(57)【要約】本発明は、ある周波数範囲に亘り最小のサイドローブで比較的一定幅を有する音響ビームを出力することができるトランスジューサ・アレイを提供する。これは、入力音響信号とトランスジューサ・アレイとの間の信号通路内に１つ以上のデジタル信号変更器を利用することにより達成される。可変のウインドウ関数も開示される。
2005506780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側のアレイ境界内に位置決めされた複数の電気音響トランスジューサと、
信号成分がある周波数範囲内にある広帯域信号用の入力と前記電気音響トランスジューサとの間のデジタル信号通路と、
前記入力と前記電気音響トランスジューサとの間の信号通路内に配置されて前記電気音響トランスジューサの出力を制御することができる、１つ以上のデジタル信号変更器とを有し、この１つ以上のデジタル信号変更器は、前記信号成分に応答して発生された出力を前記外側のアレイ境界内に存在する外側の小アレイ境界（ｏｕｔｅｒ  ｓｕｂａｒｒａｙ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）を持つ前記アレイのうちのサブアレイ内に位置決めされた前記電気音響トランスジューサの小さな組（ｓｕｂｓｅｔ）に限定するようにされており、前記外側のサブアレイ境界は前記信号成分の周波数の減少と共に準連続的に広げられる、トランスジューサ・アレイ。
【請求項２】
前記１つ以上のデジタル信号変更器は、最大出力から事実上零出力まで前記サブアレイの遷移帯に位置決めされたトランスジューサの出力を徐々に減少するようにした、請求項１のトランスジューサ・アレイ。
【請求項３】
前記１つ以上のデジタル信号変更器は、最大振幅レベルより低くかつ事実上零の振幅レベルの値を有する振幅まで前記小アレイの遷移帯内に位置決めされた少なくとも１つのトランスジューサの出力を減少するようにした、請求項１または２のトランスジューサ・アレイ。
【請求項４】
前記１つ以上のデジタル信号変更器は、前記周波数範囲に亘りあらかじめ選択された一定またはほぼ一定の値にビーム幅を効果的に維持するために前記外側の小アレイ境界を前記外側のアレイ境界の方へ広げるようにした、請求項１から３までのいずれかのトランスジューサ・アレイ。
【請求項５】
前記信号を２つ以上のチャネルに配置するようにしたデジタル処理装置を有し、前記チャネルは所与の場所までの互いに異なる移動長を有し、前記１つ以上のデジタル信号変更器は前記２つ以上のチャネルの各々のためにそれぞれの異なるビーム幅を維持するようにした、請求項１から４までのいずれかのトランスジューサ・アレイ。
【請求項６】
前記デジタル信号変更器は、有限デジタル・フィルタである、請求項１から５までのいずれかのトランスジューサ・アレイ。
【請求項７】
前記信号の１つ以上のビームを所定方向に操縦するための更なるデジタル信号処理装置を有する、請求項１から６までのいずれかのトランスジューサ・アレイ。
【請求項８】
トランスジューサ・アレイであって、
外側のアレイ境界内に位置決めされた複数の電気音響トランスジューサと、
信号成分がある周波数範囲内にある広帯域信号用の入力と前記電気音響トランスジューサとの間のデジタル信号通路と、
前記入力と前記電気音響トランスジューサとの間の信号通路内に配置されて前記電気音響トランスジューサの出力を制御することができる１つ以上のデジタル信号変更器とを有し、この１つ以上のデジタル信号変更器は、前記トランスジューサ・アレイに対し周波数依存空間利得ウインドウを課すようにした、トランスジューサ・アレイ。
【請求項９】
前記空間利得ウインドウの幅は、前記信号成分の周波数の関数である、請求項８のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１０】
前記ウインドウ関数は、前記周波数依存空間利得がウインドウの半径の増大と共に徐々に減少されるテーパをなす縁部を有している、請求項８または９のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１１】
前記ウインドウ関数は、前記周波数範囲内において高い方の閾値周波数より高い全ての周波数に対して周波数とは無関係（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）である、請求項８、９または１０のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１２】
前記ウインドウ関数は、前記周波数範囲内において低い方の閾値周波数より低い全ての周波数に対して周波数とは無関係である、請求項８、９、１０または１１のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１３】
１つ以上の異なるウインドウ関数が、前記周波数範囲内において低い方の閾値周波数より低い全ての周波数について課される、請求項８から１２までのいづれかのトランスジューサ・アレイ。
【請求項１４】
外側のアレイ境界内に位置決めされて音響波信号を発生する複数の電気音響トランスジューサと、
少なくとも１つの周波数範囲内に信号を含む広帯域信号のために入力点と前記トランスジューサとの間にデジタル信号通路とを有し、前記トランスジューサ間の間隔は前記アレイの少なくとも小アレイ内において不整一である、波動フィールド（ｗａｖｅｆｉｅｌｄ）生成トランスジューサ・アレイ。
【請求項１５】
隣接のトランスジューサ間の平均距離は前記アレイの中心からの前記トランスジューサの距離の増大と共に増大する、請求項１４のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１６】
第１の大きさのトランスジューサは前記アレイの中心小アレイの中央の小アレイ内に位置決めされ、第２のより大きい大きさのトランスジューサは前記中央の小アレイの外側に位置決めされている、請求項１４または１５のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１７】
一群のトランスジューサが同一の１つ以上のデジタル信号変更器に接続されている、請求項１４、１５または１６のトランスジューサ・アレイ。
【請求項１８】
外側のアレイ境界内に位置決めされた複数の電気音響トランスジューサと、
信号成分がある周波数範囲内にある広帯域信号用の入力と前記電気音響トランスジューサとの間のデジタル信号通路と、
前記入力と前記電気音響トランスジューサとの間の信号通路内に配置されて前記電気音響トランスジューサの出力を制御することができる１つ以上のデジタル信号変更器とを有し、この１つ以上のデジタル信号変更器は、前記信号成分に応答して発生された出力を前記外側のアレイ境界内に存在する外側の小アレイ境界を持つ前記アレイのうちの小アレイ内に位置決めされた前記電気音響トランスジューサの小さな組に限定するようにされていて、前記外側の小アレイ境界は前記信号成分の周波数の減少と共に準連続的に広くされ、トランスジューサ間の間隙は少なくとも前記小アレイ内においては不整一である、トランスジューサ・アレイ。
【請求項１９】
