直接量子化を用いる圧力波の記録方法及び再生方法
本発明は、圧力波信号を記録及び再生するための方法に関する。波圧記録とアナログ／ディジタル変換が統合されるべきである。ビット深度が同じ場合にはより大きいダイナミックレンジが生じ、ダイナミックレンジが同じ場合にはより小さいビット深度が必要とされるべきである。本発明は、検出された圧力波信号の直接量子化された波圧差を用いて圧力波信号の全ての情報が算出及び記憶されることを特徴とする。更には、係数を記憶し、必要に応じて絶対的な波圧に逆変換することができる。このようにして圧力波信号の再生が実現される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力波信号を記録するための記録方法、圧力波信号を再生するための再生方法、また、圧力波信号を記録するための相応の圧力傾度マイクロフォン並びに相応の使用に関する。
【０００２】
本発明は特に圧力波信号の記録に関する。
【０００３】
従来では、絶対的な波圧を検出する音圧マイクロフォンを用いて音圧が測定される。アナログオーディオ信号が形成され、続いて、電流振動の振幅の大きさがアナログ／ディジタル変換器によって量子化される。アナログオーディオ信号が形成された後には、例えば従来のコンパクトディスク（ＣＤ）に記憶するためにアナログ／ディジタル変換が行なわれる。従来の方法では、マイクロフォンを用いた信号のアナログ方式の記録が行なわれている。このアナログ方式の記録に続いて、必要に応じて圧縮及び記憶を行なうことができる。圧縮を例えば従来のＭＰ３方式によって実施することができる。
【０００４】
アナログ信号のアナログ／ディジタル変換のためには少なくとも、ナイキストに従い、解析すべき最大周波数の二倍の周波数がサンプリングレートとして使用される。処理すべきビットレートは、サンプリングレートと、使用される複数のビットを決定するビット深度と、使用されるチャネル数との積である。
【０００５】
例えば音楽ＣＤに関しては、２０Ｈｚから２０ｋＨｚの領域の周波数が記録される。超音波領域では２０ｋＨｚから１ＧＨｚの領域の周波数が記録される。例えばオーディオＣＤでは、アナログ／ディジタル変換のために４４．１ｋＨｚのサンプリングレートが使用される。更には、従来では、最も小さい音と最も大きい音のダイナミックレンジの解析のために１６ビットが使用される。二つのチャネルを使用する場合には、処理すべきビットレートは４４．１ｋＨｚ×２チャネル×１６ビット＝１．４１１Ｍｂｐｓの大きさになる。
【０００６】
本発明の課題は、波圧記録及びアナログ／ディジタル変換が統合される、圧力波信号、特に音波信号を記録する方法を提供することである。圧力波信号の再生方法も特に簡単に提供されるべきである。更には、相応の圧力傾度マイクロフォンが提供されるべきである。ビット深度が等しい場合にはより大きいダイナミックレンジが生じるべきであり、またダイナミックレンジが等しい場合にはより小さいビット深度が必要とされるべきである。ダイナミックレンジは最も弱い波圧信号と最も強い波圧信号の間隔である。
【０００７】
本発明の課題は、請求項１に記載されている方法、請求項１８に記載されている方法、請求項２０に記載されている圧力傾度マイクロフォン、また、請求項２４に記載されている使用によって解決される。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、検出された圧力波信号の直接量子化された波圧差を用いて圧力波信号の情報が検出される、圧力波信号を記録するための方法が提供される。圧力波信号を記録するための本発明の方法によれば、波圧差値を記憶することができる。圧力波信号は例えば音楽信号、超音波信号又は地震波である。
【０００９】
本発明は、波圧記録とアナログ／ディジタル変換を組み合わせた記録方法を要求する。波圧差を記録することによって種々の利点が得られる。直接量子化される複数の波圧差が測定される。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、逆変換によって、波圧差値又は係数から、選択的には和Ｓを用いて、全ての測定時点における絶対的な波圧が総時間間隔毎に再び算出される、本発明による方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法が提供される。算出が行なわれると、例えばスピーカを用いて再生を行なうことができる。
【００１１】
第３の態様によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面がそれぞれの周波数領域に同調されている、本発明による方法を用いて圧力波信号を記録するための圧力傾度マイクロフォンが提供される。即ち、周波数領域のそれぞれの周波数が大きくなればなるほど、圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面積が一層小さくなる。
【００１２】
第４の態様によれば、本発明による方法又はマイクロフォンが、オーディオ領域もしくは超音波領域における音圧波のために使用されるか、又は、医学もしくは材料科学における音圧波のために使用されるか、又は、地球物理学又は材料科学においては地震波に使用される。
【００１３】
本発明により得られる利点として以下のことが挙げられる：
同一のビットレートにおいてより大きいダイナミックレンジが得られる。大抵の場合、差分が非常に類似している。これによって、同一のビット深度への分割がより大きいダイナミックレンジを生じさせる。比較的低いビットレートにおいても同一のダイナミックレンジが得られる。差分の差異が比較的小さいことによって、量子化の際にはより小さいビット深度、従ってより低いビットレートで十分である。適合の可能性が得られる。音圧を記録する際に一定のビットレートが選定される場合には、差分の量子化の際により小さいビット深度を使用することができ、また絶対的な和を形成する際により大きいビット深度を使用することができる。
【００１４】
ウェーブレット係数も記憶のためにディジタル化されなければならない。本発明によって、記録とアナログ／ディジタル変換の統合が実現される。圧力傾度マイクロフォンによって波圧差分測定が行なわれる。
【００１５】
別の有利な実施の形態は、従属請求項に記載されている。
【００１６】
有利な実施の形態によれば、検出された圧力波信号の直接量子化された波圧差を用いて、圧力波信号の情報を含む基底関数の係数が算出されるように圧力波信号を記録するための方法を提供することができる。圧力波信号を記録するための本発明の方法によれば、基底関数の係数を算出後に記憶することができる。
【００１７】
有利な実施の形態によれば、基底関数はウェーブレット基底関数で良い。従来技術によれば、半分のサンプリングレートよりも高い周波数が発生することを回避するために、アナログ／ディジタル変換にはローパスフィルタが必要とされる。これはエイリアシングと称される。ウェーブレットを基礎とする記録によって、比較的高い周波数を直接的に排除することができる。
【００１８】
別の有利な実施の形態によれば、異なる圧力傾度マイクロフォンの各々によって、反復的な総時間間隔における異なる測定時間間隔の異なる波圧差を検出することができる。即ち、異なる時間間隔の波圧差が同時に測定される。
【００１９】
別の有利な実施の形態によれば、一つの総時間間隔を同じ長さの複数の基本時間間隔に均等に分割し、一つの基本時間間隔の長さを解析すべき最大周波数及び解析すべき最小周波数によって決定することができる。一つの総時間間隔は基底関数の係数が算出される最小単位である。圧力波信号を記録するための方法によれば、圧力波信号が反復的な複数の総時間間隔にわたりサンプリングされる。
【００２０】
別の有利な実施の形態によれば、解析すべき最大周波数を解析すべき最小周波数によって除算し、その商によって一つの総時間間隔における基本時間間隔の数及び長さを決定することができる。圧力波信号の波圧差を検出するために、最大サンプリングレートを解析すべき最大周波数に依存して、また、最低サンプリングレートを解析すべき最低周波数に依存して、それぞれナイキストに従い決定することができ、最大サンプリングレートを最低サンプリングレートによって除算することができ、また、その商によって反復的な総時間間隔における基本時間間隔の数及び長さを決定することができる。測定時間間隔は複数の基本時間間隔によって決定されている。測定時間間隔は複数の基本時間間隔によって相互に間隔を空けて設けられている。
【００２１】
