DE69921558T2

DE69921558T2 - Parametrisches Audiosystem

Info

Publication number: DE69921558T2
Application number: DE1999621558
Authority: DE
Inventors: Frank Joseph Pompei
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: US20050248233A1; EP0973152A2; EP0973152B1; US9036827B2; JP2010051039A; US20120051556A1; EP0973152A3; JP2000050387A; US8027488B2; DE69921558D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die Projektion von Audiosignalen auf offensichtliche Quellen (Scheinquellen), die von den Wandlern bzw. Übertragern) entfernt sind, die diese Signale erzeugen. Insbesondere betrifft sie ein parametrisches Schallsystem, das einen Ultraschallstrahl, moduliert mit einem Audiosignal, in Richtung auf einen gewünschten Ort hin richtet, wobei eine Nicht-Linearität der atmosphärischen Ausbreitungscharakteristiken das Signal an Orten, die von der Signalquelle entfernt sind, demoduliert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist altbekannt, dass ein Ultraschallsignal mit einer ausreichend hohen Intensität, amplitudenmoduliert mit einem Audiosignal, beim Durchgang durch die Atmosphäre als Folge von nichtlinearen Ausbreitungscharakteristiken des Ausbreitungsmediums demoduliert werden wird. Frühere Systeme auf Grundlage dieses Phänomens sind verwendet worden, um Schallereignisse von einem modulierten Ultraschallgenerator auf andere Orte zu projizieren, von denen die Schallereignisse ausgehen zu scheinen. Insbesondere sind Felder (Arrays) von Ultraschallwandlern zum Projizieren von audiomodulierten Ultraschallstrahlen, die gelenkt werden können, um die Orte der offensichtlichen Quellen der demodulierten Audioinhalte zu bewegen, vorgeschlagen worden. Ferner sind die Audiosignale, die entlang des Pfads des Ultraschallstrahls regeneriert werden, gekennzeichnet durch eine Richtcharakteristik, die derjenigen des Strahls entspricht. Die Signale können somit auf einen bestimmten Ort gerichtet werden, wobei die Audiosignale an diesem Ort und nicht an anderen Orten, die weg von der Strahlachse angeordnet sind, empfangen werden.
Die Richtcharakteristik der Audiosignale wird aufrecht erhalten, wenn der Ultraschallstrahl von einer Oberfläche reflektiert wird und in der Tat beinhaltet eine vorgeschlagene Strahllenkungsanordnung die Verwendung einer drehbaren reflektierenden Oberfläche. Wenn andererseits der Strahl auf eine Oberfläche hin projiziert wird, die akustische Energie bei Ultraschallfrequenzen absorbiert, sie aber bei Audiofrequenzen reflektiert, wird der Audioinhalt des Signals mit einer verringerten Richtcharakteristik reflektiert werden, wobei der Schall so erscheint, als ob er von dem Reflektionspunkt stammte. Diese Charakteristiken erlauben eine Anzahl von höchst nützlichen Anwendungen von diesen Systemen. Zum Beispiel kann man den Ultraschallstrahl so richten, dass er eine sich bewegende Figur verfolgt, die auf einen Bildschirm projiziert wird, und die Scheinquelle des Schalls wird sich über den Bildschirm zusammen mit der Figur bewegen. Man kann den Strahl auf eine stationäre oder sich bewegende Person in einem Gebiet projizieren, in dem andere Personen ebenfalls positioniert sind, und der demodulierte Schall wird von der Person gehört werden, und zwar größtenteils mit Ausschluss der anderen. In ähnlicher Weise kann man den Stahl in ein Gebiet hinein projizieren, so dass Personen, die in das Gebiet hinein gehen, eine Nachricht empfangen werden, die speziell auf diesen Ort ausgerichtet ist. Zum Beispiel können in einer Kunstgalerie Nachrichten, die auf individuelle Gemälde ausgerichtet sind, in die Gebiete vor den Gemälden projiziert werden.
Mit derartigen nützlichen Anwendungen für eine parametrische Schallstrahltechnologie würde man erwarten, dass sie eine breite kommerzielle Anwendung hat. Dies ist jedoch nicht der Fall gewesen und es erscheint so, dass mehrere Faktoren gegen eine kommerzielle Akzeptanz gewirkt haben. Zum Beispiel sind die Wandlerfelder, die die Ultraschallstrahlen projizieren, bislang in der Herstellung teuer gewesen und sind durch einen geringen Wirkungsgrad beim Umwandeln der elektrischen Energie in akustische Energie charakterisiert, was zu sperrigen und aufwendigen Systemen führt.
Ferner sind die Wandler durch eine schmale Bandbreite charakterisiert worden, was es schwierig macht eine Kompensation hinsichtlich einer Verzerrung vorzunehmen, wie nachstehend diskutiert.
Eine andere Unzulänglichkeit in Früheren Systemen ist die Verwendung einer relativ niedrigen Ultraschall-Trägerfrequenz, z. B. 40 kHz, gewesen, was zu Modulationskomponenten führen kann, deren Frequenzen nahe an der oberen Grenze des menschlichen Gehörs sind Somit können die Intensitäten von diesen Komponenten derart sein, dass das menschliche Gehör beschädigt wird, ohne dass die Opfer Kenntnis über die Umgebung mit hoher Intensität haben und somit keine Kenntnis über die Gefahr haben, der sie ausgesetzt sind. Ferner sind diese Komponenten gut innerhalb des Hörbereichs von Haustieren und können für diese genauso störend oder verletzend sein. Mit ineffizienten Wandlern ist es unpraktisch höhere Frequenzen zu verwenden, da die atmosphärische Absorption der Ultraschallenergie schnell als eine Funktion der Frequenz ansteigt.
Die US-A-5.539.707 offenbart ein drahtloses Kommunikationssystem, welches Audiosignale in elektronische Signale mit einer Ultraschallfrequenz umwandelt und Ultraschallwellen an eine Empfangseinrichtung überträgt. Die Empfangseinrichtung demoduliert die ankommenden Ultraschallsignale.
Die US 4.823.908 offenbart einen parametrischen Lautsprecher, bei dem eine beliebige Richtcharakteristik durch die Bereitstellung einer mechanischen Einrichtung erreicht wird, um entweder die Position einer Reflektionsplatte oder die Position des Ultraschallwandlers zu bewegen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein parametrischer Audiogenerator vorgesehen, wie im Anspruch 1 definiert.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Anzeigesystem vorgesehen, wie im Anspruch 17 definiert. Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum selektiven Senden von Audiosignalen an einen gewählten Ort vorgesehen, wie im Anspruch 20 definiert.
Ein parametrisches System, in das die Erfindung eingebaut ist, verwendet Trägerfrequenzen, die wesentlich hoher als diejenigen von früheren Systemen sind Insbesondere wird bevorzugt eine Trägerfrequenz von wenigstens 60 kHz zu verwenden. Die Modulationsprodukte weisen somit Frequenzen auf die ausreichend oberhalb des hörbaren Bereichs von Menschen sind, und diese Signale sind deshalb wahrscheinlich für Personen, die innerhalb der Ultraschallfelder des Systems sind, harmlos. Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „Modulation", sowie er hier verwendet wird, breit die Erzeugung eines Ultraschallsignals in Übereinstimmung mit einem Informations-führenden Signal bedeutet, und zwar unabhängig davon, ob das Informations-führende Signal tatsächlich verwendet wird, um den Träger zu modifizieren oder nicht; zum Beispiel kann das zusammengesetzte Signal (d. h. der geänderte Träger) de novo synthetisiert werden.
Um die Ultraschallsignale zu erzeugen wird bevorzugt Membranwandler zu verwenden, die mit der Atmosphäre effizienter als die piezzoelektrischen Wandler, die für frühere Systeme charakteristisch sind, koppeln. Die bevorzugten Membranwandler sind elektrostatische Wandler. Jedoch sind auch piezzoelektrische Wandler des Membran-Typs, die in einem transversalen Modus arbeiten, effektiv. Die Wandler werden vorzugsweise mit Schaltungen angesteuert, in denen die Kapazitäten der Wandler mit Schaltungsinduktivitäten bei den akusto-mechanischen Resonanzfrequenzen der Wandler in Resonanz geraten. Dies stellt einen sehr effizienten Transfer von elektrischer Energie an die Wandler bereit, wodurch die Verwendung von relativ hohen Trägerfrequenzen erleichtert wird.
Der hohe Wirkungsgrad und die Vielseitigkeit der Wandler, die hier beschrieben werden, macht sie auch für andere Ultraschallanwendungen geeignet, wie beispielsweise eine Bereichsmessung, eine Flusserfassung und das nicht-zerstörende Testen.
Die Effizienz (der Wirkungsgrad) des Systems kann weiter erhöht werden durch Verändern der Leistung des Ultraschallträgers, wie nahstehend beschrieben, um so im Wesentlichen bei sämtlichen Audiopegeln eine Modulation von 100 Prozent bereitzustellen. Somit wird bei niedrigeren Audiopegeln der Trägerpegel von demjenigen verringert, der für höhere Audiopegel benötigt wird, was zu einer wesentlichen Verringerung im Leistungsverbrauch führt.