ある範囲の周波数を持つ信号成分に応答して発生された出力が外側のアレイ境界内に存在する外側の小アレイ境界を有する、電気音響トランスジューサ・アレイの内の小アレイ内に位置決めされた小組の前記トランスジューサに限定されるように前記電気音響トランスジューサの出力を制御するステップと、前記信号成分の周波数の減少と共に前記外側の小アレイ境界を準連続的に広げるステップとを有する、音響トランスジューサ・アレイの動作方法。
【請求項２０】
前記出力を限定するために周波数依存空間利得ウインドウ関数を使用するステップを有する、請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記ある範囲の周波数に亘り一定またはほぼ一定のビーム幅が維持されるように前記外側の小アレイ境界を広げるステップを有する、請求項１９または２０の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの後方チャネルを有する多チャネルサラウンド音信号を再生する、トランスジューサ・アレイを備えた音響システムであって、該トランスジューサ・アレイが、
外側のアレイ境界内に位置決めされた複数の電気音響トランスジューサと、
信号成分がある周波数範囲内にある広帯域信号用の入力と前記電気音響トランスジューサとの間のデジタル信号通路と、
前記入力と前記電気音響トランスジューサとの間の信号通路内に配置されて前記電気音響トランスジューサの出力を制御することができる１つ以上のデジタル信号変更器とを有し、この１つ以上のデジタル信号変更器は、前記信号成分に応答して発生された出力を前記外側のアレイ境界内に存在する外側の小アレイ境界を持つ前記アレイのうちの小アレイ内に位置決めされた前記電気音響トランスジューサの小さな組に限定するようにされており、前記外側の小アレイ境界は前記信号成分の周波数の減少と共に準連続的に広げられる音響システム。
【請求項２３】
前記１つ以上のデジタル信号変更器は、前記周波数範囲に亘りあらかじめ選択された一定またはほぼ一定の値にビーム幅を効果的に維持するために前記外側の小アレイ境界を前記外側のアレイ境界の方へ広げるようにした、請求項２２のトランスジューサ・アレイ。
【請求項２４】
前記信号を前記少なくとも１つの後方チャネルを有する２つ以上のチャネルに配置するようにしたデジタル処理装置を有し、前記チャネルは所与の場所までの互いに異なる移動長を有し、前記１つ以上のデジタル信号変更器は前記２つ以上のチャネルの各々のためにそれぞれのビーム幅を維持するようにした、請求項２２または２３のトランスジューサ・アレイ。
【請求項２５】
隣接のトランスジューサ間の平均距離は前記アレイの中心からの前記トランスジューサの距離の増大と共に増大する、請求項２２，２３または２４のトランスジューサ・アレイ。
【請求項２６】
前記１つ以上のデジタル信号変更器は、周波数依存空間利得ウインドウを前記トランスジューサ・アレイに課するようにした、請求項２２、２３、２４または２５の音響システム。
【請求項２７】
前記信号を前記少なくとも１つの後方チャネルを含む２つ以上のチャネルに配置するようにした、デジタル処理装置を有し、前記チャネルは所与の場所までの互いに異なる移動長を有し、前記１つ以上のデジタル信号変更器は前記２つ以上のチャネルの各々のために異なるビーム幅を維持するとともに周波数依存空間利得ウインドウを前記トランスジューサ・アレイに課するようにし、隣接のトランスジューサ間の平均距離は前記アレイの中心からの前記トランスジューサの距離の増大と共に増大する、請求項２２から２６までのいずれかの音響システム。
【請求項２８】
前記アレイは２次元アレイである、請求項１から２７までのいずれかのアレイ、方法または音響システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操縦アンテナ（ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  ａｎｔｅｎｎａｅ）及びトランスジューサ・アレイに関し、特に電気音響トランスジューサ・アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
操縦アンテナまたは位相調整アレイ・アンテナ（ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａｅ）は、電磁気分野及び超音波音響分野の両方において当業者に公知である。それらは、音波（可聴）音響領域ではあまり知られていない。
【０００３】
共有になる（ｃｏｍｍｏｎｌｙ−ｏｗｎｅｄ）公開国際特許出願第ＷＯ  ０１／２３１０４は、音波の操縦アンテナまたは位相調整アレイ・アンテナ及び種々の効果を達成するためのそれらの使用を記載している。この国際出願は、入力信号を取り入れ、この入力信号を復数回複写し、その複写の各々を所望の音場が生じるようにそれぞれの出力トランスジューサに送る前に変更する方法及び装置を記載している。この音場は、有向ビーム、収束ビームまたは擬似原点（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ｏｒｉｇｉｎ）を含んでもよい。
【０００４】
ビームの向き及びビーム幅、すなわち、操縦性の制御は、多チャネル音響信号のような広帯域音響信号を発生し操縦するために必要とされる。これらのパラメータは、放射された信号の周波数または周波数範囲に依存する。更に、それらは、放射源の空間配置に依存する。この空間配置は、使用されたトランスジューサの技術特性及びコストから生じる技術的制約を受ける。従って、本明細書では簡単にデジタルスピーカシステム（ｄｉｇｉｔａｌ  ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）、すなわち、ＤＬＳと呼ぶことにする、所定の方向へ音声を放出することができる機能的で経済的に実現可能な音響エネルギー源を設計することは、複雑な仕事である。
【０００５】
ＷＯ  ０１／２３１０４で、ビームの向きはそのアレイを横切る各トランスジューサの出力を遅延することにより制御される。適切な遅延は、周波数依存であるが、そのアレイのトランスジューサから放射された全ての信号に対し所定位置で建設的干渉を行う。
【０００６】
一方、２つの最小値間の角距離として測定されたか、または任意の他の既知の定義によるかに関係なく、ビーム幅は、最も簡単な場合、そのビームの向き、そのビームの周波数及び放射領域またはそのビームを発する音源のアレイの放射領域または幅の関数である。前に記載したアレイの場合、ビームは、周波数の増大と共に狭くなる。このことは、広帯域信号では、周波数範囲が広く、音響信号の場合多くのオクターブにおよびうるので、信号の最も低い周波数成分においてでビームを発生し操縦することが困難となる。この問題の克服の１つの方法は、アンテナのアレイの横寸法を拡大することにより行われる。しかし、このより大きなアレイは、高周波におけるビームを狭くする。この影響は、例えば、音の投射のような実際の用途においては不都合となる場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、広帯域音波信号のビームを放射し、これを操縦する音響トランスジューサ・アレイの能力を改良しながらその実施に必要とされる機械的電子的要素を最小にすることである。
本発明の他の目的は、低周波での十分な方向性と高周波での十分なビーム幅を持つ広帯域波信号を放射する広帯域トランスジューサ・アレイを得ることである。
