KR102318047B1 - 사운드 생성 장치 - Google Patents

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KR102318047B1
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Abstract

사운드 생성 장치가 제공된다. 사운드 생성 장치는 입력 오디오 신호에 따라 구동 신호를 생성하도록 구성된 구동 회로; 및 사운드 생성 디바이스를 포함한다. 사운드 생성 디바이스가 에어 펄스 레이트로 복수의 에어 펄스를 생성할 수 있도록, 사운드 생성 디바이스는 구동 신호에 의해 구동되고, 에어 펄스 레이트는 인간의 최대 가청 주파수보다 높으며; 복수의 에어 펄스는 음압 레벨의 관점에서 0이 아닌 오프셋을 생성하고, 0이 아닌 오프셋은 0 음압 레벨로부터의 편차이며; 복수의 에어 펄스를 생성하기 위해 사운드 생성 디바이스를 구동하는 구동 신호는, 제1 전압에 대해 단극성이다.

Description

사운드 생성 장치{Sound Producing Apparatus}
본 출원은 2019년 10월 10일에 출원된 미국 가출원 제62/913,175호에 대해 우선권을 주장하는 바이며, 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 사운드 생성 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 음압 레벨을 향상시킬 수 있는 사운드 생성 장치에 관한 것이다.
스피커 산업에서, 스피커 드라이버가 항상 고충실도 사운드 재생의 가장 어려운 과제이다. 음파 전파의 물리학은, 인간의 가청 주파수 범위 내에서 기존의 스피커 드라이브의 멤브레인의 속도를 증가시켜 생성된 음압이
Figure 112020071324430-pat00001
로 표현될 수 있다고 가르친다. 여기서, SF는 멤브레인 표면적이고, AR은 멤브레인의 가속도이다. 즉, 음압(P)은 멤브레인 표면적(SF)과 멤브레인(AR)의 가속도의 곱에 비례한다. 또한, 멤브레인 변위(DP)는
Figure 112020071324430-pat00002
로 표현될 수 있다. 여기서, T와 f는 각각 음파의 주기와 주파수이다. 이어서, 종래의 스피커 드라이버에 의해 야기되는 공기량 이동(VA,CV)은 VA,CV
Figure 112020071324430-pat00003
SFㆍDP로 표현될 수 있다. 멤브레인 표면적이 일정한 특정 스피커 드라이버의 경우, 공기 이동(VA,CV)은 1/f2, 즉 VA,CV
Figure 112020071324430-pat00004
1/f2에 비례한다.
인간의 가청 주파수, 예를 들어 20Hz부터 20KHz까지의 전체 범위를 커버하려면, 기존 스피커 내에 트위터(tweeter), 미드레인지 드라이버(mid-range driver), 및 우퍼(woofer)가 통합되어야 한다. 이러한 모든 추가적인 구성 요소가 기존 스피커의 넓은 공간을 차지하고 또한 생산 비용을 높일 것이다. 따라서, 기존 스피커의 설계 문제 중 하나는 인간의 가청 주파수의 전체 범위를 커버하기 위해 단일 드라이버를 사용할 수 없다는 것이다.
기존 스피커로 고충실도 사운드를 생성하기 위한 다른 설계 문제는 인클로저이다. 스피커 인클로저는 생성된 사운드의 후면 방사파를 가두는 데 사용되어, 종종 사운드의 대응하는 파장이 스피커 크기보다 상당히 큰 소정의 주파수에서 전면 방사파의 상쇄를 방지한다. 스피커 인클로저는, 결과적인 포트 공진이 후면 방사파의 위상을 반전시키는 데 사용되고 포트-챔버 공명 주파수 주위의 전면 방사파로 동 위상 추가 효과를 달성하는 베이스-리플렉스(ported box) 타입 인클로저에서 저주파 응답을 개선하거나 또는 재구성하도록 돕는 데 사용될 수도 있다. 한편, 어쿠스틱 서스펜션(closed box) 타입 인클로저에서, 인클로저는 진동하는 멤브레인과 공명 회로를 형성하는 스프링의 역할을 한다. 스피커 드라이버와 인클로저 파라미터를 적절하게 선택하면, 결합된 인클로저 드라이버 공명 피킹을 이용하여 공명 주파수 주위의 사운드 출력을 향상시키므로 결과적으로 스피커의 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 종래의 스피커가 직면한 설계 과제를 극복하면서 소형 사운드 생성 장치/디바이스를 설계하는 방법이 이 분야에서 중요한 목표이다.
그러므로, 본 출원의 주 목적은 최대 가청 주파수보다 높은 펄스 레이트로 사운드를 생성할 수 있는 사운드 생성 장치와 사운드 생성 디바이스를 제공하는 것이다.
본 출원의 일 실시예는 사운드 생성 장치를 제공한다. 상기 사운드 생성 장치는 입력 오디오 신호에 따라 구동 신호를 생성하도록 구성된 구동 회로; 및 사운드 생성 디바이스를 포함한다. 여기서, 상기 사운드 생성 디바이스가 에어 펄스 레이트로 복수의 에어 펄스를 생성할 수 있도록, 상기 사운드 생성 디바이스는 상기 구동 신호에 의해 구동되고, 상기 에어 펄스 레이트는 인간의 최대 가청 주파수보다 높으며; 상기 복수의 에어 펄스는 음압 레벨의 관점에서 0이 아닌 오프셋을 생성하고, 상기 0이 아닌 오프셋은 0 음압 레벨로부터의 편차이며; 상기 복수의 에어 펄스를 생성하기 위해 상기 사운드 생성 디바이스를 구동하는 상기 구동 신호는, 제1 전압에 대해 단극성이다.
본 출원의 이러한 목적 및 다른 목적은 다양한 그림 및 도면에 도시된 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽은 후 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 장치의 개략도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예에 따른 복수의 신호의 개략도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예의 스펙트럼 분석을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시예에 따른 승압 펄스의 개략도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 전력 절감 모듈의 개략도이다.
도 8은 입력 오디오 신호 및 대응하는 엔벨로프의 실례를 제공한다.
도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 엔벨로프 검출 서브모듈의 개략도이다.
도 10은 복수의 승압된 펄스, 복수의 스윙 제거 펄스, 입력 오디오 신호와 대응하는 엔벨로프의 실례를 제공한다.
도 11은 본 출원의 일 실시예에 따른 복수의 스윙 제거 펄스를 도시한 도면이다.
도 12는 본 출원의 일 실시예에 따른 복수의 스윙 제거 펄스를 도시한 도면이다.
도 13은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 14는 본 출원의 일 실시예에 따른 출력단의 개략도이다.
도 15는 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 디바이스의 평면도이다.
도 16은 도 15의 사운드 생성 디바이스의 단면도이다.
도 17은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략도이다.
도 18은 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 디바이스의 평면도이다.
도 19는 도 15의 사운드 생성 디바이스의 단면도이다.
도 20은 본 출원의 일 실시예에 따른 복수의 에어 펄스를 도시한 도면이다.
도 21은 본 출원의 일 실시예에 따른 복수의 에어 펄스를 도시한 도면이다.
도 22는 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 장치의 실험 시나리오를 도시한 도면이다.
도 23은 본 출원의 일 실시예의 스펙트럼 분석을 개략적으로 나타낸 도면이다.