別の有利な実施の形態によれば、基本時間間隔の数は、使用される圧力傾度マイクロフォンの数を決定する指数ｍを有する２の累乗、即ち２mとして表すことができる。
【００２２】
別の有利な実施の形態によれば、音圧マイクロフォンを用いて、それぞれ一つの総時間間隔の全ての測定時点における絶対的な波圧レベルが加算され、和Ｓが形成される。各基本時間間隔が経過する度に測定が行なわれる。全ての測定時点を基本時間間隔の終了によってそれぞれ決定することができる。和Ｓは単に較正の一つの表現式に過ぎず、複数の総時間間隔が記録される場合にのみ必要とされる。
【００２３】
別の有利な実施の形態によれば、検出された波圧差及び和Ｓを用いて、全ての係数を総時間間隔毎に算出することができる。
【００２４】
別の有利な実施の形態によれば、ウェーブレット基底関数は、Haarウェーブレット関数、Coifletウェーブレット関数、Gaborウェーブレット関数、Daubechiesウェーブレット関数、Johnston-Barnardウェーブレット関数又はBioorthogonal-Splineウェーブレット関数で良い。
【００２５】
別の有利な実施の形態によれば、Haarウェーブレット関数では、ｍ個の圧力傾度マイクロフォンのうちの一つがその都度、測定時間間隔としてのそれぞれ２n個の基本時間間隔の差分を検出することができる。測定時間間隔はそれぞれ２n個の基本時間間隔によって相互に間隔を空けており、またｎは要素Ｎ0であり、且つ、ｎ≦ｍ−１である。
【００２６】
別の有利な実施の形態によれば、圧力差から算出されるウェーブレット係数のうち閾値を下回るものが無視されることによって、記憶を圧縮して行なうことができる。閾値を下回るウェーブレット係数は信号に寄与しない。
【００２７】
別の有利な実施の形態によれば、複数の異なる圧力傾度マイクロフォンを種々の周波数領域に対して使用することができる。即ち、高周波数の差分を測定するために、低周波数の差分を測定するための圧力傾度マイクロフォンとは異なる圧力傾度マイクロフォンを使用することができる。
【００２８】
別の有利な実施の形態によれば、圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面をそれぞれの周波数領域に合わせることができる。それぞれの周波数が大きくなればなるほど、記録ダイアフラムの面積が一層小さくなる。
【００２９】
別の有利な実施の形態によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムを相互に接して一つのケーシング内に配置することができる。複数の記録ダイアフラムが空間的に相互に近接して一つのケーシング内に収容される場合には特に有利である。圧力差測定は同一の音源に属していなければならない。
【００３０】
別の有利な実施の形態によれば、複数の記録ダイアフラムを相互に同心に配置することができる。
【００３１】
別の有利な実施の形態によれば、同心の配置構成において、高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている。
【００３２】
本発明による方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法においては、再生をスピーカによって行なうことができる。
【００３３】
別の有利な実施の形態によれば、上ヘッセンベルグ行列を用いて、係数の絶対的な波圧への逆変換を行なうことができる。
【００３４】
別の有利な実施の形態によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面がそれぞれの周波数領域に同調されている、圧力傾度マイクロフォンを提供することができる。
【００３５】
別の有利な実施の形態によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムが相互に接して一つのケーシング内に配置されている。
【００３６】
別の有利な実施の形態によれば、相互に同心に配置されている複数の記録ダイアフラムを備えた圧力傾度マイクロフォンを提供することができる。
【００３７】
別の有利な実施の形態によれば、高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている。
【００３８】
本発明による方法を音楽の記録、医学及び材料科学における超音波の記録、又は、地球物理学及び材料化学における地震波の記録に使用することができる。
【００３９】
以下では、図面を参照しながら実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図１ｂ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図１ｃ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図１ｄ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図２ａ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図２ｂ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図２ｃ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図２ｄ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図３】従来の記録方法の測定を示す。
【図４ａ】圧力傾度マイクロフォンの実施例を示す。
【図４ｂ】圧力傾度マイクロフォンの実施例を示す。
【図４ｃ】圧力傾度マイクロフォンの測定原理を示す。
【図５ａ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図５ｂ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図５ｃ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図５ｄ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図６ａ】Haarウェーブレット基底関数の経過を示す。
【図６ｂ】本発明による原理を示す。
【図７】個々のマイクロフォンの測定時間間隔ＩMを示す。
【図８】圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの有利な実施例を示す。
【図９】係数の絶対音波圧力への逆変換を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１ａから１ｄは、従来の記録方法のデータフローを示す。図１ａは、オーディオ信号をアナログ方式で記録するための音圧マイクロフォンを示す。図１ｂは、従来の音圧マイクロフォンによって記録されたアナログ信号及び所属のサンプリング信号の時間経過を示す。図１ｃは、必要に応じて引き続き行なわれる、記録された信号の例えば従来のＭＰ３方式を用いる圧縮を示す。続いて、図１ｄに示されているように、従来のＣＤ（コンパクトディスク）にデータを記憶させることができる。
【００４２】
図２ａから図２ｃは、従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。図２ａは、従来のコンデンサマイクロフォンの機能を示す。音圧は電気的なキャパシタンスに影響を及ぼす。図２ａには給電部１、高オーム抵抗３、対抗電極５及びダイアフラム７が示されている。ここでは相応に音波９が電気信号１１に変換される。
【００４３】
図２ｂは従来のピエゾマイクロフォンを示す。音圧は圧電素子１３の形状に影響を及ぼし、電圧を形成する。参照番号７はダイアフラムを表す。参照番号９は検出すべき圧力波又は音波であり、検出された圧力波又は音波は電気信号１１に変換される。
【００４４】
図２ｃは、従来のカーボンマイクロフォンの機能を示す。音圧は電気的な抵抗に影響を及ぼす。参照番号１は給電部を表し、参照番号５は対抗電極を表し、参照番号７はダイアフラムを表し、また、参照番号１５は炭素粒を表す。音波信号９が炭素粒１５によって電気信号に変換される。
【００４５】
