CN102160399A - 声音再生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种声音再生装置，其将能够激励起模式耦合后的振动的频段的一部分设为载波的频率。通过将振动位移相对于频率的变化率低的模式耦合后的频率设为载波信号，可使从可听频段信号源输出的可听频段的信号在宽频段以稳定的声压解调、再生。

Description

声音再生装置

技术领域

本发明涉及一种以超声波频段的信号为载波对可听频段的信号调制并发射，具有在特定的空间范围可再生可听频段的声波的、高指向性的声音再生装置。

背景技术

通常的声音再生装置可经由振动板直接向空气等介质中发射可听频段的声波，利用衍射效应在较宽范围传播可听频段的声波。

与之相对，为了只在特定的空间范围有选择地传播可听频段的声波，具有高指向性的声音再生装置正在实用化。该声音再生装置一般被称为超指向性扬声器、或参量(パラメトリツクス)扬声器。将可听频段的信号作为载波调制为超声波频段的信号，再按特定的倍率进行放大之后，将该调制后的信号输入到由超声波振子等构成的放声部，作为超声波频段的声波发射到空气等介质中。

从放声部发射的声波通过载波即超声波的传播特性保持高指向性而在介质中传播。另外，超声波频段的声波在介质中传播过程中，由于介质的非线形性使可听频段的声波的振幅蓄积增加，并且超声波频段的声波因基于介质的吸收、球面扩散而发生衰减。其结果是，被调制成超声波频段的可听频段的声波因介质的非线形性而自解调为可听频段的声波，能够仅在限定的狭窄空间范围再生可听频段的声波。

即，所谓超指向性扬声器是指利用传播声波的介质的非线形性和超声波所具有的高指向性。例如，若在将超指向性扬声器用作美术馆及博物馆展品的说明用的扬声器，则可以只对存在于特定的空间范围内的人传播可听频段的声波。

上述的声音再生装置为了提高在尽可能低的输入电场再生的可听频段的声波的声压，而将激励由压电体等构成的超声波振子的谐振模式的谐振频率附近的频率用作载波的频率。在该谐振频率附近，机械品质因数Qm(表示压电体等引起谐振振动时的谐振频率附近的机械振动位移的敏锐度的常数)高，对于施加的交流电场能够得到最大的振动位移。

但是，因压电体或其它构成要素的形状、尺寸及支承固定方法等结构性条件以及在压电体为陶瓷的情况下，由于极化(分極)及烧成等工序的压电常数及弹性常数等材料特性条件，超声波振子的谐振频率在个体间存在偏差。另外，由于机械品质因数Qm也因超声波振子自身的温度变化、空气等介质的负荷变动，而受到影响，因而即使对多个超声波振子施加同频率同振幅的电场，超声波振子的振动振幅也分别不同，因此，存在在解调、再生可听频段的信号时，不能通过可听频段的信号的频段得到所期望的声压的课题。

另外，作为与上述的声音再生装置有关的先行技术文献信息公知有非专利文献1。

非专利文献1：田中恒雄、岩佐干郎、木村阳一著《关于参量扬声器的实用化》日本声学会超声波研究会资料，US84-61、1984年(第1页-第2页，图1、图2)

发明内容

本发明至少具备：生成可听频段的信号的可听频段信号源；生成载波的载波振荡器；将可听频段的信号与载波一起调制的调制器；输入从调制器输出的信号并通过超声波振子输出再生音的放声部。放声部的超声波振子具有按不同的频率使振动位移达到极大的多个谐振模式，可在激励多个谐振模式的频率之间激励模式耦合后的振动。将可激励模式耦合后的振动的频段的一部分作为载波的频率。

由此，即使在因超声波振子的制造工序及工作中的负荷变动等而超声波振子的谐振频率偏移或者变动的情况下，在能够激励起模式耦合后的振动的频率范围内，超声波振子的振动振幅变动也小而稳定。其结果是，在对可听频段的声波进行自解调时，可实现宽频段且稳定的声压。