사운드 생성 산업에서 스피커 드라이버와 인클로저의 설계 문제를 극복하기 위해, 출원인은 미국 출원 번호 제16/125,176호의 미세전자기계시스템(Micro-electrical-mechanical-system, MEMS) 사운드 생성 디바이스를 제공하여, 사운드가 (인간의) 최대 가청 주파수보다 높은 에어 펄스 레이트/주파수로 생성되는 펄스 진폭 변조 기능을 갖는 초음파 펄스 어레이(Ultrasonic Pulse Array with Pulse Amplitude Modulation, PAM-UPA) 방식으로 사운드를 생성한다. 하지만, 미국 출원 번호 제16/125,176호의 사운드 생성 디바이스는 밸브를 필요로 한다. 이러한 빠른 펄스 레이트를 달성하기 위해, 이 밸브는 대략 2.6-3.9μS 내에서 개폐 작업을 수행할 수 있어야 한다. 빠르게 움직이는 밸브는 먼지, 땀, 손 유지(hand grease), 및 귀지를 감당해야 하며, 수조 번의 작동 주기에도 불구하고 살아남을 것으로 예상된다. 미국 출원 번호 제16/125,176호에서의 디바이스에 의해 요구되는 내구성을 경감하기 위해, 본 출원인은 PAM 신호에 따라 구동되는 미국 출원 번호 제16/420,141호에서의 종래의 트레블 스피커(treble speaker)를 구동하기 위해 PAM-UPA 구동 방식을 제공한다.
본 출원에서, 단극성 구동 신호(unipolar driving signal)에 의해 구동되는 사운드 생성 장치가 제공된다. 단극성 구동 신호에 의해 구동되는 사운드 생성 장치는 미국 출원 번호 제16/420,141호에서의 음압 레벨(sound pressure level, SPL) 및/또는 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)의 관점에서 성능이 개선될 것이다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 장치(10)의 개략도이다. 사운드 생성 장치(10)는 구동 회로(12)와 사운드 생성 디바이스(14)를 포함한다. 구동 회로(12)는 입력/소스 오디오 신호(AUD)에 따라 구동 신호(d)를 생성하도록 구성된다. 사운드 생성 디바이스(14)는 멤브레인(140)과 멤브레인(142) 상에 배치된 액추에이터(142)를 포함한다. 사운드 생성 디바이스(14)가 에어 펄스 레이트로 복수의 에어 펄스를 생성할 수 있도록, 액츄에이터(142)는 구동 신호(d)를 수신한다. 여기서, 에어 펄스 레이트는 인간의 최대 가청 주파수보다 높다.
일 실시예에서, 액추에이터(142)는 박막 액추에이터, 예를 들어 전극(1420, 1422) 및 재료(1421)(예를 들어, 압전 재료)를 포함하는 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)이거나 또는 나노 유효 범위의 정전형 드라이브(nanoscopic electrostatic drive, NED) 액추에이터일 수 있다. 전극(1420)은 상부 전압(top voltage, VTop)을 수신하고 전극(1422)은 하부 전압(bottom voltage, VBottom)을 수신한다. 구동 신호(d)는 전극(1420)과 전극(1422)에 인가되어 (압전) 재료가 변형되게 한다.
미국 출원 제16/125,176호 및 제16/420,141호와 유사하게, SPD(14)에 의해 생성된 복수의 에어 펄스는 음압 레벨(sound pressure level, SPL)의 관점에서 0이 아닌 오프셋을 가질 것이다. 여기서, 0이 아닌 오프셋은 0 SPL로부터의 편차이다. 또한, SPD(14)에 의해 생성된 복수의 에어 펄스는 복수의 펄스 사이클에 걸쳐 비주기적이다.
예를 들어, 도 20은 사운드 생성 디바이스(14)에 의해 생성된 복수의 에어 펄스를 SPL의 관점에서 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 21은 기단 속도(air mass velocity) 또는 멤브레인 변위, 멤브레인(140)의 변위의 관점에서 사운드 생성 디바이스(14)에 의해 생성된 복수의 에어 펄스를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 복수의 에어 펄스는 SPL의 관점에서 0이 아닌 오프셋을 생성한다. 여기서, 0이 아닌 오프셋은 0 음압 레벨로부터의 편차이다. 도 21에서 알 수 있는 바와 같이, 기단 속도(또는 멤브레인(140)의 변위)는 8개의 펄스 사이클에 걸쳐 비주기적이다. 주어진 음압 레벨(SPL)은 시간에 대한 멤브레인 운동의 2차 도함수이고, SPL의 관점에서의 에어 펄스도 이러한 8개의 펄스 사이클에 걸쳐 비주기적일 것이다. "0이 아닌 SPL 오프셋"과 "비주기성" 속성의 세부사항은 미국 출원 번호 제16/125,176호를 참조할 수 있고, 본 명세서에서는 간결하게 하기 위해 이에 대해 설명하지 않았다.
미국 출원 번호 제16/420,141호와 달리, (복수의 에어 펄스를 생성하기 위해) 액추에이터(142)에 인가된 구동 신호(d)는 기준 전압(VREF)에 대해 단극성이다. 기준 전압(VREF)은 특정 범위 내의 전압일 수 있다. 일 실시예에서, 기준 전압(VREF)은 멤브레인(140)의 중립 상태(예를 들어, 변형이 없는 상태)에 대응하는 전압이거나 또는 중립 상태에 대응하는 전압보다 약간 높거나 낮은 전압일 수 있다. 일 실시예에서, 기준 전압(VREF)은 또한 특정 멤브레인 변위에 대응할 수 있다. 일 실시예에서, 기준 전압(VREF)은 저전력 소비를 생성시키는 동작 전압 범위에 대응한다. 일 실시예에서, 기준 전압(VREF)은 접지 전압이거나 또는 정전압일 수 있다.
보다 상세하게, 기준 전압/ 레벨에 대한 단극성 신호의 경우, 단극성 신호는 항상 기준 전압/레벨보다 크거나 같거나, 또는 항상 기준 전압/레벨보다 작거나 같다. 즉, 단극성 신호는 기준 전압/레벨을 달성할 수 있지만, 단극성 신호는 절대 기준 전압/레벨을 교차시키지 않는다. 일부 맥락에서, 단극성 신호를 "단일 종단(single-ended)" 신호라고도 하며, 양극성 신호를 "이중 종단(double-ended)" 신호라고도 한다. 본 출원에서, 단일 종단 신호와 단극성 신호는 동일한 의미를 공유하고, 상호 교환 가능하게 사용된다.
도 2는 기준 전압(VREF)에 대한 양극성 신호(dbi)와 단극성 신호(duni)의 비교를 도시한 도면이다. 양극성 신호(dbi)는 복수의 펄스(MP)를 포함할 수 있고, 단극성 신호(duni) 는 복수의 펄스(BDP)를 포함할 수 있다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 바이폴라 신호(dbi) 내의 펄스(MP) 중 일부가 양의 극성을 가지며, 펄스(MP) 중 일부는 음의 극성을 갖는다. 펄스(BDP)에 대해 말하자면, 펄스(BDP)의 극성이 모두 음이다. 또한, 펄스(MP)와 펄스(BDP)는 각각 윤곽선(CTR)과 윤곽선(CTR')를 따른다. 여기서, 윤곽선(CTR')은 윤곽선(CTR)의 번형된 버전이다. 시뮬레이션과 실제 측정에 따르면, 단극성 구동 신호의 결과가 종래의 구동 방식보다 성능이 우수할 수 있다.