Vorzugsweise werden eine Vielzahl von Wandlern in ein Wandlermodul eingebaut und die Module sind angeordnet und/oder werden elektrisch angesteuert, um so im Endeffekt eine große Abstrahloberfläche und einen großen nicht-linearen Wechselwirkungsbereich bereitzustellen. Mit dieser Anordnung kann das System einen relativ hohen Schallpegel ohne eine übermäßig hohe Strahlintensität erzeugen, sowie wie dies der Fall bei der Verwendung einer Wandleranordnung mit einer kleineren Abstrahloberfläche und einem kleineren Wechselwirkungsbereich der Fall sein würde, die angesteuert wird, um eine höhere Ultraschallintensität zu erzeugen, um den gleichen Grad einer hörbaren Energieübertragung zu erreichen. Der gesendete Strahl kann gelenkt werden, und zwar entweder durch physikalisches Drehen des Felds, oder durch Verwendung einer drehbaren Reflektionsplatte oder durch Abwechseln der Fasenbeziehungen der einzelnen Wandlermodule in dem Feld.
Eine atmosphärische Demodulation, auf die sich parametrische Audiosysteme stützen, um die Audiosignale von dem Ultraschallstrahl abzuleiten, führt zu einer quadratischen Verzerrung der Audiosignale. Um diese Verzerrung zu verringern, werden die Audiosignale vor einer Modulation vorkonditioniert, indem sie durch einen Filter geführt werden, dessen Transferfunktion die Quadratwurzel des versetzten, integrierten Eingangsaudiosignals ist. Es ist festgestellt worden, dass dann, wenn Schalleffekte oder bestimmte Arten von Musik verwendet wird, angenehme Effekte manchmal dadurch erhalten werden können, dass ein gewisses Teil der Vorkonditionierung weggelassen wird, oder durch eine Übermodulation des Trägers. Wenn der sich ergebende Ultraschallstrahl durch die Atmosphäre demoduliert wird, weisen die Musik oder die Schalleffekte verbesserte harmonische Effekte auf und sie werden effizienter erzeugt und sind deshalb wesentlich lauter für eine gegebene Ultraschallintensität.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindungsbeschreibung nachstehend bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines parametrischen Schallsystems, in das die Erfindung eingebaut ist;
2A eine Explosionsansicht eines elektrostatischen Wandlermoduls, in das die Erfindung eingebaut ist;
2B eine Modifikation des Wandlermoduls der 2A, konfiguriert für einen Mehrfachresonanz-Frequenzbetrieb;
3A, 3B und 3C typische Wandlermodule;
3D und 3E Felder von Wandlermodulen;
4 ein Schaltbild einer Ansteuereinheit, die Wandler in dem Schallsystem ansteuert;
5 ein Diagramm, welches verwendet wird, um Wandler mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen anzusteuern;
6A und 6B Wandlermodule, die Wandler mit einer piezzoelektrischen Membran verwenden;
7 die Verwendung des Systems beim Reflektieren von Schall von einer Wand;
8 die Verwendung von mehreren Strahlprojektoren, die verwendet werden, um Gegen-Schallquellen in einem dreidimensionalen Raum zu bewegen;
9 eine adaptive Modulationsanordnung für einen parametrischen Schallgenerator;
10A bzw. 10B den frequenzabhängigen Abfall von Ultraschallsignalen durch die Atmosphäre und das Ergebnis einer Korrektur für dieses Phänomen; und
11 die Verwendung eines Wandlergebiets für sowohl eine Übertragung von parametrischen Audiosignalen als auch einen Empfang von Audiosignalen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER ILLUSTRATIVEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in 1 gezeigt umfasst ein parametrisches Schallsystem, das die Erfindung verkörpert, ein Wandlerfeld 10, das eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlermodulen 12 umfasst, die in einer zwei- oder drei-dimensionalen Konfiguration angeordnet sind Jedes der Module 12 enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Wandlern, wie hier beschrieben. Die Wandler werden durch einen Signalgenerator 14 mit Hilfe eines Phaseneinstellungsnetzes 16 angesteuert. Das Netz 16 wendet variable relative Phasen auf die Signale an, die an die Wandler angelegt werden, um eine elektronische Fokussierung, Lenkung oder eine andere Modifikation der Verteilung von Ultraschall, der durch das Feld 10 abgestrahlt wird, zu erleichtern. Weil das Signal breitband ist, ist es alternativ möglich eine Verzögerung – d. h. eine konstante relative Phasenverschiebung über alle Frequenzen – anstelle einer variablen Phasenverschiebung zum Lenken des Strahls zu verwenden. In jedem Fall kann das Netz 16 bei Anwendungen weggelassen werden, bei denen eine Lenkung nicht benötigt wird.
Der Signalgenerator 14 umfasst einen Ultraschallträgergenerator 18, ein oder mehrere Audioquellen 20₁ ... 20_n deren Ausgänge durch optionale Signalkonditionierer 22 und eine Summationsschaltung 24 gehen. Eine Signalkonditionierung kann auch nach einer Summation ausgeführt werden. Das zusammengesetzte Audiosignal von der Schaltung 24 wird an einen Amplitudenmodulator 26 angelegt, der den Träger von dem Generator 18 moduliert. Der modulierte Träger wird an ein oder mehrere Ansteuerschaltungen 27 angelegt, deren Ausgänge an die Wandler in dem Feld 10 angelegt werden. Der Modulator 26 ist vorzugsweise einstellbar, um den Modulationsindex zu verändern.
Wie in 1 gezeigt kann ein Abschnitt des Signals von ein oder mehreren der Quellen 20, wenn gewünscht, den zugehörigen Signalkonditionierer 22 mit Hilfe eines Dämpfers 23 umgehen. Dieses nicht-konditionierte Signal wird durch einen Summierer 28 mit dem Ausgang des Konditionierers 22 summiert, um einen „angereicherten" Schall in dem demodulierten Ultraschallstrahl bereitzustellen Die Frequenz des Trägers, die durch den Generator 18 bereitgestellt wird, ist vorzugsweise in der Größenordnung von 60 kHz oder höher. Unter der Annahme, dass die Audioquellen 20 eine maximale Frequenz von ungefähr 20 kHz aufweisen, werden die niedrigsten Frequenzkomponenten mit einer wesentlichen Intensität in Übereinstimmung mit der Stärke des Audiosignals in dem modulierten Signal, das von dem Feld 10 gesendet wird, eine Frequenz von ungefähr 40 kHz oder höher aufweisen. Dies ist weit über dem hörbaren Bereich des Gehörs von Menschen und über dem Bereich, in dem, obwohl die Energie nicht hörbar ist, das menschliche Hörsystem reagiert und deshalb durch hohe Intensitäten beschädigt werden kann. Es ist unwahrscheinlich, dass relativ hohe akustische Intensitäten bei Frequenzen weit über dem Bereich des Gehörs die Hörfähigkeiten von Personen, die der abgestrahlten Energie ausgesetzt werden, verschlechtern wird.
Wie in 2A gezeigt, kann ein elektrostatisches Wandlermodul 29, in das die Erfindung eingebaut ist, eine konische Feder 30 einschließen, die eine leitende Elektrodeneinheit 32, ein dielektrisches Abstandsstück 34, das mit einem Feld von Öffnungen 36 versehen ist, und eine metallisierte Polymermembran 38 in dieser Reihenfolge haltert. Die Komponenten 32-38 werden gegen die Feder 30 durch einen oberen Ring 40 komprimiert, der an dem Film 38 anliegt und mit einem Gewindeeingriff in ein Basiselement 42 eingreift, das die Feder 30 unterstützt. Das Modul 29 umfasst eine Vielzahl von elektrostatischen Wandlern, die den jeweiligen Öffnungen 36 in dem Polymer-Abstandsstück 34 entsprechen. Insbesondere dient der Abschnitt des Films 38 über jeder der Öffnungen und der Abschnitt der Elektrodeneinheit 32 unterhalb der Öffnung als ein einzelner Wandler, mit einer Resonanzcharakteristik, die unter anderem die Funktion der mechanischen Spannung und der Gebietsdichte des Films 38, des Durchmessers der Öffnung und der Dicke der Polymerschicht 34 ist. Ein sich änderndes elektrisches Feld zwischen jedem Abschnitt der Membran 38 und der Elektrodeneinheit 32 lenkt denjenigen Abschnitt der Membran in Richtung auf die Elektrodeneinheit 32 hin oder davon weg ab, wobei die Frequenz der Bewegung der Frequenz des angelegten Felds entspricht.
Wie dargestellt kann die Elektrodeneinheit 32 durch geeignete Ätztechniken in getrennte Elektroden 32a unter den jeweiligen Öffnungen 36 aufgeteilt werden, wobei sich einzelne Zuleitungen von dieses Elektroden an ein oder mehrere Ansteuereinheiten 27 (1) erstrecken.