図３は、従来の記録方法による測定を示す。一様な基本時間間隔ＩBに従い測定が実施される。ここではアナログ／ディジタル変換によって記録が行なわれる。従来の音圧マイクロフォンを用いて記録が行なわれる。ナイキストに従ったサンプリングレートが選定される。相応に、測定時点ｔ1，ｔ2，．．．が規定されている。後続のステップでは、離散的な音圧ｐ1，ｐ2，．．．が所定のビット深度でもって量子化される。更に後続のステップでは記録されたものを圧縮することができる。圧縮方式の例としていわゆるＭＰ３方式が挙げられる。続いて、記録されたものを記憶することができる。オーディオ信号の記憶及び圧縮の前提はリアルタイム能力を有するデコーダである。
【００４６】
図４ａから図４ｃは、圧力傾度マイクロフォンの二つの実施例と、その動作方式を示す。図４ａにはコイル１７及び永久磁石１９が示されている。付加的に、ダイアフラム７も設けられている。圧力傾度マイクロフォンを用いることにより、音波９が電気信号２１に変換される。音圧又は波圧の変化によって、コイル１７を流れる電流が誘導される。
【００４７】
図４ｂには同様に永久磁石１９が示されており、それら永久磁石１９のＮ極とＳ極との間には、蛇腹状のアルミニウム薄板２３が設けられている。ここでもまた、波圧の変化によって蛇腹状のアルミニウム薄板２３に電流が誘導される。このようにして、音波９が電気信号２１に変換される。
【００４８】
図４Ｃには、ダイアフラム７の変位２５への圧力波信号の変換が示されている。参照番号２４は圧力波源を表す。参照番号２７は圧力波源２４からダイアフラム７への直接的な波の経路を表す。参照番号２９はダイアフラム７の弾性の係止部を表す。参照番号３１は入力される波面を表す。参照番号３３は近接効果を表し、また、参照番号３５は音波の経路を表す。
【００４９】
図５ａから図５ｄは、基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。図５ａから図５ｄによれば、基底関数はウェーブレット基底関数、とりわけHaarウェーブレット関数である。圧力波信号の全ての情報を含むウェーブレット係数は、検出された圧力信号の直接量子化された波圧差を用いて算出され、特に記憶される。
【００５０】
図５ａには総時間間隔ＩGが示されている。総時間間隔ＩGは同じ長さの八つの基本時間間隔ＩBに区分されている。総圧力波信号は一連の反復的な総時間間隔ＩGによって検出される。従って、図５ａから図５ｄにそれぞれ示されている総時間間隔ＩGは圧力波信号を検出するための最小単位である。図５ａから図５ｄによれば、異なる圧力傾度マイクロフォンを用いることによって、反復的な総時間間隔ＩGにおける異なる測定時間間隔ＩMの異なる波圧差が検出される。総時間間隔ＩGは同じ長さの複数の基本時間間隔ＩBに一様に区分される。基本時間間隔ＩBの長さは解析すべき最大周波数及び解析すべき最小周波数によって決定される。解析すべき最大周波数が解析すべき最小周波数によって除算されると、その商は一つの総時間間隔ＩGにおける基本時間間隔ＩBの数及び長さを決定する。基本時間間隔ＩBの数は、使用される圧力傾度マイクロフォンの数を決定する指数ｍを有する２の累乗、即ち２mとして表すことができる。図５ａから図５ｃによれば、基本時間間隔の数は８＝２3であるので、三つの圧力傾度マイクロフォンが使用される。図５ａは、マイクロフォン３の測定時間間隔ＩMを示す。図５ｂはマイクロフォン２の測定時間間隔ＩMを示し、また図５ｃはマイクロフォン１の測定時間間隔ＩMを示す。相応に、図５ａによれば、圧力差ｐ1−ｐ2，ｐ3−ｐ4，ｐ5−ｐ6及びｐ7−ｐ8が検出される。図５ｂによれば、圧力波信号の波圧差ｐ2−ｐ4及びｐ6−ｐ8が測定技術的に検出される。図５ｃによれば、波圧差ｐ4−ｐ8が検出される。図５ａから図５ｃによれば、Haarウェーブレット基底関数では、反復的な総時間間隔ＩGにおいて、隣接する測定時間間隔ＩMの間隔が一つの測定時間間隔ＩMのそれぞれの持続時間に等しい。
【００５１】
図５ｄは同様に、一つの総時間間隔ＩGにおける測定すべき圧力波信号の経過を示す。八つの測定時点ｔ1，ｔ2．．．ｔ8が生じている。音圧マイクロフォンを用いることによって、それぞれの総時間間隔ＩGの全ての測定時点（ｔ1．．．ｔ8）における絶対的な波圧レベルが加算されて、和Ｓが形成される。即ち、図５ｄによれば、圧力傾度マイクロフォン１から３とは異なる音圧マイクロフォンである別のマイクロフォン０が使用される。図５ｄによれば、和Ｓ＝ｐ1＋Ｐ2＋Ｐ3＋Ｐ4＋Ｐ5＋Ｐ6＋Ｐ7＋Ｐ8が測定技術的に検出される。この和Ｓは連続する二つの総時間間隔を較正するために使用される。別の較正も考えられる。ただ一つの総時間間隔しか記録されない場合には較正は必要ない。この場合には複数の差分があれば十分である。この和は較正の一つの表現式に過ぎず、複数の総時間間隔が記録される場合にのみ必要とされる。
【００５２】
図６ａはHaarウェーブレット基底関数の経過を示す。Haarウェーブレット基底関数は次式によって規定されている：
【数１】
【００５３】
関数をウェーブレット変換として表すことができる：
【数２】
【００５４】
ウェーブレットセンサによれば、各信号を差分の和として分解することができる。本発明によれば、従来の絶対値の代わりに、波圧差が直接的に測定される。この相違が図６ｂに示されている。
【００５５】
図６ａは、図５ａから図５ｃによる測定を基礎としている、Haarウェーブレット基底関数の経過を示す。
【００５６】
図６ｂは、従来技術とは異なり絶対的な波レベルではなく、特に直接量子化された波圧差が検出される原理を示す。
【００５７】
図５ａから図５ｄによる四つのマイクロフォンを用いた測定によって、ウェーブレット係数を直接的に算出することができる。
【００５８】
以下には、図５ａから図５ｃによる検出された波圧差並びに図５ｄによる和に従い、全てのウェーブレット係数をどのように算出することができるかを示す。
【数３】
【００５９】
算出されたウェーブレット係数は総時間間隔ＩGにおける圧力波信号の全ての情報を含んでいる。ここでは基底関数がHaarウェーブレット関数である場合の基底関数の算出された係数を記憶することができる。
【００６０】
図７においても、個々のマイクロフォン１，２，３及び０の測定時間間隔ＩMが示されている。マイクロフォン０は全ての測定時点ｔ1．．．ｔ6における絶対的な波レベルを形成するための音圧マイクロフォンである。図７には、連続する二つの総時間間隔ＩGが示されている。マイクロフォン３は高周波数の圧力差を記録する。マイクロフォン２は中間周波数の圧力差を記録する。マイクロフォン１は低周波数の圧力差を記録する。マイクロフォン０は圧力波信号の絶対的なレベルを加算する。
【００６１】
図５から図７のマイクロフォン１，２及び３はそれぞれダイアフラムを有しており、それらのダイアフラムを一つのケーシングに収容することができる。各ダイアフラムを測定すべき周波数に同調させることができる。このために、マイクロフォン３のダイアフラムの面積はマイクロフォン１のダイアフラムの面積よりも小さい。有利には、個々の差分測定のための記録ダイアフラムが相互に非常に近接して配置されている。このようにして、差分測定を同一の圧力波源に対応付けることができる。特に有利な実施の形態が図８に示されている。図８によれば、複数の記録ダイアフラムが相互に同心に配置されている。内側には高周波数の差分のためのダイアフラムが配置されており、外側には低周波数の差分のためのダイアフラムが配置されている。従って、マイクロフォン３のダイアフラムが内側に配置されている。マイクロフォン３のダイアフラムの周囲にはマイクロフォン２のダイアフラムが配置されている。マイクロフォン２のダイアフラムの周囲にはマイクロフォン１のダイアフラムが配置されている。
【００６２】
図５から図７による本発明の方法はHaarウェーブレットに関連させて説明した。上述の方法は現行のあらゆるウェーブレットについて拡張することができる。更には、本発明による方法をステレオ記録のためにも同様に使用することができる。この場合にはチャネルの加算及び減算が行なわれる。本発明は音楽の記録に限定されるものではない。本発明は一般的にあらゆるオーディオ記録、超音波領域における記録、更には、例えば地震学又は材料科学における圧力波の検出も含むものである。基本的には任意の圧力波信号を検出及び記憶することができる。
【００６３】
本発明による方法の別の実施例は、従来のＣＤ（コンパクトディスク）におけるオーディオ信号の記録である。この場合、解析すべき周波数領域は２０Ｈｚから２０ｋＨｚである。従って、ナイキストに従った４４．１ｋＨｚの最大サンプリング周波数が生じる。理論上最も低いサンプリング周波数は４３Ｈｚである。最大サンプリング周波数が理論上最も低いサンプリング周波数によって除算されると、係数として４４．１ｋＨｚ／４３Ｈｚ＝１０２４が生じる。これによって、複数の１０２４個の基本時間間隔ＩBが生じる（１０２４＝２10）。従って、音圧差１０を測定するために複数の圧力傾度マイクロフォンが使用される。更には、音圧マイクロフォンは、圧力レベルが１０２４個の基本時間間隔ＩBにわたり加算されることを必要とする。
