KR20020079767A - 압전 박막 음파 방사 장치 - Google Patents

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KR20020079767A
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KR1020027008678A
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조셉 오. 노리스
제임스 제이. 3세 크로프트
마가렛 존슨 셀프리지
삐에르 쿠리-야큐브
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어메리컨 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치는 속이 빈 드럼, 이 드럼(100)에 부착되는 견고한 에미터 판(108), 에미터 판(108) 사이에 배치되는 압전 박막에 의해 덮히는 다수의 애퍼처(112)로 구성된다. 압전 박막(104)에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막(104)을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처(112)에서 박막(104)에 대해 바이어스 압력을 전개하고자 압력 소스가 드럼(100)에 연결된다. 얻고자 하는 아음파, 음파, 초음파 주파수 범위에 대응하는 차이 성분을 가지는 여러 초음파 주파수를 전파시키기 위해 압전 박막(104)에 패러메트릭 초음파 주파수가 공급된다.

Description

압전 박막 음파 방사 장치{PIEZOELECTRIC FILM SONIC EMITTER}
소리를 그 원형대로 재생하기 위해 수많은 시도가 있어왔다. US 08/684,311 호의 관련 특허 출원에서는 방사 요소를 갖춘 기존 스피커를 이용한 스피커 기술에서 기존 기술의 상세한 배경이 소개되었고, 여기서 참고로 인용된다. 이러한 기존 스피커의 단점은 움직이는 격막(diaphragm)이나 다른 방사 성분의 질량으로부터 발생하는 왜곡에 있다. 관련된 문제점은 저주파, 중간주파, 고주파의 스펙트럼 사이에서 방사기 요소의 미스매치에 의해 생기는 왜곡으로부터 발생한다. 이 문제는 우퍼, 중간범위, 그리고 고음용 스피커 조합을 이용하여 부분적으로는 해결된다.
초음파 트랜스듀서로 가청음을 재생하고자 하는 시도는 패러매트릭 스피커, 음향 헤테로다인 처리, 진동 주파수 간섭, 그리고 새 주파수를 발생시키기 위한 다른 형태의 다중 주파수 변조에 구현된 기술들을 포함한다. 이론적으로는 가청 범위내의 차이를 가지는 두 초음파 주파수의 대기(비선형 매질) 중 상호작용에 의해 소리가 발전한다. 이상적으로는, 최종 압축파가 비선형 매질로 대기 내에서 투사될 것이고, 순수한 소리로 들릴 수 있다. 이 방법을 이용함에도 불구하고, 실제에서 소리의 일반적 생성은 100년동안 산업화를 피해왔다. 특히, 기존 스피커 시스템같은 방식으로 일반 장치에 적용될 수 있는 기본적인 패러메트릭 스피커나 헤테로다인 스피커가 개발되지 않았다.
이론적인 패러메트릭 스피커 배열의 개발에 대한 간략한 역사는 Electronics and Communications in Japan, No.9, Vol.74, Part 3(1991년 3월)에 실린 Aoki, Kamadura, 그리고 Kumamoto의 논문 "Parametric Loudspeaker-Characteristic of Acoustic Field and Suitable Modulation of Carrier Ultrasound"에 소개되어 있다. 간섭을 일으키는 두 초음파간 차이 신호로부터 소리를 발생시키는 이론과 기술적 구성성분이 설명되고 있으나, 상용 음파 시스템의 실제적 구현은 성공적이지 못하다. 42cm의 스키퍼 직경을 가지는 1410개의 압전형 트랜스듀서로 구성되는 패러메트릭 스피커 배열에도 불구하고 기존 기술에서의 이러한 단점이 유지된다. 패러메트릭 사운드 분야에서 모든 기존 연구가 (바이모프 특성(bimorf character)을 취하는) 종래의 초음파 트랜스듀서의 이용을 바탕으로 하였다.
1994년 10월 Taniishi에게 허여된 미국특허 5,357,578 호는 가공가능한 패러메트릭 스피커 시스템의 개발에 대한 딜레마의 대안의 해법을 제시하였다. 여기서 제시된 장치는 원하는 바의 소리 차이 신호를 발생시키기 위해 이중 초음파 주파수를 방사하는 트랜스듀서를 포함한다. 그러나 이번에는 이중 주파수의 초음파 신호가 트랜스듀서 표면의 겔 매질로부터 전파된다. 이 매질(20)은 주파수 f1 및 f2간의 차이에 대등하는 주파수 차이 톤(23)을 생성하는 가상 음향 소스로 작용한다. 컬럼 4, 라인 54-60. 다시 말해서, 이 1994년도의 참고문헌은 트랜스듀서 표면으로부터 대기에서의 차이 오디오 신호의 직접 발생을 포기하고, 소리 생성을 위해 겔 매질의 비선형성에 따라 좌우된다. 트랜스듀서/대기 인터페이스로부터 겔 매질의 이용까지의 이 급격한 이동은 적어도 실제적 스피커 장치에 대해서, 기존 공개내용의 명백한 작동정지의 인지를 강화시킨다.
본 발명은 압축파 발생에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압축 음파 및 압축 초음파를 직접 발생시키는 장치 및 방법과, 두 압축 초음파의 상호작용에 의해 새로운 압축 음파 및 아음파를 간접적으로 발생시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 두 압축 초음파의 주파수 차이가 얻고자 하는 새 압축 음파나 압축 아음파 주파수에 대응하는 특징을 가진다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 만들어지는 이미터 드럼 트랜스듀서의 사시도이다.
도 2는 발명의 원리에 따라 만들어지는 에미터 드럼 트랜스듀서의 에미터면내 다수의 애퍼처를 도시하는 평면도이다.
도 3a는 에미터 드럼 트랜스듀서와 에미터 면의 단면도로서, 에미터 면 내 애퍼처에 배치되는 막을 보여준다.
도 3b는 에미터 드럼 트랜스듀서와 에미터 면의 단면도로서, 압전 박막 위에 접착되는 폴리머 박막을 보여준다.
도 3c는 에미터 드럼과 에미터 판의 단면도로서, 에미터 판 내부의 압전 박막을 도시한다.
도 3d는 에미터 드럼과 에미터 박판의 단면도로서, 에미퍼 판 내부의 압전 박막을 도시한다.
도 3e는 에미터 드럼과 에미터 박판, 그리고 압전 박막의 반대쪽의 제 2 클램프의 단면도.
도 4는 이미터 면 내 다수의 애퍼처에서 팽창될 때 진동하는 막의 확대도.
도 5는 선호되는 실시예에서 주파수 대 막(압전 박막) 변위의 그래프. 공진 주파수와 그 전형적 대역폭을 볼 수 있다.
도 6은 에미터 드럼 트랜스듀서에 압력이 가해지는 대안의 실시예에서 에미터 드럼 트랜스듀서의 단면도.
도 7은 새로운 음파나 아음파 생성을 위해 음향에 대한 헤테로다이닝을 실행하는 초음파 정보 내장 주파수와 초음파 기본 주파수를 전송하는 본 발명의 보다 구체적인 구현의 도면.
도 8은 센서면과 센서 드럼 트랜스듀서의 단면도를 보여주는 대안의 실시예에로서, 센서 면 내 애퍼쳐에 배치되는 감지 막을 보여준다.
도 9는 에미터 면으로부터 1/4파장에 있는 후방파 보강 구조를 도시하는 에미터의 단면도.
도 10은 에미터면으로부터 1/4파장에 있는 후방파 보강 구조로 후방 커버를 보여주는 에미터의 단면도.
도 11은 장방형 셀 구멍을 갖춘 에미터 면의 평면도.
도 12는 타원형 셀 구멍을 갖춘 에미터면의 평면도.
도 13은 볼록한 에미터면을 갖춘 에미터의 단면도.
도 14는 오목한 에미터면을 갖춘 에미터의 단면도.
도 15는 볼록한 에미터면, 에미터면 내부의 압전 박막, 그리고 볼록한 후방판을 갖춘 에미터의 단면도.
도 16은 에미터 판 내부에 오목한 압전 박막을 갖춘 에미터의 단면도.
도 17은 두개의 반원형 전기접점을 갖춘 에미터면의 평면도.
도 18은 네 개의 전기접점을 갖춘 에미터면의 평면도.
도 19는 두개의 동심 전기 접점 고리를 갖춘 에미터면의 평면도.
도 20은 세 개의 동심 전기 접점 고리를 갖춘 에미터면의 평면도.
도 21은 압전 박막 아래 다각형 형태의 에미터면을 갖춘 압전 박막용 다각형 부분 도면.
도 22는 압전 박막 아래 대응하는 에미터면을 갖춘 압전 박막의 세 개의 다각형 형태 부분.
도 23은 고리 구조를 형성하는 육각형 형태의 압전 박막의 6개의 다각형 형태 부분.
도 24는 박스 형태의 압전 박막의 네 개의 장방형 부분의 도면.
도 25는 한 컬럼에 압전 박막의 네 개의 장방형 부분의 도면.
도 26은 압전 박막 에미터 셀과 연결된 압력 챔버의 도면.
도 27은 PVDC로 밀폐된 압전 박막의 도면.
도 28은 금속화 브리지 접점에 의해 연결되는, 페이스 플레이트 애퍼처에 대한 선택적 스퍼터링의 도면.
초음파 소스로 기존 트랜스듀서를 이용하지 않으면서 대기 영역으로부터 수용가능한 볼륨 수준에서 새로운 가청 음파를 간접적으로 방사하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 발명의 목적이다.