附图说明

图1是本发明实施方式1的声音再生装置的框图。

图2是本发明实施方式1的超声波振子的剖面图。

图3是表示现有的压电体的导纳(アドミツタンス)及厚度方向的振动位移的频率特性的图。

图4是表示本发明实施方式1的压电体的导纳及振动位移的频率特性的图。

图5是表示在本发明实施方式1中将以谐振频率f_m1为中心的特定频段作为载波频率的图。

图6是表示在本发明实施方式1的压电体中，径向扩散振动的谐振频率和厚度方向的振动位移的关系的图。

图7是表示本发明实施方式1的压电体的振动位移相对于机械品质因数Qm的频率特性的图。

图8是表示在本发明实施方式1中，以振动位移为极小值ξ_Lm的频率f_Lm为中心的特定频段作为载波频率的图。

图9是表示在本发明实施方式1的压电体中，使尺寸比变化的情况下的导纳为极大值的频率、和厚度方向振动位移的极小值的关系的图。

图10是本发明实施方式2的放声部的正视图。

图11是表示本发明实施方式2中的三个超声波振子的压电体的导纳及振动位移的频率特性的图。

图12是本发明实施方式3的超声波振子的剖面图。

具体实施方式

(实施方式1)

下面，使用附图说明本实施方式1的声音再生装置的构成。图1是本发明实施方式1的声音再生装置的框图。图1说明本发明的声音再生装置1的驱动部。

将由可听频段信号源2生成的可听频段的信号(作为频率约为20Hz～20kHz)和由载波振荡器3生成的载波(约20kHz以上的超声波)输入到调制器4，通过载波调制可听频段的信号。将调制后的信号用功率放大器5进行放大并输入到放声部6。输入到放声部6的来自调制器4的信号作为超声波向空气等介质发射，传播一定的距离后，作为载波的超声波频段的声波发生衰减，并且利用介质的非线形性使可听频段的声波自解调。

这样，在本实施方式1的声音再生装置1中，通过将具有高指向性的超声波用作载波，成为只能够在非常狭窄的空间范围再生可听频段的声波的构成。

下面，使用图2说明构成放声部6的超声波振子7。图2是本发明实施方式1的超声波振子7的剖面图。

超声波振子7是通过输入来自调制器4的信号而使压电体8振动而向空气等介质发射声波的部分。压电体8为由复合钙钛矿系压电材料(例如，PbTiO₃-ZrTiO₃-Pb(Mg_1/2Nb_1/2)TiO₃等三组分系的压电陶瓷材料)构成的圆柱形状的压电陶瓷，如图2所示，配置于声匹配(整合)层9的厚度方向的一面上的大致中央部。若设该压电体8的厚度为L、直径为D，则尺寸比L/D约为0.7，在厚度方向被极化。在此，将压电体8设为复合钙钛矿(ペロブスカイト)系压电材料，但是，除此之外也可以使用PZT(PbTiO₃-ZrTiO₃)系及钛酸钡(BaTiO₃)等压电陶瓷、压电单晶体等。

在声音匹配层9的周缘部附近，以包围压电体8的方式固定有筒状的外壳10，保护压电体8不受外部影响。在本实施方式1中，外壳10采用铝制。

另外，在外壳10的开口部(在与声音匹配层9的连接部分相反的端部附近的内侧面)设置有端子台11。为了不使该端子台11和压电体8因来自外部的冲击及压电体8的振动等而彼此接触，而设置有一定的间隙。另外，端子台11上设置有两条棒状的端子12，这些端子12分别经由引线13与压电体8的电极电连接。即，可经由端子12向压电体8施加交流电场。

在这样的构成的超声波振子7中，若对设置于压电体8的两主面的电极施加特定频率的交流电场，则可在压电体8上激励出取决于材料常数、形状及尺寸等的弹性振动。将因该弹性振动而产生的声波经由声音匹配层9发射到空气等介质并向特定的方向(图2中的上方向)传播。

