(57)【要約】  本発明は、時間サンプルにおける音響信号の振幅を表すビットをそれぞれ含む連続したビットシーケンスで形成されているデジタル信号から音響信号を再生する方法に関するものであり、本方法は、１つの時間サンプルの持続期間以下の持続期間をそれぞれ有し、１つの時間サンプル当たり少なくとも１振動を含む波列である音響信号を発するように構成された複数のトランスデューサを準備するステップと、ビットシーケンスごとに連続して、各ビットをトランスデューサのうちの少なくとも１つに関連付け、各ビットの値に応じて、各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅を独立して制御するステップと、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間サンプルにおける音響信号の振幅を表すビットをそれぞれ含む連続したビットシーケンスで形成されているデジタル信号から音響信号を再生する方法であって、
１つの時間サンプルの持続期間以下の持続期間をそれぞれ有し、１つの時間サンプル当たり少なくとも１振動を含む波列である音響信号を発するように構成された複数のトランスデューサを準備するステップと、
前記デジタル信号に従って振幅が変調された搬送波を得るように、ビットシーケンスごとに連続して、各ビットを前記トランスデューサのうちの少なくとも１つに関連付け、前記各ビットの値に応じて、前記各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる前記音響信号の振幅を独立して制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記トランスデューサによって発せられる前記音響信号は少なくともいくつかの連続した振動を含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記トランスデューサによって発せられる前記音響信号は周期的な交流信号であることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記トランスデューサによって発せられる前記音響信号は正弦波形状のものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
前記トランスデューサによって発せられる前記音響信号の基本周波数は超音波周波数の範囲内であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項記載の方法。
【請求項６】
各ビットシーケンスは、２進数を定義し、前記ビットシーケンスと関連付けられた時間サンプルにおいて再生されるべき前記音響信号の前記振幅の定量化された絶対値を示す定量化ビットを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
連続したビットシーケンスごとに、各定量化ビットの前記値の１つは前記各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる前記音響信号の前記振幅のいかなる変動も誘発せず、各定量化ビットの前記値の他方の１つは前記各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる前記音響信号の前記振幅の変動を誘発することを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項８】
その動作がいかなる定量化ビットによっても変更されない前記トランスデューサはオフデフォルト状態にあることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
ビットシーケンスごとに、前記２進数の上位ランクの前記ビットは、前記２進数の下位ランクの前記ビットと比べて、各トランスデューサの振幅のより大きい変動又はより多くの関連付けられたトランスデューサの振幅の変動、又はその両方を誘発することを特徴とする、請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
各トランスデューサの音響信号の前記振幅は各ビットシーケンスのせいぜい１つのビット値によって決定されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１】
各トランスデューサには２つの異なる動作状態しかなく、そのうちの１つがデフォルト状態であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項記載の方法。
【請求項１２】
各トランスデューサには３つの異なる動作状態しかなく、そのうちの１つがデフォルト状態であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項記載の方法。
【請求項１３】