Die vorausgehende Wandlerkonfiguration wird leicht unter Verwendung von herkömmlichen flexiblen Schaltungsmaterialien hergestellt und weist deshalb geringe Kosten auf. Zusätzlich können die Ansteuereinheit-Komponenten direkt auf dem gleichen Substrat platziert werden, z. B. dem Ansatzabschnitt 32b. Ferner ist sie im Gewicht leicht und kann für eine einfache Anordnung, Fokussierung und/oder Lenkung des Felds flexibel sein.
Es sei drauf hingewiesen, dass Geometrien, insbesondere die Tiefen der Öffnungen 36, verändert werden können, sodass die Resonanzcharakteristiken der individuellen Wandler in dem Modul 29 einen gewünschten Frequenzbereich aufspannen, wodurch die Gesamtantwort des Moduls, im Vergleich mit derjenigen eines einzelnen Wandlers oder einem Feld von Wandlern mit einer einzelnen akustomechanischen Resonanzfrequenz, verbreitert wird. Dies kann, wie in 2B gezeigt, durch Verwenden eines dielektrischen Abstandsstück 34 erreicht werden, welches zwei (oder mehrere) Schichten 34a und 34b umfasst. Die obere Schicht 34a weist ein volles Komplement von Öffnungen 36a auf. Die untere Schicht 34b weist andererseits einen Satz von Öffnungen 36b auf, die zu nur gewählten der Öffnungen 36a in der Schicht 34a ausgerichtet sind. Wenn demzufolge zwei Öffnungen 36a, 36b ausgerichtet sind, ist die Öffnungstiefe größer als diejenige einer Öffnung in der Schicht 34a über einem Abschnitt ohne Öffnungen der Schicht 34b. Die Elektrodeneinheit 32 weist Elektroden 32b unter den Öffnungen in der Schicht 34b und Elektroden 32c unterhalb nur den Öffnungen in der Schicht 34a auf. Dies stellt einen ersten Satz von Wandlern mit höheren Resonanzfrequenzen (seichteren Öffungen) und einem zweiten Satz mit niedrigeren Resonanzfrequenzen (tieferen Öffnungen) bereit Andere Prozesse, wie ein Siebdruck oder ein Ätzvorgang, können ebenfalls diese Geometrien erzeugen.
3A zeigt ein anderes Wandlermodul 43, das einen relativ breitbandigen Betrieb ausführen kann. Das Modul weist eine allgemein zylindrische Form auf, wobei die Figur ein radiales Segment davon darstellt. Wie gezeigt ist eine elektrisch leitende Membran 50 von einer Rückplatten-Elektrodeneinheit 52 durch ein dielektrisches Abstandsstück 54 beabstandet. Die obere Oberfläche 54a des Abstandsstücks ist durch ringförmige Nuten 56 und 58 unterbrochen. Das Modul 43 umfasst einen geeigneten Aufbau (nicht gezeigt), der die Membran 50 gegen die obere Oberfläche 54a drängt. Somit umfasst das Modul eine Vielzahl von Wandlern, die durch die Membran 50 und die oberen Kanten der Nuten 56 und 58 definiert sind.
Die Nuten 56 sind tiefer als die Nuten 58 und deshalb weisen die Wandler, die die Nuten 56 aufweisen, eine niedrigere Resonanzfrequenz als diejenigen auf die die Nuten 58 beinhalten. Die Resonanzfrequenzen sind ausreichend beabstandet von einander, um ein gewünschtes Gesamtansprechverhalten bereitzustellen, das der Bandbreite des modulierten Ultraschallträgers entspricht.
Die Rückplatten-Elektrodeneinheit 52 kann mit einem leitenden Muster versehen werden, das die Ringe 53, 55 und 57 umfasst, wie in den 3B und 3C gezeigt, sodass die jeweiligen Wandler individuell angesteuert werden können, wie hier beschrieben. Die Beabstandungen der Ringe 53 und 55 und die relativen Phasen der angelegten Signale können so gewählt werden, dass sie die Ultraschallstrahlen Formen, die von den Wandlermodulen projiziert werden.
Die 3D und 3E illustrieren Arrays (Felder) von Wandlermodulen, bei denen die Module Alternativkonfigurationen aufweisen. In 3D weist jedes der Module einen hexagonalen horizontalen Umriss auf, der eine dichte Packung von Modulen bereitstellt. In 3E weisen die Module eine quadratische Konfiguration auf das ebenfalls eine dichte Packung erlaubt Die Muster sind für eine Erzeugung von mehreren Strahlen und eine Phasenfeld-Strahllenkung (Phased-Array Strahlsteuerung) gut geeignet. Es sei darauf hingewiesen, dass bei sämtlichen der vorausgehenden Wandlerausführungsformen irgendein elektrisches Nebensprechen unter Elektroden durch Platzieren von sogenannten „Schutzbahnen" zwischen den Energieelektroden gelindert werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass Wandler mit mehreren elektrischen (aber nicht notwendigerweise akusto-mechanischen) Resonanzen verwendet werden können, um den Wirkungsgrad einer Verstärkung über einer breiten Bandbreite zu erhöhen.
In 4 ist eine Ansteuereinheit 27 zum effektiven Ansteuern eines Wandlermoduls 12 oder eines Felds von Modulen dargestellt. Die Ansteuereinheit umfasst einen Verstärker 61, dessen Ausgang an einen Heraufstufungs-Transformator 62 angelegt ist. Die sekundäre Spannung des Transformators wird an eine Reihenkombination von einem oder mehreren Wandlern in einem Modul 12, einem Widerstand 63 und eines Abblockungskondensators 64 angelegt. Gleichzeitig wird eine elektrische Vorspannung an das Modul von einer Vorspannungsquelle 66 mit Hilfe eines Isolationsinduktors 68 und eines Widerstands 70 angelegt. Der Kondensator 64 weist eine sehr geringe Impedanz bei der Betriebsfrequenz auf und der Induktor 68 weist eine sehr hohe Impedanz auf. Demzufolge haben diese Komponenten keinen Effekt auf den Betrieb der Schaltung, mit Ausnahme davon die AC und DC Abschnitte voneinander zu isolieren. Wenn gewünscht, kann der Induktor (die Induktivität) 68 mit einem sehr großen Widerstand ersetzt werden.
Die sekundäre Induktivität des Transformators 62 ist vorzugsweise zugeschnitten, um mit der Kapazität des Moduls 12 bei der Frequenz der akusto-mechanischen Resonanzfrequenz der Wandler, angesteuert durch die Einheiten 27, d. h. 60 kHz oder höher, in Resonanz zu geraten. Dies stuft effektiv die Spannung über dem Wandler hoch und stellt eine höchst effiziente Kopplung der Leistung von dem Verstärker 27 zu dem Modul 12 bereit. Der Widerstand 63 stellt ein Maß einer Dämpfung bereit, um die Frequenzantwort der Ansteuerschaltung zu verbreitern.
Es sei darauf hingewiesen, dass man einen Transformator 62 mit einer sehr geringen sekundären Induktivität verwenden kann und einen Induktor in Serie zu dem Wandler hinzufügen kann, um die gewünschte elektrische Resonanzfrequenz bereitzustellen. Wenn der Wandler eine Induktivität aufweist, die zu groß ist, um die gewünschte Resonanz bereitzustellen, kann man auch die effektiven Induktivitäten verringern, indem ein Induktor parallel zu der sekundären Wicklung geschaltet wird. Durch Zuschneiden der sekundären Induktivität des Transformators sind jedoch die Kosten der Ansteuerschaltung sowohl deren physikalische Größe und dessen Gewicht minimiert worden.
Wenn ein Wandlermodul oder ein Feld (Array) Wandler mit unterschiedlichen Resonanzfequenzen aufweist, wie voranstehend beschrieben, ist es bevorzugt, obwohl nicht notwendig, getrennte Ansteuerschaltungen zu verwenden, die auf die jeweiligen Resonanzfrequenzen abgestimmt sind. Eine derartige Anordnung ist in 5 dargestellt Der Ausgang des Modulators 26 wird an einen Frequenzteiler 74 angelegt, der das modulierte Ultraschallsignal in obere und untere Frequenzbänder entsprechend zu den Resonanzfrequenzen von Hochfrequenzwandlern 75 bzw. Niederfrequenzwandlern 76 aufteilt. Das obere Frequenzband wird durch eine Ansteuerschaltung 27a geführt, die auf die mechanische Resonanzfrequenz der Wandler 75 abgestimmt ist, und die Resonanzfrequenz der Ansteuerschaltung 27b entspricht der mechanischen Resonanz der Niederfrequenzwandler 76.
Die Abstandsstücke 34 (2A) und 54 (3A) können metallische Abstandsstücke sein, die in einer geeigneten Weise von der leitenden Oberfläche der Membrane 38 und 50 und/oder den Leitern auf den Elektrodeneinheiten 32 und 52 isoliert sind. Jedoch sind dielektrische Abstandsstücke bevorzugt, da sie die Verwendung von höheren Spannungen und somit einen leistungsfähigeren und lineareren Betrieb der Wandler erlauben.
