101 contains a first pulse with a first polarity (for a constant/average voltage) and S103 contains a second pulse (for a constant/average voltage). , the first polarity is opposite to the second polarity. As shown in Figure 2, the toggling speed of the demodulated drive signals S101/S103 is fuc, which means that the polarity of the pulses in the demodulated drive signals S101/S103 alternates once within one operating period T CY . / means toggle. Therefore, the toggling speed of the modulated drive signal (SM) is twice the toggling speed of the demodulated drive signals S101/S103.

S101/S103の傾き(および関連する陰領域)は、電圧レベル間の遷移中のエネルギー再利用を表す簡略図である。なお、信号S101、S103の遷移期間は、重なっていることが留意される。エネルギー再利用は、フラップ101/Rの圧電アクチュエータのほとんどが容量性負荷である場合、LC発振器の特性を使用することにより実現されてもよい。エネルギー再利用概念の詳細は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第11,057,692号が参照され得る。なお、圧電アクチュエータは、一実施形態として提供されており、これに限定されるものではないことに留意する必要がある。 The S101/S103 slope (and associated shadow area) is a simplified diagram representing energy reuse during transitions between voltage levels. Note that the transition periods of the signals S101 and S103 overlap. Energy reuse may be achieved by using the characteristics of the LC oscillator if most of the piezoelectric actuators of the flap 101/R are capacitive loads. For more information on energy recycling concepts, reference may be made to US Pat. No. 11,057,692, which is incorporated herein by reference. Note that the piezoelectric actuator is provided as one embodiment, and it should be noted that the piezoelectric actuator is not limited thereto.

フラップ対102が差動的に駆動されることを強調するため、信号S101およびS103は、-SVおよび+SVで表されてもよく、これは、この対の駆動信号が同じ波形を有するものの、極性が異なることを示す。説明では、図2に示すように、-SVはS101に対するものであり、+SVはS103に対するものであるが、これに限定されるものではない。一実施形態では、S101は+SVであり、S103は-SVであってもよい。 To emphasize that flap pair 102 is driven differentially, signals S101 and S103 may be denoted -SV and +SV, which means that the drive signals of this pair have the same waveform but with different polarities. indicates that they are different. In the explanation, as shown in FIG. 2, -SV is for S101, and +SV is for S103, but the present invention is not limited to this. In one embodiment, S101 may be +SV and S103 may be -SV.

別の実施形態では、DCバイアス電圧VBIASがあり、駆動信号S101=VBIAS-SV、S103=VBIAS+SVのような状況下では、VBIAS≠103であってもよい。そのような変形形態は、本開示の範囲内であると見なされる必要がある。 In another embodiment, there is a DC bias voltage V BIAS and under the circumstances that drive signal S101=V BIAS -SV, S103=V BIAS +SV, V BIAS ≠103. Such variations should be considered within the scope of this disclosure.

さらに、図2には、変調駆動信号SMと復調駆動信号±SVの間のトグリング速度の違いを示す。変調駆動信号SMと復調駆動信号±SVとの間の相対的な位相遅延は、タイミング整合を意味し、これは、実際の要件に従って調整されてもよい。 Furthermore, FIG. 2 shows the difference in toggling speed between the modulated drive signal SM and the demodulated drive signal ±SV. The relative phase delay between the modulated drive signal SM and the demodulated drive signal ±SV means timing alignment, which may be adjusted according to the actual requirements.

一実施形態では、信号SMおよび±SVを生成する駆動回路は、変調駆動信号SMと復調駆動信号±SVとの間に(相対)遅延を生成するように構成されたサブ回路を有してもよい。遅延を生成するサブ回路の詳細は、限定されない。既知の技術をサブ回路に組み込むことができる。サブ回路が遅延を生成してタイミング整合要件(後に詳述される)を満たすことができる限り、本発明の要件が満たされるため、これは本発明の範囲内である。 In one embodiment, the drive circuit generating the signals SM and ±SV may have a subcircuit configured to generate a (relative) delay between the modulated drive signal SM and the demodulated drive signal ±SV. good. The details of the subcircuits that generate the delays are not limited. Known techniques can be incorporated into the sub-circuits. This is within the scope of the present invention because as long as the sub-circuit can generate delays to meet timing alignment requirements (detailed below), the requirements of the present invention are met.

フラップ101および103の先端は、実質的に同じ位置(側壁111Lと111Rとの間の中心位置)にあり、その位置では、実質的に同じ空気圧を受けることが留意される。また、フラップ101および103は差動的に移動する。従って、フラップ101および103の先端の動きは、アナログ差動OP増幅器回路の分野で知られている、共通モード除去と同様の共通モード除去挙動を有し、これは、復調フラップ101および103の先端の変位差、または|d101-d103|が、変調フラップ105および107によって形成される空気圧により、ほとんど影響を受けないことを意味する。 It is noted that the tips of flaps 101 and 103 are at substantially the same location (centered between sidewalls 111L and 111R) and are subject to substantially the same air pressure at that location. Additionally, flaps 101 and 103 move differentially. Therefore, the movement of the tips of the flaps 101 and 103 has a common mode rejection behavior similar to that known in the art of analog differential OP amplifier circuits, which This means that the displacement difference, or |d 101 −d 103 |, is almost unaffected by the air pressure created by the modulation flaps 105 and 107.

共通モード除去または変調器-復調器分離は、図3により説明することができる。図3には、装置100の等価回路モデルから生成されたシミュレーション結果を示す。曲線d101およびd103は、それぞれ、フラップ101および103の先端の移動/変位を表す。図3から分かるように、d101およびd103は、変調フラップ105/107によって生成される音圧に起因してかなり大きく変動するが(P104)、図3のd101-d103により示される曲線によって表される差動運動は、(実質的に)一定のままである。すなわち、バルブ開口112の幅/間隙は、変調部分104が動作する際も一定のままである。換言すれば、変調器の動きは、復調器の機能および特性に対して無視できるほどの影響しかもたらさず、これが「変調器対復調器分離(modulator-to-demodulator-isolation)」が意味するものである。 Common mode cancellation or modulator-demodulator separation can be explained with reference to FIG. 3. FIG. 3 shows simulation results generated from the equivalent circuit model of the device 100. Curves d 101 and d 103 represent the movement/displacement of the tips of flaps 101 and 103, respectively. As can be seen from Fig. 3, d 101 and d 103 vary considerably (P104) due to the sound pressure generated by the modulating flaps 105/107, but the curve shown by d 101 - d 103 in Fig. 3 The differential motion represented by remains (substantially) constant. That is, the width/gap of the valve opening 112 remains constant as the modulating portion 104 operates. In other words, the movement of the modulator has a negligible effect on the functionality and characteristics of the demodulator, and this is what is meant by "modulator-to-demodulator-isolation." It is.

一方、復調器対変調器分離(demodulator-to-modulator-isolation)に関しては、フラップ101/103がチャンバ115内に1次高調波共振または定在波を生成するため、図1から分かるように、P102によってフラップ105およびフラップ107に加えられる圧力は、実質的に同じ大きさで反対の極性を有し、フラップ105およびフラップ107の動きに、同じ大きさであるが反対の極性の変化を生じさせる(P102による)。これは、同じ大きさであるが反対の極性で変化する2つの超音波(一方は105、他方は107)を生成する。これら2つの超音波は、バルブ開口112の上方の位置(図1に示される点線領域によって示される)まで伝搬すると、それらは1つの圧力に合体される。この「合流」の場所は、105および107の先端から等しい距離で、X軸またはX方向に沿った装置100の中心で生じるため、P102に誘起される変化は、相互に相殺/補償され、復調器/仮想バルブの動作の干渉から大きく解放された、正味の残余が生成される。 On the other hand, regarding demodulator-to-modulator-isolation, as can be seen from FIG. The pressures exerted by P102 on flaps 105 and 107 have substantially the same magnitude and opposite polarity, causing changes in the movement of flaps 105 and 107 of equal magnitude but opposite polarity. (according to P102). This produces two ultrasound waves (one 105, the other 107) of the same magnitude but varying in opposite polarity. When these two ultrasound waves propagate to a position above the valve opening 112 (indicated by the dotted area shown in FIG. 1), they are combined into one pressure. This "meeting" location occurs at the center of the device 100 along the X-axis or A net residual is produced that is largely free from the interference of vessel/virtual valve operation.

例示的に、図4には、SINが10トーン等振幅試験信号(650~22kHz内であり、等しい対数スケール間隔を有する)であり、装置100の等価回路シミュレーションモデルが使用される条件下で、装置100から1メートル離れて測定されたSPL(音圧レベル)のシミュレートされた周波数応答がプロットされている。現シミュレーションでは、超音波搬送周波数は、fuc=192kHzに設定され、バルブ動作周波数は、fD_V=fUC/2=96kHzに設定される。 Illustratively, Figure 4 shows that under conditions where S IN is a 10-tone equal-amplitude test signal (within 650 to 22 kHz and with equal logarithmic scale spacing) and an equivalent circuit simulation model of device 100 is used. , the simulated frequency response of SPL (sound pressure level) measured 1 meter away from the device 100 is plotted. In the current simulation, the ultrasound carrier frequency is set to fuc=192kHz and the valve operating frequency is set to fD_V = fUC /2=96kHz.

復調器対変調器分離は、約96kHz(図4においてブロック矢印で示されている)付近に、無関係なスペクトル成分が存在しないことにより説明することができる。これは、高いレベルの分離を示す。 The demodulator-to-modulator separation can be explained by the absence of extraneous spectral components around about 96 kHz (indicated by the block arrow in FIG. 4). This indicates a high level of separation.

結果として、これら2つのフラップ対(101/103対105/107)の動きの干渉は、共通モード(変調器上)に対する差動モード(復調器上)の直交/配置を通じて、最小化される。 As a result, the motion interference of these two flap pairs (101/103 vs. 105/107) is minimized through the orthogonality/arrangement of the differential mode (on the demodulator) to the common mode (on the modulator).

また、バルブが開いたままである時間の割合、すなわちデューティファクタは、装置100の出力に影響を及ぼす重要な要因である。駆動電圧S101およびS103の振幅を高めると、フラップ101および103の運動の振幅が増加し、これは、バルブ開口112の最大開放幅を増大させ、駆動電圧を上昇させることにより、バルブ開口のデューティファクタも上昇する。すなわち、駆動電圧S101、S103により、バルブ開口112のデューティファクタおよびバルブ開口112の最大開放幅/ギャップを決定することができる。 Additionally, the percentage of time that the valve remains open, ie, the duty factor, is an important factor affecting the output of the device 100. Increasing the amplitude of the driving voltages S101 and S103 increases the amplitude of the movement of the flaps 101 and 103, which increases the maximum opening width of the valve opening 112, and by increasing the driving voltage, the duty factor of the valve opening increases. will also rise. That is, the duty factor of the valve opening 112 and the maximum opening width/gap of the valve opening 112 can be determined by the driving voltages S101 and S103.

前述の等価回路シミュレーションモデルの1つから生成される図5に示される例のように、バルブ開放のデューティファクタが50%に近づくと、V(開放)>0とラベル付けされた曲線として示される各バルブ開放の期間は、バルブ開口112(図1の点線領域によって示される)の上部の位置で振幅変調された超音波定在波の同じ半周期と重なる。バルブ開口112の開閉を、図5においてV(p_vlv)でラベル付けされた曲線として示されるチャンバ内定在波に同期させ、タイミング調整することにより、V(ep_vlv)でラベル付けされた曲線として示される、良好に形成された出力圧力パルスが生成される。 As the duty factor of valve opening approaches 50%, as in the example shown in Figure 5 generated from one of the equivalent circuit simulation models mentioned above, it is shown as the curve labeled V(Opening) > 0. The period of each valve opening overlaps with the same half-period of the amplitude modulated ultrasonic standing wave at the top of the valve opening 112 (indicated by the dotted area in FIG. 1). By synchronizing and timing the opening and closing of the valve opening 112 with the standing wave in the chamber, shown as the curve labeled V(p_vlv) in FIG. 5, the curve labeled V(ep_vlv) , a well-shaped output pressure pulse is produced.

図5において、V(d2)-V(d3)でラベル付けされた曲線は、フラップ101および103の変位の差、すなわちd101-d103を表し、V(開口)でラベル付けされた曲線は、仮想バルブ112の開放の度合いを表す。|V(d2)-V(d3)|>THであるとき、V(開放)>0であり、ここでTHは、フラップ101および103の厚さ、フラップ101と103との間のスリットの幅、境界層厚さなどのパラメータによって定義される閾値である。好適に形状化されたV(ep_vlv)は、高い対称性を有するV(p_vlv)とは異なり、V(ep_vlv)によって示されるパルスが高度に非対称であることを表してもよい。出力圧力パルスの非対称性は、空気パルス発生装置、または略してAPG装置、により生成される空気パルスの低周波数成分(すなわち可聴帯域の周波数成分)を示し、これはAPG装置にとって望ましい特徴である。非対称性が高いほど、空気パルスのベースバンド周波数成分が強くなる。図5の縮小図は、図6に示されており、図には1.68kHzのベースバンド音声信号のエンベロープに対応する、V(ep_vlv)の非対称性が示されている。本発明において、開口(112)は、フラップ(101)とフラップ(103)の変位の差が閾値より大きい場合、例えば、|V(d2)-V(d3)|>THであるとき、開放/形成され、または開放状態にあり、そうでないとき、閉止され、または閉止状態にある。 In Figure 5, the curve labeled V(d2)-V(d3) represents the difference in displacement of flaps 101 and 103, i.e. d101-d103, and the curve labeled V(aperture) represents the virtual It represents the degree of opening of the valve 112. When |V(d2)−V(d3)|>TH, V(open)>0, where TH is the thickness of flaps 101 and 103, and the width of the slit between flaps 101 and 103. , a threshold defined by parameters such as boundary layer thickness. A suitably shaped V(ep_vlv) may represent that the pulse denoted by V(ep_vlv) is highly asymmetric, unlike V(p_vlv) which has a high degree of symmetry. The asymmetry of the output pressure pulse indicates a low frequency content (i.e., a frequency content in the audio range) of the air pulses produced by the air pulse generator, or APG device for short, which is a desirable feature for an APG device. The higher the asymmetry, the stronger the baseband frequency component of the air pulse. A reduced view of FIG. 5 is shown in FIG. 6, which shows the asymmetry of V(ep_vlv) corresponding to the envelope of a 1.68 kHz baseband audio signal. In the present invention, the opening (112) is opened/opened when the difference in displacement between the flap (101) and the flap (103) is larger than a threshold value, for example, |V(d2)−V(d3)|>TH. formed or in an open state; otherwise closed or in a closed state.

さらに、最大出力は、|V(d2)-V(d3)|>THとして定義されるバルブ開放のデューティファクタが、50%またはそれよりわずかに大きいとき、例えば55~60%の範囲において生じることが観察されるが、これに限定されない。しかしながら、バルブ開放のデューティファクタが、80~85%のような、50%よりも十分に高いとき、チャンバ内超音波定在波の半周期よりも多くがバルブを通過し、異なる極性を有する定在波の部分が互いに相殺され、装置100からのより低い正味SPL出力が得られる。従って、通常、バルブ開放のデューティファクタを50%近くに維持し、典型的には50%~70%の範囲に維持することが望ましい(45%から70%の間の範囲のデューティファクタは、本発明の範囲内である)。 Furthermore, the maximum power output occurs when the duty factor of valve opening, defined as |V(d2)−V(d3)|>TH, is 50% or slightly greater, e.g. in the range 55-60%. are observed, but are not limited to this. However, when the duty factor of valve opening is sufficiently higher than 50%, such as 80-85%, more than half a period of the ultrasonic standing wave in the chamber passes through the valve, and the constant wave with different polarity passes through the valve. The active portions cancel each other out, resulting in a lower net SPL output from the device 100. Therefore, it is usually desirable to keep the valve opening duty factor close to 50%, typically in the 50% to 70% range (duty factors in the range of 45% to 70% are within the scope of the invention).

