改進的參量換能器及相關方法
【技術領域】
[0001] 本公開大致涉及參量揚聲器。更具體地，一些實施例涉及一種超薄超聲波發射器。
【背景技術】
[0002] 非線性轉換是由將高密度的音頻調制的超聲信號充分地引入到空氣柱中引起的。 自解調或下轉換沿著空氣柱出現，導致產生聽得見的聲頻信號。此過程的發生是由于已知 的物理原理，即當具有不同頻率的兩個聲波在相同的介質中同時輻射時，由兩個聲波的非 線性（參數）相互作用產生包括兩個頻率的總和與差值的調制波形。當兩個原始聲波是超 聲波并且它們之間的差值被選為音頻時，聽得見的聲音能夠由參數相互作用生成。
[0003]參量音頻再現系統通過發生在介質（空氣）中的非線性過程中的兩個聲頻信號的 外差產生聲音。聲頻信號通常在超聲頻率范圍內。介質的非線性導致由介質產生的聲頻信 號，該聲頻信號是音頻信號的總和與差值。因此，通過頻率隔開的兩個音頻信號能夠導致差 值音調，其在人類聽覺的60Hz到20,OOOHz的范圍內。
【發明內容】
[0004]本文描述的技術的實施例包括超聲波音頻揚聲器系統，其包括發射器和驅動器。 在各種實施例中，發射器包括具有導電表面的第一層；具有導電表面的第二層；和設置在 第一導電表面和第二導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系 設置。驅動器電路能夠包括兩個輸入端和兩個輸出端，輸入端配置為經耦合以從放大器接 收音頻調制的超聲信號，其中，第一輸出端耦合到第一層的導電表面，并且第二輸出端耦合 到第二層的導電表面。
[0005]使用金屬化膜能夠制造任意一個導電表面或兩個導電表面，其中，金屬化導電表 面設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、聚對苯二甲酸乙 二醇酯（PET)、軸向定向的聚對苯二甲酸乙二醇酯、雙軸向聚對苯二甲酸乙二醇酯（如聚酯 薄膜、聚酯薄膜或聚對苯二甲酸乙二酯）、kapton或其他襯底。絕緣層能夠是金屬化膜的襯 底或其能夠是單獨的絕緣層。
[0006]在各種實施例中，超聲波發射器進一步包括鄰近第一導電層設置的屏（screen) 或光柵（grating)。在一些實施例中，第一導電層包括金屬化膜，并且第二導電層包括導電 光柵。在進一步的實施例中，第二導電層包括導電光柵。
[0007]根據下面詳細的說明，結合附圖，本發明的其他特征和方面將變得明顯，其中附圖 通過示例的方式示出根據本發明的實施例的特征。本
【發明內容】
目的不在于限制本發明的范 圍，本發明的范圍由所附的權利要求書單獨限定。
【附圖說明】
[0008]根據一個或更多不同的實施例，參考附圖詳細地描述本發明。用于說明目的提供 的附圖僅僅只是描述本發明的典型或示例的實施例。提供這些附圖以助于讀者對本文描述 的系統和方法的理解，并且不應當認為是限制所要求保護的發明的廣度、范圍或適用性。
[0009] 根據不同的視角，本文所包括的一些附圖示出本發明的各種實施例。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"側面"上，但是這種 引用僅是說明性的，而不暗示或要求本發明在具體的空間定位中實施或使用，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射器技術的超聲波聲音系統的示意圖。
[0011] 圖2是示出適于使用本文描述的發射器技術的另一個信號處理系統的示例的示 意圖。
[0012] 圖3是示出根據本文描述的技術的一個實施例的示例發射器的放大圖。
[0013] 圖4是示出根據圖3中所示的示例的裝配好的發射器的截面圖的示意圖。
[0014] 圖5是示出根據本文描述的技術的一個實施例的超聲波發射器的另一個示例配 置的示意圖。
[0015] 圖6a是示出能夠用來驅動本文所公開的發射器的簡單驅動器電路的示例的示意 圖。
[0016] 圖6b是示出能夠用來構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是示出根據本文描述的技術的一個實施例的另一個示例發射器配置的示意 圖。
[0018] 圖8是示出根據本文描述的技術的一個實施例的另一個示例發射器配置的示意 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射器的示例的示意圖。
[0021] 附圖目的不在于窮盡或將本發明限制為公開的精確的形式。應當理解，本發明能 夠借助修改和改變而實踐，并且本發明僅由權利要求及其等效物限定。
