CN108781329A - 超指向性音响装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的超指向性音响装置包括：生成载波信号的载波生成部(7)；调制部(8)，该调制部(8)生成用音频信号对载波生成部(7)生成的载波信号进行振幅调制后的调制波信号；将由载波生成部(7)生成的载波信号和由调制部(8)生成的调制波信号进行相加的加法部(9)；发射由加法部(9)相加后的信号的超声波发射器(3)；以及超声波发射器(6)，该超声波发射器(6)配置于超声波发射器(3)的轴心上且位于发射面的前方，将由载波生成部(7)生成的载波信号沿着与该超声波发射器(3)的发射方向相同的方向发射，由超声波发射器(6)发射的载波信号的相位相对于由超声波发射器(3)发射的超声波信号的相位为反相。
Description
技术领域
本发明涉及利用超声波频带的载波信号向较窄区域发射可听声的超指向性音响装置。
背景技术
超指向性音响装置将用可听声即音频信号对超声波频带的载波信号进行振幅调制后的调制波信号与该载波信号进行相加，并从超声波发射器进行发射。由此，在空气中载波信号和调制波信号的非线性相互作用下，载波信号和调制波信号产生差音，可听声进行自解调。
该超指向性音响装置中，具有例如图7所示的声压级的传输特性。图7中，横轴表示到超声波发射器的距离，纵轴表示声压级。细线表示由超声波发射器发射出的信号中所包含的调制波信号，虚线表示由超声波发射器发射出的信号中所包含的载波信号，粗线表示自解调后的可听声(载波信号和调制波信号的差音)。
如图7所示，在超声波发射器的附近区域中，载波信号和调制波信号的非线性相互作用较强，此外，信号的传输产生的累积效果使得自解调后的可听声的声压级逐渐上升。并且，在由超声波发射器发射的信号的频率以及振动半径所决定的瑞利长度(Rayleigh Range)的一半左右的传输距离处，可听声的声压级达到最大。之后，若传输距离进一步变长，则载波信号和调制波信号通过声波吸收和球面扩散衰减，非线性度减弱，自解调后的可听声的声压级逐渐下降。
这时，若在空间上眺望差音的产生过程可知，由于差音的假想声源沿着传输方向分布在超声波频带的载波信号和调制波信号的窄束宽度下，从而获得窄束状的声场(可听区域)(例如参照非专利文献1)。
像这样，在以往的超指向性音响装置中，获得窄束状的声场。然而，由于射束会传递到远处，在超指向性音响装置的远处也可听到声音，在室内的情况下由于墙壁或天花板等产生反射声。由此，在以往的超指向性音响装置中，难以仅在某个特定的区域中传输声音。
于是，提出了一种从发射方向互不相同的两个超声波发射器将载波信号和调制波信号分离发射，仅在发射出的载波信号和调制波信号重叠的区域使可听声自解调的方法(例如参照非专利文献2)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：镰仓友男著，非线性声学基础，2010年7月出版
非专利文献2：松井唯他著，利用载波和边带波分离发射形成音频点，电子信息通信学会论文集A Vol.J97-A No.4pp.304-312 2014年4月出版
发明内容
发明所要解决的问题
然而，非专利文献2公开的方法中，载波信号和调制波信号重叠的区域远离超声波发射器，可听声在非线性相互作用较弱的区域进行自解调。在非专利文献2公开的方法中，产生非线性相互作用的区域较短。因此，存在自解调的可听声的声压级变小的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种超指向性音响装置，使载波信号和调制波信号沿同一方向发射，并在该发射方向上的任意距离处都使远方的可听声的声压级降低。
解决技术问题所采用的技术方法
本发明涉及的超指向性音响装置的特征在于，包括：载波生成部，该载波生成部生成载波信号；调制部，该调制部生成用音频信号对载波生成部生成的载波信号进行振幅调制后的调制波信号；加法部，该加法部将由载波生成部生成的载波信号和由调制部生成的调制波信号进行相加；第一超声波发射器，该第一超声波发射器发射由加法部相加后的信号；以及第二超声波发射器，该第二超声波发射器配置于第一超声波发射器的轴心上且位于发射面的前方，沿着与该第一超声波发射器的发射方向相同的方向发射由载波生成部生成的载波信号，由第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由第一超声波发射器发射的信号所包含的载波信号的相位为反相。
发明效果
根据本发明，由于具有上文所述的结构，因此能使载波信号和调制波信号沿同一方向发射，并在该发射方向上的任意距离处都能使远方的可听声的声压级降低。
附图说明
图1是示出本发明实施方式1所涉及的超指向性音响装置的简要结构例的框图。
图2A、图2B是示出本发明的实施方式1的超声波发射器的形状以及配置的一例的图，图2A是侧视图，图2B是主视图。
图3是示出本发明实施方式1的超指向性音响装置的动作例的流程图。
图4是示出本发明实施方式1的超指向性音响装置的声压级的传输特性的一例的曲线图。
图5是示出本发明实施方式1所涉及的超指向性音响装置的另一个简要结构例的框图。
图6是示出本发明实施方式2所涉及的超指向性音响装置的简要结构例的框图。
图7是示出以往的超指向性音响装置中声压级的传输特性的一例的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
实施方式1.
