超声波发生器的制作方法

超声波发生器
1.相关申请的相交引用
2.本技术要求2021年8月17日在日本提交的日本专利申请第2021-132927号的优先权，上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开在此涉及一种超声波发生器。


背景技术：

4.专利文献1公开了一种超声波换能器(ultrasonic transducer)和一种超声波诊断设备的发明。这种类型的超声波发生器需要具有宽频带特性以产生宽频带声波。在该设备具有多个具有不同谐振频率的压电单元(piezoelectric cells)的情况下，专利文献1的设备在压电单元之间进行相位匹配以获得宽频带特性。现有技术文献的公开内容通过引用并入本文以解释本文中出现的技术要素。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.[专利文献1]jp2019-76122a


技术实现要素：

[0008]
超声波发生器一般需要产生宽频带超声波。此外，要求超声波发生器向被提供声波的目标空间提供具有强声压的声波。在上述观点或未提及的其他观点中，超声波发生器需要进一步改进。
[0009]
本公开的一个目的在于提供一种在宽频带上提供强声压的超声波发生器。
[0010]
本公开提供一种朝向目标空间发射声波的超声波发生器，其包括：多个扬声器元件，其为压电式mems超声波换能器，其中，所述多个扬声器元件包括：具有第一谐振频率的第一扬声器元件；以及具有邻近第一谐振频率的第二谐振频率的第二扬声器元件，其中所述第一扬声器元件和所述第二扬声器元件在与朝向所述目标空间的方向相交的方向上彼此分开布置，并且其中所述第一扬声器元件和所述第二扬声器元件之间的距离被设定为使得来自所述第一扬声器元件和来自所述第二扬声器元件的具有中间频率的声音的加强关系出现在位于所述目标空间中的对象上的两个或更多个位置，并且其中所述加强关系是通过对来自所述第一扬声器元件的具有所述第一谐振频率与所述第二谐振频率之间的中间频率的声音和来自所述第二扬声器元件的具有所述中间频率的声音进行加强来创建的。
[0011]
根据在此公开的超声波发生器，能够在对象上的两个或更多的位置处获得中间频率的声音的加强关系。结果，提供了一种在宽频带中提供强声压的超声波发生器。此外，即使对象的位置发生移动，仍然能够向对象提供强声压。
[0012]
本说明书中所公开的方面为了实现各自的目的，采用了彼此不同的技术方案。在权利要求中描述的括号中的附图标记和该部分中描述的附图标记示例性地示出了与后面
描述的实施例的部分的对应关系，并且不旨在限制技术范围。通过参考随后的详细描述和附图进一步阐明本文所公开的目的、特征和效果。
附图说明
[0013]
图1是根据第一实施例的超声波系统的框图。
[0014]
图2是超声波发生器的前视图。
[0015]
图3是示出超声波发生器的频率特性的曲线图。
[0016]
图4是示出超声波发生器和目标空间的平面图。
[0017]
图5是示出公式的表格。
[0018]
图6是示出目标空间的一示例的前视图。
[0019]
图7是示出对象与其中声压相互加强的位置之间的关系的前视图。
[0020]
图8是示出元件之间的距离的值2z的一示例的表格。
[0021]
图9是示出到目标空间的距离与元件之间的距离之间的关系的曲线图。
[0022]
图10是根据第二实施例的超声波系统的框图。
[0023]
图11是超声波发生器的前视图。
[0024]
图12是根据第三实施例的超声波系统的框图。
[0025]
图13是超声波发生器的前视图。
[0026]
图14是根据第四实施例的超声波发生器的前视图。
[0027]
图15是示出目标空间的一示例的前视图。
[0028]
图16是根据第五实施例的超声波发生器的前视图。
[0029]
图17是根据第六实施例的超声波发生器的前视图。
具体实施方式
[0030]
参考附图描述了多个实施例。在一些实施例中，功能和/或结构上对应和/或相关联的元件可以被赋予相同的附图标记，或者在与百位相同或高于百位处具有不同数字的附图标记。对应部分和/或相关联部分能够参考其它实施例的描述。
[0031]
第一实施例
[0032]
在图1中，超声波系统1是朝向目标空间tr1和tr2提供声音的设备。对象存在于目标空间tr1和tr2中。在本实施例中，目标空间tr1和tr2也能够称为室内空间。具体而言，目标空间tr1、tr2是交通工具2的内部。目标空间tr1是具有高度hd1和深度dd1的空间。目标空间tr2是具有高度hd2和深度dd2的空间。目标空间tr2大于目标空间tr1。目标空间tr1和tr2是用于说明实施例的示例。超声波系统1可以包括单个目标空间。超声波系统1可以包括三个或更多个的多个目标空间。
[0033]
在本说明书中，术语交通工具(vehicle)2应该进行广义地解释。交通工具2包括汽车、飞机、船舶、航天器等。此外，交通工具2包括不涉及移动的装置，例如用于搭乘人的模拟装置和娱乐装置。交通工具2和目标空间tr1与tr2可以被三维地限定。在下面的描述中，可以使用诸如向前方向fr、向后方向rr、向右方向rt、向左方向lt、向上方向up和向下方向dw之类的名称。目标空间tr1和tr2可以由宽度方向wd上的最大宽度wm、高度方向hd上的最大高度hm和深度方向dd上的最大深度dm来限定。这些名称是为了便于理解而不是限制本公
开。
[0034]
超声波系统1向对象提供预定的声音。换言之，超声波系统1在对象的表面和/或内部再现预定的声音。超声波系统1是通过声音改变对象的特性的装置。对象的一个示例是生物。超声波系统1是通过向有机体提供预定的声音来产生预定的生物反应的装置。换言之，超声波系统1是通过在有机体的表面和/或内部再现预定的声音而在有机体上施加预定效果的装置。目标空间tr1和tr2中的对象可以是人。在这种情况下，超声波系统1是向人提供声音的装置。
[0035]
