(57)【要約】【課題】ＴＨＤを減少させるとともに周波数特性を等化する。【解決手段】  本発明は、超音波搬送波ビームがオーディオ入力信号を用いて変調されるシステムを提案するものである。オーディオ信号は、周波数帯域に分割され、これら異なる帯域の各々の周波数が個別に扱われる。具体的には、分割された周波数帯域の各々に対して異なる変調方式を用いる。また、異なる周波数信号に対して異なる変換器のアパーチャサイズを用いる。更にまた、周波数等化器は、各々の周波数帯域内に備えられる。最後に、低周波数帯域の信号に対して相対的に小さい振幅変調度（１つ又は複数の指数）を用いる。【選択図】図２
2005304028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力オーディオ信号に基づいて変調された超音波ビームを生成する高品質オーディオビーム生成装置において、
入力オーディオ信号を複数の周波数帯域に分割するフィルタと、超音波信号を発生する発振器と、上記分割された複数の周波数帯域の信号の各々で上記超音波信号をそれぞれ異なる変調方式により変調する変調器とを有する変調部と、
上記変調された超音波信号から空気で復調されて可聴周波音を生成する超音波ビームを発生しこれを放出する超音波変換器と
を有する高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項２】
平方根演算のない両側波帯振幅変調と、平方根演算のある両側波帯振幅変調と、単側波帯振幅変調とのうち少なくとも１つの変調方式を有することを特徴とする請求項１記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項３】
上記複数の周波数帯域には、平方根演算のない両側波帯振幅変調により上記超音波信号に変調される最も低い周波数帯域と、平方根演算を行う両側波帯振幅変調により上記超音波信号に変調される中間周波数帯域と、単側波帯振幅変調により上記超音波信号に変調される高周波数帯域の３つの周波数帯域とが含まれることを特徴とする請求項２記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項４】
上記超音波変換器は、異なる周波数帯域の何れかを用いて生成された入力信号が供給される異なる信号送出口径をもつ複数のセクションを有し、上記入力された超音波信号は、上記セクションの各々を用いて放出されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項５】
上記超音波変換器において最大の信号送出口径を有するセクションは、最低の周波数帯域で上記超音波信号を変調して生成された入力信号を受信するように調整されていることを特徴とする請求項４記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項６】
上記最も低い周波数帯域によって得られた超音波信号は、上記超音波変換器のセクション全体に供給され、他の周波数帯域のみを用いて上記超音波変換器における少なくとも１つの他のセクションに対する入力信号を生成することを特徴とする請求項５記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項７】
上記超音波変換器のセクションの数は、上記周波数帯域の数に等しいことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項８】
上記変調器は、上記超音波信号を最も低い周波数帯域を用いて第１の変調度で変調し、上記超音波信号を上記周波数帯域のうち少なくとも１つの周波数帯域を用いて第２の変調度で変調し、上記第１の変調度は上記第２の変調度より低いことを特徴とする請求項６又は７記載の高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項９】
上記周波数帯域の１つに対して周波数成分の振幅にそれぞれ重み係数を乗じる周波数等化部を更に備え、上記重み係数は、復調された超音波ビームの上記帯域の周波数成分振幅を等化するように選択されることを特徴とする請求項１乃至８何れか１項に記載の高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項１０】
上記周波数帯域の各々に対する周波数等化部を有することを特徴とする請求項９記載の高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項１１】
入力オーディオ信号に基づいて変調された超音波ビームを生成する高品質オーディオビーム生成装置において、
入力オーディオ信号を複数の周波数帯域に分割するフィルタと、超音波信号を発生する発振器と、複数の変調超音波信号を生成するために上記フィルタの出力信号を用いて上記超音波信号を変調する変調器とを有し入力オーディオ信号が供給される変調部と、
上記変調された超音波信号から空気で復調されて可聴周波音を生成する超音波ビームを発生しこれを放出する超音波変換器と備え、
上記超音波変換器は、異なる周波数帯域のそれぞれの部分を用いて得られた変調された超音波信号が供給される異なる信号送出口径を有する複数のセクションを含み、上記入力された超音波信号は、上記それぞれのセクションを用いて放出されることを特徴とする高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項１２】
