JPH0793754B2 - Parametric speaker - Google Patents

Parametric speaker

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JPH0793754B2
JPH0793754B2 JP536787A JP536787A JPH0793754B2 JP H0793754 B2 JPH0793754 B2 JP H0793754B2 JP 536787 A JP536787 A JP 536787A JP 536787 A JP536787 A JP 536787A JP H0793754 B2 JPH0793754 B2 JP H0793754B2
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wave
carrier wave
parametric speaker
waves
modulator
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恒雄 田中
昭 中村
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波に対する空気の非線形性を用いたパラメ
トリックスピーカに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a parametric speaker using the nonlinearity of air with respect to ultrasonic waves.

従来の技術 従来から拡声装置において音の指向性をスポットライト
の様に鋭くして周囲騒音の影響を受けずにある特定の範
囲の人々にだけ聞かせたと言う要求は、展示会などで個
々のブース毎に別々の説明を行ないたい時や、駅ホーム
での案内放送などの用途で強いものがあった。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a loudspeaker, the directivity of sound was made sharp like a spotlight, and it was requested that only a specific range of people could be heard without being affected by ambient noise. There were strong applications such as when you wanted to give a separate explanation for each, or for information broadcasting at station platforms.

この様な用途には従来は主としてホーンスピーカが用い
られてきたが、ホーンスピーカを用いて音声の様な低い
周波数まで鋭い指向性を得るには、長さ,口径共に極め
て大きなものになると言う欠点があった。
Conventionally, a horn speaker has been mainly used for such an application, but in order to obtain sharp directivity up to a low frequency such as voice using the horn speaker, both length and diameter are extremely large. was there.

ところで最近超音波に対する空気の非線形性を利用した
スピーカ(以下パラメトリックスピーカという)が従来
に比べてはるかに鋭い指向性が得られることから注目さ
れている。
By the way, recently, a speaker utilizing the non-linearity of air with respect to ultrasonic waves (hereinafter referred to as a parametric speaker) has attracted attention because it can obtain a much sharper directivity than the conventional one.

まず従来のパラメトリックスピーカについて説明する
(例えば特開昭58−119293号公報)。第4図は従来のパ
ラメトリックスピーカの構成を示すもので、1は40kHz
に音圧ピークを有する超音波振動子であり、2はこれを
蜂の巣状に並べて構成した超音波発生器(以下スピーカ
という)である。3は音声信号源であり、ここからの音
声信号は変調器4に入力される。一方搬送波発振器5か
らは40kHzの搬送波が変調器に入力され、音声信号で振
幅変調される。振幅変調された信号はパワーアンプ6を
経てスピーカ2に入力され、有限振幅レベルの超音波と
して空中に放射される。その結果空中に強力な超音波音
場(パラメトリックアレイ)が形成され、非線形相互作
用によって元の音声信号が発生する。又7は受聴者8を
強力な超音波から保護するための音響フィルタである。
ここで音源から放射された振幅変調超音波のことを1次
波、1次波の非線形相互作用の結果生じた音声信号のこ
とを2次波と称する。
First, a conventional parametric speaker will be described (for example, JP-A-58-119293). Fig. 4 shows the structure of a conventional parametric speaker, where 1 is 40kHz.
2 is an ultrasonic wave oscillator having a sound pressure peak, and 2 is an ultrasonic wave generator (hereinafter referred to as a speaker) arranged in a honeycomb shape. Reference numeral 3 is an audio signal source, and the audio signal from this is input to the modulator 4. On the other hand, a carrier wave of 40 kHz is input from the carrier wave oscillator 5 to the modulator and amplitude-modulated with a voice signal. The amplitude-modulated signal is input to the speaker 2 via the power amplifier 6 and radiated into the air as an ultrasonic wave having a finite amplitude level. As a result, a strong ultrasonic sound field (parametric array) is formed in the air, and the original speech signal is generated by the nonlinear interaction. Reference numeral 7 is an acoustic filter for protecting the listener 8 from strong ultrasonic waves.
Here, the amplitude-modulated ultrasonic wave radiated from the sound source is referred to as a secondary wave, and the audio signal generated as a result of the nonlinear interaction of the primary wave and the primary wave.