한개 이상의 새로운 음파나 아음파와 동일한, 서로 다른 주파수의 두 개 이상의 초음파 신호간 간섭을 제공하는 박막 에미터를 이용함으로서 상업적으로 수용가능한 볼륨 수준을 가지는 한개 이상의 새로운 음파나 아음파를 간접적으로 발생시키는 것이 또하나의 목적이다.
넓은 초음파 에미터 표면 사이에서 균일한 파면을 발전시킬 수 있는 박막 스피커 다이어프램을 제공하는 것이 또하나의 목적이다.
견고한 다이어프램 구조를 필요로하지 않으면서, 전기 자극에 따라 압축파를 발생시킬 수 있는 개선된 스피커 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 다른 하나의 목적이다.
이 목적들은 다수의 애퍼처를 가지는 공통 에미터면에 배치되는 얇은 압전형 막을 포함하는 스피커에서 실현된다. 애퍼처는 평행한 축을 따라 막으로부터 압축파를 방사하도록 정렬되어, 균일한 파면을 발전시킨다. 막은 아치형 구조로 당겨지며, 에미터 막 뒤의 드럼 캐버티 내에 생성되는 거의 진공에 의해 애퍼처 사이에 장력으로 유지된다. 압전 막은 공급 전압에 따라 선형으로 팽창하거나 수축하여, 기존 스피커 다이어프램처럼 압축파를 도출하기위해 애퍼처에서 막의 곡면을 수정한다. 이 구조는 압축파 발생을 가능하게 할뿐 아니라, 적용된 진공으로 인한 역방향의 후방-파(back-wave) 형성도 없앤다.
발명의 또다른 태양에서, 에미터는 공통 에미터 면에서 다수의 애퍼처에 대해 배치되는 단일 에미터 막으로 구성된 드럼을 포함한다. 그러나 본 실시예에서, 막은 드럼 캐버티로부터 생기는 양의 압력에 의해 애퍼처 내에서 아치형으로 팽창한다. 유사한 막 음파 조작이 공급 전압에 따라 발생한다. 그러나, 이제부터는 후방파 발생이 고려되어야 한다.
기체 누출을 방지하고 박막의 밀폐를 돕기 위해 아전 박막에 배치되는 폴리머 박막이 발명의 또하나의 태양이다.
발명의 또다른 태양에서, 에미터는 박막 내 다중 채널과 빔 조향을 가능하게 하고 구분된 영역의 압전 박막을 제어하게 하는 다중 전극을 포함한다.
스피커 부재로 패러메트릭 배열에 압전 트랜스듀서를 이용하는 전통적 방식은 가청음 및 초음파 발생 산업 내에서 여러 실용적 트랜스듀서 이용을 실망시킨 여러 가지 제한사항을 구체화한다. 이러한 제한사항은 개별 트랜스듀서의 대형 배열간 위상 및 주파수 응답에 대한 결여를 포함한다. 넓은 주파수 스펙트럼 내에서 주파수를 달리함에 따라 가변 응답이 생기고 트랜스듀서 공진 주파수에 작은 변화가 생기기 때문에, 왜곡, 출력 감소, 의도하지 않은 광선 조향이 자주 발생한다. 전형적인 스피커 배열이 공통 신호 소스에 각각 연결된 수많은 개별, 비균일 트랜스듀서로부터 형성되기 때문에 이들 제한사항 중 많은 부분이 발생한다. 각각의 트랜스듀서는 일면 독자적이며, 병렬이나 직렬 구조로 나머지 트랜스듀서에 대해 자율적으로 동작한다.
본 발명은 전체 에미터면 사이에 공급되는 신호에 따라 예측가능한 압전 물질의 단일 박막을 제공함으로서 배열 사이에 조화와 균일성을 발전시킨다. 이는 선호되는 실시예에서 에미터가 공통 치수의 다수의 애퍼처 사이에서 지원되는 동일한 조성의 단일 박막이기 때문에, 발생한다. 게다가, 전체 에미터면은 물리적으로 일체적 형태를 띤다. 왜냐하면, 물질이 에미터 판 사이에 단순히 배치되고 단일 세트의 전기 접점에 의해 활성화되기 때문이다. 따라서, 에미터 판 내 각각 애퍼처에 의해 표시되는 개별 방사 위치의 배열은 동일한 전기적 입력에 의해 활성화되는 한가지 물질로 구성된 단일 박막으로 실제 작용하고 있다. 각 애퍼처에서 아치형 팽창은 균일하다. 왜냐하면 드럼 캐버티 내로부터 공통 압력(양 또는 음)에 의해 동일 치수간의 장력으로 동일 물질이 바이어스되기 때문이다. 따라서 고조파 및 위상 왜곡이 최소화되어, 동작가능한 대역폭에서 균일한 파면(wave front)을 촉진시킨다.
도 1, 2, 3a, 3b는 본 발명의 선호되는 실시예의 사시도이다. 에미터 드럼 트랜스듀서(100)는 속이 빈 원통형 물체이다. 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 측벽(106)은 금속이나 금속 합금이다. 에미터 면(102)은 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 상부면으로부터 압축파를 발생시키며, 두개 이상의 성분, 즉, 에미터 박막(104)과, 에미터 판이나 디스크(108)로 구성된다.
에미터 면(102)의 외부면은 압전 박막(104)에 의해 형성된다. 이 박막(104)은 작은 아치형 에미터 요소 내로 박막을 팽창시킬 수 있도록 다수의 애퍼처(112)를 포함하는 견고한 에미터 판(108)에 의해 지지된다. 앞서 언급한 바와 같이, 이에미터 요소들은 모든 측면, 즉, 크기, 곡률반경, 조성에서 균일하다. 이 공통사항으로 인해 마치 단일 방출기 요소인 것처럼 에미터 박막의 표면 사이에 공통 출력이 발생한다.
압전 박막(104)은 적절한 접점(120)을 통해 공급되는 전기 신호에 의해 자극을 받고, 압축파를 발생시키고자 적절한 주파수에서 진동하게 된다. 이는 드럼 헤드와 유사한 방식으로 에미터 판이나 디스크(108)간의 장력으로 박막을 누르는 전도성 고리(114)에 의해 촉진된다. 따라서 전도성 고리는 압전 박막(104) 위에 놓여서 에미터 면(102)의 둘레를 따라 배치되며, 압전 물질에 대한 전기 신호 소스와 클램프로 작용한다. 일반적으로, 이 전도성 고리(114)가 황동으로 만들어지지만, 다른 전기 전도 물질이 사용될 수도 있다. 전도성 고리(114) 아래에 압력 씨일(129)이 놓이며, 압전 박막(104)과 드럼 측벽(106)간 결합 지점을 밀폐시키는 역할을 한다. 게다가, 압력 씨일(129)은 전도성 고리(114)없이 압전 박막의 둘레를 따라 전기 접점으로 이용될 수 있다. 본질적으로는 압력 씨일(129)이 전도성 고리가 되고, 또는 부분적으로 전도성 고리가 된다.
에미터 드럼 트랜스듀서(100)는 일반적으로 속이 비어있고 후방 커버(110)에 의해 하부면이 닫혀있다. 이 구조는 일반적으로 공기가 통과하기 어려운 덮개나 드럼 캐버티가 되도록 밀폐된다. 진공에 가까운 조건(차후로는 진공이라 표현함)이나 압력 조건이 후에 설명되는 이유로 에미터 드럼 트랜스듀서(100) 내에 존재할 수 있다. 진공에 가까운 조건이란 밀리토르 수준의 측정을 필요로할만큼 충분히 작은 압력으로 정의될 것이다.
에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 구조를 더욱 이해하기 위해, 도 2에는 압전 박막(104) 아래 놓이는 고립 에미터 디스크(108)의 외향 면(126)의 평면도가 도시된다. 선호되는 실시예에서, 디스크(108)는 금속성으로서, 균일한 치수의 다수의 애퍼처(112)로 구멍나 있다. 애퍼처(112)는 내향면(128)(도 3)으로부터 외향면(126)까지 디스크(108)의 두께를 따라 뻗어간다. 예측성과 효율을 높이기 위해, 애퍼처(112)는 원통 형태를 취한다.
원통형 애퍼처(112)에서 아치형 장력에 묶일 때 압전 박막(104) 진동의 예측성은 원판의 대칭 구부림에 관하여 발전된 상당한 양의 지식의 결과이다. 이는 다른 애퍼처(112) 형태가 사용될 수 없다는 것을 의미하는 것으로 간주되어서는 아니된다. 그럼에도 불구하고, 선호되는 실시예는 예측가능한 구조로 원통형 애퍼처(112)를 채택하였다.
도 2의 디스크(108)에 도시되는 애퍼처(112) 패턴은 주어진 면적 내에 최대 숫자의 애퍼처(112)를 위치시킬 수 있기 때문에 선택되었다. 이 패턴은 "벌집형" 패턴이라 부린다. 벌집형 패턴은 음향 헤테로다이닝 특성 때문에 평행축으로 된 다수의 애퍼처(112)를 가지는 것이 바람직하기 때문에 선택된다.
