JP2000050387A

JP2000050387A - パラメトリックオ―ディオシステム

Info

Publication number: JP2000050387A
Application number: JP11196381A
Authority: JP
Inventors: Frank Joseph Pompei; フランク・ジョセフ・ポンペイ
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2000-02-18
Also published as: EP0973152A3; EP0973152B1; US20050248233A1; DE69921558D1; JP2010051039A; EP0973152A2; US9036827B2; DE69921558T2; US8027488B2; US20120051556A1

Abstract

(57)【要約】【課題】歪みを低減し、効率を改善した、従来システムのキャ
リア周波数よりも十分に高いキャリア周波数を有するハ゜ラメトリック
オーテ゛ィオシステムを提供する。【解決手段】被変調超音波発生器から他の場所に音を送
信するために超音波信号を使用する。その音は、前記他
の場所から発せられたかのようにみえる。具体的には、
超音波キャリアは、オーテ゛ィオ信号で変調され、大気中を通過す
る際に復調される。キャリアの周波数は、従来システムの周波数
よりも十分に高いものであり、例えば、少なくとも60kH
zである。従って、変調により生じる周波数は、人間の
可聴範囲を十分に超えるものであり、その結果、システムの
超音波の音場内にいる人間がこれらの信号によって危害
を受けることはないであろう。移動する位置に対して信
号を向けて送ることができる。歪みを最小限にして効率
を最大にするために、種々の手段が取られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オーディオ信号を
生成するトランスデューサから移動された仮想点音源
（apparent source）に対して、このオーディオ信号を
発射することに関連する。さらに詳しくは、オーディオ
信号で変調された超音波ビームを所望の場所に向けて送
り、空気（大気）内伝搬の非線特性により、信号源から
離れた場所でその信号を復調するパラメトリック音響シ
ステムに関連する。

【０００２】

【従来の技術】オーディオ信号で振幅変調された十分強
度の大きい超音波信号は、伝搬媒体の非線形伝搬特性に
より、空気中を通過する際に復調されるということは周
知のことである。この現象に基づく従来システムが、被
変調超音波発生器から他の場所（この場所から音波が発
射されたように見える）に向けて音波を発射するために
使用されてきた。具体的には、超音波トランスデューサ
のアレイが、オーディオ信号で変調された超音波ビーム
を発射するために提案されており、復調されたオーディ
オ信号の見かけ上の送信源の位置を移動させるためにこ
のアレイの向きを変えることができる。さらに、超音波
ビームの進路に沿って再生成されるオーディオ部分（au
dio content）は、このビームの指向性に一致する指向
性によって特徴づけられる。従って、信号を特定の位置
に送ることができ、オーディオ信号は、その位置で受信
されるが、ビームの軸から離れて配置された他の位置で
は受信されない。

【０００３】オーディオ信号の指向性は、超音波ビーム
が表面から反射される場合には維持され、実際、提案さ
れたビーム方向可変構成は、回転可能な反射表面を使用
する。他方、ビームが、超音波周波数では音響エネルギ
ーを吸収するが、オーディオ周波数ではそのエネルギー
を反射する表面に向けて発射される場合には、その信号
のオーディオ部分は、指向性が劣化した状態で反射さ
れ、音波はその反射ポイントから生成されたかのように
見える。これらの特徴は、これらのシステムに対して多
くの極めて有用な用途を与えるものである。例えば、ス
クリーン上に投影された動く人物を追跡するように、こ
の超音波ビームを向けた場合には、音声の見かけ上の発
生源が、その人物と共にスクリーン上を移動することに
なる。また、他の人々もいる、あるエリア内で静止して
いるか、または移動している人にビームを発射した場合
には、復調された音は、他の人々には聞こえずに、その
ビームをあてられた人にのみ聞こえることになる。同様
に、ビームを、あるエリア内に放射し、そのエリアを通
過する人がその位置に関連したメッセージを受け取るよ
うにすることができる。例えば、美術館で、それぞれの
絵画に合わせたメッセージを、その絵画の前のエリア内
に放射することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようにパラメトリ
ック音波ビーム技術には有用な用途があるので、それに
は広範にわたる商業的用途があることが期待される。し
かしながら、そうではなく、商業的に受け入れらるため
には不利に作用するいくつかの要因があるように思われ
る。例えば、超音波ビームを放射するトランスデューサ
のアレイは、これまでのところ、製造するには高価であ
り、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が
低いという特徴を有している。結果として、それは、場
所をとり、扱いにくいシステムとなっている。

【０００５】さらに、トランスデューサは、帯域幅が狭
いという特徴があり、そのために、本明細書で説明する
ように、歪みを補償することが困難なものとなってい
る。

【０００６】従来システムにおける他の欠点は、比較的
低い、例えば４０ｋＨｚの超音波キャリア周波数を使用
することであり、それによって、変調成分は、人間が聴
くことができる上限に近い周波数を有することになる。
従って、これらの成分の強度は、人間が、高強度の環境
にいることに気付くことなく、それゆえ、被る被害に気
付かないまま、人間の聴覚にダメージを与える程のもの
でありえる。さらに、これらの成分は、家庭のペットの
可聴域内に完全にあり、これらのペットに対しても同様
に、非常にいらだつものであり、あるいは害となりうる
ものである。効率の悪いトランスデューサをより高い周
波数で使用することは現実的ではない。なぜなら、超音
波エネルギーの空気による吸収は、周波数の関数として
急激に増加するからである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明を組み込んだパラ
メトリックシステムは、従来システムのキャリア（搬送
波）周波数よりも十分に高いキャリア周波数を使用す
る。具体的には、少なくとも６０ｋＨｚのキャリア周波
数を使用することが好ましい。従って、これによる変調
により、人間の可聴範囲より十分高い周波数が生成さ
れ、従って、これらの信号は、このシステムの超音波の
音場内にいる人に対して害を与えないであろう。本明細
書では、「変調」という用語が、情報を運ぶ信号がキャ
リアを変化させる（例えば、複合信号（すなわち、変化
されたキャリア（varied carrier））を新規に合成す
ることができる）ために実際に使用されるかどうかに関
係なく、この情報を運ぶ信号に従って、超音波信号を生
成することを広義に意味するものであるとして、この用
語を使用するということを強調しておく。

【０００８】超音波信号を生成するために、従来システ
ムの圧電トランスデューサ特性によるものよりも、より
効率的に空気に結合する膜トランスデューサ(membrane
transducer)を使用することが好ましい。この好ましい
膜トランスデューサは、静電トランスデューサである。
しかしながら、横モード（トランスバースモード）で動
作する膜タイプの圧電トランスデューサもまた、効率が
良い。トランスデューサは、トランスデューサの容量
が、トランスデューサの音響−機械共振（acousto-mech
anical resonance）周波数で、回路のインダクタンスと
共振する回路で駆動されることが好ましい。これによっ
て、トランスデューサへ電気エネルギーを非常に効率良
く伝送することができ、従って、比較的高いキャリア周
波数を使用することが容易になる。

【０００９】本明細書で説明するトランスデューサの高
い効率と汎用性により、このトランスデューサは、測
距、流れ検出（flow detection）、及び非破壊試験のよ
うな他の超音波用途にも適合するものとなる。

【００１０】後述するように、超音波キャリアのパワー
を変化させることによって、システムの効率をさらに増
加させて、全オーディオレベルにおいて本質的に１００
パーセントの変調を行うことができる。従って、より低
いオーディオレベルにおいて、そのキャリアのレベル
は、より高いオーディオレベルに対して要求されるレベ
ルよりも低いものとなり、その結果、電力消費がかなり
低減される。

【００１１】複数のトランスデューサをトランスデュー
サモジュールに組み込み、このモジュールを、実質的
に、大きな放射表面と大きな非線形相互作用領域が形成
されるように構成し、及び／又は電気的に駆動すること
が好ましい。この構成（配列）により、システムは、放
射表面と相互作用領域がより小さいトランスデューサ構
成を使用した場合に用いることになる必要以上に強度の
高いビームを用いることなく、比較的高い音響レベルを
生成することができる。この放射表面と相互作用領域が
より小さいトランスデューサは、これと同レベルのオー
ディオエネルギーの伝送を行うために、より高い超音波
強度を生成するよう駆動される。この構成を物理的に回
転させることにより、または、回転自在な反射プレート
を使用することにより、あるいは、構成内の個々のトラ
ンスデューサモジュールの位相関係を変更することによ
って、伝送されるビームの向きを変えることができる。

