高效传播的气脉冲产生装置及子组件

技术领域

本发明涉及一种气脉冲产生装置，尤其涉及能高效传播波的一种气脉冲产生装置。

背景技术

扬声器驱动器及后壳体是扬声器产业的两大设计挑战。现有扬声器难以涵盖整个音频频带(例如从20Hz至20KHz)。为了产生具有足够高声压级的高保真声音，现有扬声器的辐射/运动表面及后壳体的体积/尺寸须足够大。

因此，如何设计出小型的发声装置且同时克服现有扬声器所面临的设计挑战是本领域的重要目标。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种气脉冲产生装置及子组件，以改善现有技术的不足。

本发明公开一种气脉冲产生装置，包括一膜结构；其中，该膜结构被致动，使得该气脉冲产生装置产生多个气脉冲；其中，该气脉冲产生装置内形成一喇叭形出口，该多个气脉冲通过该喇叭形出口传播。

本发明公开一种子组件，设置或将设置在一气脉冲产生装置内，包括一导管，形成在该子组件内；其中，该导管包括一通道及一喇叭形出口；其中，该子组件与或将与包括一膜结构的一装置组装。

附图说明

图1是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图2是本发明实施例的调制驱动信号与解调驱动信号的波形的示意图。

图3示出对应于图1所示的装置的模拟结果。

图4示出对应于图1所示的APG装置的声压级的模拟频率响应。

图5示出对应于图1所示的装置的模拟结果。

图6示出对应于图1所示的装置的模拟结果。

图7是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图8是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图9示出图1所示的装置的能量传输比的频率响应。

图10示出图8所示的装置的能量传输比的频率响应。

图11示出图8所示的装置的制造方法的流程。

图12是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图13是本发明实施例的驱动信号布线方案的示意图。

图14示出图12所示的装置的SPL测量结果与频率的关系。

图15示出图12所示的装置的SPL测量结果与峰峰值电压的关系。

图16至图17是本发明实施例的气脉冲产生装置的示意图。

图18示出类似于图17所示的装置的有限元法模拟压力分布的快照。

图19示出图17所示的装置的耳耦合器SPL测量结果与频率的关系。

图20至图24是本发明实施例的气脉冲产生装置的示意图。

图25是本发明实施例的虚拟阀打开的时序时间对准的示意图。

图26是本发明实施例的一气脉冲产生装置的示意图。

图27是本发明实施例的虚拟阀打开的时序时间对准的示意图。

图28示出具有不同程度不对称性的一操作周期的全周期脉冲。

图29是本发明实施例的一气脉冲产生装置的俯视示意图。

图30示出图29所示的气脉冲产生装置的侧视示意图。

图31是本发明实施例的一气脉冲产生装置的俯视示意图。

图32示出图31所示的气脉冲产生装置的两组(解)调制驱动信号的波形。

图33是本发明实施例的一气脉冲产生装置的俯视示意图。

图34示出系统视角下的每个元件的功能及其对应的频域效应。

附图标记如下：

10:膜结构

100～900,A00～F00:装置

101,103,105,107:瓣片

101A,103A:致动器

102:解调部

104:调制部

11:腔室定义层

110R,110L,122R,122L,111R,111R',111L,111L',110R',110L':侧壁

112:开口

113L,113R:通口

115,125,115',631,705,731,805,831,905,931,A05,B05,B15:腔室

117,404:腔室顶盖

12:装置层

123H,CP,D113,H125,L

123R,123L,123L”,123R”:支撑结构

124L,124R,121,121':壁

126R,126L,413T,B12,B13:孔

135,136,137,403:线段

14:包覆结构

320,407,633,733,833,933,A33,B33:出口

416R,416L:方向

430:区域

431～433:方案

610,640,710,740,810,840,910,940,A10,A40,B10:子组件

613,713:孔口

620:层

630,730,830,930,A30,B30:导管

632,732,832,932,A32,B32:通道

635,735,A35:倒角

650:表面

A,B:组

B11盖子结构

D01～D08,E11～E12,F11～F22:单元

d

f:频率

fUC:操作频率

H

p1,p2:峰值

P104,P102,P104':气流分布

S(f),W(f),Y(f),Z(f):频谱

S101,S103,-SV,+SV,-SV',+SV':解调驱动信号

S

SM,SM':调制驱动信号

SS:声音信号

t

T

T

U104,U102,U104':压力分布

UAW:超声空气压力波

UPA:超声脉冲阵列

V

W115,W115':腔室宽度

W631,W

θ,θ

具体实施方式

本发明在一方面涉及一种气脉冲产生装置，尤指包括调制手段(部件)及解调手段的一种气脉冲产生装置。该调制手段产生具有频率f

图1是本发明实施例的一气脉冲产生(APG)装置100的示意图。装置100可用作根据输入(音频)信号S

装置100包括装置层12及腔室定义层11。装置层12包括壁124L、124R及支撑一薄膜层的支撑结构123R、123L，该薄膜层被蚀刻成瓣片101、103、105及107。在一实施例，装置层12可通过微机电系统(MEMS)工艺而制成，例如使用厚度为250～500μm的Si基板，将其蚀刻形成123L/R及124R/L。在一实施例，在该Si基板之上，(通常厚度为3～6μM且由硅覆绝缘体(SOI)或多晶硅覆绝缘体(POI)层制成的)薄层将被蚀刻以形成瓣片101、103、105及107。

腔室定义层(也可视为/称为盖子结构)11包括一对腔室侧壁110R、110L及腔室顶盖117。在一实施例，腔室定义层(或盖子结构)11可使用MEMS制造技术而制成。谐振腔室115在腔室定义层11与装置层12之间被定义出来。

