阅读说明：本技术 具有轴向电场的电声换能器 (Electroacoustic transducer with axial electric field ) 是由 马克西姆·维克托罗维奇·奇若夫 于 2018-10-05 设计创作，主要内容包括：电声换能器可以包括阴极(12),具有组装成一个或多个轴对称阵列(20)的多个放电元件(18)；和阳极(14),具有组装成一个或多个轴对称阵列(20)的多个放电元件(18)。阴极(12)和阳极(14)被电极间空间(16)分隔并分别连接到电压源(24)。阴极(12)和阳极(14)的放电元件(18)被引导至电极间空间(16)。阴极(12)和阳极(14)的轴对称阵列(20)彼此相对进行镜对称地布置以形成电极对(21),每个电极对(21)具有对称轴(22),延伸穿过成对的轴对称阵列的几何中心。(An electroacoustic transducer may include a cathode (12) having a plurality of discharge elements (18) assembled into one or more axisymmetric arrays (20); and an anode (14) having a plurality of discharge elements (18) assembled into one or more axisymmetric arrays (20). The cathode (12) and the anode (14) are separated by an inter-electrode space (16) and are each connected to a voltage source (24). Discharge elements (18) of the cathode (12) and the anode (14) are guided to the interelectrode space (16). Axisymmetric arrays (20) of cathodes (12) and anodes (14) are arranged mirror-symmetrically with respect to each other to form electrode pairs (21), each electrode pair (21) having an axis of symmetry (22) extending through the geometric center of the paired axisymmetric arrays.)

具有轴向电场的电声换能器

技术领域

本发明涉及声学领域，更具体地涉及在气体介质例如空气中产生声波，以再生声波，包括被人耳感知的用于家庭、科学和工业用途的声波。

背景技术

电声换能器，例如扬声器，是将电能转换成声波振荡的装置。电声换能器被用于许多消费产品，例如家庭立体声系统、家庭影院系统、汽车音频系统、便携式音乐设备、耳机、录音室设备、声感设备及其他产品。这些产品和其他产品对高质量声音的产生和/或录制的需求引起了人们开发电声换能器的兴趣，电声换能器可以将电子信号转换为具有更高准确度和清晰度的声波。

已知的电声换能器的一个问题是它们依靠运动的部件(例如，音圈和振动膜)在两步式能量转换过程中产生声振荡。在第一步中，将声音信号的电能转换为附着在电声换能器上的膜的机械振动。在第二步骤中，膜的机械振动在周围的气体介质(例如空气)中产生声振动。膜具有一定的质量，有限的刚性和给定的边界，其影响第二步中在周围空间再生声音的质量。因此，声音再现的质量在物理上受到膜的这些方面的限制。一些制造商试图通过生产不同类型的不使用运动部件的电声换能器来克服这些挑战。例如，已经开发出使用区域放电产生声波的电声装置。

授予Chyzhov的美国专利9,445,202号(通过引用并入本文)描述了一种电声换能器，其包括阳极和阴极，阳极和阴极分别包括放电元件。电极中的一个或两个(即，阳极和阴极)被介电阻挡件分成几部分。阴极和阳极的相应放电元件彼此相对放置，它们的末端等距延伸到阴极和阳极之间的空间(即，电极间(inter-electrode)空间)。阳极和阴极的放电元件的有源表面区域(S)满足表达式S_anode/S_cathode>1。放电元件被配置为线性横截面长度不大于3mm的离散体或实心(solid)整体。电极部分通过介电阻挡件彼此分开，介电阻挡件通过限流元件(即，电阻器)连接到电压源。

虽然’202专利的电声换能器可操作以产生声波，但可以进行进一步的改进。例如，在利用放电产生声波的电声换能器的操作中遇到的一个问题是，当在装置操作期间增加所产生声信号的功率输出时，放电过程的稳定性可能降低。因此，需要改进的电声换能器，其具有更高的效率和更好的放电过程稳定性。

发明内容

本文公开的实施例可以提高效率，同时消除阻挡件对电声换能器放电过程稳定性的负面影响。因此，所公开的实施例可以提供在与本公开一致的电声换能器的操作期间提高放电过程的稳定性以及增加产生的声信号的功率输出。

在一方面，本公开涉及电声换能器。电声换能器可以包括阴极，具有组装成一个或多个轴对称阵列的多个放电元件；和阳极，具有组装成一个或多个轴对称阵列的多个放电元件。阴极和阳极可以由电极间空间分隔并且分别连接至电压源。阴极和阳极的放电元件可以被引导到电极间空间中。阴极和阳极的轴对称阵列可以彼此相对进行镜对称地布置以形成电极对，每个电极对具有对称轴，对称轴延伸穿过成对的轴对称阵列的几何中心。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中阳极的放电元件具有第一有源表面区域(San)，阴极的放电元件具有第二有源表面区域(Scat)，第一表面区域与第二表面区域的比率大于1(San/Scat>1)。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中轴对称阵列的直径不大于20mm。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中阴极通过第一电路部分连接至电压源，阳极通过第二电路部分连接至电压源；第一电路部分和第二电路部分中的一个或两个包括限流元件。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中放电元件至少部分地嵌入在介电材料中。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中每个阵列的放电元件的末端延伸到虚拟表面。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中虚拟表面是虚拟平面或虚拟曲面。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中虚拟曲面是虚拟轴对称曲面。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中放电元件是实心(solid)三维体。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中放电元件是具有交替的传导区域和介电区域的实心三维体。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中放电元件包括腐蚀性惰性材料或电化学惰性材料。