ところでパラメトリックスピーカでは1次波から2次波
への変換効率が極めて低い(1%以下)。そのため実用
レベルの可聴音を発生させるためには極めて高い1次波
音圧を必要とする。例えば90dBの2次波音圧を得るには
140dB或いはそれ以上の1次波音圧が必要である。
By the way, in the parametric speaker, the conversion efficiency from the primary wave to the secondary wave is extremely low (1% or less). Therefore, extremely high primary wave sound pressure is required to generate a practical level of audible sound. For example, to obtain a secondary wave sound pressure of 90 dB
A primary wave sound pressure of 140 dB or higher is required.

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成で1次波から2次波への
変換効率を上げるには (1)1次波音圧を上げる (2)1次波周波数を下げる (3)変調度を上げる と言った方法しかなかった。これらの内1次波音圧を上
げるには超音波振動子の性能を向上する必要があるがこ
れには限界があり、かつ余り1次波音圧を上げると急速
な非線形減速が起こり、却って2次波が小さくなると言
う問題がある。又1次波周波数を下げるにしても25kHz
位が限界であり、変調度を上げると歪成分が変調度の2
乗に比例して増大すると言った問題点があった。
Problems to be Solved by the Invention However, in order to increase the conversion efficiency from the primary wave to the secondary wave with the above configuration, (1) increase the sound pressure of the primary wave (2) decrease the frequency of the primary wave (3 ) The only way I could say was to increase the degree of modulation. In order to raise the sound pressure of the first-order wave, it is necessary to improve the performance of the ultrasonic transducer, but there is a limit to this, and if the sound pressure of the first-order wave is raised too much, rapid non-linear deceleration will occur, and the secondary There is a problem that the waves become smaller. 25kHz even if the primary wave frequency is lowered
However, when the modulation degree is increased, the distortion component becomes 2
There was a problem that it increased in proportion to the power.

本発明は上記問題点に鑑み、変換効率を飛躍的に向上さ
せたパラメトリックスピーカを提供するものである。
In view of the above problems, the present invention provides a parametric speaker with dramatically improved conversion efficiency.

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のパラメトリックス
ピーカは、搬送波発振器と搬送波を音声信号で変調する
ための変調器と、変調器の出力で駆動される超音波発生
器とを備え、搬送波発振器の出力が間歇波又は振幅の異
なる複数の波形の組合わせからなるように構成されてい
る。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, a parametric speaker of the present invention includes a carrier oscillator, a modulator for modulating a carrier with an audio signal, and ultrasonic wave generation driven by the output of the modulator. And the output of the carrier wave oscillator is composed of a combination of intermittent waves or a plurality of waveforms having different amplitudes.

作用 パラメトリックスピーカの2次波音圧レベルは準線形理
論に基づくWesterveltの方程式を解くことによって1次
波音圧レベルの2乗に比例することが知られている。一
方、1次波音圧レベルは超音波発生器への入力電力に比
例する。従って同じ一次波音圧を得るのに正弦波駆動の
場合よりも少ない入力電力ですむような入力波形で駆動
すれば1次波から2次波への変換効率が向上する。
It is known that the secondary wave sound pressure level of a parametric speaker is proportional to the square of the primary wave sound pressure level by solving the Westervelt equation based on the quasi-linear theory. On the other hand, the primary wave sound pressure level is proportional to the input power to the ultrasonic generator. Therefore, if the same primary wave sound pressure is obtained, driving with an input waveform that requires less input power than in the case of sinusoidal driving improves the conversion efficiency from the primary wave to the secondary wave.

本発明は上記の考え方に基づいて成されたもので前記の
構成により搬送波の波形として間歇波、又は振幅の異な
る複数の波を組み合わせた波形を用いることによって変
換効率を向上させるものである。
The present invention is made on the basis of the above concept, and improves the conversion efficiency by using a waveform of a carrier wave having an intermittent wave or a combination of a plurality of waves having different amplitudes.

実施例 以下本発明の実施例について図面と共に説明する。Embodiments Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図に本発明の一実施例のパラメトリックスピーカの
構成を示す。第1図において、スピーカ2は中心周波数
が40kHzの超音波振動子を1000個、蜂の巣状に並べ、全
てを並列接続したものである。3は音声信号源であり、
4は変調器である。5aは搬送波発振器として使用する任
意波形発生器である。
FIG. 1 shows the configuration of a parametric speaker according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a speaker 2 has 1000 ultrasonic transducers having a center frequency of 40 kHz, arranged in a honeycomb shape, and all of them are connected in parallel. 3 is an audio signal source,
4 is a modulator. 5a is an arbitrary waveform generator used as a carrier wave oscillator.