도 3의 측정 데이터는 굵은 실선으로 표시된 펄스 레이트(최대 가청 주파수보다 높은 레이트)에서의 단극성 구동 신호와, 얇은 파선으로 표시된 종래의 구동 방식에 대한 스펙트럼 분석을 도시한 도면이다. 여기서, 종래의 구동 방식은 사운드 주파수에서 MEMS SPD를 구동하는 것이거나, 또는 예를 들어, 입력 오디오 신호(AUD)를 단극성 구동 신호로서 샘플 크기로 증폭함으로써 MEMS SPD를 직접 구동하는 것일 수 있다. 도 3에서, (입력/소스 오디오 신호(AUD)를 시뮬레이션하기 위한) 테스트 신호는 로그 스케일로 균등하게 분배된 152Hz에서 2544Hz까지의 10개의 동일한 진폭 정현파를 포함한다. 마이크로폰 설정은 두 경우 모두(즉, 단극성 구동 신호의 경우 및 종래의 구동 방식의 경우)에 대해 동일하다. 실선 및 10개의 SPL 피크를 연결하는 수평 점선은 MEMS SPD(예를 들어, 14)를 구동하기 위해 단극성 구동 신호(예를 들어, d)를 이용하는 출력 SPL 결과를 나타낸다. 점선 및 SPL 피크를 연결하는 경사진 점선은 동일한 MEMS SPD를 구동하기 위해 종래의 방식(예를 들어, 입력 오디오 신호(AUD))을 이용하는 출력 SPL 결과를 나타낸다.
도 3으로부터, 더 낮은 주파수를 향해 거의 40dB/decade(2차) 감소한다는 종래의 방식의 SPL 결과가 놀랍지 않다. 반대로, 단극성 구동 신호의 SPL 결과는 저주파쪽으로 평평하게 유지된다. 볼 수 있듯이, SPL 성능이 특히 낮은 오디오 주파수 쪽으로 단극성 구동 신호를 이용함으로써 현저하게 개선된다. 또한, 단극성 구동 신호의 고조파 왜곡 또는 잡음 에너지는 특히 2KHz 이상의 주파수에서 종래의 방식보다 낮다. 따라서, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)도 단극성 구동 신호를 이용하여 개선된다.
또한, 도 22는 단극성 구동 신호(d)에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(10')의 SPL을 측정하는 실험 시나리오를 도시한 도면이다. 도 23은 도 22의 사운드 생성 장치의 스펙트럼 분석을 도시한 도면이다. 사운드 생성 장치(10')는 사운드 생성 장치(10)의 실험 테스트 회로 기판이다. 도킹 회로 기판(11), 커넥터(13), 및 칩 온 보드(COB)(여기서, 14로 표기됨)에 장착된 SPD(14)를 포함하는 사운드 생성 장치(10')는 백 인클로저가 없는 오픈 배플 타입 구성(open-baffle type configuration)이다. 오픈 배플 스피커의 배플에 대응하는 COB(14)의 표면은 3cm×1.5cm의 면적을 갖는다. 간략화를 위해, 도 22에는 구동 회로가 생략되어 있다. "마이크"로 표시된 마이크로폰은, 사운드 생성 장치(10')에 의해 생성된 사운드를 측정하기 위해 SPD(14)의 위에 축으로부터 약 45° 떨어져 있다. 도 23의 테스트 신호는 30Hz 내지 200Hz의 대역에 걸쳐 균일하게 분포된 5개의 동일 진폭 톤을 포함한다.
도 23에서 알 수 있는 바와 같이, (단극성 구동 신호(d)에 의해 구동되는) 사운드 생성 장치(10')의 SPL 스펙트럼은 평탄한 주파수 응답을 유지하면서 32Hz까지 확장될 수 있다. 종래의 오픈 배플 스피커는 충분한 크기의 배플을 필요로 한다. 여기서, 충분한 크기란 장치가 생성하고자 하는 오디오 주파수의 하한에 대응하는 파장(중대역 스피커의 경우 수십 센티미터일 수 있거나, 우퍼의 경우 심지어 수 미터일 수 있음)과 관련되어 있다는 것을 유의해야 한다. 종래의 오픈 배플 스피커와 비교하여, (단극성 구동 신호(d)에 의해 구동되는) 사운드 생성 장치(10') 내의 COB(14)의 표면적이 급격히 감소된다. 또한, 배플(11)의 크기는 의도한 낮은 오디오 주파수와 무관한 것으로 도시되어 있다.
단극성 구동 신호(d)를 생성하는 구동 회로(12)의 세부사항에 대해 제한하지 않는다. 예를 들어, 도 4는 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(42)의 개략도이다. 구동 회로(42)는 구동 회로(12)를 구현하는 데 사용될 수 있다. 구동 회로(42)는 변조 모듈(420)과 승압 모듈(422)을 포함한다. 변조 모듈(420)은 입력 오디오 신호(AUD)에 따라 변조된(예를 들어, 펄스 진폭 변조된) 신호(md)를 생성하도록 구성된다. 승압 모듈(422)의 출력에 따라 생성된 구동 신호(d)가 단극성일 수 있도록, 승압 모듈(422)은 변조 신호(md)를 승압하도록 구성된다.
변조 모듈(420)의 세부사항은 미국 출원 제16/420,141호를 참조할 수 있으며, 본 명세서에서는 간략화를 위해 언급하지 않는다. 변조된 신호(md)는 보통 양극성인 복수의 변조된 펄스를 포함한다. 승압 모듈(422)은 복수의 변조된 펄스에 따라 복수의 승압된 펄스(즉, 승압 모듈(422)의 출력)를 생성하도록 구성된다.
도 4에서, 구동 회로(42)는 변조된 신호(md)를 먼저 생성한 다음 변조된 신호(md)를 승압하지만, 이에 제한되지 않는다. 입력 오디오 신호(AUD'로 표시됨)의 승압된/오프셋된 버전이 단극성일 수 있도록, 본 출원의 구동 회로는 원래의 입력 오디오 신호(AUD)를 소정의 레벨로 승압하거나/오프셋할 수 있다. 그런 다음, 구동 회로는 입력 오디오 신호(AUD')의 승압된/오프셋된 버전에 대해 PAM을 수행하여 단극성 구동 신호(d)를 생성할 수 있다.
다시 도 2을 참조하면, 펄스(MP)는 양극성인 복수의 변조된 펄스의 실례로 볼 수 있고; 펄스(BDP)는 단극성인 복수의 승압된 펄스의 실례로서 볼 수 있다. 구동 회로(42)는 승압 모듈(422)에 의해 생성된 복수의 승압된 펄스(BDP)에 따라 구동 신호(d)를 생성할 수 있다.
승압된 펄스(BDP)를 생성하는 승압 모듈(422)의 세부사항에 대해 제한하지 않는다. 일 실시예에서, 승압 모듈(422)은 복수의 승압 펄스(BNP)를 생성하고, 복수의 승압 펄스(BNP)를 복수의 변조된 펄스(MP)에 직접 더하여 복수의 승압된 펄스(BDP)를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 승압 펄스(BNP)는 복수의 펄스 사이클에 걸쳐 일정한 펄스 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5는 본 출원의 일 실시예에 따른 승압 펄스(BNP)의 개략도이다. 승압 펄스(BNP)는 모두 음의 극성을 가지며, 복수의 펄스 사이클(Tcycle)에 걸쳐 일정한 펄스 높이(PH)를 갖는다. 전기 펄스의 펄스 높이(PH)는 펄스 사이클(Tcycle) 내의 전압 차이, 즉 펄스 사이클(Tcycle) 내의 최소값과 최대 값의 차이일 수 있다. 승압 모듈(422)은 (도 5에 도시된) 복수의 승압 펄스(BNP)를 (도 2의 상단 부분에 도시된) 복수의 변조 펄스(MP)에 직접 더하여 (도 2의 하단 부분에 도시된) 복수의 승압된 펄스(BDP)를 생성할 수 있다.