前記デジタル信号は電磁信号であり、前記トランスデューサは交流電流又は交流電圧によって駆動される電気音響トランスデューサであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項記載の方法。
【請求項１４】
前記トランスデューサは前記音響信号が同相で同じ焦点において収束するように配置されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項記載の方法。
【請求項１５】
前記トランスデューサは、すべて放物面の軸と直交する平面上に外側に面して配置され、又はすべて球の内面上に外側に面して配置されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項記載の方法。
【請求項１６】
前記トランスデューサによって発せられる前記音響信号の前記振幅及び前記形状は、音響パラメトリックアレイの場合と同様に、前記音響信号の低周波数信号への非線形復調を生成するように適合されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項記載の方法。
【請求項１７】
前記信号の方向変更手段が前記焦点に配置されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項記載の方法。
【請求項１８】
音響信号の任意のサンプリング周波数以上である所定の周波数で前記音響信号を発するように構成され、前記音響信号が同相で同じ焦点において収束するように配置された複数のトランスデューサを含むスピーカであって、時間サンプルにおける音響信号の振幅を表すビットをそれぞれ含む連続したビットシーケンスで形成されているデジタル信号を、ビットシーケンスごとに連続して、各ビットが前記トランスデューサのうちの少なくとも１つに関連付けられ、前記各ビットの値に応じて、前記各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる前記音響信号の前記振幅を独立して制御するように使用できるようにさらに構成されているスピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル符号化された電磁信号から音響信号を生成するための方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、最初にデジタル信号を、スピーカを駆動するのに使用される従来のアナログ電気信号に変換しなくても、デジタル信号を音響信号に直接変換するスピーカのカテゴリに関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術では、音声信号や音楽信号などのオーディオ信号を、その後に後で再生するために記録され、又は、例えば、再生するために電話回線上で遠隔地に送信されるパルス符号変調（ＰＣＭ）デジタル信号に変換することが公知である。これにより、情報損失なしで、オーディオ信号を記録し、又は送信してから再生することが可能になる。具体的には、アナログ音声信号は一定のレート、一般には４４ｋＨｚでサンプリングされ、サンプリングごとにデジタルワードが生成、送信され、デジタルワードの１ビットは極性を表し、デジタルワードの少なくとも１ビットはサンプリング時のアナログ音声信号の大きさを表す。デジタルワードは、通常、合計１６ビット又は２４ビットを含む。デジタルワードはアナログ信号に戻され、次いで従来のスピーカに印加される。
【０００３】
ゆえに、先行技術による音再生では、ＰＣＭ信号をアナログ電気信号に変換する必要がある。すなわち、電気音響変換の前に、ＰＣＭ信号をスピーカが受け入れるアナログ電気信号に変換するために、ＰＣＭ信号を受け入れることができるデジタル‐アナログ変換器（一般にはＤＡＣと略される）を設けなければならない。このような変換器を使用すると、再生システムのコスト及び容量が増加するのみならず、変換プロセスを動作させる補助エネルギーの供給が必要になり、変換及び増幅によって生じる信号歪みが導入される。さらに、システムはなおかつ、アナログスピーカの非効率性と共に、アナログスピーカによって生じる音の歪み及びカラーレーションの影響も受ける。
【０００４】
先行技術、例えば、特許文献米国特許第４５１５９９７号及び欧州特許第１０６３８６６（Ｂ１）号では、複数の実質的に同一の低慣性音圧生成素子又はトランスデューサを駆動するために、符号語によって連続的に受け取られるデジタル符号化信号を復号するデジタル制御スピーカを提供することが提案されており、素子又はトランスデューサの各々は、符号語によって連続的に受け取られる、デジタル符号化信号、例えばＰＣＭ信号において符号化された離散的な音レベルを生成するための、各素子又は各トランスデューサと個別に関連付けられたドライブを有し、ドライバは符号化音の全範囲を生成することができるアレイ又は「ｓｏｕｎｄｅｌ」として配置されている。ｓｏｕｎｄｅｌは、並列に接続され、集積されて、平面状の、又は凹面若しくは凸面で形成された、全般的な音レベル及び電力処理に適したサイズのより大きなスピーカパネルになる。個々のドライバは、上述のように、一般には４４ｋＨｚの符号化搬送周波数レートでパルス出力される。任意の所与のパルスの間にオンである、又は電源投入されるドライバの総数は、当該パルスのデジタルワードの符号化に直接対応することになる。例えば、一般に使用される１６ビットワードのビット１がオンである場合、当該ワードのパルスの間にはただ１つのドライバのみが電源投入され、ビット５がオンである場合、１６個のドライバが電源投入される。