デューティファクタに加えて、変調器対復調器分離を確実にするため、復調フラップ101/103の共振周波数fR_Vは、超音波搬送周波数fucから十分に逸脱することが提案され、これは別の設計因子となる。 In addition to the duty factor, in order to ensure modulator-to-demodulator isolation, the resonant frequency f R_V of the demodulation flaps 101/103 is proposed to deviate sufficiently from the ultrasound carrier frequency fuc, which is different from the design Become a factor.

50%に等しいバルブ開放のデューティファクタの制約の下、フラップ101/103の任意の所与の厚さに対して、共振対駆動比(fR_V:fD_VまたはfR_V/fD_V)が高いほど、バルブがより広く開放され得ることが(等価回路シミュレーションモデルから)観察できる。装置100の出力は、バルブが開く最大幅と正の関係があり、従って、共振対駆動比を1より大きくすることが望ましい。 For any given thickness of the flaps 101/103, under the constraint of a duty factor of valve opening equal to 50%, the higher the resonance-to-drive ratio (f R_V : f D_V or f R_V / f D_V ) , it can be observed (from the equivalent circuit simulation model) that the valve can be opened wider. The output of the device 100 is positively related to the maximum width that the valve opens, so it is desirable to have a resonance-to-drive ratio greater than one.

しかしながら、fR_VがfUC±max(fSOUND)の範囲内にあるとき、フラップ101/103は、AM超音波定在波と共振し始め、超音波エネルギーの一部は、フラップ101/103の共通モード変形に変換される。ここで、max(fSOUND)は、入力オーディオ信号SINの最大周波数を表してもよい。フラップ101/Rのそのような共通モード変形は、フラップ101/103の上部の体積を変化させ、その結果、影響を受けた周波数範囲にわたって、バルブ開口112の近傍で、チャンバ105内の圧力の変動が生じ、SPL出力の低下が生じる。 However, when f R_V is within the range of f UC ±max (f SOUND ), flaps 101/103 begin to resonate with the AM ultrasound standing waves, and a portion of the ultrasound energy is transferred to the flaps 101/103. converted to common mode deformation. Here, max(f SOUND ) may represent the maximum frequency of the input audio signal S IN . Such a common mode deformation of the flaps 101/R changes the volume of the upper part of the flaps 101/103, resulting in pressure fluctuations in the chamber 105 in the vicinity of the valve opening 112 over the affected frequency range. occurs, resulting in a decrease in SPL output.

バルブ共振によって誘発される周波数応答変動を回避するため、(fUC±max(fSOUND))×Mの範囲外の共振周波数を有するフラップ101/103を設計することが好ましい。ここで、Mは、製造誤差、温度、高さなどの因子をカバーするための安全マージンであるが、これに限定されない。経験則として、通常、fR_V≦(fUC-20kHz)×0.9の場合のように、fUCより著しく低いか、またはfR_V≧(fUC+20kHz)×1.1のように、fUCより著しく高いfR_Vを有することが望ましい。20kHzは、人の最も高い可聴周波数としてよく受け入れられているため、20kHzが使用されることに留意する必要がある。HD/Hi-Resオーディオのような用途では、30kHzまたは40kHzがmax(fSOUND)として採用されてもよく、前述の式は、それに応じて修正され得る。 To avoid frequency response variations induced by valve resonance, it is preferable to design the flaps 101/103 with a resonant frequency outside the range of (f UC ±max(f SOUND ))×M. Here, M is a safety margin to cover factors such as, but not limited to, manufacturing tolerances, temperature, and height. As a rule of thumb, it is usually significantly lower than f UC , such as when f R_V ≤ (f UC - 20kHz) × 0.9, or significantly higher than f UC , such as f R_V ≥ (f UC + 20kHz) × 1.1. It is desirable to have f R_V . It should be noted that 20kHz is used because it is well accepted as the highest human audible frequency. For applications such as HD/Hi-Res audio, 30kHz or 40kHz may be taken as max(f SOUND ) and the above formula may be modified accordingly.

また、w(t)およびz(t)は、振幅変調された超音波音響/空気波UAWおよび超音波パルスアレイUPA(複数のパルスを含む)についての時間の関数を表すと仮定される。開口112は、超音波搬送周波数fUCの開口率で周期的に形成されるため、r(t)として示され、r(t)=z(t)/w(t)として表すことができる、w(t)に対するz(t)の比の関数は、超音波搬送周波数fUCの開口率を有し、周期的である。換言すれば、z(t)は、時間領域におけるw(t)とr(t)との乗算、すなわちz(t)=r(t)・w(t)と見なすことができ、UAWに対して実行される同期復調動作は、時間領域におけるw(t)とr(t)との乗算と見なすことができる。これは、Z(f)が周波数領域におけるW(f)とR(f)の畳み込みと見なされ得ること、すなわち、Z(f)=R(f)*W(f)であり、ここで、*は畳み込み演算子を表し、UAWに対して実行される同期復調演算は、周波数領域におけるW(f)とR(f)との畳み込みと見なされ得ることを意味する。r(t)が周波数fUCのレートを有する時間領域において周期的であるとき、R(f)は、周波数領域において離散的であり、R(f)の周波数/スペクトル成分は、fUCにより等間隔に離間されることが留意される。従って、W(f)のR(f)との畳み込み、または同期復調動作は、W(f)(またはUAWのスペクトル成分)を±n×fUC(ここでnは整数)だけシフトするステップを有する/含む。ここで、r(t)/w(t)/z(t)とR(f)/W(f)/Z(f)は、フーリエ変換対を形成する。 It is also assumed that w(t) and z(t) represent functions of time for the amplitude modulated ultrasonic acoustic/air wave UAW and the ultrasonic pulse array UPA (including multiple pulses). Since the apertures 112 are formed periodically with an aperture ratio of the ultrasonic carrier frequency f UC , they are denoted as r(t) and can be expressed as r(t) = z(t)/w(t), The function of the ratio of z(t) to w(t) has an aperture ratio of the ultrasound carrier frequency f UC and is periodic. In other words, z(t) can be considered as the multiplication of w(t) and r(t) in the time domain, i.e., z(t) = r(t)・w(t), and for UAW The synchronous demodulation operation performed can be viewed as a multiplication of w(t) and r(t) in the time domain. This means that Z(f) can be seen as the convolution of W(f) and R(f) in the frequency domain, i.e. Z(f)=R(f)*W(f), where: * represents a convolution operator, meaning that the synchronous demodulation operation performed on the UAW can be considered as a convolution of W(f) and R(f) in the frequency domain. When r(t) is periodic in the time domain with a rate of frequency f UC , R(f) is discrete in the frequency domain and the frequency/spectral components of R(f) are equal by f UC . Note that they are spaced apart at intervals. Therefore, the convolution of W(f) with R(f), or the synchronous demodulation operation, involves the step of shifting W(f) (or the spectral components of the UAW) by ±n × f UC (where n is an integer). have/contain. Here, r(t)/w(t)/z(t) and R(f)/W(f)/Z(f) form a Fourier transform pair.

図7は、本発明の一実施形態によるAPG装置200の概略図である。装置200は、装置100と同様であり、従って、同じ参照符号が使用される。装置100とは異なり、装置200は、さらに、包囲構造(エンクロージャ)14を有する。包囲構造14とキャップ構造11の間にチャンバ125が形成される。ベント113L/Rは、線135/137によって示されるように、超音波定常圧力波P104のノード上で、それぞれ、側壁111L/RからλUC/4に位置する天井117内に形成されることが留意される。 FIG. 7 is a schematic diagram of an APG device 200 according to an embodiment of the invention. Device 200 is similar to device 100 and therefore the same reference numerals are used. Unlike device 100, device 200 further includes an enclosure 14. A chamber 125 is formed between the surrounding structure 14 and the cap structure 11. Vents 113L/R may be formed in the ceiling 117 located at λ UC /4 from the side walls 111L/R, respectively, on the nodes of the ultrasonic steady pressure wave P104, as indicated by lines 135/137. Be noted.

図7におけるベント113L/Rの目的は、(112L/Rと113L/Rとの間の2本の破線の両方向矢印の曲線で示されるような)復調動作中に生成された空気流がチャンバ115から通気できるようにすることであり、これにより、チャンバ115の内側の平均圧力と周囲の外側の平均圧力との間の差が最小化され、チャンバ125の機能は、空気流によってチャンバ125に運ばれるスペクトル成分を妨害し、これらの空気流が追加の可聴音響信号を形成することを防止することである。ベント113L/Rを定常圧力波のノード上に配置することにより、fUCを囲むスペクトル成分がチャンバ115から出ることが防止され、復調によりUPA(超音波パルスアレイ)が形成され、所望のAPPS(空気圧パルススピーカ)効果が生成される。 The purpose of vent 113L/R in FIG. This minimizes the difference between the average pressure inside chamber 115 and the average pressure outside the surrounding area, and the function of chamber 125 is to allow air to flow into chamber 125 by the air flow. The objective is to prevent these airflows from forming additional audible acoustic signals. By placing the vents 113L/R on the nodes of the steady pressure wave, the spectral components surrounding f UC are prevented from exiting the chamber 115, and demodulation forms a UPA (Ultrasonic Pulse Array) that produces the desired APPS ( pneumatic pulse speaker) effect is produced.

本発明において、通常、APPS効果を有するAPG装置とは、超音波搬送周波数でAPG装置によって出力される空気パルス内に埋め込まれたベースバンド周波数成分(特に可聴帯域の周波数成分)が、観察可能であるだけでなく、相応の強度も有することを表す。APPS効果を生成するAPG装置では、電気入力信号SINのスペクトルは、APG装置による複数の空気パルスの生成を介して、可聴スペクトル(搬送波周波数と比較して低周波数)のベースバンド内で音響的に再生されることになり、これは、音生成用途での使用に適する。APPS効果を通じて生成されるベースバンドの強度は、APG装置によって生成されるエアパルスの非対称性の量または程度に関連する。なお、非対称性については後述する。 In the present invention, an APG device with an APPS effect generally means that the baseband frequency component (particularly the frequency component in the audio band) embedded in the air pulse output by the APG device at the ultrasonic carrier frequency is observable. It means that it not only exists, but also has a certain amount of strength. In an APG device that produces the APPS effect, the spectrum of the electrical input signal S IN is converted into an acoustic signal within the baseband of the audible spectrum (low frequency compared to the carrier frequency) through the generation of multiple air pulses by the APG device. , which is suitable for use in sound generation applications. The baseband strength produced through the APPS effect is related to the amount or degree of asymmetry in the air pulse produced by the APG device. Note that the asymmetry will be described later.

装置100または200の支持構造123Lおよび123Rは、(X軸に対して)平行で真っ直ぐな壁を有し、123Lと123Rとの間の空間/チャネルは、音響出口として機能することが留意される。FEM(有限要素法)を用いたシミュレーション結果では、周波数が350kHzを超えると、X方向に沿った横方向の定在波が123L/123Rの壁の間に形成され始め、出力が自己消滅し始めることが示されている。そのような横共振誘導自己無効化現象は、123L-123Rの壁の高さ(Z方向)にわたるエネルギー伝達比を低下させる。 It is noted that the support structures 123L and 123R of the device 100 or 200 have parallel and straight walls (to the X axis) and the space/channel between 123L and 123R acts as an acoustic outlet. . Simulation results using FEM (Finite Element Method) show that when the frequency exceeds 350kHz, a lateral standing wave along the X direction begins to form between the 123L/123R walls, and the output begins to self-annihilate. It has been shown that Such transverse resonance induced self-nullification phenomenon reduces the energy transfer ratio over the 123L-123R wall height (Z direction).

この問題を回避するため、ホーン形状の出口が提案される。例えば、図8は、本発明の実施形態によるAPG装置300の一部の概略図である。装置100と同様、装置300は、フラップ101および103を有し、これらは、支持構造123L”および123R”上にそれぞれ固定され、出口320を介して周囲環境に向かう複数の空気パルスを生成する開口112を形成するように構成される。直線状で平行な壁を有する装置100の支持構造123Lおよび123Rとは異なり、装置300の支持構造123L”および123R”の壁は斜めであり、X軸またはX方向に対して非直角な角度θを有する。ホーン形状の出口320が形成される。非直角な角度θは、実際の要求に応じて設計されてもよい。一実施形態において、非直角な角度θは、54.7°であってもよいが、これに限定されない。本発明において、ホーン形状の出口とは、一般に、出口寸法またはトンネル寸法が膜構造から周囲環境に向かって徐々に広くなる出口を表す。 To avoid this problem, a horn-shaped outlet is proposed. For example, FIG. 8 is a schematic diagram of a portion of an APG device 300 according to an embodiment of the invention. Similar to device 100, device 300 has flaps 101 and 103 fixed on support structures 123L'' and 123R'', respectively, and openings that generate a plurality of air pulses directed to the surrounding environment via outlet 320. 112. Unlike support structures 123L and 123R of apparatus 100, which have straight, parallel walls, the walls of support structures 123L" and 123R of apparatus 300 are oblique and are at an angle θ non-perpendicular to the X axis or direction. has. A horn-shaped outlet 320 is formed. The non-orthogonal angle θ may be designed according to actual requirements. In one embodiment, the non-orthogonal angle θ may be 54.7°, but is not limited thereto. In the present invention, a horn-shaped outlet generally refers to an outlet whose outlet or tunnel dimensions gradually widen from the membrane structure toward the surrounding environment.

図9および図10には、それぞれ、フラップ101および103の8つの異なる変位に対する、装置100および300のエネルギー伝達比の周波数応答を示す。ここで、Dvv=kは、各フラップの先端の変位がkμMであり、2kμMの差動運動が生じることを意味する。図9および図10は、FEMを用いてシミュレーションされたものである。図9と図10とを比較することにより、装置100は、周波数が170kHzを超えて上昇するとともに、いくつかのジャンプおよびディップを伴い、170kHzを超えてロールオフを開始するような、エネルギー伝達比を生成する。一方、装置300は、約120kHzを超えて上昇傾向を保持し、170kHzを超える周波数に対してより平滑な周波数応答を伴うエネルギー伝達比を生成する。これは、装置300のエネルギー伝達比の周波数応答(170kHz超)が、装置100のものよりもはるかに滑らかであることを意味し、このことは、超音波パルスレート(すなわち、超音波搬送周波数fUC)およびその高次高調波(例えば、n×fUC)で動作するAPG装置にとって有益である。さらに、装置300は、装置100によって生成されるものよりも約5倍高いエネルギー伝達比を生成する。従って、図9および図10から、ホーン形状の出口がAPG装置に対してより良好なエネルギー伝達比をもたらすことを説明することができる。 9 and 10 show the frequency response of the energy transfer ratio of devices 100 and 300 for eight different displacements of flaps 101 and 103, respectively. Here, Dvv=k means that the displacement of the tip of each flap is kμM, resulting in a differential movement of 2kμM. 9 and 10 were simulated using FEM. By comparing Figures 9 and 10, it can be seen that the device 100 has an energy transfer ratio such that the frequency increases above 170kHz and begins to roll off beyond 170kHz, with some jumps and dips. generate. On the other hand, the device 300 maintains an upward trend above about 120 kHz and produces an energy transfer ratio with a smoother frequency response for frequencies above 170 kHz. This means that the frequency response of the energy transfer ratio of device 300 (above 170 kHz) is much smoother than that of device 100, which means that the ultrasonic pulse rate (i.e., the ultrasonic carrier frequency f UC ) and its higher harmonics (e.g., n×f UC ). Additionally, device 300 produces an energy transfer ratio that is approximately five times higher than that produced by device 100. Therefore, it can be explained from FIGS. 9 and 10 that the horn-shaped outlet provides a better energy transfer ratio for the APG device.

図11には、2つの異なる角度で壁をエッチングする2段階エッチング/製造方法の実施形態を示す。最初に、123R”/123L”の壁は、(図11(b)に示されるように)テーパ角度でエッチングされ、次に、テーパ壁は、スプレーコーティング方法を使用して、(図11(c)に示されるように)フォトレジストまたはスピンオン誘電体によって覆われる。次に、フォトレジストまたはスピンオン誘電体は、(図11(d)に示すように)フォトリソグラフィ法によってパターニングされ、その後、(図11(e)に示すように)124Lおよび124Rの壁が直角にエッチングされる。上述した製造方法は、説明目的に過ぎず、本発明の範囲はこれに限定されない。 FIG. 11 shows an embodiment of a two-step etch/fabrication method that etches the wall at two different angles. First, the 123R”/123L” walls are etched with a taper angle (as shown in Figure 11(b)), then the tapered walls are etched using a spray coating method (as shown in Figure 11(c) ) covered by photoresist or spin-on dielectric. Next, the photoresist or spin-on dielectric is patterned by a photolithographic method (as shown in Figure 11(d)), and then the 124L and 124R walls are aligned at right angles (as shown in Figure 11(e)). etched. The manufacturing method described above is for illustrative purposes only and the scope of the invention is not limited thereto.

