專利名稱：聲外差設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮波的發(fā)生。具體地說，本發(fā)明涉及一種用于在新型壓縮波發(fā)生源在不使用直接輻射元件情況下間接生成一個(gè)新型聲或次聲壓縮波的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
聲波通常是空氣或水分子的波狀運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@些介質(zhì)是彈性的，并且通常是均勻的，故自然發(fā)生的聲從發(fā)生源開始沿所有方向輻射狀傳播。舉例來說，一種樂器或撞擊聲以統(tǒng)一完整的形式全方向地輻射，其中載有倍頻、泛音和動(dòng)態(tài)全波段，它們共同對(duì)人耳提供瞬時(shí)聲感覺。當(dāng)在健康人耳的自然發(fā)聲源的這種感覺相當(dāng)于在聲的超始點(diǎn)存在的相同的發(fā)聲內(nèi)容時(shí)，就認(rèn)為它是“純”的。
因?yàn)槁暿墙橘|(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的一種瞬變暫時(shí)狀態(tài)，故它不是自持的。的確，根據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律的要求，聲將其運(yùn)動(dòng)最終消耗成熱或其它形式能量。因此，如果希望存儲(chǔ)或保存聲，則需要把這種運(yùn)動(dòng)變成一種固定形式的記錄。然后通過把固定形式的記錄轉(zhuǎn)換回到聲波，能恢復(fù)這種固定形式的記錄。
在最早的記錄經(jīng)驗(yàn)中，通過聲波沖擊，移動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以便在板上刻上或蝕刻一個(gè)相應(yīng)槽。通過在一組運(yùn)動(dòng)中的槽上安置一個(gè)針或其它跟蹤設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)初始聲波的粗糙再現(xiàn)。已開發(fā)出一些比較成熟的技術(shù)，它們能夠用磁、電和光介質(zhì)之類的其它固定形式俘獲聲波。盡管如此，但不論是用機(jī)械機(jī)構(gòu)還是用數(shù)字控制的激光閱讀設(shè)備來產(chǎn)生響應(yīng)，都把相同的聲再現(xiàn)原理用于恢復(fù)這種存儲(chǔ)的信息。特別是，通過重新產(chǎn)生物體的運(yùn)動(dòng)，使所存儲(chǔ)的信號(hào)轉(zhuǎn)換回到聲波，然后使周圍空氣開始進(jìn)行相應(yīng)于聲再現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)代聲學(xué)的一個(gè)主要目的是根據(jù)把電、磁、機(jī)械或光記錄轉(zhuǎn)換成能夠在人耳檢測的壓縮波，再現(xiàn)純聲。理想的系統(tǒng)可通過一個(gè)與當(dāng)初產(chǎn)生聲音的設(shè)備不相上下的共振設(shè)備，重放全部原始聲音。換句話說，小提琴聲可通過再生諧音和代表該樂器的天數(shù)的其它動(dòng)態(tài)影響的小提琴來重放。同樣，短笛聲可通過產(chǎn)生與這種樂器有關(guān)的高頻、諧振特征和諧音的設(shè)備來重放?？傊?，如果用一個(gè)不能體現(xiàn)樂器或聲音獨(dú)特特征的機(jī)械波發(fā)生設(shè)備去激勵(lì)聲再現(xiàn)，則人們不能期望一個(gè)中提琴聽起來象“純”形式的中提琴。因此，看來是，再現(xiàn)原“純”質(zhì)量聲的唯一實(shí)用方法是隔離每個(gè)樂器或聲源，記錄其聲輸出，然后把輸出再現(xiàn)成相同樂器或聲諧振器。顯然，這樣一種解決方案總體看來是不實(shí)用的。
在現(xiàn)實(shí)世界中，已用揚(yáng)聲器應(yīng)付再現(xiàn)聲的挑戰(zhàn)。在說明諸因素的相互作用時(shí)，音響揚(yáng)聲器的工作是比較容易了解的。揚(yáng)聲器是一種換能器，它接收一咱形式的能量(代表聲的電信號(hào))，并且把該能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量(機(jī)械振動(dòng))。在動(dòng)態(tài)音響揚(yáng)聲器中，通過連接于剛性膜或圓錐體上的線圈發(fā)送一個(gè)正比于要廣播的信號(hào)的強(qiáng)度和頻率的電流。線圈移動(dòng)于一個(gè)永久磁鐵內(nèi)，并且磁場把一個(gè)正比于電流的力作用于線圈上。線圈及其所固定的膜的振動(dòng)在其周圍空氣中產(chǎn)生聲波。簡言之，到現(xiàn)在為止，聲的再現(xiàn)是需要膜或板的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的。指望一個(gè)單膜或板準(zhǔn)確地提供短笛的尖銳聲和基鼓的深沉諧振的確是要求過高的。
然而，重要的是要指出，當(dāng)交晌樂現(xiàn)場演出會(huì)的聽眾聽到這種寬波段的聲時(shí)，他以一種完整方式收聽，把它當(dāng)作具有無數(shù)頻率和振幅的聲波的“統(tǒng)一”組合。這種復(fù)雜的陣列通過空氣從其原始源敏感地傳播到人耳，人耳完全能夠把全部感受傳送到人腦。確實(shí)，全波段的可聽信號(hào)(20至20000Hz)是按統(tǒng)一感受處理的，并且包括次聲低頻振動(dòng)的效果以及其它影響其余感覺的頻率振動(dòng)。
指出下述情況也是重要的這種到達(dá)人耳的相同“純”聲能夠用一個(gè)話筒來檢測，從而可在一個(gè)磁帶或高密度磁盤之類的固定介質(zhì)上進(jìn)行記錄。雖然話筒膜可能不具備人耳的靈敏度，但現(xiàn)代技術(shù)完全能夠在有效地俘獲記錄信號(hào)內(nèi)的全波段聲感受方面獲得成功。例如，不需要提供單獨(dú)的話筒去記錄低和高波段頻率。而話筒象耳鼓一樣，用其精細(xì)感覺膜按照統(tǒng)一聲波陣列來俘獲全音頻譜，并且作為復(fù)合信號(hào)來記錄它們，然后能夠把復(fù)合信號(hào)記錄在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)上。
因此，很明顯，話筒不是“純”聲有效存儲(chǔ)和其后再現(xiàn)的主要限制。而準(zhǔn)確聲再現(xiàn)的挑戰(zhàn)是來自企圖把話筒的輸出通過一個(gè)機(jī)械揚(yáng)聲器變成壓縮波。因此，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高質(zhì)量統(tǒng)一聲系統(tǒng)的工作重點(diǎn)一直是開發(fā)一種能夠響應(yīng)高、中和低波段頻率的復(fù)合揚(yáng)聲陣列，通過組合適當(dāng)?shù)闹C振腔和聲耦合設(shè)備去產(chǎn)生比較接近原聲感受的模擬。
