CN104937660A - 用于生成声场的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供用于在指定空间位置处生成局部可听声场的系统和方法。方法包括以下步骤：提供指示要产生的可听声音的声音数据和指示该可听声音将被产生在的指定空间位置的位置数据；以及利用声音数据并且确定要由包括用于生成可听声音的多个超声换能器元件的排列的声换能器系统发送的至少两个超声束的频率组成。至少两个超声束包括至少一个初级音频调制超声束以及各自包括一个或更多个超声频率分量的一个或更多个附加超声束，至少一个初级音频调制超声束的频率组成包括被选择为在非线性介质中经非线性相互作用之后产生可听声音的至少两个超声频率分量。位置数据被用于分别为至少两个超声束确定至少两个焦点，使得将至少两个超声束聚焦在至少两个焦点上使得能够在指定空间位置附近生成具有可听声音的局部声场。

Description

用于生成声场的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于生成声场的技术。具体地，本发明提供了通过利用从超声到可听声音技术来生成局部声场的方法和系统。
背景技术
开发了各种技术将声音尤其可听声音定位成在空间中的特定区域(即，明区)处被听到而在其它区域(即，暗区)处被抑制使得在那些区域中声压级低于听觉阈值或足够低以致它被感知为周围噪声的一部分。
可以将用于生成定向声音的现有解决方案粗略地分类为两个主要技术类别：
-利用常规声波理论来操纵可听声音波(即，相对长波长的声波)的技术。
-利用所称的非线性空中传播超声调制来生成可听声音的技术。这些技术操纵非可听超声(US)波(即，相对短波长的声波)的频率组成并且依靠声音传播介质(例如，空气/水)的非线性来从短超声波生成可听声音。
例如，在美国专利No.5,532,438中公开了利用常规超声波理论来操纵长可听波的技术。利用这些技术的产品包括例如Museum Tools的Secret定向扬声器系统产品和Dakota Audio的聚焦阵列(focused arrays)产品(例如，地板安装式聚焦阵列产品FA-603)。
在高SPL声波传输下空气(和水)的非线性介质行为的现象是45年前在对用于潜艇的声纳波进行试验时发现的(参见Peter J.Westervelt在The Journal of theAcoustical Society of America"第35卷,第4期,1963年4月,第535-537页中出版的“Parametric Acoustic Array”)。这个效应数学上由Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程来描述，该KZK方程将波通过其传播的介质(例如空气)的波干涉、波发散和非线性响应考虑在内来描述波在空间中的传播。例如在由H.O.Berktay在J.Sound Vib.(1965)2(4),435-461中出版的“Possible exploitation of non-linear acoustics inunderwater transmitting applications”中提供了通常用于在深度轴(轴向方向)上求解Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程的近似。
通常可以将利用非线性空中传播超声调制技术的技术分类为两个主要方案，每个方案提供稍微不同的结果，并且每个方案适合于不同目的。根据这些方案中的一个，定向音频束在高声压级(SPL)下从高频超声波解调。这个方法通常提供沿着预定方向传播的高度定向且相对较窄的音频束的发送，其沿着这个方向在该SPL下具有低的衰减率情况下。根据这个方案操作的系统包括例如Holosonic Research labs,inc.的Audio SpotlightTM、Audionation-Uk Ltd的HSS-超声波声音系统(例如，HSS型3000)以及LRAD公司的产品。
用于利用非线性空中传播超声调制效应的另选方法基于将超声波束聚焦到预定区域。例如在美国专利No.6,556,687中和在美国专利No.7,146,011中公开了基于这个方案的技术。然而，这个技术由于在提供适当的聚焦能力上的困难因而没有成熟到商业装置实现。
发明内容
在本领域中存在对将声音尤其可听声音定位成在限定空间位置/区域处被听到而在其它区域处不被听到的新颖技术的需要。存在对使得能够在空间中的特定区域/点附近产生局部可听声场同时将可听声音的产生限制于这些区域并且抑制/防止在这个特定区域外部的区域处生成可听声音的技术的特别需要。在本领域中还存在对于允许通过利用相对较小的声换能器系统(例如，具有度量为数厘米至数分米的有效声音生成孔径)来生成局部可听声场以在接近声换能器系统(例如，在与其相距几米的范围内或甚至在数/几分米的范围内)的预定义区域(例如，位于距声音生成孔径大约瑞利距离或更靠近其的区域)内生成局部可听声场的技术的需要。
就此而言，注意，术语声音在本文中在它最广意义上用来表示任何声信号/束，其可以在可听频率域和/或诸如超声域的其它域。因此，术语声/声音换能器系统在本文中用来表示可在可听频带和/或超声频带中操作的一个或更多个声/声音换能器(扬声器)的排列。这些系统的有效声音生成孔径在本文中被认为是声音换能器元件/膜片的排列/阵列的横向扩展程度或在声音换能器系统中仅使用单个元件的情况下膜片的尺寸。就此而言，瑞利距离是近场区域(其中菲涅耳衍射占优势)与远场区域(其中夫琅禾费衍射占优势)之间的近似边界并且通常被近似为ZR＝πD2/4λ，其中D是有效声音生成孔径的直径/特征尺寸，λ是声音波长并且ZR是相对于换能器的瑞利距离。应该注意，术语瑞利距离在本文中在它广义意义上被认为表示直到近场/菲涅耳衍射的效应可听的距离。因此，在一些情况下瑞利距离可以延伸超过以上ZR的近似。
用于定位可听声音的常规方法是基于利用具有可听波长的数量级的有效声音生成孔径的声音/声场发射器/换能器来操纵通常定向和/或聚焦在声场上的长可听波的声波理论。例如，为了定位1KHz可听音调(即，大约30cm的波长)，需要具有大约30cm的有效孔径的声换能器系统。因此，使这些系统最小化至适合于便携式装置的尺寸在理论上且实践上受限制。而且，根据波理论，最小焦点直径(衍射极限斑)甚至利用理想系统也不能够减小至波的波长以下，并且在实践中通常基本上大得多。这基本上限制了由这些系统产生的局部声场的尺寸，以及在能够控制声场的特性的情况下的空间分辨率。
本领域中的其它已知技术利用所称的从超声到可听声音的技术来产生可听声音。从超声到可听声音的产生通常是基于利用诸如空气的非线性介质对超声束(在本文中还被称为非线性空中传播调制超声束)的非线性解调的现象。从超声到可听声音的产生和利用非线性介质对超声束的非线性解调的原理在本领域中容易获知。然而将在这里简要地描述这些原理，以便于理解本发明。通过利用具有超声波长的数量级的膜片尺寸的多个声换能器，可以产生几乎准直的(参见例如图1C)的窄的超声束，在该束中有高的声压级(SPL)。在超声域生成高SPL引起空气分子(可能还在其它非线性介质(诸如水)中)的非线性行为。这样的非线性行为通常由声音的振幅与介质的分子的速度之间的正相关性来证明。例如，这样的非线性行为可能导致从由声换能器系统换能/注入到传播介质(例如空气)的高SPL正弦超声波形成所称的锯齿波曲线。事实上，介质的非线性行为对输入声音/声波应用调制/解调并且将附加可预测的频率(例如谐波和其它频率)引入到输入波(参见例如图1A)。在非线性介质中注入/换能的超声波的适当选择可以在可听声音区域(即，通常被定义为具有范围在20Hz至20KHz之间的频率的声音)中引起这样的附加频率的产生。图1B是从调制超声束/波形到可听声音的示意例示。与可由可听声音从音频波的常规产生实现的分辨率和定向准确性相比，利用具有短波长(即，具有通常低于17mm的毫米或亚毫米波长)的超声波可以提供具有改进的分辨率和定向准确性的可听声音束/场的生成。
被称为参数阵列(Parametric Arrays)的装置常规用于基于非线性空中传播调制超声效应从超声生成可听声音。通常，在这样的装置中，多个超声换能器/发射器被用类似的超声信号(即，具有相同的振幅和相位)并行地进行馈送，从而产生非常定向的超声束，其进而产生定向可听声音束。例如，一些系统能够将音频束导向到超过1000m的距离，仍然具有>80dB的SPL。
然而，尽管常规参数阵列产生定向声音/声音束，但是这些声音束未被聚焦并且实际上仅在声波不受引起相当大的振幅波动的强的近场相互作用(例如，菲涅耳衍射)影响所在的远场区域中(即显著地从声音换能器/参数阵列起在瑞利距离外)提供相对无失真的声场。另外，将常规技术迁移到小规模/便携式电子通信装置是有问题的并且将这样的技术用于在目标用户附近产生局部声场也是有问题的。这至少是因为参数阵列装置/技术产生非聚焦且基本上准直的定向声音束，其类似于激光束而传播，其中该束的SPL衰减得慢，该束的SPL同样在基本上超出目标位置(例如，用户位置)的区域处也被维持得高。这个慢衰减会导致以下不希望的效应：(1)用户隐私的损失和/或对环境的不需要的干扰(例如，因为在用户后面的任何人可能听到声场-会话/音乐)；(2)由声音束从各种对象的反射生成的回声(例如，即使对象(诸如，墙壁)远离声换能器，但由于声音束的准直/高定向性，这也可能发生)。并且使用这样的技术来在用户/目标附近产生声音会由于缺少声音聚焦而在能量方面效率低。因此，这样的技术可能与电池操作的便携式/移动装置不兼容。
实际上，如以上所提到的，在本领域中已知一些技术目的在于将声音聚焦到特定点(即,美国专利No.6,556,687和No.7,146,011)。然而，这些用于聚焦声音的技术导致具有在指定目标/聚焦点之后具有长衰减的残留可听声音尾部和/或具有从位于目标之后的对象反弹的残留声音的声场。因此，位于空间中的各个其它位置(例如，在目标焦点/区域之后)的人会听到残留声音。另外，这些技术与差的聚焦能力相关联，导致聚焦在焦点处的超声能量的缺乏，并且因此，在目标位置处得到微弱的可听声音。
本发明尤其目的在于解决常规技术的以上提到的问题，并且具体地，它使得能够产生在目标斑点处具有足够SPL(例如至少60-70dB)的局部可听声场，同时消除或基本上减小伴随这样的局部可听声场的生成的残留声音(例如，比在局部可听声场处的可听声音低至少10dB至20dB)。具体地，本发明提供用于消除或至少显著地抑制通常紧跟由常规技术产生可听声音的焦点之后的残留可听声音尾部。
就此而言，应该理解，术语局部可听声场(localized audible sound field)在这里被用来描述在围绕声音被聚焦到的焦点的特定“明区”处具有相当大/可听SPL的可听声场。还应该理解的是，术语局部可听声场在本发明的上下文中被用来描述在明区外部的特定“暗区”处具有可忽视/非可听SPL的可听声场。就此而言，请注意，根据本发明的技术产生的局部可听声场可以获取气泡(bubble)的形状并且可以从接近于声换能器系统的区域延伸到围绕目标焦点的区域，并且可能略微超出焦点(例如,数分米并且优选地不超过大约40至50厘米)。声音气泡(即，气泡形状的局部可听声场)沿着声换能器与目标焦点之间的声音/声场传播的轴向方向可以拉长同时在横方向(即，与该轴向方向垂直)上相对较窄。其中可听声音具有足够SPL并且清楚地可听所在的明区通常占据至少以特定直径(例如40cm)围绕目标焦点的声音气泡的区域。暗区可以被认为是在空间中位于声音气泡外部的区域。在暗区区域中，可听声音SPL足够低以致不能够听到/理解和/或所生成的可听声音的SPL是环境噪声的SPL的数量级或以下。
本发明的技术利用从超声到音频技术的基本原理以及具体地超声束通过它们经由其传播的非线性介质的非线性解调。为了提供聚焦在特定目标上(例如在特定空间位置/区域处)的准确的局部声场，确定至少两个超声束的特性。束中的至少一个是音频调制超声束(在本文中还被称为初级音频调制超声束或初级束)，其频率组成指示在应该产生局部声场所在的目标/空间位置处应该产生的音频内容。这个初级音频调制超声束通常被聚焦在所期望的目标/空间位置处和/或其附近，并且是这个初级束的超声频率分量在它通过非线性介质传播时的非线性解调而在目标位置处生成的可听声场的源。传统地，初级音频调制超声束包括两个或更多个超声频率分量，通常包括至少一个载波频率分量和调制载波频率的一个或更多个附加调制频率分量。除初级束之外，至少两个超声束包括一个或更多个附加/校正超声束，其特性被选择以与初级束的超声频率分量中的至少一个(例如相消地)干涉和/或与由由初级束产生的可听声音干涉，从而改进由音频调制超声束产生的音频声场的局部化和聚焦的准确性。换句话说，这些附加/校正束的特性(例如频率组成、相位和/或振幅)被选择为影响由初级音频调制超声束生成的可听声音的空间SPL分布以改进它在所期望的空间位置处的局部化/聚焦。这一个或更多个附加束因此还在本文中通常被称为校正束(corrective beams)。
附加/校正束通常被聚焦在与初级音频调制超声束的焦点稍微不同的焦点上，并且它们相对于初级音频调制超声束通常具有不同的相位(例如相反相位)和/或不同的振幅。为此，将校正束聚焦在与初级音频调制束的焦点不同的焦点上得到它们的SPL分布具有与初级音频调制束的SPL分布不同的形状。本发明的技术利用初级音频调制束和校正束的焦点的适当选择，使得校正束的声分量和/或超声分量的SPL分布可以与初级音频调制超声束的一个或更多个超声分量的SPL分布和/或由初级束生成的可听声音的SPL分布相消地干涉，从而抑制可能由初级音频调制束在特定一个或更多个区域处生成的不希望有的残留可听声音。因此，校正束的相应分量与初级束的相应分量之间的相位差被选择为在这些区域产生相消干涉。
应该理解，术语束(beam)和/或声音束(sound beam)在本文中被用来指定与特定一般传播方向关联并且与它被聚焦在上面的特定焦点相关联的传播声波形(准直的或不准直的)。束的焦点通常是正的(例如实焦点)，然而术语焦点通常应该在它广义意义上被理解为还包括负焦点(例如虚焦点)和/或无限远焦点/焦点(例如基本上准直束)。实际上，各个束可以是具有一个或更多个不同相位的一个或更多个频率的复用体。在本公开中所称的束通常通过它们相应的焦点并且可能还通过它们的振幅和相位而彼此区分。
因此，根据本发明局部可听声场由聚焦在特定位置上的初级音频调制束和聚焦在一个或更多个不同位置上并且与初级束干涉的一个或更多个附加/校正束产生。根据本发明，一个或更多个束可以包括用于消除/抑制由初级音频调制超声束生成的残留声音(例如高SPL尾部)的根据稍微不同的原理操作的校正束。例如，一个或更多个附加/校正束可以包括校正超声束(在下文中被称为初级校正超声束/频率分量)，其特性被选择为在来自初级音频调制束的所不希望有的残留可听声音应该被抑制的特定区域中与初级音频调制超声束的特定超声频率分量相消地干涉。另选地或附加地，该一个或更多个附加/校正束可以包括附加/次级音频调制超声束，其特性被选择成(通过非线性解调)产生其SPL分布和相位与由初级音频调制束生成的所不希望有的残留可听声音的至少特定部分相消地干涉的可听声场。为此，次级音频调制超声束在可听频率域中操作以通过可听噪声消除来实现残留声音的抑制。附加/次级音频调制超声束还在本文中被可互换地称为音频调制校正束/频率分量。在使用了次级音频调制校正束的情况下，还可以使用在本文中被称为次级校正超声束的另一类型的校正束，以调整次级音频调制超声束的空间可听SPL分布的形状从而改进由该次级音频调制超声束提供的噪声消除的空间准确性。应该理解的是，次级校正超声束被用于通过使用初级校正超声束被用于对初级音频调制超声束的可听SPL分布整形的相同技术来对次级音频调制超声束的可听SPL分布整形。