또한, 구동 회로(42)는 승압 모듈(422)에 연결된 출력단(424)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력단(424)는 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 출력단(424)은 복수의 승압된 펄스(BDP)에 따라 구동 신호(d)를 생성하도록 구성된다.
특히, 박막 액추에이터(142)는 30nF 내지 0.7μF 범위의 커패시턴스를 갖는 용량성 부하로 보여질 수 있다. 이러한 큰 로딩 커패시턴스를 갖는 승압된 전압 펄스(BDP)를 이용하여 사운드 생성 장치(14)를 구동하는 것은 높은 전력 소비를 초래할 것이다. 전력을 절약하기 위해, 구동 회로(12)는 펄스 전압 스윙을 줄일 수 있다.
도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(62)의 개략도이다. 구동 회로(62)는 구동 회로(12)를 구현하는 데 사용될 수 있다. 구동 회로(62)는 구동 회로(42)와 유사하므로, 동일한 구성 요소는 동일한 기호로 표시된다. 구동 회로(42)와 달리, 구동 회로(62)는 전력 절감 모듈(626)을 더 포함한다. 입력 오디오 신호(AUD)를 수신하는 전력 절감 모듈(626)은 승압 모듈(422)에 연결된다. 구동 회로(62)가 복수의 스윙 제거 펄스(swing-deducted pulse, SDP)에 따라, 예를 들어 출력단(424)을 통해 구동 신호(d)를 생성할 수 있도록, 전력 절감 모듈(626)은 복수의 승압된 펄스(BDP)에 의해 소비되는 전력 소비를 감소시키도록 구성된다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 전력 절감 모듈(626)의 개략도이다. 전력 절감 모듈(626)은 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)과 스윙 제거 서브모듈(6262)을 포함한다. 스윙 제거 서브모듈(6262)이 엔벨로프(envelope, ENV)에 따라 스윙 제거 펄스(SDP)를 생성할 수 있도록, 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)은 입력 오디오 신호(AUD)를 수신하고 또한 엔벨로프(ENV)(예를 들어, 입력 오디오 신호(AUD)의 일측 엔벨로프)를 추출하도록 구성된다.
예를 들어, 도 8은 입력 오디오 신호(AUD) 및 대응하는 엔벨로프(ENV)의 실례를 제공한다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)은 입력 오디오 신호(AUD)에 따라 엔벨로프(ENV)를 생성할 수 있다.
도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)의 개략도이다. 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)은 피크 검출기(6264)와 후처리 블록(6266)을 포함할 수 있다. 피크 검출기(6264)는 입력 오디오 신호(AUD)의 피크(APK)를 획득하도록 구성된다. 후처리 블록(6266)은 입력 오디오 신호(AUD)의 피크(APK)에 대해 저역 통과 필터링 동작을 수행할 수 있거나 및/또는 음향 효과 조작 분야에서 일반적으로 실시되는 어택-앤드-릴리스 제어 알고리즘(attack-and-release control algorithm)을 이용하여 엔벨로프(ENV)를 생성할 수 있다. 엔벨로프(ENV)가 획득된 후, 스윙 제거 서브모듈(6262)은 복수의 승압된 펄스(BDP) 및 엔벨로프(ENV)에 따라 복수의 스윙 제거 펄스(SDP)를 생성하도록 구성된다.
도 10은 복수의 승압된 펄스(BDP), 복수의 스윙 제거 펄스(SDP1), 입력 오디오 신호(AUD)와 그 대응하는 엔벨로프(ENV)의 실례(도 8의 작은 부분)를 제공한다. 도 10에서, 승압된 펄스 BDP의 아래쪽 부분이, 엔벨로프 ENV를 초과하여(그 아래에), 실선으로 도시된 스윙 제거 펄스(SDP1)와 중첩된다. 기준 전압(VREF)과 엔벨로프(ENV) 사이에서 스윙하는 승압된 펄스(BDP)의 위쪽 부분이 점선으로 도시되어 있다. 스윙 제거 펄스(SDP1)는 승압된 펄스(BDP)의 엔벨로프(ENV)와 피크(PK) 사이에서 스윙하는 펄스이다. 즉, 펄스의 전압 스윙(또는 구동 신호(d))이 제거될 수 있도록, 스윙 제거 펄스(SDP1)는 서로 다른 시간에 대응하는 엔벨로프 값으로부터 시작하고 승압된 펄스(BDP)의 피크(PK)를 향해 스윙한다.
다시 말해서, 스윙 제거 서브모듈(6262)은 엔벨로프(ENV)에 따라 승압된 펄스(BDP)의 스윙(SW)을 제거하여 스윙 제거 펄스(SDP1)를 생성한다. 승압된 펄스(BDP)의 전압 스윙(SW)은 기준 전압(VREF)과 승압 펄스(BDP)의 피크(PK)의 차이, 즉 SW = | PK-VREF |이다. 구체적으로, 스윙 제거 펄스(SDP11)가 시간 t1에 대응하는 엔벨로프(ENV)의 엔벨로프 값(ENV1)에서 시작하고 펄스 사이클(Tcycle) 이내에 승압된 펄스의 피크(PK1)에 도달하며 또한 ENV1 + PSW1 = PK1일 수 있도록, 스윙 제거 서브모듈(6262)은 스윙 제거 펄스(SDP11)를 생성할 수 있다. (펄스 사이클(Tcycle,1) 내의) 스윙 제거 펄스(SDP)의 전압 스윙은 펄스 스윙(PSW1)까지 차감될 수 있다. 여기서, PSW1 = | PK1-ENV1 |이고, 제1 엔벨로프 값(ENV1)과 피크(PK1)의 차이이다. 도 10에 도시된 바와 같이 PSW1 = | PK1 - ENV1 | < SW1 = | PK1 - VREF |이므로 펄스 스윙이 효과적으로 감소된다는 것을 유의하라.
도 10은 엔벨로프(ENV)에서 시작하여 승압된 펄스(BDP)의 피크(PK)를 향해 스윙하는 스윙 제거 펄스(SDP1)의 실시예를 도시하지만, 이에 제한되지 않는다. 도 11은 또한 스윙 제거 서브모듈(6262)에 의해 생성된 복수의 스윙 제거 펄스(SDP2)를 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 실시예에서, 스윙 제거 펄스(SDP21)가 기준 전압(VREF)에서 시작하고 펄스 스윙(PSW1=|PK1-ENV1|)을 유지할 수 있도록, 스윙 제거 서브모듈(6262)은 스윙 제거 펄스(SDP21)를 생성할 수 있다. 다시 말해서, 도 11에 도시된 스윙 제거 펄스(SDP2)는 기준 전압(VREF)에서/기준 전압(VREF)으로부터 시작하고 펄스 스윙(PSW)을 유지한다. 여기서, 펄스 사이클((Tcycle)에 대응하는 펄스 스윙(PSWi)은 PSWi = | PKi-ENVi |으로 표현될 수 있다. 다른 관점에서, (도 11의) 스윙 제거 펄스(SDP2)는 펄스 사이클(Tcycle)에 대응하는 각각에 대한 펄스 스윙(PS10 = | PKi-ENVi |)을 유지하면서 도 10의 스윙 제거 펄스(SDP1)를 시프트/변환함으로써 생성되어 기준 전압(VREF)에 정렬될 수 있다.