In 6A ist ein Wandlermodul 90 dargestellt, das piezzo-aktive Membrane beinhaltet (z. B. Polyvinylideen-Fluorid (PVDF) Filme, die inhärent piezzoelektrisch sind). Der Metallfilm auf den gegenüberliegenden Oberflächen wird verwendet, um elektrische Wechselfelder an das piezzoelektrische Material anzulegen und somit dieses zu veranlassen sich zusammenzuziehen und auszudehnen. Die PVDF Filme sind früher in Schallwandlern verwendet worden und zwar am effizientesten durch Betreiben des piezzoelektrischen Materials in dem transversalen Modus. Insbesondere wird die Membran auf einer Halterungsstruktur aufgehängt, die mehrere Hohlräume enthält. In Übereinstimmung mit bekannten Ansätzen wird auf die Hohlräume ein Vakuum angewendet, um eine vorgespannte Versetzung der Membran in die Hohlräume hinein bereitzustellen. Die Wechselspannung, die an die Membran angelegt wird, veranlasst die Membrane sich transversal zu dem angelegten Feld auszudehnen und zusammenzuziehen, was die Membran veranlasst, sich entgegen der Vakuumvorspannung vor- und zurück zu bewegen.
Es ist festgestellt worden, dass diese PVDF Wandlermodule für eine Erzeugung eines parametrischen Schalls höchst geeignet sind. Jedoch ist ein Nachteil der herkömmlichen PVDF Wandlermodule die Notwendigkeit ein Vakuum aufrecht zu erhalten, welches auf Dauer unzuverlässig sein kann.
Das Wandlermodul 82 in 6A verwendet ein elektrisches Feld, um die Wandler vorzuspannen. Eine PVDF Membran 84 ist geeigneter Weise an einer perforierten oberen Platte 86 angebracht und in einem Abstand über einer leitenden Bodenelektrode 88 angeordnet. Eine DC Vorspannung, die durch eine Schaltung 92 bereitgestellt wird, ist zwischen die Elektrode 88 und eine leitende Oberfläche 84a der Membran geschaltet, wodurch die Membran in die Öffnungen 96 in der Platte 86 hinein gedrängt wird. Dies stellt eine zuverlässige mechanische Vorspannung für die Membran 84 bereit, sodass sie linear arbeiten kann, um akustische Signale im Ansprechen auf die elektrischen Ausgänge der Ansteuerschaltung 94 zu erzeugen. Wie voranstehend in Verbindung mit 4 beschrieben, kann die DC Vorspannschaltung 92 Komponenten einschließen, die sie von der AC Ansteuerschaltung 94 isolieren.
Zur Verwendung in einem parametrischen Schallgenerator, der mit einem Breitbandbetrieb versehen ist, wie voranstehend beschrieben, weisen die Öffnungen 96 unterschiedliche Durchmesser auf, wie gezeigt, um unterschiedliche Resonanzfrequenzen für die einzelnen Wandler bereitzustellen, die die Abschnitte der Membran 84 bilden, die die Öffnungen überspannt. Eine der leitenden Oberflächen der Membran ist mit einer Struktur versehen, um Elektroden bereitzustellen, die den Öffnungen entsprechen. Die gleiche Oberfläche ist auch mit leitenden Pfaden versehen, die diese Elektroden mit den Schaltungen 92 und 94 verbinden. Insbesondere können die Elektroden mit einem Muster versehen werden, wie für die elektrostatischen Wandler der 2 und 3 beschrieben, um die Geometrie und das Ausmaß des Strahls (für eine Phaseneinstellung, Lenkung, Absorptionskompensation, und eine elektrische Resonanzansteuerung und einen Empfang, etc.) zu steuern und um das Ansteuern bei mehreren Resonanzen zu erleichtern.
Das in 6A dargestellte Modul ist höchst zuverlässig, stellt aber dennoch sämtliche Vorteile der PVDF Wandler bereit. Ferner ist es leicht anpassbar, wie für einen Betrieb mit mehreren Resonanzfrequenzen gezeigt.
In 6B ist ein PVDF Wandlermodul 100 dargestellt, welches mit Hilfe einer positiven Druckquelle 102 vorgespannt ist, die mit dem Hohlraum zwischen der Membran 84 und einer Rückplatte 104 verbunden ist, die aus einem leitenden oder dielektrischen Material sein kann. Sie verwendet die gleiche elektrische Ansteueranordnung wie das Modul 82 der 6A, mit Ausnahme der Weglassung von DC Vorspannungen Gewöhnlicherweise ist es einfacher einen zuverlässigen positiven anstelle eines negativen Drucks in einem PVDF Modul bereitzustellen. Alternativ kann eine positive oder negative Vorspannung bereitgestellt werden, indem ein leichtes, aber federartiges Polymergel oder ein anderes Material zwischen der Membran und der hinteren Platte verwendet wird.
Eine atmosphärische Demodulation eines parametrischen Audiosignals boostet im Wesentlichen die Hochfrequenz-Audiokomponenten, mit einer sich ergebenden Amplitudenantwort von ungefähr 12 dB/Oktave. Diese Charakteristik ist durch eine entsprechende Verwendung eines Niederfrequenz-Hervorhebungsfilters für eine Unterdrückung des Audiosignals vor der Vorverarbeitung kompensiert worden. Jedoch wird bevorzugt eine Kompensation durch Verwendung von Wandlern bereitzustellen, die eine geeignete Frequenzantwort aufweisen. Insbesondere wird bevorzugt, anstelle einer Bereitstellung einer Wandlerantwort, die über dem Frequenzbereich der gesendeten Signale im Wesentlichen flach ist, die Wandler mit einer im Wesentlichen dreieckförmigen Antwort, zentriert auf die Trägerfrequenz, zu versehen, wenn eine Doppel-Seitenwand-Modulation angenommen wird. Die Wandlermodule, die voranstehend beschrieben wurden, stellen diese Antwort bereit, wenn sie für einen Betrieb mit mehreren Resonanzfrequenzen konfiguriert sind, wie dargestellt. Ein Filter für eine erneute Hervorhebung kann verwendet werden, um die nicht-gleichförmige Wandlerantwort zu korrigieren.
7 illustriert die Verwendung eines parametrischen Schallgenerators in Verbindung mit einer Wand 110, auf die der Strahl 112 von einem Wandlerfeld 114 projiziert wird. Die Wand kann eine Oberfläche 110a aufweisen, die relativ glatt ist und somit eine spiegelnde Reflektion sowohl bei den Ultraschall- als auch Audio-Frequenzen bereitstellt. In diesem Fall wird der projizierte Strahl 112, zusammen mit dem Schallinhalt des Strahls, wie bei 116 gezeigt, reflektiert.
Alternativ kann die vordere Oberfläche 110a der Wand aus einem Material oder einer Struktur sein, die eine Ultraschallenergie absorbiert und eine Audioenergie reflektiert. In diesem Fall wird kein reflektierter Strahl vorhanden sein. Anstelle davon wird eine relativ nicht-richtungsbetonte Quelle von Audiosignalen von dem Gebiet vorhanden sein, in dem der Strahl 112 auf die Wand auftritt. Wenn demzufolge gleichzeitig ein sich bewegendes visuelles Bild an die Wand durch einen Projizieren 119 projiziert wird, kann der Strahl 112 veranlasst werden das Bild nach zu verfolgen, sodass der Schall immer so erscheint, als ob er von dem Bild ausgeht Der gleiche Effekt kann durch Verwendung einer Oberfläche bereitgestellt werden, die Unregelmäßigkeiten aufweist, die die Ultraschallenergie diffus reflektieren. In jedem Fall kann der projizierte Strahl relativ hohe Ultraschall-Energiepegel aufweisen, was zu mehr hörbarer Energie führt, ohne Reflektionen mit einer gefährlich hohen Ultraschallintensität zu verursachen. Der Strahl 112 und der Projektor 119 können für eine gemeinsame Lenkung durch einen Servomechanismus (nicht gezeigt) oder durch die Verwendung einer gemeinsamen Reflektionsplatte (nicht gezeigt) gekoppelt werden, um die gewünschte Bildnachverfolgung bereitzustellen; alternativ kann der Strahl unter Verwendung eines Gruppenfelds (Phased Array) von Wandlern gelenkt werden. Die Wand kann auch gekrümmt sein, um so sämtliche hörbaren Reflektionen auf ein spezifisches Hörgebiet zu richten.
In einer noch anderen Alternative kann die Wand 110 Licht reflektieren, aber für Schall transparent sein, was dem Schall erlaubt durch die Wand 110 zu gehen (um zum Beispiel von einer anderen Oberfläche reflektiert zu werden). Der wichtige Punkt ist, dass die Schall- und Lichtreflektionseigenschaften der Wand 110 völlig unabhängig sind, sodass der Entwickler eine vollständige Steuerung über diese Parameter in Übereinstimmung mit gewünschten Anwendungen hat.
