本发明涉及压缩波的发生。具体地说，本发明涉及一种用于在新型压缩波发生源在不使用直接辐射元件情况下间接生成一个新型声或次声压缩波的设备和方法。

声波通常是空气或水分子的波状运动。因为这些介质是弹性的，并且通常是均匀的，故自然发生的声从发生源开始沿所有方向辐射状传播。举例来说，一种乐器或撞击声以统一完整的形式全方向地辐射，其中载有倍频、泛音和动态全波段，它们共同对人耳提供瞬时声感觉。当在健康人耳的自然发声源的这种感觉相当于在声的超始点存在的相同的发声内容时，就认为它是“纯”的。
因为声是介质内运动的一种瞬变暂时状态，故它不是自持的。的确，根据热力学第一和第二定律的要求，声将其运动最终消耗成热或其它形式能量。因此，如果希望存储或保存声，则需要把这种运动变成一种固定形式的记录。然后通过把固定形式的记录转换回到声波，能恢复这种固定形式的记录。
在最早的记录经验中，通过声波冲击，移动机械设备，以便在板上刻上或蚀刻一个相应槽。通过在一组运动中的槽上安置一个针或其它跟踪设备，可实现初始声波的粗糙再现。已开发出一些比较成熟的技术，它们能够用磁、电和光介质之类的其它固定形式俘获声波。尽管如此，但不论是用机械机构还是用数字控制的激光阅读设备来产生响应，都把相同的声再现原理用于恢复这种存储的信息。特别是，通过重新产生物体的运动，使所存储的信号转换回到声波，然后使周围空气开始进行相应于声再现的运动。
现代声学的一个主要目的是根据把电、磁、机械或光记录转换成能够在人耳检测的压缩波，再现纯声。理想的系统可通过一个与当初产生声音的设备不相上下的共振设备，重放全部原始声音。换句话说，小提琴声可通过再生谐音和代表该乐器的天数的其它动态影响的小提琴来重放。同样，短笛声可通过产生与这种乐器有关的高频、谐振特征和谐音的设备来重放。总之，如果用一个不能体现乐器或声音独特特征的机械波发生设备去激励声再现，则人们不能期望一个中提琴听起来象“纯”形式的中提琴。因此，看来是，再现原“纯”质量声的唯一实用方法是：隔离每个乐器或声源，记录其声输出，然后把输出再现成相同乐器或声谐振器。显然，这样一种解决方案总体看来是不实用的。
在现实世界中，已用扬声器应付再现声的挑战。在说明诸因素的相互作用时，音响扬声器的工作是比较容易了解的。扬声器是一种换能器，它接收一咱形式的能量(代表声的电信号)，并且把该能量转换成另一种形式的能量(机械振动)。在动态音响扬声器中，通过连接于刚性膜或圆锥体上的线圈发送一个正比于要广播的信号的强度和频率的电流。线圈移动于一个永久磁铁内，并且磁场把一个正比于电流的力作用于线圈上。线圈及其所固定的膜的振动在其周围空气中产生声波。简言之，到现在为止，声的再现是需要膜或板的机械运动的。指望一个单膜或板准确地提供短笛的尖锐声和基鼓的深沉谐振的确是要求过高的。
然而，重要的是要指出，当交晌乐现场演出会的听众听到这种宽波段的声时，他以一种完整方式收听，把它当作具有无数频率和振幅的声波的“统一”组合。这种复杂的阵列通过空气从其原始源敏感地传播到人耳，人耳完全能够把全部感受传送到人脑。确实，全波段的可听信号(20至20000Hz)是按统一感受处理的，并且包括次声低频振动的效果以及其它影响其余感觉的频率振动。
指出下述情况也是重要的：这种到达人耳的相同“纯”声能够用一个话筒来检测，从而可在一个磁带或高密度磁盘之类的固定介质上进行记录。虽然话筒膜可能不具备人耳的灵敏度，但现代技术完全能够在有效地俘获记录信号内的全波段声感受方面获得成功。例如，不需要提供单独的话筒去记录低和高波段频率。而话筒象耳鼓一样，用其精细感觉膜按照统一声波阵列来俘获全音频谱，并且作为复合信号来记录它们，然后能够把复合信号记录在适当的介质上。
因此，很明显，话筒不是“纯”声有效存储和其后再现的主要限制。而准确声再现的挑战是来自企图把话筒的输出通过一个机械扬声器变成压缩波。因此，实现一个高质量统一声系统的工作重点一直是开发一种能够响应高、中和低波段频率的复合扬声阵列，通过组合适当的谐振腔和声耦合设备去产生比较接近原声感受的模拟。
这种改进声再现的追求包括研究涉及下列事项的问题：(a)补偿扬声器振膜的质量，(b)封闭式扬声器内空气的阻力，(c)扬声器谐振腔的配置(d)在高与低频之间的方向差异，(e)低对高频波列的相变，(f)把扬声器元件耦合于周围空气的困难，和(g)丧失谐波和次音。此外，这些事项只是代表与借助直接辐射实体扬声器重建声波有关的一些问题。