【０００５】
しかし、このようなスピーカでは、個々のトランスデューサは、聴取者が各トランスデューサから異なる距離のところに存在することができるように、空間的に分離されている。このような場合、個々の音圧は各トランスデューサによって同時に生成されるが、聴取者はそれらの音圧を時間的にシフトされた、破壊的にさえ干渉するものとして受け取り、適切な振幅をパルスごとに聴取者に対して返すことができず、信号品質は位置に応じて急速に低下する可能性がある。
【０００６】
スピーカとして用いられるイオン電気音響トランスデューサが、１９６９年１１月４日にＡ．Ｌ．Ｓｅｌｉｇｓｏｎらに発行された米国特許第３４７６８８７号に開示されている。同特許の明細書におけるこのトランスデューサのすべての詳細な考察は、アナログデバイスとしてのトランスデューサと関連したものである。
【０００７】
デジタル‐アナログ変換が電気音響変換後に行われるダイレクト・デジタル・スピーカが、米国特許第４１９４０９５号に開示されている。このスピーカは、その動作を、スイッチング、すなわち、いくつかのデジタルビットに関連した（空気）出口弁の、超音波レートでのオン、オフの切り換えに依存している。空気の出口は、それらを制御する符号化信号内のデジタルビットの重要性に関連したサイズのホーンを含む。給気部はポンプとリザーバとを含む。
【０００８】
米国特許第４１９４０９５号のスピーカは、エアポンプ及びリザーバ、出力ホーン、精密バルブ及びパイロット機構、複数の空気ダクトなど多数の機械部品を含む。バルブ駆動電子機器は、シリアル‐パラレルの「バッファ」に加えて、通常の連続符号化信号から装置を駆動する複数の段階の波形整形を含む。 また、音響出力は、好ましいプッシュプル動作モードではなく、片側であり、聴取者に向けて正の圧力を提供する。さらに、このスピーカシステムによって生成される音の実際の全般的な忠実性は、ポンピング及びダクトシステムが立てる外部雑音によって低減されるはずである。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の目的は、先行技術の欠点を再現しないデジタルスピーカを提案することである。
【００１０】
よって、時間サンプルにおける音響信号の振幅を表すビットをそれぞれ含む連続したビットシーケンスで形成されているデジタル信号から音響信号を再生する方法であって、
１つの時間サンプルの持続期間以下の持続期間をそれぞれ有し、１つの時間サンプル当たり少なくとも１振動を含む波列である音響信号を発するように構成された複数のトランスデューサを準備するステップと、
デジタル信号に従って振幅が変調された搬送波を得るように、ビットシーケンスごとに連続して、各ビットをトランスデューサのうちの少なくとも１つに関連付け、各ビットの値に応じて、音響信号、すなわち、各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる波列の振幅を独立して制御するステップと、
を含む方法を提案する。
【００１１】
本発明によれば、連続したビットシーケンスにわたって、動作するトランスデューサの振幅及び／又は具体的に動作するトランスデューサの数は時間的に変動し、そのため、トランスデューサの信号がすべて重畳される点、好ましくは、すべての信号が同相になるように構成される合焦点において、すべての信号の重畳により、その形状及び振幅が、ビットシーケンスによって与えられる情報に従って、すなわち、発せられた単一の音響信号の振幅の和の時間的変動に従って変動する新しい単一信号が生成される。ここでは当技術分野において周知の、自己復調と呼ばれる物理現象が発生し、その影響により、高周波数信号の重畳は、本発明の方法の処理により振幅が変調され、高周波数の振幅変動に形状的に合理的に対応する低周波数信号が生成される。このような現象は、当技術分野において周知の音響パラメトリックアレイで一般的に使用される。
【００１２】
先行技術では、音響信号は、時間的に変動する数のトランスデューサからの単一音波パルス圧を線形加算することによって再構築され、同じ時間サンプルに対応する個々の音波パルス圧は、情報の十分に良好な復元を得るために、聴点において同期して、すなわち同相で重畳されねばならない。これにより、信号を正確に聴取することができる空間位置が制限される。これに反して、上述のように本発明によれば、トランスデューサの音響信号が一緒に伝搬する空間の任意の点において、デジタル信号によって定義される音響情報を十分な正確さで忠実に復元するデジタルスピーカを得ることが可能になる。
