参量扬声器是一种对于一个声频信号直接发射由载波频率和从载 波频率的调制生成的边带频率表示的高频超声波的声发射器件。这些 分散超声频率在一种诸如空气之类的非线性介质中解调，以把调制声 频信号重新生成实际声频输出。在理论上，参量声音由其值的差落在 声频范围内的两个超声频率在空气(作为非线性介质)中的交互产生。 理想地，生成的声频压缩波在空气中发射，并且作为纯声音听到。尽 管理想的理论，但对于实际用途通过声混合的声音产生已经使该行业 困惑超过100年了。
因为声频输出的产生沿超声传播的长度延伸，所以增大声压级 (SPL)沿超声波束产生，直到耗尽超声能量。以这种方式，参量扬声器 的输出类似于常规扬声器的端射阵。尽管在参量扬声器与常规扬声器 系统之间的一些相似性，但显著的新性能产生，因为声频输出间接从 高能超声发射产生，而不是由在声频下运动的锥或隔膜产生。这些独 特性能的一些是熟知的，如声音至发射区域的长距离成束效应和局部 化。其他的性能以前还没有识别到，并且已经防止商业参量扬声器系 统的实施。本公开、以及提出于1999年8月26日和标题为“用于参量 扬声器系统的调制器处理”的同时提出申请序列No.09/384,084，探索 这些性能的几种作为一种全操作参量扬声器的部分。当前发明的参量 扬声器具有全范围声频输出，有与高质量常规声音系统不相上下的音 量、清晰度和保真度。
在参量扬声器应用方面先有技术的努力一般限于对某些有限性能 和集中安装在一个支撑表面上的压电双压电晶片换能器的一个换能器 阵列的用途的理论研究。每个双压电晶片发射体分离地用导线连接到 信号源上。根据这种配置，参量产品的商业开发已经使行业困惑。这 主要由于缺乏与诸如动态和静电扬声器系统之类的其他常规声系统不 相上下的有效声音复制。即使在参量扬声器提供诸如增强方向性之类 的显著优点的地方，商业成功也因为不满足有鉴别力听众的高成本、 实际功率要求、和差的质量，一直很小。
参量扬声器取决于独特性质的超声声音输出与周围空气的有效耦 合。如上所述，以前的理论和商业产品研究主要集中在使用也称作压 电弯曲机的压电双压电晶片结构的发射体器件。这些器件使用彼此粘 结且异相驱动的两层压电材料。当一层在长度上延伸时，另一层收缩， 在对于膨胀/收缩方向的90度的平面内提供输出运动。尽管这些器件 的力很大，但实际空气位移和耦合相当差。因此，双压电晶片的成功 特性取决于其中在周围空气中放大双压电晶片的局部运动的转换过程 的一个第二级。这借助于包括板式和盘式结构的各种空气匹配装置实 现，这些结构在尺寸上与感兴趣频率的波长相差不大。
为了开发有意义的SPL，多个这样的器件沿一块支撑或其他支撑 结构隔开。见例如从Tanaka等的美国专利4,823,908得到、包括500 串或超过1400个双压电晶片单元的图6。因为这些器件的每一个表示 一个局部化发射体，所以本发明者已经发现紧在每个器件前面的高驱 动强度能容易地把空气驱动成激波或饱和。这种现象破坏声频信号的 有效解调，引起功率输出的损失和声频声音分量的严重失真、以及对 参量扬声器操作的一般过程的其他严重不利影响。另外，双压电晶片 具有差的频率响应和多余的次谐波。
至较大程度上，用于在双压电晶片系统中增强SPL的先有技术努 力一直集中在增加双压电晶片发射体的数量。尽管已经发觉增加双压 电晶片发射体的数量会提供增大的超声输出，但它仅扩大空气饱和问 题和严重的功率损失。而且，本发明者已经发现多种伴随的限制，有 由从器件至器件的变化造成的相位匹配误差、失真和带宽问题及使用 这么多分立器件的有关成本和复杂性。的确，这些分立器件的相位关 系是这样的，从而用作一串的多个器件的总输出不会添加仅通过求和 所有器件预计的量。例如，试验已经表明，每个单独能够产生120db 的SPL的一个10双压电晶片换能器的阵列，产生仅125至127db的 集中SPL。特别是，这奇怪地小于理论上表示十个具有120db单独输 出的器件的累加的130db。如以上指示的那样，本发明者相信，这种 功率损失由相位异常、和在本公开中辨别的其他缺陷产生。
另一个或许把研究者引导到依赖于双压电晶片器件的另一个因 素，是一种发射体应该以与要发射的超声能量的波长相对应的尺寸构 造的感觉。这与其他类型的超声器件一致，如以等于或大于感兴趣的 最低频率的波长的尺寸建造的静电发射体。即使当使用这些器件时， 仍需要使用较大器件计数以实现需要的输出。事实上，感觉一直是这 样的，如果希望较高的SPL，则必须应用较大数量的发射体，以较高 电压级驱动。这种逻辑由来自常规声频系统的传统设计感觉产生。然 而，这些结论不是以平行关系遵循参量扬声器系统。
本发明者相信，除在带有双压电晶片换能器的参量系统中的不满 意结果之外，从常规声频系统得出的其他传统观点可能误导了在参量 扬声器领域中的早期研究者，导致阻碍参量扬声器进步的失望结果。 这由如下事实表明，早期研究努力基本上限于一般分类为大功率器件 的双压电晶片换能器的使用。似乎在参量扬声器内的双压电晶片换能 器的希望使用可能是在声频行业中平行经验的自然结果，其中对动态 扬声器(也特征化为大功率器件)的强烈偏爱优于静电扬声器。换句话 说，磁驱动锥的流行性和一般接收(在本质上类似于双压电晶片驱动器 和附加的空气耦合锥)，显得已经把在参量领域内的发展想法引导成偏 爱双压电晶片而远离诸如膜发射体之类的低输出发射体结构。
例如，在世界上销售的约百分之99的声频系统落在动态扬声器的 种类内，由机械耦合到一个锥上的磁驱动单元或类似的声驱动器表明。 动态扬声器基于两个概念操作。第一个涉及一个把声频输出的电压信 号转换成机械运动的电-机过程。这由诸如一种磁铁和线圈组合之类的 磁驱动单元实现。第二个概念伴随着第一个，其中机械运动与一个声 耦器件相结合，如与用于压缩波的位移的锥的运动相结合。这在概念 上称作一个两级扬声器。
这样的动态扬声器称作大功率器件，因为他们能够根据驱动系统 的强度产生高音量级，特别是在低频下。他们也良好地适于用在诸如 小房间、汽车等之类的小空间内。动态扬声器的多样性和其操作的简 单性(一个运动锥)已经给予一个基本不中断的领导位置，优于静电扬 声器和用于声频复制其他系统。而且，这样的发展已经出现，尽管需 要昂贵和复杂的声频控制系统来混合、交叉、均衡，并且象这样的相 关问题枚列在通过参考包括在这里的美国专利申请Serial No. 08/684,311中。
尽管动态扬声器有市场强度，但静电扬声器工业已经为商业利益 提供了显著潜力。然而，因为低功率输出、大尺寸要求和建造限制， 静电扬声器没能获得显著的市场份额-小于1％。不顾在声频工业中由 静电扬声器供给的明显优点超过动态扬声器，商业发展和研究继续集 中在大功率、磁驱动动态系统上。
现在可能显得，在声学界中的这种趋势也会影响在声音复制的参 量领域内的研究方向。具体地说，在本发明者之前的实际所有参量研 究都是对于双压电晶片换能器的使用，在结构上类似于具有其大功率 操作的动态扬声器。如以上提到的那样，双压电晶片系统还没有实现 对于参量扬声器系统的商业化必需的结果。借助于“大功率”形式(双压 电晶片换能器)的一个超声发射体没有实现要求级的音量和质量，由熟 悉本专业的技术人员有这样一种明显假设，静电或低功率膜型发射体 更不可能运行在参量声音领域中。所以，宽片隔膜的使用和类似单级 电声转换系统不认为是适于参量研究的换能器。