本発明の更に他の目的は、聴取者に達する前に種々の異なる移動通路（ｔｒａｖｅｌ  ｐａｔｈｓ）を持つ音響ビームの操縦性を改良した広帯域トランスジューサ・アレイを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的に鑑み、本発明は、非引用形式の請求項で請求した方法及び装置を提供する。
本発明の第１の態様によれば、１つ以上の信号ビームを操縦することが可能な電気音響トランスジューサ・アレイが提供される。信号は、音響信号が好ましいが、この信号に同時に存在する多くの異なる周波数の成分からなる。これらの異なる成分の各々の出力応答アレイを調整するデジタル・フィルタのような適切に形成されたデジタル信号変更器を使用することにより、非零出力は、アレイのうちの小アレイ（ｓｕｂａｒｒａｙｓ）に限定することができる。信号成分の周波数の低下と共に小アレイの境界を広げることによって、一定のビーム幅を全周波数範囲に亘り得ることができる。
【０００９】
本発明のこの態様の変形例では、有効領域の縁部を円滑化する。これは、最大振幅または最大利得からカットオフ出力または零出力への減少を、これら２つの値の間の利得レベルで動作する少なくとも１つのトランスジューサを含む区域（ｚｏｎｅ）に亘って広げることにより行う。この円滑化は、主ビームのサイドローブとして放射されるエネルギー量を減少するためである。
【００１０】
このデジタル信号変更器を実装する特定の便利な方法は、ウインドウ関数（ｗｉｎｄｏｗ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をエミュレートするようにプログラムされたデジタル有限インパルス応答フィルタとしてである。ウインドウ関数により周波数の減少で非零放射領域が拡大され、従って、大きな周波数範囲に亘って信号の一定ビーム幅が維持される。多くの種々のウインドウ関数を、本発明の態様の範囲内において使用することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、操縦可能な音波信号のビームを発生するに必要なトランスジューサの数を最小にするトランスジューサの物理的な構成を導入することである。隣接トランスジューサ間の間隔を徐々にまたは階段状（ｓｔｅｐ−ｗｉｓｅ）にアレイの外側領域の方へ向って変えることによって、トランスジューサの数は、等しい幅でかつ規則的な間隔のアレイと比較して著しく減少することができる。代替として、トランスジューサのサイズを変更してもよい。
【００１２】
本発明の第１の態様により課されるトランスジューサ間隔に対する制限を考慮することにより、最少数のトランスジューサのアレイが設計され、しかもほぼ一定ビーム幅の広帯域ビームを発生する要求を満足することができる。上記の態様の全ては、トランスジューサの１次元及び２次元の平坦なまたは湾曲したアレイに適用することができる。
本発明の以上の及び他の態様は、次の図面に関する非制限的な例の詳細な記載から明らかとなろう。
【００１３】
（発明の詳細な説明）
まず、音声信号のビームを１つ以上の所定方向に操縦することができるトランスジューサの既知の配列または別名ＤＬＳ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ）を記載する。
【００１４】
図１の基本構成は、共通のシャーシ１２に取り付けられて本質的には２次元アレイに配列された複数の空間分布の電気音響トランスジューサ１１−１〜１１−ｎを含むアレイ１０を示す。これらトランスジューサ１１は、各々究極的には同一のデジタル入力に接続される。この入力は、変更されてトランスジューサに入力を与えるよう分配される。ビーム操縦は、所定の場所１３、１４における個々のトランスジューサから生じる信号の建設的な干渉を確保するために、遅延または移相をその信号に加えることにより達成される。本例のために、これらの場所は、部屋の中における聴取者１５の方に、音の向きを戻すのに十分な反射を与える部屋の側壁または後壁上の点である。基本的な幾何学的計算により、遅延は、アレイのトランスジューサの相対位置と、トランスジューサ１１−１〜１１−ｎに対する場所１３、１４の方向θの関数であるということが示される。必要な遅延または移相を決定することは、それ自体複雑な仕事であるが、本発明は、基本的なビーム操縦プロセスと独立に取り扱うことができる幾つかの態様を改良しようとするものである。ビーム操縦の遅延または移相の態様の更なる詳細については、例えば、本明細書に全部組み込まれた公開国際特許出願ＷＯ−０１２３１０４を参照されたい。
【００１５】
遅延及び移相の計算は、既知の数学的な問題ではあるが、その信号の適当に遅延された複製をアレイの各トランスジューサに供給するようにする等の、信号の変更に必要な電気電子回路は、様々に変更することができ、もちろん、信号処理の分野における技術的進歩を受けることがある。従って、以下更に詳しく言及する、図２の構成要素は、同一のデジタル信号処理能力を備えた他の構成要素と大いに交換可能なものと考えられる。
【００１６】
図２において、音響源データは、Ｓ／ＰＤＩＦにおける光学または同軸デジタル・データ・ストリームかまたは他の任意の既知のオーディオ・データ・フォーマットとして入力２１を介してＤＬＳにより受信される。このデータは、簡単な２チャネル・ステレオ信号またはＤｏｌｂｙ  Ｄｉｇｉｔａｌ（Ｒ）  ５．１またはＤＴＳ（Ｒ）音声のような現代の圧縮符号化多チャネル再生音を含んでもよい。多チャネル入力２１は、デジタル信号処理装置及びこれらの独占的（ｐｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ）な音響データ・フォーマットを取り扱うように設計されたファームウエア２２を使用して復号化され伸張される（ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ）。それらの出力は、３対のチャネル２３に送られる。そして、このチャネル対は、入力を標準のサンプル・レート及びビット長に変換するために多チャネル・サンプル・レート変換器２４に提供される。サンプル・レート変換器段２４の出力は、６つの全チャネルを含む単一高速直列信号に組み合わされる。従来のステレオ入力の場合は、これらチャネルの内の２つだけが有効データを含んでもよい。
【００１７】
この直列化したデータは、更なる処理のためにデジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット２５に入る。このＤＳＰユニットは、１３３ＭＨｚで動作して、浮動点フォーマットで計算の大部分を行う、一対の市販のテキサス・インストゥルメンツＴＭＳ３２０Ｃ６７０１ＤＳＰを有している。
第１のＤＳＰは、使用されるトランスジューサの周波数応答の不整一（ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ）を補償するためにフィルタリングを行う。それは、オーバサンプリング処理により発生される高周波分を除去するために、４倍のオーバサンプリングと補完処理を提供する。
第２のＤＳＰは、１９５ｋＨｚのサンプリング速度でワード長を９ビットに減少するために量子化とノイズ・シェーピングを行う。
【００１８】