초음파를 발생시키는 경우에, 정보를 운반하는 주파수와 기본 주파수간 헤테로다이닝 간섭을 일으켜서 정보를 포함한 새로운 음파나 아음파를 발생시키는 것이 바람직하다. 결과적으로, 다수의 기본 파면과 정보를 내장한 파면이 서로 상호작용을 일으켜서 단일상의 기본 및 정보 내장 주파수에 비해 더 큰 볼륨을 가지는, 새로운 음파나 아음파를 발생시키는 효과를 보인다. 다시 말해서, 본 발명은 공통 조성, 일체감, 진동 응답의 이득을 잃지 않으면서, 간섭을 일으키는 주파수를 운반하는 다수의 에미터 요소를 개발하는 상당한 장점을 제공한다. 이것이 충분히 상용화할만큼 볼륨이 큰 소리를 발생시키는 데 있어 중요한 요소라는 점은 명백하다. 음파 방사 축의 평행 배치는 수용가능한 볼륨 수준의 전개를 추가적으로 개선시킨다.
도 3a는 본 발명의 선호되는 실시예의 단면도로서, 에미터 드럼 트랜스듀서(100)에 대한 전기적 연결에 관하여 보다 상세한 사항을 포함한다. 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 측벽(106)은 디스크(108)에 대한 인클로저(enclosure)를 제공하며, 다수의 애퍼처(112)가 측벽을 따라 뻗어간다. 압전 박막(104)이 디스크(108)와 접촉하는 것으로 도시된다. 압전 박막(104)이 접촉하고 있는 디스크(108)의 전체 노출면에 압전 박막(104)을 접착시키지 않는 것이 선호된다는 것을 결정하기 위한 실험이 있었다. 압전 박막(104)과 애퍼처(112)간 접착 띠의 크기를 변화시키면 원래 균일했던 애퍼처(112)가 균일하지 않은 공진 주파수를 발생시킬 수 있다. 따라서 선호되는 실시예에서는, 압전 박막(104)의 바깥쪽 둘레만을 디스크(108)에 접착시킨다.
에미터 드럼 트랜스듀서(100) 내에 진공을 형성하기 위해 후방 커버(110)가 제공된다. 이 진공으로 인해 압전 박막(104)이 애퍼처(112) 사이에서 균일한 방식으로 디스크(108) 쪽으로 당겨진다. 애퍼처(112)에 대해 압전 박막(104)의 균일한 장력은 각각의 에미터 요소에서 압전 박막(104)에 의해 생성되는 공진 주파수의 균일성을 보장하는 데 있어 중요하다. 실제로, 압전박막(104)과 애퍼처(112)의 각 조합은 작은 에미터 요소나 셀(124)을 형성한다. 디스크(108) 사이에서 압전박막(104)의 장력을 조절함으로서, 셀(124)은 균일하게 응답한다.
진공으로 인한 추가적인 장점은 불필요한 후방파 왜곡 가능성을 제거할 수 있다는 점이다. 본 발명에서 후방파 제거는 밀폐된 드럼 캐버티 내 진공의 존재로부터 발생한다. 정의에 의해, 압축파는 이동할 수 있는 압축가능한 매질이 있어야 한다는 점을 필요로한다. 압전 박막(104)이 에미터 드럼 트랜스듀서(100)로부터 화살표(130)로 표시되는 방향인 외향으로 압축 초음파를 발생시킬 수 있다면, 화살표(132)로 표시되는 방향으로 에미터 드럼 트랜스듀서(100) 내로 이동하는, 반대방향의 압축 초음파 역시 압전 박막(104)으로부터 발생된다.
진공 조건이 없는 경우에, 이 역방향으로 이동하는, 또는 후방파 왜곡파는 원하는 주파수를 발생시키고자 하는 압전박막(104)의 능력과 간섭을 일으킬 수 있다. 이 간섭은 후방파가 다시 애퍼처(112)를 통해 위로 이동하여 압전 박막(104)에서 반사될 때까지 에미터 드럼 트랜스듀서(100) 내의 표면에서 반사할 때 발생할 수 있고, 따라서 그 진동을 변경시킨다. 그러므로, 에미터 드럼 트랜스듀서(100) 내의 압축파 이동을 위한 매질을 제거함으로서, 압전 박막(104)의 반사형 진동이 제거된다.
도 3a는 압전 박막(104)에 전기적으로 연결되어 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 각 셀(124)로부터 전송될 주파수를 전기적으로 표현하는 전기 리드(120)가 존재함을 도시한다. 이 전기 리드(120)는 도시되는 바와 같이 일부 신호 소스(122)에 전기적으로 연결될 필요가 반드시 있다.
압력을 받을 때 드럼(100)에서의 압력 누출에 대한 가능성 때문에, 압력 누출을 방지하는 단계들을 취하는 것이 중요하다. 압력 누출을 감소시키는 한가지 방법은 드럼(100)에 압력을 가하기 위해 비활성 기체를 이용하는 것이다. 예를 들어, 질소, 네온, 아르곤같은 무거운 비활성 기체들이 누출 감소를 위해 사용될 수 있다. 비활성 기체들은 가벼운 기체들보다 더 큰 분자를 가지며, 따라서 드럼(100)으로부터의 누출, 또는 압전 박막(104)을 통한 누출을 감소시킨다.
발명의 또다른 실시예에서, 압전 박막 코팅을 위해 얇은 폴리머층이 이용된다. 도 3b는 편광 처리후 압전 박막(104)에 코팅되는 폴리머층(140)을 도시한다. 편광 처리 중, 압전 박막이 펴지고 충전되며, 이는 압전 박막의 기체 보유 성질을 약화시킨다. 드럼(100) 내가 거의 진공에 가까운 상태일 때 대기 기체가 드럼(100) 내로 유입될 수 없도록, 폴리머층 코팅이 압전 박막을 밀폐시킨다. 이는 드럼(100) 가압에 사용되는 기체의 탈출을 방지하기 위해 압전 박막을 또한 밀폐시킨다. 압전 박막의 성능에 영향을 미치지 않을 만큼 폴리머가 충분히 얇아야 한다는 사실이 중요하다. 부가적인 플라스틱 코팅층을 이용하면 초박형 압전 박막이 시용될 때에도 드럼(100) 내 압력을 보다 신뢰적으로 할 수 있다. 압력 누출 감소를 위해 드럼의 후방 커버(110)와 측벽(106)에 플라스틱 코팅이 사용될 수도 있다. 압전 박막이나 드럼(100)을 밀폐시키면, 에미터의 수명을 연장시킬 수 있다. 본 실시예에 나타나는 에미터의 압력 범위는 대략 0~20 psi이다.
도 3c는 에미터 드럼과 에미터면의 단면을 도시한다. 본 구조에서, 압전 박막은 에미터면의 내측에 위치한다. 챔버(142)는 도 4b에 도시되는 바와 같이 아치형태로 압전 박막(104)을 밀어내도록 압력을 받는다. 앞서 기술한 바와 같이, 압전박막 밀폐를 돕는 데 폴리머 코팅층(140)이 사용된다. 도면에 도시되는 에미터 면(128)은 상대적으로 큰 셀 깊이를 가지는 실시예이다. 도 3d는 도 3c와 유사하지만, 에미터 판(128)의 두께가 도 3c의 에미터판(128)의 깊이보다 작다는 데 차이점이 있다. 챔버(142)는 도 4b에 도시되는 바와 같이 압전 박막(104)을 아치형 형태로 밀어내도록 압력을 받는다.
도 3e는 에미터면(128)과 제 2 클램프(143)를 갖춘 에미터 드럼(100)의 단면도이다. 압전 박막(104)은 에미터면(128)의 애퍼처 구조와 일치하는 제 2 클램프(143)와 에미터면(128) 사이에서 조여진다. 압전 박막(104)은 파 발생을 보강하기 위해 드럼의 후방판(110)으로부터 1/4 파장 길이를 가진다. 드럼(100)이 압력을 받으면, 아치형의 에미터 요소를 생성한다. 추가적으로, 셀(124)을 작은 구멍과 연결하는 길이방향 챔버(142)가 존재한다. 셀(124)이 후방판(110)에 부착될 수도 있으며, 셀(124) 내 다른 위치의 구멍들이 각 셀의 압력 평형을 위해 놓일 수 있다. 제 2 클램프(143)가 필요하지는 않으나, 압전 박막(104)에 안정성을 더한다.
도 4a는 선호되는 실시예의 두 셀(124)의 확대도이다. 이 셀들은 두 애퍼처(112)에 대해 압전 박막(104)으로 이루어진다. 압전 박막(104)은 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 안쪽을 향해 내향으로 팽창한 것으로 도시되며, 도면에서는 이해를 돕기 위해 약간 과장되게 표시되었다. 압전 박막(104) 내향으로 팽창하게 되면, 그후 공급 신호가 없어짐에 따라, 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 내부로부터 외향으로 팽창이 이어진다. 이것이 도 4b에 도시된다. 압전 박막(104)의 팽창 크기는 설명을 위해 과장되게 그려졌으며, 그 실제 크기는 차후에 논의될 것이다.
도 5는 압전 박막(104)의 변위에 비해 선호되는 실시예에 따라 제작된 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 (공급 전압 RMS의 함수로) 주파수 응답을 도시하는 그래프이다. 도 5의 그래프를 제공하는 에미터 드럼 트랜스듀서(100)는 에미터 드럼 트랜스듀서(100) 내를 거의 진공에 가깝게 한 경우의 전형적 결과의 예이다.