换句话说，装置100可视为包括膜结构10及盖子结构11，腔室115形成于两者之间。膜结构10可视为包括调制部104及解调部102。调制部104包括(调制)瓣片105及107，用来被致动以在腔室115内形成超声波空气/声波，其中空气/声波可视作是在时间及空间上都有变化的一种空气压力变化。在一实施例，超声空气/声波或空气压力变化可为具有超声载波频率f

以下将交替使用空气波及声波这两个术语。

解调部102包括(解调)瓣片101及103，用来与调制部104同步操作，将调制部104生成的DSB-SC调制声波的频谱分量移位±n×f

换言之，在发声应用中，调制部104可根据输入音频信号S

通过显示(解)调制操作前后信号的频谱，图34概念上/示意性地示出(解)调制操作的效果。在图34，调制操作根据输入音频信号S

请注意，不同于使用正弦载波的常规DSB-SC振幅调制，W(f)在±3×f

请再参考图1，作为同步解调操作的实施例，解调部102可被致动以在与调制空气波的峰值对应/对准的时间及位置处形成开口112。换句话说，当调制空气波在开口112的位置处达到其峰值时，解调部102可被致动使得开口112也达到其峰值(最打开的大小)。

在图1所示的实施例，解调部102在侧壁110L及110R之间的中心位置处形成开口112，侧壁110L及110R之间具有(实质上)λ

在一实施例，解调部102可被致动以在与超声载波频率f

在本发明中，(解)调制部102/104也用于表示(解)调制瓣片对。此外，形成开口112的解调部(或瓣片对)102可被视为一虚拟阀，其根据特定的阀/解调驱动信号执行打开及关闭运动并(周期性地)形成开口112。

在一实施例，调制部104可在谐振腔室115内实质上产生模式2(或二阶谐波)谐振(或驻波)，如图1所示的压力分布P104及气流分布U104。就此而言，侧壁表面111L与111R之间的间距实质上界定与超声载波频率f

请注意，产生调制空气波的调制与形成开口112的解调之间可能会发生互调制制(或交叉耦合)，这会降低最终的音质。为了提高音质，需要最小化互调制(或交叉耦合)。为了实现最小化调制与解调之间的交叉耦合，调制瓣片105及107被驱动以具有共模运动，且解调瓣片101及103被驱动以具有差模运动。具有共模运动的调制瓣片105及107意味着瓣片105及107被同时致动/驱动以朝相同方向运动。具有差模运动的解调瓣片101及103意味着瓣片101及103被同时致动以向相反方向运动。此外，在一实施例，可致动瓣片101及103以朝相反的方向运动，并具有(实质上)相同的位移/振幅。

解调部102可在谐振腔室115内实质上产生模式1(或一阶谐波)谐振(或驻波)，如图1所示的解调部102所形成的压力分布P102及气流分布U102。因此，解调部102应在(对应于阀/解调驱动信号的)阀操作/驱动频率f

共模运动及差模运动可由(解)调制驱动信号驱动。图2示出解调驱动信号S101、S103及调制驱动信号SM的波形。调制驱动信号SM用于驱动调制瓣片105及107。解调驱动信号(或阀驱动信号)S101及S103分别用于驱动解调瓣片101及103。

在一实施例中，调制驱动信号SM可视为根据输入音频信号S

解调驱动信号S101及S103包括振幅相等但(相对于恒定/平均电压的)极性相反的两个驱动脉冲。换言之，在特定时间，给定S101包括(相对于恒定/平均电压)具有第一极性的第一脉冲，且S103包括(相对于恒定/平均电压)具有第二极性的第二脉冲，第一极性与第二极性相反。如图2所示，解调驱动信号S101/S103的切换率为f

S101/S103的斜率(以及相应的阴影区域)是简化的图示，其表示电压电平转换时的能量回收。请注意，信号S101及S103的转换周期重叠。考虑到瓣片101/R的压电致动器主要是电容性负载，可利用LC振荡器的特性实现能量回收。能量回收概念的相关细节可参考美国专利11,057,692，其通过引用并入本文。请注意，压电致动器为一种实施例，但不限于此。

为了强调瓣片对102是差动驱动的，信号S101及S103也可表示为-SV及+SV，表示这对驱动信号具有相同的波形但极性不同。为了说明的目的，在图2，-SV用于S101，+SV用于S103，但不限于此。在一实施例，S101可为+SV且S103可为-SV。

在另一实施例，可能存在直流偏置电压V

此外，图2示出调制驱动信号SM与解调驱动信号±SV之间的切换率差异。调制驱动信号SM与解调驱动信号±SV之间的相对相位延迟(即时序时间对齐)可根据实际需要进行调整。

在一实施例，用于产生信号SM及±SV的驱动电路可包括子电路，其用来在调制驱动信号SM与解调驱动信号±SV之间产生(相对)延迟。产生延迟的子电路的细节不受限制。可将已知技术结合到子电路。只要该子电路能产生满足时序时间对准要求的延迟(稍后将详细描述)，即满足本发明的要求，则该子电路将在本发明的范围内。

请注意，瓣片101及103的尖端位于基本相同的位置(位于侧壁111L与111R之间的中心位置)，且在该位置经受实质上相同的空气压力。此外，瓣片101及103以不同方式运动。因此，瓣片101及103尖端的运动具有共模抑制行为，类似于模拟差动运算放大器电路领域中已知的共模抑制，这意味着解调瓣片101及103尖端的位移差异(或|d