【００１２】パラメトリックオーディオシステムが、超
音波ビームからオーディオ信号を抜き出すために利用す
る大気による復調（atmospheric demodulation）によ
り、オーディオ信号の二次歪みが生じる。この歪みを低
減するために、変調の前に、伝達関数が、オフセットさ
れ、積分された入力オーディオ信号の平方根であるフィ
ルタにこのオーディオ信号を通すことによって、オーデ
ィオ信号を予め調整している。本発明者は、音響効果、
またはあるタイプの音楽が使用されるときに、この前調
整の一部を省略することによって、または、キャリアを
過変調することによって、ときどき楽しい効果を得るこ
とができるということを発見した。生成された超音波ビ
ームが大気によって復調されると、この音楽あるいは、
音響効果は、そのハーモニック効果が増し、そして、さ
らに効率よく生成され、従って、所与の超音波強度に対
して、十分に大きな音量のものとなる。

【００１３】

【発明の実施の形態】添付の図面を参照して、以下に本
発明の説明を行う。

【００１４】図１に示すように、本発明を実現するパラ
メトリックサウンドシステムは、２次元または３次元構
成で配列された複数の超音波トランスデューサモジュー
ル１２からなるトランスデューサアレイ１０を備えてい
る。各モジュール１２は、本明細書で説明するような複
数のトランスデューサを備えることが好ましい。トラン
スデューサは、位相調整（phasing）ネットワーク１６
を介して信号発生器１４によって駆動される。ネットワ
ーク１６は、アレイ１０によって放射される超音波の分
布の電子的な位置合わせ、向き設定（ステアリング）、
そうでない場合は変更、を容易にするために、トランス
デューサに加えられる信号に可変の相対位相を与える。
代替的には、信号が広帯域なので、ビームをある向きに
向けるために可変位相シフトではなくて、遅延を使用す
ること、すなわち、すべての周波数にわたって一定の相
対位相シフトを行うことが可能である。いずれの場合で
も、ネットワーク１６は、向きの設定が不要である用途
では省略することができる。

【００１５】信号発生器１４は、超音波キャリア発生器
１８と、出力が、オプションの信号調整器２２、さらに
加算回路２４に送られる１つまたは複数のオーディオ信
号源２０₁、．．．２０_nを備える。信号の調整は、加算
の後でも実行することができる。回路２４からの複合オ
ーディオ信号は、キャリア発生器１８からのキャリアを
変調する振幅変調器２６に加えられる。変調されたキャ
リアは、１つまたは複数の駆動回路２７に加えられ、そ
の出力は、アレイ１０のトランスデューサに加えられ
る。変調器２６は、変調度を変化させるために調整可能
であることが好ましい。

【００１６】図１に示すように、所望であれば、１つま
たは複数の信号源２０からの信号の一部を、減衰器２３
を介して関連する信号調整器２２をバイパスさせること
ができる。この未調整の信号は、加算器２８によって、
調整器２２の出力と加算されて、復調される超音波ビー
ムに「味わいのある（enriched）」音を提供する。

【００１７】キャリア発生器１８によって提供されるキ
ャリアの周波数は、６０ｋＨｚかそれより高いオーダー
であることが好ましい。オーディオ信号源２０が、約２
０ｋＨｚの最大周波数を有すると仮定すると、アレイ１
０によって送信される被変調信号内のオーディオ信号の
強度に従う実質的な強度のうちの最低周波数成分は、約
４０ｋＨｚかそれより高い周波数を有するであろう。こ
の周波数は、人間の可聴範囲より十分上にあり、この可
聴範囲より上では、そのエネルギーを聴くことはできな
いにしても、人間の聴覚システムは反応し、従って、大
きな強度によってダメージを受ける可能性がある。可聴
範囲より十分上の周波数において、比較的強度の大きい
音が、放射エネルギーを受ける人間の聴力を劣化させる
ことは起こりそうにない。

【００１８】図２に示すように、本発明を組み込んだ静
電トランスデューサモジュール２９は、円錐形のスプリ
ング３０を備えることができ、このスプリング３０は、
順に、導電性の電極ユニット３２、多くの開口３６を備
えた誘電性スペーサ３４、及び金属被膜重合体膜（meta
lized polymer membrane）３８を支持している。コンポ
ーネント３２〜３８は、フィルム（薄膜）３８を担持
し、スプリング３０を支持するベース部材４２に挿通可
能に係合する上部のリング４０によって、スプリング３
０に対して押しつけられる。モジュール２９は、重合体
（polymer）スペーサ３４の各開口３６に対応する、複
数の静電トランスデューサから構成される。具体的に
は、各開口上部のフィルム３８の一部と、開口下部の電
極ユニット３２の一部が、単一のトランスデューサとし
て機能し、それは、とりわけ、フィルム３８の張力及び
面密度、開口の直径、及び重合体層３４の厚さの関数で
ある共振（共鳴）特性を有している。薄膜３８の各部分
と電極ユニット３２との間の変化する電界によって、そ
の薄膜の部分が、電極ユニット３２に向かう方向、また
はそれから離れる方向にたわむ。そして、その移動の周
波数は、加えられる電界の周波数に一致する。

【００１９】図示しているように、電極ユニット３２
を、適切なエッチング技法によって、各開口３６の下部
の個別の電極３２ａに分割することができる。これらの
電極は、これらの電極から１つまたは複数の駆動ユニッ
ト２７（図１）に延びる個別のリード線を有している。

【００２０】以上説明したトランスデューサの構造は、
従来のフレキシブルな回路材料を使用して簡単に製造す
ることができ、それゆえ低コストである。さらに、駆動
ユニットコンポーネントを、同じ基板、例えば、タブ部
分３２ｂに直接配置することができる。さらにまた、そ
れは、軽量で、そして、簡単な配置、アレイの中心合わ
せ（focusing）及び／または配向のためにフレキシブル
なものとすることができる。

【００２１】幾何学的形状、特に、開口３６の深さを、
モジュール２９の個々のトランスデューサの共振特性
が、所望の周波数範囲をカバーするように変更すること
ができ、それによって、単一の音響−機械共振周波数を
有する単一のトランスデューサ、またはトランスデュー
サの配列の場合に比べて、モジュールの全体的な応答を
広げることができるということが理解されよう。これ
は、図３に示すように、２つ（または２つより多く）の
層３４ａと３４ｂとからなる誘電性スペーサ３４を使用
することによって実現できる。上部の層３４ａは、十分
な数の開口３６ａを有している。他方、下部の層３４ｂ
は、層３４ａの開口３６ａの中から選択された開口だけ
と位置が合う開口３６ｂの組を有している。従って、２
つの開口３６ａと３６ｂの位置が合うところでは、その
開口の深さは、層３４ｂの開口がない部分の上部にあ
る、層３４ａの開口の深さよりも深い。電極ユニット３
２は、層３４ｂの開口の下に電極３２ｂを有しており、
層３４ａの開口のみがある部分（すなわち、層３４ｂの
開口がある部分を除く）の下部に電極３２ｃを有してい
る。これによって、より高い共振周波数（浅い方の開
口）を有する第１のトランスデューサの組と、より低い
共振周波数（深い方の開口）を有する第２のトランスデ
ューサの組が提供される。スクリーン印刷やエッチング
などの他のプロセスによっても、これらの幾何学的形状
及び構成を作成することができる。

【００２２】図４に、比較的広帯域の動作が可能な他の
トランスデューサモジュール４３を示す。このモジュー
ルは、一般的に円筒形状であり、図は、それの半径方向
の部分を示している。図示のように、導電性の膜５０
は、誘電性スペーサ５４によって、背面電極ユニット５
２から隔置されている。モジュール４３は、膜５０を上
部表面５４ａに押しつける（不図示の）適切な構造を備
えている。このように、このモジュールは、膜５０と、
溝（groove）５６及び５８の上部エッジとによって画定
される複数のトランスデューサから構成される。

【００２３】溝５６は、溝５８より深く、従って、溝５
６を備えるトランスデューサは、溝５８を組み込んでい
るトランスデューサよりも、その共振周波数が低い。共
振周波数は、被変調超音波キャリアの帯域に対応する所
望の全体応答を提供するように十分に分離されている。

