KR20230165896A

KR20230165896A - 비대칭 에어 펄스를 생성하는 에어 펄스 발생 장치

Info

Publication number: KR20230165896A
Application number: KR1020230068265A
Authority: KR
Inventors: 젬 예 량; 졔 런; 엘드윈 지아치앙 응
Original assignee: 엑스멤스 랩스 인코포레이티드
Priority date: 2022-05-28
Filing date: 2023-05-26
Publication date: 2023-12-05
Also published as: JP2023174649A; TW202410703A

Abstract

에어 펄스 발생 장치는 필름 구조물을 포함한다. 필름 구조물은 초음파 반송파 주파수로 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성하도록 구동된다. 필름 구조물은 초음파 반송파 주파수와 동기화된 레이트로 개구부를 형성하도록 구동된다. 에어 펄스 발생 장치는 진폭 변조된 초음파 기압 변화에 따라 복수의 에어 펄스를 생성하며, 복수의 에어 펄스는 비대칭이다.

Description

비대칭 에어 펄스를 생성하는 에어 펄스 발생 장치{Air-Pulse Generating Device Producing Asymmetric Air Pulses}

본 발명은 에어 펄스(air-pulse) 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비대칭 에어 펄스를 생성하고 동기식 복조를 수행할 수 있는 에어 펄스 발생 장치에 관한 것이다.

스피커 드라이버와 후면 인클로저는 스피커 산업에서 두 가지 주요 설계 과제이다. 기존의 스피커는 예를 들어, 20Hz에서 20KHz까지의 전체 오디오 주파수 대역을 커버하기가 어렵다. 충분히 높은 음압 레벨(sound pressure level, SPL)로 충실도 높은 사운드를 생성하기 위해서는, 기존 스피커에 대한 방사/이동 표면과 후면 인클로저의 볼륨/크기가 모두 충분히 커야 한다.

따라서 기존 스피커가 직면한 설계 문제를 극복하면서 소형 사운드 생성 장치를 설계하는 방법이 이 분야에서 중요한 목표이다.

따라서 본 발명의 주요 목적은 종래 기술의 단점을 개선하기 위해 에어 펄스 발생 장치를 제공하는 것이다.

본 개시의 일 실시예는 필름 구조물(film structure)을 포함하는 에어 펄스 발생(generating) 장치를 제공하며; 필름 구조물은 초음파 반송파 주파수(ultrasonic carrier frequency)로, 진폭 변조된 초음파 기압 변화(ultrasonic air pressure variation)를 형성하도록 구성되고; 필름 구조물은 초음파 반송파 주파수와 동기화된 레이트(rate)로 개구부를 형성하도록 구동되며; 에어 펄스 발생 장치는 진폭 변조된 초음파 기압 변화에 따라 복수의 에어 펄스를 생성하며(produce), 복수의 에어 펄스는 비대칭이다.

본 개시의 일 실시예는 에어 펄스 발생 장치를 제공하며, 에러 펄스 발생 장치는, 변조 작동을 수행하여 초음파 반송파 주파수로, 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 발생시키도록 구성된 변조 수단 - 진폭 변조된 초음파 기압 변화는 입력 오디오 신호에 따라 진폭 변조되고, 입력 오디오 신호는 사운드 신호의 전기적 표현임 -; 및 진폭 변조된 초음파 기압 변화의 스펙트럼 컴포넌트가 초음파 반송파 주파수의 정수배의 양만큼 시프트되도록, 진폭 변조된 초음파 기압 변화에 대해 동기식 복조 작동을 수행하도록 구성된 복조 수단을 포함하고, 에어 펄스 발생 장치는 동기식 복조 작동을 수행하는 것을 통해 복수의 에어 펄스를 생성하며, 복수의 에어 펄스의 가청 스펙트럼 컴포넌트는 사운드 신호에 대응한다.

본 발명의 이러한 목적 및 기타 목적은 다양한 도면 및 그림에 예시된 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽은 후 당업자에게 의심할 바 없이 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복조 구동 신호 및 변조 구동 신호의 파형을 예시한다(illustrate).
도 3은 도 1의 장치에 대응하는 시뮬레이션된 결과를 예시한다.
도 4는 도 1의 APG 장치의 음압 레벨의 시뮬레이션된 주파수 응답을 플롯한다(plot).
도 5는 도 1의 장치에 대응하는 시뮬레이션된 결과를 예시한다.
도 6은 도 1의 장치에 대응하는 시뮬레이션된 결과를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 9는 도 1의 장치의 에너지 전달 비율의 주파수 응답을 예시한다.
도 10은 도 8의 장치의 에너지 전달 비율의 주파수 응답을 예시한다.
도 11은 도 8의 장치에 대한 제조 방법의 공정을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 구동 신호 배선 방식을 예시한다.
도 14는 도 12의 장치의 주파수에 대한 SPL 측정 결과를 예시한다.
도 15는 도 12의 장치의 피크 대 피크 전압에 대한 SPL 측정 결과를 예시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 18은 도 17의 장치와 유사한 장치의 FEM(finite element method) 시뮬레이션된 압력 프로필의 스냅샷을 예시한다.
도 19는 도 17의 장치의 주파수에 대한 이어(ear) 커플러 SPL 측정 결과를 d예시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 밸브 개방의 타이밍 정렬의 예시를 보여준다(demonstrate).
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 개략도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 밸브 개방의 타이밍 정렬의 예시를 보여준다.
도 28은 서로 다른 비대칭도를 갖는 하나의 작동 사이클 내의 전체 사이클 펄스를 예시한다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 평면도의 개략도이다.
도 30은 도 29의 에어 펄스 발생 장치의 평면도의 개략도이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 평면도이다.
도 32는 도 31의 에어 펄스 발생 장치에 대한 두 세트의 (복조)변조 구동 신호의 파형을 예시한다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생 장치의 평면도이다.
도 34는 각각의 컴포넌트의 기능 및 그에 대응하는 주파수 도메인 효과의 시스템 관점을 예시한다.

본 발명의 근본적인 측면은 에어 펄스 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변조 수단 및 복조 수단을 포함하는 에어 펄스 발생 장치에 관한 것이며, 변조 수단은 주파수 f _UC를 갖는 초음파 기압파/변화(ultrasonic air pressure wave/variation, UAW)를 발생시키며, UAW의 진폭은 사운드 신호(sound signal, SS)의 전기적(아날로그 또는 디지털) 표현인 입력 오디오 신호(S_IN)에 따라 변조된다. 이 진폭 변조된 초음파 기압파/변화(amplitude modulated ultrasonic air pressure wave/variation, AMUAW)는 그다음 AMUAW에 내장된 스펙트럼 컴포넌트가 ±n·f _UC만큼 시프트되도록 복조 수단에 의해 동기식으로 복조되며, n은 양의 정수이다. 이러한 동기식 복조의 결과, 사운드 신호(SS)에 대응하는 AMUAW의 스펙트럼 컴포넌트는 부분적으로 기저대역으로 전송되고 그 결과 가청(audible) 사운드 신호(SS)가 재생된다. 여기서, 진폭 변조된 초음파 기압파/변화(AMUAW)는 초음파 반송파 주파수 f _UC를 갖는 반송파 컴포넌트와 입력 오디오 신호(S_IN)에 대응하는 변조 컴포넌트에 대응될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펄스 발생(air-pulse generator, APG) 장치(100)의 개략도를 도시한다. 장치(100)는 입력(오디오) 신호(S_IN)에 따라 음향 사운드(acoustic sound)를 생성하는 사운드 생성 장치로 적용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

장치(100)는 장치 층(device layer)(12) 및 챔버 정의 층(chamber definition layer)(11)을 포함한다. 장치 층(12)은 벽(124L, 124R) 및 플랩(101, 103, 105, 107)에 에칭되는 박막 층을 지지하는 지지 구조물(123R, 123L)을 포함한다. 일 실시예에서, 장치 층(12)은 예를 들어 250~500μM 두께의 Si 기판을 사용하여 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 제조 공정에 의해 제조될 수 있으며, 이는 에칭되어 123L/R 및 124R/L을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 이 Si 기판의 상부(top)에서, SOI(silicon on insulator) 또는 POI(POLY on insulator) 층으로 만들어진, 두께가 전형적으로 3~6μM인 얇은 층이 에칭되어 플랩(101, 103, 105, 107)을 형성할 것이다.

챔버 정의 층("캡(cap)" 구조물로도 간주/명명될 수 있음)(11)은 한 쌍의 챔버 측벽(sidewall)(110R, 110L) 및 챔버 천장(ceiling)(117)을 포함한다. 일 실시예에서, 챔버 정의 층(또는 캡 구조물)(11)은 MEMS 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 공진(resonance) 챔버(115)는 이 챔버 정의 층(11)과 장치 층(12) 사이에 정의된다.

달리 말하면, 장치(100)는 필름 구조물(10) 및 캡 구조물(11)을 포함하고 그 사이에 챔버(115)가 형성되는 것으로 볼 수 있다. 필름 구조물(10)은 변조 부분(104) 및 복조 부분(102)를 포함하는 것으로 볼 수 있다. (변조) 플랩(105, 107)을 포함하는 변조 부분(104)은 챔버(115) 내에서 초음파 에어/음향파(air/acoustic wave)를 형성하기 위해 가동되도록(actuated) 구성되며, 에어/음향파는 시간적으로 및 공간적으로 모두 변화하는 기압(air pressure) 변화의 일종으로 볼 수 있다. 일 실시예에서, 초음파 에어/음향파 또는 기압 변화는 초음파 반송파 주파수 f _UC를 갖는 진폭 DSB-SC(double-sideband suppress carrier) 변조된 에어/음향파일 수 있다. 초음파 반송파 주파수 f _UC는 예를 들어 인간이 들을 수 있는 사운드의 최대 주파수보다 훨씬 큰 160KHz ~ 192KHz의 범위에 있을 수 있다.

에어파(air wave)와 음향파(acoustic wave)라는 용어는 아래에서 상호 교환적으로 사용될 것이다.

(복조) 플랩(101, 103)을 포함하는 복조 부분(102)은 변조 부분(102)과 동기적으로 작동하도록 구성되어, 변조 부분(104)에 의해 생성된 DSB-SC 변조된 음향파의 스펙트럼 컴포넌트를 ±n×f _UC만큼 시프트하며 - n은 양의 정수임 -, 챔버(115) 내의 초음파 에어파에 따라 주변(ambient)을 향한 복수의 에어 펄스를 생성하므로, (챔버(115) 내의 초음파 에어파에 따라 복조 부분(102)에 의해 생성되는) 복수의 에어 펄스의 기저대역 주파수 컴포넌트가 입력(오디오) 신호(S_IN)이거나 이에 대응/관련되며, 여기서 복수의 에어 펄스의 저주파수 컴포넌트는 가청 스펙트럼(예: 20 또는 30KHz 이하) 내에 있는, 복수의 에어 펄스의 주파수 컴포넌트를 지칭한다. 여기서 기저대역은 일반적으로 가청 스펙트럼을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

다시 말해서, 사운드 생성 애플리케이션에서, 변조 부분(104)은 입력 오디오 신호(S_IN)에 따라 변조된 에어파를 형성하도록 가동될 수 있고, 복조 부분(102)은 변조 부분(104)과 동기화되어 작동하고, 입력 오디오 신호(S_IN)로서(또는 그에 대응하는/관련된) 저주파 컴포넌트를 갖는 복수의 에어 펄스를 생성한다. 사운드 생성 애플리케이션의 경우, f _UC가 f _UC ≥ 96KHz 5×20KHz와 같이 통상적으로 인간이 들을 수 있는 가장 높은 주파수보다 훨씬 높으며, 복수의 에어 펄스에 대한 자연/환경 저역 통과 필터링 효과(벽, 바닥, 천장, 가구 또는 초음파의 높은 전파 손실 등과 같은 물리적 환경 및 외이도, 고막, 추골, 침골, 등골 등과 같은 인간의 귀 시스템에 의해 야기됨)를 통해, 청취자가 인지하는 것은 입력 오디오 신호(S_IN)에 의해 표현되는 가청 사운드 또는 음악 뿐이다.

예시적으로, 도 34는 (복조)변조((de)modulation) 작동 전후의 신호의 주파수 스펙트럼을 도시하여 (복조)변조 작동의 효과를 개념적/도식적으로 보여준다. 도 34에서, 변조 작동은 사운드 신호(SS)의 전기적(아날로그 또는 디지털) 표현인 입력 오디오 신호(S_IN)에 따라 W(f)로 도시된 스펙트럼을 갖는 진폭 변조된 초음파 음향/에어파(UAW)를 생성한다. S_IN/SS의 스펙트럼은 도 34에서 S(f)로 표현된다. Z(f)로 예시된 스펙트럼을 갖는 초음파 펄스 어레이(ultrasonic pulse array, UPA)(복수의 펄스를 포함)를 생성하는 동기식 복조 작동은, 초음파 음향/에어파 (ultrasonic acoustic/air wave, UAW)의 스펙트럼 컴포넌트를 ±n×f _UC(n은 정수) 만큼 시프트하는 것(단계를 포함)으로 볼 수 있으며, 사운드 신호(SS)에 대응하는 초음파 에어파(ultrasonic air wave, UAW)의 스펙트럼 컴포넌트가 부분적으로 기저대역으로 전달된다. 따라서 Z(f)로부터 볼 수 있는 바와 같이, 초음파 펄스 어레이(UPA)의 기저대역 컴포넌트는 진폭 변조된 UAW W(f)에 비해 중요하다. 초음파 펄스 어레이(UPA)는 주변을 향해 전파된다. 자연/물리적 환경과 인간의 청각 시스템의 고유한 저역 통과 필터링 효과를 통해, 결과적으로 사운드 신호(SS)에 대응하는 스펙트럼 Y(f)를 재생할 수 있다.