只是作为这些问题之一的一个实例，把怎样克服扬声器驱动器的质量问题列为挑战问题。显然；扬声器驱动器和振膜的目的是，通过形成一个波列的前后往复运动，产生一系列的压缩波，初始设计的挑战是，由于扬声器质量本身内的惯性而补偿扬声器响应中对运动的阻力。然而，在扬声器驱动器被置于运动状态以后，质量会寻求保持运动状态，使驱动器运动过度，从而需要进一步补偿延迟的响应，以反转其运动方向。这种质量与惯性的抵触在扬声器力图产生一个在所接收电信号中体现的原始声波的复杂阵列时，可循环每秒几千次。
为了应付补偿质量的困难，以及众多的其它实际问题，同开发发声的不同概念相反，扬声器的开发已主要集中于改进材料和部件。已修正和改进膜，锥体结构材料，技术和设计，悬置件，电机单元，磁铁，包壳和其它因素。尽管如此，但往复质量的基本用途仍然未变，而任凭电能被转换成声输出的效率低于5％。
静电式扬声器代表一种不同的方法体系。与带有圆锥形膜的动电式扬声器不同，静电式扬声器使用一种导电薄膜。在膜板周围有一个或多个固定网。当把信号电压加到这些元件上时，所产生的静电力使膜振动。这种低质量膜特别适合用作高频辐射元件，并且能把它的工作通过利用足够大的辐射面积而扩大到较低的频率。
虽然静电扬声器可提供一些优点，但它们体积大，成本高，效率低，并且有缺乏点源辐射声的缺点。例如，由话筒以局部的或近似的点源实现声检测。为了把检测声转换成一个非点源，例如一个大静电膜，可以建立人造的声再现。具体来说，一个5英尺高的辐射静电扬声器在模拟一种小得多的短笛或小提琴的精密空间图象的能力方面受到了限制。
音响扬声器设计方面的另一问题是，低频辐射元件的最佳质量和尺寸根本不同于高频的情况。一般通过对音响扬声器系统的每个声道提供低音喇叭和高音喇叭辐射元件，来解决这一问题。但这种设计的实质是很不合乎需要的。因为(i)高频信号从高音喇叭锥面传播到收听者的距离较短，而(ii)低频信号从喇叭或低音扬声器传播到收听者的耳朵的路径要长得多，从而使时间延迟上的差异引入相移，相移可达相位差百分之几千的范围。
初步列举上述扬声器技术，以强调在把声存储形式变成能够再现其原始形式声的压缩波方面的历史困难。尽管如此，但现有技术实际上已按照需要用扬声机之类的机械系统再现可听声的概念统治达60年之久。显然，很需要提供一种采用不同方法再现声的装置，避免为了发生而选择移动振膜或扬声器所出现的许多困难。

本发明之一个目的在于提供一种用于从一个空气区间接地发射新声和次声波列的方法和设备，不用直接辐射元件去发射波列。
另一个目的在于间接地生成至少一个新的声或次声波列，方法是利用在具有等于至少一个新的声或次声波列的不同频率的至少两个超声信号之间干涉的副产物。
又一个目的在于按照声外差原理使至少两个超声波列产生相互作用，借此从相干波列抽取信息。
又一个目的在于间接地生成一些新的声或次声波列，方法是用调幅把它们和一个超声载波组合起来，从一个超声换能器放射组合信号，在载体与另一超声频率波列之间引起干涉，借此建立新的声或次声波列。
又一个目的在于利用间接产生的压缩波去影响活动物体的物理状态。
又一个目的在于利用至少两个不可感觉的压缩波产生一个人体感官可感觉的新的压缩波而不用直接传播新压缩波。
本发明的另一个目的在于产生一个新的声或次声波列，而不必克服常规直接辐射元件的质量及其有关的惯性限制。
本发明的又一个目的在于产生一个新的声或次声波列，而不引入常规直接辐射元件所固有的其它畸变或不需要的谐波。
又一个目的在于通过把至少两个超声波列射入谐振腔，而从谐振腔内间接地产生和增强一个新的声或次声波列。
又一个目的在于全方向地产生一个高频波列，借此避免常规音响扬声器通常具有的高频信号发射的高度集中性和方向性。
又一个目的在于产生一个在局部区域的新的声或次声波列，而不必耦合于相关的环境或封闭体，这在其它情况下会引起不希望地播放声或次声波列。
又一个目的在于产生一个新的声或次声波列，其中，直接辐射元件的特征不限制新的声或次声波列的特征。
本发明的另一个目的在于仿真一个对于象话筒之类的近似点源检测设备来说是典型的声波检测过程，而不必在检测位置提供物理检测设备。
另一个目的在于通过操纵至少两个超声频率波列的相互作用程度，控制新声或次声波列的音量。
又一个目的在于按照声外差原理，作为对从进入一个空气区的单独超声换能器发射的单独超声波列进行调制的副产物，从该空气区发射一个新的声或次声波列。