在另一方面，本公开针对电声换能器，其中放电元件包括铂族金属，金属氧化物或其组合中的一种或多种。

在另一方面，本公开针对电声换能器，其中放电元件包括具有低或高电子功函数(work function)的材料。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，电声换能器还包括组装在介电基底上的多个电极的对。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中相邻的电极对被绝缘体分隔。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，电声换能器还包括位于电极对附近或周围的反射器或喇叭。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，电声换能器还包括对气流具有高阻力的声音可穿透材料，声音可穿透材料至少部分地围绕放电元件。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，电声换能器还包括通风系统。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中通风系统包括臭氧分解催化剂。

在另一方面，本公开涉及电声换能器，其中通风系统包括一个或多个风扇。

附图说明

附图构成说明书一部分，示出了几个实施例，并且与说明书一起用于解释所公开的原理。

图1是连接到电压源的电极的示意性电路图；

图2是连接到电压源的电极和阴极电路中的限流元件的示意性电路图；

图3是连接到电压源的电极和阳极电路中的限流元件的示意性电路图；

图4是连接到电压源的电极以及阴极和阳极电路中的限流元件的示意性电路图；

图5是放电元件阵列的示例性公开实施例的透视图，其中放电元件的末端延伸到虚拟平面；

图6是图5的示例性公开实施例的侧视图；

图7是放电元件阵列的另一示例性公开实施例的透视图，其中放电元件的末端延伸到虚拟半球面；

图8是图7的示例性公开实施例的侧视图；

图9是放电元件阵列的示例性公开实施例的侧视图，其中放电元件阵列具有嵌入电介质中并突出到电介质表面上方的放电元件，放电元件的末端延伸到虚拟平面；

图10是图9的示例性公开实施例的透视图；

图11是放电元件阵列的示例性公开实施例的侧视图，其中放电元件阵列具有嵌入电介质中并突出到电介质的表面上方的放电元件，放电元件的末端延伸到虚拟半球面；

图12是图11的示例性公开实施例的透视图；

图13是放电元件阵列的示例性公开实施例的侧视图，其中放电元件阵列具有嵌入电介质中并与电介质的表面齐平的放电元件，放电元件的末端延伸到虚拟半球面；

图14是放电元件阵列的示例性公开实施例的透视图，其中放电元件阵列具有嵌入电介质中并与电介质的表面齐平的放电元件，放电元件的末端延伸到虚拟平面；

图15是具有平坦放电元件阵列的一对电极的剖面图；

图16是电声换能器的示例性公开实施例的剖视图；

图17是图16的电声换能器的示例性公开实施例的剖面图；

图18是电声换能器的示例性公开实施例的透视图说明。

具体实施方式

图1描述了示例性公开的电路10，其可以包括在与本公开一致的示例性电声换能器的实施例中。与本公开一致的示例性电声换能器可以包括两个电极，例如，由电极间空间16分隔的阴极12和阳极14。电极间空间16可以是至少部分地将阴极12(或其组件)和阳极14(或其组件)分隔的空间，以使阴极12与阳极14(或它们各自的组件)的末端不会通过电极间空间16或在电极间空间16内发生直接接触。

阴极12和阳极14可以各自包括多个放电元件18。放电元件18可以是从阴极12或阳极14延伸到电极间空间16中的导电元件。例如，放电元件18可以由铜、铝、钢、另一种导电材料或其组合形成。放电元件18可包括附接到阴极12或阳极14的第一端和位于电极间空间16中的第二终点端(即，终端或末端)。放电元件18可提供一位置(例如，表面区域)，当在阴极12和阳极14之间施加电势(即，电压)时，在该位置上或周围形成或产生空中放电(例如，电晕放电)。例如，放电元件18可以具有大的表面曲率，通电时在放电元件18附近产生高电场强度。当给电声换能器通电时(即，将电势施加到电极时)，在阴极12和阳极14的每个放电元件上形成有源区。如本文所用，术语“有源区”是指每个放电元件18直接参与离子生成的区域(例如，表面区域)。当电声换能器通电时(即，当将电压电势施加到阴极12和阳极14时)，直接参与离子生成的区域(即，有源区)可以识别为被电离气体的辉光包围的表面区域。当电声换能器通电时，在每个放电元件18的表面区域上形成有源区。可以在其上形成有源区的每个放电元件的表面区域可以称为“放电元件区域”或“放电区域”。当电声换能器未通电时，放电元件区域可被认为是放电元件的一部分，其中放电元件从电极突出、与电极齐平或以其他方式可见地露出。