또한, 도 10과 도 11은 또한 전압 레벨(605)와 전압 레벨(606)을 도시한 도면이다. 전압 레벨(606)은 최대 멤브레인 변위(UZ_max)에 대응할 수 있고, 전압 레벨(605)은 최대 멤브레인 변위(UZ_max)의 절반, 즉 UZ_mid = (UZ_max/2)일 수 있는 중간 멤브레인 변위(UZ_mid)에 대응할 수 있다. 일 실시예에서, 기준 전압(VREF)은 (액추에이터(1421)의) 전극(1420, 1422)의 양단에 인가되는 0V에 일반적으로 대응하는 (멤브레인(140)의) 0 멤브레인 변위(UZ_0) 전압 레벨에 대응할 수 있다. 액추에이터(1421)가 넓은 범위에 걸쳐 변화하는 유전율을 갖는 박막 재료를 포함하는 다른 실시예에서, VREF가 액추에이터(1421)의 전극(1420, 1422) 양단에 인가될 때, SPD(14)의 용량성 로딩이 최저값이나 그 부근에 있을 수 있도록, 기준 전압(VREF)은 바이어스 전압에 대응할 수 있거나, 또는 대안적으로, SPD(14)의 전력 소비가 감소될 수 있도록, VREF가 최소 유전율 바이어스 전압으로부터 약간 오프셋될 수 있다.
압전 작동 멤브레인(piezoelectric actuated membrane)의 경우, 멤브레인 변위(Uz)는 압전 액츄에이터에 인가된 전압 차이(△V)에 비례한다(즉, △Uz
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△V이다). 멤브레인과 액추에이터의 선형 영역 내에서 작동할 때, 액추에이터에 인가되는 전압 차이가 증가함에 따라 멤브레인 변위에 의해 발생되는 응력이 증가할 수 있다. 도 10과 도 11을 비교함으로써, VREF가 멤브레인(140)의 0 변위(UZ_0) 전압 레벨 또는 그 근처에 있을 때, 도 11의 스윙 제거 펄스와 회전된 SDP2은 도 10의 스윙 제거 펄스(SDP1)보다 멤브레인에 대한 응력을 적게 야기하는 멤브레인의 변위(
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UZ)를 감소시킬 것이다. 따라서, 도 11의 스윙 제거 펄스(SDP2)에 따른 사운드 생성 장치(14)를 구동하는 것은, 도 11은 감소된 멤브레인 응력으로 인한 △UZ의 선형성을 향상시키므로 생성되는 사운드의 충실도를 향상시킨다. 다른 관점에서, 감소된 멤브레인 변위(△UZ)은 또한 압전 재료(1421)에 인가되는 전기장(E-field)이 또한 감소된다는 것을 의미한다. 압전 재료의 서비스 수명은 이 재료가 동작하는 전기장 강도와 상관 관계가 있으므로, SPD2의 감소된 전기장은 사운드 생성 장치(14)의 서비스 수명을 연장시키는 데 도움이 될 것이다.
예를 들어 승압된 펄스(BDP), 스윙 제거 펄스(SDP, 또는 SPD1, 또는 SPD2)에 따라 생성된 단극성 구동 신호(d)를 사용하여 사운드 생성 디바이스(14)를 구동하는 것을 SEAM(Single Ended Amplitude Modulation) 방식이라 한다. 직사각형 펄스는 본 명세서의 설명에서 주로 설명의 명확성을 위해 사용되었다는 것을 유의하라. 다른 펄스 형태가 본 발명의 각각의 개별 실시예의 특정 목적을 달성하기 위해 채택될 수 있고 채택되어야 한다.
다른 관점에서, 도 12는 기준 전압(VREF)에서 시작하는 스윙 제거 펄스(SDP2)의 다른 실례를 제공하며, 다른 실례는 매크로 범위에서 상대적이다. 전압 레벨(605, 606)이 또한 도시되어 있다. 스윙 제거 펄스(SDP2)는 (대략) 전압 레벨(605)을 달성하지만 전압 레벨(606)을 거의 달성하지 않으므로, 백엔드 전력 증폭기를 위한 전력 공급이 줄어들 수 있다. 트래킹 전원을 채택함으로써 클래스-AB에서 클래스-H로의 변환과 유사하게, 일 실시예에서, 전력 증폭기의 전원 출력 전압은 기준 전압(VREF)에서 시작하는 스윙 제거 펄스(SDP2)의 엔벨로프(ENV2)에 따라 감소되거나 또는 스윙 제거 펄스(SDP2)의 엔벨로프(ENV2)를 추적할 수 있다.
도 13은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(72)의 개략도이다. 구동 회로(72)는 구동 회로(62)와 유사하므로, 동일한 구성 요소는 동일한 기호로 표시된다. 구동 회로(62)와 달리, 구동 회로(72)는 엔벨로프 검출 서브모듈(740)을 더 포함한다. 엔벨로프 검출 서브모듈(740)은 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)과 유사하며, 엔벨로프 검출 서브모듈(6260)은 또한 피크 검출, 저역 필터링 및/또는 어택-앤드-릴리스 제어 알고리즘을 수행하여, 도 13에 도시된 바와 같이, 스윙 제거 펄스(SDP2)에 따라, 또는 입력 오디오 신호(AUD)에 따라 직접 엔벨로프(ENV2)를 획득할 수 있다. 엔벨로프(ENV2)는 전력 회로(예를 들어, DC-DC 변환기)(742)에 공급될 수 있고, 전력 회로(742)는 출력단(424) 내에서 시변 전력 공급 출력 전압(Vsupply)을 전력 증폭기(4240)에 제공한다. 전력 증폭기(4240)에 제공된 전력 공급(Vsupply)은 엔벨로프(ENV2)의 프로파일을 따를 수 있다. 따라서, 전력 증폭기(4240)(또는 구동 회로(742))의 전력 효율이 향상된다. 또한, 엔벨로프 검출 서브모듈(740)과 전력 회로(742)는 엔벨로프 트래킹 전력 공급 모듈(74)을 형성할 수 있다.
출력단(424)의 세부사항에 대해 제한하지 않는다. 도 14는 본 출원의 일 실시예에 따른 출력단(424')의 개략도이다. 출력단(424')은 출력단(424)을 구현하는 데 사용될 수 있다. 출력단(424')은 (선형) 보상 모듈(4242)과 전력 증폭기(4240)를 포함한다. 보상 모듈(4242)은 승압 모듈(422)과 전력 증폭기(4240) 사이에 연결되거나, 또는 전력 절감 모듈(626)과 전력 증폭기(4240) 사이에 연결될 수 있다. 보상 모듈(4242)은 승압된 펄스(BDP) 또는 스윙 제거 펄스(SDP)를 수신한다. 전력 증폭기(4240)가 보상된 신호(CS)에 따라 구동 신호(d)를 생성할 수 있도록, 보상 모듈(4242)은 전력 증폭기를 위한 보상된 신호(CS)를 생성하여 보상 모듈(4242)의 입력, 예를 들어 BDP 또는 SDP 사이의 선형성(또는 비례)을 유지하도록 구성된다. 보상 모듈(4242)의 세부 사항은 출원인에 의해 출원된 미국 출원 번호 제16/695,199호를 참조할 수 있으며, 여기서는 간략화를 위해 언급하지 않았다.