本发明提供了一种用于间接地生成一个全方向声的方法，全方向声具有一个远距离虚源，并且包括至少一个新声或次声波列，该波列是至少两个具有不同频率值的相互作用的超声波列之差，所述的方法包括下述步骤：1)把一个包括基频的第一超声波列发射到一个可压缩传输介质区中；2)把一个第二超声波列发射到所述区中，从而与第一超声波列相互作用，其中第二超声波列具有一个等于第一超声波列基频的基频；3)在相当于基频与新声或次声波列之和的整个频率范围内，改变第二超声波列的基频；4)从所述区发射一个由第一和第二超声波列相互作用而产生的新的可听声波列，其用作定向可听声波列；和5)从一个反射表面反射该定向可听声波列，以产生声波列的全方向散开，从而在反射表面留下一个虚的局部声源。
本发明还提供了一种由至少一个新的声或次声波列的频率间接地产生三维方向声方法，该至少一个新声或次声波列的频率是由至少两个不同频率值的超声波列在空气中产生的，所述的方法包括下述步骤：1)产生一个第一和一个第二超声波列，其中，第一与第二超声波列的频率之间的数值差是至少一个新声或次声波列的频率；2)发射第一超声波列；3)按照在一个可压缩传输介质区中与第一超声波列的干涉关系，发射第二超声波列；4)从所述区发射至少一个由第一和第二超声波列相互作用而产生的新声或次声波列，其用作一个定向声波列；和5)从一个运动中目标反射所述波列。
本发明还提供了一种用于从虚声源提供反射波的方法，所述方法包括以下步骤：a)将一个超声换能器定位在与声反射表面分开的位置b)使超声换能器取向为朝向该声反射表面；c)根据声外差从超声换能器朝向声反射表面同时发出至少两种超声频率，所述频率具有对应于该反射波的差值；以及d)通过从声反射表面以全方向模式来重定向对应于反射波的可听输出，在声反射表面形成该虚声源。
本发明还提供了一种提供虚声源的设备，包括：一个超声换能器，能够发出至少两种超声波具有在声波或次声波范围的频率差，所述超声换能器被设置为取向朝向一个远离该超声换能器并且不与该超声换能器电连接的声反射表面，其中该声反射表面传播一个全方向声波或次声波音频模式，该全方向声波或次声波音频模式是从该至少两种超声波之间的声外差干涉生成的。
在一个间接产生新的声或次声波列的系统中实施本发明。在一个实施例中，新的声或次声波列是从至少两个超声波列的一个干涉区发射的，而这两个波列是从至少两个超声换能器发射的。其工作原理基于把可恢复信息载入一个超声载波中。作为超声载波列与另一超声波列相干的合乎需要的副产物，恢复信息。按照本发明人视为“声外差”的原理，在一个非线性区内使诸超声波列相干，并借此产生包括两个超声波列的差与和的副产物。
一个容易说明声外差原理的系统包括两个超声频率换能器，它们被定向成在诸发射超声波列之间引起相干。当两个超声波列之间的频率差处于声或次声频率范围时，就产生频率差，以此作为从外差干涉区内向外发射的一个新的可听的声波或新的次声波列。
该系统的一个不同的实施例提供的优点包括只有一个超声直接辐射元件。该优点不但可降低硬件数量，而且可理想地对准两个相干超声波列，因为它们是从同一辐射元件发射的。实际上，新的声或次声波列被视作是直接从超声发射器产生的。如果超声发射体本身不能产生声或次声频率不是必然的结论，加上不是直接从发射体发声的可听证据，则人们可能产生误解。
第一实施例的重要意义在于：它按照声外差原理，提供一种由于两个超声波列之间干涉的结果而产生一个新的声或次声波列的概念。在本质上，容易看出，两个超声波列来自两个超声发射体。然而，由这个第一实施例提供的声外差原理可为理解第二实施例如何操作的方式作好准备。很明显，在了解诸波列在空间相干时，适用相同的声外差原理。
本发明的一个关键方面是发现：通过把声或次声信息迭加到一个超声载波上，能够把这种信息恢复成一种新的声或次声波列。是从两个发射体还是从一个单独发射体产生超声波列，其效果是相同的。
本发明的另一个方面是间接产生新的压缩波，而不必克服常规直接辐射元件的质量所固有的问题及其惯性的相关限制。本发明可避免用直接辐射元件作新的压缩波源，以便从一个空气区可直接产生所希望的声，并且没有全与直接辐射扬声器有关的几种形式的畸变。
有助于利用本发明的另一个方面是了解传输介质的性质。更准确地说，其中有声外差影响的空气区被称作传输介质。众所周知，空气传输介质提供一种用于传播声波的弹性介质。因此，现有技术研究已把空气当作一种声再现过程的无源元件。空气只是等待由压缩波来移动。
因此，当空气具有非线性特点时，还很少把实际注意力投向空气的性质。在过去，这种非性线多半已被视为一种准确声再现的障碍。这是因为本专业技术人员知道，在极端条件下，空气分子是越来越不能跟随压缩波的运动，例如振膜产生的波动。因此，研究的趋势一直是避免非线性条件。
