技術(shù)領(lǐng)域

概括地說，本發(fā)明涉及揚聲器，更具體地，涉及可以在不同頻率范圍聲學激勵以生成可聽聲音的揚聲器。

背景技術(shù)：

通常，當用戶用控制臺玩游戲時，例如游戲控制臺的設備生成聲音。例如，當用戶在公共場所在這樣的設備上玩游戲時，有時候，期望用戶周圍的人聽到聲音。或者有時候，期望保持聲音僅對用戶可聽，而不打擾周圍的其他人。同樣，移動電話可用于音樂重放和音頻/視頻重放。有時候，需要將重放的聲音與一群人共享。有時候，需要將重放的聲音主要由用戶聽見，從而不打擾用戶周圍的其他人。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種方法和裝置，可用于在寬波束和窄波束中生成可聽聲波。一方面，該裝置是一種聲學組件，例如其可以按傳統(tǒng)方式進行聲學激勵以生成可聽聲波。其可包括振動結(jié)構(gòu)組件(還稱為變換器)，例如薄膜、兩端夾緊梁、或懸臂、或這樣結(jié)構(gòu)的陣列，他們可通過特定激勵信號來激勵，從而例如在20Hz至20kHz范圍內(nèi)生成可聽聲波。另一方面，該裝置還可在更高頻率范圍，例如超聲頻率范圍(大約30kHz-120kHz)內(nèi)被激勵。當振動在超聲頻率范圍內(nèi)時，通過音頻信號調(diào)制超聲信號，用于創(chuàng)建更好的方向性。在這個頻率范圍，變換器或變換器陣列可生成超聲波的定向波束。由于空氣中超聲波的非線性交互，超聲波的定向波束在穿越一定距離之后變?yōu)榭陕牎?/p>

因此，本發(fā)明的第一方面是一種在寬波束音頻模式或窄波束音頻模式內(nèi)生成可聽信號的方法。該方法包括提供聲學組件，被配置為在低頻率范圍內(nèi)或在高頻率范圍內(nèi)生成聲波，所述低頻率范圍包括音頻范圍的至少一部分，以及所述高頻率范圍包括比音頻范圍更高的頻率范圍；以及激勵所述聲學組件，用于在低頻率范圍內(nèi)或在高頻率范圍內(nèi)生成聲波。

根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，所述高頻率范圍包括超聲頻率范圍的至少一部分，以及所述聲學組件包括變換器或變換器陣列，被配置為接收電信號，用于在所述超聲頻率范圍內(nèi)基于所述電信號生成振動。所述變換器還被配置為在所述低頻率范圍內(nèi)基于所述電信號生成振動。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，當在高頻率范圍內(nèi)振動時，在所述超聲頻率范圍內(nèi)由載波信號調(diào)制可聽信號來獲得電信號。

在本發(fā)明的一個實施例中，可偏斜組件耦合至所述變換器，用于響應于所述振動來生成聲波。

本發(fā)明的第二方面是一種生成可聽信號的裝置。所述裝置包括：

聲學組件，被配置為在低頻率范圍內(nèi)或在高頻率范圍內(nèi)生成聲波，所述低頻率范圍包括音頻范圍的至少一部分，以及所述高頻率范圍包括比音頻范圍更高的頻率范圍。所述高頻率范圍包括超聲頻率范圍的至少一部分，以及所述聲學組件包括變換器或變換器陣列，被配置為接收電信號，用于在所述超聲頻率范圍內(nèi)基于所述電信號生成振動。所述變換器還被配置為在所述低頻率范圍內(nèi)基于所述電信號生成振動。當在高頻率范圍內(nèi)振動時，在所述超聲頻率范圍內(nèi)由載波信號調(diào)制可聽信號來獲得電信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可偏斜組件耦合至所述變換器，用于響應于所述振動來生成聲波。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述聲學組件包括：

襯底，具有第一面和相反的第二面，其中第二面包括在所述襯底上限定可偏斜區(qū)域的腔；

壓電層；以及

電極對，耦合至所述壓電層，所述電極被設置為接收電信號，以使得所述壓電層振動，以及其中所述偏斜區(qū)域的一部分聲學耦合至所述壓電層，用于響應于所述壓電層的振動生成聲波。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中所述聲學組件包括：

