(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力変換器のアレイを用いて、異なるそれぞれの方向に送出される複数のサウンド・チャネルから成る音場を作り出す方法であって、
各チャネル毎に、各出力変換器に関して第１遅延値を選択するステップであって、前記第１遅延値を、前記それぞれの変換器の前記アレイにおける位置と前記チャネルが送出される方向に応じて選択する、ステップと、
各チャネル毎に第２遅延値を選択するステップであって、前記第２遅延値を、前記アレイから聴取者までの、当該チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて選択する、ステップと、
各出力変換器に関して、各チャネルを表す信号を遅延させた複製を得るステップであって、各遅延複製を、前記第１遅延値から成る第１成分と前記第２遅延値から成る第２成分とを有する値だけ遅延させる、ステップと、
各出力変換器に関して、前記遅延複製の各々を互いに加算するステップと、
から成り、
聴取者に到達する前に、少なくとも１つのチャネルの音波を壁のような表面で跳ね返す、前記音場を作り出す方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記チャネルを表す各信号を複製する前に、前記信号に前記第２遅延を与え、次いで前記それぞれの第１遅延値だけ各複製を遅延させる、方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、前記第２遅延値の選択を、全サウンド・チャネルの対応する部分が実質的に同時に前記聴取者に到達するように行う、方法。
【請求項４】
異なるそれぞれの方向に送出される複数のサウンド・チャネルから成る音場を作り出す装置であって、
異なるサウンド・チャネルを表す複数のそれぞれの信号のための複数の入力と、
出力変換器のアレイと、
各出力変換器に関して、各それぞれの入力信号の複製を得るように構成された複製手段と、
前記それぞれの出力変換器の前記アレイ内における位置と前記チャネルが送出される方向に応じて選択したそれぞれの第１遅延値だけ、各信号の各複製を遅延するように構成された第１遅延手段と、
前記アレイから聴取者までの当該チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて、各チャネル毎に選択した第２遅延値だけ、各信号の各複製を遅延させるように構成された第２遅延手段と、
各出力変換器毎に設けた加算手段であって、各信号の２度遅延した前記複製を互いに加算して各出力変換器への出力信号を生成する加算手段と、
から成り、
前記少なくとも１つのチャネルの音波の予想伝播距離は、壁のような表面での跳ね返りを含む、前記音場を作り出す装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、前記第２遅延手段が、前記複製手段によって複製が作成される前に、前記入力信号を遅延させるように構成されている、装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の装置において、前記第２遅延手段が、全サウンド・チャネルが実質的に同時に聴取者に到達するように、各チャネル毎に前記第２遅延を選択するように構成されている、装置。
【請求項７】
中央チャネルと少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルから成る音場を作り出し、出力変換器のアレイを用いて、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを所定の方向に送出する方法であって、
前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルに対して、各出力変換器に関して第１遅延値を選択するステップであって、前記第１遅延値を、前記それぞれの変換器の前記アレイにおける位置に応じて選択し、前記チャネルを前記所定の方向に送出する、ステップと、
前記中央チャネルに対して第２遅延値を選択するステップであって、前記第２遅延値を、前記アレイから聴取者までの前記チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて選択する、ステップと、
各出力変換器に関して、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す信号を遅延させた複製を得るステップであって、各遅延複製を、当該出力変換器および当該チャネルについて計算した前記第１遅延値だけ遅延させる、ステップと、
各出力変換器に関して、前記中央チャネルを表す信号を遅延させた複製を得るステップであって、各遅延複製を前記第２遅延値だけ遅延させる、ステップと、
各出力変換器に関して、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す前記信号の前記遅延複製を、前記中央チャネルを表す前記信号のそれぞれの遅延複製に加算する、ステップと、
前記出力変換器のアレイを用いて、前記遅延複製を出力するステップと、
から成り、
聴取者に到達する前に、少なくとも１つのチャネルの音波を壁のような表面で跳ね返す、方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法であって、更に、
前記中央チャネルに対して、各出力変換器に関して第１遅延値を選択するステップであって、前記第１遅延値を、前記それぞれの変換器の前記アレイにおける位置に応じて選択し、前記中央チャネルを所定の方向に送出する、ステップを含み、
各出力変換器に関して前記中央チャネルを表す信号を遅延させた複製を得るステップは、更に、
前記中央チャネルを表す前記信号の各複製を、前記それぞれの出力変換器および当該中央チャネルについて計算した前記第１遅延値だけ遅延させるステップを含む、
方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記中央チャネルを表す前記信号の複製は、前記第２遅延値以外の値では遅延させず、前記第２遅延値が、前記信号の各複製について同一である、方法。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれか１項に記載の方法であって、更に、
前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルに対して、各出力変換器に関して第２遅延値を選択するステップであって、前記第２遅延値を、前記アレイから聴取者までの前記チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて選択するステップを含み、
各出力変換器に関して、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す信号を遅延させて複製を得る前記ステップは、更に、
前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す前記信号の各複製を、前記それぞれの出力変換器および前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルについて計算した前記第２遅延値だけ遅延させるステップを含む、
方法。
【請求項１１】
請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の方法において、前記信号を複製する前に、前記中央チャネルを表す各信号に前記第２遅延を与える、方法。
【請求項１２】
請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の方法において、前記音場が、２つのサラウンド・サウンド・チャネルを備え、各サラウンド・サウンド・チャネルを異なる方向に送出する、方法。
【請求項１３】
請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の方法において、前記第２遅延値の選択を、全サウンド・チャネルの対応する部分が実質的に同時に聴取者に到達するように行う、方法。
【請求項１４】
音場を作り出す装置であって、
少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルと中央チャネルとを表す複数の入力信号を受ける手段と、
出力変換器のアレイと、
各出力変換器に関して、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す前記信号の複製と、中央チャネルを表す前記信号の複製とを得るように構成された複製手段と、
前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す前記信号の各複製を、前記それぞれの変換器の前記アレイにおける位置に応じて選択したそれぞれの第１遅延値だけ遅延させ、前記チャネルを所定の方向に送出するように構成された第１遅延手段と、
前記中央チャネルを表す前記信号の各複製を、前記アレイから聴取者までの前記チャネルの音波の予測伝搬距離に応じて選択した第２遅延値だけ遅延させるように構成された第２遅延手段と、
各出力変換器に毎に設けた加算手段であって、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表わす前記信号の前記遅延複製を前記中央チャネルを表わす前記信号の前記複製の各々に加算して各出力変換器への出力信号を生成する加算手段と、
を備えていて、
前記少なくとも１つのチャネルの音波の予想伝播距離は、壁のような表面での跳ね返りを含む、前記音場を作り出す装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の装置において、前記第１遅延手段が、更に、前記中央チャネルを表す前記信号の各複製を、前記それぞれの変換器の前記アレイにおける位置に応じて選択したそれぞれの第１遅延値だけ遅延させ、前記中央チャネルを所定の方向に送出するように構成されている、装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の装置において、前記第２遅延手段が、更に、前記少なくとも１つのサラウンド・サウンド・チャネルを表す前記信号の各複製を、前記アレイから聴取者までの前記チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて選択したそれぞれの第２遅延値だけ遅延させるように構成されている、装置。
【請求項１７】
請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の装置において、前記第２遅延手段が、前記複製手段によって複製する前に、前記入力信号を遅延させるように構成されている、装置。
【請求項１８】
請求項１４ないし１７のいずれか１項に記載の装置において、前記音場が２つのサラウンド・サウンド・チャネルを備えており、前記第１遅延手段が、各サラウンド・サウンド・チャネルを異なる方向に送出させるように構成されている、装置。
【請求項１９】
請求項１４ないし１８記載のいずれか１項に記載の装置において、前記第２遅延手段が、全サウンド・チャネルが実質的に同時に聴取者に到達するように、前記チャネルに対して前記第２遅延を選択するように構成されている、装置。
【請求項２０】
請求項１４ないし１９のいずれか１項に記載の装置において、前記第１遅延手段および前記第２遅延手段が、同じ物理的手段である、装置。
【請求項２１】
請求項７ないし１３のいずれか１項に記載の方法または請求項１４ないし２０のいずれか１項に記載の装置において、前記出力変換器をクラス−ＢＤ  ＰＷＭ増幅器によって直接駆動する、方法または装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操向可能音響アンテナ（steerable acoustic antennae：ステアラブル音響アンテナ）に関し、特にディジタル電子操向可能音響アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
フェーズド・アレイ・アンテナは、電磁気および超音波音響分野双方において、当技術分野では周知である。これらは、余り知られてはいないが、単純な形態で、音波（可聴）音響分野にも存在する。これら後者は比較的未熟であり、本発明は、出力をある程度思いのままに送出するように操向可能な、極上のオーディオ音響アレイに関する改善を行おうとするものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＷＯ９６／３１０８６は、一元符号化（unary coded）信号を用いて出力変換器のアレイを駆動するシステムについて記載している。各変換器は、音圧パルスを作り出すことができ、出力する信号の全体を再生することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様は、単一の出力変換器アレイによって多数のチャネルを出力し、各チャネルを異なる方向に向けるときに起こり得る問題に取り組む。各チャネルが聴取者まで異なる経路を取るという事実のために、チャネルが聴取者の位置に到達するときに、その同期が外れているのが聞こえてしまう可能性がある。
【０００５】
第１の態様によれば、出力変換器のアレイを用いて、複数のサウンド・チャネルから成る音場を作り出す方法が提供され、該方法は、
各チャネル毎に、各出力変換器に関して第１遅延値を選択するステップであって、前記第１遅延値を、前記それぞれの変換器の前記アレイにおける位置に応じて選択する、ステップと、
各チャネル毎に第２遅延値を選択するステップであって、前記第２遅延値を、前記アレイから聴取者までの、当該チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて選択する、ステップと、
各出力変換器に関して、各チャネルを表す信号を遅延させた複製を得るステップであって、各遅延複製を、前記第１遅延値から成る第１成分と前記第２遅延値から成る第２成分とを有する値だけ遅延させる、ステップと、
から成る。