대안적으로, 일 실시예에서, 구동 회로는 일측 피크 검출을 통해 오프셋 값을 결정하고, 오프셋 값에 따라 펄스를 생성할 수 있다. 구체적으로, 구동 회로는 펄스(BDP/SDP)에 대한 일측 피크 검출을 수행하여 검출된 피크 값(D_peak)를 획득할 수 있다. 구동 회로는 검출된 피크 값(D_peak)에 따라 오프셋 값을 획득할 수 있다. 예를 들어, 구동 회로는 초기 최대 값(int_max_value)과 검출된 피크 값(D_peak)의 차이에 인수 α를 곱하여 오프셋 값을 계산할 수 있다. 여기서, α는 예를 들어 80%와 90% 사이의 값일 수 있다. 구동 회로는 오프셋 값이 일부 클리핑 효과를 야기할 때 오프셋 값에 대해 저역 통과 필터링 과정을 더 수행할 수 있다. 최종적으로, 구동 회로는 입력 오디오 신호에 (필터링된) 오프셋 값을 더한 진폭을 갖는 임의의 형상의 펄스를 생성할 수 있다. 사운드 생성 디바이스(14)의 세부 사항에 대해 제한하지 않는다. 도 15는 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 디바이스(24)의 평면도이다. 도 16은 사운드 생성 디바이스(24)의 단면도이다. 사운드 생성 디바이스(24)는 사운드 생성 디바이스(14)를 구현하는 데 사용될 수 있다. 사운드 생성 디바이스(24)는 P×Q 어레이로 배열된 멤브레인/셀(241)을 포함한다. 도 14에 도시된 실시예에서, P = Q = 4이지만, 이에 제한되지 않는다. 멤브레인(241)은 격벽(243) 또는 가장자리(242)에 의해 둘러싸일 수 있다. 액추에이터(244)가 멤브레인(241) 상에 부착/배치된다. 액츄에이터(244) 내에서, 상부 전극(246)과 하부 전극(245) 사이에는 액추에이팅 재료 또는 박막 층(247)이 삽입된다. 구동 신호(d)는 전극(245, 246)의 양단에 인가된다. 멤브레인의 변위량은 전극(245, 246)에 인가된 전압에 의해 제어된다.
일 실시예에서, 멤브레인(241)은 모두 동일한 구동 신호(d)에 의해 구동될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 미국 출원 번호 제16/420,184호에 개시된 "펄스-인터리빙(pulse-interleaving)" 방식이 적용될 수 있다. 예를 들어, 셀/멤브레인(241)은 N개의 그룹으로 그룹화될 수 있다. N개의 셀 그룹은 바람직하게는 물리적으로 서로 떨어져 있다. 각각의 셀 그룹은 단극성 구동 신호(dn)에 의해 구동되어 펄스 어레이(PAn)를 생성한다. 즉, N개의 셀 그룹은 펄스 어레이(PA1, … , PAN)를 생성한다. 펄스 어레이(PA1,…, PAN)은 서로 및/또는 시간적으로 인터리빙될 수 있다.
"펄스-인터리빙" 방식을 구현하기 위해, 도 17은 본 출원의 일 실시예에 따른 구동 회로(22)의 개략도이다. 구동 회로(22)는 본 발명에 따라 단극성 SEAM 구동 신호(d1, … , dN)를 생성하도록 구성된다. 단극성 SEAM 구동 신호(d1, … , dN)는 사운드 생성 디바이스(24) 내에서 N개의 셀/멤브레인(241) 그룹을 구동하도록 구성된다. 구동 회로(22)는 복수의 구동 서브회로(22_1-22_N)와 인터리브 제어 회로(220)를 포함할 수 있다. 구동 신호(d1, … , dN) 각각이 SEAM 구동 신호일 수 있도록, 각각의 구동 서브회로(22_n)는 구동 회로(42, 62, 72) 중 하나에 의해 구현될 수 있다. SEAM 구동 신호(d1, … , dN)에 따라 구동되는 펄스 어레이(PA1, … , PAN)가 시간적으로 인터리빙될 수 있도록, 인터리브 제어 회로(220)는 구동 서브회로(22_1-22_N)를 제어한다. 펄스 어레이(PA1, … , PAN)가 인터리빙되는 방법에 대한 세부사항은 출원인에 의해 출원된 미국 출원 번호 제16/420,184호를 참조할 수 있으며, 여기서는 간략화를 위해 설명하지 않는다.
다른 실시예에서, 도 18과 도 19는 본 출원의 일 실시예에 따른 사운드 생성 디바이스(34)의 평면도와 단면도이다. 사운드 생성 디바이스(34)는 기판(340)과 셀의 어레이(344)를 포함한다. 기판(340)은 도 18에 도시된 X축과 Y축이 뻗는 평면인 XY 평면에 배치된다. 셀(344)의 어레이는 어레이로 배열된 복수의 셀(344)을 포함한다. 도 18에 도시된 실시예에서, 어레이는 2×2 어레이이지만, 이에 한정되지 않는다. 각각의 셀(344)은 복수의 핀형 멤브레인 쌍(341)을 포함한다. 멤브레인 쌍(341)은 기판(340) 위에 수직으로 배치된다. 다시 말해서, 멤브레인 쌍(341)은 XY 평면에 수직이고 XZ 평면에 평행하다.
도 19는 멤브레인 쌍(341)(예를 들어, 341a, 314b 등)이 베이스(353) 상에 배치된 핀형 멤브레인(351, 352)을 포함하는 것으로 도시된 도 18을 A-A'선을 따라 자른 단면도이다. 베이스(353)는 기판(340)의 일부로 간주될 수 있다. 멤브레인(351, 352)은 XY 평면에 수직이고 도 18 및 도 19의 XZ 평면에 평행하다. 멤브레인(351, 352)은 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 멤브레인(351, 352)에 인가되는 구동 신호는 본 발명의 회로(42, 62, 72)에 의해 생성된 SEAM 구동 신호(d)일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 구동 전압이 멤브레인 쌍(341)에 인가될 때, 제1 멤브레인(351)과 제2 멤브레인(352) 사이의 공기가 바깥쪽으로 압착되고, 에어 펄스가 기판(340)(또는 베이스(353))으로부터 멀어지는 (전방) 방향(D1) 쪽으로 생성될 수 있도록, 제1 멤브레인(351)과 제2 멤브레인(352)은 도 19의 좌측 부분과 같이 서로를 향해 변형될 것이다.
일 실시예에서, 멤브레인(351, 352)은 폴리실리콘 멤브레인일 수 있고, 구동 신호를 통해 정전기력에 의해 작동될 수 있다. 멤브레인(351, 352)이 폴리실리콘 멤브레인이면, 갭(357)이 형성되어 멤브레인(351, 352)을 서로로부터 그리고 기판(353(340))으로부터 격리시킬 수 있다. 일 실시예에서, 멤브레인(351, 352)은 NED 액추에이터 또는 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)에 의해 작동될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 멤브레인(예를 들어, 멤브레인(351))은 (예를 들어, NED 액추에이터에 의해) 작동될 수 있고, 다른 멤브레인(예를 들어, 멤브레인(352))은 비이동 플레이트일 수 있다. 유사하게, 제1 멤브레인(351)과 제2 멤브레인(352) 사이의 공기가 외측으로 압착되고, 에어 펄스가 본 출원의 범위 내에 있는 방향(D1) 쪽으로 생성된다.
