用于生成声场的方法和系统的制作方法

用于生成声场的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] -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。
[0005] -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。
[0006] 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MuseumTools的Secret5W臓/3i定向扬声器系统 产品和DakotaAudio的聚焦阵列（focusedarrays)产品（例如，地板安装式聚焦阵列产 品FA-603)。
[0007] 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PeterJ.Westervelt在TheJournalofthe AcousticalSocietyofAmerica〃第 35 卷，第 4 期，1963 年 4 月，第 535-537 页中出版 的"ParametricAcousticArray"）。这个效应数学上由Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznets ov(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.SoundVib. (1965) 2 (4) ,435-461 中出版的"Possibleexploitationofnon-linearacousticsin underwatertransmittingapplications"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。
[0008] 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HolosonicResearchlabs,inc?的AudioSpotlight?、 Audionation-UkLtd的HSS-超声波声音系统（例如，HSS型3000)以及LRAD公司的产品。
[0009] 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】

[0010] 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。
[0011] 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ZK= 31D2/4A，其中D是有效声音生成孔径的直径 /特征尺寸，A是声音波长并且&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近似。
[0012] 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。
[0013] 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（S卩，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17_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。
[0014] 被称为参数阵列（ParametricArrays)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l〇〇〇m的距离，仍然 具有>80dB的SPL。
[0015] 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，将常规技术迀移到小规模/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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 就此而言，应该理解，术语局部可听声场（localizedaudiblesoundfield)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（g卩，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。
[0019] 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（correctivebeams)。
[0020] 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。
[0021] 应该理解，术语束（beam)和/或声音束（soundbeam)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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 可以通过利用任何适合的束形成技术（例如通过