Das in 7 dargestellte System kann auch ein Gerät zum Steuern der atmosphärischen Bedingungen einschließen, wie beispielsweise der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit. Es ist festgestellt worden, dass der Wirkungsgrad einer Demodulation von Strahlenergie, um hörbare Signale bereitzustellen, eine direkte Funktion von derartiges Bedingungen ist. Eine Einrichtung 120, die zum Beispiel ein thermostatisch gesteuerter Erwärmer, ein Feuchtigkeitsgenerator und/oder ein Entfeuchter sein kann, hält die gewünschte Bedingung entlang des Pfads, durch den der Ultraschallstrahl 84 läuft, aufrecht. In Fällen, bei denen die Atmosphäre ansonsten eine niedrige relative Feuchtigkeit aufweisen würde, wird es zum Beispiel oft wünschenswert sein die Feuchtigkeit in die Atmosphäre hinein zu injizieren; im Allgemeinen ist es wünschenswert relative Feuchtigkeiten in der Größenordnung von 20-40%, wo eine Absorption maximal ist, zu vermeiden. Andere Mittel, wie zum Beispiel ein Bühnenrauch, können ebenfalls in die Atmosphäre hinein initiiert werden, um den Wirkungsgrad einer Demodulation zu erhöhen Um einen tiefen Bassinhalt in den Audiosignalen bereitzustellen können die Ausgänge der Audioquellen 20 (1) auf einen Woofer (d. h. einen Niederfrequenz-Lautsprecher) 121 angelegt werden Soweit, wie die sehr niedrigen Frequenzen nicht zu dem Richtungseffekt der Audiosignale beitragen, lenkt die Verwendung des Woofers 121 gewöhnlicherweise nicht von der offensichtlichen Bewegung der Schallquelle über der Wand 110 ab. Natürlich sollte der Woofer 121 positioniert und/oder gesteuert wenden, um irgendeine wahrnehmbare ungünstige Einwirkung auf den beabsichtigten Projektionseffekt zu vermeiden.
Durch Verwendung von zwei oder mehreren Ultraschallstrahlen kann man die offensichtliche Quelle (die Scheinquelle) eines Audiosignals wie gewünscht innerhalb eines dreidimensionalen Raums positionieren. Einer oder beide Strahlen werden mit dem Audiosignal moduliert. Die individuellen modulierten Strahlen weisen eine Intensität unter dem Pegel auf, bei dem eine signifikante Audiointensität erzeugt wird. Die Strahlen werden gerichtet, um sich zu schneiden, und in dem Volumen, in dem die Strahlen sich schneiden, ist die kombinierte Intensität der zwei Strahlen ausreichend, um ein wesentliches Audiosignal bereitzustellen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Stärke eines demodulierten Audiosignals proportional zu dem Quadrat der Intensität des projizierten Ultraschallstrahls ist. Das Audiosignal erscheint somit so, als ob es von diesem Volumen ausgeht, und man kann deshalb die Scheinaudioquelle durch einen dreidimensionalen Raum bewegen, indem die Überschneidung der Strahlen verschoben wird. In der Tat ist es durch Steuern der Interferenz von zwei oder mehreren Strahlen möglich die Größe, die Form und das Ausmaß der Schallquelle zu ändern.
Ein parametersicher Generator, der diese Funktion bereitstellt, ist in 8 gezeigt. Ein Paar von Ultraschallwandlerfeldern 122 und 123, die wie voranstehend beschrieben arbeiten, werden durch Lenkmechanismen 124 und 125 gehaltert, die eine unabhängige Lenkung der Strahlen 126 und 127 bereitstellen, die durch die Felder 122 und 123 projiziert werden. Die Strahlen schneiden sich in einem Volumen 128, die die Scheinquelle eines hörbaren Signals ist, die sich aus einer nicht-linearen Wechselwirkung der Ultraschallenergie innerhalb des Volumens ergibt. Die Lenkmechanismen werden durch einen Controller (nicht gezeigt) gesteuert, um die Stahlen 126 und 127 zu lenken und das Strahlwechselwirkungsvolumen 128 auf verschiedene gewünschte Orte zu bewegen. Dieser Ansatz ist nützlich nicht nur zum Erzeugen einer Scheinschallquelle, sondern auch zum Beschränken des Audiosignals auf einen spezifischen Bereich oder auf ein spezifisches Auditorium (welches sich bewegen kann), ohne andere zu stören. Bei derartigen Anwendungen mit „gerichtetem Audio", kann es sich als nützlich erweisen Absorptionsoberflächen zu verwenden, um unerwünschte Audioreflektionen in der Nähe der gerichteten Strahlen zu verringern.
Die Strahlen 126, 127 (die als getrennte Strahlen oder als ein geteilter Strahl erzeugt werden) können auch jeweils auf eines der Ohren eines Zuhörers gerichtet werden, um ein Stereophonie- oder Doppelhör-Audio zu erzeugen. In diesem Fall wird jeder der Strahlen 126, 127 mit einem getrennten Stereo- oder Doppelhör-Kanal moduliert; in dem letzteren Fall kann die Aufrechterhaltung der Doppelhör-Illusion das Beachten der Position des Zuhörers beim Erzeugen der Audiosignale erfordern.
Wenn ein Niederpegel-Audiosignal reproduziert werden soll, ist es unerwünscht einfach der Modulationstiefe zu erlauben klein zu bleiben, während ein Hochenergie-Ultraschallstrahl, wie in früheren Systemen, aufrecht erhalten wird. Anstelle davon wird bevorzugt eine Modulationstiefe in der Nähe von Eins aufrecht zu erhalten, indem die Amplitude des Trägers im Ansprechen auf Änderungen in dem Audiosignalpegel angepasst wird. Dies stellt einen maximalen Wirkungsgrad des Systems sicher und verhindert automatisch die Übertragung von Ultraschall, wenn das ankommende Audio abwesend ist.
Ein geeignetes adaptives System ist in 9 dargestellt. Ein Audioeingang wird durch eine Quelle 130 bereitgestellt, die auch eine Absenkung (Verringerung) umfassen kann, und zwar in Abhängigkeit von den Wandlercharakteristiken, wie voranstehend beschrieben. Der Ausgang der Quelle 130 wird auf einen Spitzenpegel-Sensor 133 und an einen Summierer 132 angelegt, der ebenfalls den Ausgang des Sensors 133 empfängt.
Der Ausgang des Summierers 132 wird auf eine Quadratwurzelschaltung 137 angelegt und das sich ergebende Audiosignal multipliziert den Träger in einem Modulator-Multiplizierer 138. Der modulierte Träger kann durch einen Verstärker 139 verstärkt werden, bevor er an eine Wandleransteuerschaltung geht. Einige oder sämtliche Funktionen der Schaltungselemente in 9 können natürlich mit Hilfe von einem oder mehreren geeignet programmierten Digitalsignalprozessoren und einer zugehörigen Schaltungsanordnung erreicht werden.
Insbesondere erzeugt ein parametrisches System einen hörbaren sekundären Schallstrahl durch Senden eines modulierten, nicht hörbaren, primären Ultraschallstrahls in die Luft hinein. Für einen primären Strahl, der beschrieben wird durch: P1(t) = P1E(t)sin(ωct) (1)wobei P₁ die Trägeramplitude ist und ω_c die Trägerfrequenz ist, kann eine relativ echte Reproduktion eines Audiosignals g(t) erhalten werden, wenn:
erfüllt ist, wobei m die Modulationstiefe ist und g(t) auf einen Spitzenwert von Eins normalisiert ist. Der sich ergebende Audiostrahl p₂(t) ist dann bekanntermaßen:
Wenn kein Audiosignal vorhanden ist (g(t)=0), ist E(t)=1, und der primäre Strahl p₁(t)=P₁sin(ω_ct) setzt die Aussendung des Ultraschallträgers fort. Dieser ruhige Ultraschallstrahl dient keinem Zweck und verschwendet Energie. Er kann auch eine Gefahr darstellen: ein Schall mit einem reinen Ton ist im Allgemeinen, wenigstens für hörbaren Schall, gefährlicher als ein Breitbandschall (mit einer Energiespreizung überall), und da es nichts Hörbares gibt, haben Zuhörer keine Kenntnis, dass sie einem energetischen Ultraschall gerade ausgesetzt werden.
Die Schaltung der 9 steuert sowohl die Modulationstiefe als auch die gesamte primäre Amplitude P₁, um dadurch (a) die Modulationstiefe zu maximieren (während sie auf oder unter irgendeinem Ziel gehalten wird, gewöhnlicherweise 1); (b) einen hörbaren Pegel entsprechend zu dem Pegel des Audiosignals g(t) durch geeignetes Einstellen von P₁ aufrecht zu erhalten; und (c) sicherzustellen, dass dann, wenn kein Audio vorhanden ist, nur ein geringer oder kein Ultraschall vorhanden ist. Diese Funktionen können durch Messen des Spitzenpegels L(t) des integrierten (d. h. ausgeglichenen) Audiosignals und durch Synthetisieren des gesendeten primären Strahls p'(t) erreicht werden als:
wobei L(t) der Ausgang des Pegelsensors 133 ist und die Größe L(t)+m ∫∫g(t)dt² der Ausgang des Summierers 132 ist. Die Quadratwurzel der letzteren Größe wird durch die Quadratwurzelschaltung 137 bereitgestellt und die abschließende Multiplikation mit P₁sin(ω_ct) wird durch den Multiplizierer 138 bereitgestellt.