共模抑制(或调制器到解调器隔离)可从图3得到证明。图3示出从装置100的等效电路模型生成的模拟结果。曲线d

另一方面，对于解调器到调制器隔离，由于瓣片101/103在腔室115内产生一阶谐波谐振或驻波，如图1所示，P102施加在瓣片105及瓣片107的压力将具有实质上相同的振幅但极性相反，导致瓣片105及瓣片107的运动经历(由于P102)的变化也具有相同的振幅但相反的极性。这将产生两个超声波(一个由105产生，另一个由107产生)，且这两个超声波也改变相同的振幅但相反的极性。当这两个超声波传播到阀开口112上方的(图1以虚线区域表示的)位置时，它们合并为一个压力。由于此“合并”的位置发生在装置100的中心、沿X轴或X方向、且与105及107的尖端的距离相等，因此P102引起的变化将相互抵消/补偿，并产生几乎不受解调器/虚拟阀操作干扰的一个净静音。

作为说明，图4示出在与装置100距离1米处测量的声压级(SPL)的模拟频率响应，其条件是S

解调器到调制器隔离可通过(在图4以方块箭头指示的)在96KHz及其附近不存在外来无关杂散频谱分量来证明，这表示具有很高的隔离度。

因此，这两个瓣片对(101/103对105/107)的运动干扰通过(在调制器的)共模对(在解调器的)差模的正交性/排列而最小化。

此外，阀保持打开的时间百分比(或占空因数)是影响装置100输出的关键因素。增加驱动电压S101及S103的振幅可增加瓣片101及103的运动振幅，这将增加阀开口112的最大打开宽度，提高驱动电压也提高阀开口的占空因数。换句话说，阀开口112的占空因数及阀开口112的最大打开宽度/间隙可由驱动电压S101及S103决定。

当阀的打开占空因数接近50％时，如图5所示的(且由先前提到的等效电路模拟模型之一生成的)例子，每个阀打开的周期(标记为V(opening)的曲线为V(opening)>0所示的)与位于阀开口112顶部的位置的振幅调制超声驻波的相同半周期重叠(由图1的虚线区域所示)。通过将阀开口112的打开─关闭与(图5标记为V(p_vlv)的曲线所示的)腔室内驻波同步及时序时间对准，产生(标记为V(ep_vlv)的曲线所示的)形状优美的输出压力脉冲。

在图5，标示为V(d2)-V(d3)的曲线表示瓣片101与103的位移差值(即d

此外，可观察到当阀打开的占空因数(即|V(d2)-V(d3)|>TH)等于或稍微大于50％(例如在55～60％的范围)时，最大输出将会发生，但不限于此。然而，当阀打开的占空因数明显高于50％(例如在80～85％的范围)时，超过腔室内超声驻波的半个周期会通过阀，导致具有不同极性的部分的驻波相互抵消，从而导致装置100的净SPL输出较低。因此，通常倾向将阀打开的占空因数保持在接近50％，通常在50％至70％之间的范围内(其中在45％至70％之间的范围的占空因数亦在本发明的范围内)。

除了占空因数之外，为了确保调制器到解调器隔离，解调瓣片101/103的谐振频率f

(从等效电路模拟模型)可观察到，在阀打开的占空因数等于50％的限制下，对于任何给定的瓣片101/103的厚度，谐振驱动比(f

然而，当f

为了避免阀谐振引起的频率响应波动，将瓣片101/103的谐振频率较佳地设计在(f

此外，假设w(t)及z(t)表示振幅调制超声声学/空气波UAW及(包括多个脉冲的)超声脉冲阵列UPA随时间变化的函数。由于开口112以超声载波频率f

图7是本发明实施例的一APG装置200的示意图。装置200类似于装置100，因此使用相同的符号。与装置100不同的是，装置200还包括一包覆结构(外壳)14。腔室125形成在包覆结构14与盖子结构11之间。请注意，通口113L/R分别形成在顶盖117内且位于距离侧壁111L/R的λ

图7的通口113L/R的用途是允许在解调操作期间产生的气流(如112与113L/R之间的两条虚线双向箭头曲线所示地)从腔室115排出，使得腔室115内的平均压力与外部环境之间的差值最小化，且腔室125的功能是扰乱由气流携带进入腔室125的频谱分量，防止这些气流形成额外的可听声音信号。通过将通口113L/R定位在驻波压力波的节点，可防止f

在本发明，具有APPS效果的APG装置一般是指APG装置在超声载波频率输出的气脉冲中嵌入的基带频率分量(尤其是可听频带的频率分量)不仅是可观测的，且具有显著的强度。对于产生APPS效果的APG装置，通过APG装置产生多个气脉冲，电性输入信号S

请注意，装置100或200的支撑结构123L及123R具有(相对于X轴)平行且笔直的壁，其中123L与123R之间的空间/通道用作声音出口。使用有限元法(FEM)的模拟结果显示，当频率上升到350KHz以上时，沿X方向的横向驻波开始在123L/123R的壁之间形成，且输出开始自抵消。这种横向谐振引起的自抵消现象导致(在Z方向)123L-123R的壁的高度的能量传输比率降低。

为了绕过这个问题，本发明提出了喇叭形出口。例如，图8是本发明实施例的一APG装置300的局部示意图。类似于装置100，装置300包括瓣片101及103，瓣片101及103分别固定在支撑结构123L”及123R”上并用来形成开口112，且通过出口320向环境产生多个气脉冲。不同于装置100的支撑结构123L及123R具有笔直且平行的壁，装置300的支撑结构123L”及123R”的壁是倾斜的且相对于X轴或X方向具有非直角θ，从而形成喇叭形状的出口320。非直角θ可根据实际需求设计。在一实施例，非直角θ可为54.7°，但不限于此。在本发明，喇叭形出口一般是指出口尺寸或隧道尺寸从膜结构向周围逐渐加宽的出口。