図12は、本発明の一実施形態によるAPG装置400の概略図である。装置400は、米国特許出願第17/553,806号の図7から変更され、本発明の図1に示される装置100と同様である。装置100とは異なり、装置400は、フラップ対102のみを含む(フラップ対104は含まない)。フラップ対102は、変調動作(超音波搬送波周波数fUCで振幅変調された空気圧変動を形成すること)、および復調動作(周波数fUCで振幅変調された超音波搬送波に同期して開口112を形成し、前記振幅変調された超音波空気圧力変化のエンベロープに従って空気パルスを生成すること)の両方を実行するように構成される。 FIG. 12 is a schematic diagram of an APG device 400 according to one embodiment of the invention. Apparatus 400 is modified from FIG. 7 of US patent application Ser. No. 17/553,806 and is similar to apparatus 100 shown in FIG. 1 of the present invention. Unlike device 100, device 400 includes only flap pair 102 (and not flap pair 104). The flap pair 102 performs a modulating operation (forming an amplitude modulated air pressure fluctuation at the ultrasonic carrier frequency f UC ) and a demodulating operation (forming the aperture 112 in synchronization with the amplitude modulated ultrasonic carrier wave at the frequency f UC ). and generating an air pulse according to an envelope of said amplitude modulated ultrasonic air pressure change.

図12において、U104およびP104は、変調駆動信号SMに応答してフラップ対102によって形成される圧力プロファイルおよび空気流プロファイルを表し、U102およびP102は、復調駆動信号±SVに応答してフラップ対102によって形成される圧力プロファイルおよび空気流プロファイルを表す。ここで、復調駆動信号は、±SVで表され、フラップ対102が復調動作を実行するために差動的に駆動される(復調駆動信号+SVおよび-SVが同じ大きさであるが反対の極性を有することを意味する)ことが強調される。例えば、上記S101および/またはS103は、-SVおよび/または+SVによって表されてもよい。 In FIG. 12, U104 and P104 represent the pressure profile and airflow profile formed by the flap pair 102 in response to the modulated drive signal SM, and U102 and P102 represent the pressure profile and airflow profile formed by the flap pair 102 in response to the demodulated drive signal ±SV. represents the pressure profile and airflow profile formed by the Here, the demodulation drive signals are expressed as ±SV and the flap pair 102 is driven differentially to perform the demodulation operation (the demodulation drive signals +SV and -SV have the same magnitude but opposite polarity). It is emphasized that For example, S101 and/or S103 above may be represented by -SV and/or +SV.

換言すれば、変調器および復調器は、フラップ対102において/として、共同設置される。装置100と同様、装置400のフラップ対102の膜構造10は、変調を実行する共通モード移動だけでなく、復調を実行する差動モード移動を有するように作動される。 In other words, the modulator and demodulator are co-located in/as the flap pair 102. Similar to device 100, the membrane structure 10 of flap pair 102 of device 400 is operated to have common mode movement to perform modulation as well as differential mode movement to perform demodulation.

すなわち、「変調動作」と「復調動作」は、同じフラップ対102により同時に行われる。これにより、図13に示すような、新たな駆動信号配線方式により、「変調動作」と「復調動作」の併置が実現される。装置400がフラップ101/103上に配置されたアクチュエータ101A/103Aを有し、アクチュエータ101A/103Aが上部電極および下部電極を有する場合、上部電極および下部電極の両方が、変調駆動信号SMおよび復調駆動信号±SVを受信してもよい。 That is, the "modulation operation" and the "demodulation operation" are performed simultaneously by the same pair of flaps 102. As a result, "modulation operation" and "demodulation operation" can be co-located using a new drive signal wiring method as shown in FIG. 13. If the device 400 has an actuator 101A/103A disposed on the flap 101/103, and the actuator 101A/103A has an upper electrode and a lower electrode, both the upper electrode and the lower electrode are connected to the modulated drive signal SM and the demodulated drive Signals ±SV may also be received.

一実施形態では、アクチュエータ101A/103Aの一方の電極は、共通モードの変調駆動信号SMを受信し、他方の電極は、差動モードの復調駆動信号S101(-SV)/S103(+SV)を受信してもよい。例えば、図13に示すダイアグラム431および433には、図12に示す領域430の詳細を示す。ダイアグラム431および432に示されるように、アクチュエータ101A/103Aの下部電極は、共通モードの変調駆動信号SMを受信し、アクチュエータ101A/103Aの上部電極は、差動モードの復調駆動信号S101(-SV)/S103(+SV)を受信する。好適なバイアス電圧VBIASが、下部電極(ダイアグラム432に示す)または上部電極(ダイアグラム433に示す)のいずれかに印加されてもよく、バイアス電圧VBIASは、実際の要求に従って決定することができる。 In one embodiment, one electrode of actuator 101A/103A receives a common mode modulated drive signal SM and the other electrode receives a differential mode demodulated drive signal S101(-SV)/S103(+SV). You may. For example, diagrams 431 and 433 shown in FIG. 13 show details of region 430 shown in FIG. 12. As shown in diagrams 431 and 432, the bottom electrodes of actuators 101A/103A receive the common mode modulated drive signal SM, and the top electrodes of actuators 101A/103A receive the differential mode demodulated drive signal S101 (-SV )/S103 (+SV) is received. A suitable bias voltage V BIAS may be applied to either the bottom electrode (shown in diagram 432) or the top electrode (shown in diagram 433), and the bias voltage V BIAS can be determined according to actual requirements.

ある実施形態(図433に示される)では、アクチュエータ101A/103Aの一方の電極は、共通モードの変調駆動信号SMおよび差動モードの復調駆動信号S101(-SV)/S103(+SV)の両方を受信してもよく、他方の電極は、適切にバイアスされる。ダイアグラム433に示される実施形態では、下部電極は、共通モードの変調駆動信号SMおよび差動モードの復調駆動信号S101(-SV)/S103(+SV)を受信し、上部電極は、バイアスされる。 In some embodiments (shown in FIG. 433), one electrode of actuators 101A/103A receives both the common mode modulated drive signal SM and the differential mode demodulated drive signal S101(-SV)/S103(+SV). The other electrode may be biased appropriately. In the embodiment shown in diagram 433, the bottom electrode receives the common mode modulated drive signal SM and the differential mode demodulated drive signal S101(-SV)/S103(+SV), and the top electrode is biased.

図13に示される駆動信号配線方式では、一方のアクチュエータ(例えば、101A)の印加信号が-SM-SVであり、または-SM-SVを有し、他方のアクチュエータ(例えば、103A)の印加信号が-SM+SVであり、または-SM+SVを有するという目標を達成する(VBIASは考慮されない)。駆動信号配線方式は、実際の状況/要件に応じて修正または変更されてもよいことが留意される。フラップ対102に印加される2つの印加信号間の共通モード信号成分が変調駆動信号SM(+VBIAS)を有し、フラップ対102に印加される2つの印加信号間の差動信号成分が復調駆動信号SVを有する限り、本発明の要件は満たされ、本発明の範囲内に属する。ここで(または一般に)、2つの任意の信号aとbとの間の共通モードの信号成分は、(a+b)/2として表される一方、2つの任意の信号aとbの間の差動モードの信号成分は、(a-b)/2として表されてもよい。 In the drive signal wiring scheme shown in FIG. 13, the applied signal of one actuator (e.g., 101A) is -SM-SV or has -SM-SV, and the applied signal of the other actuator (e.g., 103A) is −SM+SV, or achieves the goal of having −SM+SV (V BIAS is not considered). It is noted that the drive signal wiring scheme may be modified or changed according to the actual situation/requirements. The common mode signal component between the two applied signals applied to the flap pair 102 has a modulating drive signal SM (+V BIAS ), and the differential signal component between the two applied signals applied to the flap pair 102 has a demodulated drive signal SM (+V BIAS ). As long as the drive signal SV is present, the requirements of the invention are met and the invention falls within the scope of the invention. Here (or in general), the common mode signal component between two arbitrary signals a and b is expressed as (a + b)/2, while the differential signal component between two arbitrary signals a and b The signal components of the mode may be expressed as (ab)/2.

さらに、(駆動信号SMの結果としての)変調動作と(駆動信号±SVの結果としての)復調動作との間のクロスカップリングを最小限に抑えるため、一実施形態では、フラップ101および103は、それらの機械的構造、寸法、および電気的特性の両方において鏡面/対称の対に構成されることが留意される。例えば、フラップ101のカンチレバー長さは、103のカンチレバー長さと等しくする必要があり、フラップ101の膜構造は、フラップ103と同じにする必要があり、仮想バルブ112の位置は、フラップ101およびフラップ103の2つの支持壁110の間の中心とし、またはそこから等間隔に離間される必要があり、フラップ101上に堆積されるアクチュエータパターンは、フラップ103のパターンをミラー投影する必要があり、フラップ101および103の上に堆積されるアクチュエータに対する金属配線は、対称にする必要がある。ここで、鏡面/対称の対(またはフラップ101および103が鏡面/対称である)のため、いくつかの項目が名称化されるが、これに限定されない。 Furthermore, to minimize cross-coupling between modulation operation (as a result of drive signal SM) and demodulation operation (as a result of drive signal ±SV), in one embodiment flaps 101 and 103 are It is noted that they are arranged in mirror/symmetrical pairs both in their mechanical structure, dimensions, and electrical properties. For example, the cantilever length of flap 101 should be equal to that of 103, the membrane structure of flap 101 should be the same as flap 103, and the position of virtual valve 112 should be equal to that of flap 101 and flap 103. The actuator pattern deposited on the flap 101 should mirror the pattern of the flap 103 and should be centered between and equidistantly spaced from the two supporting walls 110 of the flap 101. The metal wiring for the actuator deposited on and 103 needs to be symmetrical. Here, some items are named because of the mirror/symmetrical pair (or flaps 101 and 103 are mirror/symmetrical), but are not limited thereto.

図14には、IEC711閉塞耳エミュレータにおける装置400の物理的実施形態の周波数応答測定結果の組を示す。ダイアグラム431に示される駆動方式を用いて装置400が駆動され、下部電極用の変調駆動信号SMのためのVrmsは、6Vrmsであり、上部電極用の復調駆動信号±SVのためのVpp(ピークツーピーク電圧)は、5Vppから30Vppで掃引され、GRAS RA0401イヤーシミュレータが、音響結果を測定するために使用される。装置400の作動周波数(すなわち、超音波搬送周波数fUC)は、160kHzであり、装置寸法は、それに応じて設計される(例えば、C=336m/sの場合、W115≒λUC=C/fUC≒2.10mm)。図14から分かるように、装置400は、低周波数帯域で高いSPLの音を生成することができる(100Hz未満の周波数に対して少なくとも99dB)。 FIG. 14 shows a set of frequency response measurements of a physical embodiment of device 400 in an IEC711 occluded ear emulator. The device 400 is driven using the drive scheme shown in diagram 431, the Vrms for the modulated drive signal SM for the bottom electrode is 6Vrms, and the Vpp (peak-to-peak for the demodulated drive signal ±SV for the top electrode) is 6Vrms. The peak voltage) is swept from 5Vpp to 30Vpp and a GRAS RA0401 ear simulator is used to measure the acoustic results. The operating frequency of the device 400 (i.e. the ultrasound carrier frequency f UC ) is 160 kHz and the device dimensions are designed accordingly (e.g. for C = 336 m/s, W115≈λ UC = C/f UC ≒2.10mm). As can be seen from FIG. 14, the device 400 is capable of producing high SPL sound in the low frequency band (at least 99 dB for frequencies below 100 Hz).

さらに、図15には、図14に示した装置400の測定結果の解析を示す。図15では、図14の100Hz(太い破線)および19Hz(太い実線)におけるSPLがVvtop(Vpp)に対してプロットされており、ここでVvtop(Vpp)は、接続図431に示されるように、上部電極に印加される復調駆動信号のピーク同士の間電圧である。図14および図15から、Vvtopが増加するにつれて、SPLが増加することがわかる。また、装置100の等価集中回路モデルのシミュレーション結果においても、(バルブ駆動または)復調駆動信号の振幅が増加するにつれて、SPLが増加することが示されている。従って、本発明の空気パルス発生装置により生成される音の音量は、復調駆動信号の振幅を介して制御され得ることがわかる。 Furthermore, FIG. 15 shows an analysis of the measurement results of the device 400 shown in FIG. 14. In Figure 15, the SPL at 100Hz (thick dashed line) and 19Hz (thick solid line) in Figure 14 is plotted against Vvtop (Vpp), where Vvtop (Vpp) is, as shown in connection diagram 431 This is the voltage between the peaks of the demodulated drive signal applied to the upper electrode. It can be seen from FIGS. 14 and 15 that as Vvtop increases, SPL increases. Simulation results of an equivalent lumped circuit model of device 100 also show that as the amplitude of the demodulated drive signal (valve drive or) increases, the SPL increases. It can therefore be seen that the volume of sound produced by the air pulse generator of the invention can be controlled via the amplitude of the demodulated drive signal.

図14および図15からの結果に基づき、変調器-復調器共配置の概念が検証され、装置400により実行される変調(振幅変調された超音波空気圧力変化を形成する)および復調(非対称空気パルスを生成するように同期して開口を形成する)では、APPS効果が好適に生成されることを意味すると結論付けることができる。従って、チャンバ幅(例えば、装置100のW115)を縮小することが可能となってもよい。 Based on the results from Figures 14 and 15, the concept of a modulator-demodulator co-location is verified, and the modulation (forming amplitude modulated ultrasonic air pressure changes) and demodulation (forming an asymmetric air pressure change) performed by the device 400 is It can be concluded that forming the apertures synchronously to generate pulses) means that the APPS effect is favorably generated. Accordingly, it may be possible to reduce the chamber width (eg, W115 of device 100).

例えば、図16は、本発明の一実施形態によるAPG装置500の概略図である。装置500は、装置400と同様であり、フラップ対102は、図13に示す駆動方式のうちの1つを介して駆動されるが、これに限定されない。装置400と比較して、装置500のチャンバ幅W115’は、半分に減少している。一実施形態では、装置500のチャンバ幅W115’は、λUC/2であってもよい。 For example, FIG. 16 is a schematic diagram of an APG device 500 according to one embodiment of the invention. Apparatus 500 is similar to apparatus 400, with flap pair 102 being driven via one of the drive schemes shown in FIG. 13, but not limited thereto. Compared to device 400, the chamber width W115' of device 500 is reduced by half. In one embodiment, the chamber width W115' of the device 500 may be λ UC /2.

さらに、図12の115または図16の115’のようなチャンバ内の定在波は必要ではなく、これは、チャンバ幅(W115)がλUCまたはλUC/2である(に関連する)必要がなく、側壁111R/111R’と111L/111L’との間で、平面波を形成/維持/反射する必要がないことを意味する。チャンバの形状を変更して、他の要因を最適化することは、自由/柔軟であり、例えば、音生成効率を高めるためにチャンバの長さを低減することができ、これは、装置の面積(mm2)当たりのSPLによって評価することができる。 Furthermore, standing waves in the chamber such as 115 in Figure 12 or 115' in Figure 16 are not required, which requires that the chamber width (W115) be λ UC or λ UC /2. This means that there is no need to form/maintain/reflect plane waves between the side walls 111R/111R' and 111L/111L'. It is free/flexible to change the shape of the chamber and optimize other factors, e.g. the length of the chamber can be reduced to increase sound production efficiency, which reduces the area of the device. It can be evaluated by SPL per (mm 2 ).

