JP2003153369A - 音響再生方法・音響再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可聴音信号により振幅変調された超音波の空
間復調作用により音を再生させる音響再生方法及び装置
において、高域成分の放射効率を向上させる。 【解決手段】 可聴音信号により超音信号を振幅変調
し、この振幅変調された超音波信号を電気音響変換部６
に印加し、電気音響変換部６から放射される超音波の空
間復調作用により可聴音信号に対応する音を再生する音
響再生方法において、電気音響変換部に印加する振幅変
調された超音波信号に可聴音信号の高域成分を加算し、
この高域成分で電気音響変換部を直接駆動し、高域成分
を効率よく放射させる音響再生方法及び装置を提案す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は各種の拡声装置な
どに利用することができる音響再生方法及び音響再生装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータを用いた
テレビ会議システム（以下デスクトップ会議システム；
Desk Top Conference（ＤＴＣ）システムと呼ぶ）が普
及しつつある。これらの会議システムで相手の音声を再
生する手段には通常のスピーカを使用していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、通常のスピー
カは一般に指向性が広く、ＴＶ会議システムを使用して
いる人だけではなく、その周囲にも相手の音声（再生
音）が聞こえ、周囲に不要な騒音となって聞こえてしま
うという問題があった。これを解決する一つの方法とし
ては再生音信号で超音波信号を振幅変調した後に放射す
るというパラメトリックスピーカを用いる方法が考えら
れる。しかし、パラメトリックスピーカでは素子の共振
特性のため高音域の再生高率が中音域に比べて低いとい
う問題があった。

【０００４】この発明の目的は主に高音域の音を効率よ
く再生することができる音響再生方法及び装置を提案し
ようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明では、超音波信
号を可聴音信号で振幅変調し、この振幅変調された超音
波信号により電気音響変換部を駆動して超音波を放射
し、可聴音を再生する音響再生方法において、振幅変調
された超音波信号を可聴周波数帯域の上限周波数より高
い周波数成分の信号に帯域制限した被帯域制限超音波信
号にろ波し、可聴音信号は電気音響変換部が振動可能な
周波数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波
数までの帯域に周波数制限した被帯域制限可聴音信号に
ろ波し、これらろ波された被帯域制限超音波信号と被帯
域制限可聴音信号とを重み付け加算した信号により電気
音響変換部を駆動する音響再生方法を提案する。

【０００６】この発明では更に、音響再生方法におい
て、被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音圧
と、被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音圧の
レベル比を任意の比率に設定できるように被帯域制限超
音波信号及び被帯域制限可聴音信号との間の重み付けを
変更可能とした音響再生方法を提案する。この発明によ
る音響再生装置は超音波信号発振器と、この超音波信号
発振器が発振した超音波信号を可聴音信号で振幅変調す
る振幅変調器と、この振幅変調器で振幅変調された超音
波信号を可聴周波数帯域の上限周波数より高い周波数成
分に周波数制限された被帯域制限超音波信号にろ波する
第１フィルタと、可聴音信号を電気音響変換部が振動可
能な周波数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限
周波数までの帯域の周波数成分に周波数制限された被帯
域制限可聴音信号にろ波する第２フィルタと、これら第
１フィルタ及び第２フィルタから出力される被帯域制限
超音波信号及び被帯域制限可聴音信号を重み付け加算す
る加算器と、この加算器で重み付け加算した信号により
駆動される電気音響変換部と、によって構成した音響再
生装置を提案する。

【０００７】この発明では、超音波を利用した音響再生
装置において、加算器への被帯域制限超音波信号の供給
経路及び被帯域制限可聴音信号の供給経路の何れか一方
又は双方に被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の
音圧と、被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音
圧のレベル比を任意の比率に設定できるように、被帯域
制限超音波信号及び被帯域制限可聴音信号との間の重み
付けを調整するためのレベル調整器を設けて構成した音
響再生装置を提案する。作用 この発明による音響再生方法及び音響再生装置によれ
ば、被帯域制限超音波信号によって再生される可聴音に
被帯域制限可聴音信号によって再生される可聴音が加算
されて再生される。ここで特に被帯域制限可聴信号は電
気音響変換部が振動可能な周波数領域の下限周波数から
可聴周波数帯域の上限周波数までの周波数成分を持つか
ら、この被帯域制限可聴音信号の周波数成分は可聴周波
数帯域内では主に高音域側の周波数成分である。従っ
て、被帯域制限可聴音信号によって再生される可聴音は
可聴周波数帯域内の高域側の音が主となる。この高域側
の音が被帯域制限超音波信号によって再生される可聴音
に加算されるため、高音域の音を効率よく再生できるこ
ととなる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１にこの発明による音響再生方
法で動作する音響再生装置の一実施例を示す。図中１は
可聴音信号源、２は超音波信号発振器、３は振幅変調器
をそれぞれ示す。従来から知られている超音波を利用し
た音響再生装置は超音波信号発振器２から出力される超
音波信号を可聴音信号源１から出力される可聴音信号に
より振幅変調器３で振幅変調し、その振幅変調された超
音波信号を増幅器５で増幅した後、超音波振動子によっ
て構成される電気音響変換部６に印加し、電気音響変換
部６を駆動することにより超音波の空間復調作用によ
り、超音波のビーム上に可聴音信号源１から供給した可
聴信号に対応した可聴音を再生するものである。尚、電
気音響変換部６は複数の超音波振動子ＥＬを同一平面上
に配列して構成される。