近年来，已经尝试使用利用富含超过可听见频率上限的超高频分量的声音的装置。一种这样的装置向人耳提供可听见声音并向人体施加超声波。在该尝试中，例如，试图增加脑波中的阿尔法波(alpha waves)。例如，试图获得诸如增加敏感性、减轻压力、优化自主神经系统的活性、优化内分泌系统的活性和/或优化免疫系统的活性等效果。这种效果也称为高超声速效应(hypersonic effect)。为了在人体中发展高超声速效应，需要利用包含超高频分量的高超声速声音辐射人体表面。
[0036]
能够用于此目的的超声波发生器10可以称为诸如超声波扬声器或超声波换能器的名称。超声波发生器10朝向目标空间tr1和tr2发射声波。在以下的说明中，将超声波发生器10称为扬声器10。超高频分量至少包括从40khz的下限频率延伸到超过100khz的上限频率的宽频带的一部分。在一个示例中，超高频分量可以在从40khz的下限频率到140khz的上限频率的宽频带上延伸。扬声器10需要以小的声压差在人体表面上再现高超声速声音。
[0037]
超声波系统1包括产生宽频带声音的扬声器10。超声波系统1包括作为向扬声器10提供声源信号的声源20的电路21。超声波系统1具有适用于应用环境例如目标空间tr1和tr2的形状的电路配置。所适用的电路配置包括电路21的配置和扬声器10的数量。本实施例的超声波系统1具有假设交通工具2的用户是所述对象的电路配置。电路21包括高超声速声音发生器电路、多个相位调整电路、多个放大器电路、和多个压电元件驱动电路。对于这些电路元件的配置，通过引用并入jp2019-76122a的描述。
[0038]
扬声器10朝向目标空间发射超声波，并以预定的声压在目标空间中再现高超声速声音。扬声器10的特征在于指示性能(例如方向性和输出)的多个指标(indicators)。多个指标包括能够再现所需声压的有效距离。在本实施例中，超声波系统1包括多个扬声器11和12，以便将预定声音提供到房间内的大的范围。
[0039]
超声波系统1包括第一扬声器11。第一扬声器11设计用于目标空间tr1，目标空间tr1是假设驾驶员座位的用户所在的空间。第一扬声器11向主声波方向td1发射声波。声波方向td1指向设想驾驶员的头部到胸部所在的空间。第一扬声器11可以意图用于坐在前座的人。在这种情况下，第一扬声器11可以覆盖作为目标空间的包括驾驶员座位和乘客座位的前座范围。
[0040]
超声波系统1包括第二扬声器12。第二扬声器12设计用于目标空间tr2，目标空间tr2是假设后座的用户所在的空间。第二扬声器12具有主声波方向td2。声波方向td2指向设想存在于后座的用户的头部到胸部所在的空间。
[0041]
例如，超声波系统1可以向目标空间tr1的用户和目标空间tr2的用户提供不同的声音。例如，由于要求参与交通工具2的驾驶操作的驾驶员座位上的用户具有高的觉醒度(arousal)，因此期望超声波系统1具有提高觉醒度的效果。例如，不直接参与驾驶操作的后
座用户寻求舒适。在这种情况下，期望超声波系统1具有给后座用户带来舒适的效果。超声波系统1可以向目标空间tr1的用户和目标空间tr2的用户提供相同的声音。
[0042]
第一扬声器11和第二扬声器12具有相同的配置。在以下描述中，可以描述扬声器10而不区分第一扬声器11和第二扬声器12。
[0043]
在图2中，扬声器10包括至少一个容器30和至少一个半导体元件40。扬声器10可以包括单个容器30或多个容器30。单个容器30可以容纳单个半导体元件40或多个半导体元件40。多个容器30中的每一个容纳后面描述的半导体元件40，也可以将一个扬声器10作为组来提供。扬声器10可以包括单个半导体元件40或多个半导体元件40。单个半导体元件40可以包括具有相邻谐振频率f1和f2的多个扬声器元件，后面将对它们进行描述。多个半导体元件40中的每一个可以包括具有相邻谐振频率f1和f2的多个扬声器元件，后面将对它们进行描述。在多个半导体元件40中，一个半导体元件40可以包括具有谐振频率f1的扬声器元件，而另一个半导体元件40可以包括具有谐振频率f2的扬声器元件。在该实施例中，扬声器10包括单个容器30和单个半导体元件40。
[0044]
半导体元件40容纳在所述容器中。半导体元件40也称为mems元件(mems：micro electro mechanical systems，微机电系统)。半导体元件40通过使用与mems相关的技术形成。
[0045]
半导体元件40具有半导体基板41。半导体基板41是由连续材料制成的单个半导体基板。半导体基板41由例如si制成。半导体基板41具有多个扬声器元件50。扬声器元件50包括多个扬声器元件51和52。换言之，第一扬声器元件51和第二扬声器元件52两者均形成在共同的半导体基板41上。在图中，两个扬声器元件51和52作为典型示例示出。一个扬声器元件50包括谐振板区域50a和压电元件50b。谐振板区域50a的特征在于以预定谐振频率谐振的各种特性。各种特性包括依赖于材料的特性、依赖于机械形状例如面积、厚度等的特性。压电元件50b电连接到电路21。压电元件50b响应于从电路21供给的信号而以预定频率振动。谐振板区域50a与压电元件50b谐振并发射具有预定频率的声波。扬声器元件50也称为pmut(piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer，压电微机械超声波换能器)。扬声器元件50也称为压电式mems超声波换能器。
[0046]
在超声波系统1中，第一扬声器元件51和第二扬声器元件52通过具有两个相邻的谐振频率而相互关联。作为一个示例，第一扬声器元件51具有第一频率f1＝40khz的谐振频率。第二扬声器元件52具有第二频率f2＝50khz的谐振频率。两个相邻谐振频率之间的差f2-f1设置在几khz到50khz的范围内。在本实施例中，两个相邻谐振频率之间的差f2-f1为10khz。在另一实施例中，第一扬声器元件51具有第一频率f1＝130khz的谐振频率，并且第二扬声器元件52具有第二频率f2＝140khz的谐振频率。在本实施例中，第一频率f1小于第二频率f2(f1《f2)。第一扬声器元件51和第二扬声器元件52形成扬声器对60。