【００６４】
図９には、図５から図７により検出及び算出されたウェーブレット係数をどのようにして音波信号に逆変換することができるかが示されている。全ての絶対的な波圧の和Ｓを用いて、係数から逆変換を行なうことにより、全ての測定時点における絶対的な波圧を総時間間隔ＩG毎に逆変換することができる。スピーカを用いることにより、算出された絶対的な波圧を再び圧力波信号に変換することができる。つまり、圧力ｐ1＝Ｓ＋ｄ2＋ｄ3＋ｄ5となる。更には、全ての圧力Ｐ2．．．Ｐ8を図９に逆算することができる。
【００６５】
データフローの二つのルートが存在する：
・圧力差が測定され、ディジタル化され、そして記憶される。上ヘッセンベルグ行列を用いる逆変換によって、圧力値を再生のために再び算出することができる。
・圧力差が測定され、その測定値からウェーブレット係数が形成される。それらのウェーブレット係数がディジタル化され、そして記憶される。逆ウェーブレット変換によって圧力値を再び算出することができる。
【００６６】
測定された全ての差分の半分に関しては、圧力差及びウェーブレット係数が一致しており、しかも最高レベルで一致している。
【００６７】
差分測定の値を的確にソートすることによって、逆変換のために上ヘッセンベルグ行列を形成することができる。このようにして、特に効果的な逆変換が実現される。この関係において、測定された圧力差は一般的にウェーブレット係数ではないことを明記しておく。圧力差からはウェーブレット係数を算出することができる。全ての絶対的な波圧を算出し終わった後に、圧力波信号をスピーカによって再生することができる。
【００６８】
以下には、圧力差値を絶対的な圧力値に逆変換するための上ヘッセンベルグ行列の例を示す。
【数４】
【図１ａ−１ｄ】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力波信号を記録するための記録方法、圧力波信号を再生するための再生方法、また、圧力波信号を記録するための相応の圧力傾度マイクロフォン並びに相応の使用に関する。
【０００２】
本発明は特に圧力波信号の記録に関する。
【０００３】
従来では、絶対的な波圧を検出する音圧マイクロフォンを用いて音圧が測定される。アナログオーディオ信号が形成され、続いて、電流振動の振幅の大きさがアナログ／ディジタル変換器によって量子化される。アナログオーディオ信号が形成された後には、例えば従来のコンパクトディスク（ＣＤ）に記憶するためにアナログ／ディジタル変換が行なわれる。従来の方法では、マイクロフォンを用いた信号のアナログ方式の記録が行なわれている。このアナログ方式の記録に続いて、必要に応じて圧縮及び記憶を行なうことができる。圧縮を例えば従来のＭＰ３方式によって実施することができる。
【０００４】
アナログ信号のアナログ／ディジタル変換のためには少なくとも、ナイキストに従い、解析すべき最大周波数の二倍の周波数がサンプリングレートとして使用される。処理すべきビットレートは、サンプリングレートと、使用される複数のビットを決定するビット深度と、使用されるチャネル数との積である。
【０００５】
例えば音楽ＣＤに関しては、２０Ｈｚから２０ｋＨｚの領域の周波数が記録される。超音波領域では２０ｋＨｚから１ＧＨｚの領域の周波数が記録される。例えばオーディオＣＤでは、アナログ／ディジタル変換のために４４．１ｋＨｚのサンプリングレートが使用される。更には、従来では、最も小さい音と最も大きい音のダイナミックレンジの解析のために１６ビットが使用される。二つのチャネルを使用する場合には、処理すべきビットレートは４４．１ｋＨｚ×２チャネル×１６ビット＝１．４１１Ｍｂｐｓの大きさになる。
【０００６】
本発明の課題は、波圧記録及びアナログ／ディジタル変換が統合される、圧力波信号、特に音波信号を記録する方法を提供することである。圧力波信号の再生方法も特に簡単に提供されるべきである。更には、相応の圧力傾度マイクロフォンが提供されるべきである。ビット深度が等しい場合にはより大きいダイナミックレンジが生じるべきであり、またダイナミックレンジが等しい場合にはより小さいビット深度が必要とされるべきである。ダイナミックレンジは最も弱い波圧信号と最も強い波圧信号の間隔である。
【０００７】
本発明の課題は、請求項１に記載されている方法、請求項１８に記載されている方法、請求項２０に記載されている圧力傾度マイクロフォン、また、請求項２４に記載されている使用によって解決される。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、検出された圧力波信号の直接量子化された波圧差を用いて圧力波信号の情報が検出される、圧力波信号を記録するための方法が提供される。圧力波信号を記録するための本発明の方法によれば、波圧差値を記憶することができる。圧力波信号は例えば音楽信号、超音波信号又は地震波である。
【０００９】
本発明は、波圧記録とアナログ／ディジタル変換を組み合わせた記録方法を要求する。波圧差を記録することによって種々の利点が得られる。直接量子化される複数の波圧差が測定される。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、逆変換によって、波圧差値又は係数から、選択的には和Ｓを用いて、全ての測定時点における絶対的な波圧が総時間間隔毎に再び算出される、本発明による方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法が提供される。算出が行なわれると、例えばスピーカを用いて再生を行なうことができる。
【００１１】
第３の態様によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面がそれぞれの周波数領域に同調されている、本発明による方法を用いて圧力波信号を記録するための圧力傾度マイクロフォンが提供される。即ち、周波数領域のそれぞれの周波数が大きくなればなるほど、圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面積が一層小さくなる。
【００１２】
第４の態様によれば、本発明による方法又はマイクロフォンが、オーディオ領域もしくは超音波領域における音圧波のために使用されるか、又は、医学もしくは材料科学における音圧波のために使用されるか、又は、地球物理学又は材料科学においては地震波に使用される。
【００１３】
本発明により得られる利点として以下のことが挙げられる：
同一のビットレートにおいてより大きいダイナミックレンジが得られる。大抵の場合、差分が非常に類似している。これによって、同一のビット深度への分割がより大きいダイナミックレンジを生じさせる。比較的低いビットレートにおいても同一のダイナミックレンジが得られる。差分の差異が比較的小さいことによって、量子化の際にはより小さいビット深度、従ってより低いビットレートで十分である。適合の可能性が得られる。音圧を記録する際に一定のビットレートが選定される場合には、差分の量子化の際により小さいビット深度を使用することができ、また絶対的な和を形成する際により大きいビット深度を使用することができる。
【００１４】
ウェーブレット係数も記憶のためにディジタル化されなければならない。本発明によって、記録とアナログ／ディジタル変換の統合が実現される。圧力傾度マイクロフォンによって波圧差分測定が行なわれる。
【００１５】
別の有利な実施の形態は、従属請求項に記載されている。
【００１６】
有利な実施の形態によれば、検出された圧力波信号の直接量子化された波圧差を用いて、圧力波信号の情報を含む基底関数の係数が算出されるように圧力波信号を記録するための方法を提供することができる。圧力波信号を記録するための本発明の方法によれば、基底関数の係数を算出後に記憶することができる。
【００１７】
有利な実施の形態によれば、基底関数はウェーブレット基底関数で良い。従来技術によれば、半分のサンプリングレートよりも高い周波数が発生することを回避するために、アナログ／ディジタル変換にはローパスフィルタが必要とされる。これはエイリアシングと称される。ウェーブレットを基礎とする記録によって、比較的高い周波数を直接的に排除することができる。
【００１８】