멤브레인(351/352)이 NED 구조물로 이루어지면 갭(357)이 필요하지 않을 수 있다는 것을 유의하라.
일 실시예에서, 멤브레인 변형은 멤브레인과 함께(예를 들어, 도 18과 도 19에 도시된 X축을 따라) 이루어질 수 있다. 에어 펄스는 X축에 평행한 방향 쪽으로 생성될 수 있으며, 이것도 역시 본 출원의 범위 내에 있다.
특히, 멤브레인(351, 352)이 서로를 향해 변형되어 (전방) 방향(D1) 쪽으로기압 펄스를 생성하는 경우, 이웃하는 2개의 멤브레인 쌍(341a, 341b) 사이의 인터-멤브레인-쌍 간격(356)이 줄어들고, 따라서 안티-공기-압력-펄스(anti-air-pressure-pulse)가 생성된다. 안티-공기-압력-펄스는 인트라-멤브레인-쌍 간격(355)에 있는 공기를 압착함으로써 생성되는 공기 압력 펄스와 반대 방향, 예를 들어 방향 D1으로의 음파 및 이와 관련된 공기 이동을 지칭한다. 안티-공기-압력-펄스의 크기를 감소시키기 위해, 기판(340) 내에서, 이웃하는 멤브레인 쌍(341a, 341b) 사이에는 개구(354)가 형성될 수 있다. 멤브레인 쌍(341a, 341b)(쌍(341a)의 멤브레인(352)과 쌍(341b)의 멤브레인(351)을 포함)이 활성화될 때, 멤브레인 쌍 사이의 공간에는 한 쌍의 공기 이동이 생성된다. 하나의 공기 이동이 인터-멤브레인-쌍 간격(356)을 통해 전면으로부터 아래로 이동하고, 나머지 공기 이동이 개구부(354)를 통해 후면으로부터 위로 이동한다. 따라서, 인터-멤브레인-쌍 간 격(356) 및 개구부(354)는 안티-펄스의 크기를 감소시킬 것이며, 이는 사운드 생성 디바이스(34)가 방향 D1로 강한 순 에어 펄스를 생성할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 멤브레인 페어(341a, 341b) 사이의 인터-멤브레인-쌍 간격(356)은 멤브레인(351, 352) 간의 인터-멤브레인 간격(355)보다 적어도 8배(예를 들어, 12배) 넓을 수 있다.
특히, 멤브레인 가속에 의해 기압 펄스가 발생되는 음향 생성 디바이스(24)와 비교하여, 사운드 생성 디바이스(34)는 챔버 압축에 의해 공기 압력 펄스를 생성하고, 이렇게 하면 압착 필름 압축 효과를 이용하여 훨씬 더 강한 압력 펄스를 생성할 수 있다. 1 ATM (표준 대기)은 101,325 Pa(파스칼, 압력의 단위)에 상응하고, 1 Pa = 94dB SPL이며, 이는 2% ATM이 160dB의 SPL을 유발한다는 것을 의미한다. 2% ATM은 멤브레인(351, 352)이 서로를 향해 서로 이동함으로써 생성될 수 있다(각각의 멤브레인이 인터-멤브레인 간격(355)의 폭의 0.01배 이동한다). 예를 들어, 인터-멤브레인 간격(355)이 0.75μm(마이크로미터)이면, 7.5 nm(나노미터)를 이동하는 각각의 멤브레인(351, 352)은 2% ATM을 생성할 수 있다. 따라서, 스퀴즈 필름 압축 효과를 이용하고 또한 에어 펄스를 생성하여 SPL을 향상시킬 수 있는 잠재력이 효과적이다.
또한, SPL이 멤브레인 면적에 비례하는 음향 생성 디바이스(24)와 비교하여, 음향 생성 디바이스(34)는 도 19에 도시된 바와 같이, 멤브레인 페어와 멤브레인을 수직으로 배치함으로써 더 많은 면적 효율을 얻을 수 있고, 이는 사운드 생성 디바이스(34)가 더 적은 면적을 차지하여 더 많은 SPL을 생성할 수 있다는 것을 의미한다. 면적 효율은 사운드 생성 디바이스(34)에 의해 요구되는 크기를 현저하게 줄임으로써 현대의 소형 핸드헬드 기기와 웨어러블 전자 장치에 배치되기에 적합할 것이다.
또한, 멤브레인 쌍과 멤브레인은 기판 상에 수직으로 배치되는 것으로 제한되지 않는다는 것을 유의하라. 멤브레인 쌍과 및 멤브레인은 또한 비스듬하게 배치될 수 있으며, 이는 멤브레인 쌍과 멤브레인이 중성 상태에서 기판에 평행하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 멤브레인 쌍의 단 하나의 멤브레인이 이동하고 다른 막은 움직이지 않으며, 갭은 구현될 때 움직이지 않는 멤브레인 갭 없이 플레이트(340)에 연결되는 동안 이동하는 멤브레인에만 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 19에 도시된 바와 같이, 높이 방향을 따라 변형하는 대신에, 멤브레인 쌍의 변형은 멤브레인 쌍의 길이 방향을 따라 이루어질 수 있다.
요약하면, 본 출원의 사운드 생성 장치는 단극성 구동 신호를 이용하여 사운드 생성 디바이스를 구동함으로써, 더 우수한 SPL 성능을 얻는다. 또한, 본 출원은 압축 효과를 이용하여 에어 펄스를 생성하는 핀형 멤브레인을 갖는 사운드 생성 장치를 제공한다.
당업자는 본 발명의 교시를 유지하면서 이러한 장치 및 방법에 대해 수많은 수정과 변경이 이루어질 수 있다는 것을 즉시 알 수 있을 것이다. 따라서, 위의 개시 내용은 첨부된 청구항의 범위와 경계에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

  1. 사운드 생성 장치(10)로서,
    입력 오디오 신호에 따라 구동 신호를 생성하도록 구성된 구동 회로(12); 및
    사운드 생성 디바이스(14)
    를 포함하고;
    상기 사운드 생성 디바이스가 에어 펄스 레이트로 복수의 에어 펄스를 생성할 수 있도록, 상기 사운드 생성 디바이스는 상기 구동 신호에 의해 구동되고, 상기 에어 펄스 레이트는 인간의 최대 가청 주파수보다 높으며,
    상기 복수의 에어 펄스는 음압 레벨의 관점에서 0이 아닌 오프셋을 생성하고, 상기 0이 아닌 오프셋은 0 음압 레벨로부터의 편차이며,
    상기 사운드 생성 디바이스를 구동하여 상기 복수의 에어 펄스를 생성하는 상기 구동 신호는 펄스 진폭 변조되며, 또한 제1 전압에 대해 단극성인, 사운드 생성 장치(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 에어 펄스는 복수의 펄스 사이클에 걸쳐 비주기적인, 사운드 생성 장치(10).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로는 상기 입력 오디오 신호에 따라 복수의 승압된 펄스(boosted pulse)를 생성하고, 상기 구동 신호가 상기 제1 전압에 대해 단극성일 수 있도록, 상기 구동 회로는 상기 복수의 승압된 펄스에 따라 상기 구동 신호를 생성하는, 사운드 생성 장치(10).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로는 상기 입력 오디오 신호에 따라 복수의 스윙 제거 펄스(swing-deducted pulse)를 생성하고, 상기 구동 신호가 상기 제1 전압에 대해 단극성일 수 있도록, 상기 구동 회로는 상기 복수의 스윙 제거 펄스에 따라 상기 구동 신호를 생성하는, 사운드 생성 장치(10).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 회로는 제1 스윙 제거 펄스를 생성하고, 상기 제1 스윙 제거 펄스는 제1 시간에 대응하는 상기 입력 오디오 신호의 엔벨로프의 제1 엔벨로프 값에서 시작하고 제1 펄스 사이클 이내에 승압된 제1 펄스의 피크에 도달하며, 상기 제1 스윙 제거 펄스의 제1 펄스 스윙이 상기 제1 엔벨로프 값과 상기 승압된 제1 펄스의 피크 사이의 차이 값인, 사운드 생성 장치(10).