声学科学早就知道可运动静电薄膜或与一个定子或驱动件有关和 与其绝缘的膜作为扬声器/或麦克风器件使用。这种器件的典型结构包 括一个可弯曲Mylar(tm)或Kapton(tm)膜，该膜带有由一个空气间隙 或绝缘材料分离的一个金属化涂层；和一块有关的导电、刚性板。包 括一个声或超声信号的施加电压传送到该电容性组件，并且操作移动 可弯曲发射体膜以传播希望的超声或声压缩波。
存在两种主要种类的静电扬器。单端扬声器包括单块板，该板一 般带有允许声音通过的孔。膜悬挂在板的前面或后面，并且可以通过 垫片不与板接触地移动。就超声发射体而论，膜已经偏移成与板的不 规则表面直接接触，并且允许膜在空穴或空腔中振动。一个空气、塑 料膜或类似非导电材料的绝缘阻挡层夹持在膜与板之间，以防止电气 接触和起弧。一般地，板和隔膜联接到一个直流电源上，以在金属化 涂层和板的相应导电表面上建立相反的极性。
第二主要种类的静电扬声器由推挽配置表示。在这种情况下，扬 声器带有对称放置在一个导电薄膜的每一侧的两块刚性板。当施加电 压时，一块板相对于薄膜变成负的，而相对板呈现正电荷。可变电压(例 如交流)至换能器的传送加强对薄膜的推挽作用，由此增大功率输出。 常用静电发射体设计的理论和构造的另外细节在Ronald Wagner的 ELctostatic Loudspeaker(静电扩音器)，Audio Amateur Press，1993中 找到。
多年定向研究已经对这种系统产生各种技术改进，但分量定义基 本上保持相同。意想不到的是，本发明者已经发现，把这种低功率换 能器用作压电膜、静电膜、及其他类似膜发射体的单级转换过程，为 参量扬声器提供显著的优点。如下公开对以上在参考专利申请中叙述 的这些概念和实施例提供进一步的增强。

因此本发明的一个目的在于，把一种膜换能器应用于声音复制的 参量领域。
本发明的另一个目的在于，提供一种能够响应电激励产生大振幅 压缩波的改进扬声器隔膜，该隔膜不需要常规声频扬声器或超声换能 器的一种刚性隔膜结构。
本发明的另外目的在于，使对于给定总量系统输出驱动空气每部 分的隔膜基本上是连续的。
本发明的另外一个目的在于，使一种换能器能输送高输出同时使 失真、相位偏移、及谐波谐振最小。
本发明的又一个目的在于，使一种换能器可以配置成提供主要频 率方向性图案的控制，从而束宽能扩展到换能器系统的直径甚至更大。
本发明的再一个目的在于，通过把一种泡沫材料用作扬声器系统 的定子元件能够减小重量和刚度要求。
本发明的另一个目的在于，提供一个能够在单个或推挽配置中操 作的板或支撑件。
本发明的另一个目的在于，通过使用磁驱动薄膜发射体间接产生 具有商业可接收的音量级的至少一种新声波或亚声波，该薄膜发射体 在具有等于至少一个新声波或亚声波的不同频率的至少两个超声信号 之间提供干涉。
本发明的另一个目的在于，提供一种带有一个同相操作的低功率、 常用发射体部分的阵列。
本发明的一个专门目的在于，提供一种带有通常经单个触点由一 个参量信号源供电的弓形发射体部分的压电膜。
本发明的又一个目的在于，使带有一个弓形发射体部分阵列的基 本上连续的隔膜一般在没有饱和的级下、而以用来使总系统输出最大 的受控方式驱动周围空气的相邻区域。
这些和其他目的以一种用来根据在作为非线性介质的空气中的多 个超声频率的交互作用产生参量声频输出的方法实现，所述方法包括 步骤：
a)产生一个包括至少两个超声信号的电子信号，这两个超声信号 具有落在一个声频频率范围内的值的差；
b)把电子信号传送到直接与空气耦合作为单级能量转换过程的部 分的电声膜换能器隔膜；
c)把在隔膜处的电子信号直接转换成机械位移，作为一个参量扬 声器的一个驱动件；
d)把至少两个超声信号从隔膜机械发射到空气中，作为超声压缩 波；及
e)相互作用在空气中的超声压缩波以产生参量声频输出。
本发明的另一个实施例是一种扬声器器件，该扬声器器件带有： 一块刚性发射体板，包括一个带有多个小孔或空腔的外表面；一个薄 压电膜，跨过发射体板的小孔布置，使膜扩张到空腔中或从其扩张以 形成能够响应在压电膜处施加电气输入的变化收缩和延伸的一个弓形 发射体配置的阵列，由此在周围环境中产生压缩波；及电气接触装置， 耦合到用来提供施加电气输入的压电膜上。弓形发射体配置的阵列能 通过正的或负的压力实现或延伸到该装置。
本发明另外一个实施例的特征在于一种用来提高参量声频输出的 方法，该方法包括步骤：a)产生一个至少两个超声信号的电子信号， 这两个超声信号具有落在一个声频频率范围内的值的差；b)把电子信 号传送到一个带有形成在膜内的弓形发射体部分的一个阵列的发射体 膜换能器隔膜；c)与一个参量扬声器的一个驱动件同相地电-机移动弓 形发射体部分的阵列；d)把至少两个超声信号从隔膜发射到空气中， 作为超声压缩波；及e)相互作用在空气中的超声压缩波以产生参量声 频输出。
本发明也通过一种用来提高参量声频输出的方法表示，该方法包 括步骤：a)产生一个包括至少两个超声信号的电子信号，这两个超声 信号具有落在一个声频频率范围内的值的差；b)同时把电子信号传送 到一个形成在一个常用电声换能器隔膜内的弓形发射体部分的一个阵 列；c)以受控方式移动发射体部分以便使周围空气的饱和最小；d)与 一个参量扬声器的一个驱动件同相地电-机移动弓形发射体部分的阵 列；e)把至少两个超声信号从隔膜发射到空气中，作为超声压缩波； 及(f)相互作用在空气中的超声压缩波以产生参量声频输出。
把本发明的另外一个实施例描述成一种用来提高参量声频输出的 方法，该方法基于步骤：a)产生一个包括至少两个超声信号的电子信 号，这两个超声信号包括一个超声载波信号和至少一个另外的超声信 号，具有一个相对于载波信号落在一个声频频率范围内的值的差；b) 把电子信号传送到一个形成在一个常用电声膜换能器隔膜内的弓形发 射体部分的一个阵列，该隔膜带有一根传播主轴；c)以一般的中凹形 式配置发射体部分的阵列，以便以相对于传播主轴的一个预定会聚角 度从阵列的至少一个外周边提供发射超声波束的会聚；d)与一个参量 扬声器的一个驱动件同相地电-机移动弓形发射体部分的阵列；e)把至 少两个超声信号从隔膜发射到空气中，作为超声压缩波；及(f)相互作 用在空气中的超声压缩波以产生参量声频输出。
本发明的另一个实施例通过一种方法和用于一种具有宽频率范围 容量与典型静电隔膜运动相比有较大隔膜位移的超声发射体器件的设 备实现。该器件包括一个能够建立一个第一磁场的磁心件。一个可运 动隔膜沿磁心件伸展，并且从磁心件移动一个短分离距离，以提供一 个隔膜相对于磁心件的正交位移的预计范围并且在磁场的一个较强部 分内。至少一个、小质量、平面的、导电电线圈布置在可运动隔膜上， 并且包括用来使电流流经线圈的第一和第二触点。一种可变电流流动 施加到线圈上以便产生一个第二磁场，该第二磁场可变地与第一磁场 相互作用，以便为了可以包括一个具有用其调制的声频信号的超声频 率范围的一系列波的产生，以希望频率吸引和排斥隔膜。
在本发明的一个不同方面，用于一个参量扬声器的发射体包括一 个由单个发射体薄膜组成的鼓，该薄膜布置在一个由其中的多个小孔 组成的常用发射体表面上，其中小孔对准，以便发射从其沿平行轴产 生的所有频率，并且其中在鼓内和在发射体薄膜后面产生接近真空， 由此消除反向波产生。
在本发明的另一个方面，发射体包括一个由单个发射体薄膜组成 的鼓，该薄膜布置在一个由其中的多个小孔组成的常用发射体表面上， 但其中现在加压鼓。
附图说明
根据结合如下附图所作的最佳实施例的如下详细描述，对于熟悉 本专业的技术人员，本发明的其他目的和特征是显然的。
图1a表示使用多个压电双压电晶片换能器的先有技术参量扩音 器。
图1b表示使用多个压电双压电晶片换能器的参量扩音器的另一 个实施例。