第２のＤＳＰからの出力は、バス２５１を使用して並列に１１個の市販のＸｉｌｉｎｘ  ＸＣＶ２００フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）２６に対して分配される。このゲート・アレイは、チャネル毎にかつトランスジューサ毎に独特な時間遅延を加える。それらの出力は、その入力の幾つかの異なるバージョンまたは複製であり、その数は、トランスジューサの数×チャネルの数に等しい。この例のトランスジューサ２１１−１〜２１１−ｎの数は１３２であるので、その入力の数百の異なるバージョンまたは複製がこの段階で発生される。チャネルの個々のバージョンは、トランスジューサ毎に加算器２７−１〜２７−ｎで加算されて、パルス幅変調器（ＰＷＭ）２８−１〜２８−ｎに送られる。各パルス幅変調器は、Ｄ級出力段２９−１〜２９−ｎを駆動する。Ｄ級出力段２９−１〜２９−ｎの供給電圧は、トランスジューサ２１１−１〜１２２−ｎに対する出力パワーを制御するために調整することができる。
【００１９】
システムの初期化は、マイクロコントローラ２９１の制御下にある。ひとたび初期化されると、マイクロコントローラ２９１は、赤外線遠隔コントローラ（図示せず）を介してユーザから方向及び音量調整命令を取り、それらをシステム表示部に表示し、それらを第３ＤＳＰ２９２に送るために使用される。
【００２０】
このシステムの第３のＤＳＰは、各トランスジューサの各チャネルの必要な時間遅延を計算して、例えば、各チャネルの別の方向への操縦を可能にするために使用される。例えば、第１対のチャネルは、部屋の（ＤＬＳの位置に対し）左右の側壁に向けることができ、第２対は、サラウンド音を発生するために後壁の左右に向けられる。このように設定されて遅延要求はデータ・サンプルと同一の平行バス２５１を介してＦＰＧＡ２６に分配される。上記のステップの大部分は、ＷＯ−０１２３１０４に更に詳しく記載されている。
【００２１】
次に図３に示した本発明の第１の実施例を参照する。追加的なフィルタリング処理３１が図２の信号路に加えられる。なお、本発明により導入された変化を強調するため、同一の参照数字及び参照文字は、図２及び図３における同様な部分をそれぞれ示す。
【００２２】
図３において、デジタル・フィルタ３１−１〜３１−ｎは、チャネルに従って信号が分離されて加算された後に使用される。このデジタル・フィルタ段の出力は、トランスジューサ２１１−１〜２１１−ｎの各々のＰＣＭ段２８−１〜２８−ｎに送られる。デジタル・フィルタ３１−１〜３１−ｎは、別のＤＳＰまたはゲート・アレイにより構成することができ、または実際単に他の信号処理装置２５、２６に組み込んでもよい。
デジタル・フィルタの物理的構成は、ＤＬＳの形成に使用される電子部品に従って変更してもよいので、デジタル・フィルタは、それらの所望の応答または信号に対する効果の点について更に良く記載する。
【００２３】
上記デジタル・フィルタは、放射される信号の周波数に依存してトランスジューサの出力を制御または変更するように設計されている。５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数範囲内で、デジタル・フィルタ３１−１〜３１ｎは、大体一定のビーム幅を維持しようとしている。これは、実際的には、アレイのトランスジューサ２１１−１〜２１１−ｎの出力振幅に対し周波数依存ウインドウを課すことによりなされる。従って、新しいフィルタは、トランスジューサの利得をアレイ内のそれらの相対位置及び放射される信号の周波数分に依存して減少する。
【００２４】
以下では、図４〜図６を参照して本発明のこの実施例及びその更なる変形例を更に詳しく記載する。
図４には、トランスジューサ１１−１〜１１−ｎのアレイ１０の動作に対し、本発明の実施例による装置が有する効果が示してある。また、図４で使用した数字は、等しいまたは等価な要素について、図１で使用したものに等しい。
図４に示した２次元プロット４１、４２、４３は、周波数の増大順の３つの異なる周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の場合のアレイのトランスジューサに加えられた出力利得を示す。このトランスジューサ・アレイ１０は、その中心に位置する原点４４１すなわち零点を有する平面を画定している。このアレイにより画定された平面に直角に、放射信号の利得を表す垂直軸４４が示してある。任意の、しかし、高減衰は、カットオフ・レベルとして定義され、そして、トランスジューサ・アレイの平面と一致するように描いてある。従って、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を有する信号分のカットオフ・レベルを表す曲線４１１、４２１、４３１は、アレイ１０のトランスジューサのどれが放射に寄与するかを示す。すなわち、曲線４１１により設定された境界内に位置決めされたトランスジューサは、周波数ｆ１を有する信号の放射に寄与し、曲線４２１により設定された境界内に位置決めされたトランスジューサは、周波数ｆ２を有する信号の放射に寄与する、以下同様。それぞれの境界の外に位置づけられたトランスジューサは、カットオフ利得以下で動作される。曲線４１１、４２１、４３１により囲まれた領域は、次に与えられた周波数ｆにおけるアレイの有効な放射領域と呼ぶことにする領域を３つ表わす。
【００２５】
さて本発明の目的は、周波数とは独立なビーム幅を設定または選択する手段として、アレイの周波数及び物理的寸法により主に設定された限界内の有効な放射領域を制御することである。この有効な放射領域を周波数の関数として変えることによって、この選択されたビーム幅は、周波数の広範囲、一般的には、オクターブ以上に亘り一定またはほぼ一定の値に保持することができる。このためには、ビーム幅と有効な放射領域の線形寸法（ｌｉｎｅａｒ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ）との間の関数関係を使用する。（無限に小さい）源よりなる１次元アレイの最も簡単な場合、この関数関係は次の式「１」により表すことができる：
【数１】
2005506780.tif 000003
【００２６】
ここでｌｅｆｆは、与えられたビーム幅θＢＷ（主ビームを限定する２つの最小値の間の角度として与えられた）の場合の、周波数ｆにおけるアレイの有効長の半分である。定数ｃは空気州の音速である。
従って、本発明を実施しようとする特定環境に適用されるビーム幅θＢＷを選択することによって、図３の信号処理装置３１−１〜３１−ｎは、式「１」に従って有効な放射領域を発生するためにトランスジューサの出力を周波数に依存して減少するようにプログラムすることができる。
【００２７】
しかし、「１」の適用では、有効な領域の縁において最大信号振幅から零信号振幅への放射信号の突然の降下を前提とする。図４の場合においては、減衰プロット４１、４２、４３は、最大信号強度への円滑な増加の代わりに、矩形窓の利用に等価な境界曲線４１１、４２１、４３１における最大強度への単一ステップを描いている。しかし、放射領域にするどいエッジを導入すると、望ましくない大量のエネルギーがサイドローブで放出され、すなわち、有向性の音響が減少されることになるであろう。従って、次に記載すべき本発明の更に好適な変形例が存在する。この変形例では、有効な放射領域を囲むより広い遷移区域に縁区域が拡張される。この領域内でトランスジューサは、それらの利得が、アレイの中心からのそれらの半径方向距離に依存して徐々に零の方へ減少されるように制御される。図４において遷移区域は実際とは異なって図示されていて、非常に尖った減衰プロフィールまたはウインドウになってしまう。実際上は、テーパをなす縁を持つ任意の知られたウインドウ関数を、縁部に遷移区域を有する有効な放射領域を形成するために利用することができる。