Der Ausgang p'(t) des Multiplizierers 138, wie mit der Formel (4) definiert, kann ebenfalls mit Hilfe eines herkömmlichen Amplitudenmodulators bereitgestellt werden, wobei sowohl P₁ als auch der Pegel des an den Modulator angelegten Audiosignals in Übereinstimmung mit dem Spitzenpegel von g(t) gesteuert wird. Um ein demoduliertes Audiosignal zu erhalten, dessen Pegel proportional zu demjenigen von g(t) ist, würde das Pegel-Steuersignal proportional zu der Quadratwurzel des Werts der Spitze g(t) sein.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die in 9 dargestellt ist, stellt einen einfachen direkteren Mechanismus bereit, um dieses Ergebnis zu erreichen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Quadratwurzelschaltung 137 die dualen Funktionen einer Vorkonditionierung des Audiosignals für eine Verringerung einer Zwischenmodulationsverzerrung und einer Bereitstellung der Quadratwurzel von L(t) bereitstellt.
Eine atmosphärische Demodulation des Ultraschallsignals führt zu einem Audiosignal p'₂(t), was folgendermaßen gegeben wird;
Dieses Signal umfasst somit das gewünschte Audiosignal mg(t) und einen Restterm, der das Spitzenerfassungssignal L(t) beinhaltet. Der hörbare Effekt des Restterms kann somit auf vernachlässigbare Anteile verringert werden, indem eine relativ lange Zeitkonstante auf L(t) angewendet wird und dadurch die zweite Ableitung in Formel (5) materiell verringert wird. Dies wird jedoh zu einer Übermodulation und einer sich ergebenden nicht akzeptablen Verzerrung führen, wenn der Audiosignalpegel plötzlich ansteigt. Demzufolge ist der Spitzenpegel-Detektor mit einer Zeitkonstanten von im wesentlichen Null für Erhöhungen in der g(t) Spitze und einem langsamen Abfall (einer langen Zeitkonstanten) für Verringerungen in der g(t) Spitze versehen. Dies reduziert die hörbare Verzerrung von dem ersten Term der Formel (5) und verschiebt sie auf sehr niedrige Frequenzen. Gleichzeitig stellt sie einen Trägerpegel nicht größer als derjenige, der zum Senden eines modulierten Strahls mit einer gewünschten Modulationstiefe m benötigt wird, bereit.
Wenn Sicherheitsmaßnahmen bezüglich der Bestrahlung mit Ultraschall eingerichtet werden, kann das Steuersystem der 9 ergänzt werden, um automatisch die Möglichkeit zu beseitigen, dass eine zulässige Bestrahlung überschritten wird. Wenn zum Beispiel unterschiedliche Mitglieder des Auditoriums in unterschiedlichen Abständen von dem Wandler sind, muss der Ausgangsleistungspegel eingestellt werden, um den nächsten Zuhörer mit einer sicheren Umgebung zu versehen. In derartigen Situationen kann es nützlich sein den Abstand zwischen dem Wandler und dem nächsten Auditoriums-Mitglied zu bestimmen und diesen Abstand zu verwenden, um den maximalen zulässigen Ultraschallausgang zu steuern, so dass kein Zuhörer einer unsicheren Bestrahlung ausgesetzt wird Dies kann durch eine Bereichsbestimmungseinheit 140 (eine Messeinheit) erreicht werden, die den Abstand zu dem nächsten Zuhörer bestimmt und den Ausgang (z.B. durch eine Steuerung des Verstärkers 139) entsprechend einstellt.
Die Bereichsmesseinheit 140 kann in irgendeiner Anzahl von geeigneten Vorgehensweisen arbeiten. Zum Beispiel kann die Einheit 140 ein Ultraschhall-Bereichsmesssystem sein, wobei in diesem Fall der modulierte Ultraschallausgang mit einem Bereichsmessimpuls ergänzt wird; die Einheit 140 eine Rückkehr des Impulses erfasst und durch Messen der Zeit zwischen der Aussendung und der Rückkehr den Abstand zu dem nächsten Objekt abschätzt. Demzufolge kann anstelle der Aussendung eines Impulses eine Korrelations-Bereichsmessung verwendet werden, um die Reflektionen des gesendeten Ultraschalls von Objekten in seinem Pfad und der Echozeit, die durch eine Kreuzkorrelation oder eine spektrale (cepstrale) Analyse abgeschätzt wird, zu überwachen. Schließlich ist es möglich Infrarot-Bereichsmesssysteme zu verwenden, die den Vorteil haben, dass sie in der Lage sind, zwischen warmen Personen und kalten leblosen Objekten zu unterscheiden.
Es ist auch möglich eine Kompensation für eine Verzerrung als Folge der atmosphärischen Ausbreitung vorzusehen. Die Absorption von Schall in Luft ist höchst abhängig von der Frequenz (ungefähr proportional zu dem Quadrat). Während die hier verwendete Trägerfrequenz vorzugsweise in der Nähe von 65 kHz zentriert ist, um eine Absorption zu minimieren, ist das Signal trotzdem ein Breitband-Ultraschall, der einen Bereich von Frequenzen aufspannt, die zu verschiedenen Ausmaßen absorbiert werden. Höhere Ultraschallfrequenzen werden stärker als niedrige Frequenzen absorbiert, was zu einer hörbaren Verzerrung in dem demodulierten Signal führt. Dieser Effekt kann dadurch gelindert werden, dass der Ultraschallausgang in einer Frequenze-abhängigen Weise, die eine Kompensation für die nicht-gleichförmige Absorption vorsieht, geboostet wird.
Wie in Bass et al., J. Acoust. Soc. 97(1):680-683 (Jan. 1995) beschrieben, hängt die atmosphärische Absorption von Schall nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Temperatur und Feuchtigkeit der Luft ab; ferner wird auch der Gesamtbetrag des Abfalls durch den Ausbreitungsabstand beeinflusst (was sich fast, aber nicht ganz, in großen Entfernungen ausniviliert). Demzufolge würde eine genaue Kompensation das Erfassen und Einstellen für diese Parameter erfordern. Aber zufriedenstellende Ergebnisse können erhalten werden, indem Annahmen mit durchschnittlichen Bedingungen getroffen werden (oder indem die durchschnittlichen Bedingungen für eine bestimmte Umgebung gemessen werden) und indem ein Kompensationsprofil auf diese gestützt wird. Somit unterscheidet sich die Absorption (in Einheiten der Dämpfung in dB) von vier unterschiedlichen Frequenzen des Ultraschalls wahrnehmbar, wie in 10A dargestellt, wobei die höchste Frequenz f₄ am stärksten absorbiert wird (und deshalb am schnellsten abfällt). Die vorliegende Erfindung erzeugt ein akustisches Feld, welches eine Kompensation für diese Frequenz-gestützte Nicht-Gleichförmigkeit bereitstellt.
In einem bevorzugten Ansatz wird das modulierte Signal durch einen Equalizer 142 geführt, der die Signalamplitude proportional zu dem erwarteten Betrag des Abfalls, z.B. bei einem angenommenen oder tatsächlichen Abstand, einstellt. Infolgedessen werden die in 10A gezeigten Kurven näher zusammengebracht, wie in 10B gezeigt (wobei die größte Leistungserhöhung (Leistungsboost) auf die höchste Frequenz f₄ angewendet wird); während die Gesamtrate des Abfalls nicht verändert wird, ist sie weitaus weniger Frequenz-abhängig (und deshalb hörbar verzerrbar). Natürlich kann eine Kompensation auch für den Absolutbetrag des Abfalls unter Verwendung der Bereichsmesseinheit 140 eingeführt werden, da die Frequenzabhängigkeit größtenteils korrigiert wird und der Abfall vorwiegend auf dem Abstand zu dem Zuhörer beruht.
Die Korrektur, die von dem Equalizer 142 angewendet wird, kann ferner durch die Verwendung eines Feuchtigkeits- und Temperatursensors 144 verbessert werden, dessen Ausgang an den Equalizer 142 geführt und verwendet wird, um das Equalizerprofil in Übereinstimmung mit dem bekannten atmosphärischen Absorptionsgleichungen einzurichten.
Eine Equalizer-Korrektur ist über einem breiten Bereich von Abständen nützlich, d.h. bis die Kurven wieder auseinandergehen. In derartigen Umständen ist es möglich eine Korrektur zu verbessern – obwohl auf Kosten der Systemkomplexität – und zwar unter Verwendung einer Strahlgeometrie, einer Phasenfeld-Fokussierung, oder einer anderen Technik, um tatsächlich die Amplitudenverteilung entlang der Länge des Strahls zu verändern, um eine Kompensation genauer für einen Absorptions-bezogenen Abfall bereitzustellen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorher beschriebenen Ultraschallwandler für den Empfang von hörbaren oder Ultraschallsignalen zusätzlich zu deren Aussendung verwenden können. Wie in 11 gezeigt wird ein Wandlermodul oder ein Feld 160, wie voranstehend beschrieben, von ein oder mehrerer Ansteuerschaltungen 27 mit Energie versorgt. Ein Hochpassfilter 162, welches zwischen jeder Ansteuerschaltung 27 und dem Feld 160 geschaltet ist, verhindert eine Dissipation von empfangener Audioenergie in den Ansteuerschaltungen. Ein Tiefpassfiltet 164 übergibt Audioenergie von dem Feld 160 an einer Audio-ansprechende Einheit 166, wie einen Verstärker und einen Lautsprecher.
