(57)【要約】高強度で高い指向性のオーディオ出力を発生するコンパクトで軽量の電気音響サウンド発生器システムである。トランスデューサ・システムは、伝送媒体を非線形に駆動することができる音響強度レベルを発生することができ、それにより、高い指向性の二次音がまた、直接及びパラメトリック音発生を単一の音響放射システムから可能にする可聴範囲に現れることができる。遠方及び／又は高強度の両方の通信のための装置を用い、情報を搬送し、高強度音響標的を指向し、及び／又は他の通信を不通にし又は遮断することができる。
2006507734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのトランスデューサ音響放射領域を有する音響放射器と、
少なくとも可聴周波数信号を受け取るよう適合された少なくとも１つの電力増幅器チャネルと、を備え、
前記音響放射器の少なくとも長さが、少なくとも１つの最大音響出力主音響信号の最低周波数の波長の少なくとも４倍であるようスケールされ、
前記音響放射器の少なくとも深さは、前記長さの寸法の１／４より小さく、
前記音響放射器は、人間の聴覚系の最大感度の周波数範囲に対応する少なくとも狭い帯域幅にわたり高い効率を示し、最小２メートルで少なくとも１４０ｄＢの軸方向の音響出力を有する指向された高強度音ビームを発生するよう構成され且つ同調されている、
遠方の場において高強度の指向性サウンドコラムを発生する電気音響サウンド発生器。
【請求項２】
前記音響放射器は複数のトランスデューサ音響放射領域から成る、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項３】
前記複数のトランスデューサ音響放射領域は、最適のパッキング密度のためジグザグに配置され、且つ各グループが異なる取付け平面にあるようグループ化されている、請求項２に記載のサウンド発生器。
【請求項４】
別の平面に関係する１つの平面における少なくとも２つグループのトランスデューサは、前記遠方の場における出力の軸方向の和を最大にするよう異なる位相関係で駆動される、請求項３に記載のサウンド発生器。
【請求項５】
少なくとも１つの主音響信号は１５００Ｈｚと４０００Ｈｚとの間にある、請求項１に記載の電気音響サウンド発生器。
【請求項６】
前記音響放射器の長さは少なくとも０．３３メートルである、請求項５に記載のサウンド発生器。
【請求項７】
前記音響放射器の長さが少なくとも０．５メートルである、請求項５に記載のサウンド発生器。
【請求項８】
前記音響放射器の長さは少なくとも０．７５メートルである、請求項５に記載のサウンド発生器。
【請求項９】
前記音響放射器は、実質的に円形の形状であり、且つ少なくとも０．７５メートルの直径を有する、請求項５に記載のサウンド発生器。
【請求項１０】
前記音響放射器は、実質的に長方形の形状であり、且つ少なくとも０．５平方メートルの断面を有する、請求項５に記載のサウンド発生器。
【請求項１１】
前記指向された高強度の音ビームは、空気媒体中で線形に持続可能であるものより大きい強度であることが可能である、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項１２】
前記音響放射器は、少なくとも２つの主音響信号周波数の差トーン周波数に対応するより低い可聴周波数範囲において、少なくとも１つの二次音響信号を作成する可聴範囲において前記少なくとも２つの主音響信号周波数を発生するよう構成されている、請求項１１に記載のサウンド発生器。
【請求項１３】
前記音響放射器は、少なくとも２つの主音響信号周波数の和トーン周波数に対応する上側可聴周波数範囲において少なくとも１つの二次音響信号を作成する可聴範囲において前記少なくとも２つの主音響信号周波数を発生するよう構成されている、請求項１１に記載のサウンド発生器。
【請求項１４】
前記サウンド発生器は、人間の聴力範囲で発生される主及び二次の両方の周波数を有するパラメトリック・ラウドスピーカとして動作可能である、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項１５】
前記主音響信号は所定の繰返し数でパルス化される、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項１６】
前記所定の繰返し数は、圧縮効果を最小にし且つトランスデューサ信頼性を増大する値まで前記音響放射器の熱上昇を低減する率に対応する、請求項１５に記載のサウンド発生器。
【請求項１７】
前記所定の繰返し数は、標的にされた人間の聴覚系における連続的な最大感度を維持する率に対応する、請求項１５に記載のサウンド発生器。
【請求項１８】
前方放射指向性を最大にするようサイドローブ放射及び後方放射を最小にするためのバウンディング側板構造を更に備える、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項１９】
所定のレベル最大を維持するためのレベル・モニタリング及びレベル設定システムを更に備える請求項１記載のサウンド発生器。
【請求項２０】
所定の時間−エネルギ最大を維持するためのレベル・モニタリング及びレベル設定システムを更に備える、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項２１】
所定の信号立ち上がり時間を維持するためのレベル・モニタリング及びレベル設定システムを更に備える、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項２２】
所定の信号減衰時間を維持するためのレベル・モニタリング及びレベル設定システムを更に備える、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項２３】
レンジ・ファインダを更に組み込まれる、請求項１記載のサウンド発生器。
【請求項２４】
距離に対するレベル較正を更に含む、請求項１９または２３に記載のサウンド発生器。
【請求項２５】
少なくとも１つの内側エミッタエリア及び少なくとも１つの外側エミッタエリアと、
前記外側エミッタエリアに対して前記少なくとも１つの内側エミッタエリアを独立に制御し、所与の距離で最大音響出力に対して全体の音響放射器の位相を最適化する電子遅延機構と