図17は、本発明の一実施形態によるAPG装置600の概略図である。装置600は、サブアセンブリ610および640を有してもよい。一実施形態において、サブアセンブリ610および640は、既知のMEMSプロセスを介して製造されてもよく、ドライフィルムまたは他の適切なダイ取り付け材料/方法のような接合材料または接着材料を使用して、層620を介して互いに接合されてもよい。サブアセンブリ610それ自体は、フラップ対102または膜構造10を含むAPG装置(図26および関連する段落で後に詳述される)として見ることができる。サブアセンブリ640は、キャップ構造として見てもよい。 FIG. 17 is a schematic diagram of an APG device 600 according to one embodiment of the invention. Device 600 may include subassemblies 610 and 640. In one embodiment, subassemblies 610 and 640 may be fabricated via known MEMS processes, using bonding or adhesive materials such as dry film or other suitable die attach materials/methods. They may be bonded to each other via layer 620. The subassembly 610 itself can be viewed as an APG device (detailed below in FIG. 26 and related paragraphs) that includes a pair of flaps 102 or a membrane structure 10. Subassembly 640 may be viewed as a cap structure.

装置500と同様、装置600は、図13に示す駆動方式のうちの1つを介して駆動される、フラップ101および103を有するフラップ対102を有するが、これに限定されない。装置600のフラップ対102は、超音波搬送周波数fUCを有する振幅変調超音波空気圧力変化を形成し、超音波搬送周波数fUCと同期した速度で開口112を形成し、超音波空気圧力変化に従って、出口を介し周囲に向かって、複数の空気パルスを生成するように作動される。 Similar to device 500, device 600 has a flap pair 102 with flaps 101 and 103 driven via one of the drive schemes shown in FIG. 13, but is not limited thereto. The flap pair 102 of the device 600 forms an amplitude modulated ultrasonic air pressure change with an ultrasonic carrier frequency f UC , and forms an aperture 112 at a rate synchronized with the ultrasonic carrier frequency f UC , according to the ultrasonic air pressure change. , is actuated to produce a plurality of air pulses through the outlet and towards the surroundings.

装置500とは異なり、装置600内には導管630が形成される。導管630は、仮想バルブ112(フラップ101と103との間のスリット)の上方の空気体積を外部環境に接続する。導管630は、チャンバ631、通路632および出口633(またはゾーン631乃至633)を有する。チャンバ631は、膜構造10とキャップ構造(サブアセンブリ)640との間に形成される。通路632および出口633は、キャップ構造(サブアセンブリ)640内に形成される。 Unlike device 500, a conduit 630 is formed within device 600. Conduit 630 connects the air volume above virtual valve 112 (the slit between flaps 101 and 103) to the external environment. Conduit 630 has a chamber 631, a passageway 632, and an outlet 633 (or zones 631-633). Chamber 631 is formed between membrane structure 10 and cap structure (subassembly) 640. A passageway 632 and an outlet 633 are formed within a cap structure (subassembly) 640.

チャンバ631は、半閉塞圧縮チャンバとみなすことができ、圧縮チャンバ631内の空気圧は、共通モードの変調駆動信号SMに応答して、圧縮または希薄化されてもよく、超音波空気圧力変化/波が生成され、これがオリフィス613を介して通路632に直接供給されてもよい。通路632は、導波管としての役割を果たし、その形状および寸法は、ゾーン/チャンバ631内で生成された圧力変動/パルスが効率的に外方に伝搬できるように最適化される。出口633は、反射/偏向を最小限に抑制にし、周囲に対する音響エネルギー結合を最大化するように構成される。これを達成するため、出口633のトンネル寸法(例えば、X方向の幅)は、周囲に向かって徐々に広くなり、出口633は、ホーン形状を有してもよい。 Chamber 631 may be considered a semi-occlusive compression chamber, and the air pressure within compression chamber 631 may be compressed or rarefied in response to a common mode modulated drive signal SM, and ultrasonic air pressure changes/waves. may be generated and fed directly to passageway 632 via orifice 613. The passageway 632 acts as a waveguide, and its shape and dimensions are optimized so that the pressure fluctuations/pulses generated within the zone/chamber 631 can efficiently propagate outward. The outlet 633 is configured to minimize reflection/deflection and maximize acoustic energy coupling to the surroundings. To achieve this, the tunnel dimensions (eg, the width in the X direction) of the outlet 633 gradually widen toward the periphery, and the outlet 633 may have a horn shape.

一実施形態では、開口112(フラップ対102または膜構造10と等しい)と表面650との間の導管630の長さ/距離L630は、(実質的に)fUCに対応する4分の1波長λUC/4(例えば、±10%の公差を有する)であってもよい。例えば、fUC=192kHzの場合、L630は、450μmであってもよいが、これに限定されない。(再度図16を参照すると)空気圧力波(空気圧力変化の一種として)がX方向に沿って、装置500のチャンバ115’(または装置100内のチャンバ115)内を伝搬し、仮想バルブ(開口)112と側壁表面111L’/111R’との間の距離がλUC/4であることが観測されることが留意される。図17では、装置600は、Z方向と整合するように空気波伝搬経路を90°だけ折り畳み/回転させ、空気波または空気圧力パルスがZ方向を介して周囲に向かって直接放出されると見なされてもよい。 In one embodiment, the length/distance L 630 of the conduit 630 between the opening 112 (equal to the flap pair 102 or membrane structure 10) and the surface 650 is (substantially) a quarter corresponding to f UC The wavelength may be λ UC /4 (eg, with a tolerance of ±10%). For example, if f UC =192 kHz, L 630 may be, but is not limited to, 450 μm. (Referring again to Figure 16) An air pressure wave (as a type of air pressure change) propagates along the ) 112 and the sidewall surfaces 111L'/111R' is observed to be λ UC /4. In Figure 17, the device 600 folds/rotates the air wave propagation path by 90° to align with the Z direction, and assumes that the air wave or air pressure pulse is emitted directly towards the environment via the Z direction. may be done.

図18には、本発明の一実施形態による、装置600と同様の装置のFEMシミュレーションされた圧力プロファイルのスナップ写真を示す。図18において、補助的な矢印は、圧力値の極性/符号を表すために提示される。装置600と図18に示す装置との違いは、チャンバ631と通路632との間の境界面で、サブアセンブリ640に面取り部635が追加され、空気流の乱れが最小限に抑制されていることである。図18において、ゾーン631内の圧力は、約+500Paであり、633に近いゾーン632内の圧力は、約-500Paである。最も明るいゾーンは、圧力ノード平面を提供する。 FIG. 18 shows a snapshot of a FEM simulated pressure profile of a device similar to device 600, according to one embodiment of the invention. In FIG. 18, supplementary arrows are presented to represent the polarity/sign of the pressure values. The difference between device 600 and the device shown in FIG. 18 is the addition of a chamfer 635 to subassembly 640 at the interface between chamber 631 and passageway 632 to minimize airflow turbulence. It is. In FIG. 18, the pressure in zone 631 is about +500 Pa and the pressure in zone 632, near 633, is about -500 Pa. The brightest zone provides the pressure nodal plane.

ゾーン632内のノード平面は、波伝搬の適切な形成を示し、ノード平面632と装置の外側のノード平面との間の空間/距離は、約1.2*λ/2(ここで、λ=346(m/s)/192(kHz))であり、これは、λ/2に近い(かつそれよりわずかに大きい)ことが留意される。これは、音速での中断されない圧力波伝播が存在することを意味する。換言すれば、図18に示すように、装置600の膜構造により生成された圧力パルスまたは空気波は、周囲に向かって放射される。 The nodal plane within the zone 632 shows proper formation of wave propagation, and the space/distance between the nodal plane 632 and the nodal plane outside the device is approximately 1.2*λ/2 (where λ=346( m/s)/192 (kHz)), which is close to (and slightly larger than) λ/2. This means that there is uninterrupted pressure wave propagation at the speed of sound. In other words, as shown in FIG. 18, the pressure pulses or air waves generated by the membrane structure of the device 600 are radiated towards the surroundings.

図19には、物理的に実施された装置600の周波数に対するIEC711閉塞耳カプラSPL測定の結果を示す。20Vppおよび15Vppを有する復調駆動信号±SVに対応する結果がプロットされている。また表1において、最大SPLを生成するための装置400および600のパラメータが比較される。 FIG. 19 shows the results of an IEC711 occluded ear coupler SPL measurement versus frequency for the physically implemented device 600. Results corresponding to demodulated drive signals ±SV with 20Vpp and 15Vpp are plotted. Also in Table 1, the parameters of devices 400 and 600 for producing maximum SPL are compared.

図14、図19および表1からわかるように、装置600は、より低い入力振幅で装置400よりもわずかに高いSPLを達成することができ、同時にダイサイズを40%低減することができる。これは、導管630を有する装置600は、消費される電力および占有されるシリコンの空間/面積の両方の点で、より効率的であることを意味する。 As can be seen from FIGS. 14, 19 and Table 1, device 600 is able to achieve slightly higher SPL than device 400 at lower input amplitudes while reducing die size by 40%. This means that the device 600 with conduit 630 is more efficient, both in terms of power consumed and silicon space/area occupied.

一般に、チャンバ631の幅W631は、λUC/2よりも著しく小さく、例えば、装置600の例では、W631≒570μMであり、λUC/2≒900μMである。ゾーン631がチャンバ圧縮を実行するためには、チャンバ631の寸法は、λUCよりも十分に小さくする必要がある。一実施形態では、チャンバ631の高さH631は、λUC/5未満、すなわち、H631<λUC/5であってもよい。チャンバ631の幅(すなわち、X方向の寸法)は、膜構造10から通路632に向かって、階段状またはテーパ状に狭くなっていてもよいことが留意される。これらの場合は、いずれも本発明の範囲に属する。 Generally, the width W631 of the chamber 631 is significantly smaller than λ UC /2, for example, in the example of device 600, W631≈570 μM and λ UC /2≈900 μM. In order for zone 631 to perform chamber compression, the dimensions of chamber 631 must be sufficiently smaller than λ UC . In one embodiment, the height H631 of chamber 631 may be less than λ UC /5, ie, H631 < λ UC /5. It is noted that the width (ie, the dimension in the X direction) of the chamber 631 may be stepped or tapered from the membrane structure 10 towards the passageway 632. All of these cases fall within the scope of the present invention.

図20は、本発明の一実施形態によるAPG装置700の概略図である。装置600と同様、装置700は、サブアセンブリ710および740を有し、その中に形成される導管730を有する。サブアセンブリ710は、MEMSプロセスにより製造されてもよく、APG装置として見なされてもよい。サブアセンブリ710内にチャンバ705が形成される。サブアセンブリ710は、それ自体、APG装置であってもよく、米国特許第11,172,310号に開示される圧搾モード動作と、第11,043,197号に開示される仮想バルブと、図13に示される駆動スキームとの組み合わせとして見ることができる、ここで、第11,172,310号および第11,043,197号は、参照により本明細書に組み込まれる。 FIG. 20 is a schematic diagram of an APG device 700 according to one embodiment of the invention. Similar to device 600, device 700 includes subassemblies 710 and 740 and has a conduit 730 formed therein. Subassembly 710 may be manufactured by a MEMS process and may be considered an APG device. A chamber 705 is formed within subassembly 710. The subassembly 710 may itself be an APG device, with the squeeze mode operation disclosed in U.S. Pat. No. 11,172,310, the virtual valve disclosed in U.S. Pat. Nos. 11,172,310 and 11,043,197, which may be viewed in combination, are herein incorporated by reference.

導管730は、チャンバ731と、通路/導波管732と、ホーン形状の出口733(またはゾーン731乃至733)とを有し、仮想バルブ112の下側の空気体積を外側の周囲雰囲気に接続する。装置600とは異なり、サブアセンブリ740は、3D印刷法、精密射出成形法、スタンピング等のような技術を介して形成/製造されてもよい。通路/導波管732は、サブアセンブリ740のキャップ上にエッチングされたオリフィス713である第1の区画と、サブアセンブリ710内に形成された第2の区画とを有し、両者の間には、外乱を最小限にするための面取り735が追加されてもよい。チャンバ705および731は、重なり合っている。フラップ101および103により生成される圧力変動/波は、通路/導波管732に直接供給される。 The conduit 730 has a chamber 731, a passageway/waveguide 732, and a horn-shaped outlet 733 (or zones 731-733) connecting the air volume below the virtual valve 112 to the outside ambient atmosphere. . Unlike device 600, subassembly 740 may be formed/manufactured via techniques such as 3D printing, precision injection molding, stamping, etc. Passageway/waveguide 732 has a first section, which is an orifice 713 etched on the cap of subassembly 740, and a second section formed within subassembly 710, with a gap between the two. , a chamfer 735 may be added to minimize disturbance. Chambers 705 and 731 overlap. The pressure fluctuations/waves generated by flaps 101 and 103 are fed directly into passageway/waveguide 732.

図21は、本発明の一実施形態によるAPG装置800の概略図である。装置800は、サブアセンブリ810および840を有する。サブアセンブリ810は、装置500と同じまたは類似の構造を有してもよく、これは、MEMSプロセスにより製造することができ、APG装置として見ることができ、図13に示す方式の1つによって駆動されるフラップ101および103を有してもよい。仮想バルブ(開口)112が形成される。サブアセンブリ840は、3D印刷法、精密射出成形法、精密スタンピング法のような技術を介して、形成/製造されてもよい。サブアセンブリ810は、変調(復調)動作を介して、複数の空気流パルスを生成することが留意される。 FIG. 21 is a schematic diagram of an APG device 800 according to one embodiment of the invention. Device 800 includes subassemblies 810 and 840. Subassembly 810 may have the same or similar structure as device 500, which can be fabricated by a MEMS process and can be viewed as an APG device, driven by one of the schemes shown in FIG. It may have flaps 101 and 103 that are A virtual valve (opening) 112 is formed. Subassembly 840 may be formed/manufactured via techniques such as 3D printing, precision injection molding, precision stamping. It is noted that subassembly 810 generates multiple airflow pulses through a modulation (demodulation) operation.

仮想バルブ112の下の空気容積を周囲の外部環境に接続する導管830は、装置840内に形成される。導管830は、(圧縮)チャンバ831と、通路/導波管832と、ホーン形状の出口833(またはゾーン631乃至633)とを有する。圧縮チャンバ831は、複数の空気流パルスを複数の空気圧パルスに変換するように構成される。具体的には、チャンバ831は、圧力パルスΔPn∝P0_n・ΔMn/M0_n(式1)を生成し、ここで、M0_nは、パルスサイクルnの開始前のチャンバ831内の空気質量であり、ΔMnは、パルスサイクルnの空気流パルスに関連する空気質量である。式1は、空気流パルスを空気圧パルスに変換することを表し、変換された空気圧パルスは、通路/導波管832内に伝搬する。一実施形態では、ゾーン831内のサブアセンブリ840は、真ちゅうマウスピース状の断面プロファイルを有してもよい。 A conduit 830 connecting the air volume below the virtual valve 112 to the surrounding external environment is formed within the device 840. Conduit 830 has a (compression) chamber 831, a passage/waveguide 832, and a horn-shaped outlet 833 (or zones 631-633). Compression chamber 831 is configured to convert a plurality of airflow pulses into a plurality of air pressure pulses. Specifically, chamber 831 generates a pressure pulse ΔP n ∝P 0_n ·ΔM n /M 0_n (Equation 1), where M 0_n is the air mass within chamber 831 before the start of pulse cycle n. and ΔM n is the air mass associated with the airflow pulse of pulse cycle n. Equation 1 represents converting the airflow pulse to an air pressure pulse, which propagates into the passageway/waveguide 832. In one embodiment, subassembly 840 within zone 831 may have a brass mouthpiece-like cross-sectional profile.

通路/導波管832は、圧縮チャンバ831に接近した、整合した、またはその±15%以内であるインピーダンスを有し、ゾーン831内で生成された圧力パルスの周囲に向かった外向きの伝搬効率が最大化されてもよい。一実施形態では、伝搬効率は、通路832の断面積を適切に選択することにより、最適化されてもよい。 The passageway/waveguide 832 has an impedance that is close to, matched with, or within ±15% of the compression chamber 831 to efficiently propagate the pressure pulses generated within the zone 831 outward toward the periphery. may be maximized. In one embodiment, propagation efficiency may be optimized by appropriately selecting the cross-sectional area of passageway 832.

