(57)【要約】【課題】歪みを低減し、効率を改善した、従来システムのキャリア周波数よりも十分に高いキャリア周波数を有するハ゜ラメトリックオーテ゛ィオシステムを提供する。【解決手段】被変調超音波発生器から他の場所に音を送信するために超音波信号を使用する。その音は、前記他の場所から発せられたかのようにみえる。具体的には、超音波キャリアは、オーテ゛ィオ信号で変調され、大気中を通過する際に復調される。キャリアの周波数は、従来システムの周波数よりも十分に高いものであり、例えば、少なくとも60kHzである。従って、変調により生じる周波数は、人間の可聴範囲を十分に超えるものであり、その結果、システムの超音波の音場内にいる人間がこれらの信号によって危害を受けることはないであろう。移動する位置に対して信号を向けて送ることができる。歪みを最小限にして効率を最大にするために、種々の手段が取られる。【選択図】図1
2010051039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラメトリックオーディオ発生器であって、
（ａ）キャリアを供給する超音波信号源と、
（ｂ）オーディオ信号源と、
（ｃ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するための手段であって、前記被変調キャリアのすべての成分が、人間の聴覚システムが応答する範囲を超える周波数を有するように、該キャリアの周波数が十分に高いことからなる手段と、
（ｄ）超音波信号を放射するための超音波トランスジューサと、
（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスジューサに与えるための手段
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項２】
（ａ）前記トランスジューサが、機械共振周波数を有する容量性のトランスジューサであり、
（ｂ）前記トランスジューサを駆動するための手段を備えており、この駆動手段が、前記トランスジューサの前記機械共振に相応する電気共振を提供するために、前記トランスジューサの容量に結合されたインダクタを備える
ことからなる請求項１の発生器。
【請求項３】
（ａ）超音波キャリアを供給する超音波信号源と、
（ｂ）第１のトランスデューサが、第１の音響−機械共振を有し、第２のトランスデューサが、前記第１のトランスデューサの周波数よりも高い周波数において第２の音響−機械共振を有することからなる、第１及び第２の超音波トランスデューサと、
（ｃ）オーディオ信号源と、
（ｄ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するための手段であって、前記被変調キャリアの周波数スペクトルが、前記トランスデューサの共振のいずれをも含むことからなる手段と、
（ｅ）前記トランスデューサを前記被変調キャリアで駆動するための手段
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項４】
（ａ）超音波キャリアを供給する超音波信号源と、
（ｂ）第１のトランスデューサが、第１の音響−機械共振を有し、第２のトランスデューサが、前記第１のトランスデューサの周波数よりも高い周波数において第２の音響−機械共振を有することからなる、第１及び第２の超音波トランスデューサと、
（ｃ）オーディオ信号源と、
（ｄ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するための手段であって、前記被変調キャリアの周波数スペクトルが、前記トランスデューサの共振のいずれをも含むことからなる手段と、
（ｅ）前記被変調キャリアを、高い方の周波数範囲の信号と低い方の周波数範囲の信号とに分割するための手段と、
（ｆ）前記第１のトランスデューサを前記低い方の周波数範囲の信号で駆動するための手段と、
（ｇ）前記第２のトランスデューサを前記高い方の周波数範囲の信号で駆動するための手段
とからなる請求項３の発生器。
【請求項５】
前記トランスデューサによって放射される超音波エネルギーの最も低い周波数成分が、人間の聴覚機構が応答する範囲の上にあるように、前記キャリアの周波数が十分に高いことからなる請求項３の発生器。
【請求項６】
（ａ）前記各トランスデューサが、電気的容量性の要素を有しており、各トランスデューサに対する信号が、その要素に加えられることと、
（ｂ）前記各駆動手段が、該駆動手段によって駆動される前記トランスデューサの容量性の要素と共振するように導電されるインダクタを備え、それによって、前記トランスデューサの音響−機械共振に相応する電気共振を提供すること
からなる請求項４の発生器。
【請求項７】
（ａ）１つまたは複数のトランスデューサからなるトランスデューサモジュールであって、各トランスデューサが、
（１）音響−機械共振周波数と、
（２）電気信号が与えられる１対の電極
とを有しており、前記電極が、それらの間の容量によって特徴づけられていることからなることと、
（ｂ）超音波信号発生器と、
（ｃ）前記発生器から前記トランスデューサモジュールに信号を与えるための駆動回路であって、該駆動回路が、前記容量に直列に接続されたインダクタンスを備えており、前記機械共振周波数で該容量と共振すること
からなる超音波発生器。
【請求項８】
前記各トランスデューサが、容量性の膜タイプのトランスデューサであることからなる請求項７の発生器。
【請求項９】
前記各トランスデューサが、圧電トランスデューサであることからなる請求項の発生器。
【請求項１０】
（ａ）オーディオで変調された超音波ビームを密閉された大気中に送信するパラメトリックオーディオ発生器と、
（ｂ）前記ビームの経路における大気の温度及び湿気の少なくとも１つを制御するための環境−制御装置であって、オーディオ信号の復調の効率を上げるための装置
とからなるパラメトリックオーディオシステム。
【請求項１１】
（ａ）オーディオで変調された向き可変の超音波ビームを送信する複数のパラメトリックオーディオ発生器と、
（ｂ）前記ビームが交差する大気内の領域を提供するために該ビームの向きを変えるための手段であって、該領域内のビームの結合した強度により、前記ビームのうちの１つのビームの復調によって得られるレベルよりも十分に高いレベルを有する被復調オーディオ信号を得ることからなる手段
とからなるパラメトリックオーディオシステム。
【請求項１２】
（ａ）超音波キャリア発生器と、
（ｂ）前記キャリア発生器の出力をオーディオ信号で変調するための変調器と、
（ｃ）前記キャリア発生器の変調された出力を受信し、それに応答して、前記オーディオ信号の大気復調を行うのに十分な強度の被変調音響ビームを送信するためのトランスデューサと、
（ｄ）オーディオ信号源と、
（ｅ）前記オーディオ信号源の出力を調整して、前記音響ビームのオーディオ成分の相互変調を補償するためのプリプロセッサと、
（ｆ）前記オーディオ信号源の出力と前記プリプロセッサの出力を結合して、その結果得られた結合オーディオ信号を、前記変調器に加えるための手段
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項１３】
（ａ）超音波周波数を有する電気的キャリアを供給するキャリア発生器と、
（ｂ）前記キャリアをオーディオ信号で変調するための変調器と、
（ｃ）前記被変調キャリアを受信し、それに応答して、被変調音響ビームを送信するためのトランスデューサと、
（ｄ）入力オーディオ信号源と、
（ｅ）前記入力オーディオ信号を前記変調器に与えるための手段と、
（ｆ）信号制御装置であって、
（１）前記オーディオ信号源からのオーディオ信号レベルを検出するレベルセンサと、
（２）検出されたオーディオ信号レベルに応答して、前記キャリアの強度を制御するための手段
とからなる装置
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項１４】
（ａ）超音波周波数ωｃと振幅sin（ωｃｔ）を有する電気的キャリアを供給するキャリア発生器と、
（ｂ）前記キャリアを入力オーディオ信号
【数７】
2010051039.tif 000009
で変調するための変調器と、
（ｃ）前記被変調キャリアを受信し、それに応答して、被変調音響ビームを送信するためのトランスデューサと、
（ｄ）入力オーディオ信号源と、
（ｅ）超音波信号を放射するための超音波トランスデューサと、
（ｆ）前記入力オーディオ信号レベルに対応するレベル信号Ｌ(t)を供給するためのレベルセンサと、
（ｇ）前記入力オーディオ信号とレベル信号に応答して、次の式で表される被変調信号Ｐ'(t)
【数８】
2010051039.tif 000010
（ここで、ｍは変調度）
を供給するために、前記電気的キャリアを変調するための制御手段
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項１５】
（ａ）前記レベル信号Ｌ(t)と前記入力オーディオ信号を加算して、和信号を出力するための手段と、
（ｂ）前記和信号の平方根を導出して、平方根信号を出力するための手段と、
（ｃ）前記電気的キャリアに前記平方根信号を乗算して、被変調キャリアを出力するための手段
を備える請求項１４の発生器。
【請求項１６】
前記制御手段が、前記検出されたオーディオ信号レベルに応答して、前記キャリアの変調度を制御するための手段を備えることからなる請求項１４の発生器。
【請求項１７】