Unter der Annahme eines linearen Betriebs der Wandler in dem Feld werden die Audiosignale eine unwesentliche Verzerrung erleiden. Alternativ kann eine Mehrfrequenzanordnung mit mehreren Elektroden, wie den voranstehend beschriebenen, verwendet werden, und zwar mit Wandler, die in dem Audiobereich ansprechen, der gerade für einen Audioempfang verwendet wird, ohne die Notwendigkeit einer Filterung. Dies erlaubt eine volle Duplex-Wandlung auf der gleichen Oberfläche, was für traditionelle Wandler schwierig ist, sowie einen Phasenfeld-Empfang, wobei sowohl ein gerichtetes Sender- als auch Empfängersystem bereitgestellt wird.
Obwohl die voranstehende Diskussion verschiedene spezifische Anwendungen der Erfindung hervorgehoben hat, sind diese nur illustrativ. Die Erfindung kann in einer breiten Vielfalt von Implementierungen für viele unterschiedliche Zwecke ergänzt werden. Zusätzliche Anwendungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eine Erzeugung von Unterhaltungsumgebungen (z.B. die Verwendung von projiziertem Audio, um zu verursachen, dass Schall von verschiedenen Musikinstrumenten an spezifischen und sich ändernden Stellen in einem Raum erscheint, beispielsweise an Stellen, wo visuelle Bilder der Instrumente projiziert werden; oder um Schall auf bestimmte Mitglieder des Auditoriums zu richten; oder um einem Auditorium eine Steuerung für die Scheinschallquelle in interaktiven Sequenzen zu geben; oder um eine exakte Schallplatzierung für Heimunterhaltungssysteme bereitzustellen, z.B. im Ansprechen auf Hinweise, die in Aufzeichnungen codiert sind und Schallverschwenkungen und/oder Platzierungsrichtungen spezifizieren; oder um den Strahl niedrig zum Erreichen von Kindern, aber nicht für deren Eltern, zu lenken); Geschaftsanzeigen (z.B. Schall auf einen angezeigten Posten zu richten); Messe-Promotione (z.B. Teilnehmer durch die Show oder durch unterschiedliche Stände zu führen); bei militärischen und paramilitärischen Anwendungen (z.B. Phantomtruppen oder Fahrzeugen, um den Feind zu verwirren; Nachrichten auf feindliche Truppen oder Bevölkerungen zu richten; höchstausgerichtete Sirenen für die Polizei bereitzustellen, um eines Alarm auf Verdächtige abzuzielen, ohne unbeteiligte Zuschauer zu alarmieren); bei Büroanwendungen (z.B. um einen Schall auf bestimmte Arbeitsabteilungen zu beschränken); Ansprechsysteme an öffentlichen Platzen (z.B. Ausrufsysteme für Arenas, wo Zuhörerorte bekannt sind, so dass der parametrische Strahl ausschließlich auf den Beleger eines bestimmten Sitzes gerichtet werden kann, ohne Auditiorium-Mitglieder in der Nähe zu stören; oder auf bestimmte Tische in Restaurants; oder um an öffentlichen Stellen Ankündigungen oder Warnungen zu liefern, z.B. an Fußgänger darüber Rolltreppen zu verlassen oder bei der Annäherung an gefährliche Gebiete; oder um dazu beizutragen, blinde Personen zu führen; oder mit dem Wandler konfiguriert als ein Ring, der einen Scheinwerfer umgibt, zum Folgen des Lichtstrahls, so dass ein Schall von einem beleuchteten Objekt ausgeht); Spielzeuge (z.B. Einrichtungen, die höchstausgerichtetes Flüstern oder Geräusche, wie das Zerbrechen von Glas oder Geschützfeuer, aussenden); das Abweisen von Tieren; bei Anwendungen, bei denen ein Schall auf eine Oberfläche irgendeinem Abstand weg von einer Scheinquelle gerichtet wird, um eine Synchronisation zwischen dem Schall und Bildern aufrechtzuerhalten; und persönlichen Audioquellen (z.B. um ein individuelles Zuhören auf Flugzeugen zu erlauben, wobei Kopfhörer ersetzt werden).
Es wird deshalb ersichtlich sein, dass hier ein höchst vielseitiges und effizientes System zum Zuführen von Audio über eine modulierte Ultraschallstrahlung entwickelt worden ist. Die Ausdrücke und Außerungen, die hier verwendet werden, werden als Ausdrücke der Beschreibung und nicht zur Beschränkung verwendet und es besteht keinerlei Absicht bei der Verwendung von derartigen Ausdrücken und Äußerungen irgendwelche Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder von Abschnitten davon auszuschließen, sondern es wird erkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung möglich sind.

Claims

Parametrischer Audiogenerator, umfassend: (a) eine Ultraschallsignalquelle (18), die einen Träger bereitstellt; (b) eine Quelle (20₁ -20_N ) von Audiosignalen; (c) eine Einrichtung (26) zum Modulieren des Trägers mit den Audiosignalen, wobei die Frequenz des Trägers größer als 40 kHz ist; (d) wenigstens einen Ultraschallwandler (10, 12; 75, 76) zum Abstrahlen von Ultraschallsignalen durch ein Ausbreitungsmedium für eine nachfolgende Demodulation der abgestrahlten Signale innerhalb des Ausbreitungsmediums; (e) eine Einrichtung (16, 27; 27a, 27b, 74) zum Anlegen des modulierten Trägers an den oder jeden Wandler; und (f) eine Einrichtung (133) zum Steuern der Modulationstiefe und des Ausgangspegels des modulierten Signals, sodass (i) es dem Pegel des Audiosignals entspricht, und (ii) wenn kein Audiosignal vorhanden ist, ein geringer oder kein Ausgang von dem wenigstens einen Wandler (10, 12; 75, 76) vorhanden ist.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 1, mit einem ersten und zweiten Ultraschallwandler (12; 75, 76), wobei der erste Wandler eine erste akustische-mechanische Resonanz aufweist und wobei der zweite Wandler eine zweite akustische-mechanische Resonanz einer Frequenz, die höher als diejenige des ersten Wandlers ist, aufweist; wobei das Frequenzspektrum des modulierten Trägers beide Wandlerresonanzen einschließt.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 2, einschließend: (a) eine Einrichtung (74) zum Aufsplitten des modulierten Trägers in obere und untere Frequenzbereichssignale; (b) eine Einrichtung (27b) zum Ansteuern des ersten Wandlers (76) mit dem unteren Frequenzbereichsignal; (c) eine Einrichtung (27a) zum Ansteuern des zweiten Wandlers (75) mit dem oberen Frequenzbereichsignal.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 1, wobei: (a) jeder des wenigstens einen Wandlers (12; 75, 76) einer Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Wandlers und ein elektrisch kapazitives Element, an das das Signal für diesen Wandler angelegt wird, aufweist, und (b) jede der Ansteuereinrichtungen (27; 27a, 27b) einen Induktor einschließt, der leitet, um mit dem kapazitiven Element des durch die Ansteuereinrichtung angesteuerten Wandlers in Resonanz zu gehen, wodurch eine elektrische Resonanz entsprechend zu der akustischen-mechanischen Resonanz des Wandlers bereitgestellt wird.
Parametrischer Generator nach irgendeinem der Ansprüche 1-4, wobei jeder der Wandler (12; 75, 76) ein Paar von Elektroden aufweist, an die elektrische Signale angelegt werden, wobei die Elektroden durch eine Kapazität zwischen ihnen charakterisiert sind, und mit einer Ansteuerschaltung (27; 27a, 27b) zum Anlegen von Signalen von dem Generator an den Wandler, wobei die Ansteuerschaltung eine Induktivität (68) in Reihe zu der Kapazität und in Resonanz mit der Kapazität bei der mechanischen Resonanzfrequenz einschließt.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 5, wobei jeder der Wandler entweder ein Wandler (29; 43) eines Kapazitätsmembran-Typs oder ein piezoelektrischer Wandler (82, 100) ist.
Parametrischer Audiogenerator nach irgendeinem der Anspruche 1-6, wobei der Wandler einen modulierten akustischen Strahl überträgt, ferner umfassend: (a) einen Vorprozessor (22) zum Konditionieren des Ausgangs der Quelle, um eine Kreuzmodulation der Audiokomponenten in dem akustischen Strahl zu kompensieren; und (b) eine Einrichtung (24) zum Kombinieren eines Ausgangs der Audiosignalquelle mit dem Ausgang des Vorprozessors und Anlegen des sich ergebenden kombinierten Audiosignals an den Modulator.
