CN102165791A - 双模扬声器 - Google Patents

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Abstract

一种装置使用变换器在超声频率范围内和在音频范围内生成振动。薄膜或悬臂结构耦合至变换器，以生成声波。当振动在音频范围内时，薄膜结构像传统扬声器那样工作。当振动在超声频率范围内时，通过音频信号调制超声信号，以创建更好的方向性。由于超声波在空气中的非线***互，在超声频率范围内的声波可再现定向可听声音。

Description

双模扬声器
技术领域
概括地说，本发明涉及扬声器，更具体地，涉及可以在不同频率范围声学激励以生成可听声音的扬声器。
背景技术
通常，当用户用控制台玩游戏时，例如游戏控制台的设备生成声音。例如，当用户在公共场所在这样的设备上玩游戏时，有时候，期望用户周围的人听到声音。或者有时候，期望保持声音仅对用户可听，而不打扰周围的其他人。同样，移动电话可用于音乐重放和音频/视频重放。有时候，需要将重放的声音与一群人共享。有时候，需要将重放的声音主要由用户听见，从而不打扰用户周围的其他人。
发明内容
本发明提供一种方法和装置，可用于在宽波束和窄波束中生成可听声波。一方面，该装置是一种声学组件，例如其可以按传统方式进行声学激励以生成可听声波。其可包括振动结构组件(还称为变换器)，例如薄膜、两端夹紧梁、或悬臂、或这样结构的阵列，他们可通过特定激励信号来激励，从而例如在20Hz至20kHz范围内生成可听声波。另一方面，该装置还可在更高频率范围，例如超声频率范围(大约30kHz-120kHz)内被激励。当振动在超声频率范围内时，通过音频信号调制超声信号，用于创建更好的方向性。在这个频率范围，变换器或变换器阵列可生成超声波的定向波束。由于空气中超声波的非线***互，超声波的定向波束在穿越一定距离之后变为可听。
因此，本发明的第一方面是一种在宽波束音频模式或窄波束音频模式内生成可听信号的方法。该方法包括提供声学组件，被配置为在低频率范围内或在高频率范围内生成声波，所述低频率范围包括音频范围的至少一部分，以及所述高频率范围包括比音频范围更高的频率范围；以及激励所述声学组件，用于在低频率范围内或在高频率范围内生成声波。
根据本发明的各个实施例，所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及所述声学组件包括变换器或变换器阵列，被配置为接收电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述电信号生成振动。所述变换器还被配置为在所述低频率范围内基于所述电信号生成振动。
根据本发明的实施例，当在高频率范围内振动时，在所述超声频率范围内由载波信号调制可听信号来获得电信号。
在本发明的一个实施例中，可偏斜组件耦合至所述变换器，用于响应于所述振动来生成声波。
本发明的第二方面是一种生成可听信号的装置。所述装置包括：
声学组件，被配置为在低频率范围内或在高频率范围内生成声波，所述低频率范围包括音频范围的至少一部分，以及所述高频率范围包括比音频范围更高的频率范围。所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及所述声学组件包括变换器或变换器阵列，被配置为接收电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述电信号生成振动。所述变换器还被配置为在所述低频率范围内基于所述电信号生成振动。当在高频率范围内振动时，在所述超声频率范围内由载波信号调制可听信号来获得电信号。
根据本发明的一个实施例，可偏斜组件耦合至所述变换器，用于响应于所述振动来生成声波。
根据本发明的一个实施例，所述声学组件包括：
衬底，具有第一面和相反的第二面，其中第二面包括在所述衬底上限定可偏斜区域的腔；
压电层；以及
电极对，耦合至所述压电层，所述电极被设置为接收电信号，以使得所述压电层振动，以及其中所述偏斜区域的一部分声学耦合至所述压电层，用于响应于所述压电层的振动生成声波。
根据本发明的一个实施例，其中所述声学组件包括：
衬底，具有第一面和相反的第二面，其中第二面包括腔阵列，每个腔在所述衬底上限定可偏斜区域；
多个压电层段；以及
电极对，耦合至所述压电层，所述电极被设置为接收电信号，以使得所述压电层振动，以及其中所述偏斜区域的每个声学耦合至所述压电层之一，用于响应于所述压电层的振动生成声波。
根据本发明的一个实施例，所述声学组件可操作为在第一音频模式下在所述低频率范围内生成声波，以及在第二音频模式下在所述高频率范围内生成声波。所述装置还包括：处理器，耦合至所述声学组件，用于在所述第一音频模式和所述第二音频模式之间选择；以及用户接口，耦合至所述处理器，用于在所述第一音频模式和所述第二音频模式之间选择。
所述装置可以是提供音乐重放、视频重放、便携式摄像、游戏、无线电等的移动终端、便携式设备。
在阅读结合图1-10进行的描述之后，本发明将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的声学设备的顶视图。
图2是图1的声学设备的截面图。
图3示出根据本发明各个实施例的声学设备的阵列。