在一些实施例中，电声换能器的电极可以被配置为表现出阳极14的表面区域(San)与阴极12的表面区域(Scat)的比率大于1(即，San/Scat>1)。换句话说，阳极14的表面区域可以大于阴极12的表面区域。阴极12和阳极14各自的表面区域可以是与每个电极相关联的一个或多个放电元件18(即，电极对的每个各自的阵列20)的累积表面区域。在一些实施例中，电极的每个放电元件18可以具有相同的尺寸、大约相同的尺寸或不同的尺寸，从而避免不需要的电弧或火花放电(以及由此导致的声效和失真)。

即使在阴极12和阳极14之间电压被调制情况下，保持San/Scat的比率大于1可以在电晕放电过程中允许在放电元件18附近相反电性的离子更有效地复合(recombination)。配置San/Scat比率大于1的电声换能器的电极可允许产生高的声功率密度(即，产生高音量的声音)，同时保留电晕放电的时空稳定性(例如，减少或消除电弧和/或火花击穿以及嘶嘶声(hissing)和/或噼啪声(crackling))。

例如，通过在电晕放电内的放电元件28的有源区中的电击电离(shockionization)而产生阳离子。离子产生的强度取决于在电极之间产生的电场的强度以及形成放电元件28有源区的放电元件区域的尺寸。由于自电子发射(autoelectronicemission)导致阴极发射的自由电子被俘获而产生阴离子，这发生在电极之间的空间中。在该空间中，电流发射强度可以达到相对大的值(例如在真空中高达1010A/cm²)。因此，阴离子的产生速度与阴极22的放电元件的面积成反比。当San/Scat≤1时，且取决于放电电极的形式和排列，由于产生的阴离子和阳离子的平衡可能被扰乱，放电过程可能非常弱(即，不足以产生适当的声音)或不稳定。这种扰乱会导致放电不稳定、声学失真以及电弧或火花击穿。当San/Scat>1时，这些缺陷可以避免。

在一些实施例中，San/Scat可以大于1。例如，电声换能器的电极可配置为表现出25≥San/Scat>1(例如20≥San/Scat>1；15≥San/Scat>1；10≥San/Scat>1；9≥San/Scat>1；8≥San/Scat>1；7≥San/Scat>1；6≥San/Scat>1；5≥San/Scat>1；4≥San/Scat>1；3≥San/Scat>1)。在一些实施例中，电声换能器的电极可以配置为表现出20≥San/Scat≥2(例如，San/Scat＝6)。也就是说，San与Scat的比值可以在2和20之间，包括2和20。如本文所用，在用于参考值的范围时，术语“包括(inclusive)”旨在包含该范围的端点值。应当理解，可以测试和实施除上面列出的那些之外的其他San/Scat的值。

在一些实施例中，放电元件18可包括具有相对高或相对低的功函数的材料，以允许更强的离子生成。例如，放电元件28可包括功函数不大于4.5eV的材料。然而，应当理解，放电元件可包括具有更高或更低功函数的材料。

阴极12和阳极14的放电元件18可以组装成轴对称阵列20。放电元件18的每个阵列20可以是一起布置在阴极12或阳极14上的一组(例如，多个)放电元件。可以配置阴极12和阳极14，使得阴极12和阳极14的阵列20形成共享对称轴22的阵列20的对21(例如，包括阴极12的一个阵列20和阴极12的一个阵列20的对21)。放电元件18的每个阵列20可以经由导体27连接到电压源24以形成电路部分，例如，将阴极12连接到电压源24的第一电路部分29和将阳极12连接到电压源24的第二电路部分31。电压源24可以被配置为在阴极12和阳极14之间提供电势差(即，电压)。可以调制由电压源24产生的电压，并经由导体27(例如，导线)将其施加到阴极12和阳极14。

如本文所用，术语“轴对称阵列”是指将多个放电元件18实施为电极(即，阳极1、阴极2)，其中，放电元件18包括有源区域(即，被电离气体的辉光包围的具有大的表面曲率的区域，电离气体的辉光在电声换能器工作期间随着在电极上施加电压而出现)，并被布置在限制的空间区域中，该限制的空间区域具有以延伸穿过阳极12和阳极14的轴为轴线的对称形状。换句话说，阴极12和阳极14的放电元件18围绕共同的对称轴22对称地布置在各自的阵列20中。阴极12和阳极14的共享对称轴22的阵列20形成轴向对称的(或轴对称的)阵列20的对21。将放电元件18布置成轴对称的阵列20为提出的问题，即在电声换能器的操作过程中发生的放电过程的稳定化提供了高效的解决方案。可以通过根据放电过程的特定参数配置电极(即，阴极12和阳极14的阵列20)的几何结构来实现该解决方案。这些参数包括施加的电压电势、调制信号、电极间空间16的尺寸、每个放电元件18的表面区域以及阵列20内的放电元件18之间的间隔。