【００２４】図５及び図６に示すように、背面電極ユニ
ット５２に、リング５３、５５、及び５７からなる導電
性のパターンを設けることができ、これによって、各ト
ランスデューサを、本明細書で説明するように個別に駆
動することができるようになる。リング５３と５５の間
隔、及び印加される信号の相対位相を、トランスデュー
サモジュールから発射される超音波ビームを形成するた
めに選択することができる。

【００２５】図７と図８には、トランスデューサモジュ
ールの代替構成を示している。図７では、各モジュール
は、その外形が六角形であり、これによって、モジュー
ルが密に詰め込まれている。図８では、モジュールは正
方形構造であり、この場合もモジュールが密に詰め込ま
れている。この配列は、多重ビームの生成、及びフェー
ズドアレイビーム（phased-array beam）の配向に対し
て十分適している。これまでの全てのトランスデューサ
の実現例において、電極間の電気的なクロストークは、
電極間にいわゆる「ガードトラック」を配置することに
よって低減することができるということに留意すべきで
ある。多重電気共鳴（必ずしも音響−機械共振ではな
い）を有するトランスデューサを、広帯域にわたって増
幅効率を高めるために使用することができるということ
も理解されるべきである。

【００２６】図９に、トランスジューサモジュール１
２、または、多くのモジュール（モジュールの配列）を
効率的に駆動するための駆動ユニット２７を示す。駆動
ユニットは、出力が昇圧トランス６２に加えられる増幅
器６１を備える。トランスの二次電圧は、モジュール１
２の１つまたは複数のトランスジューサ、抵抗器６３、
及びブロッキングコンデンサ（結合コンデンサ）６４か
らなる一連の組み合わせに加えられる。同時に、モジュ
ールには、分離インダクタ（isolating inductor）６
８、及び抵抗器７０を介して、バイアス源６６から、電
気的なバイアスが加えられる。コンデンサ６４は、動作
周波数において非常に低いインピーダンスを有し、イン
ダクタ６８は、非常に高いインピーダンスを有する。従
って、これらのコンポーネントは、AC（交流）部とＤＣ
（直流）部とを違いに分離する以外は、回路の動作に何
の影響も及ぼさない。所望であれば、インダクタ６８を
非常に大きな抵抗器で置き換えることができる。

【００２７】トランス６２の二次インダクタンスは、駆
動ユニット２７によって駆動されるトランスジューサの
音響−機械共振周波数、すなわち、６０ｋHｚかそれ以
上で、モジュール１２の容量と共振するように調整され
ることが好ましい。これによって、トランスジューサの
両端の電圧が効率良く昇圧されて、増幅器６１からモジ
ュール１２までの非常に効率の良い電力結合がもたらさ
れる。抵抗器６３は、駆動ユニットの周波数応答の広が
りを減衰させるための対策用である。

【００２８】トランス６２の二次インダクタンスを非常
に小さいものとし、所望の電気的共振周波数を得るため
にトランスジューサに直列にインダクタを追加すること
ができることが理解されよう。また、トランスのインダ
クタが大き過ぎて所望の共振を実現できない場合は、二
次巻線に並列にインダクタを接続することによって有効
インダクタンスを減少させることができる。しかしなが
ら、本発明者は、トランスの二次インダクタンスを調整
することによって、駆動回路のコスト、並びに、その物
理的な大きさと重量を最小限にすることができた。

【００２９】トランスジューサモジュールまたはその配
列が、前述のように、共振周波数が異なるトランスジュ
ーサを備えている場合は、各々の共振周波数に同調され
た個別の駆動回路を使用することが好ましいが、それは
必ずしも必要ではない。そのような構成を図５に示す。
変調器２６の出力は、周波数分割器７４に加えられ、こ
の分割器によって、被変調超音波信号は、高周波数トラ
ンスジューサ７５と、低周波数トランスジューサ７６の
共振周波数にそれぞれ対応する、高い方の周波数帯域
と、低い方の周波数帯域とに分割される。高い方の周波
数帯域は、トランスジューサ７５の機械共振周波数に同
調された駆動回路２７ａを通る。駆動回路２７ｂの共振
周波数は、低周波数トランスジューサ７６の機械共振に
対応する。

【００３０】スペーサ３４（図２）及び５４（図４）
は、膜３８及び５０の導電性表面、かつ／または、電極
ユニット３２及び５２上の導体から、適切に絶縁された
金属のスペーサとすることができる。しかしながら、誘
電性のスペーサの方が好ましい。なぜなら、それらによ
って、より高い電圧を使用することが可能になり、従っ
て、トランスジューサがより強力に動作し、かつ線形動
作をするようになるからである。

【００３１】図１１に、圧電動作膜（piezo-active mem
brane、例えば、本質的に圧電性であるポリフッ化ビニ
リデン（PVDF）薄膜）を組み込んだトランスジューサモ
ジュール９０を示す。対向する表面上の金属性薄膜は、
圧電性材料に交番電界を印加するするために使用され、
これによって、圧電性材料を伸び縮みさせる。PVDF薄膜
は、これまで、音波トランスジューサにおいて横モード
で圧電性材料を動作させることによって最も効率良く使
用されてきた。具体的には、膜は、複数のキャビティを
収容した支持構造上に吊るされる。既知のアプローチに
従って、キャビティ内への膜の変位をバイアスする（偏
らせる）ためにキャビティが真空にされる。膜に加えら
れる交番電圧によって、膜は印加される電界に対して横
方向に伸び縮みし、従って、膜は、真空によるバイアス
に対抗して前後に移動する。

【００３２】本発明者は、これらのPVDFトランスジュー
サモジュールが、パラメトリックサウンドの生成に非常
に適したものであるということを発見した。しかしなが
ら、従来のPVDFトランスジューサモジュールの欠点は、
長時間動作では信頼性のないものとなりうる、真空状態
の維持を必要とすることである。

【００３３】図１１のトランスジューサモジュール８２
は、トランスジューサをバイアスするために電界を利用
する。PVDF膜８４は、穿孔された上部プレート８６に適
切に取り付けられており、さらに、導電性の底部電極８
８の上に間隔をおいて配置されている。回路９２によっ
て供給される直流バイアスが、電極８８と膜の導電性表
面８４ａの間に結合され、それによって、膜を、プレー
ト８６の開口部９６の中に引き込む。これは、膜８４に
対して信頼性のある機械的バイアスを提供するものであ
り、これによって、膜は、駆動回路９４の電気的出力に
応答して音響信号を生成するために線形的に作用するこ
とができる。図９に関連して前述したように、直流バイ
アス回路９２は、それを、交流駆動回路９４から分離
（絶縁）するコンポーネントを備えることができる。

【００３４】前述のように、広帯域動作を行うパラメト
リックサウンド発生器を使用する場合には、開口部９６
をおおう膜８４の部分からなる個々のトランスジューサ
に対して、異なる共振周波数を与えるために、図示のよ
うに、開口部９６は異なる直径を有している。膜の導電
性表面の１つは、開口部に対応する電極を提供するため
にパターン成形される。その同じ表面には、さらに、こ
れらの電極を回路９２と９４に接続する導電性の経路が
設けられる。具体的には、（位相調整、向き設定、吸収
補償、及び共振電気駆動及び受信などのために）ビーム
の形状及び広がりを制御し、多重共振での駆動を容易に
するために、図２〜図８の静電トランスジューサに対し
て説明したように、電極をパターン成形することができ
る。

【００３５】図１１に示したモジュールは、高い信頼性
があり、かつ、PVDFトランスジューサのすべての利点を
提供するものである。さらに、それは、図示のように、
多重共振周波数動作に容易に適用可能なものである。

【００３６】図１２に、PVDFトランスジューサモジュー
ル１００を示すが、それは、膜８４と、導電性または誘
電性材料とすることができる背面プレート１０４との間
のキャビティに接続された正圧源（positive pressure
source）１０２によってバイアスされる。これは、直流
バイアスが除かれている以外は、図１１のモジュール８
２と同じ電気的駆動構成を使用する。一般的に、PVDFモ
ジュールにおいては、負圧よりも信頼性の高い正圧を与
える方が適している。代替的には、膜と背面プレートと
の間に、軽量でばね状のポリマーゲル（polymer gel）
または他の材料を用いることによって、正または負のバ
イアスを与えることができる。