【０００６】
また、本発明の第１の態様によれば、音場を作り出す装置が提供され、該装置は、
異なるサウンド・チャネルを表す複数のそれぞれの信号のための複数の入力と、
出力変換器のアレイと、
各出力変換器に関して、各それぞれの入力信号の複製を得るように構成された複製手段と、
前記それぞれの出力変換器の前記アレイ内における位置に応じて選択したそれぞれの第１遅延値だけ、各信号の各複製を遅延するように構成された第１遅延手段と、
前記アレイから聴取者までの当該チャネルの音波の予想伝搬距離に応じて、各チャネル毎に選択した第２遅延値だけ、各信号の各複製を遅延させるように構成された第２遅延手段とから成る。
【０００７】
したがって、２種類の遅延を各サウンド・チャネルに与え、チャネル毎に伝搬距離が異なることによる影響を軽減する方法および装置が提供される。
【０００８】
本発明の第２の態様は、出力変換器のアレイをオーディオ−ビジュアルに応用する際に発生する問題に取り組む。所望の効果を作り出すためにチャネルに種々の遅延を与える必要がある場合が多いが、このためにサウンド・チャネルがビデオ映像よりも著しく遅れる可能性がある。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、オーディオ−ビジュアル・プレゼンテーションにおいて映像およびサウンド間に時間的対応付けを行い、出力変換器のアレイを用いて、複数のチャネルから成るサウンド・コンテンツを再生する方法が提供され、該方法は、
各出力変換器に関して、サウンド・チャネルを表す各信号の複製を、それぞれのオーディオ遅延値だけ遅延させるステップと、
時間的に対応するサウンド・チャネルが聴取者に到達する実質的な時点に、対応するビデオ映像が表示されるように計算したビデオ遅延値だけ、ビデオ信号を遅延させるステップとから成る。
【００１０】
更に、本発明の第２の態様によれば、オーディオ・ビジュアル・プレゼンテーションにおいて、映像と複数のサウンド・チャネルとの間に時間的な対応付けを行う装置が提供され、該装置は、
出力変換器のアレイと、
各出力変換器に関して、サウンド・チャネルを表す各信号を遅延させた複製を得るように構成された複製および遅延手段と、
時間的に対応するサウンド・チャネルが聴取者に到達する実質的な時点に、対応するビデオ映像が表示されるように計算したビデオ遅延値だけ、ビデオ信号を遅延させるように構成されたビデオ遅延手段と、
を備えている。
【００１１】
したがって、本発明のこの態様は、ビデオおよびサウンド・チャネルが正しい時刻に（即ち、互いに時間的に対応して）視聴者に到達することを可能にする。
【００１２】
本発明の第３の態様は、サウンド・チャネルが異なると内容も異なる場合があり、したがってサウンド・チャネルを表す個々のいずれのビームが達成すべき指向性に関しても異なる要求があるという問題に取り組む。
【００１３】
このために、本発明の第３の態様では、出力変換器のアレイを用いて、複数のサウンド・チャネルから成る音場を作り出す方法が提供され、該方法は、
チャネル毎に、各出力変換器に関して、前記チャネルを表す信号の複製を得て、チャネル毎に１組の複製信号を得るステップと、
第１サウンド・チャネル信号から発現した第１組の複製信号に第１ウィンドウ関数を適用するステップと、
第２サウンド・チャネル信号から発現した第２組の複製信号に、異なる第２ウィンドウ関数を適用するステップとから成る。
【００１４】
更に、本発明の第３の態様によれば、複数のサウンド・チャネルから成る音場を作り出す装置が提供され、該装置は、
出力変換器のアレイと、
各出力変換器に関して、前記複数のチャネルの各々を表す信号の複製を作成する複製手段と、
第１サウンド・チャネル信号から発生した第１組の複製信号に第１ウィンドウ関数を適用し、第２チャネル信号から発生した第２組の複製信号に、異なる第２ウィンドウ関数を適用するウィンドウ手段とを備えている。
【００１５】
したがって、この態様では、異なるウィンドウ関数を異なるサウンド・チャネルに適用することができるので、一層望ましい音場が得られ、各サウンド・チャネルの音量を独立して調節することが容易になる。
【００１６】
本発明の第４の態様は、低周波数を送出するには大きなアレイが必要であり、一方高周波数を同じ精度で送出するには、それよりも小さいアレイで可能であるという問題に取り組む。更に、低周波数は、高周波数よりも大きな電力を必要とする。
【００１７】
本発明の第４の態様によれば、出力変換器のアレイを用いて音場を作り出す方法が提供され、該方法は、
入力信号を、少なくとも低周波成分と高周波成分に分割するステップと、
前記アレイの第１部分に及ぶ出力変換器を用いて、前記低周波成分を出力するステップと、
前記第１部分よりも小さい前記アレイの第２部分に及ぶ出力変換器を用いて、前記高周波成分を出力するステップとから成る。
【００１８】
更に、本発明の第４の態様によれば、音場を作り出す装置が提供され、
出力変換器のアレイを備え、当該アレイの第１区域において、前記アレイの残りの部分よりも、前記変換器が密度高く実装されている。
【００１９】
したがって、この態様では、効率的な数の出力変換器を用いて、所望の指向性であらゆる周波数を出力することが可能となる。
【００２０】
本発明の第５の態様は、実質的に所望の平面内にサウンドを送出可能なアレイの効率的な構成に関する。
【００２１】
本発明の第５の態様によれば、直線状に互いに隣接して配置された出力変換器のアレイが提供され、前記出力変換器の各々では、前記直線に対して垂直な方向の寸法が、前記直線に平行な寸法よりも大きくなっている。
【００２２】
前述の構成は、サウンドがアレイの前方に水平に延びる平面に主に集中するので、特に有用である。ある面への集中は、個々の変換器が細長い状態であることによって達成され、指向性は、アレイ内の複数の変換器によって達成される。
【００２３】
本発明の第６の態様は、ユーザの望みに応じて、反射面または共振面を用いて、規定の位置に狭いビームまたは広いビームを送出させるという要望に取り組む。
【００２４】
本発明の第６の態様によれば、それぞれのチャネルを表す複数の入力信号が、空間内のそれぞれ異なる位置から発出するように思わせる方法が提供され、該方法は、
前記空間位置の各々に、音響反射または共振面を設けるステップと、
前記空間位置から離れた所に出力変換器のアレイを設けるステップと、
前記出力変換器のアレイを用いて、各チャネルの音波をそれぞれの空間位置に向けて送出し、前記音波を前記反射面または共振面によって再伝達させ、前記反射面または共振面の前方または後方の空間位置において前記音波を合焦させる（focussed）ステップと、
から成り、前記送出するステップが、
各変換器に関して、各入力信号を、前記それぞれの出力変換器の前記アレイにおける位置および前記それぞれのフォーカス位置（focus position）に応じて選択したそれぞれの遅延量だけ遅延させて遅延複製を得て、前記チャネルの音波を当該チャネルに関して前記フォーカス位置に向けて送出するようにしたステップと、
各変換器に関して、各入力信号の前記それぞれの遅延複製を合計し、出力信号を生成するステップと、
前記出力信号を前記それぞれの変換器に導出するステップとから成る。
【００２５】
更に、本発明の第６の態様によれば、それぞれのチャネルを表す複数の入力信号が、空間内の異なるそれぞれの位置から発出するように思わせる装置が提供され、該装置は、
前記空間位置の各々における音響反射または共振面と、
前記空間位置から離れて位置する（distal）出力変換器のアレイと、
前記出力変換器のアレイを用いて、各チャネルの音波をそれぞれの空間位置に向けて送出し、前記音波を前記反射面または共振面によって再伝達させ、前記反射面または共振面の前方または後方の空間位置において前記音波を合焦させるようにする制御部と、
から成り、前記制御部が、
各変換器に関して、各入力信号を、前記それぞれの出力変換器の前記アレイにおける位置および前記それぞれのフォーカス位置に応じて選択したそれぞれの遅延量だけ遅延させて遅延複製を得て、前記チャネルの音波を当該チャネルに関して前記フォーカス位置に向けて送出するように構成された複製および遅延手段と、
各変換器に関して、各入力信号の前記それぞれの遅延複製を合計し、出力信号を生成するように構成された加算手段と、
前記出力信号を前記それぞれの変換器に導出し、前記チャネルの音波を当該入力に関して、前記フォーカス位置に向けて送出するようにした手段とを備えている。
【００２６】
本発明の第６の態様によって、反射器／共振器の後方または前方に選択された集束位置に応じて、狭いビームまたは広いビームを再伝達することが可能となる。
【００２７】
本発明の第７の態様は、サウンドがどこに送出または合焦されるか正確に判定するのが困難となる可能性があり、サウンドが送出または合焦される場所を操作者に制御させる（フィードバックによって）直感的な方法が求められているという問題に取り組む。
【００２８】
本発明の第７の態様によれば、サウンドを合焦する方向を選択する方法が提供され、該方法は、
ビューファインダまたはその他の画面手段を用いて、前記方向が所望のものであるか否か判定を行い、前記所望の方向にビデオ・カメラの照準を向けるステップと、
入力信号の１組の複製に与える複数の信号遅延を計算し、サウンドを前記選択した方向に送出するステップとから成る。
【００２９】
更に、本発明の第７の態様によれば、サウンドをどこに送出するか決定する方法が提供され、該方法は、
サウンドを送出する方向に応じて、ビデオ・カメラの照準を向ける方向を自動的に調節するステップと、
ビューファインダまたはその他の画面手段から、前記カメラの照準を向けている方向を識別するステップとから成る。
【００３０】
更に、本発明の第７の態様によれば、音場を設定または監視する装置が提供され、
出力変換器のアレイと、
方向可変のビデオ・カメラと、
前記出力変換器のアレイおよび前記ビデオ・カメラを制御して、前記アレイからのサウンドを送出するのと同じ方向に前記ビデオ・カメラの照準を向ける（point）ようにする手段とを備えている。
【００３１】
したがって、本発明の第７の態様では、ユーザが直感的かつ容易に、サウンドを送出する所を決定することができる。
【００３２】
一般に、本発明は、二次元アレイに配列され複数の空間的に分散された音波電気音響変換器（sonic electroacoustic transducers：ＳＥＴ）を備え、各々が入力信号分配器を介して同じディジタル信号入力に接続されており、各ＳＥＴに供給する前に入力信号を修正し、所望の指向性効果を得る、好ましくは完全にディジタルの操向可能音響フェーズド・アレイ・アンテナ（ディジタル・フェーズド・アレイ・アンテナ、またはＤＰＡＡ）システムに適用可能である。
ここに備わっている種々の可能性、および実際に好ましい変形は、以下の記載から見て取れよう。
【００３３】
ＳＥＴは、空間にランダムに配置されるよりも、平面または曲面（表面）（a plane or curved surface (a Surface)）内に配列する方が好ましい。しかしながら、これらは、２つ以上の隣接するサブアレイ−前後に位置する２つ以上の密接した平行な平面または曲面の二次元スタックの形態としてもよい。
ある表面（Surface）内において、アレイを構成するＳＥＴは、狭い間隔で配されていることが好ましく、アンテナ・アパーチャ全体を完全に満たしていることが理想的である。これは、実際の断面円形のＳＥＴでは非現実的であるが、断面が三角形、正方形または六角形のＳＥＴ、即ち、一般に当該平面を覆う断面形状であればいずれでも、達成可能である。ＳＥＴの断面が平面を覆えない場合、アレイをスタックまたは複数のアレイの形態、即ち、三次元状にすることにより、アパーチャ充填に類する近似を行うことができる。この場合、ＳＥＴの少なくとも１つの追加表面（Surface）を、少なくとも１つの別のこのような表面（Surface）の後ろに実装し、前述のまたは各後方のアレイにおけるＳＥＴは、前方の（複数の）アレイにおけるギャップ間に放射する。
【００３４】
ＳＥＴは、同様であることが好ましく、同一であることが理想的である。これらは、勿論、音響、即ち、オーディオ・デバイスであり、恐らくは低い側で２０Ｈｚ（または、これ未満）から、高い側で２０ＫＨｚ以上（可聴帯域）までの可聴帯域全域を均一に覆うことができるのが最も好ましい。あるいは、異なる音響能力を有するが、一体となって所望の範囲全体を覆うＳＥＴを用いることができる。このように、多数の異なるＳＥＴを物理的に集合化し、複合ＳＥＴ（ＣＳＥＴ）を形成することができ、個々のＳＥＴでは不可能であっても、異なるＳＥＴのグループが一体となって可聴帯域を覆うことができる。更に別の変形として、各々部分的に可聴帯域を覆えるに過ぎないＳＥＴを集合化せずに、代わりにアレイ全体として可聴帯域を完全にまたはほぼ完全に覆うようにＳＥＴ間に十分な変化を持たせて、アレイ全域に散乱させることもできる。
【００３５】
ＣＳＥＴの代わりの形態では、数個（通例では２個）の同じ変換器を内蔵し、各々を同じ信号によって駆動する。これによって、必要な信号処理および駆動用電子回路の複雑さを低減しつつ、大型ＤＰＡＡの利点の多くを保持する。以後ＣＳＥＴの位置について言及する場合、この位置はＣＳＥＴ全体としての重心、即ち、ＣＳＥＴを構成する個々のＳＥＴ全ての重心であると理解することとする。
【００３６】
表面（Surface）内では、ＳＥＴまたはＣＳＥＴ（以後、２つを単にＳＥＴで示すことにする）の間隔、即ち、アレイの全体的レイアウトおよび構造、ならびに個々の変換器をその中に配置する方法は、規則的であることが好ましく、面全域におけるそれらの分散は、対称的であることが望ましい。したがって、ＳＥＴは、三角形、正方形または六角形の格子状に離間することが最も好ましい。格子の種類および方位は、サイドローブの間隔および方向を制御するように選択することができる。
【００３７】
必須ではないが、各ＳＥＴは、効果的に放射（または受信）することができる全音波長において、少なくとも半球では無指向性入出力特性を有することが好ましい。
【００３８】