如图2至图4所示，在一些实施例中，一个或多个电极(即，阴极12和/或阳极14)可以通过限流元件26连接到电压源24。限流元件26可以包括电阻器(例如，包括碳、石墨、金属氧化物、绕线、半导体等)或配置为控制、衰减、减少或限制电流的其他设备。例如，在图2所示的实施例中，阴极12可以通过限流元件26连接到电压源24，而阴极14可以连接到电压源24，但是不通过限流元件。在其他实施例中，例如，如图3所示，阳极14可以通过限流元件26连接到电压源24，而阴极12可以连接到电压源24，但是不通过限流元件。在其他实施例中，例如，如图4所示，阴极12和阳极14可各自通过单独的限流元件26连接到电压源24。限流元件26可允许电声换能器在较高电压下操作，通过防止电极接收来自电压源24的过电压(即，过高的电压)而避免不需要的电弧或火花放电。

如图5-14所示，每个电极(即，阴极12和阳极14)的放电元件18的轴对称阵列20可以安装在介电基底28上。轴对称阵列20可以被配置为在电声换能器的操作期间实现高放电稳定性。例如，形成轴对称阵列20的放电元件18可以布置成使得放电元件18的末端通常形成、跟随或对应诸如平面、半球面或其他形状的形状。放电元件18的末端“通常”形成、跟随或对应一个形状，其中放电元件18被布置为使得该形状将通过使用虚拟线或表面连接放电元件18的末端而形成，虚拟线或表面例如虚拟曲面或虚拟轴对称曲面。

例如，图5和图6示出了放电元件18的轴对称阵列20的示例性实施例，其中，放电元件18从介电基底28延伸到虚拟平面30(即，虚拟形状的一个示例)。虚拟平面30可以是不存在的(或虚构的)平面或表面，其对应于距离介电基底28的表面(或表面上的点)预定法向距离(normal distance)D的空间区域。放电元件18通过从介电基底28延伸到距离介电基底28的表面(或表面上的点)法向距离D的空间区域而延伸到虚拟平面30。如图6所示，每个放电元件18的终点(末端)32位于距离介电基底28的表面34上的一个点法向距离D的位置，因此每个放电元件18延伸到虚拟平面30。在其他实施例中，虚拟平面30可以相对于介电基底28的表面34成一定角度。例如，虚拟平面30上的每个点到介电基底28的表面34的法向距离可能不相同，而虚拟平面30可以是放电元件18的末端32延伸到的空间中的任何虚拟平面。

图7和8示出了放电元件18的轴对称阵列20的示例性实施例，其中放电元件18从介电基底28延伸到虚拟半球面36。虚拟半球面36可以是不存在的(或虚构的)表面，其对应于跟随半球面形状的空间区域，每个放电元件18的末端32延伸到该半球面。放电元件18通过从介电基底28延伸到与虚拟半球面36上的位置相对应的空间区域而延伸到虚拟半球面36。如图8所示，每个放电元件18的末端32位于虚拟半球面36上，因此每个放电元件18延伸到虚拟半球面36。

应当理解，由放电元件18的末端32形成、跟随或与之对应的形状可能不一定由放电元件完美地形成。也就是说，放电元件18可以不形成完美的平面，完美的圆形半球面等。相反，应当理解，由放电元件18的末端32形成的形状是本领域普通技术人员将认识到的形状或类似于已知形状的一般形状。还应当理解，放电元件18可以形成其他形状，这可以通过实验来确定。

在一些实施例中，介电基底28可以是电声换能器的部件，例如框架，主体部件或另一类型的部件。在一些实施例中，介电基底28也可以是用于将阴极12和阳极14连接到电压源24的导体27的绝缘体。也就是说，导体27可以至少部分地位于介电基底28内(或被其包围)，并且介电基底28可以使导体27电性绝缘并且不与其他部件接触。

在一些实施例中，如图9和图10所示，放电元件18可以附接到位于介电基底28顶部的介电化合物38，或被介电化合物38涂覆、或被介电化合物38包围、或至少部分地嵌入在介电化合物38中(介电化合物即介电涂层、介电灌封、介电浇铸或其他与介电基底28分离的元件或组件)。介电化合物38可以是由介电材料形成的组件，介电材料配置为至少部分地包围介电基底28顶部的放电元件18，例如，以在结构上稳定放电元件18，将阵列20中放电元件18之间的灰尘堆积率降到最低，以及简化阵列20的安装和移除过程。以这种方式，如上所述的介电化合物38的实施可以改善装置的操作特性并在设计和制造/装配过程中提供更大的灵活性。在图9和图10的实施例中，放电元件18可以至少部分地被介电化合物38包围并且延伸到虚拟平面30。在其他实施例中，如图11和图12所示，轴对称阵列20的放电元件18可以至少部分地由介电基底28顶部的介电化合物38包围，并且延伸至虚拟半球面36。应当理解，可以至少部分地被介电化合物38包围的放电元件18可以延伸到其他类型的虚拟形状。

