專利名稱：聲外差設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮波的發(fā)生。具體地說，本發(fā)明涉及一種用于在新型壓縮波發(fā)生源在不使用直接輻射元件情況下間接生成一個新型聲或次聲壓縮波的設(shè)備和方法。
聲波通常是空氣或水分子的波狀運動。因為這些介質(zhì)是彈性的，并且通常是均勻的，故自然發(fā)生的聲從發(fā)生源開始沿所有方向輻射狀傳播。舉例來說，一種樂器或撞擊聲以統(tǒng)一完整的形式全方向地輻射，其中載有倍頻、泛音和動態(tài)全波段，它們共同對人耳提供瞬時聲感覺。當在健康人耳的自然發(fā)聲源的這種感覺相當于在聲的超始點存在的相同的發(fā)聲內(nèi)容時，就認為它是“純”的。
因為聲是介質(zhì)內(nèi)運動的一種瞬變暫時狀態(tài)，故它不是自持的。的確，根據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律的要求，聲將其運動最終消耗成熱或其它形式能量。因此，如果希望存儲或保存聲，則需要把這種運動變成一種固定形式的記錄。然后通過把固定形式的記錄轉(zhuǎn)換回到聲波，能恢復(fù)這種固定形式的記錄。
在最早的記錄經(jīng)驗中，通過聲波沖擊，移動機械設(shè)備，以便在板上刻上或蝕刻一個相應(yīng)槽。通過在一組運動中的槽上安置一個針或其它跟蹤設(shè)備，可實現(xiàn)初始聲波的粗糙再現(xiàn)。已開發(fā)出一些比較成熟的技術(shù)，它們能夠用磁、電和光介質(zhì)之類的其它固定形式俘獲聲波。盡管如此，但不論是用機械機構(gòu)還是用數(shù)字控制的激光閱讀設(shè)備來產(chǎn)生響應(yīng)，都把相同的聲再現(xiàn)原理用于恢復(fù)這種存儲的信息。特別是，通過重新產(chǎn)生物體的運動，使所存儲的信號轉(zhuǎn)換回到聲波，然后使周圍空氣開始進行相應(yīng)于聲再現(xiàn)的運動。
現(xiàn)代聲學(xué)的一個主要目的是根據(jù)把電、磁、機械或光記錄轉(zhuǎn)換成能夠在人耳檢測的壓縮波，再現(xiàn)純聲。理想的系統(tǒng)可通過一個與當初產(chǎn)生聲音的設(shè)備不相上下的共振設(shè)備，重放全部原始聲音。換句話說，小提琴聲可通過再生諧音和代表該樂器的天數(shù)的其它動態(tài)影響的小提琴來重放。同樣，短笛聲可通過產(chǎn)生與這種樂器有關(guān)的高頻、諧振特征和諧音的設(shè)備來重放?？傊?，如果用一個不能體現(xiàn)樂器或聲音獨特特征的機械波發(fā)生設(shè)備去激勵聲再現(xiàn)，則人們不能期望一個中提琴聽起來象“純”形式的中提琴。因此，看來是，再現(xiàn)原“純”質(zhì)量聲的唯一實用方法是隔離每個樂器或聲源，記錄其聲輸出，然后把輸出再現(xiàn)成相同樂器或聲諧振器。顯然，這樣一種解決方案總體看來是不實用的。
在現(xiàn)實世界中，已用揚聲器應(yīng)付再現(xiàn)聲的挑戰(zhàn)。在說明諸因素的相互作用時，音響揚聲器的工作是比較容易了解的。揚聲器是一種換能器，它接收一咱形式的能量(代表聲的電信號)，并且把該能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量(機械振動)。在動態(tài)音響揚聲器中，通過連接于剛性膜或圓錐體上的線圈發(fā)送一個正比于要廣播的信號的強度和頻率的電流。線圈移動于一個永久磁鐵內(nèi)，并且磁場把一個正比于電流的力作用于線圈上。線圈及其所固定的膜的振動在其周圍空氣中產(chǎn)生聲波。簡言之，到現(xiàn)在為止，聲的再現(xiàn)是需要膜或板的機械運動的。指望一個單膜或板準確地提供短笛的尖銳聲和基鼓的深沉諧振的確是要求過高的。
然而，重要的是要指出，當交晌樂現(xiàn)場演出會的聽眾聽到這種寬波段的聲時，他以一種完整方式收聽它，把它當作具有無數(shù)頻率和振幅的聲波的“統(tǒng)一”組合。這種復(fù)雜的陣列通過空氣從其原始源敏感地傳播到人耳，人耳完全能夠把全部感受傳送到人腦。確實，全波段的可聽信號(20至20000Hz)是按統(tǒng)一感受處理的，并且包括次聲低頻振動的效果以及其它影響其余感覺的頻率振動。
指出下述情況也是重要的這種到達人耳的相同“純”聲能夠用一個話筒來檢測，從而可在一個磁帶或高密度磁盤之類的固定介質(zhì)上進行記錄。雖然話筒膜可能不具備人耳的靈敏度，但現(xiàn)代技術(shù)完全能夠在有效地俘獲記錄信號內(nèi)的全波段聲感受方面獲得成功。例如，不需要提供單獨的話筒去記錄低和高波段頻率。而話筒象耳鼓一樣，用其精細感覺膜按照統(tǒng)一聲波陣列來俘獲全音頻譜，并且作為復(fù)合信號來記錄它們，然后能夠把復(fù)合信號記錄在適當?shù)慕橘|(zhì)上。
因此，很明顯，話筒不是“純”聲有效存儲和其后再現(xiàn)的主要限制。而準確聲再現(xiàn)的挑戰(zhàn)是來自企圖把話筒的輸出通過一個機械揚聲器變成壓縮波。因此，實現(xiàn)一個高質(zhì)量統(tǒng)一聲系統(tǒng)的工作重點一直是開發(fā)一種能夠響應(yīng)高、中和低波段頻率的復(fù)合揚聲陣列，通過組合適當?shù)闹C振腔和聲耦合設(shè)備去產(chǎn)生比較接近原聲感受的模擬。
這種改進聲再現(xiàn)的追求包括研究涉及下列事項的問題(a)補償揚聲器振膜的質(zhì)量，(b)封閉式揚聲器內(nèi)空氣的阻力，(c)揚聲器諧振腔的配置，(d)在高與低頻之間的方向差異，(e)低對高頻波列的相變，(f)把揚聲器元件耦合于周圍空氣的困難，和(g)喪失諧波和次音。此外，這些事項只是代表與借助直接輻射實體揚聲器重建聲波有關(guān)的一些問題。