這種改進(jìn)聲再現(xiàn)的追求包括研究涉及下列事項(xiàng)的問題(a)補(bǔ)償揚(yáng)聲器振膜的質(zhì)量，(b)封閉式揚(yáng)聲器內(nèi)空氣的阻力，(c)揚(yáng)聲器諧振腔的配置(d)在高與低頻之間的方向差異，(e)低對(duì)高頻波列的相變，(f)把揚(yáng)聲器元件耦合于周圍空氣的困難，和(g)喪失諧波和次音。此外，這些事項(xiàng)只是代表與借助直接輻射實(shí)體揚(yáng)聲器重建聲波有關(guān)的一些問題。
只是作為這些問題之一的一個(gè)實(shí)例，把怎樣克服揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量問題列為挑戰(zhàn)問題。顯然，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器和振膜的目的是，通過形成一個(gè)波列的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一系列的壓縮波，初始設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是，由于揚(yáng)聲器質(zhì)量本身內(nèi)的慣性而補(bǔ)償揚(yáng)聲器響應(yīng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力。然而，在揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器被置于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以后，質(zhì)量會(huì)尋求保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)過度，從而需要進(jìn)一步補(bǔ)償延遲的響應(yīng)，以反轉(zhuǎn)其運(yùn)動(dòng)方向。這種質(zhì)量與慣性的抵觸在揚(yáng)聲器力圖產(chǎn)生一個(gè)在所接收電信號(hào)中體現(xiàn)的原始聲波的復(fù)雜陣列時(shí)，可循環(huán)每秒幾千次。
為了應(yīng)付補(bǔ)償質(zhì)量的困難，以及眾多的其它實(shí)際問題，同開發(fā)發(fā)聲的不同概念相反，揚(yáng)聲器的開發(fā)已主要集中于改進(jìn)材料和部件。已修正和改進(jìn)膜，錐體結(jié)構(gòu)材料，技術(shù)和設(shè)計(jì)，懸置件，電機(jī)單元，磁鐵，包殼和其它因素。盡管如此，但往復(fù)質(zhì)量的基本用途仍然未變，而任憑電能被轉(zhuǎn)換成聲輸出的效率低于5％。
靜電式揚(yáng)聲器代表一種不同的方法體系。與帶有圓錐形膜的動(dòng)電式揚(yáng)聲器不同，靜電式揚(yáng)聲器使用一種導(dǎo)電薄膜。在膜板周圍有一個(gè)或多個(gè)固定網(wǎng)。當(dāng)把信號(hào)電壓加到這些元件上時(shí)，所產(chǎn)生的靜電力使膜振動(dòng)。這種低質(zhì)量膜特別適合用作高頻輻射元件，并且能把它的工作通過利用足夠大的輻射面積而擴(kuò)大到較低的頻率。
雖然靜電揚(yáng)聲器可提供一些優(yōu)點(diǎn)，但它們體積大，成本高，效率低，并且有缺乏點(diǎn)源輻射聲的缺點(diǎn)。例如，由話筒以局部的或近似的點(diǎn)源實(shí)現(xiàn)聲檢測。為了把檢測聲轉(zhuǎn)換成一個(gè)非點(diǎn)源，例如一個(gè)大靜電膜，可以建立人造的聲再現(xiàn)。具體來說，一個(gè)5英尺高的輻射靜電揚(yáng)聲器在模擬一種小得多的短笛或小提琴的精密空間圖象的能力方面受到了限制。
音響揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)方面的另一問題是，低頻輻射元件的最佳質(zhì)量和尺寸根本不同于高頻的情況。一般通過對(duì)音響揚(yáng)聲器系統(tǒng)的每個(gè)聲道提供低音喇叭和高音喇叭輻射元件，來解決這一問題。但這種設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是很不合乎需要的。因?yàn)?i)高頻信號(hào)從高音喇叭錐面?zhèn)鞑サ绞章犝叩木嚯x較短，而(ii)低頻信號(hào)從喇叭或低音揚(yáng)聲器傳播到收聽者的耳朵的路徑要長得多，從而使時(shí)間延遲上的差異引入相移，相移可達(dá)相位差百分之幾千的范圍。
初步列舉上述揚(yáng)聲器技術(shù)，以強(qiáng)調(diào)在把聲存儲(chǔ)形式變成能夠再現(xiàn)其原始形式聲的壓縮波方面的歷史困難。盡管如此，但現(xiàn)有技術(shù)實(shí)際上已按照需要用揚(yáng)聲機(jī)之類的機(jī)械系統(tǒng)再現(xiàn)可聽聲的概念統(tǒng)治達(dá)60年之久。顯然，很需要提供一種采用不同方法再現(xiàn)聲的裝置，避免為了發(fā)生而選擇移動(dòng)振膜或揚(yáng)聲器所出現(xiàn)的許多困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之一個(gè)目的在于提供一種用于從一個(gè)空氣區(qū)間接地發(fā)射新聲和次聲波列的方法和設(shè)備，不用直接輻射元件去發(fā)射波列。
另一個(gè)目的在于間接地生成至少一個(gè)新的聲或次聲波列，方法是利用在具有等于至少一個(gè)新的聲或次聲波列的不同頻率的至少兩個(gè)超聲信號(hào)之間干涉的副產(chǎn)物。
又一個(gè)目的在于按照聲外差原理使至少兩個(gè)超聲波列產(chǎn)生相互作用，借此從相干波列抽取信息。
又一個(gè)目的在于間接地生成一些新的聲或次聲波列，方法是用調(diào)幅把它們和一個(gè)超聲載波組合起來，從一個(gè)超聲換能器放射組合信號(hào)，在載體與另一超聲頻率波列之間引起干涉，借此建立新的聲或次聲波列。
又一個(gè)目的在于利用間接產(chǎn)生的壓縮波去影響活動(dòng)物體的物理狀態(tài)。
又一個(gè)目的在于利用至少兩個(gè)不可感覺的壓縮波產(chǎn)生一個(gè)人體感官可感覺的新的壓縮波而不用直接傳播新壓縮波。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于產(chǎn)生一個(gè)新的聲或次聲波列，而不必克服常規(guī)直接輻射元件的質(zhì)量及其有關(guān)的慣性限制。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于產(chǎn)生一個(gè)新的聲或次聲波列，而不引入常規(guī)直接輻射元件所固有的其它畸變或不需要的諧波。
又一個(gè)目的在于通過把至少兩個(gè)超聲波列射入諧振腔，而從諧振腔內(nèi)間接地產(chǎn)生和增強(qiáng)一個(gè)新的聲或次聲波列。