[0047]
第一扬声器元件51和第二扬声器元件52在与朝向目标空间tr1和tr2的方向(后述的中心轴线axy)相交的方向(后述的中心轴线axz)上相互分开地布置。第一扬声器元件51和第二扬声器元件52在穿过两个扬声器元件50的中心轴线axz的方向上分开距离l。在本实施例中，中心轴线axz垂直于重力方向。中心轴线axz也是一条水平线。
[0048]
假设中点m位于两个扬声器元件51与52之间的中点。在这种情况下，中点m与一个扬声器元件50之间的距离是l/2＝z。在以下描述中，距离l的理论值可以由值2z表示。值2z
也是所述元件之间的距离l的最小值。值2z是该超声波系统1中具有两个相邻谐振频率的两个扬声器元件51与52之间的最小距离。
[0049]
第一扬声器元件51和第二扬声器元件52布置在半导体基板41的一个端部和另一个端部。该布置通过最大限度地使用半导体基板41的尺寸而使距离l尽可能大成为可能。换言之，能够通过小的半导体基板41提供期望的距离l。因此，在许多情况下，距离l的最大值取决于半导体基板41的尺寸。
[0050]
图3是水平轴为频率fkhz且竖直轴为声压sp(dbspl)的曲线图。图3显示了频率轴上的声压曲线。由第一扬声器元件51产生的声音的声压曲线sp51在第一频率f1处具有峰值。由第二扬声器元件52产生的声音的声压曲线sp52在第二频率f2处具有峰值。能够假设第一频率f1与第二频率f2之间的中间频率fmid(fmid＝(f1 f2)/2)。中间频率fmid的声压取决于来自第一扬声器元件51的声音的相位与来自第二扬声器元件52的声音的相位之间的相位差。例如，在声音相互抵消的情况下，产生凹谷(dip)，并且在声音加强的情况下，产生峰值。
[0051]
在第一扬声器元件51和第二扬声器元件52彼此靠近地布置的情况下，该布置可以被认为是点声源。在这种情况下，如果在中间频率fmid处存在波长λ的1/2的相位差，则在中间频率fmid处出现凹谷。此外，在将两个扬声器元件视为点声源的情况下，中间频率fmid的声音在目标空间中的所有位置处都变为凹谷。在这种情况下，在目标空间中的所有位置处沿频率轴交替观察到峰值和凹谷。结果，难以在宽频带中获得没有凹谷的均匀声压。
[0052]
在本实施例中，距离l被设定和设计为使得中间频率fmid的声音至少不会在目标空间中的多个位置处引起凹谷。距离l被设定为创建其中所述中间频率fmid的声音在对象上的两个或更多个位置处彼此增强的位置。在本实施例中，假设中心轴线axy穿过所述中点m和对象的中心点。因此，在假设从对象的中心点起始的一侧区域的情况下，距离l被设定为产生其中所述中间频率fmid的声音在对象上的一个或多个位置处相互加强的位置。由于与两个扬声器元件的距离不同，因此创建了中间频率fmid的声音相互加强的位置。在本实施例中，距离l被设定和设计为使得声音在中间频率fmid处相互加强。距离l可以被设定为等于或大于理论上所需的最小值2z。
[0053]
如图3所示，在中间频率fmid处，可以观察到低于声压曲线sp51的峰值pk51或声压曲线sp52的峰值pk52的峰值pkfmid。该峰值pkfmid的声压(虚线)比通过声压曲线sp51或声压曲线sp52获得的声压(实线)强。结果，能够获得在宽频带的声压中不出现明显的凹谷的均匀声压特性。在本实施例中，在包括频率f1附近、频率f2附近、以及频率f1和频率f2之间的宽频带上获得了没有明显凹谷的均匀声压特性。在中间频率fmid附近没有出现明显的峰值。在中间频率fmid附近，能够获得基本均匀的声压。换言之，在中间频率fmid附近，能够获得逐渐增大或减小的声压特性。在中间频率fmid附近的相对宽频带中获得均匀的声压。
[0054]
根据本实施例，能够避免在目标空间的所有位置处抑制中间频率fmid的声音的情况。在本实施例中，在目标空间中的多个位置处以高声压再现中间频率fmid的声音。结果，能够实现声压没有明显凹谷的均匀声压分布。从一个观点来看，具有相邻谐振频率的两个扬声器元件之间的距离l被设定为使得在目标空间中观察到中间频率fmid的多个峰值。中间频率fmid的波长也称为中间波长λmid。从一个观点来看，距离l被设定为等于或大于中间波长λmid。从另一个观点来看，距离l被设定为充分大于中间波长λmid。限定距离l的两个扬
声器元件布置为相对于中间波长λmid彼此充分远离。
[0055]
图4显示两个扬声器元件51和52与目标空间tr之间的位置关系。扬声器元件51和52的声波方向td指向目标空间tr。假设从扬声器元件51和52向目标位置tg提供声音的情况。扬声器元件51和52与目标位置tg在声波方向td的中心轴线axy上分开距离y。中心轴线axy穿过第一扬声器元件51与第二扬声器元件52之间的中点。假设第一扬声器元件51与中心轴线axy或第二扬声器元件52与中心轴线axy在中心轴线axz上分开距离z的情况。因此，第一扬声器元件51和第二扬声器元件52在中心轴线axz上分开值2z。目标位置tg和中心轴线axy在轴线axw上分开距离x。轴线axw是与中心轴线axz平行的轴线。轴线axw在目标空间tr的宽度方向wd上延伸。第一扬声器元件51与目标位置tg分开距离dl。第二扬声器元件52与目标位置tg分开距离dh。
[0056]
以该位置关系，可以通过评估目标位置tg处的声音干扰来设定值2z。换言之，值2z被设定为使得中间频率的声音在对象上的两个或更多个位置处相互加强。值2z是满足上述条件的最小值。
[0057]
图5示出了从图4的位置关系导出的多个数学方程。第一扬声器元件51的谐振频率(中心频率)是频率f1。第二扬声器元件52的谐振频率(中心频率)是频率f2。中间频率fmid通过等式(1)(fmid＝(f1 f2)/2)给出。中间波长λmid通过等式(2)(λmid＝(λ1 λ2)/2)给出。中间频率fmid与中间波长λmid之间的关系通过等式(3)表示。注意，c是声波的速度。
[0058]