【００２８】
ウインドウ関数の選択は、所望のビーム幅とサイドローブ・レベルとの間の妥協により決定される。適切なウインドウ関数には、式「２−１」により表すことができるＨａｎｎウインドウが含まれる：
【数２】
2005506780.tif 000004
与えられたビーム幅θＢＷにおける周波数とウインドウの半有効長Ｌｅｆｆを関係づけるＨａｎｎウインドウの場合は
【数３】
2005506780.tif 000005
【００２９】
別の適用可能なウインドウは、次により表されるｃｏｓウインドウである。
【数４】
2005506780.tif 000006
ｃｏｓウインドウの場合、関係「２−２」に等価な式は次のごとく書くことができる。
【数５】
2005506780.tif 000007
【００３０】
他の適用可能なウインドウ関数には、Ｈａｍｍｉｎｇ型、Ｋａｉｓｅｒ型、またはＣｈｅｂｙｓｈｅｖ型のウインドウまたは（２次元のベッセル関数となる）ｓｉｎ（ｘ）／ｘ型のウインドウが含まれる。これらは全て、文献に広く記載されている。
これらウインドウ関数の適用により周波数と有効アレイ長との間の変更した関係（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｒｅｌａｔｉｏｎ）「１」、「２−２」、「３−２」が得られる。
【００３１】
これらのテーパをなすウインドウ関数の使用により、ボックスカー（ｂｏｘ−ｃａｒ）・ウインドウを表す式「１」に比較して有効長Ｌｅｆｆが拡大される。しかし、「１」の一般的な特性は保持される。すなわち、一定のビーム幅を維持するためには、有効放射領域を周波数の増加と共に減少する必要があり、またこの逆も言える。
【００３２】
適当なウインドウ関数の選択の後、この選択したウインドウ関数から１組の所望のフィルタ応答を得ることができる。これを以下の図５Ａと図５Ｂを参照して示す。標準的な設計ツールを使用すると所望のフィルタ応答を、デジタル領域においてフィルタを実現するフィルタ係数に変換することができる。このフィルタ係数をフィルタ応答から得る既知の方法は、例えば、逆フーリエ変換を使用することである。ＭＡＴＬＡＢ（Ｒ）のような知られた数学的または工学的プログラムは、必要な変換ステップを容易に行うことができる。この実施例のフィルタは、線形位相有限インパルス応答フィルタであり、これは、ビーム操縦プロセスによって導入された位相関係及び遅延を維持するために有益であるとみなされている。
【００３３】
全通過位相訂正段（ａｌｌ−ｐａｓｓ  ｐｈａｓｅ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｓｔａｇｅ）を備えた無限インパルス応答フィルタのような別のフィルタ構成を使用することができる。
フィルタ構成とは無関係に、本発明の制御処理及び単一のデジタル信号処理ステップ内の知られたビーム操縦方法を含む、完全な信号処理を行うことが可能である。
【００３４】
また、フィルタ・パラメータ（例えば、フィルタの長さ、利得など）の多くは、利用可能な電気電子部品により決定される制約を蒙る。音響システムの場合、この制約は更に音響周波数、すなわち、２０Ｈｚと２０ｋＨｚとの間の音響周波数において、信号をリアルタイムで形成する要求により決定される。
前に述べたように、有効放射領域は、周波数の増大と共に減少し、出力信号に寄与するトランスジューサは、益々少なくなる。
逆に、周波数が減少すると、有効放射領域は増大する。この一般的な特性によりウインドウの形状、従って、フィルタの設計の更に有利な変形が得られる。
【００３５】
まず、ウインドウの幅がより高い周波数の方へ縮小するに従い、更に任意のトランスジューサの有限な幅を考慮すると、結局、アレイの真ん真ん中に配置されたトランスジューサのみが最高周波数を再生する。従って、これらの周波数は全然操縦されない。
最小のウインドウ幅を設定することによって、十分な数のトランスジューサは、その信号に何らかの操縦性を与えるためにカットオフ・レベルでウインドウ半径内に存在することが保証される。最小のウインドウ幅を与えると、ビームは、より高い周波数では更に狭くなるが、このことは用途によっては、方向性を全く有しないよりは好ましいであろう。
【００３６】
低周波限界において、すなわち、ウインドウがアレイの物理的な幅に達すると、数種類の異なるウインドウ設計を利用することができる。このウインドウ設計の各々は、音響放射処理の種々の態様に関して利点と弱点を有している。
【００３７】
図５Ａにより示された本発明の例では、最小と最大のウインドウがアレイの物理的な限界に収まるように設定されている。図５Ａのプロットは、増幅または利得（ｄＢ）ファクタ対中心からの半径方向距離（メートル）を示すハミング型ウインドウ関数の１次元グラフである。このウインドウ関数は、１０ｋＨｚから４０Ｈｚまでに亘る１０個の異なる周波数値でプロットされている。しかし、最小と最大のウインドウを組み込んだために、高周波端における１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、高周波端における６００、３００、１５０、８０、４０Ｈｚについてのプロットは同一である。５ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、１．２ｋＨｚのプロットは、別々の曲線として示してある。カットオフは、−２２ｄＢの減衰、すなわちハミング・ウインドウの下方境界に設定されている。１０ｋＨｚと６００Ｈｚのそれぞれにおける制限曲線は、ウインドウの最小幅及び最大幅を確保するための高低周波数端を表す。この例では、曲線１０ｋＨｚは、１０ｋＨｚより高い全ての周波数に適用され、従って、その周波数より高い周波数においては確実に操縦性が維持される。曲線６００Ｈｚは、６００Ｈｚより低い全ての周波数に適用され、アレイの縁における低周波数信号レベルの突然の変化を回避する。この変形例は、サイドローブを抑圧するが、アレイの周縁におけるトランスジューサが余り利用されなくなるという犠牲を強いる。
【００３８】
ウインドウの所望の形状が決定されると、この決定からデジタル・フィルタは得ることができる。
例えば、Ｒ＝０．６４ｍのところに位置づけられたトランスジューサ用のデジタル・フィルタを得るために、このデジタル・フィルタを特徴付ける周波数応答は、図５Ａのウインドウ関数を介して位置Ｒにおける垂直部分を取る周波数値に対して減衰値を登録することにより（概念的に）得られる。分るように、Ｒ＝０．６４ｍにおけるカットオフ周波数は、２．５ｋＨｚより低い。よい低い周波数の方へフィルタ利得は、６００Ｈｚについての曲線に到達するまで急速に増大する。対応する−１ｄＢの減衰値は、６００Ｈｚより低い全ての周波数についてデジタル・フィルタにより維持される。
【００３９】
図５Ｂにおいては、１．２８ｍ、（上記の）０．６４ｍ、０．３２ｍ、０．１６ｍ、０．０８ｍ、０．０４ｍ、０．０２ｍ、０．０１ｍのそれぞれのトランスジューサ位置に対するフィルタの周波数応答が示してある。これらの距離は、アレイの中心からの半径方向距離として測定される。
【００４０】