又一個(gè)目的在于全方向地產(chǎn)生一個(gè)高頻波列，借此避免常規(guī)音響揚(yáng)聲器通常具有的高頻信號(hào)發(fā)射的高度集中性和方向性。
又一個(gè)目的在于產(chǎn)生一個(gè)在局部區(qū)域的新的聲或次聲波列，而不必耦合于相關(guān)的環(huán)境或封閉體，這在其它情況下會(huì)引起不希望地播放聲或次聲波列。
又一個(gè)目的在于產(chǎn)生一個(gè)新的聲或次聲波列，其中，直接輻射元件的特征不限制新的聲或次聲波列的特征。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于仿真一個(gè)對(duì)于象話筒之類的近似點(diǎn)源檢測設(shè)備來說是典型的聲波檢測過程，而不必在檢測位置提供物理檢測設(shè)備。
另一個(gè)目的在于通過操縱至少兩個(gè)超聲頻率波列的相互作用程度，控制新聲或次聲波列的音量。
又一個(gè)目的在于按照聲外差原理，作為對(duì)從進(jìn)入一個(gè)空氣區(qū)的單獨(dú)超聲換能器發(fā)射的單獨(dú)超聲波列進(jìn)行調(diào)制的副產(chǎn)物，從該空氣區(qū)發(fā)射一個(gè)新的聲或次聲波列。
在一個(gè)間接產(chǎn)生新的聲或次聲波列的系統(tǒng)中實(shí)施本發(fā)明。在一個(gè)實(shí)施例中，新的聲或次聲波列是從至少兩個(gè)超聲波列的一個(gè)干涉區(qū)發(fā)射的，而這兩個(gè)波列是從至少兩個(gè)超聲換能器發(fā)射的。其工作原理基于把可恢復(fù)信息載入一個(gè)超聲載波中。作為超聲載波列與另一超聲波列相干的合乎需要的副產(chǎn)物，恢復(fù)信息。按照本發(fā)明人視為“聲外差”的原理，在一個(gè)非線性區(qū)內(nèi)使諸超聲波列相干，并借此產(chǎn)生包括兩個(gè)超聲波列的差與和的副產(chǎn)物。
一個(gè)容易說明聲外差原理的系統(tǒng)包括兩個(gè)超聲頻率換能器，它們被定向成在諸發(fā)射超聲波列之間引起相干。當(dāng)兩個(gè)超聲波列之間的頻率差處于聲或次聲頻率范圍時(shí)，就產(chǎn)生頻率差，以此作為從外差干涉區(qū)內(nèi)向外發(fā)射的一個(gè)新的可聽的聲波或新的次聲波列。
該系統(tǒng)的一個(gè)不同的實(shí)施例提供的優(yōu)點(diǎn)包括只有一個(gè)超聲直接輻射元件。該優(yōu)點(diǎn)不但可降低硬件數(shù)量，而且可理想地對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)相干超聲波列，因?yàn)樗鼈兪菑耐惠椛湓l(fā)射的。實(shí)際上，新的聲或次聲波列被視作是直接從超聲發(fā)射器產(chǎn)生的。如果超聲發(fā)射體本身不能產(chǎn)生聲或次聲頻率不是必然的結(jié)論，加上不是直接從發(fā)射體發(fā)聲的可聽證據(jù)，則人們可能產(chǎn)生誤解。
第一實(shí)施例的重要意義在于它按照聲外差原理，提供一種由于兩個(gè)超聲波列之間干涉的結(jié)果而產(chǎn)生一個(gè)新的聲或次聲波列的概念。在本質(zhì)上，容易看出，兩個(gè)超聲波列來自兩個(gè)超聲發(fā)射體。然而，由這個(gè)第一實(shí)施例提供的聲外差原理可為理解第二實(shí)施例如何操作的方式作好準(zhǔn)備。很明顯，在了解諸波列在空間相干時(shí)，適用相同的聲外差原理。
本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵方面是發(fā)現(xiàn)通過把聲或次聲信息迭加到一個(gè)超聲載波上，能夠把這種信息恢復(fù)成一種新的聲或次聲波列。是從兩個(gè)發(fā)射體還是從一個(gè)單獨(dú)發(fā)射體產(chǎn)生超聲波列，其效果是相同的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是間接產(chǎn)生新的壓縮波，而不必克服常規(guī)直接輻射元件的質(zhì)量所固有的問題及其慣性的相關(guān)限制。本發(fā)明可避免用直接輻射元件作新的壓縮波源，以便從一個(gè)空氣區(qū)可直接產(chǎn)生所希望的聲，并且沒有全與直接輻射揚(yáng)聲器有關(guān)的幾種形式的畸變。
有助于利用本發(fā)明的另一個(gè)方面是了解傳輸介質(zhì)的性質(zhì)。更準(zhǔn)確地說，其中有聲外差影響的空氣區(qū)被稱作傳輸介質(zhì)。眾所周知，空氣傳輸介質(zhì)提供一種用于傳播聲波的彈性介質(zhì)。因此，現(xiàn)有技術(shù)研究已把空氣當(dāng)作一種聲再現(xiàn)過程的無源元件。空氣只是等待由壓縮波來移動(dòng)。
因此，當(dāng)空氣具有非線性特點(diǎn)時(shí)，還很少把實(shí)際注意力投向空氣的性質(zhì)。在過去，這種非性線多半已被視為一種準(zhǔn)確聲再現(xiàn)的障礙。這是因?yàn)楸緦I(yè)技術(shù)人員知道，在極端條件下，空氣分子是越來越不能跟隨壓縮波的運(yùn)動(dòng)，例如振膜產(chǎn)生的波動(dòng)。因此，研究的趨勢一直是避免非線性條件。
相反，為了實(shí)現(xiàn)所需的外差效應(yīng)，本發(fā)明看來偏愛非線性傳輸介質(zhì)的存在。
雖然當(dāng)壓縮波通過空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣本質(zhì)上是非線性的，但非線性的程度相對(duì)來說是不可觀測的或不重要的。然而，當(dāng)發(fā)射超聲壓縮波以致于在空氣中相干時(shí)，其非線性引起一個(gè)意外和未預(yù)期的結(jié)果，這會(huì)解釋成或看成是聲外差效應(yīng)或過程。
本發(fā)明引用各式各樣的技術(shù)和方面，它們有時(shí)看成是無關(guān)的課題。發(fā)明的這些方面包括1)間接產(chǎn)生一個(gè)新的聲、次聲或超聲壓縮波；2)把信息疊置在超聲載波上，并且把信息恢復(fù)成間接產(chǎn)生的壓縮波；3)使至少兩個(gè)超聲壓縮波在空氣中相互作用，并且利用干涉的副產(chǎn)物；4)利用聲外差原理間接地產(chǎn)生新的壓縮波；5)從一個(gè)比較小質(zhì)量的輻射元件產(chǎn)生新的壓縮波，以避免常規(guī)直接輻射元件的畸變和不希望的諧波；6)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)物體的一種物理狀態(tài)，這是通過產(chǎn)生一些與它靠得很近的次聲頻率得到的；7)產(chǎn)生聲的一個(gè)近似點(diǎn)源，它在整個(gè)音頻譜范圍內(nèi)是相位相干的；8)消除聲重放或播放中的失真；9)消除從直接輻射元件發(fā)射高頻壓縮波所固有的“聚束”現(xiàn)象；10)產(chǎn)生一個(gè)與直接輻射元件特征無關(guān)的新聲或次聲壓縮波；和11)在檢測位置不使用直接檢測設(shè)備檢測聲。
