改進(jìn)的參量換能器及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開大致涉及參量揚(yáng)聲器。更具體地，一些實(shí)施例涉及一種超薄超聲波發(fā)射器。
【背景技術(shù)】
[0002] 非線性轉(zhuǎn)換是由將高密度的音頻調(diào)制的超聲信號(hào)充分地引入到空氣柱中引起的。 自解調(diào)或下轉(zhuǎn)換沿著空氣柱出現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)生聽得見的聲頻信號(hào)。此過(guò)程的發(fā)生是由于已知 的物理原理，即當(dāng)具有不同頻率的兩個(gè)聲波在相同的介質(zhì)中同時(shí)輻射時(shí)，由兩個(gè)聲波的非 線性（參數(shù)）相互作用產(chǎn)生包括兩個(gè)頻率的總和與差值的調(diào)制波形。當(dāng)兩個(gè)原始聲波是超 聲波并且它們之間的差值被選為音頻時(shí)，聽得見的聲音能夠由參數(shù)相互作用生成。
[0003]參量音頻再現(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)生在介質(zhì)（空氣）中的非線性過(guò)程中的兩個(gè)聲頻信號(hào)的 外差產(chǎn)生聲音。聲頻信號(hào)通常在超聲頻率范圍內(nèi)。介質(zhì)的非線性導(dǎo)致由介質(zhì)產(chǎn)生的聲頻信 號(hào)，該聲頻信號(hào)是音頻信號(hào)的總和與差值。因此，通過(guò)頻率隔開的兩個(gè)音頻信號(hào)能夠?qū)е虏?值音調(diào)，其在人類聽覺的60Hz到20,OOOHz的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文描述的技術(shù)的實(shí)施例包括超聲波音頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其包括發(fā)射器和驅(qū)動(dòng)器。 在各種實(shí)施例中，發(fā)射器包括具有導(dǎo)電表面的第一層；具有導(dǎo)電表面的第二層；和設(shè)置在 第一導(dǎo)電表面和第二導(dǎo)電表面之間的絕緣層，其中，第一層和第二層與絕緣層以接觸關(guān)系 設(shè)置。驅(qū)動(dòng)器電路能夠包括兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，輸入端配置為經(jīng)耦合以從放大器接 收音頻調(diào)制的超聲信號(hào)，其中，第一輸出端耦合到第一層的導(dǎo)電表面，并且第二輸出端耦合 到第二層的導(dǎo)電表面。
[0005]使用金屬化膜能夠制造任意一個(gè)導(dǎo)電表面或兩個(gè)導(dǎo)電表面，其中，金屬化導(dǎo)電表 面設(shè)置在金屬化膜中的膜襯底上。該襯底能夠是，例如，聚丙烯、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙 二醇酯（PET)、軸向定向的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、雙軸向聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（如聚酯 薄膜、聚酯薄膜或聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）、kapton或其他襯底。絕緣層能夠是金屬化膜的襯 底或其能夠是單獨(dú)的絕緣層。
[0006]在各種實(shí)施例中，超聲波發(fā)射器進(jìn)一步包括鄰近第一導(dǎo)電層設(shè)置的屏（screen) 或光柵（grating)。在一些實(shí)施例中，第一導(dǎo)電層包括金屬化膜，并且第二導(dǎo)電層包括導(dǎo)電 光柵。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，第二導(dǎo)電層包括導(dǎo)電光柵。
[0007]根據(jù)下面詳細(xì)的說(shuō)明，結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他特征和方面將變得明顯，其中附圖 通過(guò)示例的方式示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的特征。本
【發(fā)明內(nèi)容】
目的不在于限制本發(fā)明的范 圍，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書單獨(dú)限定。
【附圖說(shuō)明】