なお、離散的に離隔されたトランスジューサを使用することは、ウインドウ関数の上記の連続処理が単に大まかな近似であるということを意味する。しかし、トランスジューサの離散性の影響は、リーマン和（Ｒｉｅｍａｎｎ  ｓｕｍ）による積分の近似から得られるものに等価で、等しく補償することができる。例えば、与えられたウインドウ関数からフィルタ応答を計算する時に、トランスジューサの離散間隔は、台形法則（ｔｒａｐｅｚｏｉｄ  ｒｕｌｅ）により許容することができる（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｅｄ  ｆｏｒ）。台形法則の適用により任意の離散点（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｐｏｉｎｔ）におけるウインドウ関数は、隣接のトランスジューサ位置間の距離に比例する係数で重み付けられる。基礎とする多項式などに基づくより高次の近似を使用することもできる。
【００４１】
ウインドウ関数を表わす数値またはデジタル・フィルタの等価周波数応答が与えられ、それを上記のフィルタ設計ツールに適用することにより、図３に示したデジタル・フィルタにロードすることができるフィルタ係数が得られる。上記のステップにより得られたフィルタ係数は、当該応用に重要な周波数範囲及び半径方向位置に亘り連続的に変化する。
図５において、６００Ｈｚでの制限曲線は、ウインドウ幅、従って、有効放射が物理的アレイの限界を超える周波数より下の全ての周波数に適用するために導入された。効果的に、これにより、信号の全周波数範囲または帯域幅について、アレイの縁でテーパをなすまたは円滑な放射が課される。しかし、アレイの外側トランスジューサの使用を増大させる他の構成も可能である。
【００４２】
図６Ａ，図６Ｂにより示した例では、有効放射アレイは、このアレイの物理的限界を超えて大きくなることが可能である。図６Ａにおいて、ウインドウ関数の幾つかの１次元グラフは、１０ｋＨＺ、５ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、１．２ｋＨｚ、６００Ｈｚ、３００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、８０Ｈｚ、４０Ｈｚのそれぞれの場合の、増幅率または利得（ｄＢ）対中心からの半径方向距離（メートル）を示す。最小のウインドウが課される。しかし、図６Ａのウインドウ関数は、２メートルを超える有限な出力レベルを有しており、これに対し図５Ａの全てのウインドウは、この半径では、または更に小さな半径位置においては、零に降下する。トランスジューサの出力については、同一の組の半径方向位置における応答機能を示す図５Ｂと図６Ｂを比較すると、低周波において図６Ｂの応答関数は概してより高い出力レベルを示すことが分かる。しかし、この概ねの出力レベルは、アレイの縁における出力レベルのステップ変化を導入するという犠牲を払って増大されている。このステップは、周波数が減少すると増大し、更に多くの低周波エネルギーがサイドローブ内へ放射される可能性がある。
【００４３】
アレイの有限な長さについての対応の他のアプローチは、一群のウインドウ関数（ａ  ｆａｍｉｌｙ  ｏｆ  ｗｉｎｄｏｗ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）を使用することである。すなわち、第１のウィンドウ関数の周波数が或る値、即ち、その値において実質的にアレイの幅全体をカバーする値に、すなわち、各トランスジューサが使用される値に達するに従って、同一幅ではあるが、平均値が増大するウインドウを、不連続性を導入することなしに低周波数パワー出力を改善するために使用することができる。図７により示した例では、ｃｏｓｘウインドウ関数が使用され、累乗ｘは、ウインドウがアレイの幅に等しいかそれよりも小さい場合、全ての周波数に対して２に等しい。ウインドウがアレイの限界に達し、周波数が更に減少されると、ｘの益々小さくなる値がウインドウ関数に選択される。図７に示したように、これにより振幅または利得レベルが増大され、他方ウインドウの幅は維持される。
【００４４】
上記の実施例によれば、各トランスジューサは、その半径方向位置に依存して別個のフィルタを有している。しかし、フィルタの数を減少するために、回転対称または近似回転対称を利用することが可能である。幾つかのトランスジューサは、互いに異なる角座標（ａｎｇｕｌａｒ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）を有する半径方向位置を共有する場合、例えば、ある円に配列されている場合、これらのトランスジューサは、同一の低域フィルタリングを必要とする。従って、それらの入力信号は共通のフィルタを介して好都合に多重化される。
【００４５】
また、互いに異なるビーム幅をデジタル・スピーカ・システムの相異なるチャネルに適用することができる。より遠い壁に向かって放射される音響チャネルは、最小のビーム幅を必要とするものであってもよく、ＤＬＳに接近した表面に投射されるチャネルは、より広いビーム幅を使用して好都合に動作されてもよい。式「１」、「２−２」、「３−２」または任意の等価な関係において異なるビーム幅θＢＷを選択することによって、相異なる組のウインドウ、従って、相異なる組のフィルタが生成され、それらをこれらの異なるチャネルに適用することができる。
【００４６】
上記の記載から当業者には、本発明の上記実施例の要部により、ユーザはＤＬＳの出力特性の高度の制御が可能となるということが理解されよう。トランスジューサの任意のアレイ、特に、図１に示したトランスジューサの知られた規則的に離隔されたアレイに適用可能であるが、本発明は、トランスジューサ間の間隔が不整一（ｉｒｒｅｇｕｌａｒ）なアレイを導入することにより改良した制御を利用しようとするものである。以下の記載から、本発明が提案する不整一アレイの設計ではいずれも、アレイの外側縁部におけるトランスジューサの密度の減少を共有することが理解されよう。換言すれば、トランスジューサ間の間隔は、アレイの中心からの距離と共に増大する。本発明のこの態様の極めて重要な利点は、既知のアレイ設計に比較して、操縦可能な広帯域信号ビームを発生するために必要とされるトランスジューサの数を著しく減少できるということである。
【００４７】
空間的なエリアシングにより生じるサイドローブを防止するために、アレイ要素間の最大の間隔は、それらアレイ要素が放射する当該最高周波の波長の何分の１かよりも小さくなければならない。具体的な分数値は、０．２５〜０．５の範囲内で選択すれば最良である。広帯域アレイの場合、その大きさは当該最低周波数により決定されるが、この制限は、一様な間隔と組み合わされると非常に多数のトランスジューサが必要になることがある。しかし、最大の可能な間隔は、アレイ内の任意の点において再生される最高周波数に比例する。上記のウインドウ設計の場合、中央のアレイ要素のみが最高周波数を再生するので、そこが最高のトランスジューサ密度を必要とする唯一の領域であり、要素は、そのアレイの縁部の方へ徐々に広く離隔することができる。
【００４８】