各出力ＳＥＴは、都合の良い形態または所望の形態であれば、いずれのサウンド放射デバイスの形態でも取ることができ（例えば、従来のラウドスピーカ）、これらは全て同一であることが好ましいが、これらは異なっていることも可能である。ラウンドスピーカは、ピストニック音響放射器（pistonic acoustic radiator）として知られている形式（変換器のダイアフラムをピストンによって移動させる）とするとよく、このような場合、個々のＳＥＴのピストン−放射器の最大放射範囲（例えば、円形ＳＥＴの場合有効なピストンの直径）は、できるだけ小さいことが好ましく、可聴帯域における最も高い周波数の音響波長と同じくらい、またはこれよりも小さいことが理想的である（例えば、空中では、２０ＫＨｚ音波の波長は約１７ｍｍであるので、円形ピストン変換器では、最大直径は約１７ｍｍが好ましく、無指向性を確保するためには、サイズはこれよりも小さいことが好ましい。
【００３９】
アレイの平面におけるＳＥＴの前記または各アレイの全体的寸法は、アレイの極放射パターンに大きく作用することを意図した最低周波数の空中における音響波長と同じくらい、またはこれよりも大きく選択することが非常に好ましい。したがって、３００Ｈｚ程度の低い周波数を発射即ち操向できることが望ましい場合、アレイ・サイズは、操向または発射が要求される各面に対して直角の方向で、少なくともｃｓ／３００≒１．１メートル（ｃｓは音速である）とするとよい。
【００４０】
本発明は、完全ディジタル操向音波／可聴音響フェーズド・アレイ・アンテナ・システムに適用することができ、実際の変換器はアナログ信号によって駆動することができるが、これらをディジタル電力増幅器で駆動することが最も好ましい。典型的なこのようなディジタル電力増幅器は、ＰＣＭ信号入力、クロック入力（または入力ＰＣＭ信号からクロックを求める手段）、内部で発生するかあるいは入力クロックまたは追加の出力クロック入力から求める出力クロック、ならびにディジタル（ＰＣＭ）信号またはアナログ信号のいずれでもよい、オプションの出力レベル入力（後者の場合、このアナログ信号は増幅器出力にも電力を供給することもできる）を組み込んでいる。ディジタル電力増幅器の特性の１つとして、あらゆるオプションのアナログ出力フィルタ処理の前に、その出力に離散値を与え、段階的に連続とし、出力クロック周期と一致する間隔でのみレベル変更が可能であることがあげられる。離散出力値は、オプションの出力レベル入力が設けられる場合は、これによって制御される。ＰＷＭを用いたディジタル増幅器では、入力サンプル周期のいずれの整数倍においても、出力信号の平均値は入力信号を表す。他のディジタル増幅器では、出力信号の平均値は、入力サンプル周期よりも長い期間では、入力信号の平均値に向かう傾向がある。ディジタル電力増幅器の好ましい形態には、バイポーラ・パルス幅変調器、および１ビット二値変調器が含まれる。
【００４１】
ディジタル電力増幅器を用いることによって、殆どのいわゆる「ディジタル」システムにおいて見られる、各変換器駆動チャネル毎に、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）および線形電力増幅器を設けるという、より共通な要求を回避し、したがって電力駆動効率を非常に高くすることができる。更に、殆どの可動コイル型音響変換器は本来誘導的であり、機械的にはロー・パス・フィルタとして非常に効果的に作用するので、精巧な電子ロー・パス・フィルタ処理をディジタル駆動回路とＳＥＴとの間に追加する必要がない場合もある。言い換えると、ＳＥＴはディジタル信号によって直接駆動することができる。
【００４２】
ＤＰＡＡは、１つ以上のディジタル入力端子（入力）を有する。１つよりも多い入力端子がある場合、各入力信号を個々のＳＥＴに導出する手段を設ける必要がある。
【００４３】
これは、入力の各々を、１つ以上の入力信号分配器を介してＳＥＴの各々に接続することによって行うとよい。最も基本的には、入力信号を単一の分配器に供給し、この単一の分配器が、ＳＥＴの各々に対して別個の出力を有する（そして、以下で論ずるように、これが出力する信号を適切に修正し、所望の目的を達成する）。あるいは、同様の分配器をある数だけ備え、各々が入力信号またはその一部、あるいは別個の入力信号を取り込み、各々が別個の出力をＳＥＴの各々に供給する（そして、各場合において、それが出力する信号は、以下で論ずるように、分配器によって適切に修正され、所望の目的を達成する）。この後者の場合、複数の分配器が各々全てのＳＥＴに供給するが、各分配器からいずれの１つへのＳＥＴへの出力も組み合わせなければならず、得られる信号に更に修正を行う前に、加算回路によってこれを行うと都合が良い。
【００４４】
入力端子は、ＤＰＡＡが処理するサウンドまたは複数のサウンドを表す１つ以上のディジタル信号（入力信号）を受けることが好ましい。勿論、放射するサウンドを規定する元の電気信号は、アナログ形態でもよく、したがって、本発明のシステムは、１つ以上のアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）を含むことができ、これらの各々を補助アナログ入力端子（アナログ入力）と入力の１つとの間に接続することによって、これら外部アナログ電気信号の内部ディジタル電気信号への変換を可能とする。各ディジタル電気信号は、特定の（そして適切な）サンプル・レートＦｓｉを有する。したがって、ＤＰＡＡ内部においては、入力以降では、処理される信号は、時間サンプルされた量子化ディジタル信号であり、ＤＰＡＡによって再生されるサウンド波形または複数の波形を表す。
【００４５】
本発明のＤＰＡＡは、分配器を組み込んでおり、これが入力信号を修正した後に、各ＳＥＴに供給することにより、所望の指向性効果を達成している。分配器は、ディジタル・デバイス、またはソフトウエア（piece of software）であり、１つの入力および多数の出力を有する。ＤＰＡＡの入力信号の１つは、その入力に供給される。これは、ＳＥＴ毎に１つの出力を有することが好ましく、あるいは、１つの出力を多数のＳＥＴまたはＣＳＥＴのエレメントで共有することができる。分配器は、入力信号に全体的に異なる修正を行ったものをその出力の各々に送る。修正は、固定とするか、または制御システムを用いて調整可能とすることもできる。分配器によって行われる修正は、信号遅延を与えること、振幅制御を適用すること、および調節可能にディジタル的にフィルタ処理を行うことを含むことができる。これらの修正は、単一の遅延手段（ＳＤＭ）、振幅制御手段（ＡＣＭ）、および可調節ディジタル・フィルタ（ＡＤＦ）によって行うとよく、これらはそれぞれ分配器内部に配置されている。尚、ＡＤＦは、フィルタ係数の適切な選択によって、信号に遅延を与えるように構成可能であることを注記しておく。更に、この遅延は、周波数依存性とすることができ、入力信号の異なる周波数を異なる量だけ遅延させるようにすれば、フィルタは、この信号のいずれの数のこのような遅延バーションの合計の効果でも生成することができる。「遅延」または「遅延させた」という用語は、ここで用いる場合、ＡＤＦおよびＳＤＭによって与えられる形式の遅延を含むものとして解釈することとする。遅延は、ゼロを含むあらゆる有用な期間とすることができるが、一般に、少なくとも１つの複製入力信号は非ゼロ値だけ遅延される。
【００４６】
信号遅延手段（ＳＤＭ）は、可変ディジタル信号時間遅延エレメントである。これらは、単一の周波数や狭周波数帯域の移相エレメントではないが、真の時間遅延であるので、ＤＰＡＡは広い周波数帯域（例えば、可聴帯域）全域で動作する。所与の入力端子と各ＳＥＴとの間で遅延を調節する手段があるとよく、入力／ＳＥＴの組み合わせ毎に別個に調節可能な遅延エレメントがあると効果的である。
【００４７】
所与のディジタル信号に対して可能な最少遅延は、当該信号のサンプル周期Ｔｓと同等またはこれ以下であることが好ましく、所与のディジタル信号に対して可能な最大遅延は、音が変換器アレイの最も大きな横方向範囲Ｄｍａｘを横切って交差するのに要する時間Ｔｃと同程度またはそれ以上となるように選択することが好ましい。ここで、Ｔｃ＝Ｄｍａｘ／ｃｓであり、ｃｓは空気中における音速である。最も好ましくは、所与のディジタル信号に可能な遅延の最少増分変化をＴｓ、信号のサンプル周期以下とすべきである。さもないと、信号の補間が必要となる。
【００４８】
振幅制御手段（ＡＣＭ）は、一括ビーム形状修正（gross beam shape modification）の目的で、ディジタル振幅制御手段として実施すると都合が良い。これは、増幅器または交流電源（alternator）を備えれば、出力信号の大きさを増大または減少することができる。ＳＤＭと同様、入力／ＳＥＴの組み合わせ毎に可調節ＡＣＭがあることが好ましい。振幅制御手段は、分配器からの各信号出力に異なる振幅制御を適用し、ＤＰＡＡが有限サイズであるという事実に対して、ウィンドウ関数を用いることによって、対抗するように構成することが好ましい。これは、ガウス曲線またはかさ上げ余弦曲線のような既定の曲線に応じて、各出力信号の大きさを正規化することによって行うと都合がよい。このように、全体的には、アレイの中央付近にあるＳＥＴに宛てられる出力信号は大きな影響を受けないが、アレイの周囲付近にあるＳＥＴは、これらがアレイのエッジに対する近接度に応じて減衰される。
【００４９】
信号を修正する別の方法では、用いられるディジタル・フィルタ（ＡＤＦ）は、その群遅延および大きさの応答が、周波数の関数として、（単純な時間遅延またはレベル変化だけではなく）指定された方法で変化する。単純な遅延エレメントを用いてこれらのフィルタを実現し、必要な計算を削減するようにしてもよい。この手法では、ＤＰＡＡ放射パターンの制御を、周波数の関数として行うことが可能となり、異なる周波数帯域において別個に、ＤＰＡＡ放射パターンの制御を調節することが可能となる（これは、ＤＰＡＡ放射区域の波長のサイズ、したがってその指向性が、別の状況では強い周波数の関数となるので、有用である）。例として、範囲が例えば２ｍのＤＰＡＡでは、その低周波数カットオフ（指向性のため）は、１５０Ｈｚ領域周辺であり、人間の耳では、このような低周波数のサウンドの指向性を判断するのが難しいので、このような低周波数では、「ビーム操向」遅延や振幅重み付けを適用せず、代わりに、最適出力レベルを求める方が、一層有用であると言える。加えて、フィルタの使用によって、各ＳＥＴの放射パターンのばらつきをいくらか補償することも可能である。
【００５０】
ＳＤＭ遅延、ＡＣＭ利得およびＡＤＦ係数は、固定としたり、あるいはユーザ入力に応答して変化させたり、または自動制御の下で変化させることができる。好ましくは、チャネルが使用中に必要な変化はいずれも、多くの小さな刻み幅で行い、不連続性が聞かれないようにする。これらの刻み幅は、パラメータがいかに素早く変化することができるかを記述する、所定の「ロールオフ」および「アタック」レートを規定するように選択することができる。
【００５１】
１つよりも多い入力が供給される場合、即ち、１からＩまで付番されたＩ個の入力がある場合、そして、１からＮまで付番されたＮ個のＳＥＴがある場合、個別に調節可能な別個の遅延、振幅制御および／またはフィルタ手段Ｄｉｎ（ここで、Ｉ個の入力の各々とＮ個のＳＥＴの各々との間で、Ｉ＝１〜Ｉ、ｎ＝１〜Ｎである）を各組み合わせ毎に設けることが好ましい。したがって、各ＳＥＴ毎に、入力の各々から別個の分配器を介して１つずつ、Ｉ個の遅延した、即ち、フィルタ処理したディジタル信号があり、ＳＥＴに印加される前に組み合わせる。全体的に、Ｎ個の別個のＳＤＭ、ＡＣＭおよび／またはＡＤＦが各分配器にあり、各ＳＥＴ毎に１つの分配器がある。先に注記したように、このディジタル信号の組み合わせを行うには、Ｉ個の別個の遅延信号のディジタル的代数加算を用いると都合が良い。即ち、各ＳＥＴへの信号は、Ｉ個の入力各々からの、別個に修正した信号の線形組み合わせである。１つよりも多くの入力から発した信号のディジタル加算の実行が必要であるということは、異なるクロック・レートおよび／または位相で２つ以上のディジタル信号に対してディジタル加算を実行することは一般には無意味なので、これら外部信号を同期させるためには、ディジタル・サンプリング・レート変換器（ＤＳＲＣ）を用いる必要があり得ることを意味する。
【００５２】
ＤＰＡＡシステムは、ある距離を隔てて（理想的には、ＤＰＡＡの聴取区域内のどこかから）ＤＰＡＡ電子回路と通信し（ワイヤ、無線または赤外線、あるいはその他の何らかのワイヤレス技術によって）、ＤＰＡＡの主要機能全てで手動制御が行える遠隔制御子機（子機）と共に用いてもよい。このようなシステムは、以下の機能を備えることが最も有用である。
１）どの入力（複数の入力）をどの分配器に接続するかという選択、「チャネル」と呼ぶこともできる。
２）各チャネルの集束位置および／またはビーム形状の制御
３）各チャネルに対する個々の音量レベル設定値の制御、および
４）内蔵マイクロフォンを有する子機を用いた初期パラメータ設定（後述を参照）。
【００５３】
また、
２つ以上のこのようなＤＰＡＡを相互接続し、これらの放射パターン、これらの集束、およびこれらの最適化手順を調整する手段と、
（ＤＤＧに対する）遅延および（ＡＤＦに対する）フィルタ係数の組を格納し、呼び出す手段と、
があってもよい。
【００５４】
添付した構成図を参照して、単に非限定的な例として本発明について更に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
以下に提示する記載および図面は、必然的にブロック図を用いて本発明について説明し、各ブロックは、ハードウエア・コンポーネントまたは信号処理ステップを表す。原理的には、本発明は、各ステップを実行するように別個の物理的コンポーネントを構成し、図示のようにこれらを相互接続することによって実現することができる。ステップの内いくつかは、専用のまたはプログラム可能な集積回路を用い、可能であれば数個のステップを１つの回路に組み込むことによって、実施することができる。尚、実際には、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）または汎用マイクロプロセッサを用いて、信号処理ステップのいくつかをソフトウエアで実行することが最も便利である可能性が高いことは理解されよう。次いで、別個のプロセッサまたはマイクロプロセッサを共有する別個のソフトウエア・ルーチンによって、連続するステップを実行することができ、またはこれらを１つのルーチンに組み込むことによって効率を高めることもできる。
