专利名称：相位特性得到改善的参量扬声器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及参量扬声器技术领域。具体地说，本发明涉及对参量扬声器内换能器的相位误差进行补偿的相位校正和对准技术。
例如，如果两个原始声波是超声波，而它们的频率之差选择为音频频率，由于参量相互作用就会产生一个听得到的声音。这样就形成了一个方向性很强的扬声器，它实际上是一个虚拟的端射阵列。以前，这些设备由于多种原因不能达到优越的性能，其中大部分原因可归结为换能器的性能。在现有技术中，所揭示的一些设备采用了也称为压电弯曲器(piezoelectric bender)的双压电晶片(piezoelectricbimorph)器件。现有技术的系统采用了双压电晶片簇，有500到1400多个双压电晶片单元。要用这么多的双压电晶片是由于参量扬声器要求很高的超声输出。在现有技术的系统中这些双压电晶片器件的输出性能都不合适。
现有技术的一个例子可以参见Yoneyama和Fujimoto的“Theaudio spotlightAn application of nonlinear interaction ofsound waves to a new type of loudspeaker design”(Journal ofthe Acoustical Society of America，Volume73，1983)，该文在这里列作参考予以引用。他们用了一个有547个双压电晶片型换能器的阵列，这代表了先前和近来现有技术的参量扬声器。
正如其他现有技术的参量扬声器，Yoneyama指出，应将主载波频率或者说载波信号设置在换能器的谐振频率处，谐振频率对于单个换能器来说是振幅为最大时的频率。这个振幅最大的区域，设想可以为换能器阵提供最好的性能。此外，Yoneyama还指出应将多个换能器都安装在同一个平面内。然而，可以相信，这样的现有技术阵列都会随换能器数量的增多而引起声压级(SPL)不成比例地降低。
因此，需要对当前的技术进行改进，提供一种新的设备和方法，用于采用多个换能器的参量扬声器，使其相位更好地匹配，并给出更大的输出。
发明目的和概要本发明的一个目的是提供一种采用多个换能器和相位一致性得到改善的参量扬声器。
本发明的另一个目的是提供一种具有多个换能器、参量变换效率得到改善的参量扬声器。
本发明的另一个目的是提供一种采用多个换能器而所需超声功率降低了的参量扬声器。
本发明的再一个目的是提供一种采用多个换能器、方向性得到提高的参量扬声器。
本发明的即将介绍的优选实施例是一个具有一个用来接收音频信号的电子调制器的参量扬声器系统。这个电子调制器还产生一个需用所述音频信号调制的载波频率，以得到一个调制信号。这个参量扬声器系统还具有至少一个与电子调制器连接的超声换能器，用来再现调制信号。多个换能器接到调制器上，这些换能器被定位和控制成细致地使相位相干和匹配情况最佳。有意地校正换能器的未对准和未匹配部分，以减少在超声和声频输出级内输出的相位抵消。
在本发明的一个优选实施例中，那些超声换能器有一个谐振频率，有意识地使载波频率偏离此谐振频率，这可以出人意料地提高参量输出和避免相位抵消。
本发明的另一个实施例是一个安装在一个非平面基座或者弯曲板上的参量扬声器系统。一个有至少两个双压电晶片换能器的阵列安装在这个非平面的基座上。所述至少两个双压电晶片换能器分别基本上等距离地对准一个处在非平面基座中心正前方的点。这使每个换能器的输出可以保持同相。
本发明的另一个实施例是一种增大一个参量扬声器系统的参量输出的方法。第一个步骤是在一个电子调制器内产生一个载波频率。然后，将至少一个超声换能器连接到这个电子调制器上。超声调制器还有一个谐振频率。另一个步骤是有意识地使载波频率偏离这个谐振频率。此后，用电子调制器接收到的音频信号调制载波频率，产生一个调制信号。最后，用经偏置的载波频率再现调制信号，增大参量输出。
从以下结合附图所作的详细说明中，熟悉本技术领域的人员可以清楚地看到本发明的这些以及其他一些目的、特征、优点和其他方面。
发明详细说明下面将结合这些标有数字标志的附图对本发明进行说明，以便使熟悉本技术领域的人员可以理解和应用本发明。应该指出的是，以下说明只是本发明的一些实施例的示例，不应该看作对后面给出的权利要求的范围有所限制。
图1示出了一个选来用于参量扬声器的双压电晶片的性能曲线。曲线10表示相位响应。其中还示出了振幅曲线20和阻抗曲线30。在振幅曲线20的峰值40处的频率为器件的谐振频率。按在现有技术中所指出的，这是载波频率的优选点。在传统的参量扬声器设计中，最重要的是使载波输出最大，因为这样才能产生最大的音频输出。为了产生最大的载波输出，通常将换能器振幅最大的谐振频率用作载波频率。因此，传统的设计研究没有针对换能器的谐振频率关注各个换能器的相位变化的情况。相位曲线10上的点11也处在谐振频率，这是振幅最大处40的频率。可以看到，相位点11是在相位曲线10上最陡峭的相位转变点。这在应用单个器件时不成问题。