を更に備える、請求項１または２３に記載のサウンド発生器。
【請求項２６】
少なくとも１つの内側エミッタエリア及び少なくとも１つの外側エミッタエリアと、
前記外側エミッタエリアに対して前記少なくとも１つの内側エミッタエリアを独立に制御し、所与の距離での最大音響出力のため全体の音響放射器の位相を最適化する電子遅延機構と
を更に備える、請求項１または２３に記載のサウンド発生器。
【請求項２７】
前記音響放射器上の少なくとも１つの内側トランスデューサエリア及び少なくとも１つの外側トランスデューサエリアと、
前記外側トランスデューサエリアに対して前記少なくとも１つのトランスデューサエリアを独立に制御し、全体の音響放射器の位相を最適化して音響指向性を制御する電子遅延機能と
を更に備える、請求項１または２３に記載のサウンド発生器。
【請求項２８】
前記音響放射器上の少なくとも２つの隣接トランスデューサエリアと、
少なくとも第１の隣接トランスデューサエリアを少なくとも１つの第２のトランスデューサエリアに対して独立に制御し、所与の角度で最大音響出力のため全体の音響放射器の位相を最適化する電子的遅延機構と、
を更に備える、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項２９】
エミッタフェースを形成する複数の音響放射領域のアレイを更に備え、
前記複数の音響放射領域は、少なくとも１つの第１のより前方の平面及び第２のより後方の平面において前面対背面の関係で交互にジグザグに配置されて、パッキング密度を、前記音響放射器を形成する最大数の音響放射領域に対して最大にする、
請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの第１のより前方の平面にある組のトランスデューサは、前記少なくとも１つの第２のより後方の平面にある組のトランスデューサに対して時間的に遅延され、遠方の場で最大出力のためトランスデューサエリアの前記少なくとも２つの平面の位相関係を最適化する、請求項２９に記載のサウンド発生器。
【請求項３１】
人間の聴力の高感度の範囲で増強された効率を有する少なくとも１つのトランスデューサを更に備え、
前記の増強は人間の聴力の高感度の範囲において高Ｑトランスデューサ共振の使用から導出される、
請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項３２】
前記少なくとも１つのトランスデューサの共振周波数は１０００Ｈｚから４５００Ｈｚの範囲にある、請求項３１に記載のサウンド発生器。
【請求項３３】
前記少なくとも１つのトランスデューサの共振周波数は２０００Ｈｚから３５００Ｈｚの範囲にある、請求項３１に記載のサウンド発生器。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのトランスデューサ音響放射領域は、オクターブ当たり１２ｄＢより大きい初期高域通過特性を有する、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項３５】
オクターブ当たり１２ｄＢより大きい前記初期高域通過特性は、１０００Ｈｚから４５００Ｈｚの範囲で始まる、請求項３４に記載のサウンド発生器。
【請求項３６】
オクターブ当たり１２ｄＢより大きい前記初期高域通過特性は、２０００Ｈｚから３５００Ｈｚの範囲で始まる、請求項３４に記載のサウンド発生器。
【請求項３７】
最大音響エネルギを指定された標的に適用する照準機構を更に備える、請求項１に記載のサウンド発生器。
【請求項３８】
前記照準機構は、前記サウンド発生器に取り付けられたカメラ、及び関連のビューイング・スクリーンを含む、請求項３７に記載のサウンド発生器。
【請求項３９】
前記ビューイング・スクリーンは、前記サウンド発生器から遠隔に配置されている、請求項３８に記載のサウンド発生器。
【請求項４０】
前記照準機構はレーザ型ポインティング装置を含む、請求項３７に記載のサウンド発生器。
【請求項４１】
前記照準機構は十字線又はビード・サイト構造を含む、請求項３７に記載のサウンド発生器。
【請求項４２】
前記照準機構は光学的拡大レンズを含む、請求項３７に記載のサウンド発生器。
【請求項４３】
主周波数より少なくとも１オクターブ下の周波数のパラメトリック二次トーンは、等価電圧入力に対してその同じ周波数で放射される直接トーンより振幅が大きい、請求項１２に記載のサウンド発生器。
【請求項４４】
主周波数より上の周波数のパラメトリック二次トーンは、等価電力入力に対して同じ周波数で放射される直接トーンより振幅が大きい、請求項１３に記載のサウンド発生器。
【請求項４５】
より低い可聴範囲における少なくとも１つの二次音響信号の少なくとも１つは、主トーンのうちの少なくとも１つの主トーンより１０ｋＨｚ未満下である、請求項１２に記載のサウンド発生器。
【請求項４６】
より低い可聴範囲における少なくとも１つの二次音響信号の少なくとも１つは、主トーンのうちの少なくとも１つの主トーンより７ｋＨｚ未満下である、請求項１２に記載のサウンド発生器。
【請求項４７】
より低い可聴範囲における少なくとも１つの二次音響信号の少なくとも１つは、主トーンのうちの少なくとも１つの主トーンより５ｋＨｚ未満下である、請求項１２に記載のサウンド発生器。
【請求項４８】
より低い可聴範囲における少なくとも１つの二次音響信号の少なくとも１つは、主トーンのうちの少なくとも１つ主トーンより３．５ｋＨｚ未満下である、請求項１２に記載のサウンド発生器。
【請求項４９】
音支持媒体において直接及び二次パラメトリックの両方の音響発生の可聴周波数範囲において高度な指向性の音響信号を発生する方法であって、
ａ）２０ｋＨｚより下の少なくとも１つの高強度可聴トーンを、前記高強度可聴トーンのうちの少なくとも１つの高強度可聴トーンの波長の寸法より大きい少なくとも１つの寸法を有するトランスデューサエミッタシステムから直接発生するステップと、
ｂ）前記トランスデューサエミッタシステムは有意の非線形出力を前記音支持媒体に生成するレベルより大きいレベルで高強度可聴トーンを発生するように前記トランスデューサエミッタシステムを動作させるステップと、