上記超音波変換器において最大口径をもつセクションは、最も低い周波数帯域を変調することによって得られる超音波信号が供給されることを特徴とする請求項１１記載の高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項１３】
上記最も低い周波数帯域は、上記超音波変換器のセクション全体に供給される変調超音波信号を発生するために用いられ、他の周波数帯域に対する信号は、上記超音波変換器のセクションの一部分に対してのみ供給されることを特徴とする請求項１２記載の高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項１４】
上記変調器は、上記超音波信号を、低周波数帯域を用いて第１の変調度で変調し、上記超音波信号を上記周波数帯域のうち少なくとも１つの周波数帯域を用いて第２の変調度で変調し、上記第１の変調度は上記第２の変調度より低いことを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の高品質オーディオビーム生成装置。
【請求項１５】
上記超音波変換器のセクションの数は、上記周波数帯域の数に等しいことを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか１項に記載の高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項１６】
入力オーディオ信号に基づいて変調された超音波ビームを生成する高品質オーディオビーム生成装置において、
入力オーディオ信号を複数の周波数帯域に分割するフィルタと、超音波信号を発生する発振器と、それぞれの帯域で周波数成分の振幅にそれぞれの重み係数を乗じる周波数等化器と、複数の変調超音波信号を生成する周波数帯域を用いて超音波信号を変調する変調器とを有する変調部と、
上記変調された超音波信号から空気で復調されて可聴周波音を生成する超音波ビームを発生しこれを放出する超音波変換器とを備え、
上記重み係数は、変調ビームにおける帯域の周波数成分の振幅を等化にするように選択されることを特徴とする高音質オーディオビーム生成装置。
【請求項１７】
上述した請求項１乃至１６の何れか１項に関する高品質オーディオビーム生成装置のための変調ユニット。
【請求項１８】
請求項４乃至６の何れか１項又は請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の高品質オーディオビーム生成装置のための超音波変換器において、
上記超音波変換器は、
複数の圧電性素子で構成されたネスト状アレイを有し、
上記アレイはそれぞれ異なる最大口径を有し、
上記アレイの各々は、アレイにおける上記圧電性素子を駆動する変調された超音波信号の各々が供給されることを特徴とする超音波変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波信号を変換器によって伝送する際、オーディオ信号で変調された超音波ビームを発生し、オーディオ信号が空気中で再生されるように超音波信号を変更する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスピーカで形成される音場は、特に低い周波数信号に対しては、指向性がない。中域周波数及び低域周波数における指向性放射（Directional radiation）は、複雑な制御機構を有する多数のスピーカを用いることによってのみ可能であるが、そのようなシステムは、コストが高くなる。
【０００３】
一方、高指向性超音波ビームは、比較的簡単に発生できることは周知である。また、可聴周波数の信号によって異なる２つの超音波周波数成分を含むように超音波を変調し、変調された超音波を空気中に狭ビームとして放出する技術も知られている。空気の非線形効果により、２つの信号成分が相互に作用し、２つの周波数の差分に対応した周波数を有する新しい信号が生成される。このように、空気の非線形効果は、超音波信号を自動的に復調し、空気中の狭い範囲においてオーディオ信号を再生することができる。これは、参考文献［１］−［５］にも開示されている。この高指向性オーディオスペース（highly directional audio space）は、オーディオビームとよばれている。
【０００４】
このオーディオビームは、非常に幅広い適用可能性をもった非常に有望な技術である。しかし、復調処理が非線形であるので、適切な前処理を行わない限り、再生されるオーディオ信号は強く歪む。前処理の幾つかの具体例は、参考文献［４］、［６］、［８］及び［９］に開示されている。
【０００５】
これらの装置の全体的な構成を図１に示す。オーディオ信号は、図面左の前処理部１に入力される。前処理部１の出力信号と、発振器３によって発生される超音波信号とが変調及び電力増幅部２に供給される。変調及び電力増幅部２は、前処理部１の出力信号を用いて超音波信号を変調する。得られる超音波信号は、超音波変換器４に供給され、超音波変換器４は、指向性超音波ビーム５を生成する。指向性超音波ビーム５は、空気中で復調され、可聴周波音が再生される。
【０００６】
このようなシステムでは、一般的に２つの形態の歪を受ける。第１に、周波数特性が均一でないことである。特に、音圧レベル（ＳＰＬ）が低い周波数側に向かって１２ｄＢ／オクターブで減少する。第２に、変調処理によって、元のオーディオ信号には含まれない多くの（歪んだ）周波数成分が生じることである。この従来の例では、説明を簡潔にするため、（音響学で用いられるＴＨＤの正確な定義とは異なるが）これらの余分な信号を総高調波歪（ＴＨＤ）と定義する。これまで、主として第２の問題を解決することを試みた前処理方法が提案されているが、これらの方法は、実際には効率的でなく実現するのも簡単ではない。