別の有利な実施の形態によれば、異なる圧力傾度マイクロフォンの各々によって、反復的な総時間間隔における異なる測定時間間隔の異なる波圧差を検出することができる。即ち、異なる時間間隔の波圧差が同時に測定される。
【００１９】
別の有利な実施の形態によれば、一つの総時間間隔を同じ長さの複数の基本時間間隔に均等に分割し、一つの基本時間間隔の長さを解析すべき最大周波数及び解析すべき最小周波数によって決定することができる。一つの総時間間隔は基底関数の係数が算出される最小単位である。圧力波信号を記録するための方法によれば、圧力波信号が反復的な複数の総時間間隔にわたりサンプリングされる。
【００２０】
別の有利な実施の形態によれば、解析すべき最大周波数を解析すべき最小周波数によって除算し、その商によって一つの総時間間隔における基本時間間隔の数及び長さを決定することができる。圧力波信号の波圧差を検出するために、最大サンプリングレートを解析すべき最大周波数に依存して、また、最低サンプリングレートを解析すべき最低周波数に依存して、それぞれナイキストに従い決定することができ、最大サンプリングレートを最低サンプリングレートによって除算することができ、また、その商によって反復的な総時間間隔における基本時間間隔の数及び長さを決定することができる。測定時間間隔は複数の基本時間間隔によって決定されている。測定時間間隔は複数の基本時間間隔によって相互に間隔を空けて設けられている。
【００２１】
別の有利な実施の形態によれば、基本時間間隔の数は、使用される圧力傾度マイクロフォンの数を決定する指数ｍを有する２の累乗、即ち２mとして表すことができる。
【００２２】
別の有利な実施の形態によれば、音圧マイクロフォンを用いて、それぞれ一つの総時間間隔の全ての測定時点における絶対的な波圧レベルが加算され、和Ｓが形成される。各基本時間間隔が経過する度に測定が行なわれる。全ての測定時点を基本時間間隔の終了によってそれぞれ決定することができる。和Ｓは単に較正の一つの表現式に過ぎず、複数の総時間間隔が記録される場合にのみ必要とされる。
【００２３】
別の有利な実施の形態によれば、検出された波圧差及び和Ｓを用いて、全ての係数を総時間間隔毎に算出することができる。
【００２４】
別の有利な実施の形態によれば、ウェーブレット基底関数は、Haarウェーブレット関数、Coifletウェーブレット関数、Gaborウェーブレット関数、Daubechiesウェーブレット関数、Johnston-Barnardウェーブレット関数又はBioorthogonal-Splineウェーブレット関数で良い。
【００２５】
別の有利な実施の形態によれば、Haarウェーブレット関数では、ｍ個の圧力傾度マイクロフォンのうちの一つがその都度、測定時間間隔としてのそれぞれ２n個の基本時間間隔の差分を検出することができる。測定時間間隔はそれぞれ２n個の基本時間間隔によって相互に間隔を空けており、またｎは要素Ｎ0であり、且つ、ｎ≦ｍ−１である。
【００２６】
別の有利な実施の形態によれば、圧力差から算出されるウェーブレット係数のうち閾値を下回るものが無視されることによって、記憶を圧縮して行なうことができる。閾値を下回るウェーブレット係数は信号に寄与しない。
【００２７】
別の有利な実施の形態によれば、複数の異なる圧力傾度マイクロフォンを種々の周波数領域に対して使用することができる。即ち、高周波数の差分を測定するために、低周波数の差分を測定するための圧力傾度マイクロフォンとは異なる圧力傾度マイクロフォンを使用することができる。
【００２８】
別の有利な実施の形態によれば、圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面をそれぞれの周波数領域に合わせることができる。それぞれの周波数が大きくなればなるほど、記録ダイアフラムの面積が一層小さくなる。
【００２９】
別の有利な実施の形態によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムを相互に接して一つのケーシング内に配置することができる。複数の記録ダイアフラムが空間的に相互に近接して一つのケーシング内に収容される場合には特に有利である。圧力差測定は同一の音源に属していなければならない。
【００３０】
別の有利な実施の形態によれば、複数の記録ダイアフラムを相互に同心に配置することができる。
【００３１】
別の有利な実施の形態によれば、同心の配置構成において、高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている。
【００３２】
本発明による方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法においては、再生をスピーカによって行なうことができる。
【００３３】
別の有利な実施の形態によれば、上ヘッセンベルグ行列を用いて、係数の絶対的な波圧への逆変換を行なうことができる。
【００３４】
別の有利な実施の形態によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面がそれぞれの周波数領域に同調されている、圧力傾度マイクロフォンを提供することができる。
【００３５】
別の有利な実施の形態によれば、複数の圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムが相互に接して一つのケーシング内に配置されている。
【００３６】
別の有利な実施の形態によれば、相互に同心に配置されている複数の記録ダイアフラムを備えた圧力傾度マイクロフォンを提供することができる。
【００３７】
別の有利な実施の形態によれば、高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている。
【００３８】
本発明による方法を音楽の記録、医学及び材料科学における超音波の記録、又は、地球物理学及び材料化学における地震波の記録に使用することができる。
【００３９】
以下では、図面を参照しながら実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図１ｂ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図１ｃ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図１ｄ】従来の記録方法のデータフローを示す。
【図２ａ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図２ｂ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図２ｃ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図２ｄ】従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。
【図３】従来の記録方法の測定を示す。
【図４ａ】圧力傾度マイクロフォンの実施例を示す。
【図４ｂ】圧力傾度マイクロフォンの実施例を示す。
【図４ｃ】圧力傾度マイクロフォンの測定原理を示す。
【図５ａ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図５ｂ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図５ｃ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図５ｄ】基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。
【図６ａ】Haarウェーブレット基底関数の経過を示す。
【図６ｂ】本発明による原理を示す。
【図７】個々のマイクロフォンの測定時間間隔ＩMを示す。
【図８】圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの有利な実施例を示す。
【図９】係数の絶対音波圧力への逆変換を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１ａから１ｄは、従来の記録方法のデータフローを示す。図１ａは、オーディオ信号をアナログ方式で記録するための音圧マイクロフォンを示す。図１ｂは、従来の音圧マイクロフォンによって記録されたアナログ信号及び所属のサンプリング信号の時間経過を示す。図１ｃは、必要に応じて引き続き行なわれる、記録された信号の例えば従来のＭＰ３方式を用いる圧縮を示す。続いて、図１ｄに示されているように、従来のＣＤ（コンパクトディスク）にデータを記憶させることができる。