ｃ）少なくとも１つの可聴二次出力が前記音支持媒体に生成されるように前記音支持媒体を非線形に駆動するステップと、
を備える方法。
【請求項５０】
前記の少なくとも１つの可聴二次音響出力は、少なくとも１つの高強度可聴トーンより１０ｋＨｚ未満下である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記少なくとも１つの可聴二次音響出力は、少なくとも１つの高強度可聴トーンより５ｋＨｚ未満下である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記少なくとも１つの可聴二次音響出力が、少なくとも１つの高強度可聴トーンより３．５ｋＨｚ未満下である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
可聴周波数信号を受け取るよう適合された少なくとも１つ電力増幅器チャネルと、
人間の聴覚系の最大感度の少なくとも１つの周波数範囲に同調された通過帯域領域を有し、且つ既知の高域通過カットオフ周波数を有する音響放射器と、
前記高域通過カットオフ周波数の波長の少なくとも４倍の長さを有し、前記高域通過カットオフ周波数より高い周波数に対して指向性のサウンドコラムの高強度伝搬を可能にし、そして前記高域通過カットオフ周波数の前記放射表面の波長の長さの１／４より大きくない深さを有する放射表面と、
を備える遠方の場において高い強度の指向性サウンドコラムを発生する電気音響サウンド発生器システム。
【請求項５４】
前記音響信号の少なくとも高調波成分は、前記音響放射器により高強度の指向性サウンドコラムで伝搬される、請求項５３に記載の電気音響サウンド発生器システム。
【請求項５５】
少なくとも１つの可聴周波数信号を受け取るよう適合された少なくとも１つの電力増幅器チャネルと、
可聴周波数範囲にある２つの主波を放射することが可能である音響放射器と、を備え、
前記音響放射器の長さは、前記主波の最低周波数の波長の少なくとも４倍であり、
前記音響放射器の深さは、当該音響放射器の最低周波数の波長の１／４より小さく、
前記音響放射器の寸法は、前記主波が音の指向性コラムで伝搬するのを可能にし、
前記２つの主波周波数を十分なレベルで放射して、周囲空気を非線形に駆動することにより、前記２つの主波周波数の差に等しい周波数を有する二次波を生成し、
前記主波及び二次波が、人間の標的に苦痛を与えるほど十分に高い強度レベルである、
非凶器として用いられる電気音響サウンド発生器システム。
【請求項５６】
音の指向性カラムを前記人間の標的に指向する照準装置を更に含む、請求項５５記載のサウンド発生器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響システムに関し、詳細には、遠方及び／又は高強度の通信のため用いられる高出力で高指向性の音響システムに関する。
【発明の背景】
【０００２】
２００２年１１月１５日に米国特許庁に提出した出願Ｎｏ．６０／４２６，９８０の優先権を本出願で主張するものである。
従来技術に高強度で高指向性の音響システムを捜すとき、高出力で高指向性で小さく且つ軽量の装置で利用可能なものはなかった。いずれの所与の範囲にわたりそしていずれのより低い範囲能力を含むときはるかに大きい高出力を発生するために、３次元の全てが１波長と比較して大きく大きい単一のホーンを用いた比較的高強度の可聴範囲システムは存在していた。更に、これらのホーン・システムは、大きい３次元パッケージであり、及び／又は並はずれて高い指向性を呈していなく、それは更に、前面及び深さの両方の寸法を増大できる。その上、大きい前面エリア（ホーンの口）は、駆動単位面積当たり最小の熱散逸により最大駆動のため大きいモータ・システム面積を達成するため、有意の多数のモータ構造を有効にクラスターにすることを防止した。
【０００３】
通常、可聴範囲において可聴トーンを発生するいずれかのシステムは、直接発生される可聴トーンを有することのみに起因するように、当該システム又は空気中で何らかの非線形性を回避するように動作される。何らかの可能性のある非線形性を最小にすることに大きな注意が費やされる。
【０００４】
高出力用に設計されたシステムは、大きいホーン・システムを多くの場合用いる分散性音場カバレージの幾つかのレベルに対して同時に設計されてきた。
従来技術のオーディオ装置は、歪みと考えられる二次出力を生成する可能性がある、媒体において非線形性の発生を避けるシステムを開発してきた。
【０００５】
人間の聴覚の周波数範囲において高い指向性の従来技術装置は、通常、その周波数範囲で高い指向性を維持するため約２分の１メートルから１メートルの寸法であろう。しかし、ほぼ数百Ｈｚの最低音声範囲において信号に対して同じ指向性を有するためには、システムは、４メートルから５メートルの寸法にならなければならないであろう。例えば、１５００から４０００Ｈｚ範囲で最適化されたホーンの寸法は、２００から８００Ｈｚ範囲において同じ指向性で動作するためには１０倍以上まで拡張されねばならず、従って、極めて扱い難く、そして多くの場合、実際的ではないであろう。
【０００６】
従来の装置が、指向性があり且つ高強度であるならば、既に３次元の全てに大きく、そして指向性をより低い音声範囲に下げて生成するならば、３次元の全てではるかに大きくなければならない。
【０００７】
また、指向性についての従来技術の試みでは、超音波的に導出されたパラメトリック・ラウドスピーカが有り、それは、非可聴の超音波周波数を使用し、より低いレベルの可聴トーンを発生する。パラメトリックに発生された出力を有する従来技術システムは、主トーンを可聴範囲より上に保ち、そこで、主トーンを聴くことができずそして二次トーンのみが可聴範囲に現れることになる。それらは、非常に高い指向性があるが、しかし超音波から可聴周波数への非線形変換の低効率に因り発生されることができる可聴音圧レベルに非常に限定される。８９ｄＢを超えたより低い音声範囲の音発生は、従来技術のパラメトリック・システムで実現することが困難である。それらは、超音波周波数で空気媒体が高い強度で容易に飽和されるのでさらに限定され、従って、それは更に、パラメトリック変換のダイナミック能力を制限及び圧縮し、従来技術の装置からのパラメトリック出力に基本的制限を与える。更に、従来技術のパラメトリック装置は、主トーンの聴感を除去するため超音波範囲にある主トーンを用いるが、しかしこれはまた、システム出力の体積速度を超音波周波数の低い体積速度レベルにまで制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