根据本发明的一些实施方式，通过利用包括至少初级校正超声束和次级音频调制超声束的校正束获得具有充分地抑制的残留可听声音的局部声场。
具体地，当利用校正超声束(例如初级/次级校正超声束)来抑制由音频调制超声束(例如由次级/次级音频调制超声束)生成的残留声音时，校正超声束通常包括具有与其SPL分布从而将被校正的音频调制超声束的特定相应的超声频率分量(例如载波/调制频率分量)类似的频率的至少一个频率分量。校正超声束因此可以与音频调制超声束的相应的超声频率分量干涉以改进其SPL分布的形状并且从而改进由音频调制超声束产生的可听SPL分布的形状。将校正超声束聚焦在各种焦点上影响其SPL分布的形状。因此，通过利用校正超声束的焦点的适当调整，它的SPL分布的形状被控制，如将在下面进一步描述的，以提供对音频调制束的一个或更多个超声频率分量(例如载波/调制频率)的干涉的期望/优化图样(例如，以在指定空间位置外面的特定区域处产生相消干涉和/或在指定空间位置附近产生相长干涉)。校正超声束的振幅及它相对于音频调制束的特定超声频率分量的相位的相位也被调整，以提供在抑制由音频调制超声束生成的残留可听声音时和/或在期望位置处放大声音情况下产生的所期望的干涉图样。本发明的这个技术可以被用来抑制由初级音频调制超声束产生的残留可听声音。
如以上所指出的，校正超声束可以被用来修改音频调制束的一个或更多个超声频率分量的SPL分布。这一个或更多个超声频率分量可以包括载波超声频率分量和/或调制超声频率分量。在一些情况下，校正超声束可以包括聚焦到基本上相同的焦点的两个或更多个频率分量并且可操作用于与音频调制束的相应的两个或更多个超声频率分量干涉。另选地或附加地，两个或更多个校正超声束可以被利用来分别与使音频调制束的两个或更多个相应的两个超声频率分量干涉并对其SPL分布整形。在这点上，音频调制超声束(例如作为初级/次级音频调制超声束)通常包括被聚焦在特定公共焦点上的多个(例如两个或更多个)超声频率分量。与这样的音频调制超声束相关联的校正超声束通常包括具有对应于与其相关联的音频调制束的相应的一个频率分量的频率的单个频率分量。因此，在许多情况下，使用与聚焦在不同位置处的数个不同频率分量相关联的多个校正超声束来通过与其频率分量中的至少一些干涉来校正音频调制束的SPL。各个这样的校正超声束的焦点被选择为对它相应的音频调制束的对应频率分量产生期望的干涉。
另选地或附加地，根据一些实施方式，次级音频调制束可以被用于抑制初级音频调制束的残留可听声音/噪声。由次级音频调制束生成的可听声音可以干涉从初级音频调制束获得的可听声音，从而使初级音频调制束的可听SPL分布再成形。次级音频调制超声束的频率组成通常指示应该在该目标/空间位置处产生的可听频率组成。然而，次级音频调制超声束的相位和/或焦点和/或振幅可以不同于初级音频调制超声束的相位和/或焦点和/或振幅，以提供由初级音频调制超声束产生的残留可听声音中的至少一些的噪声消除抑制。
在一些情况下，相同的载波频率可以被用于初级音频调制超声束和次级音频调制超声束这二者，并且两个束利用单边带(SSB)振幅调制(AM)加以调制以对相同的可听声音内容进行编码。然而，可以利用上边带(USB)AM调制技术来对这些束中的一个进行调制，并且可以利用下边带(LSB)AM调制技术来对另一个束进行调制。
如以上所指出的，关于次级音频调制超声束，还可以利用附加的一个或更多个次级校正超声束来调整次级音频调制超声束的空间可听SPL分布的形状。次级校正超声束按照与初级校正超声束在初级音频调制超声束的SPL分布上的操作类似的方式在次级音频调制超声束的SPL分布上操作。具体地，次级校正超声束的频率可以与次级音频调制超声束的载波超声频率分量和/或调制超声频率分量的频率类似，然而次级校正超声束的相位和/或焦点和/或振幅可以不同于次级音频调制超声束的相位和/或焦点和/或振幅。并且，可选地，可以利用两个或更多个这样的次级校正超声束，例如一个用于使载波超声频率分量的分布成形，并且另一个用于使次级音频调制超声束的调制超声频率分量的分布成形。
因此，根据本发明，一个或更多个初级音频调制超声束可以被用来朝向一个或更多个空间位置携带可听声音信息以在那里产生具有所期望的可听声音信息的可听声场。还可以通过数个初级音频调制超声束将不同的声音信息携带到不同的空间位置。另外，一个或更多个附加束(例如校正束)被生成来改进可听声场在一个或更多个空间位置处的聚焦/局部化。尽管在各个空间位置处，可以定位/聚焦一个或更多个初级音频调制超声束，但是通常定位/聚焦仅一个这样的初级束以便防止可能导致可听声音失真的不同初级束之间的非线性相互作用。并且，各个初级束可以与可以包括以上提到的以下项中的一个或更多个的一个或更多个附加束相关联：初级校正超声束、次级音频调制超声束和次级校正超声束。
可以通过利用任何适合的束形成技术(例如通过利用诸如相控阵列或其它布置的声换能器的排列/阵列)来实现将初级束和/或校正束聚焦在它们相应的焦点上。束形成是根据所使用的声换能器(声音换能元件)的排列的特定特性来使用的。束形成被用于生成要提供给声换能器元件的相应信号以用于在介质中产生与初级束和/或附加束对应的适当波形/束。实际上，声换能器的相同布置/阵列可以被用来产生初级音频调制束和附加超声束中的一个或更多个。为此，提供给阵列的声换能元件中的每一个的相应信号可以作为具有适当相位的包括多个束的频率分量(例如初级束和/或附加束的频率分量)的频率复用信号被形成，所述适当相位被选择为生成在它们之间具有适当的相对相移的分别导向所期望的位置并且聚焦在它们相应的焦点上的那些束。这从而在指定/目标位置处提供局部可听声场的生成。在这点上，声换能元件可以各自由它们相应的信号(例如，携带诸如初级束和校正束中的一个或更多个的相位、振幅和/或频率的信息的复合/复用信号)单独地且独立地操作，以共同地一起形成初级束和/或附加束。换能器元件的排列可能具有诸如矩阵、圆形、六角形和更多形状的各种形状。
本发明还提供了一种音频通信系统，该音频通信系统能够给用户(即或超过一个用户)提供其中他能够用声音且无线地与他远程地定位(例如数分米至数米远)的音频通信私密地进行通信的私密音频通信区/区域。这样的私密通信特征在于私密明亮声音区被定义在用户附近，其中他能够听到从音频通信系统传送给他的可听声音。在这个明区外部的区域中，暗区被定义为使得其他人不能够听到或理解音频通信的内容。音频通信系统也许还能够在他在系统附近移动的同时定位用户并且在他附近(例如围绕他的头部/耳朵)动态地产生明区。另外，音频通信系统可以将各种技术用于隔离他希望传送到音频通信系统的用户的语音和/或其它可听声音，同时消除或抑制来自环境的环境声音，从而使得无线双向音频通信能够在用户与音频通信系统之间发送，而不用借助于位于用户上(例如在用户的耳朵/嘴附近)的附加外围装置。
因此根据本发明的广义方面，提供了一种用于在指定空间位置处生成局部可听声场的方法，该方法包括以下步骤：提供指示要产生的可听声音的声音数据；利用所述声音数据并且确定至少两个超声束的频率组成，该至少两个超声束要由包括用于生成所期望的可听声音的多个超声换能器元件的排列的声换能器系统发送。所述至少两个超声束包括至少一个初级音频调制超声束，其频率组成包括被选择为在非线性介质中经非线性相互作用之后产生所期望的可听声音的至少两个超声频率分量。并且所述至少两个超声束包括各自包括一个或更多个超声频率分量的一个或更多个附加超声束。所述方法还包括以下步骤：提供指示该可听声音将被产生在的指定空间位置的位置数据；以及利用所述位置数据并且分别为所述至少两个超声束确定至少两个焦点，使得将所述至少两个超声束聚焦在所述至少两个焦点上使得能够在所述指定空间位置附近生成具有所期望的可听声音的局部声场。通常，所述方法还可以包括以下步骤：确定所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束的相对相位，使得所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束被以它们之间的所述相应相对相位聚焦在它们相应的焦点上，在所述指定空间位置处产生具有所期望的可听声音的局部可听声场。
根据本发明的另一广义方面，提供了一种声音系统，该声音系统包括可连接至能够在超声频带中产生声音的多个声换能器的排列的处理工具。所述处理工具被适配用于获得/接收指示可听声音的声音数据和指示要产生局部声场所在的空间位置的位置数据。所述处理工具被构造并且可操作来执行根据本发明的方法(即如以上并且在下面更具体地描述的所述方法)的操作以用于利用所述声音数据和所述位置数据并且生成要分别提供给所述多个声换能器的操作信号以用于利用所期望的声音内容并且在所述指定空间位置处生成所述局部声场。在一些实施方式中本发明的声音系统包括多个声换能器的排列。多个声换能器的排列例如可以是具有所述超声频带在由所述系统生成的所述超声束下的波长的数量级的特征尺寸的声换能器元件的基本上平的二维阵列。并且，在一些情况下多个声换能器的所述布置的横向程度小于多个声换能器的所述布置与局部声场可能由所述声音系统产生所在的相对于所述阵列的指定空间位置之间的距离。
根据本发明的又一个广义方面，提供了一种声音系统，该声音系统包括可连接至包括多个声换能器的排列的声换能器系统的处理工具。所述声换能器能够在所述超声频带中产生声音。所述处理工具被适配用于获得/接收指示期望的可听声音的声音数据和指示指定空间位置的位置数据并且确定要提供给多个声换能器的排列的用于在所述指定空间位置处产生具有所期望的可听声音的局部声场的声音信号。所述处理工具包括：能够利用所述声音数据来确定要由所述声换能器系统发送的至少两个超声束的频率组成的从超声到音频调制模块。所述至少两个超声束包括至少一个初级音频调制超声束和一个或更多个附加超声束。所述初级音频调制超声束的所述频率组成包括被选择为在非线性介质中经非线性相互作用的同时使得能实现由从超声到声音的可听声音产生。所述一个或更多个附加超声束的所述频率组成包括要与所述初级音频调制超声束叠加的两个或更多个频率分量以用于在所述指定空间位置处产生所期望的局部声场。所述系统还包括聚焦模块，该聚焦模块能够利用所述位置数据并且分别为所述至少两个超声束确定至少两个焦点，使得将所述至少两个超声束聚焦在所述至少两个焦点上使得能够在所述指定空间位置附近生成具有所述可听声音的局部声场。通常根据本发明的一些实施方式，所述聚焦模块也许还能够确定所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束的相对相位，使得当所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束被以它们之间的所述相应相对相位聚焦在它们相应的焦点上时，在所述指定空间位置处产生具有所期望的可听声音的局部可听声场。本发明的声音系统可以被包括和/或可连接至以上描述的所述音频通信系统，并且可以被用来帮助在这样的音频通信系统中生成局部声场。
所述音频通信系统可以包括用于标识至少一个用户位置相对于所述音调通信系统的位置的定位系统。所述定位系统可以利用一个或更多个摄像头模块和/或声瞄准装置(诸如小型声纳装置)来经常地锁定所指定的用户并且跟踪他的相对位置。所述音频通信系统还可以包括根据本发明的技术(如以上所描述的并且如将在下面更详细地描述的)操作的声音/声场生成系统以用于在被跟踪用户附近创建局部可听声场并且从而从一定距离给他提供可听数据/声音的私密通信。所述声音系统可以包括被构造并且可操作来根据所需要的音频信号和用户的变化相对坐标来动态地计算波图样/束。所述音频通信系统还可以包括包括有声换能器元件(例如以二维阵列/平阵列排列)的排列并且能够产生定向和/或聚焦超声束的声换能器系统。
所述音频通信系统可以被适配为利用声换能器的多单元阵列(即声换能器的排列)来将压力波操纵和聚焦到与阵列平面相关联的半球内的各种角度。在换能器阵列具有足够数量的元件(例如具有足够不动产的主设备并且换能器阵列足够大)的一些情况下，所述系统可以被适配为在不同位置处创建超过一个局部可听声场，从而同时允许超过一个用户的服务。所述系统可能被用于创建诸如在高级游戏应用中使用的各种类型的效应的双耳声透射、3D声沉浸和/或其它声效应。例如，所述系统可以被构造为利用环绕输入音频信号和/或指示3D声场的输入信号，并且通过定位声音束以在空间中根据所述输入信号确定的各种位置处产生数个局部可听声场来生成对应的3D声沉浸场。这将从而创建从相对于收听用户的不同方向/位置出现的声音的3D幻觉。
为此，本发明可以被用于包括例如下列的各种应用：诸如移动电话的通信装置、个人计算机装置(例如，平板、膝上型电脑和台式计算机)、娱乐装置(例如，电视机、用于各种车辆类型的娱乐和/或通信系统)、体育设备、公用自动化机器(诸如ATM、售货和无人信息台)以及游戏控制台。可以通过本发明的系统的能力来增强所有这样的装置的操作以在它们附近的其它人们未听到音频内容的情况下将音频内容操纵和聚焦到空间中的排他性位置(例如直接到指定收听者的耳朵)。而且，对于诸如移动电话的个人通信装置，所述系统使得能够在使电话保持远离耳朵的同时进行私密视频呼叫。并且所述系统增强电话可用性并且提供对近颅骨电磁辐射的相当大减小。另外，所述系统可以被用在各种电子装置中以私密地提供被寻址到其的通知(例如来电铃声、消息警报和指令)。
所述系统可以被实现为计算机可读代码，所述计算机可读代码能够操作包括诸如数字信号处理(DSP)模块的特定指定硬件组件的指定声音/声系统以及能够生成超声声音的声换能器系统(例如换能器阵列)。本发明的声音系统可以被嵌入或包括在诸如移动电话、平板、TV等的各种电子装置中。所述系统还能够作为独立系统被实现，并且可以被构造用于通过利用与内部/外部音频数据源的数据通信来接收音频输入。
附图说明
为了理解本公开并且为了看到如何可以在实践中执行它，现在将参照附图仅通过非限制性示例描述实施方式，附图中：
图1A和图1B例示了如本领域中已知的超声束通过非线性介质的解调的原理；
图1C和图1D图式地例示了通过利用参数阵列的常规技术形成的定向超声束的SPL分布；
图1E至图1G图式地例示了通过利用相控阵列的常规技术形成的聚焦超声束的SPL分布；
图2是示出了利用本发明的技术生成的局部声场的顶视图和侧视图的示意例示；
图3是例示了根据本发明的一些实施方式的用于生成局部可听声场的方法的流程图；
图4A至图4E是根据本发明的实施方式的图3的用于生成局部可听声场的方法的操作的图形例示图；
图5A至图5C是根据本发明的另一实施方式中的图3的用于生成局部可听声场的方法的操作的图形例示图；