襯底，具有第一面和相反的第二面，其中第二面包括腔陣列，每個腔在所述襯底上限定可偏斜區(qū)域；

多個壓電層段；以及

電極對，耦合至所述壓電層，所述電極被設置為接收電信號，以使得所述壓電層振動，以及其中所述偏斜區(qū)域的每個聲學耦合至所述壓電層之一，用于響應于所述壓電層的振動生成聲波。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述聲學組件可操作為在第一音頻模式下在所述低頻率范圍內(nèi)生成聲波，以及在第二音頻模式下在所述高頻率范圍內(nèi)生成聲波。所述裝置還包括：處理器，耦合至所述聲學組件，用于在所述第一音頻模式和所述第二音頻模式之間選擇；以及用戶接口，耦合至所述處理器，用于在所述第一音頻模式和所述第二音頻模式之間選擇。

所述裝置可以是提供音樂重放、視頻重放、便攜式攝像、游戲、無線電等的移動終端、便攜式設備。

在閱讀結(jié)合圖1-10進行的描述之后，本發(fā)明將變得清楚。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的聲學設備的頂視圖。

圖2是圖1的聲學設備的截面圖。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明各個實施例的聲學設備的陣列。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明其他實施例的聲學設備的截面圖。

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明在結(jié)合聲學設備生成聲音時使用的示例性模塊的框圖。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的聲波的方向性圖。

圖7是生成參數(shù)聲音波束的算法的流程圖。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明各個實施例的具有聲學設備的電子設備。

圖9示出在圖8的電子設備中的各個組件。

圖10示出不同聲音生成模塊，其中兩個或更多聲學設備用于生成聲音。

具體實施方式

移動電話和便攜式設備可包括音頻特征。音頻特征包括音樂重放、視頻重放、便攜式攝像、游戲、無線電等。在公共場所執(zhí)行這些音頻特征也越來越普遍。期望那些設備能夠以至少兩種方式生成聲音：一種是使用在大范圍立體角(寬波束)內(nèi)生成聲音的傳統(tǒng)揚聲器；一種是以定向模式(窄波束)生成聲音，以便在用戶當眾收聽聲音時不打擾其他人。

本發(fā)明提供一種方法和裝置，可用于在寬波束和窄波束中生成可聽聲波。一方面，該裝置是一種聲學組件，例如其可以按傳統(tǒng)方式進行聲學激勵以生成可聽聲波。其可包括振動結(jié)構(gòu)組件(還稱為變換器)，例如薄膜、兩端固支梁(clamped-clamped beam)、或懸臂、或這樣結(jié)構(gòu)的陣列，他們可通過特定激勵信號來激勵，從而例如在20Hz至20kHz范圍內(nèi)生成可聽聲波。另一方面，該裝置還可在更高頻率范圍，例如超聲頻率范圍(大約30kHz-120kHz)內(nèi)被激勵。在這個頻率范圍，變換器或變換器陣列可生成超聲波的定向波束。由于空氣中超聲波的非線性交互，超聲波的定向波束在穿越一定距離之后變?yōu)榭陕?。根?jù)本發(fā)明，以傳統(tǒng)方式生成可聽聲音的聲學組件是這樣的相同組件，在超聲波穿越特定距離之后，當由超聲波激勵時，生成基本定向的聲音。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的聲學設備的頂視圖。如這個實施例所示，用微型機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)來生成該聲學設備。例如，該聲學設備在硅襯底10上生成。如圖1所示，聲學設備5包括具有自由邊緣的懸臂式薄片20。該懸臂式薄片的一部分聲學耦合至變換器30。

圖2是圖1的聲學設備的截面圖，示出變換器30，其耦合至襯底10上的懸臂式薄片20。如圖所示，懸臂式薄片20包括在氮化硅層60上的多個低溫氧化物(LTO)層42、44、46。在氮化硅層60之下，存在熱氧化物層70，隨后是多個其他層。變換器30包括壓電(PZT)層50，其夾在兩個LTO層42和44之間。在變換器30上是電極層40，而底部電極層48在PZT層50下。應注意，如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明各個實施例的聲學設備可作為陣列的一部分生成。如圖3所示，陣列1包括在相同硅襯底10上生成的多個聲學設備5。