相反，为了实现所需的外差效应，本发明看来偏爱非线性传输介质的存在。
虽然当压缩波通过空气运动时，空气本质上是非线性的，但非线性的程度相对来说是不可观测的或不重要的。然而，当发射超声压缩波以致于在空气中相干时，其非线性引起一个意外和未预期的结果，这会解释成或看成是声外差效应或过程。
本发明引用各式各样的技术和方面，它们有时看成是无关的课题。发明的这些方面包括：1)间接产生一个新的声、次声或超声压缩波；2)把信息叠置在超声载波上，并且把信息恢复成间接产生的压缩波；3)使至少两个超声压缩波在空气中相互作用，并且利用干涉的副产物；4)利用声外差原理间接地产生新的压缩波；5)从一个比较小质量的辐射元件产生新的压缩波，以避免常规直接辐射元件的畸变和不希望的谐波；6)实现活动物体的一种物理状态，这是通过产生一些与它靠得很近的次声频率得到的；7)产生声的一个近似点源，它在整个音频谱范围内是相位相干的；8)消除声重放或播放中的失真；9)消除从直接辐射元件发射高频压缩波所固有的“聚束”现象；10)产生一个与直接辐射元件特征无关的新声或次声压缩波；和11)在检测位置不使用直接检测设备检测声。
应能记得，本发明的全部这些方面都可能不使用扬声器或其它形式的直接辐射结构。此外，这些声或次声频率是以绝对不失真的方式和通常在全向方位产生的。惊人的结果是能够重新产生“纯”声，“纯”声具有与在一个话筒或其它记录系统中原始俘获声时相同的形式。
从下面结合附图的详细描述考虑中，本专业的技术人员会清楚地了解本发明的这些和其它一些目的、特点、优点和方面。

图1是现有技术常规音响扬声器系统部件的框图。
图2是根据本发明一个实施例原理建造的间接压缩波发生系统的部件框图。
图3是利用包括声外差干涉效应的图2设备的间接和新的压缩波的发生的说明图。
图4是间接压缩波发生系统部件的框图。
图5A是曲线图，说明随着声振幅或强度的增加，空气是怎样响应逐渐增加的非线性的。
图5B是曲线图，说明空气非线性地响应于具有一定频率和振幅的特定信号的时间。
图6A是间接压缩波发生系统部件的框图。
图6B是图6A的一个替代实施例。
图7是超声频率换能器的替代配置，用于间接产生压缩波。
图8是用于间接产生压缩波的超声频率换能器的另一替代配置。
图9是谐振腔的说明图，其中从两个换能器发射两个超声频率信号。
图10是谐振腔的说明图，其中从一个换能器发射的两个超声频率信号。
图11是助听器和头戴耳机图，其中人耳道是谐振腔。
图12是框图，说明用于检测声的本发明。
图13是一个为改进声效果而提供超声频率信号反射的实施例。

现在参照诸附图，其中用标号标出本发明的各元件，并且其中讨论本发明，使本专业的技术人员能够制造和使用本发明。
本发明显著偏离目前本领域状态的教导。通常认为产生压缩波是一个直接的过程。把直接过程看成是使辐射元件10以所要求的频率振动，如图1所示。通常用图1的系统在人听力范围上、下，直接产生可听和不可听的压缩波。因此，常规压缩波发生系统包括一个可以是任何动态的、静电的或其它直接的辐射元件的扬声器元件10，和一个象信号发生器或放大器之类的信号源12。信号源12提供一个代表压缩波的电信号，压缩波具有一个特定频率或一些特定频率，扬声器元件10以此特定频率振动，以产生压缩波14。
为了改善来自例如图重所示的声再现系统的声质量，本专业技术人员目前在注视着改善音响扬声器重0之类的物理辐射元件的方法。音响扬声器重0起换能器的作用，试图通过把电信号转换成压缩波14，对以模拟格式或最好以数字格式记录的声进行准确的再现。因此，生成压缩波此前一直是一个如上所述的直接过程。通过一个以用于驱动的一个频率或一些频率振动的物理辐射元件，直接产生所用再现的声。这种振动通常驱动一个音响扬声器圆锥体或振膜，它产生人耳能够听到的压缩波，这时频率处于每秒20至20000周的范围。例如，如果振膜以每秒1500周振动，就产生一个1500Hz的可听音。
在进一步进行描述之前，定义一些此后使用的术语是有帮助的。“信号源”通用地指的是一个“信号发生器”或“放大器”，它可提供代表要从扬声器发射的压缩波的电信号。术语“扬声器”通用地指的是术语“换能器”、“发射体”、“音响扬声器”、“振膜”、“物理辐射元件”、或“直接辐射元件”，它把电信号转换成一个产生压缩波的机械振动。术语“压缩波”通用地指的是术语“声波”、“纵波”和“波列”，它们是通过一个象空气之类的传输介质传播的声、次声和超声波。