图1c是在空间听小点处驱动空气和引起激波的双压电晶片换能器 的图。
图1d是以分布驱动和减小激波的均匀方式驱动空气的本发明的 膜换能器的图。
图1e是在激波级以下和在激波级处的一个原频率波形的图。
图2是用于一个大规模静电膜换能器的一块圆形V形开槽后板的 正交俯视图。
图2a是沿线2a-2a得到的图2的静电后板和隔膜的剖视图。
图2b是带有弯曲后板和隔膜的静电换能器的图。
图3是一种整流正弦形式的压电膜的图。
图3a是一种带有一块四分之一波间隔的后板的整流正弦形式的 压电膜的图。
图3b是一种浅整流正弦形式的压电膜的图。
图3c是一种带有后板的浅整流正弦形式的压电膜的图。
图4是一种正弦成形压电膜的图。
图4a是一种带有一块后板的正弦成形压电膜的图。
图4b是一种具有一块后板和打开原频率的方向性角度的弯曲的 正弦成形压电膜的图。
图4c是一种用在双极原频率/双极次级频率模式中的正弦成形压 电膜的图。
图5是一块与中凹或中凸凹纹形式的压电膜后板的图。
图5a是以中凸凹纹形式使用的压电膜的图。
图5b是以中凹凹纹形式使用的压电膜的图。
图6表示把多压电双压电晶片换能器用作一个超声发射源的先有 技术参量扩音器。
图7表示使用多压电双压电晶片换能器的参量扩音器的另一个先 有技术实施例，并且表示在扬声器性能中的各种缺陷。
图8是按照本发明的原理制成的一种发射体鼓换能器的立体图。
图9是俯视图，表示在发射体鼓换能器的一个发射体表面中的多 个小孔。
图10是发射体鼓换能器和发射体表面的剖视轮廓图，表示布置在 发射表面中的小孔上方的薄膜。
图11A-B是正在振动的同时在发射体表面中在多个小孔上伸展的 薄膜的闭合轮廓图。
图12是曲线图，表示在最佳实施例中薄膜(压电膜)位移与频率的 关系曲线的一个例子。该曲线图表示产生的谐振频率和典型带宽。
图13是其中加压发射体鼓的一个可选择实施例的发射体鼓换能 器的剖视轮廓图。
图14是本发明一种更具体实施，发射声学混合的一个超声基频和 一个超声情报载波频率，以产生一个新的声频率或亚声频率。
图15是带有一个已经完成中凹椭圆形状的隔膜的换能器的立体 图。
图16是图15的横截面，表示带有振动产生一种超声波的完成薄 膜的换能器。
图17是一种静电扬声器的单端的剖视侧视图。
图18表示一种以一个泡沫件作为一个定子的单端扬声器器件。
图19表示一种弓形形状，代表用于当前扬声器器件的一种弯曲外 形。
图20表示一种圆柱形状，代表用于扬声器器件的一种可能外形。
图21是在推挽配置中扬声器器件的一种泡沫定子扬声器实施例 的一种基本形式的示意图。
图22表示其中膜夹持在相对泡沫定子之间的扬声器器件的一个
实施例。
图23和24表示扬声器器件的多膜实施例。
图25是顶部立体图，表示一种带有布置在发射体隔膜上并且悬挂 在一个磁心元件上方的多个导电线圈的薄膜隔膜。
图26是一个可选择实施例的分解视图，表示在发射体隔膜和磁心 上的相对导电线圈。
图27是剖视、顶部立体图，表示一种带布置在发射体隔膜上并且 悬挂在一个磁心元件上方的多个导电环的薄膜隔膜。
图28是一种谐振调谐静电发射体的放大立体图。
图29是图28的发射体的横截面。
图30是一种半球形静电扬声器的剖视侧视图。
图31是一种半球形静电扬声器的立体、部分剖视图。
图32是一种半球形静电扬声器的立体侧视图。

下面参考附图，其中本发明的各种元件将给出数字指示，并且其 中将讨论本发明，以便使熟悉本专业的技术人员能够实施和使用本发 明。要理解，如下描述仅是本发明的示范，而不应该看作限制随后的 权利要求书。
图1a和1b是表示使用多个压电双压电晶片换能器11的先有技术 参量扬声器10的图。这些已经与500至超过1500的双压电晶片换能 器的串一起使用。对于参量扩音器的困难之一在于，当在超声级下驱 动空气以提供适当的转换效率和在次级生成频率下的响度时，能把空 气驱动到一个激波极限中，其中基本频率不能变得更响，而只有失真 分量级增大。该激波极限当驱动空气空间的各个、小点时更差。越限 制强度，激波越容易存在。
图1c是一组每个在空间12中的小点处驱动空气并且引起激波的 双压电晶片换能器的图。图1d是以分布驱动14和减小激波的均匀方 式驱动空气的本发明的一种膜换能器13的图。一片压电膜18与充电 基座17隔开，从而当一个信号施加到基座17上时，产生一种机械相 互作用。图1e是在激波级15以下和在激波级16处的一个原频率波形 的图。
一种大规模膜换能器的一个最佳实施例基于静电驱动原理。静电 类型的换能器使用一块带有靠近后板的一个导电膜的导电后板。把一 个偏压施加到膜或后板上，并且膜和后板都由驱动信号的两个极性驱 动。图2是一个带有一块圆形V形开槽后板21的大规模静电膜换能 器的俯视图，而图2a是其剖视图。后板结构可以在形状上交替地凹下 (中凹)或起波纹(中凸)。
当高频从较大隔膜射出时，与感兴趣的频率波长相比，波束能达 到这样高的方向性，从而高频率会聚减小成一个窄波束。这由于高强 度会聚在一个小空域中，能引起过分集中的方向性和声波的过早激波 形成。通过弯曲隔膜，能打开辐射图案，以具有一个在宽度上与换能 器相差不大的方向性窗口或甚至一个使激波受限波形最小的稍宽的声 音散布。图2b表示一个带有一块弯曲后板23和解决该问题的互补状 膜隔膜22的静电膜换能器。
本发明的另一个实施例利用由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的压电 膜。该膜在电激励时膨胀和收缩，并因此必须变形以实现声输出。应 该认识到，这些大面积膜换能器包括但不限于静电膜、驻极体膜、诸 如PVDF之类的压电膜、电热机械膜、及平面磁配置。
作为整流正弦形状的压电膜30的一种最佳形状表示在图3中。图 3a是一种带有一块四分之一波间隔的后板31的整流正弦形式的压电 膜30的图。通过把后板30与膜隔开一个波长35的四分之一，发射体 的输出在其波长是从膜到后板的距离的四倍的频率下能增大高达3 dB。图3b是一种浅整流正弦形式的压电膜32的图。图3c是一种使 后板31与压电膜32隔开四分之一波长的浅整流正弦形式的压电膜32 的图。
图4是一种正弦成形压电膜42的图。这种形式可能是有效的，使 所有膜的运动能够作为一种发射体结构。对于远大于或远小于波峰对 波峰高度的一个波长(wL)的1/2的正弦形状，波峰43和波谷44可能 彼此异相。在这种情况下，可能需要一个补偿过程，如以与波谷反相 地电气驱动波峰。图4a是一种带有隔开后板41的正弦成形压电膜发 射体42的图。图4b是一种具有一块后板46和打开原频率的方向性角 度48的弯曲47的正弦成形压电膜45的图。这种布置使激波形成最小， 并且打开分散的窗口，如在上述静电例子中那样。
大多数超声发射体和参量扩音器在辐射图案中基本上是单极的。 如图4c中所示，借助于本发明通过使用一个打开膜(例如PVDF)而不 用后板能实现一种双极参量扩音器，该扩音器在原频率范围内以一种 双极异相辐射图案辐射，同时对于所有次级参量驱动信号以一种双极 同相方式操作。这能用在想要在两个相反方向上射出高度定向的、同 相声音的地方。这对于任何先有技术器件是不实际的。图4c是一种用 在双极原频率/双极次级频率模式中的正弦成形压电膜41的图。
用于压电膜的另一种隔膜形式是一种中凹或中凸起波纹结构。这 种形状可以通过热形成膜实现，或利用泡沫支撑结构把膜推压成这种 形状。把膜形成弯曲发射体部分也能通过用正或负压力把膜推或拉成 空腔实现。此外，有可能利用泡沫或塑料支撑结构把膜推压成希望形 状。