前記レベルセンサが、ｇ(t)のピークの増加に対しては実質的にゼロの時定数を有し、ｇ(t)のピークの減少に対しては長い時定数を有することからなる請求項１４の発生器。
【請求項１８】
入力信号が、ある入力レベルを有し、被変調信号が、ある出力レベルを有し、さらに、前記入力レベルに従って、前記出力レベルを調整するための手段を備えることからなる請求項１４の発生器。
【請求項１９】
（ａ）光を反射する表面と、
（ｂ）移動する光学画像を前記反射表面に投影するためのプロジェクタと、
（ｃ）オーディオで変調された超音波ビームを送信するための向き可変のパラメトリックオーディオ発生器と、
（ｄ）前記超音波ビームを、前記光学画像の位置にある前記表面に送信するために、前記オーディオ発生器の向きを変えるための手段であって、それによって、前記超音波ビームから復調されたオーディオ信号が、前記光学画像の位置から発せられることかならなる手段
とからなる表示システム。
【請求項２０】
前記光を反射する表面が、超音波エネルギーを吸収し、オーディオエネルギーを反射することからなる請求項１９の表示システム。
【請求項２１】
前記光を反射する表面が、超音波エネルギーを拡散的に反射することからなる請求項１９の表示システム。
【請求項２２】
（ａ）キャリアを供給する超音波信号源と、
（ｂ）オーディオ信号源と、
（ｃ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するための手段と、
（ｄ）超音波信号を放射するための超音波トランスデューサと、
（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスデューサに加えるための手段と、
（ｆ）前記放射される超音波信号の大気伝搬と吸収から生じる歪みを補償するための手段
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項２３】
前記補償手段が、
（ａ）想定した距離、
（ｂ）空中の湿度、
（ｃ）温度、
（ｄ）被変調キャリアの振幅
のうちの少なくとも１つに基づいて補償を行う超音波イコライザーであることからなる請求項２２の発生器。
【請求項２４】
聞き手までの距離を決定するための手段をさらに含む請求項２３の発生器であって、前記補償手段が、該距離を決定する手段に応答し、それに基づいて補償レベルを決定すること。
【請求項２５】
温度と空中の湿度の少なくとも１つを検出するための手段をさらに含む請求項２３の発生器。
【請求項２６】
（ａ）キャリアを供給する超音波信号源と、
（ｂ）オーディオ信号源と、
（ｃ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するための手段と、
（ｄ）ある出力レベルで超音波信号を放射するための超音波トランスデューサと、
（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスデューサに与えるための手段と、
（ｆ）聞き手が危険な出力レベルを受けないようにするために、前記トランスデューサの出力を制御するための手段
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。  
【請求項２７】
聞き手が危険な出力レベルを受けないようにするための前記手段が、
（ａ）前記トランスデューサと聞き手との間の距離を決定するための手段と、
（ｂ）前記決定した距離に基づいて前記出力レベルを制御するための手段
とからなる請求項２６の発生器。
【請求項２８】
オーディオ信号を、選択した場所に選択的に送信する方法であって、該方法が、
（ａ）超音波キャリアを少なくとも１つのオーディオ信号で変調するステップであって、被変調キャリアのすべての成分が、人間の聴覚システムが応答する範囲を超える周波数を有するように、該キャリアの周波数が十分高いことからなる、ステップと、
（ｂ）前記被変調キャリアを含むビームを前記場所に向けて送るステップであって、これによって、前記オーディオ信号が、その場所から発せられたかのようにみえるか、またはその場所に限定されることからなる、ステップ
とからなること。
【請求項２９】
前記キャリアが、機械共振周波数を有する少なくとも１つの容量性の超音波トランスデューサによって生成されることからなり、さらに、前記トランスデューサの容量に結合されたインダクタを備える駆動手段によって少なくとも１つのトランスデューサを駆動して、該トランスデューサの機械共振に相当する電気共振を提供するステップを含む請求項２８の方法。
【請求項３０】
前記見かけ上の発信源が移動する場所を有し、さらに、
（ａ）前記見かけ上の発信源の位置を追跡するステップと、
（ｂ）それに応答して、前記ビームを前記移動する場所に向けて送るステップ
とからなる請求項２８の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つの映像を前記移動する場所に連続して送り、それによって、前記オーディオ信号が、前記少なくとも１つの映像から発せられるかのようにみせるステップをさらに含む、請求項３０の方法。
【請求項３２】
超音波エネルギーを吸収しまたは拡散的に反射すると共に、オーディオエネルギーを反射する表面を、見かけ上の発信源として利用し、それによって、前記見かけ上の発信源から比較的無指向性のオーディオ信号源を生成するステップをさらに含む請求項２８の方法。
【請求項３３】
（ａ）オーディオエネルギーを鏡面もしくは鏡面のように反射し、または拡散的に反射する表面を、見かけ上の発信源として利用するステップと、
（ｂ）前記見かけ上の発信源の向きを変えて、前記反射されたオーディオエネルギーを所望の場所に導くステップ
とからさらになる請求項２８の方法。
【請求項３４】
オーディオ信号を選択された場所に選択的に送信する方法であって、該方法が、
（ａ）超音波キャリアを少なくとも１つのオーディオ信号で変調するステップと、
（ｂ）前記被変調キャリアを含むビームを前記場所に向けて送り、それによって、前記オーディオ信号が、その場所から発せられるようにみえるか、またはその場所に限定されることからなる、ステップと、
（ｃ）復調効率を高めるために、前記場所の近傍の少なくとも１つの大気条件を制御するステップ
とからなること。
【請求項３５】
温度及び湿度のうちの少なくとも１つを制御することからなる請求項３４の方法。
【請求項３６】
微粒子状の物質を、前記見かけ上の発信源の近傍、または、ビームを生成するトランスデューサの近傍に導入することからなる請求項３４の方法。
【請求項３７】
オーディオ信号を選択された場所に選択的に送信する方法であって、該方法が、
（ａ）超音波キャリアを少なくとも１つのオーディオ信号で変調するステップと、
（ｂ）前記被変調キャリアを含むビームを前記場所に向けて送り、それによって、前記オーディオ信号が、その場所から発せられるようにみえるか、またはその場所に限定されることからなる、ステップと、
（ｃ）拡声器を設けるステップと、
（ｄ）前記拡声器によって前記オーディオ信号の低周波数成分が再生されるようにするステップ
とからなること。
【請求項３８】
前記キャリアが可聴振幅を有することからなり、さらに、前記可聴振幅を調整して、変調度を所望レベルの近くに維持するステップを含む、請求項２８の方法。
【請求項３９】
前記所望レベルが１である請求項２８の方法。
【請求項４０】
前記オーディオ信号の振幅の減少に応答して、少なくとも前記キャリアの送信を低減するステップをさらに含む請求項２８の方法。
【請求項４１】
オーディオ信号を送信する方法であって、該方法が、
（ａ）超音波キャリア信号をオーディオ信号で変調するステップと、
（ｂ）前記被変調キャリアを、超音波信号としてある出力レベルで放射するステップと、
（ｃ）前記放射される超音波信号の大気中の伝搬によって生じる歪みを補償するステップ
とからなること。
【請求項４２】
前記補償が、
（ａ）想定した距離、
（ｂ）空中の湿度、
（ｃ）被変調キャリアの振幅
のうちの少なくとも１つに基づくことからなる請求項４１の方法。
【請求項４３】
聞き手までの距離を決定するステップをさらに含む請求項４１の方法であって、補償が決定された距離に基づくこと。
【請求項４４】
オーディオ信号を送信する方法であって、該方法が、
（ａ）超音波キャリア信号をオーディオ信号で変調するステップと、
（ｂ）前記被変調キャリアを、超音波信号としてある出力レベルで放射するステップと、
（ｃ）聞き手が危険な出力レベルを受けないようにするために、超音波信号を制御するステップ
とからなること。
【請求項４５】
聞き手が危険な出力レベルを受けないようにするための前記ステップが、
（ａ）前記トランスデューサと聞き手との間の距離を決定するステップと、
（ｂ）前記決定した距離に基づいて前記出力レベルを制御するステップ
とからなる請求項４４の方法。
【請求項４６】
オーディオ信号を、音響的に隔離された領域に選択的に送信する方法であって、該方法が、
（ａ）複数の超音波キャリアの各々を少なくとも１つのオーディオ信号で変調するステップであって、被変調キャリアのすべての成分が、人間の聴覚システムが応答する範囲を超える周波数を有するように、該キャリアの周波数が十分高いことからなる、ステップと、
（ｂ）前記被変調キャリアが選択された領域で交差するように該キャリアを送信するステップであって、前記被変調キャリアのうちの１つのキャリアの復調によって得られるオーディオレベルよりも十分に高いレベルを有する被復調オーディオ信号を得ることができるような結合強度を、前記キャリアが前記選択された領域において有しており、それによって、前記オーディオ信号が前記選択された領域から発せられることからなる、ステップ