【００４２】
図２ａから図２ｃは、従来の音圧マイクロフォンの実施例を示す。図２ａは、従来のコンデンサマイクロフォンの機能を示す。音圧は電気的なキャパシタンスに影響を及ぼす。図２ａには給電部１、高オーム抵抗３、対抗電極５及びダイアフラム７が示されている。ここでは相応に音波９が電気信号１１に変換される。
【００４３】
図２ｂは従来のピエゾマイクロフォンを示す。音圧は圧電素子１３の形状に影響を及ぼし、電圧を形成する。参照番号７はダイアフラムを表す。参照番号９は検出すべき圧力波又は音波であり、検出された圧力波又は音波は電気信号１１に変換される。
【００４４】
図２ｃは、従来のカーボンマイクロフォンの機能を示す。音圧は電気的な抵抗に影響を及ぼす。参照番号１は給電部を表し、参照番号５は対抗電極を表し、参照番号７はダイアフラムを表し、また、参照番号１５は炭素粒を表す。音波信号９が炭素粒１５によって電気信号に変換される。
【００４５】
図３は、従来の記録方法による測定を示す。一様な基本時間間隔ＩBに従い測定が実施される。ここではアナログ／ディジタル変換によって記録が行なわれる。従来の音圧マイクロフォンを用いて記録が行なわれる。ナイキストに従ったサンプリングレートが選定される。相応に、測定時点ｔ1，ｔ2，．．．が規定されている。後続のステップでは、離散的な音圧ｐ1，ｐ2，．．．が所定のビット深度でもって量子化される。更に後続のステップでは記録されたものを圧縮することができる。圧縮方式の例としていわゆるＭＰ３方式が挙げられる。続いて、記録されたものを記憶することができる。オーディオ信号の記憶及び圧縮の前提はリアルタイム能力を有するデコーダである。
【００４６】
図４ａから図４ｃは、圧力傾度マイクロフォンの二つの実施例と、その動作方式を示す。図４ａにはコイル１７及び永久磁石１９が示されている。付加的に、ダイアフラム７も設けられている。圧力傾度マイクロフォンを用いることにより、音波９が電気信号２１に変換される。音圧又は波圧の変化によって、コイル１７を流れる電流が誘導される。
【００４７】
図４ｂには同様に永久磁石１９が示されており、それら永久磁石１９のＮ極とＳ極との間には、蛇腹状のアルミニウム薄板２３が設けられている。ここでもまた、波圧の変化によって蛇腹状のアルミニウム薄板２３に電流が誘導される。このようにして、音波９が電気信号２１に変換される。
【００４８】
図４Ｃには、ダイアフラム７の変位２５への圧力波信号の変換が示されている。参照番号２４は圧力波源を表す。参照番号２７は圧力波源２４からダイアフラム７への直接的な波の経路を表す。参照番号２９はダイアフラム７の弾性の係止部を表す。参照番号３１は入力される波面を表す。参照番号３３は近接効果を表し、また、参照番号３５は音波の経路を表す。
【００４９】
図５ａから図５ｄは、基底関数の係数を算出するための波圧差の必要な圧力測定を示す。図５ａから図５ｄによれば、基底関数はウェーブレット基底関数、とりわけHaarウェーブレット関数である。圧力波信号の全ての情報を含むウェーブレット係数は、検出された圧力信号の直接量子化された波圧差を用いて算出され、特に記憶される。
【００５０】
図５ａには総時間間隔ＩGが示されている。総時間間隔ＩGは同じ長さの八つの基本時間間隔ＩBに区分されている。総圧力波信号は一連の反復的な総時間間隔ＩGによって検出される。従って、図５ａから図５ｄにそれぞれ示されている総時間間隔ＩGは圧力波信号を検出するための最小単位である。図５ａから図５ｄによれば、異なる圧力傾度マイクロフォンを用いることによって、反復的な総時間間隔ＩGにおける異なる測定時間間隔ＩMの異なる波圧差が検出される。総時間間隔ＩGは同じ長さの複数の基本時間間隔ＩBに一様に区分される。基本時間間隔ＩBの長さは解析すべき最大周波数及び解析すべき最小周波数によって決定される。解析すべき最大周波数が解析すべき最小周波数によって除算されると、その商は一つの総時間間隔ＩGにおける基本時間間隔ＩBの数及び長さを決定する。基本時間間隔ＩBの数は、使用される圧力傾度マイクロフォンの数を決定する指数ｍを有する２の累乗、即ち２mとして表すことができる。図５ａから図５ｃによれば、基本時間間隔の数は８＝２3であるので、三つの圧力傾度マイクロフォンが使用される。図５ａは、マイクロフォン３の測定時間間隔ＩMを示す。図５ｂはマイクロフォン２の測定時間間隔ＩMを示し、また図５ｃはマイクロフォン１の測定時間間隔ＩMを示す。相応に、図５ａによれば、圧力差ｐ1−ｐ2，ｐ3−ｐ4，ｐ5−ｐ6及びｐ7−ｐ8が検出される。図５ｂによれば、圧力波信号の波圧差ｐ2−ｐ4及びｐ6−ｐ8が測定技術的に検出される。図５ｃによれば、波圧差ｐ4−ｐ8が検出される。図５ａから図５ｃによれば、Haarウェーブレット基底関数では、反復的な総時間間隔ＩGにおいて、隣接する測定時間間隔ＩMの間隔が一つの測定時間間隔ＩMのそれぞれの持続時間に等しい。
【００５１】
図５ｄは同様に、一つの総時間間隔ＩGにおける測定すべき圧力波信号の経過を示す。八つの測定時点ｔ1，ｔ2．．．ｔ8が生じている。音圧マイクロフォンを用いることによって、それぞれの総時間間隔ＩGの全ての測定時点（ｔ1．．．ｔ8）における絶対的な波圧レベルが加算されて、和Ｓが形成される。即ち、図５ｄによれば、圧力傾度マイクロフォン１から３とは異なる音圧マイクロフォンである別のマイクロフォン０が使用される。図５ｄによれば、和Ｓ＝ｐ1＋Ｐ2＋Ｐ3＋Ｐ4＋Ｐ5＋Ｐ6＋Ｐ7＋Ｐ8が測定技術的に検出される。この和Ｓは連続する二つの総時間間隔を較正するために使用される。別の較正も考えられる。ただ一つの総時間間隔しか記録されない場合には較正は必要ない。この場合には複数の差分があれば十分である。この和は較正の一つの表現式に過ぎず、複数の総時間間隔が記録される場合にのみ必要とされる。
【００５２】
図６ａはHaarウェーブレット基底関数の経過を示す。Haarウェーブレット基底関数は次式によって規定されている：
【数１】
【００５３】
関数をウェーブレット変換として表すことができる：
【数２】
【００５４】
ウェーブレットセンサによれば、各信号を差分の和として分解することができる。本発明によれば、従来の絶対値の代わりに、波圧差が直接的に測定される。この相違が図６ｂに示されている。
【００５５】
図６ａは、図５ａから図５ｃによる測定を基礎としている、Haarウェーブレット基底関数の経過を示す。
【００５６】
図６ｂは、従来技術とは異なり絶対的な波レベルではなく、特に直接量子化された波圧差が検出される原理を示す。
【００５７】
図５ａから図５ｄによる四つのマイクロフォンを用いた測定によって、ウェーブレット係数を直接的に算出することができる。
【００５８】
以下には、図５ａから図５ｃによる検出された波圧差並びに図５ｄによる和に従い、全てのウェーブレット係数をどのように算出することができるかを示す。
【数３】
【００５９】
算出されたウェーブレット係数は総時間間隔ＩGにおける圧力波信号の全ての情報を含んでいる。ここでは基底関数がHaarウェーブレット関数である場合の基底関数の算出された係数を記憶することができる。
【００６０】
図７においても、個々のマイクロフォン１，２，３及び０の測定時間間隔ＩMが示されている。マイクロフォン０は全ての測定時点ｔ1．．．ｔ6における絶対的な波レベルを形成するための音圧マイクロフォンである。図７には、連続する二つの総時間間隔ＩGが示されている。マイクロフォン３は高周波数の圧力差を記録する。マイクロフォン２は中間周波数の圧力差を記録する。マイクロフォン１は低周波数の圧力差を記録する。マイクロフォン０は圧力波信号の絶対的なレベルを加算する。
【００６１】
図５から図７のマイクロフォン１，２及び３はそれぞれダイアフラムを有しており、それらのダイアフラムを一つのケーシングに収容することができる。各ダイアフラムを測定すべき周波数に同調させることができる。このために、マイクロフォン３のダイアフラムの面積はマイクロフォン１のダイアフラムの面積よりも小さい。有利には、個々の差分測定のための記録ダイアフラムが相互に非常に近接して配置されている。このようにして、差分測定を同一の圧力波源に対応付けることができる。特に有利な実施の形態が図８に示されている。図８によれば、複数の記録ダイアフラムが相互に同心に配置されている。内側には高周波数の差分のためのダイアフラムが配置されており、外側には低周波数の差分のためのダイアフラムが配置されている。従って、マイクロフォン３のダイアフラムが内側に配置されている。マイクロフォン３のダイアフラムの周囲にはマイクロフォン２のダイアフラムが配置されている。マイクロフォン２のダイアフラムの周囲にはマイクロフォン１のダイアフラムが配置されている。