  6. 제4항에 있어서,
    상기 구동 회로는 제1 스윙 제거 펄스를 생성하고, 상기 제1 스윙 제거 펄스는 상기 제1 전압에서 시작하며, 상기 제1 스윙 제거 펄스의 제1 펄스 스윙은 제1 시간에 대응하는 상기 입력 오디오 신호의 엔벨로프의 제1 엔벨로프 값과 승압된 제1 펄스의 피크 사이의 차이 값인, 사운드 생성 장치(10).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로(12)는,
    상기 입력 오디오 신호에 따라, 변조된 신호를 생성하도록 구성된 변조 모듈(420) - 상기 변조된 신호는 복수의 변조된 펄스를 포함하고 있음 -; 및
    상기 복수의 변조된 펄스에 따라 복수의 승압된 펄스를 생성하도록 구성된 승압 모듈(422)
    을 포함하고,
    상기 구동 신호(d)가 기준 전압에 대해 단극성일 수 있도록, 상기 구동 회로(12)는 상기 복수의 승압된 펄스에 따라 상기 구동 신호(d)를 생성하는, 사운드 생성 장치(10).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 승압 모듈(422)은 복수의 승압 펄스를 생성하고, 상기 복수의 승압 펄스를 상기 복수의 변조된 펄스에 더하여 상기 복수의 승압된 펄스를 생성하는, 사운드 생성 장치(10).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 승압 펄스는 복수의 펄스 사이클에 걸쳐 일정한 펄스 높이를 가진, 사운드 생성 장치(10).
  10. 제7항에 있어서,
    상기 구동 회로는,
    상기 승압 모듈(422)에 연결되고, 상기 복수의 승압된 펄스에 따라 복수의 스윙 제거 펄스를 생성하도록 구성된 전력 절감 모듈(power reduction module, 626)
    을 포함하고,
    상기 구동 회로는 상기 복수의 스윙 제거 펄스에 따라 상기 구동 신호(d)를 생성하는, 사운드 생성 장치(10).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력 절감 모듈은,
    상기 입력 오디오 신호를 수신하고, 상기 입력 오디오 신호의 엔벨로프를 생성하도록 구성된 엔벨로프 검출 서브모듈; 및
    상기 승압 모듈(422)과 상기 엔벨로프 검출 서브모듈에 연결되어 상기 복수의 승압된 펄스와 상기 입력 오디오 신호의 엔벨로프를 수신하고, 상기 복수의 승압된 펄스와 상기 엔벨로프에 따라 복수의 스윙 제거 펄스를 생성하도록 구성된 스윙 제거 서브모듈
    을 포함하는, 사운드 생성 장치(10).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 엔벨로프 검출 서브모듈은 승압된 제1 펄스와 상기 엔벨로프에 따라 제1 스윙 제거 펄스를 생성하고, 상기 제1 스윙 제거 펄스와 상기 승압된 제1 펄스는 제1 시간에 대응하는, 사운드 생성 장치(10).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 스윙 제거 펄스가 상기 제1 시간에 대응하는 상기 엔벨로프의 제1 엔벨로프 값에서 시작하고 제1 펄스 사이클 이내에 상기 승압된 제1 펄스의 피크에 도달할 수 있도록, 상기 스윙 제거 서브모듈은 상기 제1 스윙 제거 펄스를 생성하고, 상기 제1 스윙 제거 펄스의 제1 펄스 스윙은 상기 제1 엔벨로프 값과 상기 승압된 제1 펄스의 피크 사이의 차이 값인, 사운드 생성 장치(10).
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 스윙 제거 펄스가 상기 제1 전압에서 시작할 수 있도록, 상기 스윙 제거 서브모듈은 상기 제1 스윙 제거 펄스를 생성하고, 상기 제1 스윙 제거 펄스의 제1 펄스 스윙은 상기 제1 시간에 대응하는 상기 엔벨로프의 제1 엔벨로프 값과 상기 승압된 제1 펄스의 피크 사이의 차이 값인, 사운드 생성 장치(10).
  15. 제1항에 있어서,
    상기 구동 회로는,
    상기 구동 신호를 생성하도록 구성된 전력 증폭기
    를 포함하는, 사운드 생성 장치(10).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구동 회로는,
    상기 전력 증폭기에 연결되고, 상기 전력 증폭기가 보상된 신호에 따라 상기 구동 신호를 생성할 수 있게끔 상기 전력 증폭기를 위한 상기 보상된 신호를 생성하도록 구성된 보상 모듈
    을 더 포함하는, 사운드 생성 장치(10).
  17. 제15항에 있어서,
    상기 구동 회로는,
    상기 전력 증폭기를 위한 전력 공급(Vsupply)을 제공하도록 구성된 전력 공급 조정 모듈(power supply adapting module, 74)
    을 더 포함하고,
    상기 전력 증폭기를 위한 상기 전력 공급(Vsupply)은 시간에 따라 변하는, 사운드 생성 장치(10).
  18. 제17항에 있어서,
    상기 구동 회로는 복수의 스윙 제거 펄스를 생성하고, 상기 전력 공급 조정 모듈은 상기 복수의 스윙 제거 펄스의 엔벨로프에 따라 상기 전력 공급을 생성하는, 사운드 생성 장치(10).
  19. 제17항에 있어서,
    상기 구동 회로는,
    상기 복수의 스윙 제거 펄스의 엔벨로프를 획득하도록 구성된 엔벨로프 검출 서브모듈; 및
    상기 복수의 스윙 제거 펄스의 엔벨로프에 따라 상기 전력 증폭기를 위한 상기 전력 공급을 생성하도록 구성된 전력 회로
    를 포함하는, 사운드 생성 장치(10).
  20. 제1항에 있어서,
    상기 사운드 생성 디바이스는 복수의 멤브레인을 포함하고, 상기 복수의 멤브레인은 복수의 그룹으로 그룹화되며, 상기 구동 회로는 복수의 구동 신호를 생성하고, 상기 복수의 구동 신호는 단극성이고 상기 복수의 그룹을 구동하도록 구성되며, 상기 복수의 그룹은 복수의 펄스 어레이를 생성하고, 상기 복수의 펄스 어레이는 서로 인터리빙되어 있는, 사운드 생성 장치(10).
  21. 제1항에 있어서,
    상기 사운드 생성 디바이스는 멤브레인과 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터는 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)인, 사운드 생성 장치(10).
  22. 제1항에 있어서,
    상기 사운드 생성 디바이스는 멤브레인과 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터는 나노 유효 범위의 정전형 드라이브(nanoscopic electrostatic drive, NED) 액추에이터인, 사운드 생성 장치(10).
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