图1是示出本发明实施方式1所涉及的超指向性音响装置的简要结构例的框图。
如图1所示，超指向性音响装置包括调制器1、放大部2、超声波发射器(第一超声波发射器)3、增益调整部4、放大部5以及超声波发射器(第二超声波发射器)6。此外，调制部1包括载波生成部7、调制部8以及加法部9。
载波生成部7生成超声波频带的载波信号。由该载波生成部7生成的载波信号经由调制部8、加法部9以及该调制器1的输出部101被输出至增益调整部4。
调制部8生成用从外部输入的可听声即音频信号对由载波生成部7生成的载波信号进行振幅调制后的调制波信号。作为该调制部8，利用进行SSB(Single Side Band：单边带)调制的SSB调制部或进行DSB(Double Side Band：双边带)调制的DSB调制部。利用该调制部8生成的调制波信号被输出至加法部9。
加法部9将由载波生成部7生成的载波信号和由调制部8生成的调制波信号进行相加。利用该加法部9将载波信号和调制部信号相加后的信号经由调制部1的输出部102被输出至放大部2。
放大部2将利用加法部9将载波信号和调制波信号相加后的信号进行放大。这时，放大部2将上述信号放大至可驱动超声波发射器3的程度。利用该放大部2放大后的信号被输出至超声波发射器3。
超声波发射器3将由放大部2放大后的信号发射至空气中。该超声波发射器3由多个超声波发射元件301(参照图2)构成。
增益调整部4调整由载波生成部7生成的载波信号的增益(振幅)。这时，增益调整部4进行增益调整，使得由超声波发射器6所发射的载波信号的声压级能够降低由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的声压级。利用该增益调整部4调整了增益的载波信号被输出至放大部5。
放大部5放大由增益调整部4调整了增益的载波信号。这时，放大部5将上述载波信号放大至可驱动超声波发射器6的程度。利用该放大部5放大的信号被输出至超声波发射器6。
超声波发射器6配置于超声波发射器3的轴心上且位于发射面的前方，将由放大部5放大的载波信号发射至空气中。超声波发射器6沿与超声波发射器3的发射方向相同的方向进行发射。该超声波发射器6由多个超声波发射元件601(参照图2)构成。
由超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的相位为反相。
接着，参照图2对超声波发射器3、6的形状以及配置的一例进行说明。图2A示出超声波发射器3、6的侧视图，图2B示出超声波发射器3、6的主视图。图2A中，图示出了超声波发射器6的剖面，超声波发射元件601仅图示出了一部分。
超声波发射器3与以往的超指向性音响装置中使用的超声波发射器相同。另一方面，如图2所示，超声波发射器6配置于超声波发射器3的轴心上且位于发射面的前方。
超声波发射器6在与超声波发射器3相对的位置上具有开口部602。该开口部602构成为比由超声波发射器3所发射的信号在超声波发射器6的配置位置上的发射范围更大。由超声波发射器3发射的信号的半角(发射角度)由该信号的频率以及振动半径来决定。
图2中，超声波发射器3、6的发射方向上超声波发射器3、6间的距离为超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的相位呈反相的距离。
例如，将载波信号的频率设为40[kHz]的情况下,由超声波发射器3、6发射的载波信号从同相变为反相的距离为音速÷载波信号的频率÷2≒4[mm]。由此，该情况下，超声波发射器6离开超声波发射器3所期望的距离之后，进一步在约4[mm]的范围内调整超声波发射器3、6之间的距离，从而能获得最适宜的相位关系。
接着，参照图3，对实施方式1所涉及的超指向性音响装置的动作例进行说明。
如图3所示，实施方式1涉及的超指向性音响装置中，首先载波生成部7生成超声波频带的载波信号(步骤ST1)。
接着，调制部8利用从外部输入的可听声即音频信号对载波生成部7生成的载波信号进行振幅调制，生成调制波信号(步骤ST2)。
接着，加法部9将由载波生成部7生成的载波信号和由调制部8生成的调制波信号进行相加(步骤ST3)。
接着，放大部2将利用加法部9将载波信号和调制波信号相加后的信号进行放大(步骤ST4)。
接着，超声波发射器3将由放大部2放大后的信号发射至空气中(步骤ST5)。之后，由超声波发射器3发射的信号(载波信号和调制波信号)在空气中自解调为可听音，形成束状声场。
另一方面，增益调整部4调整由载波生成部7生成的载波信号的增益(步骤ST6)。