コンパクトなサイズ、軽量及び高効率で高指向性、高出力の音響出力装置に対する必要性がある。
人間の聴力に対して感度の高い領域において高強度で高指向性の音発生を実現することができるより小さくより軽量の音発生システムを提供することは有利であろう。更に、装置の最大寸法に匹敵する又はそれより大きい波長を有する周波数に対してさえ、当該装置からより低い周波数の指向性信号を同時に提供することは有用であろう。更に、完全な放出パッケージの最大寸法より実質的に小さい少なくとも１次元の寸法を有するパッケージで高強度出力を与えながら非常に高い指向性であることができる装置を持つことは望ましい。更に、軽量の構成であり且つ人間の聴力の最も感度の高い範囲において高強度で高指向性の出力を与えることができる実質的に２次元のパッケージを持つことは望ましい。最大出力が１５度よりはるかに小さい前方カバレージ角度に集中化されるように非常に高い指向性を同時に維持しながら、１４０ｄＢより実質的に大きい音響レベルを発生する能力を呈する音響通信標的指向装置に組み込まれた前述のパッケージ品質の全てを有することが望ましいであろう。
【０００９】
システムが装置の熱上昇を最小にしながら時間にわたり最適化された最大の知覚された強度であるように、当該システムの強度変動を制御することは更に有利であろう。
【発明の効果】
【００１０】
直接エネルギを用いて発生しながらより低い音声範囲の中にパラメトリックに通信される上記装置による音声は、従来技術の装置より優れた指向性を維持することができる。
本発明により、より低い音声範囲より上であるが可聴範囲内にカットオフ周波数を有する小さいトランスデューサの使用は、カットオフより下で著しく非線形に発生された二次出力を発生することが可能であり、そしてトランスデューサのカットオフ周波数より下の広帯域の音声を発生するため使用可能である。
【００１１】
これらの能力、このタイプの装置及び目的に有利である更なる補足的属性、及び以下の開示で明らかになるそのような属性を有することは有効であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
高強度の音発生の従来技術の状態が、図１に示されている。これは、開口部２を有する基本的な可動コイル・ホーン・システム１と、可動コイル・モータ４を有するホーン長さ部３とから成り、それは、高出力での指向性を制御された音発生に対して何十年も継続している標準であった。このタイプのシステムは非常に効率的であることが可能である一方で、それらはまた、再生している波長に対して極めて大きいことが周知である。出力をより低い音声範囲、即ち、ほぼ２００から８００Ｈｚで再生するため、これらの装置は、波長に少なくとも匹敵する実質的に３次元構造が口２の寸法及びホーン長３の寸法を含む３次元全てで累積的に約３０．４８ｃｍ（１フィート）から約１２１．９ｃｍ（４フィート）以上のオーダであることを必要とする。非常に高い出力システムの音声コイルの熱散逸を拡散させるための複数のユニットを実現するため、これらの構造は、サイズの面で極めて取り扱い難く、そして非実用になる場合があり、特に携帯使用を必要とする何らかの応用に対して、そうである。より高いカットオフ周波数用に設計される場合、サイズを低減することができるが、しかし出力、及び特に指向性が重大になる。
【００１３】
図２に示されるような１つの好適な実施形態においては、音響システム１０の正面図は、支持構造体３０に取り付けられた少なくとも１つのエミッタ又は音響放射領域２０から成る。複数の音響放射領域は、最適パッキング密度のためジグザグに配置され、そして各グループが異なる取付け平面にあるようにグループ化される。図３は、同じタイプの構造の側面図を示す。この例では、８５個の圧電曲げモード・トランスデューサ又はエミッタが、約８３．８２ｃｍ（ほぼ３３インチ）の直径６０と約７．６２ｃｍ（ほぼ３インチ）の深さ５０を有するコンパクトで実質的に２次元の構造上の同じ平面に取り付けられて、使用される。２．２６ｋＨｚから９．９ｋＨｚの周波数範囲で主音響出力に対して最適化されているこのシステムは、その最低の主周波数の波長の５．５倍のオーダの主要寸法、即ち、まさに約７６．２ｃｍ（３０インチ）を超えた寸法を有する。この特定の装置の好適な動作周波数は、約１２．０７ｃｍ（４．７５インチ）の波長（これは、このシステムの直径の約１／７である）の場合ほぼ２８５０Ｈｚである。最大出力の最低主周波数の少なくとも４波長の直径又は主要寸法を有することが、一般的に、正確に音響を標的に指向するよう指向性レベルを維持するため本発明においては望ましい。更に、この例は、図３において、深さ５０が極めて小さく、当該装置の主要寸法又は直径の１０分の１より小さいオーダであることを示す。このシステムの小さい寸法は、システムの最大寸法の１／４より小さいことが好ましい。この音響システムの最大直径は、０．３３メートル、又は０．５メートル、或いは更に０．７５メートル又はそれより大きくても良い。エミッタの形状は、正方形、円形、長方形、四辺形、又は複数の音響放射領域を支持することが可能である他の形状であることができる。
【００１４】
このタイプのシステムの１つの代表的実施形態においては、２メートルの基準距離における音圧レベルは、連続動作中に２から３ｋＨｚの範囲で１４０ｄＢより著しく大きく、そしてより高いレベルが、オン条件とオフ条件との間の制御された変動、又は時間に対するレベル変動を有するエネルギのバーストで達成可能であった。
【００１５】
２メートルでのシステムの周波数応答は、図４に示されるように２ｋＨｚから１０ｋＨｚまでで±５ｄＢである。システムの周波数応答は、少なくとも１つのトランスデューサが１０００Ｈｚから４５００Ｈｚの範囲に共振周波数を有し得る。代替として、少なくとも１つのトランスデューサの共振周波数は、２０００Ｈｚから３５００Ｈｚの範囲にあり得る。少なくとも１つのトランスデューサは、オクターブ当たり１２ｄＢより大きい初期高域通過特性を有し得る。このオクターブ当たり１２ｄＢより大きい高域通過特性は、１００Ｈｚから４５００Ｈｚの範囲で始まってもよい。代替として、オクターブ当たり１２ｄＢより大きい高域通過特性は、２００Ｈｚから３５００Ｈｚの範囲で始まってもよい。