图4示出根据本发明其他实施例的声学设备的截面图。
图5是示出根据本发明在结合声学设备生成声音时使用的示例性模块的框图。
图6示出根据本发明的声波的方向性图。
图7是生成参数声音波束的算法的流程图。
图8示出根据本发明各个实施例的具有声学设备的电子设备。
图9示出在图8的电子设备中的各个组件。
图10示出不同声音生成模块，其中两个或更多声学设备用于生成声音。
具体实施方式
移动电话和便携式设备可包括音频特征。音频特征包括音乐重放、视频重放、便携式摄像、游戏、无线电等。在公共场所执行这些音频特征也越来越普遍。期望那些设备能够以至少两种方式生成声音：一种是使用在大范围立体角(宽波束)内生成声音的传统扬声器；一种是以定向模式(窄波束)生成声音，以便在用户当众收听声音时不打扰其他人。
本发明提供一种方法和装置，可用于在宽波束和窄波束中生成可听声波。一方面，该装置是一种声学组件，例如其可以按传统方式进行声学激励以生成可听声波。其可包括振动结构组件(还称为变换器)，例如薄膜、两端固支梁(clamped-clamped beam)、或悬臂、或这样结构的阵列，他们可通过特定激励信号来激励，从而例如在20Hz至20kHz范围内生成可听声波。另一方面，该装置还可在更高频率范围，例如超声频率范围(大约30kHz-120kHz)内被激励。在这个频率范围，变换器或变换器阵列可生成超声波的定向波束。由于空气中超声波的非线***互，超声波的定向波束在穿越一定距离之后变为可听。根据本发明，以传统方式生成可听声音的声学组件是这样的相同组件，在超声波穿越特定距离之后，当由超声波激励时，生成基本定向的声音。
图1是根据本发明一个实施例的声学设备的顶视图。如这个实施例所示，用微型机电***(MEMS)技术来生成该声学设备。例如，该声学设备在硅衬底10上生成。如图1所示，声学设备5包括具有自由边缘的悬臂式薄片20。该悬臂式薄片的一部分声学耦合至变换器30。
图2是图1的声学设备的截面图，示出变换器30，其耦合至衬底10上的悬臂式薄片20。如图所示，悬臂式薄片20包括在氮化硅层60上的多个低温氧化物(LTO)层42、44、46。在氮化硅层60之下，存在热氧化物层70，随后是多个其他层。变换器30包括压电(PZT)层50，其夹在两个LTO层42和44之间。在变换器30上是电极层40，而底部电极层48在PZT层50下。应注意，如图3所示，根据本发明各个实施例的声学设备可作为阵列的一部分生成。如图3所示，阵列1包括在相同硅衬底10上生成的多个声学设备5。
图4中示出根据本发明不同实施例的声学设备的另一实例。如图4所示，声学设备5在硅衬底180上具有薄部分，以用作低频率声学组件120的薄片。在低频率声学组件120上，设置具有压电(PZT)层150、和聚合氮化物层143的变换器130。顶部电极层140和底部电极层148用于提供激励电信号，以引起PZT层150的移动。变换器130经由多个层(包括LTO层146、氮化硅层160、和二氧化硅层170)耦合至低频率声学组件120。
图5还示出声学设备的***架构。如图5所示，声音生成模块200用在例如移动终端(见图8和9)的装置中。模块200包括移动设备处理IC220，被配置为从用户接口210接收信息或命令。处理IC 220包括专用集成电路(ASIC)多媒体芯片222和ASIC***芯片230。ASIC多媒体芯片222可被配置为从例如另一移动站或多媒体流源、或从其自身音频数据存储器或生成模块接收音频数据。来自ASIC多媒体芯片222的音频数据可转变成表示音频数据的电信号。根据本发明，依据来自ASIC多媒体芯片的信号232，可通过不同方式生成表示音频数据的可听声音。如果信号232指示将生成与通过常规扬声器生成的声音相似的声音，则将表示音频数据的电信号导向常规放大器242。将来自常规放大器242的低频率电输出(例如，在20Hz至20kHz的范围内)提供至变换器或变换器阵列250，从而可在低频率声学组件(例如，图2中的组件20，或图4中的组件120)中生成可听声音。如果信号232指示将生成声音作为定向声波，则将电信号传递至波束形成数据信号处理器(DSP)234，从而将音频数据(或信号)调制的高频载波信号提供至超声放大器244。将来自超声放大器244的输出也提供至变换器或变换器阵列250，从而可由变换器或变换器阵列(例如，图2中的组件30或图4中的组件130)直接生成超声波。由如图2和4所示的变换器或变换器阵列生成的超声波可以是定向的，因为如图6所示，将波形图限定为窄立体角。
如图6所示，在近场中的波(由音频信号调制的载波)处于超声频率内，因此不可听。在波经过空气时，由于在空气中超声波的非线***互，载波频率丢失。调制的波的包络生成可听声音，同时保持波形图的方向性的至少一部分。由此，将设备生成的可听声音主要限制在少数人。
图7是生成关于定向波束的参数声音波束的算法的流程图。如流程图300所示，将音频输入信号310传递至激励信号合成模块320，其中通过载波信号来调制输入信号310。该载波信号具有在例如30kHz至120kHz的超声频率范围内的频率。在失真补偿模块330中处理调制的信号，以去除例如由激励信号合成处理(框320)以及由放大器和变换器引起的失真。在性能数据调节模块340中再次处理信号，以成为处理的参数信号350，从而可实现特定性能参数(例如定向音频波束角和穿越距离)。将处理的参数信号350传递至放大阶段360。该放大阶段包括经由可选放大器(例如，图5的框244)的变换器或多个变换器(例如，图5的框250)。