정현파 반송파(sinusoidal carrier)를 사용하는 종래의 DSB-SC 진폭 변조와 달리, W(f)는 ±3×f _UC, ±5×f _UC 그리고 f _UC의 고차 고조파(도 34에 도시되지 않음)에서의 컴포넌트를 갖는다는 점에 유의한다. 이는 본 발명의 변조의 반송파가 순수한 정현파가 아니기 때문이다.

다시 도 1을 참조하면, 동기 복조 작동의 실시예로서, 복조 부분(102)은 변조된 에어파의 피크(들)에 대응/정렬된 시간 및 위치에서 개구부(112)를 형성하도록 가동될 수 있다. 달리 말하면, 변조된 에어파가 개구부(112)의 위치에서 피크에 도달할 때, 개구부(112)도 피크에 도달하도록 복조 부분(102)이 가동될 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에서, 복조 부분(102)은 표면 대 표면, 또는 111L 내지 111R를 갖는 측벽(110L, 110R) 사이의 중심 위치에 개구부(112)를 형성하며, (실질적으로) 이들 사이에서 λ_UC의 간격이 있으며, 플랩(101, 103)이 측벽(110L, 110R)으로부터 또는 측벽 표면(111L, 111R)으로부터 (실질적으로) λ_UC/2 떨어져 있는 것을 의미하며, 여기서 λ_UC는 초음파 반송파 주파수 f _UC에 대응하는 파장을 나타내며, 즉 사운드의 속도인 C를 이용하여 λ_UC = C/f _UC이다.

일 실시예에서, 복조 부분(102)은 초음파 반송파 주파수 f _UC에/와 동기화되는 밸브 개방 레이트로 개구부(112)를 형성하도록 가동될 수 있다. 본 발명에서, 초음파 반송파 주파수 f _UC에/와 동기화되는 밸브 개방 레이트는 일반적으로 밸브 개방 레이트가 초음파 반송파 주파수 f _UC에 유리수를 곱한 것, 즉 f _UC×(N/M)를 지칭하며, N 및 M은 정수를 나타낸다. 일 실시예에서, (개구부(112)의) 밸브 개방 레이트는 초음파 반송파 주파수 f _UC일 수 있다. 예를 들어, 밸브/개구부(112)는 작동 사이클 T_CY마다 개방될 수 있으며, 작동 사이클 T_CY는 초음파 반송파 주파수 f _UC의 역수, 즉 T_CY=1/f _UC이다.

본 발명에서, (복조)변조 부분(102/104)은 또한 (복조)변조 플랩 쌍을 표시하는(denote) 데 사용된다. 또한 개구부(112)를 형성하는 복조 부분(또는 플랩 쌍)(102)은 특정 밸브/복조 구동 신호에 따라 (주기적으로) 개폐 이동(open-and-close movement)을 수행하고 개구부(112)를 형성하는, 가상의 밸브로 간주될 수 있다.

일 실시예에서, 변조 부분(104)은 도 1에 예시된 압력 프로필(P104) 및 기류(airflow) 프로필(U104)과 같이 공진 챔버(115) 내에서 모드-2(또는 2차 고조파) 공진(또는 정재파(standing wave))을 실질적으로 생성할 수 있다. 이와 관련하여, 측벽 표면(111L, 111R) 사이의 간격은 실질적으로 초음파 반송파 주파수 f _UC에 대응하는 전체 파장 λ_UC을 정의하며, 즉 W115

λ_UC = C/f _UC이다. 또한 도 1에 도시된 실시예에서, 변조 플랩(105/107)의 자유 단부는 측벽(110L/110R)에 의해 배치된다.

변조된 에어파를 발생시키는 변조와 개구부(112)를 형성하는 복조 사이의 상호 변조(또는 교차 결합(cross-coupling))가 발생할 수 있으며, 이로 인해 음질이 저하될 수 있다. 음질을 향상시키기 위해서는 상호 변조(또는 교차 결합)를 최소화하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해(즉, 변조와 복조 사이의 교차 결합을 최소화하기 위해), 변조 플랩(105, 107)은 공통 모드 이동(common mode movement)을 갖도록 구동되고 복조 플랩(101, 103)은 차동 모드 이동(differential-mode movement)을 갖도록 구동된다. 공통 모드 이동을 갖는 변조 플랩(105, 107)은 플랩(105, 107)이 동일한 방향을 향해 이동하도록 동시에 가동/구동됨을 의미한다. 차동 모드 이동을 갖는 복조 플랩(101, 103)은 플랩(101, 103)이 반대 방향을 향해 이동하도록 동시에 가동됨을 의미한다. 또한 일 실시예에서, 플랩(101, 103)은 (실질적으로) 동일한 변위(displacement)/매그니튜드(magnitude)로 반대 방향을 향해 이동하도록 가동될 수 있다.

복조 부분(102)는 도 1에 예시된 복조 부분(102)에 의해 형성되는 압력 프로필(P102) 및 기류 프로필(U102)과 같이, 공진 챔버(115) 내에서 모드-1(또는 1차 고조파) 공진(또는 정재파)을 실질적으로 생성할 수 있다. 따라서 복조 부분(102)은 W115

λ_{D_V}/2가 되도록 밸브 작동/구동 주파수 f _{D_V}(밸브/복조-구동 신호에 대응)에서 작동해야 하며, 여기서 λ_{D_V} = C/f _{D_V}이고, 밸브 작동/구동 주파수는 초음파 반송파 주파수 f _UC의 절반이어야 하며 즉, f _{D_V} = f _UC/2이다.

공통 모드 이동 및 차동 모드 이동은 (복조)변조 구동 신호에 의해 구동될 수 있다. 도 2는 복조 구동 신호(S101, S103) 및 변조 구동 신호(SM)의 파형을 예시한다. 변조 구동 신호(SM)는 변조 플랩(105, 107)을 구동하는 데 사용된다. 복조 구동 신호(또는 밸브 구동 신호)(S101, S103)는 각각 복조 플랩(101, 103)을 구동하는 데 사용된다.

일 실시예에서 변조 구동 신호(SM)는 입력 오디오 신호(S_IN)에 따라 변조된 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 신호로 볼 수 있다. 또한, 종래의 PAM 신호와 달리, 신호(SM)의 (정전압에 대해) 극성은 하나의 작동 사이클 T_CY 내에서 토글된다(toggled). 일반적으로, 변조-구동 신호(SM)는 (정전압에 대해) 교번 극성(alternating polarities)을 갖는 펄스를 포함하고, 펄스의 포락선(envelope)/진폭은 입력 오디오 신호(S_IN)의 AC(alternative current) 컴포넌트와 (실질적으로) 동일하거나 대응/비례한다. 달리 말하면, 변조 구동 신호(SM)는 펄스 진폭 변조 신호를 포함하거나 정전압에 대해 교번 극성을 갖는 PAM 변조된 펄스를 포함하는 것으로 볼 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 변조 구동 신호(SM)의 토글링 비율(toggling rate)은 2×f _UC이며, 이는 변조 구동 신호(SM) 내 펄스의 극성이 하나의 작동 사이클 T_CY에서 두 번 교번/토글됨을 의미한다.

복조 구동 신호(S101, S103)는 (일정/평균 전압에 대해) 진폭은 같지만 극성이 반대인 2개의 구동 펄스를 포함한다. 달리 말하면, 특정 시간에, S101은 (일정/평균 전압에 대해) 제1 극성을 갖는 제1 펄스를 포함하고, S103은 (일정/평균 전압에 대해) 제2 극성을 갖는 제2 펄스를 포함하며, 제1 극성은 제2 극성과 반대이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 복조 구동 신호(S101/S103)의 토글링 비율은 f _UC이며, 이는 복조 구동 신호(S101/S103) 내 펄스의 극성이 하나의 작동 사이클 T_CY에서 한 번 교번/토글됨을 의미한다. 따라서 변조 구동 신호(SM)의 토글링 비율은 복조 구동 신호(S101/S103)의 토글링 비율의 2배이다.

S101/S103의 기울기(및 연관된 음영 영역)는 전압 레벨 간 천이 중 에너지 재활용을 나타내는 단순화된 도면이다. 신호들(S101 및 S103)의 천이 주기가 중첩됨을 유의한다. 플랩(101/R)의 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)가 대부분 용량성 부하이면, LC 발진기의 특성을 사용하여 에너지 재활용을 실현할 수 있다. 에너지 재활용 개념의 세부 사항은 여기에 참조로 통합된 미국 특허 제11,057,692호를 참조할 수 있다. 압전 액추에이터가 일 실시예로서 역할을 하며, 이에 한정되지 않음에 유의한다.

플랩 쌍(102)이 상이하게 구동됨을 강조하기 위해, 신호(S101, S103)는 또한 -SV 및 +SV로 표시될 수 있으며, 이는 이 구동 신호 쌍이 동일한 파형을 갖지만 극성이 상이하다는 것을 의미한다. 예시를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, -SV는 S101을 위한 것이고 +SV는 S103을 위한 것이지만, 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에서, S101은 +SV일 수 있고 S103은 -SV일 수 있다.

다른 실시예에서, 신호 S101= V_BIAS- SV, S103=V_BIAS+ SV를 구동하는 이러한 상황 하에서, DC 바이어스 전압(V_BIAS및 V_BIAS≠0)이 있을 수 있다. 이와 같은 변형은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다.

또한 도 2는 변조 구동 신호(SM)와 복조 구동 신호(±SV) 사이의 토글링 레이트의 차이를 보여준다. 변조 구동 신호(SM)와 복조 구동 신호(±SV) 사이에서 타이밍 정렬을 의미하는 상대적인 위상 지연(phase delay)은, 실제 요건(requirement)에 따라 조정될 수 있다.

일 실시예에서, 신호(SM, ±SV)를 발생시키기 위한 구동 회로는, 변조 구동 신호(SM)와 복조 구동 신호(±SV) 사이에 (상대적) 지연을 생성하도록 구성된 서브 회로를 포함할 수 있다. 지연을 생성하는 서브 회로의 세부 사항은 한정되지 않는다. 알려진 기술이 서브 회로에 통합될 수 있다. 서브 회로가 타이밍 정렬 요건(나중에 자세히 설명됨)을 충족시키기 위해 지연을 발생시킬 수 있는 한, 본 발명의 요건이 충족되며, 이는 본 발명의 범위 내에 있을 것이다.

플랩(101, 103)의 팁(tip)은 실질적으로 동일한 위치(측벽(111L, 111R) 사이의 중심 위치)에 있고, 그 위치에서 실질적으로 동일한 기압을 경험한다는 점에 유의한다. 또한 플랩(101, 103)은 서로 다르게 이동한다. 따라서 플랩(101, 103)의 팁의 이동은 아날로그 차동 OP-증폭기 회로의 분야에서 알려진 공통 모드 거부와 유사한 공통 모드 거부 동작(rejection behavior)을 소유하며, 이는 복조 플랩(101, 103)의 팁의 변위 차이 또는 |d₁₀₁- d₁₀₃|가 변조 플랩(105, 107)에 의해 형성되는 기압의 영향을 거의 받지 않음을 의미한다.

공통 모드 제부 또는 변조기 대 복조기 격리(modulator-to-demodulator isolation)는 도 3에 의해 증명될 수 있다. 도 3은 장치(100)의 등가 회로 모델로부터 발생된 시뮬레이션된 결과를 예시한다. 곡선(d₁₀₁, d₁₀₃)은 각각 플랩(101, 103)의 팁의 이동/변위를 나타낸다. 도 3에서 관찰할 수 있는 바와 같이, d₁₀₁ 및 d₁₀₃은 변조 플랩(105/107)에 의해 발생된 음향 압력(acoustic pressure)(P104)으로 인해 상당히 크게 변동하지만, 도 3에서 d₁₀₁-d₁₀₃으로 표시된 곡선으로 표현되는 차동 이동(differential movement)은 (실질적으로) 일관성을 유지한다. 즉, 변조 부분(104)이 작동할 때에도 밸브 개구부(112)의 폭/갭은 일정할 것이다. 달리 말하면, 변조기 이동은 복조기의 기능과 성능에 무시할 수 있는 영향을 미치며, 이것이 "변조기 대 복조기 격리"가 의미하는 것이다.