[0008]根據(jù)一個(gè)或更多不同的實(shí)施例，參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明。用于說(shuō)明目的提供 的附圖僅僅只是描述本發(fā)明的典型或示例的實(shí)施例。提供這些附圖以助于讀者對(duì)本文描述 的系統(tǒng)和方法的理解，并且不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制所要求保護(hù)的發(fā)明的廣度、范圍或適用性。
[0009] 根據(jù)不同的視角，本文所包括的一些附圖示出本發(fā)明的各種實(shí)施例。雖然，伴隨的 描述性文本可能將其中所描述的元件稱為在裝置的"頂部"、"底部"或"側(cè)面"上，但是這種 引用僅是說(shuō)明性的，而不暗示或要求本發(fā)明在具體的空間定位中實(shí)施或使用，除非以其他 方式明確聲明。
[0010] 圖1是示出適于使用本文描述的發(fā)射器技術(shù)的超聲波聲音系統(tǒng)的示意圖。
[0011] 圖2是示出適于使用本文描述的發(fā)射器技術(shù)的另一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的示例的示 意圖。
[0012] 圖3是示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的示例發(fā)射器的放大圖。
[0013] 圖4是示出根據(jù)圖3中所示的示例的裝配好的發(fā)射器的截面圖的示意圖。
[0014] 圖5是示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的超聲波發(fā)射器的另一個(gè)示例配 置的示意圖。
[0015] 圖6a是示出能夠用來(lái)驅(qū)動(dòng)本文所公開的發(fā)射器的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)器電路的示例的示意 圖。
[0016] 圖6b是示出能夠用來(lái)構(gòu)成罐形磁心電感器的罐形磁心的示例的剖面圖的示意 圖。
[0017] 圖7是示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)示例發(fā)射器配置的示意 圖。
[0018] 圖8是示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)示例發(fā)射器配置的示意 圖。
[0019] 圖9a和圖IOa是示出在弧形配置中的發(fā)射器的示例的示意圖。
[0020] 圖9b和圖IOb是示出在圓柱形配置中的發(fā)射器的示例的示意圖。
[0021] 附圖目的不在于窮盡或?qū)⒈景l(fā)明限制為公開的精確的形式。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明能 夠借助修改和改變而實(shí)踐，并且本發(fā)明僅由權(quán)利要求及其等效物限定。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本文描述的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例提供用于各種不同應(yīng)用的特超聲（HSS)音頻系 統(tǒng)或其他超聲波音頻系統(tǒng)。特定實(shí)施例提供薄膜超聲波發(fā)射器用于超聲載波音頻應(yīng)用。
[0023] 圖1是示出適于使用本文描述的系統(tǒng)和方法的超聲波聲音系統(tǒng)的示意圖。在此示 例性超聲波系統(tǒng)1中，接收來(lái)自音頻源2 (如，例如，麥克風(fēng)、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置、流媒體 源、CD、DVD或其他音頻源）的音頻內(nèi)容。音頻內(nèi)容可以被解碼并且從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為模擬 形式，這取決于源。使用調(diào)制器將由音頻系統(tǒng)1接收的音頻內(nèi)容調(diào)制到頻率fl的超聲載波 上。調(diào)制器通常包括用于生成超聲載波信號(hào)的本地振蕩器3和將音頻信號(hào)乘以載波信號(hào)的 乘法器4。結(jié)果信號(hào)是具有在頻率H處的載波的雙邊帶信號(hào)或單邊帶信號(hào)。在一些實(shí)施例 中，信號(hào)是參量超聲波或HSS信號(hào)。在大多數(shù)情況下，所使用的調(diào)制方案是幅值調(diào)制或AM。 AM能夠通過(guò)將超聲載波乘以信息運(yùn)載信號(hào)（在這種情況下是音頻信號(hào)）實(shí)現(xiàn)。已調(diào)制信號(hào) 的頻譜具有兩個(gè)邊帶，即上邊帶和下邊帶，其相對(duì)于載波頻率和載波本身是對(duì)稱的。