来自第一扬声器元件51的声音和来自第二扬声器元件52的声音在目标位置tg上的加强关系基于波长λ和距离差δd通过等式(4)(nλmid＝δd λmid/2)获得。n是阶数。距离差δd由等式(5)(δd＝dh-dl)给出。距离dh由等式(6)(dh＝sqrt((z x)2 y2))给出。距离dl由等式(7)(dl＝sqrt((z-x)2 y2))给出。sqrt(x)表示x的平方根。对于声波速度c，可以使用等式(8)的数值。
[0059]
从上面的等式(4)能够获得表示阶数n的等式(9)(n＝(sqrt((z x)2 y2)-sqrt((z-x)2 y2))/λmid 1/2)。阶数n是自然数。阶数n可以被设定为等于或大于1。阶数n影响在能够获得相互加强的两个声音的加强关系的多个位置中出现在距中心轴线axy预定距离范围内的位置的数量。在本实施例中，距离l被设定为等于或大于值2z，值2z可以通过等式(9)(n＝(sqrt((z x)2 y2)-sqrt((z-x)2 y2))/λmid 1/2)获得。这里，n是1或更大的自然数，z是两个扬声器元件的中点与扬声器元件之间的距离，x是对象的宽度，y是所述中点与对象之间的距离。
[0060]
从上述等式(9)，能够获得等式(10)(2z/λmid＝c(y))。系数c(y)表示当距离y固定时的系数。系数c(y)取决于中间波长λmid。系数c(y)表示值2z与中间波长λmid之间的关系。通过修改等式(10)获得等式(11)(2z＝c(y)
×
λmid)。当距离y确定时，通过将中间波长λmid乘以系数c(y)获得的值作为值2z。等式(11)给出距离l的最小值2z。在本实施例中，假设对象是人脸来设定距离l。距离l被设定为等于或大于从等式(11)(2z＝0.85
×
λmid)获得的值2z。
[0061]
距离y依据超声波系统1的应用而变化。但是，在发出声音的应用中，考虑扬声器元件50与目标位置tg之间的距离y为100mm或更大。此外，距离y的最大值由于扬声器10的输出的上限而受到限制。距离y的最大值可以被设定为大约2000mm。距离y的最大值与扬声器10的输出的最大值成比例。距离y的最大值可以假设为大约2000mm至8000mm。假设超声波系统
1用于本实施例中的交通工具，扬声器10能够有效地再现声音的距离y的最大值能够认为是大约5000mm。
[0062]
图6示出了在本实施例中能够获得两个声音按照其来相互加强的加强关系的位置的设定条件。该图示显示了扬声器11的情况。该情况假设人是存在于目标空间tr中的对象。扬声器10在对象的活体表面上再现高超声速声音。人的暴露的生物表面可以选择作为察觉声音的部分。在这种情况下，人脸、人的脖子和人胸的周边可以选择作为察觉声音的部分。在这种情况下，目标位置tg的中心被设定在人的下巴周围。
[0063]
图6示出了相对于中间波长λmid能够获得其中两个声音按照其来相互加强的加强关系的关系线pl(m)。沿着与中心轴线axz相交的关系线pl(1)获得自中心轴线axy的第一加强关系。沿着与中心轴线axz相交的关系线pl(2)获得自中心轴线axy的第二加强关系。关系线pl(1)和pl(2)是曲线的一部分。加强关系出现在位于目标空间中的对象上的两个或更多个位置。具有中间频率fmid的来自第一扬声器元件51的声音和具有中间频率fmid的来自第二扬声器元件52的声音以所述加强关系相互加强。第一扬声器元件51与第二扬声器元件52之间的距离l被设定为使得上述加强关系出现在对象上的两个或更多个位置处。
[0064]
由于对象的位置不是固定的，因此对象的位置依据人的姿势而变化。在假设脸的情况下，能够认为脸在宽度方向wd上具有距离2x的宽度。距离2x基于在宽度方向wd上距中心轴线axy的距离x来设定。例如，在日本成年人的情况下，距离x能够被设定为大约73mm。任何统计数值都能够用作距离x的数值。例如，73毫米被给定作为18至30岁的日本人的统计值。
[0065]
在对象的表面上产生多条关系线pl(m)。这使得能够使基本上均匀的声音作用在对象的表面上。换言之，在对象的表面上表现出多条关系线pl(m)。结果，能够将具有不存在凹谷的声压的声音施加到对象的表面。在本实施例中，能够将具有不存在凹谷的声压的高超声速声音施加在人脸上。
[0066]
此外，在本实施例中，多个加强关系pl(m)表现在对象的表面上。在图示的示例中，至少两个加强关系pl(m)表现在对象的表面上。由此，即使对象移动，也能够在对象的表面上表现出至少一个加强关系pl(m)。具体地，至少一个加强关系pl(m)表现在脸的半侧上。至少一个加强关系pl(1)表现在脸的右半区域中。至少一个加强关系pl(1)也表现在脸的左半区域中。结果，即使对象在宽度(距离2x)内移动，通过加强关系pl(1)获得的声压也能够施加于对象。
[0067]
图7示出了多个加强点ps和多个弱化点pw。人脸被例示为对象。实线显示对象(人脸)的指定位置。限定的位置表示例如正常坐姿中的位置。虚线表示假设的对象(人脸)的最大移动位置。在这个示例中，最大移动量sh是一个对象(人脸)(sh＝2x)。在本实施例中，值2z被设定为使得至少两个加强点ps出现在对象的表面上。结果，即使对象的位置发生波动，也能够强烈地施加高超声速声音。
[0068]
上半部分示出了在对象的表面上表现至少两个加强点ps的示例。上半部分显示了阶数n＝1的示例。至少一个加强点ps表现在人脸的一个半侧上。同样在该示例中，加强关系ps出现在位于目标空间中的对象上的两个位置中。具有中间频率fmid的来自第一扬声器元件51的声音和具有中间频率fmid的来自第二扬声器元件52的声音以加强关系ps相互加强。在这个示例中，即使人脸横向(左右方向)移动，仍有一个加强点ps出现在脸上。此外，在人
脸从指定位置移动到最大移动位置的所有位置处，一个加强点ps继续出现在脸上。
[0069]
下半部分示出了在对象的表面上表现至少四个加强点ps的示例。下半部分显示了阶数n＝2的示例。人脸的一个半侧上表现至少两个加强点ps。同样在该示例中，加强关系ps出现在位于目标空间中的对象上的四个位置中。具有中间频率fmid的来自第一扬声器元件51的声音和具有中间频率fmid的来自第二扬声器元件52的声音以加强关系ps相互加强。在这个示例中，即使人脸移动，在脸上仍然出现一个加强点ps。此外，在人脸从指定位置移动到最大移动位置的所有位置处，在脸上出现一个或多个加强点ps。