【具體實施方式】
[0022] 本文描述的系統和方法的實施例提供用于各種不同應用的特超聲（HSS)音頻系 統或其他超聲波音頻系統。特定實施例提供薄膜超聲波發射器用于超聲載波音頻應用。
[0023] 圖1是示出適于使用本文描述的系統和方法的超聲波聲音系統的示意圖。在此示 例性超聲波系統1中，接收來自音頻源2 (如，例如，麥克風、存儲器、數據存儲裝置、流媒體 源、CD、DVD或其他音頻源）的音頻內容。音頻內容可以被解碼并且從數字形式轉換為模擬 形式，這取決于源。使用調制器將由音頻系統1接收的音頻內容調制到頻率fl的超聲載波 上。調制器通常包括用于生成超聲載波信號的本地振蕩器3和將音頻信號乘以載波信號的 乘法器4。結果信號是具有在頻率H處的載波的雙邊帶信號或單邊帶信號。在一些實施例 中，信號是參量超聲波或HSS信號。在大多數情況下，所使用的調制方案是幅值調制或AM。 AM能夠通過將超聲載波乘以信息運載信號（在這種情況下是音頻信號）實現。已調制信號 的頻譜具有兩個邊帶，即上邊帶和下邊帶，其相對于載波頻率和載波本身是對稱的。
[0024] 已調制超聲波信號被提供到換能器6,其將超聲波發射到產生超聲波7的空氣中。 當通過轉換器以足夠高的聲壓水平回放信號時，由于"播放"或傳輸它的空氣的非線性表 現，信號中的載波與邊帶（一個或更多）混合以解調信號并且再現音頻內容。這有時被稱 為自解調。因此，即使針對單邊帶實施方式，還是包括載波和發射的信號，從而自解調能夠 發生。雖然在圖3中的系統使用單個換能器發射單個信道的音頻內容，但是本領域技術人 員在閱讀此說明書之后將理解多個混頻器、放大器和換能器能夠怎樣用于使用超聲載波傳 輸多個信道的音頻。
[0025] 適于使用本文描述的技術的信號處理系統10的一個示例在圖2中示意性地示出。 在此實施例中，各種處理電路或部件按照根據一個實施方式布置的順序（相對于信號的處 理路徑）示出。應當理解的是，處理電路的部件能夠變化，每個電路或部件處理輸入信號的 順序也能夠變化。另外，取決于實施例，處理系統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輸入和輸出信道（如"立體聲"信號）， 其中，各部件或電路大體包括針對每個信道的信號的匹配元件。本領域技術人員在閱讀此 說明書之后將理解，音頻系統能夠使用單信道（如"單聲道"信號或"單"信號）、兩個信道 (如圖2中所示）、或更多信道實施。
[0027] 現在參考圖2,示例信號處理系統10能夠包括音頻輸入端，其能夠相當于音頻輸 入信號的左側12a信道和右側12b信道。能夠包括壓縮器電路14a、14b以壓縮入射信號 的動態范圍、有效提高入射信號的某些部分的幅值并且降低入射信號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。在一個方面中，壓 縮器使輸入信號的峰-峰幅值減小不小于2:1的比例。將輸入信號調節到幅值的更窄的范 圍能夠實現以最小化失真，其是此類調制系統的受限動態范圍的特性。
[0028] 在壓縮音頻信號之后，能夠包括均衡網絡16a、16b以提供信號的均衡。均衡網絡 能夠，例如，提高或抑制預定頻率或頻率范圍以提高由參量發射器裝置的發射器/電感器 的組合自然提供的優勢。
[0029]能夠包括低通濾波電路18a、18b以提供信號的高部分的截止，以及提供音頻信號 的低部分的截止的高通濾波電路20a、20b。在一個示例性實施例中，低通濾波電路18a、18b 用來截止高于約15-20kHz的信號，而高通濾波電路20a、20b用來截止低于約20-200Hz的 信號。
[0030]高通濾波器20a、20b能夠配置為消除在調制之后會導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制信號的那些部分）。另外，對于系統而言，一些低頻很 難有效再現，并因此試圖再現這些頻率能夠浪費很多能量。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制之后會導致產生具有載波的聽得見 的差拍信號的較高頻率。舉例來說，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，那么差值信號將不會低于29kHz左右，其仍在人類聽得見的范圍之外。然而， 如果高至25kHz的頻率允許通過濾波器電路，那么所生成的差值信號會在19kHz的范圍內， 其在人類聽力范圍內。