圖4中示出根據(jù)本發(fā)明不同實施例的聲學設備的另一實例。如圖4所示，聲學設備5在硅襯底180上具有薄部分，以用作低頻率聲學組件120的薄片。在低頻率聲學組件120上，設置具有壓電(PZT)層150、和聚合氮化物層143的變換器130。頂部電極層140和底部電極層148用于提供激勵電信號，以引起PZT層150的移動。變換器130經(jīng)由多個層(包括LTO層146、氮化硅層160、和二氧化硅層170)耦合至低頻率聲學組件120。

圖5還示出聲學設備的系統(tǒng)架構(gòu)。如圖5所示，聲音生成模塊200用在例如移動終端(見圖8和9)的裝置中。模塊200包括移動設備處理IC 220，被配置為從用戶接口210接收信息或命令。處理IC 220包括專用集成電路(ASIC)多媒體芯片222和ASIC系統(tǒng)芯片230。ASIC多媒體芯片222可被配置為從例如另一移動站或多媒體流源、或從其自身音頻數(shù)據(jù)存儲器或生成模塊接收音頻數(shù)據(jù)。來自ASIC多媒體芯片222的音頻數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)變成表示音頻數(shù)據(jù)的電信號。根據(jù)本發(fā)明，依據(jù)來自ASIC多媒體芯片的信號232，可通過不同方式生成表示音頻數(shù)據(jù)的可聽聲音。如果信號232指示將生成與通過常規(guī)揚聲器生成的聲音相似的聲音，則將表示音頻數(shù)據(jù)的電信號導向常規(guī)放大器242。將來自常規(guī)放大器242的低頻率電輸出(例如，在20Hz至20kHz的范圍內(nèi))提供至變換器或變換器陣列250，從而可在低頻率聲學組件(例如，圖2中的組件20，或圖4中的組件120)中生成可聽聲音。如果信號232指示將生成聲音作為定向聲波，則將電信號傳遞至波束形成數(shù)據(jù)信號處理器(DSP)234，從而將音頻數(shù)據(jù)(或信號)調(diào)制的高頻載波信號提供至超聲放大器244。將來自超聲放大器244的輸出也提供至變換器或變換器陣列250，從而可由變換器或變換器陣列(例如，圖2中的組件30或圖4中的組件130)直接生成超聲波。由如圖2和4所示的變換器或變換器陣列生成的超聲波可以是定向的，因為如圖6所示，將波形圖限定為窄立體角。

如圖6所示，在近場中的波(由音頻信號調(diào)制的載波)處于超聲頻率內(nèi)，因此不可聽。在波經(jīng)過空氣時，由于在空氣中超聲波的非線性交互，載波頻率丟失。調(diào)制的波的包絡生成可聽聲音，同時保持波形圖的方向性的至少一部分。由此，將設備生成的可聽聲音主要限制在少數(shù)人。

圖7是生成關(guān)于定向波束的參數(shù)聲音波束的算法的流程圖。如流程圖300所示，將音頻輸入信號310傳遞至激勵信號合成模塊320，其中通過載波信號來調(diào)制輸入信號310。該載波信號具有在例如30kHz至120kHz的超聲頻率范圍內(nèi)的頻率。在失真補償模塊330中處理調(diào)制的信號，以去除例如由激勵信號合成處理(框320)以及由放大器和變換器引起的失真。在性能數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)模塊340中再次處理信號，以成為處理的參數(shù)信號350，從而可實現(xiàn)特定性能參數(shù)(例如定向音頻波束角和穿越距離)。將處理的參數(shù)信號350傳遞至放大階段360。該放大階段包括經(jīng)由可選放大器(例如，圖5的框244)的變換器或多個變換器(例如，圖5的框250)。

根據(jù)本發(fā)明各個實施例的聲學設備可以在被配置為生成聲音的電子設備或電信裝置中實現(xiàn)。如圖8所示，電子設備500具有顯示設備502和鍵板504。電子設備具有揚聲器或聲音生成設備510和麥克風530。聲音生成設備510包括聲學設備5?？梢栽陔娮釉O備500上設置用戶接口520，以允許用戶在寬波束音頻模式或窄波束音頻模式之間選擇。