[0070]
图8示出了使用本实施例的结构体现的值2z的数值。本示例是阶数n＝1的示例。该示例假设人脸作为对象。因此，距离x为73mm。假设距离y的有效范围是最小距离y等于或大于100mm，并且最大距离y等于或小于2000mm。值2z表示中间频率fmid为fmid＝45khz的情况和中间频率fmid为fmid＝135khz的情况。在中间频率fmid＝45的情况下，第一扬声器元件51具有谐振频率f1＝40khz，并且第二扬声器元件52具有谐振频率f2＝50khz。在中间频率fmid＝135的情况下，第一扬声器元件51具有谐振频率f1＝130khz，并且第二扬声器元件52具有谐振频率f2＝140khz。
[0071]
图9是显示系数c(y)与阶数n之间的关系的曲线图。在中间波长λmid处，最小值2z由等式(11)给出。例如，具有45khz的中间频率fmid的第一扬声器元件51与第二扬声器元件52之间的距离的值2z是2z＝c(y)
×
λmid＝0.85
×
7.55＝6.4175mm。在扬声器10中，距离l被设定为等于或大于最小值2z。具有135khz的中间频率fmid的第一扬声器元件51与第二扬声器元件52之间的距离的值2z是2z＝c(y)
×
λmid＝0.85
×
2.52＝2.142mm。在图中示出了四舍五入的值。
[0072]
如图8和图9所示，系数c(y)是恒定值，与频率f无关。在最小距离y＝100mm处，系数c(y)为0.85。因此，在本实施例中，系数c(y)的最小值为0.85。具有两个相邻谐振频率f1和f2的两个扬声器元件51和52的距离l被设定为等于或大于通过将中间波长λmid乘以系数c(y)＝0.85而获得的值。结果，即使对象的位置从指定位置移动，也能够在对象的表面上再现没有凹谷的声压。换言之，即使对象的位置从指定位置移动，也能够在对象的表面上再现具有大致均匀的声压的宽频带的声音。距离l被设定为使得包括中间频率fmid的宽频带中的声音在对象的表面上的多个位置处具有均匀的声压而不包括中间频率fmid处的声压凹谷。
[0073]
在最大距离y＝2000mm处，系数c(y)为13.71。在本实施例中，系数c(y)的最大值为13.71。系数c(y)的最小值是超声波系统1的通用最小值。系数c(y)的最大值取决于距离y。系数c(y)的最大值可以根据距离y的数值来设定。系数c(y)的最大值也受到距离l的最大值的限制。距离l的最大值可以取决于扬声器10。在扬声器10具有对应于目标空间tr的总宽度的相对较大尺度(scale)的情况下，距离l的最大值可以达到目标空间tr的宽度方向wd的最大宽度wm。因此，距离l的最大值等于或小于目标空间tr的宽度方向wd上的最大宽度wm。距离l被设定为等于或小于目标空间的宽度。这里，宽度表示与中心轴线axz平行的方向上的长度。在扬声器10由单个半导体基板41形成的情况下，距离l的最大值等于或小于半导体芯片(semiconductor chip)的最大值或者等于或小于半导体晶圆(semiconductor wafer)的最大值。
[0074]
根据上述实施例，距离l被设定为使得来自第一扬声器元件51的声音和来自第二
扬声器元件52的声音在目标位置tg处具有预定关系ps。目标位置tg是位于目标空间中的对象上的两个或更多个位置。预定关系是其中来自第一扬声器元件的声音和来自第二扬声器元件的声音在第一谐振频率f1与第二谐振频率f2之间的中间频率fmid处按照其相互加强的关系。换言之，距离l被设定为使得加强关系ps出现在位于目标空间中的对象上的两个或更多个位置tg处。来自第一扬声器元件51的具有中间频率fmid的声音和来自第二扬声器元件52的具有中间频率fmid的声音以加强关系ps相互加强。中间频率fmid是第一谐振频率f1与第二谐振频率f2之间的中间频率。结果，能够在对象上的两个或更多个位置处提供中间频率fmid的声音的加强关系。结果，能够提供一种在宽频带中提供强声压的超声波发生器。此外，即使对象的位置移动，仍然能够向对象提供强声压。
[0075]
距离l被设定为等于或大于通过将系数c(y)＝0.85乘以具有相邻谐振频率f1和f2的扬声器元件51和52的中间波长λmid而获得的数值2z。结果，即使人脸在宽度方向wd上从指定位置移动了与脸相同的宽度，也能够在脸的表面上提供接近中间频率fmid的无凹谷的声音。适当地设定距离l，通过小扬声器10能够获得期望的效果。
[0076]
本公开的教导不限于以人脸为目标的实施例。在本实施例中，假设人脸，距离x的值被设定为73mm。了解本公开的本领域技术人员应当理解，距离x的值能够根据对象进行设定。例如，在以人的上半身为目标的超声波系统1中，距离x能够被设定为超过100mm的值。此外，在中心轴线axz与重力方向一致并且处于站立姿势的整个人体为对象的情况下，距离x可以设置在1000mm至2000mm的范围内。本公开应当被解释为包括这些变型。
[0077]
第二实施例
[0078]
本实施例是基于前述实施例的修改。在上述实施例中，由具有相邻谐振频率的两个扬声器元件51和52组成的扬声器对60形成在一个半导体基板41上。可选地，在本实施例中，包括具有相邻谐振频率的两个扬声器元件的多个扬声器对60以分布方式形成在彼此分开布置的不同半导体基板242和243上。
[0079]
在图10中，超声波系统1包括扬声器10。扬声器10包括第一扬声器211和第二扬声器212。第一扬声器211和第二扬声器212能够由第一实施例中的第一扬声器11和第二扬声器12替换。第一扬声器211和第二扬声器212在宽度方向wd上的尺寸比第一实施例中的第一扬声器11和第二扬声器12大。第一扬声器211和第二扬声器212在宽度方向wd上的尺寸等于或小于最大宽度wm。
[0080]