【０００７】
これを数学的に説明する。音響学の非線形の理論に基づいて、参考文献［５］には、それぞれ周波数ｆ１及び周波数ｆ２を有する２つの一次波が平行にピストンラジエータから送出されるとき、空気の非線形性によって、再生された差分周波数信号（二次波）が式（１）になることが開示されている。
【０００８】
【数１】
2005304028.tif 000003
【０００９】
式（１）において、ｑ（ｒ，ｚ）は複素数関数で表される差分周波数信号の振幅であり、ｚはビームの軸に沿った座標であり、ｒは交軸座標であり、ｐ０ａ及びｐ０ｂは、半径がａのピストンラジエータの２つの一次周波数波の初期音圧レベルであり、ｋは、差分周波数ｆ１−ｆ２（ｆ１＞ｆ２と仮定したとき）の波数であり、βは非線形性の係数であり、ρ０は、媒体の空間密度であり、ｃ０は、微小信号の波動伝播速度であり、Ｄｗ（θ）＝１／（１＋ｊ（ｋ＿／２αＴ）ｔａｎ２θ）は、Westervelt指向性関数であり、ＤＡ（θ）＝２Ｊ１（ｋ＿ａｔａｎθ）／ｋ＿ａｔａｎ２θは、アパーチャ係数である。
【００１０】
Berktayによる参考文献［５］にあるように、特定の単純化した仮定条件下において、ＤＳＢＡＭ変調（側波帯波振幅変調）の一次波ｐ１（ｔ）が伝送され、変換器の遠方においてビームのＺ軸方向に二次波ｐ２（ｔ）生じる。
【００１１】
【数２】
2005304028.tif 000004
【００１２】
【数３】
2005304028.tif 000005
【００１３】
ここで、Ｐ０は一次波のＳＰＬ（音圧レベル）であり、Ｅ（ｔ）は変調エンベロープであり、ωｃは搬送波の角周波数であり、Ａは変換器の断面積であり、αは（ωｃにおける）媒体の吸収係数であり、τ＝ｔ−ｚ／ｃ０は遅延時間であり、変調エンベロープＥ（ｔ）とオーディオ信号ａ（ｔ）の間には、式（４）に示す関係がある。
【００１４】
【数４】
2005304028.tif 000006
【００１５】
ここで、ｍはＡＭ変調度である。式（３）に基づけば、復調信号が変調エンベロープに線形に比例しないことがわかる。高忠実（ハイファイ）でオーディオ信号を再生させるために、オーディオ信号ａ（ｔ）を等化して、Ｅ（ｔ）の二乗演算を補償することが必要である。これは、ＡＭ変調の前に適切な前処理ａ（ｔ）を行って、二次波がａ（ｔ）に直接比例していなければならないことを意味する。これは、参考文献［４］、［６］のように、Ｅ（ｔ）を変形したＥ（ｔ）〜で表される信号を生成することによって達成される。
【００１６】
【数５】
2005304028.tif 000007
【００１７】
この一見単純な前処理は、実現するのは非常に困難である。主な問題点は、平方根演算に起因する。それは、非線形演算であるため信号の帯域が非常に広くなるからである。これにより、回路及び超音波変換器の帯域幅に関する要求が厳しくなる。特に、広帯域及び高い変換効率の超音波変換器を製造することは、非常に困難である。また、二重積分は、−１２ｄＢ／オクターブの振幅重み付け効果、及びオーディオ信号の帯域が広い（２０〜２００００Ｈｚ、１０オクターブ）ために、実現が困難である。また、アナログ積分器は、実際には、飽和しやすくデバッグすることも困難である。
【００１８】
要約すると、歪みを補償するための単純な平方根演算前処理が、実際は以下の理由により適切に機能しないことがある。１）実際には、変換器の帯域幅は、有限であり、その帯域幅は、通常、平方根演算で要求された全周波数成分、特に高いオーディオ周波数成分（例えば、ｆ＞５ｋＨｚ）を伝送するのには十分ではない。２）実際には、変換器の周波数特性が通過帯域内でさえ一定でない。この結果、単音信号の高調波成分が平方根演算で要求される振幅及び位相とは異なる振幅及び位相によって生成される。３）広帯域の変換器は、共振周波数近傍では機能しないため、一般的に狭帯域の変換器に比べて効率が低い。４）Berktayの式（３）は、遠距離音場及び進行方向軸上においてのみ近似することができ、実際に関心のある動作範囲のなかには近接音場及び進行方向軸から離れた場所が含まれる。そして、実際は、信号の変調する部分が小さい場合、平方根演算のＥ（ｔ）〜に示す波形は、平方根演算がないＥ（ｔ）に示す波形と非常に類似している。このように、平方根演算の効果は、実際にはそれほど明確でない。
【００１９】
平方根演算による前処理方法における広い帯域要求を回避するとともに複数の周波数の信号のＴＨＤを減少させるために、参考文献［８］及び［９］には、ＳＳＢ変調によって平方根エンベロープを近似することを繰り返す方法が提案されている。しかし、やはり、平方根エンベロープがより低いＴＨＤを生成するという発想によるものである。真の平方根のＤＳＢＡＭ変調では、非常に広い帯域幅が要求されるが、近似によるＳＳＢＡＭ変調では、そのような要求をなくすことができる。一方、復調信号の実際のフィードバックが利用できないときは、空気中における復調処理をシミュレートするモデルを用いる。このモデルは、Berktayの公式（３）に基づいて提案される。一方、上述したように、式（３）は、ある条件下のみで有効であるが、これを用いて二次波の音場を一般的に説明することはできない。この方法が有効に機能するかは疑わしい。また、反復処理は、複雑でありかつ演算量が多大である。このように、式（３）は、リアルタイム実行には適していない。