但是，一个参量扬声器通常需要多个换能器来产生足够的音量。在应用多个换能器时，这些陡峭的相位转移可能引起任何两个工作在同一个频率的换能器(特别是双压电晶片)之间有很大的相位差。在现有技术的系统中这些多个器件的输出性能还不能满足要求。这是由于器件之间的变化引起的相位匹配误差造成的。
在一个双压电晶片器件中，每个单独的器件都有明显的声音输出。虽然使用多个双压电晶片器件看起来对于参量换能器是一个良好的选择，但是这些单独的双压电晶片器件的相位关系使得作为一个簇使用的许多这些器件的总输出加起来不能达到理论上预测的为所有器件输出之和。这种相位丢失及没有得到匹配的情况降低了理论上预测为所有器件单个输出之和的可能输出。这些相位误差还可以引起意外的波束调向，从而进一步地降低了输出和方向性。
图2示出了一个用于参量扬声器的双压电晶片的性能曲线。曲线10表示相位响应。其中还示出了振幅曲线20和阻抗曲线30。在振幅曲线20的峰值40处的频率为器件的谐振频率。同样，按现有技术，这是载波频率的优选频率，因此将这个振幅为最大的谐振频率用作载波频率。相位曲线10上的点11也处在谐振频率，这是振幅最大处40的频率。可以看到，相位点11是在相位曲线10上最陡峭的相位转变点。这在应用的只是单个器件的情况下是不成问题的，因为只有一个器件，从而就没有相位问题。当然，最为常见的是一个参量扬声器为了产生可接受的音量需要用多个器件。因此，这些陡峭的相位转变会在任何两个在频率上稍有偏差的双压电晶片之间引起很大的相位差。每个双压电晶片或者换能器都会由于制造条件、材料变化、较小缺陷和其他无法控制的变化而有轻微的偏差。即使是两个设计成调谐到同样频率的双压电晶片，它们所产生的实际谐振频率实际上也会有些偏差。在载波频率设置在振幅最大处20时，这些偏差由于载波频率与换能器相位的关系10就被放大了。也就是说，当载波频率(或者载波信号)设置在振幅最大处时，在双压电晶片中很小的频率偏差会引起很大的相位改变。
本发明将载波频率移到振幅较小的区域42，此时相应的相位响应曲线区域41与点11处相比是相当平坦的。载波频率这样改变后可以减小在基本上相同的频率上工作的器件之间明显的相位差。这种相位选择对于提高最大音频输出是有效的，只要载波频率设置在窗口42的范围内。这个优选的窗口范围确定为振幅最大的谐振频率4 0增加1％至5％。应指出的是，载波频率的窗口可以大于5％，但是如果窗口太大，载波频率的设置也会有同样的问题，因为它将进入相位改变很快的区域。优选的载波频率增加量大约在400Hz至2000Hz之间。这个偏置量可以大于2000Hz，如果载波频率所在的这个点的相位变化率不大的话。优选的相位改变量是在频率改变2.5％的情况下小于20度。虽然这是优选的范围，但是可用的相移量可以是频率每改变2.5％相位移动10至40度。
将载波频率移动到一个振幅较小的频率是一个出人意料的改变，因为这意味着载波频率不是输出最大处的频率。极为重要的是，应注意到对载波频率进行这种调整实际上降低了单个换能器的最大输出。因此，这实际上是违反直觉的，因为载波频率处在输出较小的点似乎总输出会差一些。然而，实际情况却是相反。这种换能器组的总输出反而增大了。这是令人惊讶的，因为虽然在这个载波频率上单个输出减小了，但是压电换能器组的总输出却增大了。有这样的优点是由于这些换能器的相对相位相干性充分地增大了。
这种如上所述移动载波频率的系统实际上也可以配合具有上边带和下边带的双边带信号以及类似的众所周知的信号配置有效地使用。这种扬声器的另一个实施例采用一个单边带信号或者一个截短双边带信号。在采用单边带信号时，载波频率可以设置成工作在振幅曲线20的较低频率侧。对于一个单边带信号，载波频率可以设置在与相位曲线10上的点44相应的点43附近。将载波频率设置在点43附近的优点是它相应于相位曲线10的变化率较小的区域。可以看到，相位曲线10在点44的区域内是较平坦，类似于窗口区域42的情况。具有最佳的相位响应和输出的窗口还可以设置在点43附近，这个窗口与窗口42类似，但宽度稍小一些。在这种情况下，窗口确定为振幅最大的谐振频率40减去3％-5％。
为了更好地理解优化的相位怎样与参量扬声器系统联系起来，下面将说明相位得到移动的载波频率的使用。在使用一个相位得到移动的载波频率中，第一个步骤是在一个电子调制器内产生一个载波频率。这个载波信号是一个大大高于20kHz的可闻范围的超声载波频率，最好是35-45kHz左右。然后，将至少一个超声换能器连接到这个电子调制器上。超声换能器还有一个谐振频率。下一个步骤是使载波频率偏离这个谐振频率。载波频率将偏离1％至5％左右，从而将载波频率移入相位变化率较小的区域。此后，用电子调制器接收到的音频信号调制载波频率，产生一个调制信号。最后，用经偏置的载波频率再现调制信号，增大参量输出。