在图11中，扬声器10具有容器30。扬声器10包括布置在容器30中的多个半导体元件40。多个半导体元件40由多个半导体基板242和243提供。扬声器10包括彼此分开布置的第一半导体基板242和第二半导体基板243。半导体基板242和半导体基板243属于朝向一个目标区域tr取向的一个扬声器10。扬声器10包括多个扬声器元件50。多个扬声器元件50分布在半导体基板242和243上。第一扬声器元件形成在第一半导体基板242上，并且第二扬声器元件形成在第二半导体基板243上。
[0081]
在本实施例中，多个扬声器对60以分布方式布置在半导体基板242和243上。例如，具有谐振频率f1＝40khz的扬声器元件51和具有谐振频率f2＝50khz的扬声器元件52形成一个扬声器对60。此外，具有谐振频率f1＝50khz的扬声器元件52和具有谐振频率f2＝60khz的扬声器元件53形成另一个扬声器对60。扬声器10发射具有从40khz到140khz的宽频带的声音。扬声器10包括具有每个隔10khz的不同谐振频率的多个扬声器元件50。扬声器10
包括10个扬声器对60。
[0082]
多个扬声器对60之间的中心轴线可以相对于中心轴线axz稍微倾斜。例如，包括扬声器元件51和扬声器元件52的扬声器对60在中心轴线ax4050上分开距离l1。包括扬声器元件52和扬声器元件53的扬声器对60在中心轴线ax5060上分开距离l2。因此，多个扬声器对61和62具有相互相交的不同的中心轴线ax4050和ax5060。但是，由于半导体基板242和243小，因此多个扬声器对60的中心轴线ax能够视为彼此基本上平行。包括中心轴线ax4050和中心轴线ax5060的多个中心轴线能够认为与中心轴线axz基本平行。
[0083]
第一扬声器元件51和第二扬声器元件52沿着中心轴线axz分开距离l1。第一扬声器元件51和第二扬声器元件52形成第一扬声器对61。第一扬声器对61的特征在于第一中间频率fmid1＝45khz。第二扬声器元件52和第三扬声器元件53沿中心轴线axz分开距离l2。第二扬声器元件52和第三扬声器元件53形成第二扬声器对62。第二扬声器对62的特征在于第二中间频率fmid2＝55khz。类似地，形成10对扬声器对60。所有扬声器对60的特征在于它们各自的中间频率fmid。所有扬声器对60的距离l(l1，l2...)等于或大于由上述等式(9)或上述等式(11)给出的值2z。
[0084]
扬声器元件51和扬声器元件52之间的距离l1等于或大于可以根据中间频率fmid＝45khz设定的值2z。扬声器元件52和扬声器元件53之间的距离l2等于或大于可以根据中间频率fmid＝55khz设定的值2z。类似地，关于所有扬声器元件50的元件之间的距离等于或大于可以根据中间频率fmid设定的值2z。所有距离l1、l2
……
被设定为使得在位于目标空间tr中的对象的表面上中间频率的声音以增强的方式被观察到而不引起凹谷。
[0085]
扬声器元件51的谐振频率与扬声器元件53的谐振频率具有接近的关系，但不是相邻的关系。扬声器元件51的谐振频率与扬声器元件52的谐振频率之间的中间频率处的声音具有小的声压，并且在可以忽略不计的水平。在本说明书的描述中，术语“对”或“扬声器对”是指扬声器10中具有相邻谐振频率的一对扬声器元件。
[0086]
第三实施例
[0087]
本实施例是基于前述实施例的修改。在前述实施例中，包括具有相邻谐振频率的两个扬声器元件51和52的扬声器对60布置在一个容器30中。可选地，在本实施例中，包括具有相邻谐振频率的两个扬声器元件的多个扬声器对60以分布方式形成在彼此分开布置的不同容器31和32中。
[0088]
在图12中，超声波系统1包括扬声器10。扬声器10包括第一扬声器11、第二扬声器312、和第三扬声器313。对第一扬声器11的描述可以在前述实施例中。第二扬声器312的声波方向td2指向对应于后座空间的目标空间tr2。第三扬声器313的声波方向td3指向对应于后座空间的目标空间tr2。第二扬声器312和第三扬声器313共同提供一个扬声器。第二扬声器312和第三扬声器313提供对应于前述实施例中的第二扬声器12的功能。
[0089]
图13示出了提供一个扬声器10的多个扬声器312和313。在该实施例中，第一扬声器312和第二扬声器313中的两个扬声器提供扬声器10中的一个扬声器。第二扬声器312包括一个容器31和布置在容器31中的一个半导体基板344。第二扬声器312具有一组多个扬声器元件。第三扬声器313包括一个容器32和布置在容器32中的一个半导体基板345。第三扬声器313具有一组多个扬声器元件。多个半导体基板344和345以分布方式布置在多个容器31和32中。同样在本实施例中，扬声器10包括彼此分开布置的第一半导体基板344和第二半
导体基板345。第一扬声器元件形成在第一半导体基板344上，并且第二扬声器元件形成在第二半导体基板345上。
[0090]
属于第二扬声器312的一个扬声器元件和属于第三扬声器313的一个扬声器元件提供具有相邻谐振频率的两个扬声器元件。属于第二扬声器312的多个扬声器元件和属于第三扬声器313的多个扬声器元件形成多个扬声器对60。在本实施例中，所有扬声器元件50形成多个扬声器对60。
[0091]
第一扬声器元件51和第二扬声器元件52沿中心轴线axz分开距离l1。第一扬声器元件51和第二扬声器元件52形成第一扬声器对61。第一扬声器对61的特征在于第一中间频率fmid1＝45khz。第二扬声器元件52和第三扬声器元件53沿中心轴线axz分开距离l2。第二扬声器元件52和第三扬声器元件53形成第二扬声器对62。第二扬声器对62的特征在于第二中间频率fmid2＝55khz。类似地，形成10对扬声器对60。所有扬声器对60的特征在于它们各自的中间频率fmid。所有扬声器对60的距离l(l1，l2...)等于或大于由上述等式(9)或上述等式(11)给出的值2z。同样在本实施例中，多个扬声器对61和62具有彼此相交的不同中心轴线。
[0092]