【００３７】パラメトリックオーディオ信号の大気によ
る復調は、オーディオ信号の高域成分を相当程度強調
し、結果として、約１２ｄB／オクターブの振幅応答を
示す。この特性は、前処理の前にオーディオ信号のデエ
ンファシス用の低周波エンファシスフィルタを対応づけ
て使用することによって補償される。しかしながら、適
切な周波数応答を有するトランスジューサを使用するこ
とによって補償することが好ましい。具体的には、送信
信号の周波数範囲にわたって本質的にフラットなトラン
スジューサの応答を提供するのではなくて、両側側波帯
変調を前提として、キャリア周波数に中心をもつ三角応
答（triangular response）を本質的に行うトランスジ
ューサを設けることが好ましい。上述のトランスジュー
サモジュールは、図示したような多重共振周波数動作用
に構成されたときに、この応答を行う。プリエンファシ
スフィルタを、一様でないトランスジューサ応答を補正
するために使用することができる。

【００３８】図１３は、壁１１０に関連してパラメトリ
ックサウンド発生器を使用する場合を示しており、壁１
１０に対して、トランスジューサアレイ１１４からビー
ム１１２が発射される。この壁は、比較的なめらかな表
面１１０ａを有しており、これによって、超音波及びオ
ーディオの周波数の両方において鏡面反射を行う。この
場合では、発射されたビーム１１２は、１１６で示すよ
うに、ビームの音波成分に沿って反射される。

【００３９】代替的には、壁の前部表面１１０ａは、超
音波エネルギーを吸収して、オーディオ信号のエネルギ
ーを反射する材料または構造とすることができる。この
場合には、反射されるビームはない。むしろ、ビーム１
１２が、壁に入射する領域からの比較的無指向性のオー
ディオ信号源が存在することになる。従って、同時に動
く画像がプロジェクタ１１９によって壁に向けて投射さ
れた場合には、音が常にその画像から発せられたかのよ
うに思わせるために、ビーム１１２がその画像を追跡す
るようにすることができる。これと同じ効果を、超音波
エネルギーを拡散的に反射するでこぼこのある表面を使
用することによって得ることができる。いずれの場合に
おいても、発射されたビームの超音波エネルギーは、比
較的高いものとなりえ、それによって、可聴音のエネル
ギーがより大きくなるが、危険性のある強い超音波強度
を有する反射を起こすことはない。ビーム１１２とプロ
ジェクタ１１９は、サーボ機構（図示せず）によって、
あるいは、共通の反射プレート（図示せず）を使用する
ことによって、向き設定を共通にするために結合して、
所望の画像トラッキングを得ることができる。代替的に
は、トランスデューサの位相調整された構成（フェーズ
ドアレイ、phased array）を使用してビームの向きを設
定することができる。また、すべての可聴音の反射を特
定のリスニングエリア（聴取領域）に向けるために、壁
を湾曲させることも可能である。

【００４０】さらに他の代替例として、壁１１０を、光
を反射するが、音は壁１１０を通過する（そして、例え
ば、別の表面から反射させる）ことができるように音に
対しては透過性のものとすることができる。重要な点
は、壁１１０の音波及び光反射特性を完全に独立なもの
とすることができ、設計者が、所望の用途に応じて、こ
れらのパラメータを完全にコントロールすることができ
る余地があるということである。

【００４１】図１３に示すシステムは、また、温度及び
／又は湿度のような大気の条件を制御するための装置を
含むことができる。本発明者は、可聴音信号を提供する
ためのビームエネルギーの効率的な復調は、そのような
条件の直接的な関数であることを見いだした。例えば、
温度を自動的に調節するヒーター、湿気発生器、及び／
又は減湿器とすることができる装置１２０が、超音波ビ
ーム１１２によって横切られる通過経路に沿って所望の
条件を維持する。例えば、大気の相対湿度が低い場合に
は、大気中に湿気（水分）を注入することがしばしば望
ましい。一般的に、吸収が最大である２０〜４０％のオ
ーダーの相対湿度を回避することが望ましい。ステージ
用のスモーク（stage smoke）のような微粒子状の他の
物質を、復調効率を上げるために大気中に導入すること
ができる。

【００４２】オーディオ信号の重低音成分を提供するた
めに、オーディオ信号源２０（図１）の出力をウーファ
（すなわち、低周波数用スピーカ）１２１に加えること
ができる。非常に低い周波数は、オーディオ信号の指向
性効果には寄与しないので、ウーファ１２１を使用して
も、通常は、壁１１０を横切る音源の見かけ上の移動が
減じられることはない。もちろん、ウーファ１２１は、
意図する映写効果に対して認知できるほどの悪影響を及
ぼす衝撃を避けるように、位置決めされ、及び／また
は、制御されなければならない。

【００４３】２つ以上の超音波ビームを使用することに
よって、オーディオ信号の見かけの位置を３次元空間内
の所望の位置に配置することができる。１方または両方
のビームがオーディオ信号で変調される。個々の変調さ
れたビームの強度レベルは、重要なオーディオ信号強度
が生成されるレベルより低い。ビームは、互いに交差す
るように向けられ、ビームが交差する領域内において、
２つのビームの結合強度は、十分なオーディオ信号を提
供するのに十分なものである。この結合において、被復
調オーディオ信号の強度は、放射された超音波ビームの
強度の２乗に比例するということに留意すべきである。
従って、オーディオ信号はその領域から発せられるよう
に見え、それゆえ、ビームの交差部をシフトすることに
よって、この見かけのオーディオ信号源を、３次元空間
全体にわたって移動させることができる。実際に、２つ
以上のビームの干渉を制御することによって、音源のサ
イズ、形状、及び範囲を変化させることが可能である。

【００４４】この機能を提供するパラメトリック発生器
を図１４に示す。上述のように動作する超音波トランス
デューサアレイ１２２及び１２３の対が、このアレイ１
２２及び１２３によって放射されるビーム１２６及び１
２７の向きを独立に設定するステアリング機構１２４及
び１２５によって支持されている。これらのビームは、
領域１２８で交差するが、この領域は、この領域内の超
音波エネルギーの非線形相互作用の結果生じる見かけ上
の可聴信号源となる。ステアリング機構は、ビーム１２
６及び１２７の向きを変えるためのコントローラ（図示
せず）によって制御され、それによって、ビームの相互
作用領域１２８を様々な所望の位置に移動させることが
できる。このアプローチは、見かけ上の音源を生成する
ためだけでなく、他の人の邪魔をせずに、オーディオ信
号を、特定の領域または、（移動しているかもしれな
い）特定の聴取者に限定するために有効である。かかる
「指向性を有するオーディオ」用途では、この指向性を
有するビームの近傍における不要なオーディオの反射を
低減するために吸収性の表面を利用することが有効であ
ることを実証することができる。

【００４５】さらに、立体音響、すなわち両耳用のオー
ディオを生成するために、（個別のビームとして、また
は、分割されたビームとして生成される）ビーム１２
６、１２７をそれぞれ、１人の聴取者の耳に向けること
ができる。この場合は、各ビーム１２６、１２７は、別
々のステレオ、または両耳用のチャンネルで変調され
る。後者の場合には、両耳の錯覚を維持するために、オ
ーディオ信号を生成する際に、聴取者の位置を認識する
ことが必要であろう。

【００４６】低レベルのオーディオ信号を再生するとき
に、従来システムと同様に、変調度を小さいままにして
おくことを単純に許容し、一方で、高エネルギーの超音
波ビームを維持することは望ましいことではない。その
代わりに、オーディオ信号レベルの変化に応答してキャ
リアの振幅を適応させることによって、変調度を１（un
ity）の近くに維持することが好ましい。これによっ
て、確実にシステムの効率が最大になり、入力オーディ
オがないときにの超音波の送信が自動的に禁止される。

【００４７】適切な適応システムを図１５に示す。オー
ディオ入力は、オーディオ源１３０によって供給され
る。オーディオ源は、さらに、上述したようなトランス
デューサ特性に依存するデエンファシスを備えることが
できる。オーディオ源１３０の出力は、ピークレベルセ
ンサ１３３と、加算器１３２に与えられる。加算器１３
２は、さらに、センサ１３３の出力を受け取る。