图5是一种带有产生中凹或中凸形式的后板52的压电膜51的图。 在后板52中的腔室54用正或负的压力压制，以生产中凹或中凸波纹。 这些腔室54能分离地压制，或者他们可以是一个较大互连压力腔室的 部分。图5a是以起波纹形式使用的具有中凹形状的压电膜51a的图。 图5b是以中凸字符的起波纹形式使用的压电膜51b的图。熟悉本专业 的技术人员将明白，在本发明的概念下能应用用来在压电膜中产生希 望弯曲的多种变更。而且，可以开发多种支撑机构，以在压电膜内提 供这些希望的弯曲，特别当应用于声频声音的参量输出的产生，作为 来自主要超声发射的一种次发射时。
一种可弯曲膜隔膜的适用性提供超过常规刚性双压电晶片器件的 多个优点。这些好处的一些更具体地表明在图6和7中。图6表示使 用多个压电双压电晶片换能器62的一种先有技术参量扩音器60。如 描述的那样，在致力于产生高效参量输出的过程中，这些已经用于在 500至1500双压电晶片换能器之间的串中。本公开已经辨别出在双压 电晶片发射体中从紧在换能器表面前面的局部发射区域处的空气饱和 产生的一种缺陷。图7用图表明这种失真原因、以及由于相位失真和 误对准的原因从先有技术参量阵列64产生的其他缺陷。这些不适合， 如提到的相位异常，表示在图7的双压电晶片70、71、72及73中。
重要的是要注意，这些双压电晶片发射体是一般具有不同物理和 电气性能的分离结构。的确，对于不同的构造环境，这种双压电晶片 换能器可以由不同批量的材料制造。典型地，把他们扔到一个普通仓 库中，并且在随机选择基础上分配为客户指定具体结构规格。结果， 在传播超声波66中的相位误匹配能导致相位抵消和其他形式的声音 及由虚线77和78表示的方向失真。项78表示相邻超声波束的弯曲作 用，其中来自每个发射体的各个频率异相。例如，发射体70正在传播 与来自发射体71的波稍微异相的波。虚线78表明来自参量扬声器的 声频输出的方向偏移，这种偏移产生于相位误对准。发射体72已经倾 斜安装，如由锐角69表明的那样，它稍微偏离相对于一个安装支撑板 65的一根垂直轴76。这里同样，从发射体传播的波束没有对准，并且 适当对准的相位导致能量损失和可能的失真。由于这些因素乘以一般 组合形成一个常规阵列的500至1500个发射体，所以不利影响可能是 显著的。另外，显然这些器件往往具有多种谐波谐振和反谐振，这些 谐振在参量扩音器的解调声频分量中进一步失真。
除以上辨别的相位异常之外，图7表示以上介绍的饱和问题。的 确，对于参量扩音器由本发明者注意到的困难之一在于，当以提供适 当转换效率和响度的超声级驱动空气时，能把空气驱动到一种其中基 本频率不能变得更响而只有失真分量在级上增大的激波极限中。这种 激波极限在驱动空域的较小、各个点时增大，如对于双压电晶片换能 器73出现的那样。越限制强度，激波越容易存在。这特别对于诸如常 规双压电晶片之类的高强度器件成立。
本发明者已经发现，通过把高能量级分布在膜的宽广表面区域上， 与双压电晶片阵列换能器的局部化发射体元件相反，能控制激波极限。 当期望一个小双压电晶片发射体的阵列在把130db供给到发射体时产 生希望的声音压力级(SPL)时，希望的LPS不足，并且失真大大地放 大。
在本发明的原理下，一个宽广发射膜以小于120db供给。然而， 通过把能量分散在膜的多个小发射体部分上，在换能器前面的任何局 部点处不会把空气驱动到饱和或激波。用于由膜发射体产生的参量输 出的转换效率非常高，并且大大地减小失真。该过程表示从试图通过 会聚从高强度发射体(如双压电晶片)输出的较高db增大音量的先有技 术的一种变向。
一般地说，这些各种概念表示一种在作为一种非线性介质的空气 中根据多个超声频率的相互作用来提高参量声频输出的方法。通过以 前类型的结构的一种或多种实施如下基本步骤。这些步骤列在下面， 并且包括：
a)产生一个包括至少两个超声信号的电子信号，这两个超声信号 具有落在一个声频频率范围内的值的差；
b)把电子信号传送到一个带有形成在膜内的弓形发射部分的阵列 的发射体膜换能器隔膜；
c)与一个参量扬声器的一个驱动件同相地电-机移动弓形发射体部 分的阵列；及
d)把至少两个超声信号从隔膜机械地发射到空气中，作为在空气 中相互作用以产生参量声频输出的超声压缩波。
另一个选择性步骤是选择这样一种换能器隔膜，后者具有大于在 其最低频率波长值下的超声频率的波长的尺寸。这种概念的一种扩展 是选择这样一种换能器隔膜，后者具有大于在其最低值下的超声频率 的波长十倍的尺寸。
在先有技术通过增大在各个双压电晶片发射体表面处的db级寻 求增大SPL输出的地方，本发明把能量散布在较大表面区域上。尽管 这减小了在空间中任何点处传播的压缩波的db级，但整个效果是增大 SPL，因为表面面积较大。而且，因为使失真减小，所以能把SPL升 高到更有效的级。这表示一个把电子信号限制到使在各弓形发射体部 分处周围空气的饱和最小的最大强度级的概念步骤。如下几何形状和 相关db级表明具有膜发射体的db发射级的广泛几何形状的适当平 衡。
在本发明的概念下容易实施的另外一个步骤涉及，提供从膜发射 体部分的每一个传播的超声能量的各波束的改进对准。波束的方位能 由后板的支撑结构控制。具体地说，单独的、常用板结构以较高精度 提供发射体部分的阵列的物理定位。双压电晶片器件的以前定位需要 每个发射体的分别定位，导致误对准。借助于适当对准的所有发射体 部分，对准超声发射。显著减小来自由非对准发射产生的异相交互作 用的干扰损失。考虑到来自超声发射的声频信号的解调的虚拟端射阵， 较窄波束的超声能量也提供较有效的转换。具体地说，较窄波束图案 提供对于解调的较大集中，由此增大沿超声波束长度的声频SPL。
本发明的另一个实施例是表示一个超声发射体的一个更高效实施 例的图8。在该立体图中表示的最佳实施例中，发射体鼓换能器100 是一个一般圆柱形的物体。发射体鼓换能器100的侧壁106最好是金 属或金属合金。发射体表面102的外表面包括一个压电膜104。压电 膜104由施加到其上的电信号激励，并且引起在希望频率下振动以产 生压缩波。在压电膜104上面并且绕发射体表面102的周边布置的是 一个导电环114。导电环114用来把电压施加到压电膜104上。在压 电膜104下是以后要描述的一个希望金属饼(但下文称作盘，见图9)。
发射体鼓换能器100一般在内侧是空的，并且在一个底表面处由 一个后盖110封闭。把发射体鼓换能器100密封成一般是气密的，从 而一种近真空(下文称作真空)或一种加压状态能存在于发射体鼓换能 器100内。在使隔膜离后板选择频率波长的四分之一远的发射体鼓换 能器100内的正压力能产生一种有用的反向波。一种特别有价值的选 择频率是载波频率。当然，一块后板也能用来借助于玻璃纤维、泡沫 或其他声波吸收材料吸收反向波。
为了更好地理解发射体鼓换能器100的结构，图9提供布置在压 电膜104(见图8)下面的盘108的一个面向外侧126的俯视图。在该最 佳实施例中，盘108是金属的，并且打有一般均匀尺寸的多个小孔112。 小孔112完全穿过盘108的厚度从一个面向内侧128(见图10)延伸到 面向外侧126。为了提供可预见性和性能的最大效率，如果使用双向 压电膜，则小孔112以圆柱形形成。在应用单向膜的地方，图15中所 表明的细长形状是希望的。