在此，声音匹配层9采用压电体8和空气等介质的声阻抗耦合，降低因压电体和介质的声阻抗的差异而在边界面产生的反射等所引起的声波的衰减。

另外，在本实施方式1中，上述的可听频段信号源2、载波振荡器3、调制器4、及功率放大器5仅由一组构成。

下面，详细说明本发明的指向即载波频率的确定方法。

图3是表示现有的压电体中的导纳频率特性及厚度方向的振动位移的频率特性的一例的图。通常，压电体通过形状(尺寸比)、极化(单晶体的情况为c轴)的方向和所施加的交流电场的方向等，能够激励出振动方向、振动姿势(振动模式)不同的多个谐振模式。

图3是在设圆柱形状的压电体的厚度为L、直径为D时，尺寸比L/D达到2.5以上的情况下的导纳和厚度方向的振动位移的频率特性的一例的图。另外，该图中的压电体为厚度方向进行了极化的压电陶瓷，对厚度方向施加交流电场。

若使施加于压电体的交流电场的频率从低频率侧变化到高频率侧，则如图3所示，最初，在导纳Y达到极大的频率f_L1附近，产生厚度方向的振动位移ξ_L1达到极大的第一谐振模式。该频率f_L1下的谐振模式被称为厚度方向纵向振动。

另外，若提高频率，则接着在导纳Y达到极大的频率f_D1附近，产生径向的振动位移达到极大的第二谐振模式。该频率f_D1下的谐振模式被称为径向扩散振动。另外，该径向扩散振动的径向振动位移在图3中未图示。

如图3所示，由于压电体也是弹性体，因而径向产生振动位移的同时，因泊松(ポアソン)耦合从而也在厚度方向产生振动位移。但是，由于圆柱的厚度L相对于直径D较大，因而该频率f_D1附近的厚度方向的振动位移与频率f_L1附近的振动位移ξ_L1相比，非常小。

在频率f_L1和频率f_D1的附近以外，压电体的厚度方向的振动位移急剧减少到几乎没有。同样，径向的振动位移在频率f_L1和频率f_D1的附近以外也减少到几乎没有。即，在频率f_L1和频率f_D1附近以外的频率中，压电体不论在在厚度方向还是在径向几乎都不发生振动。这意味着，两种谐振模式，即厚度方向纵向振动和径向扩散振动相互不受影响，在各自的谐振频率附近自由振动。

这样，在圆柱形状的压电体中，通过使厚度L和直径D中的其中一方变大(通常为将厚度L设为直径D的2.5倍以上的圆柱形状或者将直径D设为厚度L的15倍以上的圆板形状)，而各谐振模式相互不受影响地独立振动，同时，各谐振模式的机械品质因数Qm变高。

与此相对，在本实施方式1的声音再生装置1的超声波振子7中，使用厚度L和直径D的尺寸比L/D约为0.7的圆柱形状的压电体8。通过使用这种尺寸比的压电体8，在激励厚度方向纵向振动和径向扩散振动这两种谐振模式的谐振频率之间的频率中，能够激励出模式耦合后的振动，在厚度方向得到一定以上的振动位移ξ_L。另外，能够在压电体8中激励出相对于频率变动变化少的振动位移ξ_L。在本实施方式1中，将能够激励出该模式耦合后的振动的频段的一部分设为载波频段。

图4是表示本发明实施方式1中的压电体的导纳及振动位移的频率特性的图。图4中表示使用有限元法对本实施方式1的压电体8的导纳Y、及厚度方向的振动位移ξ_L的频率特性进行数值计算后的结果的一例。

如图4所示，通过两个谐振频率即频率f_m1和频率f_m2使压电体8分别机械地激励起品质因数Qm高的谐振模式。另外，在频率f_m1和频率f_m2之间，激励起模式耦合后的振动，与上述两个频率f_m1和频率f_m2附近相比，厚度方向的振动位移ξ_L的绝对值小，但是，可得到变化量相对于频率变动小的频段。特别是在厚度方向的振动位移达到极小值ξ_Lm的频率f_Lm附近，可得到相对于频率变动振动位移ξ_L的变化量最小的平坦区域。