图9及图10分别示出对于瓣片101及103的8种不同位移，装置100及300的能量传递比的频率响应，其中Dvv＝k代表每个瓣片尖端的位移为kμM，其产生2kμM的差动运动。图9及图10是使用FEM进行模拟的。通过比较图9与图10，装置100产生的能量传输比在超过170KHz时开始下降，随着频率上升到170KHz以上时出现一些跳跃及下降；而装置300产生的能量传输比在大约120KHz以上时仍保持上升趋势，对于170KHz以上的频率具有更平滑的频率响应。这意味着装置300的能量传输率(在170KHz以上)的频率响应比装置100更加平滑，这有利于APG装置在超声脉冲率(即超声载波频率f

图11示出用来以两个不同角度蚀刻壁的两步蚀刻/制造方法的实施例。首先，(如图11的(b)所示地)将123R”/123L”的壁刻蚀成锥角，接着(如图11的(c)所示地)采用喷涂涂覆法在锥形壁上覆盖光刻胶或旋涂介质。接着(如图11的(d)所示地)通过光刻方法将光刻胶或旋涂介质图案化，接着(如图11的(e)所示地)以直角蚀刻124L及124R的壁。以上所提供的制造方法仅供说明之用，并不限制本发明的范围。

图12是本发明实施例的一APG装置400的示意图。装置400是根据美国申请号17/553,806的图7进行修改而成，并与本发明图1所示的装置100类似。与装置100不同，装置400仅包括瓣片对102(但不包括瓣片对104)。瓣片对102用来执行调制操作(即形成具有超声载波频率f

在图12，U104及P104代表瓣片对102响应调制驱动信号SM形成的压力分布及气流分布，U102及P102代表瓣片对102响应解调驱动信号±SV形成的压力分布及气流分布。在此，解调驱动信号用±SV表示以强调瓣片对102被差动驱动(这意味着解调驱动信号+SV及-SV具有相同的振幅但相反的极性)以执行解调操作。例如，上述的S101及/或S103可用-SV及/或+SV表示。

换言之，调制器及解调器共同位于瓣片对102处或如同瓣片对102设置。与装置100类似，装置400的瓣片对102的膜结构10被致动，以不仅具有共模运动来执行调制且具有差模运动来执行解调。

换句话说，“调制操作”及“解调操作”由相同的瓣片对102同时执行。这种“调制操作”及“解调操作”的并置是通过(如图13所示的)新的驱动信号布线方案实现的。给定装置400可包括设置在瓣片101/103上的致动器101A/103A，而致动器101A/103A包括顶部电极及底部电极，则顶部电极及底部电极均可接收调制驱动信号SM及解调驱动信号±SV。

在一实施例，致动器101A/103A的一电极可接收共模调制驱动信号SM；而另一电极可接收差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)。例如，图13所示的图示431至图示433示出图12所示的区域430的细节。如图示431及432所示，致动器101A/103A的底部电极接收共模调制驱动信号SM；而致动器101A/103A的顶部电极接收差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)。可(如图示432所示地)向底部电极或(如图示433所示地)向顶部电极施加合适的偏置电压V

在(如图示433所示的)一实施例，致动器101A/103A的一电极可同时接收共模调制驱动信号SM及差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)；而另一电极则适当地偏压。在图示433所示的实施例，底部电极接收共模调制驱动信号SM及差模解调驱动信号S101(-SV)/S103(+SV)；而顶部电极则被偏压。

图13所示的驱动信号布线方案实现了(在不考虑V

请进一步注意，为了最小化(由驱动信号SM引起的)调制操作及(由驱动信号±SV引起)解调操作之间的交叉耦合，在一实施例，瓣片101及103在其机械结构、尺寸及电性特性上被制成一镜像/对称对。例如，瓣片101的悬臂长度应等于瓣片103的悬臂长度；瓣片101的膜结构应与瓣片103相同；虚拟阀112的位置应该在瓣片101及瓣片103的两个支撑壁110之间的中心位置或与两个支撑壁110等距；设置在瓣片101上的致动器图案应与设置瓣片103上的致动器图案相对称；设置在瓣片101及103顶部的致动器的金属线应是对称的。这里只列举一些作为镜像/对称对的项目(或使瓣片101及103是镜像/对称的)，但不限于此。

图14示出在IEC711封闭式耳模拟器对装置400的物理实施例进行的一组频率响应测量结果，其中采用图示431所示的驱动方案来驱动装置400，底部电极的调制驱动信号SM的Vrms为6Vrms，顶部电极的解调驱动信号±SV的峰峰值电压(Vpp)从5Vpp变化到30Vpp，并使用GRAS RA0401耳模拟器来测量声学结果。装置400的操作频率(即超声载波频率f

此外，图15示出并分析图14所示的装置400的测量结果。图15示出图14的100Hz(粗虚线)及19Hz(粗实线)的SPL对Vvtop(Vpp)的关系图，其中(如连接图示431所示)Vvtop(Vpp)是施加在顶部电极的解调驱动信号的峰峰值电压。从图14及图15可看出，随着Vvtop的增加，SPL也增加。此外，装置100的等效集总电路模型的模拟结果也证实SPL随着(阀驱动或)解调驱动信号的振幅增加而增加。由此可知，可通过解调驱动信号的振幅来控制本发明的气脉冲产生装置产生的声音的音量。

基于图14及图15的结果可得出调制器-解调器共位的概念是正确的结论，这意味着由装置400执行的调制(形成振幅调制超声空气压力变化)及解调(以同步产生不对称气脉冲的方式形成开口)成功产生APPS效果。因此，可能可缩小腔室宽度(例如装置100的W115)。