アレイのレイアウトの更なる変形例では、個々のトランスジューサの間隔がより広くなる場所、すなわち、アレイの外側の方にかけて、より大きなトランスジューサが好都合に使用される。より大きなトランスジューサは、低音周波数の発生の場合により効率的である。しかし、大きなトランスジューサをそのまま使用することは、「高周波ビーミング」と一般に呼ばれている技術的な現象により制限される。高周波ビーミングとは、トランスジューサの直径がほぼ波長またはそれより大きいときに生じるピストン運動トランスジューサ（ｐｉｓｔｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）から発生する（不所望な）方向性放射である。しかし、本例では、最大の許容可能な間隔を満足するに十分小さい任意のトランスジューサはいずれもビーミング効果を無視することができる程度に十分小さい。なぜなら、その直径は波長よりも一層小さいからである。
【００４９】
広帯域アレイの場合、２つ、３つまたはそれ以上のサイズのトランスジューサを使用することが好都合であろう。数個の異種の型のトランスジューサが、アレイに共に使用される場合、それらの異なる位相応答を補償するフィルタを使用することは必要となるかもしれない。
【００５０】
理想的には最低周波数を再生するためにアレイ全体が使用されるが、アレイの中心における小領域（すなわち、高密度に詰め込まれた小さいトランスジューサ）は、適切な帯域フィルタリングにより、即ち、例えば、それらの中央トランスジューサに送る信号通路に高域フィルタを配置することにより、除去することができる。あるいは、周波数応答、具体的には、トランスジューサの貧弱な低周波応答を、類似の効果を達成するために直接利用することができる。ビームの操縦性は、中心領域が当該信号波長の何分の１かの直径を有している場合、中央のトランスジューサからの低周波出力を禁止することによって悪影響を蒙ることは殆どない。この考えは、各々が異なる低周波カットオフを持つ数種類のトランスジューサを包含するよう一般化することができる。
【００５１】
アレイの中央領域における高密度に詰め込んだアレイ・トランスジューサ用のフィルタは、高カットオフ周波数及び低周波における円滑応答を有するので、比較的短い有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを使用することができる。アレイの縁により近いトランスジューサの場合、カットオフ周波数は、更に低くなるので、より長いフィルタが通常使用される。しかし、上記実施例では、これらの外側のトランスジューサは、信号の高周波分を放射はしない。従って、多速度（ｍｕｌｔｉｒａｔｅ）信号処理を使用し、外側トランスジューサにより放出される信号を元のサンプリング速度の何分の１かにダウンサンプリングし、制御度を維持しながらより短いフィルタの使用を可能にすることが容易に実現可能となる。
【００５２】
アレイ内において、非一様な分布のトランスジューサを使用する変形例では、ウインドウした放射（ｗｉｎｄｏｗｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）をする前にアレイの単位面積あたり一様な出力を確保することが好都合であることを更に見い出した。このことは、適当な係数で各トランスジューサの出力をスケーリングすることにより都合よくなされる。この係数は、例えば、トランスジューサの位置において、単位面積あたりの出力に逆比例する。一様なパワー出力を有することにより、本発明の上記の態様の利用は容易となる。しかし、上記のように、デジタル信号処理の一般的な特性により、このスケーリング処理を一般的なフィルタ処理に折り込んで、一組のフィルタとすることが可能となる。
【００５３】
上記制約に従うアレイを設計するには多くの方法が存在する。最良のアプローチは、数値最適化技術を使用することであろう。しかし、以下では、見た目を楽しませるレイアウトを生じる利点を備えた決定論的ではあるがほぼ最適な試みを記載する。
この例によれば、提案されたアレイの寸法をカバーするようにグリッドが形成される。一様なグリッドを使用することができるが、より低い周波数のトランスジューサの場合には、配置精度はあまり重要ではなくなるので、アレイの中央における高密度で不整一な間隙は、より効率的となる。
【００５４】
次のパラメータは、設計処理の開始時に与えられる：
Ｘ、Ｙ      アレイの寸法
ｍ          トランスジューサの最小の実行性ある間隔（簡単化のために１種類のみ）
Ａｌｐｈａ  波長トランスジューサ間隔の最大の許容可能な分数
Ｂｅｔａ    波長に対するアレイ幅の所望比
ｆ＿ｍａｘ  アレイにより再生される最大周波数
ｃ          音速
【００５５】
全アレイをカバーするように拡大する、中央から始まるグリット上の正方形の螺旋路に従う各場所において：
○中心からの現在の場所の距離ｒを評価する
○カットオフ周波数ｆ＿ｃ＝ｍｉｎ（（Ｂｅｔａ＊ｃ）／（２＊ｒ）、ｆ＿ｍａｘ）を評価する
○最小の可能なトランスジューサ間隔ｓ＝ｃ＊Ａｌｐｈａ／ｆ＿ｃを評価する
○実行可能な間隔ｓ＿ｐ＝ｍａｘ（ｓ、ｍ）を評価する
○最も近い既に配置されたトランスジューサの中心までの距離ｓ＿ｍを評価する
○もしｓ＿ｍ＞ｓ＿Ｐならば、トランスジューサをここに置く
【００５６】
Ｂｅｔａは、楕円ビームを可能とするために水平及び垂直に異なる値を有することができる。ＤＬＳプロジェクタの場合、これは、与えられた数のアレイ要素またはトランスジューサに対する例えば水平方向の操縦性を改良するために使用することができる。
与えられたアレイ・サイズに対して最大の低周波方向性を確保するために、上記のアルゴリズムを開始する時に、トランスジューサは、アレイの各端部に手で配置することができる。次にアルゴリズムを実行する時に、他のトランスジューサの位置は、任意の最初に配置したトランスジューサを考慮することにより計算される。
【００５７】
アレイ上のグリッドの位置は、螺旋順にたどる必要はない。他の通路をたどれば、異なる特性のアレイが得られる。見た目に訴える製品をもたらす良好な対称性は、アレイに割り当てられた数の順にグリッドをたどる場合、図８Ａで（非常に小さなグリッドについて）示した通路に従うことにより得ることができる。図８Ａでは、グリッド点は割り当てられた数字の順にたどられる。
図８Ｂは、この方法を使用して設計されたアレイを示し、Ｂｅｔａに対する値は垂直より水平において大である。トランスジューサ８１１−１〜８１１ｎは、上記の制約が満たされるように配置されている。また、トランスジューサはサイズが様々で、小さい直径のトランスジューサはアレイの中央に位置決めされる。
【００５８】
トランスジューサ・アレイのレイアウトの設計への別のアプローチは、トランスジューサの同心リングを使用することである。このアレイの中央の１つのトランスジューサから初めて、リング半径を増大しながらリングを加え、リング内の要素の数は前述のアレイのレイアウト・アルゴリズムで評価されたとおりの、最大の許容可能なトランスジューサの間隔を満足するように選ばれる。図９Ａは、この方法により生じたアレイを示し、トランスジューサは６つの同心リング９１１−２〜９１１−７に配列され、１つのトランスジューサ９１１−１はその中心に配置されている。２つの外側のリング９１１−６、９１１−７におけるトランスジューサは中心のものよりも直径が大きい。
【００５９】