【００５６】
図面は、オーディオ信号経路を概略的に示すに過ぎず、クロックおよび制御接続は、考えを伝えるために必要なとき以外は、明瞭化のために省略されている。更に、少数のＳＥＴ、チャネル、およびこれらと連携する回路のみを示すが、これは、現実的に多数の要素を含ませると、図面が煩雑になり解釈が困難となるからである。
【００５７】
本発明のそれぞれの態様について説明する前に、それぞれの態様のいずれに応じた使用にも適した装置の実施形態について説明することは有用である。
【００５８】
図１のブロック図は、単純なＤＰＡＡを示す。入力信号（１０１）は分配器（１０２）に供給され、その多数（図では６つ）の出力が、各々、オプションの増幅器（１０３）を介して出力ＳＥＴ（１０４）に接続する。出力ＳＥＴは、物理的に二次元アレイ（１０５）を形成するように配列されている。分配器は、各ＳＥＴに送られる信号を修正し、所望の放射パターンを生成する。以下で例示するが、分配器の前または後に、追加の処理ステップを設けてもよい。
【００５９】
図２は、２つの入力信号（５０１、５０２）および３つの分配器（５０３〜５０５）を有するＤＰＡＡを示す。分配器５０３は信号５０１を処理し、一方５０４および５０５双方が入力信号５０２を処理する。各ＳＥＴに宛てた各分配器からの出力は、加算器（５０６）によって加算され、増幅器１０３を介してＳＥＴ１０４に達する。
【００６０】
図３は、分配器のコンポーネントを示す。これは、入力回路から来る単一の入力信号（１０１）と、各ＳＥＴまたはＳＥＴ群に１つずつの多数の出力（８０２）とを有する。入力から出力の各々までの経路には、ＳＤＭ（８０３）および／またはＡＤＦ（８０４）および／またはＡＣＭ（８０５）が含まれる。各信号経路において行われる修正が同様であれば、信号を分割する前に共通のＳＤＭ、ＡＤＦおよび／またはＡＣＭ（８０６〜８０８）を含むことによって、より効率的に分配器を実施することができる。各分配器の部品の各々のパラメータは、ユーザまたは自動制御の下で変更することができる。これに必要な制御接続は、示されていない。
【００６１】
図４は、可能な電力増幅器の構成を示す。１つの選択肢では、恐らくは分配器または加算器からの入力ディジタル信号（１００１）は、ＤＡＣ（１００２）、およびオプションの利得／音量制御入力（１００４）を備えた線形電力増幅器（１００３）を通過する。出力は、ＳＥＴまたはＳＥＴ群（１００５）に送られる。２つのＳＥＴフィード（SET feeds）について例示した場合の好適な構成では、入力（１００６）はオプションの包括的音量制御入力（global volume control input）（１００８）を備えたディジタル増幅器（１００７）に直接送られる。包括的音量制御入力は、出力駆動回路に対する電源としても機能することができ便利である。離散値を取るディジタル増幅器の出力には、ＳＥＴ（１００５）に達する前に、アナログのロー・パス・フィルタ（１００９）を通すという選択肢もある。
【００６２】
図５は、３つのＤＰＡＡ（１４０１）の相互接続を示す。この場合、入力（１４０２）、入力回路（１４０３）および制御システム（１４０４）は、３つのＰＤＡＡ全てによって共有される。入力回路および制御システムは、別個に収容することも、ＤＰＡＡの１つに組み込んで、他方がスレーブとして動作することも可能である。あるいは、３つのＤＰＡＡを同一とし、スレーブＤＰＡＡ内の冗長回路のみをインアクティブとすることも可能である。この設定によって電力増大が可能となり、アレイを並置する場合、低周波において指向性が向上する。
【００６３】
図６および図７Ａないし図７Ｄの装置は、図１に示す一般的な構造を有する。図６は、好ましい分配器（１０２）を更に詳細に示す。
【００６４】
図６からわかるように、入力信号（１０１）は、入力端子（１５１４）によって、リプリケータ（１５０４）に導出される。リプリケータ（１５０４）は、入力信号を所定回数コピーし、同じ信号を前記所定数の出力端子（１５１８）に供給する機能を有する。次に、入力信号の各複製は、複製を修正する手段（１５０６）に供給される。概略的に、複製を修正する手段（１５０６）は、信号遅延手段（１５０８）、振幅制御手段（１５１０）、および可調節ディジタル・フィルタ手段（１５２）を含む。しかしながら、振幅制御手段（１５１０）は純粋にオプションであることを注記しておく。更に、信号遅延手段（１５０８）および可調節ディジタル・フィルタ（１５１２）の一方または他方も、取り除いてもよい。複製を修正する手段（１５０６）の最も基本的な機能は、ある意味では異なる複製を全て異なる量だけ遅延させて供給することである。出力変換器（１０４）が入力信号（１０１）を様々に遅延させて出力する際に得られる音場を決定するのは、遅延の選択である。遅延され好ましくはそれ以外にも修正された複製は、出力端子（１５１６）を介して分配器（１０２）から出力される。
【００６５】
既に述べたように、各信号遅延手段（１５０８）および／または各可調節ディジタル・フィルタ（１５１２）によって得られるそれぞれの遅延の選択は、得られる音場の様式に重大な影響を及ぼす。一般に、４つの特に有効な音場があり、これらを線形に組み合わせることができる。
【００６６】
第１の音場
図７Ａに第１の音場を示す。
種々の出力変換器（１０４）から成るアレイ（１０５）を平面図で示す。図示した列の上または下に、別の出力変換器の列を配置してもよい。
【００６７】
種々の信号遅延手段（５０８）によって各複製に与えられた遅延は、同じ値、例えば、０（図示のような平面アレイの場合）、または表面形状の関数となる値（曲面の場合）に設定される。これによって、入力信号（１０１）を表すサウンドの大まかに平行な「ビーム」が生成される。これは、アレイ（１０５）に平行な波頭Ｆを有する。ビームの方向（波頭に垂直）における放射は、他の方向よりもはるかに強いが、一般には「サイド・ローブ」もある。アレイ（１０５）は、対象のサウンド周波数において１波長または数波長の物理的範囲（extent）を有すると仮定する。この事実は、必要であれば、ＡＣＭまたはＡＤＦの調節によって、サイド・ローブを全体的に減衰または移動可能であることを意味する。
【００６８】
動作モードは、一般に、アレイ（１０５）が非常に大きな従来のラウドスピーカを模擬する１つと考えてもよい。アレイ（１０５）の個々の変換器（１０４）は、全て同相で動作し、主方向がアレイの平面に対して垂直な対称的ビームを生成する。得られる音場は、直径Ｄを有する単一の大型ラウドスピーカを用いた場合に得られるものと非常に類似している。
【００６９】
第２音場
第１音場は、より一般的な第２音場の具体的な例と考えることもできる。
ここでは、信号遅延手段（１５０８）または可調節ディジタル・フィルタ（１５１２）によって各複製に与えられる遅延は、アレイの表面を横切るある選択された方向に変換器（１０４）間で系統的に遅延が増大するように、変化させている。これを図７Ｂに示す。種々の信号がそれぞれの出力変換器（１０４）に導出される前にこれらに与えられる遅延は、図７Ｂでは、変換器の後ろ側に延びる点線によって視覚化することができる。点線が長い程、長い遅延時間を表す。一般に、点線と実際の遅延時間との間の関係は、ｄｎ＝ｔｎ＊ｃであり、ｄは点線の長さを表し、ｔはそれぞれの信号に与えられる遅延量を表し、ｃは空中における音速を表す。
【００７０】
図７Ｂからわかるように、出力変換器に与えられる遅延は、図７Ｂにおいて左から右に向かう程線形的に増大する。したがって、変換器（１０４ａ）に導出される信号には実質的に遅延はなく、このためアレイから出射する最初の信号となる。変換器（１０４ｂ）に導出される信号には小さい遅延が与えられるので、この信号は２番目にアレイから出射する。変換器（１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ等）に与えられる遅延は連続的に増大するので、隣接する変換器の出力間には固定の遅延がある。
【００７１】
このような一連の遅延によって、第１音場に生成されたものと同様の、大まかに平行なサウンドの「ビーム」が生成されるが、ここでは、用いられた系統的遅延増大量に応じた量だけビームが角度をなすことが相違する。非常に小さな遅延（ｔｎ＜＜Ｔｃ，ｎ）では、ビームの方向は、アレイ（１０５）に対してほぼ直交し、遅延を大きくすると（ｍａｘ  ｔｎ）〜Ｔｃ、表面に対してほぼ接線方向となるように導くことができる。
【００７２】
既に説明したように、各変換器からの音波の同じ時間的部分（同じ情報を表す音波の部分）が共に特定の方向に伝搬する波頭Ｆを形成するように遅延を選択することによって、音波を合焦する（focussing）ことなく送出することができる。
【００７３】
分配器によってアレイの縁端付近に位置するＳＥＴに与えられる信号の振幅を（アレイの中心付近にあるＳＥＴに与えられる振幅に対して）縮小することによって、放射パターンにおけるサイド・ローブ（有限のアレイ・サイズによる）のレベルを低下させることができる。例えば、ガウス型またはかさ上げ余弦曲線を用いて、各ＳＥＴからの信号の振幅を決定することができる。有限のアレイ・サイズの影響に対する調節と、外側のＳＥＴにおいて振幅を縮小することによる電力減少との間で、トレードオフを達成する。
【００７４】
第３音場
信号遅延手段（１５０８）および／または適応ディジタル・フィルタ（１５１２）によって与えられる信号遅延を選択する際、当該ＳＥＴ（１０４）からＤＰＡＡ前方の空間において選択した地点までのサウンド伝搬時間に遅延を加えた合計が、全てのＳＥＴに対して同じ値になるようにすると、即ち、出力変換器の各々からの音波が選択地点において同相サウンドとして到達するようにすると、ＤＰＡＡにその点Ｐにおいてサウンドを合焦させるようにすることができる。これを図７Ｃに示す。
【００７５】
図７Ｃからわかるように、この場合も出力変換器（１０４ａないし１０４ｈ）の各々において与えられる遅延は増大するが、この場合は線形ではない。これによって、曲線状の波頭Ｆが発生し、これはフォーカス点（focus point）において収束（converge）するので、この焦点およびその周囲（サウンドのスペクトル成分の各々の波長にほぼ等しい寸法の領域）におけるサウンドの強度は、近隣の他の地点におけるよりもかなり高くなる。
【００７６】
合焦する音波を得るために必要な計算は、次のように一般化することができる。
【数１】
0004445705.tif 000002
【数２】
0004445705.tif 000003
【数３】
0004445705.tif 000004
【数４】
0004445705.tif 000005
ここで、ｋは、全ての遅延が正でありしたがって確実に実現可能とするための一定のオフセットである。
【００７７】
焦点位置は、前述のように１組の遅延を適切に選択することによって、ＤＰＡＡの前方であれば殆どどこにでも、広範囲にわたって変更することもできる。
【００７８】
第４音場
図７Ｄは、各出力変換器に導出される信号に与えられる遅延を決定するために更に別の理論を用いる場合の、第４音場を示す。この実施形態では、ホイヘンスのウェーブレット理論を呼び出して、見かけ上の原点Ｏを有する音場をシミュレートする。これを行うには、信号遅延手段（１５０８）または適応ディジタル・フィルタ（１５１２）によって得られる信号遅延を、アレイ後部の空間における地点からそれぞれの出力変換器までのサウンド伝搬時間に等しくなるように設定する。これらの遅延は、図７Ｄでは、点線で示されている。
【００７９】
図７Ｄから、シミュレートした原点位置に最も近く位置する出力変換器は、原点位置から離れて位置する変換器よりも前に信号を出力することがわかる。変換器の各々から射出される波によって形成される干渉パターンが音場を作り出し、これが、アレイ前方の近場にいる聴取者には、シミュレートした原点から発するように思える。
【００８０】
図７Ｄに半球状の波頭を示す。これらを合計して得られる波頭Ｆは、疑似原点において発した場合に波頭が有するのと同じ曲率および移動方向を有する。こうして、真の音場が得られる。遅延を計算するための式は、ここでは、次のようになる。
【数５】
0004445705.tif 000006
ここで、ｔｎは、第３実施形態において定義しており、ｊは任意のオフセットである。
【００８１】
したがって、ここで利用した一般的な方法では、リプリケータ（１５０４）を用いてＮ個の複製信号を得る。Ｎ個の出力変換器の各々に１つずつとする。次に、これら複製の各々を、アレイ内のそれぞれの出力変換器の位置、および得られる効果の双方に応じて選択したそれぞれの遅延量だけ（恐らくはフィルタを用いて）遅延させる。次いで、遅延した信号をそれぞれの出力変換器に導出し、該当する音場を作り出す。
【００８２】
好ましくは、分配器（１０２）は、別個の複製および遅延手段を備え、信号を複製し、各複製に遅延が与えられるようにする。しかしながら、他の構成も本発明には含まれており、例えば、Ｎ個のタップを備えた入力バッファを用い、タップの位置によって遅延量を決定するようにしてもよい。
【００８３】
以上説明したシステムは線形であるので、単純に必要な遅延信号を特定の出力変換器のために互いに加算することによって、前述の４つの効果のいずれでも組み合わせることができる。同様に、本システムの本質が線形であるということは、数個の入力を各々別々に、そして異なる方法で、前述のようにして合焦しまたは指向することができ、制御可能でありしかも潜在的に広く分離可能な領域が得られ、この領域において、ＤＰＡＡ自体から離れた所に、異なる音場（異なる入力における信号を表す）を確立可能であるということを意味する。例えば、第１信号はＤＰＡＡの背後のある距離の所から発していると感じられるように生成することができ、第２信号はＤＰＡＡ前方のある距離の位置において合焦することができる。
【００８４】
本発明の第１の態様