在图9-12所示的实施例中，放电元件18的末端32可延伸穿过介电化合物38。例如，放电元件18的末端32可延伸穿过介电化合物38，使得一个或多个放电元件18的末端32延伸越过介电化合物38的表面或外部。放电元件18延伸出介电化合物38的长度可能影响放电元件18的有源区的尺寸，即在电声换能器的操作过程中参与离子生成的放电元件18的表面区域。

在其他实施例中，如图13和图14所示，放电元件18的末端32可以被嵌入介电化合物38内。在一些实施例中，放电元件18的末端32可以与介电化合物38的外表面齐平(flush)或平整(even)，同时还延伸到一个虚拟形状。例如，如图13所示，放电元件18的末端32可以延伸到介电化合物38的外表面40并且与之齐平或平整。在图13的示例中，介电化合物38的外表面40可以是半球形的，因此放电元件的末端32可以延伸到虚拟半球面以形成轴对称阵列20。在其他实施例中，如图14所示，放电元件18的末端32可以延伸到介电化合物38的外表面40并且与之齐平或平整，其中外表面40可以是平面的(即，在表面处具有平面或形成平面)，因此，放电元件18的末端32可以延伸到虚拟平面以形成轴对称阵列20。

在一些实施例中，如图15所示，放电元件18的轴对称阵列20可以是平坦的，即包括沿着线或平面定位的放电元件18。平坦阵列20可包括延伸到虚拟平面、虚拟半球面或其他虚拟形状的放电元件。图15示出了平坦轴对称阵列20的多个对21。然而，应当理解，轴对称阵列20的对21可以包括两个平坦阵列、一个平坦阵列和一个多维阵列(即，具有沿多个轴延伸的放电元件的阵列)或两个多维阵列。

图16示出了与公开的实施例一致的示例性电声换能器42的剖视图。在一些实施例中，介电化合物38可以覆盖、包围或围绕电声换能器42的限流元件26。介电化合物38可以是涂层、铸件、组件或其他形式介电化合物或部件。在一些实施例中，如图17所示，介电化合物38可以包括介电阻挡件44。介电阻挡件44可以是介电材料或被介电材料覆盖或涂覆的组件的分立件。在其他实施例中，介电基底28可以形成介电阻挡件44或由其组成。

再次参考图16，在一些实施例中，电声换能器42还可以包括散热器46，散热器46被配置为消散由限流元件26产生的热能。散热器46可以包括散热片或由导热材料，如金属(例如铝、铜等)形成的其他结构元件。散热器46可附接到限流元件26或位于限流元件26附近，以消散由限流元件26产生的热能。散热器46可以包括通风口(例如孔、间隙、孔口等)，通风口被配置为促进气流靠近或流向散热器46的其他组件(例如，导热组件)或限流元件26。在一些实施例中，电声换能器42还可以包括风扇(例如电风扇)，风扇配置成使空气或其他流体流经散热器12和/或限流元件26。

在一些实施例中，声音可穿透材料48可以至少部分地围绕电声换能器42的放电区域，以保护电声换能器42的部件，同时允许空气在电声换能器42的操作期间流过。放电区域可以包括靠近或围绕阴极12和阳极14的放电元件18(参见图1-15和17)的一个区域或多个区域，在该区域，在电声换能器42工作期间产生声波。声音可穿透材料可以包括布或其他织物或材料(例如泡沫、网眼、筛网等)。

在一些实施例中，电声换能器42可包括用于使电声换能器内的空气或其他流体循环的通风系统50。例如，通风系统50可以被配置为促进电声换能器42的冷却(如以上所述)，将新鲜空气送到电声换能器42中以进行电离过程，或者从电声换能器42内部排出电离空气和/或电离副产物。例如，在电声换能器42的操作期间，周围空气中的双原子氧分子可被分解成可与其他双原子氧分子快速键合(bond)以产生臭氧(O₃)的化合价(valent)氧原子。为了帮助减少在电声换能器42的操作过程中臭氧的积累，电声换能器42还可以包括通风机52，例如风扇，用于从放电区域排出臭氧。电声换能器42还可以包括一种或多种臭氧分解过滤器催化剂54，用于捕集颗粒并将臭氧还原成不同的化学成分。臭氧分解过滤器催化剂54可以包括例如金属氧化物(例如过渡金属氧化物，如氧化锰)、贵金属、贵重金属和/或其他用于分解臭氧的材料。

与本公开一致的电声换能器可以如下操作：当在具有大表面曲率的放电元件(例如放电元件18)的电极(例如阴极12和阳极14)上施加电势差时(例如使用电压源24)，可能会在电极附近的区域(即，放电区域)中生成离子。在电声换能器的操作期间生成的离子可以在电极间空间16中朝向与其自身相反电荷的电极移动。离子的持续复合可能导致在电极间空间16中产生热量和多余的中性原子。当离子向带相反电荷的电极移动时，它们可能在电极间空间16中与中性原子和气体分子(例如空气)发生碰撞。因此，可以通过将电能转换为声振动的三种原理来产生声波：中性原子和气态分子的离子之间的动能转移、阳离子和阴离子复合期间的气体的绝热增温、以及由于在电极间空间16中持续生成、漂移和复合而导致的中性原子在电极间空间16中数量的变化。