【００６２】
図５から図７による本発明の方法はHaarウェーブレットに関連させて説明した。上述の方法は現行のあらゆるウェーブレットについて拡張することができる。更には、本発明による方法をステレオ記録のためにも同様に使用することができる。この場合にはチャネルの加算及び減算が行なわれる。本発明は音楽の記録に限定されるものではない。本発明は一般的にあらゆるオーディオ記録、超音波領域における記録、更には、例えば地震学又は材料科学における圧力波の検出も含むものである。基本的には任意の圧力波信号を検出及び記憶することができる。
【００６３】
本発明による方法の別の実施例は、従来のＣＤ（コンパクトディスク）におけるオーディオ信号の記録である。この場合、解析すべき周波数領域は２０Ｈｚから２０ｋＨｚである。従って、ナイキストに従った４４．１ｋＨｚの最大サンプリング周波数が生じる。理論上最も低いサンプリング周波数は４３Ｈｚである。最大サンプリング周波数が理論上最も低いサンプリング周波数によって除算されると、係数として４４．１ｋＨｚ／４３Ｈｚ＝１０２４が生じる。これによって、複数の１０２４個の基本時間間隔ＩBが生じる（１０２４＝２10）。従って、音圧差１０を測定するために複数の圧力傾度マイクロフォンが使用される。更には、音圧マイクロフォンは、圧力レベルが１０２４個の基本時間間隔ＩBにわたり加算されることを必要とする。
【００６４】
図９には、図５から図７により検出及び算出されたウェーブレット係数をどのようにして音波信号に逆変換することができるかが示されている。全ての絶対的な波圧の和Ｓを用いて、係数から逆変換を行なうことにより、全ての測定時点における絶対的な波圧を総時間間隔ＩG毎に逆変換することができる。スピーカを用いることにより、算出された絶対的な波圧を再び圧力波信号に変換することができる。つまり、圧力ｐ1＝Ｓ＋ｄ2＋ｄ3＋ｄ5となる。更には、全ての圧力Ｐ2．．．Ｐ8を図９に逆算することができる。
【００６５】
データフローの二つのルートが存在する：
・圧力差が測定され、ディジタル化され、そして記憶される。上ヘッセンベルグ行列を用いる逆変換によって、圧力値を再生のために再び算出することができる。
・圧力差が測定され、その測定値からウェーブレット係数が形成される。それらのウェーブレット係数がディジタル化され、そして記憶される。逆ウェーブレット変換によって圧力値を再び算出することができる。
【００６６】
測定された全ての差分の半分に関しては、圧力差及びウェーブレット係数が一致しており、しかも最高レベルで一致している。
【００６７】
差分測定の値を的確にソートすることによって、逆変換のために上ヘッセンベルグ行列を形成することができる。このようにして、特に効果的な逆変換が実現される。この関係において、測定された圧力差は一般的にウェーブレット係数ではないことを明記しておく。圧力差からはウェーブレット係数を算出することができる。全ての絶対的な波圧を算出し終わった後に、圧力波信号をスピーカによって再生することができる。
【００６８】
以下には、圧力差値を絶対的な圧力値に逆変換するための上ヘッセンベルグ行列の例を示す。
【数４】
【図１ａ−１ｄ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力波信号の直接量子化された波圧差を検出して記憶することを特徴とする、圧力波信号を記録するための方法。
【請求項２】
前記圧力波信号の情報を含む基底関数の係数を、検出された前記圧力信号の直接量子化された波圧差を用いて算出して記憶する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基底関数はウェーブレット基底関数である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
異なる圧力傾度マイクロフォンの各々によって、反復的な総時間間隔（ＩG）における異なる測定時間間隔（ＩM）の異なる波圧差を検出する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
一つの総時間間隔（ＩG）を同じ長さの複数の基本時間間隔（ＩB）に一様に分割し、一つの基本時間間隔（ＩB）の長さを解析すべき最大周波数及び解析すべき最小周波数によって決定する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記解析すべき最大周波数を前記解析すべき最小周波数によって除算し、該除算の商によって一つの総時間間隔（ＩG）における基本時間間隔（ＩB）の数及び長さを決定する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基本時間間隔（ＩB）の数を指数ｍを有する２の累乗、即ち２mとして表し、該累乗によって、使用される圧力傾度マイクロフォンの数を決定する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
音圧マイクロフォンを用いて、それぞれの総時間間隔（ＩG）の全ての測定時点（ｔ0．．．ｔ8）における絶対的な波圧レベルを加算し和Ｓを形成する、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
検出された前記波圧差及び前記和Ｓを用いて、全ての係数を総時間間隔（ＩG）毎に算出する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ウェーブレット基底関数は、Haarウェーブレット関数、又は、Coifletウェーブレット関数、又は、Gaborウェーブレット関数、又は、Daubechiesウェーブレット関数、又は、Johnston-Barnardウェーブレット関数、又は、Bioorthogonal-Splineウェーブレット関数である、請求項３乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ウェーブレット基底関数はHaarウェーブレット基底関数であり、ｍ個の圧力傾度マイクロフォンの内の一つがその都度、測定時間間隔（ＩM）としてのそれぞれ２n個の基本時間間隔（ＩG）の圧力差を検出する、ただし、前記測定時間間隔（ＩM）はそれぞれ２n個の基本時間間隔（ＩB）によって相互に間隔を空けており、ｎは要素Ｎ0であり、且つ、ｎ≦ｍ−１である、請求項７を引用する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
閾値を下回る係数を無視することによって圧縮を行なう、請求項２乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
複数の異なる圧力傾度マイクロフォンを異なる周波数領域に対して使用する、請求項４乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面はそれぞれの周波数領域に同調されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムは相互に接して一つのケーシング内に配置されている、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記記録ダイアフラムは相互に同心に配置されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法において、
上ヘッセンベルグ行列を用いて、記憶されている圧力差から、全ての測定時点における波圧を総時間間隔毎に逆算して再生することを特徴とする、圧力波信号を再生するための方法。
【請求項１９】
請求項２乃至１７のいずれか一項に記載の方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法において、
逆変換を用いて、係数から、選択的には和Ｓを用いて、全ての測定時点における絶対的な波圧を総時間間隔毎に逆算して再生することを特徴とする、圧力波信号を再生するための方法。
【請求項２０】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法を用いて圧力波信号を記録するための圧力傾度マイクロフォンにおいて、
圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面はそれぞれの周波数領域に同調されていることを特徴とする、圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２１】
前記圧力傾度マイクロフォンの前記記録ダイアフラムは相互に接して一つのケーシング内に配置されている、請求項２０に記載の圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２２】
前記記録ダイアフラムは相互に同心に配置されている、請求項２１に記載の圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２３】
高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている、請求項２２に記載の圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２４】
医学又は材料科学におけるオーディオ領域又は超音波領域では音圧波、又は、地球物理学又は材料科学においては地震波への請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の方法又はマイクロフォンの使用。
【請求項１】
圧力波信号の直接量子化された波圧差を検出して記憶することを特徴とする、圧力波信号を記録するための方法。
【請求項２】
前記圧力波信号の情報を含む基底関数の係数を、検出された前記圧力信号の直接量子化された波圧差を用いて算出して記憶する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基底関数はウェーブレット基底関数である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
異なる圧力傾度マイクロフォンの各々によって、反復的な総時間間隔（ＩG）における異なる測定時間間隔（ＩM）の異なる波圧差を検出する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
一つの総時間間隔（ＩG）を同じ長さの複数の基本時間間隔（ＩB）に一様に分割し、一つの基本時間間隔（ＩB）の長さを解析すべき最大周波数及び解析すべき最小周波数によって決定する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記解析すべき最大周波数を前記解析すべき最小周波数によって除算し、該除算の商によって一つの総時間間隔（ＩG）における基本時間間隔（ＩB）の数及び長さを決定する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基本時間間隔（ＩB）の数を指数ｍを有する２の累乗、即ち２mとして表し、該累乗によって、使用される圧力傾度マイクロフォンの数を決定する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
音圧マイクロフォンを用いて、それぞれの総時間間隔（ＩG）の全ての測定時点（ｔ0．．．ｔ8）における絶対的な波圧レベルを加算し和Ｓを形成する、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
検出された前記波圧差及び前記和Ｓを用いて、全ての係数を総時間間隔（ＩG）毎に算出する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ウェーブレット基底関数は、Haarウェーブレット関数、又は、Coifletウェーブレット関数、又は、Gaborウェーブレット関数、又は、Daubechiesウェーブレット関数、又は、Johnston-Barnardウェーブレット関数、又は、Bioorthogonal-Splineウェーブレット関数である、請求項３乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ウェーブレット基底関数はHaarウェーブレット基底関数であり、ｍ個の圧力傾度マイクロフォンの内の一つがその都度、測定時間間隔（ＩM）としてのそれぞれ２n個の基本時間間隔（ＩG）の圧力差を検出する、ただし、前記測定時間間隔（ＩM）はそれぞれ２n個の基本時間間隔（ＩB）によって相互に間隔を空けており、ｎは要素Ｎ0であり、且つ、ｎ≦ｍ−１である、請求項７を引用する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
閾値を下回る係数を無視することによって圧縮を行なう、請求項２乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
複数の異なる圧力傾度マイクロフォンを異なる周波数領域に対して使用する、請求項４乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面はそれぞれの周波数領域に同調されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムは相互に接して一つのケーシング内に配置されている、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記記録ダイアフラムは相互に同心に配置されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法において、
上ヘッセンベルグ行列を用いて、記憶されている圧力差から、全ての測定時点における波圧を総時間間隔毎に逆算して再生することを特徴とする、圧力波信号を再生するための方法。
【請求項１９】
請求項２乃至１７のいずれか一項に記載の方法を用いて記録された圧力波信号を再生するための方法において、
逆変換を用いて、係数から、選択的には和Ｓを用いて、全ての測定時点における絶対的な波圧を総時間間隔毎に逆算して再生することを特徴とする、圧力波信号を再生するための方法。
【請求項２０】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法を用いて圧力波信号を記録するための圧力傾度マイクロフォンにおいて、
圧力傾度マイクロフォンの記録ダイアフラムの面はそれぞれの周波数領域に同調されていることを特徴とする、圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２１】
前記圧力傾度マイクロフォンの前記記録ダイアフラムは相互に接して一つのケーシング内に配置されている、請求項２０に記載の圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２２】
前記記録ダイアフラムは相互に同心に配置されている、請求項２１に記載の圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２３】
高周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが内側に配置されており、低周波数の波圧差のための記録ダイアフラムが外側に配置されている、請求項２２に記載の圧力傾度マイクロフォン。
【請求項２４】
医学又は材料科学におけるオーディオ領域又は超音波領域では音圧波、又は、地球物理学又は材料科学においては地震波への請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の方法又はマイクロフォンの使用。
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５３２５４８（Ｐ２０１２−５３２５４８Ａ）
【公表日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１８８４１（Ｐ２０１２−５１８８４１）
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５６４７６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００３６５１
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５６４７６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００３６５１
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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