【００４８】加算器１３２の出力は、平方根回路１３７
に加えられ、その結果生じたオーディオ信号を、変調器
−乗算器１３８で、キャリアと掛け合わせる。被復調キ
ャリアを、トランスデューサ駆動回路に送る前に、増幅
器１３９によって増幅することができる。もちろん、図
１５の回路要素の機能のいくつかまたはすべてを、１つ
または複数の適切にプログラムされたディジタル信号プ
ロセッサ及び関連する回路によって実現することができ
る。

【００４９】より具体的には、パラメトリックシステム
は、変調された、聴くことのできない、一次超音波ビー
ムを、空中を伝送させることによって、可聴音の二次ビ
ームを生成する。一次ビームは、以下の式によって表さ
れる。

【００５０】

【数３】

【００５１】ここで、Ｐ₁はキャリアの振幅であり、ω_c
はキャリア周波数である。オーディオ信号ｇ(t)は、

【００５２】

【数４】

【００５３】のときに、合理的に忠実に再生することが
できる。ここで、ｍは変調度であり、ｇ(t)は、ピーク
値を１として正規化されている。結果として、可聴ビー
ムＰ₂(t)は以下のようになることが知られている。

【００５４】

【数５】

【００５５】オーディオ信号がないとき（ｇ(t)＝０）
は、Ｅ(t)＝１であり、一次ビームＰ₁(t)＝Ｐ₁sin(ω_c
ｔ)は、超音波キャリアの送信を継続する。この無音の
超音波ビームはなんの効果も果たさず、エネルギーを浪
費する。それは、また、危険なものとなりうる。純音
は、少なくとも可聴音については、（エネルギーがその
全帯域にわたって分布している）広帯域の音よりも一般
的に危険であり、音が聞こえないので、聴取者は、自身
が強力な超音波を浴びているということに気付かない。

【００５６】図１５の回路は、変調度と、一次振幅Ｐ１
全体の両方を制御し、それによって、（ａ）（変調度を
ある目標値、通常１かそれより低く維持したまま）変調
度を最大にし、（ｂ）Ｐ₁を適切に調整することによっ
て、オーディオ信号ｇ(t)のレベルに対応して可聴レベ
ルを維持し、（ｃ）オーディオがないときに、超音波が
ほとんど存在しないか、あるいは全く存在しないことを
確実なものにする。これらの機能は、積分された（inte
grated;すなわち等価された）オーディオ信号のピーク
レベルＬ(t)を測定し、及び、送信される一次ビームＰ'
(t)を以下のように合成することによって実現される。

【００５７】

【数６】

【００５８】ここで、Ｌ(t)は、レベルセンサ１３３の
出力であり、値

【００５９】

【数７】

【００６０】は、加算器１３２の出力である。後者の値
の平方根は、平方根回路１３７によって与えられ、最後
のＰ₁sin（ω_cｔ）との乗算は、乗算器１３８によって
与えられる。

【００６１】式（４）によって規定される乗算器１３８
の出力Ｐ'(t)を、従来の振幅変調器によって得ることも
でき、その場合には、変調器に加えられるＰ₁と、オー
ディオ信号レベルの両方が、ｇ(t)のピークレベルに応
じて制御される。信号レベルがｇ(t)のレベルに比例す
る被復調オーディオ信号を得るために、レベル制御信号
は、ｇ(t)のピーク値の平方根に比例するものとなる。
図１５に示す本発明の好ましい実施態様は、この結果を
達成するために単純で、より直接的なメカニズムを提供
するものである。これに関連して、平方根回路１３７
は、相互変調による歪みを低減するためのオーディオ信
号の前調整を行い、Ｌ(t)の平方根を出力するという２
つの機能を提供するものであるということに留意すべき
である。

【００６２】超音波信号の大気復調の結果、オーディオ
信号Ｐ'₂(t)は以下によって与えられる。

【００６３】

【数８】

【００６４】このように、この信号には、所望のオーデ
ィオ信号ｍｇ(t)と、ピーク検出信号Ｌ(t)を含む残留項
とが含まれている。この残留項の可聴音に対する影響
は、Ｌ(t)に比較的長い時定数を適用し、それにって、
式（５）の二次導関数を大幅に小さくすることによっ
て、無視できるほど小さな部分に減じることができる。
しかしながら、これによって、オーディオ信号レベルが
突然上昇したときに、過変調となって、許容できない歪
みが生じる。従って、ピークレベル検出器は、ｇ(t)の
ピークの増加に対しては、実質的に０の時定数を有し、
ｇ(t)のピークの減少に対しては、ゆるやか減衰（長い
時定数）を有するようにされる。これは、式（５）の第
１項から可聴音の歪みを低減すると共に、それを非常に
低い周波数にシフトする。同時に、それは、所望の変調
度ｍで変調されたビームを送信するために必要なレベル
以下のキャリアレベルを出力する。

【００６５】超音波照射に関する確立された安全基準が
ある場合には、許容可能な照射を超える可能性を自動的
に除去するために、図１５の制御システムを拡張するこ
とができる。例えば、聴取者のそれぞれのメンバーが、
トランスデューサから異なる距離にいる場合には、出力
パワーレベルは、一番近くにいる聴取者に安全な環境を
提供するように調整されなければならない。このような
状況では、トランスデューサと一番近くにいる聴取者の
メンバーとの間の距離を測定し、この距離を使って、全
ての聴取者が危険な照射を受けないように、最大許容超
音波出力を制御することが有用である。これは、一番近
くの聴取者との距離を測定し、それに応じて（例えば、
増幅器１３９を制御することにより）出力を調整する、
測距ユニット１４０によって達成することができる。

【００６６】測距ユニット１４０は、多くの適切な任意
の方法で動作することができる。例えば、ユニット１４
０を、超音波測距システムとすることができ、その場合
には、被変調超音波出力には、測距パルスが加えられ
る。ユニット１４０は、そのパルスの戻りを検出し、送
信と戻りの間の時間を測定することによって、１番近く
にある物体までの距離を推定する。代替的には、パルス
を送出するのではなくて、相関測距（correlation rang
ing）を使用して、送信される超音波の経路にある物体
からのその超音波の反射をモニタし、そして相互相関ま
たはスペクトル解析によって推定されるエコー時間をモ
ニタすることができる。最後に、体温のある人間と冷た
い生命をもたない物体とを識別することができるという
利点を有する赤外線測距システムを利用することも可能
である。

【００６７】大気中の伝搬による歪みを補償することも
可能である。空気中内での音の吸収は、周波数に大きく
依存する（ほぼ、それの２乗に比例する）。本実施態様
で使用するキャリア周波数は、吸収を最小限にするため
に６５ｋＨｚ近くに中心があることが望ましいが、信号
は、それにもかかわらず、様々な範囲で吸収される周波
数の範囲にわたる広帯域の超音波である。より高い超音
波周波数は、より低い超音波周波数よりもより強く吸収
され、その結果、復調された信号において可聴音の歪み
が生じる。この効果は、この非均一の吸収を補償する周
波数に依存する手法において、超音波出力を選択的に上
げることによって緩和することができる。

【００６８】Bass他による、J.Acoust.Soc.97(1):680-6
83(1995年1月）に記載されているように、大気による音
の吸収は、周波数だけでなく、空気の温度と湿度にも依
存する。さらに、減衰の全体的な量は、伝搬距離によっ
ても影響を受ける（遠距離においては完全にではない
が、ほぼ均一化される）。従って、正確な補償のために
は、これらのパラメータを検出して、調整することが必
要になる。しかし、平均的な条件を想定し（すなわち、
特定の環境に対して平均的な条件を推定し）、こららの
条件に補償プロファイルの基礎をおくことによって、満
足のいく結果を得ることができる。従って、図１６に示
すように、超音波の４つの異なる周波数の吸収（減衰率
をｄＢで表す）は、明らかに異なっており、最も高い周
波数ｆ₄が、一番強く吸収されている（従って、１番速
く減衰している）。本発明は、この周波数に基づく非均
一性を補償する音場を生成する。