将以激励上述模式耦合后的振动、且厚度方向的振动位移ξ_L达到极小的频率f_Lm为基准的频率区域用作载波频率。即使是因材料及形状的偏差等而使压电体8的厚度方向纵向振动和径向扩散振动的谐振频率分别发生了变动的情况下，在能够激励出模式耦合后的振动的频率范围内，也可减少超声波振子的振动振幅变动使其稳定。其结果是，在对可听频段的信号进行自解调时，可实现宽频段且稳定的声压。

下面对于在自解调该可听频段的信号时可得到稳定的声压这一点，说明其详情。

图5是表示在本发明实施方式1中将以谐振频率f_m1为中心的特定频段设为载波频率的图。如图5所示，在假如将施加于超声波振子7的电场的振幅固定，并将频率设为以谐振频率f_m1为中心的一定频段f_m1±Δf的情况下，在谐振频率f_m1附近，由于谐振模式的机械品质因数Qm高因而超声波振子7的振动位移大，可得到从超声波振子7发射的声波也高的声压。但是，在从谐振频率f_m1偏离频率变动幅度Δf的频率中，与谐振频率f_m1附近相比，超声波振子7的振动位移变小。

这样，若以谐振频率f_m1为载波频率，并用将宽频段的可听频段进行调制后的信号，激励超声波振子7，则在所施加的电场的频率范围内超声波振子7振动位移的变化量较大，因此，相对于由超声波振子发射的声波的频率的声压变动变大，所解调的可听频段的声波的由频率引起的振幅变动的幅度也变大，难以得到稳定的声压。

因此，如本实施方式1的声音再生装置1所示，通过将能够激励起相对于频率变动的振动位移ξ_L的变化量比较小的、模式耦合后的振动的频段的一部分设为载波频率，能够用宽频段且稳定的声压再生可听频段的信号。

在此，说明根据两种谐振频率即频率f_m1和频率f_m2的关系对用于激励与压电体8模式耦合后的振动的条件进行考察的结果。

图6是表示在本发明的实施方式1的压电体中，径向扩散振动的谐振频率和厚度方向的振动位移的关系的图。图6是在使用复合钙钛矿系压电材料而形成的压电体8中，使径向扩散振动的谐振频率f_m2发生变化并使用有限元法对厚度方向的振动位移ξ_L进行数值计算的结果的一例。

在图6中，横轴表示对施加于压电体8的交流电场的频率进行标准(规格)化后的频率，分别记载了将谐振频率f_m1设为1时的谐振频率f_m2的值。纵轴表示振动位移ξ_L。

如图6所示，在谐振频率f_m2分别为f_m2a(＝3.17)、f_m2b(＝2.69)的频率特性a、频率特性b中，振动位移ξ_L的极小值ξ_Lma、ξ_Lmb极小。即，表明在表示该极小值ξ_Lma、ξ_Lmb的频率中，几乎得不到压电体8厚度方向的振动位移。另外，也几乎得不到径向的振动位移。因此，在频率特性a、频率特性b中，两个谐振模式彼此互不影响地独立振动。

另一方面，与频率特性a、频率特性b相比，在谐振频率f_m2接近谐振频率f_m1，将谐振频率f_m2设为f_m2c(＝2.44)、f_m2d(＝2.25)的频率特性c、频率特性d中，振动位移ξ_L的极小值ξ_Lmc、ξ_Lmd变得比极小值ξ_Lma、ξ_Lmb大。即，通过使谐振频率f_m2接近谐振频率f_m1，可使厚度方向的振动位移ξ_L表现出一定以上的值，在这种条件的压电体8中，可在激励出谐振模式的频率的期间，激励与压电体8模式耦合后的振动。

根据本数值计算的结果，若压电体8的谐振频率f_m2的标准化后的值为大约2.5以下，则其频率特性表现出如频率特性c及频率特性d那样的波，得到与压电体8产生模式耦合这一结果。