한편, 복조기 대 변조기 격리의 경우, 플랩(101/103)이 챔버(115) 내에서 1차 고조파 공진 또는 정재파를 생성하기 때문에, 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, P102에 의해 플랩(105) 및 플랩(107)에 가해지는 압력은 실질적으로 동일한 매그니튜드를 갖지만 극성이 반대이므로, 플랩(105)과 플랩(107)의 이동이 매그니튜드는 동일하지만 극성이 반대인 변화(P102로 인해)를 겪게 된다. 이렇게 하면 매그니튜드는 동일하지만 극성이 반대인 2개의 초음파(ultrasonic wave)(하나는 105, 다른 하나는 107)가 생성된다. 이들 2개의 초음파가 밸브 개구부(112) 위의 위치(도 1에 점선 영역으로 지시됨)로 전파될 때, 그들은 하나의 압력으로 병합된다. 이 "병합"의 위치는 105 및 107의 팁으로부터 같은 거리에서 X축 또는 X 방향을 따라 장치(100)의 중심에서 발생하기 때문에, P102 유도된 변화들이 서로를 취소/보상하고, 복조기/가상 밸브 작동의 간섭이 거의 없는, 네트 레스트(net rest)를 생성한다.

예시적으로, 도 4는 S_IN이 10톤 등진폭 테스트 신호(10-tone equal amplitude test signal)(650~22K Hz 이내이며, 같은 로그 스케일(log scale) 간격을 가짐)이고 장치(100)의 등가 회로 시뮬레이션 모델이 사용되는 조건 하에서, 장치(100)로부터 1미터 떨어진 곳에서 측정된, SPL(sound pressure level)의 시뮬레이션된 주파수 응답을 플롯한다(plot). 현재 시뮬레이션에서, 초음파 반송파 주파수는 f _UC = 192KHz로 설정되고 밸브 작동 주파수는 f _{D_V}= f _UC/2=96KHz로 설정된다.

복조기 대 변조기 격리는 높은 수준의 격리를 지시하는, 96KHz 및 그 부근(도 4에서 블록 화살표로 포인트됨)에서 외부 스펙트럼 컴포넌트의 부재에 의해 입증될 수 있다.

결과적으로, 이 두 플랩 쌍(101/103 대 105/107)의 이동의 간섭이 공통 모드(변조기에서) 대 차동 모드(복조기에서) 직교성/배열을 통해 최소화된다.

또한 밸브가 열린 상태로 유지되는 시간의 백분율 또는 듀티 팩터(duty factor)는 장치(100)의 출력에 영향을 미치는 중요한 팩터이다. 구동 전압(S101, S103)의 진폭을 증가시키면 플랩(101, 103)의 이동의 진폭이 증가하여, 밸브 개구부(112)의 최대 개방 폭이 증가하고, 구동 전압을 높이면 밸브 개방의 듀티 팩터(duty factor of valve opening)도 높아진다. 달리 말하면, 밸브 개구부(112)의 듀티 팩터와 밸브 개구부(112)의 최대 개방 폭/갭은 구동 전압(S101, S103)에 의해 결정될 수 있다.

밸브의 개방 듀티 팩터가 도 5에 도시된 예와 같이, 이전에 언급된 등가 회로 시뮬레이션 모델 중 하나로부터 발생된 50%에 근접할 때, V(opening) > 0으로 라벨링된 곡선으로 도시된, 각 밸브 개방의 주기(period)가 밸브 개구부(112) 위의 위치(도 1에서 점선 영역으로 지시됨)에서 진폭 변조된 초음파 정재파의 동일한 반 사이클(half-cycle)과 중첩된다. 밸브 개구부(112)의 개폐(opening-closing)를 도 5에서 V(p_vlv)로 라벨링된 곡선으로 예시된, 챔버 내 정재파(in-chamber standing wave)에 동기화하고 타이밍 정렬함으로써, V(ep_vlv)로 라벨링된 곡선으로 예시된, 잘 정돈된 형태(nicely shaped)의 출력 압력 펄스가 생성된다.

도 5에서 V(d2)-V(d3)로 라벨링된 곡선은 플랩(101, 103)의 변위 차이, 즉 d101-d103을 나타내고, V(opening)로 라벨링된 곡선은 가상 밸브(112)의 개방도를 나타낸다. |V(d2)-V(d3)| > TH일 때 V(opening) > 0이며, TH는 플랩(101, 103)의 두께, 플랩(101, 103) 사이의 슬릿 폭, 경계층 두께 등과 같은 파라미터에 의해 정의되는 임계값이다. 잘 정돈된 형태의 V(ep_vlv)는 V(ep_vlv)로 예시된 펄스가 고도로 대칭인 V(p_vlv)와 달리, 고도로 비대칭임을 의미할 수 있다. 출력 압력 펄스의 비대칭은 에어 펄스 발생 장치 또는 간략하게 APG 장치에 의해 발생된 에어 펄스의 저주파 컴포넌트(즉, 가청 대역의 주파수 컴포넌트)를 보여주며, 이는 APG 장치에 대한 바람직한 특징이다. 비대칭이 높을수록 에어 펄스의 기저대역 주파수 컴포넌트가 더 강해진다. 도 5의 축소도(zoomed-out view)가 도 6에 예시되어 있으며, 도 6은 1.68KHz의 기저대역 사운드 신호의 포락선에 대응하는 V(ep_vlv)의 비대칭을 도시한다. 본 발명에서, 개구부(112)는 플랩(101)과 플랩(103)의 변위 차이가 임계값보다 크고, 예를 들어 |V(d2)-V(d3)| > TH일 때, 개방/형성되거나 개방된 상태에 있으며, 그렇지 않으면 닫혀 있거나 닫혀 있는 상태에 있다.

또한 |V(d2)-V(d3)| > TH로 정의되는, 밸브 개방의 듀티 팩터가 55~60% 범위에서와 같이 50%와 같거나 약간 클 때, 최대 출력이 발생하는 것으로 관찰되지만, 이에 한정되지 않는다. 그러나 밸브 개방의 듀티 팩터가 80~85%와 같이 50%보다 훨씬 높을 때, 챔버 내 초음파 정재파의 반 사이클 이상이 밸브를 통과하게 되어, 서로 다른 극성을 갖는 정재파의 선행 부분(leading portion)들이 서로 상쇄되어, 장치(100)로부터의 순 SPL 출력(net SPL output)이 낮아진다. 따라서 일반적으로 밸브 개방의 듀티 팩터를 50%에 가깝게, 일반적으로 50%와 70% 사이의 범위로 유지하는 것이 바람직하다(여기서 45%와 70% 사이의 듀티 팩터는 본 발명의 범위 내에 있음).

듀티 팩터 이외에, 변조기 대 복조기 격리를 보장하기 위해, 복조 플랩(101/103)의 공진 주파수 f _{R_V}가 또 다른 설계 팩터인 초음파 반송파 주파수 f _UC에서 충분히 벗어나도록 제안된다.

플랩(101/103)의 임의의 주어진 두께에 대해 밸브 개방 듀티 팩터가 50%와 같은 제약 하에서, 공진 대 구동 비율(f _{R_V}:f _{D_V} 또는 f _{R_V}/f _{D_V})이 더 높을 수록, 밸브가 더 넓게 열릴 수 있음이 관찰될 수 있다. 장치(100)의 출력이 최대 밸브 개방 폭과 양의 관계에 있으므로, 공진 대 구동 비율이 1보다 높은 것이 바람직하다.

그러나 f _{R_V}가 f _UC ± max(f _SOUND)의 범위 내에 있을 때, 플랩(101/103)이 AM 초음파 정재파로 공진하기 시작하여, 초음파 에너지의 일부를 플랩(101/103)의 공통 모드 변형(deformation)으로 변환하며, 여기서 max(f _SOUND)는 입력 오디오 신호(S_IN)의 최대 주파수를 나타낼 수 있다. 플랩(101/R)의 이러한 공통 모드 변형은 플랩(101/103) 위의 볼륨(volume)을 변하게 하여, 영향을 받은 주파수 범위에 걸쳐 밸브 개구부(112) 근처에서 챔버(105) 내부의 압력 변동을 초래하여 SPL 출력을 저하시킨다.

밸브 공진으로 인한 주파수 응답 변동을 피하기 위해, (f _UC ±max(f _SOUND))×M의 범위를 벗어나는 공진 주파수로 플랩(101/103)을 설계하는 것이 바람직하며, 여기서 M은 제조 공차, 온도, 고도 등과 같으나 이에 한정되지 않는 팩터를 커버하는 안전 마진(safety margin)이다. 일반적으로, f_{R_V}는 f_{R_V} ≤(f _UC - 20KHz)×0.9에서와 같이 f _UC보다 상당히 낮거나 f _{R_V} ≥(f _UC + 20KHz)×1.1에서와 같이 f _UC 보다 상당히 높은 것이 바람직하다. 20KHz가 인간이 들을 수 있는 가장 높은 주파수로 잘 받아들여지기 때문에 여기에서 사용됨을 유의한다. HD-/Hi-Res Audio와 같은 애플리케이션에서는 30KHz 또는 40KHz도 max(f _SOUND)로 채택될 수 있으므로, 위의 수식을 그에 따라 수정해야 한다.

또한 w(t) 및 z(t)는 진폭 변조된 초음파 음향/에어파(UAW) 및 (복수의 펄스로 구성된) 초음파 펄스 어레이(UPA)에 대한 시간 함수를 나타낸다고 가정한다. 개구부(112)는 초음파 반송파 주파수 f _UC의 개방 레이트에서 주기적으로 형성되므로, r(t)로 표시되면서 r(t) = z(t)/w(t)로 표현될 수 있는, z(t) 대 w(t)의 비율 함수는 초음파 반송파 주파수 f _UC의 개방 레이트와 함께 주기적이다. 달리 말하면, z(t)는 시간 도메인에서 w(t)와 r(t)의 곱, 즉 z(t) = r(t)·w(t)로 볼 수 있으며, UAW에서 수행되는 동기식 복조 작동은 시간 도메인에서 w(t)에 r(t)를 곱한 것으로 볼 수 있다. 이는 z(t)가 주파수 도메인에서 W(f)와 R(f)의 콘볼루션, 즉, Z(f) = R(f)*W(f)으로 볼 수 있음을 의미하며, 여기서 *는 콘볼루션 연산자를 표시하고, UAW에서 수행되는 동기식 복조 작동은 주파수 도메인에서 W(f)와 R(f)의 콘볼루션으로 볼 수 있다. r(t)가 주파수 f _UC의 레이트와 함께 시간 도메인에서 주기적일 때, R(f)는 R(f)의 주파수/스펙트럼 컴포넌트가 f _UC만큼 동일한 간격으로 있는 주파수 도메인에서 이산적이라는 점에 유의한다. 따라서 W(f)와 R(f)의 콘볼루션 또는 동기식 복조 작동은 W(f)(또는 UAW의 스펙트럼 컴포넌트)를 ±n×f _UC(n은 정수)만큼 시프트하는 단계를 포함/구성한다. 여기서 r(t)/w(t)/z(t) 및 R(f)/W(f)/Z(f)는 푸리에 변환 쌍을 형성한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(200)의 개략도이다. 장치(200)는 장치(100)와 유사하므로 동일한 표기가 사용된다. 장치(100)와 달리, 장치(200)는 둘러싸는 구조물(인클로저(enclosure))(14)을 더 포함한다. 둘러싸는 구조물(14)과 캡 구조물(11) 사이에 챔버(125)가 형성된다. 라인(135/137)으로 지시된 바와 같이, 초음파 정상 압력파(P104)의 노드에서 측벽(111L/R)으로부터 각각 λ_UC/4에 위치된 천장(117) 내에 벤트(vent)(113L/R)가 형성된다는 점에 유의한다.

도 7에서 벤트(113L/R)의 목적은, (112와 113L/R 사이의 2개의 파선 2방향 포인트된 곡선들로 지시되는 바와 같이) 복조 작동 동안 발생된 기류가 챔버(115)로부터 배출되도록 허용하여, 주변의 외부와 챔버(115) 내부의 평균 압력 사이의 차이가 최소화되고 챔버(125)의 기능이 기류에 의해 챔버(125)로 운반되는 스펙트럼 컴포넌트를 방해하여 이러한 기류가 추가적인 가청 사운드 신호를 형성하는 것을 방지하는 것이다. 정상 압력파의 노드에 벤트(113L/R)를 배치함으로써, f _UC주변의 스펙트럼 컴포넌트가 챔버(115)를 빠져나가는 것이 방지되어, 복조가 UPA(ultrasonic pulse array)를 형성하고 원하는 APPS(air pressure pulse speaker) 효과를 생성할 수 있다.

본 발명에서, APPS 효과를 갖는 APG 장치는 일반적으로 초음파 반송파 주파수에서 APG 장치에 의해 출력되는 에어 펄스 내에 내장된 기저대역 주파수 컴포넌트(특히 가청 대역의 주파수 컴포넌트)가 관찰 가능할 뿐만 아니라 상당한 강도(intensity)를 갖는다는 것을 의미한다. APPS 효과를 생성하는 APG 장치의 경우, 전기 입력 신호(S_IN)의 스펙트럼은 APG 장치에 의해 복수의 에어 펄스를 생성하는 것을 통해 가청 스펙트럼(반송파 주파수에 비해 낮은 주파수)의 기저대역 내에서 음향적으로 재생되며, 이는 사운드 생성 애플리케이션에서 사용하기에 적합하다. APPS 효과를 통해 생성되는 기저대역의 강도는 APG 장치에 의해 생성되는 에어 펄스의 비대칭 정도 또는 비대칭 양과 관련되며, 비대칭에 대해서는 나중에 설명한다.