【００１６】
システムの極応答が、図５に示されている。３ｋＨｚにおいて、出力は、ビームの中心軸から６度ずれると１０ｄＢ下がる。当該出力は、中心軸から１６度ずれると２０ｄＢ下がる。この極端な指向性は、装置に安全レベルでパワーを供給し、それを注意深く照準に当て、次いでビームを介してウォーキングすることにより容易に実証することができる。
【００１７】
次の表は、様々な距離で測定された、図２の実施形態の連続音圧レベルを詳細に示している。
１メートル    １５１ｄＢ        １０メートル    １３２ｄＢ
２メートル    １４６ｄＢ        ２０メートル    １２７ｄＢ
５メートル    １３７ｄＢ        ４０メートル    １２２ｄＢ
本発明の別の実施形態は、高エネルギの磁気構造、好ましくはネオジミウム−鉄を組み込んだプレーナ磁気変換技術を用いる。プレーナ磁気変換システムは、ダイアフラムの表面に又はそれに埋め込まれた導電性ランを組み込んだ薄膜又は織ったダイアフラムを用い、それは高エネルギの磁気構造に隣接して懸架される。ダイアフラム上の張力及びダイアフラムの剛性は、直接放射される音響エネルギの最大出力の基本共振周波数及び周波数領域を決定する。
【００１８】
本発明の別の実施形態は、弧状又は突起した形状に形成されたトランスデューサ領域を有し、伸張及び収縮する圧電フィルム・ダイアフラムを組み込む。ダイアフラム上の張力及びダイアフラムの形状は、直接放射される音響エネルギの最大出力の基本共振周波数及び周波数領域を決定する。
【００１９】
いずれの実施形態も焦合されたアレイを組み込み、そこにおいて、システムの音響放射領域は、外側範囲が中心の音響放射領域に対して前方又は後方に位置されて、僅かに凸状又は凹状の構造を形成するよう構成することができる。これは、本発明の装置におけるさまざまな便益に対して利用することができる。焦合されたアレイは、より大きい距離にわたって指向性を維持及び強化し、距離による音響出力の損失を補償し、そして、望ましいとき、空気媒体のより大きい非線形性を生成し、又はより大きい距離にわたり空気媒体のより大きい非線形性を維持することができる。要約すると、焦合されたアレイは、本発明では、トランスデューサの物理的変位により、又は外側トランスデューサ領域に対して中心トランスデューサ領域上に電子的時間遅れを持ったデバイスの仮想変位を生成することにより作成することができる。
【００２０】
本発明の特有の特徴の１つは、空気媒体を可聴範囲において非線形性の方へ駆動して、追加の二次周波数が、希望される場合非線形性パラメトリック変換を介してトランスデューサの主範囲の外側で生成され、少なくとも幾らかの二次周波数が、主周波数の差（ｆ1−ｆ2）又は主周波数の和（ｆ1＋ｆ2）と関連する、主可聴周波数ｆ1及びｆ2の実現を可能にすることである。
【００２１】
図６は、主及びパラメトリックに発生される二次出力の一例としてグラフ６００を示す。グラフ６００は、２８００ｋＨｚ及び３１００ｋＨｚで１２９ｄＢの主出力のそれぞれを参照番号６２０及び６３０で示す。また、空気媒体の非線形性により発生されその結果得られた二次出力６１０であって、３００Ｈｚで７８ｄＢの音圧レベルを有する二次出力６１０が示されている。その上、非線形性は、５９００Ｈｚに二次出力６４０を生成する。これは、非線形性に弱く駆動された空気媒体の場合である。本発明は超音波の代わりに可聴範囲の主信号を用いて動作させる利点を有するので、空気媒体の飽和レベルが、非常に低く、そして簡単に飽和する従来技術のシステムにおいて一般的である圧縮効果無しで、主レベルを著しく増大することができる。より大きい駆動信号を用いて、飽和を主駆動レベルの少なくとも１５４ｄＢまで実質的に避けることができ、それは、いずれの従来技術のパラメトリック・システムよりはるかに大きい１２６ｄＢの３００Ｈｚ二次信号をもたらす。これはまた、主信号の量に近い、６００Ｈｚを１３８ｄＢで、そして１２００Ｈｚを１５０ｄＢで生成することができ、過去のいずれのパラメトリック・システムよりはるかに大きい効率を提供する。その上、システムは、主信号が可聴範囲にあるので主信号を用いることができる。
【００２２】
本発明の強度は、パラメトリック復調を耳道内側で達成することができる程度に発生することさえでき、空気媒体の中で実際に発生される体積速度より非常に大きい見掛けの体積速度の知覚された低周波数を生成する。主周波数より少なくとも１オクターブ下の周波数のパラメトリック二次トーンは、等価の電圧入力に対してその同じ周波数で放射された直接トーンより大きい振幅になり得る。主周波数より上の周波数のパラメトリック二次トーンは、等価の電力入力に対してその同じ周波数で放射された直接トーンより大きい振幅になり得る。
【００２３】
図７は、好適なシステムの実施形態のブロック図を示す。この実施形態に示されるように、このシステムは、ロケータとして、又は高強度の音響を標的に指向することに対応する高強度の標的指向光源として、標的に指向する又は照準を当てるため用いられ得る光源１００を含み得る。光源１００は、別個の電源１０１を有し得る。システムは、音響再生され得る制御信号又はプログラム信号を受信するため無線入力受信機１１０を含み得る。このＲＦ受信機に入力される信号は、コンピュータ１１２から動作され得る無線送信機１１１から到来し得る。様々な制御機能及び処理が、利用可能であり、そして電力増幅器１１５に供給されるであろう。なお、当該電力増幅器１１５は、音響放射領域２０を有する音響サウンド発生器１０を駆動する。ここではマイクロフォンとして示されるセンサ１２０は、出力信号についての情報をシステムの信号処理部分に戻すよう送信して、好適な調整レベル、位相関係等のような条件を較正又はそれに適合させ得る。センサ１２０からのフィードバックを用いて、所定のレベル最大、所定の時間−エネルギ最大、所定の信号立ち上がり時間、及び所定の信号減衰時間を維持し得る。電力増幅器１１５は、好適な実施形態において、少なくとも１つの可聴周波数信号を受け取るよう適合された高効率スイッチング増幅器である。