應(yīng)能記得，本發(fā)明的全部這些方面都可能不使用揚(yáng)聲器或其它形式的直接輻射結(jié)構(gòu)。此外，這些聲或次聲頻率是以絕對(duì)不失真的方式和通常在全向方位產(chǎn)生的。驚人的結(jié)果是能夠重新產(chǎn)生“純”聲，“純”聲具有與在一個(gè)話筒或其它記錄系統(tǒng)中原始俘獲聲時(shí)相同的形式。
從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述考慮中，本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)清楚地了解本發(fā)明的這些和其它一些目的、特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和方面。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)音響揚(yáng)聲器系統(tǒng)部件的框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例原理建造的間接壓縮波發(fā)生系統(tǒng)的部件框圖。
圖3是利用包括聲外差干涉效應(yīng)的圖2設(shè)備的間接和新的壓縮波的發(fā)生的說明圖。
圖4是間接壓縮波發(fā)生系統(tǒng)部件的框圖。
圖5A是曲線圖，說明隨著聲振幅或強(qiáng)度的增加，空氣是怎樣響應(yīng)逐漸增加的非線性的。
圖5B是曲線圖，說明空氣非線性地響應(yīng)于具有一定頻率和振幅的特定信號(hào)的時(shí)間。
圖6A是間接壓縮波發(fā)生系統(tǒng)部件的框圖。
圖6B是圖6A的一個(gè)替代實(shí)施例。
圖7是超聲頻率換能器的替代配置，用于間接產(chǎn)生壓縮波。
圖8是用于間接產(chǎn)生壓縮波的超聲頻率換能器的另一替代配置。
圖9是諧振腔的說明圖，其中從兩個(gè)換能器發(fā)射兩個(gè)超聲頻率信號(hào)。
圖10是諧振腔的說明圖，其中從一個(gè)換能器發(fā)射的兩個(gè)超聲頻率信號(hào)。
圖11是助聽器和頭戴耳機(jī)圖，其中人耳道是諧振腔。
圖12是框圖，說明用于檢測聲的本發(fā)明。
圖13是一個(gè)為改進(jìn)聲效果而提供超聲頻率信號(hào)反射的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照諸附圖，其中用標(biāo)號(hào)標(biāo)出本發(fā)明的各元件，并且其中討論本發(fā)明，使本專業(yè)的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。
本發(fā)明顯著偏離目前本領(lǐng)域狀態(tài)的教導(dǎo)。通常認(rèn)為產(chǎn)生壓縮波是一個(gè)直接的過程。把直接過程看成是使輻射元件10以所要求的頻率振動(dòng)，如圖1所示。通常用圖1的系統(tǒng)在人聽力范圍上、下，直接產(chǎn)生可聽和不可聽的壓縮波。因此，常規(guī)壓縮波發(fā)生系統(tǒng)包括一個(gè)可以是任何動(dòng)態(tài)的、靜電的或其它直接的輻射元件的揚(yáng)聲器元件10，和一個(gè)象信號(hào)發(fā)生器或放大器之類的信號(hào)源12。信號(hào)源12提供一個(gè)代表壓縮波的電信號(hào)，壓縮波具有一個(gè)特定頻率或一些特定頻率，揚(yáng)聲器元件10以此特定頻率振動(dòng)，以產(chǎn)生壓縮波14。
為了改善來自例如圖1所示的聲再現(xiàn)系統(tǒng)的聲質(zhì)量，本專業(yè)技術(shù)人員目前在注視著改善音響揚(yáng)聲器10之類的物理輻射元件的方法。音響揚(yáng)聲器10起換能器的作用，試圖通過把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓縮波14，對(duì)以模擬格式或最好以數(shù)字格式記錄的聲進(jìn)行準(zhǔn)確的再現(xiàn)。因此，生成壓縮波此前一直是一個(gè)如上所述的直接過程。通過一個(gè)以用于驅(qū)動(dòng)的一個(gè)頻率或一些頻率振動(dòng)的物理輻射元件，直接產(chǎn)生所用再現(xiàn)的聲。這種振動(dòng)通常驅(qū)動(dòng)一個(gè)音響揚(yáng)聲器圓錐體或振膜，它產(chǎn)生人耳能夠聽到的壓縮波，這時(shí)頻率處于每秒20至20000周的范圍。例如，如果振膜以每秒1500周振動(dòng)，就產(chǎn)生一個(gè)1500Hz的可聽音。
在進(jìn)一步進(jìn)行描述之前，定義一些此后使用的術(shù)語是有幫助的?！靶盘?hào)源”通用地指的是一個(gè)“信號(hào)發(fā)生器”或“放大器”，它可提供代表要從揚(yáng)聲器發(fā)射的壓縮波的電信號(hào)。術(shù)語“揚(yáng)聲器”通用地指的是術(shù)語“換能器”、“發(fā)射體”、“音響揚(yáng)聲器”、“振膜”、“物理輻射元件”、或“直接輻射元件”，它把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)產(chǎn)生壓縮波的機(jī)械振動(dòng)。術(shù)語“壓縮波”通用地指的是術(shù)語“聲波”、“縱波”和“波列”，它們是通過一個(gè)象空氣之類的傳輸介質(zhì)傳播的聲、次聲和超聲波。
本發(fā)明以優(yōu)選實(shí)施例方式提供一種用于間接生成新壓縮波的方法和設(shè)備。間接生成指的是在新壓縮波生成源沒有直接輻射元件。意外地是，不存在以新生成的壓縮波頻率振動(dòng)的物理輻射元件。代之以，使空氣分子以所要求的聲、次聲或超聲頻率振，借此超輻射元件的作用，并且生成新的壓縮波?？諝獗旧沓蔀橹苯虞椛湓?，并且成為間接的壓縮波源。
本發(fā)明最關(guān)心聲和次聲頻率這兩者。這主要由于難以直接生成這些不失真的頻率。相反，能夠以大得多的精度和較小的失真生成這些頻率正是超聲頻率的特性。這是因?yàn)槠漭椛湓ǔＪ切矢?，尺寸小的質(zhì)量小。因此，超聲輻射元件不遭受象常規(guī)揚(yáng)聲器一樣的失真原因或一樣的失真程度。雖然，應(yīng)能想起，本發(fā)明能夠以超聲、聲或次聲頻率間接地生成新的壓縮波，但現(xiàn)在的焦點(diǎn)在于針對(duì)音樂、話音和全部其它形式聲的再現(xiàn)來進(jìn)行更有效的應(yīng)用。
為了生成一個(gè)新的壓縮波，本發(fā)明1)利用至少兩個(gè)超聲信號(hào)，2)把一個(gè)期望的聲或次聲信號(hào)疊加到一個(gè)或兩個(gè)超聲信號(hào)上，3)從至少一個(gè)超聲發(fā)射體發(fā)射超聲信號(hào)，4)使超聲信號(hào)按照聲外差原理相干，和5)從超聲壓縮波的外差干涉區(qū)中生成一個(gè)新的壓縮波。