장치(100 또는 200)의 지지 구조물(123L, 123R)은 (X축에 대해) 평행하고 직선인 벽을 가지며, 여기서 123L 및 123R 사이의 공간/채널은 사운드 배출구(sound outlet)로서 기능한다는 점에 유의한다. FEM(finite element method)을 이용한 시뮬레이션 결과는, 주파수가 350KHz 이상으로 상승할 때, X 방향을 따라 측면 정재파(lateral standing waves)가 123L/123R의 벽 사이에 형성되기 시작하고 출력이 자체 무효화되기 시작함을 보여준다. 이러한 측면 공진 유도 자기 무효화(lateral-resonance induced self-nullifying) 현상은 (Z 방향에서) 123L-123R의 벽의 높이에 대한 에너지 전달 비율(energy transfer ratio)을 저하시킨다.

이 문제를 우회하기 위해 뿔 모양의 배출구(horn-shaped outlet)가 제안된다. 예를 들어, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(300)의 일부의 개략도이다. 장치(100)와 유사하게, 장치(300)는 지지 구조물(123L", 123R")에 각각 고정되면서(anchored), 또한 배출구(320)를 통해 주변을 향해 복수의 에어 펄스를 생성하기 위해 개구부(112)를 형성하도록 구성된 플랩(101, 103)을 포함한다. 직선이고 평행한 벽을 갖는 장치(100)의 지지 구조물(123L, 123R)과 달리, 뿔 모양의 배출구(320)가 형성되도록, 장치(300)의 지지 구조물(123L", 123R")의 벽은 비스듬하며, X-축 또는 X-방향에 대해 직각이 아닌 각도 θ를 갖는다. 직각이 아닌 각도 θ는 실제 요건에 따라 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 직각이 아닌 각도 θ는 54.7°일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서, 뿔 모양의 배출구는 일반적으로 필름 구조물에서 주변으로 갈수록 점차 넓어지는 배출구 치수(dimension) 또는 터널 치수를 갖는 배출구를 의미한다.

도 9 및 도 10은 플랩(101, 103)의 8가지 상이한 변위에 대한 장치(100, 300)의 에너지 전달 비율의 주파수 응답을 각각 예시하며, 여기서 Dvv=k는 각 플랩의 팁의 변위가 kμM을 의미하며, 이는 2kμM의 차동 이동을 생성한다. 도 9 및 도 10은 FEM을 사용하여 시뮬레이션된다. 도 9과 도 10을 비교하면, 장치(100)는 주파수가 170KHz 이상으로 상승함에 따라 약간의 점프(jump) 및 딥(dip)과 함께 170KHz 이상에서 롤오프하기(roll-off) 시작하는 에너지 전달 비율을 생성하고; 장치(300)는 170KHz 이상의 주파수에 대해 훨씬 더 스무드한 주파수 응답과 함께 대략 120KHz 이상의 상승 추세를 유지하는 에너지 전달 비율을 생성한다. 이는 장치(300)의 에너지 전달 비율(170KHz 이상)의 주파수 응답이 장치(100)의 것보다 훨씬 더 스무드하다는 것을 의미하며, 이는 초음파 펄스 레이트(즉, 초음파 반송파 주파수 f _UC) 및 고차 고조파(예: n×f _UC)에서 작동하는 APG 장치에 대한 이점이다. 또한 장치(300)는 장치(100)에 의해 생성된 것보다 대략 5배 더 높은 에너지 전달 비율을 생성한다. 따라서 도 9 및 도 10으로부터, 뿔 모양의 배출구가 APG 장치에 더 나은 에너지 전달 비율을 제공함을 확인할 수 있다.

도 11은 2개의 서로 다른 각도에서 벽을 에칭하기 위한 2단계 에칭/제조 방법의 실시예를 도시한다. 먼저, 123R"/123L"의 벽을 (도 11의 (b)에 도시된 바와 같이) 테이퍼된 각도(tapered angle)로 에칭하고, (도 11의 (c)에 도시된 바와 같이) 테이퍼된 벽을 스프레이 코팅 방법을 사용하여 포토레지스트 또는 스핀온 유전체로 덮는다. (도 11의 (d)에 도시된 바와 같이) 포토레지스트 또는 스핀-온 유전체는 포토리소그래피 방법에 의해 패터닝되고, 이어서 (도 11의 (e)에 도시된 바와 같이) 124L 및 124R의 벽을 직선 각도로 에칭한다. 제공된 제조 방법은 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(400)의 개략도이다. 장치(400)는 미국 출원 번호 제17/553,806호의 도 7로부터 수정되며, 본 발명의 도 1에 도시된 장치(100)와 유사하다. 장치(100)와는 달리, 장치(400)는 플랩 쌍(102)만을 포함한다(그러나 플랩 쌍(104)은 없음). 플랩 쌍(102)은 복조 작동(주파수 f _UC에서 진폭 변조된 초음파 반송파에 동기되어 개구부(112)를 형성하여, 진폭 변조된 초음파 기압 변화의 포락선에 따라 에어 펄스를 생성하기 위한 것) 뿐만 아니라, 변조 작동(초음파 반송파 주파수 f _UC로 진폭 변조된 기압 변화를 형성하기 위한 것)을 모두 수행하도록 구성된다.

도 12에서, U104 및 P104는 변조 구동 신호(SM)에 응답하여 플랩 쌍(102)에 의해 형성되는 압력 프로필 및 기류 프로필을 나타내고, U102 및 P102는 복조 구동 신호(±SV)에 응답하여 플랩 쌍(102)에 의해 형성되는 압력 프로필 및 기류 프로필을 나타낸다. 여기서 복조 구동 신호는 플랩 쌍(102)이 차동 구동(복조 구동 신호 +SV와 -SV가 매그니튜드는 같지만 극성이 반대임을 의미함)되어 복조 작동을 수행함을 강조하기 위해 ±SV로 표시된다. 예를 들어, S101 및/또는 S103은 -SV 및/또는 +SV로 나타낼 수 있다.

달리 말하면, 변조기와 복조기는 플랩 쌍(102)에/플랩 쌍(102)으로서 공동 배치된다. 장치(100)와 마찬가지로, 장치(400)의 플랩 쌍(102)의 필름 구조물(10)은 변조를 수행하기 위한 공통 모드 이동뿐만 아니라 복조를 수행하기 위한 차동 모드 이동을 갖도록 가동된다.

달리 말하면, "변조 작동"과 "복조 작동"은 동일한 플랩 쌍(102)에 의해 동시에 수행된다. 이는 "복조 작동"과 함께 "변조 작동"의 공동 배치(colocation)가 도 3에 도시된 것과 같은 신규 구동 신호 배선 방식(wiring scheme)에 의해 달성된다. 장치(400)가 플랩(101/103)에 배치된 액추에이터(101A/103A)를 포함할 수 있고 액추에이터(101A/103A)가 상부 전극 및 하부 전극을 포함한다고 가정하면, 상부 전극 및 하부 전극 모두는 변조 구동 신호(SM) 및 복조 구동 신호(±SV)를 수신할 수 있다.

일 실시예에서, 액추에이터(101A/103A)의 하나의 전극은 공통 모드 변조 구동 신호(SM)를 수신할 수 있고; 다른 전극은 차동 모드 복조 구동 신호(S101(-SV)/S103(+SV))를 수신할 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 다이어그램(431, 433)은 도 12에 도시된 영역(430)의 세부사항을 예시한다. 다이어그램(431, 432)에 도시된 바와 같이, 액추에이터(101A/103A)의 하부 전극은 공통 모드 변조 구동 신호(SM)를 수신하고; 액추에이터(101A/103A)의 상부 전극은 차동 모드 복조 구동 신호(S101(-SV)/S103(+SV))를 수신한다. 적절한 바이어스 전압(V_BIAS)이 (다이어그램(432)이 도시하는 바와 같이) 하부 전극 또는 (다이어그램(432)이 도시하는 바와 같이) 상부 전극에 인가될 수 있으며, 여기서 바이어스 전압(V_BIAS)은 실제 요건에 따라 결정될 수 있다.

일 실시예(다이어그램 433에 도시됨)에서, 액추에이터(101A/103A)의 하나의 전극은 공통 모드 변조 구동 신호(SM) 및 차동 모드 복조 구동 신호(S101(-SV)/S103(+SV)) 모두를 수신할 수 있으며; 다른 전극은 적절하게 바이어스된다. 다이어그램(433)에 도시된 실시예에서, 하부 전극은 공통 모드 변조 구동 신호(SM) 및 차동 모드 복조 구동 신호(S101(-SV)/S103(SV))를 수신하고; 상부 전극이 바이어스된다.

도 13에 도시된 구동 신호 배선 방식은 (V_BIAS를 고려하지 않고) 하나의 액추에이터(예: 101A)의 인가된 신호가 -SM-SV이거나 이를 포함하는 반면 다른 엑츄에이터(예: 103A)의 인가된 신호가 -SM+SV이거나 이를 포함하는 목표를 달성한다. 실제 상황/요건에 따라 구동 신호 배선 방식이 수정되거나 변경될 수 있음을 유의한다. 플랩 쌍(102)에 인가되는 두 인가된 신호 사이의 공통 모드 신호 컴포넌트가 변조 구동 신호(SM(V_BIAS더하기))를 포함하고, 플랩 쌍(102)에 인가되는 두 인가된 신호 사이의 차동 모드 신호 컴포넌트가 복조 구동 신호(SV)를 포함하는 한, 본 발명의 요건이 만족되며 본 발명의 범위 내에 있다. 여기서(또는 일반적으로) 2개의 임의 신호 a와 b 사이의 공통 모드 신호 컴포넌트는 (a+b)/2로 표현될 수 있으며; 2개의 임의 신호 a와 b 사이의 차동 모드 신호 컴포넌트는 (a-b)/2로 표현될 수 있다.

또한, 변조 작동(구동 신호 SM의 결과)과 복조 작동(구동 신호 ±SV의 결과) 사이의 교차 결합을 최소화하기 위해, 일 실시예에서, 플랩(101, 103)은 기계적 구성, 치수 및 전기적 특성 모두에서 미러링된/대칭 쌍(mirrored/symmetric pair)으로 만들어진다. 예를 들어, 플랩(101)의 캔틸레버 길이(cantilever length)는 103의 것과 같아야 하며; 플랩(101)의 멤브레인 구조는 플랩(103)의 것과 동일해야 하고; 가상 밸브(112)의 위치는 플랩(101)과 플랩(103)의 2개의 지지 벽(110) 사이의 중심에 있거나 이로부터 동일한 간격으로 떨어져 있어야 하며; 플랩(101)에 증착된 액추에이터 패턴은 플랩(103)의 패턴과 미러링(mirror)되어야 하고; 플랩(101, 103) 위에 증착된 액추에이터에 대한 금속 배선은 대칭이어야 한다. 여기서, 일부 아이템은 미러링된/대칭 쌍(또는 플랩(101, 103)이 미러링된/대칭임)에 대한 명칭이지만, 이에 한정되지 않는다.

도 14는 IEC711 폐색 이어 에뮬레이터(occluded ear emulator)에서 장치(400)의 물리적 실시예의 주파수 응답 측정 결과 세트를 예시하며, 여기서 다이어그램(431)에 도시된 구동 방식은 장치(400)를 구동하는 데 사용되며, 하부 전극에 대한 변조 구동 신호(SM)에 대한 Vrms는 6 Vrms이고, 상부 전극에 대한 복조 구동 신호(±SV)에 대한 Vpp(피크 대 피크 전압(peak-to-peak voltage))는 5Vpp에서 30 Vpp로 스윕(sweep)되며, GRAS RA0401 이어 시뮬레이터는 음향 결과 측정에 사용된다. 장치(400)의 작동 주파수(즉, 초음파 반송파 주파수 f _UC)는 160KHz이고, 그에 따라 장치 치수가 설계된다(즉, C = 336m/s에 대해 W115

λ_UC = C / f _UC

2.10 mm임). 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 장치(400)는 낮은 주파수 대역에서 높은 SPL의 사운드(100Hz 보다 작은 주파수에 대해 적어도 99dB)를 생성할 수 있다.

또한 도 15는 도 14에 도시된 장치(400)의 측정 결과를 예시하고 분석한 것이다. 도 15에서, 도 14의 100Hz(굵은 파선) 및 19Hz(굵은 실선)에서의 SPL은 Vvtop(Vpp)에 대해 플롯되며, Vvtop(Vpp)은 연결 다이어그램(431)에 도시된 바와 같이 상부 전극에 인가된 복조 구동 신호를 위한 피크 대 피크 전압이다. 도 14 및 도 15로부터 Vvtop이 증가함에 따라 SPL이 증가함을 알 수 있다. 또한 장치(100)의 등가 집중 회로 모델(equivalent lumped-circuit model)의 시뮬레이션 결과도 (밸브 구동 또는) 복조 구동 신호의 진폭이 커질수록 SPL이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명의 에어 펄스 발생 장치에 의해 생성되는 사운드의 볼륨을 복조 구동 신호의 진폭을 통해 조절할 수 있음을 알 수 있다.