【００２０】
上述した２つの方法はともに、大きく開かれた空間における動的ノイズキャンセル手法に幾分類似している。それらは全て、元の信号に余分な周波数成分を予め加えている。余分な成分の位相及び振幅を正確に制御できると、この余分な成分の位相及び振幅によって復調処理の後に生成された他の成分をキャンセルすることができる。これら成分の間では位相と振幅の両方が良く一致しなければならない。実際には、回路及び変換器の特性が不均一であるため、幅広い周波数範囲に亘って良好なマッチングを実現することは困難である。
【００２１】
【非特許文献１】Tsuneo Tanaka, Mikio Iwasa, Youichi Kimura and Akira Nakamura “Directional Loudspeaker System” U. S. Patent No.  4,823,908, 1989
【非特許文献２】A. R. Selfridge and P. Khuri-Yakub “Piezoelectric Film Sonic Emitter” U.S. Patent No. 6,011,855, 2000
【非特許文献３】Masahide Yoneyama etc. “The Audio Spotlight: An Application of Nonlinear Interaction of Sound Wave to a New Type of Loudspeaker Design” J. Acoust. Soc. Am. 73(5), May 1983
【非特許文献４】F. Joseph Pompei “The Use of Airborne Ultrasonic for Generating Audible Sound Beams” J. Audio Eng. Soc., Vol. 47, No. 9, 1999, September
【非特許文献５】Mark F. Hamilton  “Sound Beams” Nonlinear Acoustics, Edited by Mark F. Hamilton and Malcolm J. Crocker, Chapter 8, pp233~pp261, Academic Press, 1998
【非特許文献６】Tomoo Kamakura, Tasahide Yoneyama and Kazuo Ikegaya “Studies for the Realization of Parametric Loudspeaker” J. Acoust. Soc. Japan, No. 6 Vol. 41, 1985
【非特許文献７】K. Aoki, T. Kamakura and Y. Kamamoto “Parametric Loudspeaker --- Applied Examples” Electronics and Communications in Japan, Part-A, Vol. 76, No.8, 1993
【非特許文献８】Michael E. Spencer, James J. III Croft, Joseph O. Norris and Seenu Reddi “Modulator Processing for A Parametric Speaker System”, WO 01/15491 A1, March, 2001
【非特許文献９】James J. Croft III, Michael E. Spencer and Joseph O. Norris “Modulator Processing for A Parametric Speaker System”, U. S. Patent No. 6,548,205, June, 2003
【非特許文献１０】Xiaobing Sun and Kanzo Okada “Method and Apparatus for Generating A Directional Audio Signal” Singapore Patent Application No. 200202668-0, May, 2002
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、ＴＨＤを減じるとともに、周波数特性を等化する新規かつ有益な方法を提案するものである。
【００２３】
本発明は、概して、入力オーディオ信号が複数の周波数帯域に分割され（すなわち、複数の周波数範囲に区分化される。）、これらの複数の周波数帯域の各々が超音波搬送波の変調において個別に扱われること提案する。この概念には種々の形態がある。本発明の第１の形態は、異なる周波数帯域に対して異なる変調方式を使用することである。本発明の第２の形態は、概して、入力オーディオ信号の異なる周波数範囲に由来する超音波信号のために異なる変換器のアパーチャサイズを用いる。最も低い可聴周波数の信号を用いて得られた超音波信号に対して広いアパーチャを用いてもよく、また相対的に高い周波数信号を用いて得られた超音波信号に対して相対的に狭いアパーチャを用いてもよい。本発明の第２の形態によれば、後述する空気における復調では低周波数に向かってＳＰＬが１２ｄＢ／オクターブ低下する、という影響を補償することができる。また、超音波搬送波の周波数は、最も広いアパーチャ（または、少なくとも高周波数のオーディオ信号から生成された超音波信号よりも広いアパーチャ）によって放出されることが好ましい。これは、高周波数帯域の等価な変調度は、高周波数帯域が最大アパーチャサイズで放出される場合の変調度よりも低いことを意味している。なお、変調度が小さいとＴＨＤが減少する。