とからなること。
【請求項４７】
所望の場所で交差させるために、前記被変調キャリアを移動させることによって前記領域を移動させるステップをさらに含む請求項４６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーディオ信号を生成するトランスデューサから移動された仮想点音源（apparentsource）に対して、このオーディオ信号を発射することに関連する。さらに詳しくは、オーディオ信号で変調された超音波ビームを所望の場所に向けて送り、空気（大気）内伝搬の非線特性により、信号源から離れた場所でその信号を復調するパラメトリック音響システムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
オーディオ信号で振幅変調された十分強度の大きい超音波信号は、伝搬媒体の非線形伝搬特性により、空気中を通過する際に復調されるということは周知のことである。この現象に基づく従来システムが、被変調超音波発生器から他の場所（この場所から音波が発射されたように見える）に向けて音波を発射するために使用されてきた。具体的には、超音波トランスデューサのアレイが、オーディオ信号で変調された超音波ビームを発射するために提案されており、復調されたオーディオ信号の見かけ上の送信源の位置を移動させるためにこのアレイの向きを変えることができる。さらに、超音波ビームの進路に沿って再生成されるオーディオ部分（audio content）は、このビームの指向性に一致する指向性によって特徴づけられる。従って、信号を特定の位置に送ることができ、オーディオ信号は、その位置で受信されるが、ビームの軸から離れて配置された他の位置では受信されない。
【０００３】
オーディオ信号の指向性は、超音波ビームが表面から反射される場合には維持され、実際、提案されたビーム方向可変構成は、回転可能な反射表面を使用する。他方、ビームが、超音波周波数では音響エネルギーを吸収するが、オーディオ周波数ではそのエネルギーを反射する表面に向けて発射される場合には、その信号のオーディオ部分は、指向性が劣化した状態で反射され、音波はその反射ポイントから生成されたかのように見える。これらの特徴は、これらのシステムに対して多くの極めて有用な用途を与えるものである。例えば、スクリーン上に投影された動く人物を追跡するように、この超音波ビームを向けた場合には、音声の見かけ上の発生源が、その人物と共にスクリーン上を移動することになる。また、他の人々もいる、あるエリア内で静止しているか、または移動している人にビームを発射した場合には、復調された音は、他の人々には聞こえずに、そのビームをあてられた人にのみ聞こえることになる。同様に、ビームを、あるエリア内に放射し、そのエリアを通過する人がその位置に関連したメッセージを受け取るようにすることができる。例えば、美術館で、それぞれの絵画に合わせたメッセージを、その絵画の前のエリア内に放射することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにパラメトリック音波ビーム技術には有用な用途があるので、それには広範にわたる商業的用途があることが期待される。しかしながら、そうではなく、商業的に受け入れらるためには不利に作用するいくつかの要因があるように思われる。例えば、超音波ビームを放射するトランスデューサのアレイは、これまでのところ、製造するには高価であり、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が低いという特徴を有している。結果として、それは、場所をとり、扱いにくいシステムとなっている。
【０００５】
さらに、トランスデューサは、帯域幅が狭いという特徴があり、そのために、本明細書で説明するように、歪みを補償することが困難なものとなっている。
【０００６】
従来システムにおける他の欠点は、比較的低い、例えば４０ｋＨｚの超音波キャリア周波数を使用することであり、それによって、変調成分は、人間が聴くことができる上限に近い周波数を有することになる。従って、これらの成分の強度は、人間が、高強度の環境にいることに気付くことなく、それゆえ、被る被害に気付かないまま、人間の聴覚にダメージを与える程のものでありえる。さらに、これらの成分は、家庭のペットの可聴域内に完全にあり、これらのペットに対しても同様に、非常にいらだつものであり、あるいは害となりうるものである。効率の悪いトランスデューサをより高い周波数で使用することは現実的ではない。なぜなら、超音波エネルギーの空気による吸収は、周波数の関数として急激に増加するからである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明を組み込んだパラメトリックシステムは、従来システムのキャリア（搬送波）周波数よりも十分に高いキャリア周波数を使用する。具体的には、少なくとも６０ｋＨｚのキャリア周波数を使用することが好ましい。従って、これによる変調により、人間の可聴範囲より十分高い周波数が生成され、従って、これらの信号は、このシステムの超音波の音場内にいる人に対して害を与えないであろう。本明細書では、「変調」という用語が、情報を運ぶ信号がキャリアを変化させる（例えば、複合信号（すなわち、変化されたキャリア（varied  carrier））を新規に合成することができる）ために実際に使用されるかどうかに関係なく、この情報を運ぶ信号に従って、超音波信号を生成することを広義に意味するものであるとして、この用語を使用するということを強調しておく。
【０００８】
超音波信号を生成するために、従来システムの圧電トランスデューサ特性によるものよりも、より効率的に空気に結合する膜トランスデューサ(membrane transducer)を使用することが好ましい。この好ましい膜トランスデューサは、静電トランスデューサである。しかしながら、横モード（トランスバースモード）で動作する膜タイプの圧電トランスデューサもまた、効率が良い。トランスデューサは、トランスデューサの容量が、トランスデューサの音響−機械共振（acousto-mechanicalresonance）周波数で、回路のインダクタンスと共振する回路で駆動されることが好ましい。これによって、トランスデューサへ電気エネルギーを非常に効率良く伝送することができ、従って、比較的高いキャリア周波数を使用することが容易になる。
【０００９】
本明細書で説明するトランスデューサの高い効率と汎用性により、このトランスデューサは、測距、流れ検出（flow detection）、及び非破壊試験のような他の超音波用途にも適合するものとなる。
【００１０】
後述するように、超音波キャリアのパワーを変化させることによって、システムの効率をさらに増加させて、全オーディオレベルにおいて本質的に１００パーセントの変調を行うことができる。従って、より低いオーディオレベルにおいて、そのキャリアのレベルは、より高いオーディオレベルに対して要求されるレベルよりも低いものとなり、その結果、電力消費がかなり低減される。
【００１１】
複数のトランスデューサをトランスデューサモジュールに組み込み、このモジュールを、実質的に、大きな放射表面と大きな非線形相互作用領域が形成されるように構成し、及び／又は電気的に駆動することが好ましい。この構成（配列）により、システムは、放射表面と相互作用領域がより小さいトランスデューサ構成を使用した場合に用いることになる必要以上に強度の高いビームを用いることなく、比較的高い音響レベルを生成することができる。この放射表面と相互作用領域がより小さいトランスデューサは、これと同レベルのオーディオエネルギーの伝送を行うために、より高い超音波強度を生成するよう駆動される。この構成を物理的に回転させることにより、または、回転自在な反射プレートを使用することにより、あるいは、構成内の個々のトランスデューサモジュールの位相関係を変更することによって、伝送されるビームの向きを変えることができる。
【００１２】
パラメトリックオーディオシステムが、超音波ビームからオーディオ信号を抜き出すために利用する大気による復調（atmospheric demodulation）により、オーディオ信号の二次歪みが生じる。この歪みを低減するために、変調の前に、伝達関数が、オフセットされ、積分された入力オーディオ信号の平方根であるフィルタにこのオーディオ信号を通すことによって、オーディオ信号を予め調整している。本発明者は、音響効果、またはあるタイプの音楽が使用されるときに、この前調整の一部を省略することによって、または、キャリアを過変調することによって、ときどき楽しい効果を得ることができるということを発見した。生成された超音波ビームが大気によって復調されると、この音楽あるいは、音響効果は、そのハーモニック効果が増し、そして、さらに効率よく生成され、従って、所与の超音波強度に対して、十分に大きな音量のものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を組み込んだパラメトリックサウンドシステムの概略図である。
【図２】本発明を組み込んだ静電トランスデューサモジュールの組立分解図である。
【図３】多重共振周波数動作用に構成された、図２のトランスデューサモジュールの変更態様である。
【図４】代表的なトランスデューサモジュールを示す図である。
【図５】代表的なトランスデューサモジュールを示す図である。