在这种情况下选择表示在图9中盘108上的小孔图案112，因为它 能够使最大数量的小孔112布置在一个给定区域内。这种图案一般描 述成“蜂窝”图案。选择蜂窝图案，是因为由于声学混合的特性希望具 有大量具有平行轴的小孔112。特别是在产生超声频率的情况下，希 望在一个基频与一个载波情报的频率之间引起混合干扰，由此产生一 个包含情报的新的声频率或亚声频率。因此，彼此靠近引起干扰的基 本和情报载波信号的数量越大，产生的新的声频率或亚声频率的音量 越大。换句话说，本发明提供产生一种响得足以商业可用的音量的显 著优点。频率发射的平行轴提供较大的可预测性，以便确定在何处将 产生新的声频率或亚声频率。
图10提供本发明的最佳实施例的有益轮廓和剖视立体图，包括与 对发射体鼓换能器100的电气连接有关的较多细节。发射体鼓换能器 100的侧壁106提供一个用于盘108的外壳。使其多个小孔112穿过 盘108延伸。压电膜104表示成与盘108接触。使用试验确定了最好 不要把压电膜104粘合到盘108与压电膜104处于接触的整个暴露表 面上。在压电膜104与小孔112之间的粘结剂边角的变化尺寸引起否 则均匀的小孔112产生不均匀的谐振频率。因此，最佳实施例讲授仅 把压电膜104的一个外边缘粘结到盘108上。
后盖110这样提供，从而在该最佳实施例中，能在发射体鼓换能 器100内创建真空或近真空。近真空能定义为小得足以要求以毫乇测 量的压力。对于在发射体鼓换能器100内有真空有几个原因。首先， 真空一般均匀地穿过小孔112使压电膜104拉到贴紧盘108。悬挂在 小孔112上面的压电膜104的张力均匀性是重要的，以便保证由在小 孔112每一个上的压电膜104产生的谐振频率的均匀性。事实上，压 电膜104和小孔112组合的每一种形成一个小型发射体元件或单元 124。通过控制跨过盘108的压电膜104的张力，单元124一般均匀地 便利响应。
关于真空的第二原因在于便利地消除无意识产生“反向波”失真的 任何可能性。换句话说，通过定义，压缩波要求有一种通过其能传播 的可压缩介质。如果能使压电膜104在由箭头130指示的方向上从发 射体鼓换能器100“向外”产生超声压缩波，则仅在逻辑上，也正在从 压电膜104产生的超声压缩波在相反方向传播，在由箭头132指示的 方向上向后进入发射体鼓换能器100。因此，这些向后传播或反向波 失真波能干扰产生希望频率的压电膜104的能力。当反向波反射离开 发射体鼓换能器100内的表面时，这种干扰出现，直到他们再次经一 个小孔112传播，并且反射离开压电膜104，由此改变其振动。因此， 通过消除在发射体鼓换能器100内用于压缩波传播的介质，不干扰压 电膜104的振动。
图10也表示有电气引线120，电气引线120电气耦合到压电膜104 上，并且进行要从发射体鼓换能器100的每个单元124发射的频率的 电气表示。这些电气引线120电气联接到所示的一些信号源122上。
图11A是图10中两个单元128的闭合轮廓图(包括在两个小孔112 上的压电膜104)。压电膜104以仅用于说明目的的夸大振动表示成向 发射体鼓换能器的内部向内(从其原始形状104a)扩张。从与图11B的 比较应该明白，压电膜104的向内扩张跟随有向外且远离发射鼓换能 器内部的扩张。压电膜向内和向外扩张的量仅为了说明目的夸大表示。 扩张的实际量将在后面讨论。
图12是曲线图，表示与压电膜的位移相比按照最佳实施例的原理 生产的发射体鼓换能器的频率响应(作为施加电压RMS的函数)。发射 体鼓换能器结果是在发射体鼓换能器内部在近真空下典型结果的示 范。用在该实施例中的薄膜(压电膜104)是厚度约28mm的聚偏二氟 乙烯(PVDF)。在试验中，当使用73.6Vpp的驱动电压时，该具体发 射体鼓换能器的谐振频率表示成是约37.23kHz，带宽约为百分之 11.66，其中上部和下部6dB频率分别是35.55kHz和39.89kHz。压 电膜位移的最大振幅发现是约仅超过1微米的波峰对波峰。该位移对 应于125.4dB的声压级(下文为SPL)。
令人惊奇的是，该较大SPL产生于使用理论上假定承受1680Vpp 或比所施加的大22.8倍的PVDF的一个发射体鼓换能器。因此，在发 射体鼓换能器中使用的这些具体材料的理论极限导致惊人大的152.6 的SPL。
重要的是要记住，这里表示的最佳实施例的谐振频率是发射体鼓 换能器的各种特性的函数。这些特性尤其包括跨过发射体表面108伸 展的压电膜104的厚度(图8)、和在发射体盘108中小孔112的直径。 例如，使用一个较薄的压电膜104对于一个给定施加电压将导致压电 膜104的较快振动。因此，发射体鼓换能器100的谐振频率将较高。
较高谐振频率的优点在于，如果带宽的百分比保持为约百分之10 或增大，如由试验结果表示的那样，则能容易地产生希望范围的频率。 换句话说，人类听觉范围是约20至20,000Hz。因此，如果带宽宽得 足以包容至少20,000Hz，则作为声学混合的结果能容易地产生人类听 觉的整个范围作为一种新声波。因此，与一种适当载波干扰的、带有 其上调制的情报的信号，将导致一个能产生跨过人类听觉整个可听频 谱的可听声音的新声音信号。
除使用较薄压电膜104(图10)以增大谐振频率之外，有能实现这 点的其他方法。例如，在一个可选择实施例中，本发明使用一个具有 较小直径的小孔112的单元124。较小的小孔对于一个施加的驱动电 压也导致较高谐振频率。
图13表示当前比本发明的最佳实施例不便利的一个可选择实施 例，但该可选择实施例也从几乎与最佳实施例一样建造的一个发射体 鼓换能器116产生频率。本质差别在于，代之以在发射体鼓换能器116 的内部创建真空，现在加压内部。
引入在发射体鼓换能器130内的压力能变化以改变谐振频率。然 而，压电膜104的厚度是一个确定能施加多大压力的关键因素。这能 部分归因于由具有相当各向异性的共聚物制成的压电膜，而不是诸如 PVDF之类的双向膜。各向异性压电膜的不良副作用在于，它可能事 实上防止膜在所有方向上的振动，导致将引起从其产生的信号的有害 失真的非对称性。因此，PVDF是用于压电膜的最佳材料，不仅因为 它具有远高于共聚物的屈服强度，而且因为它有相当小的各向异性。
发射体鼓换能器130的一个缺点在于有害频率谐振或刺点。这些 频率刺点能归因于在发射体鼓换能器116内的反向波产生，因为代之 以真空，一种弹性介质存在于发射体鼓换能器116内。然而，也确定 了通过把一种材料放置在发射体鼓换能器116内以吸收反向波能消除 反向波。例如，一片泡沫橡胶134或其他声吸收或衰减材料一般能消 除所有频率刺点。
使用加压发射体鼓换能器130的试验结果表明，在典型选择压力 和驱动电压下，发射体鼓换能器在基本上线性的区域中操作。例如， 确定一个使用28mm厚PVDF在发射体鼓换能器内具有10磅每平方 英寸(psi)压力的发射体鼓换能器，能产生比具有5psi内部压力的发射 体鼓换能器大约百分之43的谐振频率。另外，当确定加倍驱动振幅也 一般加倍PVDF的位移时，发现一般线性的操作区域。
也用试验确定了，加压发射体鼓换能器一般能得到约百分之20的 带宽。建造一种仅具有100KHz谐振频率的发射体鼓换能器导致约20 KHz的带宽。这更适于产生人类听觉的整个范围。通过声学衰减发射 体鼓换能器116的内部以防止引入反向波失真或低频谐振，加压实施 例也能够实现本发明最佳实施例的商业可用音量级的给人深刻印象的 结果。
转到最佳实施例的一种更具体的实施，发射体鼓换能器能例如包 括在图14中所示的系统中。该系统包括一个用来提供一个基波或载波 221的振荡器或数字超声波源220。这种波221一般称作第一超声波或 原波。一个振幅调制元件222耦合到超声发生器220的输出上，并且 接收用来与一个声或亚声输入信号223混合的基频221。声或亚声信 号可以以模拟或数字形式供给，并且能是来自任何常规信号源224的 音乐或其他形式的声音。如果输入信号223包括上部和下部边带，则 一个滤波器元件227包括在调制器中以便在调制载波频率上产生单边 带输出。