图5D和图5E示意性地例示了可以被用于产生音频调制束以生成局部可听声场的调制方法的两个示例；
图6A和图6B是示意性地例示了根据本发明的一些实施方式的用于生成局部可听声场的声音系统的两个构造的框图；以及
图7是根据本发明的一些实施方式构造的并且包括下列中的至少一个的声音系统的框图：能够区分用户的语音的声音区分器模块和能够确定用户的位置的对象定位器模块。
应该注意，类似的附图标记在这些图中用来指定与类似的功能性相关联的模块和/或方法操作。
具体实施方式
一起参照示意性地例示了超声束通过非线性介质的解调的已知原理的图1A和图1B。发送具有高声压级(SPL)的高频声/声音波(超声)使空气分子以非线性方式动作-振幅越高，分子移动越快。因此，如例如图1A所例示的，通过非线性介质传播的具有足够高SPL的输入(超声)正弦波信号S0以预测方式产生谐波并且通常获取锯齿波Sm的形状。在具有相应的频率f1和频率f2的两个超声波被发送的情况下，空气非线性行为将对信号进行解调并且产生以下输出和谐波：
(1)固有频率f1和f2；
(2)谐波nXf1和mXf2(n和m为整数)；
(3)频率的和f1+f2；以及
(4)频率的差|f1-f2|。
例如图1B示意性地例示了具有相应的频率f1＝40KHz和频率f2＝42KHz的两个超声信号/波通过非线性介质(在这种情况下空气)的同时发送的结果。空气传播40KHz频率和42KHz频率，但是还产生以下频率：80KHz和84KHz(谐波)、82KHz(和)以及2KHz(差)。然而，仅后者频率|f1-f2|＝2KHz是可听的(即，被人类听到)，频率的其余部分在超声域。在超声域(例如频率f1＝40KHz)对载波频率的调制可以是用可听音调(例如在2KHz下的单音调)在输入端处(例如利用双边带振幅调制-AM-DSB)的振幅调制，这将在频域中创建40KHz和42KHz(并且38KHz，因为这是双边带调制)的谱线。基于空气/非线性介质的自解调特性，经AM调制的信号将被解调以再现人类耳朵能够听到的2KHz音调(通常还产生固有频率、谐波以及固有频率的和)。
基于用于生成可听声音的非线性介质的非线性解调效应的一些常规装置利用超声换能器的参数阵列来生成非常定向的超声束。在这样的参数阵列中，通常，许多超声换能器/发射器用相同振幅和相位的信号的并行构造来反馈。图1C和图1D是从典型的参数阵列构造获得的束(主束和边波瓣)和沿着主束的SPL分布的相应的示意例示。如图1C所示，参数阵列构造通常产生非常定向的主束DMB并且有边波瓣束SL。图1D是两个图形PA-US和PA-AS的示意例示图，其分别描绘超声和来自超声的可听声音的沿着图1C所例示的主束DMB的传播方向Z的SPL级的变化。在PA-AS中所例示的来自超声的可听声音(来自调制超声束的可听声音)的衰减实际上非常慢，并且一些实验系统能够将音频束定位到超过1000m的距离，仍然具有>80dB的SPL。事实上，参数阵列可以产生非常定向的可听声音束，其中声级在两倍距离上下降了3dB(被称为在两倍距离上3dB降)。例如，在与参数阵列相距1米处测量到75dB的SPL的情况下，在2米处所测量到的SPL将是72dB。这可以被表达为
其中θ-3dB-半功率-3dB弧度角，Kd-波数，Ra-介质的吸收长度。忽略可能出现的边波瓣，与常规全向音频带扬声器相比，从参数阵列发出的衰减可听声音束通常是较慢的，常规全向音频带扬声器服从在两倍距离上-6dB降落，例如在与全向音频源相距1米处测量到的75dB的SPL，在与源相距2米的距离处将是69dB。而且，基于定向声音束的生成的技术通常在远场区域中(在超过瑞利距离的距离上)正常操作，其中声/声音波不受引起相当大的振幅波动的强近场干涉影响。
因此，利用参数阵列的常规技术通常提供沿着束的方向具有低的SPL衰减速率的非常定向的可听束。这与在与换能器相距广泛距离处的高级可听声音相关联(声级可能在可以为数米的距离范围内并且直到大于1000米的范围是可听的且足够响)。实际上，以这种方式提供的声音束是非常定向的，并且在(相对于X方向和Y方向)横向地位于束旁边的区域处的SPL级非常低。
然而，利用这样的技术来生成局部声场是很有问题的，因为SPL沿着主束DMB缓慢地且稳定地衰减并且因此在主束的SPL足够高以致在用户附近被清楚地听到的情况下，它在与用户相距大距离处(相对于束的传播方向)保持大声，结果防止了在用户附近创建局部可听声场。此外，在束击中硬表面时，声音就扩散，并且表面作为具有全向行为的局部扬声器并且从而会阻碍声音局部化。
基于用于生成可听声音的非线性介质的非线性解调效应其它类型的常规装置利用超声换能器的相控阵列来生成被聚焦在相对于相控阵列的特定位置上的聚焦超声束。利用这样的相控技术，许多超声换能器/发射器被用具有被选择为在声音应该被聚焦在的特定位置处引起相长干涉的不同相位/振幅的信号馈送。图1E至图1G是被分别聚焦在与相控阵列换能器相距三个不同距离处的三个分别聚焦束的三个SPL分布的示意例示。SPL分布是沿着表示相控阵列与束被分别聚焦在的特定位置之间的总体方向的Z轴截取的。图1E示出了聚焦在非常接近于相控阵列换能器的区域/距离Z0处的束的理想SPL分布。具体地，焦点与换能器之间的距离Z0大约是换能器尺寸(其带宽和/或高度)的数量级。这里实际上在Z0处获得峰声压级P0，同时仅小的波瓣在Z0之前或紧跟Z0之后。然而，在大于换能器尺寸(即大了一个或更多个数量级)的距离处聚焦声音束的尝试通常导致不太理想的SPL分布，其通常与紧跟SPL峰之后的高SPL尾部相关联并且阻止生成局部声场。例如，图1F和图1G示出了聚焦在基本上大于换能器尺寸(例如比换能器大大约5倍)的距离Z0处但是在瑞利距离内的距离处的两个束的SPL分布。
参照图1F，注意尝试在基本上大于换能器尺寸的距离Z0处聚焦束在实践中得到有在Z0之前的距离Z'0处的实际声压级峰P'0(即在Z0处的压力P0小于在Z'0处的压力P'0并且Z'0<Z0)并且还产生有在距离Z0之后以低衰减率(与1/Z成比例的斜率)发展的SPL尾部。这是由于换能器阵列的有限角开口(阵列直径/尺寸与所需距离Z0之间的大的比例)并且由于与超声在空气中的相对高吸收与波传播的径向本质(其中SPL以1/Z速率下降)的组合而导致的。低衰减率阻止了高效且准确地形成局部声场。如图1G所示，将束聚焦在大于Z0的新距离Z0-new处(目的在于在等于Z0的Z'0-new处取得实际SPL峰P'0)通常导致具有较长的尾部的基本上更宽的峰并且因此声音束的聚焦更粗劣。
根据本发明的技术的各种方面，目的在于生成私密声区，在该私密声区中可听声音能够被听到并且其内容能够被理解，然而在其外部可听声音不被听到(即其SPL低于可听声音级或低于周围噪声级)或者至少它是不可理解的。根据本发明这是通过提供生成被聚焦在相对于声换能器的特定位置处的局部可听声场(还在本文中被称为局部声场)的技术来实现的。另外，根据各种方面，本发明目的在于使得能够利用紧凑声换能器系统(例如具有在几厘米与数分米之间的特征尺寸尺寸)来在可以从声换能器系统的特征尺寸的数倍到高于该特征尺寸数个数量级范围的距离处生成局部声场(即可听的)。
图2示出了通过利用其特征尺寸为d的紧凑声换能器系统10在位于为特征尺寸d数倍的距离Z0处的用户U附近利用本发明的技术生成的局部可听声场的顶视图和侧视图的示意例示图。就此而言，术语局部可听声场可以被理解为其SPL足够高以致在特定区域(在本文中被称为明区域BZ)(例如用户或他的头部/耳朵位于的地方)附近被听到并且足够低以致它在位于围绕明区BZ的私密区域PZ外部的在本文中被称为暗区DZ区域的区域处不被听到或者不能够被理解的可听声场。为此，通过本发明的技术提供的局部可听声场由位于至少在用户旁边(例如相对于从声换能器到明区BZ的声传播的总体方向Z在左边和在右边)并且相对于声传播的总体方向Z超过用户之外的暗区区域DZ表征。在暗区区域DZ中SPL足够低以致可听声音不能够被听到/理解。至少从左右并且从远处由暗区区域DZ所包围的是声音可能是可听的/可理解的或不可听的/可理解的私密区域PZ。私密区域可以可选地在高SPL要被提供的指定位置(例如用户的位置)与换能器系统10之间延伸。私密区域实际上是在暗区与明区之间的边界区，其由暗区延伸区限定，并且其中声音可能或可能不是可听的。可听声音被清楚地可听的且可理解的明区BZ被限定在私密区域PZ内(例如在用户所位于的指定位置附近)。明区BZ几乎被暗区DZ包围并且可能需要私密区域PZ中的任何延伸区并且实际上可以同样在声换能器10与指定位置Z0之间延伸。然而，根据本发明，明区BZ在相对于声传播的方向Z上在指定位置Z0之后的合理距离ΔZ(例如，ΔZ可以在大约数分米的数量级并且更优先地大约40cm-大约是肩部长度)之后终止，并且在指定位置侧(例如相对于从指定位置Z0的右部和左部起的横向X轴，并且通常但不必须，同样相对于从指定位置的顶部和底部起的横向Y轴)的合理距离(例如大约肩部长度-40cm)之后终止。另选地或附加地，暗区DZ被限定在从指定位置起相同的合理距离ΔZ(例如从指定位置起40cm和离指定位置的右部和左部40cm)之后。就此而言应该注意，在一些实施方式中，局部可听声场在预定位置Z0之前的区域处(例如，在用户U的位置与声换能器系统10之间的区域处)可能是可听的。在这样的情况下，这些区域也被认为是在私密区域PZ内。
为此，本发明提供了用于生成局部可听声场的系统和方法，该局部可听声场定义限定了在指定位置Z0与声换能器系统10之间的区域的附近的私密区域，并且其中包括了其中产生清楚地可听的且可理解的可听声音的一个或更多个明区区域，然而在其外部限定了其中声音要么对人耳不可听要么不能够清楚地理解其内容的暗区区域。
利用参数阵列和/或相控阵列的以上在图1C至图1G中公开的常规技术在生成这样的局部可听声场时通常是不足的。这至少是因为参数阵列技术产生具有慢衰减的声音/声音束因此其不能够被限于形成合理尺寸的私密区域，然而基于声场的聚焦的相控阵列技术需要其尺寸大约和从系统到局部声场应该聚焦于的指定位置的距离一样大的声换能器系统，否则在指定位置之后产生相当大SPL的尾部。
参照图3，其示意性地例示了根据本发明的一些实施方式用于在特定指定空间位置处生成局部可听声场的方法300。通常方法300包括可以依次或按照任何适合的顺序执行的以下操作310至操作350(在一些情况下这些操作中的一些被重复，然而其它操作可以被执行仅一次)：
310-提供指示要产生的可听声音的声音数据。该声音数据可以是音频文件和/或例如从麦克风和/或通过(例如从无线/有线通信装置)流式传输接收到的模拟或数字音频信号表示和/或音频数据的其它表示。还可以动态地(即实时地)接收声音数据和/或它可以是静态数据。根据本发明的一些实施方式，声音数据被划分为分组/时间帧，并且基于包括在其中的可听频率组成对于各个分组/时间帧执行方法300。
320-提供指示该可听声音应被产生在的指定空间位置的位置数据。该位置数据可以通过任何适合的数字和/或模拟表示来提供并且可以与固定(例如硬编码/静态数据和/或动态/变化)位置数据相关联。位置数据例如可以指示相对于要用于生成局部可听声场的声换能器系统的绝对坐标或相对坐标。例如在一些情况下，可以例如从(例如实时地)跟踪用户或他的头部的位置的跟踪装置动态地提供位置数据。
330–利用该声音数据并且确定要由包括多个超声换能器的排列的声换能器系统发送的两个或更多个超声束的频率组成以生成由声音数据(例如由该数据的分组/时间帧)指示的可听声音。在这个阶段中确定的频率组成包括初级音频调制束的两个或更多个超声频率分量。这两个或更多个超声频率分量被选择来在与诸如空气的非线性介质相互作用(即通过诸如空气的非线性介质传播)之后产生所期望的可听声音。另外，在这个阶段中确定的频率组成可以包括与用于修改初级音频调制束的SPL的以上提到的附加束中的一个或更多个相关联的一个或更多个超声频率分量。应该理解的是，330中确定的频率组成可能在一些情况下依赖于该位置数据，并且更具体地依赖于换能器与用户/应该产生局部可听声场所在的指定位置之间的距离。换句话说，因为可听声音是由于与在换能器与指定位置之间的介质的非线性相互作用而产生的，所以当确定创建特定音频所需要的频率组成时，在操作330期间可以将这个相互作用的持续时间/长度考虑在内。
340-利用该位置数据并且确定至少两个不同焦点的空间位置，使得各个焦点与两个或更多个超声束(例如其频率分量在330中被确定)中的至少一个的焦点位置相关联。不同焦点被选择为使得将两个或更多个超声束聚焦到与此相关联的至少两个不同焦点，使得能够通过在围绕指定空间位置的各种位置处引起适当的相长干涉和/或相消干涉而在指定空间位附置近生成具有可听声音的局部可听声场。
350-确定应该在两个或更多个超声束之间获得的相对相位(例如这些束的对应频率分量之间的相对相位)并且可能还确定提供所期望的干涉图样的那些束/频率分量的相应振幅。就此而言应该注意，具有类似频率的频率分量可以被包括在被聚焦在两个或更多个不同焦点处的两个或更多个超声束/波形中。具有类似频率的这样的频率分量可以具有可以根据应该被获得以用于最后改进可听声音的SPL形状的所期望的干涉图样选择的相同或不同的相位。应该理解的是，在这个阶段350处，在不同的超声束之间(或在其中对应的频率分量之间)的相对相位被确定以便使得能够产生局部可听声音。在涉及束形成的以下可选操作360至操作380中，可以确定束的频率分量中的每一个由换能器的元件发送的相对相位以将这些束聚焦在以上确定的焦点上。
可选地，该方法还包括以下操作360至操作380，目的在于产生要提供给声换能器系统的适当操作信号，以生成聚焦在它们相关联的位置上并且可选地在它们之间具有适当的相位差的两个或更多个束的频率分量的复用声音/声波形/束混合体，使得它们在指定空间位置处形成具有所期望的可听声音的局部可听声场。
在可选操作360中，提供/获得和/或接收指示包括多个声换能器的排列/阵列的声换能器系统的特性的数据。声换能器系统数据/特性可以指示包括在声换能器系统的排列/阵列中的声换能器/发射器的数量和所述布置/阵列的几何(例如声换能器元件的膜片尺寸、它们之间的距离和/或它们的相对位置)。这个数据可以是与特定预定声换能器系统相关联的硬编码数据和/或它可以是连同将被使用的特定声换能器系统一起获得的非静态数据。在一些情况下，不激活特定换能器系统的所有元件而是仅可以激活它们的子集。
在可选操作370中，通过利用在360中提供的声换能器系统数据/特性连同在330中确定的两个或更多个束的特性/频率分量一起、340中确定的与束相关联的至少两个不同焦点以及在操作350中确定的这些束的对应频率分量之间的相对相位，执行焦点形成处理(例如利用束成形技术)。可以根据用于产生可操作的复用信号的如本领域中已知的任何适合的束形成技术来执行焦点形成处理，该操作复用信号中的每个与声换能器系统的声换能器元件中的一个相关联，并且包括频率分量中的一个或更多个的复用体，其相位以及可能振幅根据声换能器系统特性调整以(由整个声换能器系统共同地)生成两个或更多个束的复用声音/声波形混合体，其中它们的频率分量被聚焦在束的对应焦点位置上并且在它们之间具有适当的相位差。因此，在可选操作380中，可以将复用信号提供给它们相应的换能器元件以实现具有所期望的可听声音的局部声场在指定空间位置处的产生。