본 실시예에 사용된 막(압전 박막(104))은 약 28마이크로미터의 두께로 된 PVDF 박막(polyvinylidene di-fluoride film)이다. 실험적으로, 이 특정 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 공진 주파수는 73.6Vpp의 구동 전압을 이용할 때 37.23kHz라고 나타난다. 이때 대역폭은 11.66 퍼센트로 6dB 주파수의 상한과 하한은 각각 35.55khz와 39.89kHz이다. 압전 박막(104) 변위의 최대 진폭은 1미크론을 약간 넘는 것으로 알려졌다. 이 변위는 125.4dB의 음압 레벨(SPL)에 상응한다.
여기서 소개되는 선호되는 실시예의 공진 주파수는 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 여러 특성의 함수라는 것을 기억해야 한다. 이 특성들은 에미터면(102) 사이에서 팽창되는 압전 박막(104)의 두께와, 에미터 디스크(108) 내 애퍼처(112) 직경을 포함한다. 예를 들어, 얇은 압전 박막(104)을 이용할 경우, 주어진 공급 전압에 대해 압전 박막(104)의 진동이 보다 빠르게 나타난다. 결과적으로, 에미터 드럼 트랜스듀서(100)의 공진 주파수가 높아질 것이다.
공진 주파수가 높은 경우의 장점은 대역폭의 퍼센티지가 대략 10%로 유지되거나 실험 결과처럼 상승할 경우 바람직한 주파수 범위가 쉽게 발생될 수 있다는 점이다. 다시 말해서, 가청 범위는 20~20,000 Hz이다. 따라서, 대역폭이 적어도 20,000Hz를 포괄할 정도로 충분히 넓다면, 음향 헤테로다이닝의 결과로 전체 가청범위가 새 음파로 쉽게 발생될 수 있다. 결과적으로, 적절한 반송파와 간섭을 일으키는, 변조된 음파 정보를 가지는 신호는 새로운 음파 신호를 발생시킬 것이고, 이 신호는 전체 가청 스펙트럼 사이에서 가청음을 발생시킬 수 있다.
공진 주파수 증가를 위해 더 얇은 압전 박막(104)을 이용함에 추가하여, 주파수 범위 확장을 위해 다른 방법들이 있다. 예를 들어 대안의 실시예에서, 본 발명은 더 작은 직경의 애퍼처(112)를 가지는 셀(124)을 이용한다. 애퍼처가 작으면 공급 구동 전압에 대해 공진 주파수가 높아진다.
일부 결과가 설명되었으나, 본 발명의 동적과정을 나타낼 수 있는 일부 방정식을 검사하는 것이 또한 유용하다. 박막 장력과 공진 주파수의 이론적 분석에 대하여는 1991년 Elsevier에서 Xdenek Skvor의 "Vibration Systems and their Equivalent Circuits", Eugene A. Avallone과 Theodore Baumeister III의 "Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers 9판", 그리고 Stephen Timoshenko의 "Theory of Plates and Shells" 2판을 참고할 수 있다. Marks의 논문은한 막에서의 장력을 공진 주파수에 상관시키는 매우 유용한 방정식(5.4.34)을 제시한다. 공진 주파수는 애퍼처 형태, 애퍼처 크기, 후방 압력, 박막 탄력성, 그리고 박막 밀도의 함수이다. 이 값들사이의 관계는 복잡하며 본 발명의 범위를 벗어난다.
도 6은 본 발명의 대안의 실시예를 도시하지만, 에미터 드럼 트랜스듀서(116)로부터 주파수를 발생시키며 선호되는 실시예와 거의 동일하게 만들어진다. 본질적 차이점은 에미터 드럼 트랜스듀서(116) 내부에 진공을 만드는 대신에, 내부가 가압되는 것이다. 압전 박막(104)은 에미터 면 내측에 위치하여 드럼내 압력에 의해 부분적으로 유지된다.
에미터 드럼 트랜스듀서(116) 내의 압력은 공진 주파수 변경을 위해 조절될 수 있다. 그러나, 압전 박막(104)의 두께는 가해질 수 있는 압력을 결정하는 중요 인자로 유지된다. 이는 선호되는 실시예에 사용되는 양축 인장 PVDF 대신에, 상당한 이방성을 띠는, 일부 코폴리머로 만들어진 압전 박막들에 기인한다. 이방성 압전 박막의 부작용은 모든 방향으로 박막의 진동을 방지할 수 있어서 발생되는 신호의 불필요한 왜곡을 일으킬 수 있는 이방성을 나타낸다는 점이다. 결과적으로, PVDF는 코폴리머보다 높은 항복강도를 가지기 때문만이 아니라, 이방성이 매우 작기 때문에도 압전 박막용으로 선호되는 물질이다.
비-진공형 에미터 드럼 트랜스듀서(116)의 대안의 실시예의 한 태양은 주파수 공진이나 자극의 발생일 수 있다. 이는 에미터 드럼 트랜스듀서(116) 내 기체의 파발생으로부터 생기는, 에미터 드럼 트랜스듀서(116) 내 후방파 발생 때문이다. 그러나, 후방파 흡수를 위해 에미터 드럼 트랜스듀서(116) 내에 물질을 위치시킴으로서 후방파가 제거될 수 있다고 결정되었다. 예를 들어, 에미터 드럼 트랜스듀서(116)에 삽입된 폼 러버(134)(foam rubber) 조각이나 음향 흡수식/완충식 물질이 모든 주파수 자극을 제거할 수 있다. 대안으로, 관심있는 범위의 파발생을 제거하기 위해 압전 박막에 충분히 가까운 위치에 후방판이 위치할 수 있다.
가압식 에미터 드럼 트랜스듀서(116)를 이용한 실험 결과는 전형적인 압력과 구동 전압에서, 에미터 드럼 트랜스듀서(116)가 선형 영역에서 동작함을 보여주었다. 예를 들어, 에미터 드럼 트랜스듀서(116) 내 10psi 압력의 28 미크론 두께PVDF를 이용한 에미터 드럼 트랜스듀서(116)는 5 psi의 내부압을 가지는 에미터 드럼 트랜스듀서(116)보다 큰, 대략 43%의 공진 주파수를 발생시킬 수 있다. 대안으로, 구동 진폭을 두배로 하면 PVDF의 변위도 두배가 된다는 것이 결정되었을 때, 일반적으로 선형인 동작 영역이 발견됨을 확인할 수 있다.
가압식 에미터 드럼 트랜스듀서(116)가 대략 20%의 대역폭을 얻을 수 있다는 점이 실험적으로 입증되었다. 따라서, 100kHz의 공진 주파수를 가지는 에미터 드럼 트랜스듀서(116)를 만들면, 전체 가청 범위를 발생시키기에 적절한 이상으로 대략 20kHz의 대역폭을 유발할 수 있다. 후방파 왜곡이나 내부 후방파 공진의 삽입을 방지하기 위해 에미터 드럼 트랜스듀서(116)의 내부를 음향적 완충시킴으로서 가압 실시예는 본 발명의 선호되는 실시예에 따라 상업적으로 가용한 볼륨 수준의 인상적인 결과를 얻을 수 있다.
압전 박막의 선호되는 두께, 애퍼처 크기, 그리고 드럼 압력이 이제부터 논의될 것이다. 압력이 증가하면, 스피커의 공진 주파수가 증가한다. 공진 주파수는 압전 박막 두께를 증가시키거나 애퍼처 크기를 감소시킴으로서 증가될 수도 있다. 아래의 표는 35kHz의 공진 주파수를 제공하기 위해 선호되는 박막 두께, 애퍼처 크기, 그리고 압력을 보여준다. 이 특정 매개변수들은 본 발명에 대해 최고 출력을 제공한다. 이들 범위 내에서 수많은 조합이 사용될 수 있다.
박막 두께 애퍼처 직경 드럼 압력
9미크론 0.160인치 5psi
12미크론 0.168인치 6psi
25미크론 0.200인치 12psi
표 1이 선택된 애퍼처 크기를 나열하지만, 선호되는 애퍼처 크기는 0.050 인치~0.600 인치이다. 표 1에 나열되는 매개변수들은 초음파 트랜스듀서에 주로 집중된다. 박막의 실제 성능은 박막이 양축형인가, 단축형인가, 코팅되었는 가 등 여러 다른 인자에 따라 좌우된다. 예를 들어, 5psi에서 이용되는 9미크론 박막은 0.160 인치 애퍼처로 35kHz의 공진 주파수를 발생시킨다. 이와는 대조적으로, PVDC 코팅으로 덮힌 또다른 9미크론 박막은 마찬가지 35kHz 공진 주파수 생성을 위해 5psi에서 0.600 인치의 애퍼쳐를 가져야 한다. 애퍼처 크기의 앞서 예가 발명의 초음파 실시예를 지향한 것이지만, 유용한 음파 주파수 생성을 위해 더 큰 구멍이 사용될 수도 있다.
애퍼처 중심간 간격은 최대 출력을 위한 주파수 파장의 1/4~1/2 사이인 것이 선호된다. 애퍼처 중심간 선호되는 간격은 최대 출력이 요망되는 주파수 파장의 1/3이다.