图3示出了一个比较表，对照了传统相位特性的双压电晶片的参量输出和具有得到改善的相位特性的双压电晶片的参量输出。表的第一行示出了单个双压电晶片的情况，它的超声输出为120dB，参量输出为50dB。参量输出是指由于参量相互作用而产生的可听得到的声音。由于上面所述的相位问题，预期的总性能并不能与所用的器件的数量成正比，因为各个器件的谐振频率可能稍有不同。表的第四行示出了100个同样的器件的理论上的理想总输出的情况，超声输出为140dB，参量输出为90dB。表的第二行示出了一个没有采用相位优化的换能器阵的情况，它的超声输出为134dB，参量输出为78dB。与100个器件的理论输出相比，分别损失了6dB和12dB。
表的第三行示出了100个采用了本发明的经优化的相位配置的换能器的情况。一个采用本发明的技术的相位得到优化的系统的超声输出为139dB，而参量输出为88dB。这与现有技术相比有了显著的改善，接近理论上的无损耗理想情况。
还可以采用一种优化的物理排列方式对用于参量扬声器的多个换能器进行优化，减小这些器件相互间的相移。一种有效的排列方式是将这些换能器排列成一个有些弯曲的方式，使得每个换能器的输出都指向同一个空间点。图4a示出了各个换能器51安装在阶梯状板50上而构成的发射器的侧视图。这些换能器都正面基本朝向一个共同的预定点53，提供至点53的相等长度路径52。由于这些路径的长度相等，因此到达这个点的每个听得到的声波的波前将都具有相同的相位。相反，若将一组发射器安装在一个平的表面上时，有些发射器到一个特定点的距离就会长一些。距离上的差别将使这些波受到相移或相位不协调。这在超声系统特别明显，因为与常规音频系统相比，该系统的原始波长是相对短的。如果距离上的差别足够大，这些波实际上会相互抵消，从而产生较小的输出。如果这些换能器到目标点的距离不同，所存在的另一个问题是这种相移可能引起收听者听得到的波束调向。从本说明中还可以看到，可用其它一些安装方法来排列这些换能器和避免相移失真。例如，双压电晶片换能器可以用粘合剂以非平面方式固定在一起，或者连接到一个对于每个换能器来说叉枝长度不同的叉形装置上。
图4b示出了由一些换能器62构成的发射器的侧视图，这些换能器62安装在一个凹曲板60或者基座上，正面64都以一定角度向内朝向一个预定距离点68，使得到这个预定点68的路径66的长度相等。还可以认识到，可以用一个中凸的板来发散参量输出。图4c为图4a和4b的正视图，示出了各个换能器72安装在支承板70上的情况。预定距离点68应该离开各换能器足够远，以使参量相互作用得以进行。发射器应该聚焦的最小有效距离为0.33米。最好是点68离开发射器0.33米到3米之间。这是因为听扬声器的人员一般处在0.33米到3米左右。当然，所用的距离也可以再稍小一些或者再大一些。
图5a具有与图4a类似的结构，只是在中间80有一个空开部分，使多个换能器82可以形成一个中空的环。各个换能器82都安装在阶梯状板84上，所有的正面86都基本上平行朝前，使得它们到一个预定的空间点90的路径88的长度相等。图5b为图5a所示装置的正视图，示出了各个换能器82安装在中央80空开的支承板84上形成一个中空的环状结构的情况。这种排列方式具有与图4a-4c所示的相同的优点，因为它也使各个换能器到一个点的路径的长度相等。图5a所示的排列方式的一个特别优点是它可以产生是一个中央区域非空的扬声器的输出的80％到90％那样多的输出。采用图5a所示的排列方式，所用的双压电晶片换能器数量可以比中央区域非空的少40-50％，而输出只减小10％-20％。实际输出取决于环的大小和中央空开部分的大小。
以上结合双压电晶片换能器单元对本发明作了说明。以上本发明的这些器件也可以采用诸如压电膜片之类的其他参量换能器器件。这样移动载波频率对任何在换能器谐振频率处相位特性变化率很大的参量换能器都是有益的。
可以理解，以上所说明的方案只是例示本发明的原理的应用。熟悉本技术领域的人员在不背离本发明的实质和范围的前提下可以设想出许多变型和替型。所附权利要求书旨在涵盖所有这样的变型和替型。
权利要求
1.一种参量扬声器系统，所述参量扬声器系统包括一个电子调制器，用来接收音频信号，其中所述电子调制器产生一个要用所述音频信号调制的载波频率，以产生一个调制信号；至少一个接到电子调制器上的超声换能器，用来再现该调制信号，所述至少一个超声换能器具有至少一个谐振频率，其中所述载波频率偏离该谐振频率，以增大参量输出。
2.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率至少1％的频率上。
3.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率1％到3％的频率上。