本発明の第１の態様は、マルチチャネル・システムにおけるＤＰＡＡの使用に関する。既に説明したように、同じアレイを用いて、異なるチャネルを異なる方向に送出し、特殊効果を得ることができる。図８は、これを概略的に平面図で示しており、アレイ（３８０１）を用いて、サウンド（Ｂ１）の第１ビームを実質的に直線的に聴取者（Ｘ）に向けて前方に送出している。これは、図７Ａまたは図７Ｂに示したように、集束させることも、させないことも可能である。第２ビーム（Ｂ２）は、僅かな角度をなして送出されているので、ビームは聴取者（Ｘ）を迂回し、多数回壁（３８０２）に反射して、この場合も最終的に聴取者に到達する。第３ビーム（Ｂ３）は、更に大きな角度で送出されているので、側壁で１回跳ね返り、聴取者に到達する。このようなシステムの典型的な用途の１つに、家庭用シネマ・システムがある。その場合、ビームＢ１は中央サウンド・チャネルを表し、ビームＢ２は右サラウンド（従来のシステムでは、右後方スピーカ）サウンド・チャネルを表し、ビームＢ３は左サウンド・チャネルを表す。更に、右チャネルおよび左サラウンド・チャネルのビームもあり得るが、明瞭さのため図８からは除外している。明らかであろうが、ユーザに到達する前に伝搬する距離は、ビーム毎に異なる。例えば、中央ビームは４．８メートル伝搬し、左および右チャネルは７．８メートル伝搬し、サラウンド・チャネルは１２．４メートル伝搬する場合もある。これを考慮に入れて、伝搬する距離が最も短いチャネルに追加の遅延を与えれば、各チャネルが実質的に同時にユーザに到達するようにすることも可能である。
【００８５】
これを遂行する装置を図９に示す。３つのチャネル（３９０１、３９０２、３９０３）をそれぞれの遅延手段（３９０４）に入力する。遅延手段（３９０４）は、遅延制御部（３９０９）が決定する量だけ、各チャネルの時間を遅延させる。次に、遅延したチャネルを分配器（３９０５）、加算器（３９０６）、増幅器（３９０７）および出力変換器（３９０８）に受け渡す。分配器（３９０５）は複製を作成して、この複製を遅延させ、図８に示すようにチャネルを異なる方向に送出する。遅延制御部（３９０９）は、チャネルの音波がユーザに到達する前に伝搬する予想距離に基づいて、遅延を選択する。前述の例を用いると、サラウンド・チャネルは最も長い距離を伝搬するので、全く遅延させない。左チャネルを１３．５ｍｓだけ遅延させ、サラウンド・チャネルと同時に到達するようにし、更に中央チャネルを２２．４ｍｓだけ遅延させて、サラウンド・チャネルおよび左チャネルと同時に到達するようにする。これによって、全てのチャネルが確実に同時に聴取者に到達するようにする。チャネルの方向を変更する場合、遅延制御部（３９０９）はこれを考慮し、それに応じて遅延を調節することができる。図９では、遅延手段（３９０４）は分配器の前方に示されている。しかしながら、これらを分配器内に組み込み、遅延制御部（３９０９）が信号を各分配器に入力し、当該分配器が出力する全ての複製信号にこの遅延を与えるようにしても有効である。更に、別の実用的な代案では、単一の遅延制御部（３９０９）を用い、各チャネル複製毎に得られる遅延を選択し、別個の遅延エレメント（３９０４）を必要とせずに、各分配器に遅延データを送ることができる。
【００８６】
本発明の第２の態様
前述の第１の態様では、ユーザに到達するサウンドにおける遅延は、かなり大きくすることができ、その大きさを増大させるに連れて一層目立つようになる。オーディオ・ビジュアルの用途では、このために映像がサウンドに先行し、不快な影響を与える可能性がある。この問題は、図１０に示す装置を用いることによって解決することができる。対応するオーディオおよびビデオ信号は、ＤＶＤプレイヤ（４００１）のような発信源から供給される。これらの信号は、同時に読み出され、時間的な対応関係を有する。チャネル・スプリッタ（４００４）を用いて、オーディオ信号から各オーディオ・チャネルを得て、各チャネルを図９に示す装置に印加する。オーディオ遅延制御部（３９０９）をビデオ遅延手段（４００５）に接続し、ビデオ信号を適切な量だけ遅延させ、サウンドおよび映像が同時にユーザに到達することができるようにする。次に、ビデオ遅延手段からの出力を画面手段（４００６）に出力する。与えるビデオ遅延は、一般に、サウンド・ビームが伝搬する最大距離、即ち、図８におけるサラウンド・チャネルを基準にして計算する。この場合のビデオ遅延は、オーディオ遅延手段（３９０４）によって遅延されていないビームＢ２の伝搬時間に等しく設定する。ビデオ信号は、整数個のフレーム分だけ遅延させることが通常望ましい。これが意味するのは、ビデオ遅延値は計算値に近似的に等しいに過ぎないということである。サラウンド・チャネルでさえも、これらが受けるいずれかの処理（例えば、フィルタリング）によって、いくらかの遅延が生ずる場合もある。したがって、この処理遅延に考慮するために、ビデオ遅延値に更に別の成分を追加してもよい。更に、直接経路上で聴取者に到達するサウンド（例えば、図８ではビームＢ１）がスピーカから放れるまで、ビデオ信号を遅延させる方が簡単な場合が多い。その結果生ずる誤差は総じて小さく、聴取者は現在のＡＶシステムからそれに慣れている。請求項１１および１６は、「実質的に前記時刻において」（at substantially the time）という句によって、これおよび整数個のビデオ・フレームによる近似を用いる際のシステムに該当することを意図している。
【００８７】
改良として、ビデオ遅延手段を各分配器（３９０５）にも同様に接続することができ（図１０における点線を参照）、こうしてビームの指向性を理由に与えられるあらゆる遅延にも適切に配慮することができる。別の改良として、ビデオ処理回路を用いて、サウンド・システムのユーザ・インターフェースの画面上表示（on-screen display）を設けることができる。より一般的なソフトウエアの実施形態では、オーディオ遅延の各成分をマイクロプロセッサによってプログラムの一部として計算し、複製毎に完全な遅延値を計算する。これらの値は、次に、適切なビデオ遅延を計算するために用いられる。
【００８８】
本発明の第３の態様
多数のチャネルを用いる場合、異なるウィンドウ関数を各チャネルに適用すると効果的なこともあり得る。ウィンドウ関数は、電力を犠牲にして「サイド・ローブ」の影響を低減する。用いるウィンドウ関数の種類は、得られるビームの要求量に応じて選択する。したがって、ビームの指向性が重要な場合、図１１Ａに示すようなウィンドウ関数を用いるとよい。指向性の要求が少ない場合、図１１Ｄに示すようなより緩やかな関数を用いることができる。
【００８９】
これを遂行する装置を図１２に示す。この装置は、追加の遅延手段（３９０４）を除去したことを除いて、図９に示すものと実質的に同一である。このような追加の遅延手段は、しかしながら、本発明のこの態様と組み合わせることができる。図１２では、追加のコンポーネント（４１０１）を分配器の後段に配置している。このコンポーネントがウィンドウ関数を与える。このコンポーネントは、効果的に分配器と組み合わせることができるが、明瞭さのために別個に示されている。ウィンドウ手段（４１０１）は、１つのチャネルに対する１組の複製にウィンドウ関数を適用する。したがって、システムは、チャネル毎に異なるウィンドウ関数を選択するように構成することができる。
【００９０】
本システムには、更に別の利点もある。低音成分が多いチャネルは、一般に、高いレベルを有する必要があるが、指向性はさほど重要でない。したがって、このようなチャネルに対しては、これらの必要性を満たすように、ウィンドウ関数を変形することができる。一例を図１１Ａないし図１１Ｄに示す。図１１Ａは、典型的なウィンドウ関数を示す。アレイ（４１０２）の外側近くにある変換器は、サイド・ローブを減少させ、指向性を改善するために、中心部にある変換器よりも出力レベルが低くなっている。音量を上げると、全出力レベルが増大し、アレイの中心部にある変換器の一部は飽和し（図１１Ｂ参照）、最大目盛変形（ＦＳＤ：full scale deflection）に至る虞れがある。これを回避するために、単に各変換器の出力を増幅する代わりに、ウィンドウ関数の形状を変化させることができる。これを図１１Ｃおよび図１１Ｄに示す。音量を増大させるに連れて、外側の変換器は、サウンド全体に対する寄与において、より重要な役割を果たすようになる。これはサイド・ローブも増大させるが、電力出力も増大させ、より大きなサウンドが得られ、クリッピング（飽和）は全く生じない。
【００９１】
前述の技法は、高い側の周波数成分にとって最も重要である。したがって、本態様は、第４の態様（後に示す）と組み合わせることが有利である可能性がある。低い側の周波数では、指向性の達成度が低くしかも重要性も低いので、平坦（「ボックスカー」）ウィンドウ関数を用いれば、最大電力出力を得ることができる。また、図１１Ｄに示すような音量増大を考慮したウィンドウ関数の変形は必須ではなく、図１１Ｂに示すような飽和では、ウィンドウは同様に０まで低下して縁端における不連続性を回避するため、そしてレベルの不連続性は傾斜の不連続性よりも有害であるため、実際には音質をはっきりとわかる程には劣化させないで済ますことができる。
【００９２】
本発明の第４の態様
アレイによって達成可能な指向性は、送出する信号の周波数、およびアレイのサイズの関数である。低周波信号を送出するには、同じ分解能の高周波信号を送出する場合よりも、大きなアレイが必要となる。更に、低周波は一般に高周波よりも大きな電力を必要とする。したがって、入力信号を２つ以上の周波数帯域に分割し、ＤＰＡＡ装置を用いて達成される指向性に関して、これらの周波数帯域を別個に扱うことが有利である。
【００９３】
図１３は、選択的に異なる周波数帯域を放出する一般的な装置を示す。
入力信号１０１は、信号スプリッタ／コンバイナ（２９０３）に接続されており、したがって、並列チャネル内のロー・パス・フィルタ（２９０１）およびハイ・パス・フィルタ（２９０２）に接続されている。ロー・パス・フィルタ（２９０１）は、分配器（２９０４）に接続されており、分配器（２９０４）は全ての加算器（２９０５）に接続し、一方加算器（２９０５）はＰＤＡＡ（１０５）のＮ個の変換器（１０４）に接続されている。
【００９４】
ハイ・パス・フィルタ（２９０２）は、図１におけるデバイス（１０２）と同一の（そして、概略的にＮ個の可変振幅および可変時間遅延エレメントを内部に内蔵した）デバイス（１０２）に接続し、一方デバイス（１０２）は加算器（２９０５）の別のポートに接続している。
【００９５】
本システムは、アレイのサイズが低周波数における波長と比較して小さいことによる、これら低周波数の遠場相殺（far field cancellation）の影響を克服するために用いることができる。したがって、本システムは、音場の整形に関して、異なる周波数を個別に処理することができる。低周波数は、発信源／検出器と、全てが同じ時間遅延（表面上は０）および振幅を有する変換器（２９０４）との間を通過し、一方高周波数は、Ｎ個の変換器の各々に対して、独立して適切な時間遅延を受け、振幅が制御される。これによって、低周波数の大域的遠場消失（global far-field nulling of the low frequencies）を生ずることなく、アンチ・ビーミング（anti-beaming）、即ち、高周波数の消失が可能となる。
【００９６】
尚、本発明の第４の態様による方法は、可調節ディジタル・フィルタ（５１２）を用いて実施可能であることは注記しておくべきであろう。このようなフィルタによって、単に適切な値をフィルタ係数に選択することによって、異なる遅延を異なる周波数に調和させることが可能となる。この場合、周波数帯域を別個に分割し、各周波数帯域から得られる複製に異なる遅延を与える必要はない。単に単一の入力信号の種々の複製にフィルタ処理を行うことによって、適切な効果を得ることができる。
【００９７】
図１４は、この態様の別の実施形態を示す。ここでは、アレイの出力変換器を異なる集合として用い、入力信号（１０１）の異なる周波数帯域を送信する。図１３に示すように、入力信号（１０１）は、ハイ・パス・フィルタ（３４０２）によって高周波数帯域に、そしてロー・パス・フィルタ（３４０５）によって低周波数帯域に分割される。低周波数信号は、第１変換器集合（３４０４）に導出され、高周波数帯域は、第２変換器集合（３４０５）に導出される。第１変換器集合（３４０４）が占めるアレイの物理的範囲は、高周波変換器（３４０５）よりも大きい。通例では、変換器集合が占める範囲（即ち、特性的寸法の大きさ）は、送信する最短波長に大まかに比例する。これによって、双方の（または、２つよりも多い場合には全ての）周波数帯域に大まかに等しい指向性が与えられる。
【００９８】
図１５は、この態様の更に別の実施形態を示す。ここでは、出力変換器の一部が帯域間で共有されている。この場合も、信号は、ローパス・フィルタ（３５０１）およびハイ・パス・フィルタ（３５０２）によって低および高周波数成分に分割される。低周波数分配器（３５０３）は、入力信号の低周波成分を適切に遅延した複製を、第１出力変換器集合（３５０５）に導出する。この例では、この第１集合は、アレイ内の全変換器から成る。高周波数分配器は、入力信号の高周波成分を第２出力変換器集合（３５０６）に導出する。これらの変換器は、アレイ全体の部分集合であり、図に示すように、低周波成分を出力するために用いたものと同一としてもよい。この場合、出力する前に、低周波および高周波信号を加算するために、加算器（３５０４）が必要となる。したがって、この実施形態では、低周波成分を出力するためにより多くの変換器が用いられ、したがって低周波数において必要とされる、より多くの電力を得ることができる。更に低周波数における電力出力を改善するために、外側の変換器（低周波数のみを出力する）を更に大型化し、一層強力にすることもできる。
【００９９】
この方法には、得られる指向性が全ての周波数にわたって同一であり、高周波数に用いる変換器を最少数に抑えて、その結果、複雑さおよびコストを低減するという利点がある。これは、特に、図１４に示すような設定を用い、低周波専用変換器がアレイの外側に配置され、高周波用変換器が中央付近にある場合に当てはまることである。更に、これには、フルレンジ変換器の代わりに、安価なレンジ限定変換器が使用可能であるという利点もある。
【０１００】
図１６は、変換器のアレイの正面図を概略的に示し、各シンボルは変換器を表している（シンボルは、用いる変換器の形状に関係することは全く意図していないことを注記しておく）。図１４の方法を用いる場合、正方形のシンボルは、低周波成分を出力するために用いられる変換器を表す。円形のシンボルは、中間範囲成分を出力する変換器を表し、三角形のシンボルは、高周波成分を出力する変換器を表す。