在图示的示例中，扬声器10包括多个扬声器元件50。多个扬声器元件50分布在半导体基板344和345上。10个扬声器元件形成10对扬声器对60。与前述实施例一样，每个扬声器对60的距离l被设定为等于或大于最小值2z，并且被设定为等于或小于最大值。因此，即使在本实施例中，也能够在位于目标空间tr中的对象的表面上在宽频带上提供没有凹谷的均匀声压。
[0093]
如从第一实施例、第二实施例和第三实施例的公开内容清楚地描述的，多个扬声器元件50布置为形成多个扬声器对60。多个扬声器元件50可以以分布方式布置在形成一个扬声器10的一个容器30中。可选地，多个扬声器元件50可以分布在形成一个扬声器10的多个容器30中。可选地，多个扬声器元件50可以以分布方式布置在形成一个扬声器10的一个半导体元件40中。可选地，多个扬声器元件50可以分布在形成一个扬声器10的多个半导体元件40中。在以下的描述中，多个扬声器元件50的布置是在不受容器30和半导体元件40限制的情况下描述的。
[0094]
第四实施例
[0095]
本实施例是基于前述实施例的修改。在前述实施例中，包括在一个扬声器10中的多个扬声器元件50的距离l的方向基本上彼此平行。另一方面，在本实施例中，一个扬声器10包括距离l的方向明显彼此相交的多个扬声器元件50。
[0096]
在图14中，扬声器10包括多个扬声器元件50。在图中图示了典型的扬声器元件50。扬声器10包括四个扬声器元件51、52、451和452。多个扬声器元件50布置在矩阵的相交处。多个扬声器元件50布置在矩阵中。
[0097]
扬声器10包括第一扬声器元件51和第二扬声器元件52。第一扬声器元件51具有谐振频率f1。第二扬声器元件52具有谐振频率f2。第一扬声器元件51和第二扬声器元件52形成一个第一扬声器对461。属于第一扬声器对461的第一扬声器元件51和第二扬声器元件52在中心轴线axz1上分开距离l1。中心轴线axz1沿水平方向延伸。距离l1等于或大于值2z。
[0098]
扬声器10包括第三扬声器元件451和第四扬声器元件452。第三扬声器元件451具有谐振频率f1。第四扬声器元件452具有谐振频率f2。第三扬声器元件451和第四扬声器元
件452形成另一第二扬声器对462。属于第二扬声器对462的第三扬声器元件451和第四扬声器元件452在中心轴线axz2上分开距离l1。中心轴线axz2沿重力方向(竖直方向)延伸。距离l1等于或大于值2z。
[0099]
中心轴线axz1和中心轴线axz2在公共点处相交。中心轴线axz1和中心轴线axz2在公共点上相互正交。
[0100]
扬声器10由第一扬声器元件51和第四扬声器元件452形成第三扬声器对463。属于第三扬声器对463的第一扬声器元件51和第四扬声器元件452在中心轴线axz3上分开距离l2。中心轴线axz3沿相对于重力方向倾斜的偏斜方向延伸。距离l2等于或大于值2z。
[0101]
扬声器10由第三扬声器元件451和第二扬声器元件52形成第四扬声器对464。属于第四扬声器对464的第三扬声器元件451和第二扬声器元件52在中心轴线axz4上分开距离l2。中心轴线axz4沿相对于重力方向倾斜的偏斜方向延伸。中心轴线axz3和中心轴线axz4相互平行。距离l2等于或大于值2z。
[0102]
第一扬声器对461和第二扬声器对462被称为主扬声器对。第三扬声器对463和第四扬声器对464被称为由第一扬声器对461和第二扬声器对462附属(collaterally)形成的次扬声器对。应该理解，这些主要和次要的命名是主观的并且可以互换。同样在本实施例中，多个扬声器对461、462、463和464具有彼此相交的不同中心轴线axz1、axz2、axz3和axz4。
[0103]
在本实施例中，第一扬声器对461和第二扬声器对462具有表征它们特征的相同的频率。表征第一扬声器对461和第二扬声器对462特征的频率是谐振频率f1、谐振频率f2和中间频率fmid。换言之，第一扬声器对461和第二扬声器对462关于表征它们特征的频率完全重叠。第一扬声器对461和第二扬声器对462关于表征它们特征的频率至少部分地重叠。
[0104]
第一扬声器对461和第二扬声器对462处于中心轴线axz1和中心轴线axz2相交的关系。中心轴线axz1和中心轴线axz2可以在方向上空间相交。中心轴线axz1和中心轴线axz2不必在图示示例所示的公共点相交。例如，第一扬声器对461和第二扬声器对462可以彼此分开。
[0105]
图15示出了由多个扬声器对461、462、463和464提供的多个关系线pl1、pl2和pl3。关系线pl1、pl2和pl3表示获得具有中间波长λmid的声音的加强关系的位置。第一扬声器对461提供关系线pl1。第二扬声器对462提供关系线pl2。第三扬声器对463提供关系线pl3。第四扬声器对464提供关系线pl3。关系线pl1、pl2和pl3是曲线的一部分。
[0106]
关系线pl1与关系线pl2之间的交叉角等于第一扬声器对461的中心轴线axz1与第二扬声器对462的中心轴线axz2之间的交叉角。在本实施例中，交叉角为90度。
[0107]
此外，关系线pl3与关系线pl1和pl2相交。关系线pl1和pl2与关系线pl3之间的交叉角与中心轴线axz1和axz2与中心轴线axz3和axz4之间的交叉角相等。在本实施例中，交叉角为 45度和-45度。
[0108]
根据本实施例，能够在目标空间中横向分离的多个位置处获得中间频率fmid附近的均匀声压。另外，能够在目标空间中竖直方向上分离的多个位置处获得中间频率fmid附近的均匀声压。通过使多个扬声器对461和462的中心轴线相交，创建附属的扬声器对463和464。结果，能够在目标空间中对角地分开的多个位置处进一步获得中间频率fmid附近的均匀声压。在本实施例中，能够在许多位置中提供高声压。此外，即使对象在水平方向sh1和竖
直方向sh2上移动，也能够提供高声压。此外，通过提供关系线pl3，即使对象在偏斜方向sh3上移动，也能够提供高声压。
[0109]
第五实施例
[0110]
本实施例是基于前述实施例的修改。在前述实施例中，包括在一个扬声器10中的多个扬声器对的中心轴线的交叉角为90度。可选地，多个中心轴线的交叉角可以被设定为90度以外的角度。