在此过程中生成的离子可能会沿放电区域中产生的电场线漂移。发明人通过实验确定了电极(例如阵列20和/或放电元件18)的形状可以影响离子流的对称性和均匀性(homogeneity)，并且在适当配置时可以确保电极的空间配置和放电区域中的离子云场(ion-cloud field)相匹配，从而使电极间空间16中的离子复合的过程对称且均匀。通过对称且均匀的离子复合，可以稳定放电过程，从而提供优于已知电声换能器的优势。

此外，在离子生成、漂移和复合期间的质量和能量的转移过程中，电极间空间16中可能发生局部压力增加。跨电极(即，阴极12和阳极14)的电势的调制可导致离子流及其能量的相应调制，这可导致电极间空间16中的压力调制。压力调制可能会导致形成或产生球形声波。

发明人通过实验确定已知电声换能器的缺点可以归因于缺乏放电稳定性，放电稳定性与已知电声换能器中的放电元件的形状和构造有关。

通过实验，发明人发现改进电极的形状和配置可产生离子和电极的电场的自稳定效果，这使得具有两倍电极数量的电声换能器系统(与已知系统相比)可以在功率水平下获得高质量的结果，该功率水平通常会导致在先前已知的系统(即，高于10kV/cm)中发生不希望的火花放电(即，不受控制的火花放电)。

此外，发明人发现的电极形状和构造不需要如在放电元件之间使用介电隔板以防止火花的发生将放电过程变得不稳定，这种做法在先前已知的电声换能器系统中被使用。发明人进行的实验表明，划分放电区域(即，在放电元件之间放置介电隔板)作为防止或减少火花放电负面影响的手段，结合在装置操作期间于电极间空间中发生的电动(electrodynamic)过程的特性，会导致放电过程的自然空间结构受到破坏，从而使放电过程不稳定。

在已知的电声换能器系统中，放电元件延伸到电极间空间中，并在放电元件的端部附近产生具有矩形横截面的离子生成区域。但是实验表明，随着从放电元件到电极间空间的距离增加，放电空间的截面从矩形形状退化为圆形形状。通过实验已经确定，已知的电声换能器由于当离子流从电极(即，从放电元件)漂移到电极间空间时离子流形式的变化使得放电不稳定。为了减轻这种影响，已知的电声换能器系统需要沿着放电区域的边界在电极的放电元件附近(在几毫米之内)使用介电隔板。但是，介电阻挡件会通过(1)与离子直接相互作用，以及(2)由于介电阻挡件表面灰尘积聚和/或水分凝结而产生的带电作用和外表面电导性，而对放电过程产生负面影响。

发明人通过实验发现，相比已知的电声换能器，将电极配置为轴对称阵列可以提高放电过程的稳定性，提高效率，并提高声容量(即，在不降低音质的情况下产生更高声级的声波的能力)。通过实验已经表明，相比已知的电声换能器，使用轴对称阵列需要更少的电极的对(即，更少的独立的发声元件)来实现给定的声级。例如，测试了由72对电极组成的已知电声换能器，结果表明在1kHz的频率下产生的声级为90dB/m。在使用相同的电源的情况下，使用只有16对具有轴对称阵列放电元件的电极的电声换能器，在实验过程中以1kHz的频率达到了90dB/m的声级。实验还表明，与已知的电声换能器系统相比，采用较少的具有轴对称阵列放电元件的电极对的系统可以在更高的功率水平下运行，而不会发生跳火(sparkover)。

以下示例提供与上述实施例以及与本公开一致的其他实施例一致的电声换能器的非限制性示例。

示例1

参照图1、图5和图6，描述了与本公开一致的电声换能器的第一示例。在第一示例中，电声换能器可以包括两个电极，包括阴极12和阳极14，每个电极都由多个放电元件18组成。阴极12和阳极14的放电元件可以被组装成各自的轴对称阵列20，轴对称阵列20共享对称轴22。阴极12和阳极14可被安装在介电基底28上。阴极12和阳极14可通过各自的导体27连接到电压源24。电压源27可以被配置为经由相应的导体27在阴极12和阳极14之间提供电势差(即，电压)。可以使用诸如声音输入信号的控制信号来调制电压电势。

电压源24可以是任何类型的电子设备，能够在阴极12和阳极14上产生并维持足以产生双极电晕放电的电压并基于控制信号调制产生电晕放电的电压、电流或功率。例如，在放大、变换或调制的条件下，电压源和调制装置可包括真空管、晶体管、关键元件，变压器和/或其组合。例如，电压源可以包括真空管放大器、半导体放大器、升压变压器或调制电压源。

在操作期间，将电压施加在具有大表面曲率的放电元件上(即，阴极12和阳极14的放电元件18的阵列20)或其部分，并且离子可以形成在近电极区域(即，电极的放电元件18附近的区域)。生成的离子可以沿着电场强度线从一个电极向另一电极移动。