본 발명의 추가적으로 선호되는 태양은 음파 에미터의 형태를 특정 장치에 적응시키는 것이다. 예를 들어, 얇은 압전 박막이 디스크면 사이에서 균일한 장력으로 유지될 수 있다면, 어떤 형태의 드럼도 구성될 수 있다. 이 설계 특징으로 인해 방이나 다른 설정에 독자적 장식을 제공하는 설계자 형태로 스피커 구조를 제작할 수 있다. 명목적 공간 요구사항 때문에, 고충실도 장비 지원 등을 가지는 월-유닛(wall-unit)의 일부로 컬럼 사이에서 코너에 들어맞는 둘레 형태를 이용한, 두께 1인치 미만의 스피커가 제작될 수 있다. 불규칙한 형태 사이에서 에미터 박막의 균일한 장력은 한 평면에 박막을 이방성으로 인장시킴으로서, 그리고 디스크면의 둘레에 박막을 접착시킴으로서 달성될 수 있다. 과량의 박막 물질이 잘려나가거나 접힐 수 있고, 전방 벽 및 후방 벽, 그리고 중간 드럼 벽을 통합 형태로 묶기 위해 주변 대역에 포함될 수 있다. 이러한 스피커는 무게가 매우 가볍고, 신호 수신을 위해 압전 물질에 연결되는 와이어 접점을 필요로할 뿐이며, 박막을 곡면 형태로 부풀리기 위해 진공이나 양의 압력을 가하기 위한 압력선을 필요로할 뿐이다.
본 발명의 선호되는 실시예의 보다 구체적인 구현을 위해, 에미터 드럼 트랜스듀서(100)가 도 7에 도시되는 시스템에 포함될 수 있다. 이 응용은 박막 구조에 특히 적절한 패러메트릭, 또는 헤테로다이닝 기술을 이용한다. 압전 박막은 패러메트릭 스피커 이론에 따라 초음파 주파수에서의 동작에 적절하다.
기본 시스템은 기본파나 반송파(21)를 제공하기 위해 발진기나 디지털 초음파 소스(20)를 포함한다. 이 파(21)는 제 1 초음파, 또는 1차 파라고 불린다. 진폭 변조 성분(22)이 초음파 발생기(20)의 출력에 연결되어 음파나 아음파 입력 신호(23)와의 믹싱을 위해 기본 주파수(21)를 수신한다. 음파나 아음파 신호는 아나로그 또는 디지털 형태로 공급될 수 있고, 어떤 기존 신호 소스(24)로부터의 음악일 수 있고, 또는 다른 형태의 소리일 수도 있다. 입력 신호(24)가 상한 측대역과 하한 측대역을 포함할 경우, 필터 성분이 변조기에 포함될 수 있어서, 선택된 대역폭에 대한 변조 반송파 주파수에서 단일 측대역 출력을 도출할 수 있다.
에미터 드럼 트랜스듀서가 아이템(25)으로 도시되어, 박막 트랜스듀서(25a)의 면에 전파되는 새로운 파형으로 초음파 주파수 f1과 f2를 방사하게 된다. 이 새로운 파형은 대기의 비선형 매질 내에서 상호작용을 일으켜서, 새로운 음파나 아음파로 차이 주파수(26)를 발생시킨다. 에미터 디스크에 형성되는 다량의 에미터 요소를 가지는 능력은 고음질 출력과 뜻있는 볼륨을 전파할 수 있는 균일한 파형의 발생에 특히 적합하다. f1, f2에 대응하는 압축파가 음향 헤테로다이닝 원리에 따라 대기에서 간섭하기 때문에, 본 발명이 앞서 설명한 바와 같은 기능을 할 수 있다. 음향 헤테로다이닝은 비선형 회로에서 발생하는 전기적 헤테로다이닝 효과에 대한 기계적 대응부라고도 할 수 있다. 예를 들어, 전기 회로에서의 진폭 변조가 일종의 헤테로다이닝 과정이다. 헤테로다인 과정 장체는 단순히, 새로운 두 파동의 생성이다. 새 파동들은 두 기본 파의 합과 차이다.
음향 헤테로다이닝에서, 두개 이상의 압축 초음파가 대기 중에서 상호작용 또는 간섭을 일으킬 때, 기본 파동의 합 및 차와 같은 새 파동들이 발생하는 것이 관측된다. 본 발명의 선호되는 투과 매질은 대기이다. 왜냐하면, 대기라는 매질이 서로 다른 조건 하에서 비선형으로 반응하는 고도로 압축가능한 매질이기 때문이다. 이 대기의 비선형성으로 인해, 헤테로다이닝 과정이 일어날 수 있고, 따라서 초음파 출력으로부터 차이 신호를 분리시킬 수 있다. 그러나 필요할 경우, 압축가능한 어떤 유체도 전송 매질로 기능할 수 있다.
공지 기술의 패러메틱 차이 파동의 성공적 발생이 단지 명목적인 볼륨ㅁ만을 가진다고 나타나지만, 본 구성은 충분한 소리를 발생시킨다. AM 변조된 기본 주파수를 실은 단일 트랜스듀서가 상당한 거리에서 인상적인 볼륨 수준으로 소리를 투영시킬 수 있을 때, 다수의 선형 신호들 조합이 볼륨을 크게 증가시킨다. 벽이나 다른 반사면을 향할 때, 볼륨은 방향성을 띄어서, 마치 벽이 음 발생원인것마냥 반사를 일으킨다.
본 발명의 중요한 특징은 기본 주파수와 단일/더블 측대역이 동일한 트랜스듀서면으로부터 전파된다는 점이다. 따라서, 성분 파동이 완벽하게 모인다. 게다가, 위상 정렬이 최대여서, 두 서로 다른 초음파 주파수 사이에서 가능한 최소수준의 간섭을 제공한다. 이 파동들 사이에 보장되는 최대 간섭으로, 대기 분자에 최대 에너지 전달을 얻으며, 이는 패러메트릭 스피커에서 스피커 방사 요소가 된다. 따라서, 본 발명에 제공되는 바와 같이, 박막 초음파 에미터 내 이 요소들을 개선함으로서, 오디오 출력 신호에 대한 놀랄만한 볼륨 증가를 전개할 수 있다는 사실을 발명자는 믿는다. 패러메트릭 스피커에서 최대 볼륨 용량을 전개하는 것은 기존 스피커 시스템에 대해 상당한 장점을 제공한다. 상대적으로 가벼운 방사 요소로부터 음이 재생된다는 사실이 가장 중요하다. 특히, 압전 박막이 초음파 주파수에서 진동하기 때문에 가청 범위 내에서 작동하는 방사 요소는 전혀 없다. 음향 헤테로다이닝에 의한 음 발생의 이러한 특징은 기존 왜곡 효과를 제거할 수 있으며, 그 효과 대부분은 기존 스피커의 방사 요소에 의해 유발된다. 예를 들어, 스피커 콘(speaker cone), 콘 오버슈트(cone overshoot), 그리고 콘 언더슈트(cone undershoot)에서의 해로운 고조파 및 정상파는 가벼운 박막이 마이크로미터 수준의 거리를 이동함에 따라 제거된다.
본 발명의 또다른 대안의 실시예가 도 8에 도시된다. 선호되는 실시예에서 본 발명이 에미터로 어떻게 동작하는 지를 이해한 후, 마찬가지로 본 발명을 수신기나 센서로 사용할 수 있다는 것은 명백하다. 이는 압전 박막이 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있을 뿐 아니라, 역으로, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수도 있는 결과이다. 따라서, 선호되는 실시예의 장치는, 에미터 드럼 트랜스듀서(100)에 연결되는 신호 소스(122) 대신에, 오실로스코프처럼 감지 기구에 감지 드럼이 연결된다는 점에서 수정된다. 그후, 트랜스듀서(118)는 감지 드럼 트랜스듀서(118)의 압전 박막(104)에 충돌하는 압축파를 효율적인 마이크로폰에 대해 박막(104)으로 작용하는 전기 신호로 변환한다.
도 9는 견고한 에미터 판(152) 뒤 후방파 보강 구조(150)를 갖춘 스피커 장치를 도시한다. 후방파 보강은 도 9에서 1/4 파장거리로 도시되는 바와 같이, 압전 박막으로부터 선택된 파장의 거리의 1/4에 놓이는 것이 선호된다. 후방파 보강이 이상(out of phase)의 후방파를 반사시켜서 환경에 대해 생성되는 1차파와 동상인 파가 되기 때문에, 이 보강 구조는 생성되는 실제 음파나 초음파의 발생을 돕는다. 후방파 보강이 후방 커버(110)가 아닐 경우, 보강은 압력 등가화를 위해 작은 애퍼처(154)를 또한 내장할 것이다. 도 10은 후방파 보강 구조가 후방 커버(110)인 본 실시예의 대안의 배열을 도시한다. 압전 박막으로부터 파장의 1/4 거리는 보강될 주파수 파장에 따라 좌우된다. 보강될 가장 공통적인 파장은 반송파 주파수이거나 공진 주파수이다. 보강이 압전 박막으로부터 한 파장의 1/4 거리에서 발생할 때, 에미터의 최종 출력은 3dB까지 증가할 수 있다. 보강되는 것이 바람직한 주파수의 파장에 따라, 압전 박막으로부터 서로 다른 거리에 후방파 보강 구조가 위치할 수도 있다는 점을 추가하는 것이 중요하다. 앞서와는 다른 두개의 바람직한 보강 거리는 압전 박막으로부터 파장의 1/2 거리나 1파장 거리이다.