【００６９】好ましいアプローチでは、被変調信号は、
イコライザー１４２に送られる。このイコライザーは、
想定した、または実際の距離における減衰の期待量に比
例して信号の振幅を調整する。その結果、図１６に示す
曲線は、図１７に示すように互いより近いものになる
（最高周波数ｆ₄に加えるパワーの上昇が最大であ
る）。すなわち、全体的な減衰率は変化しないが、減衰
率は、ほとんど周波数に依存しないものとなっている
（従って、可聴音の歪みがほとんどなくなる）。もちろ
ん、測距ユニット１４０を使用して、減衰の絶対量を補
償することも可能である。なぜなら、周波数依存性が大
幅に補正された状態では、減衰は、主として聴取者まで
の距離に依存するからである。

【００７０】湿度及び温度センサ１４４を使用すること
によって、イコライザー１４２による補正をさらに改善
することができる。温度及び湿度センサの出力は、イコ
ライザー１４２に与えられ、既知の大気吸収方程式に従
って、等化プロファイルを構築するために使用される。

【００７１】等化補正は、距離の広範な範囲にわたっ
て、すなわち、曲線が再び分離していくまで有効であ
る。そのような環境では、吸収に関連する減衰をより正
確に補償するために、システムが複雑になってしまう
が、ビームの幾何学的形状、フェーズドアレイの中心合
わせ、あるいは、他の技法を使用して、ビームの全長に
沿って振幅の分布を実際に変化させることによって、補
正を改善することができる。

【００７２】前述した超音波トランスデューサは、可聴
信号または超音波信号の送信に加えて、それらの受信に
も使用することができるということに留意すべきであ
る。図１８に示すように、トランスデューサモジュール
またはアレイ１６０は、上述の如く、１つまたは複数の
駆動回路２７から電力を与えられる。各駆動回路２７と
アレイ１６０との間に接続されたハイパスフィルタ１６
２は、駆動回路における受信オーディオエネルギーの損
失を防止する。ローパスフィルタ１６４は、アレイ１６
０から、増幅器及び拡声器（スピーカー）のような音声
応答装置１６６に、オーディオエネルギーを送る。

【００７３】アレイ内のトランスデューサの線形動作を
仮定すると、オーディオ信号は、わずかな歪みをうける
であろう。代替的には、前述したような複数の電極を備
えた多重周波数構成を、フィルタリングを行わずにオー
ディオを受信するために使用されるオーディオ範囲で応
答するトランスデューサと共に使用することができる。
これによって、従来のトランスデューサ、並びにフェー
ズドアレイ受信では困難であった、指向性のある送信シ
ステム及び受信システムの両方のシステムを提供する、
同一表面上での全二重トランザクションが可能となる。

【００７４】これまでの説明は、本発明の種々の特定の
用途を強調して行ったものであるが、それらは例示的な
ものに過ぎない。本発明は、多くの異なる目的のため
に、広範にわたる様々な実施に対して変更可能である。
他の用途は、以下のものに限定されるわけではないが、
娯楽環境の作成（これは、例えば、楽器の映像が投影さ
れる場所のような、部屋のまわりの特定の及び変化する
場所に様々な楽器の音を発生させるために、あるいは、
特定の聴取者のメンバーに音を送るために、あるいは、
聴取者に、対話的な手順で見かけ上の音源を制御させる
ために、あるいは、例えば、音のパン及び／または配置
方向を記録及び特定する際の符号化された合図に応答し
て、家庭用娯楽システムから正確な音の配置を規定する
ために、あるいは、ビームを低く向けて、親たちではな
くてその子供たちに届けるために、放射されるオーディ
オを使用することである）、表示の記憶（例えば、表示
されたアイテムに音を向ける）、ショープロモーション
の交換（例えば、参加者にショーを案内し、または、異
なるブースに導く）、軍事及び準軍事的な用途（例え
ば、敵を混乱させるための擬似的な軍隊または乗り物、
敵の軍隊または住民に向けたメッセージ、見物人をびっ
くりさせることなく、容疑者に警告を発するための極め
て良好な指向性を有する警官用の携帯拡声器）、オフィ
ス用途（例えば、音を特定の作業用小部屋に限定す
る）、公共の場におけるアドレスシステム（例えば、聞
き手の位置がわかっているアリーナ用のページングシス
テムであって、近くの観衆の邪魔をせずに、特定のいす
に座っている人だけに、あるいは、レストランの特定の
テーブルに対してパラメトリックビームを送ることがで
きるようなもの、あるいは、公共の場において、例え
ば、エスカレータから降りようとしている、または、危
険領域に近づきつつある歩行者に告知あるいは警告を送
るための、あるいは、目の見えない人の案内を手助けす
るための、あるいは、スポットライトを取り囲むリング
のように構成されたトランスデューサを用いて、光ビー
ムを追跡し、そうすることによって、照光された物体か
ら音を発するようにするためのもの）、玩具（例えば、
ささやき声や、ガラスの粉砕音や発砲のようなノイズを
非常に指向性良く発する装置）、動物を追い払うもの、
音声と画像の間の同期を維持するために、見かけの音源
からある距離だけ離れた表面上に音を放射する用途、及
び、個人用のオーディオ源（例えば、飛行機内で、ヘッ
ドホンの代わりに、個人用の聴取を提供する）を含む。

【００７５】従って、本発明者は、変調された超音波放
射によってオーディオを送信するための、非常に用途が
広く、かつ効率の良いシステムを開発したということが
理解されよう。本明細書で用いた用語及び表現は、説明
の用語として使用したものであって、それらに限定する
ものではなく、そのような用語及び表現を使用すること
において、図示し説明した等価な特徴、またはその一部
分のいずれをも排除することを意図したものではない。
しかし、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更
が可能であるということは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を組み込んだパラメトリックサウンドシ
ステムの概略図である。