即使当跨电极的电势增加时，电声换能器也提供了高度稳定的放电过程。电极的轴对称形状为操作过程中的离子流提供了对称性和均匀性，并确保了放电区域中电极场和离子云场的空间配置相互匹配。因而在电极间空间16中，离子的复合过程是对称且均匀的，从而稳定了放电过程并提高了产生声音的质量。另外，在离子生成、离子漂移和离子复合期间发生的质量和能量转移过程中，在电极间空间16内发生局部压力的增加。通过调制跨电极的电势来调制离子流及其能量(因此调制供能的电功率)，可以调制电极间空间16内的压力以产生球形声波。

示例2

与本公开一致的第二示例可以类似于示例1，其中阴极放电元件的有源表面区域小于阳极放电元件的有源表面区域。

与示例2一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中，相对于阳极放电元件，阴极放电元件的较小的有源区面积(如本示例所规定的)允许对阳离子和阴离子的生成强度进行增强控制。例如，在与本示例一致的装置的操作期间，增加跨电极的电势可以增加放电强度，而非放电过程区域的尺寸，即(被电离气体的辉光包围的)有效表面区域。这种构造改善了放电过程的线性化，从而使得可以增加电声换能器的声功率，同时增加了所产生的声波的稳定性和质量。

例子3

与本公开一致的第三示例可以类似于示例1，其中形成阴极12或阳极14的放电元件18的轴对称阵列20的直径不大于20mm。

与示例3一致的装置可以和与示例1一致的装置以类似的方式操作，其中在电声换能器的操作过程中，通过实施由放电元件的轴对称阵列形成的电极可以实现高度稳定的放电，其中轴对称阵列的截面长度(例如，直径)不大于20mm。

示例4

参照图2、3、4、16，与本公开一致的第四示例可以类似于与示例1一致的装置，其中将阴极12和阳极14连接到电压源24的相应电路部分29、31中的一个或两个包括限流元件26，例如电阻器。换句话说，阴极12、阳极14或阴极12和阳极14二者可以通过诸如电阻器的限流元件26连接到电压源24。

与示例4一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中，限流元件26提供针对由突然过电压引起发生的不受控制的电弧的保护，从而使得电声换能器能够在各种功率水平和各种环境条件下有效操作，而没有产生不期望的电弧的风险。

示例5

参照图9、10、11、12、13、14，与本公开一致的第五示例可以类似于示例1，其中放电元件18被实施为分立的导电体，如嵌入介电化合物38中的导线，使得放电元件18的末端32与介电化合物38的表面40齐平或等高，或从介电化合物38的表面40延伸出一定距离。

与示例5一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中介电化合物38提供了对放电元件18更刚性的固定，从而增加了装置的耐久性和可靠性，将阵列20中放电元件18之间的灰尘累积速率降低最低，以及简化了阵列20的安装和移除过程。以这种方式，如上所述的介电化合物38的实施改善了装置的操作特性，并在设计和制造/装配过程中提供了更大的灵活性。

示例6

参照图7、8、11、12、13，与本公开一致的第六示例可以类似于与示例1一致的装置，其中，实施放电元件18的阵列20使得放电元件18的末端32延伸到诸如虚拟半球面36之类的虚拟形状。在其他实施例中，可以使用其他类型的虚拟形状，例如产生轴对称弯曲虚拟表面的其他形状。通过这种布置，电极之间从阵列20的中心到外围的增加的距离可以界定在操作期间从相应阵列20的中心到相应阵列20的外围的电场强度的平滑且均匀的减小，并且可以防止边缘效应对放电过程稳定性的负面影响。

与示例6一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中阴极12和阳极14的放电元件18的末端32之间的距离从每个相应阵列20的中心到外围增加。电极之间从阵列20的中心到外围的距离的增加可以界定在操作期间从相应阵列20的中心到相应阵列20的外围的电场强度的平滑且均匀的减小，并且可以防止边缘效应对放电过程稳定性的负面影响。

示例7

与本公开一致的第七示例可以类似于与示例1一致的装置，其中电极(即，阴极12和阳极14)的放电元件18形成或部分地限定三维体。在一些实施例中，三维体可以具有轴向对称结构。例如，多个放电元件18可以形成或部分地限定具有轴向对称结构的半球形或其他凸形。形成或部分限定三维体的放电元件18的尺寸(即，长度、宽度、直径等)可以在宏观(即，大于微米)、微米或纳米范围内。

与示例7一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中相对于已知装置简化了阳极14的放电元件18的几何结构，从而改善了装置的操作特性(即，实现了以上所述的优点)，并在设计和制造/组装过程中提供更大的灵活性。

示例8

与本公开一致的第八示例可以类似于与示例1一致的装置，其中阴极12、阳极14或阴极12和阳极14两者的放电元件18被实施为实心三维体的一部分，三维体的表面具有导电和介电区域。例如，放电元件的末端32和介电化合物的表面40可以被配置为形成或部分地限定三维体(例如，半球形体或其他成形状体)的表面，从而提供具有导电和介电区域的表面。