就此而言，应该注意在370中，常规的束形成(焦点形成)技术可以被用来将以上描述的两个或更多个超声束(例如，初级音频调制束和附加束)聚焦在它们相应的以上在340中确定的焦点上。聚焦在焦点中的每个上的频率组成和/或频率分量之间的相位差被选择为提供用于消除或抑制通过常规的聚焦技术所获得的SPL尾部的期望的干涉图样。
具体地，根据本发明的一些实施方式，在操作330中可以通过执行下列中的至少一个来确定超声束的频率组成：
330.1-确定音频调制超声(US)束。初级音频调制超声束包括作为载波超声频率和调制超声频率的至少两个频率分量。音频调制超声束的载波超声频率与调制超声频率之间的差对应于要产生的可听声音的频率。这使得通过音频调制超声束经由它通过非线性介质的传播的解调而实现从超声到可听声音的可听声音的产生。根据本发明的一些实施方式，音频调制超声束是振幅调制(AM)束。
330.2-确定用于校正可听声音的SPL分布(例如校正沿着作为声换能器系统与应该生成局部可听声场所在的位置之间的总体方向的Z方向的分布的形状)而定向的一个或更多个附加超声束的频率组成/分量。
此外，根据本发明的一些实施方式，在操作340中可以通过至少执行下列步骤来确定两个或更多个束的(例如，它们的超声频率分量的)至少两个不同焦点的位置：
340.1-确定用于聚焦在330.1中确定的音频调制超声束的特定焦点。这个特定焦点实际上可以在应产生局部可听声场的指定位置(Z0)附近(或者在一些实施方式中它可以是附近点或不同点)。应该注意，焦点未必在指定位置处。可以在将330中确定的音频调制超声束聚焦到不同位置(例如在Z轴上稍微更远)的同时在指定位置处产生压力峰。
340.2-确定用于聚焦在330.2中确定的一个或更多个附加/校正超声束的一个或更多个附加焦点。附加焦点被选择为使得当音频调制超声束和一个或更多个附加超声束被聚焦在与其对应的焦点上时，可以在所期望的空间位置处产生具有所期望的可听声音的局部可听声场。如以上所指出的，在一些实施方式中，在350中适当地确定了一个或更多个附加超声束与音频调制超声束之间的相对相移，以实现可听声音沿着传播方向Z的期望分布和/或以经过所期望的空间位置的SPL尾部的抑制/减小。
就此而言，可以执行操作370以确定要分别提供给多个声换能器元件的多个操作信号(复用信号)以生成与聚焦在特定焦点处的音频调制超声束对应的调制超声束以及与聚焦在附加焦点处(即以适当的相对相移相位转移)的一个或更多个附加超声束对应的一个或更多个附加超声束的经复用的声音/声波形混合体。实际上，可以利用声换能器系统的声/声音换能器的相同子集或不同子集来形成音频调制超声束和附加超声束。这些子集例如可以是有区别的子集。
为了清楚，在以上或在下面对操作330和操作340的描述中，参照了诸如DSB-AM和SSB-AM(例如LSB和USB)的公知振幅调制技术，它们在确定音频调制束(例如初级和/或次级音频调制束)的频率组成时被考虑到。然而应该注意，音频调制束事实上是根据本发明按照使得能够通过非线性介质/空气解调特性生成期望的可听声场的方式调制的。然而，非线性介质/空气解调的函数运算通常比简单的SSB/DSB AM解调更复杂。例如，应用于在空气中传播的高振幅声信号的非线性信号解调函数用式1近似(Berktay近似)如下：
式1   P 0 ( t ) = &beta;p 0 2 r 2 16 &rho; 0 c 0 4 z&alpha; 0 d 2 E 2 ( t - z c 0 ) d ( t - z c 0 ) 2
其中P0(t)是输出压力(SPL是作为人类耳朵能够检测到的最低压力正常地选取的基础p0压力与诸如Berktay近似的p0(t)的测量压力之间的比的对数度量)，E(t-z/c0)是通常被用来形成AM调制信号包络的原始可听声音信号，β是空气非线性系数，p0是初始声压，r是有效声换能器的排列的半径(例如在具有多个换能器元件的排列的参数阵列中，r是所有换能器元件的和半径)，ρ0是空气密度，c0是声音在空气中的速度，z是沿着束传播的总体方向的轴向距离，α0是空气中的吸收系数并且t是时间。以更简单形式，还可以将该式重写如下：
式2   P 0 ( t ) = K d 2 E 2 ( &tau; ) d&tau; 2
其中E(τ)是原始声音信号并且K是常数。为此，合成输出压力P0(t)与输入信号E(τ)的平方的二阶导数成比例。
因此，在许多情况下，使用普通的DSB和/或SSB AM调制方案可以得到不平坦的谱响应(不平平坦响应)，其中可听SPL对于不同的可听频率可以明显地不同并且由作为介质的非线性信号解调功能的伪差产生的频率分量还引起互调失真。这可能对在局部声场中生成的可听声音引起明显失真。
因此根据本发明的一些实施方式，可以使用较复杂型的SSB和/或DSB AM调制方案以便避免/减小这样的失真。具体地，在普通SSB/DSB AM调制中，选择一个或更多个调制频率并且与载波频率叠加以形成具有在可听信号的频率振荡的振幅包络(即，具有E(τ)的形式的包络)的载波频率的束/波形。然而，在一些情况下，如在复合音频信号情况下(例如在原始声音数据/信号E(τ)具有多个频率的情况下)的情况下，可以(例如在操作330之前)可选地对原始声音信号E(τ)进行预处理，以确定要用于创建初级音频调制超声束以及可能附加超声束的修改后的可听声音数据。
可听声音数据/信号的这样的预处理的示例在方法300的可选操作315中例示，其目的在于创建修改后的可听声音数据，其得到对原始声音数据的更如实的(例如具有减小失真)的从超声到声音的复制。注意，然后可以类似于以上描述的那些操作执行方法300的操作320至操作380，但是是对于修改后的可听信号/数据。在一些情况下，这将产生具有对原始音频数据的更准确重现的局部可听声场。具体地，可以基于修改后的可听信号/数据来执行常规/普通SSB/DSB AM调制。为此，参照以上和下面本文提到的AM调制的类型的术语(例如SSB调制方案和/或DSB调制方案)应(例如根据原始数据是在SSB/DSB AM调制之前预处理和/或修改的)被解释为参照原始音频数据的普通AM调制和/或参照原始音频数据的更复杂调制方案。
应该注意根据本发明，还可以使用除AM调制以外的调制技术，来解析对于创建具有所期望的音频内容的局部声场所需的超声频率分量。例如，在一些实施方式中，使用了诸如处理离散超声频率的调制技术而不是AM调制。
根据一些实施方式，操作315包括执行相当于对原始音频数据/信号E(τ)的二重积分和平方根的信号处理运算以生成经校正/修改的音频数据/信号E'(τ)，其将被进一步用于AM调制。因此经修改的音频数据/信号E'(τ)(例如调制的包络)可以如在式3中一样，其中m是调制指数，E(t)是原始声音信号：
式3   E &prime; ( t ) = 1 + m E ( t )
术语调制指数m是指在本领域中还被称为“调制深度”的围绕未调制载波的振幅变化的量度。
方法300可以被用来产生与其中可听声音的SPL超过预定明亮声音阈值的明区相关联的局部声场。该明区可以相对于总体方向Z从指定空间位置延伸不超过特定预定距离(例如0.4米)。根据本发明的一些实施方式，可以选择明亮声音阈值准则使得明区中的可听声音的信噪比(SNR)是大约0dB。另选地或附加地，可以选择明亮声音阈值准则使得明区中的可听声音的SPL超过70dB。再另选地或附加地根据本发明的各种实施方式，明区阈值准则可以被选择为满足两个上述准则和/或满足它们中的至少一个的状态。局部声场还与位于明区外部并且其中可听声音的SPL低于预定暗声阈值的暗区相关联。根据一些实施方式，暗声阈值被选择为使得可听声音的SPL比在指定空间位置Z0处(例如在明区处)的可听声音的SPL低了至少10dB(在一些情况下此门槛被提高至至少20dB)。根据一些实施方式，暗区位于离指定位置Z0不超过数分米(例如从那里多达0.4米)的距离处，从而使得能够在指定位置附近创建私密区域。
一起参照图4A至图4E。图4A示意性地例示了与通过常规的从超声到声音的产生来创建局部声场相关联的问题。图4B至4E示意性地例示了根据本发明的一些实施方式的方法300的操作。
转向图4A，其中例示了根据常规方法通过将超声区域中的载波频率分量fc和在超声域调制频率分量fm朝向期望位置Z0聚焦而产生的常规音频调制超声束的SPL曲线图。在图4A中例示了随着沿着总体方向Z的距离变化的这些聚焦分量的典型SPL曲线图SPL(fc)和SPL(fm)。如可以从该图容易地看见的并且还如以上参照图1E至图1F所指出的，将这些分量聚焦在为声换能器系统/阵列的特征尺寸的几倍或更多倍的Z0上在其中Z'0＝Z0-Δ(德耳塔通常为特定正距离)的不同位置Z'0处导致实际峰并且还在Z'0处导致紧跟峰之后的相当大SPL的尾部。鉴于这些现象，由于非线性介质中的载波超声频率分量与调制超声频率分量(fc和fm)之间的非线性相互作用而获得的音频SPL(曲线图SPL(|fc-fm|))还被不正确地聚焦。然而，当设法通过将这些频率分量聚焦在不同距离/位置上(例如在特定Z”0处)而在正确位置(Z0)处获得SPL峰时，大得多的SPL尾部发展从而将可听声场弄脏并且不被定位(一般而言，不同频率可以与它们应该被聚焦到的不同聚焦位置Z”0相关联以在所期望的Z0处获得实际峰)。例如，曲线图SPL2(fc)示出了通过将这个频率分量聚焦到Z”0而发展的载波频率分量的修改后的SPL。实际上实际峰现在是在正确位置Z0处，但是峰和SPL尾部基本上更宽，从而防止了声场的局部化。为此，载波超声频率分量和调制超声频率分量(fc和fm)被聚焦在适当位置(例如，Z”0)上，使得结果得到的音频场的SPL在正确/指定空间位置处具有峰。实际上，结果得到的音频场的SPL分布可能仍然具有相当大的SPL尾部，进而未使可听声音局部化。
本发明的方法300尤其目的在于解决通过从超声到可听声音的生成的常规聚焦/波束形成技术未解决的不正确聚焦和延伸尾部的这个问题。根据本发明的特定实施方式这是通过校正要在正确空间位置Z0处的初级音频调制束的超声分量中的至少一个的实际SPL峰位置(例如，通过将该频率分量聚焦在不同位置Z”0上)来实现的。然后，通过利用附加/校正超声束/频率分量来抑制该束的延伸尾部。校正超声束与初级音频调制束的至少一个频率分量相消干涉以减小/抑制它的SPL尾部。具体地，校正超声束通常被聚焦在不同焦点上，使得其SPL分布的形状能够被用来干涉并且消除/减小SPL尾部。
参照图4B，其例示了指示其实际峰在Z0处(例如束被聚焦到Z”0)的初级音频调制超声束的载波频率分量和/或调制频率分量中的一个的超声分量的SPL发展的SPL曲线图SPL(fUS-comp)。如所看到的，在Z0处获得了实际SPL峰。回故曲线图SPL(fUS-comp)的结构揭示位于在Z0之前的位置Z'1处的谷。本发明根据其一些实施方式利用超声束的SPL曲线图/发展的这个结构来产生与初级音频调制超声束的至少一个频率分量干涉的附加/校正超声束/频率分量，以产生使得能够校正和/或改进初级音频调制超声束的实际焦点/峰的位置和/或宽度和/或抑制其SPL尾部的干涉图样。被适配为与初级音频调制超声束的一个或更多个超声分量适当地干涉的这个校正超声束在下文中被称为初级校正超声束。初级校正超声束使得能够形成具有更窄且更准确焦点并且具有抑制SPL尾部的更好的局部声场。
例如参照图4C，例示了示出这样的初级校正超声束的SPL发展的SPL曲线图SPL-Mod(fUS-comp)。初级校正超声束被适配用于生成具有与初级音频调制超声束的载波频率分量和/或调制频率分量中的相应频率分量相同的超声频率分量fUS-comp的聚焦波形/束，但是它被聚焦在紧跟初级音频调制超声束的所期望的焦点/峰位置Z0之后的位置Z1上。如这里所例示的，曲线图SPL-Mod(fUS-comp)中的实际峰和谷这二者比它们在图4B的曲线图SPL(fUS-comp)中的对应物宽。实际上初级校正超声束的焦点Z1被选择为使得谷的位置落在初级音频调制超声束的指定聚焦位置Z0附近(优先地在其上)。考虑到曲线图SPL(fUS-comp)和曲线图SPL-Mod(fUS-comp)的结构，显然从图4B中的SPL分布/曲线图中减去图4C所例示的SPL分布/曲线图产生具有紧跟焦点之后的抑制SPL尾部的聚焦在正确指定位置Z0处的更窄峰的SPL曲线图。例如在示出了通过抑制与SPL(fUS-comp)和SPL-Mod(fUS-comp)相关联的波形并且在这些波形的不同的(例如相反的)相对相位情况下形成的超声波形的SPL发展SPL-Res(fUS-comp)的图4D中进行例示。
更具体地，波形/束SPL(fUS-comp)和SPL-Mod(fUS-comp)具有共同频率(即，与初级音频调制超声束的载波频率和/或调制频率相关联)，但是它们分别与不同焦点(例如其被选择为使得一个波形的谷落在另一个波形的峰的区域中/附近以使得能实现波形中的一个的峰在正确/期望位置Z0处的锐化和SPL尾部的抑制)相关联并且聚焦在不同焦点上。波形/束SPL(fUS-comp)和SPL-Mod(fUS-comp)的相位通常不同并且在这个示例中它们分别是相反的，使得由SPL(fUS-comp)和SPL-Mod(fUS-comp)的抑制产生的超声波形的SPL分布SPL-Res(fUS-comp)相当于从SPL(fUS-comp)中减去SPL-Mod(fUS-comp)，即：SPL-Res(fUS-comp)＝SPL(fUS-comp)-SPL-Mod(fUS-comp)。
因此，根据本发明的各种实施方式，在操作330中(例如在330.2中)，确定包括至少一个初级校正超声束的一个或更多个附加/校正束的频率组成，以使得能够实现初级音频调制超声束的焦点校正和/或SPL尾部抑制。初级校正超声束的频率组成可以包括与初级束的调制超声频率和载波超声频率中的任一个或两者的频率相关联(即类似)的频率分量。
在一些情况下，确定了两个初级校正超声束，一个用于校正初级音频调制超声束的载波频率的SPL分布(例如其焦点位置、峰宽度和/或尾部)，并且另一个用于校正初级音频调制超声束的调制频率的SPL分布(焦点位置、峰宽度和/或尾部)。另选地或附加地，聚焦在特定位置(例如Z1)上的初级校正超声束可以由两个或更多个频率组成，其中一个频率可能与载波频率类似并且所有其它频率与初级束的调制频率类似。为此，可以存在对与初级音频调制束的超过一个频率分量干涉的仅一个校正超声束的需要。然而另选地或附加地，由于可听声音是由于初级音频调制超声束的载波超声频率与调制超声频率之间的相互作用而生成的，所以初级校正超声束还可以被产生以用于针对初级音频调制超声束的这些载波超声频率和调制超声频率中的仅一个来校正SPL尾部和/或峰宽度/位置。换句话说，可以通过聚焦被选择为引起与初级音频调制超声束的频率分量中的仅一个或更多个的相当大的相消干涉的校正超声束来实现局部声场的生成。具体地，在本发明的一些实施方式中，初级音频调制超声束的载波频率分量的振幅基本上大于这个束的调制频率分量的振幅。因此，适当的初级校正超声束可以包括例如具有载波的频率并且其特性(例如振幅焦点和相位)被选择为有效地对初级束的载波频率分量的SPL分布整形的仅一个频率分量。