도 14 및 도 15의 결과에 기반하여, 변조기-복조기 공동 배치의 개념이 유효하다는 결론을 내릴 수 있는데, 이는 장치(400)가 수행한 변조(진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성) 및 복조(동기적으로 개구부를 형성하여 비대칭 에어 펄스를 생성)가 성공적으로 APPS 효과를 생성하는 것을 의미한다. 따라서 챔버 폭(예: 장치(100)의 W115)을 축소하는 것이 가능할 수 있다.

예를 들어, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(500)의 개략도이다. 장치(500)는 장치(400)와 유사하며, 플랩 쌍(102)도 도 13에 도시된 구동 방식 중 하나를 통해 구동되나, 이에 한정되지 않는다. 장치(400)에 비해, 장치(500)의 챔버 폭(W115')은 절반으로 감소된다. 일 실시예에서, 장치(500)의 챔버 폭(W115')은 λ_UC/2일 수 있다.

또한 도 12의 115 또는 도 16의 115'와 같은 챔버 내의 정재파가 요구되지 않을 수 있는데, 이는 챔버 폭(W115)이 λ_UC 또는 λ_UC/2일 필요가 없으며, 측벽(111R/111R' 및 111L/111L') 사이에 평면파를 형성/유지/반사할 필요가 없음을 의미한다. 다른 팩터를 최적화하기 위해 챔버의 모양을 변경하는 것은 자유롭고/유연하며, 예를 들어 챔버 길이를 줄여서, 장치의 면적(mm²)당 SPL로 평가될 수 있는, 사운드 생성 효율을 향상시킬 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(600)의 개략도이다. 장치(600)는 서브어셈블리(610, 640)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 서브어셈블리(610, 640)는 공지된 MEMS 공정을 통해 제조될 수 있고, 건조 필름 또는 다른 적합한 다이 부착 재료/방법과 같은 바운딩 또는 접착 재료를 사용하여 층(620)을 통해 함께 바운딩될 수 있다. 서브어셈블리(610) 자체는 플랩 쌍(102) 또는 필름 구조물(10)를 포함하는 APG 장치(도 26 및 관련 단락에서 나중에 상세히 설명될 것임)로서 볼 수 있다. 서브어셈블리(640)는 캡 구조물로 볼 수 있다.

장치(500)와 유사하게, 장치(600)는 도 13에 도시된 구동 방식 중 하나를 통해 구동되는 플랩(101, 103)을 갖는 플랩 쌍(102)을 포함하지만, 이에 한정되지 않으며, 장치(600)의 플랩 쌍(102)은 초음파 반송파 주파수 f _UC로 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성하고, 초음파 반송파 주파수 f _UC와 동기화된 레이트로 개구부(112)를 형성하며 초음파 기압 변화에 따라 배출구를 통해 주변을 향해 복수의 에어 펄스를 생성하도록 가동된다.

장치(500)와는 달리, 장치(600) 내부에는 도관(conduit)(630)이 형성되어 있다. 도관(630)은 가상 밸브(112)(플랩(101)과 플랙(103) 사이의 슬릿) 위의 에어 볼륨을 외부로 주변에 연결한다. 도관(630)은 챔버(631), 통로(passageway)(632) 및 배출구(633)(또는 구역(zone)(631-633))을 포함한다. 챔버(631)는 필름 구조물(10)과 캡 구조물(서브어셈블리)(640) 사이에 형성된다. 통로(632) 및 배출구(633)는 캡 구조물(서브어셈블리)(640) 내에 형성된다.

챔버(631)는 반폐색된 압축 챔버(semi-occluded compression chamber)로 볼 수 있으며, 압축 챔버(631) 내의 기압은 공통 모드 변조 구동 신호(SM)에 응답하여 압축되거나 희박해질 수 있으며, 초음파 기압 변화/파가 발생되어 오리피스(orifice)(613)를 통해 통로(632)로 직접 공급된다. 통로(632)는 도파관의 역할을 하며, 구역/챔버(631)에서 발생된 압력 변화/펄스가 외부로 효율적으로 전파될 수 있도록 그 모양과 치수가 최적화되어야 한다. 배출구(633)는 반사/굴절을 최소화하고 주변에 대한 음향 에너지 결합을 최대화하도록 구성된다. 이를 위해 배출구(633)의 터널 치수(예: X 방향의 폭)는 주변으로 갈수록 점차 넓어지며, 배출구(633)는 뿔 모양을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 개구부(112)(동등하게, 플랩 쌍(102) 또는 필름 구조물(10))와 표면(650) 사이의 도관(630)의 길이/거리(L₆₃₀)는 (실질적으로) f _UC에 대응하는 1/4 파장 λ_UC/4일 수 있다(예를 들어 ±10% 공차를 가짐). 예를 들어, L₆₃₀은 f _UC = 192KHz인 경우 450㎛일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. (도 16을 다시 참조하면) 장치(500)의 챔버(115')(또는 장치(100) 내의 챔버(115)) 내에서 X 방향을 따라 기압파(air pressure wave)(일종의 기압 변동)가 전파되는 것이 관찰되고, 가상 밸브(개구부)(112)와 측벽 표면(111L'/111R') 사이의 거리는 λ_UC/4임을 유의한다. 도 17에서, 장치(600)는 에어파 또는 기압 펄스가 Z-방향을 통해 주변을 향해 직접적으로 방출되도록, Z-방향과 정렬하기 위해 90°만큼 폴딩/회전하는 에어파 전파 경로로 볼 수 있다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(600)와 유사한 장치의 FEM 시뮬레이션된 압력 프로필의 스냅샷(snapshot)을 도시한다. 도 18에서, 압력 값의 극성/부호를 지시하기 위해 보조 화살표가 제시된다. 도 18에 도시된 장치와 장치(600) 사이의 차이점은, 챔버(631)와 통로(632) 사이의 인터페이스에서 서브어셈블리(640)에 챔퍼(chamfer)(635)가 추가되어 기류에 대한 방해(disturbance)를 최소화한다는 것이다. 도 18에서, 구역(631) 내의 압력은 약 +500Pa이고, 633에 대해 폐쇄된 구역(632) 내의 압력은 약 -500Pa이다. 가장 밝은 구역은 압력 절점 평면(nodal plane)을 나타낸다.

구역(632) 내의 절점 평면은 파동 전파(wave propagation)의 적절한 형성을 지시하며, 절점 평면(632)과 장치 외부의 절점 평면 사이의 공간/거리는 약 1.2*λ/2이며(여기서 λ = 346(m/s)/192(KHz)), 이는 λ/2에 가까움(그리고 약간 더 큼)을 유의한다. 이는 사운드의 속도에서 중단 없는 압력파 전파가 존재함을 의미한다. 달리 말하면, 장치(600)의 필름 구조물에 의해 발생된 압력 펄스 또는 에어파가 도 18에 도시된 바와 같이 주변을 향해 방사된다.

도 19는 물리적으로 구현된 장치(600)의 주파수에 대한 IEC711 폐색 이어 커플러 SPL 측정 결과를 예시하며, 여기서 20 Vpp 및 15 Vpp를 갖는 복조 구동 신호(±SV)에 대응하는 결과가 플롯된다. 또한 최대 SPL을 생성하기 위한 장치(400, 600)의 파라미터가 표 1에서 비교된다.

	장치 400	장치 600
SV	30 Vpp	20 Vpp
SM	6 Vrms (16 Vpp)	5 Vpp
SPL	19 Hz에서 142.39 dB 100 Hz에서 131.44 dB	19 Hz에서 143.52 dB 100 Hz에서 133.44 dB
다이(die) 크기	50 mm²	30 mm²

도 14, 도 19 및 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 장치(600)는 동시에 다이 크기를 40% 감소시키면서 더 낮은 입력 진폭을 갖는 장치(400)보다 약간 더 높은 SPL을 달성할 수 있다. 이는 도관(630)을 갖는 장치(600)가 전력 소모 및 점유된 실리콘 공간/면적 측면에서 훨씬 더 효율적이라는 것을 의미한다.

일반적으로, 챔버(631)의 폭(W631)은 예를 들어 W631

570μM인 반면 λ_UC/2

900μM인 장치(600)의 예에서 λ_UC/2보다 상당히 작다. 구역(631)이 챔버 압축을 수행하기 위해서는 챔버(631)의 치수가 λ_UC보다 훨씬 작아야 한다. 일 실시예에서, 챔버(631)의 높이(H₆₃₁)는 λ_UC/5보다 작을 수 있으며, 즉 H₆₃₁ < λ_UC/5일 수 있다. 챔버(631)의 폭(즉, X 방향의 치수)은 필름 구조물(10)로부터 통로(632)를 향해 계단식 또는 테이퍼된(tapered) 방식으로 점점 좁아질 수 있으며, 여기서 두 경우 모두 본 발명의 범위 내에 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(700)의 개략도이다. 장치(600)와 유사하게, 장치(700)는 서브어셈블리(710, 740)를 포함하고 그 안에 형성된 도관(730)을 갖는다. 서브어셈블리(710)는 MEMS 공정에 의해 제조될 수 있으며, APG 장치로도 볼 수 있다. 챔버(705)는 서브어셈블리(710) 내에 형성된다. 서브어셈블리(710)는 그 자체가 APG 장치일 수 있으며, 이는 미국 특허 제11,172,310호에 개시된 스퀴즈 모드 작동, 제11,043,197호에 개시된 가상 밸브 및 도 13에 예시된 구동 방식의 조합으로 볼 수 있으며, 제11,172,310호 및 제11,043,197호는 여기에 참조로 통합된다.

도관(730)은 챔버(731), 통로/도파관(732) 및 뿔 모양의 배출구(733)(또는 구역(731-733))를 포함하고, 가상 밸브(112) 아래의 에어 볼륨을 외부로 주변에 연결한다. 장치(600)와 달리, 서브어셈블리(740)는 3D 프린팅, 정밀 사출 성형, 스탬핑 등과 같은 기술을 통해 형성/제조될 수 있다. 통로/도파관(732)은 서브어셈블리(710)의 캡에 에칭된 오리피스(713)인 제1 섹션 및 서브어셈블리(740) 내에 형성되는 제2 섹션을 포함하며, 챔퍼(735)가 방해를 최소화하기 위해 그 사이에 추가될 수 있다. 챔버(705, 731)는 중첩된다. 플랩(101, 103)에 의해 발생된 압력 변화/파는 통로/도파관(732)으로 직접 공급될 것이다.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(800)의 개략도이다. 장치(800)는 서브어셈블리(810, 840)를 포함한다. 서브어셈블리(810)는 MEMS 공정에 의해 제조될 수 있고 APG 장치로 볼 수 있는 장치(500)의 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있으며, 도 13에 도시된 방식 중 하나에 의해 구동되는 플랩(101, 103)을 포함하며, 여기서 가상 밸브(개구부)(112)가 형성된다. 서브어셈블리(840)는 3D 프린팅, 정밀 사출 성형, 정밀 스탬핑 등과 같은 기술을 통해 형성/제조될 수 있다. (복조)변조 작동을 통해 서브어셈블리(810)는 복수의 기류 펄스(airflow pulse)를 생성함을 유의한다.

장치(840) 내에는 가상 밸브(112) 아래의 에어 볼륨을 외부로 주변에 연결하는 도관(830)이 형성된다. 도관(830)은 (압축) 챔버(831), 통로/도파관(832) 및 뿔 모양의 배출구(833)(또는 구역(631-633))를 포함한다. 압축 챔버(831)는 복수의 기류 펄스를 복수의 기압 펄스로 변환하도록 구성된다. 구체적으로, 챔버(831)는 압력 펄스 (수식 1)을 생성하며, M_{0_} _n 는 펄스 사이클 n의 시작 전에 챔버(831) 내부의 에어매스(airmass)이고, △M _n 는 펄스 사이클 n의 기류 펄스와 연관된 에어매스이다. 수식 1은 기류 펄스를 기압 펄스로 변환하는 것을 나타내며, 변환된 기압 펄스는 통로/도파관(832)으로 전파된다. 일 실시예에서, 구역(831)에서의 서브어셈블리(840)는 황동 마우스피스형 단면 형상(brass mouthpiece-like cross section profile)을 가질 수 있다.

통로/도파관(832)은 구역(831)에서 발생된 압력 펄스의 전파 효율을 외부로 주변으로 최대화하기 위해, 압축 챔버(831)에 가깝거나 매칭되거나 압축 챔버의 ±15% 이내인 임피던스를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 전파 효율은 통로(832)의 단면적(cross section area)을 적절하게 선택함으로써 최적화될 수 있다.