只是作為這些問題之一的一個實例，把怎樣克服揚聲器驅(qū)動器的質(zhì)量問題列為挑戰(zhàn)問題。顯然，揚聲器驅(qū)動器和振膜的目的是，通過形成一個波列的前后往復(fù)運動，產(chǎn)生一系列的壓縮波，初始設(shè)計的挑戰(zhàn)是，由于揚聲器質(zhì)量本身內(nèi)的慣性而補償揚聲器響應(yīng)中對運動的阻力。然而，在揚聲器驅(qū)動器被置于運動狀態(tài)以后，質(zhì)量會尋求保持運動狀態(tài)，使驅(qū)動器運動過度，從而需要進一步補償延遲的響應(yīng)，以反轉(zhuǎn)其運動方向。這種質(zhì)量與慣性的抵觸在揚聲器力圖產(chǎn)生一個在所接收電信號中體現(xiàn)的原始聲波的復(fù)雜陣列時，可循環(huán)每秒幾千次。
為了應(yīng)付補償質(zhì)量的困難，以及眾多的其它實際問題，同開發(fā)發(fā)聲的不同概念相反，揚聲器的開發(fā)已主要集中于改進材料和部件。已修正和改進膜，錐體結(jié)構(gòu)材料，技術(shù)和設(shè)計，懸置件，電機單元，磁鐵，包殼和其它因素。盡管如此，但往復(fù)質(zhì)量的基本用途仍然未變，而任憑電能被轉(zhuǎn)換成聲輸出的效率低于5％。
靜電式揚聲器代表一種不同的方法體系。與帶有圓錐形膜的動電式揚聲器不同，靜電式揚聲器使用一種導(dǎo)電薄膜。在膜板周圍有一個或多個固定網(wǎng)。當把信號電壓加到這些元件上時，所產(chǎn)生的靜電力使膜振動。這種低質(zhì)量膜特別適合用作高頻輻射元件，并且能把它的工作通過利用足夠大的輻射面積而擴大到較低的頻率。
雖然靜電揚聲器可提供一些優(yōu)點，但它們體積大，成本高，效率低，并且有缺乏點源輻射聲的缺點。例如，由話筒以局部的或近似的點源實現(xiàn)聲檢測。為了把檢測聲轉(zhuǎn)換成一個非點源，例如一個大靜電膜，可以建立人造的聲再現(xiàn)。具體來說，一個5英尺高的輻射靜電揚聲器在模擬一種小得多的短笛或小提琴的精密空間圖象的能力方面受到了限制。
音響揚聲器設(shè)計方面的另一問題是，低頻輻射元件的最佳質(zhì)量和尺寸根本不同于高頻的情況。一般通過對音響揚聲器系統(tǒng)的每個聲道提供低音喇叭和高音喇叭輻射元件，來解決這一問題。但這種設(shè)計的實質(zhì)是很不合乎需要的。因為(i)高頻信號從高音喇叭錐面?zhèn)鞑サ绞章犝叩木嚯x較短，而(ii)低頻信號從喇叭或低音揚聲器傳播到收聽者的耳朵的路徑要長得多，從而使時間延遲上的差異引入相移，相移可達相位差百分之幾千的范圍。
初步列舉上述揚聲器技術(shù)，以強調(diào)在把聲存儲形式變成能夠再現(xiàn)其原始形式聲的壓縮波方面的歷史困難。盡管如此，但現(xiàn)有技術(shù)實際上已按照需要用揚聲機之類的機械系統(tǒng)再現(xiàn)可聽聲的概念統(tǒng)治達60年之久。顯然，很需要提供一種采用不同方法再現(xiàn)聲的裝置，避免為了發(fā)生而選擇移動振膜或揚聲器所出現(xiàn)的許多困難。
本發(fā)明之一個目的在于提供一種用于從一個空氣區(qū)間接地發(fā)射新聲和次聲波列的方法和設(shè)備，不用直接輻射元件去發(fā)射波列。
另一個目的在于間接地生成至少一個新的聲或次聲波列，方法是利用在具有等于至少一個新的聲或次聲波列的不同頻率的至少兩個超聲信號之間干涉的副產(chǎn)物。
又一個目的在于按照聲外差原理使至少兩個超聲波列產(chǎn)生相互作用，借此從相干波列抽取信息。
又一個目的在于間接地生成一些新的聲或次聲波列，方法是用調(diào)幅把它們和一個超聲載波組合起來，從一個超聲換能器放射組合信號，在載體與另一超聲頻率波列之間引起干涉，借此建立新的聲或次聲波列。
又一個目的在于利用間接產(chǎn)生的壓縮波去影響活動物體的物理狀態(tài)。
又一個目的在于利用至少兩個不可感覺的壓縮波產(chǎn)生一個人體感官可感覺的新的壓縮波而不用直接傳播新壓縮波。
本發(fā)明的另一個目的在于產(chǎn)生一個新的聲或次聲波列，而不必克服常規(guī)直接輻射元件的質(zhì)量及其有關(guān)的慣性限制。
本發(fā)明的又一個目的在于產(chǎn)生一個新的聲或次聲波列，而不引入常規(guī)直接輻射元件所固有的其它畸變或不需要的諧波。
又一個目的在于通過把至少兩個超聲波列射入諧振腔，而從諧振腔內(nèi)間接地產(chǎn)生和增強一個新的聲或次聲波列。
又一個目的在于全方向地產(chǎn)生一個高頻波列，借此避免常規(guī)音響揚聲器通常具有的高頻信號發(fā)射的高度集中性和方向性。
又一個目的在于產(chǎn)生一個在局部區(qū)域的新的聲或次聲波列，而不必耦合于相關(guān)的環(huán)境或封閉體，這在其它情況下會引起不希望地播放聲或次聲波列。
又一個目的在于產(chǎn)生一個新的聲或次聲波列，其中，直接輻射元件的特征不限制新的聲或次聲波列的特征。
本發(fā)明的另一個目的在于仿真一個對于象話筒之類的近似點源檢測設(shè)備來說是典型的聲波檢測過程，而不必在檢測位置提供物理檢測設(shè)備。
另一個目的在于通過操縱至少兩個超聲頻率波列的相互作用程度，控制新聲或次聲波列的音量。
又一個目的在于按照聲外差原理，作為對從進入一個空氣區(qū)的單獨超聲換能器發(fā)射的單獨超聲波列進行調(diào)制的副產(chǎn)物，從該空氣區(qū)發(fā)射一個新的聲或次聲波列。
在一個間接產(chǎn)生新的聲或次聲波列的系統(tǒng)中實施本發(fā)明。在一個實施例中，新的聲或次聲波列是從至少兩個超聲波列的一個干涉區(qū)發(fā)射的，而這兩個波列是從至少兩個超聲換能器發(fā)射的。其工作原理基于把可恢復(fù)信息載入一個超聲載波中。作為超聲載波列與另一超聲波列相干的合乎需要的副產(chǎn)物，恢復(fù)信息。按照本發(fā)明人視為“聲外差”的原理，在一個非線性區(qū)內(nèi)使諸超聲波列相干，并借此產(chǎn)生包括兩個超聲波列的差與和的副產(chǎn)物。
一個容易說明聲外差原理的系統(tǒng)包括兩個超聲頻率換能器，它們被定向成在諸發(fā)射超聲波列之間引起相干。當兩個超聲波列之間的頻率差處于聲或次聲頻率范圍時，就產(chǎn)生頻率差，以此作為從外差干涉區(qū)內(nèi)向外發(fā)射的一個新的可聽的聲波或新的次聲波列。