【００１３】
通常は可聴最終信号を再生することが求められ、各トランスデューサの個々の信号は、聴取情報を乱すことになるため、可聴とすべきではない。よって、例えば２０ｋＨｚ以上の基本周波数で超音波信号を発するトランスデューサを使用し、可聴自己復調最終信号を得る方がより有利である。
【００１４】
さらに、再生すべき信号のサンプリング周波数は、一般的に４４ｋＨｚである。このような場合、トランスデューサは個々の信号を４４ｋＨｚ以上の周波数で発するべきである。
【００１５】
提案する実施形態では、トランスデューサによって発せられる音響信号の基本周波数は、再生されるべき音響信号のいかなるサンプリング周波数より少なくとも２倍大きい。超音波トランスデューサによって発せられる音響信号の形状は、任意の波形のものとすることができ、正弦波とすることができる。１つの好ましい実施形態では、音響信号は、周期的な交流信号である。本発明のより好ましい実施形態では、トランスデューサによって発せられる波列は、正弦波形状の、すなわち１つの単一周波数を含むものであり、ビットシーケンスの時間サンプルに等しい持続期間を有することができる。有利には、波列は、以下のように定義することができる種類ものである：
【００１６】
【数１】
2018518110.tif 000003
【００１７】
式中、ΠＴｃ（ｔ−ＴＣ／２）は、は、幅ＴＣを有するゲート関数であり、
ＴＣは、時間サンプルの持続期間であり、
ｆ０は、波列内の正弦波信号の周波数であり、
Ａは、最大振幅である。
【００１８】
時間サンプルにおいては、そうする必要がある場合には、すべてのトランスデューサが同じ波列を発するように構成される。また、すべての時間サンプルに同じ波列を使用することもできる。波列はいくつかの振動、例えば５振動又は６振動を含むことができる。
【００１９】
本発明で定義されるビットシーケンスとは、所与の数のビットのグループである。各ビットは情報の基本単位であり、２つの異なる値、「０」又は「１」しか取ることができない。各ビットシーケンスは、ビットの値に依存して、時間サンプルにおける音響信号の異なる振幅を転写することができる。
【００２０】
デジタル信号を適切に復号するために、各ビットシーケンスのビット単位の長さ、及び各ビットシーケンスに帰せられる時間サンプルに関する情報も提供される。このような情報は、デジタル信号を使用してトランスデューサを駆動する復号部で事前に入力することもでき、ビットシーケンスと一緒にデジタル信号において符号化することもできる。通例、すべてのビットシーケンスに同数のビットを含め、一般には１６ビット又は２４ビットであり、関連付けられた時間サンプルの時間順と同じ順序でデジタル信号において互いに続いている。このような時間サンプルは、通常、たとえそれ以外の進行が可能な場合でさえも、再生されるべき音響信号から、一般に４４ｋＨｚを上回る一定の周波数で発せられる。
【００２１】
信号を忠実に再生するには、ビットシーケンスを使用して、関連付けられた時間サンプルの時間順、すなわち時間分布に対応する時間的連続としてトランスデューサを動作させること、及びビットシーケンスごとのトランスデューサの発信は、次のビットシーケンスを使用するまでアクティブのままであることが好ましい。
【００２２】
特定の実施形態では、各ビットシーケンスは、各ビットシーケンスと関連付けられた時間サンプルにおいて再生されるべき音響信号の振幅の定量化された絶対値を示す定量化ビットを含み、各ビットシーケンスと関連付けられた時間サンプルにおいて再生されるべき音響信号の極性を示す１つの極性ビットを有し、又は有さない。
【００２３】
好ましい実施形態では、ビットシーケンスごとに連続して、各定量化ビットの値の１つは各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅のいかなる変動も誘発せず、各定量化ビットの値の他方の１つは各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅の変動を誘発する。各定量化ビットによって誘発される振幅のすべての変動は同符号のものである。
【００２４】
特定の実施形態では、極性ビットを使用して、定量化ビットによって誘発される同符号の振幅のすべての変動の正負を判定することができる。
【００２５】
別の実施形態では、同符号の振幅の変動を誘発するのに定量化ビットが常に使用されるので、極性ビットは不要である。
【００２６】
好ましくは、ビットシーケンスの定量化ビットは２進数を定義する。２進数は、２進記数法、すなわち、２を基数とする記数法で表現される数である。ゆえに、例えば、２進数「１０００」は２進数「１００」の２倍に等しい。２進数では、ランクｎにおける「１」というビット値は、２進数の単位に対応する振幅に対して、振幅が２ｎ−１だけ上がったことを意味する。単位はランクｎ＝１にあるとみなされる。
【００２７】