【００２４】
音発生システムはまた、発生される高調波と関連した基本波であろう欠落基本トーンの重要な知覚を心理音響学的に生成することができる高調波成分を生成することができる。
好適な実施形態において、システムは、当該システムの主音又は二次音発生範囲にわたり高指向性を提供することができ、音発生システムの寸法に匹敵する又はそれより大きい波長を有する周波数でさえ実質的に一貫した指向性を維持する。
【００２５】
システムの更なる特徴は、トランスデューサ・システムにおいてより低い熱上昇を維持しながら、より大きいピーク・レベルを生成するため所望の信号を可変の強度レベルでオン及びオフにパルス化し、圧縮効果を最小にし、そしてトランスデューサの信頼性を増大させる能力を組み込むことにあろう。一実施形態において、所望の信号は、電力増幅器１１５への可聴周波数信号を変えることによりパルス化されることができる（図７参照）。その上、パルスレートは、音響信号を本発明の装置から受信中に、聴力感度を出来るだけ高く保つため人間の聴覚系のパルスレートを用いて調整され得る。この機能を較正して、耳の能力に相関させて、耳がレベルを低減した連続信号を聴くようにより大きい連続信号が受け取られている場合その感度を遮断する。信号を所定の繰返し数でパルス化することにより、聴力機構の感度のこの圧縮を最小にすることができる。
【００２６】
システムは、苦痛の閾値より上の高強度の音響エネルギを人間の標的の方に仕向けることにより非凶器又は抑止力として利用することができる。苦痛の閾値の始まりは、１２０から１３０ｄＢの範囲であり、耳の感度は、３ｋＨｚ付近の領域で最大である。これは更に、大きい音が持続されるとき耳の感度を遮断する時間及び強度制御機能を耳が有する点で精密化させることができる。持続時間及び振幅を制御し、又はシステムを所定の繰返し数でオン及びオフに同調させることにより、耳の感度は、無音環境における閾値の耳の感度近くに維持することができる。所望の繰返し数の一例は、所望の１つ又は複数の周波数の１秒間オンで１秒間オフのトーン・バーストであろう。
【００２７】
システムの非常に高い強度のため、更に全てのサイドローブ及び後方音響放射を最小化することによりオペレータを保護することが重要である。これは、主周波数波長に匹敵するバウンディング側板構造又は側方遮蔽を適用することにより達成することができる。本発明のシステムにおいては、これはまた、トランスデューサ・カットオフ周波数より下の周波数のより長い波長の後方放射を最小にし、且つ全てが主周波数波長にのみ依存する可聴周波数帯域の主及び二次周波数発生に起因してシステムの最大寸法に匹敵又はそれより大きい波長の後方放射を最小にすることができるであろう。バウンディング側板構造がまた、サイドローブ放射及び後方放射を最小にして、ユーザを保護し且つ前方放射指向性を最大にすることができる。
【００２８】
装置から利用可能な高強度レベルに因り、新しいシステムを組み込み、所定の音圧レベル最大、標準又は規則、例えば、ＯＳＨＡ（米国の労働安全衛生局）の標準又は規則のようなものに設定し、又はそれらに自動的に適合させることは有用である。これらは、時間／強度ベースの制御機能であっても良い。それらはまた、よりゆっくりした立上り時間をもち、システムが最大レベルに到達するまえに耳が高強度に適合するのを可能にする。これを用いて、強力な通信、破壊、不快感、又は他の精神物理学的音響目標に対する適切なレベルを依然達成しながら、聴力の損傷を回避できる。
【００２９】
本システムは、聴覚の不快感、及び無線による通信の破壊を最大にし、且つ個人相互間の物理的効果を生成するため、使用できる。
図８は、システムと合体されて、騒音レベル又は音の焦点調節パラメータ及び較正の最適化のための距離を決定するレンジ・ファインダ８３０を用いた一実施形態を示す。図８の例においては、レンジ・ファインディングＣＣＴＶカメラ８９５を用いて、システムが指向されるであろう対象物８０５までの距離８４０を決定することができる。また、ＣＣＴＶカメラ８９５を用いて、対象物８０５をディスプレイ８５０上に示すことができる。レンジ・データをＣＣＴＶカメラ８９５からデータ変換器８９０を介して利得制御装置８６０に送ることができる。利得制御装置８６０は、増幅器８７０を調整して、信号入力８８０を、検出したレンジに従って変えることができる。次いで、サウンド発生器システムは、対象物８０５からの距離８４０に対して或るレベルに較正されることができる。照準機構８２０が、最大音響エネルギを特定の標的に印加するためレンジ・ファインダ８３０に含まれ得る。照準機構８２０は、サウンド発生器に、関連のビューイング・スクリーンを有して取り付けられたカメラであり得る。ビューイング・スクリーンは、サウンド発生器から遠隔の位置に配置され得る。照準機構８２０は、レーザ型のポインティング装置、十字線又はビード・サイト（ｂｅａｄ  ｓｉｔｅ）構造、及び光学的拡大レンズを含み得る。
【００３０】
図１０は、放出される波を集束させる又は１つの方向に向けるため異なる平面１０００上に複数の放射セクションを用いるサウンド発生器システムを示す。内側放射セクション１００４は、当該内側放射セクション１００４と比較して高さが高くされ又は低くされた外側リング１００６を備えても良い。外側リング１００６に対して外側のリング１００８は、外側リング１００６と比較して高さが高くされ又は低くできる。サウンド発生器システムの物理的にずらして配置され及び／又は電子的に遅れた内側及び外側放射セクションを変えて、有効な凸又は凹の音響投射源を生成して、所定の距離においてエネルギを同相に最適化し、より大きい指向性を生成し、又は音を所定の方法で放出できる。
【００３１】
図１１は、内側放射セクション１１０４が外側放射セクション１１０６から電子的に遅延され得るサウンド発生器システム１１００を示す。各放射セクションは、バイモルフエミッタ又はサウンドホーンのような複数のより小さい個々のエミッタから構成され得る。より複雑なシステムにおいては、複数の外側リング放射セクション１１０８及び１１１０を使用でき、そこでは各放射セクションに供給される電子信号は、異なる量だけ遅延される。放射リング・セクションのそれぞれを最大限の効果が得られるようにサイズを決めることにより、且つ各セクションに供給される電子信号の位相を変えることにより、投射される波が、所定の距離で最適化できる。