該系統(tǒng)的一個不同的實施例提供的優(yōu)點包括只有一個超聲直接輻射元件。該優(yōu)點不但可降低硬件數(shù)量，而且可理想地對準兩個相干超聲波列，因為它們是從同一輻射元件發(fā)射的。實際上，新的聲或次聲波列被視作是直接從超聲發(fā)射器產(chǎn)生的。如果超聲發(fā)射體本身不能產(chǎn)生聲或次聲頻率不是必然的結(jié)論，加上不是直接從發(fā)射體發(fā)聲的可聽證據(jù)，則人們可能產(chǎn)生誤解。
第一實施例的重要意義在于它按照聲外差原理，提供一種由于兩個超聲波列之間干涉的結(jié)果而產(chǎn)生一個新的聲或次聲波列的概念。在本質(zhì)上，容易看出，兩個超聲波列來自兩個超聲發(fā)射體。然而，由這個第一實施例提供的聲外差原理可為理解第二實施例如何操作的方式作好準備。很明顯，在了解諸波列在空間相干時，適用相同的聲外差原理。
本發(fā)明的一個關(guān)鍵方面是發(fā)現(xiàn)通過把聲或次聲信息迭加到一個超聲載波上，能夠把這種信息恢復(fù)成一種新的聲或次聲波列。是從兩個發(fā)射體還是從一個單獨發(fā)射體產(chǎn)生超聲波列，其效果是相同的。
本發(fā)明的另一個方面是間接產(chǎn)生新的壓縮波，而不必克服常規(guī)直接輻射元件的質(zhì)量所固有的問題及其慣性的相關(guān)限制。本發(fā)明可避免用直接輻射元件作新的壓縮波源，以便從一個空氣區(qū)可直接產(chǎn)生所希望的聲，并且沒有全與直接輻射揚聲器有關(guān)的幾種形式的畸變。
有助于利用本發(fā)明的另一個方面是了解傳輸介質(zhì)的性質(zhì)。更準確地說，其中有聲外差影響的空氣區(qū)被稱作傳輸介質(zhì)。眾所周知，空氣傳輸介質(zhì)提供一種用于傳播聲波的彈性介質(zhì)。因此，現(xiàn)有技術(shù)研究已把空氣當作一種聲再現(xiàn)過程的無源元件?？諝庵皇堑却蓧嚎s波來移動。
因此，當空氣具有非線性特點時，還很少把實際注意力投向空氣的性質(zhì)。在過去，這種非性線多半已被視為一種準確聲再現(xiàn)的障礙。這是因為本專業(yè)技術(shù)人員知道，在極端條件下，空氣分子是越來越不能跟隨壓縮波的運動，例如振膜產(chǎn)生的波動。因此，研究的趨勢一直是避免非線性條件。
相反，為了實現(xiàn)所需的外差效應(yīng)，本發(fā)明看來偏愛非線性傳輸介質(zhì)的存在。
雖然當壓縮波通過空氣運動時，空氣本質(zhì)上是非線性的，但非線性的程度相對來說是不可觀測的或不重要的。然而，當發(fā)射超聲壓縮波以致于在空氣中相干時，其非線性引起一個意外和未預(yù)期的結(jié)果，這會解釋成或看成是聲外差效應(yīng)或過程。
本發(fā)明引用各式各樣的技術(shù)和方面，它們有時看成是無關(guān)的課題。發(fā)明的這些方面包括1)間接產(chǎn)生一個新的聲、次聲或超聲壓縮波；2)把信息疊置在超聲載波上，并且把信息恢復(fù)成間接產(chǎn)生的壓縮波；3)使至少兩個超聲壓縮波在空氣中相互作用，并且利用干涉的副產(chǎn)物；4)利用聲外差原理間接地產(chǎn)生新的壓縮波；5)從一個比較小質(zhì)量的輻射元件產(chǎn)生新的壓縮波，以避免常規(guī)直接輻射元件的畸變和不希望的諧波；6)實現(xiàn)活動物體的一種物理狀態(tài)，這是通過產(chǎn)生一些與它靠得很近的次聲頻率得到的；7)產(chǎn)生聲的一個近似點源，它在整個音頻譜范圍內(nèi)是相位相干的；8)消除聲重放或播放中的失真；9)消除從直接輻射元件發(fā)射高頻壓縮波所固有的“聚束”現(xiàn)象；10)產(chǎn)生一個與直接輻射元件特征無關(guān)的新聲或次聲壓縮波；和11)在檢測位置不使用直接檢測設(shè)備檢測聲。
應(yīng)能記得，本發(fā)明的全部這些方面都可能不使用揚聲器或其它形式的直接輻射結(jié)構(gòu)。此外，這些聲或次聲頻率是以絕對不失真的方式和通常在全向方位產(chǎn)生的。驚人的結(jié)果是能夠重新產(chǎn)生“純”聲，“純”聲具有與在一個話筒或其它記錄系統(tǒng)中原始俘獲聲時相同的形式。
從下面結(jié)合附圖的詳細描述考慮中，本專業(yè)的技術(shù)人員會清楚地了解本發(fā)明的這些和其它一些目的、特點、優(yōu)點和方面。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)音響揚聲器系統(tǒng)部件的框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例原理建造的間接壓縮波發(fā)生系統(tǒng)的部件框圖。
圖3是利用包括聲外差干涉效應(yīng)的圖2設(shè)備的間接和新的壓縮波的發(fā)生的說明圖。
圖4是間接壓縮波發(fā)生系統(tǒng)部件的框圖。
圖5A是曲線圖，說明隨著聲振幅或強度的增加，空氣是怎樣響應(yīng)逐漸增加的非線性的。
圖5B是曲線圖，說明空氣非線性地響應(yīng)于具有一定頻率和振幅的特定信號的時間。
圖6A是間接壓縮波發(fā)生系統(tǒng)部件的框圖。
圖6B是圖6A的一個替代實施例。
圖7是超聲頻率換能器的替代配置，用于間接產(chǎn)生壓縮波。
圖8是用于間接產(chǎn)生壓縮波的超聲頻率換能器的另一替代配置。
圖9是諧振腔的說明圖，其中從兩個換能器發(fā)射兩個超聲頻率信號。
圖10是諧振腔的說明圖，其中從一個換能器發(fā)射的兩個超聲頻率信號。
圖11是助聽器和頭戴耳機圖，其中人耳道是諧振腔。
圖12是框圖，說明用于檢測聲的本發(fā)明。
圖13是一個為改進聲效果而提供超聲頻率信號反射的實施例。
現(xiàn)在參照諸附圖，其中用標號標出本發(fā)明的各元件，并且其中討論本發(fā)明，使本專業(yè)的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。