ゆえに、定量化ビットを２進数として使用する場合、値「０」のビットは、そのビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅のいかなる変動も誘発せず、値「１」のビットは、そのビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅の変動を誘発する。
【００２８】
また、２進数の上記の特性によれば、有利には、ビットシーケンスごとに、２進数の上位ランクのビットは、２進数の下位ランクのビットと比べて振幅のより大きい変動又はより多くの関連付けられたトランスデューサの振幅の変動を誘発する。
【００２９】
定量化ビットによって形成された２進数のランクｎのビットによって誘発される、トランスデューサによって発せられる信号の総振幅変動は、好ましくは、ランクｎ−１のビットによって誘発される総振幅変動よりも合理的に２倍大きい。
【００３０】
そのためには、発せられる信号の振幅の変動はトランスデューサごとに合理的に同じである場合、ランクｎのビットをランクｎ−１のビットの２倍の数のトランスデューサに関連付けることができる。
【００３１】
また、ランクｎのビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる信号の振幅の変動が、ランクｎ−１のビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる信号の振幅の変動より合理的に２倍大きい場合、定量化ビットの各ビットを同数のトランスデューサに関連付けることも可能である。
【００３２】
上位ランクのビットのための発信するトランスデューサの数とトランスデューサによって発せられる信号の振幅の変動の両方を増加させる組み合わせも可能である。
【００３３】
トランスデューサは交流音響信号を発するため、トランスデューサによって発せられる信号の振幅変動によりトランスデューサが負の振幅で動作するように誘発される場合、これは、信号が、同じ絶対値の正の振幅を保持しつつ、πだけ位相偏移された、すなわち、逆位相のものであるというのと同じであることを想起されたい。
【００３４】
その動作がいかなる定量化ビットによっても変更されないトランスデューサは、好ましくは、オフデフォルト状態にある。このような実施形態には、音響信号の再生に不要なすべてのトランスデューサがエネルギーを消費しないので、高エネルギー消費を誘発しないという利点がある。
【００３５】
よって、このような状況では、信号の負の振幅変動を、πだけ位相偏移された、すなわち逆位相の信号による同じ絶対値の正の振幅変動と等価とすることができる。しかし、このような状況では、信号の負の振幅変動と比べて正の変動を動作させる場合の信号の再生の差異は重要ではなく、そのため、極性ビットの値にかかわらず、振幅の変動を常に同符号で動作させることが可能である。
【００３６】
別の実施形態では、その動作がいかなる定量化ビットによっても変更されないトランスデューサは、好ましくはすべてのトランスデューサに同じ、一定の非ゼロの振幅で信号を発することができる。このような場合には、デフォルト振幅を十分に高い、すなわち、デジタル信号のビットシーケンスによって誘発され得る最大振幅変動より高い絶対値に設定することによって、定量化ビット及び極性ビットによって誘発される振幅変動が何であれ、各トランスデューサを非ゼロの絶対値の振幅で動作させ続けることが可能である。
【００３７】
特定の実施形態では、各トランスデューサの音響信号の振幅は各ビットシーケンスのせいぜい１つのビット値によって決定される。さらに、２進数が定義されている場合には、トランスデューサをビットシーケンスの同ランクのビットに常に関連付けることができる。
【００３８】
１つの可能な実施形態では、各トランスデューサには２つの異なる動作状態しかなく、そのうちの１つがデフォルト状態である。このような構成では、定量化ビットの値を使用してトランスデューサの駆動がアクティブ化又は非アクティブ化される。
【００３９】
別の可能な実施形態では、各トランスデューサには３つの動作状態しかなく、そのうちの１つがデフォルト状態である。その他２つの状態は、振幅の差がデフォルト状態に対して反対である状態とすることができる。
【００４０】
さらに、すべてのトランスデューサの異なる状態は好ましくは同じである。
【００４１】
デジタル信号は通常電気信号であり、トランスデューサは通常、ビットシーケンスのビットによって規定される交流電流又は交流電圧によって駆動される電気音響トランスデューサである。
【００４２】
ビットにトランスデューサを規定させるために、コンピュータ、マイクロコントローラ又はＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）システムを使用し、トランスデューサを駆動するための電気信号を生成する増幅器及び変調器につなぐことができる。
【００４３】
コンピュータは、各ビットを独立に、ビットシーケンスごとに連続して処理することにより、トランスデューサを所望に駆動するように増幅器及び変調器を調整する。