【図６】代表的なトランスデューサモジュールを示す図である。
【図７】トランスデューサモジュールの配列を示す図である。
【図８】トランスデューサモジュールの配列を示す図である。
【図９】サウンドシステム内のトランスデューサを駆動する駆動ユニットの回路図である。
【図１０】異なる機械共振周波数を有するトランスデューサを駆動するために使用される回路を示す図である。
【図１１】圧電膜トランスデューサを利用するトランスデューサモジュールを示す図である。
【図１２】圧電膜トランスデューサを利用するトランスデューサモジュールを示す図である。
【図１３】壁から反射する音響内でシステムを使用している図である。
【図１４】３次元空間で対向した音源を移動させるために使用される複数のビームプロジェクタを使用していることを示す図である。
【図１５】パラメトリックサウンドジェネレータの適応変調構成を示す図である。
【図１６】大気を通る超音波信号の周波数別の減衰と、この現象を補正した結果を示す図である。
【図１７】大気を通る超音波信号の周波数別の減衰と、この現象を補正した結果を示す図である。
【図１８】パラメトリックオーディオ信号の送信、及びオーディオ信号の受信の両方に対してトランスデューサの領域を使用している図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
添付の図面を参照して、以下に本発明の説明を行う。
【００１５】
図１に示すように、本発明を実現するパラメトリックサウンドシステムは、２次元または３次元構成で配列された複数の超音波トランスデューサモジュール１２からなるトランスデューサアレイ１０を備えている。各モジュール１２は、本明細書で説明するような複数のトランスデューサを備えることが好ましい。トランスデューサは、位相調整（phasing）ネットワーク１６を介して信号発生器１４によって駆動される。ネットワーク１６は、アレイ１０によって放射される超音波の分布の電子的な位置合わせ、向き設定（ステアリング）、そうでない場合は変更、を容易にするために、トランスデューサに加えられる信号に可変の相対位相を与える。代替的には、信号が広帯域なので、ビームをある向きに向けるために可変位相シフトではなくて、遅延を使用すること、すなわち、すべての周波数にわたって一定の相対位相シフトを行うことが可能である。いずれの場合でも、ネットワーク１６は、向きの設定が不要である用途では省略することができる。
【００１６】
信号発生器１４は、超音波キャリア発生器１８と、出力が、オプションの信号調整器２２、さらに加算回路２４に送られる１つまたは複数のオーディオ信号源２０１、．．．２０ｎを備える。信号の調整は、加算の後でも実行することができる。回路２４からの複合オーディオ信号は、キャリア発生器１８からのキャリアを変調する振幅変調器２６に加えられる。変調されたキャリアは、１つまたは複数の駆動回路２７に加えられ、その出力は、アレイ１０のトランスデューサに加えられる。変調器２６は、変調度を変化させるために調整可能であることが好ましい。
【００１７】
図１に示すように、所望であれば、１つまたは複数の信号源２０からの信号の一部を、減衰器２３を介して関連する信号調整器２２をバイパスさせることができる。この未調整の信号は、加算器２８によって、調整器２２の出力と加算されて、復調される超音波ビームに「味わいのある（enriched）」音を提供する。
【００１８】
キャリア発生器１８によって提供されるキャリアの周波数は、６０ｋＨｚかそれより高いオーダーであることが好ましい。オーディオ信号源２０が、約２０ｋＨｚの最大周波数を有すると仮定すると、アレイ１０によって送信される被変調信号内のオーディオ信号の強度に従う実質的な強度のうちの最低周波数成分は、約４０ｋＨｚかそれより高い周波数を有するであろう。この周波数は、人間の可聴範囲より十分上にあり、この可聴範囲より上では、そのエネルギーを聴くことはできないにしても、人間の聴覚システムは反応し、従って、大きな強度によってダメージを受ける可能性がある。可聴範囲より十分上の周波数において、比較的強度の大きい音が、放射エネルギーを受ける人間の聴力を劣化させることは起こりそうにない。
【００１９】
図２に示すように、本発明を組み込んだ静電トランスデューサモジュール２９は、円錐形のスプリング３０を備えることができ、このスプリング３０は、順に、導電性の電極ユニット３２、多くの開口３６を備えた誘電性スペーサ３４、及び金属被膜重合体膜（metalized polymermembrane）３８を支持している。コンポーネント３２〜３８は、フィルム（薄膜）３８を担持し、スプリング３０を支持するベース部材４２に挿通可能に係合する上部のリング４０によって、スプリング３０に対して押しつけられる。モジュール２９は、重合体（polymer）スペーサ３４の各開口３６に対応する、複数の静電トランスデューサから構成される。具体的には、各開口上部のフィルム３８の一部と、開口下部の電極ユニット３２の一部が、単一のトランスデューサとして機能し、それは、とりわけ、フィルム３８の張力及び面密度、開口の直径、及び重合体層３４の厚さの関数である共振（共鳴）特性を有している。薄膜３８の各部分と電極ユニット３２との間の変化する電界によって、その薄膜の部分が、電極ユニット３２に向かう方向、またはそれから離れる方向にたわむ。そして、その移動の周波数は、加えられる電界の周波数に一致する。
【００２０】
図示しているように、電極ユニット３２を、適切なエッチング技法によって、各開口３６の下部の個別の電極３２ａに分割することができる。これらの電極は、これらの電極から１つまたは複数の駆動ユニット２７（図１）に延びる個別のリード線を有している。
【００２１】
以上説明したトランスデューサの構造は、従来のフレキシブルな回路材料を使用して簡単に製造することができ、それゆえ低コストである。さらに、駆動ユニットコンポーネントを、同じ基板、例えば、タブ部分３２ｂに直接配置することができる。さらにまた、それは、軽量で、そして、簡単な配置、アレイの中心合わせ（focusing）及び／または配向のためにフレキシブルなものとすることができる。
【００２２】
幾何学的形状、特に、開口３６の深さを、モジュール２９の個々のトランスデューサの共振特性が、所望の周波数範囲をカバーするように変更することができ、それによって、単一の音響−機械共振周波数を有する単一のトランスデューサ、またはトランスデューサの配列の場合に比べて、モジュールの全体的な応答を広げることができるということが理解されよう。これは、図３に示すように、２つ（または２つより多く）の層３４ａと３４ｂとからなる誘電性スペーサ３４を使用することによって実現できる。上部の層３４ａは、十分な数の開口３６ａを有している。他方、下部の層３４ｂは、層３４ａの開口３６ａの中から選択された開口だけと位置が合う開口３６ｂの組を有している。従って、２つの開口３６ａと３６ｂの位置が合うところでは、その開口の深さは、層３４ｂの開口がない部分の上部にある、層３４ａの開口の深さよりも深い。電極ユニット３２は、層３４ｂの開口の下に電極３２ｂを有しており、層３４ａの開口のみがある部分（すなわち、層３４ｂの開口がある部分を除く）の下部に電極３２ｃを有している。これによって、より高い共振周波数（浅い方の開口）を有する第１のトランスデューサの組と、より低い共振周波数（深い方の開口）を有する第２のトランスデューサの組が提供される。スクリーン印刷やエッチングなどの他のプロセスによっても、これらの幾何学的形状及び構成を作成することができる。
【００２３】
図４に、比較的広帯域の動作が可能な他のトランスデューサモジュール４３を示す。このモジュールは、一般的に円筒形状であり、図は、それの半径方向の部分を示している。図示のように、導電性の膜５０は、誘電性スペーサ５４によって、背面電極ユニット５２から隔置されている。モジュール４３は、膜５０を上部表面５４ａに押しつける（不図示の）適切な構造を備えている。このように、このモジュールは、膜５０と、溝（groove）５６及び５８の上部エッジとによって画定される複数のトランスデューサから構成される。
【００２４】
溝５６は、溝５８より深く、従って、溝５６を備えるトランスデューサは、溝５８を組み込んでいるトランスデューサよりも、その共振周波数が低い。共振周波数は、被変調超音波キャリアの帯域に対応する所望の全体応答を提供するように十分に分離されている。
【００２５】
図５及び図６に示すように、背面電極ユニット５２に、リング５３、５５、及び５７からなる導電性のパターンを設けることができ、これによって、各トランスデューサを、本明細書で説明するように個別に駆動することができるようになる。リング５３と５５の間隔、及び印加される信号の相対位相を、トランスデューサモジュールから発射される超音波ビームを形成するために選択することができる。
【００２６】
図７と図８には、トランスデューサモジュールの代替構成を示している。図７では、各モジュールは、その外形が六角形であり、これによって、モジュールが密に詰め込まれている。図８では、モジュールは正方形構造であり、この場合もモジュールが密に詰め込まれている。この配列は、多重ビームの生成、及びフェーズドアレイビーム（phased-array beam）の配向に対して十分適している。これまでの全てのトランスデューサの実現例において、電極間の電気的なクロストークは、電極間にいわゆる「ガードトラック」を配置することによって低減することができるということに留意すべきである。多重電気共鳴（必ずしも音響−機械共振ではない）を有するトランスデューサを、広帯域にわたって増幅効率を高めるために使用することができるということも理解されるべきである。