【００２４】
低周波数帯域に関して、比較的小さい振幅変調度を用いることができ、低周波数帯域（または複数の低周波数帯域の各々）内の信号に対して、低い変調度を明示的に用いることにより、高周波数帯域内における信号よりも小さな振幅変調度を用いてもよい。
【００２５】
これにより、異なる周波数帯域の信号に対して異なる振幅変調度を用いるという、本発明の第３の形態が導かれる。低い周波数帯域（または複数の低周波数帯域の各々）における信号に対して相対的に小さい振幅変調度（単数または複数の振幅変調度）を用いる。振幅変調度を小さくすることによってＴＨＤを減少することができる一方で、ＳＰＬも低下する。このように、再生効率とＴＨＤとの間には綿密なバランスが要求される
本発明の第４の形態は、概して、復調されたオーディオビームにおいて、これらの可聴周波数成分の相対的な振幅が入力オーディオ信号において相対的な振幅により近くなるように、帯域内において可聴周波数成分の少なくとも一部の相対的な振幅を変更するために、更なる周波数等化器が複数の周波数帯域の各々に適用される。
【００２６】
本発明における４つの形態は、後述するように、組合せ（いかなる組合せ）が容易である。好ましくは、４つの形態で用いられる帯域は、同一である（例えば、オーディオ信号は、複数の周波数帯域に分割することができ、これら分割された複数の周波数帯域は、個別の変調技術を用いて搬送波信号に変調されてもよい。そして個別のアパーチャを用いて放出することができる）。本発明は、この点で制限されない。更にまた、全ての可聴周波数帯域は、変調及び放出処理の異なる段階で個別の方法で分割されることが好ましく、その音声帯域の分割には、本発明の側面の少なくとも２以上を利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図２を参照して、本発明の実施例を説明する。この図に示す処理は、本発明を逸脱することなくアナログ又はデジタル処理（又は両者の組合せ）の何れによっても実現することができる。以下の説明は一例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００２９】
オーディオ信号は、図面左より高品質オーディオビーム生成装置に入力され、オーディオ信号の３つの帯域（周波数レンジ）をそれぞれ通過するフィルタ１１、２１、３１を有するフィルタ部１０に入力される。３つの帯域としては、（１）“低域”、ｆ＜５００Ｈｚであって、フィルタ１１で通過される。（２）“中域”、５００Ｈｚ＜ｆ＜１４００Ｈｚであって、フィルタ２１で通過される。（３）“高域”、ｆ＞１４００Ｈｚであって、フィルタ３１で通過される、がある。フィルタ間の帯域の境界を形成する周波数は、本発明の実施例毎に異なっていてもよいのは勿論のことである。
【００３０】
各帯域内において、異なる周波数信号が周波数等化部２０によって等化される（なお、本明細書において、「等化」とは、復調の後に超音波搬送波から再生される可聴周波数の音における振幅成分の等化である）。周波数等化部２０は、個々の周波数成分に対応する重み関数を乗じることによって、３つの各々の周波数帯域において周波数を等化にする互いに独立して制御される３つの周波数等化器１２、２２、２３を有する。重み関数の一例を、図４を用いて後述する。
【００３１】
周波数等化器１２の出力信号は、ゲイン調整器１４に供給される。
【００３２】
周波数等化器２２（中域信号のための）の出力信号は、平方根演算を実行する平方根演算器２３に供給される。平方根演算を実行するときには平方根演算が正しく行われるように、信号を常に正の数にするために直流バイアスが加算される。平方根演算器２３の出力信号は、ゲイン調整器２４に供給される。
【００３３】
高域等化器３２の出力信号は、単側帯波（ＳＳＢ）信号を生成する解析フィルタ３３によって更に処理される。ＳＳＢ信号は、同相成分と直交位相成分にそれぞれ対応する実数部と虚数部とを有する複素数である。解析フィルタ３３の一具体例としては、元の信号の位相を９０度シフトした信号を生成するヒルベルトフィルタ（Hilbert filter）がある。解析フィルタ３３の出力信号は、ゲイン調整器３４によって更に調整される。
【００３４】
ゲイン調整器１４の低域信号は、ＤＳＢ変換器１５に供給され、ＤＳＢ変換器１５は、低域信号を用いて、所望の周波数ｆｃ（例えば、４０ｋＨｚ）の局部発振器（ＬＯ）４３によって発生される超音波信号を変調する。所望の周波数ｆｃは、ＰＺＴ変換器アレイ４５（後述する。）の中心周波数とすべきである。また、局部発振器４３は、搬送波信号の位相を９０度シフトした信号を発生する。
【００３５】
ＤＳＢ変換器１５は、単純な両側波帯振幅変調（ＤＳＢＡＭ変調）によって超音波信号を変調する。ＤＳＢ変換器１５の出力信号は、電力増幅器１６に供給され、電力増幅器１６は、図５に関連づけて後述する“サブアレイＩＩＩ”として参照されるＰＺＴ変換器アレイ４５の最外周のセルを駆動する。
【００３６】
低域及び中域のゲイン調整器１４、２４の出力信号は、加算器４１によって互いに加算され、ＤＳＢ変換器２５は、加算器４１の出力信号を用いて局部発振器４３で発生された超音波信号をＤＳＢＡＭ変調する。ＤＳＢ変換器２５の出力信号は、電力増幅器２６に供給され、電力増幅器２６は、ＰＺＴ変換器アレイ４５の次の内側のアレイ（中間部分、図５における“サブアレイＩＩ”）を駆動する。
【００３７】