【０１０１】
図１５の方法を用いる場合、三角形のシンボルは、３つの周波数範囲全ての成分を出力する変換器を表す。円形のシンボルは、中間範囲および低周波信号のみを出力する変換器を表し、正方形のシンボルは、低周波数のみを出力する変換器を表す。
【０１０２】
本発明のこの態様は、前述の第３の態様と完全に適合性がある。何故なら、ウィンドウ関数を用いることができ、分配器（３４０３、３５０３、３５０７）の後に計算を行うからである。専用の変換器を用いる場合（図１４におけるように）、高周波変換器の中心アレイの存在によって低周波ウィンドウ関数に生ずる「孔」は、通常性能には有害ではない。特に、低周波チャネルによって再生される最短波長に対して孔が十分に小さいときには、有害ではない。
【０１０３】
図１６から明らかなように、高周波数には、低周波数よりも用いる変換器が少なく、隣接する変換器間の間隔は一定である。しかしながら、許容可能な最大変換器間隔は、波長の関数であるので、高周波数においてサイドローブを回避するためには、変換器を一層密集させる（例えば、λ／２間隔で）必要がある。これは、変換器および駆動用電子回路に関しては、一方では低周波数を送出できるだけの十分に広い領域を確保し、他方では高周波数を送出するために変換器を近接配置するため、費用がかかる。この問題を解決するために、図１７に示すアレイを提供する。このアレイでは、中央部分付近に位置する出力変換器の密度が平均よりも高くなっている。したがって、一層密集した変換器を用いて高周波数を出力することができるので、アレイの範囲を広げることなく、したがってビームの指向性を高めることもない。大きな低周波領域に配置された変換器は密集度が低く、これに対して中央の高周波領域は密集度を高めた領域となっており、全ての周波数においてコストおよび性能を最適化している。図１７では、正方形は、単に変換器の存在を示すに過ぎず、図１６におけるように、形状や信号出力の種類を示す訳ではない。
【０１０４】
本発明の第５の態様
図１８は、長さＬがその幅Ｗよりも長い変換器を示す。この変換器は、図１９に示すような同様の変換器のアレイに有効に用いることができる。ここでは、変換器３７０１は直線状に互いに隣接して配置されており、この直線は各変換器の長い方の辺に対して垂直な方向に延びるようになっている。この配列によって得られる音場は、効果的に水平面に送出することができ、各変換器の形状が細長いことから、そのエネルギの殆どを水平面内に有している。他の面に送出されるサウンド・エネルギは殆どないので、高い効率の動作が得られる。このように、第５の態様は、細長い変換器で構成した一次元アレイを提供し、（細長い形状のために）一方向に強い指向性を与え、（アレイの本質のために）他の方向には制御可能な指向性を与える。各変換器のアスペクト比は、好ましくは少なくとも２：２であり、更に好ましくは３：１であり、更に一層好ましくは５：１である。各変換器の形状が細長いので、サウンドの効果は１つの面に集中し、一方直線状の変換器アレイによって、当該面内において高い指向性が得られる。このアレイは、本発明の他の態様のいずれにおけるアレイとしても使用することができる。
【０１０５】
本発明の第６の態様
本発明の第６の態様は、前述の装置と同様の単一のサウンド放出装置のみを用いて、サラウンド・サウンドまたはステレオ効果を作り出すためのＰＤＡＡシステムの使用に関する。特に、本発明の第６の態様は、異なるサウンド・チャネルを異なる方向に送出し、音波が反射面または共振面に衝突し、それによって再度送信される構成に関する。
【０１０６】
本発明の第６の態様は、ＤＰＡＡを戸外で（または、実質的に無音響条件を有する他のいずれかの場所で）動作させた場合に、観察者は、別個の音場を容易に知覚するためには、音が集束する領域に近づかなければならないという問題に取り組む。こうしなければ、観察者は、作り出された別個の音場の位置を特定することが困難である。
【０１０７】
音響反射面、または代替として、吸収した入射サウンド・エネルギを再放射する音響的共振体、をサウンド・ビームの経路に配置すると、これはサウンドを再放射するので、事実上、ＤＰＡＡから離れた新たな音源となり、用いられるフォーカシング（あれば）によって決定される領域に位置する。平面反射器を用いる場合、反射サウンドは大部分が特定の方向に送出される。拡散反射器が存在する場合、サウンドがＤＰＡＡから入射するのと同じ反射器の側で、サウンドは反射器から遠ざかるようにほぼ全方向に再放射される。したがって、前述のように、異なる入力信号を表す多数の異なるサウンド信号をＤＰＡＡによって異なる領域に向けて送出し、各領域内にこのような反射器または共振器を配置して、各領域からのサウンドを再度送出させるようにすると、ここに記載した設計の単一のＤＰＡＡを用いて、真の多元分離音源サウンド放射システム（multiple separated-source sound radiator system）を構成することができる。
【０１０８】
図２０は、聴取者（２１０３）に多数の音源を備えるための、単一のＤＰＡＡおよび多数の反射または共振面（２１０２）の使用を示す。これは音響心理学的キューに基づくのではないので、サラウンド・サウンド効果は、聴取領域全域で聴取可能である。
【０１０９】
図７Ａまたは図７Ｂを参照して先に説明したように、サウンド・ビームは、合焦させなくても、または合焦させてもよい。フォーカス位置は、所望の効果を得るためには、それぞれの反射器／共振器の前方、その位置、またはその後方のいずれに選択することも可能である。図２１は、サウンド・ビームを反射器の前方および後方に合焦させたときに得られる効果をそれぞれ概略的に示す。ＤＰＡＡ（３３０１）は、部屋（３３０４）内に設置した反射器（３３０２および３３０３）に向けてサウンドを送出するように動作可能である。
【０１１０】
サウンド・ビームを反射器（３３０２）の前方の地点Ｆ１（図２１参照）において合焦させた場合、ビームはフォーカス点で狭まり、その後広がる。ビームは、反射器からの反射の後広がり続け、地点Ｐ１にいる聴取者にはそのサウンドが耳に入る。反射のために、ユーザは、虚焦点Ｆ１’から発出するものとして、このサウンドを認知する。このように、Ｐ１にいる聴取者は、サウンドを、部屋（３３０４）の外側から発出するものとして認知する。更に、得られるビームは非常に広いので、部屋（３３０４）の下半分にいる聴取者の大部分がこのサウンドを聞くことになる。
【０１１１】
サウンド・ビームを反射器（３３０３）の後方の地点Ｆ２（図２１参照）において合焦させた場合、ビームは、最大限狭められる前に反射してフォーカス点に向かう。反射の後、ビームは広がり、地点Ｐ２にいる聴取者はこのサウンドを聞くことができる。反射のために、ユーザは、このサウンドを、反射器の前方にある反射焦点（reflected focal point）Ｆ２’から発出したものとして認知する。このように、Ｐ１にいる聴取者は、サウンドを至近位置から発出したものとして認知する。更に、得られるビームは非常に狭いので、部屋内にいる聴取者の内小さな割合にだけサウンドを送出することが可能となる。したがって、前述の理由のため、反射器／共振器以外の位置においてビームを合焦することは、効果的であると言える。
【０１１２】
多数の分離したビームについて先に記載したように、即ち、異なる入力信号を表すサウンド信号を異なる分離した領域に送出するようにＤＰＡＡを動作させる場合、硬質（hard）の境界面および／またはサウンド反射性に優れた境界面が多数ある無響でない条件（通常の部屋環境）では、特にこれらの領域が１つ以上の反射境界面に送出される場合、観察者は、彼の通常のサウンド方向認知能力のみを用いて、別個の音場を容易に認知することができ、同時に、（境界から）反射したサウンドがこれらの領域から観察者に到達するために、これらの各々の空間におけるそれぞれ別個の合焦領域（focal regions）（１つある場合）においてこれらの各々を特定することができる。
【０１１３】
このような場合、観察者は、実際の分離された音場を認知するが、ＤＰＡＡが人工的な音響心理学的要素をサウンド信号に導入することを頼りにするのではないことを強調するのは重要である。したがって、観察者の位置は、ＤＰＡＡの近場放射から十分離れている限り、真のサウンドを特定するには比較的重要ではない。このように、１つの物理的ラウドスピーカ（ＤＰＡＡ）のみを用い、殆どの実際の環境において見られる自然の境界を利用して、マルチ・チャネル「サラウンド・サウンド」を得ることができる。
【０１１４】
適切な自然反射境界を欠く環境において同様の効果をあげるには、人工的な反射または共振面を適切に配置することによって、同様に分離した多音源音場を得ることができる。この場合、音源はこれらの面から発して、ビームを送出するように見えることが望ましい。例えば、大きなコンサート・ホールまたは戸外環境では、透光性のプラスチックまたはガラス・パネルを配すると、視覚的影響が殆どないサウンド反射器として用いることができる。これらの領域からサウンドが広く分散することが望ましい場合、サウンド散乱反射器または広帯域共振器を代わりに導入することができる（これは、透光性にするのが一層難しくなるが、不可能ではない）。
【０１１５】
球状の反射器を用いて、広い角度にわたって拡散反射を得ることができる。更に拡散反射効果を高めるためには、表面は、拡散させるのが望ましいサウンド周波数の波長程度の粗さを有するとよい。
本発明のこの態様の大きな利点は、前述の全てが単一のＤＰＡＡ装置によって達成でき、変換器毎に、入力信号の遅延した複製の合計によって出力信号を構築できることである。したがって、従来サラウンド・サウンド・システムに付随していた多くの配線や装置を不要となる。
【０１１６】
本発明の第７の態様
本発明の第７の態様は、ＤＰＡＡのユーザは特定のチャネルのサウンドがいずれの特定の時点においてもどこに向って送出または合焦されているかを特定することが、常に容易にできる訳ではないという問題に取り組む。逆に、ユーザは、空間内の特定の位置にサウンドを送出または合焦したいが、与えるべき正しい遅延等に関して複雑な計算を必要とする場合もある。この問題は、特定の方向に照準を向けさせることができるビデオ・カメラ手段を設けることによって軽減される。次に、ビデオ・カメラに接続した手段を用いて、カメラの照準を合わせる方向を計算し、それに応じて遅延を調節することができる。有利なこととして、カメラは、操作者の直接的な制御下にあり（例えば、三脚上またはジョイスティックを用いる）、ＰＤＡＡ制御部は、操作者がカメラの照準を合わせようとするところにはどこにでも、サウンド・チャネルを送出させるように構成されていることがあげられる。これによって、部屋の数学的モデルを作成したり、その他の複雑な計算を行うことに頼らないシステムを非常に簡単に設置することができる。
【０１１７】
部屋内のどこにカメラを合焦しているか検出する手段を設けると便利である。次いで、サウンド・ビームを同じスポットに合焦することができる。これによってシステムの設定が非常に容易になる。何故なら、部屋内においてサウンドを合焦したい場所にマーカを配することができ、次いで、操作者が、テレビジョン・モニタを見ながら、カメラのレンズをこれらのマーカに合焦することができるからである。更に、システムは、そのスポットにサウンドを合焦するための正しい遅延を計算するように、ソフトウエアを自動的に設定することができる。あるいは、部屋内の基準点を特定し、サウンドの合焦を選択することができる。例えば、部屋の単純なモデルを予めプログラムしておき、操作者が、カメラの視野内で物体を選択し、焦点距離を判定することができる。カメラの焦点距離を用いる場合および部屋のモデルを用いる場合双方において、カメラ（パン、チルト、距離）または部屋（ｘ，ｙ，ｚ）からスピーカ（回転、エレベーション（elevation）、距離）への座標変換を用いると便利である。この場合、２つの座標形は異なる原点を有する。
【０１１８】
逆の動作モードでは、ＰＤＡＡの電子回路によってカメラを自動的に操向し、ビームが現在操向されている方向に照準を合わせるようにすることもでき、たとえどのようなことがあっても、サウンドのフォーカシングが生ずる地点に自動的に合焦させる。これによって、有用な設定フィードバック情報が大量に操作者に提供される。
【０１１９】
また、どのチャネル設定をカメラ位置によって制御するか選択する手段も設けるとよく、これら全てを子機から制御するようにするとよい。
【０１２０】
図２２は、ＤＰＡＡ（３６０１）上に位置するビデオ・カメラ（３６０２）を用いて、サウンドが合焦する同じ地点に照準を合わせる場合を側面図で示す。カメラは、サーボ・モータ（３６０３）を用いて操向することができる。あるいは、カメラを別個の三脚上に装着することや、手で保持することや、既存のＣＣＴＶシステムの一部とすることもできる。
【０１２１】
ＣＣＴＶの用途では、複数のカメラを用いて１つの範囲に対応させるが、単一のアレイを用いれば、この範囲内においてカメラの１つが照準を定めるいずれの位置にでも、サウンドを送出することができる。したがって、操作者は、その地点に照準を合わせているカメラを選択し、マイクロフォンに向かって話すことによって、（音声コマンドまたは命令のような）サウンドを範囲／部屋内の具体的な地点に送出することができる。
【０１２２】
更に好ましい特徴
各入力に関する信号の放射パターンおよびフォーカス点を、これらの入力におけるプログラム・ディジタル信号の値に応答して調節する手段を設けてもよい。このような手法を用いると、その入力のみから再生する大きなサウンドがある場合、これらの信号のフォーカス点を一時的に外側に移動させることによって、ステレオ信号およびサラウンド・サウンド効果を誇張することができる。このように、実際の入力信号自体に応じて操向を行うことができる。
【０１２３】
一般に、フォーカス点を移動させる際、各複製に与える遅延を変化させる必要があり、これには、サンプルを適宜コピーしたり、とばすこと（skipping）を伴う。好ましくは、これを段階的に行い、聴取可能なクリック音を回避する。クリック音は、例えば、多数のサンプルを一度にとばす場合に発生する可能性がある。
【０１２４】