根据本发明各个实施例的声学设备可以在被配置为生成声音的电子设备或电信装置中实现。如图8所示，电子设备500具有显示设备502和键板504。电子设备具有扬声器或声音生成设备510和麦克风530。声音生成设备510包括声学设备5。可以在电子设备500上设置用户接口520，以允许用户在宽波束音频模式或窄波束音频模式之间选择。
图9示出在图8的电子设备中的各个组件的示例性设置。如图9所示，电子设备500包括用于选择音频模式的用户接口520。用户接口520连接至模块200中的处理IC 220(见图5)。电子设备500还包括显示设备，例如液晶显示板502。电子设备500可用作通信装置，例如移动终端，其具有例如经由天线544发送和接收信号的收发器540。
综上，本发明提供了生成可听声音的方法和装置。该装置在相同结构组件中组合用于传统扬声器和定向扬声器的变换器。在本发明中，扬声器的变换器以这样的方式工作，其低频率特征满足传统扬声器的需求，而变换器的自然频率之一位于超声范围内。由此，当变换器(或变换器阵列)的输入激励信号是传统音频信号时，变换器可通过在其低频率范围上工作生成传统音频波。另一方面，当变换器(或变换器阵列)的输入信号是由用于创建更好方向性的音频信号调制的超声信号时，可通过在所述的超声范围内的、变换器的特定自然频率附近工作来生成超声信号；然后在空气中超声波的非线***互可再现定向可听声音。因此，可通过相同变换器(或变换器阵列)实现具有传统扬声器和定向扬声器功能的扬声器。
根据本发明的各个实施例，可自动或手动执行音频模式的选择。例如，处理IC 220(图5)可被配置为，当声学设备开始生成声音时，将声学模式缺省地设置为窄波束音频模式。然后，用户决定是否保持窄波束音频模式不变或将其切换至宽波束音频模式。或者，该处理IC被编程为基于声音生成事件的特性或设备的使用情况选择音频模式。例如，当电子设备500(例如移动终端)接收电话呼叫时，该处理IC将自动选择窄波束音频模式。但是，如果用户打开MP3程序收听音乐或播客(podcast)，则自动选择宽波束音频模式。然后，用户决定是否改变当前音频模式。用户可通过用户接口210改变或选择音频模式。
应注意，根据本发明的各个实施例，因为如图5所示，变换器或变换器阵列250同时从常规放大器242和超声放大器244接收电信号，因此电子设备500允许用户将重放设置为同时。或者，电子设备500可具有两个或更多变换器或变换器阵列，以在三个或更多模式下生成声音。如图10所示，声音生成模块200’可用在例如移动终端(见图8和9)的装置中。模块200’包括移动设备处理IC 220，其被配置为从用户接口210接收信息或命令。处理IC 220包括专用集成电路(ASIC)多媒体芯片222和ASIC***芯片230。ASIC多媒体芯片222可被配置为从例如另一移动站或多媒体流源、或从其自身音频数据存储器或生成模块接收音频数据。ASIC***芯片230可被配置为控制多个常规放大器242、多个波束形成数据信号处理器234、多个超声放大器244、和多个变换器或变换器阵列250。由此，声音生成模块200’可用于在至少三个不同模式下重放：
1)使得两个变换器250同时生成宽波束音频声音；
2)使得两个变换器250同时生成窄波束音频声音；以及
3)一个变换器250生成窄波束音频声音，而另一变换器250同时生成宽波束音频声音。
来自不同变换器的声音可能相同或不同。声音可以是例如立体声。
例如，模式选择可通过来自ASIC多媒体芯片222的信号223实现。允许用户决定选择何种模式。
因此，尽管针对本发明的一个或多个实施例描述了本发明，本领域普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上做出以上和各个其他改变、省略和偏离。

Claims (26)

1.一种装置，包括：
声学组件，被配置为在低频率范围内或在高频率范围内生成声波，所述低频率范围包括音频范围的至少一部分，以及所述高频率范围包括比音频范围更高的频率范围。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及所述声学组件包括变换器，被配置为接收电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述电信号生成振动。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及所述声学组件包括变换器阵列，被配置为接收电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述电信号生成振动。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述电信号包括在所述超声频率范围内由载波信号调制的可听信号。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述变换器还被配置为在所述低频率范围内基于所述电信号生成振动。
6.如权利要求5所述的装置，还包括：