发射体鼓换能器表示为标号225，使它发射超声频率f1和f2作为 在换能器225a的表面处传播的一种新波形式。这种新波形式在非线性 介质空气中相互作用以产生不同频率226，作为一种新的声波或亚声 波。
本发明能按描述的那样起作用，因为与f1和f2相对应的压缩波根 据声学混合的原理在空气中相互作用。声学混合有点象对于发生在非 线性电路中的电气混合作用的机械对应物。例如，在电路中的振幅调 制是一种混合过程。混合过程本身简单地是两个新波的创建。新波是 两个基本波的和及差。
在声学混合中，观察到当至少两个超声压缩波在空气中相互作用 或干涉时，出现等于基本波的和及差的新波。本发明的最佳传输介质 是空气，因为它是在不同条件下非线性响应的一种高度可压缩介质。 空气的这种非线性有可能使混合过程能够发生而不用电路。当然，如 果希望，任何可压缩流体都能起传输介质的作用。
如以上叙述的那样，声学混合作用导致与超声波f1和f2的和及差 相对应的两个压缩波的创建。和是没什么兴趣的无声超声波，并因此 没有表示。然而，差能是有声的或亚声的，并且表示为一种一般单向 产生于干扰区域的压缩波226。
尽管在先有技术中不同波的成功产生显得仅具有名义音量，但本 配置产生全声音。尽管携带基频和调制单边带频率的单个换能器能够 以相当的距离和印象深刻的音量级发射声音，但多个共线性信号的结 合显著增大音量。当指向墙壁或其他反射表面时，音量是如此之大， 从而它反射得就象墙壁正是声音产生源。
本发明的一个重要特征在于，基频和单边带从相同换能器表面传 播。因此，完全对准分量波。而且，相位对准是在最大外，提供在两 个不同超声频率之间可能的干涉最大级。借助于在这些波之间确保的 最大干涉，实现至空气分子的最大能量传递，这成为在参量扬声器中 的“扬声器”辐射元件。因而，本发明者相信，这对于声频输出信号可 能已经产生音量的惊人增大。
在单个膜隔膜上使用发射体部分的一个阵列的图14的实施例因 为多种原因是最佳的。例如，该系统不要求双压电晶片器件的单独安 装，并且因此能便宜地生产。尽管如此，单膜换能器实际产生多个对 准信号。而且该系统重量轻、体积小，而最重要的是，具有最大效率。 与先有技术的器件相反，本实施例总产生一个具有最大效率的新压缩 波。这是因为，当使用相同超声换能器225发射实施两个超声压缩波 的新超声波形式227时，两个分离超声换能器的方位从来不会匹配， 或者超过得到的完全同轴关系。来自发射体鼓换能器的单个小孔的这 种同轴传播，因此产生最大干涉图案和最有效的压缩波产生。
在参量扬声器中的全音量能力的发展提供优于常规扬声器系统的 显著优点。最重要的是从较小质量的辐射元件复制声音的事实。在干 涉区域中，并因此在新压缩波产生位置处，没有直接辐射元件。通过 声学混合的这种声音产生特征能基本上消除失真影响，这些影响的大 部分由常规扬声器的辐射元件引起。例如，锥超调和锥失调能修改一 个否则在扬声器锥上具有谐波和驻波的纯声音复制信号。
当与常规扬声器隔膜的先有技术限制相比时这种改进将是最显著 的。一个直接物理辐射元件例如具有一种不是真正平的频率响应。而 是，它是固有最好适于发射的频率类型(低频、中频、或高频)的函数。 尽管扬声器形状、几何尺寸、及组成直接影响固有扬声器特性，但声 学混合波产生利用空气的自然响应，以便避免几何尺寸和组成问题， 并且实现对于声音产生的真正平频率响应。借助于声音可接收振幅级 的实现，参量系统现在可以与常规扬声器直接竞争地商业实施-一种至 今通过先有技术参量或脉动混合器件没有实现的结果。
无失真声音意味着本发明保持相对于原始记录声音的相位相干 性。常规扬声器系统没有这种能力，因为对于通过最适当扬声器元件 (低音扬声器、中音或高音扬声器)的传播，频谱由一个交叉网络分裂。 通过消除辐射元件，本发明使常规交叉网络和相位控制过时。这能够 实现声音的虚拟或近点源。
其他优点直接产生于超声膜换能器的独特本质。因为其小尺寸和 小质量，这样的换能器一般不经受多种限制和在扬声器中使用的常规 辐射元件的缺陷。而且，在极高频率下超声换能器的使用避免一个在 低频、中频及高频范围内必须直接复制声音的直接辐射元件的失真、 谐波及其他多余特征。因此，一种显著无失真超声换能器系统的多种 良好声学性能现在能间接转换成声音或亚声音副产品。
图15和16公开了不需要压力施加和鼓的使用的压电膜隔膜和支 撑板的另一个实施例。表明的换能器160包括一块基板161和由压电 材料制成的支撑膜隔膜162。在膜上的电气触点使电压的施加成为可 能，如以上讨论的那样。弓形发射体部分165模压或热成形为一种稳 定配置。在支撑板161的顶部表面中的对应空腔或开口对准以接收膜 的弯曲部分。这些空腔具有足够的深度，以允许发射体部分自由地运 动，而不招致与空腔壁167的干扰接触。支撑板的中间表面168接触 膜的平部分162a，并且稳定膜和发射体部分以便如表明的那样与准直 传播轴70适当对准。同相操作发生，因为膜是一种均匀地响应施加电 压以产生同相和适当对准的压缩波172的整体式结构。
支撑板161可以由为正确操作提供稳定发射体膜162的能力的任 何刚性材料建造。导电板可以用来代替触点163，使信号电压能够施 加到压电膜上。表明的压电膜包括具有跨过细长发射体部分取向的单 向响应的一个共聚物膜，如由线174表明的那样。这与诸如PVDF之 类的双向膜相反。单向膜使其形状尺寸的约80％沿横向174，并因此 提供优良的响应。借助于弓形发射体165的较大尺寸，增大表面面积 提供有利的SPL输出。
图17表明一种借助于用来形成发射体部分180的可选择方法来实 施本发明的方法。这取决于通过一块带有以希望发射体形状配置的凸 缘184的支撑板183成为弓形的压电材料的一块整体式平板的位移。 施加一个力F以按图示的那样使凸缘上的膜变形。该力可以是从膜的 周边施加以把膜贴着凸缘拉紧的张力，或其他适当方法。凸缘希望由 泡沫材料制成以使压电膜响应施加的电压振动。
本发明另外一个可选择实施例使用带有一个静电隔膜的泡沫定 子，以产生超声参量压缩波。图18表示一个使超声输出311在向前方 向312上传播的单端扬声器器件310。该扬声器可以耦合到一个超声 驱动器313上，超声驱动器313提供用来供给以上所讨论的希望信号 的各种电子电路支撑元件。
该器件包括一个响应施加的可变电压发射超声输出的静电发射体 膜315。发射体膜包括一块塑料板和薄金属涂层或其他导电表面。静 电发射体膜也是众所周知的，已经应用于下文一般称作静电器件的多 种电容性或分层电荷系统。一般地，塑料板是能用作在金属层与一个 定子薄膜320之间的绝缘体的Mylar(tm)、Kapton(tm)或其他非导电 成分。具有部分导电性的一个表面或涂层可以用来产生均匀跨过隔膜 表面的电荷分布。电阻率的一个最佳范围是大于10K欧姆。这提供较 小的电荷迁移，并且防止导致起弧的静电积累。较高的阻抗，如100M， 在该用途中是不常用的。显然，这种选择也影响在两块板之间的电容。