可立即看出這種安排的優(yōu)點(diǎn)。例如，超聲部件的波不以可知覺的形式碰撞人耳，從而是不分心的。因此，只有期望的新壓縮波由聽者感知，并且呈現(xiàn)一種能夠重建更理想聲再現(xiàn)的原始動(dòng)態(tài)的形式。
最好參照圖2來理解本發(fā)明的引入。下面根據(jù)這種初始討論的原則，說明其它一些優(yōu)選實(shí)施例。
如圖2所示，按第一實(shí)施例完成間接壓縮波生成。系統(tǒng)的基本元件包括至少兩個(gè)超聲聲換能器20，一個(gè)超聲信號(hào)源22，一個(gè)用于組合信號(hào)的裝置24，和一個(gè)送住組合信號(hào)裝置的輸入26，用于提供一個(gè)要疊加于載波信號(hào)上的信號(hào)。超聲信號(hào)源22還充當(dāng)一個(gè)用于對(duì)從至少兩個(gè)超聲聲換能器20發(fā)射的信號(hào)的頻率進(jìn)行控制的裝置。虛線28表示，在這個(gè)第一實(shí)施例中，換能器20的方位是共軸的。
上述設(shè)備能夠按所述起作用，是因?yàn)閴嚎s波30，32按照聲外差原理(本發(fā)明人選擇的描述該效應(yīng)的詞組)在空氣中干涉。聲外差頗象發(fā)生于非線性電路中的電外差效應(yīng)的機(jī)械對(duì)應(yīng)者。例如，電路中的調(diào)幅是一個(gè)外差過程。外差過程本身只是產(chǎn)生兩個(gè)新波。新波是兩個(gè)基波之和與差。
在聲外差方面，當(dāng)至少兩個(gè)超聲壓縮波在空氣中相互作用或相干時(shí)，觀察到發(fā)生一些等于基波之和與差的新波。目前，只在兩個(gè)基波都是超聲波，從而通常高于20KHz時(shí)，才觀察到聲外差。
本發(fā)明的優(yōu)選傳輸介質(zhì)是空氣，因?yàn)樗强梢栽诓煌穹路蔷€性地響應(yīng)的可高度壓縮的介質(zhì)。這種空氣非線性使外差過程能夠在不使用電路情況下發(fā)生。然而，應(yīng)能想起，任何可壓縮流體，如果需要，皆可起傳輸介質(zhì)的作用。
圖3說明，由于意外發(fā)現(xiàn)兩個(gè)超聲波列30，32在相干時(shí)在空氣之類的非線性聲傳輸介質(zhì)中經(jīng)歷一種形式的聲外差效應(yīng)，故有可能間接地生成一個(gè)新的壓縮波。在區(qū)域34中，隨著振幅和頻率的增加，空氣會(huì)越來越非線性地響應(yīng)，隨著壓縮波30，32互相干涉，區(qū)域34會(huì)擴(kuò)大。
如上所述，聲外差效應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生兩個(gè)新的壓縮波超聲壓縮波30，32之和與差。和是一種意義不大的超聲波，從而未示出。而差可以是聲或次聲，故作為壓縮波36示出，它通常從干涉區(qū)34全方向地發(fā)射。新波的形狀通常由干涉區(qū)34的形狀決定。在此說明中，區(qū)域34通常是圓柱形的，如果以三維表示，則如圖所示。然而區(qū)域34的形狀可以修正，以產(chǎn)生期望的效應(yīng)。此外，相對(duì)的和通常共軸的壓縮波30，32的這個(gè)圖不應(yīng)認(rèn)為是描述波能夠具有的唯一方位。
值得在進(jìn)一步描述之前指出，已從實(shí)驗(yàn)方面證實(shí)聲外差效應(yīng)。其證據(jù)在于事實(shí)產(chǎn)生至少一個(gè)新波。通過直接可聽聲檢測以及用音頻譜分析器測量頻率，可證實(shí)新的聲或次聲壓縮波36。然而，和直接可聽聲檢測不同，兩個(gè)頻率之和只能通過使用一臺(tái)象音頻譜分析器之類的儀器進(jìn)行測量來核實(shí)。已測量了和與差這兩者，以核實(shí)這些預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度。
如所推斷，本發(fā)明所關(guān)心的特殊聲外差效應(yīng)是一個(gè)超聲波列相對(duì)于另一個(gè)超聲波列之差或頻率相減?？紤]一個(gè)具體實(shí)例，它明顯地提供在聲學(xué)上外差兩個(gè)不同的超聲波30，32的結(jié)果。假設(shè)存在一個(gè)100000Hz的第一超聲頻率波列(第一基波)30。假設(shè)以100,900Hz發(fā)生一個(gè)第二超聲波列(第二基波)32。由于第一和第二超聲波列在其中一個(gè)或兩個(gè)波列有足夠大的振幅時(shí)發(fā)生相互作用，故可聽到900Hz的可聽音。由聲外差效應(yīng)引起的頻率相減可導(dǎo)致一個(gè)900Hz頻率音被生成，并且作為一個(gè)來自干涉區(qū)的新壓縮波被聽到。
單個(gè)頻率的生成只說明核心發(fā)明原理。在下述應(yīng)用中可更深入了解聲外差的潛力。例如，如果能夠產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的新單頻壓縮波，則應(yīng)能實(shí)現(xiàn)象現(xiàn)場實(shí)況音樂之類的平滑低音部增強(qiáng)的多頻信號(hào)、通過收音機(jī)或電視機(jī)接收的話音或傳輸，都能夠用本發(fā)明來放大和播放。一個(gè)袖珍式精細(xì)超聲頻率換能器能夠以完善的清晰度，按可想象的方式再現(xiàn)實(shí)況交響樂記錄的全部記錄頻率，也許甚至有接近身歷其境的感受。
回到更詳細(xì)地討論圖2的具體元件，本發(fā)明的一個(gè)重要而實(shí)用的元件是單個(gè)超聲信號(hào)源22，用于提供代表超聲頻率波列30，32的電信號(hào)。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)差(由于兩個(gè)分離信號(hào)發(fā)生器的溫度和性能的變化而可能發(fā)生的)，很可能導(dǎo)致在兩個(gè)超聲波列30，32的頻率值之間漂移。此外，因?yàn)檎窃趦蓚€(gè)超聲波列30，32之間的頻率差，成為最終關(guān)心的頻率，故重要的是要使超聲波列30，32的不希望的頻率變化減至最小。
為了消除漂移，一個(gè)單獨(dú)的超聲輸出源22要為兩個(gè)超聲波列30，32產(chǎn)生一個(gè)基頻，使波列30，32即使有漂移也會(huì)一起漂移。這種配置因此而較容易精密控制頻率差，和最終控制新壓縮波的頻率。
圖2還作為系統(tǒng)的一個(gè)部件而示出一個(gè)用于組合信號(hào)的裝置24。這個(gè)裝置執(zhí)行修改功能，它可修改一個(gè)或兩個(gè)由超聲信號(hào)源22產(chǎn)生的超聲波列30，32。這種修改包括用于組合信號(hào)的裝置24，它把第一超聲信號(hào)38與電信號(hào)40組合起來，呈現(xiàn)要生成的新壓縮波42。這組合按照第一超聲信號(hào)38與期望壓縮波42之和來確定，并且按照第二超聲信號(hào)42來傳送。