【００４４】
上述のように、トランスデューサによって発せられる音響信号が同相で同じ焦点に収束できるようにすべてのトランスデューサを配置することが有利である。本発明の目的は、そのためのトランスデューサの特定の配置を提供することである。焦点では、その場合自己復調が最適化され、生成された低周波数の信号は、トランスデューサによって発せられる高周波数の信号の振幅変動に対応し、デジタル符号化された信号と比較して優れた品質のものである。
【００４５】
このような焦点を得ることを可能にする第１の配置は、例えば、トランスデューサがすべて、球の一部の内面上に直角に面して配置されている場合である。その場合、球の中心が焦点になる。
【００４６】
第２の配置は、例えば、トランスデューサがすべて、放物面の軸に対して直交する平面自体の上に直角に面して配置されている場合である。その場合、パラボラの焦点が上述の焦点になる。
【００４７】
トランスデューサによって発せられるすべての信号が焦点において正確に同相でない場合、トランスデューサの異なる発信信号を、それらが焦点において同相になるまで位相偏移させることが依然として可能である。
【００４８】
自己復調を最適化するように、音響パラメトリックアレイの場合と同様に、トランスデューサによって発せられる音響信号の特定の振幅及び形状を選択することができる。トランスデューサがその線形範囲で動作している場合には、振幅は可能な限り高くするべきである。また、スピーカと焦点との距離は、復調が行われた距離に対応しているべきである。
【００４９】
好ましい実施形態では、焦点を自己復調信号の発信点に変換するように、焦点に信号の方向変更手段が配置されている。このために、導波路、回折スロット、音響レンズのような装置を使用することができる。
【００５０】
このような配置のおかげで、焦点で生成された自己復調信号は、トランスデューサによって一般的に発せられるもっぱら一方向だけの信号と比べて、方向変更手段から多くの方向に拡散することができる。その場合、空間の多くの点で自己復調信号を忠実に受信することができる。
【００５１】
本発明はまた、上記の方法を、その最も基本的な定義において、又は記載されるすべての相補的要素と共に再現するように適合されたスピーカにも関するものである。
【００５２】
より詳細には、本発明は、音響信号の任意のサンプリング周波数以上である所定の周波数で音響信号を発するように構成され、前記音響信号が同相で同じ焦点において収束するように配置された複数のトランスデューサを含むスピーカであって、時間サンプルにおける音響信号の振幅を表すビットをそれぞれ含む連続したビットシーケンスで形成されているデジタル信号を、ビットシーケンスごとに連続して、各ビットが、トランスデューサのうちの少なくとも１つに関連付けられ、各ビットの値に応じて、各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅を独立して制御するように使用できるようにさらに構成されているスピーカに関するものである。
【００５３】
また、時間サンプルにおける音響信号の振幅を表すビットをそれぞれ含む連続したビットシーケンスで形成されているデジタル信号から音響信号を再生する方法であって、
音響信号、すなわち、音響信号の任意のサンプリング周波数以上である所定の周波数の音波を発するように構成された複数のトランスデューサを準備するステップと、
トランスデューサによって発せられる音響信号の周波数を有し、デジタル信号に従って振幅が変調された搬送波を得るように、ビットシーケンスごとに連続して、各ビットをトランスデューサのうちの少なくとも１つに関連付けさせ、各ビットの値に応じて、各ビットに関連付けられたトランスデューサによって発せられる音響信号の振幅を独立して制御するステップと、
を含む方法も提案する。
【００５４】
本発明では、ビットシーケンスごとに連続して、好ましくは各ビットシーケンスの時間サンプルに帰せられる全持続期間の間に、音響信号の任意のサンプリング周波数以上である周波数の同じ信号をそれぞれ発する１つ以上のトランスデューサを使用する。
【００５５】
非限定的な例として、添付の図面を参照して行われる以下の説明を読めば、本発明をよりよく理解することができ、本発明の他の詳細、特性、及び利点がより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１Ａ】アナログ信号のデジタル信号への変換を示す図である。
【図１Ｂ】アナログ信号のデジタル信号への変換を示す図である。
【図１Ｃ】アナログ信号のデジタル信号への変換を示す図である。
【図２】トランスデューサがデジタル信号のビットにどのようにして関連付けられるかを示す図である。
【図３】デジタル信号内のトランスデューサに関連付けられたビットの値によるわずかな持続期間におけるトランスデューサの動作を示す図である。
【図４】トランスデューサを駆動するのに使用されるシステムを示す図である。
【図５】わずかな持続期間に異なるトランスデューサによって発せられた信号の総和の例を示す図である。