为此，应该理解在操作330、操作340以及可能操作350中，频率和振幅以及要将初级音频调制超声束/波形和附加(例如焦点校正)束/波形的频率分量聚焦在上面的聚焦位置(焦点)以及可能它们相应的相位(或它们之间的相位差)被选择用于生成所期望的局部可听声场。
例如，参照图4E，其例示了根据本发明通过利用初级音频调制超声束以及被适配用于改进初级音频调制超声束的超声频率分量之一的(在这个示例中载波频率分量fc的)超声声场的聚焦和局部化的初级校正超声束产生的音频调制超声束的频率分量的SPL曲线图/分布。在这个示例中，载波频率分量的SPL曲线图/分布SPL(fm)与图4A所例示的SPL曲线图/分布类似。然而，载波频率分量的SPL曲线图/分布SPL(fc)(图4A和图4B所例示的)是通过利用与作为初级校正超声束的附加束的叠加(如图4C所示)来改进这个分量的焦点并且生成图4D和图4E所例示的经修改/合成的分布SPL-Res(fc)来修改的。可听声音的SPL分布SPL-Res(|fc-fm|)随着初级音频调制束的两个频率分量(载波频率和调制频率)被两个相应的校正超声束修改而由初级音频调制束的两个频率分量(载波频率和调制频率)的SPL分布之间的相互作用产生。具体地，SPL分布SPL-Res(fc)是如由图4E所示的初级校正超声束修改的载波频率分量的SPL。分布SPL-Res(fm)是如由具有与调制频率相同的频率并且其特性(例如焦点相位和振幅)根据本发明的以上描述的原理(例如，如关于图4E所描述的那些)选择的另一初级校正超声束修改的调制频率分量的SPL。根据本发明修改的由SPL分布SPL-Res(fc)与SPL-Res(fm)之间的相互作用产生的SPL分布SPL-Res(|fc-fm)和与图4A所例示的可听SPL分布SPL(|fc-fm|)相比改进的聚焦和减小的尾部相关联。应该理解根据一些实施方式，通过初级校正超声束并非可以修改初级音频调制束的所有频率分量，并且在一些情况下，校正超声束可以被用来修改初级音频调制束的仅载波频率分量的和/或初级音频调制束的调制频率分量中的仅一个或更多个的SPL。
在一些情况下，初级音频调制超声束利用与调制频率分量的振幅(其例如在实际的非单音调音频的情况下通常可以超过一)相比具有相对较强的载波频率分量的振幅的单边带AM调制加以调制，从而减小可能由于频谱分量之间的非线性相互作用(互调)而提高的总谐波失真(TDH)的量。
根据本发明的一些实施方式，还可以通过利用以上被称为次级音频调制超声束的类型的附加/校正束来获得可听声场的局部化。次级音频调制超声束可以被用来校正通过初级束生成的可听声音的SPL分布，并且可以服务代替以上描述的初级校正超声束或用作其附加以提供对所产生的可听SPL的更好的细化。这样的次级音频调制超声束的频率组成(例如，频率分量及其振幅和相位)及其聚焦点被选择为生成被适配为(例如通过它本身或在通过初级校正超声束更改其SPL之后)与从初级音频调制超声束生成的可听声场的附加/次级可听声音波形/场适当地干涉。具体地，次级音频调制超声束的频率组成、相位和焦点被确定以改进从由初级音频调制超声束和次级音频调制超声束产生的可听波形之间的干涉生成的可听波形的聚焦和局部化(例如改进可听SPL峰的位置和/或宽度的准确性并且抑制结果得到的可听声音的SPL分布中的SPL尾部)。就此而言，当确定次级音频调制超声束的特性(例如频率组成、相位和焦点)时还考虑了可能被使用的任何初级校正超声束的特性。例如，在一些情况下，次级音频调制超声束被用来进一步抑制或消除利用参照图4B至图4E描述的技术所获得的可听SPL分布SPL-Res(|fc-fm|)中的尾部。
因此，根据本发明的一些实施方式本发明的一个或更多个附加/校正束可以包括至少一个次级音频调制超声束，其特性被选择为通过创建与初级束的可听声场/波形适当地干涉的可听声场/波形来应用噪声消除以在指定位置Z0附近或在该指定位置Z0处处生成局部声场。通常，这个目标通过将初级束和次级束聚焦在不同位置处来实现。具体地，根据一些实施方式，初级音频调制超声束和次级音频调制超声束的特性被选择为使得从其中产生的初级可听波形和次级可听波形至少在Z0附近的期望明区外部的一些区域中相消地干涉，从而在那些区域中提供噪声消除以在那里形成暗区。
在这些实施方式中，方法300的操作330可以包括：为次级音频调制超声束确定附加/次级调制超声频率和附加/次级载波超声频率。可以选择次级调制超声频率和载波超声频率，使得它们之间的差对应于或等于将被生成的可听声音的频率(例如，初级音频调制超声束/波形和次级音频调制超声束/波形这二者的频率组成被选择为使得能够从超声到可听声音的期望可听声音的产生-即通过初级音频调制超声束和次级音频调制超声束经由它们通过非线性介质的传播的解调而使得能实现可听声音)。
例如，图5A和图5B是分别例示了通过本发明的初级音频调制超声和次级音频调制超声束在它们与诸如空气的非线性介质的相互作用期间的解调产生的可听波形的两个可听SPL分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)和SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)的两个SPL曲线图。图5C是例示了由初级可听SPL分布和次级可听SPL分布(SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)和SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|))在介质/空气中的叠加(例如干涉)产生的有效可听SPL分布SPL-Audiototal。由分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)和分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)指示的初级可听波形和次级可听波形产生有分别不同的(通常相反的)相位。尽管在许多情况下相位差沿着Z轴不恒定并且可能在更接近于声换能器的区域中改变，但是然而它稍微离换能器更远变得恒定。因此，初级音频调制束和次级音频调制束的相位(例如，和/或它们之间的所需差)需要提供期望的干涉图样，并且在许多情况下通过考虑超出在局部声场将被产生所在的所期望/指定的空间位置Z0的点来计算/确定。为此，由初级音频调制束和次级音频调制束的叠加产生的有效可听SPL分布SPL-Audiototal至少几乎等同于从初级可听SPL分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)中减去次级可听SPL分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)。
另外，根据本发明，初级可听分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)和次级可听SPL分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)的形状以及与其相关联的波形之间的相应相位差被调整为使得这些波形的叠加在指定位置Z0附近产生期望的局部声场。根据一些实施方式，这个通过选择初级音频调制束和次级音频调制束的特性使得在它们之间产生干涉图样来实现，在所述干涉图样中初级可听SPL分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)的实际焦点/峰位于所期望/预定的位置Z0(即靠近其应该产生局部可听声场)处并且次级可听SPL分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)的实际焦点/峰紧跟Z0之后使得在Z0附近存在谷。另选地或附加地，这个目标还可以通过使用可以通过为次级可听SPL分布选择不同的形状而获得的其它干涉图样来实现。具体地，例如，可以通过生成稍微平的次级可听SPL分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)(例如通过将次级音频调制超声束聚焦到无限远以便形成基本上准直束)并且将次级束振幅设定为和初级束的尾部的振幅匹配来获得适当的干涉图样。然而另选地或附加地，还可以像以上已经描述并且在下面进一步描述的那样通过利用次级校正超声束来更改次级音频调制束的SPL分布。这使得能够使用各式各样的干涉图样从而使得能实现可听声场的准确局部化并且减少或基本上消除在围绕Z0的区域(暗区)处的可听声场。
就此而言，应该注意，为了适当地控制初级可听SPL分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)的形状和/或实际峰/焦点，在超声域的附加的一个或更多个校正超声束(诸如图4C所例示的校正超声束)可以被用来校正初级音频调制超声束的焦点的位置和/或用来适当地修改/调整通过初级音频调制束以及初级校正超声束生成的可听SPL分布的形状。为此，例如可以利用与以上参照图4D讨论的方法类似的方法来生成初级可听SPL分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)，使得通过利用初级校正超声束适当地修改了它的载波频率分量和调制频率分量中的至少一个的超声SPL分布。结果，初级音频调制超声束的有效可听SPL分布SPL-Audio1(|fc 1-fm 1|)可以与图4E的SPL-res(|fc-fm|)类似。初级校正超声束因此可以被用来改进/调整SPL峰的形状/宽度和/或位置。
以类似的方式，可以通过利用在本文中被称为次级有效超声束的附加超声束来修改/调整SPL分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)的形状和/或其峰/谷的位置和宽度而获得次级音频调制超声束的有效SPL分布SPL-Audio2(|fc 2-fm 2|)。在这点上，可以利用用于生成图4E的可听SPL分布SPL-res(|fc-fm|)的相同原理来获得可听SPL分布，但是这些原理可以被用于向次级可听分布提供不同的形状修改。
因此，在330中确定了次级音频调制束的频率分量的实施方式中，操作340可以包括确定用于聚焦音频调制超声束(初级的)和附加/次级音频调制超声束的焦点使得初级与次级之间的叠加改进结果得到的声场在Z0附近的局部化。并且在可选操作350中可以确定初级音频调制超声束与次级音频调制超声束之间的相对相位差，从而至少在其中局部声场应该减少的一些区域(暗区)中在由此产生的可听声音/波形之间引起分散干涉。
如在一些情况下以上所指出的，其特性在330中被确定的一个或更多个附加超声束还可以包括与校正/更改次级音频调制超声束的SPL分布相关联的至少一个次级校正超声/束，使得后者通过干涉初级音频调制超声束提供了更好的噪声消除。因此，在这种情况下操作330包括确定次级校正超声束的一个或更多个参数以使得能够利用分布校正来调整次级音频调制超声束的空间可听SPL分布，以在利用次级音频调制超声束来消除从初级音频调制超声束生成的可听声音的特定部分时提供对这个分布的形状的更好的控制和/或更好的准确性。在一些情况下，次级校正超声束的一个或更多个参数包括下列中的一个或更多个：在操作330中，确定至少一个次级校正超声束的频率组成；在操作340中，为次级校正超声束确定焦点；在可选操作350中，确定次级校正超声束与次级音频调制超声束之间的相对相移(通常为相反相位的π的相移)。
鉴于以上所述，应当理解，本发明将至少一个音频调制超声束(初级音频调制超声束)和附加的一个或更多个US束用于在期望位置(Z0)处产生局部声场。一个或更多个附加超声束通常被聚焦在不同焦点处并且具有被选择为改进由初级束和附加束的叠加得到的有效可听SPL分布的形状的不同的相对相位。一个或更多个附加超声束可以包括下列中的一个或更多个：
(I)一个或更多个初级校正超声束，其被选择为干涉用于校正/调整这些频率分量的SPL分布的形状的初级音频调制超声束的一个或更多个超声频率分量；
(II)一个或更多个次级音频调制超声束，其被选择用于产生与由初级音频调制超声束生成(例如可能连同初级校正超声束一起生成)的可听波形干扰的可听波形以用于改进结果得到的可听SPL分布的局部化和/或形状；
(III)在后者情况(II)下，在使用了次级音频调制超声束的情况下，一个或更多个次级校正超声束还可以被使用并且可以被选择为干涉次级音频调制超声束的一个或更多个超声频率分量以校正/调整它们的SPL分布的形状并且从而将结果得到的次级可听SPL分布的形状细化，从而改进由次级音频调制超声束提供的噪声消除。
应该注意，术语超声束通常可以指代数据/信号，其由本发明的方法/系统确定/生成，并且其指示这些束的诸如它们的频率组成(频谱)(它们的频率分量的振幅和相位)及其它们应该被聚焦在上面以一起产生局部声场的焦点的特性。并且，应该注意，术语束在本文中被用来指定被聚焦在特定位置/焦点上的一个或更多个频率分量的集合体。为此，根据一些实施方式中，本技术中使用的术语可以各自与它们应该被聚焦在上面的特定不同焦点/距离相关联。
根据本发明的一些实施方式，校正超声束(例如初级校正超声束和/或次级校正超声束)的焦点后面是应该通过其校正SPL分布的音频调制超声束(例如分别为初级音频调制超声束和/或次级音频调制超声束)的焦点。即，校正束的焦点相对于从产生束的声换能器的排列起的总体方向位于要校正的束的焦点之后，使得校正束的谷通常位于明区区域附近/处。并且在利用初级音频调制束和次级音频调制束这二者的实施方式中，次级音频调制束被构造为对初级音频调制束应用聚焦/SPL分布校正，并且因此它通常被构造为产生相对于由初级音频调制束产生的可听声音不同相(例如具有π的相位差)的可听声音。次级音频调制束的焦点通常后面是初级音频调制超声束的焦点，使得次级音频调制束的谷位于明区区域附近/处。
提供了从明区到暗区可听SPL的要求、横/横向衰减，因为从换能器元件的排列/阵列产生的超声定向性可能高。如本领域技术人员将容易地了解的，横/横向衰减是根据本发明的一些实施方式通过换能器元件的排列的仔细设计来实现的，并且向其提供的操作信号的频率和相位还可以被用来避免光栅波瓣(例如通过对载波频率/波长与换能器的膜片尺寸的关系的适当选择、在它们之间具有适当布置/间距的足够数量的换能器的使用-通常在间距上大约1个波长或更少波长)。
在一些情况下，被用来产生超声束的声换能器的排列的横向程度基本上小于声换能器的排列与明区(例如应该产生局部声场所在的指定位置)之间的距离。因此，将声换能器的这样的排列用于将超声束聚焦至与明区的距离可比较或更大距离的距离通常导致横向SPL分布具有横向边缘在明区附近相对陡的峰。为此，超声束沿着主束具有足够SPL并且在束外部具有低的SPL，从而相对于横向方向(例如，图2中的X轴和/或Y轴)提供受限局部可听声场。相对于纵向Z轴，如以上所指出的，通过利用聚焦在不同位置上的两个或更多个超声束的叠加提供限制。
注意在一些情况下，利用两个和更多个音频调制超声束(例如初级的和次级的)可能在这些音频调制超声束的超声频率分量之间引起不需要的相互作用，这进而可能导致不希望有的可听声音伪差。为此，在利用两个或更多个音频调制超声束的实施方式中，在操作330中选择那些束的频率分量(载波频率和调制频率)被适配为避免和/或减小可能由这样的频率分量之间的相互作用产生的不希望有的可听伪差。