도 21에 도시된 실시예에서, 배출구(833)의 터널 치수(예: X 방향의 폭)는 부분적 선형 방식(piece-wise linear manner)(θ₁ < θ₂)으로 주변을 향해 점차 넓어져서, 뿔 모양이 형성된다. 배출구의 뿔 모양은 실제 요건에 따라 설계될 수 있다. 배출구의 터널 치수는 다항 방식, 순 선형 방식, 부분적 선형 방식, 포물선 방식, 지수 방식, 쌍곡선 방식 등으로 확장될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 배출구의 터널 치수가 주변을 향해 점차 넓어지는 한, 본 발명의 요건이 만족되며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다.

구역(831)에서 챔버 압축을 수행하기 위해, 챔버/구역(831)의 치수는 작동 주파수 f _UC에 대응하는 파장 λ_UC 보다 훨씬 작은 것으로 제안된다. 예를 들어, f _UC=160 KHz 및 λ_UC= (346 /160) = 2.16 mm인 실시예에서, 높이 H₈₃₁는 λ_UC/10 ~ λ_UC/60의 범위(예: H₈₃₁ = λ_UC/35 = 62μm)에 있을 수 있으며, 폭 W₈₁₅은 λ_UC/5 ~ λ_UC/30의 범위(예: 115μm ~ 350μm의 범위에서 W₈₁₅)에 있을 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

필름 구조물(10)은 공간 볼륨을 일측의 공진 챔버(805)와 타측(또는 나머지 측)의 압축 챔버(831)로 세분하고, 이러한 세분의 특성에 의해, 챔버(805) 및 챔버(831)의 공간에서 관찰되는 바와 같이 플랩(101, 103)의 공통 모드 이동으로 인한 변위들은, 정확히 동일한 매그니튜드를 갖지만 방향/극성은 반대이다. 달리 말하면, 플랩(101, 103)의 공통 모드 이동과 함께 푸시-풀(push-pull) 작동이 형성될 것이고, 이러한 푸시-풀 작동은 플랩(101, 103)에 걸친 압력 차이를 증가시키며(예: 두 배), 따라서 기류는 가상 밸브(112)가 개방될 때 증가될 것이다.

구체적으로, 볼륨 V1을 갖는 압축 챔버(831) 및 볼륨 V2를 갖는 공진 챔버(805)에 대해, 볼륨 차이 DV(DV << V1, V2라고 가정)를 초래하는 멤브레인/플랩 이동은, △P_V1 = 1 - V1/(V1-DV) = -DV/(V1-DV) -DV/V1과 같은 V1에서의 압력 변화 및 △P_V2 = 1 - V2/(V2+DV) = DV/(V2+DV) DV/V2와 같은 V2에서의 압력 변화를 야기한다. 두 볼륨 사이의 압력 차이는 △P_V2- △P_V1 = DV/(V2+DV) + DV/(V1-DV)일 수 있다. V1V2Va일 때, △P_V2 -△P_V1 DV/(Va+DV) + DV/(Va-DV) = DV·2Va/(Va² - DV²) 2·DV/Va 2·△P_V2이며, 이는 푸시-풀 작동이 플랩(101, 103)에 의해 분리된 두 서브공간 사이의 압력 차이를 두 배로 만들 수 있음을 의미한다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(900)의 개략도이다. 장치(900)는 서브어셈블리(910, 940)를 포함한다. 서브어셈블리(910)는 MEMS 공정에 의해 제조될 수 있으며 APG 장치로 볼 수 있다. 서브어셈블리(940)는 3D 프린팅에 의해 제조될 수 있다. 장치(700) 또는 서브어셈블리(710)와 유사하게, 서브어셈블리(940)는 또한 제11,172,310호에 개시된 스퀴즈 모드 작동, 제11,043,197호에 개시된 가상 밸브 및 도 13에 예시된 구동 방식의 조합으로서 볼 수 있다. 장치(900)에서, 압축 모드 작동 챔버(905)와 압축 챔버(931)는 분리되어 있으며; 장치(700)에서, 압축 모드 작동 챔버와 압축 챔버는 챔버(731)로 병합된다.

서브어셈블리(810)와 서브어셈블리(910)의 효과는 기류 펄스 발생 측면에서 유사하지만 작동 원리가 상이하다. 서브어셈블리(810)는 공진을 이용하며; 어셈블리(910)는 멤브레인(플랩(101, 103)) 이동에 의해 야기되는 스퀴즈 모드 작동 챔버(905)의 압축 및 희박화(rarefication)를 이용한다. 따라서 챔버 폭(W₉₀₅)은 더 이상 λ_UC와의 임의의 관계를 충족할 필요가 없으며, 따라서 챔버(905)의 크기는 실용적/원하는 만큼 축소될 수 있다.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(A00)의 개략도이다. 공진이 요건이 아니기 때문에, 챔버(905)와 같은 챔버의 직사각형 단면의 제한이 제거될 수 있으며, 압력파 발생 또는 주변으로의 파동 전파를 최적화하기 위해 지오메트리(geometry)가 더 유연하다. 예를 들어, 챔버(A05) 또는 서브어셈블리(A40)는 황동 마우스피스형 단면을 가질 수 있다.

도 23의 장치(A00)의 다른 측면은 "직접 압력 결합"의 측면이다. 먼저 장치(900)에서와 같이 오리피스(913)를 통과하는 대신, 장치(A00)의 압축 챔버(A05)에서 발생된 압력파가 도관(A32)에 직접 결합된 다음 배출구(A33)를 통해 주변으로 나간다. 압축 챔버와 도관/배출구 사이의 이러한 직접 결합은 오리피스(913)에 의해 초래된 손실을 제거하여 장치(900)에 비해 상당한 효율성 향상을 가져온다.

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(B00)의 개략도이다. 장치(B00)는 장치(A00)와 유사하다. 장치(A00)와는 달리, 장치(B00)는 (캡) 구조물(B11)을 더 포함하고, 캡 구조물(B11)과 필름 구조물(10) 사이에 챔버(B05)가 형성된다. 필름 구조물(10)의 하나의 측면에 형성된 챔버(A05)와 필름 구조물(10)의 다른 측면에 형성된 챔버(B05)로 푸시-풀 작동을 수행하므로, 기류 펄스가 향상될 수 있다.

서브어셈블리(810, 910)에 의해 생성된 에어 펄스는 기류 펄스로 볼 수 있고, 서브어셈블리(840, 940)는 트럼펫형 단면 프로필을 갖는 기류 대 기압 변환기로 볼 수 있음에 유의한다. 한편, 서브어셈블리(610, 710, A10, B10)에 의해 생성된 에어 펄스는, 복조된/비대칭 기압 펄스를 직접 생성하고 장치(800, 900)보다 더 효율적일 수 있는 기압 펄스로 볼 수 있다.

또한 내부에 형성된 도관을 갖는 서브어셈블리 또는 트럼펫형 단면 프로필을 갖는 도관을 가지는 서브어셈블리는, 출원인에 의해 출원된 미국 특허 제10,425,732호, 제11,172,310호 등에 개시된 APG 장치, 또는 제8,861,752호와 같은 기타 장치에도 적용될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.

도 25는 본 발명의 APG 장치에 대한 가상 밸브(VV)(112) 개방의 타이밍 정렬의 예시를 보여준다. 도 25에서, 실선 곡선은 변조-구동 신호(SM)에 의해 생성된 플랩 공통 모드 이동을 나타내고, 배경에서의 어두운 부분은 가상 밸브에 대응하는 음향 저항을 나타내며, 여기서 어두울수록 더 높은 저항을 의미하고(VV가 닫히며, 그 결과 챔버 내의 볼륨이 주변으로부터 분리됨) 그리고 밝을수록 더 낮은 저항을 의미한다(VV가 개방되며, 그 결과 챔버 내의 볼륨이 주변에 연결됨).

도 25의 (a)에서, 가상 밸브(VV)(112)의 개방 상태의 타이밍은, 플랩이 가장 양의 (제1 피크) 공통 모드 변위에 도달하기 약간 전에 일반적으로 놓이는, 챔버 내 최대(제1 피크) 압력이 달성되는 것에 정렬되며; 가상 밸브(112)의 닫힌 상태의 타이밍은, 플랩이 가장 음의(제2 피크) 공통 모드 변위에 도달하기 약간 전에 일반적으로 놓이는, 챔버 내 최소(제2 피크) 압력이 달성되는 것에 정렬된다. VV(112)의 최대 개방이 챔버 내 제1 피크 압력에 정렬되는 도 25의 (a)에 도시된 타이밍 정렬은, 기류 펄스의 펄스 진폭을 최대화하기 위한 것이며, 이는 장치(100~500)(챔버가 있지만 내부에 형성된 도관이 없음)에 적합할 수 있다.

한편, 도 25의 (b)에서, 자동차 산업의 가스/피스톤 엔진의 밸브 타이밍에서 영감을 받아, 가상 밸브(112)의 개방 상태의 타이밍을 제1 방향을 향해 이동하는 멤브레인(플랩)의 공통 모드 이동의 최대 속도에 정렬되며; 가상 밸브(112)의 닫힌 상태의 타이밍은 제1 방향과 반대인 제2 방향을 향해 이동하는 멤브레인(플랩)의 공통 모드 이동의 최대 속도에 정렬된다. 제1 방향은 필름 구조물에서 주변을 향하는 방향이다. 도 25의 (b)에 도시된 타이밍 정렬은 기류 플러스의 볼륨을 최대화하기 위한 것이며, 이는 장치(600) 또는 장치(700~900, A00, B00)(내부에 형성된 챔버를 포함하는 도관을 가짐)에 적합할 수 있다.

도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(C00)의 개략도이다. 장치(C00)는 이전에 도입된 APG 장치와 유사하며, 플랩(101, 103)을 포함한다. 플랩(101, 103)도 도 13에 도시된 구동 방식에 의해 구동될 수 있다.

이들 장치와는 달리, 장치(C00)는 캡 구조물을 포함하지 않는다. 위에 소개된 APG 장치와 비교하여, 장치(C00)는 구조가 훨씬 단순하여 포토리소그래피 에칭 단계가 덜 필요하고 복잡한 도관 제조 단계를 없앴으며, 2개의 서브컴포넌트 또는 서브어셈블리를 함께 바인딩할 필요가 없다. 장치(C00)의 생산 비용이 크게 절감된다.

캡 구조물 아래에는 압축될 챔버가 형성되지 않기 때문에, 장치(C00)에 의해 발생된 음향 압력은 주로 플랩(101, 103) 이동의 가속도(acceleration)에 의해 발생한다. (복조 구동 신호(±SV)에 응답하는) 가상 밸브(112)의 개방 타이밍을 (변조 구동 신호(SM)에 응답하는) 플랩(101, 103)의 공통 모드 이동의 가속 타이밍에 정렬하는 것에 의해, 장치(C00)는 비대칭 에어(압력) 펄스를 생성할 수 있다.

플랩(101, 103)을 둘러싸는 공간이 Z>0 또는 +Z 서브공간에서 하나, 그리고 Z<0 또는 -Z 서브공간에서 하나인 2개의 서브공간으로 분할된다는 점에 유의한다. 플랩(101, 103)의 임의의 공통 모드 이동의 경우, 한 쌍의 음향 압력파가 생성될 것이며, 하나는 서브공간 Z에서, 다른 하나는 서브공간 -Z에서 생성될 것이다. 이 2개의 음향 압력파는 매그니튜드는 동일하지만 극성이 반대이다. 결과적으로, 가상 밸브(112)가 개방될 때, 가상 밸브(112) 부근의 두 에어 볼륨 사이의 압력 차이는 서로 중화될 것이다. 따라서 차동 모드 이동이 피크에 도달하는 타이밍, 즉 VV(112)가 최대 개방에 도달하는 타이밍이, 공통 모드 이동이 피크에 도달하는 가속 타이밍에 정렬될 때, 공통 모드 이동에 의해 발생되어야 하는 음향 압력이, 가상 밸브(112)의 개방으로 인해 억제/제거되어, 플랩(101, 103)의 2개의 대향 측면에 있는 2개의 음향 압력 사이의 자동 중화를 야기하며, 여기서 2개의 음향 압력은 매그니튜드는 동일하지만 극성은 반대이다. 이는 가상 밸브(112)가 개방될 때 장치(C00)가 (거의) 순 제로(net-zero) 기압을 생성한다는 것을 의미한다. 따라서 가상 밸브(112)의 개방되는 주기가 공통 모드 플랩 이동의 가속도의 (2개의) 극성 중 하나의 기간과 중첩될 때, 장치(C00)는 단일 종단(single-ended, SE) 또는 SE 형(SE-like) 기압 파형/펄스를 생성하며, 이는 매우 비대칭적이다.

본 발명에서, SE(형) 파형은 파형이 특정 레벨에 대해 (실질적으로) 단극임을 의미할 수 있다. SE 음향 압력파는 주변 압력(예: 1 ATM)에 대해 (실질적으로) 단극인 파형을 의미할 수 있다.