本發(fā)明顯著偏離目前本領(lǐng)域狀態(tài)的教導(dǎo)。通常認為產(chǎn)生壓縮波是一個直接的過程。把直接過程看成是使輻射元件10以所要求的頻率振動，如圖1所示。通常用圖1的系統(tǒng)在人聽力范圍上、下，直接產(chǎn)生可聽和不可聽的壓縮波。因此，常規(guī)壓縮波發(fā)生系統(tǒng)包括一個可以是任何動態(tài)的、靜電的或其它直接的輻射元件的揚聲器元件10，和一個象信號發(fā)生器或放大器之類的信號源12。信號源12提供一個代表壓縮波的電信號，壓縮波具有一個特定頻率或一些特定頻率，揚聲器元件10以此特定頻率振動，以產(chǎn)生壓縮波14。
為了改善來自例如圖1所示的聲再現(xiàn)系統(tǒng)的聲質(zhì)量，本專業(yè)技術(shù)人員目前在注視著改善音響揚聲器10之類的物理輻射元件的方法。音響揚聲器10起換能器的作用，試圖通過把電信號轉(zhuǎn)換成壓縮波14，對以模擬格式或最好以數(shù)字格式記錄的聲進行準確的再現(xiàn)。因此，生成壓縮波此前一直是一個如上所述的直接過程。通過一個以用于驅(qū)動的一個頻率或一些頻率振動的物理輻射元件，直接產(chǎn)生所用再現(xiàn)的聲。這種振動通常驅(qū)動一個音響揚聲器圓錐體或振膜，它產(chǎn)生人耳能夠聽到的壓縮波，這時頻率處于每秒20至20000周的范圍。例如，如果振膜以每秒1500周振動，就產(chǎn)生一個1500Hz的可聽音。
在進一步進行描述之前，定義一些此后使用的術(shù)語是有幫助的?！靶盘栐础蓖ㄓ玫刂傅氖且粋€“信號發(fā)生器”或“放大器”，它可提供代表要從揚聲器發(fā)射的壓縮波的電信號。術(shù)語“揚聲器”通用地指的是術(shù)語“換能器”、“發(fā)射體”、“音響揚聲器”、“振膜”、“物理輻射元件”、或“直接輻射元件”，它把電信號轉(zhuǎn)換成一個產(chǎn)生壓縮波的機械振動。術(shù)語“壓縮波”通用地指的是術(shù)語“聲波”、“縱波”和“波列”，它們是通過一個象空氣之類的傳輸介質(zhì)傳播的聲、次聲和超聲波。
本發(fā)明以優(yōu)選實施例方式提供一種用于間接生成新壓縮波的方法和設(shè)備。間接生成指的是在新壓縮波生成源沒有直接輻射元件。意外地是，不存在以新生成的壓縮波頻率振動的物理輻射元件。代之以，使空氣分子以所要求的聲、次聲或超聲頻率振，借此超輻射元件的作用，并且生成新的壓縮波。空氣本身成為直接輻射元件，并且成為間接的壓縮波源。
本發(fā)明最關(guān)心聲和次聲頻率這兩者。這主要由于難以直接生成這些不失真的頻率。相反，能夠以大得多的精度和較小的失真生成這些頻率正是超聲頻率的特性。這是因為其輻射元件通常是效率高，尺寸小的質(zhì)量小。因此，超聲輻射元件不遭受象常規(guī)揚聲器一樣的失真原因或一樣的失真程度。雖然，應(yīng)能想起，本發(fā)明能夠以超聲、聲或次聲頻率間接地生成新的壓縮波，但現(xiàn)在的焦點在于針對音樂、話音和全部其它形式聲的再現(xiàn)來進行更有效的應(yīng)用。
為了生成一個新的壓縮波，本發(fā)明1)利用至少兩個超聲信號，2)把一個期望的聲或次聲信號疊加到一個或兩個超聲信號上，3)從至少一個超聲發(fā)射體發(fā)射超聲信號，4)使超聲信號按照聲外差原理相干，和5)從超聲壓縮波的外差干涉區(qū)中生成一個新的壓縮波。
可立即看出這種安排的優(yōu)點。例如，超聲部件的波不以可知覺的形式碰撞人耳，從而是不分心的。因此，只有期望的新壓縮波由聽者感知，并且呈現(xiàn)一種能夠重建更理想聲再現(xiàn)的原始動態(tài)的形式。
最好參照圖2來理解本發(fā)明的引入。下面根據(jù)這種初始討論的原則，說明其它一些優(yōu)選實施例。
如圖2所示，按第一實施例完成間接壓縮波生成。系統(tǒng)的基本元件包括至少兩個超聲聲換能器20，一個超聲信號源22，一個用于組合信號的裝置24，和一個送住組合信號裝置的輸入26，用于提供一個要疊加于載波信號上的信號。超聲信號源22還充當一個用于對從至少兩個超聲聲換能器20發(fā)射的信號的頻率進行控制的裝置。虛線28表示，在這個第一實施例中，換能器20的方位是共軸的。
上述設(shè)備能夠按所述起作用，是因為壓縮波30，32按照聲外差原理(本發(fā)明人選擇的描述該效應(yīng)的詞組)在空氣中干涉。聲外差頗象發(fā)生于非線性電路中的電外差效應(yīng)的機械對應(yīng)者。例如，電路中的調(diào)幅是一個外差過程。外差過程本身只是產(chǎn)生兩個新波。新波是兩個基波之和與差。
在聲外差方面，當至少兩個超聲壓縮波在空氣中相互作用或相干時，觀察到發(fā)生一些等于基波之和與差的新波。目前，只在兩個基波都是超聲波，從而通常高于20KHz時，才觀察到聲外差。
本發(fā)明的優(yōu)選傳輸介質(zhì)是空氣，因為它是可以在不同振幅下非線性地響應(yīng)的可高度壓縮的介質(zhì)。這種空氣非線性使外差過程能夠在不使用電路情況下發(fā)生。然而，應(yīng)能想起，任何可壓縮流體，如果需要，皆可起傳輸介質(zhì)的作用。
圖3說明，由于意外發(fā)現(xiàn)兩個超聲波列30，32在相干時在空氣之類的非線性聲傳輸介質(zhì)中經(jīng)歷一種形式的聲外差效應(yīng)，故有可能間接地生成一個新的壓縮波。在區(qū)域34中，隨著振幅和頻率的增加，空氣會越來越非線性地響應(yīng)，隨著壓縮波30，32互相干涉，區(qū)域34會擴大。
如上所述，聲外差效應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生兩個新的壓縮波超聲壓縮波30，32之和與差。和是一種意義不大的超聲波，從而未示出。而差可以是聲或次聲，故作為壓縮波36示出，它通常從干涉區(qū)34全方向地發(fā)射。新波的形狀通常由干涉區(qū)34的形狀決定。在此說明中，區(qū)域34通常是圓柱形的，如果以三維表示，則如圖所示。然而區(qū)域34的形狀可以修正，以產(chǎn)生期望的效應(yīng)。此外，相對的和通常共軸的壓縮波30，32的這個圖不應(yīng)認為是描述波能夠具有的唯一方位。