本发明以优选实施例方式提供一种用于间接生成新压缩波的方法和设备。间接生成指的是在新压缩波生成源没有直接辐射元件。意外地是，不存在以新生成的压缩波频率振动的物理辐射元件。代之以，使空气分子以所要求的声、次声或超声频率振，借此超辐射元件的作用，并且生成新的压缩波。空气本身成为直接辐射元件，并且成为间接的压缩波源。
本发明最关心声和次声频率这两者。这主要由于难以直接生成这些不失真的频率。相反，能够以大得多的精度和较小的失真生成这些频率正是超声频率的特性。这是因为其辐射元件通常是效率高，尺寸小的质量小。因此，超声辐射元件不遭受象常规扬声器一样的失真原因或一样的失真程度。虽然，应能想起，本发明能够以超声、声或次声频率间接地生成新的压缩波，但现在的焦点在于针对音乐、话音和全部其它形式声的再现来进行更有效的应用。
为了生成一个新的压缩波，本发明1)利用至少两个超声信号，2)把一个期望的声或次声信号叠加到一个或两个超声信号上，3)从至少一个超声发射体发射超声信号，4)使超声信号按照声外差原理相干，和5)从超声压缩波的外差干涉区中生成一个新的压缩波。
可立即看出这种安排的优点。例如，超声部件的波不以可知觉的形式碰撞人耳，从而是不分心的。因此，只有期望的新压缩波由听者感知，并且呈现一种能够重建更理想声再现的原始动态的形式。
最好参照图2来理解本发明的引入。下面根据这种初始讨论的原则，说明其它一些优选实施例。
如图2所示，按第一实施例完成间接压缩波生成。系统的基本元件包括至少两个超声声换能器20，一个超声信号源22，一个用于组合信号的装置24，和一个送住组合信号装置的输入26，用于提供一个要叠加于载波信号上的信号。超声信号源22还充当一个用于对从至少两个超声声换能器20发射的信号的频率进行控制的装置。虚线28表示，在这个第一实施例中，换能器20的方位是共轴的。
上述设备能够按所述起作用，是因为压缩波30，32按照声外差原理(本发明人选择的描述该效应的词组)在空气中干涉。声外差颇象发生于非线性电路中的电外差效应的机械对应者。例如，电路中的调幅是一个外差过程。外差过程本身只是产生两个新波。新波是两个基波之和与差。
在声外差方面，当至少两个超声压缩波在空气中相互作用或相干时，观察到发生一些等于基波之和与差的新波。目前，只在两个基波都是超声波，从而通常高于20KHz时，才观察到声外差。
本发明的优选传输介质是空气，因为它是可以在不同振幅下非线性地响应的可高度压缩的介质。这种空气非线性使外差过程能够在不使用电路情况下发生。然而，应能想起，任何可压缩流体，如果需要，皆可起传输介质的作用。
图3说明，由于意外发现：两个超声波列30，32在相干时在空气之类的非线性声传输介质中经历一种形式的声外差效应，故有可能间接地生成一个新的压缩波。在区域34中，随着振幅和频率的增加，空气会越来越非线性地响应，随着压缩波30，32互相干涉，区域34会扩大。
如上所述，声外差效应导致产生两个新的压缩波：超声压缩波30，32之和与差。和是一种意义不大的超声波，从而未示出。而差可以是声或次声，故作为压缩波36示出，它通常从干涉区34全方向地发射。新波的形状通常由干涉区34的形状决定。在此说明中，区域34通常是圆柱形的，如果以三维表示，则如图所示。然而区域34的形状可以修正，以产生期望的效应。此外，相对的和通常共轴的压缩波30，32的这个图不应认为是描述波能够具有的唯一方位。
值得在进一步描述之前指出，已从实验方面证实声外差效应。其证据在于事实：产生至少一个新波。通过直接可听声检测以及用音频谱分析器测量频率，可证实新的声或次声压缩波36。然而，和直接可听声检测不同，两个频率之和只能通过使用一台象音频谱分析器之类的仪器进行测量来核实。已测量了和与差这两者，以核实这些预测结果的准确度。
如所推断，本发明所关心的特殊声外差效应是一个超声波列相对于另一个超声波列之差或频率相减。考虑一个具体实例，它明显地提供在声学上外差两个不同的超声波30，32的结果。假设存在一个100000Hz的第一超声频率波列(第一基波)30。假设以100,900Hz发生一个第二超声波列(第二基波)32。由于第一和第二超声波列在其中一个或两个波列有足够大的振幅时发生相互作用，故可听到900Hz的可听音。由声外差效应引起的频率相减可导致一个900Hz频率音被生成，并且作为一个来自干涉区的新压缩波被听到。
单个频率的生成只说明核心发明原理。在下述应用中可更深入了解声外差的潜力。例如，如果能够产生一个单独的新单频压缩波，则应能实现：象现场实况音乐之类的平滑低音部增强的多频信号、通过收音机或电视机接收的话音或传输，都能够用本发明来放大和播放。一个袖珍式精细超声频率换能器能够以完善的清晰度，按可想象的方式再现实况交响乐记录的全部记录频率，也许甚至有接近身历其境的感受。