例如，图16是本发明实施例的一APG装置500的示意图。类似于装置400，装置500的瓣片对102也利用图13所示的驱动方案之一来驱动，但不限于此。与装置400相比，装置500的腔室宽度W115'减少了一半。在一实施例，装置500的腔室宽度W115'可为λ

此外，腔室(例如图12的115或图16的115')内的驻波并非必需，这意味着腔室宽度(W115)不必是λ

图17是本发明实施例的一APG装置600的示意图。装置600可包括子组件610及640。在一实施例，子组件610及640可通过已知的MEMS工艺制造，且使用(诸如干膜的)结合或粘合材料或其他合适的芯片附接材料/方法而通过层620结合在一起。子组件610本身可被视为一APG装置(稍后将在图26及相关段落详细描述)，其包括瓣片对102或膜结构10。子组件640可被视为盖子结构。

类似于装置500，装置600包括瓣片对102，其瓣片101及103采用图13所示的驱动方案之一来驱动，但不限于此，且装置600的瓣片对102被致动以形成具有超声载波频率f

与装置500不同，装置600内形成一导管630。导管630将虚拟阀112(瓣片101与103之间的狭缝)上方的空气体积向外连通到周围环境。导管630包括腔室631、通道632及出口633(或区域631～633)。腔室631形成于膜结构10与盖子结构(子组件)640之间。通道632及出口633形成于盖子结构(子组件)640内。

腔室631可视为半包覆的一压缩腔室，压缩腔室631内的空气压力可响应于共模调制驱动信号SM而被压缩或密度降低，超声空气压力变化/波可产生并经由孔口613直接馈送到通道632。通道632用作波导，其形状及尺寸应被优化以便使在区域/腔室631产生的压力变化/脉冲能有效地向外传播。出口633用来最大程度地减少反射/偏折且最大化耦合到周围环境的声能。为此，出口633的通道尺寸(例如在X方向的宽度)朝周围逐渐加宽且出口633可具有喇叭形状。

在一实施例，开口112(相当于瓣片对102或膜结构10)与表面650之间的导管630的长度/距离L630可(实质上)为与f

图18是本发明实施例的类似于装置600的装置的FEM模拟压力分布的快照。在图18，辅助箭头表示压力值的极性/符号。装置600与图18所示装置的区别在于，子组件640在腔室631与通道632之间的界面处增加倒角635，以最小化对气流的扰动。在图18，区域631的压力约为+500Pa，接近633的区域632的压力约为-500Pa。最亮的区域呈现压力节点平面。

请注意，区域632的节点平面显示波传播的正确形成，且节点平面632与装置外部的节点平面之间的空间/距离约为1.2*λ/2(此处为λ＝346(m/s)/192(KHz))，其接近(并略大于)λ/2。这意味着存在以声速传播的不间断压力波传播。换句话说，如图18所示，由装置600的膜结构产生的压力脉冲或空气波向周围环境辐射。

图19示出对物理实施的装置600的IEC711封闭式耳耦合器SPL测量结果与频率的关系，其中示出对应于具有20Vpp及15Vpp的解调驱动信号±SV的结果。此外，表一比较用于产生最大SPL的装置400及600的参数。

(表一)

从图14、图19及表一可知，装置600在降低输入振幅的同时，比装置400实现了略高的SPL，同时减小40％的芯片尺寸。这意味着，具有导管630的装置600在功耗及占用的硅空间/面积方面都更加高效。

一般而言，腔室631的宽度W631明显小于λ

图20是本发明实施例的一APG装置700的示意图。类似于装置600，装置700包括子组件710及740，且具有形成在其中的导管730。子组件710可通过MEMS工艺制造，且也可视为一APG装置。腔室705形成在子组件710内。子组件710本身也可为一APG装置，其可视为美国专利11,172,310公开的挤压模式操作、美国专利11,043,197公开的虚拟阀及图13所示的驱动方案的结合，其中美国专利11,172,310及美国专利11,043,197通过引用并入本文。

导管730包括腔室731、通道/波导732及喇叭形出口733(或区域731～733)，并将虚拟阀112下方的空气体积向外连通到周围环境。不同于装置600，子组件740可通过诸如3D打印、精密注射成型、冲压等技术形成/制造。通道/波导732包括一第一部分(即蚀刻在子组件710的盖子上的孔口713)及形成在子组件740内的一第二部分，其中可在它们之间添加倒角735以最小化扰动。腔室705与731重叠。由瓣片101及103产生的压力变化/波将被直接馈送到通道/波导732中。

图21是本发明实施例的一APG装置800的示意图。装置800包括子组件810及840。子组件810可具有与装置500相同或相似的结构，其可通过MEMS工艺制造并视为一APG装置，包括由如图13所示的方案之一驱动的瓣片101及103，且虚拟阀(开口)112在其中形成。子组件840可通过诸如3D打印、精密注射成型、精密冲压等技术形成/制造。请注意，通过(解)调制操作，子组件810产生多个气流脉冲。

装置840内形成(将虚拟阀112下方的空气体积向外连通到周围环境的)一导管830。导管830包括(压缩)腔室831、通道/波导832及喇叭形出口833(或区域631～633)。压缩室831用于将多个气流脉冲转换为多个空气压力脉冲。具体而言，腔室831产生压力脉冲ΔP

通道/波导832具有的阻抗可接近、匹配于压缩腔室831或在压缩腔室831的±15％范围内，以便使区域831内产生的压力脉冲向外传播到周围环境的传播效率最大化。在一实施例，可通过适当地选择通道832的横截面积来优化传播效率。