4.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率2％到4％的频率上。
5.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率最多5％的频率上。
6.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率至少400Hz的频率上。
7.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率最多2000Hz的频率上。
8.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在一个偏离换能器的谐振频率400到2000Hz的频率上。
9.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在双压电晶片换能器的相位变化率为频率每改变2.5％相位移动小于40度处的一个频率上。
10.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在双压电晶片换能器的相位变化率为频率每改变2.5％相位移动小于20度处的一个频率上。
11.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在双压电晶片换能器的相位变化率为频率每改变2.5％相位移动10到40度处的一个频率上。
12.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在换能器的相位变化率为频率每改变2.5％相位移动小于40度处的一个频率上。
13.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在换能器的相位变化率为频率每改变2.5％相位移动小于20度处的一个频率上。
14.如在权利要求1中所定义的参量扬声器系统，其中所述载波频率设置在换能器的相位变化率为频率每改变2.5％相位移动10到40度处的一个频率上。
15.一种增大一个参量扬声器系统的参量输出的方法，所述方法包括下列步骤(a)提供多个参量发射器；(b)对各参量发射器之间的相位关系进行关联和调节，使参量输出最大；以及(c)由参量发射器发射超声能量，其中经关联的相位关系增大了参量输出。
16.一种增大一个参量扬声器系统的参量输出的方法，所述方法包括下列步骤(a)在一个电子调制器内产生一个载波频率；(b)提供至少一个连接到电子调制器上的超声换能器，其中所述超声换能器具有一个谐振频率；(c)使所述载波频率偏离该谐振频率；(d)用电子调制器接收的音频信号调制所述载波频率，产生一个调制信号；(e)利用偏置的载波频率再现调制信号，以增大参量输出。
17.如在权利要求16中所述的方法，其中所述步骤(c)还包括使载波频率偏离谐振频率至少1％的步骤。
18.如在权利要求16中所述的方法，其中所述步骤(c)还包括使载波频率偏离谐振频率最多5％的步骤。
19.如在权利要求16中所述的方法，其中所述步骤(c)还包括使载波频率偏离谐振频率2％到4％的步骤。
20.如在权利要求16中所述的方法，其中所述步骤(c)还包括使载波频率偏离谐振频率至少400Hz的步骤。
21.如在权利要求16中所述的方法，其中所述步骤(c)还包括使载波频率偏离谐振频率最多2000Hz的步骤。
22.如在权利要求16中所述的方法，其中所述步骤(c)还包括使载波频率偏离谐振频率400到2000Hz的步骤。
23.一种参量扬声器系统，所述参量扬声器系统包括(a)一个非平面基座；以及(b)至少两个安装在该非平面基座上的双压电晶片换能器，其中所述至少两个双压电晶片换能器分别等距离地对准一个处在该非平面基座中心正前方的点。
24.如在权利要求23中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在非平面基座中心正前方的点处在一个大于0.33米的距离上。
25.如在权利要求23中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在非平面基座中心正前方的点处在一个小于3.0米的距离上。
26.如在权利要求23中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在非平面基座中心正前方的点处在一个在0.33到3.0米之间的距离上。
27.一种参量扬声器系统，所述系统包括一个非平面基座；以及一个由一些安装在该非平面基座上的参量声发射区域构成的阵列，其中这些声发射区域分别等距离地对准一个处在该声发射区域阵列中心正前方的点。
28.如在权利要求27中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在声发射区域阵中心正前方的点处在一个大于0.33米的距离上。