발명의 또다른 실시예는 둥글지 않은 애퍼처를 이용한다. 둥근 애퍼처는 그 대칭성 때문에 효과적이지만 다른 대칭 형태가 사용될 수도 있다. 도 11은 장방형 애퍼처(158)를 이용하는 견고한 에미터 판(156)을 도시한다. 도 12는 타원형 애퍼처(162)를 가진 견고한 에미터판(160)의 도면이다. 장방형 및 타원형은 이방성이거나 단일축 박막의 경우 특히 효과적이다. 이는 압전 박막이 장방형이나 타원형의 길이방향 축에 수직으로 수축되거나 팽창할 때 유효파가 발생하기 때문이다.
도 13은 볼록한 에미터판을 가지는 스피커의 실시예이다. 에미터의 볼록한 형태로 인해, 발생되는 음이 평탄한 면의 실시예에서보다 더 넓은 면적에 대해 퍼질 수 있다. 에미터 면의 곡률이 증가함에 따라, 퍼짐 역시 증가한다. 이와는 대조적으로, 도 14에서는 스피커의 방향성을 집중시키는 오목한 에미터 판이 도시된다.
도 15에는 에미터 셀(182)에 의해 발생되는 소리를 퍼뜨리기 위한 곡면형 에미터 판(180)이 나타나 있다. 압전 박막(184)이 에미터 판(180) 아래에 배치되고, 챔버(186)는 아치형 요소를 형성하도록 압력받는다. 챔버 벽(192)과 에미터 판(180) 사이에서 구동되는 전기 접점(190)에 연결된 와이어(188)를 통해 교류 오디오 신호가 공급된다. 챔버의 후방 커버(194) 역시 곡면을 이루며, 압전 박막으로부터 선택된 주파수의 1/4 거리로 설정된다. 선택된 주파수는 후방파에 의해 강화될 주파수이다. 도 16은 오목한 압전 박막(204) 구조를 얻기 위해 곡면 하부와 평탄한 면을 가지는 에미터 판(200)을 포함한다. 후방 커버(206)는 평탄하며, 드럼에 의해 형성되는 챔버(208)는 앞서 기술한 바와 같이 아치형 에미터 선택을 형성하도록 압력을 받는다. 필요할 경우 에미터판(200)의 면이나 후방 커버(206)가 볼록 또는 오목하게 곡면을 이룰 수 있다는 것이 본 공개내용을 바탕으로 명백하다.
발명의 또하나의 실시예에서, 에미터 판에서의 전극은 완벽한 고리가 아니다. 도 17은 반원형의 두 전기 접점을 가지는 에미터면(170)을 도시한다. 제 1 접점(171)과 제 2 접점(172)은 공급되는 별개의 신호들을 가질 수 있다. 이로 인해, 압전 박막의 영역들을 독립적으로 제어할 수 있다. 서로 다른 전기 접점에 공급되는 신호들은 위상 편이될 수 있고, 이는 위상 편이된, 대기의 대응하는 파동을 생성한다. 이 위상 편이된 인접 파동들이 초음파 수준에서 상호작용을 일으킬 때, 파동의 방향성 경로를 변경시킨다. 적절한 위상 관계를 제공함으로서, 음파가 스피커를 물리적으로 이동시키지 않으면서 스피커가 "조향(steered)"될 수 있다. 이는 사용자에게 움직임 효과를 제공한다. 추가적으로, 별개의 전기 접점(174, 176)을 통해 다중 채널이 공급될 수도 있다.
도 18은 네 개의 전기 접점(182, 184, 186, 188)을 가지는 에미터면(170)을 도시한다. 네 개의 접점만이 도시되었으나, 제어도리 필요가 잇는 영역의 수와 크기에 의해서만 접점의 수가 제한된다. 에미터 면에 제작되는 전기 접점이 많을수록, 별도의 압전 영역에 대한 제어가 용이해진다. 각각의 셀들은 독자적인 전기 접점을 가질 수도 있다. 기존 전극 스퍼터링이나 유동 기술에 바탕하여 거의 무제한에 가까운 접점 배열이 가능하다.
압전 박막에 공간적으로 배열되는 전기 접점을 이용한, 앞서와는 다른 두개의 중요한 실시예가 도 19와 20에 도시된다. 도 19는 두개의 동심 전기 접점 고리(212, 214)를 가진 압전 박막(210)을 도시한다. 선호되는 구현에서, 중앙 고리(214)는 전체 원 면적의 1/2를 포함할 것이고 제 2 전기 접점은 완전한 원(214)을 둘러쌀 것이다. 두 전기 고리는 와이어(218, 216)로부터 각각 별도의 전기 신호를 수신할 수 있다. 이 신호들은 음파 조향이나 공간적 음 방향을 생성하기 위해 위상편이될 수 있다. 추가적으로, 각 전극용으로 분리된 별도의 채널이 사용될 수 있다. 예를 들어, 음성 채널같이 한개의 채널이 중앙 고리에 전달될 수 있고, 그후 제 2 채널이 환경 배경음처럼 제 2 고리에 전달될 수 있다. 본질적으로는, 음성 채널과 배경 채널이 압전 박막 상에 공간적으로 믹싱된다. 도 20은 세 개의 전기 접점(220, 222, 224)을 갖춘 전기 접점 실시예의 대안의 배열을 도시한다. 추가적인 접점들은 압전 박막에 가해질 수 있는 제어를 증가시킨다.
압전 박막을 제작하기 위한 종래의 방법은 전체 박막을 금속 코팅으로 스퍼터링하는 것이다. 압전 박막의 전체면에 금속 코팅을 이용하는 것의 단점은, 전압이 공급될 때 움직이면 안되는 일부 박막 부분이 구동된다는 점이다. 예를 들어, 박막의 일부가 클램프 아래일 수 있고, 볼트 아래일 수 있으며, 또는 에미터면에 달리 부착될 수 있다. 움직일 수 없는 영역이 구동될 때, 불필요한 열이 발생한다. 본 발명은 필요한 영역에만 금속 코팅을 공급하거나 스퍼터링을 행함으로서 이 문제를 해결한다. 구동되어서는 안되는 영역으로서 고정자나 클램핑 위치는 금속화되지 않을 것이다. 도 28에서, 압전 박막은 에미터면의 애퍼처(250)를 일치시키도록선택적으로 스퍼터링(252)될 것이고, 박막 중 이동해서는 안되는 영역이 없어질 것이다. 물론, 각각의 금속화 영역은 다른 금속화 영역과 전기적으로 연결되어야만 하고, 이는 필요할 경우 금속화 브리지 접점(254)을 이용함으로서 행하여진다.
또다른 문제점은 접점 영역 근처나 볼트 아래의 금속 영역은 아크를 발생시킬 수 있다는 점이다. 전기 전도 하우징 성분없이 아크 발생을 피하는 패턴으로 박막의 주변에 선택적 스퍼터링이 공급될 수 있다. 액티브 영역만의 금속화는 증폭기가 구동시키도록 요구받는 커패시턴스를 감소시킨다. 선택적 스퍼터링은 공지된 마스크 기술을 이용하여 효과적으로 적용될 수 있다.
도 21은 에미터 판에 부착된 다각형 형태의 압전 박막이다. 작은 기하학적 형태를 이용함으로서 얻어지는 또다른 장점은 큰 에미터 면을 만들기 위해 여러개가 함께 조합될 수 있어서 대형 에미터 다이어프램을 만들때 발견되는 문제들을 감소시킨다는 점이다. 도 22는 한개의 긴 에미터 면을 만들기 위해 함께 합쳐지는 세 개의 다각형 형태 박막 조각들을 도시한다. 규칙적이면서 작은 어떤 기하학적 형태도 사용될 수 있고, 대형 에미터 면을 만들기 위해 모자이크식으로 이어붙을 수 있다.
도 23은 에미터 형성을 위해 육각형 고리에 함께 합쳐지는 압전 박막의 6개짜리 다각형 조각을 도시한다. 고리(240)의 중앙은 액티브 에미터 영역이 아니며, 빈 공간으로 남을 수도 있고 비-압전 물질로 채워질 수도 있다. 도 23에 도시되는 구조의 놀라운 결과는 액티브 중앙 영역을 가지는 육각형 스피커의 출력에 대해 80~90%의 출력을 생성할 수 있다는 것이다. 도 23에 도시되는 구조는 액티브 중앙영역을 가진 육각형에 비해 압전 박막 영역의 50%만을 가지지만, 출력 감소는 10~20%에 지나지 않는다.
도 24와 25는 대형 에미터 형태를 만들기 위해 작은 장방형 압전 박막 부분을 이용하는 발명의 두 실시예를 도시한다. 도 24는 중앙이 빈 사각형 형태로 네 개의 장방형 부분을 조합한 도면이다. 높은 출력을 얻기 위해 더 크거나 더 적은 압전 박막 부분을 이용하여 이를 기하학적 형태로 조합하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 26은 다수의 압전 박막 셀(234)로부터 떨어진 작은 압력 챔버(232)를 가지는 압전 박막 에미터(230)의 도면이다. 압력 챔버(232)는 단일 충진 챔버와 대등하며, 얇은 압력 튜브(236)에 의해 압전 박막 셀(234)에 연결된다. 가압 튜브(236)는 압력 챔버(232)로부터 압력을 전달받아 각 셀(234)의 압적 박막을 아치형 에미터 형태로 형성하게 한다. 각각의 압전 박막 셀은 압전 박막을 아치형 형태로 만들기 위해 충분한 압력을 갖고 있어야 한다. 튜브(236)와 함께 압력 챔버(232)를 이용할 때의 장점은 얇은 튜브를 따라 생기는 압력 차이 손실을 방지할 수 있다는 점이다. 튜브(236)의 공유 영역이 비교적 작기 때문에, 튜브의 이용이 압력을 감소시키지는 않으나, 에미터 셀(234) 각각에 기여를 하게 된다. 추가적으로, 압력 챔버(232)의 크기는 비교적 작다. 왜냐하면 튜브의 작은 부피는 작은 압력 챔버 소스만을 필요로하기 때문이다. 대안으로, 상호연결된 튜브가 공정 챔버나 특정 소스없이 직접 가압될 수 있다. 추가적으로, 압전 박막 셀(234)과 튜브(236)의 수와 배열은 실제적 제약에 의해서만 제한된다.