【図２】本発明を組み込んだ静電トランスデューサモジ
ュールの組立分解図である。

【図３】多重共振周波数動作用に構成された、図２のト
ランスデューサモジュールの変更態様である。

【図４】代表的なトランスデューサモジュールを示す図
である。

【図５】代表的なトランスデューサモジュールを示す図
である。

【図６】代表的なトランスデューサモジュールを示す図
である。

【図７】トランスデューサモジュールの配列を示す図で
ある。

【図８】トランスデューサモジュールの配列を示す図で
ある。

【図９】サウンドシステム内のトランスデューサを駆動
する駆動ユニットの回路図である。

【図１０】異なる機械共振周波数を有するトランスデュ
ーサを駆動するために使用される回路を示す図である。

【図１１】圧電膜トランスデューサを利用するトランス
デューサモジュールを示す図である。

【図１２】圧電膜トランスデューサを利用するトランス
デューサモジュールを示す図である。

【図１３】壁から反射する音響内でシステムを使用して
いる図である。

【図１４】３次元空間で対向した音源を移動させるため
に使用される複数のビームプロジェクタを使用している
ことを示す図である。

【図１５】パラメトリックサウンドジェネレータの適応
変調構成を示す図である。

【図１６】大気を通る超音波信号の周波数別の減衰と、
この現象を補正した結果を示す図である。

【図１７】大気を通る超音波信号の周波数別の減衰と、
この現象を補正した結果を示す図である。

【図１８】パラメトリックオーディオ信号の送信、及び
オーディオ信号の受信の両方に対してトランスデューサ
の領域を使用している図である。

【符号の説明】

１０トランスデューサアレイ１２モジュール１４信号発生器１８キャリア発生器２０オーディオ信号源２６変調器２７駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パラメトリックオーディオ発生器であっ
て、（ａ）キャリアを供給する超音波信号源と、（ｂ）オーディオ信号源と、（ｃ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するた
めの手段であって、前記被変調キャリアのすべての成分
が、人間の聴覚システムが応答する範囲を超える周波数
を有するように、該キャリアの周波数が十分に高いこと
からなる手段と、（ｄ）超音波信号を放射するための超音波トランスジュ
ーサと、（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスジューサに与
えるための手段とからなるパラメトリックオーディオ発
生器。
【請求項２】（ａ）前記トランスジューサが、機械共振
周波数を有する容量性のトランスジューサであり、（ｂ）前記トランスジューサを駆動するための手段を備
えており、この駆動手段が、前記トランスジューサの前
記機械共振に相応する電気共振を提供するために、前記
トランスジューサの容量に結合されたインダクタを備え
ることからなる請求項１の発生器。
【請求項３】（ａ）超音波キャリアを供給する超音波信
号源と、（ｂ）第１のトランスデューサが、第１の音響−機械共
振を有し、第２のトランスデューサが、前記第１のトラ
ンスデューサの周波数よりも高い周波数において第２の
音響−機械共振を有することからなる、第１及び第２の
超音波トランスデューサと、（ｃ）オーディオ信号源と、（ｄ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するた
めの手段であって、前記被変調キャリアの周波数スペク
トルが、前記トランスデューサの共振のいずれをも含む
ことからなる手段と、（ｅ）前記トランスデューサを前記被変調キャリアで駆
動するための手段とからなるパラメトリックオーディオ
発生器。
【請求項４】（ａ）超音波キャリアを供給する超音波信
号源と、（ｂ）第１のトランスデューサが、第１の音響−機械共
振を有し、第２のトランスデューサが、前記第１のトラ
ンスデューサの周波数よりも高い周波数において第２の
音響−機械共振を有することからなる、第１及び第２の
超音波トランスデューサと、（ｃ）オーディオ信号源と、（ｄ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するた
めの手段であって、前記被変調キャリアの周波数スペク
トルが、前記トランスデューサの共振のいずれをも含む
ことからなる手段と、（ｅ）前記被変調キャリアを、高い方の周波数範囲の信
号と低い方の周波数範囲の信号とに分割するための手段
と、（ｆ）前記第１のトランスデューサを前記低い方の周波
数範囲の信号で駆動するための手段と、（ｇ）前記第２のトランスデューサを前記高い方の周波
数範囲の信号で駆動するための手段とからなる請求項３
の発生器。
【請求項５】前記トランスデューサによって放射される
超音波エネルギーの最も低い周波数成分が、人間の聴覚
機構が応答する範囲の上にあるように、前記キャリアの
周波数が十分に高いことからなる請求項３の発生器。
【請求項６】（ａ）前記各トランスデューサが、電気的
容量性の要素を有しており、各トランスデューサに対す
る信号が、その要素に加えられることと、（ｂ）前記各駆動手段が、該駆動手段によって駆動され
る前記トランスデューサの容量性の要素と共振するよう
に導電されるインダクタを備え、それによって、前記ト
ランスデューサの音響−機械共振に相応する電気共振を
提供することからなる請求項４の発生器。
【請求項７】（ａ）１つまたは複数のトランスデューサ
からなるトランスデューサモジュールであって、各トラ
ンスデューサが、（１）音響−機械共振周波数と、（２）電気信号が与えられる１対の電極とを有してお
り、前記電極が、それらの間の容量によって特徴づけら
れていることからなることと、（ｂ）超音波信号発生器と、（ｃ）前記発生器から前記トランスデューサモジュール
に信号を与えるための駆動回路であって、該駆動回路
が、前記容量に直列に接続されたインダクタンスを備え
ており、前記機械共振周波数で該容量と共振することか
らなる超音波発生器。
【請求項８】前記各トランスデューサが、容量性の膜タ
イプのトランスデューサであることからなる請求項７の
発生器。
【請求項９】前記各トランスデューサが、圧電トランス
デューサであることからなる請求項の発生器。
【請求項１０】（ａ）オーディオで変調された超音波ビ
ームを密閉された大気中に送信するパラメトリックオー
ディオ発生器と、（ｂ）前記ビームの経路における大気の温度及び湿気の
少なくとも１つを制御するための環境−制御装置であっ
て、オーディオ信号の復調の効率を上げるための装置と
からなるパラメトリックオーディオシステム。
【請求項１１】（ａ）オーディオで変調された向き可変
の超音波ビームを送信する複数のパラメトリックオーデ
ィオ発生器と、（ｂ）前記ビームが交差する大気内の領域を提供するた
めに該ビームの向きを変えるための手段であって、該領
域内のビームの結合した強度により、前記ビームのうち
の１つのビームの復調によって得られるレベルよりも十
分に高いレベルを有する被復調オーディオ信号を得るこ
とからなる手段とからなるパラメトリックオーディオシ
ステム。
【請求項１２】（ａ）超音波キャリア発生器と、（ｂ）前記キャリア発生器の出力をオーディオ信号で変
調するための変調器と、（ｃ）前記キャリア発生器の変調された出力を受信し、
それに応答して、前記オーディオ信号の大気復調を行う
のに十分な強度の被変調音響ビームを送信するためのト
ランスデューサと、（ｄ）オーディオ信号源と、（ｅ）前記オーディオ信号源の出力を調整して、前記音
響ビームのオーディオ成分の相互変調を補償するための
プリプロセッサと、（ｆ）前記オーディオ信号源の出力と前記プリプロセッ
サの出力を結合して、その結果得られた結合オーディオ
信号を、前記変調器に加えるための手段とからなるパラ
メトリックオーディオ発生器。
【請求項１３】（ａ）超音波周波数を有する電気的キャ
リアを供給するキャリア発生器と、（ｂ）前記キャリアをオーディオ信号で変調するための
変調器と、（ｃ）前記被変調キャリアを受信し、それに応答して、
被変調音響ビームを送信するためのトランスデューサ
と、（ｄ）入力オーディオ信号源と、（ｅ）前記入力オーディオ信号を前記変調器に与えるた
めの手段と、（ｆ）信号制御装置であって、（１）前記オーディオ信号源からのオーディオ信号レベ
ルを検出するレベルセンサと、（２）検出されたオーディオ信号レベルに応答して、前
記キャリアの強度を制御するための手段とからなる装置
とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項１４】（ａ）超音波周波数ω_cと振幅sin（ω_c
ｔ）を有する電気的キャリアを供給するキャリア発生器
と、（ｂ）前記キャリアを入力オーディオ信号【数１】で変調するための変調器と、（ｃ）前記被変調キャリアを受信し、それに応答して、
被変調音響ビームを送信するためのトランスデューサ
と、（ｄ）入力オーディオ信号源と、（ｅ）超音波信号を放射するための超音波トランスデュ
ーサと、（ｆ）前記入力オーディオ信号レベルに対応するレベル
信号Ｌ(t)を供給するためのレベルセンサと、（ｇ）前記入力オーディオ信号とレベル信号に応答し
て、次の式で表される被変調信号Ｐ'(t) 【数２】（ここで、ｍは変調度）を供給するために、前記電気的
キャリアを変調するための制御手段とからなるパラメト
リックオーディオ発生器。
【請求項１５】（ａ）前記レベル信号Ｌ(t)と前記入力
オーディオ信号を加算して、和信号を出力するための手
段と、（ｂ）前記和信号の平方根を導出して、平方根信号を出
力するための手段と、（ｃ）前記電気的キャリアに前記平方根信号を乗算し
て、被変調キャリアを出力するための手段を備える請求