【００２７】
図９に、トランスジューサモジュール１２、または、多くのモジュール（モジュールの配列）を効率的に駆動するための駆動ユニット２７を示す。駆動ユニットは、出力が昇圧トランス６２に加えられる増幅器６１を備える。トランスの二次電圧は、モジュール１２の１つまたは複数のトランスジューサ、抵抗器６３、及びブロッキングコンデンサ（結合コンデンサ）６４からなる一連の組み合わせに加えられる。同時に、モジュールには、分離インダクタ（isolating inductor）６８、及び抵抗器７０を介して、バイアス源６６から、電気的なバイアスが加えられる。コンデンサ６４は、動作周波数において非常に低いインピーダンスを有し、インダクタ６８は、非常に高いインピーダンスを有する。従って、これらのコンポーネントは、AC（交流）部とＤＣ（直流）部とを違いに分離する以外は、回路の動作に何の影響も及ぼさない。所望であれば、インダクタ６８を非常に大きな抵抗器で置き換えることができる。
【００２８】
トランス６２の二次インダクタンスは、駆動ユニット２７によって駆動されるトランスジューサの音響−機械共振周波数、すなわち、６０ｋHｚかそれ以上で、モジュール１２の容量と共振するように調整されることが好ましい。これによって、トランスジューサの両端の電圧が効率良く昇圧されて、増幅器６１からモジュール１２までの非常に効率の良い電力結合がもたらされる。抵抗器６３は、駆動ユニットの周波数応答の広がりを減衰させるための対策用である。
【００２９】
トランス６２の二次インダクタンスを非常に小さいものとし、所望の電気的共振周波数を得るためにトランスジューサに直列にインダクタを追加することができることが理解されよう。また、トランスのインダクタが大き過ぎて所望の共振を実現できない場合は、二次巻線に並列にインダクタを接続することによって有効インダクタンスを減少させることができる。しかしながら、本発明者は、トランスの二次インダクタンスを調整することによって、駆動回路のコスト、並びに、その物理的な大きさと重量を最小限にすることができた。
【００３０】
トランスジューサモジュールまたはその配列が、前述のように、共振周波数が異なるトランスジューサを備えている場合は、各々の共振周波数に同調された個別の駆動回路を使用することが好ましいが、それは必ずしも必要ではない。そのような構成を図５に示す。変調器２６の出力は、周波数分割器７４に加えられ、この分割器によって、被変調超音波信号は、高周波数トランスジューサ７５と、低周波数トランスジューサ７６の共振周波数にそれぞれ対応する、高い方の周波数帯域と、低い方の周波数帯域とに分割される。高い方の周波数帯域は、トランスジューサ７５の機械共振周波数に同調された駆動回路２７ａを通る。駆動回路２７ｂの共振周波数は、低周波数トランスジューサ７６の機械共振に対応する。
【００３１】
スペーサ３４（図２）及び５４（図４）は、膜３８及び５０の導電性表面、かつ／または、電極ユニット３２及び５２上の導体から、適切に絶縁された金属のスペーサとすることができる。しかしながら、誘電性のスペーサの方が好ましい。なぜなら、それらによって、より高い電圧を使用することが可能になり、従って、トランスジューサがより強力に動作し、かつ線形動作をするようになるからである。
【００３２】
図１１に、圧電動作膜（piezo-active membrane、例えば、本質的に圧電性であるポリフッ化ビニリデン（PVDF）薄膜）を組み込んだトランスジューサモジュール９０を示す。対向する表面上の金属性薄膜は、圧電性材料に交番電界を印加するするために使用され、これによって、圧電性材料を伸び縮みさせる。PVDF薄膜は、これまで、音波トランスジューサにおいて横モードで圧電性材料を動作させることによって最も効率良く使用されてきた。具体的には、膜は、複数のキャビティを収容した支持構造上に吊るされる。既知のアプローチに従って、キャビティ内への膜の変位をバイアスする（偏らせる）ためにキャビティが真空にされる。膜に加えられる交番電圧によって、膜は印加される電界に対して横方向に伸び縮みし、従って、膜は、真空によるバイアスに対抗して前後に移動する。
【００３３】
本発明者は、これらのPVDFトランスジューサモジュールが、パラメトリックサウンドの生成に非常に適したものであるということを発見した。しかしながら、従来のPVDFトランスジューサモジュールの欠点は、長時間動作では信頼性のないものとなりうる、真空状態の維持を必要とすることである。
【００３４】
図１１のトランスジューサモジュール８２は、トランスジューサをバイアスするために電界を利用する。PVDF膜８４は、穿孔された上部プレート８６に適切に取り付けられており、さらに、導電性の底部電極８８の上に間隔をおいて配置されている。回路９２によって供給される直流バイアスが、電極８８と膜の導電性表面８４ａの間に結合され、それによって、膜を、プレート８６の開口部９６の中に引き込む。これは、膜８４に対して信頼性のある機械的バイアスを提供するものであり、これによって、膜は、駆動回路９４の電気的出力に応答して音響信号を生成するために線形的に作用することができる。図９に関連して前述したように、直流バイアス回路９２は、それを、交流駆動回路９４から分離（絶縁）するコンポーネントを備えることができる。
【００３５】
前述のように、広帯域動作を行うパラメトリックサウンド発生器を使用する場合には、開口部９６をおおう膜８４の部分からなる個々のトランスジューサに対して、異なる共振周波数を与えるために、図示のように、開口部９６は異なる直径を有している。膜の導電性表面の１つは、開口部に対応する電極を提供するためにパターン成形される。その同じ表面には、さらに、これらの電極を回路９２と９４に接続する導電性の経路が設けられる。具体的には、（位相調整、向き設定、吸収補償、及び共振電気駆動及び受信などのために）ビームの形状及び広がりを制御し、多重共振での駆動を容易にするために、図２〜図８の静電トランスジューサに対して説明したように、電極をパターン成形することができる。
【００３６】
図１１に示したモジュールは、高い信頼性があり、かつ、PVDFトランスジューサのすべての利点を提供するものである。さらに、それは、図示のように、多重共振周波数動作に容易に適用可能なものである。
【００３７】
図１２に、PVDFトランスジューサモジュール１００を示すが、それは、膜８４と、導電性または誘電性材料とすることができる背面プレート１０４との間のキャビティに接続された正圧源（positive pressure source）１０２によってバイアスされる。これは、直流バイアスが除かれている以外は、図１１のモジュール８２と同じ電気的駆動構成を使用する。一般的に、PVDFモジュールにおいては、負圧よりも信頼性の高い正圧を与える方が適している。代替的には、膜と背面プレートとの間に、軽量でばね状のポリマーゲル（polymer gel）または他の材料を用いることによって、正または負のバイアスを与えることができる。
【００３８】
パラメトリックオーディオ信号の大気による復調は、オーディオ信号の高域成分を相当程度強調し、結果として、約１２ｄB／オクターブの振幅応答を示す。この特性は、前処理の前にオーディオ信号のデエンファシス用の低周波エンファシスフィルタを対応づけて使用することによって補償される。しかしながら、適切な周波数応答を有するトランスジューサを使用することによって補償することが好ましい。具体的には、送信信号の周波数範囲にわたって本質的にフラットなトランスジューサの応答を提供するのではなくて、両側側波帯変調を前提として、キャリア周波数に中心をもつ三角応答（triangular response）を本質的に行うトランスジューサを設けることが好ましい。上述のトランスジューサモジュールは、図示したような多重共振周波数動作用に構成されたときに、この応答を行う。プリエンファシスフィルタを、一様でないトランスジューサ応答を補正するために使用することができる。
【００３９】
図１３は、壁１１０に関連してパラメトリックサウンド発生器を使用する場合を示しており、壁１１０に対して、トランスジューサアレイ１１４からビーム１１２が発射される。この壁は、比較的なめらかな表面１１０ａを有しており、これによって、超音波及びオーディオの周波数の両方において鏡面反射を行う。この場合では、発射されたビーム１１２は、１１６で示すように、ビームの音波成分に沿って反射される。
【００４０】
代替的には、壁の前部表面１１０ａは、超音波エネルギーを吸収して、オーディオ信号のエネルギーを反射する材料または構造とすることができる。この場合には、反射されるビームはない。むしろ、ビーム１１２が、壁に入射する領域からの比較的無指向性のオーディオ信号源が存在することになる。従って、同時に動く画像がプロジェクタ１１９によって壁に向けて投射された場合には、音が常にその画像から発せられたかのように思わせるために、ビーム１１２がその画像を追跡するようにすることができる。これと同じ効果を、超音波エネルギーを拡散的に反射するでこぼこのある表面を使用することによって得ることができる。いずれの場合においても、発射されたビームの超音波エネルギーは、比較的高いものとなりえ、それによって、可聴音のエネルギーがより大きくなるが、危険性のある強い超音波強度を有する反射を起こすことはない。ビーム１１２とプロジェクタ１１９は、サーボ機構（図示せず）によって、あるいは、共通の反射プレート（図示せず）を使用することによって、向き設定を共通にするために結合して、所望の画像トラッキングを得ることができる。代替的には、トランスデューサの位相調整された構成（フェーズドアレイ、phased array）を使用してビームの向きを設定することができる。また、すべての可聴音の反射を特定のリスニングエリア（聴取領域）に向けるために、壁を湾曲させることも可能である。