本发明该实施例的主要特征之一涉及作为定子320的一个泡沫件 的使用。定子起一个相对于轻的、可弯曲的发射膜315提供惯性的基 础件或刚性元件的作用。该定子是一个把一种极性供给到电容器组合 的导电元件。把该元件的电阻率选择成促进均匀的电荷迁移，以避免 超弧和在静电系统中固有的其他不利影响。已经表明有效性能的一种 最佳成分是用作关于计算机和其他电荷敏感内容的包装材料的常规静 电包装泡沫(一般称作“导电泡沫”)。这种材料操作提供从敏感元件的 静态放电。它不仅保护元件免于有害放电或暴露，而且重量非常轻且 价格便宜。它典型地以实际任何形状、密度、或尺寸形成在一种常规 泡沫模压器件中。
材料的先有技术使用一般一直限于其目的是仅保护敏感元件的被 动角色(包装材料)。象其他包装材料那样，利用率基于用来填充纸箱 或容器内的空间的临时放置。通常，这种材料与容器一起扔掉，因为 没有独立的价值。其在电子市场中的存在一直认为是理所当然的，并 且由在全世界上掩埋的巨大量而证实。
附图表明一种带有随机空穴或空腔的泡沫成分。适用技术的使用 也允许在塑料母体内较均匀尺寸的空隙。因此，对于特定频率用途、 谐振、及相关性能可以调谐或优化定子成分。泡沫的刚性或刚度是材 料性能、以及空穴密度及限定各空隙或空穴的壁厚的函数。因而，定 子声学响应的进一步控制，除相对于均匀空隙尺寸的随机控制之外， 能通过多种物理参数的变化控制。在定子元件内刚度的重要性是众所 周知的，并且现在能部分受与泡沫成分唯一性有关的新设计因素的影 响。
尽管表明的泡沫件包括一种开放单元结构，但开放和闭合单元结 构的结合也是适用的。开放单元结构的优点是声音的双向传播。在图 18实施例中通过在泡沫件后表面上附着无孔薄膜335，已经抑制这种 双向状况。该薄膜也可以由一个塑料或某一其他刚性材料形成的刚性 件代替。可以附着刚性件以便与希望扬声器外形相符。
例如，常规静电扬声器通常是平面的，因为隔膜不与定子接触， 而是悬挂在定子前面。因此难以在弯曲的路径中弯曲隔膜而不扭曲在 定子与膜之间的间隙。然而，对于在泡沫表面上具有发射体膜直接接 触的本发明，一种弯曲外形是简单地形成平面形状。的确，弯曲表面 供给与完成用来增强接触的偏置功能的部分的膜相对的希望电阻。用 泡沫模压实际任何形式或形状的能力允许在配置用于扬声器表面的各 种形状时的相等纵距。例如，扬声器可以是图19中所示的一个弯曲表 面，提供声音传播的改进分散。弯曲图19的定子380，并且膜382与 这种弯曲相符。外形能是圆周的，就象图20中的一个圆柱和一个球(未 表示)。图20的定子384是一个圆柱，并且膜386也形成一个圆柱。 这些实施例的每一个提供一直很难以包括在静电扬声器系统中的唯一 分散图案，特别是对于声频输出。
本发明另外一个实施例提供推挽操作，并且表明在图21中。它包 括一个第一泡沫件359，第二泡沫件360带有一个向前表面361的、 一个中间磁心部分362及一个后表面363。第二泡沫件的向前表面(称 作第二向前表面)定位在静电发射体膜365远离第一泡沫件的相对侧。 第二向前表面由具有足够刚度的成分构成以支撑静电膜，并且包括对 第二向前表面能够施加可变电压的性能以供给希望的超声信号。第二 向前表面361由一个包括以上所讨论的小空腔的表面组成，使周围壁 结构限定每个空腔，所述周围壁结构在近似与泡沫件的向前表面重合 的接触边缘处终止。用来把静电膜涂敷到第二泡沫件的向前表面上的 膜涂敷装置(未表示)遵循就象以上单端实施例的格式。如以上那样， 偏置装置366联接到第二泡沫件上以便把膜偏置成与第二向前表面 361的接触边缘直接接触，从而膜直接由第二向前表面支撑。信号源 也借助于可变电压施加到第二向前表面上。
静电发射体膜365需要以与相应第一第二泡沫薄膜的非接触关系 包括一个导电层，以便使膜能够以一种推挽关系用第一和第二向前表 面电容性地响应可变电压。相对于第二泡沫件可能要求一个绝缘件。
发射体膜的几种配置是可能的。例如，图22表示夹持膜件的第一 和第二泡沫件370和371。在这种情况下，静电发射体膜由分别包括 一个导电表面374和375的非导电发射体膜的至少两块板372和373 组成。非导电发射体膜提供在导电层与相应第一和第二向前表面之间 的绝缘。相应导电表面374和375粘合在一起以形成一个整体导电层。
图23和24表示夹持在泡沫或一般支撑件330、331、340、341之 间的多个发射体膜332和342的使用。每个另外的发射体膜把约3db 输出添加到发射的超声信号上。显然，在该多重组合图案中能采用多 种配置。
而本发明的另一个实施例涉及使用磁力创建一个参量换能器的平 面磁膜隔膜。图25描绘本发明的一种配置。具体地说，它包括一个借 助于与典型静电隔膜的名义运动相比较大的隔膜位移具有宽广频率范 围能力的超声发射体。的确，正交位移(隔膜从完全延伸至完全收缩位 置的波峰对波峰运动)可以大到1-2mm。这与对于刚性换能器发射体 表面的0.1至3微米运动范围相比非常有利。
用于本发明的磁隔膜延伸运动的好处对于一个参量阵列包括超声 和声输出振幅的显著增大。本发明的增强声输出通过使用由一个磁心 件426产生的磁场能够实现。该磁心可以是一个永久磁铁或一种适于 电磁用途的成分。这样的材料可以是可弯曲的或刚性的，取决于扬声 器阵列的配置。例如，一块平面板将产生在长距离上具有惊人射出能 力的声柱。通过由可弯曲磁铁材料制成的与安装到器具等上的可拆除 磁铁类似的弯曲支撑磁心，可以形成和支撑弯曲的发射体隔膜。这种 弯曲配置提供用于射出声音的较大分散图案，并且也能够实现对于发 射声音定向运动的检测。这能通过顺序触发沿发射体元件(或导电线 圈)430的一个线性序列的声音传输实现，发射体元件430沿隔膜434 布置。当这些元件在发散配置中向外辐射时，听众感觉源象带有沿该 方向运动的物理元件。
现在参照图25的基本实施例，将注意到，一个永久、刚性磁心或 板426已经用作用于可弯曲发射体隔膜434的支撑。该永久磁铁426 以类似于声学扬声器的永久磁铁的方式，作为用来建立相邻磁心件的 一个第一磁场的主要装置操作。然而，在这种情况下，没有接收定子 元件的伸缩式磁心或凹口。而是，磁心426是一个沿其长度建立一个 均匀磁场的平面体，由此提供用于要建立在隔膜434中的可变磁场的 必需反作用力。
表明的可运动隔膜434沿磁心件426伸展，并且离开磁心件移动 一个短分离距离，以提供隔膜相对于磁心件的预计范围的正交位移并 且在磁场的一个较强部分内。典型地，该隔膜434包括一个Mylar或 其他坚固、重量轻的聚合物的薄膜。多种这样的材料已经用在静电扬 声器或超声发射体工业中。
隔膜434的增大位移通过布置在可运动隔膜上的至少一个、小质 量、平面、导电线圈(或发射体元件430)实现。当电流经线圈传导时， 薄导电线圈430创建一个磁场。本发明者已经发现，磁场的功率能在 布置在平面膜上的音圈中实现，产生基本上隔膜434的位移远超过先 有技术静电扬声器系统的好处。该电流由联接到一个电源上的第一和 第二触点438和442供给到线圈430。第一触点438联接到线圈430 的一端上，一般在与线圈本身共用的一侧。第二触点442布置在线圈 430的相对侧，由此提供与第一触点438的电气隔离。表明的实施例 表示第二触点442穿过膜(或隔膜434)并且沿膜的相对表面延伸到用来 闭合用于电流流动的电路的一个拾取点。电气隔离相应第一和第二触 点的其他方法对熟悉本专业的技术人员是显然的。
如图26中所示，磁心件的另外一个可选择实施例能包括至少一个 由非磁性成分形成的刚性板446，其一个表面包括在结构上类似于对 于隔膜描述的导电线圈430的至少一个相对导电线圈450。这样一种 线圈包括用来使电流流经相对导电线圈450的第一和第二触点454和 458，由此建立需要的第二磁场。该至少一个相对导电线圈450定位在 刚性板上，在与在振动或可运动隔膜434上的至少一个导电线圈430 并列的一个位置中，使至少一个导电线圈430和至少一个相对导电线 圈450能够从相互作用的每个线圈产生相应磁场，以产生从隔膜发射 的压缩波。