值得在進一步描述之前指出，已從實驗方面證實聲外差效應(yīng)。其證據(jù)在于事實產(chǎn)生至少一個新波。通過直接可聽聲檢測以及用音頻譜分析器測量頻率，可證實新的聲或次聲壓縮波36。然而，和直接可聽聲檢測不同，兩個頻率之和只能通過使用一臺象音頻譜分析器之類的儀器進行測量來核實。已測量了和與差這兩者，以核實這些預(yù)測結(jié)果的準確度。
如所推斷，本發(fā)明所關(guān)心的特殊聲外差效應(yīng)是一個超聲波列相對于另一個超聲波列之差或頻率相減?？紤]一個具體實例，它明顯地提供在聲學(xué)上外差兩個不同的超聲波30，32的結(jié)果。假設(shè)存在一個100000Hz的第一超聲頻率波列(第一基波)30。假設(shè)以100,900Hz發(fā)生一個第二超聲波列(第二基波)32。由于第一和第二超聲波列在其中一個或兩個波列有足夠大的振幅時發(fā)生相互作用，故可聽到900Hz的可聽音。由聲外差效應(yīng)引起的頻率相減可導(dǎo)致一個900Hz頻率音被生成，并且作為一個來自干涉區(qū)的新壓縮波被聽到。
單個頻率的生成只說明核心發(fā)明原理。在下述應(yīng)用中可更深入了解聲外差的潛力。例如，如果能夠產(chǎn)生一個單獨的新單頻壓縮波，則應(yīng)能實現(xiàn)象現(xiàn)場實況音樂之類的平滑低音部增強的多頻信號、通過收音機或電視機接收的話音或傳輸，都能夠用本發(fā)明來放大和播放。一個袖珍式精細超聲頻率換能器能夠以完善的清晰度，按可想象的方式再現(xiàn)實況交響樂記錄的全部記錄頻率，也許甚至有接近身歷其境的感受。
回到更詳細地討論圖2的具體元件，本發(fā)明的一個重要而實用的元件是單個超聲信號源22，用于提供代表超聲頻率波列30，32的電信號。這種裝置的優(yōu)點在于信號差(由于兩個分離信號發(fā)生器的溫度和性能的變化而可能發(fā)生的)，很可能導(dǎo)致在兩個超聲波列30，32的頻率值之間漂移。此外，因為正是在兩個超聲波列30，32之間的頻率差，成為最終關(guān)心的頻率，故重要的是要使超聲波列30，32的不希望的頻率變化減至最小。
為了消除漂移，一個單獨的超聲輸出源22要為兩個超聲波列30，32產(chǎn)生一個基頻，使波列30，32即使有漂移也會一起漂移。這種配置因此而較容易精密控制頻率差，和最終控制新壓縮波的頻率。
圖2還作為系統(tǒng)的一個部件而示出一個用于組合信號的裝置24。這個裝置執(zhí)行修改功能，它可修改一個或兩個由超聲信號源22產(chǎn)生的超聲波列30，32。這種修改包括用于組合信號的裝置24，它把第一超聲信號38與電信號40組合起來，呈現(xiàn)要生成的新壓縮波42。這組合按照第一超聲信號38與期望壓縮波42之和來確定，并且按照第二超聲信號42來傳送。
本發(fā)明組合信號38和40的方法最好通過調(diào)幅來實現(xiàn)。因此，在第一實施例中用于組合信號的裝置24是一個調(diào)幅器。圖2A說明調(diào)幅可產(chǎn)生一個具有基頻60，上邊帶62、和下邊帶64的信號。在本發(fā)明中，使用上邊帶62是因為，它代表一個可攜帶一種變?yōu)樾隆安睢眽嚎s波的信息的不倒相信號。
顯然可以看出，如果一個變?yōu)樾聣嚎s波的電信號62被調(diào)幅到基頻60上，則超聲壓縮波30或32(無論哪個被調(diào)制)都不需要解調(diào)，以便作為新壓縮波62被聽見。圖2所示系統(tǒng)的其它元件是兩個超聲聲換能器20。這些聲換能器20被設(shè)計成以超聲頻率發(fā)射壓縮波。換能器20的實例可以是壓電器件或靜電器件，但顯然也可包括其它用于適當頻率范圍的輻射元件。
雖然第一實施例使用一個單獨的超聲信號源22，但也應(yīng)認識到，有可能向超聲換能器20提供分別生成的電信號。圖4說明使用兩個獨立的超聲信號源44，46。這種配置的風險是頻率的漂移變成一種可能性。實際上，這個實施例還可能要求在兩個超聲信號源44，46之間有某種形式的同步。例如，一個同步控制器48可以協(xié)調(diào)兩個超聲頻率信號30，32的發(fā)射。
圖5A提供一個曲線圖，通過示出在信號的振幅與響應(yīng)于這個信號的空氣非線性之間的關(guān)系，說明聲外差原理?；謴?fù)力是空氣分子在被移動時為返回平衡處而施加的力。如果空氣是線性，則牛頓定律會告訴我們，空氣會以大小相等和方向相反的力響應(yīng)于移動它的給定力。然而，曲線圖表明，隨著信號振幅的增加，恢復(fù)力不是線性地響應(yīng)的(線性是由直線表示的)。相反，曲線52的方程式是y＝x+x2，在此空氣以分量x線性地響應(yīng)，并且以x2非線性地響應(yīng)。因此，曲線52表明，隨著信號振幅變大，按照該方程式，空氣的非線性響應(yīng)開始比線性分量更快地增加。
圖5B提供一個曲線圖，說明信號必然呈現(xiàn)使空氣非線性地響應(yīng)于它的性質(zhì)。x軸代表以對數(shù)標度的信號頻率。y軸代表每1000英尺以dB標度的空氣的吸收程度。如圖所示，直至10K柵左右，曲線50是幾乎平坦的。這時與實驗結(jié)果一致的，實驗結(jié)果證實在較低振幅下的聲波看來不會產(chǎn)生有效的聲外差。隨著振幅增加，空氣顯著地變成更具非線性，從而能夠按照聲外差原理相干。
圖6A說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。與圖2比較，一個重要的差別是取消了一個超聲換能器20。在其它方面，其余的超聲換能器20，用于組合信號的裝置24，和超聲信號源22仍然基本上相同。然而，似乎并非直覺地認為，這種安排仍然能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目標。然而，對發(fā)射的超聲壓縮波的分析立即證明，聲外差效應(yīng)仍然發(fā)生。