図９Ｂは、このような整然たるアレイについて要求される信号処理の可能な構成のブロック図である。音響信号入力９２１は、中心の小さなトランスジューサにより放射される信号の一部からその信号の低周波成分を除去する高域フィルタ９２２に入る。段９２３は、アレイの外側端においてより大きなトランスジューサ９１１−６、９１１−７により放射される信号の一部から高周波成分を除去し、より低いサンプリング速度で残りの信号をリサンプルする。なお、有効放射領域を構成する後のフィルタ段は、外側のトランスジューサが信号の高周波成分に寄与しないようにすることを確保するので、上記及び後のリサンプリングが信号の損失または劣化を生じさせることはない。
信号修正フィルタ９３−２は、大小のトランスジューサの互いに異なる振幅及び位相応答を補償する。
【００６０】
単一の中心トランスジューサ９１１−１は、常に全ての高周波成分を放出するので、補償段９３−１の信号はデジタル信号処理及び遅延付加段９６−１に直接入る。この遅延付加段９６−１は、図２の段２６、２７、２８、２９の組み合わせに等価である。この段は、ＤＬＳのビーム操縦動作のためにトランスジューサを制御し駆動するに必要な適切な遅延、変調などを提供する。小トランスジューサの最も内側のリングへの信号通路においては、本発明に従うウインドウ関数を実施する第１フィルタ９３１−１が存在する。小トランスジューサのより広いリングへの信号通路においては、ウインドウ関数を実施するための第２フィルタ９３１−２に入る前に更なるダウンサンプリング段９２４を信号が通過する。中心から更に離れたところに位置づけられたトランスジューサの方へ向う同様なフィルタ段９３１−３〜９３１−５とダウンサンプリング段９２５は、より大きなトランスジューサへの信号通路に存在する。
【００６１】
この変形例によれば、フィルタ９３１−１〜９３１−５の各々は、１つのリング内の全てのトランスジューサ間で共有される。かくして、信号に関する計算動作の数は、このレイアウトの対称性を効果的に利用することにより著しく減少される。これは、同一フィルタを共有する２つまたは４つのトランスジューサのみを備えてもよい図８Ｂに記載した分散アレイと対照的である。
【００６２】
非円形の「リング」を使用するために整然たるアレイによる試みを拡張することができる。これは、非円形ウインドウ関数の使用に対応する。（図８Ｂの場合のように）各軸に異なるＢｅｔａの値を使用することは、楕円ウインドウ関数に対応する。
これは、図１０に示したように、楕円リングを使用することにより整然たるアレイで実施することができる。等しい弦距離（ｃｈｏｒｄ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）を持つ楕円の周りにトランスジューサを配置することは数学的に簡単なことではないが、２進チョップ（ｃｈｏｐ）・アルゴリズムのような知られたアルゴリズムを使用して数値的に達成することができる。
【００６３】
図１０により示した例では、トランスジューサ１１１−１〜１１１−ｎが示してある。上記の水平Ｂｅｔａは、垂直Ｂｅｔａよりも大きい。最大の可能なトランスジューサ間隔の限界（ｓｐａｃｉｎｇ  ｌｉｍｉｔ）は、各楕円の周りでかつ楕円間の水平軸上でちょうど満足される。しかし、楕円間の間隔は、全ての他の角度でこの限界を満足するに必要なよりも更に狭い。従って、設計では、同一パラメータを持つ非整然のレイアウトを使用して必要以上の多くのトランスジューサが使用される。それにも関わらず、ＤＳＰ要求が減少されるため、それは好適な解決策となるであろう。このアプローチは、対応する形状のウインドウを持つ矩形及び多角形のような他の形状の「リング」に対し更に一般化することができる。
【００６４】
図１１においては、本発明の例に従う動作ステップの順序を示す３つのステップ１１２、１１３、１１４が示してある。所望のビーム幅または複数のビーム幅を選択した後に、式「１」、「２−２」、「３−２」または他の同様な関数に従って、放射特性、すなわち有効放射領域を制御するためにウインドウ関数が選択される。次に、アレイのトランスジューサの出力に対しウインドウ関数を課するようフィルタが設計されてプログラムされる。動作において、フィルタは、放射される信号に存在する周波数の範囲に亘り一定のビーム幅を確保するために放射が正しく拡張または縮小されるよう保障する。
上記のステップは、任意のレイアウトのトランスジューサ・アレイに適用することができる。しかし、このレイアウトは、上記の更なるステップに従って最適化されてもよい。
【００６５】
ウインドウ関数に基づいてアレイのレイアウトを設計するための上記の方法により、対応のフィルタと共に使用される時に、周波数範囲にわたってＡｌｐｈａについての要求条件をちょうど満足し、従って、空間エリアシングを回避するアレイが製作される。より小さなウインドウを使用して有効放射領域の最適な大きさより有効放射領域を減少させると、より広いビーム幅を持つビームが発生される。上述のように、この効果はデジタル信号処理構成内に適切に組み込むと、１チャネル毎にビーム幅を制御するために使用することができる。従って、アレイ・レイアウトに使用されるウインドウ関数は、ビーム幅の下限を決定する。なぜなら、より狭いビームを発生しようとする試みにより空間的なエリアシングがもたらされるからである。
【００６６】
上記は、与えられた方向におけるビーム、更に詳述すると、アレイに垂直な方向におけるビームのことを述べるものである。これは、与えられたアレイに対する最小のビーム幅の方向であり、他の方向のビームは更に広い。しかし、上記に示した方法は、直角方向の有効な放射領域を減少することによって異なる方向のビームに対しても一定のビーム幅を維持するために使用することもできる。ビーム幅は、直角方向においてはほぼ最適である値に一定に保持することができるが、所望方向の大部分に亘り一定値を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】国際特許出願ＷＯ−０１２３１０４に記載の多トランスジューサ源の例を示す。
【図２】多トランスジューサ源内での放射前の数個の信号処理段を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例に従って変更された図２のブロック図である（実施例１）。
【図４】図１の装置への本発明の影響を示す側面図である。
【図５Ａ】本発明の第１例による利得ウインドウ関数のプロットである。
【図５Ｂ】図５Ａのウインドウ関数から得られたデジタル・フィルタの周波数応答を示す。
【図６Ａ】本発明の第２の例による利得ウインドウ関数のプロットである。
【図６Ｂ】図５Ａのウインドウ関数から得られたデジタル・フィルタの周波数応答を示す。
【図７】周波数が低くなると利得が増大する利得ウインドウ関数の図である。
【図８Ａ】トランスジューサをアレイ内に位置決めしてもよい実現可能な通路パターンを示す。
【図８Ｂ】本発明の例と図８Ａの通路パターンに従って生じたアレイのレイアウトである。
【図９Ａ】本発明の例によるアレイの半径方向のアレイ・レイアウトを示す。
【図９Ｂ】図９Ａのアレイ・レイアウトに従う変形例を示す図３のブロック線図である。
【図１０】本発明の更なる例に従うアレイの楕円状のアレイ・レイアウトを示す。
【図１１】本発明による方法のステップを示すフローチャートである。
【図１】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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