[0024] 已調(diào)制超聲波信號(hào)被提供到換能器6,其將超聲波發(fā)射到產(chǎn)生超聲波7的空氣中。 當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)換器以足夠高的聲壓水平回放信號(hào)時(shí)，由于"播放"或傳輸它的空氣的非線性表 現(xiàn)，信號(hào)中的載波與邊帶（一個(gè)或更多）混合以解調(diào)信號(hào)并且再現(xiàn)音頻內(nèi)容。這有時(shí)被稱 為自解調(diào)。因此，即使針對(duì)單邊帶實(shí)施方式，還是包括載波和發(fā)射的信號(hào)，從而自解調(diào)能夠 發(fā)生。雖然在圖3中的系統(tǒng)使用單個(gè)換能器發(fā)射單個(gè)信道的音頻內(nèi)容，但是本領(lǐng)域技術(shù)人 員在閱讀此說(shuō)明書之后將理解多個(gè)混頻器、放大器和換能器能夠怎樣用于使用超聲載波傳 輸多個(gè)信道的音頻。
[0025] 適于使用本文描述的技術(shù)的信號(hào)處理系統(tǒng)10的一個(gè)示例在圖2中示意性地示出。 在此實(shí)施例中，各種處理電路或部件按照根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式布置的順序（相對(duì)于信號(hào)的處 理路徑）示出。應(yīng)當(dāng)理解的是，處理電路的部件能夠變化，每個(gè)電路或部件處理輸入信號(hào)的 順序也能夠變化。另外，取決于實(shí)施例，處理系統(tǒng)10能夠包括比示出的那些部件或電路更 多或更少的電路或部件。
[0026] 另外，在圖1中所示的示例適用于處理兩個(gè)輸入和輸出信道（如"立體聲"信號(hào)）， 其中，各部件或電路大體包括針對(duì)每個(gè)信道的信號(hào)的匹配元件。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀此 說(shuō)明書之后將理解，音頻系統(tǒng)能夠使用單信道（如"單聲道"信號(hào)或"單"信號(hào)）、兩個(gè)信道 (如圖2中所示）、或更多信道實(shí)施。
[0027] 現(xiàn)在參考圖2,示例信號(hào)處理系統(tǒng)10能夠包括音頻輸入端，其能夠相當(dāng)于音頻輸 入信號(hào)的左側(cè)12a信道和右側(cè)12b信道。能夠包括壓縮器電路14a、14b以壓縮入射信號(hào) 的動(dòng)態(tài)范圍、有效提高入射信號(hào)的某些部分的幅值并且降低入射信號(hào)的某些其他部分的幅 值。更具體地，能夠包括壓縮器電路14a、14b以使音頻幅值的范圍變窄。在一個(gè)方面中，壓 縮器使輸入信號(hào)的峰-峰幅值減小不小于2:1的比例。將輸入信號(hào)調(diào)節(jié)到幅值的更窄的范 圍能夠?qū)崿F(xiàn)以最小化失真，其是此類調(diào)制系統(tǒng)的受限動(dòng)態(tài)范圍的特性。
[0028] 在壓縮音頻信號(hào)之后，能夠包括均衡網(wǎng)絡(luò)16a、16b以提供信號(hào)的均衡。均衡網(wǎng)絡(luò) 能夠，例如，提高或抑制預(yù)定頻率或頻率范圍以提高由參量發(fā)射器裝置的發(fā)射器/電感器 的組合自然提供的優(yōu)勢(shì)。
[0029]能夠包括低通濾波電路18a、18b以提供信號(hào)的高部分的截止，以及提供音頻信號(hào) 的低部分的截止的高通濾波電路20a、20b。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，低通濾波電路18a、18b 用來(lái)截止高于約15-20kHz的信號(hào)，而高通濾波電路20a、20b用來(lái)截止低于約20-200Hz的 信號(hào)。
[0030]高通濾波器20a、20b能夠配置為消除在調(diào)制之后會(huì)導(dǎo)致載波頻率的偏差的低頻 (如，圖6的最接近載波頻率的已調(diào)制信號(hào)的那些部分）。另外，對(duì)于系統(tǒng)而言，一些低頻很 難有效再現(xiàn)，并因此試圖再現(xiàn)這些頻率能夠浪費(fèi)很多能量。因此，高通濾波器20a、20b能夠 配置為切斷這些頻率。
[0031] 低通濾波器18a、18b能夠配置為消除在調(diào)制之后會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生具有載波的聽得見 的差拍信號(hào)的較高頻率。舉例來(lái)說(shuō)，如果低通濾波器切斷在15kHz以上的頻率，并且載波頻 率接近44kHz，那么差值信號(hào)將不會(huì)低于29kHz左右，其仍在人類聽得見的范圍之外。然而， 如果高至25kHz的頻率允許通過(guò)濾波器電路，那么所生成的差值信號(hào)會(huì)在19kHz的范圍內(nèi)， 其在人類聽力范圍內(nèi)。