【００４１】
さらに他の代替例として、壁１１０を、光を反射するが、音は壁１１０を通過する（そして、例えば、別の表面から反射させる）ことができるように音に対しては透過性のものとすることができる。重要な点は、壁１１０の音波及び光反射特性を完全に独立なものとすることができ、設計者が、所望の用途に応じて、これらのパラメータを完全にコントロールすることができる余地があるということである。
【００４２】
図１３に示すシステムは、また、温度及び／又は湿度のような大気の条件を制御するための装置を含むことができる。本発明者は、可聴音信号を提供するためのビームエネルギーの効率的な復調は、そのような条件の直接的な関数であることを見いだした。例えば、温度を自動的に調節するヒーター、湿気発生器、及び／又は減湿器とすることができる装置１２０が、超音波ビーム１１２によって横切られる通過経路に沿って所望の条件を維持する。例えば、大気の相対湿度が低い場合には、大気中に湿気（水分）を注入することがしばしば望ましい。一般的に、吸収が最大である２０〜４０％のオーダーの相対湿度を回避することが望ましい。ステージ用のスモーク（stage smoke）のような微粒子状の他の物質を、復調効率を上げるために大気中に導入することができる。
【００４３】
オーディオ信号の重低音成分を提供するために、オーディオ信号源２０（図１）の出力をウーファ（すなわち、低周波数用スピーカ）１２１に加えることができる。非常に低い周波数は、オーディオ信号の指向性効果には寄与しないので、ウーファ１２１を使用しても、通常は、壁１１０を横切る音源の見かけ上の移動が減じられることはない。もちろん、ウーファ１２１は、意図する映写効果に対して認知できるほどの悪影響を及ぼす衝撃を避けるように、位置決めされ、及び／または、制御されなければならない。
【００４４】
２つ以上の超音波ビームを使用することによって、オーディオ信号の見かけの位置を３次元空間内の所望の位置に配置することができる。１方または両方のビームがオーディオ信号で変調される。個々の変調されたビームの強度レベルは、重要なオーディオ信号強度が生成されるレベルより低い。ビームは、互いに交差するように向けられ、ビームが交差する領域内において、２つのビームの結合強度は、十分なオーディオ信号を提供するのに十分なものである。この結合において、被復調オーディオ信号の強度は、放射された超音波ビームの強度の２乗に比例するということに留意すべきである。従って、オーディオ信号はその領域から発せられるように見え、それゆえ、ビームの交差部をシフトすることによって、この見かけのオーディオ信号源を、３次元空間全体にわたって移動させることができる。実際に、２つ以上のビームの干渉を制御することによって、音源のサイズ、形状、及び範囲を変化させることが可能である。
【００４５】
この機能を提供するパラメトリック発生器を図１４に示す。上述のように動作する超音波トランスデューサアレイ１２２及び１２３の対が、このアレイ１２２及び１２３によって放射されるビーム１２６及び１２７の向きを独立に設定するステアリング機構１２４及び１２５によって支持されている。これらのビームは、領域１２８で交差するが、この領域は、この領域内の超音波エネルギーの非線形相互作用の結果生じる見かけ上の可聴信号源となる。ステアリング機構は、ビーム１２６及び１２７の向きを変えるためのコントローラ（図示せず）によって制御され、それによって、ビームの相互作用領域１２８を様々な所望の位置に移動させることができる。このアプローチは、見かけ上の音源を生成するためだけでなく、他の人の邪魔をせずに、オーディオ信号を、特定の領域または、（移動しているかもしれない）特定の聴取者に限定するために有効である。かかる「指向性を有するオーディオ」用途では、この指向性を有するビームの近傍における不要なオーディオの反射を低減するために吸収性の表面を利用することが有効であることを実証することができる。
【００４６】
さらに、立体音響、すなわち両耳用のオーディオを生成するために、（個別のビームとして、または、分割されたビームとして生成される）ビーム１２６、１２７をそれぞれ、１人の聴取者の耳に向けることができる。この場合は、各ビーム１２６、１２７は、別々のステレオ、または両耳用のチャンネルで変調される。後者の場合には、両耳の錯覚を維持するために、オーディオ信号を生成する際に、聴取者の位置を認識することが必要であろう。
【００４７】
低レベルのオーディオ信号を再生するときに、従来システムと同様に、変調度を小さいままにしておくことを単純に許容し、一方で、高エネルギーの超音波ビームを維持することは望ましいことではない。その代わりに、オーディオ信号レベルの変化に応答してキャリアの振幅を適応させることによって、変調度を１（unity）の近くに維持することが好ましい。これによって、確実にシステムの効率が最大になり、入力オーディオがないときに超音波の送信が自動的に禁止される。
【００４８】
適切な適応システムを図１５に示す。オーディオ入力は、オーディオ源１３０によって供給される。オーディオ源は、さらに、上述したようなトランスデューサ特性に依存するデエンファシスを備えることができる。オーディオ源１３０の出力は、ピークレベルセンサ１３３と、加算器１３２に与えられる。加算器１３２は、さらに、センサ１３３の出力を受け取る。
【００４９】
加算器１３２の出力は、平方根回路１３７に加えられ、その結果生じたオーディオ信号を、変調器−乗算器１３８で、キャリアと掛け合わせる。被復調キャリアを、トランスデューサ駆動回路に送る前に、増幅器１３９によって増幅することができる。もちろん、図１５の回路要素の機能のいくつかまたはすべてを、１つまたは複数の適切にプログラムされたディジタル信号プロセッサ及び関連する回路によって実現することができる。
【００５０】
より具体的には、パラメトリックシステムは、変調された、聴くことのできない、一次超音波ビームを、空中を伝送させることによって、可聴音の二次ビームを生成する。一次ビームは、以下の式によって表される。
【００５１】
【数１】
2010051039.tif 000003
【００５２】
ここで、Ｐ１はキャリアの振幅であり、ωｃはキャリア周波数である。オーディオ信号ｇ(t)は、
【００５３】
【数２】
2010051039.tif 000004
【００５４】
のときに、合理的に忠実に再生することができる。ここで、ｍは変調度であり、ｇ(t)は、ピーク値を１として正規化されている。結果として、可聴ビームＰ２(t)は以下のようになることが知られている。
【００５５】
【数３】
2010051039.tif 000005
【００５６】
オーディオ信号がないとき（ｇ(t)＝０）は、Ｅ(t)＝１であり、一次ビームＰ１(t)＝Ｐ１sin(ωｃｔ)は、超音波キャリアの送信を継続する。この無音の超音波ビームはなんの効果も果たさず、エネルギーを浪費する。それは、また、危険なものとなりうる。純音は、少なくとも可聴音については、（エネルギーがその全帯域にわたって分布している）広帯域の音よりも一般的に危険であり、音が聞こえないので、聴取者は、自身が強力な超音波を浴びているということに気付かない。
【００５７】
図１５の回路は、変調度と、一次振幅Ｐ１全体の両方を制御し、それによって、（ａ）（変調度をある目標値、通常１かそれより低く維持したまま）変調度を最大にし、（ｂ）Ｐ１を適切に調整することによって、オーディオ信号ｇ(t)のレベルに対応して可聴レベルを維持し、（ｃ）オーディオがないときに、超音波がほとんど存在しないか、あるいは全く存在しないことを確実なものにする。これらの機能は、積分された（integrated;すなわち等価された）オーディオ信号のピークレベルＬ(t)を測定し、及び、送信される一次ビームＰ'(t)を以下のように合成することによって実現される。
【００５８】
【数４】
2010051039.tif 000006
【００５９】
ここで、Ｌ(t)は、レベルセンサ１３３の出力であり、
値
【００６０】
【数５】
2010051039.tif 000007
【００６１】
は、加算器１３２の出力である。後者の値の平方根は、平方根回路１３７によって与えられ、最後のＰ１sin（ωｃｔ）との乗算は、乗算器１３８によって与えられる。
【００６２】
式（４）によって規定される乗算器１３８の出力Ｐ'(t)を、従来の振幅変調器によって得ることもでき、その場合には、変調器に加えられるＰ１と、オーディオ信号レベルの両方が、ｇ(t)のピークレベルに応じて制御される。信号レベルがｇ(t)のレベルに比例する被復調オーディオ信号を得るために、レベル制御信号は、ｇ(t)のピーク値の平方根に比例するものとなる。図１５に示す本発明の好ましい実施態様は、この結果を達成するために単純で、より直接的なメカニズムを提供するものである。これに関連して、平方根回路１３７は、相互変調による歪みを低減するためのオーディオ信号の前調整を行い、Ｌ(t)の平方根を出力するという２つの機能を提供するものであるということに留意すべきである。
【００６３】