도 3c와 3d에 도시되는 바와 같이 밀폐 코팅에 대한 보다 자세한 설명이 이제부터 이어질 것이고, 압전 박막을 밀폐시키기 위한 방법이 역시 논의될 것이다. 도 27에서, 밀폐된 압전 박막의 구조가 도시된다. 중앙층이 압전 박막(240)이다. 박막은 PVDF 박막이거나 이와 유사한 압전 코폴리머이다. 밀폐 물질(246)이 PVDF에 공급된다. 밀폐 물질은 PVDC(polyvinylidene chloride)로서, 높은 기체 장벽 성질을 가진다. PVDC는 용매 PVDC에 PVDF를 담그거나, 브러싱, 에어 브러싱을 시시함으로서 압전 박막에 공급될 수 있다. 추가적으로, 박막이 전기적으로 충전되기 전후로 압전 박막에 PVDC가 공급될 수도 있다. PVDC는 압전 박막의 구조로 연결되고 유효 장벽을 제공한다. 유효 장벽은 기체의 박막(240) 통과를 차단시킨다. PVDC가 압전 박막에 공급된 후, 전극(242, 244)이 박막(240)에 스퍼터링되거나 증착될 수 있다. 전극이 박막에 공급된 후 밀폐 물질(PVDC)이 공급될 수도 있다.
앞서 언급한 음향 헤테로다이닝 과정에 의지할 필요없이, 선회되는 실시예와 대안의 실시예가 음파 주파수를 직접 방사할 수 있다는 사실을 앞서 설명으로부터 알 수 있다. 그러나, 가청 스펙트럼의 주파수 범위는 높은 주파수에서 반드시 제한되므로, 발명은 중간 범위와 중간보다 약간 높은 주파수 범위에서 가장 효과적이다. 따라서, 본 발명의 가장 큰 장점은 앞서 설명한 바와 같이 음향 헤테로다이닝을 이용하여 간접적으로 전체 가청 주파수 범위를 발생시키는 데 사용될 때 실현된다.

Claims (68)

  1. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 내면과 외면으로 구성되고 내면과 외면 사이에 다수의 애퍼처가 뻗어가는 견고한 에미터판,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 전기 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결되는 전기 접점 수단, 그리고
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처에서 박막에 대해 바이어스 압력을 전개하고자 에미터 판에 연결되는 압력 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 압전 박막 위에 얇은 폴리머 코팅을 추가로 포함하며, 이때 얇은 폴리머 코팅은 압전 박막을 밀폐시키고 압력 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 박막 폴리머 코팅이 PVDC(polyvinylidene chloride)인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 압력 수단 내에 무거운 비활성 기체를 추가로 포함하며, 이때 무거운 비활성 기체는 압전 박막을 통한 기체 누출을 감소시키는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 무거운 비활성 기체가 질소인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 애퍼처에는 중심이 있고, 애퍼처 중심으로부터 애퍼처 중심까지 선택된 주파수 파장의 1/4에서 1/2만큼 애퍼처가 이격되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 견고한 에미터 판이 파 출력을 퍼뜨리도록 볼록한 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 견고한 에미터 판이 파 출력을 집중시키기 위해 오목한 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 애퍼처 직경이 0.050~0.600 인치 사이인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 압력 수단 내 바이어싱 압력이 0~20 psi 사이인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 압전 박막의 둘레 주위로 압력 밀폐 소자를 추가로 포함하고, 이때 상기 압력 밀폐 소자는 압전 박막의 구동을 위한 전기적 접점 수단으로 이용되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 압전 박막의 두께가 9미크론, 애퍼처 직경이 0.160인치, 그리고 바이어스 압력이 5psi이며, 이때 35kHz의 공진 주파수가 생성되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 압전 박막 두께가 12 미크론, 애퍼처 직경이 0.168인치, 그리고 바이어스 압력이 6psi이며, 이때 35kHz의 공진 주파수가 생성되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 압전 박막 두께가 25 미크론 미만이고, 애퍼처 직경이 0.200 인치 미만이며, 바이어스 압력이 12psi 미만이고, 이때 35~60kHz의 공진 주파수가 생성되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 견고한 에미터 판에 압전 박막을 고정시키기 위한 클램핑 부재를 추가로 포함하고, 이때 클램핑 부재에는 에미터 면 내 다수의 애퍼처에 대응하는 다수의 클램핑 애퍼처가 위치하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 측벽과 제 1, 2 대향 수단을 가지는 속이빈 드럼을 추가로 포함하고, 이때 견고한 에미터 판이 드럼의 제 1 단부에 부착되고, 내면은 드럼의 내부 캐버티를 향해 배치되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 애퍼처에서 박막에 대해 양의 바이어스 압력을 전개학 위해 압력 수단이 드럼에 연결되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 스피커 장치는,
    - 압전 박막에 초음파 신호를 공급하기 위한 초음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 신호로 변조될 음파 신호를 공급하기 위한 음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 반송파를 변조된 음파 신호로 전개하기 위해 초음파 주파수 발생 수단과 음파 주파수 발생 수단에 연결되는 변조 수단,
    - 에미터 판에서 대응하는 압축파 발생을 자극하고자 반송파와 변조 음파를 압전 박막에 공급하기 위해 변조 수단에 연결되는 전송 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  19. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 측벽과 제 1, 2 대향 수단으로 구성된 속이빈 드럼,
    - 드럼의 제 1 단부에 부착되어 그 내면과 외면 사이에서 뻗어가는 다수의 애퍼처를 가지는 견고한 에미터 판,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 전기식 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결되는 전기적 접점 수단,
    - 압전 박막에서 전기적 입력 변화에 따라 수축 및 팽창을 할 수 있도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성할 수 있도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하고자 애퍼처에서 박막에 대해 바이어스 압력을 전개하기 위해 드럼에 연결되는 압력 수단, 그리고
    - 드럼의 내부 캐버티 안쪽에 배치되어 선택된 주파수 개선을 위해 압전 박막으로부터 이격되어 위치하는 파 보강 구조
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 파 보강 구조는 드럼의 제 2 대향 단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  21. 제 19 항에 있어서, 파 보강 구조는 압전 박막으로부터 선택 주파수의 1/4, 1/2, 그리고 1 파장으로 구성되는 거리 그룹으로부터 선택되는, 압전 박막으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  22. 제 19 항에 있어서, 파 보강 구조는 압전 박막으로부터 반송파 주파수의 1/4, 1/2, 그리고 1파장으로 이루어지는 거리 그룹으로부터 선택되는, 압전 박막으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  23. 제 19 항에 있어서, 파 보강 구조는 압전 박막으로부터 공진 주파수의 1/4, 1/2, 그리고 1파장으로 이루어지는 거리 그룹으로부터 선택되는, 압전 박막으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  24. 제 19 항에 있어서, 파 보강 구조가 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 스피커 장치는,
    - 압전 박막에 초음파 신호를 공급하기 위한 초음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 신호로 변조될 음파 신호를 공급하기 위한 음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 반송파를 변조된 음파 신호로 전개하기 위해 초음파 주파수 발생 수단과 음파 주파수 발생 수단에 연결되는 변조 수단,
    - 에미터 판에서 대응하는 압축파 발생을 자극하고자 반송파와 변조 음파를 압전 박막에 공급하기 위해 변조 수단에 연결되는 전송 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  26. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 내면과 외면으로 구성되고 내면과 외면 사이에 다수의 애퍼처가 뻗어가는 견고한 에미터판,
    - 이때 애퍼처 형태는 장방형과 타원형 애퍼처로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 이때 애퍼처는 길이방향 축을 가지며,
    - 기계적 응력축이 애퍼처 형태의 길이방향 축에 수직이도록 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 등방성 압전 박막,
    - 전기 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결되는 전기 접점 수단, 그리고
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처에서 박막에 대해 바이어스 압력을 전개하고자 에미터 판에 연결되는 압력 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  27. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 내면과 외면으로 구성되고 내면과 외면 사이에 다수의 애퍼처가 뻗어가는 견고한 에미터판,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 전기 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결되는 두개 이상의 전극, 그리고
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처에서 박막에 대해 바이어스 압력을 전개하고자 에미터 판에 연결되는 압력 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 두개 이상의 전극은 압전 박막의 분리된 변부 상에 위치하고, 전극들은 압전 박막의 분리된 영역들을 독립적으로 제어하는 데 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  29. 제 27 항에 있어서, 두개 이상의 전극이 두개 이상의 동심 고리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  30. 제 27 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 측벽과 제 1, 2 대향 수단을 가지는속이 빈 드럼을 추가로 포함하고, 이때 견고한 에미터 판이 드럼의 제 1 단부에 부착되고 내면은 드럼의 내부 캐버티를 향해 배치되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  31. 제 27 항에 있어서, 애퍼처에서 박막에 대해 양의 바이어스 압력을 전개하기 위해 압력 수단이 드럼에 연결되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  32. 제 27 항에 있어서, 상기 스피커 장치는,