例如，参照示意性地例示了振幅调制(AM)方案的图5D，AM方案可以被执行以在产生初级音频调制束和次级音频调制束同时减小可能由于它们之间的非线性相互作用而产生的不需要的声音伪差的SPL。可以基于该图所例示的原理执行在操作330中执行的对频率(载波频率分量和调制频率分量)的确定。具体地，这里提供了指示要产生有fs的可听声音的声音数据。为了清楚说明，在本示例中可听频率fs被表示为离散单音调声音。然而应该注意，声音数据通常可以包括多个频率/单音调的叠加。在本发明的这个实施方式中，通过利用单边带(SSB)AM调制方案来产生初级音频调制束和次级音频调制束。具体地，这里初级音频调制束和次级音频调制束中的一个(在这个示例中初级)利用上边带(USB)-SSB-AM调制并且另一个音频调制束(在这个示例中次级)利用下边带(LSB)-SSB-AM调制。具体地，使用了公共载波频率fc(例如，其可以可选地在330中确定和/或可以预先确定)。然而利用USBAM调制，初级音频调制束的调制频率fm 1在这种情况下等于载波频率和可听声音频率的和fm 1＝(fc+fs)，然而次级音频调制束的调制频率fm 2等于载波频率与可听声音频率之间的差fm 2＝(fc-fs)(或在其它实施方式中反之亦然)。就此而言，当通常载波频率分量的振幅基本上大于调制频率fm 1和调制频率fm 2的振幅时，通过将公共载波频率fc用于初级音频调制束和次级音频调制束这二者，避免了初级束和次级束的载波频率分量之间的相互作用并且排除/减少了可能由这样的相互作用产生的不希望有的可听伪差。实际上，调制频率fm 1和调制频率fm 2中的每个与载波频率fc之间的非线性相互作用是期望的，因为它们产生具有所期望的可听频率fs的声场。至于调制频率fm 1与调制频率fm 2本身之间的相互作用，请注意，这些频率分量的振幅(例如相对于载波频率的振幅)通常相对较小，并且因此这些相互作用导致可能具有足够低SPL并且不可听的/理解的小伪差。
另选地或附加地，图5E示意性地例示了可以被用于在产生初级音频调制束和次级音频调制束同时减小可能由它们之间的非线性相互作用产生的不需要的声音伪差的SPL的调制技术的另一示例。这里，可以在操作330处确定和/或先验地提供用于初级音频调制束和次级音频调制束的两个不同的载波频率fc 1和fc 2。那些载波频率之间的差是足够的，使得它们之间的非线性相互作用提供在超声域而不在可听域的声音；即|fc 1-fc 2|>>Δf，其中Δf在可听频率范围的上限处或高于下限(例如Δf>～20KHz)。这里初级音频调制束和次级音频调制束中的各个音频调制束与载波频率fc 1和载波频率fc 2中的相应载波频率相关联(在本示例中fc 1与初级相关联并且fc 2与次级相关联)。
可以使用任何适合的AM调制技术来产生/确定针对具有可听频率fs的初级音频调制束和次级音频调制束所期望的频率组成。例如，可以使用双边带(DSB)AM调制以及SSB-AM调制(为USB、LSB或这二者)。在本示例中，SSB-USB AM调制被用于具有调制频率fm 1＝(fc 1+fs)的初级音频调制束并且DSB AM调制被用于具有调制频率f`m 2＝(fc 2-fs)和调制频率f``m 2＝(fc 2+fs)的次级音频调制束。就此而言应该注意，利用DSB AM调制与SSB相比需要使频谱带宽加倍，这可能引起相当大量的总谐波失真(THD)。因此，在一些情况下，可以优选地使用SSB AM调制的使用，或者调制频率分量的振幅系数被保持足够小以减小THD，但是足够大以维持通过非线性介质的从超声到可听声音的生成的良好效率。
可能从一个音频调制束的调制频率与另一个音频调制束的载波之间的相互作用产生的伪差由于由载波频率fc 1与载波频率fc 2之间的分离Δf而产生的那些频率之间的大间隙而具有高于可听频率阈值的频率。并且由于以上提到的原因，可能由DSB AM调制束的(例如初级音频调制束和/或次级音频调制束的)调制频率(在这种情况下例如f`m 2和f``m 2)之间的非线性相互作用产生的伪差由于相应频率分量的振幅而足够低。
现在参照图6A，其用框图示意性地例示了根据本发明的一些实施方式构造的声音系统600。声音系统600包括处理工具650，该处理工具可连接至包括多个声换能器的排列612(可能也包括信号放大模块)的声换能系统610。排列612中的声换能器元件612.1至612.n通常能够在超声频带中产生声音。处理工具650被构造并且可操作用于获得指示要产生的可听声音的声音数据(例如其数字或模拟表示)以及指示要利用该可听声音产生局部声场所在的空间位置的位置数据(例如其数字或模拟表示)。因此，利用声音数据和位置数据，处理工具650被构造并且可操作来执行以上描述的方法300的操作以用于生成要分别提供给具有用于生成局部声场的多个声换能器的声换能器系统610的操作信号。根据本发明，可以通过利用任何适合的数字信号处理技术、模拟信号处理技术和/或这些技术的组合来实现处理工具650。
根据本发明的一些实施方式，多个声换能器是可以被以二维阵列或一维阵列排列以使得能够形成相对于横向维度(图2中的X和Y)中的一个或两者限制的声音/超声束的声换能器612.1至612.n的二维阵列。例如，声换能器612.1至612.n的基本上平的二维阵列可以被用于生成局部声场。根据一些实施方式，声换能器元件612.1至612.n的特征尺寸是大约应该由此发送的超声波长(例如初级音频调制超声束的和/或其它/附加超声束的频率分量的波长)。这使得能够相对于横向方向产生基本上受限制的超声束并且还使得能实现这些束的适当聚焦。在许多情况下，声换能器元件612.1至612.n的阵列的横向程度小于阵列与局部声场应该由系统600产生所在的相对于该阵列的指定位置之间的距离。例如，声换能器的排列612的横向维度可以是大约厘米至几分米以使得能够在诸如移动电话的便携式通信装置上装备这样的排列612。本发明使得能够将这样的小尺寸布置用于产生局部声场，其中指定位置在与排列612相距几分米至几米的距离范围内。
参照图6B，其更详细地例示了如根据本发明的一些特定实施方式实现的声音系统600的处理工具650。在这个示例中，处理工具650被示出为包括多个模块(即655、660、670、680和690)，这些模块被构造并且可操作用于执行以上描述的方法300的操作310至操作380中的一些或全部。在这点上应该注意，可以模拟地、数字地或通过利用模拟组件和数字组件的组合来实现这些模块中的每个。因此，以上参照方法300的各种输入和/或中间/最终产品指示的术语信号和/或数据应该被解释为参照模拟和/或数字信号/数据和/或以模拟形式或数字形式参照这些信号/数据的其它表示。并且根据一些实施方式，可以(例如至少部分地)通过软件代码实现处理工具650的模块中的一个或更多个，所述软件代码可以被具体实现在易失性/非易失性存储器硬件(例如652)上并且所述软件代码也许可由可以为多目的处理器的计算模块(例如651)和/或由指定计算模块(例如数字信号处理器(DSP))执行。模块(即655、660、670、680和690)还可以在本发明的各种实施方式中包括与诸如信号放大器、衰减器、调制器、混频器、滤波器、延迟线的模拟组件和/或诸如A/D转换器和D/A转换器的其它数字/模拟组件相关联的模拟电路/组件。应该注意，可以在实践中在处理工具650的其它模块或工具中组合或划分图6B所描绘的模块655、660、670、680和690中的任一个。这些模块表示在一些情况下可以由一个或更多个其它模块执行/分发的功能操作。
因此在本示例中，处理工具650包括从超声到音频模块和聚焦模块。从超声到音频模块660能够(例如从麦克风601或诸如与其相关联的存储器的其它工具)接收指示要产生的可听声音的音频/声音数据AD并且利用该声音数据AD来确定要由用于产生可听声音的声换能器系统610发送的至少两个声音信号/束/波形的频率组成。事实上，从超声到音频模块660被构造并且可操作用于执行方法300的操作330(例如330.1和/或330.2)以确定至少两个超声束的频率组成，该至少两个超声束的频率组成包括至少一个初级音频调制超声束PAMB和一个或更多个附加超声束AUB。初级音频调制超声束PAMB的频率组成包括被选择为从超声到可听声音的产生使得能实现声音同时在非线性介质中经非线性相互作用的至少两个超声频率分量。一个或更多个附加超声束AUB的频率组成包括要与初级音频调制超声束PAMB叠加以用于在指定空间位置处产生局部声场的两个或更多个频率分量。
应该注意根据本发明的一些实施方式，处理工具650可选地还包括能够处理原始可听声音数据AD以用于根据以上描述的方法300的操作315来生成修改可听声音数据/信号的预处理模块655。修改可听声音数据AD然后还可以由系统的各种模块用来产生更如实地和/或在减小失真情况下对应于原始声音数据的局部声场。例如以上参照式3提供了原始声音数据和修改声音数据中的音频内容之间的对应。
聚焦模块670能够(例如从与其相关联的位置传感器/数据源602)接收指示局部可听声场将被产生在的指定空间位置的位置数据LD并且将该位置数据用于分别为其频率组成通过从超声到音频模块确定的至少两个超声束确定至少两个焦点(即，焦点数据FPD)。事实上，聚焦模块670被构造并且可操作用于执行方法300的操作340(例如340.1和/或340.2)以确定焦点数据FPD以用于将束PAMB和束AUB聚焦到相应的焦点以使得能够在指定空间位置附近生成具有可听声音的局部声场。在本发明的一些实施方式中，聚焦模块670还被构造并且可操作用于执行方法300的操作350。具体地在这样的实施方式中，聚焦模块670还被构造并且可操作用于确定初级音频调制超声束PAMB和一个或更多个附加超声束AUB的相对相位以及可能振幅，使得当所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束被以那些相对相位聚焦在它们相应的焦点FPD上时，在指定空间位置处产生了所期望的局部可听声场。就此而言应该注意，位置数据LD和音频数据AD可以被存储在声音系统600的存储器模块处(例如在图6A所例示的存储器652处)，或者可以经由诸如图6A和图6B中未具体地示出的输入端口和/或通信模块的输入模块(例如实时地)将这些数据中的一个或两者提供给系统。
根据本发明的一些实施方式，初级音频调制超声束PAMB的频率组成可以被适配为通过从超声到音频模块660确定为包括具有在它们之间对应于可听声音的频率的差的载波超声频率分量和调制超声频率分量。并且一个或更多个附加超声束AUB的频率组成可以通过从超声到音频模块660确定为包括被选择为通过干涉初级音频调制超声束PAMB而使得能实现局部声场的限制的一个或更多个超声频率分量。并且根据本发明的一些实施方式，至少两个不同焦点的确定可以被包括在由聚焦模块670确定的焦点数据FPD中。不同焦点可以包括用于聚焦初级音频调制超声束PAMB的特定焦点以及用于聚焦一个或更多个附加超声束AUB的一个或更多个焦点，它们中的一个或更多个与该特定焦点不同。
具体地，从超声到音频模块660可以被适配为确定包括下列中的至少一个的一个或更多个附加超声束AUB：
-一个或更多个初级校正超声束PCB，其各自与初级音频调制超声束PAMB的超声频率分量的SPL分布的校正相关联的。分布将被校正的这个分量可以是初级音频调制超声束PAMB的载波频率分量和/或调制频率分量。
-次级音频调制超声束SAMB，其包括使得能实现从超声到可听声音的对在音频数据AD中指示的可听声音的产生的至少两个超声频率分量。次级音频调制超声束SAMB从而使得能够校正初级音频调制超声束PAMB的可听SPL分布；
-一个或更多个次级校正超声束SCB，各自与次级音频调制超声束SAMB的超声频率分量的SPL分布的校正相关联。
如例如参照图3至图5E对其进行的描述，以上参照方法300的操作330提供了从超声到音频模块660的操作的更详细描述。
因此，聚焦模块670可以被适配为执行下列中的至少一个以用于确定一个或更多个附加超声束AUB的焦点、相对相位以及可能振幅：
-确定一个或更多个初级校正超声束PCB的相应焦点以及一个或更多个初级校正超声束PCB之间的相对相位和初级音频调制超声束PAMB的相应频率分量。可以在这种情况下确定焦点和相对相位，以产生在初级音频调制超声束PAMB与初级校正超声束PCB之间的预定干涉(例如以在指定空间位置外部的特定区域处产生相消干涉和/或在指定空间位置附近产生相长干涉)；
-确定次级音频调制超声束SAMB的焦点以及初级音频调制超声束PAMB与次级音频调制超声束SAMB之间的相对相位。可以在这种情况下确定焦点和相对相位，以在其中局部声场应该减少的暗区区域处在由初级音频调制超声束产生的可听声音波形/束之间引起分散干涉。
-确定一个或更多个次级校正超声束SCB的相应焦点以及次级校正超声束SCB之间的相对相位和次级音频调制超声束SAMB的相应频率分量。可以在这种情况下确定焦点和相对相位，以产生在从次级音频调制超声束SAMB和次级校正超声束SCB生成的相应束之间的干涉以对次级音频调制超声束的可听SPL分布整形。次级音频调制超声束SAMB的可听SPL的成形目的在于在将该束SAMB用于抑制从初级音频调制超声束PAMB获得的可听SPL分布的特定部分时改进准确性。
如例如参照图3至图5E对其进行描述，以上参照方法300的操作340和操作350提供了焦模块670的操作的更详细描述。
根据本发明的一些实施方式，处理工具可以包括能够生成AM调制信号的调制模块680。调制模块680根据本发明的一些实施方式操作以用于接收指示初级音频调制束的频率分量的数据PAMB并且生成据此调制的AM信号。在还使用了次级音频调制束的情况下，调制模块680还可以操作用于接收指示其频率分量的数据SAMB并且生成据此调制的AM信号。然后，可以将这样生成的AM信号提供给操作信号被确定所在的束形成器模块(例如，690)从而使得能够生成与那些AM信号对应的聚焦超声束。然而应该注意在一些实施方式中，可以排除调制模块680并且指示初级/次级音频调制束的频率分量的数据/信号(例如PAMB和/或SAMB)可以在未被这样的调制模块680调制的情况下被提供给束形成器模块。
应该理解，AM技术还被用来从音频数据AD中生成/确定调制技术。也就是说，从超声到音频模块660可以操作来设定适当的载波频率并且对音频数据AD执行AM以在频域中获得相关调制频率。为此，调制模块680还可以位于从超声到音频模块660之前或者作为这个模块660的其中计算出初级束和附加束的调制频率的一部分。
就此而言，应该注意根据一些实施方式，初级音频调制超声束和次级音频调制超声束(PAMB和SAMB)可以是与类似载波频率相关联的SSB-AM调制束。这些音频调制超声束中的一个是载波频率的USB-SSB-AM调制，并且另一个音频调制超声束是该载波频率的LSB-SSB-AM调制。可以通过载波频率(Fc)和边频谱信号(即调制频率分量-Fm)的振幅之比的仔细调制来避免或减小(例如USB调制束和LSB调制束的)不同频谱分量中间的互调。根据一些实施方式，这个比是被发现为提供足够音频SPL然而避免/将互调减小至低于可听/可理解级的大约15:1至20:1。