因此，在将表示压电体8的第一谐振模式的频率设为f_m1，并将表示第二谐振模式的频率设为f_m2时，若表示第一谐振模式的频率和表示第二谐振模式的频率之比f_m1/f_m2至少为0.4(＝1/2.5)以上，则表明与压电体8产生模式耦合。另外，在这样将f_m1/f_m2设为0.4以上时，只要适当调整例如压电体8的尺寸比L/D即可。通过调整尺寸比L/D，就可以调整表示第一谐振模式的频率f_m1及表示第二谐振模式的频率f_m2。

另外，图6是使用复合钙钛矿系压电材料形成压电体8之一例，即使是使用其它PZT系陶瓷等的压电陶瓷的情况，也可得到同样的数值计算结果，只要f_m1/f_m2为0.4以上就能够得到与压电体8产生模式耦合后的结果。因此，不限于复合钙钛矿系压电材料，只要f_m1/f_m2至少为0.4以上，就能够认为与压电体8产生模式耦合。

另外，如根据示于图4的导纳Y的频率特性明确的那样，在谐振频率f_m1时压电体8的阻抗低。这样，对于阻抗低的状态的压电体8，与超声波振子7连接的电源将有更多的电流流过。其结果是，有可能加大对电源的负荷、或者电流不流动。与此相对，在能够激励出模式耦合后的振动的频段中，由于压电体8的阻抗比较高，因而不会对电源带来上述那样的不利影响，而是可以稳定地驱动超声波振子7。

另外，通过使用本实施方式1的压电体8，可得到能够对因温度变化及振动等干扰而从周围受到的应力发挥稳定的性能的声音再生装置1。下面说明其详情。

图7是表示本发明实施方式1的振动位移相对于压电体的机械品质因数Qm的频率特性的图。图7是只抽出图5的振动位移ξ_L的频率特性的图，横轴及纵轴表示基于能够激励出模式耦合后的振动的频段的振动位移的极小值ξ_Lm和此时的频率f_Lm分别进行了标准化的结果。实线为压电体8的不受干扰的无负荷情况的频率特性，虚线表示从外部对压电体8施加应力的情况下的频率特性。

可知：在激励第一、第二谐振模式的各谐振频率、频率f_m1、频率f_m2附近，通过应力的有无得知谐振模式的机械品质因数Qm的变动，并且振动位移ξ_L较大地变化。

列举一例，在第一谐振模式(厚度方向纵向振动：谐振频率f_m1)的情况下，若因干扰等而施加应力，则机械品质因数Qm变低，振动位移ξL减小至无负荷情况的约1/5。另一方面，在本实施方式1所使用的载波频率即频率f_Lm附近，即使是施加同样的应力的情况下，振动位移ξ_L几乎不减少。

即，图7表示的是，因施加于超声波振子7的交流电场的频率，由来自外部的负荷变动引起的、超声波振子7的振动位移的受到影响的难易程度不同。特别是，可知，在可激励模式耦合后的振动的频段中，负荷变动难以对振动位移产生影响。

因此，在本实施方式1中，通过将能够激励出该模式耦合后的振动的频段的一部分用作载波频率使用，从而即使是因温度变化、振动及支承固定条件等干扰而对压电体8施加应力的情况下，振动位移ξ_L的变化也少。其结果是，可得到能够再生宽频段且稳定声压的可听频段的声波的声音再生装置1。

另外，驱动本实施方式1的声音再生装置1时发生的热也有可能使超声波振子7受到影响。即，由于若超声波振子7的温度发生变化，则压电体8的音速也发生变化，所以该变化波及到超声波振子7的谐振频率。特别是如本实施方式1所示，作为压电体8使用的压电陶瓷，谐振频率的温度依存性高，谐振频率对温度变化的稳定性低。因此，要考虑在将谐振频率附近的频率用作载波频率的情况下，若因温度变化而使谐振频率发生变化则不能得到所期望的声压。