ゲイン調整器３４によって出力される複素数の高域信号は、ＳＳＢ変換器３５に供給され、ＳＳＢ変換器３５は、この高域信号を用いて、局部発振器４３によって出力された超音波信号の正弦及び余弦成分を変調する。ＳＳＢ変換器３５は、単側帯波（ＳＳＢ）ＡＭ変調を行っている。この信号の実数部（Ｉ）及び虚数部（Ｑ）は、搬送波信号及び搬送波信号の位相を９０度シフトした信号のそれぞれによって乗算され、その後、互いに加算される。
【００３８】
加算器４２は、ＳＳＢ変換器３５の出力信号に、ＤＳＢ変換器２５の出力信号、すなわち（上述した）低域及び中域のＤＳＢＡＭ変調信号成分を加算する。加算器４２から出力された加算信号は、電力増幅器３６に供給され、電力増幅器３６は、ＰＺＴ変換器アレイ４５の中央部分のアレイ（図５における“サブアレイＩ”）を駆動する。
【００３９】
低域信号は、３つ全ての電力増幅器１６、２６、３６の出力信号に含まれるので、低域信号は、ＰＺＴ変換器アレイ４５全体から送出される。この結果、低域信号用の送出変換器における実効アパーチャサイズは、最も大きくなる。それに対して、中域信号は、ＰＺＴ変換器アレイ４５の中央部分と中間部分のサブアレイの両方によって送出される。このように、中域信号用の送出変換器における実効アパーチャサイズ（中間アパーチャサイズ）は、低域信号用の実効アパーチャサイズよりも小さい。同様に、高域信号は、ＰＺＴ変換器アレイ４５の中央アレイのみから送出されるので、高域信号用の実効アパーチャサイズは最小である。このように、周波数に依存するアパーチャサイズは、実際のオーディオ信号の周波数成分に応じて動的に実現される。
【００４０】
上述した処理において、搬送波は、３つの変換器１５、２５、３５の出力信号内に存在するので、搬送波信号は、常に、入力オーディオ信号の周波数成分から独立したアレイ全体のアパーチャを介して送出される。これは、中域信号及び高域信号に対してＡＭ変調度（式（４）のｍで表される）が低いということと同義である。それに対して、元のオーディオ信号の低周波数帯域の成分は、全ての電力増幅器１６、２６、３６を介して出力されるので、ＡＭ変調度の実効値はより高くなる。これを補償するために、ＴＨＤをより減少するためには、低周波数帯域に対して相対的に小さいＡＭ変調度を使用しなければならない。
【００４１】
なお、入力オーディオ信号は、幾つかの帯域に分割されるので、各帯域内において信号のダイナミックレンジを下げることができ、回路を簡単に実現することができる。また、各帯域のＡＭ変調度を個別に制御することができる。
【００４２】
続いて、図２に示す実施例が図１に示された従来の装置と比べて有利である点について説明する。
【００４３】
第１に、異なるそれぞれの周波数帯域に対して異なる変換器を用いる利点を説明するために、異なる種類の変調の利点を比べることが必要である。説明を簡潔にするために、例として単音の場合を用いる。実際のオーディオ信号は、多くの単音信号の総和として表すことができる。変調の基本的な種類には、振幅変調（ＡＭ変調）（図２に示した実施例で用いられている）、周波数変調（ＦＭ変調）及び位相変調（ＰＭ変調）が含まれる。これら全ての種類の間で、ＡＭ変調のスペクトル分布が最も単純である。すなわち、単音信号の場合、周波数成分の数が最少になる。ＦＭ変調及びＰＭ変調は、単音であってもより多くの周波数成分が存在し、これらの周波数成分間のあらゆる対によって、好ましくない高調波が生じる。このように、通常、ＡＭ変調は、オーディオビームの応用においては、最良の変調方式である。
【００４４】
ＡＭ変調の様々な周知の種類のなかで、ＳＳＢ、ＤＳＢ、平方根のＤＳＢのような異なる変調方式について比較する。周波数がｆ１の単音がオーディオビーム装置に入力されると、空気中においてこの単音のみを再生できることが最も望しい。ＡＭ変調処理は、新たな周波数成分を生成する。変調理論に基づけば、ＳＳＢＡＭ変調は、２つの周波数成分のみを有するため、最適な変調である。一方は搬送波周波数ｆｃの成分であり、他方は周波数ｆｃ＋ｆ１の成分である（又はｆｃ−ｆ１成分、どちらの側波帯が選択されたかによる。）。これを、図３（ａ）に示す。理論的には、式（１）に基づいて、差分周波数ｆ１のみが再生される。しかしながら実際には、他の周波数ｆ１の高調波の成分もまた空気中では存在することがわかる。高調波は、低周波数の単音に対してはより顕著になる。これらの高調波が生じる理由は、理論的には明らかでない。これは、おそらく回路及び変換器の不完全な性能によるものである。何れにしても、実際には、ＳＳＢＡＭ変調は、純粋な単音信号について必ずしも最適な変調方式であるとは限らない。
【００４５】
単音のＤＳＢＡＭ変調のスペクトルを図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）には、ｆｃ−ｆ１、ｆｃ及びｆｃ＋ｆ１に対応する３つのスペクトル線が示されている。式（１）に基づけば、ｆｃ−ｆ１とｆｃ間の相互作用、並びにｆｃとｆｃ＋ｆ１間の相互作用は、望ましい周波数ｆ１の成分を生成することができる。一方、ｆｃ−ｆ１とｆｃ＋ｆ１との間の相互作用は、周波数２ｆ１の成分を生じる。これが高調波歪みである。実際の実験では、ＤＳＢＡＭ変調のＴＨＤは、中〜高周波数信号の成分に対しては高く、低周波信号の成分に対しては、最も低いことが確認されている。例えば、ＰＺＴアレイを使用した実施例では、同様のＳＰＬ条件下において、ＤＳＢＡＭ変調のＴＨＤがｆ＜５００Ｈｚで最小になることが確認されている。
【００４６】