図21に示す実施形態では、出口833のトンネル寸法(例えば、X方向の幅)は、ホーン形状が形成されるように、区分的(piece-wise)線形態様(ここでθ1<θ2)に従って、周囲に向かって徐々に広くなる。出口のホーン形状は、実際の仕様に従って設計されてもよいことが留意される。出口のトンネル寸法は、多項式態様、純線形態様、区分的線形態様、放物線態様、指数関数態様、双曲線態様等に従って広げることができるが、これらに限定されない。出口のトンネル寸法が周囲に向かって徐々に広くなる限り、本発明の仕様は満たされ、これは本発明の範囲に属する。 In the embodiment shown in FIG. 21, the tunnel dimensions (e.g. , width in the Accordingly, it gradually widens towards the periphery. It is noted that the horn shape of the outlet may be designed according to actual specifications. The exit tunnel dimensions can be widened according to, but are not limited to, polynomial, pure line, piecewise line, parabolic, exponential, hyperbolic, etc. As long as the exit tunnel dimensions gradually widen towards the periphery, the specifications of the invention are met and this falls within the scope of the invention.

ゾーン831においてチャンバ圧縮を実行するため、チャンバ/ゾーン831の寸法は、作動周波数fUCに対応する波長λUCよりも十分に小さくすることが提案される。例えば、fUC=160kHzでλUC=(346/160)=2.16mmの実施形態の場合、高さH831は、λUC/10~λUC/60の範囲(例えば、H831=λUC/35=62μm)であってもよく、幅W815は、λUC/5~λUC/30の範囲(例えば、115μm乃至350μmの範囲のW815)であってもよいが、これに限定されない。 In order to carry out chamber compression in zone 831, it is proposed that the dimensions of chamber/zone 831 be sufficiently smaller than the wavelength λ UC corresponding to the operating frequency f UC . For example, for an embodiment with f UC = 160 kHz and λ UC = (346/160) = 2.16 mm, the height H 831 is in the range λ UC /10 to λ UC /60 (e.g., H 831 = λ UC / 35=62 μm), and the width W 815 may be in the range of λ UC /5 to λ UC /30 (eg, W 815 in the range of 115 μm to 350 μm), but is not limited thereto.

膜構造10は、空間の容積を、一方の側の共振チャンバ805と他方の側の圧縮チャンバ831とにサブ分割し、この再分割の性質により、チャンバ805およびチャンバ831の空間から観測されるような、フラップ101および103の共通モード移動による変位は、同じ大きさであるが、方向/極性が逆になることが留意される。換言すれば、フラップ101および103の共通モード移動とともに、押し引き(プッシュプル)の動作が形成され、そのような押し引きの動作は、フラップ101および103にわたる圧力差を増加させ(例えば、2倍にし)、従って、仮想バルブ112が開放された際に、空気流が高められる。 The membrane structure 10 subdivides the volume of space into a resonant chamber 805 on one side and a compression chamber 831 on the other side, and the nature of this subdivision causes the It is noted that the displacements due to common mode movement of flaps 101 and 103 are of the same magnitude but in opposite directions/polarity. In other words, together with the common mode movement of flaps 101 and 103, a push-pull motion is formed, and such push-pull motion increases the pressure difference across flaps 101 and 103 (e.g., by a factor of 2). ), thus increasing airflow when virtual valve 112 is opened.

具体的には、体積V1を有する圧縮チャンバ831および体積V2を有する共振チャンバ805に対して、体積差DV(DV<<V1,V2と仮定)をもたらす膜/フラップの動きは、ΔPV1=1-V1/(V1-DV)=-DV/(V1-DV)≒-DV/V1としてのV1における圧力変化、およびΔPV2=1-V2/(V2+V)=DV/(V2+DV)≒DV/V2としてのV2における圧力変化を引き起こす。2つの体積の間の圧力差は、ΔPV2-ΔPV1=DV/(V2+DV)+DV/(V1-DV)であってもよい。V1≒V2≒Vaのとき、ΔPV2-ΔPV1≒DV/(Va+DV)+DV/(Va-DV)=DV・2Va/(Va2-DV2)≒2・DV/Va≒2・ΔPV2であり、これは、プッシュプル動作が、フラップ101および103によって分離された2つのサブ空間の間の圧力差を2倍にできることを意味する。 Specifically, for a compression chamber 831 with a volume V1 and a resonant chamber 805 with a volume V2, the membrane/flap movement resulting in a volume difference DV (assuming DV<<V1, V2) is ΔP V1 = 1 -V1/(V1-DV)=-DV/(V1-DV)≒-DV/V1 as pressure change in V1 and ΔP V2 =1-V2/(V2+V)=DV/(V2+DV)≈DV/V2 causing a pressure change in V2 as . The pressure difference between the two volumes may be ΔP V2 −ΔP V1 = DV/(V2+DV)+DV/(V1−DV). When V1≒V2≒Va, ΔP V2 - ΔP V1 ≒DV/(Va+DV)+DV/(Va-DV)=DV・2Va/(Va 2 −DV 2 )≒2・DV/Va≒2・ΔP V2 , which means that the push-pull operation can double the pressure difference between the two sub-spaces separated by flaps 101 and 103.

図22は、本発明の一実施形態によるAPG装置900の概略図である。装置900は、サブアセンブリ910および940を有する。サブアセンブリ910は、MEMSプロセスによって製造されてもよく、APG装置と見なされてもよい。サブアセンブリ940は、3D印刷によって製造されてもよい。また、装置700またはサブアセンブリ710と同様、サブアセンブリ940は、米国特許第11,172,310号に開示されている圧搾モード動作、米国特許第11,043,197号に開示されている仮想バルブ、および図13に示されている駆動方式の組み合わせとして見なされてもよい。装置900では、圧搾モード動作チャンバ905と圧縮チャンバ931とが分離されているが、装置700では、圧搾モード動作チャンバおよび圧縮チャンバは、チャンバ731として統合されている。 FIG. 22 is a schematic diagram of an APG device 900 according to one embodiment of the invention. Device 900 includes subassemblies 910 and 940. Subassembly 910 may be manufactured by a MEMS process and may be considered an APG device. Subassembly 940 may be manufactured by 3D printing. Also similar to apparatus 700 or subassembly 710, subassembly 940 has a squeeze mode operation as disclosed in U.S. Pat. No. 11,172,310, a virtual valve as disclosed in U.S. Pat. It may be viewed as a combination of drive methods. In the device 900, the squeeze mode operating chamber 905 and the compression chamber 931 are separated, whereas in the device 700, the squeeze mode operating chamber and the compression chamber are integrated as the chamber 731.

サブアセンブリ810およびサブアセンブリ910の効果は、空気流パルス発生の場合と似ているが、それらの動作原理は異なる。サブアセンブリ810は共振を利用するのに対して、アセンブリ910は、膜(フラップ101、103)の動きによって生じる圧搾モード動作チャンバ905の圧縮および希薄化を利用する。従って、チャンバ幅W905は、もはやλUCとのいかなる関係も満たす必要はなく、従って、チャンバ905のサイズは、実用的/所望の程度に縮小されてもよい。 Although the effect of subassembly 810 and subassembly 910 is similar for airflow pulsing, their operating principles are different. Subassembly 810 utilizes resonance, whereas assembly 910 utilizes compression and rarefaction of the squeeze mode operating chamber 905 caused by movement of the membrane (flaps 101, 103). Therefore, the chamber width W 905 no longer needs to satisfy any relationship with λ UC and therefore the size of the chamber 905 may be reduced to any practical/desired extent.

図23は、本発明の一実施形態によるAPG装置A00の概略図である。共振は必要ではないため、チャンバ905のような、チャンバの矩形断面の制限を排除することができ、圧力波の発生または周囲への波の伝播を最適化するための形状がよりフレキシブルとなる。例えば、チャンバA05またはサブアセンブリA40は、真ちゅう製のマウスピース状の断面を有してもよい。 FIG. 23 is a schematic diagram of an APG device A00 according to an embodiment of the present invention. Since resonance is not required, the limitation of a rectangular cross-section of a chamber, such as chamber 905, can be eliminated, allowing more flexibility in geometry for optimizing pressure wave generation or wave propagation to the surroundings. For example, chamber A05 or subassembly A40 may have a brass mouthpiece-like cross-section.

図23の装置A00の別の態様は、「直接圧力結合」である。装置900の場合のように最初にオリフィス913を通過する代わりに、装置A00の圧縮チャンバA05内で生成された圧力波は、導管A32に直接結合され、その後出口A33を介して周囲に放出される。圧縮チャンバと導管/出口との間のそのような直接結合は、オリフィス913により生じる損失を排除し、その結果、装置900を上回る有意な効率改善が生じる。 Another embodiment of apparatus A00 of FIG. 23 is a "direct pressure connection." Instead of first passing through orifice 913 as in device 900, the pressure wave generated within compression chamber A05 of device A00 is coupled directly to conduit A32 and then released to the surroundings via outlet A33. . Such direct coupling between the compression chamber and the conduit/outlet eliminates losses caused by orifice 913, resulting in significant efficiency improvements over device 900.

図24は、本発明の一実施形態によるAPG装置B00の概略図である。装置B00は、装置A00と同様である。装置A00とは異なり、装置B00は、さらに(キャップ)構造B11を有し、キャップ構造B11と膜構造10との間にチャンバB05が形成される。膜構造10の一方の側に形成されるチャンバA05と、膜構造10の他方の側に形成されるチャンバB05とを用いて、プッシュプル動作が実施されてもよく、これにより、空気流パルスが強化されてもよい。 FIG. 24 is a schematic diagram of an APG device B00 according to an embodiment of the present invention. Device B00 is similar to device A00. Unlike device A00, device B00 further has a (cap) structure B11, between which a chamber B05 is formed. A push-pull operation may be implemented with chamber A05 formed on one side of membrane structure 10 and chamber B05 formed on the other side of membrane structure 10, whereby airflow pulses are May be strengthened.

サブアセンブリ810および910により生成された空気パルスは、空気流パルスと見なされてもよく、サブアセンブリ840および940は、トランペット状の断面プロファイルを有する空気流-空気圧変換器と見なされてもよいことが留意される。一方、サブアセンブリ610、710、A10、およびB10により生成される空気パルスは、空気圧パルスと見なされてもよく、これにより、復調された/非対称の空気圧パルスが直接形成され、装置800および900よりも効率的であってもよい。 The air pulses generated by subassemblies 810 and 910 may be considered airflow pulses, and subassemblies 840 and 940 may be considered airflow to air pressure converters with trumpet-like cross-sectional profiles. is taken into account. On the other hand, the air pulses generated by subassemblies 610, 710, A10, and B10 may be considered as air pressure pulses, which directly form demodulated/asymmetric air pressure pulses and It can also be efficient.

また、内部に導管が形成されたサブアセンブリまたはトランペット状の断面プロファイルを有する導管を有するサブアセンブリは、これに限られるものではないが、本出願人によって出願された米国特許第10,425,732号、第11,172,310号などに開示されているAPG装置、または第8,861,752号のような他の装置に適用されてもよい。 Subassemblies having internal conduits or conduits having a trumpet-like cross-sectional profile are also disclosed in, but are not limited to, U.S. Pat. No. 8,861,752, or other devices such as No. 8,861,752.

図25には、本発明のAPG装置の仮想バルブ(VV)112の開放のタイミング整合の図を示す。図25において、実線の曲線は、変調駆動信号SMによって生成されるフラップ共通モード移動を表し、背景の暗さは、仮想バルブに対応する音響抵抗を表す。より暗い陰影は、より高い抵抗(VV閉止、チャンバ内の体積が周囲から切断される)を意味し、より明るい陰影は、より低い抵抗(VV開放、チャンバ内の体積が周囲に接続される)を意味する。 FIG. 25 shows a diagram of the timing alignment of the opening of the virtual valve (VV) 112 of the APG device of the present invention. In FIG. 25, the solid curve represents the flap common mode movement produced by the modulated drive signal SM, and the dark background represents the acoustic resistance corresponding to the virtual bulb. Darker shading means higher resistance (VV closed, the volume inside the chamber is disconnected from the surroundings), lighter shading means lower resistance (VV open, the volume inside the chamber is connected to the surroundings) means.

図25(a)では、仮想バルブ(VV)112の開状態のタイミングは、チャンバ内の圧力の最大値(第1のピーク)が達成されるように合わされ、これは、典型的にはフラップがそれらの最も正の(第1のピーク)共通モード変位に到達するわずか前にある。一方、仮想バルブ112の閉状態のタイミングは、チャンバ内の圧力の最小値(第2のピーク)が達成されるように合わされ、これは、典型的にはフラップがそれらの最も負の(第2のピーク)共通モード変位に到達するわずか前にある。VV112の最大開口がチャンバ内の圧力の第1のピークに位置合わせされる、図25(a)に示されるタイミング整合は、空気流パルスのパルス振幅を最大化するためのものであり、これは、装置100乃至500(チャンバを有するが、導管が形成されていない)に好適であってもよい。 In Figure 25(a), the opening of the virtual valve (VV) 112 is timed such that the maximum value (first peak) of pressure in the chamber is achieved, which typically occurs when the flap just before reaching their most positive (first peak) common mode displacement. On the other hand, the timing of the closed state of virtual valve 112 is timed such that a minimum value (second peak) of pressure within the chamber is achieved, which typically means that the flaps are at their most negative (second peak). peak) just before reaching the common mode displacement. The timing alignment shown in Figure 25(a), where the maximum opening of VV112 is aligned with the first peak of pressure in the chamber, is to maximize the pulse amplitude of the airflow pulse, which is , devices 100-500 (having a chamber but without a conduit formed therein).

一方、図25(b)では、仮想バルブ112の開状態のタイミングは、自動車産業におけるガス/ピストンエンジンのバルブタイミングに示唆されるように、第1の方向に向かって移動する膜(フラップ)の共通モード移動の最大速度に整合される一方、仮想バルブ112の閉状態のタイミングは、第1の方向と反対の第2の方向に向かって移動する膜(フラップ)の共通モード移動の最大速度に整合される。第1の方向は、膜構造から周囲に向かう方向である。図25(b)に示されるタイミング整合は、空気流パルスの体積を最大化することであり、これは、装置600、または装置700乃至900、A00、およびB00(その中に形成される導管を有するチャンバ)に好適であってもよい。 On the other hand, in FIG. 25(b), the timing of the open state of the virtual valve 112 is the timing of the opening of the virtual valve 112 of a membrane (flap) moving towards the first direction, as suggested by the valve timing of gas/piston engines in the automotive industry. The timing of the closed state of the virtual valve 112 is matched to the maximum velocity of common mode movement of the membrane (flap) moving towards a second direction opposite the first direction, while being matched to the maximum velocity of common mode movement of the flap. Aligned. The first direction is from the membrane structure toward the periphery. The timing alignment shown in FIG. 25(b) is to maximize the volume of the airflow pulse, which can be achieved by either device 600 or devices 700 through 900, A00, and B00 (the conduits formed therein). may be suitable for use in chambers with

図26は、本発明の一実施形態によるAPG装置C00の概略図である。装置C00は、先に示したAPG装置と同様であり、フラップ101および103を有する。フラップ101および103は、図13に示される駆動方式により駆動されてもよい。 FIG. 26 is a schematic diagram of an APG device C00 according to an embodiment of the present invention. Device C00 is similar to the APG device shown above and has flaps 101 and 103. Flaps 101 and 103 may be driven by the driving method shown in FIG.

これらの装置とは異なり、装置C00はキャップ構造を備えていない。前述のAPG装置と比較して、装置C00は、より単純な構造を有し、より少ないフォトリソグラフィエッチングステップで十分であり、複雑な導管製作ステップが排除され、2つのサブ部材またはサブアセンブリを一緒に結合する必要性が回避される。装置C00の製造コストは、大幅に削減される。 Unlike these devices, device C00 does not have a cap structure. Compared to the previously mentioned APG device, the device C00 has a simpler structure, requires fewer photolithographic etching steps, eliminates complex conduit fabrication steps, and allows two sub-members or sub-assemblies to be assembled together. The need to join is avoided. The manufacturing cost of device C00 is significantly reduced.