可偏斜组件，耦合至所述变换器，用于响应于所述振动生成所述声波。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述声学组件包括：
衬底，具有第一面和相反的第二面，其中第二面包括在所述衬底上限定可偏斜区域的腔；
压电层；以及
电极对，耦合至所述压电层，所述电极被设置为接收电信号，以使得所述压电层振动，以及其中所述可偏斜区域的一部分声学耦合至所述压电层，用于响应于所述压电层的振动生成所述声波。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及其中所述压电层被配置为在所述超声频率范围内基于所述电信号生成所述振动。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述压电层还被配置为在所述低频率范围内基于所述电信号振动。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述声学组件包括：
衬底，具有第一面和相反的第二面，其中第二面包括腔阵列，每个腔在所述衬底上限定可偏斜区域；
多个压电层段；以及
电极对，耦合至所述压电层，所述电极被设置为接收电信号，以使得所述压电层振动，以及其中所述可偏斜区域的每个声学耦合至所述压电层之一，用于响应于所述压电层的振动生成声波。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述压电层还被配置为在所述低频率范围内基于所述电信号振动。
12.如权利要求7所述的装置，其中所述衬底包括硅衬底。
13.如权利要求6所述的装置，其中所述可偏斜组件被配置为当所述变换器在所述超声频率范围内生成振动时生成可听声音。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述声学组件可操作在第一音频模式下以在所述低频率范围内生成所述声波，以及可操作在第二音频模式下以在所述高频率范围内生成所述声波，所述装置还包括：
处理器，耦合至所述声学组件，用于在所述第一音频模式和所述第二音频模式之间选择。
15.如权利要求14所述的装置，还包括：
用户接口，耦合至所述处理器，用于在所述第一音频模式和所述第二音频模式之间选择。
16.如权利要求14所述的装置，包括移动终端。
17.如权利要求6所述的装置，还包括：
第二声学组件，被配置为在所述低频率范围内或在所述高频率范围内生成其他声波，以及所述第二声学组件包括第二变换器，被配置为接收其他电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述其他电信号生成其他振动，以及第二可偏斜组件，耦合至所述第二变换器，用于基于所述其他振动生成其他声波，其中所述声学组件可在各个声音模式下操作，所述声音模式包括在所述低频率范围内生成声波的第一音频模式以及在所述高频率范围内生成声波的第二音频模式，以及其中所述第二声学组件可在各个其他声音模式下操作，所述其他声音模式包括在所述低频率范围内生成其他声波的第一音频模式以及在高频率范围内生成其他声波的第二音频模式，所述装置还包括：
处理器，耦合至所述声学组件和所述其他声学组件，用于选择声音模式和其他声音模式的不同组合。
18.一种方法，包括：
提供声学组件，其被配置为在低频率范围内或在高频率范围内生成声波，所述低频率范围包括音频范围的至少一部分，以及所述高频率范围包括比所述音频范围更高的频率范围；以及
激励所述声学组件，用于在所述低频率范围内或在所述高频率范围内生成声波。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及所述声学组件包括变换器，被配置为接收电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述电信号生成振动。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及所述声学组件包括变换器阵列，被配置为接收电信号，用于在所述超声频率范围内基于所述电信号生成振动。
21.如权利要求19所述的方法，还包括：
在所述超声频率范围内由载波信号调制可听信号，以生成所述电信号。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述变换器还被配置为在所述低频率范围内基于所述电信号生成振动。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：
将可偏斜组件耦合至所述变换器，用于响应于所述振动生成所述声波。
24.一种装置，包括：
用于在低频率范围和高频率范围内生成振动的装置，所述低频率范围包括音频范围的至少一部分，以及所述高频率范围包括比音频范围更高的频率范围；以及
用于响应于所述振动生成声波的装置。
25.如权利要求24所述的装置，其中所述高频率范围包括超声频率范围的至少一部分，以及其中所述用于生成振动的装置包括一个或多个变换器，被配置为接收电信号，用于基于所述电信号生成振动。
26.如权利要求25所述的装置，还包括：
用于在所述超声频率范围内由载波信号调制可听信号以生成所述电信号的装置。
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