在图21所示的实施例，出口833的通道尺寸(例如在X方向上的宽度)以分段线性方式朝向周围逐渐加宽(其中θ

为了在区域831进行腔室压缩，腔室/区域831的尺寸较佳地远小于对应于操作频率f

请注意，膜结构10将空间的体积细分为一侧的谐振腔室805及另一侧的压缩腔室831，且由于这种细分的性质，从腔室805及腔室831的空间来观察，瓣片101及103及共模运动引起的位移将具有完全相同的大小，但方向/极性相反。换句话说，随着瓣片101及103的共模运动，将形成一推拉操作，且这种推拉操作将增加(例如加倍)瓣片101与103之间的压差，从而当虚拟阀112打开时气流将增加。

具体而言，对于具有体积V1的压缩腔室831及具有体积V2的谐振腔室805，膜/瓣片运动引起的体积差DV(假设DV<

图22是本发明实施例的一APG装置900的示意图。装置900包括子组件910及940。子组件910可通过MEMS工艺制造且可视为一APG装置。子组件940可通过3D打印制造。与装置700或子组件710类似，子组件940也可视为美国专利11,172,310公开的挤压模式操作、美国专利11,043,197公开的虚拟阀及图13所示的驱动方案的结合。在装置900，挤压模式操作腔室905及压缩腔室931是分开的；而在装置700中，挤压模式操作腔室及压缩腔室合并为室731。

子组件810及子组件910在气流脉冲产生方面具有类似的效果，但它们的工作原理不同。子组件810利用谐振；而子组件910利用由膜(瓣片101、103)运动引起的挤压模式操作腔室905的压缩及密度降低。因此，腔室宽度W

图23是本发明实施例的一APG装置A00的示意图。因为谐振不是必需的，因此可去除腔室(例如腔室905)的矩形横截面的限制，且其在几何形状上更灵活以优化压力波的产生或波向外界的传播。例如，腔室A05或子组件A40可能具有类似黄铜吹嘴的横截面。

图23的装置A00的另一方面是“直接压力耦合”。与在装置900首先通过孔口913不同，装置A00的压缩腔室A05产生的压力波直接耦合到导管A32，接着经由出口A33出去到周围环境。压缩腔室与导管/出口之间的直接耦合消除孔口913引起的损失，从而与装置900相比显著改善效率。

图24是本发明实施例的一APG装置B00的示意图。装置B00类似于装置A00。与装置A00不同的是，装置B00还包括(盖子)结构B11，盖子结构B11与膜结构10之间形成腔室B05。通过膜结构10的一侧形成腔室A05且膜结构10的另一侧形成腔室B05，可进行推拉操作，从而可增强气流脉冲。

请注意，子组件810及910产生的气脉冲可视为气流脉冲，而子组件840及940可视为气流至空气压力转换器，其具有喇叭形横截面轮廓。另一方面，由子组件610、710、A10及B10产生的气脉冲可视为空气压力脉冲，其直接产生解调/不对称空气压力脉冲，且可能比装置800及900更有效。

另外，具有导管形成于其内的子组件或具有喇叭形横截面轮廓的导管的子组件也可应用在申请人提交的美国专利10,425,732、11,172,310等公开的APG装置或其他装置(例如美国专利8,861,752)，但不限于此。

图25示出本发明的APG装置的虚拟阀(VV)112打开的时序时间对准的示意图。在图25，实线曲线代表调制驱动信号SM产生的瓣片共模运动，背景的深浅色代表对应于虚拟阀的声阻，其中，较暗的阴影表示较高的阻抗(虚拟阀关闭，导致腔室内的体积与环境不连通)，且较浅的阴影表示较低的阻抗(虚拟阀打开，导致腔室内的体积与环境连通)。

在图25的(a)，虚拟阀(VV)112的打开状态的时机与腔室内压力达到最大值(第一个峰值)的时机对齐，这通常略早于瓣片到达其最正共模位移(第一个峰值)的时机；而虚拟阀112的关闭状态的时机与腔室内压力达到最小值(第二个峰值)的时机对齐，这通常略早于瓣片达到其最负共模位移(第二个峰值)的时机。如图25的(a)所示的时序时间对齐，虚拟阀112呈最大开口与腔室内压力的第一个峰值对准是为了最大化气流脉冲的脉冲振幅，这对于(具有腔室但内部没有形成导管的)装置100～500可能是合适的。

另一方面，在图25的(b)，受汽车工业中燃气/活塞发动机的阀时序时间的启发，虚拟阀112的打开状态的时机与向第一方向运动的振膜(瓣片)的共模运动的最大速度对齐；而虚拟阀112的关闭状态的时机与向第二方向运动的振膜(瓣片)的共模运动的最大速度对齐。与第二方向相反的第一方向是从膜结构朝周围环境的方向。图25的(b)所示的时序时间对齐是为了最大化气流脉冲的体积，这对于(腔室包括形成在其中的导管的)装置600或装置700～900、A00及B00可能是合适的

图26是本发明实施例的一APG装置C00的示意图。装置C00类似于先前介绍的APG装置，其包括瓣片101及103。瓣片101及103也可采用图13所示的驱动方案进行驱动。

不同于那些包含盖子结构的装置，装置C00不包含盖子结构。与上文介绍的APG装置相比，装置C00的结构简单很多，需要的光刻蚀刻步骤较少，省去复杂的导管制作步骤，且避免将两个子元件或子组件绑定在一起的需要。装置C00的生产成本大大降低。

由于盖子结构下方没有形成要被压缩的腔室，因此装置C00产生的声学压力主要由瓣片(101及103)运动的加速度产生。通过将(响应于解调驱动信号±SV的)虚拟阀112的打开时机对准(响应于调制驱动信号SM的)瓣片101及103的共模运动的加速度时机，装置C00能产生不对称的空气(压力)脉冲。