超音波信号の大気復調の結果、オーディオ信号Ｐ'２(t)は以下によって与えられる。
【００６４】
【数６】
2010051039.tif 000008
【００６５】
このように、この信号には、所望のオーディオ信号ｍｇ(t)と、ピーク検出信号Ｌ(t)を含む残留項とが含まれている。この残留項の可聴音に対する影響は、Ｌ(t)に比較的長い時定数を適用し、それにって、式（５）の二次導関数を大幅に小さくすることによって、無視できるほど小さな部分に減じることができる。しかしながら、これによって、オーディオ信号レベルが突然上昇したときに、過変調となって、許容できない歪みが生じる。従って、ピークレベル検出器は、ｇ(t)のピークの増加に対しては、実質的に０の時定数を有し、ｇ(t)のピークの減少に対しては、ゆるやか減衰（長い時定数）を有するようにされる。これは、式（５）の第１項から可聴音の歪みを低減すると共に、それを非常に低い周波数にシフトする。同時に、それは、所望の変調度ｍで変調されたビームを送信するために必要なレベル以下のキャリアレベルを出力する。
【００６６】
超音波照射に関する確立された安全基準がある場合には、許容可能な照射を超える可能性を自動的に除去するために、図１５の制御システムを拡張することができる。例えば、聴取者のそれぞれのメンバーが、トランスデューサから異なる距離にいる場合には、出力パワーレベルは、一番近くにいる聴取者に安全な環境を提供するように調整されなければならない。このような状況では、トランスデューサと一番近くにいる聴取者のメンバーとの間の距離を測定し、この距離を使って、全ての聴取者が危険な照射を受けないように、最大許容超音波出力を制御することが有用である。これは、一番近くの聴取者との距離を測定し、それに応じて（例えば、増幅器１３９を制御することにより）出力を調整する、測距ユニット１４０によって達成することができる。
【００６７】
測距ユニット１４０は、多くの適切な任意の方法で動作することができる。例えば、ユニット１４０を、超音波測距システムとすることができ、その場合には、被変調超音波出力には、測距パルスが加えられる。ユニット１４０は、そのパルスの戻りを検出し、送信と戻りの間の時間を測定することによって、１番近くにある物体までの距離を推定する。代替的には、パルスを送出するのではなくて、相関測距（correlation ranging）を使用して、送信される超音波の経路にある物体からのその超音波の反射をモニタし、そして相互相関またはスペクトル解析によって推定されるエコー時間をモニタすることができる。最後に、体温のある人間と冷たい生命をもたない物体とを識別することができるという利点を有する赤外線測距システムを利用することも可能である。
【００６８】
大気中の伝搬による歪みを補償することも可能である。空気中内での音の吸収は、周波数に大きく依存する（ほぼ、それの２乗に比例する）。本実施態様で使用するキャリア周波数は、吸収を最小限にするために６５ｋＨｚ近くに中心があることが望ましいが、信号は、それにもかかわらず、様々な範囲で吸収される周波数の範囲にわたる広帯域の超音波である。より高い超音波周波数は、より低い超音波周波数よりもより強く吸収され、その結果、復調された信号において可聴音の歪みが生じる。この効果は、この非均一の吸収を補償する周波数に依存する手法において、超音波出力を選択的に上げることによって緩和することができる。
【００６９】
Bass他による、J.Acoust.Soc.97(1):680-683(1995年1月）に記載されているように、大気による音の吸収は、周波数だけでなく、空気の温度と湿度にも依存する。さらに、減衰の全体的な量は、伝搬距離によっても影響を受ける（遠距離においては完全にではないが、ほぼ均一化される）。従って、正確な補償のためには、これらのパラメータを検出して、調整することが必要になる。しかし、平均的な条件を想定し（すなわち、特定の環境に対して平均的な条件を推定し）、こららの条件に補償プロファイルの基礎をおくことによって、満足のいく結果を得ることができる。従って、図１６に示すように、超音波の４つの異なる周波数の吸収（減衰率をｄＢで表す）は、明らかに異なっており、最も高い周波数ｆ４が、一番強く吸収されている（従って、１番速く減衰している）。本発明は、この周波数に基づく非均一性を補償する音場を生成する。
【００７０】
好ましいアプローチでは、被変調信号は、イコライザー１４２に送られる。このイコライザーは、想定した、または実際の距離における減衰の期待量に比例して信号の振幅を調整する。その結果、図１６に示す曲線は、図１７に示すように互いより近いものになる（最高周波数ｆ４に加えるパワーの上昇が最大である）。すなわち、全体的な減衰率は変化しないが、減衰率は、ほとんど周波数に依存しないものとなっている（従って、可聴音の歪みがほとんどなくなる）。もちろん、測距ユニット１４０を使用して、減衰の絶対量を補償することも可能である。なぜなら、周波数依存性が大幅に補正された状態では、減衰は、主として聴取者までの距離に依存するからである。
【００７１】
湿度及び温度センサ１４４を使用することによって、イコライザー１４２による補正をさらに改善することができる。温度及び湿度センサの出力は、イコライザー１４２に与えられ、既知の大気吸収方程式に従って、等化プロファイルを構築するために使用される。
【００７２】
等化補正は、距離の広範な範囲にわたって、すなわち、曲線が再び分離していくまで有効である。そのような環境では、吸収に関連する減衰をより正確に補償するために、システムが複雑になってしまうが、ビームの幾何学的形状、フェーズドアレイの中心合わせ、あるいは、他の技法を使用して、ビームの全長に沿って振幅の分布を実際に変化させることによって、補正を改善することができる。
【００７３】
前述した超音波トランスデューサは、可聴信号または超音波信号の送信に加えて、それらの受信にも使用することができるということに留意すべきである。図１８に示すように、トランスデューサモジュールまたはアレイ１６０は、上述の如く、１つまたは複数の駆動回路２７から電力を与えられる。各駆動回路２７とアレイ１６０との間に接続されたハイパスフィルタ１６２は、駆動回路における受信オーディオエネルギーの損失を防止する。ローパスフィルタ１６４は、アレイ１６０から、増幅器及び拡声器（スピーカー）のような音声応答装置１６６に、オーディオエネルギーを送る。
【００７４】
アレイ内のトランスデューサの線形動作を仮定すると、オーディオ信号は、わずかな歪みをうけるであろう。代替的には、前述したような複数の電極を備えた多重周波数構成を、フィルタリングを行わずにオーディオを受信するために使用されるオーディオ範囲で応答するトランスデューサと共に使用することができる。これによって、従来のトランスデューサ、並びにフェーズドアレイ受信では困難であった、指向性のある送信システム及び受信システムの両方のシステムを提供する、同一表面上での全二重トランザクションが可能となる。
【００７５】
これまでの説明は、本発明の種々の特定の用途を強調して行ったものであるが、それらは例示的なものに過ぎない。本発明は、多くの異なる目的のために、広範にわたる様々な実施に対して変更可能である。他の用途は、以下のものに限定されるわけではないが、娯楽環境の作成（これは、例えば、楽器の映像が投影される場所のような、部屋のまわりの特定の及び変化する場所に様々な楽器の音を発生させるために、あるいは、特定の聴取者のメンバーに音を送るために、あるいは、聴取者に、対話的な手順で見かけ上の音源を制御させるために、あるいは、例えば、音のパン及び／または配置方向を記録及び特定する際の符号化された合図に応答して、家庭用娯楽システムから正確な音の配置を規定するために、あるいは、ビームを低く向けて、親たちではなくてその子供たちに届けるために、放射されるオーディオを使用することである）、表示の記憶（例えば、表示されたアイテムに音を向ける）、ショープロモーションの交換（例えば、参加者にショーを案内し、または、異なるブースに導く）、軍事及び準軍事的な用途（例えば、敵を混乱させるための擬似的な軍隊または乗り物、敵の軍隊または住民に向けたメッセージ、見物人をびっくりさせることなく、容疑者に警告を発するための極めて良好な指向性を有する警官用の携帯拡声器）、オフィス用途（例えば、音を特定の作業用小部屋に限定する）、公共の場におけるアドレスシステム（例えば、聞き手の位置がわかっているアリーナ用のページングシステムであって、近くの観衆の邪魔をせずに、特定のいすに座っている人だけに、あるいは、レストランの特定のテーブルに対してパラメトリックビームを送ることができるようなもの、あるいは、公共の場において、例えば、エスカレータから降りようとしている、または、危険領域に近づきつつある歩行者に告知あるいは警告を送るための、あるいは、目の見えない人の案内を手助けするための、あるいは、スポットライトを取り囲むリングのように構成されたトランスデューサを用いて、光ビームを追跡し、そうすることによって、照光された物体から音を発するようにするためのもの）、玩具（例えば、ささやき声や、ガラスの粉砕音や発砲のようなノイズを非常に指向性良く発する装置）、動物を追い払うもの、音声と画像の間の同期を維持するために、見かけの音源からある距離だけ離れた表面上に音を放射する用途、及び、個人用のオーディオ源（例えば、飛行機内で、ヘッドホンの代わりに、個人用の聴取を提供する）を含む。
【００７６】