圧縮されるキャップ構造の下にチャンバが形成されていないため、装置C00によって生成される音圧は、主にフラップ(101および103)の移動の加速から生じる。(復調駆動信号±SVに応答した)仮想バルブ112の開放のタイミングを、(変調駆動信号SMに応答した)フラップ101および103の共通モード移動の加速のタイミングに整合させることにより、装置C00は、非対称空気(圧力)パルスを生成することができる。 Since no chamber is formed under the cap structure to be compressed, the sound pressure generated by the device C00 mainly results from the acceleration of the movement of the flaps (101 and 103). By aligning the timing of the opening of virtual valve 112 (in response to demodulated drive signal ±SV) with the timing of the acceleration of the common mode movement of flaps 101 and 103 (in response to modulated drive signal SM), apparatus C00: Asymmetric air (pressure) pulses can be generated.

フラップ101および103を囲む空間は2つのサブ空間に分割されることが留意される。1つはZ>0、すなわち+Zサブ空間であり、1つはZ<0、すなわち-Zサブ空間である。フラップ101および103の任意の共通モード移動に対して、1対の音響圧力波が生成され、1つはサブ空間+Z内にあり、1つはサブ空間-Z内にある。これらの2つの音響圧力波は、同じ大きさであるが反対の極性である。その結果、仮想バルブ112が開にされると、仮想バルブ112の近傍における2つの空気体積間の圧力差は、互いに中和される。従って、差動モード移動のタイミングがそのピークに達するとき、すなわち、タイミングVV112がその最大開口に達するタイミングは、そのピークに到達する共通モード移動の加速のタイミングに合わされ、共通モード移動によって生成されるはずの音圧は、仮想バルブ112の開口により抑制/除去され、フラップ101および103の2つの対向する側での2つの音圧間で自動中和が生じる。ここで、2つの音圧は、同じ大きさであるが反対の極性を有する。これは、仮想バルブ112が開かれた際、装置C00が(ほぼ)正味0の空気圧を生成することを意味する。従って、仮想バルブ112の開放期間が、共通モードフラップ移動の加速の(2つの)極性の1つの期間と重複すると、装置C00は、非対称の高い、単一端(SE)またはSEのような空気圧波形/パルスを生成し得る。 It is noted that the space surrounding flaps 101 and 103 is divided into two sub-spaces. One is Z>0, ie +Z subspace, and one is Z<0, ie -Z subspace. For any common mode movement of flaps 101 and 103, a pair of acoustic pressure waves are generated, one in subspace +Z and one in subspace -Z. These two acoustic pressure waves are of the same magnitude but opposite polarity. As a result, when the virtual valve 112 is opened, the pressure differences between the two air volumes in the vicinity of the virtual valve 112 are mutually neutralized. Therefore, when the timing of the differential mode movement reaches its peak, i.e., when timing VV112 reaches its maximum opening, the timing of the acceleration of the common mode movement reaching its peak is aligned with the timing of the acceleration of the common mode movement produced by the common mode movement. The supposed sound pressure is suppressed/eliminated by the opening of the virtual valve 112 and an automatic neutralization occurs between the two sound pressures on the two opposite sides of the flaps 101 and 103. Here, the two sound pressures have the same magnitude but opposite polarity. This means that when virtual valve 112 is opened, device C00 produces (almost) a net air pressure of zero. Thus, when the opening period of the virtual valve 112 overlaps with one period of the (two) polarity of acceleration of the common mode flap movement, the device C00 generates an asymmetric high, single-ended (SE) or SE-like pneumatic waveform. /pulse can be generated.

本発明において、SE(のような)波形とは、あるレベルに対して(実質的に)単極性であることを意味し得る。SE音響圧力波は、周囲圧力(例えば、1ATM)に対して(実質的に)単極である波形を表してもよい。 In the present invention, an SE (like) waveform may mean that it is (substantially) unipolar for a certain level. The SE acoustic pressure wave may represent a waveform that is (substantially) unipolar with respect to ambient pressure (eg, 1 ATM).

図27には、本発明の一実施形態による仮想バルブ(VV)の開放のタイミング整合の図を示す。図27に示すタイミング整合方式は、装置C00に適用されてもよい。図27(a)において、実線/破線/点線の曲線は、変調駆動信号SMに応答する膜(フラップ101および103)の共通モード移動の変位/速度/加速度を表し、図25と同様、背景の濃さは、VV112の開閉動作によって生じる音響抵抗を表す。説明のため、図27(a)の膜/フラップ運動の波形は、一定の振幅を有する正弦波であると仮定され(または近似的にプロットされ)、速度/加速度波形は、変位波形の1次/2次導関数である。図27(a)に示されるように、ピークVVの開放のタイミングは、前述のように、第1の方向に向かう共通モード膜/フラップ移動の第1のピーク加速度のタイミングに整合され、そのようなタイミング整合の結果、サブ空間+Zおよび-Zで生じる2つの音響圧力波の間で自動中和が生じ、図27(b)のSE空気圧波形の平坦部分として示されるように、正味の音響圧力が抑制される。 FIG. 27 shows a diagram of timing alignment of opening of a virtual valve (VV) according to an embodiment of the invention. The timing alignment scheme shown in FIG. 27 may be applied to device C00. In Figure 27(a), the solid/dashed/dotted curves represent the displacement/velocity/acceleration of the common mode movement of the membrane (flaps 101 and 103) in response to the modulated drive signal SM, and similar to Figure 25, the background Density represents the acoustic resistance caused by the opening and closing operations of VV112. For purposes of illustration, the membrane/flap motion waveform in Figure 27(a) is assumed (or approximately plotted) to be a sine wave with constant amplitude, and the velocity/acceleration waveform is assumed to be the first order of the displacement waveform. / is the second derivative. As shown in Figure 27(a), the timing of the opening of the peak VV is aligned with the timing of the first peak acceleration of the common mode membrane/flap movement towards the first direction, as described above. As a result of the perfect timing alignment, a self-neutralization occurs between the two acoustic pressure waves originating in the +Z and -Z subspaces, resulting in a net acoustic pressure, as shown as the flat portion of the SE pneumatic waveform in Figure 27(b). is suppressed.

また、図27(a)に示されるように、VVが閉止されるタイミングは、第2の方向に向かう共通モード膜/フラップ移動の第2のピーク加速度のタイミングに整合され、第2の方向は、第1の方向と反対である。VVは、第2のピーク加速度の間/付近で閉であるため、フラップ101および103の第2のピーク加速度によって生成される音圧は、フラップ101および103から遠ざかるように放射することができ、その結果、図27(b)のSE空気圧波形の正弦半波部分により示されるような、極めて非対称な音圧波が生じる。 Also, as shown in Figure 27(a), the timing at which the VV is closed is aligned with the timing of the second peak acceleration of the common mode membrane/flap movement toward the second direction, and the second direction is , which is opposite to the first direction. Since the VV is closed during/near the second peak acceleration, the sound pressure generated by the second peak acceleration of flaps 101 and 103 can radiate away from flaps 101 and 103; As a result, a highly asymmetric sound pressure wave is generated, as shown by the half-sine wave portion of the SE air pressure waveform in FIG. 27(b).

仮想バルブ112の開放は、音響圧力パルスの強度/振幅を決定するのではなく、「正味0に近い圧力」(または自動中和)の効果がどの程度強いかを定めることが留意される。仮想バルブ112の開放が広いとき、「正味0の圧力」の効果は強く、自動中和が完全となり、非対称性は、強く/明確となり、強い/顕著なベースバンド信号またはAPPS効果が得られる。逆に、仮想バルブ112の開放が狭いとき、「正味0の圧力」の効果は弱く、自動中和は不完全であり、非対称性が低下する結果、弱いベースバンド信号またはAPPS効果が生じる。 It is noted that the opening of the virtual valve 112 does not determine the intensity/amplitude of the acoustic pressure pulse, but rather how strong the effect of "near net zero pressure" (or auto-neutralization) is. When the opening of the virtual valve 112 is wide, the "net zero pressure" effect is strong, self-neutralization is complete, the asymmetry is strong/clear, and a strong/significant baseband signal or APPS effect is obtained. Conversely, when the opening of the virtual valve 112 is narrow, the effect of "net zero pressure" is weak, the automatic neutralization is incomplete, and the asymmetry is reduced resulting in a weak baseband signal or APPS effect.

FEMシミュレーションにおいて、装置C00は、20Hzで145dBのSPLを生成することができる。FEMシミュレーションから、装置C00によって生成されるSPLが、装置600によって生成されるSPL(20Hzで約157dBのSPL)よりも約12dB低い場合でも、同じ駆動条件下では、装置C00のTHD(全高調波歪み)は、装置600のTHDよりも10~20dB低くなることが観測される。従って、シミュレーションでは、装置C00、キャップ構造を有さないAPG装置、またはその中に形成されたチャンバを有さないAPG装置の有効性が検証される。 In the FEM simulation, device C00 is capable of producing an SPL of 145 dB at 20 Hz. From the FEM simulations, even though the SPL produced by device C00 is approximately 12 dB lower than the SPL produced by device 600 (approximately 157 dB SPL at 20 Hz), under the same driving conditions, the THD (total harmonics) of device C00 distortion) is observed to be 10-20 dB lower than the THD of device 600. Thus, the simulation verifies the effectiveness of device C00, an APG device without a cap structure, or an APG device without a chamber formed therein.

チャンバ内のピーク圧力または共通モード膜移動のピーク速度/加速度のタイミングに整合されるVV開放のタイミングの記述は、±e%の誤差が許容可能であることを暗示的に示唆されることが留意される。すなわち、VV開放のタイミングがチャンバ内のピーク圧力または共通モード膜移動のピーク速度/加速度の(1±e%)に整合される場合も、本発明の範囲内であり、ここで、e%は、実際の仕様に応じて、1%、5%、または10%であってもよい。 Note that the description of the timing of VV opening to match the timing of peak pressure in the chamber or peak velocity/acceleration of common mode membrane movement implicitly suggests that an error of ±e% is acceptable. be done. That is, it is also within the scope of the invention if the timing of VV opening is matched to (1±e%) of the peak pressure in the chamber or the peak velocity/acceleration of common mode membrane movement, where e% is , may be 1%, 5%, or 10%, depending on the actual specifications.

パルス非対称性に関し、図28には、異なる非対称性の度合いを有する全周期パルス(1作動周期TCY内)を示す。本発明では、p1に対するp2の比により、非対称性の度合いを評価してもよい。ここで、p1>p2であり、p1は、レベルに対して第1極性を有する第1の半周期パルスのピーク値を表し、p2は、レベルに対して第2極性を有する第2の半周期パルスのピーク値を表す。音響領域において、レベルは、周囲圧力(0音圧)または0音響空気流のいずれかの周囲条件に対応してもよく、本発明における空気パルスは、空気流パルスまたは空気圧パルスのいずれかを表してもよい。 Regarding pulse asymmetry, FIG. 28 shows full-period pulses (within one working period TCY ) with different degrees of asymmetry. In the present invention, the degree of asymmetry may be evaluated by the ratio of p2 to p1 . where p 1 > p 2 and p 1 represents the peak value of the first half-period pulse with the first polarity with respect to the level and p 2 represents the peak value of the first half-period pulse with the second polarity with respect to the level. Represents the peak value of 2 half-cycle pulses. In the acoustic domain, the level may correspond to ambient conditions of either ambient pressure (0 sound pressure) or 0 acoustic air flow, and air pulses in the present invention represent either air flow pulses or air pressure pulses. You can.

図28(a)には、r=p2/p1>80%である全周期パルスを示す。図28(a)に示す全周期パルスまたはr=p2/p1≒1の全周期パルスは、非対称性が小さい。図28(b)には、40%≦r=p2/p1≦60%の全周期パルスを示す。図28(b)に示す全周期パルス、またはr=p2/p1≒50%の全周期パルスは、非対称性のメジアン値を有する。図28(c)には、r=p2/p1<30%の全周期パルスを示す。図28(c)に示す全周期パルス、またはr=p2/p1→0の全周期パルスは、非対称性が高い。 FIG. 28(a) shows a full period pulse with r=p 2 /p 1 >80%. The full-period pulse shown in FIG. 28(a) or the full-period pulse with r=p 2 /p 1 ≈1 has small asymmetry. FIG. 28(b) shows a full cycle pulse with 40%≦r=p 2 /p 1 ≦60%. The full-period pulse shown in FIG. 28(b), or the full-period pulse with r=p 2 /p 1 ≈50%, has a median value of asymmetry. FIG. 28(c) shows a full-period pulse with r=p 2 /p 1 <30%. The full-period pulse shown in FIG. 28(c) or the full-period pulse with r=p 2 /p 1 →0 has high asymmetry.

前述のように、非対称性の度合いが高いほど、APPS効果、および超音波空気パルスのベースバンドスペクトル成分が強くなる。本発明において、非対称性空気パルスとは、少なくとも非対称性のメジアン値を有する空気パルスを表し、r=p2/p1≦60%を意味する。 As mentioned above, the higher the degree of asymmetry, the stronger the APPS effect and the baseband spectral content of the ultrasonic air pulse. In the present invention, an asymmetric air pulse refers to an air pulse that has at least a median value of asymmetry, and means that r=p 2 /p 1 ≦60%.

本発明のAPG装置の復調動作は、変調動作によって生成される超音波空気圧力変化の振幅に従って、非対称空気パルスを生成することであることが留意される。1つの観点では、本発明の復調動作は、無線通信システムにおけるAM(振幅変調)包絡線検出器における整流器に類似している。 It is noted that the demodulation operation of the APG device of the present invention is to generate asymmetric air pulses according to the amplitude of the ultrasonic air pressure change produced by the modulation operation. In one aspect, the demodulation operation of the present invention is similar to a rectifier in an AM (amplitude modulation) envelope detector in a wireless communication system.

無線通信システムでは、良く知られているように、無線AM(ノンコヒーレント)復調器の一種である包絡線検波器は、整流器およびローパスフィルタを有する。包絡線検出器は、その入力振幅変調信号に対応する包絡線を生成する。包絡線検出器の入力振幅変調信号は、通常高い対称性を有し、r=p2/p1→1である。整流器の1つの目標は、整流された振幅変調信号がr=p2/p1→0で高度に非対称となるように、対称振幅変調信号を変換することである。高度に非対称な整流されたAM信号をローパスフィルタリングした後、振幅変調された信号に対応する包絡線が回復される。 In wireless communication systems, as is well known, an envelope detector, which is a type of wireless AM (non-coherent) demodulator, includes a rectifier and a low-pass filter. The envelope detector generates an envelope corresponding to its input amplitude modulated signal. The input amplitude modulated signal of the envelope detector usually has a high symmetry, r=p 2 /p 1 →1. One goal of the rectifier is to convert a symmetric amplitude modulated signal such that the rectified amplitude modulated signal is highly asymmetric with r=p 2 /p 1 →0. After low-pass filtering the highly asymmetric rectified AM signal, the envelope corresponding to the amplitude modulated signal is recovered.

対称超音波空気圧力変化(r=p2/p1→1)を非対称空気パルス(r=p2/p1→0)に変える本発明の復調動作は、AM復調器としての包絡線検出器の整流器に類似しており、ローパスフィルタリング動作は、自然環境および人間の聴覚システム(またはマイクロフォンなどの音感知装置)に残され、入力オーディオ信号SINに対応する音/音楽が回復され、聴取者によって知覚され、または音感知機器によって測定され得る。 The demodulation operation of the present invention, which converts a symmetric ultrasonic air pressure change (r = p 2 / p 1 → 1) into an asymmetric air pulse (r = p 2 / p 1 → 0), uses an envelope detector as an AM demodulator. Similar to a rectifier, the low-pass filtering action is left in the natural environment and the human hearing system (or a sound sensing device such as a microphone), and the sound/music corresponding to the input audio signal S IN is recovered and transmitted to the listener. or can be measured by sound-sensing equipment.

APG装置の復調動作にとって、非対称性を生成することは重要である。本発明では、パルス非対称性は、超音波空気圧力変化を生成する膜(フラップ)移動に整合される、開放の適切なタイミングに依存する。図25および図27に示されるように、異なるAPG構成は、タイミング整合の異なる方法を有する。換言すれば、開口112を形成するタイミングは、APG装置によって生成される複数の空気パルスが非対称となるように指定される。 Creating asymmetry is important for the demodulation operation of an APG device. In the present invention, pulse asymmetry is dependent on proper timing of opening, aligned with membrane (flap) movement that produces ultrasonic air pressure changes. As shown in FIGS. 25 and 27, different APG configurations have different methods of timing alignment. In other words, the timing of forming the apertures 112 is specified such that the air pulses produced by the APG device are asymmetric.