请注意，围绕瓣片101及103的空间分为两个子空间：一个在Z>0(或+Z子空间)，另一个在Z<0(或-Z子空间)。对于瓣片101及103的任何共模运动，将产生一对声学压力波，一个在+Z子空间，另一个在-Z子空间。这两个声学压力波具有相同的振幅但相反的极性。因此，当虚拟阀112打开时，虚拟阀112附近的两个空气体积之间的压差将相互抵消。因此，当差模运动达到其峰值的时机(即虚拟阀112达到其最大开口的时机)与共模运动的加速达到其峰值的时机对齐时，预料由共模运动产生的声学压力应因虚拟阀112的打开而被抑制/消除，导致瓣片101及103的两个相对侧的两个声学压力之间的自动中和，其中这两个声学压力具有相同的大小但相反的极性。这意味着当虚拟阀112打开时，装置C00将产生(接近)净零空气压力。因此，当虚拟阀112的打开周期与共模瓣片运动的加速度的(两个)极性之一的时间周期重叠时，装置C00将产生单端(SE)或类单端的空气压力波形/脉冲，其是高度不对称的。

在本发明中，(类)单端波形可指该波形相对于某一准位(实质上)是单极性的。单端声学压力波可指相对于环境压力(例如1ATM)(实质上)是单极性的波形。

图27是本发明实施例的虚拟阀(VV)打开的时序时间对准的示意图。图27所示的时序时间对准方案可应用于装置C00。在图27的(a)，实线/虚线/点线曲线代表响应于调制驱动信号SM的振膜(瓣片101及103)的共模运动的位移/速度/加速度，并且与图25的(a)相似，背景的深浅色代表对应于虚拟阀112的打开─关闭动作引起的声阻。为了说明目的，图27的(a)的振膜/瓣片运动被假设为(或近似绘制为)具有恒定振幅的正弦波，其中速度/加速度波形是位移波形的一阶/二阶导数。如图27的(a)所示，虚拟阀打开的时机与共模振膜/瓣片运动朝第一方向的第一个峰值加速度的时机对齐，如前面讨论的，这种时间对齐导致在+Z及-Z子空间产生的两个声学压力波之间的自动中和，从而抑制净声学压力(如图27的(b)的单端空气压力波形的平坦部分所示)。

图27的(a)还示出虚拟阀关闭的时机与共模振膜/瓣片运动朝第一方向的第二个峰值加速度的时机对齐，第二方向与第一方向相反。由于虚拟阀在第二个峰值加速度期间/附近关闭，瓣片101及103的第二个峰值加速度产生的声学压力能从瓣片101及103辐射出去，导致高度不对称的声学压力波(如图27的(b)的单端空气压力波形的半正弦部分所示)。

请注意，虚拟阀112的开启并不决定声学压力脉冲的强度/振幅，而是决定“接近净零压力”(或自动中和)效应的强度。当虚拟阀112的开口宽(大程度地打开)时，“净零压力”效应强，自动中和完成/完全，不对称性强/明显，导致强/显著的基带信号或APPS效应。反之，当虚拟阀112开口较窄(稍微打开)时，“净零压力”效应较弱，自动中和未完成/不完全，不对称性降低，导致基带信号或APPS效应较弱。

在FEM模拟中，装置C00可在20Hz时产生145dB SPL。从FEM模拟可知即使装置C00产生的SPL比装置600产生的SPL(20Hz时约157dB SPL)低约12dB，但在相同的驱动条件下，装置C00的总谐波失真(THD)比装置600低10～20dB。因此，模拟验证了装置C00(即没有盖子结构或没有在其中形成腔室的APG装置)的功效。

请注意，“虚拟阀打开的时机与腔室内峰值压力或共模振膜运动的峰值速度/加速度的时机对齐”的陈述隐含地暗示±e％的公差是可接受的。也就是说，虚拟阀打开的时机对齐(1±e％的)腔室内的峰值压力或共模振膜运动的峰值速度/加速度的时机的情况也在本发明的范围内，其中e％可1％、5％或10％，具体数值视实际需要而定。

关于脉冲的不对称性，图28示出具有不同程度不对称性的(在一操作周期T

图28的(a)示出r＝p

如上所述，不对称性程度越高，超声气脉冲的APPS效应及基带频谱分量越强。在本发明，不对称的气脉冲是指至少具有中等程度不对称性的气脉冲，即r＝p

请注意，本发明的APG装置的解调操作是根据调制操作产生的超声空气压力变化振幅来产生不对称的气脉冲。从某种角度来看，本发明的解调操作类似于无线电通信系统的振幅调制(AM)包络检测器的整流器。

在(如本领域已知的)无线电通信系统，一包络检测器(一无线电振幅调制(非同调)解调器)包括一整流器及一低通滤波器。包络检测器将产生对应于输入振幅调制信号的包络。包络检测器的输入振幅调制信号通常具有(r＝p

本发明的解调操作将(r＝p

APG装置的解调操作产生不对称性是至关重要的。在本发明，脉冲的不对称性仰赖于(与产生超声空气压力变化的振膜(瓣片)运动对齐的)适当的打开时机。(如图25及图27所示)不同的APG结构会有不同的时序时间对齐方法。换言之，形成开口112的时机被指定以使得APG装置产生的多个气脉冲是不对称的。

产生不对称气脉冲的APG装置也可应用于气泵/运动应用，其可具有冷却、干燥或其他功能。

此外，可通过适当的单元及信号路由配置来降低功耗。例如，图29是本发明实施例的一APG装置D00的俯视示意图，且图30示出沿着图29所示的A-A'线的装置D00的横截面图。装置D00包括排列成阵列的单元D01～D08。每个单元(D0x)可为上述的APG装置(例如400～C00)之一。在第图。为简洁起见，图30省略其中形成有导管的子组件及盖子结构。假设装置D00的所有瓣片都由驱动信号方案431驱动，其中顶部电极接收信号+SV或信号-SV且底部电极接收SM-V