項１４の発生器。
【請求項１６】前記制御手段が、前記検出されたオーデ
ィオ信号レベルに応答して、前記キャリアの変調度を制
御するための手段を備えることからなる請求項１４の発
生器。
【請求項１７】前記レベルセンサが、ｇ(t)のピークの
増加に対しては実質的にゼロの時定数を有し、ｇ(t)の
ピークの減少に対しては長い時定数を有することからな
る請求項１４の発生器。
【請求項１８】入力信号が、ある入力レベルを有し、被
変調信号が、ある出力レベルを有し、さらに、前記入力
レベルに従って、前記出力レベルを調整するための手段
を備えることからなる請求項１４の発生器。
【請求項１９】（ａ）光を反射する表面と、（ｂ）移動する光学画像を前記反射表面に投影するため
のプロジェクタと、（ｃ）オーディオで変調された超音波ビームを送信する
ための向き可変のパラメトリックオーディオ発生器と、（ｄ）前記超音波ビームを、前記光学画像の位置にある
前記表面に送信するために、前記オーディオ発生器の向
きを変えるための手段であって、それによって、前記超
音波ビームから復調されたオーディオ信号が、前記光学
画像の位置から発せられることかならなる手段とからな
る表示システム。
【請求項２０】前記光を反射する表面が、超音波エネル
ギーを吸収し、オーディオエネルギーを反射することか
らなる請求項１９の表示システム。
【請求項２１】前記光を反射する表面が、超音波エネル
ギーを拡散的に反射することからなる請求項１９の表示
システム。
【請求項２２】（ａ）キャリアを供給する超音波信号源
と、（ｂ）オーディオ信号源と、（ｃ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するた
めの手段と、（ｄ）超音波信号を放射するための超音波トランスデュ
ーサと、（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスデューサに加
えるための手段と、（ｆ）前記放射される超音波信号の大気伝搬と吸収から
生じる歪みを補償するための手段とからなるパラメトリ
ックオーディオ発生器。
【請求項２３】前記補償手段が、（ａ）想定した距離、
（ｂ）空中の湿度、（ｃ）温度、（ｄ）被変調キャリア
の振幅のうちの少なくとも１つに基づいて補償を行う超
音波イコライザーであることからなる請求項２２の発生
器。
【請求項２４】聞き手までの距離を決定するための手段
をさらに含む請求項２３の発生器であって、前記補償手
段が、該距離を決定する手段に応答し、それに基づいて
補償レベルを決定すること。
【請求項２５】温度と空中の湿度の少なくとも１つを検
出するための手段をさらに含む請求項２３の発生器。
【請求項２６】（ａ）キャリアを供給する超音波信号源
と、（ｂ）オーディオ信号源と、（ｃ）前記キャリアを前記オーディオ信号で変調するた
めの手段と、（ｄ）ある出力レベルで超音波信号を放射するための超
音波トランスデューサと、（ｅ）前記被変調キャリアを前記トランスデューサに与
えるための手段と、（ｆ）聞き手が危険な出力レベルを受けないようにする
ために、前記トランスデューサの出力を制御するための
手段とからなるパラメトリックオーディオ発生器。
【請求項２７】聞き手が危険な出力レベルを受けないよ
うにするための前記手段が、（ａ）前記トランスデューサと聞き手との間の距離を決
定するための手段と、（ｂ）前記決定した距離に基づいて前記出力レベルを制
御するための手段とからなる請求項２６の発生器。
【請求項２８】オーディオ信号を、選択した場所に選択
的に送信する方法であって、該方法が、（ａ）超音波キャリアを少なくとも１つのオーディオ信
号で変調するステップであって、被変調キャリアのすべ
ての成分が、人間の聴覚システムが応答する範囲を超え
る周波数を有するように、該キャリアの周波数が十分高
いことからなる、ステップと、（ｂ）前記被変調キャリアを含むビームを前記場所に向
けて送るステップであって、これによって、前記オーデ
ィオ信号が、その場所から発せられたかのようにみえる
か、またはその場所に限定されることからなる、ステッ
プとからなること。
【請求項２９】前記キャリアが、機械共振周波数を有す
る少なくとも１つの容量性の超音波トランスデューサに
よって生成されることからなり、さらに、前記トランス
デューサの容量に結合されたインダクタを備える駆動手
段によって少なくとも１つのトランスデューサを駆動し
て、該トランスデューサの機械共振に相当する電気共振
を提供するステップを含む請求項２８の方法。
【請求項３０】前記見かけ上の発信源が移動する場所を
有し、さらに、（ａ）前記見かけ上の発信源の位置を追跡するステップ
と、（ｂ）それに応答して、前記ビームを前記移動する場所
に向けて送るステップとからなる請求項２８の方法。
【請求項３１】少なくとも１つの映像を前記移動する場
所に連続して送り、それによって、前記オーディオ信号
が、前記少なくとも１つの映像から発せられるかのよう
にみせるステップをさらに含む、請求項３０の方法。
【請求項３２】超音波エネルギーを吸収しまたは拡散的
に反射すると共に、オーディオエネルギーを反射する表
面を、見かけ上の発信源として利用し、それによって、
前記見かけ上の発信源から比較的無指向性のオーディオ
信号源を生成するステップをさらに含む請求項２８の方
法。
【請求項３３】（ａ）オーディオエネルギーを鏡面もし
くは鏡面のように反射し、または拡散的に反射する表面
を、見かけ上の発信源として利用するステップと、（ｂ）前記見かけ上の発信源の向きを変えて、前記反射
されたオーディオエネルギーを所望の場所に導くステッ
プとからさらになる請求項２８の方法。
【請求項３４】オーディオ信号を選択された場所に選択
的に送信する方法であって、該方法が、（ａ）超音波キャリアを少なくとも１つのオーディオ信
号で変調するステップと、（ｂ）前記被変調キャリアを含むビームを前記場所に向
けて送り、それによって、前記オーディオ信号が、その
場所から発せられるようにみえるか、またはその場所に
限定されることからなる、ステップと、（ｃ）復調効率を高めるために、前記場所の近傍の少な
くとも１つの大気条件を制御するステップとからなるこ
と。
【請求項３５】温度及び湿度のうちの少なくとも１つを
制御することからなる請求項３４の方法。
【請求項３６】微粒子状の物質を、前記見かけ上の発信
源の近傍、または、ビームを生成するトランスデューサ
の近傍に導入することからなる請求項３４の方法。
【請求項３７】オーディオ信号を選択された場所に選択
的に送信する方法であって、該方法が、（ａ）超音波キャリアを少なくとも１つのオーディオ信
号で変調するステップと、（ｂ）前記被変調キャリアを含むビームを前記場所に向
けて送り、それによって、前記オーディオ信号が、その
場所から発せられるようにみえるか、またはその場所に
限定されることからなる、ステップと、（ｃ）拡声器を設けるステップと、（ｄ）前記拡声器によって前記オーディオ信号の低周波
数成分が再生されるようにするステップとからなるこ
と。
【請求項３８】前記キャリアが可聴振幅を有することか
らなり、さらに、前記可聴振幅を調整して、変調度を所
望レベルの近くに維持するステップを含む、請求項２８
の方法。
【請求項３９】前記所望レベルが１である請求項２８の
方法。
【請求項４０】前記オーディオ信号の振幅の減少に応答
して、少なくとも前記キャリアの送信を低減するステッ
プをさらに含む請求項２８の方法。
【請求項４１】オーディオ信号を送信する方法であっ
て、該方法が、（ａ）超音波キャリア信号をオーディオ信号で変調する
ステップと、（ｂ）前記被変調キャリアを、超音波信号としてある出
力レベルで放射するステップと、（ｃ）前記放射される超音波信号の大気中の伝搬によっ
て生じる歪みを補償するステップとからなること。
【請求項４２】前記補償が、（ａ）想定した距離、
（ｂ）空中の湿度、（ｃ）被変調キャリアの振幅のうち
の少なくとも１つに基づくことからなる請求項４１の方
法。
【請求項４３】聞き手までの距離を決定するステップを
さらに含む請求項４１の方法であって、補償が決定され
た距離に基づくこと。
【請求項４４】オーディオ信号を送信する方法であっ
て、該方法が、（ａ）超音波キャリア信号をオーディオ信号で変調する
ステップと、（ｂ）前記被変調キャリアを、超音波信号としてある出
力レベルで放射するステップと、（ｃ）聞き手が危険な出力レベルを受けないようにする
ために、超音波信号を制御するステップとからなるこ
と。
【請求項４５】聞き手が危険な出力レベルを受けないよ
うにするための前記ステップが、（ａ）前記トランスデューサと聞き手との間の距離を決
定するステップと、（ｂ）前記決定した距離に基づいて前記出力レベルを制
御するステップとからなる請求項４４の方法。
【請求項４６】オーディオ信号を、音響的に隔離された
領域に選択的に送信する方法であって、該方法が、（ａ）複数の超音波キャリアの各々を少なくとも１つの
オーディオ信号で変調するステップであって、被変調キ
ャリアのすべての成分が、人間の聴覚システムが応答す
る範囲を超える周波数を有するように、該キャリアの周
波数が十分高いことからなる、ステップと、（ｂ）前記被変調キャリアが選択された領域で交差する
ように該キャリアを送信するステップであって、前記被
変調キャリアのうちの１つのキャリアの復調によって得
られるオーディオレベルよりも十分に高いレベルを有す
る被復調オーディオ信号を得ることができるような結合
強度を、前記キャリアが前記選択された領域において有
しており、それによって、前記オーディオ信号が前記選
択された領域から発せられることからなる、ステップと
からなること。
【請求項４７】所望の場所で交差させるために、前記被
変調キャリアを移動させることによって前記領域を移動
させるステップをさらに含む請求項４６の方法。