首先，有關(guān)的電信號是作為基波的第一超聲信號66，和代表要與超聲信號66組合的新聲或次聲波的電信號68。信號66，68的組合產(chǎn)生一個新的電信號70，它是作為一個等于信號66和68之和的新上邊帶和信號66一起合成的，信號66和70都是從超聲換能器20發(fā)射的，用作壓縮波76。
一名收聽者會從一個通常能在一個超聲換能器20的發(fā)射面開始的干涉區(qū)74中，聽到新的壓縮波76。除了相反的可聽證據(jù)之外，這可能使收聽者不正確地認為，超聲換能器20正在產(chǎn)生新的壓縮波76。經(jīng)確定，超聲換能器20不能夠直接產(chǎn)生可聽的頻率。因此，人聽到的是按照聲外差效應(yīng)相干的相干超聲壓縮波?？梢园l(fā)現(xiàn)，從1)新電信號70，和20第一超聲信號66中，產(chǎn)生兩個超聲壓縮波。這些相應(yīng)于信號66和70的相應(yīng)壓縮波是在換能器20傳播的，從而提供用于聲外差干涉的所需兩個超聲波列。
還提供圖6B，以示出諸部件的另一種布置，它可更直觀地說明兩個被傳送到超聲換能器20以便從此發(fā)射的有差別的超聲壓縮波66和70。在兩個實施例之間唯一有意義的差別是，為每個超聲壓縮波示出獨立的超聲信號源22。
優(yōu)選圖6A或6B的實施例是有許多原因的。例如，這些系統(tǒng)具有減少到一個的換能器20，從而生產(chǎn)成本低。這些系統(tǒng)還重量輕，體積小，并且最重要的是具有最大的效率。
在效率方面需要進一步討論，以了解各種實施例的一些含意。圖2所示第一實施例要求超聲換能器20定向，而圖6所示的則不要求定向，因為單獨的換能器20充當用于兩種相干信號的輻射元件。
超聲換能器20的方位是重要的，因為能夠改變圖1的系統(tǒng)，使它不產(chǎn)生任何新的壓縮波。例如，如果換能器20被定向成，使超聲壓縮波30，32基本上不交叉，則不能夠產(chǎn)生新的壓縮波。因此，圖7示出一個稍微會聚的路徑，和圖8示出一個通常平行的路徑；兩圖描述的超聲換能器20的方位通?？僧a(chǎn)生充分大的相干區(qū)，以便產(chǎn)生一個新的壓縮波。然而，這些方位看來都不能產(chǎn)生象圖1或6那樣方位的有效干涉區(qū)，因為后者呈現(xiàn)的干涉程序較大。這種較大的效率可把較多的能量傳送到新的壓縮波，從而變成較強和較響的新波。
與此對比，本優(yōu)選實施例總能產(chǎn)生一個具有最大效率的新壓縮波。這是因為兩個超聲換能器20的方位不會總是匹配的，并且不會超過當使用同一超聲換能器20去發(fā)射兩個超聲壓縮波時所得到的完美共軸關(guān)系。因此，這種從單一換能器得出的共軸傳播會產(chǎn)生最大相干圖形，和得出最有效的壓縮波發(fā)生。
在轉(zhuǎn)到本發(fā)明的其它方面之前，重要的是要認識到，用高度定向的超聲換能器20可能得到不尋常的聲效果。已觀察到，對一個物體或表面上的至少兩個超聲波列進行反射，可使反射波給出一種局部源的效果。換句話說，所反射的新壓縮波看起來是來自反射物體或表面。
這可用圖13描述，且能用來模擬各式各樣的關(guān)心的聲效果，包括三維聲效果。通過使超聲換能器20的方位只對準一個無花板或墻壁96，就能模擬從這個位置發(fā)聲的感受。如果換能器的靶子處于運動中，則運動中的反射位置產(chǎn)生一種所述聲或物體運動的印象。通過用計算機驅(qū)動器控制換能器的方位，可把聲再現(xiàn)定位于電影屏幕的各個面上，甚至脫離屏幕而定位于頭頂位置、運動中車輛或飛機中，或者實現(xiàn)無數(shù)現(xiàn)在還只能想象的其它聲效果。
本發(fā)明的驚人結(jié)果是生成一個新的全方向壓縮波。尤其是，新壓縮波通常會從一個干涉區(qū)大體按該區(qū)的形狀全方向地向外輻射。然而，本發(fā)明對干涉區(qū)形狀提供的顯著控制，使所述方向性的知覺能夠受到意外方式的操縱。
例如，可把一個或兩個超聲換能器對準一個墻壁其它物體。在兩個即將由于反射而產(chǎn)生的超聲壓縮波之間的干涉量增加，會使大多數(shù)聲從要由其反射的物體的附近全方向地產(chǎn)生。同樣，使兩個圖2的超聲頻率換能器20更靠近，可限制干涉區(qū)的長度，從而更加接近一個聲的近點源。
本發(fā)明另一個重要優(yōu)點是，從一個質(zhì)量比較小的輻射元件再現(xiàn)聲。在干涉區(qū)中，從而在新壓縮波發(fā)生位置中，不存在直接的輻射元件。這個按照聲外差原理的聲發(fā)生特點能夠基本上消除失真效應(yīng)，其中大多數(shù)失真是由輻射元件或常規(guī)揚聲器產(chǎn)生的。例如，在音響揚聲器圓錐體上的諧波和駐波，慣性引起的圓錐體上沖和圓錐體下沖，和圓錐體本身的不完好表面，全都是可直接影響直接輻射元件的信號失真的因素。
一個直接物理輻射元件還具有其它不合乎需要的特征。盡管某些制造商矢口否認，但常規(guī)音響揚聲器的頻率響應(yīng)實際上是不平坦的。相反，該頻率響應(yīng)是固有地最適合于發(fā)射的頻率類型(低音、中音或高音)的函數(shù)。而揚聲器的形狀、幾何和構(gòu)成則直接影響揚聲器的固有特征，聲外差波的發(fā)生利用了空氣的自然響應(yīng)去避免幾何學(xué)和構(gòu)成問題，并實現(xiàn)聲發(fā)生的真正平坦的頻率響應(yīng)。
一般說來，應(yīng)當指出，本發(fā)明的這個方面意味著，已實現(xiàn)獲得真正間接聲發(fā)生的最后步驟。雖然本領(lǐng)域的技術(shù)狀態(tài)已發(fā)展到能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字記錄，并甚至能用數(shù)字方式處理信號，但聲再現(xiàn)的質(zhì)量仍然受限于總是需要模擬換能器用作揚聲器元件的這一特性。這已不再成為問題，因為本發(fā)明在附屬質(zhì)量和慣性的限制下，已實現(xiàn)一種不受制于直接輻射元件的無失真的聲。