図３（ｃ）に示すように、平方根のあるＤＳＢＡＭ変調のスペクトル線分布は、最も複雑である。式（３）に基づく理論によれば、平方根演算によって求められるＤＳＢＡＭ変調は、完全にエンベロープ信号を再生できる。複数の周波数線が存在しても、これら複数の周波数線は互いにキャンセルしあって、空気中には所望の周波数ｆ１のみが残るという原理である。実際に、中周波数帯域では、同様のＳＰＬ条件下において、この変調方式のＴＨＤが最小になることが確認されている。一方、この変調方式の低周波数帯域及び高周波数帯域におけるＴＨＤは、良好ではない。それは、おそらく回路及び変換器の不完全な性能によるものである。中周波数帯域の一例は、５００Ｈｚ＜ｆ＜１４００Ｈｚである。
【００４７】
要約すると、実験的な結果と理論的な解析の両方によれば、ＴＨＤを減じる最良の方法は、３種類のＡＭ変調を選択的に用いることであると確認された。
【００４８】
異なる周波数帯域に対して、これら３つの方式の間で最小のＴＨＤをもつ変調方式が選択されるべきであり、このような組合せの一例を図２の実施例にしている。ｆ＜５００Ｈｚでは、ＤＳＢＡＭ変調が適用でき、５００Ｈｚ＜ｆ＜１４００Ｈｚでは、平方根演算を行うＤＳＢＡＭ変調が適用でき、ｆ＞１４００Ｈｚでは、ＳＳＢＡＭ変調が適用できる。
【００４９】
この組合せには、以下のような直接的な利点がある。すなわち、ＳＳＢＡＭ変調を用いて高周波帯域を変調するので、高品質オーディオビーム生成装置に必要とされる帯域幅は、オーディオ信号そのものの帯域幅である。
【００５０】
なお、図２は、異なる帯域に対して異なる変調技術を適用する１つの方法を提示しているが、本発明の他の実施例において種々の変更が可能である。例えば、周波数帯域の数が異なる場合、あるいは帯域を区分する周波数値を異なって選択する場合には、異なる変調技術を使用することが好ましい。本発明の他の実施例として、これらの周波数帯域及び対応する変調方式が実験によって確認されている。
【００５１】
第２に、変換器のアパーチャサイズが周波数帯域毎に異なるという実施例の特徴に着目する。変換器のアパーチャサイズが周波数帯域毎に異なるのは、空気復調のもう１つの大きな問題による。すなわち、ＳＰＬが、低周波数側への周波数特性で−１２ｄＢ／オクターブまで落ちることである。これは、式（１）及び式（３）のどちらからでも認められ、ｋ２＿＝（２π／λ＿）２と∂２／∂ｔ２のそれぞれに起因している。
【００５２】
参考文献［３］の周波数ｆ＜１〜２ｋＨｚにおいてのみこの影響が明白である、ということが実験によって確認されている。それでも、低周波数帯域のＳＰＬは、中〜高周波数帯域の音圧レベルと比較して非常に低い。この影響を補うための単純な方法の１つは、低周波数に向けて振幅を１２ｄＢ／オクターブだけ増加させることである。しかしながら、これは、高周波数オーディオ信号成分に対しては増幅率を非常に高くし、低周波数オーディオ信号成分に対しては増幅率を非常に低くすることを意味する。実際のあらゆる装置では、最大許容振幅があり、実際のオーディオ信号のダイナミックレンジは広いために、このような装置の高周波数成分に対する効率は非常に低くなる。
【００５３】
それに対して、図２の実施例では、より改善された方法を用いて上述した影響を補償している。これは、式（１）において、ＳＰＬが変換器のアパーチャ径ａ２の二乗に比例するという見地によるものである。このように、低周波数帯域に対してより大きなアパーチャ径を用いると、ＳＰＬを効果的に増加できる。実効アパーチャサイズがオーディオ信号の周波数成分に応じて変更できるので、この実施例では、これを“動的アパーチャ”とよぶ。
【００５４】
基本的には、動的アパーチャは、それぞれのオーディオ信号の周波数帯域で生成された変調搬送波信号をアパーチャの異なる変換器に与えることによって実現することができる。更に都合の良いことに、図２の実施例は、ＰＺＴアレイのようなセルベースの変換器アレイ４５を使用する。ＰＺＴアレイの２つの可能な形態を図５（ａ）及び図５（ｂ）にそれぞれ示す。図示する個々のＰＺＴアレイは、それぞれ直径が異なる３つのネスト状のサブアレイからなる。（各サブアレイの直径は、サブアレイに含まれる２つのＰＺＴエレメント間の最大距離として定義される。）図２を用いて説明したように、サブアレイは、３つの周波数帯域内から選択された異なる信号が供給される電力増幅器１６、２６、３６によって駆動される。電力増幅器１６、２６、３６は、異なる選択領域内に、３つの周波数帯域信号から信号を受信する。図２の実施例において、３つの周波数帯域の信号は、上述したそれぞれ異なる周波数依存変調方式にしたがった３つの周波数帯域信号である。すなわち、ｆ＜５００Ｈｚに対してアパーチャ全体が使用され、５００Ｈｚ＜ｆ＜１４００Ｈｚに対して中間サイズのアパーチャが使用され、ｆ＞１４００Ｈｚに対して最小のアパーチャが使用される。他の実施例として、サブアレイは、信号変調を決定した帯域とは異なる周波数帯域に基づいて供給される信号によって駆動してもよい。
【００５５】
図２の実施例に示す動的アパーチャは、おおまかな方法で低周波数側へのＳＰＬ低下を効果的に補償することができる。すなわち、各周波数帯域内の全周波数成分のＳＰＬを増加する。一方、同じ帯域内の異なる周波数成分は、同じアパーチャサイズを用いて依然として送出される。そのため、入力信号の全周波数成分の振幅が等しいとしても、ＳＰＬは、依然として平坦ではない。図２の実施例では、周波数等化器２０を用いて周波数特性をより平坦にする。各帯域内で、それぞれ周波数等化器１２、２２、３２は、効果的に周波数成分の振幅にそれぞれの重み関数を乗じる。重み関数は、各帯域内において、低周波数成分に対してより高く、高周波数成分に対してより低い。好ましくは、重み関数は、周波数値によって連続的に変化する。重み係数の変形例は、各サブバンドの周波数範囲（オクターブで測定された）に依存する。