应该注意，利用两个音频调制束(即两个初级音频调制束)(利用USB-AM的一个调制束和利用LSB-AM的另一个调制束)还可以根据本发明被用于两个局部声场在可以具有不同音频内容的不同的指定位置处的相应生成。可以单独地形成这样的两个音频调制束以聚焦在那两个不同的指定位置上并且可以由同一声换能器系统610(例如换能器元件的同一布置/阵列的不同部分)和/或通过利用超过一个声换能器系统610来发送。如以上所指出的，由这些束在这样的指定位置处产生的可听声音的局部化可以例如通过在与相应的初级校正束相关联的附加超声束中发送来实现。
根据本发明的一些实施方式，系统600(例如处理工具650)包括或与束形成模块690相关联，该束形成模块690被构造并且可操作用于确定要分别提供给声换能器系统610的多个声换能器元件612.1至612.n的多个操作信号OSIG以用于形成与聚焦在与其相关联的焦点处的初级音频调制超声束PAMB对应的初级音调调制超声束，并且形成聚集在与其相关联的相应焦点处的一个或更多个附加超声束AUB。具体地，束形成模块690可以被适配为生成这些操作信号OSIG，使得这些初级束和附加束产生有相对相位并且在它们的频率分量之间有适当振幅(例如，如由聚焦模块670确定的)以使得能够产生局部可听声场。就此而言，束形成模块690可以被构造为根据用于执行如以上更具体地描述的方法300的操作370以及可能操作390的任何适合的束形成技术来操作。许多这样的束形成技术的原理在本领域中是已知的并且不必在这里详细地描述，将由本领域技术人员容易地了解。
为此，束形成模块690可以利用指示多个声换能器元件612.1至612.n的排列的数据TAD、通过从超声到音频模块660确定的束的频率组成PAMB和频率组成AUB以及由聚焦模块670确定的焦点和相对相位FPD，以便确定操作信号OSIG以用于生成通过换能器元件的排列612聚焦在这些焦点中的相应焦点处的以上提到的束。就此而言，数据TAD可以被硬编码或者可以是从与系统600相关联/包括在一起的数据源(例如存储器模块)605提供的。操作信号OSIG通常包括各自与换能器元件612.1至612.n中的一个相关联的多个信号。并且操作信号OSIG在许多情况下是频率复用超声信号，其中的至少一些包括与超声束PAMB和超声束AUB中的两个或更多个相关联的频率分量。即频率复用超声信号被提供给声换能器系统以一次生成与初级音频调制束PAMB和附加超声束AUB这二者对应的超声束，从而在空气解调之后产生在那里在指定位置处组合为强能量集中和可听SPL(例如大约70-80dB的音频带SPL)的至少两个独立的声场图样。这样的操作信号OSIG束的振幅和相位被选择为生成聚焦在它们相应的焦点上、具有适当振幅并且在它们之间具有相应的相位差的那些束。
超声束具有足够窄的宽度并且它们的振幅足够高以在可听声音将通过介质的非线性行为产生所在的指定位置处产生足够的超声SPL。通常波束形成处理/计算可能还根据介质的湿度和温度来考虑束的所期望的焦点、超声波(由于换能器元件的机声结构及其布置而导致)的自然波失真、超声在介质/空气中的吸收。就此而言，系统600根据其一些实施方式可以包括或者与向其提供指示环境的湿度和/或温度的数据H/T的湿度传感器603和/或温度传感器604相关联。这个数据H/T可以由模块655、模块660和模块670中的一个或更多个处理以更准确地确定产生期望的局部声场所需的操作信号OSIG。
如以上所指出的，多个换能器元件612.1至612.n可以被布置为形成平阵列。元件612.1至612.n可以通过相应的操作/复用信号OSIG(即根据这些信号中的每一个中指示的频率组成、振幅和相位)单独地驱动以按照形成从其生成可听声音的超声束的超声方式构成声波。可以操纵并且将束聚焦到相对于阵列的正半球中的各个点(例如对于Z>0的点)。可以针对低于瑞利距离的距离并且根据超声波的频率组成(例如(载波/调制频率)和有效换能器孔径面积(例如，换能器犹如它是一个实心膜片的有效尺寸)利用波理论的已知原理来实现聚焦。
应该理解根据本发明的一些实施方式，束成形模块也许能够确定多个操作信号OSIG，使得至少两个超声束(例如与初级音频调制超声束PAMB和附加超声束AUB相关联的束)利用声换能器元件612.1至612.n的相同子集或不同子集来生成。并且根据一些实施方式，系统600和处理工具650也许能够在用于在那里产生可听声音的相同内容或不同内容的两个不同指定位置处生成多个(例如两个或更多个)局部声场。并且在这样的实施方式中，声换能器元件612.1至612.n的不同子集可能被用来产生两个或更多个局部声场。
现在参照示意性地例示了根据本发明的另一实施方式构造的声音系统600的图7。这里，声音系统包括能够在指定位置(例如目标用户)附近产生局部声场的处理工具650。处理工具650也许可连接至包括多个换能器元件的声换能器系统610并且可以被构造用于执行以上方法300以用于利用该声换能器系统610来生成局部声场。例如，可以如以上参照图6A和图6B所描述的那样构造处理工具650。
在图7的本实施方式中声音系统600可以包括以下模块中的一个或两个：
-声音区分器模块620，其能够从麦克风642接收输入声音并且处理该声音以确定并且可能区分/隔离仅从用户位于的指定位置到达的声音以及在一些情况下确定/隔离用户的语音；
-对象定位器模块630，其能够从诸如声换能器系统610、成像器(例如宽角摄像头)和/或麦克风642(例如对可听和超声波敏感的宽带麦克风)的一个或更多个外围设备640接收数据并且处理该声音以确定用户的应该生成局部声场所在的位置(例如确定位置数据LD)。
应该注意，模块620和模块630可以包括或者与可用于执行用于如在下面更具体地描述的那些一样执行声音区分和/或对象定位所需要的处理操作的处理模块/单元(例如CPU/DSP)和存储器相关联。处理模块和存储器模块可以为系统600的一个或更多个模块所共有。例如同一处理器和存储器可以服务模块620、模块630和模块650。
在包括对象定位器模块630的实施方式中，对象定位器模块630(例如经常地)跟踪目标用户并且确定指示用户U、它的头部和/或耳朵的位置的位置信息(例如数据/信号LD)。然后可以将位置数据LD作为输入提供给处理工具650以使处理工具650在用户可能移动的同时在用户的位置处生成具有所期望的音频的局部声场。跟踪用户的位置可以通过各种技术来实现。例如，成像器644(诸如装备有宽视场透镜的视频摄像头)可以被设定/定位来对能够由系统创建局部声场所在的区域进行监测/成像(例如，监测相对于声换能器系统610的正半球)。对象定位器模块630可以包括能够接收和处理指示来自摄像头644的图像的数据并且在其中识别人的和/或特定个体的存在以及他的/他们的头部的相应位置。后者可以被确定为位置数据LD。如本领域技术人员将容易地了解的，当前存在能够在图像或视频总长度中识别人或特定个体的许多图像处理/模式识别技术。对象定位器模块630可以利用如适合于本发明的系统的特定实施方式的任何这样的技术。例如，630可以包括使得它能够(例如基于面部识别)定位具有许多用户的图片中的特定用户的个性化能力。
另选地或附加地，对象定位器模块630可以被构造并且可操作用于执行例如声技术或其它技术的其它对象跟踪技术。为此，对象定位器模块630可以利用诸如换能器系统610和/或麦克风642和/或该图中未具体地例示的其它外围设备的其它外围模块。
具体地，根据本发明的一些实施方式，声换能器系统610可以被构造并且可操作用于产生可操纵的超声波/束。对象定位器模块630能够将声换能器系统610用于实现能够监测附近的人们/对象的紧凑声纳系统。为此，对象定位器模块630也许可直接或间接连接至声换能器系统610并且连接至超声敏感麦克风642(其可以是对超声和可听声音敏感的宽带麦克风)。对象定位器模块630能够确定要由声换能器系统610发送的超声束的特性/方向并且操作声换能器系统610以相应地发送超声束。对象定位器模块630还能够接收指示由麦克风642截取/检测到的超声的超声数据并且处理这个超声数据以确定/计算已发送超声束的(例如它们的回声/反射的)飞行时间和/或确定超声数据的指示位于束的路径中的对象的距离/位置的其它参数。如本领域技术人员将了解的，存在能够由本发明的对象定位器630实现来定位在声换能器系统610前面(例如在相对于其的正半球中)的对象/人的各种已知声纳技术。例如，朝向被检测对象的方向可以与其反射被(例如麦克风642)检测到的相应发送的超声束的方向相关联，朝向被检测对象的距离可以基于束的飞行时间(例如从对应/反射束的发送时间到对应/反射束的检测的时间测量到的)而被确定。根据一些实施方式，对象定位器模块630与成像器644相关联并且能够与来自成像器644的信息/图像数据相关联地操作声纳的超声束(例如以将超声束仅指向对象/人在图像数据中至少被粗略地标识所在的方向)。来自成像器的视觉数据以及声换能器系统610的声纳操作的这样的组合可以被用来在检测目标用户的位置时提供更好的准确性。
注意在一些情况下，声换能器系统610可以作为麦克风642执行。因此，在这种情况下可以排除单独麦克风的使用。具体地，可以利用压电换能器元件来构造声换能器系统610，所述压电换能器元件可以在它们未被用于局部声场的生成时一起作为麦克风阵列(例如超声和/或宽带麦克风)。声换能器系统610作为超声麦克风的阵列的使用可以提供指示检测到的声音束的方向的数据，从而改进利用声纳技术的对象检测的准确性。
注意，本发明可以在诸如移动电话的便携式/紧凑电子通信装置中实现。在这样的情况下，对象定位器模块630可以利用诸如摄像头644和麦克风642(通常存在于这样的通信装置中的模块)的外围设备。可利用声纳能力操作的对象定位器模块630还可以用作或代替通常可用在这样的通信装置中的接近传感器。另外，将声纳技术用于对象检测在低光条件下提供了改进的操作。
在包括声音区分器模块620的实施方式中，声音区分器模块620被构造并且可操作来对(例如从麦克风642)向其输入的声音信号进行滤波以据此区分与用户(例如用户的语音)相关联的声音部分/数据。根据本发明的一些实施方式，这个通过利用用于区分用户语音的多普勒方法(例如，在Kaustubh Kalgaonkar、Rongquiang Hu和Bhiksha Raj的“Ultrasonic Doppler Sensor for Voice Activity Detection”；由“MitsubishiElectric Research Laboratories”出版；2008年8月TR2007-106中描述的；参见http://www.merl.com)来实现。
在这样的实施方式中，声音区分器模块620可连接至处理工具650或直接连接至声换能器系统610，并且可操作用于将声换能器系统610用于朝向用户的位置(例如以离散频率)发送超声束/波形。当这样的波形击中用户的面部/头部时，它被反射回但是它然而通过面部/头部的移动而被多普勒调制。具体地，当用户正在说话和/或移动他的嘴时，所反射的超声将通过嘴和咽喉的移动而被多普勒调制。为此，声音区分器模块620也许可连接至能够检测已发送超声束的多普勒调制反射的超声敏感麦克风(例如642或其它麦克风)。声音区分器模块620还也许可连接至可操作用于检测可听声音(例如包括用户的可听声音)的可听范围麦克风(例如642或其它麦克风)中的麦克风。声音区分器模块620可以被适配为处理连同多普勒调制反射一起检测到的可听声音以便基于可听声音与多普勒反射声音的相关性来对可听声音进行滤波。这个技术使得能够区分用户的相对地与多普勒超声反射相关的语音，因为超声束在用户处被定位/聚焦。因此可以滤出不与多普勒超声反射相关的其它噪声/伪差以区分用户的语音(参见例如Bo Zhu、Timothy J.Hazen和James R.Glass的“Multimodal speechrecognition with ultrasonic sensors”,Proceedings of Interspeech,比利时安特卫普,2007年8月)。
应该注意，被用于创建多普勒反射的超声束可以是用于创建局部声场的束中的一个及其部分。例如，这个可以是初级音频调制束的载波频率分量。系统应该处于侦听模式，在所述侦听模式下它未被用于产生局部声场，可以在没有调制的情况下(例如在不用被音频调制的情况下)发送载波频率。

Claims (42)

1.一种用于在指定空间位置处生成局部可听声场的方法，该方法包括以下步骤：
提供指示要产生的可听声音的声音数据；
利用所述声音数据并且确定至少两个超声束的频率组成，该至少两个超声束要由包括用于生成所述可听声音的多个超声换能器元件的排列的声换能器系统发送；其中，所述至少两个超声束包括至少一个初级音频调制超声束以及各自包括一个或更多个超声频率分量的一个或更多个附加超声束，该至少一个初级音频调制超声束的频率组成包括被选择为在非线性介质中经非线性相互作用之后产生所述可听声音的至少两个超声频率分量；
提供指示所述可听声音将被产生在的指定空间位置的位置数据；