回到更详细地讨论图2的具体元件，本发明的一个重要而实用的元件是单个超声信号源22，用于提供代表超声频率波列30，32的电信号。这种装置的优点在于信号差(由于两个分离信号发生器的温度和性能的变化而可能发生的)，很可能导致在两个超声波列30，32的频率值之间漂移。此外，因为正是在两个超声波列30，32之间的频率差，成为最终关心的频率，故重要的是要使超声波列30，32的不希望的频率变化减至最小。
为了消除漂移，一个单独的超声输出源22要为两个超声波列30，32产生一个基频，使波列30，32即使有漂移也会一起漂移。这种配置因此而较容易精密控制频率差，和最终控制新压缩波的频率。
图2还作为系统的一个部件而示出一个用于组合信号的装置24。这个装置执行修改功能，它可修改一个或两个由超声信号源22产生的超声波列30，32。这种修改包括用于组合信号的装置24，它把第一超声信号38与电信号40组合起来，呈现要生成的新压缩波42。这组合按照第一超声信号38与期望压缩波42之和来确定，并且按照第二超声信号42来传送。
本发明组合信号38和40的方法最好通过调幅来实现。因此，在第一实施例中用于组合信号的装置24是一个调幅器。图2A说明：调幅可产生一个具有基频60，上边带62、和下边带64的信号。在本发明中，使用上边带62是因为，它代表一个可携带一种变为新“差”压缩波的信息的不倒相信号。
显然可以看出，如果一个变为新压缩波的电信号62被调幅到基频60上，则超声压缩波30或32(无论哪个被调制)都不需要解调，以便作为新压缩波62被听见。图2所示系统的其它元件是两个超声声换能器20。这些声换能器20被设计成以超声频率发射压缩波。换能器20的实例可以是压电器件或静电器件，但显然也可包括其它用于适当频率范围的辐射元件。
虽然第一实施例使用一个单独的超声信号源22，但也应认识到，有可能向超声换能器20提供分别生成的电信号。图4说明使用两个独立的超声信号源44，46。这种配置的风险是频率的漂移变成一种可能性。实际上，这个实施例还可能要求在两个超声信号源44，46之间有某种形式的同步。例如，一个同步控制器48可以协调两个超声频率信号30，32的发射。
图5A提供一个曲线图，通过示出在信号的振幅与响应于这个信号的空气非线性之间的关系，说明声外差原理。恢复力是空气分子在被移动时为返回平衡处而施加的力。如果空气是线性，则牛顿定律会告诉我们，空气会以大小相等和方向相反的力响应于移动它的给定力。然而，曲线图表明，随着信号振幅的增加，恢复力不是线性地响应的(线性是由直线表示的)。相反，曲线52的方程式是y＝x+x2，在此空气以分量x线性地响应，并且以x2非线性地响应。因此，曲线52表明，随着信号振幅变大，按照该方程式，空气的非线性响应开始比线性分量更快地增加。
图5B提供一个曲线图，说明信号必然呈现使空气非线性地响应于它的性质。x轴代表以对数标度的信号频率。y轴代表每1000英尺以dB标度的空气的吸收程度。如图所示，直至10K栅左右，曲线50是几乎平坦的。这时与实验结果一致的，实验结果证实：在较低振幅下的声波看来不会产生有效的声外差。随着振幅增加，空气显著地变成更具非线性，从而能够按照声外差原理相干。
图6A说明本发明的优选实施例。与图2比较，一个重要的差别是取消了一个超声换能器20。在其它方面，其余的超声换能器20，用于组合信号的装置24，和超声信号源22仍然基本上相同。然而，似乎并非直觉地认为，这种安排仍然能够实现本发明的目标。然而，对发射的超声压缩波的分析立即证明，声外差效应仍然发生。
首先，有关的电信号是作为基波的第一超声信号66，和代表要与超声信号66组合的新声或次声波的电信号68。信号66，68的组合产生一个新的电信号70，它是作为一个等于信号66和68之和的新上边带和信号66一起合成的，信号66和70都是从超声换能器20发射的，用作压缩波76。
一名收听者会从一个通常能在一个超声换能器20的发射面开始的干涉区74中，听到新的压缩波76。除了相反的可听证据之外，这可能使收听者不正确地认为，超声换能器20正在产生新的压缩波76。经确定，超声换能器20不能够直接产生可听的频率。因此，人听到的是按照声外差效应相干的相干超声压缩波。可以发现，从1)新电信号70，和20第一超声信号66中，产生两个超声压缩波。这些相应于信号66和70的相应压缩波是在换能器20传播的，从而提供用于声外差干涉的所需两个超声波列。