도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 밸브(VV) 개방의 타이밍 정렬의 예시를 보여준다. 도 27에 도시된 타이밍 정렬 방식은 장치(C00)에 적용될 수 있다. 도 27의 (a)에서 실선/파선/점선 곡선은 변조 구동 신호(SM)에 응답하는 멤브레인(플랩(101, 103))의 공통 모드 이동의 변위/속력(velocity)/가속도를 나타내며, 도 25와 유사하게, 배경 어두움은 VV(112)의 개폐 작용(action)에 의한 음향 저항을 나타낸다. 예시를 위해, 도 27의 (a)에서 멤브레인/플랩 이동의 파형은 일정한 진폭을 갖는 정현파로 가정되며(또는 대략적으로 플롯됨), 여기서 속력/가속도 파형이 변위 파형의 1차/2차 도함수이다. 도 27의 (a)에 도시된 바와 같이, 피크 VV 개방의 타이밍은 제1 방향을 향하는 공통 모드 멤브레인/플랩 이동의 제1 피크 가속도의 타이밍에 정렬되고, 위에서 논의된 바와 같이, 이러한 타이밍 정렬은 서브공간 +Z 및 -Z에서 발생된 2개의 음향 압력파 사이의 자동 중화를 초래하여, 도 27의 (b)에서의 SE 기압 파형의 편평한 부분으로 예시된 바와 같이, 순 음향 압력이 억제되게 한다.

또한 도 27의 (a)에 도시된 바와 같이, VV가 닫히는 타이밍은 제2 방향을 향하는 공통 모드 멤브레인/플랩 이동의 제2 피크 가속도의 타이밍에 정렬되고, 제2 방향은 제1 방향과 반대이다. VV가 제2 피크 가속도 동안/근처에서 닫히기 때문에, 플랩(101, 103)의 제2 피크 가속도에 의해 발생된 음향 압력은 플랩(101, 103)으로부터 멀리 방사될 수 있으며, 그 결과 도 27의 (b)에서의 SE 기압 파형의 반 사인 부분(half-sine portion)에 의해 예시된 바와 같이, 고도로 비대칭적인 음향 압력파가 발생한다.

가상 밸브(112)의 개방은 음향 압력 펄스의 세기(strength)/진폭을 결정하지 않지만 "거의 순 제로 압력"(또는 자동 중화) 효과가 얼마나 강한지를 결정한다는 점에 유의한다. 가상 밸브(112) 개방이 넓을 때, "순 제로 압력" 효과가 강하고, 자동 중화가 완료되며, 비대칭이 강하고/명백할 것이고, 결과적으로 기저대역 신호 또는 APPS 효과가 강하고/중대해진다. 반대로, 가상 밸브(112) 개방이 좁을 때, "순 제로 압력" 효과가 약하고, 자동 중화가 불완전하며, 비대칭이 낮아져 기저대역 신호 또는 APPS 효과가 약해진다.

FEM 시뮬레이션에서, 장치(C00)는 20Hz에서 145dB SPL을 생성할 수 있다. FEM 시뮬레이션으로부터, 장치(C00)에 의해 생성된 SPL이 장치(600)에 의해 생성된 것(20Hz에서 약 157dB SPL)보다 약 12dB 낮더라도 동일한 구동 조건에서, 장치(C00)의 THD(total harmonic distortion)는 장치(600)의 것보다 10~20dB 낮다. 따라서 시뮬레이션은 캡 구조물이 없거나 내부에 형성된 챔버가 없는 APG 장치인 장치(C00)의 효능을 검증한다.

VV 개방의 타이밍이 챔버 내의 최대 압력 타이밍 또는 공통 모드 멤브레인 이동의 최대 속력/가속도에 정렬된다는 서술은, 암시적으로 ±e%의 허용 오차가 허용됨을 의미한다. 즉, VV 개방의 타이밍이 챔버 내 피크 압력 또는 공통 모드 멤브레인 이동의 피크 속력/가속도의 (1±e%)에 정렬되는 경우도 본 발명의 범위 내에 있으며, 여기서 e%는 실제 요건에 따라 1%, 5% 또는 10%일 수 있다.

펄스 비대칭에 대해서, 도 28은 서로 다른 비대칭도(degree of asymmetricity)를 갖는 전체 사이클(full-cycle) 펄스(하나의 작동 사이클 T_CY 내)를 도시한다. 본 발명에서, 비대칭도는 p ₂ 대 p ₁의 비율로 평가될 수 있으며, 여기서 p ₁ > p ₂이고, p ₁은 레벨에 대해 제1 극성을 갖는 제1 반사이클 펄스(half-cycle pulse)의 피크 값을 나타내고, p ₂는 레벨에 대해 제2 극성을 갖는 제2 반사이클 펄스의 피크 값을 나타낸다. 음향 영역에서, 레벨은 주변 압력(제로 음향 압력) 또는 제로 음향 기류와 같은 주변 조건에 대응할 수 있으며, 여기서 본 발명에서의 에어 펄스는 기류 펄스 또는 기압 펄스를 지칭할 수 있다.

도 28의 (a)는 r = p ₂/p ₁ > 80%인 전체 사이클 펄스를 예시한다. 도 28의 (a)에 도시되거나 r = p ₂/p ₁

1인 전체 사이클 펄스는 비대칭도가 낮다. 도 28의 (b)는 40% ≤ r = p ₂/p ₁ ≤ 60%인 전체 사이클 펄스를 예시한다. 도 28의 (b)에 도시되거나 r = p ₂/p ₁

50%인 전체 사이클 펄스는 중간 정도의 비대칭도를 가진다. 도 28의 (c)는 r = p ₂/p ₁ < 30%인 풀 사이클 펄스를 예시한다. 도 28의 (c)에 도시되거나 r = p ₂/p ₁ → 0인 풀 사이클 펄스는 비대칭도가 높다.

위에서 논의한 바와 같이, 비대칭도가 높을수록 초음파 에어 펄스의 APPS 효과 및 기저대역 스펙트럼 컴포넌트가 더 강해진다. 본 발명에서, 비대칭 에어 펄스는 적어도 중간 정도의 비대칭도를 갖는 에어 펄스를 지칭하며, r = p ₂/p ₁ ≤ 60%를 의미한다.

본 발명의 APG 장치의 복조 작동은 변조 작동을 통해 생성되는 초음파 기압 변화의 진폭에 따라 비대칭 에어 펄스를 생성하는 것임을 유의한다. 한 관점에서, 본 발명의 복조 작동은 무선 통신 시스템의 AM(amplitude modulation) 포락선 검출기의 정류기와 유사하다.

당업계에 공지된 무선 통신 시스템에서 일종의 무선 AM(논코히어런트) 복조기인 포락선 검출기는 정류기와 저역 통과 필터를 포함한다. 포락선 검출기는 입력 진폭 변조된 신호에 대응하는 포락선을 생성한다. 포락선 검출기의 입력 진폭 변조된 신호는 일반적으로 r = p ₂/p ₁ →1로 고도로 대칭적이다. 정류기의 하나의 목표는 정류된 진폭 변조된 신호가 r = p ₂/p ₁ →0으로 고도로 비대칭이 되도록, 대칭 진폭 변조된 신호를 변환하는 것이다. 고도로 비대칭 정류된 AM 신호를 저역 통과 필터링한 후 진폭 변조된 신호에 대응하는 포락선이 복구된다.

대칭적인 초음파 기압 변화(r = p ₂/p ₁ → 1로)를 비대칭 에어 펄스(r = p ₂/p ₁ → 0로)로 전환하는 본 발명의 복조 작동은 AM 복조기와 같은 포락선 검출기의 정류기와 유사하며, 여기서 입력 오디오 신호(S_IN)에 대응하는 사운드/음악을 복구하거나 청취자가 인지하거나 사운드 감지 장비를 통해 측정될 수 있도록, 저역 통과 필터링 작동을 자연 환경과 인간의 청각 시스템(또는 마이크와 같은 사운드 감지 장치)에 맡긴다.

비대칭을 만드는 것은 APG 장치의 복조 작동에 매우 중요하다. 본 발명에서, 펄스 비대칭은 초음파 기압 변화를 발생시키는 멤브레인(플랩) 이동에 정렬되는 적절한 개방 타이밍에 의존한다. 서로 다른 APG 구성은 도 25 및 도 27에 도시된 바와 같이 서로 다른 타이밍 정렬 방법론을 가질 것이다. 달리 말하면, 개구부(112)를 형성하는 타이밍은 APG 장치에 의해 생성된 복수의 에어 펄스가 비대칭이 되도록 지정된다.

비대칭 에어 펄스를 생성하는 APG 장치는 냉각, 건조 또는 기타 기능을 가질 수 있는 에어 펌프/이동 응용 분야에도 적용될 수 있다.

또한 적절한 셀 및 신호 경로 배치를 통해 전력 소비를 줄일 수 있다. 예를 들어, 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(D00)의 평면도를 예시하며, 도 30은 도 29에 도시된 A-A' 라인을 따르는 장치(D00)의 단면도를 예시한다. 장치(D00)는 어레이에 배열된 D01~D08 셀을 포함한다. 각 셀(D0x)은 상술한 APG 장치(예: 400~C00) 중 하나일 수 있다. 도 30에서, 도관이 형성된 서브어셈블리 및 캡 구조물은 간결함을 위해 생략되었다. 장치(D00)의 모든 플랩이 구동 신호 방식(431)에 의해 구동되고, 상부 전극이 신호 +SV 또는 신호 -SV를 수신하고 하부 전극이 SM-V_BIAS를 수신한다고 가정한다.

도 29에서, Y 방향을 따라 연장되는 긴 직사각형은 플랩 또는 플랩 상에 배치된 액추에이터의 상부 전극을 나타낸다. 배경의 음영은 액추에이터의 하부 전극을 나타내거나 액추에이터의 하부 전극이 전자적으로 연결됨을 나타낼 수 있다.

장치(D00)에서, 신호 -SV를 수신하는 플랩(예: 101)과 신호 +SV를 수신하는 플랩(예: 103)은 공간적으로 인터리빙된다. 예를 들어, 셀(D01)의 플랩(103)이 신호 +SV를 수신할 때, 셀(D02)의 플랩(101)은 신호 -SV를 수신하도록 제안된다. 신호 +SV, -SV가 극성을 토글할 때 또는 신호 +SV, -SV의 천이 주기 동안, X 방향으로 하부 전극을 통해 용량성 부하 (방전)충전 전류가 흐르고, 하부 전극의 유효 저항, R_BT,P (여기서 _P는 병렬 전류 흐름을 지칭함)는 낮을 것이며, 이는 L/W 1이고 장치(D00)의 전력 소비가 낮기 때문이며, 여기서 L/W는 (방전)충전 전류의 관점에서 채널 길이/폭을 나타낸다.

한편, 구동 신호 -SV, +SV가 {+SV, -SV}, {-SV, +SV}, {+SV, -SV}, {-SV, +SV}, {+SV, -SV}, {-SV, +SV}, {+SV, -SV}, {-SV, +SV}의 패턴으로 배선된 경우(도 29에 도시되지 않음)에 - 여기서 {...,...}는 하나의 셀(D0x)에 대한 차동 구동 신호 쌍을 지정함 -, 부하 (방전)충전 전류는 Y 방향에 있을 것이고, 하부 전극의 유효 저항 R_BT,S(여기서 _S는 직렬 전류 흐름을 지칭함)는 훨씬 더 높을 것이며(즉, L/W 1이므로 R_BT,S R_BT,P), 이러한 방식의 전력 소비는 더 높을 것이다.

달리 말하면, 도 29에 도시된 배선 방식을 이용함으로써, (예로서 셀(D01, D02)를 취함) 신호 +SV를 수신하는 셀(D01)의 플랩(103)이 신호 -SV을 수신하는 셀(D02)의 플랩(101) 옆에 공간적으로 배치되고 신호 ±SV의 천이 주기가 일시적으로 중첩되면, 패드로부터 장치(D00)을 떠나 다른 패드로부터 장치(D00)로 다시 들어갈 필요 없이, 하나의 플랩(예: D01의 103)의 하부 전극에서 나오는 전류가 이웃 플랩(예: D02의 101)으로 직접 이동한다. 따라서 하부 전극의 유효 저항이 크게 감소하여 전력 소비도 감소한다.

또한 다수(예: 2개)의 셀을 통합하여 작동 주파수를 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 APG 장치를 이용한 APPS(Air Pressure Pulse Speaker) 사운드 생성 방식은 일종의 이산 시간 샘플링된 시스템이다. 한편, 높은 충실도를 달성하기 위해 이러한 샘플링된 시스템에서 샘플링 레이트를 높이는 것이 일반적으로 바람직하다. 한편, 요구되는 구동 전압 및 소비 전력을 낮추기 위해서는, 장치의 작동 주파수를 낮추는 것이 바람직하다.

하나의 APG 장치에 대한 샘플링 레이트로 작동 주파수를 높이는 대신에, 펄스/작동 레이트가 낮은 (서브 시스템들)의 (적어도) 두 그룹을 시간적 및 공간적으로 인터리빙하여 높은 펄스/작동 레이트를 달성하는 것이 효율적이다.

도 31(공간 배치를 도시)은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(E00)의 평면도이다. 장치(E00)는 서로 옆에/인접하게 배치된 2개의 셀(E11, E12)을 포함한다. 셀(E11/E12)은 본 발명의 APG 장치 중 하나일 수 있다.