29.如在权利要求27中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在声发射区域阵的中心正前方的点处在一个大于1.0米的距离上。
30.如在权利要求27中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在声发射区域阵中心正前方的点处在一个大于3.0米的距离上。
31.如在权利要求27中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在声发射区域阵中心正前方的点处在一个0.33到3.0米之间的距离上。
32.一种参量扬声器系统，所述参量扬声器系统包括(a)一个处在参量扬声器系统中心正前方的点(b)至少两个以非平面方式配置的双压电晶片换能器，其中，所述至少两个双压电晶片换能器分别等距离地对准所述点，以避免在换能器输出中的相位失真。
33.如在权利要求32中所定义的参量扬声器系统，其中所述处在非平面基座中心正前方的点处在一个0.33到3.0米之间的距离上。
34.如在权利要求32中所定义的参量扬声器系统，所述参量扬声器系统还包括安装至少两个双压电晶片扬声器的非平面安装装置。
35.一种参量扬声器系统，所述参量扬声器系统包括一个电子调制器，用来接收具有至少一个边带的音频信号，其中所述电子调制器产生一个要用所述音频信号调制的载波频率，以产生一个调制信号；至少一个连接到电子调制器上的超声换能器，用来再现所述调制信号，所述至少一个超声换能器具有至少一个谐振频率，其中所述载波频率偏离该谐振频率，以增大参量输出。
36.一种如在权利要求35中所述的参量扬声器，其中所述音频信号是双边带信号。
37.一种如在权利要求35中所述的参量扬声器，其中所述音频信号是截短双边带信号。
38.一种如在权利要求35中所述的参量扬声器，其中所述音频信号是单边带信号。
39.一种如在权利要求38中所述的参量扬声器，其中所述音频信号是上边带信号。
40.一种如在权利要求38中所述的参量扬声器，其中所述音频信号是下边带信号。
41.一种增大一个参量扬声器系统的参量输出的方法，所述方法包括下列步骤(a)在一个电子调制器内产生一个载波频率；(b)提供至少一个连接到所述电子调制器上的超声换能器，其中所述超声换能器具有一个谐振频率；(c)使所述载波频率偏离该谐振频率；(d)用具有至少一个边带的音频信号调制电子调制器接收到的所述载波频率，产生一个调制信号；(e)利用偏置的载波频率再现该调制信号，以增大参量输出。
42.一种如在权利要求41中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(d)还包括使用是双边带信号的音频信号。
43.一种如在权利要求41中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(d)还包括使用是截短双边带信号的音频信号。
44.一种如在权利要求41中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(d)还包括使用是单边带信号的音频信号。
45.一种如在权利要求44中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(d)还包括使用是上边带信号的音频信号。
46.一种如在权利要求44中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(d)还包括使用是下边带信号的音频信号。
47.一种如在权利要求1中所述的参量扬声器，其中所述至少一个超声换能器是膜片换能器。
48.一种如在权利要求47中所述的参量扬声器，其中所述至少一个超声换能器是压电膜片换能器。
49.一种如在权利要求16中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(e)还包括用一个膜片换能器再现调制信号的步骤。
50.一种如在权利要求49中所述的增大参量输出的方法，其中所述步骤(e)还包括用一个压电膜片换能器再现调制信号的步骤。
全文摘要
本发明提出了一种采用多个双压电晶片换能器的参量扬声器。这些双压电晶片的谐振频率各有差异。在谐振频率和谐振频率附近，相位响应随频率细微改变而有很大的变化率。相关的调制器电子装置具有一个主载波频率，它被优化成使参量输出最大。这是通过将载波频率调整到相位曲线的最平坦的部分，从而使多个器件的相位一致性最佳。
文档编号H04R17/00GK1409939SQ00817101
公开日2003年4月9日 申请日期2000年10月27日 优先权日1999年10月29日
发明者埃尔伍德·G·诺里斯, 约瑟夫·O·诺里斯, 詹姆斯·J·克罗夫特三世 申请人:美国技术公司