まず任意波形発生器5aで第2図bに示したような搬送波
を作りこれを音声信号で変調し、パワーアンプ6を通し
てスピーカ2に入力する。
First, a carrier wave as shown in FIG. 2B is created by the arbitrary waveform generator 5a, modulated with a voice signal, and input to the speaker 2 through the power amplifier 6.

以下本実施例について第2図をもとにさらに詳しく説明
する。
This embodiment will be described below in more detail with reference to FIG.

まず第2図aは従来の正弦波であり、 V=VOsinωt で表わされる。第2図bは本実施例で用いる間歇波であ
で表わされる。
First, FIG. 2A shows a conventional sine wave, which is represented by V = V O sin ωt. FIG. 2b shows the intermittent wave used in this embodiment. It is represented by.

従って第2図a,bに示す各波形の平均入力電力は等し
い。
Therefore, the average input power of each waveform shown in FIGS.

ところで第2図bにおいて音波が放射されている時は、
連続波に比べて▲√▼倍の電圧が加えられているので
あるから1次波音圧レベルは連続波に比べて3dB高い。
2次波音圧は1次波音圧の2乗に比例することから2次
波音圧レベルは6dB高くなる。一方音波が全く出ていな
い時には2次波も当然発生しないが平均としては連続波
の時に比べて3dB高くなることになる。即ち第2図bに
示す波形で駆動することによって電気音響変換効率は2
倍になる。
By the way, when sound waves are emitted in FIG. 2b,
The sound pressure level of the primary wave is 3 dB higher than that of the continuous wave because the voltage is ▲ √ ▼ times that of the continuous wave.
Since the secondary wave sound pressure is proportional to the square of the primary wave sound pressure, the secondary wave sound pressure level becomes 6 dB higher. On the other hand, when there is no sound wave, no secondary wave naturally occurs, but on the average, it is 3 dB higher than when it is a continuous wave. That is, the electroacoustic conversion efficiency is 2 by driving with the waveform shown in FIG. 2b.
Double.

次に第2の実施例について説明する。第1の実施例では
搬送波として間歇波を用いていたため、基本周波数は連
続波の時の1/2となる。よって連続波の周波数が40kHz以
上の時は余り問題にならないが、それ以下の時には低調
波が可聴帯域内に入るため騒音となる。そこで本実施例
では間欠波の代わりに振幅の異なる複数の波を組み合わ
せた波形を用いた。具体的に示すと、例えば第3図に示
すように振幅の大きい波と小さい波とを交互に組み合わ
せたものとする。こうすることによって、一次波から二
次波への変換効率を上げることができると共に低調波の
発生を抑えることができる。これら複数の波の組合わせ
方に特に制限はなく、平均電力を一定とした時、同じ振
幅の連続波よりもピーク電圧が高くなるような組合わせ
であれば良い。例えば、振幅の大きい波一波と振幅の小
さい波三波の組み合わせでも、逆に振幅の大きい波三波
と振幅の小さい波一波の組み合わせでも構わない。また
第5図に示すように振幅が連続的に変化するものでも構
わない。
Next, a second embodiment will be described. Since the intermittent wave is used as the carrier wave in the first embodiment, the fundamental frequency is 1/2 that of the continuous wave. Therefore, when the frequency of the continuous wave is 40kHz or more, it does not cause a problem so much, but when it is less than 40kHz, the subharmonic is in the audible band and becomes noise. Therefore, in this embodiment, instead of the intermittent wave, a waveform obtained by combining a plurality of waves having different amplitudes is used. Specifically, for example, as shown in FIG. 3, it is assumed that waves having large amplitude and waves having small amplitude are alternately combined. By doing so, it is possible to increase the conversion efficiency from the primary wave to the secondary wave and suppress the occurrence of subharmonics. There is no particular limitation on how to combine these plural waves, and it is sufficient that the peak voltage is higher than that of continuous waves of the same amplitude when the average power is constant. For example, a combination of one wave having a large amplitude and a wave having three small amplitudes or a combination of three waves having a large amplitude and one wave having a small amplitude may be used. Further, the amplitude may be continuously changed as shown in FIG.