도 32(시간 관계를 도시)는 셀(E11, E12)을 위한 (복조)변조 구동 신호의 두 세트 A 및 B의 파형을 예시한다. 세트 A는 복조 구동 신호(±SV) 및 변조 구동 신호(SM)를 포함하고; 세트 B는 복조 구동 신호(±SV') 및 변조 구동 신호(SM')를 포함한다. 도 32에 도시된 실시예에서, 신호 세트 B의 복조 구동 신호(+SV'/-SV')는 신호 세트 A의 복조 구동 신호(+SV/-SV)의 지연된 버전이다. 또한, 신호 세트 B의 신호(SV'/-SV')는 작동 사이클의 절반인 T_CY/2만큼 지연된 신호 세트 A의 신호(SV/-SV)이며, 여기서 T_CY = 1/f _UC이고 f _UC는 셀(E11/E12)에 대한 작동 주파수를 나타낸다. 세트 B의 변조 구동 신호(SM')는 세트 A의 변조 구동 신호(SM)의 반전 또는 극성 반전 버전으로 볼 수 있다. 신호(SM, SM')는 SM' = -SM 또는 SM + SM' = C의 관계를 가질 수 있으며, 여기서 C는 일부 상수 또는 바이어스이다. 예를 들어, 세트 A의 변조 구동 신호(SM)가 기간 T ₂₂ 내에서 전압 레벨에 대해 부의 극성을 갖는 펄스(도 32에서 파선으로 도시됨)를 가질 때, 세트 B의 변조 구동 신호(SM')는 기간 T ₂₂내에서 전압 레벨에 대해 양의 극성을 갖는 펄스(도 32에서 파선으로 도시됨)를 가질 것이다.

세트 A와 세트 B 중 한 세트를 셀(E11)에 제공하고 세트 A와 세트 B 중 나머지 세트를 셀(E12)에 제공함으로써, 장치(E00)는 2×f _UC와 같은 펄스/샘플링 레이트를 갖는 펄스 어레이를 생성할 수 있으며, f _UC는 각 셀에 대한 작동 주파수이다.

도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 APG 장치(F00)의 평면도이다. 장치(F00)는 2×2 어레이에서 배열된 셀(F11, F12, F21, F22)을 포함한다. 장치(F00)의 셀은 본 발명의 APG 장치 중 하나일 수 있다. 셀(F11, F12, F21, F22) 중 2개의 셀은 신호 세트 A를 수신하고, 나머지 2개의 셀은 신호 세트 B를 수신할 수 있다.

일 실시예에서, 셀(F11, F12)은 신호 세트 A를 수신하고 셀(F21, F22)은 신호 세트 B를 수신한다. 일 실시예에서, 셀(F11, F22)은 신호 세트 A를 수신하고 셀(F12, F21)은 신호 세트 B를 수신한다. 일 실시예에서, 셀(F11, F21)은 신호 세트 A를 수신하고 셀(F12, F22)은 신호 세트 B를 수신한다. 장치(E00)와 유사하게, 이 장치는 2×f _UC와 같은 펄스/샘플링 레이트를 갖는 펄스 어레이도 생성한다.

음향파를 발생시키기 위해 물리적 표면 이동을 사용하는 기존 스피커(예: 다이내믹 드라이버)는 전면/후면 방사파 상쇄 문제에 직면한다. 물리적 표면이 이동하여 에어매스 이동을 일으킬 때, 한 쌍의 음파(soundwave), 즉 전면 방사파(front-radiating wave)와 후면 방사파(back-radiating wave)가 발생된다. 2개의 음파는 서로의 대부분을 상쇄하여, 순 SPL이 전면/후면 방사파만 측정한 것보다 훨씬 낮다.

전면/후면 방사파 상쇄 문제에 대해 일반적으로 채택되는 솔루션은 후면 인클로저 또는 개방형 배플(baffle)을 활용하는 것이다. 두 솔루션 모두 관심 있는 가장 낮은 주파수의 파장, 예를 들어 230Hz 주파수의 1.5미터 파장에 필적하는 물리적 크기/치수를 필요로 한다.

기존 스피커와 비교하여 본 발명의 APG 장치는 단지 수십 제곱 밀리미터(기존 스피커보다 훨씬 작음)만을 차지하며, 특히 저주파에서 엄청난 SPL을 생성한다.

이는 비대칭 진폭 변조된 에어 펄스를 생성함으로써 달성되며, 여기서 복조 부분이 멤브레인 이동을 통해 대칭 진폭 변조된 기압 변화를 생성하고 복조 부분이 가상 밸브를 통해 비대칭 진폭 변조된 에어 펄스를 생성한다. 변조 부분과 복조 부분은 동일한 제조 층에서 제조된 플랩 쌍(들)에 의해 구현되어, 제조/생산 복잡성을 감소시킨다. 변조 작동은 플랩 쌍의 공통 모드 이동을 통해 수행되고 복조 작동은 플랩 쌍의 차동 모드 이동을 통해 수행되며, 여기서 (공통 모드 이동을 통한) 변조 작동과 (차동 모드 이동을 통한) 복조 작동은 단일 플랩 쌍에 의해 수행될 수 있다. 차동 모드 이동과 공통 모드 이동 간의 적절한 타이밍 정렬은 출력 에어 펄스의 비대칭을 향상시킨다. 또한 뿔 모양의 배출구나 트럼펫형 도관은 전파 효율을 높이는 데 도움이 된다.

요약하면, 본 발명의 에어 펄스 발생 장치는 변조 수단과 복조 수단을 포함한다. 변조 구동 신호를 플랩 쌍(102 또는 104)에 인가하는 것에 의해 구현될 수 있는 변조 수단은, 사운드 신호에 따라 초음파 반송파 주파수로 진폭 변조된 초음파 음향/에어파를 생성하는 것이다. 한 쌍의 복조 구동 신호(+SV, -SV)를 플랩 쌍(102)에 인가하거나 주기적으로 플랩 쌍(102)을 구동하여 개구부(112)를 형성하는 것에 의해 구현될 수 있는 복조 수단은, 초음파 음향/에어파(ultrasonic acoustic/air wave, UAW)의 스펙트럼 컴포넌트를 ±n×f _UC만큼 시프트하는 동기식 복조 작동을 수행하는 것이다. 그 결과, 사운드 신호에 대응하는 초음파 에어파의 스펙트럼 컴포넌트가 가청 기저대역으로 시프트되어 사운드 신호가 재생된다.

당업자는 본 발명의 교시를 유지하면서 장치 및 방법의 수많은 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 쉽게 관찰할 것이다. 따라서, 위의 개시는 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

에어 펄스 발생 장치로서,
필름 구조물
을 포함하고,
상기 필름 구조물은 초음파 반송파 주파수로, 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성하도록 구동되고,
상기 필름 구조물은 상기 초음파 반송파 주파수와 동기화된 레이트로 개구부를 형성하도록 구동되며,
상기 에어 펄스 발생 장치는 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화에 따라 복수의 에어 펄스를 생성하고, 상기 복수의 에어 펄스는 비대칭인, 에어 펄스 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 개구부를 형성하는 타이밍은 상기 에어 펄스 발생 장치에 의해 생성된 상기 복수의 에어 펄스가 비대칭이 되도록 설계되는, 에어 펄스 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 필름 구조물은 플랩 쌍을 포함하고,
상기 플랩 쌍은 상기 초음파 반송파 주파수로 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성하도록 구동되고,
상기 플랩 쌍은 상기 초음파 반송파 주파수와 동기화된 레이트로 상기 개구부를 형성하도록 구동되며,
상기 에어 펄스 발생 장치는 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화에 따라 복수의 에어 펄스를 생성하고, 상기 복수의 에어 펄스는 비대칭인, 에어 펄스 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 개구부의 개방 시간은 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화가 피크를 달성할 때의 피크 시간에 정렬되는, 에어 펄스 발생 장치.
제1항에 있어서,
챔버가 상기 에어 펄스 발생 장치 내에 형성되고, 상기 필름 구조물은 상기 챔버 내에 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성하는, 에어 펄스 발생 장치.
제3항에 있어서,
상기 개구부는 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동이 제1 방향을 향할 때 형성되고,
상기 개구부는 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동이 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향을 향할 때 닫히는, 에어 펄스 발생 장치.
제6항에 있어서,
상기 개구부가 개방되는 시간이 상기 제1 방향을 향해 이동하는 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동의 최대 속도에 대응하는 시간에 정렬되고,
상기 개구부가 닫히는 시간이 상기 제1 방향과 반대인 상기 제2 방향을 향해 이동하는 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동의 최대 속도에 대응하는 시간에 정렬되는, 에어 펄스 발생 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 방향은 주변을 향하는, 에어 펄스 발생 장치.
제1항에 있어서,
도관이 상기 에어 펄스 발생 장치 내에 형성되는, 에어 펄스 발생 장치.
제9항에 있어서,
상기 필름 구조물은 플랩 쌍을 포함하고,
상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동은 상기 도관을 통해 에어파 전파를 발생시키는, 에어 펄스 발생 장치.
제9항에 있어서,
상기 도관은 챔버, 통로 및 뿔 모양의 배출구를 포함하는, 에어 펄스 발생 장치.
제11항에 있어서,
상기 챔버의 치수는 상기 통로를 향해 좁아지는, 에어 펄스 발생 장치.
제11항에 있어서,
상기 뿔 모양의 배출구의 치수는 주변을 향해 넓어지는, 에어 펄스 발생 장치.
제3항에 있어서,
상기 개구부가 개방되는 시간이 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동의 피크 가속도에 대응하는 시간에 정렬되는, 에어 펄스 발생 장치.
제3항에 있어서,
상기 플랩 쌍의 차동 모드 이동의 피크에 대응하는 시간이 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동의 피크 가속도에 대응하는 시간에 정렬되는, 에어 펄스 발생 장치.
제3항에 있어서,
상기 개구부가 닫히는 시간이 상기 플랩 쌍의 공통 모드 이동의 피크 가속도에 대응하는 시간에 정렬되는, 에어 펄스 발생 장치.
제3항에 있어서,
상기 플랩 쌍은 공통 모드 이동을 수행하도록 구동되어 상기 초음파 반송파 주파수로는 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 형성하고,
상기 플랩 쌍은 차동 모드 이동을 수행하도록 구동되어 상기 초음파 반송파 주파수와 동기화된 레이트로 상기 개구부를 형성하며,
상기 차동 모드 이동의 시간이 상기 에어 펄스 발생 장치가 복수의 비대칭 에어 펄스를 생성하도록, 상기 공통 모드 이동의 시간에 정렬되는, 에어 펄스 발생 장치.
에어 펄스 발생 장치로서,
변조 작동을 수행하여 초음파 반송파 주파수로, 진폭 변조된 초음파 기압 변화를 발생시키도록 구성된 변조 수단 - 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화는 입력 오디오 신호에 따라 진폭 변조되고, 상기 입력 오디오 신호는 사운드 신호의 전기적 표현임 -; 및
상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화의 스펙트럼 컴포넌트가 상기 초음파 반송파 주파수의 정수배의 양만큼 시프트되도록, 상기 진폭 변조된 초음파 기압 변화에 대해 동기식 복조 작동을 수행하도록 구성된 복조 수단
을 포함하고,
상기 에어 펄스 발생 장치는 상기 동기식 복조 작동을 수행하는 것을 통해 복수의 에어 펄스를 생성하며,
상기 복수의 에어 펄스의 가청 스펙트럼 컴포넌트는 상기 사운드 신호에 대응하는, 에어 펄스 발생 장치.
제18항에 있어서,
상기 에어 펄스 발생 장치는 플랩 쌍을 포함하고,
상기 복조 수단은 상기 플랩 쌍에 대해 복조 구동 신호 쌍을 적용하는 것을 포함하며,
상기 변조 수단은 상기 플랩 쌍에 대해 변조 구동 신호를 적용하는 것을 포함하는, 에어 펄스 발생 장치.
제18항에 있어서,
상기 에어 펄스 발생 장치는 제1 플랩 쌍 및 제2 플랩 쌍을 포함하고,
상기 복조 수단은 상기 제1 플랩 쌍에 대해 복조 구동 신호 쌍을 적용하는 것을 포함하며,
상기 변조 수단은 상기 제2 플랩 쌍에 대해 변조 구동 신호를 적용하는 것을 포함하는, 에어 펄스 발생 장치.
제18항에 있어서,
상기 에어 펄스 발생 장치는 플랩 쌍을 포함하고,
상기 복조 수단은 상기 플랩 쌍을 구동하여 개구부를 주기적으로 형성하는 것을 포함하며,
상기 개구부의 개방 레이트는 상기 초음파 반송파 주파수인, 에어 펄스 발생 장치.
제18항에 있어서,
상기 에어 펄스 발생 장치는 플랩 쌍을 포함하고,
상기 복조 수단은 상기 플랩 쌍에 대해 복조 구동 신호 쌍을 적용하는 것을 포함하며,
상기 복조 구동 신호 쌍은 주기적이고, 상기 초음파 반송파 주파수와 동기화되는 구동 주파수에 대응하는, 에어 펄스 발생 장치.
제22항에 있어서,
상기 복조 구동 신호 쌍의 구동 주파수는 상기 초음파 반송파 주파수의 절반인, 에어 펄스 발생 장치.