【図６】音響伝搬手段と結合されたトランスデューサの配置例を示す図である。
【図７】音響伝搬手段と結合されたトランスデューサの別の配置例を示す図である。
【図８Ａ】デジタル信号に定量化され、サンプリングされ、次いで本発明の方法における入力信号として使用されるソースアナログ信号を概略的に示す図である。
【図８Ｂ】デジタル信号に定量化され、サンプリングされ、次いで本発明の方法における入力信号として使用されるソースアナログ信号を概略的に示す図である。
【図９】図８のデジタル信号を処理するときに本発明の焦点で測定された音響信号を示す図である。
【図１０】図９に示す音響信号の高速フーリエ変換を示す図である。
【図１１】図９に示す音響信号の高速フーリエ変換を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃに、可聴アナログ信号のデジタル信号への変換を示す。ソースアナログ信号１０はここでは正弦波である。アナログ信号１０は、選択された周波数で時間的にサンプリングされる。時間サンプルごとに、関連付けられた時間サンプルにおける振幅の値を転写するために選択されたアナログ信号の振幅の平均値が計算される。結果として、図１Ｂの変換された波１２に示されるように、アナログ信号によって与えられた連続した情報から、振幅の離散値だけが、時間サンプルごとに正確に１つ保存される。次いで、有限数のビットが選択される。これらのビットは合わさって、時間サンプルに対応する平均振幅の値を表すのに使用されるビットシーケンスを構成する。ビットシーケンスは、通常、信号の振幅の極性、すなわち符号を定義する１つの第１のビットと、時間サンプルにおける信号の絶対振幅を定義するのに使用される２進数とを含む。ビット番号は有限数の値しか定義することができないので、時間サンプルにおける振幅の計算された平均値は、２進数によって定義され得る最も近い利用可能な値に近似される。これは、アナログ信号が定量化されたと言われる。通常、２つの連続した２進数を分離する振幅ステップは、２進数を形成するビット数に応じて、アナログ信号の最大振幅を２進数で定義することができる値の数で割ることによって計算される。そして時間サンプルごとにビットシーケンスが得られる。すべてのビットシーケンスが連続して、通常は時間順に結合されて、図１Ｃに示すデジタル信号１４が形成される。
【００５８】
図２に、サンプリングされ、定量化された可聴信号１６を示す。各サンプルは、時間サンプルにおける信号の平均振幅を定義するために上記のようにビットシーケンス１８に帰せられる。この例では、ビットシーケンスは、１つの極性ビットと、信号を定義する３ビットからなる２進数とを含む。本発明によれば、２進数の各ビットは、サンプリングされ、定量化された信号１６のサンプリング周波数よりも高い基本周波数の、人間には聞こえない超音波信号を発することができる１つ以上のトランスデューサ２０に関連付けられている。より具体的には、ランク１（単位）のビットは１つのトランスデューサに関連付けられており、ランク２のビットは２つのトランスデューサに関連付けられており、ランク３のビットは４つのトランスデューサに関連付けられている。ビットシーケンスごとに、２進数のランクｎのビットが「１」に等しい値を有する場合、そのビットに関連付けられたトランスデューサはそれが帰せられる時間サンプルの間にアクティブ化される。所与の時間サンプルにおいて動作するすべてのトランスデューサは、同相で同じ振幅の音響信号を発する。例えば、ビットシーケンスが１０１に等しい２進数を含む場合、ランク１のビットは「１」であり、これはその固有の関連付けられたトランスデューサがアクティブ化されることを意味し、ランク２のビットは「０」であり、これはその２つの関連付けられたトランスデューサがオフであることを意味し、ランク３のビットは「１」であり、これはその４つの関連付けられたトランスデューサがアクティブ化されることを意味する。時間サンプルの間に合計５つのトランスデューサがこのようにアクティブ化される。時間サンプルに帰せられる２進数に応じて、アクティブ化されるトランスデューサの数が変動する。その結果、トランスデューサによって発せられる音響信号の振幅の和は、デジタル信号内の２進数の変動に従って時間的に変動することになる。
【００５９】
図３に、連続したビットシーケンスについて、２進数内のそのトランスデューサに関連付けられたビットの値に応じたトランスデューサの挙動を示す。デジタル信号を復号する場合、第１のビットシーケンスでは、そのトランスデューサに関連付けられたビットの値は「０」であり、これは、ビットシーケンスの時間サンプルに対応する持続期間の間、トランスデューサがオフであることを意味する。第２のビットシーケンスでは、そのトランスデューサに関連付けられたビットの値は「１」であり、これは、ビットシーケンスの時間サンプルに対応する持続期間の間、トランスデューサが起動され、すなわちオンであり、音響信号２１を発することを意味する。以下同様である。
【００６０】