另一方面，在本实施方式1中，将能够激励出不易受温度变化的影响的模式耦合后的振动的频段的一部分作为载波频率使用，假设因驱动声音再生装置1时的热而超声波振子7的温度发生变化，也可再生电压稳定的可听频段的声波。

另外，载波频率为可激励模式耦合后的振动的频段，特别优选以超声波振子7的振动位移ξ_L达到极小的频率为基准进行选择。

这是因为，如图8、之前所示的图4～图7表明的那样，在振动位移ξ_L达到极小值ξ_Lm的频率f_Lm附近，振动位移ξ_L相对于频率变动的变化量变小，频率特性平坦。图8是表示在本发明的实施方式1中将以振动位移是极小值ξ_Lm的频率f_Lm为中心的特定频段设为载波频率的图。通过将包含频率f_Lm的频段例如以频率f_Lm为中心的一定的频段f_Lm±Δf作为载波频率使用，可使再生的可听频段的声波的声压更加稳定，同时可将频段拓宽。

下面，说明圆柱形状的压电体8的厚度L相对于直径D的尺寸比L/D的设计方法。

图9是表示在本发明实施方式1的压电体中，使尺寸比发生变化的情况下的导纳达到极大值的频率和厚度方向的振动位移的极小值的关系的图。图9表示的是，在使用复合钙钛矿系压电材料而形成的压电体8中，通过使压电体8的尺寸比L/D发生变化并使用基于有限元法的数值计算对厚度方向纵向振动的谐振频率f_m1和径向扩散振动的谐振频率f_m2、以及能够在这两种谐振模式间激励的模式耦合后的振动中的最大变位ξ_Lm进行求算的结果。

横轴表示对压电体8的尺寸比L/D进行了标准化。纵轴的左侧的轴是以将尺寸比L/D设为1时的频率f_Lm为基准进行标准化后的频率。同样，纵轴的右侧的轴是以将尺寸比L/D设为1时的厚度方向的振动位移ξ_Lm为基准进行了标准化后的振动位移。另外，频率f_m1为实线，频率f_m2为单点划线，振动位移ξ_Lm为波浪线。

根据图9得知，模式耦合后的振动中的振动位移ξ_Lm随着压电体8的尺寸比L/D的增加而增大，在尺寸比L/D为0.7附近，达到尺寸比L/D为1时的约1.7倍的最大值，而且其后降低。因此，在本实施方式1中将尺寸比L/D设为振动位移ξ_Lm达到最大的0.7。

另外，压电体8的尺寸比L/D不限定于0.7，只要是以振动位移ξ_Lm达到最大值的0.7为中心的±0.3的范围，即，只要尺寸比L/D是0.4以上1.0以下的值即可。若尺寸比L/D为0.4以上1.0以下的值，相对于所施加的交流电场使压电体8有效振动，能够从超声波振子7发射声波，从而作为声音再生装置能够有效地输出可听频段的声波。

与此相对，若压电体8的尺寸比L/D为不足0.4或者超过1.0的值，则压电体8的振动损失变大，因此，相对于所施加的交流电场振动振幅变小。由于从超声波振子7发射的声波变小，并且由振动损失引起的发热对压电体8的材料特性有不利影响，使超声波振子7的工作可靠性劣化的可能性变高，故而不予优选。

另外，上述记载是使用复合钙钛矿系压电材料形成压电体8之一例，但是，即使是PZT系陶瓷等压电陶瓷、压电单晶体等材料不同的情况，通过进行同样的数值计算和试验研究，也可确定圆柱形状的压电体8的最佳尺寸比L/D。

(实施方式2)