【００３２】
図１２ａ及び図１２ｂに示される別の実施形態においては、類似の方法を組み入れても良く、システムを物理的に動かす又は再指向する必要無しに、投射される波を様々な標的方向にビームステアリングできる。サウンド発生器システム１２００は、少なくとも２つの隣接した放射セクション１２１０を含むことができ、各放射セクション１２１０は、異なる量だけ遅延される。伝搬される波の方向は、各放射セクションのサイズと、放射セクションに供給される電子信号の位相遅延との関数である。この適応は、図８に示されるレンジ・ファインダの機能と連係して動作できる。エミッタのビームステアリング又は機械的再指向は、海洋の波動から結果として生じるビーム変位に対処するため船側上に適用することができる。フィードバック・システムは、標的に対するエミッタの向きを調整することができ、船の律動的な波動にも拘わらず、標的における音の固定した投射を維持する。
【００３３】
図９は、個々のトランスデューサ又はトランスデューサエリアが前から後ろにジグザグ状に配置できること（９００）を示す。トランスデューサ９２０の少なくとも１つの第１のより前方の平面とトランスデューサ９１０の少なくとも１つの第２のより後方の平面とが存在するようにトランスデューサをジグザグに配置することにより、より大きいパッキング密度が可能となり、より大きい出力能力に対してパッキング密度を最大にする。これは、指向性を所定の方法で集束し又は分散する方法でできる。一部のトランスデューサ音響放射領域と他のトランスデューサ音響放射領域とを比べて遅延を与えて、様々なトランスデューサ音響放射領域の物理的向き又は相互の関係に拘わらずそれら様々なトランスデューサ音響放射領域の所望の位相関係を維持できる。別の平面に対する１つの平面において少なくとも２グループの音響放射領域は、異なる位相関係で駆動され、遠い場における出力の軸方向の和を最大にすることができる。
【００３４】
共振パイプ、導波管、ホーン又は他の手段は、主出力の周波数の外側の周波数で非線形に生成された二次出力の発生を通して主出力より大きい帯域幅をなお任意に与えることができる一方、出力のために主帯域幅を取得するため、トランスデューサエリア出力を狭い範囲にわたり最大にできる。
【００３５】
奇数の１／４波長の周波数毎に強調する１／４波のパイプ又は導波管を組み込むことができる。このアプローチは、二次パラメトリック出力が、主出力の効率がより少ない各奇数の１／４波長間の所望の周波数を生成することにより補足できる。
【００３６】
出力は更に、Ｑ＝７より大きいＱを含む、Ｑ＝１より非常に大きい、狭帯域高Ｑ共振を通して最適化でき、主出力の狭帯域を増し、且つ広帯域二次パラメトリック出力をなお任意に与える。狭い帯域幅は、人間聴覚系の最大感度範囲における周波数に対応して、最小２メートルで少なくとも１４０ｄＢの軸方向の音響出力を有する指向された高強度音ビームを発生することができる。
【００３７】
様々な好適な実施形態により、二次パラメトリック出力周波数は、あたかもそれら周波数がより低い周波数でしかしより大きい指向性をもって直接発生されたかのように同じ（又は高Ｑをもったより大きい）出力を有してトランスデューサの共振周波数より下に発生されることができる。
【００３８】
図２のシステムは、一例として、主出力がほぼ１３３ｄＢより大きいとき、２から３ｋＨｚのトランスデューサ・カットオフ周波数範囲より下により大きいパラメトリック出力を生成することができる。３ｋＨｚ付近の１３３ｄＢの主出力で、システムは、３００Ｈｚで８１ｄＢの二次出力を発生し、それは、システムの主出力能力にほぼ等しい。本発明のシステム例の出力における１ｄＢの各増加に対して、２ｄＢの二次出力増加が実現される。従来技術のパラメトリック・システムは、出力における主増加との１対１関係まで二次出力を圧縮する超音波周波数における飽和効果に因り、進行中の出力増加ベースのこのレベルの利益とは一致することができない。本発明のシステムは、飽和圧縮を従来技術のパラメトリック・システムよりほぼ２４ｄＢ大きいレベルで避けることができる。１つの好適な実施形態において、これは、従来技術のパラメトリック・システムにおける１３０から１４０ｄＢと比較して、１５４から１６４ｄＢまで、又はそれより大きいレベルで飽和の実質的な回避を可能にすることができる。この２４ｄＢの利点は、如何なる前のパラメトリックサウンド発生器より４８ｄＢほど大きい二次の又はパラメトリックの音圧レベルを発生することを本発明のシステムに可能にすることができる点で極めて画期的である。これは、１２６ｄＢより上のより低い音声範囲（２００から８００Ｈｚ）における二次出力と、８００Ｈｚから２ｋＨｚ又はそれ以上の中間音声範囲における１４０ｄＢより大きい二次出力とをもたらすことができる。
【００３９】
本発明のハイブリッドの実施形態は、超音波ベースのパラメトリック・システムを組み込んで、本明細書で開示されている可聴周波数ベースの音響システムと関連して可聴範囲において二次情報のみを放射することができる。主可聴周波数範囲システムは、超音波パラメトリック通信装置の周りのリング放射器として実現することができ、及び／又は、当該パラメトリックはまた、折り畳み、より多くの主システム範囲を可能にし、主システム音響放射領域の前方に配置され、又はその中に相互分散され、又は主システムの外側の周りにリングとしても形成されることができる。
【００４０】
好適な実施形態においては、容量性又は圧電トランスデューサ技術を利用して、出力を最大にし、且つ非容量性トランスデューサを支配することができる抵抗性インピーダンスに因る熱上昇を最小にすることが有利である。
【００４１】
代替として、プレーナ磁気又は動的可動コイル型トランスデューサを用いて、本発明を実現することができる。
リアクタンス性インピーダンス型トランスデューサを用いるとき、電源とトランスデューサとの間にインピーダンス整合回路網を組み込み、電源を介した流れ、又は電源から供給されるリアクタンス性循環電流を最小にすることは非常に望ましい。この整合は、トランスデューサ共振周波数、又は発生される基本主周波数の近くの狭帯域幅にわたって行うことができる。
【００４２】