不失真的聲意味著，本發(fā)明可保持與原始記錄聲有關(guān)的相位相干性。常規(guī)揚聲器系統(tǒng)不具有這種能力，因為由最適合的揚聲器元件(高音喇叭、中音喇叭、或低音喇叭)傳播的交叉網(wǎng)絡(luò)會使頻譜破碎。通過消除直接輻射元件，本發(fā)明可使常規(guī)交叉網(wǎng)絡(luò)成為過時的網(wǎng)絡(luò)。這就能夠?qū)崿F(xiàn)一種有效的或接近的聲點源本發(fā)明的另一應(yīng)用涉及不引人注目地生成人群控制(crowdcontrolling)次聲聲波。象12柵附近的低頻之類的很低頻率已表明是令人類和其它動物厭惡的和迷惑的。在利用低頻迷惑方面的現(xiàn)有工作已受阻于定位應(yīng)用的能力有限。本發(fā)明已證明它適用于反射放大，從而使它更集中于影響區(qū)域。例如，能夠把聲外差生成的低頻聲引向一個建筑物，窗口，或一群目無法紀人群附近的其它反射表面。這種迷惑聲的主要影響是在直接反射區(qū)，以避免意外地用于無辜的旁觀者。
從超聲換能器20的獨特性質(zhì)直接產(chǎn)生一些其它的優(yōu)點。由于它們尺寸小，重量輕，故這類換能器通常不遭受那些用于音響揚聲器的常規(guī)輻射元件的許多限制和缺點。此外，在極高頻率下使用超聲換能器20可避免直接輻射元件的失真，諧音和其它不期望特征，而這是在氏、中和高頻音域中直接再現(xiàn)聲所必然出現(xiàn)的。因此，現(xiàn)在能夠把相對不失真的超聲換能器系統(tǒng)的許多有利聲學(xué)性質(zhì)間接地變成聲和次聲副產(chǎn)物。
圖9說明本發(fā)明的一個附屬方面，它涉及在一個寬諧振腔80內(nèi)生成和改善聲的能力。諧振腔80是任何一種能夠使超聲壓縮波30，32發(fā)生相互作用以便按照聲外差原理進行干涉的腔80。雖然寬諧振腔80不一定產(chǎn)生干涉效應(yīng)，但它通過增大干涉以及增強音頻副產(chǎn)物或“差”頻，看來可改進或放大該效應(yīng)。這意味著，從幾乎任何一種觀點來看，都能夠把兩個超聲頻率信號30，32送入腔80內(nèi)。例如，圖9示出把超聲頻率信號30，32發(fā)送到腔80中的兩個超聲頻率換能器20。信號30，32被多次反射而離開腔80的壁，以增加干涉。
圖10示出圖9寬諧振腔的改進配置，它只需要一個用于產(chǎn)生一個新壓縮波的單個超聲換能器20。該系統(tǒng)被改進是因為在兩個超聲壓縮波30，32之間有完美的共軸關(guān)系。
圖9和10的寬諧振腔80的一個含意是，人的耳道也是一個寬諧振腔，從而能夠用于改善新壓縮波。這個結(jié)果為頭戴耳機和助聽器工業(yè)提供特殊的優(yōu)點。例如，體現(xiàn)本發(fā)明的圖11所示的助聽器90能夠用于為收聽者再現(xiàn)聲音的整個音頻譜，能夠以高保真度再現(xiàn)，而與常規(guī)助聽器的特征“細聲”不同。類似地，能夠改進任何頭載耳機或頭戴式送受話器92，以利用本發(fā)明，并且同帶有舞臺頻率響應(yīng)分機的常規(guī)系統(tǒng)相比，通常重量輕，尺寸小。
本發(fā)明的另一個關(guān)心方面促進作為無線電系統(tǒng)一部分的通信保密。出現(xiàn)這種情況是因為使用超聲換能器20所固有的“聚束”效應(yīng)。就其本性而言，超聲壓縮波以窄束傳播，窄束才能容易瞄準特定物體或位置。因此，有可能使換能器20對準一個有噪聲或喧嘩的房間，并且只把可聽信息送入預(yù)期收聽者耳中。在該收聽者周圍的人不會知道該可聽通信，因為人耳具有不反射特征，并且超聲波束寬度窄。因此，能夠在收音機和電視機節(jié)目制作區(qū)和要插入字幕的演出舞臺給出專用指令，并且在單向提示的其它應(yīng)用中也是有幫助的。
意外地，本發(fā)明還能消除不希望有的環(huán)境噪聲污染。我們的社會已產(chǎn)生慣用語“轟鳴箱”，它涉及具有較大低音揚聲器的便攜式立體聲系統(tǒng)。轟鳴箱的名稱得自對轟鳴干擾副作用和和重復(fù)出現(xiàn)驅(qū)動大量空氣的低音揚聲器的“低沉噪聲”的煩惱。然而，該詞有時也有時用來泛指具有更大低音揚聲器的汽車或其它車輛。因為揚聲器整體地連接于車輛上，通常連接于車輛的車架或任何揚聲器外殼上，故外殼本身也成為一個輻射元件。因此，車輛外面的人會受到枯燥的轟擊聲一波又一波的沖擊，這起碼是一種公害。
本發(fā)明能夠有利地消除外殼對直接輻射元件的耦合，因為是在中間空氣中生成新壓縮波。車內(nèi)收聽者仍能欣賞車內(nèi)區(qū)域的音響低音頻率的感受。然而，低頻不會直接耦合于車輛框架，因為輻射元件現(xiàn)在是空氣中一個點。因此，送入收聽者直接周圍區(qū)以外環(huán)境中的討厭低音被明顯減少。
本發(fā)明一個關(guān)心的新方法是逆向地用于聲檢測技術(shù)。換句話說，不是把本發(fā)明用于再現(xiàn)聲，而是用于檢測聲音，如圖12所示。更準確地說，本發(fā)明能夠起一個象話筒之類的點源聲檢測設(shè)備的替代品的作用。一般說來，一個話筒必須物理地定位于一個便于操作的期望聲檢測位置。本發(fā)明能夠用一個換能器20使壓縮波轉(zhuǎn)換成電信號，而不必在檢測位置提供物理話筒元件。
在本質(zhì)上，一個單獨的換能器20可以用來使超聲壓縮波30聚焦于期望檢測位置102。象話音或音樂之類的聲振動會與超聲壓縮波30相互作用。通過監(jiān)測超聲壓縮波30輸出電平的降低，應(yīng)有可能確定影響超聲壓縮波30的可聽壓縮波的頻率。通過用一個波形分析器104去確定由于把超聲壓縮波30與可聽聲波102耦合而引起的輸出電平的降低，可以作到這一點。要了解，上述諸實施例只是本發(fā)明原理應(yīng)用的說明。本專業(yè)的技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明精神與范圍的情況下，設(shè)計出許多改進和可替換的安排。所附權(quán)利要求書用于覆蓋上述改進與安排。