实施方式1的放声部6由一个超声波振子构成，而在本实施方式2中，对由多个超声波振子7构成放声部的一例进行说明。

图10是本发明实施方式2的放声部的正视图。如图10所示，本实施方式2的放声部14将多个超声波振子7平面配置而构成。

图11是表示本发明实施方式2的三个超声波振子的压电体的导纳及振动位移的频率特性的图。图11表示在构成图10的放声部14的超声波振子7中，构成三个超声波振子7的压电体8各自的导纳的频率特性及振动位移的频率特性，导纳Y₁和振动位移ξ_L1、导纳Y₂和振动位移ξ_L2、导纳Y₃和振动位移ξ_L3分别表示同一压电体8的导纳及振动位移的频率特性。

如图11所示，三个压电体8的导纳Y₁、导纳Y₂、导纳Y₃及振动位移ξ_L1、振动位移ξ_L2、振动位移ξ_L3不是采用完全相同的频率特性，而产生偏移。这是在制备压电体8时因其制造条件、材料特性及形状尺寸等的偏差而引起。另外，由于也对支承固定压电体8而组装超声波振子7时的偏差有影响，因而，在构成放声部14的多个超声波振子7的导纳或振动位移的频率特性中，可激励谐振模式的谐振频率也发生偏差。在使用这样的谐振频率不相同的多个超声波振子7，将载波频率固定为频率f_m1附近及频率f_m2附近而构成声音再生装置的情况下，从各个超声波振子7发射的声波的声压级(レベ一ル)存在偏差，其结果是，在解调可听频段的声波时有可能难以得到稳定的声压。

因此，在本实施方式2中，与实施方式1同样，作为载波频率，不是利用激励谐振模式的谐振频率，而是利用在谐振模式间激励的能够激励起模式耦合后的振动的频段的一部分。

本实施方式2的压电体8使用与实施方式1的压电体8相同的压电体，是将厚度L和直径D的尺寸比L/D设为0.7的圆柱形状的压电体。通过做成这种尺寸比，如图10所示由多个压电体8构成放声部14，且将能够激励起与压电体8模式耦合后的振动的频段的一部分设为载波频率的情况下，对各个压电体8施加相同振幅相同频率的电场。因此，对于各个压电体8的振动位移，个体间的偏差小，对于从超声波振子7发射的声波的声压，个体间的偏差也变小。其结果是，所解调的可听频段的声波高，且能够用稳定的声压进行再生。

发声部14是与构成超声波振子7的压电体8的谐振频率具有个体差异的情况之例，在由具有同一谐振频率的压电体8构成发声部14的情况下也同样有效。即，因工作中的超声波振子14的温度变化、或在组装超声波振子14时对压电体8施加应力，而使超声波振子14的振动振幅的频率特性发生变化，这样的情况下也适合本实施方式2的构成。

另外，图10中的本实施方式2的声音再生装置1作为将发声部14的超声波振子7以蜂窝状密集配置的构成进行了图示，但是，配置方法不限于此，只要是可使发声部发射的声波在规定的位置有效共鸣(集音)的构成，就可得到同样的效果。

(实施方式3)

下面，使用图12说明实施方式3的超声波振子15的构成。图12是本实施方式3的超声波振子15的剖面图。

另外，本实施方式3一部分有别于实施方式1所示的超声波振子7的构成。除此之外的构成与实施方式1相同，因而对于相同部分添加相同的符号而详细说明从略，只是对不同的部分加以说明。

如图12所示，在本实施方式3中，外壳16构成有底圆筒状形状，该外壳16的内底面中央部载置有压电体8。外壳16的内底面设置有两条棒状的端子12，与实施方式1同样，这些端子12分别经由引线13与压电体8的电极电连接。另外，还与实施方式1同样，外壳16采用铝制。

而且，在压电体8的上端面的中央部用粘接剂固定有圆锥形状的谐振子17。作为该谐振子17的材料，优选轻量且音速为3,000～10,000m/s左右的材料。例如若使用铝及SUS(Stainless Used Steel)等金属，则能够构成可跟随压电体8的振幅的谐振子17，能够在不改变振动模式形状的情况下，直接通过该振动模式进行振幅放大。即，本实施方式3的谐振子17表现出与压电体8的振动相对应的谐振特性，相对于压电体8的振幅能够向空气等介质发射稳定的超声波。