遠方の場、即ち、サウンド発生器自体の最大寸法の有意の倍数である距離に使用のため本発明を最適化することが望ましい。これは、音発生システムからシステム寸法に少なくとも１０倍以上隔てた、多くの場合２０から１００またはそれ以上の最大寸法の距離隔てた遠方の場の標的と調整された大多数のシステム音響放射領域の最大位相コヒーレンシー加算を有する好適な実施形態を用いてこの開示の他の場所で説明される集束方法を通して行うことができる。最大位相コヒーレンシーを遠方の場に生成することは、図１０、図１１、図１２ａ及び図１２ｂの実施形態を用いて達成できる。
【００４３】
システムは、近い場、即ち、本システムの最大寸法又はそれより小さい距離で、指向性カラムを用いて動作し、そしてまた遠方の場、即ち本システムの最大寸法の多数倍の距離で音の指向性カラムを発生するようように動作し且つ好ましくは用いられる。
【００４４】
特定の影響を標的に作成するために、周波数変調又は振幅変調信号又は組合せトーンを含む様々な音響信号が、装置を介して通信できる。
本発明のサウンド発生器の好適な実施形態において、指向された高強度音ビームは、空気媒体中で線形に持続可能である音ビームより大きい強度が可能である。サウンド発生器は、少なくとも２つの主音響信号周波数を可聴範囲で供給するとき、２つの主音響信号周波数の差トーン周波数に対応するより低い可聴周波数範囲において少なくとも１つの二次音響信号を作成することができる（図６参照）。本発明の利点の１つは、より低い可聴範囲の少なくとも１つの二次音響信号のうちの少なくとも１つが、従来技術のパラメトリック・ラウドスピーカにおいてそうであるより主周波数により近い周波数であり、従って、主信号の体積速度がより低い周波数の二次信号での類似の音圧レベルの体積速度により密接に関連することができる。従来技術のパラメトリック・システムが４０ｋＨｚ以上のオーダの搬送周波数で動作する場合、主信号の体積速度は、二次トーンが主信号から少なくとも２０ｋＨｚ離れていることに因り、パラメトリックに発生された二次可聴トーンの体積速度と比較して非常に小さい。
【００４５】
本発明のサウンド発生器は、人間の聴力の範囲に発生された主及び二次の両方の周波数によりパラメトリック・ラウドスピーカとして動作可能である。本発明のシステムにおいて、パラメトリックに発生された二次音響信号は、複数の主トーンのうちの少なくとも１つより少なくとも１０ｋＨｚ未満下である。より低い可聴範囲の少なくとも１つの二次音響信号のうちのより可能性のある少なくとも１つは、複数の主トーンの少なくとも１つより３．５から７ｋＨｚ未満下である。
【００４６】
図１３は、音支持媒体の中で直接及び二次パラメトリック音響発生の双方の可聴周波数範囲において高い指向性のある音響信号を発生する方法を含む本発明の別の実施形態を示す。この方法は、ブロック１３１０において高強度トーンのうちの少なくとも１つの波長の寸法より大きい少なくとも１つの寸法を有するトランスデューサエミッタシステムから２０ｋＨｚより下の少なくとも１つの高強度可聴トーンを直接発生するステップを含む。更なる動作は、ブロック１３２０において、有意の非線形出力を音支持媒体の中に作成するレベルより大きいレベルで、直接発生された可聴トーンを発生することができるようにトランスデューサエミッタシステムを動作させている。別の動作は、ブロック１３３０において、少なくとも１つの可聴の間接的二次出力が音支持媒体に作成されるように音支持媒体を非線形に駆動している。
【００４７】
上記方法は、少なくとも１つの可聴二次音響出力が少なくとも１つの高強度可聴トーンより１０ｋＨｚ未満下のとき更なる利点を提供する。それは、少なくとも１つの可聴二次出力が少なくとも１つの高強度可聴トーンより３．５から５ｋＨｚ未満下のとき、出力におけるなお一層の改善を提供することができる。
【００４８】
上述の参照された構成は、本発明の原理に対する応用の例示であることが理解されるであろう。特許請求の範囲に記載された本発明の原理及び範囲から逸脱すること無しに、多数の変更を行うことができることが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、全３次元において大きいサイズであることを示す従来技術の出力ホーン装置を示す。
【図２】図２は、多数の圧電トランスデューサを用いた本発明の一実施形態の正面図を示す。
【図３】図３は、多数の圧電トランスデューサを用いた本発明の一実施形態の側面図を示す。
【図４】図４は、図２のシステムの周波数応答を示す。
【図５】図５は、図２のシステムの極応答を示す。
【図６】図６は、主出力及びパラメトリックに発生された二次出力の一例のグラフを示す。
【図７】図７は、本発明の好適なシステムの実施形態のブロック図を示す。
【図８】図８は、レンジ・ファインダを組み込んだシステムの一実施形態のブロック図を示す。
【図９】図９は、トランスデューサのパッキング密度を増大するため前から後ろにジグザグに配置されたトランスデューサを用いた本発明の一実施形態の側面図を示す。
【図１０】図１０は、放射波を集束又は方向付けるため異なる平面上に複数の放射セクションを有するトランスデューサの側面図を示す。
【図１１】図１１は、エミッタの表面から所定の距離において放射波を最適化する集束用同軸放射セクションを有するトランスデューサの正面図である。
【図１２ａ】図１２ａは、伝搬波をビームに方向付けるための隣接放射セクションを有するトランスデューサである。
【図１２ｂ】図１２ｂは、伝搬波をビームに方向付けるためのトランスデューサの別の図である。
【図１３】図１３は、音支持媒体において直接及び二次パラメトリック音響発生の双方の可聴周波数範囲において高指向性の音響信号を発生する方法を示すフロー・チャートである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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2006507734.tif 000015
【図１３】
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【国際調査報告】
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2006507734.tif 000018