本発明の技術の実用的な適用分野には、以下のものが含まれる。
家庭の娯楽では、サウンドの多数の実際の音源を聴取室内の異なる位置に投射することができるため、多数の別個のラウドスピーカを配線した場合の乱雑さ、複雑さ、および配線の問題を生ずることなく、マルチ・チャネル・サラウンド・サウンドの再生が可能となる。
【０１２５】
ＰＡ（public address）およびコンサート・サウンド・システムでは、ＤＰＡＡの放射パターンを三次元に自在に変化させることができ、多数の同時ビームが得られることから、
ＤＰＡＡの物理的方位付けのように、非常に速い設定はさほど重要ではなく、繰り返し調節する必要がない。
１種類のスピーカ（ＤＰＡＡ）のような、より小さなラウドスピーカの品揃えで、多種多様の放射パターンが得られる。通例では、このためには各々適切なホーンを備えた専用のスピーカが必要となる。
フィルタおよび遅延係数の調節のみによって、反射面に達するサウンド・エネルギを減少させることができ、したがって主要なエコーを減少させることができるので、明瞭性（intelligibility）を高めることができる。
ＤＰＡＡ放射パターンは、ＤＰＡＡ入力に接続されるライブ・マイクロフォンに到達するエネルギを減少させるように設計することができるので、不要な音響フィードバックをより良く制御することができる。
【０１２６】
群衆管理（crowd-control）および軍事活動では、ＤＰＡＡビームのフォーカシングおよび操向によって（物理的にかさばるラウドスピーカおよび／またはホーンを移動させることなく）、離れた領域において非常に強い音場を生成することができ、この音場は容易にかつ素早く配置し直すことができ、追跡用光源によって目標に容易に送出され、非侵襲的であるが、強力な音響兵器が得られる。大きなアレイを用いた場合、または１群の別個のＤＰＡＡパネルを調整して、広く間隔を空けて配置することができれば、合焦領域（focal region）では、ＤＰＡＡ  ＳＥＴ付近よりも音場をはるかに強力にすることができる（全体的なアレイ寸法が十分大きければ、可聴帯域の下端においてでも可能である。）。
【０１２７】
前述の態様のいずれでも、実際のデバイスに一緒に組み込めば、前述の利点を得ることができる。
【０１２８】
本発明の第１の態様の好適な実施形態
次に、本発明の第１の態様の好適な実施形態の説明を行う。これも、前述のその他の態様の技法を利用するが、いずれ明白となろう。
【０１２９】
図２３を参照すると、ディジタル・サウンド・プロジェクタ１０は、変換器またはラウドスピーカ１１のアレイを備えており、これを制御して、オーディオ入力信号がサウンド・ビーム１２−１、１２−２として放出され、制限範囲内で、アレイ前方の半空間内で任意の方向に送出することができる。注意深く選択した反射経路を利用することによって、聴取者１３は、アレイから放出されるサウンド・ビームを、その最後の反射位置から発したかのように認知する。
【０１３０】
図２３には、２つのサウンド・ビーム１２−１および１２−２が示されている。第１ビーム１２−１は、部屋の一部である側壁１６１に向けて送出され、直接聴取者１３に向けて反射される。聴取者は、このビームを、反射スポット１７から、したがって、右から発したものとして認知する。破線で示す第２ビーム１２−２は、聴取者１３に到達するまでに、２回反射する。しかしながら、最後の反射は後方の角で行われるので、聴取者は、そのサウンドを、彼または彼女の背後の音源から放出されたかのように認知する。
【０１３１】
ディジタル・サウンド・プロジェクタに可能な使用法は数多くあるが、特に効果的なのは、聴取者の位置周囲の異なる場所に配置した数個の別個のラウドスピーカを用いる従来のサラウンド・サウンド・システムと置換することである。ディジタル・サウンド・プロジェクタは、サラウンド・サウンド・オーディオ信号の各チャネル毎にビームを発生し、ビームを適切な方向に操向することによって、多くのラウドスピーカや余分な配線を配することなく、聴取者の位置に真のサラウンド・サウンドを作り出すことができる。
【０１３２】
図２４ないし図２６には、ディジタル・サウンド・プロジェクタのコンポーネントがブロック図の形態で示されている。入力において、パルス・コード変調（ＰＣＭ）形態の共通フォーマットの音源素材（audio source material）が、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、ディジタル・ビデオ・ディスク（ＤＶＤ）等のようなデバイスから、ディジタル・サウンド・プロジェクタによって、Ｓ／ＰＤＩＦフォーマットの光学的または同軸ディジタル・データ・ストリームとして受け取られる。しかし、他の入力ディジタル・データ・フォーマットも使用可能である。この入力データは、単純な２チャネル・ステレオ対、あるいはＤｏｌｂｙ  Ｄｉｇｉｔａｌ（登録商標）またはＤＴＳ（登録商標）のような圧縮および符号化したマルチ・チャネル・サウンドトラック、あるいはオーディオ情報の多数の離散ディジタル・チャネルのいずれかを含むことができる。
【０１３３】
符号化および／または圧縮したマルチ・チャネル入力は、最初に、デコーダにおいて、標準的なオーディオおよびビデオ・フォーマットに使用可能なデバイスおよび使用許諾を得たファームウエアを用いて、復号および／または解凍される。また、アナログ／ディジタル変換器（図示せず）も組み込まれており、アナログ入力音源への接続（ＡＵＸ）が可能であり、これらは適切にサンプリングされたディジタル・フォーマットに直ちに変換される。得られた出力は、通例では、３対、４対、またはそれ以上のチャネル対から成る。サラウンド・サウンドの分野では、これらのチャネルのことを、左、右、中央、サラウンド（後方）左、およびサラウンド（後方）右チャネルと呼ぶことが多い。信号には、低周波効果チャネル（ＬＦＥ）のような、その他のチャネルも存在する場合もある。
【０１３４】
これらのチャネルまたはチャネル対は、各々、２チャネル・サンプル・レート変換器［ＳＲＣ］に供給され（あるいは、各チャネルを単一のチャネルＳＲＣを通過させることができる）、再同期、および再サンプリングを行い、内部（または、オプションとして、外部）の標準的なサンプル・レート・クロック［ＳＳＣ］（通例では、約４８．８ＫＨｚまたは９７．６ＫＨｚ）およびビット長（通例では２４ビット）を得て、内部システム・クロックが音源のデータ・クロックから独立できるようにする。このサンプル・レート変換によって、クロック速度の低精度、クロックのドリフト、およびクロックの非適合性による問題を解消する。即ち、高効率化のために、ディジタル・サウンド・プロジェクタの最終的な電力出力段をディジタル・パルス幅変調［ＰＷＭ］切換型とすべき場合、ＰＷＭクロックとＰＷＭ変調器に供給されるディジタル・データ・クロックとの間では完全な同期を取ることが望ましい。ＳＲＣによって、この同期を取ると共に、あらゆる外部データ・クロックの変動から隔離させる。
【０１３５】
最後に、２つ以上のディジタル入力チャネルが異なるデータ・クロックを有する場合（恐らく、これらが、例えば、別個のディジタル・マイクロフォン・システムから来たため）、この場合も、ＳＲＣによって、内部的に全ての異種信号を確実に同期させる。
ＳＲＣの出力は、４８．８ＫＨｚの内部で発生したサンプル・レートにおいて、２４ビット・ワードの８チャネルに変換される。
【０１３６】
１つ以上（通例では、２つまたは３つ）のディジタル信号プロセッサ［ＤＳＰ］ユニットを用いてデータを処理する。これらは、例えば、１３３ＭＨｚで動作する、Texas Instruments社のTMS320C6701 ＤＳＰとすればよく、ＤＳＰは、計算の大部分を、コード化を容易にするために浮動小数点フォーマットで行うか、または処理速度を最大限高めるために固定小数点フォーマットで行う。あるいは、特に、固定小数点計算を行う場合、ディジタル信号処理は、１つ以上のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）ユニットにおいて実行することができる。更に別の代替案は、ＤＳＰとＦＰＧＡの混成である。あるいは、ディジタル処理の一部または全部を、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）の形態のカスタム化シリコンによって実施してもよい。
【０１３７】
ＤＳＰ段は、ディジタル・オーディオ・データ入力信号のフィルタ処理を実行して、周波数応答の等化を改善し、ディジタル・サウンド・プロジェクタの最終段において用いられる音響出力変換器の周波数応答（即ち、伝達関数）における不規則性を補償する。
【０１３８】
オプションとして、別個に処理するチャネルの数は、（好ましくは）この段において、または恐らくはもっと前または後の処理段において、加算的に（１つ以上の）低周波効果［ＬＦＥ］チャネルを１つ以上の他のチャネル、例えば、中央チャネルと組み合わせることによって削減し、この段以降の処理を極力少なくするとよい。しかしながら、別個のサブ・ウーハを本システムと共に用いなければならない場合、または処理能力が問題とはならない場合、処理チェーン全体を通じて、より多くのチャネルを維持することができる。
【０１３９】
また、ＤＳＰ段は、８つのチャネル全てに対して、アンチ・エリアスおよび音質制御フィルタ処理を行い、８倍オーバーサンプル・データ・レート全体に対して８倍オーバーサンプルおよび補間を行い、３９０ＫＨｚにおいて８チャネルの２４ビット・ワード出力サンプルを形成する。また、信号制限およびディジタル音量制御もこのＤＳＰにおいて行う。
【０１４０】
赤外線遠隔制御によってユーザがディジタル・サウンド・プロジェクタに送ったリアル・タイム・ビーム操向設定値から、ＡＲＭマイクロプロセッサが、各変換器毎に、タイミング遅延データを生成する。ディジタル・サウンド・プロジェクタは独立して出力チャネルの各々を操向できるので（入力チャネル毎に１つの操向出力チャネル）、多数の遅延計算を別個に行うことになる。この数は、出力チャネル数に変換器の数を乗算した値に等しい。ディジタル・サウンド・プロジェクタは動的に各ビームをリアル・タイムに操向することも可能であるので、計算も迅速に行う必要がある。一旦計算したなら、同じ並列バスを通じて、遅延要求をＦＰＧＡ（ここで、遅延を実際にディジタル・データ・サンプルのストリームの各々に与える）に、ディジタル・データ・サンプル自体として分配する。
また、ＡＲＭコアは、全てのシステム初期化および外部通信も処理する。
【０１４１】
信号ストリームは、Xilinxフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ・ロジックに入力される。このロジックは、高速スタティック・バッファＲＡＭデバイスを制御して、８チャネルの各々のディジタル・オーディオ・データ・サンプルに与えるのに必要な遅延を生成する。１つずつの出力変換器（この実施態様では２５６個）に、各チャネルを離散的に遅延させたものを生成する。
【０１４２】
アポダイゼーション（apodisation）、またはアレイ・アパーチャ・ウィンドウイング（array aperture windowing）（即ち、漸増重み付け係数（graded weighting factors）を、各変換器のアレイの中心からの距離の関数として、変換器毎に信号に適用して、ビーム形状を制御する）を、ＦＰＧＡにおいて、各チャネルの遅延信号バージョンに別個に適用する。ここでアポダイゼーションを適用することによって、異なる出力サウンド・ビームが、個別に形成された異なるビーム形状を有することが可能となる。これら別個に遅延され、別個にウィンドウ処理されたディジタル・サンプル・ストリームは、８チャネルの各々に１つずつ、そして２５６個の変換器の各々に１つずつで、合計８×２５６＝２０４８個の遅延バージョンとなり、変換器毎にＦＰＧＡにおいて合計し、２５６個の変換器エレメントの各々に、個別の３９０ＫＨｚ２４ビット信号を生成する。オプションとして、アポダイゼーションまたはアレイ・アパーチャ・ウィンドウイングは、簡略化のためには、加算段の後に全チャネルに対して一度に実行するとよい（加算段の前に、チャネル毎に別個に実行する代わりに）が、この場合、ディジタル・サウンド・プロジェクタからの各サウンド・ビーム出力は、同じウィンドウ関数を有することになり、これは最適とは言えない。
【０１４３】
次に、２４ビットおよび３９０ｋＨｚの２５６個の信号は、各々、同様にＦＰＧＡ内にある量子化／ノイズ整形回路を通され、データ・サンプル・ワード長を３９０ｋＨｚにおいて８ビットに短縮するが、可聴帯域（即ち、〜２０Ｈｚから〜３０Ｋｚまでの信号周波数帯域）内では高い信号対ノイズ比［ＳＮＲ］は維持したままである。
【０１４４】
実際に有用な実施態様の１つは、ＳＳＣをＤＳＰマスタ処理クロック速度の正確な有理数の分数にすることである。例えば、１００ＭＨｚ／２５６＝３９０，６２５Ｈｚとなり、これによって、システム全体において、サンプル・データ・レートを処理クロックにロックする。ディジタルＰＷＭタイミング・クロック周波数も、ＤＳＰマスタ処理クロック速度の正確な有理数の分数にすると有利である。特に、ＰＷＭクロック周波数を、内部ディジタル・オーディオ・サンプル・データ・レートの正確な整数倍、例えば、９ビットＰＷＭに対してサンプル・レートの５１２倍（２９＝５１２であるため）にすると有利である。ディジタル・データ・ワード長を８に短縮しつつ、同時にサンプル・レートを高めることは、次に上げるいくつかの理由により、有用である。
【０１４５】
ｉ）サンプル・レートを高めることにより、データ・ワード遅延の分解能を高めることができる。例えば、４８ＫＨｚのデータ・レートでは、可能な最小の遅延刻み幅は１サンプル周期、即ち、〜２１マイクロ秒であるが、一方１９５ＫＨｚデータ・レートでは、可能な最小遅延刻み幅は（１サンプル周期）〜５．１マイクロ秒となる。音響出力変換器の直径に比較して、精細なサウンド経路長補償分解能（sound-path-length compensation resolution）（＝時間遅延分解能に音速を乗算した値）を有することは重要である。２１マイクロ秒の間に、空中のサウンドはＮＴＰにおいて約７ｍｍ伝搬する。これは、直径がわずか１０ｍｍの変換器を用いる場合には、余りにも粗い分解能である。
【０１４６】