另外，如图12所示，谐振子17也采用被外壳16围住的构成。

在这样构成的超声波振子15中，由于具备谐振子17，从而音源直径扩大，可提高声压输出。

另外，如上所述，由于实施方式1的声音再生装置1输出具有高指向性的超声波，因而只可在非常狭窄的空间范围再生可听频段的声波。在此，在打算将使可听频段的声波再生的空间范围扩大一定程度的情况等，如本实施方式3的超声波振子15那样设置谐振子17，可通过扩大声音再生装置1的指向性来对应。

另外，在将本实施方式3的超声波振子15如上述实施方式2那样并列多个而构成发声部的情况下，则如上所述，各超声波振子15具有通过谐振子17使指向性扩展一定程度的特性。因此，从各超声波振子15输出的超声波的发射范围，易于与配置在其周边的超声波振子15的超声波的发射范围重合。即，在这样使发射范围重合的位置，从各超声波振子15输出的超声波彼此调和(足し合わされる)，能够以更高的声压收听再生的可听频段的声波。

另外，谐振子17的指向性可通过适当变更谐振子17的圆锥部分的角度进行调节。另外，圆锥的圆部分不限于正圆也可以是椭圆。

另外，在本发明的各实施方式中，说明了如下情况：即，将构成超声波振子7的压电体8的形状设为圆柱形状，使用将使压电体8所激励的振动与厚度方向纵向振动的谐振振动和径向扩散振动的谐振振动进行模式耦合后的振动。但是，本发明中，关于压电体的形状和由压电体激励处的振动模式，并不限于特定的形状及特定的谐振模式。例如，对于将压电体8设为棱柱形状，使用使厚度方向纵向振动与对角线方向或边方向扩散振动的谐振振动进行模式耦合后的振动的情况，也可得到同样的效果。

产业的可应用性

本发明的声音再生装置中，通过将能够激励模式耦合后的振动的频段的一部分设为载波频率，可使再生的可听频段的声波的声压频段宽且稳定。通过利用超声波的高指向性，可用作只在有限的空间范围再生可听频段的声波的声音再生装置。

符号说明

1：声音再生装置

2：可听频段信号源

3：载波振荡器

4：调制器

5：功率放大器

6：放声部

7：超声波振子

8：压电体

9：声音匹配层

10：外壳

11：端子台

12：端子

13：引线

14：放声部

15：超声波振子

16：外壳

17：谐振子

Claims (6)

1.一种声音再生装置，其特征在于，

具备：

生成可听频段的信号的可听频段信号源；

生成载波的载波振荡器；

调制所述可听频段的信号和所述载波的调制器；以及

通过超声波振子将从所述调制器输出的信号作为声波输出的放声部，

所述超声波振子具有以不同的频率使振动位移达到极大的多个谐振模式，在激励所述多个谐振模式的频率之间激励起模式耦合后的振动，

将能够激励起所述模式耦合后的振动的频段的一部分设为所述载波的频率。

2.如权利要求1所述的声音再生装置，其特征在于，

将激励起所述多个谐振模式的频率中相邻接的频率，从低频率起设为f_m1、f_m2时，这些频率之比f_m1/f_m2为0.4以上。

3.如权利要求1所述的声音再生装置，其特征在于，

对能够激励起所述模式耦合后的振动的频段的一部分，以使所述超声波振子的振动位移成为极小的频率为基准进行选择。

4.如权利要求1所述的声音再生装置，其特征在于，

所述超声波振子具有圆柱形状的压电体，在设所述压电体的厚度为L、直径为D时，将所述圆柱形状的压电体的尺寸比L/D设为0.4～1.0。

5.如权利要求1所述的声音再生装置，其特征在于，

所述超声波振子具有压电体，在所述压电体的中央部上面固定有大致圆锥形状的谐振子。

6.如权利要求1所述的声音再生装置，其特征在于，

所述放声部由多个超声波振子构成。

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