同样，第一触点454定位在隔膜的一侧，并且第二触点458定位 在隔膜的一个相对侧上。这可以是图26中表明的单个线圈的形式，或 者作为沿图25中所描述的隔膜相等间距的多个导电线圈。理想地是， 导电线圈430和450在并列位置以多行布置，以使磁场的均匀性、以 及应用的线圈量最大。
图27描绘一种参量扬声器的一种可选择平面磁配置。具体地说， 它包括：一个用来给出刚性支撑的磁心件460，至少一个导电线圈462 联接到磁心上；和一个隔膜468，包括一个响应由导电线圈产生的磁 场的导电线圈466。在这种结构中的操作原理建立在导电环当通过磁 场时产生电流流动的本质上。具体地说，当一个导电环经历磁场梯度 时，电流以建立一个与由线圈产生的磁力相反的磁矩的方位流经该环。 这种现象导致在线圈与导电环之间的排斥。许多物理学学生在教室表 演中观察过这种排斥力的力量，它把铝环发射到空中二十到三十英尺。 在线圈462与环466之间的相互作用能由通常称作法拉第感应定律和 楞次定律的两个物理学原理描述。见Halliday和Resnich的 Fundamentals of Physics(物理学基础)，第二版，第34章。
本发明者已经把这些原理用来产生一种可变延伸和收缩以产生一 个希望序列压缩波的扬声器隔膜。通过把导电环的一个阵列应用于一 个诸如MylarTM或KaptonTM等之类的弹性、可弯曲膜，并且把这种 膜叠加在导电线圈的一个相应阵列上，有可能经通过线圈的电流的振 幅调制，把膜弹回到一种张力偏置状态，以产生一种受控隔膜振荡。 膜的弹性允许其缩回到其中膜处于稍微受力的延伸状态的偏置静止位 置。该偏置、静止位置由在线圈与环之间保持排斥力最小值的一个交 变电流基础或载波信号产生。
用情报调制的可变交变电流的连续输出能够把表示该情报的频率 和振幅转换成表示声音的物理压缩波。因而，诸如正弦波之类的常规 调制载波能用来把一个希望声频输出信号供给到描述的磁膜发射体， 以产生一种高效的扬声器系统。
该系统也提供一种用作具有宽频范围容量的超声发射体的独特容 量，与典型静电隔膜的名义运动相比具有较大隔膜位移。然而，本实 施例的磁排斥膜提供一个可以大到几毫米的正交位移(隔膜从完全伸 展至偏置静止位置的波峰对波峰运动)。因此，本发明的隔膜位移把最 好与刚性换能器发射体表面、或甚至常规静电发射体的可弯曲隔膜的 较小运动范围不相上下。
这种增大位移是可能的，因为磁场的有效范围比与静电场有关的 短距力延伸的距离大。因此要注意，尽管静电发射体的有效力可能仅 在几微米的范围内延伸，但本发明的磁隔膜具有乘以大于一百的因数 的较大范围。因此，磁力的使用能够在显著较大的路径上排斥或吸引 发射体隔膜。
用于本发明的较大磁隔膜的延伸运动的好处包括与双压电晶片换 能器的一个可比较系统相比，对于参量或声学混合阵列，声输出的振 幅显著增大。而且，就膜发射体而论，与刚性换能器相比，近线性响 应较强。这些是能够使参量扬声器的场具有提高的商业利用率的显著 因素，而这种利用率至今为止一直受到一些限制。
本发明的另一个实施例表明在表示一个静电发射体510的图28 中。具体地说，该发射体包括一个能够携带一个电压的刚性基片511、 一种悬挂在基片上的薄膜介电材料512、及一个定位在介电膜512上 的导电层513。一般地，介电材料512(如Mylar)在其上表面上涂有一 层导电膜513。因此，基本发射体510仅对于基片和金属涂敷Mylar 膜是可操作的。
如图29中所示，该最佳实施例也包括一个布置在基片下面的空气 腔室514，使用于在腔室与小空腔516之间的气流的小通道515形成 在基片的上表面处。
参照图28和29，刚性基片511可以由已经应用在一般在先有技术 中的静电发射体中的材料形成。这些材料包括模压塑料、木材、涂敷 在上侧带有一个导电表面的硅圆片、或上侧处理以包括要求空腔的简 单导电材料。这种结构的剖视图提供在图29中。表示的刚性基片511 带有从空气腔室514至形成在基片的上表面中的每个空腔516连通的 小导管515。该腔室514作为一个共用压力腔室操作，提供跨过介电 膜512的更均匀张力，因为共用压力与腔室相联并且每个连接空腔 516。该腔室514也能经受负压，以便把薄膜512机械地偏置成凹下杯 形520，如图28中所示。偏置压力的使用避免与偏置电压使用有关的 熟知问题。
正是该凹下杯520成为响应一个能够使带有边带的超声载波信号 传播的可变信号输入的振动发射体元件，这些边带混合以产生一个声 频声音柱525。本发明提供称作发射体元件的均匀凹下杯，该凹下杯 基本上与相邻发射体元件的作用隔离开以产生一个认真调谐的、谐振 频率的均匀值。形成在基片511中的空腔516最好以均匀尺寸和外形 精确模压。这允许在相应空腔516中的更精确均匀性，以产生更精细 调谐的谐振频率。
刚描述的本发明实施例提供象参量扬声器器件那样的惊人结果。 它提供在一个发射超声柱内分别和间接产生声频输出的空腔阵列。在 从调谐发射体元件发射的这些柱的每一个内的超声混合的发生，实际 加强在离发射体一个距离处的声压级(SPL)。如图29中所示，每个发 射体部分520传播一个高度定向的声音柱525。通过提供均匀调谐到 希望谐振频率的多个发射扇区520的一个阵列，完成均匀波前的模拟， 具有比来自包括一个可在单电压源上操作的单膜的静电隔膜的大得多 的振幅。均匀空腔的使用也是一个优于先有技术的优点：在制造中是 可复制的，并因此是可预测的。先有技术需要认真检查每个发射体基 片的质量控制，以保证产生凹坑或空腔的可操作表面。这是必要的， 因为机械和化学刻蚀技术依据环境的差别产生变化的结果。相反，本 实施例能借助于常规模压或加工过程实施。
一种超声静电换能器的另一个实施例表示在图30中。一个半球形 静电换能器551的剖视图表示成锚定到基座552上。图30是图31沿 箭头570的横截面。两个圆柱形波纹定子556创建一种半球形形状， 并且一个非平面隔膜560布置在两个相对定子之间。此外，一种支撑 结构553沿半球的内侧或沿半球的纵向轴延伸。应该认识到，定子带 有孔或小孔，从而他们是声学透明的，并且允许超声波通过。隔膜由 一个偏置电压550偏置，并且施加声频信号554以产生一个超声压缩 波。一个缓冲或绝缘层558包含在定子内，从而隔膜不直接接触定子 上的导电层，并且避免与定子的其他扭曲接触。
图31是一种半球形静电扬声器的立体图。因为该实施例的半球本 质，经定子556发出的声音以多轴在180度内发射。该实施例的一个 完整球实施例表示在图32中。该图表示是图31中所示两个半球的组 合的球形实施例580的立体图。该球形布置允许超声声波590在所有 可能方向上产生。一个可以包含一个电气组件的基座584连接两个半 球。一个电气组件也能把尺寸定得小得足以包含在半球内，并且能使 用一个小得多的基座584。当然，能实施诸如圆形之类的其他基座形 状。通过输入588把一个偏压施加到包含在半球隔膜上，并且然后经 586施加声频信号。
显然，根据本发明的上述实施例，多种变更和组合可以由熟悉本 专业的技术人员产生。因而，要理解，本发明不受以上描述的特定例 子限制。
本申请是发明名称为“带有电声隔膜换能器的参量扬声器”，申请日 为1999年8月26日，申请号为99812680.2的中国专利申请的分案申 请。