在图29，沿Y方向延伸的长方形表示瓣片或设置在瓣片上的致动器的顶部电极。网底可表示致动器的底部电极，或表示致动器的底部电极是电性连接的。

在装置D00中，接收信号-SV的瓣片(例如101)及接收信号+SV的瓣片(例如103)在空间上交错排列。例如，当单元D01的瓣片103接收到信号+SV时，单元D02的瓣片101较佳地接收信号-SV。这是因为当信号+SV、-SV切换极性时或在信号+SV、-SV的转换周期时，会有电容负载(放电)充电电流沿X方向流过底部电极，且底部电极的有效电阻(R

另一方面，在驱动信号-SV、+SV以{+SV,–SV}、{–SV,+SV}、{+SV,–SV}、{–SV,+SV}、{+SV,–SV}、{–SV,+SV}、{+SV,–SV}、{–SV,+SV}的模式布线的情况下(未示于图29)(其中{…,…}表示一单元D0x的一对差动驱动信号)，负载(放电)充电电流将在Y方向流动，底部电极的有效电阻(R

换句话说，通过利用图29所示的布线方案，(以单元D01及D02为例)假设接收信号+SV的单元D01的瓣片103在空间上相邻接收信号-SV的单元D02的瓣片101设置，且信号±SV的转换周期在时间上重叠，电流从一瓣片(例如D01的103)的底部电极直接行进到相邻的瓣片(例如D02的101)，而不需从一焊垫离开装置D00再从另一焊垫重新进入装置D00。因此，底部电极的有效电阻显著降低，功耗也随之降低。

此外，可通过并入多个(例如2个)单元来提高操作频率。具体地，采用本发明的APG装置的空气压力脉冲扬声器(APPS)发声方案是一种离散时间采样系统。一方面，通常倾向提高此类采样系统的采样率以实现高保真度。另一方面，倾向降低装置的操作频率以降低所需的驱动电压及功耗。

与如同一APG装置的采样率而提高操作频率相比，通过在时间和空间上交错(至少)两组具有低脉冲/操作频率的子系统，可有效实现高脉冲/操作频率。

图31是本发明实施例的一APG装置E00的俯视示意图(以显示空间布置)。装置E00包括彼此紧邻/相邻设置的两个单元E11及E12。单元E11/E12可为本发明的APG装置之一。

图32示出用于单元E11及E12的两组(解)调制驱动信号A及B的波形(以显示时间关系)。组A包括解调驱动信号±SV及调制驱动信号SM；而组B包括解调驱动信号±SV'及调制驱动信号SM'。在图32所示的实施例，信号组B的解调驱动信号+SV'/-SV'是信号组A的解调驱动信号+SV/-SV的延迟版本。此外，信号组B的信号+SV'/-SV'是信号，，。组A的信号+SV/-SV延迟T

通过将组A及B其中的一组提供给单元E11并将组A及B其中的另一组提供给单元E12，装置E00可产生脉冲/采样率为2×f

图33是本发明实施例的一APG装置F00的俯视示意图。装置F00包括(排列成2×2阵列的)单元F11、F12、F21及F22。装置F00的单元可为本发明的APG装置之一。F11、F12、F21及F22中的两个单元可接收信号组A，另外两个单元可接收信号组B。

在一实施例，单元F11、F12接收信号组A，单元F21、F22接收信号组B。在一实施例，单元F11、F22接收信号组A，单元F12、F21接收信号组B。信号组B。在一实施例，单元F11、F21接收信号组A，单元F12、F22接收信号组B。与装置E00类似，该装置也产生脉冲/采样率为2×f

请注意，使用物理表面运动来产生声波的现有扬声器(例如动态驱动器)会面临前向/后向辐射波相互抵消的问题。当物理表面运动引起气团运动时，会产生一对声波(即前向辐射波及后向辐射波)。这两个声波会抵消大部分的对方，导致净SPL远低于单独测量前向/后向辐射波的声压级。

解决前向/后向辐射波相互抵消问题的普遍采用方案是利用后壳体或开放式瓣片。这两种解决方案都需要与感兴趣的最低频率的波长相当的物理尺寸/大小，例如频率为230Hz时的波长为1.5米。

与现有扬声器相比，本发明的APG装置仅占用几十平方毫米(远小于现有扬声器)，且(尤其在低频)产生巨大的声压级。

这是通过产生不对称的振幅调制气脉冲来实现的，其中调制部通过振膜运动产生对称的振幅调制空气压力变化，解调部通过虚拟阀产生不对称的振幅调制气脉冲。调制部及解调部由在同一制作层制造的瓣片对来实现，从而降低制造/生产的复杂性。调制操作通过瓣片对的共模运动来执行，且解调操作通过瓣片对的差模运动来执行，其中(通过共模运动的)调制操作及(通过差模运动的)解调操作可通过单一瓣片对来进行。差模运动与共模运动之间的适当时序时间对齐增强输出气脉冲的不对称性。此外，喇叭形出口或喇叭形管道有助于提高传播效率。

综上所述，本发明的气脉冲产生装置包括调制手段及解调手段。调制手段可通过将调制驱动信号施加到瓣片对(102或104)来实现，以根据声音信号产生具有超声载波频率的振幅调制超声声学/空气波。解调手段可通过将一对解调驱动信号+SV及-SV施加到瓣片对(102)或驱动瓣片对(102)来周期性地形成开口(112)来实现，以执行(将超声声学/空气波UAW的频谱分量移位±n×f

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。