Parametrischer Audiogenerator nach irgendeinem der Ansprüche 1-7, ferner umfassend: eine Signalsteuereinheit, umfassend: (i) einen Pegelsensor (133), der den Audiosignalpegel von der Audioquelle erfasst, wobei (a) das Audiosignal eine Audiosignalspitze umfasst, und (b) der Pegelsensor eine im Wesentlichen Null Zeitkonstante für Anstiege in der Audiosignalspitze und eine lange Zeitkonstante für Verkleinerungen in der Audiosignalspitze aufweist; und (ii) eine Einrichtung (132, 137) zum Steuern der Intensität des Trägers im Ansprechen auf den erfassten Audiosignalpegel.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 8, wobei das modulierte Trägersignal eine Modulationstiefe aufweist, wobei die Steuereinrichtung (132, 137) eine Einrichtung zum Steuern der Tiefe der Modulation des Trägers im Ansprechen auf den erfassten Audiosignalpegel einschließt.
Parametrischer Audiogenerator nach irgendeinem der Ansprüche 1-9, ferner umfassend eine Einrichtung (142, 144) zum Kompensieren einer Verzerrung, die sich aus einer atmosphärischen Ausbreitung und einer Absorption der abgestrahlten Ultraschallsignale ergibt.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 10, wobei die Kompensationseinrichtung ein Ultraschallequalizer (142) ist, der eine Kompensation auf Grundlage von (a) einer angenommenen Entfernung, und/oder (b) eines Feuchtigkeitspegels in der Luft, und/oder (c) einer Temperatur, und/oder (d) einer Amplitude des modulierten Trägers anwendet.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Einrichtung (144) zum Erfassen der Temperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit.
Parametrischer Audiogenerator nach irgendeinem der Ansprüche 1-12, ferner umfassend eine Einrichtung zum Steuern des Ausgangs des Wandlers, um zu vermeiden, dass Zuhörer unsicheren Ausgangspegeln ausgesetzt werden.
Parametrischer Audiogenerator nach Anspruch 13, umfassend eine Einrichtung (140) zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Zuhörer, wobei die Kompensationseinrichtung auf die Abstandsbestimmungseinrichtung (140) anspricht und einen Kompensationspegel auf Grundlage davon bestimmt.
Parametrisches Audiosystem, umfassend: (a) einen parametrischen Audiogenerator nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, der einen audiomodulierten Strahl (112) in eine geschlossene Atmosphäre hinein sendet; und (b) eine Umgebungssteuervorrichtung (120) zum Steuern des Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsgehalts der Atmosphäre in dem Pfad des Strahls, um dadurch die Effizienz einer Demodulation des Audiosignals zu erhöhen
Parametrisches Audiosystem, (a) eine Vielzahl von parametrischen Audiogeneratoren (122, 123) nach Anspruch 1 zum Senden von lenkbaren audiomodulierten Ultraschallstrahlen; und (b) eine Einrichtung (124, 125) zum Lenken der Strahlen durch Verändern von Phasenbeziehungen der Strahlen, um ein atmosphärisches Volumen bereitzustellen, in dem sich die Strahlen schneiden, wobei die kombinierte Intensität der Strahlen in dem Volumen ein demoduliertes Audiosignal mit einem wesentlich größeren Pegel als der Pegel, der durch eine Modulation eines einzelnen der Strahlen bereitgestellt wird, bereitstellt.
Anzeigesystem, umfassend: (a) eine lichtreflektierende Oberfläche (110); (b) einen Projektor (119) zum Projizieren eines sich bewegenden optischen Bilds auf die reflektierende Oberfläche (110a); (c) einen lenkbaren parametrischen Audiogenerator nach Anspruch 1 zum Senden eines audiomodulierten Ultraschallstrahls (112); und (d) eine Einrichtung zum Lenken des Audiogenerators, um den Ultraschallstrahl auf die lichtreflektierende Oberfläche (110a) an den Ort des optischen Bilds zu senden, wobei die Audiosignale, die von dem Ultraschallstrahl demoduliert werden, von dem Ort des optischen Bilds ausgehen, wobei die Schallreflexionseigenschaften unabhängig von den Lichtreflexionseigenschaften der Oberfläche sind.
System nach Anspruch 17, wobei die lichtreflektierende Oberfläche (110a) eine Ultraschallenergie absorbiert und eine Audioenergie reflektiert.
Anzeigesystem nach Anspruch 18, wobei die lichtreflektierende Oberfläche (110a) eine Ultraschallenergie diffus reflektiert.
Verfahren zum selektiven Seden von Audiosignalen an einen gewählten Ort, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Modulieren eines Ultraschallträgers mit wenigstens einem Audiosignal, wobei die Frequenz des Trägers größer als 40 Kilohertz ist; (b) Steuern der Modulationstiefe und des Ausgangspegels des modulierten Signals, sodass (i) es dem Pegel des Audiosignals entspricht und (ii) wenn kein Audiosignal vorhanden ist, ein geringer oder kein Ausgang von dem wenigstens einem Wandler (10, 12; 75, 76) vorhanden ist; und (c) Richten eines Strahls, der den modulierten Träger enthält, in Richtung auf den Ort hin, durch ein Ausbreitungsmedium für eine nachfolgende Demodulation des Audiosignals innerhalb des Ausbreitungsmediums, wobei das Audiosignal so erscheint, als ob es von dem Ort ausgeht oder darauf beschränkt ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Träger durch wenigstens einen kapazitiven Ultraschallwandler (75, 76) mit einer mechanischen Resonanzfrequenz erzeugt wird, und ferner umfassend den Schritt zum Ansteuern des wenigstens einen Wandlers mit einem Treiber (27a, 27b) mit einem Induktor, der mit der Wandlerkapazität gekoppelt ist, um eine elektrische Resonanz entsprechend zu der mechanischen Resonanz des Wandlers bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Scheinquelle einen Bewegungsort aufweist, und ferner umfassend die folgenden Schritte: (a) Verfolgen des Orts der Scheinquelle; und (b) im Ansprechen darauf Richten des Strahls auf den sich bewegenden Ort.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend den Schritt zum kontinuierlichen Richten wenigstens eines visuellen Bilds auf den sich bewegenden Ort derart, dass es so erscheint, dass das Audiosignal von dem wenigstens einem visuellen Bild ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt entweder (i) Verwenden einer Oberfläche, die eine Ultraschallenergie absorbiert oder diffus reflektiert und eine Audioenergie reflektiert, als eine Scheinquelle, wodurch eine relativ nicht-richtungsmäßige Quelle von Audiosignalen von der Scheinquelle geschaffen wird, oder (ii) Verwenden einer Oberfläche, die eine Audioenergie spiegelnd oder diffus reflektiert, als eine Scheinquelle; und Lenken der Scheinquelle, um das reflektierte Audio auf ein gewünschtes Gebiet zu führen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20-24, ferner umfassend den folgenden Schritt: (a) Richten eines Strahls, der den modulierten Träger vergleicht, auf den Ort hin, wobei es so erscheint, als ob das Audiosignal davon ausgeht oder darauf beschränkt ist; und (b) Wählen wenigstens einer atmosphärischen Bedingung in der Nähe des Orts, um eine Demodulationseffizienz zu erhöhen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20-25, ferner umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen eines Lautsprechers; und (b) Veranlassen des Lautsprechen Niederfrequenzkomponenten des Audiosignals zu reproduzieren.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Träger eine hörbare Amplitude aufweist und ferner umfassend den Schritt zum Einstellen der hörbaren Amplitude, um eine Modulationstiefe in der Nähe eines gewünschten Pegels aufrechtzuerhalten, wobei der gewünschte Pegel vorzugsweise Eins ist.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt zum wenigstens Verringern einer Übertragung des Trägers im Ansprechen auf einer Amplitudenverringerung des Audiosignals.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20-28, ferner umfassend den Schritt zum Kompensieren der Verzerrung, die sich aus der atmosphärischen Ausbreitung der abgestrahlten Ultraschallsignale ergibt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20-29, ferner umfassend den Schritt zum Steuern von Ultraschallsignalen, um so zu vermeiden, dass Zuhörer unsicheren Ausgangspegeln ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Schritt, bei dem verhindert wird, dass Zuhörer unsicheren Leistungspegeln ausgesetzt werden, die folgenden Schritte umfasst: (a) Bestimmen einer Entfernung zwischen dem Wandler und einem Zuhörer, und (b) Steuern des Ausgangspegels auf Grundlage der erfassten Entfernung.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der gewählte Ort ein akustisch isolierter Bereich ist, und der Schritt zum Richten ein Richten von jedem einer Vielzahl von Strahlen, die die modulierten Träger enthalten, durch Verändern von Phasenbeziehungen der Strahlen, sodass die Strahlen sich in dem gewählten Bereich schneiden, umfasst, wobei die Strahlen eine kombinierte Intensität innerhalb des gewählten Bereichs aufweisen, um so ein demoduliertes Audiosignal mit einem wesentlich größeren Pegel als das Audiosignal, das durch eine Demodulation eines einzelnen der Strahlen bereitgestellt wird, bereitzustellen, wobei das Audiosignal von dem gewählten Bereich ausgeht.