[0111]
在图16中，扬声器10包括多个扬声器元件50。多个扬声器元件50形成多个扬声器对60。例如，扬声器元件51和扬声器元件52形成一个扬声器对。扬声器元件551和扬声器元件552两者形成一个扬声器对。扬声器元件52和扬声器元件551形成附属的扬声器对。此外，扬声器元件51和扬声器元件552形成附属的扬声器对。
[0112]
这些多个扬声器对形成多个组。这些多个组能够关于中心轴线axz的角度来区分。在本实施例中，形成了两个初级组561和562。此外，在本实施例中，形成了两个次级组563和564。一个组具有对应于一个扬声器10的元件。包括多个扬声器对的第一组561具有中心轴线axz1。包括多个扬声器对的第二组562具有中心轴线axz2。包括多个扬声器对的第三组563具有中心轴线axz3。包括多个扬声器对的第四组564具有中心轴线axz4。
[0113]
第一组561和第二组562关于水平中心轴线以线对称方式布置。第一组561的布置和第二组562的布置是类似的。第一组561的中心轴线axz1和第二组562的中心轴线axz2以不同于90度的角度相交。中心轴线axz1关于重力方向偏斜地延伸。中心轴线axz2关于重力方向偏斜地延伸。这些斜角不同于90度。中心轴线axz1和中心轴线azx2在与重力方向相反的方向上倾斜。第三组563的中心轴线axz3也以不同于90度的角度与中心轴线axz1和axz2相交。第四组564的中心轴线axz4也以不同于90度的角度与中心轴线axz1和axz2相交。中心轴线axz3和中心轴线axz4相互平行。中心轴线axz3和axz4沿水平方向延伸。同样在本实施例中，多个扬声器对561、562、563、564具有彼此相交的不同中心轴线axz1、axz2、axz3和axz4。
[0114]
同样在本实施例中，元件之间的距离满足前述实施例中描述的条件。同样在本实施例中，能够获得与前述实施例相同的效果。另外，在本实施例中，在目标空间tr的对应于中心轴线axz1和axz2的方向上的大量位置处能够获得具有中间频率fmid的高声压。
[0115]
第六实施例
[0116]
本实施例是基于前述实施例的修改。在前述实施例中，包括在一个扬声器10中的多个扬声器元件50不规则地布置。可选地，在本实施例中，第二扬声器对布置在第一扬声器对的内侧(内部)。换言之，第一扬声器对布置在第二扬声器对的外侧(外部)。第一扬声器对的特征在于第一中间频率fmid1。第二扬声器对的特征在于第二中间频率fmid2。第二中间频率fmid2高于第一中间频率fmid1(fmid1《fmid2)。本实施例中的多个扬声器对之间的关系在以下描述中也称为内部/外部位置关系。
[0117]
在图17中，扬声器10覆盖预定宽频带(约40khz至约140khz)。扬声器10包括多个扬声器元件50。多个扬声器元件50具有彼此不同的谐振频率。多个扬声器元件50的谐振频率对于每个预定的频率差是不同的。多个扬声器元件50形成多个扬声器对60。在本实施例中，扬声器10包括10个扬声器元件50。10个扬声器元件形成10对扬声器对60。多个扬声器元件50中的每一个具有谐振频率40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140khz。频率差为
10khz。多个扬声器元件50的频率差和数量不限于图示的实施例。例如，频率差可以是各种频率差，例如5khz和20khz。例如，扬声器10可以包括几个扬声器元件50到十几个或更多扬声器元件50。多个扬声器元件50可以居中地形成在单个半导体基板上或者可以分散地形成在多个半导体基板上。
[0118]
第一扬声器元件51和第二扬声器元件52沿中心轴线axz分开距离l1。第一扬声器元件51和第二扬声器元件52形成第一扬声器对661。第一扬声器对的特征在于第一中间频率fmid1＝45khz。
[0119]
第二扬声器元件52和第三扬声器元件53沿中心轴线axz分开距离l2。第二扬声器元件52和第三扬声器元件53形成第二扬声器对662。第二扬声器对662的特征在于第二中间频率fmid2＝55khz。
[0120]
第一中间频率fmid1低于第二中间频率fmid2。距离l1和距离l2等于或大于理论设定值2z。距离l1大于距离l2。第二扬声器对662布置在第一扬声器对661的内部。
[0121]
在本实施例中，扬声器10中的所有扬声器对都满足内部/外部位置关系。可选地，扬声器对的一部分、两个扬声器对可以满足扬声器10中多个扬声器对之间的上述内部/外部位置关系。在一个示例中，布置在外部的第一扬声器对的第一中间频率和布置在第一扬声器对内部的第二扬声器对的第二中间频率可以分开大于上述频率差。在另一示例中，属于低频侧的至少两个扬声器对可以满足上述内部/外部位置关系，并且高频侧的多个扬声器对可以不规则地布置。相反，属于高频侧的至少两个扬声器对可以满足上述内部/外部位置关系，并且低频侧的多个扬声器对可以不规则地布置。
[0122]
本实施例的内部/外部位置关系可以与前述实施例的特征相结合。例如，图16中所示的多个扬声器元件50可以布置成满足图17所示的内部/外部位置关系。
[0123]
其他实施例
[0124]
本说明书、附图等中的公开内容不限于示例性实施例。本公开包括图示的实施例和本领域技术人员对其做出的修改。例如，本公开不限于实施例中所示的部件和/或元件的组合。本公开可以以各种组合来实施。本公开可以具有可以添加到实施例的附加构件。本公开包括省略了一些部件和/或元件的实施例。本公开涵盖一个实施例与另一个实施例之间的部件和/或元件的替换或组合。所公开的技术范围不限于实施例的描述。所公开的若干技术范围由权利要求中的描述指示，并且应理解为包括在与权利要求中的描述等同的含义和范围内的所有修改。
[0125]
说明书、附图等中的公开内容不受权利要求的描述限制。说明书、附图等中的公开内容包含权利要求中描述的技术思想，并且进一步扩展到比权利要求中的技术思想更广泛的技术思想。因此，能够从说明书、附图等的公开中提取各种技术思想，而不受权利要求的描述的约束。