    - 압전 박막에 초음파 신호를 공급하기 위한 초음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 신호로 변조될 음파 신호를 공급하기 위한 음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 반송파를 변조된 음파 신호로 전개하기 위해 초음파 주파수 발생 수단과 음파 주파수 발생 수단에 연결되는 변조 수단,
    - 에미터 판에서 대응하는 압축파 발생을 자극하고자 반송파와 변조 음파를 압전 박막에 공급하기 위해 변조 수단에 연결되는 전송 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  33. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 견고한 에미터 판,
    - 이때 견고한 에미터판에는 외면이 있고 다수의 에미터 셀이 에미터 판 내에 형성되며, 이때 각각의 에미터 셀은 외면을 통해 애퍼처와 별개의 압력 캐버티를 가지며,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 에미터 셀을 상호연결하는 다수의 튜브,
    - 전기 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결되는 전기 접점 수단, 그리고
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처에서 박막에 대해 바이어스 압력을 전개하고자 다수의 튜브에 연결되는 압력 챔버 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  34. 압전 박막을 통한 기체 전달을 방지하기 위해 압전 박막을 밀폐시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    a) 압전 박막을 제공하고, 그리고
    b) 압전 박막을 밀폐시키고 기체가 박막을 통과하는 것을 방지하기 위해 압전 박막의 한개 이상의 측부에 얇은 폴리머 코팅을 결합시키는,
    이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 얇은 폴리머 코팅과 압전 박막 위에 전극을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 34 항에 있어서, 얇은 폴리머 코팅이 결합되기 전에 압전 박막 위에 전극을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 34 항에 있어서, 얇은 폴리머가 PVDC(polyvinylidene chloride) 층인 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 34 항에 있어서, 압전 박막이 PVDF(polyvinylidene di-fluoride)인 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 37 항에 있어서, PVDC를 공급하는 단계는 브러싱, 에어 브러싱, 담금 중 한 단계를 이용하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 34 항에 있어서, 단계 c)는 전기적으로 구동되어서는 안되는 영역을 피하고자 압전 박막과 PVDC층 위에 선택된 패턴의 전극을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 내면과 외면으로 구성되고 내면과 외면 사이에 다수의 애퍼처가 뻗어가는견고한 에미터판,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 전기 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결되는 전기 접점 수단, 그리고
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처에서 박막에 대해 양의 바이어스 압력을 전개하고자 에미터 판에 연결되는 압력 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  42. 제 41 항에 있어서, 압전 박막이 에미터 판의 애퍼처 하, 내면에 배치되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  43. 제 41 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 압전 박막에 얇은 폴리머 코팅을 추가로 포함하고, 이때 얇은 폴리머 코팅은 압전 박막을 밀폐시키고 압력 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  44. 제 43 항에 있어서, 얇은 폴리머 코팅이 PVDC(polyvinylidene chloride)인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  45. 제 41 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 압력 수단 내에 무거운 비활성 기체를 추가로 포함하고, 이때 무거운 비활성 기체는 압전 박막을 통한 기체 누출을 감소시키는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  46. 제 45 항에 있어서, 무거운 비활성 기체가 질소인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  47. 제 41 항에 있어서, 애퍼처의 중심에서부터 애퍼처 중심까지 선택된 주파수 파장의 1/4에서 1/2가지 애퍼처가 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  48. 제 41 항에 있어서, 견고한 에미터 판이 파동 출력을 퍼뜨리기 위해 볼록한 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  49. 제 41 항에 있어서, 견고한 에미터 판이 파동 출력을 집중시키기 위해 오목한 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  50. 제 41 항에 있어서, 애퍼처 직경이 0.050~0.060 인치 사이인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  51. 제 41 항에 있어서, 압력 수단 내 양의 바이어스 압력이 0~20psi 사이인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  52. 제 41 항에 있어서, 압전 박막이 대략 9미크론, 애퍼처 직경이 0.160 인치, 양의 바이어스 압력이 5psi이며, 이때 35kHz의 공진 주파수가 생성되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  53. 제 41 항에 있어서, 압전 박막 두께가 대략 12 미크론, 애퍼처 직경이 0.168 인치, 그리고 양의 바이어스 압력이 6psi이며, 이때 35kHz의 공진 주파수가 생성되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  54. 제 41 항에 있어서, 압전 박막 두께가 25 미크론 미만이고, 애퍼처 직경이 0.600 인치 미만이며, 바이어스 압력이 12psi 미만이고, 이때 35~60kHz의 공진 주파수가 생성되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  55. 제 41 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 견고한 에미터판에 압전 박막을 고정시키기 위해 클램핑 부재를 추가로 포함하고, 이때 에미터 면 내 다수의 애퍼처에 대응하는 다수의 클램핑 애퍼처가 클램핑 부재에 위치하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  56. 제 41 항에 있어서, 상기 스피커 장치는 드럼의 내부 캐버티 안에 배치되는 파동 보강 구조를 추가로 포함하고, 이때 상기 파동 보강 구조는 선택된 주파수 개선을 위해 압전 박막으로부터 어떤 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  57. 제 56 항에 있어서, 파동 보강 구조가 드럼의 제 2 대향 단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  58. 제 56 항에 있어서, 파 보강 구조가 압전 박막으로부터 선택된 주파수의 1/4, 1/2, 1 파장으로 구성되는 거리 그룹으로부터 선택되는, 압전 박막으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  59. 제 56 항에 있어서, 파 보강 구조가 압전 박막으로부터 반송파 주파수의 1/4, 1/2, 1 파장으로 구성되는 거리 그룹으로부터 선택되는, 압전 박막으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  60. 제 56 항에 있어서, 파 보강 구조가 압전 박막으로부터 반송파 주파수의 1/4 파장인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  61. 제 56 항에 있어서, 파 보강 구조가 압전 박막으로부터 공진 주파수의 1/4, 1/2, 1 파장으로 구성되는 거리 그룹으로부터 선택되는, 압전 박막으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  62. 제 56 항에 있어서, 파 보강 구조가 압전 박막으로부터 공진 주파수의 1/4 파장인 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  63. 제 56 항에 있어서, 파동 보강 구조가 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  64. 제 41 항에 있어서, 상기 스피커 장치는,
    - 압전 박막에 초음파 신호를 공급하기 위한 초음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 신호로 변조될 음파 신호를 공급하기 위한 음파 주파수 발생 수단,
    - 초음파 반송파를 변조된 음파 신호로 전개하기 위해 초음파 주파수 발생 수단과 음파 주파수 발생 수단에 연결되는 변조 수단,
    - 에미터 판에서 대응하는 압축파 발생을 자극하고자 반송파와 변조 음파를 압전 박막에 공급하기 위해 변조 수단에 연결되는 전송 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  65. 압축 아음파, 음파, 또는 초음파를 방사하기 위한 스피커 장치로서, 상기 장치는,
    - 측벽과 제 1, 2 대향 단부를 가지는 속이 빈 드럼,
    - 내면과 외면으로 구성되어 드럼의 제 1 단부에 부착되고 내면과 이면 사이에서 다수의 애퍼처가 뻗어가는 에미터 판,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 전기식 입력을 제공하기 위해 압전 박막에 연결된 전기 접점 수단,
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기 위해 애퍼처에서 박막에 대해 음의 바이어스 압력을 전개하고자 드럼에 연결되는 압력 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  66. 제 65 항에 있어서, 압전 박막이 애미터판의 애퍼처 위 외면에 배치되는 것을 특징으로 하는 스피커 장치.
  67. 서로 다른 값을 가지는 두개 이상의 초음파 주파수로부터 한개 이상의 새로운 음파나 아음파 주파수를 간접적으로 발생시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    - 외면과 내면으로 구성되어 외면과 내면 사이에서 다수의 애퍼처가 뻗어가는 에미터 판,
    - 에미터 판의 애퍼처 사이에 배치되는 압전 박막,
    - 압전 박막에서 전기적 입력의 변화에 따라 수축 및 팽창이 가능하도록, 그래서 주변 환경에 압축파를 생성하도록, 박막을 아치형 에미터 구조로 부풀게하기위해 애퍼처에서 박막에 대해 음의 바이어스 압력을 전개하고자 에미터 판에 연결되는 압력 수단, 그리고
    - 다수의 애퍼처와 관련 아치형 에미터 요소에서 진동 응답을 전개하고자 압전 박막에 연결되는 전기 접점 수단
    을 포함하고, 이때 음파 대역폭 내에서 차이 주파수를 전파하기 위해 i) 제 1 초음파 주파수와 제 1 초음파 주파수와 상호작용하는 ii) 제 2 초음파 주파수를 동시에 전파하기 위해 초음파 주파수 에미터로 진동이 작동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  68. 제 67 항에 있어서, 전기식 접촉 수단은 막에 연결되는 변조 수단을 포함하고 따라서 입력 초음파 주파수와 음파 주파수의 변조 출력으로 제 1 초음파 주파수와 제 2 초음파 주파수를 발생시키기 위한 전기 신호를 공급할 수 있으며, 이때 상기 제 1, 2 초음파 주파수는 한개 이상의 새로운 음파나 아음파 주파수와 동일한 값 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
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