还提供图6B，以示出诸部件的另一种布置，它可更直观地说明两个被传送到超声换能器20以便从此发射的有差别的超声压缩波66和70。在两个实施例之间唯一有意义的差别是，为每个超声压缩波示出独立的超声信号源22。
优选图6A或6B的实施例是有许多原因的。例如，这些系统具有减少到一个的换能器20，从而生产成本低。这些系统还重量轻，体积小，并且最重要的是具有最大的效率。
在效率方面需要进一步讨论，以了解各种实施例的一些含意。图2所示第一实施例要求超声换能器20定向，而图6所示的则不要求定向，因为单独的换能器20充当用于两种相干信号的辐射元件。
超声换能器20的方位是重要的，因为能够改变图1的系统，使它不产生任何新的压缩波。例如，如果换能器20被定向成，使超声压缩波30，32基本上不交叉，则不能够产生新的压缩波。因此，图7示出一个稍微会聚的路径，和图8示出一个通常平行的路径；两图描述的超声换能器20的方位通常可产生充分大的相干区，以便产生一个新的压缩波。然而，这些方位看来都不能产生象图1或6那样方位的有效干涉区，因为后者呈现的干涉程序较大。这种较大的效率可把较多的能量传送到新的压缩波，从而变成较强和较响的新波。
与此对比，本优选实施例总能产生一个具有最大效率的新压缩波。这是因为两个超声换能器20的方位不会总是匹配的，并且不会超过当使用同一超声换能器20去发射两个超声压缩波时所得到的完美共轴关系。因此，这种从单一换能器得出的共轴传播会产生最大相干图形，和得出最有效的压缩波发生。
在转到本发明的其它方面之前，重要的是要认识到，用高度定向的超声换能器20可能得到不寻常的声效果。已观察到，对一个物体或表面上的至少两个超声波列进行反射，可使反射波给出一种局部源的效果。换句话说，所反射的新压缩波看起来是来自反射物体或表面。
这可用图13描述，且能用来模拟各式各样的关心的声效果，包括三维声效果。通过使超声换能器20的方位只对准一个无花板或墙壁96，就能模拟从这个位置发声的感受。如果换能器的靶子处于运动中，则运动中的反射位置产生一种所述声或物体运动的印象。通过用计算机驱动器控制换能器的方位，可把声再现定位于电影屏幕的各个面上，甚至脱离屏幕而定位于头顶位置、运动中车辆或飞机中，或者实现无数现在还只能想象的其它声效果。
本发明的惊人结果是生成一个新的全方向压缩波。尤其是，新压缩波通常会从一个干涉区大体按该区的形状全方向地向外辐射。然而，本发明对干涉区形状提供的显著控制，使所述方向性的知觉能够受到意外方式的操纵。
例如，可把一个或两个超声换能器对准一个墙壁其它物体。在两个即将由于反射而产生的超声压缩波之间的干涉量增加，会使大多数声从要由其反射的物体的附近全方向地产生。同样，使两个图2的超声频率换能器20更靠近，可限制干涉区的长度，从而更加接近一个声的近点源。
本发明另一个重要优点是，从一个质量比较小的辐射元件再现声。在干涉区中，从而在新压缩波发生位置中，不存在直接的辐射元件。这个按照声外差原理的声发生特点能够基本上消除失真效应，其中大多数失真是由辐射元件或常规扬声器产生的。例如，在音响扬声器圆锥体上的谐波和驻波，惯性引起的圆锥体上冲和圆锥体下冲，和圆锥体本身的不完好表面，全都是可直接影响直接辐射元件的信号失真的因素。
一个直接物理辐射元件还具有其它不合乎需要的特征。尽管某些制造商矢口否认，但常规音响扬声器的频率响应实际上是不平坦的。相反，该频率响应是固有地最适合于发射的频率类型(低音、中音或高音)的函数。而扬声器的形状、几何和构成则直接影响扬声器的固有特征，声外差波的发生利用了空气的自然响应去避免几何学和构成问题，并实现声发生的真正平坦的频率响应。
一般说来，应当指出，本发明的这个方面意味着，已实现获得真正间接声发生的最后步骤。虽然本领域的技术状态已发展到能把模拟信号转换成数字记录，并甚至能用数字方式处理信号，但声再现的质量仍然受限于总是需要模拟换能器用作扬声器元件的这一特性。这已不再成为问题，因为本发明在附属质量和惯性的限制下，已实现一种不受制于直接辐射元件的无失真的声。
不失真的声意味着，本发明可保持与原始记录声有关的相位相干性。常规扬声器系统不具有这种能力，因为由最适合的扬声器元件(高音喇叭、中音喇叭、或低音喇叭)传播的交叉网络会使频谱破碎。通过消除直接辐射元件，本发明可使常规交叉网络成为过时的网络。这就能够实现一种有效的或接近的声点源：本发明的另一应用涉及不引人注目地生成人群控制(crowdcontrolling)次声声波。象12栅附近的低频之类的很低频率已表明是令人类和其它动物厌恶的和迷惑的。在利用低频迷惑方面的现有工作已受阻于定位应用的能力有限。本发明已证明它适用于反射放大，从而使它更集中于影响区域。例如，能够把声外差生成的低频声引向一个建筑物，窗口，或一群目无法纪人群附近的其它反射表面。这种迷惑声的主要影响是在直接反射区，以避免意外地用于无辜的旁观者。