ｉｉ）ＰＣＭデータを直接実用的なクロック速度のディジタルＰＷＭに変換することは、ワード長が短い程簡単である。例えば、４８ＫＨｚのデータ・レートおよび１６ビット長では、６５５３６×４８ＫＨｚ〜３．１５ＧＨｚ（ほぼ非実用的）のＰＷＭクロック速度が必要となるが、一方１９５ＫＨｚのデータ・レートおよび８ビット長では、２５６×３９０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚ（正に実用的）のＰＷＭクロック速度が必要となる。
【０１４７】
ｉｉｉ）サンプル・レート上昇によって、サンプル・レートの半分において得られる信号帯域幅が増大し、例えば、〜１９５ＫＨｚのサンプル・レートでは、得られる信号帯域幅は〜９６ＫＨｚとなる。量子化プロセス（ビット数削減）は事実上量子化ノイズをディジタル・データに付加し、量子化プロセスによって生成したノイズをスペクトル的に整形することによって、ベースバンドの上端との間の領域において、ベースバンド信号よりも高い周波数（即ち、この場合、〜２０ＫＨｚより上）に大部分を移動させることができる。その効果は、元の信号情報のほぼ全てが、ここでは非常に少ないＳＮＲの低下を伴うだけで、ディジタル・データ・ストリームにて搬送されることである。
【０１４８】
サンプル・ワード幅を短縮したデータ・ストリームは、各々３１Ｍｂ／ｓの２６本の直列データ・ストリーム、および付加的な音量データに分配される。各データ・ストリームは、２６個のドライバ・ボードの１つに割り当てられる。
図２５に示すように、ドライバ回路ボードは、これらが駆動する変換器に物理的に近いことが好ましいが、これらが制御する変換器の各々に、パルス幅変調クラス−ＢＤ出力ドライバ回路を設ける。本例では、各ドライバ・ボードは、１０個の変換器に接続されており、これによって、全くロー・パス・フィルタ［ＬＰＦ}の介在なく、変換器はクラス−ＢＤ出力ドライバ回路の出力に直接接続される。
【０１４９】
各ＰＷＭ発生器は、１つの変換器を直接駆動するクラス−Ｄ電力スイッチまたは出力段、あるいは隣接する変換器の直列または並列接続された対を駆動する。クラス−Ｄ電力スイッチへの電源をディジタル的に調節すると、変換器への出力電力レベルを制御することができる。この電源を広い範囲、例えば、１０：１にわたって制御することによって、変換器への電力は、遥かに広い範囲、１０：１の電圧範囲に対して１００：１、または一般にＮ：１の電圧範囲に対してＮ２：１で制御することができる。このように、ディジタル・ワード長を短縮せずに、広範囲のレベル制御（または「音量」制御）を行うことができるので、更なる量子化（または分解能の低下）による信号劣化は発生しない。電源を変化させるには、クラス−Ｄ電力スイッチと同じ印刷回路ボード（ＰＣＢ）上に実装した低損失スイッチング・レギュレータを用いる。クラス−Ｄスイッチ毎にスイッチング・レギュレータを１つとして、電源線の相互変調を極力抑えている。各スイッチング・レギュレータを、２つ、３つ、４つまたはその他の整数倍個のクラス−Ｄ電力スイッチ毎に用いれば、コストを削減することができる。
【０１５０】
クラス−Ｄ電力スイッチ即ち出力段は、音響出力変換器を直接駆動する。通常のクラス−Ｄ電力増幅器の駆動、即ち、非常に一般的に用いられているいわゆる「クラス−ＡＤ］増幅器では、クラス−Ｄ電力段と変換器との間に電子ロー・パス・フィルタ［ＬＰＦ］（常に、アナログ電子ＬＰＦ）を配置する必要がある。これは、磁気変換器の共通した形態（圧電変換器では一層強まる）が、クラス−ＡＤ増幅器の出力における高エネルギに存在する高周波ＰＷＭキャリア周波数に対して、低負荷インピーダンスを与えるからである。例えば、ベースバンド入力信号がゼロのクラス−ＡＤ増幅器は、その出力に連続的に、ＰＷＭ切換周波数（この場合、これは〜５０または１００ＭＨｚとなる）において最大振幅（通常二極）の１：１マーク−空間比［ＭＳＲ］出力信号を生成し、公称８オームの負荷に接続されると、この負荷において得られる最大電力を消散するが、有用な音響出力信号は得られない。一般的に用いられる電子ＬＰＦのカット・オフ周波数は、望まれる最高の信号出力周波数（例えば、＞２０ＫＨｚ）よりも高いが、ＰＷＭ切換周波数（例えば、〜５０ＭＨｚ）よりはかなり低いので、ＰＷＭキャリアを効果的に遮断し、電力浪費を最少に抑える。このようなＬＰＦは、電力損失をできるだけ減らしつつ、最大信号電力を電気負荷（例えば、音響変換器）に伝達しなければならない。通常、これらのＬＰＦは、少なくとも２つの電力インダクタと、２つ、または更に多くの場合では、３つのコンデンサを用いる。ＬＰＦは、かさばり、構成に比較的費用がかかる。単一チャネル（または数チャネル）増幅器では、このようなＬＰＦはコストを理由に許容することができ、更に重要なのは、ＰＷＭ増幅器がそれらの負荷（例えば、従来のラウドスピーカ）とは別個に収容され、これらの負荷に場合によっては長いリードによって接続しなければならない場合、このようなＬＰＦが必要となるのは、いずれにしても全く異なる理由からであり、即ち、高周波ＰＷＭキャリアが接続リードに進入し、比較的大きな振幅の望ましくない迷走電磁放射［ＥＭＩ］を発生する可能性が非常に高くなるのを防止するためである。
【０１５１】
ディジタル・サウンド・プロジェクタでは、音響変換器は、短いリードによって、物理的に隣接するＰＷＭ電力スイッチに直接接続されており、全てが同じエンクロージャに収容されているので、ＥＭＩの問題は全く起こらない。ディジタル・サウンド・プロジェクタでは、ＰＷＭ発生器は、クラス−ＢＤとして知られている種類のものであり、これらはクラス−ＤＢ  ＰＷＭ信号を生成し、出力電力スイッチを駆動する。一方、これらは音響出力変換器を駆動する。クラス−ＢＤ  ＰＷＭ出力信号は、最大振幅二極パルス出力の間でゼロに戻るという特性を有し、したがって三状態であり、クラス−ＡＤ信号のような二状態ではない。このため、クラス−ＢＤ  ＰＷＭシステムへのディジタル入力信号がゼロのとき、クラス−ＢＤ電力出力状態はゼロであり、クラス−ＡＤ  ＰＷＭによって生成されるような、最大電力二極１：１ＭＳＲ信号ではない。つまり、クラス−ＢＤ  ＰＷＭ電力スイッチは、この状態ではゼロ電力を負荷（音響変換器）に供給する。阻止すべき全電力ＰＷＭキャリア信号がないので、ＬＰＦは不要である。したがって、ディジタル・サウンド・プロジェクタでは、クラス−ＢＤ  ＰＷＭ増幅器のアレイを用いて変換器の一体アレイを直接駆動することにより、電力ＬＰＦのアレイの必要性を解消し、コスト、損失電力の大幅な削減が達成される。クラス−ＢＤが従来のオーディオ増幅器では殆ど用いられなかったのは、第１に非常に線形性が高いクラス−ＢＤ増幅器を作ることが、同様の線形性を有するクラス−ＡＤ増幅器よりも難しいからであり、そして第２に、前述の理由により、ＥＭＩを考慮してＬＰＦが一般にいずれにしても必要となり、クラス−ＢＤの主要な効果が打ち消されるからである。
【０１５２】
音響出力変換器自体は、非常に効果的な電気音響ＬＰＦであり、したがって絶対的に最少のＰＷＭキャリアがクラス−ＢＤ  ＰＷＭ段から音響エネルギとして放出される。このため、ディジタル・サウンド・プロジェクタのディジタル・アレイ・ラウドスピーカでは、クラス−ＢＤ  ＰＷＭを同じボックス内の音響変換器への直接結合と組み合わせ、電子ＬＰＦを用いないことにより、高効率、高電力、多元変換器駆動に対する非常に効果的かつ価格効率的な解決策となる。更に、ディジタル・サウンド・プロジェクタに対する、聴取者が聞く入力チャネルの１つに対応するいずれの１つ（以上）の出力チャネルのサウンドも、音響出力変換器の各々からのサウンドの合計であり、したがって、これらの変換器を駆動する電力増幅段の各々からの出力の合計に関連し、電力スイッチおよび変換器の出力における非対称的誤差は、平均するとゼロとなり、殆ど聞き取れない。したがって、前述のように構成したアレイ・ラウドスピーカの利点は、従来のアレイ型でないオーディオ・システムにおけるよりも、個々のコンポーネントの品質に寛大なことである。
【０１５３】
ディジタル・サウンド・プロジェクタの特定的な実施態様において、２５４個の音響出力変換器を大まかに矩形の範囲の三角形アレイに配列し、アレイの１つの軸を垂直とし（そして、２０個の変換器から成る７つの垂直列が、各々、１９個の変換器から成る６つの列によって分離されている範囲）、変換器の各垂直列における２つ置きの出力変換器がその直下にある変換器と電気的に直列または並列に接続されている場合、チャネルの各々に１３２の異なるバージョンが得られ、この例では、チャネル数は５である。即ち、合計６６０チャネルとなる。高いオーディオ周波数（例えば、１２ＫＨｚないし１５ＫＨｚ）まで、変換器からのおよそ全方向への放射を確保するように、変換器の直径を十分小さくすることは、ディジタル・サウンド・プロジェクタが小さい角度で変換器アレイの面からのサウンドのビームを操向可能でなければいけない場合、重要である。つまり、変換器の直径は、音声帯域全体に適用するには、５ｍｍないし３０ｍｍの間が最適である。変換器間の間隔は、ディジタル・サウンド・プロジェクタによって放出されるサウンドの最短波長に比較して小さいことが、音響放射の「スプリアス」サイドローブ（即ち、偶発的に生成され、所望の方向に放出されない音響エネルギのビーム）の発生を最少に抑えるためには望ましい。可能な変換器サイズを実際に検討することから、変換器の間隔は、５ｍｍから４５ｍｍの範囲が最も良いことがわかった。三角形のアレイ・レイアウトも、アレイ内に変換器を高い面密度で実装するには最も相応しい。
【０１５４】
図２６に示すように、ディジタル・サウンド・プロジェクタのユーザ・インターフェースは、設定、ステータスおよび制御情報の画面上表示のために、いずれかの適正に接続されたビデオ・ディスプレイ、例えば、プラズマ画面上にオーバーレイ・グラフィックスを生成する。このためには、いずれの接続されたオーディオ・ビジュアル源（例えば、ＤＶＤプレイヤ）からのビデオ信号も、表示画面までの途中で、ディジタル・サウンド・プロジェクタを通過させればよく、ディジタル・サウンド・プロジェクタのステータスおよびコマンド情報も、プログラム・ビデオ上に重ね合わされる。ディジタル・サウンド・プロジェクタの端から端までの信号処理動作のプロセス遅延が十分に長い（例えば、変換器の線形性および必要な等化に依存する最初の２つのＤＳＰ上で動作する補償フィルタの長さが長い場合）場合、リップ・シンクの問題を回避するためには、オプションのビデオ・フレーム記憶部を、通過するビデオ経路に組み込み、表示されるビデオを出力サウンドと再度同期させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】単純な単一入力装置を示す図。
【図２】多入力装置のブロック図。
【図３】汎用分配器のブロック図。
【図４】本発明の好適な実施形態において用いられる線形増幅器およびディジタル増幅器のブロック図。
【図５】共通の制御および入力段を有する数個のアレイの相互接続を示す図。
【０１５６】
【図６】本発明の第１の態様による分配器を示す図。
【図７Ａ】本発明の第１の態様の装置を用いると得ることができる４種類の音場の内の１つを示す図。
【図７Ｂ】本発明の第１の態様の装置を用いると得ることができる４種類の音場の内の別の１つを示す図。
【図７Ｃ】本発明の第１の態様の装置を用いると得ることができる４種類の音場の内の別の１つを示す図。
【図７Ｄ】本発明の第１の態様の装置を用いると得ることができる４種類の音場の内の別の１つを示す図。
【０１５７】
【図８】３つのサウンド・チャネルを室内で異なる方向に向けたときに得られる３つの異なるビーム経路を示す図。
【図９】異なる伝搬距離を考慮に入れるために各チャネルに遅延を与える装置を示す図。
【図１０】オーディオ・チャネルに与える遅延に応じてビデオ信号を遅らせる装置を示す図。
【０１５８】
【図１１Ａ】本発明の第３の態様を説明するために用いられる種々のウィンドウ関数の１つを示す図。
【図１１Ｂ】本発明の第３の態様を説明するために用いられる種々のウィンドウ関数の別の１つを示す図。
【図１１Ｃ】本発明の第３の態様を説明するために用いられる種々のウィンドウ関数の別の１つを示す図。
【図１１Ｄ】本発明の第３の態様を説明するために用いられる種々のウィンドウ関数の別の１つを示す図。
【０１５９】
【図１２】異なるウィンドウ関数を異なるチャネルに適用する装置を示す図。
【図１３】異なる周波数を異なる方法で整形可能な装置を示すブロック図。
【図１４】異なる周波数帯域を別個の出力変換器に導出する装置を示す図。
【図１５】異なる周波数帯域を重複する出力変換器の組に導出する装置を示す図。
【図１６】アレイの正面図を示し、記号は各変換器が出力する周波数帯域を表す図。
【０１６０】
【図１７】本発明の第４の態様による、中央付近に密度が高い変換器領域を有する出力変換器のアレイを示す図。
【図１８】細長構造を有する単体の変換器を示す図。
【図１９】図１８に示す変換器のアレイを示す図。
【図２０】サラウンド・サウンド効果を得るための出力変換器のアレイおよび反射／共振スクリーンを示す平面図。
【図２１】変換器のアレイおよび反射／共振面、ならびに表面で反射されるビーム・パターンを示す平面図。
【０１６１】
【図２２】本発明の第７の態様による、ビデオ・カメラが取り付けられたアレイを示す側面図。
【図２３】本発明の第１の態様によるラウドスピーカ・システムの典型的な設定を示す図。
【図２４】本発明の第１の態様の好適な実施形態による、ディジタル・ラウドスピーカ・システムの第１部分のブロック図。
【図２５】本発明の第１の態様の好適な実施形態による、ディジタル・ラウドスピーカ・システムの第２部分のブロック図。
【図２６】本発明の第１の態様の好適な実施形態による、ディジタル・ラウドスピーカ・システムの第３部分のブロック図。
【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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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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