従って、本発明者は、変調された超音波放射によってオーディオを送信するための、非常に用途が広く、かつ効率の良いシステムを開発したということが理解されよう。本明細書で用いた用語及び表現は、説明の用語として使用したものであって、それらに限定するものではなく、そのような用語及び表現を使用することにおいて、図示し説明した等価な特徴、またはその一部分のいずれをも排除することを意図したものではない。しかし、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更が可能であるということは明らかである。
【符号の説明】
【００７７】
１０  トランスデューサアレイ
１２  モジュール
１４  信号発生器
１８  キャリア発生器
２０  オーディオ信号源
２６  変調器
２７  駆動回路
【図１】
2010051039.tif 000011
【図２】
2010051039.tif 000012
【図３】
2010051039.tif 000013
【図４】
2010051039.tif 000014
【図５】
2010051039.tif 000015
【図６】
2010051039.tif 000016
【図７】
2010051039.tif 000017
【図８】
2010051039.tif 000018
【図９】
2010051039.tif 000019
【図１０】
2010051039.tif 000020
【図１１】
2010051039.tif 000021
【図１２】
2010051039.tif 000022
【図１３】
2010051039.tif 000023
【図１４】
2010051039.tif 000024
【図１５】
2010051039.tif 000025
【図１６】
2010051039.tif 000026
【図１７】
2010051039.tif 000027
【図１８】
2010051039.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月25日(2009.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラメトリックオーディオ発生器であって、
（ａ）キャリアを供給する超音波信号源と、
（ｂ）デエンファシスフィルタを有するオーディオ信号源と、
（ｃ）前記キャリアをオーディオ信号で変調して被変調キャリアを形成するための手段であって、十分な強度を有する前記被変調キャリアの周波数成分が、人間の聴覚システムが応答する範囲を超える周波数を有するように、該キャリアの周波数が４０ｋＨｚより高いことからなる手段と、
（ｄ）前記被変調キャリアに応答して、変調された不可聴の一次超音波ビームを非線形伝搬媒体中に放射する第１の超音波トランスジューサであって、前記非線形伝搬媒体内において前記放射されたビームを復調し、これによって可聴音を生成するための第１の超音波トランスジューサと、
（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスジューサに与えるための手段と、
（ｆ）前記オーディオ信号のレベルを検出するレベルセンサを備える制御手段であって、
(i)前記被変調キャリアの変調度を目標値または目標値より小さい値に維持し、
(ii)前記オーディオ信号のレベルに対応して可聴レベルを維持し、及び、
(iii)オーディオ信号が存在しないときに、前記超音波トランスデューサから出力される超音波がほとんど存在しないか、あるいは全く存在しないことを確保する
ために、前記オーディオ信号の前記検出レベルに応答して、前記被変調キャリアの変調度と前記被変調キャリアの一次振幅全体の両方を制御する制御手段
を備えるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項２】
前記被変調キャリアの振幅レベルの調整が、前記オーディオ信号の前記検出レベルの変化と時間的に非対称である、請求項１の発生器。
【請求項３】
（ａ）前記トランスジューサが、機械共振周波数を有する容量性のトランスジューサであり、
（ｂ）前記トランスジューサを駆動するための手段をさらに備え、
前記駆動手段が、前記トランスジューサの前記機械共振に相応する電気共振を提供するために、前記トランスジューサの容量に結合されたインダクタを備えることからなる、請求項１の発生器。
【請求項４】
前記容量性のトランスデューサが、膜タイプのトランスデューサである、請求項３の発生器。
【請求項５】
第２の超音波トランスデューサと、
前記トランスデューサを駆動するための手段
を備え、
前記第１の超音波トランスデューサが第１の音響−機械共振を有し、前記第２の超音波トランスデューサが、前記第１の超音波トランスデューサの周波数よりも高い周波数において第２の音響−機械共振を有し、
前記被変調キャリアの周波数スペクトルが、前記トランスデューサの共振のいずれをも含むことからなる、請求項１の発生器。
【請求項６】
前記被変調キャリアを、高い方の周波数範囲の信号と低い方の周波数範囲の信号とに分割するための手段と、
前記第１のトランスデューサを前記低い方の周波数範囲の信号で駆動するための手段と、
前記第２のトランスデューサを前記高い方の周波数範囲の信号で駆動するための手段
をさらに備える、請求項５の発生器。
【請求項７】
前記各トランスデューサが、電気的容量性の要素を有しており、各トランスデューサに対する信号が、その要素に加えられ、
駆動するための前記手段の各々が、前記トランスデューサの音響−機械共振に相応する電気共振を提供するために、該駆動手段によって駆動される前記トランスデューサの容量性の要素と共振するように導電されるインダクタを備える
ことからなる請求項６の発生器。
【請求項８】
（ａ）超音波周波数ωｃと振幅sin（ωｃｔ）を有する電気的キャリアを供給するキャリア発生器と、
（ｂ）前記キャリアを入力オーディオ信号
【数１】
2010051039.tif 000029
で変調するための変調器と、
（ｃ）前記被変調キャリアを受信し、それに応答して、被変調音響ビームを送信するためのトランスデューサと、
（ｄ）入力オーディオ信号源と、
（ｅ）超音波信号を放射するための超音波トランスデューサと、
（ｆ）前記入力オーディオ信号のレベルに対応するレベル信号Ｌ(t)を供給するためのレベルセンサと、
（ｇ）前記入力オーディオ信号と前記レベル信号に応答して、次の式で表される被変調信号Ｐ'(t)
【数２】
2010051039.tif 000030
（ｍは変調指数）
を供給するために、前記電気的キャリアを変調するための制御手段と、
（ｈ）前記レベル信号Ｌ(t)と前記入力オーディオ信号を加算して、和信号を提供するための手段と、
（ｉ）前記和信号の平方根を導出して、平方根信号を提供するための手段と、
（ｊ）前記電気的キャリアに前記平方根を乗算して、被変調キャリアを提供するための手段
を備え、
前記制御手段が、前記検出されたオーディオ信号のレベルに応答して、前記キャリアの変調度を制御するための手段を備え、前記レベルセンサが、ｇ(t)のピークの増加に対しては実質的にゼロの時定数を有し、ｇ(t)のピークの減少に対しては長い時定数を有することからなる、請求項１の発生器。
【請求項９】
前記放射された超音波信号の大気伝搬と吸収から生じる歪みを補償するための補償手段をさらに備え、
前記補償手段が、
（ａ）想定した距離、
（ｂ）空中の湿度、
（ｃ）温度、
（ｄ）被変調キャリアの振幅
のうちの少なくとも１つに基づいて補償を行う超音波イコライザーであることからなる、請求項１の発生器。
【請求項１０】
前記オーディオ信号の低周波数成分を再生するように構成された拡声器をさらに備える、請求項１の発生器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
加算器１３２の出力は、平方根回路１３７に加えられ、その結果生じたオーディオ信号を、変調器−乗算器１３８で、キャリアと掛け合わせる。被変調キャリアを、トランスデューサ駆動回路に送る前に、増幅器１３９によって増幅することができる。もちろん、図１５の回路要素の機能のいくつかまたはすべてを、１つまたは複数の適切にプログラムされたディジタル信号プロセッサ及び関連する回路によって実現することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
のときに、合理的に忠実に再生することができる。ここで、ｍは変調指数であり、ｇ(t)は、ピーク値を１として正規化されている。結果として、可聴ビームＰ２(t)は以下のようになることが知られている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
このように、この信号には、所望のオーディオ信号ｍｇ(t)と、ピーク検出信号Ｌ(t)を含む残留項とが含まれている。この残留項の可聴音に対する影響は、Ｌ(t)に比較的長い時定数を適用し、それによって、式（５）の二次導関数を大幅に小さくすることによって、無視できるほど小さな部分に減じることができる。しかしながら、これによって、オーディオ信号レベルが突然上昇したときに、過変調となって、許容できない歪みが生じる。従って、ピークレベル検出器は、ｇ(t)のピークの増加に対しては、実質的に０の時定数を有し、ｇ(t)のピークの減少に対しては、ゆるやか減衰（長い時定数）を有するようにされる。これは、式（５）の第１項から可聴音の歪みを低減すると共に、それを非常に低い周波数にシフトする。同時に、それは、所望の変調指数ｍで変調されたビームを送信するために必要なレベル以下のキャリアレベルを出力する。