利用所述位置数据并且分别针对所述至少两个超声束确定至少两个焦点，使得将所述至少两个超声束聚焦在所述至少两个焦点上使得能够在所述指定空间位置附近生成具有所述可听声音的局部声场。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括以下步骤：确定所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束的相对相位，使得当所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束被以所述相对相位聚焦在它们相应的焦点上时，在所述空间位置处产生具有所述可听声音的局部可听声场。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个初级音频调制超声束的所述频率组成包括载波超声频率分量和调制超声频率分量，在所述载波超声频率分量和所述调制超声频率分量之间具有与所述可听声音的频率相对应的差，从而使得能够进行从超声到可听声音的所述可听声音的产生；并且所述一个或更多个附加超声束的频率组成包括被选择为通过与所述初级音频调制超声束的相互作用而使得能实现对所述局部声场的约束的一个或更多个超声频率分量。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束利用所述排列的声换能器的相同子集或不同子集形成。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述初级音频调制超声束被振幅调制AM。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，确定所述至少两个焦点包括确定包括用于聚焦所述初级音频调制超声束的焦点以及用于聚焦所述一个或更多个附加超声束的一个或更多个焦点的至少两个不同的点。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：提供指示多个声换能器的排列相对于所述空间位置的数据并且确定要分别提供给多个所述声换能器的多个操作信号，所述多个操作信号用于形成聚焦在与其相关联的所述焦点中的相应焦点上的所述初级音频调制超声束并且用于形成聚焦在与其相关联的所述焦点中的相应一个或更多个上的一个或更多个附加超声束，其中，所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束的所述频率分量之间的相对相位被选择用于在所述空间位置处产生所述局部可听声场。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个附加超声束包括至少一个初级校正超声束，该至少一个初级校正超声束与SPL分布的校正相关联，该SPL分布与作为所述初级音频调制超声束的调制超声频率分量和载波超声频率分量中的一个的所述初级音频调制超声束的相应超声频率分量相关联；所述至少一个初级校正超声束的所述频率组成包括与所述初级音频调制超声束的所述超声频率分量的频率相关联的所述频率分量，并且所述初级校正超声束的所述频率分量与所述初级音频调制超声束的所述相应频率分量之间的相对相位被选择为影响它们之间的预定干涉图样。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定干涉图样与下列中的至少一个相关联：在所述指定空间位置外部的特定区域处的相消干涉、以及在所述指定空间位置附近的相长干涉。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或更多个附加超声束包括与所述调制超声频率分量相关联并且与所述载波超声频率分量相关联的至少一个初级校正超声束。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个附加超声束包括至少一个次级音频调制超声束；所述方法包括以下步骤：为所述次级音频调制超声束确定至少两个超声频率分量从而通过所述次级音频调制超声束进行从超声到可听声音的所述可听声音的产生；以及确定用于聚焦所述次级音频调制超声束的焦点以及初级音频调制超声束与所述次级音频调制超声束之间的相对相位，以在所 述局部声场应该减少的暗区区域处在由所述初级音频调制超声束产生的可听声音与由所述次级音频调制超声束产生的可听声音之间引起分散干涉。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，为所述次级音频调制超声束确定至少两个超声频率分量包括为所述附加次级音频调制超声束确定附加调制超声频率和附加载波超声频率，其中，在所述附加调制超声频率与所述附加载波超声频率之间的差对应于所述可听声音的频率。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述初级音频调制超声束和所述次级调制超声是与类似载波频率相关联的单边带SSB AM调制束，并且其中，所述AM调制束中的一个AM调制束包括所述类似载波频率的上边带USB AM调制并且所述AM调制束中的另一个AM调制束包括所述类似载波频率的下边带LSB AM调制。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个附加超声束包括与所述次级音频调制超声束相关联的至少一个次级校正超声束；所述方法包括以下步骤：确定所述次级校正超声束的一个或更多个参数以使得能够将所述次级校正超声束用于调整利用所述次级音频调制超声束获得的可听SPL分布的空间形状，从而提高在将所述次级音频调制超声束用于抑制从所述初级音频调制超声束获得的可听SPL分布的特定部分时的准确性。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定所述一个或更多个参数包括确定下列中的一个或更多个：所述至少一个次级校正超声束的频率组成、所述至少一个次级校正超声束和所述次级音频调制超声束之间的相对相位、所述至少一个次级校正超声束的振幅以及用于聚焦所述至少一个次级校正超声束的焦点。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的方法，其中，用于聚焦所述初级音频调制超声束的焦点基本上在所述指定空间位置处，并且与所述附加超声束中的一个或更多个相关联的焦点沿着从声换能器的所述排列到所述空间位置的总体方向紧跟所述指定空间位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，声换能器的所述排列的横向程度基本上小于声换能器的所述排列与所述指定空间位置之间的距离，使得将声换能器的所述排列用于将与所述初级音频调制超声束对应的束聚焦在所述焦点处得到在沿着所述总体方向紧跟所述焦点的点处的有效SPL峰和紧跟所述峰之后的残留SPL尾部，并 且其中，将与所述一个或更多个附加超声束对应的一个或更多个束聚焦在它们相应的焦点上导致下列中的至少一个：所述有效SPL峰的位置朝向所述指定空间位置校正以及所述残留SPL尾部被抑制。
18.根据权利要求1至17中的任一项所述的方法，其中，所述附加超声束中的至少一个附加超声束与所述初级音频调制超声束之间的相对相位在所述指定空间位置处是大约π；所述相对相位与下列中的至少一个相关联：分别在所述初级音频调制超声信号与所述至少一个附加超声束之间的相对相位；以及分别在所述初级音频调制超声束和所述至少一个附加超声束的对应频率分量之间的相对相位。
19.根据权利要求1至18中的任一项所述的方法，其中，所述局部声场与其中所述可听声音的声压级SPL超过预定明亮声音阈值的明区相关联；所述明区围绕所述空间位置并且相对于从所述布置到所述空间位置的一般的纵向紧跟所述空间位置延伸不超过特定预定距离并且相对于与所述纵向垂直的至少一个横轴从所述空间位置延伸不超过特定预定距离。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述明亮声音阈值被选择为使得在所述明区中可听声音的信噪比SNR是大约0dB。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述明亮声音阈值被选择为使得在所述明区中可听声音的SPL超过70dB。
22.根据权利要求19至21中的任一项所述的方法，其中，所述特定预定距离不超过数分米。
23.根据权利要求1至22中的任一项所述的方法，其中，所述局部声场与位于所述局部声场的明区的外部的暗区相关联，并且其中，在所述暗区中所述可听声音的SPL低于预定暗声阈值。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述暗声阈值被选择为使得在所述暗区中所述可听声音的SPL比在所述指定空间位置处所述可听声音的SPL低了至少10dB。
25.一种声音系统，该声音系统包括可连接至能够在超声频带中产生声音的多个声换能器的排列的处理工具，所述处理工具被适配用于获得指示可听声音的声音数据和指示要产生局部声场的空间位置的位置数据，并且被构造和可操作用于执行根据方法权利要求1至24中的任一项的操作以利用所述声音数据和所述位置数据并且生成 要分别提供给所述多个声换能器来生成所述局部声场的操作信号。
26.根据权利要求25所述的系统，该系统包括多个声换能器的所述排列。
27.根据权利要求25或26所述的系统，其中，多个声换能器的所述排列是具有所述超声频带的波长的数量级的特征尺寸的声换能器元件的基本上平坦的二维阵列。
28.根据权利要求25至27中的任一项所述的系统，其中，多个声换能器的所述排列的横向程度小于多个声换能器的所述排列与将由所述系统产生所述局部声场的相对于所述阵列的指定空间位置之间的距离。
29.一种系统，该系统包括可连接至声换能器系统的处理工具，该声换能器系统包括能够在超声频带中产生声音的多个声换能器的排列；所述处理工具被适配用于获得指示可听声音的声音数据和指示指定空间位置的位置数据并且确定要提供给多个声换能器的所述排列来在所述空间位置处生成具有所述可听声音的所述局部声场的声音信号；所述处理工具包括：
从超声到音频调制模块，该从超声到音频调制模块能够利用所述声音数据来确定要由所述声换能器系统发送的至少两个超声束的频率组成；其中，所述至少两个超声束包括至少一个初级音频调制超声束，该至少一个初级音频调制超声束的频率组成包括被选择为在非线性介质中经非线性相互作用的同时使得能实现由从超声到声音的可听声音产生；以及包括要叠加在所述初级音频调制超声束上的两个或更多个频率分量以在所述指定空间位置处产生所述局部声场的一个或更多个附加超声束；
聚焦模块，该聚焦模块能够利用所述位置数据并且分别为所述至少两个超声束确定至少两个焦点，使得将所述至少两个超声束聚焦在所述至少两个焦点上使得能够在所述指定空间位置附近生成具有所述可听声音的局部声场。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述聚焦模块能够确定所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束的相对相位，使得当所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束被以所述相对相位聚焦在它们相应的焦点上时，在所述空间位置处产生具有所述可听声音的局部可听声场。
31.根据权利要求28或29所述的系统，其中，所述从超声到音频调制模块被适配为确定所述至少一个初级音频调制超声束的所述频率组成，使得该频率组成包括载波超声频率分量和调制超声频率分量，在所述载波超声频率分量和所述调制超声频率分量之间具有与所述可听声音的频率对应的差，从而使得能够进行从超声到可听声音 的所述可听声音的产生；并且所述一个或更多个附加超声束的频率组成包括被选择为通过与所述初级音频调制超声束的相互作用而使得能实现对所述局部声场的约束的一个或更多个超声频率分量。
32.根据权利要求29至31中的任一项所述的系统，其中，在确定所述至少两个焦点时所述聚焦模块被适配用于确定包括用于聚焦所述初级音频调制超声束的焦点以及用于聚焦所述一个或更多个附加超声束的一个或更多个焦点的至少两个不同的点。
33.根据权利要求29至32中的任一项所述的系统，该系统包括束形成模块，该束形成模块被构造并且可操作用于利用指示所述多个声换能器的排列的数据、所述至少两个超声束的所述频率组成和所述至少两个焦点的数据来确定要分别提供给所述声换能器系统的多个所述声换能器元件的用于形成聚焦在与其相关联的焦点上的所述初级音频调制超声束并且形成聚焦在与其相关联的相应焦点上的一个或更多个附加超声束的多个操作信号，其中所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束的所述频率分量之间的相对相位被选择为使得能够在所述指定空间位置处产生所述局部可听声场。
34.根据权利要求33所述的系统，所述束成形模块被适配用于确定所述多个操作信号，使得所述束中的至少两个利用声换能器的相同子集或不同子集生成，所述束中的所述至少两个包括所述初级音频调制超声束和所述一个或更多个附加超声束。
35.根据权利要求29至34中的任一项所述的系统，其中，所述从超声到音频调制模块被适配为确定包括下列中的至少一个的所述一个或更多个附加超声束：
-一个或更多个初级校正超声束，其各自与所述初级音频调制超声束的超声频率分量的SPL分布的校正相关联，其中，所述分量是载波频率分量和调制频率分量中的一个；
-至少一个次级音频调制超声束，其包括至少两个超声频率分量从而使得能够进行从超声到可听声音的所述可听声音的产生并且从而使得能够校正所述初级音频调制超声束的可听SPL分布；
-一个或更多个次级校正超声束，其各自与所述次级音频调制超声束的超声频率分量的SPL分布的校正相关联。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述聚焦模块被适配为执行下列中的 至少一个以确定所述一个或更多个附加超声束的焦点和相对相位：
-为所述一个或更多个初级校正超声束确定相应焦点以及所述一个或更多个初级校正超声束和所述初级音频调制超声束的相应频率分量之间的相对相位，以在所述指定空间位置外部的特定区域处在从所述初级音频调制超声束和所述初级校正超声束生成的相应超声束之间产生相消干涉；
-为所述次级音频调制超声束确定焦点以及所述初级音频调制超声束与所述次级音频调制超声束之间的相对相位以在所述局部声场应减少的暗区区域处在通过从所述初级音频调制超声束和所述次级音频调制超声束生成的可听声音波形产生的可听声音之间引起分散干涉；
-为所述一个或更多个次级校正超声束确定相应焦点以及所述一个或更多个次级校正超声束和所述次级音频调制超声束的相应频率分量之间的相对相位，以在从所述次级音频调制超声束和所述次级校正超声束生成的相应超声束之间产生干涉以提高在将所述次级音频调制超声束用于抑制从所述初级音频调制超声束获得的可听SPL分布的特定部分时的所述准确性。
37.根据权利要求29至36中的任一项所述的系统，该系统包括调制模块，该调制模块被适配用于通过利用AM调制来产生至少所述初级音频调制束。
38.一种声音系统，该声音系统包括：处理工具，该处理工具可连接至多个声换能器的排列并且适配用于获得指示可听声音的声音数据并且生成要分别提供给所述多个声换能器的用于生成指向特定指定空间位置的定向声音束的操作信号；并且包括下列中的至少一个：
-声音区分器模块，该声音区分器模块能够接收输入声音数据并且将这些声音数据与从所述指定空间位置到达的所述声音数据声音有差别地处理；以及
-对象定位器模块，该对象定位器模块能够从一个或更多个外围模块接收数据并且处理这些数据以至少确定到所述系统的用户位于其中的所述指定空间位置的方向；其中，所述外围模块包括成像器和麦克风中的至少一个。
39.根据权利要求38所述的系统，其中，所述处理工具被构造并且可操作用于执行根据权利要求1至23中的任一项所述的方法以生成被导向所述特定指定空间位置的一个或更多个定向超声束并且从而在所述特定指定空间位置产生局部声场。
40.根据权利要求38或39所述的系统，其中，所述声音区分器模块可连接至以 超声和可听声音域操作的一个或更多个麦克风并且被适配用于从其获得所述声音数据和指示响应于向所述指定空间位置发送的超声束而从其的多普勒调制超声束的超声数据；以及确定所述声音数据与所述超声数据之间的相关性并且利用所述相关性来从所述声音数据区分从所述指定空间位置到达的可听声音。
41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述声音区分器模块被适配用于将多个声换能器的所述排列用于生成所述超声束，其中，所述超声束包括聚焦在所述指定空间位置上的用于生成所述多普勒调制超声波的至少一个超声频率分量。
42.根据权利要求38至41中的任一项所述的系统，其中，所述对象定位器模块可连接至多个声换能器的所述排列并且可连接至至少以所述超声域操作的一个或更多个麦克风，并且被适配用于基于超声束通过多个声换能器的所述排列的发送以及由所述一个或更多个麦克风对反射超声波的检测来利用基于声纳的对象检测。
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