非対称空気パルスを生成するAPG装置は、冷却、乾燥または他の機能を有し得る、空気ポンプ/移動用途にも適用されてもよい。 APG devices that generate asymmetric air pulses may also be applied in air pump/transfer applications, which may have cooling, drying or other functions.

さらに、適切なセルおよび信号経路配置によって電力消費を低減することができる。例えば、図29には、本発明の一実施形態によるAPG装置D00の上面図を示し、図30には、図29に示されるA-A’線に沿った装置D00の断面図を示す。装置D00は、アレイ状に配置されたD01~D08セルを有する。各セル(D0x)は、前述のAPG装置(例えば、400~C00)のうちの1つであってもよい。図30において、キャップ構造およびその中に形成された導管を有するサブアセンブリは、簡略化のために省略されている。装置D00内の全てのフラップが駆動信号方式431により駆動され、上部電極は、信号+SVまたは信号-SVのいずれかを受信し、下部電極は、SM-VBIASを受信すると仮定される。 Furthermore, power consumption can be reduced through proper cell and signal path placement. For example, FIG. 29 shows a top view of APG device D00 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 30 shows a cross-sectional view of device D00 along line AA' shown in FIG. 29. Device D00 has cells D01 to D08 arranged in an array. Each cell (D0x) may be one of the aforementioned APG devices (eg, 400-C00). In FIG. 30, the subassembly with the cap structure and conduit formed therein has been omitted for simplicity. It is assumed that all flaps in device D00 are driven by drive signaling 431, with the top electrode receiving either the signal +SV or the signal -SV, and the bottom electrode receiving SM-V BIAS .

図29において、Y方向に沿って細長い長方形は、フラップまたはフラップ上に配置されたアクチュエータの上部電極を表す。背景の陰影は、アクチュエータの下部電極を表し、またはアクチュエータの下部電極が電気的に接続されていることを表してもよい。 In FIG. 29, the rectangle elongated along the Y direction represents the flap or the upper electrode of the actuator placed on the flap. The background shading may represent the bottom electrode of the actuator or that the bottom electrode of the actuator is electrically connected.

装置D00では、信号-SVを受信するフラップ(例えば、101)と、信号+SVを受信するフラップ(たとえば、103)とが空間的にインターリーブされる。例えば、セルD01のフラップ103が信号+SVを受信する際、セルD02のフラップ101は、信号-SVを受信するように提案される。これは、信号+SV、-SVが極性をトグルする際、または信号+SV、-SVの遷移期間中に、下部電極を通って容量性負荷の(放電)充電電流がX方向に流れ、下部電極の実効抵抗RBT,P(ここで、Pは並列電流の流れを表す)が、L/W≪1のため低くなり、装置D00の電力消費が低くなるからである。ここで、L/Wは、(放電)充電電流の観点からのチャネル長/幅を表す。 In device D00, the flap (eg, 101) that receives the signal -SV and the flap (eg, 103) that receives the signal +SV are spatially interleaved. For example, when flap 103 of cell D01 receives signal +SV, flap 101 of cell D02 is proposed to receive signal -SV. This is because when the signals +SV, -SV toggle polarity, or during the transition period of the signals +SV, -SV, the (discharge) charging current of the capacitive load flows in the X direction through the bottom electrode, and the This is because the effective resistance R BT,P (where P represents parallel current flow) is low because L/W≪1, and the power consumption of the device D00 is low. Here, L/W represents the channel length/width in terms of (discharging) charging current.

一方、駆動信号-SV、+SVが{+SV,-SV}、{-SV,+SV}、{+SV,-SV}、{-SV,+SV}、{+SV,-SV}、{-SV,+SV}、{+SV,-SV}、{-SV,+SV}(図29には図示せず)のパターンで配線される場合、ここで、{…,…}は、1つのセルD0xの差動駆動信号の対を示し、負荷(放電)充電電流はY方向であり、下部電極の実効抵抗RBT,S(ここで、Sは直列電流の流れを表す)は、十分に大きくなり(すなわち、L/W≫1であるため、RBT,S≫RBT,P)、そのような方式の電力消費は、より高くなる。 On the other hand, the drive signals -SV, +SV are {+SV, -SV}, {-SV, +SV}, {+SV, -SV}, {-SV, +SV}, {+SV, -SV}, {-SV, +SV} , {+SV, -SV}, {-SV, +SV} (not shown in Figure 29), where {...,...} is the differential drive signal of one cell D0x , the load (discharge) charging current is in the Y direction, and the effective resistance of the bottom electrode R BT,S (where S represents the series current flow) is sufficiently large (i.e., L/ Since W≫1 (R BT,S ≫R BT,P ), the power consumption of such a scheme will be higher.

換言すれば、図29に示す配線方式を利用することにより(例えば、セルD01およびD02を採用した場合)、信号+SVを受信するセルD01のフラップ103が、信号-SVを受信するセルD02のフラップ101の隣に空間的に配置され、信号±SVの遷移期間が時間的に重複する場合、1つのフラップ(例えば、D01の103)の下部電極からの電流は、装置D00がパッドから離れ、別のパッドから装置D00に再び入る必要はなく、隣接するフラップ(例えば、D02の101)に直接移動する。従って、下部電極の実効抵抗が大幅に低減され、電力消費も低減される。 In other words, by using the wiring method shown in FIG. 29 (for example, when cells D01 and D02 are adopted), the flap 103 of cell D01 receiving signal +SV is replaced by the flap 103 of cell D02 receiving signal -SV. 101 and the transition periods of the signals ±SV overlap in time, the current from the bottom electrode of one flap (e.g., 103 of D01) will flow as device D00 moves away from the pad and another There is no need to re-enter the device D00 from the pad of , but go directly to the adjacent flap (eg 101 of D02). Therefore, the effective resistance of the lower electrode is significantly reduced, and power consumption is also reduced.

また、動作周波数は、複数(例えば2つ)のセルを組み込むことによって高められてもよい。具体的には、本発明のAPG装置を使用する空気圧力パルススピーカ(APPS)音生成方式は、離散時間サンプリングシステムの一種である。一方では、通常、高い忠実度を達成するため、そのようなサンプリングされたシステムにおいて、サンプリングレートを上げることが望ましい。一方、必要な駆動電圧および電力消費を低減するためには、装置の作動周波数を低減することが望ましい。 The operating frequency may also be increased by incorporating multiple (eg, two) cells. Specifically, the air pressure pulse speaker (APPS) sound generation method using the APG device of the present invention is a type of discrete time sampling system. On the one hand, it is usually desirable to increase the sampling rate in such sampled systems in order to achieve high fidelity. On the other hand, it is desirable to reduce the operating frequency of the device in order to reduce the required drive voltage and power consumption.

1つのAPG装置のサンプリングレートとして作動周波数を上げる代わりに、低いパルス/作動レートを有する(少なくとも)2つのグループ(サブシステム)を時間的および空間的にインターリーブすることにより、高いパルス/作動レートを達成することが効率的である。 Instead of increasing the actuation frequency as the sampling rate of one APG device, we can increase the high pulse/actuation rate by temporally and spatially interleaving (at least) two groups (subsystems) with low pulse/actuation rates. It is efficient to achieve.

図31(空間的な配置を示す)は、本発明の実施形態によるAPG装置E00の上面図である。装置E00は、互いに隣接/隣り合って配置された2つのセルE11およびE12を有する。セルE11/E12は、本発明のAPG装置の1つであってもよい。 FIG. 31 (illustrating the spatial arrangement) is a top view of APG device E00 according to an embodiment of the invention. The device E00 has two cells E11 and E12 arranged next to each other/side-by-side. Cell E11/E12 may be one of the APG devices of the invention.

図32(時間的な関係を示す)には、セルE11およびE12が意図された、2組の(復調)変調駆動信号AおよびBの波形を示す。Aの組は、復調駆動信号±SVおよび変調駆動信号SMを含み、Bの組は、復調駆動信号±SV’および変調駆動信号SM’を含む。図32の実施形態に示すように、信号組Bの復調駆動信号+SV’/-SV’は、信号組Aの復調駆動信号+SV/-SVの遅延されたバージョンである。さらに、信号組Bの信号+SV’/-SV’は、作動周期の半分であるTCY/2だけ遅延された信号組Aの信号+SV/-SVであり、ここで、TCY=1/fUCであり、fUCは、セルE11/E12の作動周波数を表す。組Bの変調駆動信号SM’は、組Aの変調駆動信号SMの反転、または極性反転バージョンと見なされてもよい。信号SMおよびSM’は、SM’=-SMまたはSM+SM’=Cの関係を有してもよく、ここで、Cはある定数またはバイアスである。例えば、組Aの変調駆動信号SMが期間T22内に電圧レベル(図32において破線で示す)に対して、負の極性のパルスを有する場合、組Bの変調駆動信号SM’は、期間T22内に電圧レベル(図32において破線で示す)に対して、正の極性のパルスを有する。 FIG. 32 (illustrating the temporal relationship) shows the waveforms of two sets of (demodulated) modulation drive signals A and B, intended for cells E11 and E12. The set A includes the demodulated drive signal ±SV and the modulated drive signal SM, and the set B includes the demodulated drive signal ±SV' and the modulated drive signal SM'. As shown in the embodiment of FIG. 32, the demodulated drive signals +SV'/-SV' of signal set B are delayed versions of the demodulated drive signals +SV/-SV of signal set A. Furthermore, the signal +SV'/-SV' of signal set B is the signal +SV/-SV of signal set A delayed by T CY /2, which is half the operating period, where T CY = 1/f UC and f UC represents the operating frequency of cells E11/E12. The set B modulated drive signals SM' may be considered as inverted or polarized versions of the set A modulated drive signals SM. Signals SM and SM' may have the relationship SM'=-SM or SM+SM'=C, where C is some constant or bias. For example, if the modulated drive signal SM of set A has a pulse of negative polarity with respect to the voltage level (indicated by the dashed line in FIG. 32) within the period T 22 , the modulated drive signal SM' of set B 22 (shown as a dashed line in FIG. 32) with pulses of positive polarity.

組Aおよび組Bの一方をセルE11に提供し、組Aおよび組Bの他方をセルE12に提供することにより、装置E00は、パルス/サンプリングレートが2×fUCであるパルスアレイを生成してもよく、fUCは、各セルの作動周波数である。 By providing one of set A and set B to cell E11 and the other of set A and set B to cell E12, device E00 generates a pulse array with a pulse/sampling rate of 2×f UC . where f UC is the operating frequency of each cell.

図33は、本発明の一実施形態によるAPG装置F00の上面図である。装置F00は、2×2のアレイに配置されたセルF11、F12、F21、およびF22を有する。装置F00におけるセルは、本発明のAPG装置の1つであってもよい。セルF11、F12、F21およびF22の2つは、信号組Aを受信し、他の2つのセルは、信号組Bを受信してもよい。 FIG. 33 is a top view of APG device F00 according to an embodiment of the present invention. Device F00 has cells F11, F12, F21, and F22 arranged in a 2×2 array. The cell in device F00 may be one of the APG devices of the present invention. Two of the cells F11, F12, F21 and F22 may receive signal set A, and the other two cells may receive signal set B.

一実施形態では、セルF11、F22は、信号組Aを受信し、セルF21、F22は、信号組Bを受信する。一実施形態では、セルF11、F22は、信号組Aを受信し、セルF12、F22は、信号組Bを受信する。一実施形態では、セルF11、F21は、信号組Aを受信し、セルF12、F22は、信号組Bを受信する。装置E00と同様、装置も、パルス/サンプリングレートが2×fUCであるパルスアレイを生成する。 In one embodiment, cells F11, F22 receive signal set A and cells F21, F22 receive signal set B. In one embodiment, cells F11, F22 receive signal set A and cells F12, F22 receive signal set B. In one embodiment, cells F11, F21 receive signal set A and cells F12, F22 receive signal set B. Similar to device E00, the device also produces a pulse array with a pulse/sampling rate of 2×f UC .

物理的な表面運動を用いて音響波を生成する従来のスピーカ(例えば、動的ドライバ)は、前方/後方放射波の相殺の問題に直面することが留意される。物理的表面が移動して、空気質量の動きが生じると、音波の対、すなわち前方放射波および後方放射波が生成される。2つの音波は、互いの大部分を相殺し、正味のSPLは、前方/後方放射波が単独で測定される場合に比べて、大きく低減される。 It is noted that conventional speakers (eg, dynamic drivers) that use physical surface motion to generate acoustic waves face the problem of forward/backward radiated wave cancellation. When the physical surface moves, causing movement of the air mass, a pair of sound waves, a forward radiating wave and a backward radiating wave, are generated. The two sound waves largely cancel each other out, and the net SPL is greatly reduced compared to if the forward/backward radiation waves were measured alone.

前方/後方放射波の相殺問題に対して広く採用されている解決策は、背面エンクロージャまたは開放バッフルのいずれかを利用することである。両方の解決策は、関心の最も低い周波数の波長、例えば、230Hzの周波数に対して、1.5メートルの波長に相当する、物理的サイズ/寸法が必要となる。 A widely adopted solution to the forward/backward radiation cancellation problem is to utilize either a rear enclosure or an open baffle. Both solutions require physical size/dimensions corresponding to a wavelength of 1.5 meters for the lowest frequency wavelength of interest, for example a frequency of 230 Hz.

従来のスピーカと比較して、本発明のAPG装置は、数十平方mmしか占有せず(従来のスピーカよりもはるかに小さい)、特に低周波数において大きなSPLを生成する。 Compared to conventional loudspeakers, the APG device of the present invention occupies only a few tens of square mm (much smaller than conventional loudspeakers) and produces large SPL, especially at low frequencies.

これは、非対称な振幅変調空気パルスを生成することにより達成され、変調部分は、膜運動を介して対称振幅変調の空気圧変動を生成し、復調部分は、仮想バルブを介して非対称振幅変調の空気パルスを生成する。変調部および復調部は、同じ加工層に製造されたフラップ対によって実現され、製造/生産の複雑さが低減される。変調動作は、フラップ対の共通モード移動を介して実行され、復調動作は、フラップ対の差動モード移動を介して実行され、(共通モード移動を介する)変調動作および(差動モード移動を介する)復調動作は、単一のフラップ対により実施されてもよい。差動モード移動と共通モード移動の間の適切なタイミング整合により、出力空気パルスの非対称性が強化される。さらに、ホーン形状の出口またはトランペット状の導管は、伝播効率を改善することに役立つ。 This is achieved by generating asymmetric amplitude modulated air pulses, where the modulating part generates symmetric amplitude modulated air pressure fluctuations via membrane motion, and the demodulating part generates asymmetric amplitude modulated air pressure fluctuations via a virtual valve. Generate a pulse. The modulation and demodulation sections are realized by flap pairs manufactured in the same processing layer, reducing manufacturing/production complexity. Modulation operation is performed via common mode movement of the flap pair, demodulation operation is performed via differential mode movement of the flap pair, and modulation operation (via common mode movement) and (via differential mode movement) ) The demodulation operation may be performed by a single flap pair. Proper timing alignment between the differential and common mode movements enhances the asymmetry of the output air pulses. Additionally, a horn-shaped outlet or trumpet-shaped conduit helps improve propagation efficiency.