接着，放大部5放大由增益调整部4调整了增益的信号(步骤ST7)。
接着，超声波发射器6将由放大部5放大后的信号发射至空气中(步骤ST8)。之后，由超声波发射器6发射的载波信号和由超声波发射器3发射的信号中所包含的载波信号在重叠的区域合成，可听声的声压级降低。
接着，参照图4，对实施方式1所涉及的超指向性音响装置的效果进行说明。图4中，横轴表示到超声波发射器3的距离，纵轴表示声压级。标号401表示超声波发射器6的配置位置。细线表示由超声波发射器3发射出的信号中所包含的调制波信号，虚线表示由超声波发射器3发射出的信号中所包含的载波信号，粗线表示自解调后的可听声(载波信号和调制波信号的差音)。图4所示的载波信号是在超声波发射器6的配置位置的远处由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号和由超声波发射器6发射的反相的载波信号在空气中合成后的信号。
如图4所示，在超声波发射器3的附近区域中，载波信号和调制波信号的非线性相互作用较强，此外，信号的传输产生的累积效果使得自解调后的可听声的声压级逐渐上升。并且，在由超声波发射器3发射的信号的频率以及振动半径所决定的瑞利长度的一半左右的传输距离处，可听声的声压级达到最大。之后，若传输距离进一步变长，则载波信号和调制波信号通过声波吸收和球面扩散衰减，非线性度减弱，自解调后的可听声的声压级逐渐下降。
另一方面，实施方式1涉及的超指向性音响装置中，配置在超声波发射器3的发射面前方的超声波发射器6沿与超声波发射器3相同的发射方向仅发射载波信号。
这里，由超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的相位为反相。由此，在由超声波发射器3发射的信号和由超声波发射器6发射的载波信号重叠的区域中，载波信号的至少一部分被抵消。结果如图4所示，载波信号的声压级急剧降低，载波信号和调制波信号的非线性相互作用减弱，因此可听声的声压级急剧下降。由此，传输方向上的任意距离处都能使远处的可听声的声压级降低。
实施方式1涉及的超指向性音响装置中，在超声波发射器3的发射面的前方配置超声波发射器6。因此，超声波发射器6(的壳体)有可能会妨碍超声波发射器3发射的信号。即，由超声波发射器3发射的信号被超声波发射器6反射后，该信号的声压级降低，自解调减弱，所需的区域中的可听声的声压级降低。于是，超声波发射器6在与超声波发射器3相对的位置设有开口部602。利用该开口部602，能防止由超声波发射器3发射的信号被超声波发射器6所反射。
在上述内容中，示出了根据超声波发射器3、6的发射方向上超声波发射器3、6间的距离，由超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的相位呈反相的情况。然而，不限于此，也可利用移相器，在由超声波发射器6发射的载波信号与由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号重叠的区域中，使由超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于由该超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的相位呈反相。移相器被设于超声波发射器6的前级(具体而言，在增益调整部4和放大部5之间)，偏移载波信号的相位，在由超声波发射器6发射的载波信号与由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号重叠的区域中,使得由超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于由超声波发射器3发射的信号所包含的载波信号的相位呈反相。
在上述内容中，由超声波发射器6发射的信号为载波信号。载波信号的频率被固定，因此没有频率造成的相位变动。由此，能期待超指向性音响装置的稳定的动作。
另一方面，假设由超声波发射器6发射的信号为调制波信号、或是载波信号与调制波信号相加后的信号的情况下，变成利用具有较宽频率范围的音频信号。因此，相位根据频率而变动。结果，由超声波发射器3发射的信号和由超声波发射器6发射的信号重叠的区域中的合成音将呈现梳状滤波器这样的峰值(peak)和谷值(dip)较多的频率特性。由此，在该情况下，无法期待超指向性音响装置的稳定的动作。
在上述内容中，示出了将载波生成部7设于调制器1的内部的情况。然而不限于此，将载波生成部7设于调制器1的外部也可获得同样的效果。