【００５６】
周波数等化器の特性を図４に示す。図４において、３つの周波数帯域は、６１（ＤＳＢＡＭ変調を用いて変調される低周波数帯域）、６２（平方根演算のあるＤＳＢＡＭ変調を用いて変調される中周波数帯域）、６３（ＳＳＢＡＭ変調を用いて変調される高周波数帯域）である。各帯域の重み関数の値は、ライン５１、５２、５３によって示されており、周波数等化器１２、２２、３２は、周波数成分に対して、得られる信号が実質的に均一な特性になるような値５１、５２、５３を乗じる。
【００５７】
上述した前処理方式に基づく周波数分割の利点は、高品質オーディオビーム生成装置のダイナミックレンジも改善されるということである。現実のオーディオ信号では、信号を異なる周波数帯域に分割した後、各周波数サブバンド内の信号の振幅変動は、元の信号の幅変動よりも少なくなる。このように、各周波数サブバンド信号のダイナミックレンジはより狭くなり、回路設計が容易となる。
【００５８】
倍数化された周波数成分のＴＨＤをより減少させるために、比較的強い搬送波が空気中に伝送される必要がある。これは、所望の周波数信号が搬送波信号の相互作用と各ＡＭ変調信号成分との間で生成され、一方、好ましくない高調波がＡＭ変調周波数成分の何れの対との相互作用から生成されるからである（但し搬送波信号を含む対を除く）。一例として、ＤＳＢＡＭ変調を用いる例を図３（ｂ）に示す。一実施例として、参考文献［１０］で提案された、いわゆるコンボアレイ構造を使用すれば、強い搬送波信号を生成することができる。これは、ＰＺＴ変換器を効率的に用いて強い搬送波を送出するというものである。
【００５９】
上述のように、実施例で提案された動的アパーチャの非常に明晰な効果の１つとして、搬送波信号がアレイアパーチャ全体から常に送出される点があげられる。このように、搬送波信号は、空気中において、特に中〜高周波数帯域信号の振幅と比較して、常に相対的に強く、搬送波信号は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すサブアレイＩ及びＩＩを用いて送出される。このように、有効な変調度は、中〜高周波数帯域信号に対しては低い。
【００６０】
一方、低周波数帯域信号に対して、実施例では、低いＡＭ変調度ｍを用いてＴＨＤを減少させている。なお、低周波数の信号に対してＡＭ変調度ｍを下げることによって、再生効率は、下がる。
【００６１】
要約すると、本実施例は、信号の忠実度、電力効率、装置の複雑さ、コスト等の重要な要因のなかで最適な結果を得るようにしている。
【００６２】
特に、（１）従来のように１種類の変調方式を用いる代わりに、本実施例は、効果的にＴＨＤを減少させるために、周波数帯域毎に異なる変調方式を組み合わせて用いる。
【００６３】
（２）変換器アレイのアパーチャサイズを低周波数側に向かって大きくすることによって、低周波数信号のＳＰＬが増加される。また、これにより、理論的に予測される低周波数側のＳＰＬ低下を補償することができる。このように、再生信号は比較的平坦な特性をもつようになり、再生信号の帯域幅が増大されることになる。
【００６４】
（３）更に、各サブバンドに対して周波数等化器を用いることにより、再生されたオーディオ信号の周波数特性がより平坦化される。
【００６５】
（４）低周波数成分に対して小さいＡＭ変調度を用いることにより、ＴＨＤを減少させることができる。
【００６６】
（５）現実の信号を異なるサブバンドに分割することにより、通常、各サブバンド内における信号の振幅変動が減少する。
【００６７】
したがって、回路の各帯域の処理系におけるダイナミックレンジが低下する。
【００６８】
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６９】
例えば、図２の実施例では、説明を簡潔にするために、異なる変調方式と動的アパーチャのバリエーションの両方に対して同一の周波数サブバンドを用いているが、本発明は、この点において限定されるものではない。
【００７０】
更にまた、上述した種々の新規技術は何れも、単独又は１以上の組合せで用いることができる。
【００７１】
更にまた、変換器アレイは、ＰＺＴ又はＰＶＤＦアレイの何れであってもよく、またこれらを組み合わせたアレイであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来の指向性オーディオ信号生成システムを説明する概略図である。
【図２】本発明の実施例の構造を説明するブロック図である。
【図３】異なるＡＭ変調（ａ）ＳＳＢＡＭ変調、（ｂ）ＤＳＢＡＭ変調、（ｃ）平方根のあるＤＳＢＡＭ変調、に対する単音のスペクトルを例示する図である。
【図４】図２に示された実施例によって実現される周波数帯域分割及び分割された帯域内周波数を等化する値を例示する図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、異なる周波数帯域に対してアパーチャサイズを変更する概念の実施例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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