圖9示出在圖8的電子設備中的各個組件的示例性設置。如圖9所示，電子設備500包括用于選擇音頻模式的用戶接口520。用戶接口520連接至模塊200中的處理IC 220(見圖5)。電子設備500還包括顯示設備，例如液晶顯示板502。電子設備500可用作通信裝置，例如移動終端，其具有例如經(jīng)由天線544發(fā)送和接收信號的收發(fā)器540。

綜上，本發(fā)明提供了生成可聽聲音的方法和裝置。該裝置在相同結(jié)構(gòu)組件中組合用于傳統(tǒng)揚聲器和定向揚聲器的變換器。在本發(fā)明中，揚聲器的變換器以這樣的方式工作，其低頻率特征滿足傳統(tǒng)揚聲器的需求，而變換器的自然頻率之一位于超聲范圍內(nèi)。由此，當變換器(或變換器陣列)的輸入激勵信號是傳統(tǒng)音頻信號時，變換器可通過在其低頻率范圍上工作生成傳統(tǒng)音頻波。另一方面，當變換器(或變換器陣列)的輸入信號是由用于創(chuàng)建更好方向性的音頻信號調(diào)制的超聲信號時，可通過在所述的超聲范圍內(nèi)的、變換器的特定自然頻率附近工作來生成超聲信號；然后在空氣中超聲波的非線性交互可再現(xiàn)定向可聽聲音。因此，可通過相同變換器(或變換器陣列)實現(xiàn)具有傳統(tǒng)揚聲器和定向揚聲器功能的揚聲器。

根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，可自動或手動執(zhí)行音頻模式的選擇。例如，處理IC 220(圖5)可被配置為，當聲學設備開始生成聲音時，將聲學模式缺省地設置為窄波束音頻模式。然后，用戶決定是否保持窄波束音頻模式不變或?qū)⑵淝袚Q至寬波束音頻模式?；蛘?，該處理IC被編程為基于聲音生成事件的特性或設備的使用情況選擇音頻模式。例如，當電子設備500(例如移動終端)接收電話呼叫時，該處理IC將自動選擇窄波束音頻模式。但是，如果用戶打開MP3程序收聽音樂或播客(podcast)，則自動選擇寬波束音頻模式。然后，用戶決定是否改變當前音頻模式。用戶可通過用戶接口210改變或選擇音頻模式。

應注意，根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，因為如圖5所示，變換器或變換器陣列250同時從常規(guī)放大器242和超聲放大器244接收電信號，因此電子設備500允許用戶將重放設置為同時?；蛘?，電子設備500可具有兩個或更多變換器或變換器陣列，以在三個或更多模式下生成聲音。如圖10所示，聲音生成模塊200’可用在例如移動終端(見圖8和9)的裝置中。模塊200’包括移動設備處理IC 220，其被配置為從用戶接口210接收信息或命令。處理IC 220包括專用集成電路(ASIC)多媒體芯片222和ASIC系統(tǒng)芯片230。ASIC多媒體芯片222可被配置為從例如另一移動站或多媒體流源、或從其自身音頻數(shù)據(jù)存儲器或生成模塊接收音頻數(shù)據(jù)。ASIC系統(tǒng)芯片230可被配置為控制多個常規(guī)放大器242、多個波束形成數(shù)據(jù)信號處理器234、多個超聲放大器244、和多個變換器或變換器陣列250。由此，聲音生成模塊200’可用于在至少三個不同模式下重放：

1)使得兩個變換器250同時生成寬波束音頻聲音；

2)使得兩個變換器250同時生成窄波束音頻聲音；以及

3)一個變換器250生成窄波束音頻聲音，而另一變換器250同時生成寬波束音頻聲音。

來自不同變換器的聲音可能相同或不同。聲音可以是例如立體聲。

例如，模式選擇可通過來自ASIC多媒體芯片222的信號223實現(xiàn)。允許用戶決定選擇何種模式。

因此，盡管針對本發(fā)明的一個或多個實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)上做出以上和各個其他改變、省略和偏離。