在上述内容中，示出了利用单一的载波生成部7的情况。然而不限于此，例如图5所示，也可将载波生成部7分割为超声波发射器3用的载波生成部(第一载波生成部)7a和超声波发射器6用的载波生成部(第二载波生成部)7b。在该情况下，由传输部生成部7a生成的载波信号和由载波生成部7b生成的载波信号的频率和波形必须相同。
如上文所述，根据该实施方式1，包括：载波生成部7，该载波生成部7生成载波信号；调制部8，该调制部8生成用音频信号对载波生成部7生成的载波信号进行振幅调制后的调制波信号；加法部9，该加法部9将由载波生成部7生成的载波信号和由调制部8生成的调制波信号进行相加；超声波发射器3，该超声波发射器3发射由加法部9相加后的信号；以及超声波发射器6，该超声波发射器6配置于超声波发射器3的轴心上且位于发射面的前方，将由载波生成部7生成的载波信号沿着与该超声波发射器3的发射方向相同的方向进行发射，由超声波发射器6发射的载波信号的相位相对于由超声波发射器3发射的超声波信号的相位为反相，因此能够使载波信号和调制波信号沿同一方向发射，在该发射方向上的任意距离处都能使远方的可听声的声压级降低。
实施方式2.
实施方式1中示出了利用加法部9通过电信号将载波信号和调制波信号相加的情况。与此相对，实施方式2中，示出了用超声波发射器11将载波信号和调制波信号在分离的状态下进行发射，并在空气中进行合成的情况。
图6是示出本发明实施方式2所涉及的超指向性音响装置的简要结构例的框图。在该图6所示的实施方式2涉及的超指向性影响装置中，相对于图1所示的实施方式1涉及的超指向性音响装置，去除加法部9，追加放大部10，将超声波发射器3变更为超声波发射器11。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
由载波生成部7生成的载波信号除了实施方式1所示的功能部之外，也通过调制器1的输出部103向放大部10输出。
放大部10放大由载波生成部7生成的载波信号。这时，放大部10将上述载波信号放大至可驱动超声波发射器11的程度。利用该放大部10放大的载波信号被输出至超声波发射器11。
超声波放大器11将由放大部10放大的载波信号和由放大部2放大的调制波信号以分离的状态向空气中发射。该超声波发射器11由多个超声波发射元件(未图示)构成，其中大约半数的超声波发射元件发射载波信号，剩余大约半数的超声波发射元件发射调制波信号。发射载波信号的超声波发射元件和发射调制波信号的超声波发射元件例如交替配置。
超声波发射器6、11的形状以及配置与图2所示的实施方式1的超声波发射器3、6的形状以及配置相同，省略其说明。
像这样，超声波发射器11将载波信号和调制波信号以分离的状态进行发射，从而相对于实施方式1，自解调的可听声的声压级稍许下降，但发射的载波信号和调制波信号难以受到超声波发射器11具有的非线性特性的影响，能进行指向性更加清晰的可听声的发射。
在通过电信号将载波信号和调制波信号进行相加的情况下，会产生互调。另一方面，实施方式2涉及的超指向性音响装置中，由于没有所述互调，与由超声波发射器6发射的载波信号的合成性也较好，因此也容易提高远处的载波信号的抵消性能。
另外，本申请发明可以在其发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形、或省略各实施方式中的任意的构成要素。
工业上的实用性
本发明涉及的超指向性音响装置将载波信号和调制波信号沿相同方向发射，在该发射方向上的任意距离处都能降低远处的可听声的声压级，适合用在利用超声波频带的载波信号在较窄的区域中发射可听声的超指向性音响装置等中。
标号说明
1、调制器，2、放大部，3、超声波发射器(第一超声波发射器)，4、增益调整部，5、放大部，6、超声波发射器(第二超声波发射器)，7、7a、7b、载波生成部，8、调制部，9、加法部，10、放大部，11、超声波发射器，101～103、输出部，301、超声波发射元件，601、超声波发射元件，602、开口部。
Claims (10)
1.一种超指向性音响装置，其特征在于，包括：
载波生成部，该载波生成部生成载波信号；
调制部，该调制部生成用音频信号对所述载波生成部生成的载波信号进行振幅调制后的调制波信号；
加法部，该加法部将由所述载波生成部生成的载波信号和由所述调制部生成的调制波信号进行相加；
第一超声波发射器，该第一超声波发射器发射由所述加法部相加后的信号；以及
第二超声波发射器，该第二超声波发射器配置于所述第一超声波发射器的轴心上且位于发射面的前方，将由所述载波生成部生成的载波信号沿着与该第一超声波发射器的发射方向相同的方向进行发射，