要了解，給出上面描述之目的在于說明本發(fā)明概念的各種實施例。不要把具體實例當成是限制，只按下述權(quán)利要求書進行限制。
權(quán)利要求
1.一種通過使用至少兩個不同頻率的超聲頻率波從一個諧振腔內(nèi)間接地生成和增強至少一個可聽聲頻率的系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)包括一個超聲頻率發(fā)射體，用于把第一和第二超聲波發(fā)射到諧振腔中；耦合到超聲頻率發(fā)射體上的模塊化裝置，用于生成相對于第一超聲頻率有數(shù)值差異的第二超聲頻率，所說差異等于至少一個可聽聲頻率；用于同時操作超聲頻率發(fā)射體的裝置；和用于把第一和第二超聲波引入諧振腔的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，諧振腔具有一種相當于人耳道的構(gòu)造。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，用于引導(dǎo)第一和第二超聲波的裝置包括一些從一組由一個立體聲頭戴耳機、一個助聽器、和一個音頻頭戴式送受話器組成的設(shè)備組中選擇的設(shè)備。
4.一種使用至少兩個不同值的超聲波從一個諧振腔內(nèi)間接地生成和增強至少一個可聽地聲頻率的方法，所述的方法包括下述步驟1)把第一超聲波發(fā)射到諧振腔中；2)把第二超聲波發(fā)射到諧振腔中，其中第二超聲波具有一個不同于第一超聲波的頻率值，該差值通常等于至少一個可聽聲頻率，并且其中諧振腔放大第一與第二超聲波之間的干涉；3)使第一和第二超聲波在諧振腔內(nèi)相互作用，借此使干涉發(fā)生于第一與第二超聲波之間；和4)從在諧振腔內(nèi)第一和第二超聲波的干涉，生成和發(fā)射至少一個可聽聲頻率。
5.一種用于間接地生成一個全方向聲的方法，全方向聲具有一個遠距離虛源，并且包括至少一個新的聲或次聲波列，該波列是至少兩個具有不同頻率值的相互作用的超聲波列之差，所述的方法包括下述步驟1)把一個包括基頻的第一超聲波列發(fā)射到一個可壓縮傳播介質(zhì)區(qū)中；2)把一個第二超聲波列發(fā)射到所述區(qū)中，從而與第一超聲波列相互作用，其中第二超聲波列具有一個等于第一超聲波列基頻的基頻；3)在相當于基頻與新可聽聲波列之和的整個頻率范圍內(nèi)，改變第二超聲波列的基頻；4)從所述區(qū)發(fā)射一個由第一和第二超聲波列相互作用而產(chǎn)生的定向可聽聲波列；和5)從一個反射表面反射聲波列，以產(chǎn)生聲波列的全方向散開，從而在反射表面留下一個虛的局部聲源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，從所述區(qū)發(fā)射新的可聽聲波列的步驟包括一個更具體的步驟使第一和第二超聲頻率發(fā)生干涉并產(chǎn)生新的可聽聲波列，所述新的波列是在可壓縮傳輸介質(zhì)區(qū)中第一和第二超聲頻率波相互作用的副產(chǎn)物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，生成新可聽聲波列的步驟包括一個更具體的步驟按照聲外差原理組合第一超聲頻率和第二超聲頻率，以產(chǎn)生一個相當于新的可聽聲波列的差頻率，和一個相當于第一和第二超聲頻率之和的和頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述方法包括一個相對于第一超聲頻率而改變第二超聲頻率的步驟，以使在變化中的第二超聲頻率與第一超聲頻率之間的差頻率是一個新的變化中的聲或次聲頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述的方法包括一個更具體的步驟從傳輸介質(zhì)區(qū)發(fā)射新的可聽聲波列，從而在一個只能發(fā)射超聲頻率波的輻射超聲揚聲器元件以外的一個空間區(qū)中，產(chǎn)生可聽聲波列。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述的方法包括一個附加的步驟從一個單獨的超聲發(fā)生裝置，同時產(chǎn)生(i)第一超聲頻率和(ii)第二超聲頻率，借此消除第一與第二超聲頻率之間的頻率漂移。
11.一種對于從至少兩個不同值的超聲波列在空氣中產(chǎn)生至少一個新聲或次聲頻率間接地產(chǎn)生三維方向的方法，所述的方法包括下述步驟1)產(chǎn)生一個第一和一個第二超聲波列，其中在第一與第二波列超聲頻率之間的數(shù)值差是至少一個新聲或次聲頻率；2)發(fā)射第一超聲波列；3)按照在一個可壓縮傳輸介質(zhì)區(qū)中與第一超聲波列的干涉關(guān)系，發(fā)射第二超聲波列；4)從所述區(qū)發(fā)射至少一個由第一和第二超聲波列相互作用而產(chǎn)生的新聲或次聲頻率，用作一個定向聲波列；和5)從一個運動中目標反射所述波列。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括用一個計算機驅(qū)動器控制波列運動和方位的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及由于至少兩個超聲波列(30,32)相干而從諧振腔(80)發(fā)射新的聲或次聲壓縮波。在一個實施例中,向著所述腔定向兩個超聲發(fā)射體(20)。當兩個超聲波列之間的頻率差處于聲或次聲頻率范圍內(nèi)時,就按照聲外差原理從干涉腔或區(qū)內(nèi)發(fā)射一個這個頻率的新聲或次聲波列。優(yōu)選實施例是一個由單個超聲輻射元件組成的系統(tǒng),向著發(fā)射多個波的腔來定向所述元件。
文檔編號H04R5/02GK1229542SQ97196445
公開日1999年9月22日 申請日期1997年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月17日
發(fā)明者埃爾伍德·G·諾里斯 申請人:美國技術(shù)公司