从超声换能器20的独特性质直接产生一些其它的优点。由于它们尺寸小，重量轻，故这类换能器通常不遭受那些用于音响扬声器的常规辐射元件的许多限制和缺点。此外，在极高频率下使用超声换能器20可避免直接辐射元件的失真，谐音和其它不期望特征，而这是在氏、中和高频音域中直接再现声所必然出现的。因此，现在能够把相对不失真的超声换能器系统的许多有利声学性质间接地变成声和次声副产物。
图9说明本发明的一个附属方面，它涉及在一个宽谐振腔80内生成和改善声的能力。谐振腔80是任何一种能够使超声压缩波30，32发生相互作用以便按照声外差原理进行干涉的腔80。虽然宽谐振腔80不一定产生干涉效应，但它通过增大干涉以及增强音频副产物或“差”频，看来可改进或放大该效应。这意味着，从几乎任何一种观点来看，都能够把两个超声频率信号30，32送入腔80内。例如，图9示出把超声频率信号30，32发送到腔80中的两个超声频率换能器20。信号30，32被多次反射而离开腔80的壁，以增加干涉。
图10示出图9宽谐振腔的改进配置，它只需要一个用于产生一个新压缩波的单个超声换能器20。该系统被改进是因为在两个超声压缩波30，32之间有完美的共轴关系。
图9和10的宽谐振腔80的一个含意是，人的耳道也是一个宽谐振腔，从而能够用于改善新压缩波。这个结果为头戴耳机和助听器工业提供特殊的优点。例如，体现本发明的图11所示的助听器90能够用于为收听者再现声音的整个音频谱，能够以高保真度再现，而与常规助听器的特征“细声”不同。类似地，能够改进任何头载耳机或头戴式送受话器92，以利用本发明，并且同带有舞台频率响应分机的常规系统相比，通常重量轻，尺寸小。
本发明的另一个关心方面促进作为无线电系统一部分的通信保密。出现这种情况是因为使用超声换能器20所固有的“聚束”效应。就其本性而言，超声压缩波以窄束传播，窄束才能容易瞄准特定物体或位置。因此，有可能使换能器20对准一个有噪声或喧哗的房间，并且只把可听信息送入预期收听者耳中。在该收听者周围的人不会知道该可听通信，因为人耳具有不反射特征，并且超声波束宽度窄。因此，能够在收音机和电视机节目制作区和要插入字幕的演出舞台给出专用指令，并且在单向提示的其它应用中也是有帮助的。
意外地，本发明还能消除不希望有的环境噪声污染。我们的社会已产生惯用语“轰鸣箱”，它涉及具有较大低音扬声器的便携式立体声系统。轰鸣箱的名称得自对轰鸣干扰副作用和和重复出现驱动大量空气的低音扬声器的“低沉噪声”的烦恼。然而，该词有时也有时用来泛指具有更大低音扬声器的汽车或其它车辆。因为扬声器整体地连接于车辆上，通常连接于车辆的车架或任何扬声器外壳上，故外壳本身也成为一个辐射元件。因此，车辆外面的人会受到枯燥的轰击声一波又一波的冲击，这起码是一种公害。
本发明能够有利地消除外壳对直接辐射元件的耦合，因为是在中间空气中生成新压缩波。车内收听者仍能欣赏车内区域的音响低音频率的感受。然而，低频不会直接耦合于车辆框架，因为辐射元件现在是空气中一个点。因此，送入收听者直接周围区以外环境中的讨厌低音被明显减少。
本发明一个关心的新方法是逆向地用于声检测技术。换句话说，不是把本发明用于再现声，而是用于检测声音，如图12所示。更准确地说，本发明能够起一个象话筒之类的点源声检测设备的替代品的作用。一般说来，一个话筒必须物理地定位于一个便于操作的期望声检测位置。本发明能够用一个换能器20使压缩波转换成电信号，而不必在检测位置提供物理话筒元件。
在本质上，一个单独的换能器20可以用来使超声压缩波30聚焦于期望检测位置102。象话音或音乐之类的声振动会与超声压缩波30相互作用。通过监测超声压缩波30输出电平的降低，应有可能确定影响超声压缩波30的可听压缩波的频率。通过用一个波形分析器104去确定由于把超声压缩波30与可听声波102耦合而引起的输出电平的降低，可以作到这一点。要了解，上述诸实施例只是本发明原理应用的说明。本专业的技术人员可以在不背离本发明精神与范围的情况下，设计出许多改进和可替换的安排。所附权利要求书用于覆盖上述改进与安排。
要了解，给出上面描述之目的在于说明本发明概念的各种实施例。不要把具体实例当成是限制，只按下述权利要求书进行限制。