本發(fā)明組合信號(hào)38和40的方法最好通過調(diào)幅來實(shí)現(xiàn)。因此，在第一實(shí)施例中用于組合信號(hào)的裝置24是一個(gè)調(diào)幅器。圖2A說明調(diào)幅可產(chǎn)生一個(gè)具有基頻60，上邊帶62、和下邊帶64的信號(hào)。在本發(fā)明中，使用上邊帶62是因?yàn)椋硪粋€(gè)可攜帶一種變?yōu)樾隆安睢眽嚎s波的信息的不倒相信號(hào)。
顯然可以看出，如果一個(gè)變?yōu)樾聣嚎s波的電信號(hào)62被調(diào)幅到基頻60上，則超聲壓縮波30或32(無論哪個(gè)被調(diào)制)都不需要解調(diào)，以便作為新壓縮波62被聽見。圖2所示系統(tǒng)的其它元件是兩個(gè)超聲聲換能器20。這些聲換能器20被設(shè)計(jì)成以超聲頻率發(fā)射壓縮波。換能器20的實(shí)例可以是壓電器件或靜電器件，但顯然也可包括其它用于適當(dāng)頻率范圍的輻射元件。
雖然第一實(shí)施例使用一個(gè)單獨(dú)的超聲信號(hào)源22，但也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，有可能向超聲換能器20提供分別生成的電信號(hào)。圖4說明使用兩個(gè)獨(dú)立的超聲信號(hào)源44，46。這種配置的風(fēng)險(xiǎn)是頻率的漂移變成一種可能性。實(shí)際上，這個(gè)實(shí)施例還可能要求在兩個(gè)超聲信號(hào)源44，46之間有某種形式的同步。例如，一個(gè)同步控制器48可以協(xié)調(diào)兩個(gè)超聲頻率信號(hào)30，32的發(fā)射。
圖5A提供一個(gè)曲線圖，通過示出在信號(hào)的振幅與響應(yīng)于這個(gè)信號(hào)的空氣非線性之間的關(guān)系，說明聲外差原理。恢復(fù)力是空氣分子在被移動(dòng)時(shí)為返回平衡處而施加的力。如果空氣是線性，則牛頓定律會(huì)告訴我們，空氣會(huì)以大小相等和方向相反的力響應(yīng)于移動(dòng)它的給定力。然而，曲線圖表明，隨著信號(hào)振幅的增加，恢復(fù)力不是線性地響應(yīng)的(線性是由直線表示的)。相反，曲線52的方程式是y＝x+x2，在此空氣以分量x線性地響應(yīng)，并且以x2非線性地響應(yīng)。因此，曲線52表明，隨著信號(hào)振幅變大，按照該方程式，空氣的非線性響應(yīng)開始比線性分量更快地增加。
圖5B提供一個(gè)曲線圖，說明信號(hào)必然呈現(xiàn)使空氣非線性地響應(yīng)于它的性質(zhì)。x軸代表以對(duì)數(shù)標(biāo)度的信號(hào)頻率。y軸代表每1000英尺以dB標(biāo)度的空氣的吸收程度。如圖所示，直至10K柵左右，曲線50是幾乎平坦的。這時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)在較低振幅下的聲波看來不會(huì)產(chǎn)生有效的聲外差。隨著振幅增加，空氣顯著地變成更具非線性，從而能夠按照聲外差原理相干。
圖6A說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。與圖2比較，一個(gè)重要的差別是取消了一個(gè)超聲換能器20。在其它方面，其余的超聲換能器20，用于組合信號(hào)的裝置24，和超聲信號(hào)源22仍然基本上相同。然而，似乎并非直覺地認(rèn)為，這種安排仍然能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)。然而，對(duì)發(fā)射的超聲壓縮波的分析立即證明，聲外差效應(yīng)仍然發(fā)生。
首先，有關(guān)的電信號(hào)是作為基波的第一超聲信號(hào)66，和代表要與超聲信號(hào)66組合的新聲或次聲波的電信號(hào)68。信號(hào)66，68的組合產(chǎn)生一個(gè)新的電信號(hào)70，它是作為一個(gè)等于信號(hào)66和68之和的新上邊帶和信號(hào)66一起合成的，信號(hào)66和70都是從超聲換能器20發(fā)射的，用作壓縮波76。
一名收聽者會(huì)從一個(gè)通常能在一個(gè)超聲換能器20的發(fā)射面開始的干涉區(qū)74中，聽到新的壓縮波76。除了相反的可聽證據(jù)之外，這可能使收聽者不正確地認(rèn)為，超聲換能器20正在產(chǎn)生新的壓縮波76。經(jīng)確定，超聲換能器20不能夠直接產(chǎn)生可聽的頻率。因此，人聽到的是按照聲外差效應(yīng)相干的相干超聲壓縮波?？梢园l(fā)現(xiàn)，從1)新電信號(hào)70，和20第一超聲信號(hào)66中，產(chǎn)生兩個(gè)超聲壓縮波。這些相應(yīng)于信號(hào)66和70的相應(yīng)壓縮波是在換能器20傳播的，從而提供用于聲外差干涉的所需兩個(gè)超聲波列。
還提供圖6B，以示出諸部件的另一種布置，它可更直觀地說明兩個(gè)被傳送到超聲換能器20以便從此發(fā)射的有差別的超聲壓縮波66和70。在兩個(gè)實(shí)施例之間唯一有意義的差別是，為每個(gè)超聲壓縮波示出獨(dú)立的超聲信號(hào)源22。
優(yōu)選圖6A或6B的實(shí)施例是有許多原因的。例如，這些系統(tǒng)具有減少到一個(gè)的換能器20，從而生產(chǎn)成本低。這些系統(tǒng)還重量輕，體積小，并且最重要的是具有最大的效率。
在效率方面需要進(jìn)一步討論，以了解各種實(shí)施例的一些含意。圖2所示第一實(shí)施例要求超聲換能器20定向，而圖6所示的則不要求定向，因?yàn)閱为?dú)的換能器20充當(dāng)用于兩種相干信號(hào)的輻射元件。
超聲換能器20的方位是重要的，因?yàn)槟軌蚋淖儓D1的系統(tǒng)，使它不產(chǎn)生任何新的壓縮波。例如，如果換能器20被定向成，使超聲壓縮波30，32基本上不交叉，則不能夠產(chǎn)生新的壓縮波。因此，圖7示出一個(gè)稍微會(huì)聚的路徑，和圖8示出一個(gè)通常平行的路徑；兩圖描述的超聲換能器20的方位通?？僧a(chǎn)生充分大的相干區(qū)，以便產(chǎn)生一個(gè)新的壓縮波。然而，這些方位看來都不能產(chǎn)生象圖1或6那樣方位的有效干涉區(qū)，因?yàn)楹笳叱尸F(xiàn)的干涉程序較大。這種較大的效率可把較多的能量傳送到新的壓縮波，從而變成較強(qiáng)和較響的新波。這是因?yàn)閮蓚€(gè)超聲換能器20的方位不會(huì)總是匹配的，并且不會(huì)超過當(dāng)使用同一超聲換能器20去發(fā)射兩個(gè)超聲壓縮波時(shí)所得到的完美共軸關(guān)系。因此，這種從單一換能器得出的共軸傳播會(huì)產(chǎn)生最大相干圖形，和得出最有效的壓縮波發(fā)生。
在轉(zhuǎn)到本發(fā)明的其它方面之前，重要的是要認(rèn)識(shí)到，用高度定向的超聲換能器20可能得到不尋常的聲效果。已觀察到，對(duì)一個(gè)物體或表面上的至少兩個(gè)超聲波列進(jìn)行反射，可使反射波給出一種局部源的效果。換句話說，所反射的新壓縮波看起來是來自反射物體或表面。