尚、第1の実施例では1波ごとにオン−オフを繰り返す
ような波形を用いたが、共振のQの高い振動子を用いた
場合には、第2図a,bに示すいずれの波形で駆動しても
音波としての出力波形には大きな変化がなく効果が小さ
い。その際には、数波ごとにオン−オフするような波形
を用いてもよい。また本実施例では基本波が正弦波であ
るものを用いたが、正弦波以外のひずみ波(例えば鋸歯
状波)を用いてもよいことは当然である。
In the first embodiment, a waveform that is repeatedly turned on and off for each wave is used. However, when an oscillator having a high resonance Q is used, any of the waveforms shown in FIGS. Even if driven by, there is no great change in the output waveform as a sound wave and the effect is small. In that case, you may use the waveform which turns on and off for every several waves. In addition, although the fundamental wave is a sine wave in this embodiment, it is a matter of course that a distorted wave (for example, a sawtooth wave) other than the sine wave may be used.

発明の効果 本発明はパラメトリックスピーカの搬送波として間歇波
もしくは振幅の異なる複数の波を組み合わせた波を用い
ることにより、1次波から2次波への変換効率を改善す
ることができる。また本発明の搬送波の発生回路は簡単
な電子回路で実現できるためコストアップにならないと
言う効果を有する。
EFFECTS OF THE INVENTION The present invention can improve the conversion efficiency from a primary wave to a secondary wave by using an intermittent wave or a wave in which a plurality of waves having different amplitudes are combined as a carrier wave of a parametric speaker. Further, the carrier wave generation circuit of the present invention can be realized by a simple electronic circuit, so that it has an effect of not increasing the cost.

また変換効率が改善されるためアンプも小形のものです
む。
Also, the conversion efficiency is improved, so the amplifier can be small.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例におけるパラメトリックスピ
ーカの構成を示すブロック図、第2図aは従来の搬送波
を示す波形図、第2図bは本実施例の搬送波を示す波形
図、第3図は本発明の他の実施例の搬送波を示す波形
図、第4図は従来のパラメトリックスピーカの構成を示
すブロック図、第5図は本発明の他の実施例の搬送波を
示す波形図である。 1……超音波振動子、2……超音波発生器(スピー
カ)、3……音声信号源、4……変調器、5……搬送波
発生器、5a……任意波形発生器、6……パワーアンプ、
7……音響フィルタ、8……受聴者。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a parametric speaker in one embodiment of the present invention, FIG. 2a is a waveform diagram showing a conventional carrier wave, and FIG. 2b is a waveform diagram showing a carrier wave in this embodiment. FIG. 4 is a waveform diagram showing a carrier wave of another embodiment of the present invention, FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional parametric speaker, and FIG. 5 is a waveform diagram showing a carrier wave of another embodiment of the present invention. . 1 ... Ultrasonic transducer, 2 ... Ultrasonic generator (speaker), 3 ... Voice signal source, 4 ... Modulator, 5 ... Carrier generator, 5a ... Arbitrary waveform generator, 6 ... Power Amplifier,
7 ... acoustic filter, 8 ... listener.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】音声信号源と、搬送波発振器と、搬送波を
音声信号で変調するための変調器と、この変調器の出力
で駆動される超音波発生器とを備え、前記搬送波の波形
が間欠波であることを特徴とするパラメトリックスピー
カ。
1. An audio signal source, a carrier wave oscillator, a modulator for modulating a carrier wave with an audio signal, and an ultrasonic wave generator driven by the output of the modulator, wherein the waveform of the carrier wave is intermittent. Parametric speaker characterized by being waves.
【請求項2】搬送波の基本周波数が20kHz以上であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のパラメトリ
ックスピーカ。
2. The parametric speaker according to claim 1, wherein the fundamental frequency of the carrier wave is 20 kHz or higher.
【請求項3】音声信号源と、搬送波発振器と、搬送波を
音声信号で変調するための変調器と、この変調器の出力
で駆動される超音波発生器とを備え、前記搬送波の波形
が振幅の異なる複数の波を、平均電力を一定とした時、
同じ振幅の連続波よりもピーク電圧が高くなるように組
み合わせたものであることを特徴とするパラメトリック
スピーカ。
3. An audio signal source, a carrier wave oscillator, a modulator for modulating a carrier wave with an audio signal, and an ultrasonic wave generator driven by the output of the modulator, wherein the waveform of the carrier wave is an amplitude. When the average power is constant for multiple waves of different
A parametric speaker characterized by being combined so that the peak voltage is higher than that of a continuous wave of the same amplitude.
【請求項4】搬送波の基本周波数が20kHz以上であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のパラメトリ
ックスピーカ。
4. The parametric speaker according to claim 3, wherein the fundamental frequency of the carrier wave is 20 kHz or higher.
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US5569170A (en) * 1993-07-12 1996-10-29 Electromed, Inc. Pulsator
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