以上まとめると、本発明の空気パルス発生装置は、変調手段および復調手段を有する。変調駆動信号をフラップ対(102または104)に印加することにより実現され得る変調手段は、音響信号による超音波搬送周波数を有する、振幅変調された超音波音響/空気波を生成する。復調手段は、一対の復調駆動信号+SVおよび-SVをフラップ対(102)に印加することにより、またはフラップ対(102)を周期的に駆動して開口(112)を形成することにより、実現されてもよく、超音波音響/空気波UAWのスペクトル成分を±n×fUCだけシフトさせる同期復調動作が実施される。その結果、音響信号に対応する超音波空気波のスペクトル成分が可聴ベースバンドにシフトされ、音響信号が再生される。 In summary, the air pulse generator of the present invention has modulation means and demodulation means. The modulation means, which may be realized by applying a modulated drive signal to the flap pair (102 or 104), generates an amplitude modulated ultrasonic acoustic/air wave having an ultrasonic carrier frequency according to the acoustic signal. The demodulation means is realized by applying a pair of demodulation drive signals +SV and -SV to the pair of flaps (102) or by periodically driving the pair of flaps (102) to form the aperture (112). A synchronous demodulation operation is performed to shift the spectral components of the ultrasonic acoustic/air wave UAW by ±n×f UC . As a result, the spectral components of the ultrasonic air waves corresponding to the acoustic signal are shifted to the audible baseband and the acoustic signal is reproduced.

本発明の示唆を保持したまま、装置および方法の多くの修正および変更が行えることは、当業者には容易に理解される。従って、前述の開示は、添付の特許請求の範囲の境界によってのみ限定されるものと解される必要がある。 Those skilled in the art will readily appreciate that many modifications and variations of the apparatus and method may be made while retaining the teachings of the invention. Accordingly, the foregoing disclosure should be construed as limited only by the boundaries of the appended claims.

(公知文献)
1 米国特許出願公開2022-0225032A1
2 米国特許出願公開2022-0224999A1
3 米国特許10,425,732B1
4 米国特許7,736,324B1
5 米国特許5,109,948A
6 米国特許4,942,939
7 米国特許4,646,733
8 米国特許出願公開2022/0047841A1
9 米国特許出願公開2014/0064036A1
10 米国特許出願公開2013/0279738A1
11 米国特許出願公開2012/0018244A1
12 米国特許出願公開2008/0121220A1
13 米国特許出願公開2005/0235988A1
14 米国特許出願公開2004/0024455A1
15 国際公開2016/202790A2
16 米国特許出願公開2020/0059719A1
17 米国特許出願公開2019/0116417A1
18 米国特許出願公開2018/0179048A1
19 米国特許出願公開2016/0366521A1
20 米国特許出願公開2012/0032892A1
21 米国特許出願公開2017/0201192A1
22 韓国特許出願公開10-2019-0116898A
23 韓国特許10-1901204B1
24 韓国特許出願公開10-2019-0043489A
25 韓国特許10-2093804B1
26 日本国出願公開2022-160366A
27 米国特許出願公開2019/0238974A1
28 米国特許出願公開2017/0041708A1
29 米国特許出願公開2014/0084396A1
30 米国特許出願公開2014/0341394A1
31 米国特許出願公開2016/0059206A1
32 米国特許出願公開2012/0081337A1
33 米国特許5,611,406A
34 米国特許出願公開2019/0020944A1
35 日本国出願公開2022-160367A
36 日本国出願公開2022-160368A
(Publicly known literature)
1 US Patent Application Publication 2022-0225032A1
2 US Patent Application Publication 2022-0224999A1
3 U.S. Patent 10,425,732B1
4 U.S. Patent 7,736,324B1
5 U.S. Patent 5,109,948A
6 U.S. Patent 4,942,939
7 U.S. Patent 4,646,733
8 US Patent Application Publication 2022/0047841A1
9 US Patent Application Publication 2014/0064036A1
10 US Patent Application Publication 2013/0279738A1
11 US Patent Application Publication 2012/0018244A1
12 US Patent Application Publication 2008/0121220A1
13 US Patent Application Publication 2005/0235988A1
14 US Patent Application Publication 2004/0024455A1
15 International Publication 2016/202790A2
16 US Patent Application Publication 2020/0059719A1
17 US Patent Application Publication 2019/0116417A1
18 US Patent Application Publication 2018/0179048A1
19 US Patent Application Publication 2016/0366521A1
20 US Patent Application Publication 2012/0032892A1
21 US Patent Application Publication 2017/0201192A1
22 Korean Patent Application Publication 10-2019-0116898A
23 Korean Patent 10-1901204B1
24 Korean Patent Application Publication 10-2019-0043489A
25 Korean Patent 10-2093804B1
26 Japanese Application Publication 2022-160366A
27 US Patent Application Publication 2019/0238974A1
28 US Patent Application Publication 2017/0041708A1
29 US Patent Application Publication 2014/0084396A1
30 US Patent Application Publication 2014/0341394A1
31 US Patent Application Publication 2016/0059206A1
32 US Patent Application Publication 2012/0081337A1
33 U.S. Patent 5,611,406A
34 US Patent Application Publication 2019/0020944A1
35 Japanese Application Publication 2022-160367A
36 Japanese Application Publication 2022-160368A

100 空気パルス発生(APG)装置
12 装置層
11 チャンバ画定層
124L、124R 壁
101、103、105、107 フラップ
123R、123L 支持構造
100 Air Pulse Generator (APG) Device
12 Equipment layer
11 Chamber definition layer
124L, 124R wall
101, 103, 105, 107 flaps
123R, 123L support structure

Claims (23)

空気パルス発生装置であって、
膜構造を有し、
前記膜構造は、超音波搬送周波数を有する振幅変調された超音波空気圧力変化を形成するように駆動され、
前記膜構造は、前記超音波搬送周波数と同期した速度で開口を形成するように駆動され、
当該空気パルス生成装置は、前記振幅変調された超音波空気圧力変化に従って複数の空気パルスを生成し、前記複数の空気パルスは、非対称である、空気パルス発生装置。
An air pulse generator, comprising:
It has a membrane structure,
the membrane structure is driven to create an amplitude modulated ultrasonic air pressure change having an ultrasonic carrier frequency;
the membrane structure is driven to form an aperture at a speed synchronized with the ultrasound carrier frequency;
The air pulse generating device generates a plurality of air pulses according to the amplitude modulated ultrasonic air pressure change, the plurality of air pulses being asymmetric.
前記開口を形成するタイミングは、当該空気パルス発生装置により生成される前記複数の空気パルスが非対称となるように指定される、請求項1に記載の空気パルス発生装置。 2. The air pulse generator according to claim 1, wherein the timing of forming the opening is specified such that the plurality of air pulses generated by the air pulse generator are asymmetrical. 前記膜構造は、フラップ対を有し、
前記フラップ対は、前記超音波搬送周波数を有する前記振幅変調された超音波空気圧力変化を形成するように駆動され、
前記フラップ対は、前記超音波搬送周波数に同期した速度で前記開口が形成されるように駆動され、
当該空気パルス発生装置は、前記振幅変調された超音波空気圧力変化に従って複数の空気パルスを生成し、前記複数の空気パルスは、非対称である、請求項1に記載の空気パルス発生装置。
the membrane structure has a pair of flaps;
the flap pair is driven to create the amplitude modulated ultrasonic air pressure change having the ultrasonic carrier frequency;
the pair of flaps is driven such that the aperture is formed at a speed synchronized with the ultrasound carrier frequency;
2. The air pulse generator of claim 1, wherein the air pulse generator generates a plurality of air pulses according to the amplitude modulated ultrasonic air pressure change, and wherein the plurality of air pulses are asymmetric.
前記開口の開放時間は、前記振幅変調された超音波空気圧力変化がピークに達するピーク時間に整合される、請求項1に記載の空気パルス発生装置。 2. The air pulse generator of claim 1, wherein the opening time of the aperture is matched to a peak time at which the amplitude modulated ultrasonic air pressure change reaches a peak. 当該空気パルス発生装置内にチャンバが形成され、
前記膜構造は、前記チャンバ内で前記振幅変調された超音波空気圧力変化を形成する、請求項1に記載の空気パルス発生装置。
a chamber is formed within the air pulse generator;
2. The air pulse generator of claim 1, wherein the membrane structure creates the amplitude modulated ultrasonic air pressure variation within the chamber.
前記開口は、前記フラップ対の共通モード移動が第1の方向に向かう際に形成され、
前記開口は、前記フラップ対の前記共通モード移動が前記第1の方向とは反対の第2の方向に向かう際に閉じられる、請求項3に記載の空気パルス発生装置。
the opening is formed when the common mode movement of the pair of flaps is in a first direction;
4. The air pulse generator of claim 3, wherein the aperture is closed when the common mode movement of the pair of flaps is in a second direction opposite the first direction.
前記開口が開かれる時間は、前記第1の方向に向かって移動する前記フラップ対の共通モード移動の最大速度に対応する時間に合わされ、
前記開口が閉じられる時間は、前記第1の方向とは反対の前記第2の方向に向かって移動する前記フラップ対の前記共通モード移動の最大速度に対応する時間に合わされる、請求項6に記載の空気パルス発生装置。
the time during which the aperture is opened is timed to a time corresponding to a maximum velocity of common mode movement of the pair of flaps moving towards the first direction;
7. The time during which the opening is closed is timed to a time corresponding to a maximum velocity of the common mode movement of the flap pair moving towards the second direction opposite to the first direction. The air pulse generator described.
前記第1の方向は、周囲に向かう方向である、請求項6に記載の空気パルス発生装置。 7. The air pulse generator according to claim 6, wherein the first direction is a direction toward the surroundings. 当該空気パルス発生装置内には導管が形成される、請求項1に記載の空気パルス発生装置。 2. The air pulse generator of claim 1, wherein a conduit is formed within the air pulse generator. 前記膜構造は、フラップ対を有し、
前記フラップ対の共通モード移動は、前記導管を通って伝搬する空気波を生成する、請求項9に記載の空気パルス発生装置。
the membrane structure has a pair of flaps;
10. The air pulse generator of claim 9, wherein common mode movement of the pair of flaps creates an air wave that propagates through the conduit.
前記導管は、チャンバと、通路と、ホーン形状の出口とを有する、請求項9に記載の空気パルス発生装置。 10. The air pulse generator of claim 9, wherein the conduit has a chamber, a passageway, and a horn-shaped outlet. 前記チャンバの寸法は、前記通路に向かって狭くなる、請求項11に記載の空気パルス発生装置。 12. The air pulse generator of claim 11, wherein the dimensions of the chamber narrow toward the passageway. 前記ホーン形状の出口の寸法は、周囲に向かって広がっている、請求項11に記載の空気パルス発生装置。 12. The air pulse generator of claim 11, wherein the horn-shaped outlet dimensions widen towards the periphery. 前記開口が開かれる時間は、前記フラップ対の共通モード移動のピーク加速度に対応する時間に合わされる、請求項3に記載の空気パルス発生装置。 4. The air pulse generator of claim 3, wherein the time at which the aperture is opened is timed to a time corresponding to a peak acceleration of common mode movement of the pair of flaps. 前記フラップ対の差動モード移動のピークに対応する時間は、前記フラップ対の共通モード移動のピーク加速度に対応する時間に合わされる、請求項3に記載の空気パルス発生装置。 4. The air pulse generator of claim 3, wherein a time corresponding to a peak of differential mode movement of the flap pair is aligned to a time corresponding to a peak acceleration of common mode movement of the flap pair. 前記開口が閉じられる時間は、前記フラップ対の共通モード移動のピーク加速度に対応する時間に合わされる、請求項3に記載の空気パルス発生装置。 4. The air pulse generator of claim 3, wherein the time at which the aperture is closed is timed to a time corresponding to a peak acceleration of common mode movement of the pair of flaps. 前記フラップ対は、共通モード移動を行うように駆動され、前記超音波搬送周波数を有する前記振幅変調された超音波空気圧力変化が形成され、
前記フラップ対は、差動モード移動を行うように駆動され、前記超音波搬送周波数と同期した速度で前記開口が形成され、
前記差動モード運動の時間は、当該空気パルス発生装置が複数の非対称空気パルスを生成するように、前記共通モード移動の時間に合わされる、請求項3に記載の空気パルス発生装置。
the pair of flaps are driven to provide common mode movement to create the amplitude modulated ultrasonic air pressure change having the ultrasonic carrier frequency;
the pair of flaps are driven to perform differential mode movement to form the aperture at a speed synchronized with the ultrasound carrier frequency;
4. The air pulse generator of claim 3, wherein the time of the differential mode movement is matched to the time of the common mode movement such that the air pulse generator generates a plurality of asymmetric air pulses.
空気パルス発生装置であって、
超音波搬送周波数を有する振幅変調された超音波空気圧力変化が生成されるよう、変調動作を実行するように構成された変調手段であって、前記振幅変調された超音波空気圧力変化は、入力オーディオ信号に従って振幅変調され、前記入力オーディオ信号は、音信号の電気的表現である、変調手段と、
前記振幅変調された超音波空気圧力変化のスペクトル成分が前記超音波搬送周波数の整数倍の量だけシフトされるように、前記振幅変調された超音波空気圧力変化に対して、同期復調動作を実行するように構成された復調手段と、
を有し、
当該空気パルス発生装置は、前記同期復調動作を実施することにより、複数の空気パルスを生成し、
前記複数の空気パルスの可聴スペクトル成分は、前記音信号に対応する、空気パルス発生装置。
An air pulse generator, comprising:
modulating means configured to perform a modulating operation such that an amplitude modulated ultrasonic air pressure change having an ultrasonic carrier frequency is generated, the amplitude modulated ultrasonic air pressure change being connected to an input modulating means amplitude modulated according to an audio signal, said input audio signal being an electrical representation of a sound signal;
performing a synchronous demodulation operation on the amplitude modulated ultrasonic air pressure change such that a spectral component of the amplitude modulated ultrasonic air pressure change is shifted by an amount that is an integer multiple of the ultrasonic carrier frequency; demodulating means configured to;
has
The air pulse generator generates a plurality of air pulses by performing the synchronous demodulation operation,
An air pulse generator, wherein the audible spectral components of the plurality of air pulses correspond to the sound signal.
当該空気パルス発生装置は、フラップ対を有し、
前記復調手段は、前記フラップ対に一対の復調駆動信号を印加することを含み、
前記変調手段は、前記フラップ対に変調駆動信号を印加することを含む、請求項18に記載の空気パルス発生装置。
The air pulse generator has a pair of flaps,
The demodulation means includes applying a pair of demodulation drive signals to the pair of flaps,
19. The air pulse generator of claim 18, wherein the modulating means includes applying a modulating drive signal to the pair of flaps.
当該空気パルス発生装置は、第1のフラップ対および第2のフラップ対を有し、
前記復調手段は、前記第1のフラップ対に一対の復調駆動信号を印加することを含み、
前記変調手段は、前記第2のフラップ対に変調駆動信号を印加することを含む、請求項18に記載の空気パルス発生装置。
The air pulse generator has a first pair of flaps and a second pair of flaps;
The demodulation means includes applying a pair of demodulation drive signals to the first pair of flaps,
19. The air pulse generator of claim 18, wherein the modulating means includes applying a modulating drive signal to the second pair of flaps.
当該空気パルス発生装置は、フラップ対を有し、
前記復調手段は、前記フラップ対を駆動して、周期的に開口を形成することを含み、
前記開口の開放速度は、前記超音波搬送周波数である、請求項18に記載の空気パルス発生装置。
The air pulse generator has a pair of flaps,
The demodulating means includes driving the pair of flaps to periodically form an aperture,
19. The air pulse generator of claim 18, wherein the opening speed of the aperture is the ultrasonic carrier frequency.
当該空気パルス発生装置は、フラップ対を有し、
前記復調手段は、前記フラップ対に一対の復調駆動信号を印加することを含み、
前記一対の復調駆動信号は、周期的であり、前記超音波搬送周波数と同期した駆動周波数に対応する、請求項18に記載の空気パルス発生装置。
The air pulse generator has a pair of flaps,
The demodulation means includes applying a pair of demodulation drive signals to the pair of flaps,
19. The air pulse generator of claim 18, wherein the pair of demodulated drive signals are periodic and correspond to a drive frequency that is synchronized with the ultrasound carrier frequency.
前記一対の復調駆動信号の駆動周波数は、前記超音波搬送周波数の半分である、請求項22に記載の空気パルス発生装置。 23. The air pulse generator according to claim 22, wherein the drive frequency of the pair of demodulated drive signals is half the ultrasonic carrier frequency.
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US63/435,275 2022-12-25
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US63/436,103 2022-12-29
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US202363447835P 2023-02-23 2023-02-23
US63/447,758 2023-02-23
US63/447,835 2023-02-23
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US63/459,170 2023-04-13
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