這可用圖13描述，且能用來模擬各式各樣的關(guān)心的聲效果，包括三維聲效果。通過使超聲換能器20的方位只對(duì)準(zhǔn)一個(gè)無花板或墻壁96，就能模擬從這個(gè)位置發(fā)聲的感受。如果換能器的靶子處于運(yùn)動(dòng)中，則運(yùn)動(dòng)中的反射位置產(chǎn)生一種所述聲或物體運(yùn)動(dòng)的印象。通過用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制換能器的方位，可把聲再現(xiàn)定位于電影屏幕的各個(gè)面上，甚至脫離屏幕而定位于頭頂位置、運(yùn)動(dòng)中車輛或飛機(jī)中，或者實(shí)現(xiàn)無數(shù)現(xiàn)在還只能想象的其它聲效果。
本發(fā)明的驚人結(jié)果是生成一個(gè)新的全方向壓縮波。尤其是，新壓縮波通常會(huì)從一個(gè)干涉區(qū)大體按該區(qū)的形狀全方向地向外輻射。然而，本發(fā)明對(duì)干涉區(qū)形狀提供的顯著控制，使所述方向性的知覺能夠受到意外方式的操縱。
例如，可把一個(gè)或兩個(gè)超聲換能器對(duì)準(zhǔn)一個(gè)墻壁其它物體。在兩個(gè)即將由于反射而產(chǎn)生的超聲壓縮波之間的干涉量增加，會(huì)使大多數(shù)聲從要由其反射的物體的附近全方向地產(chǎn)生。同樣，使兩個(gè)圖2的超聲頻率換能器20更靠近，可限制干涉區(qū)的長度，從而更加接近一個(gè)聲的近點(diǎn)源。
本發(fā)明另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，從一個(gè)質(zhì)量比較小的輻射元件再現(xiàn)聲。在干涉區(qū)中，從而在新壓縮波發(fā)生位置中，不存在直接的輻射元件。這個(gè)按照聲外差原理的聲發(fā)生特點(diǎn)能夠基本上消除失真效應(yīng)，其中大多數(shù)失真是由輻射元件或常規(guī)揚(yáng)聲器產(chǎn)生的。例如，在音響揚(yáng)聲器圓錐體上的諧波和駐波，慣性引起的圓錐體上沖和圓錐體下沖，和圓錐體本身的不完好表面，全都是可直接影響直接輻射元件的信號(hào)失真的因素。
一個(gè)直接物理輻射元件還具有其它不合乎需要的特征。盡管某些制造商矢口否認(rèn)，但常規(guī)音響揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)實(shí)際上是不平坦的。相反，該頻率響應(yīng)是固有地最適合于發(fā)射的頻率類型(低音、中音或高音)的函數(shù)。而揚(yáng)聲器的形狀、幾何和構(gòu)成則直接影響揚(yáng)聲器的固有特征，聲外差波的發(fā)生利用了空氣的自然響應(yīng)去避免幾何學(xué)和構(gòu)成問題，并實(shí)現(xiàn)聲發(fā)生的真正平坦的頻率響應(yīng)。
一般說來，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的這個(gè)方面意味著，已實(shí)現(xiàn)獲得真正間接聲發(fā)生的最后步驟。雖然本領(lǐng)域的技術(shù)狀態(tài)已發(fā)展到能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字記錄，并甚至能用數(shù)字方式處理信號(hào)，但聲再現(xiàn)的質(zhì)量仍然受限于總是需要模擬換能器用作揚(yáng)聲器元件的這一特性。這已不再成為問題，因?yàn)楸景l(fā)明在附屬質(zhì)量和慣性的限制下，已實(shí)現(xiàn)一種不受制于直接輻射元件的無失真的聲。
不失真的聲意味著，本發(fā)明可保持與原始記錄聲有關(guān)的相位相干性。常規(guī)揚(yáng)聲器系統(tǒng)不具有這種能力，因?yàn)橛勺钸m合的揚(yáng)聲器元件(高音喇叭、中音喇叭、或低音喇叭)傳播的交叉網(wǎng)絡(luò)會(huì)使頻譜破碎。通過消除直接輻射元件，本發(fā)明可使常規(guī)交叉網(wǎng)絡(luò)成為過時(shí)的網(wǎng)絡(luò)。這就能夠?qū)崿F(xiàn)一種有效的或接近的聲點(diǎn)源本發(fā)明的另一應(yīng)用涉及不引人注目地生成人群控制(crowdcontrolling)次聲聲波。象12柵附近的低頻之類的很低頻率已表明是令人類和其它動(dòng)物厭惡的和迷惑的。在利用低頻迷惑方面的現(xiàn)有工作已受阻于定位應(yīng)用的能力有限。本發(fā)明已證明它適用于反射放大，從而使它更集中于影響區(qū)域。例如，能夠把聲外差生成的低頻聲引向一個(gè)建筑物，窗口，或一群目無法紀(jì)人群附近的其它反射表面。這種迷惑聲的主要影響是在直接反射區(qū)，以避免意外地用于無辜的旁觀者。
從超聲換能器20的獨(dú)特性質(zhì)直接產(chǎn)生一些其它的優(yōu)點(diǎn)。由于它們尺寸小，重量輕，故這類換能器通常不遭受那些用于音響揚(yáng)聲器的常規(guī)輻射元件的許多限制和缺點(diǎn)。此外，在極高頻率下使用超聲換能器20可避免直接輻射元件的失真，諧音和其它不期望特征，而這是在氏、中和高頻音域中直接再現(xiàn)聲所必然出現(xiàn)的。因此，現(xiàn)在能夠把相對(duì)不失真的超聲換能器系統(tǒng)的許多有利聲學(xué)性質(zhì)間接地變成聲和次聲副產(chǎn)物。
圖9說明本發(fā)明的一個(gè)附屬方面，它涉及在一個(gè)寬諧振腔80內(nèi)生成和改善聲的能力。諧振腔80是任何一種能夠使超聲壓縮波30，32發(fā)生相互作用以便按照聲外差原理進(jìn)行干涉的腔80。雖然寬諧振腔80不一定產(chǎn)生干涉效應(yīng)，但它通過增大干涉以及增強(qiáng)音頻副產(chǎn)物或“差”頻，看來可改進(jìn)或放大該效應(yīng)。這意味著，從幾乎任何一種觀點(diǎn)來看，都能夠把兩個(gè)超聲頻率信號(hào)30，32送入腔80內(nèi)。例如，圖9示出把超聲頻率信號(hào)30，32發(fā)送到腔80中的兩個(gè)超聲頻率換能器20。信號(hào)30，32被多次反射而離開腔80的壁，以增加干涉。
圖10示出圖9寬諧振腔的改進(jìn)配置，它只需要一個(gè)用于產(chǎn)生一個(gè)新壓縮波的單個(gè)超聲換能器20。該系統(tǒng)被改進(jìn)是因?yàn)樵趦蓚€(gè)超聲壓縮波30，32之間有完美的共軸關(guān)系。
圖9和10的寬諧振腔80的一個(gè)含意是，人的耳道也是一個(gè)寬諧振腔，從而能夠用于改善新壓縮波。這個(gè)結(jié)果為頭戴耳機(jī)和助聽器工業(yè)提供特殊的優(yōu)點(diǎn)。例如，體現(xiàn)本發(fā)明的圖11所示的助聽器90能夠用于為收聽者再現(xiàn)聲音的整個(gè)音頻譜，能夠以高保真度再現(xiàn)，而與常規(guī)助聽器的特征“細(xì)聲”不同。類似地，能夠改進(jìn)任何頭載耳機(jī)或頭戴式送受話器92，以利用本發(fā)明，并且同帶有舞臺(tái)頻率響應(yīng)分機(jī)的常規(guī)系統(tǒng)相比，通常重量輕，尺寸小。