与示例8一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中放电元件18的交替的导电和介电区域允许使用具有更复杂几何结构的介电化合物38以及具有更复杂几何结构的产生的放电区域。另外，电极可包括微观放电元件18，其被配置为增加放电过程的效率和稳定性并改善装置的性能特性，同时在设计和制造/组装过程中提供更大的灵活性。

示例9

与本公开一致的第九示例可以类似于与示例1一致的装置，其中放电元件18由腐蚀性惰性和/或电化学惰性的材料形成，例如铂族金属、金属氧化物和传统的用于气体放电技术的其他材料。

与实施例9一致的装置可以与和实施例1一致的装置类似地操作，其中电极的腐蚀性惰性和/或电化学惰性材料使电极在电晕放电情况下，尤其是在其表面，能够抵抗物理和化学变化，从而延长了放电元件18的使用寿命。

示例10

与本公开一致的第十示例可以类似于与示例1一致的装置，其中放电元件18由具有低和/或高电子功函数的一种或多种材料形成。

与示例10一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中使用具有高或低电子功函数的材料增加或减小了离子生成强度，并增加或减小了离子能级，从而进一步提高了放电过程的稳定性和强度。高电子功函数可以是等于或大于4.5eV的电子功函数。低电子功函数可以是小于4.5eV的电子功函数。

示例11

与本公开一致的第十一示例可以类似于与示例1一致的装置，其中可以由多个电极对21形成的阴极12和阳极14被配置作为固定到介电基底28上的元件扬声器(即，产生声音的装置)。如图16和17所示，电极对还通过介电阻挡件44彼此电隔离。在一些实施例中，如图15所示，介电基底28自身可用作隔离电极对21的介电阻挡件。

与示例11一致的器件可以与和示例1一致的器件类似地操作，其中介电阻挡件44防止在电极对之间发生交叉放电，这确保了操作期间放电过程的稳定性并提高了限流元件的效率。介电阻挡件44还可以实现阴极12和阳极14的三维结构的实施，以实现具有期望参数的声场。

应当理解，在本文描述的任何实施例中，电极对21可以以在阴极12和阳极14之间存在充分隔离的任何方式定位，以能够产生具有足够质量的声波。即，每个电极对21的阴极和阳极部分的定位可以不必限于任何公开的实施例中所示的特定间隔或构造。例如，在一些实施例中，阴极和阳极部分可以位于实际或虚拟表面上，例如平面，球体等。

示例12

与本公开一致的第十二实施例可以类似于与示例1一致的装置，其中放电元件18被安装在反射器、喇叭、锥盆或其他被配置用于反射、引导或聚焦声波的装置附近或内部。

与示例12一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中通过使用反射器、喇叭或其他类似的装置，可以通过将声辐射定位在空间区域中来控制声场参数，从而增加所产生的声音的音量。为了不使申请材料过于繁重，图示并未反映出用于反射器或喇叭声学用途的传统设计图表。

示例13

如图18所示，与本公开一致的第十三示例可以在电声换能器42中实施与示例1一致的一个或多个装置。图18中的电声换能器42可以包括介电基底28和固定到其上的放电元件18的轴对称阵列20(例如，如图16所示)。放电元件18的阵列20可以被透声的盖48围绕，例如布、筛网、格栅、泡沫等。

与示例13一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中声音可穿透材料48被配置为通过阻止释放到环境中以及保留用于进一步处理来保留在离子生成过程中产生的臭氧。

示例14

参照图16和18，第十四示例可以类似于与示例12一致的装置，其中装置是电声换能器42，电声换能器42包括介电基底28和固定到其上的放电元件18的阵列20。组件还包括通风系统50。

与示例14一致的装置可以与示例1类似地操作，其中通风系统50被配置为产生通过电声换能器的空气流，电声换能器由电极对形成，即固定到介电基底28的阴极12和阳极14。通风系统可配置为从电极间空间16中去除在离子化和离子复合过程中释放的热量，从而防止当装置工作在足以产生电晕放电功率水平时组件内的空气和结构元件过热。

示例15

参照图16、17和18，与本公开一致的第十五示例可以类似于与示例14一致的装置，其中电声换能器由介电基底28、固定到其上的放电元件18的阵列20、以及通风系统50组成。电声换能器还包括臭氧分解过滤器催化剂54。

与示例15一致的装置可以与和示例1一致的装置类似地操作，其中通风系统50可以被配置为产生通过电声换能器42的气流，电声换能器42包括固定到介电基底28上的电极对(即，阴极12对和阳极14对)，其中通风系统50配置成允许包含臭氧的空气穿过臭氧分解过滤器催化剂54。

在不脱离本公开的范围的情况下，对所公开的装置和系统进行的各种修改和变型对于本领域技术人员是显而易见的。通过考虑本文公开的系统和装置的说明以及实践，所公开的装置和系统的其他实施例对于本领域技术人员将会是显而易见的。说明书和示例旨在被认为仅是示例性的，真正的范围由所附权利要求及其等同范围指示。