由所述第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由所述第一超声波发射器发射的信号所包含的载波信号的相位为反相。
2.如权利要求1所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述第一超声波发射器、所述第二超声波发射器的发射方向上该第一超声波发射器与第二超声波发射器间的距离为：由该第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由该第一超声波发射器发射的信号所包含的载波信号的相位为反相的距离。
3.如权利要求1所述的超指向性音响装置，其特征在于，
包括移相器，该移相器设于所述第二超声波发射器的前级，对由所述载波生成部生成的载波信号进行移相，使得在由所述第二超声波发射器发射的载波信号与由所述第一超声波发射器发射的信号所包含的载波信号重叠的区域中，由所述第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由该第一超声波发射器发射的信号所包含的载波信号的相位呈反相，
所述第二超声波发射器发射由所述移相器进行了移相后的载波信号。
4.如权利要求1所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述第二超声波发射器具有开口部，该开口部比由所述第一超声波发射器发射的信号在该第二超声波发射器的配置位置上的发射范围更大。
5.如权利要求1所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述载波生成部由生成相同载波信号的第一载波生成部和第二载波生成部构成，
所述调制部生成用音频信号对由所述第一载波生成部生成的载波信号进行调制后的调制波信号，
所述第二超声波发射器发射由所述第二载波生成部生成的载波信号。
6.一种超指向性音响装置，其特征在于，包括：
载波生成部，该载波生成部生成载波信号；
调制部，该调制部生成用音频信号对所述载波生成部生成的载波信号进行振幅调制后的调制波信号；
第一超声波发射器，该第一超声波发射器对由所述载波生成部生成的载波信号和由所述调制部生成的调制波信号以分离的状态进行发射；以及
第二超声波发射器，该第二超声波发射器配置于所述第一超声波发射器的轴心上且位于发射面的前方，将由所述载波生成部生成的载波信号沿着与该第一超声波发射器的发射方向相同的方向进行发射，
由所述第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由所述第一超声波发射器发射的载波信号的相位为反相。
7.如权利要求6所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述第一超声波发射器、所述第二超声波发射器的发射方向上该第一超声波发射器、第二超声波发射器间的距离为：由该第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由该第一超声波发射器发射的载波信号的相位呈反相的距离。
8.如权利要求6所述的超指向性音响装置，其特征在于，
包括移相器，该移相器设于所述第二超声波发射器的前级，对由所述载波生成部生成的载波信号进行移相，使得在由所述第二超声波发射器发射的载波信号与由所述第一超声波发射器发射的载波信号重叠的区域中，由所述第二超声波发射器发射的载波信号的相位相对于由该第一超声波发射器发射的载波信号的相位呈反相，
所述第二超声波发射器发射由所述移相器进行了相移后的载波信号。
9.如权利要求6所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述第二超声波发射器具有开口部，该开口部比由所述第一超声波发射器发射的信号在该第二超声波发射器的配置位置上的发射范围更大。
10.如权利要求6所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述载波生成部由生成相同载波信号的第一载波生成部和第二载波生成部构成，
所述调制部生成用音频信号对由所述第一载波生成部生成的载波信号进行调制后的调制波信号，
所述第二超声波发射器发射由所述第二载波生成部生成的载波信号。
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