本發(fā)明的另一個(gè)關(guān)心方面促進(jìn)作為無線電系統(tǒng)一部分的通信保密。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)槭褂贸晸Q能器20所固有的“聚束”效應(yīng)。就其本性而言，超聲壓縮波以窄束傳播，窄束才能容易瞄準(zhǔn)特定物體或位置。因此，有可能使換能器20對(duì)準(zhǔn)一個(gè)有噪聲或喧嘩的房間，并且只把可聽信息送入預(yù)期收聽者耳中。在該收聽者周圍的人不會(huì)知道該可聽通信，因?yàn)槿硕哂胁环瓷涮卣鳎⑶页暡ㄊ鴮挾日?。因此，能夠在收音機(jī)和電視機(jī)節(jié)目制作區(qū)和要插入字幕的演出舞臺(tái)給出專用指令，并且在單向提示的其它應(yīng)用中也是有幫助的。
意外地，本發(fā)明還能消除不希望有的環(huán)境噪聲污染。我們的社會(huì)已產(chǎn)生慣用語“轟鳴箱”，它涉及具有較大低音揚(yáng)聲器的便攜式立體聲系統(tǒng)。轟鳴箱的名稱得自對(duì)轟鳴干擾副作用和和重復(fù)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)大量空氣的低音揚(yáng)聲器的“低沉噪聲”的煩惱。然而，該詞有時(shí)也有時(shí)用來泛指具有更大低音揚(yáng)聲器的汽車或其它車輛。因?yàn)閾P(yáng)聲器整體地連接于車輛上，通常連接于車輛的車架或任何揚(yáng)聲器外殼上，故外殼本身也成為一個(gè)輻射元件。因此，車輛外面的人會(huì)受到枯燥的轟擊聲一波又一波的沖擊，這起碼是一種公害。
本發(fā)明能夠有利地消除外殼對(duì)直接輻射元件的耦合，因?yàn)槭窃谥虚g空氣中生成新壓縮波。車內(nèi)收聽者仍能欣賞車內(nèi)區(qū)域的音響低音頻率的感受。然而，低頻不會(huì)直接耦合于車輛框架，因?yàn)檩椛湓F(xiàn)在是空氣中一個(gè)點(diǎn)。因此，送入收聽者直接周圍區(qū)以外環(huán)境中的討厭低音被明顯減少。
本發(fā)明一個(gè)關(guān)心的新方法是逆向地用于聲檢測技術(shù)。換句話說，不是把本發(fā)明用于再現(xiàn)聲，而是用于檢測聲音，如圖12所示。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明能夠起一個(gè)象話筒之類的點(diǎn)源聲檢測設(shè)備的替代品的作用。一般說來，一個(gè)話筒必須物理地定位于一個(gè)便于操作的期望聲檢測位置。本發(fā)明能夠用一個(gè)換能器20使壓縮波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而不必在檢測位置提供物理話筒元件。
在本質(zhì)上，一個(gè)單獨(dú)的換能器20可以用來使超聲壓縮波30聚焦于期望檢測位置102。象話音或音樂之類的聲振動(dòng)會(huì)與超聲壓縮波30相互作用。通過監(jiān)測超聲壓縮波30輸出電平的降低，應(yīng)有可能確定影響超聲壓縮波30的可聽壓縮波的頻率。通過用一個(gè)波形分析器104去確定由于把超聲壓縮波30與可聽聲波102耦合而引起的輸出電平的降低，可以作到這一點(diǎn)。要了解，上述諸實(shí)施例只是本發(fā)明原理應(yīng)用的說明。本專業(yè)的技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明精神與范圍的情況下，設(shè)計(jì)出許多改進(jìn)和可替換的安排。所附權(quán)利要求書用于覆蓋上述改進(jìn)與安排。
要了解，給出上面描述之目的在于說明本發(fā)明概念的各種實(shí)施例。不要把具體實(shí)例當(dāng)成是限制，只按下述權(quán)利要求書進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種用于從一個(gè)虛聲源提供反射波的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)將一個(gè)超聲換能器定位在與一個(gè)聲反射表面分離開的一個(gè)位置處；b)使所述的超聲換能器取向?yàn)槌蛩龅穆暦瓷浔砻?；c)根據(jù)聲外差，從所述的超聲換能器朝向所述聲反射表面同時(shí)發(fā)出至少兩種超聲頻率，所述的頻率具有對(duì)應(yīng)于該反射波的差值；和d)通過從所述聲反射表面以全方向場型來重定向?qū)?yīng)于所述反射波的可聽輸出，在所述聲反射表面形成所述的虛聲源。
2.一種用于提供虛聲源的裝置，其特征在于，包括一個(gè)超聲換能器，能夠發(fā)出至少兩種超聲波，具有在聲波或次聲波范圍的頻率差，所述的超聲換能器被設(shè)置為取向朝向一個(gè)遠(yuǎn)離該超聲換能器并且不與該超聲換能器電連接的聲反射表面，其中所述的聲反射表面?zhèn)鞑ヒ环N全方向聲波或次聲波音頻場型，該全方向聲波或次聲波音頻場型是從所述的至少兩種超聲波之間的聲外差干涉生成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其行征在于，所述的超聲換能器包括用于控制所述超聲換能器的取向的裝置，用于相對(duì)于所述的超聲換能器一個(gè)側(cè)壁形成所述的虛聲源。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的超聲換能器包括用于控制所述超聲換能器的取向的裝置，用于相對(duì)于所述的超聲換能器一個(gè)后壁形成所述的虛聲源。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的超聲換能器包括用于控制該超聲換能器的取向的裝置，用于在一個(gè)天花板表面形成所述的虛聲源。
全文摘要
本發(fā)明涉及由于至少兩個(gè)超聲波列(30，32)相干而從諧振腔(80)發(fā)射新的聲或次聲壓縮波。在一個(gè)實(shí)施例中，向著所述腔定向兩個(gè)超聲發(fā)射體(20)。當(dāng)兩個(gè)超聲波列之間的頻率差處于聲或次聲頻率范圍內(nèi)時(shí)，就按照聲外差原理從干涉腔或區(qū)內(nèi)發(fā)射一個(gè)這個(gè)頻率的新聲或次聲波列。優(yōu)選實(shí)施例是一個(gè)由單個(gè)超聲輻射元件組成的系統(tǒng)，向著發(fā)射多個(gè)波的腔來定向所述元件。
文檔編號(hào)H04R5/02GK1638533SQ20041009293
公開日2005年7月13日 申請日期1997年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月17日
發(fā)明者埃爾伍德·G.·諾里斯 申請人:美國技術(shù)公司