図４に、上述の方法を動作させるように適合されたシステムの例を示す。コンピュータ２２は、デジタル信号の各ビットシーケンスの２進数を構成するビットと同じ数の出力２２ａ、２２ｂを有し、各出力はそれらのビットのうちの１つに個々に関連付けられている。ビットシーケンスごとに、ビットが「１」に等しい値を有する場合、コンピュータは、そのビットに関連付けられた出力を使用して、それが帰せられる時間サンプルの間低い連続した電気信号を発する。このような信号は、増幅器２４ａ、２４ｂによって増幅され、次いで変調器２６ａ、２６ｂによって変調されて、トランスデューサの動作周波数に対応する周波数の正弦波電気信号になる。このような正弦波信号は、増幅器２８ａ、２８ｂによって、各トランスデューサ２０ａ、２０ｂの所望の駆動振幅まで再度増幅される。ビットが「０」に等しい値を有する場合、コンピュータは、そのビットに関連付けられた出力を介していかなる信号も発せず、その結果、トランスデューサ２０ａ、２０ｂはいかなる電気信号によっても駆動されなくなる。
【００６１】
図５に、０００から１１１まで漸進的に増加し、次いで１１１から０００まで漸進的に減少する２進数を有するビットシーケンスを含むデジタル信号について、上述の方法によりトランスデューサによって発せられた音響信号の振幅の総和２９を示す。得られる音響信号は、トランスデューサの周波数を有し、デジタル信号に従ってアクティブ化されたトランスデューサの数によって定量化されるように振幅が変調された搬送波を示す。
【００６２】
図６及び図７に、トランスデューサ２０の好ましい配置を示す。その目的は、焦点と呼ばれる空間内の特定の点で、トランスデューサから到来するすべての音響信号２１が同相で同期して収束するようにすべてのトランスデューサを配置することである。焦点において、得られる音響信号は自己復調に最適である。図６において、トランスデューサは球３０の一部の内面から内側に面して配置されている。焦点は球の中心３２である。図７において、トランスデューサ２０は、パラボラ３６の軸３６ａに対して垂直な平坦な表面３４上に配置されている。またトランスデューサ２０は、パラボラ３６の軸に平行にパラボラ３６に面している。焦点は、その場合、パラボラの焦点３８である。
【００６３】
焦点で得られた特定の音響信号を広範に伝搬させるために、図６では、焦点で得られるような音響信号を回折するスロット４０が焦点に配置されている。図７では、その入口が焦点のところにあるホーン４２が配置されており、音響信号を拡散する。
【００６４】
図８から図１１は、本発明を特徴付ける実験に関連したものである。図８Ｂのデジタル信号４４は、トランスデューサによって再生されるソースとして使用される。デジタル信号４４は、１つの極性ビット４８と２ビットのビット番号５０とをそれぞれ含むビットシーケンス４６で構成されている。デジタル信号は、単一周波数の正弦波を含む図１Ａに示すアナログ信号５２のサンプリング及び定量化である。たとえ信号が周期的かつ連続的であったとしても、図８にはただ１つの波長だけが示されている。このデジタル信号は、例えば、手順の図を参照して説明されている本発明の方法における入力として使用される。しかし、ここでは、いかなる種類の合焦手段も音声拡散手段もトランスデューサと共に使用されていない。トランスデューサは、互いに平行に整列されているだけである。
【００６５】
図９に、トランスデューサから２メートルのところで測定され受信された実効音響信号５４を、時間次元で示す。上述したように、超音波周波数の搬送波が観測され、その振幅は、ある時間にわたって有効にアクティブ化されるトランスデューサに従って、すなわち、デジタル信号を活用して変調される。振幅は任意の単位で与えられる。振幅の変調は０．５ミリ秒の規則的な周期を有することを既に観測することができる。
【００６６】
高速フーリエ変換を使用して図９の測定信号を周波数次元に置き換えると、図１０及び図１１のグラフ５６、５８が得られる。図１０には、３６．５〜４１ｋＨｚの信号の高速フーリエ変換が示されており、図１１には、０〜２０ｋＨｚの信号の高速フーリエ変換が示されている。予期されるように、主振幅ピーク６０が、トランスデューサの動作周波数である３９ｋＨｚの周波数で観測される。自己復調現象のおかげで、比較的重要な振幅ピーク６２も、搬送波信号の変調の振幅である２ｋＨｚにおいて観測される。このピークは、トランスデューサの超音波信号から得られる可聴音響信号を表す。本発明によって得られるこのような音響信号は、元来デジタル信号に含まれている情報に比較的忠実である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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８Ａ−８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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