【０００９】この発明の特徴とする点は電気音響変換部
６を駆動する信号が可聴音信号ＯＤＳ１の上限周波数ｆ
ｍａｘより高い周波数成分に帯域制限した被帯域制限超
音波信号ＵＳＳ２と、可聴周波数帯域内において電気音
響変換部６の振動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬ
（後に図２を用いて説明する）から可聴周波数帯域の上
限周波数ｆｍａｘまでの帯域に周波数制限した被帯域制
限可聴音信号ＯＤＳ２とを加算した信号とした点であ
る。この発明の特徴とする音響再生方法によれば被帯域
制限超音波信号ＵＳＳ２によって再生される可聴音に被
帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２によって再生される可聴信
号が加わるため、高音域の音を補強することができ、高
音域の音を効率よく再生できる利点が得られる。以下に
その理由を詳細に説明する。

【００１０】図２は電気音響変換部６として用いる一般
的な超音波振動子の周波数特性の一例を示す。図中曲線
Ａは電気音響変換部６として利用しようとした超音波振
動子を５０Ｈｚ〜５０ＫＨｚまでの各周波数の信号によ
り加振した際に発生する音波の音圧レベルを測定した曲
線を示す。曲線Ｂはその測定環境下における背景ノイズ
のレベルを示す。ここでは超音波振動子が発生する音波
の音圧レベルが背景ノイズのレベルより低下した状態を
超音波振動子が振動を停止したものと定義する。従っ
て、図２に示す例では低音域側のある周波数ｆＬ以下で
は、この測定に供した超音波振動子は振動していないと
見なすものである。周波数ｆＬを振動可能な周波数領域
の下限周波数と称すことにする。一般に振動可能な周波
数領域の下限周波数ｆＬは６〜７ＫＨｚ程度とされてい
る。従って、図２に示す周波数特性から、この測定に供
した超音波振動子の共振周波数は約４０ＫＨｚであり、
振動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬは約７ＫＨｚ付
近にあり、可聴周波数帯域内ではｆＬから可聴周波数帯
域の上限周波数ｆｍａｘ＝２０ＫＨｚが振動可能領域で
あることが解る。

【００１１】図１に示す電気音響変換部６として図２に
示した周波数特性を持つ超音波素子を用いたとすると、
超音波信号発振器２は４０ＫＨｚで発振させ、この４０
ＫＨｚの超音波信号をキャリアとして可聴音信号源１か
ら入力される可聴音信号ＯＤＳ１で振幅変調する。振幅
変調された超音波信号ＵＳＳ１をこの発明では第１フィ
ルタ４により可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘより
高い周波数の信号成分に周波数制限した被帯域制限超音
波信号ＵＳＳ２にろ波する。

【００１２】図１に示す実施例では第１フィルタ４を図
３に曲線Ａで示すハイパス特性とした場合を示す。一
方、可聴音信号源１から入力された可聴音信号源１から
入力された可聴音信号ＯＤＳ１は第２フィルタ８で電気
音響変換部６の可動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬ
から可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘまでの帯域に
周波数制限したた被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２にろ波
する。図１に示す実施例では第２フィルタ８によってｆ
ｍｉｎ（５０Ｈｚ）〜ｆｍａｘ（２０ＫＨｚ）の周波数
成分を持つ可聴音信号ＯＤＳ１を図３に曲線Ｂで示すバ
ンドパス特性によりｆＬ〜ｆｍａｘの周波数成分に帯域
制限した被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２にろ波した場合
を示す。

【００１３】これら第１フィルタ４及第２フィルタ８で
ろ波した被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２と被帯域制限可
聴音信号ＯＤＳ２を加算器７で加算し、その加算結果を
増幅器５で増幅して電気音響変換部６に印加することに
より、電気音響変換部６は振幅変調された被帯域制限超
音波信号ＵＳＳ２と、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２に
よって駆動される。被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２は可
聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘ以上の周波数に帯域
制限されているから、電気音響変換部６はその共振周波
数である、ここでは４０ＫＨｚの周波数で振動し、その
振動の振幅が可聴音信号ＯＤＳ１の振幅で変動する超音
波を発生する。この超音波が空気を伝搬する間に振幅変
調した可聴音信号に対応した可聴音が再生される。

【００１４】更に、この発明では第２フィルタ８から、
可聴周波数帯域の中で電気音響変換部６が振動可能な周
波数領域の下限周波数ｆＬから可聴周波数帯域の上限周
波数ｆｍａｘまでの信号に帯域制限した被帯域制限可聴
音信号ＯＤＳ２によっても駆動され可聴音を再生する。
ここで被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２は電気音響変換部
６の振動可能周波数領域の下限周波数ｆＬから可聴周波
数帯域の上限周波数までの帯域（７ＫＨｚ〜２０ＫＨ
ｚ）に制限されているから、この被帯域制限可聴音信号
ＯＤＳ２は主に可聴周波数帯域内の高音域の周波数成分
である。

【００１５】この結果、被帯域制限された超音波によっ
て再生される可聴音に、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２
で再生される可聴音を加算するから、高音域の音が補強
され、高音域の音を効率よく再生することができる。
尚、上述では振幅変調器３の振幅変調方式に関して特に
説明しなかったが、振幅変調方式が両側波帯方式である
ものとすると、超音波信号発振器２が発信する超音波信
号の周波数をｆｃとすると、この周波数ｆｃを中心にそ
の両側に下側波帯ＳＤと上側波帯ＳＵ（図１参照）とが
発生する。可聴信号ＯＤＳ１の上限周波数が２０ＫＨｚ
とした場合、下側波帯ＳＤの下限周波数はｆｃ−２０Ｋ
Ｈｚとなる。ｆｃ＝４０ＫＨｚとした場合、下側波帯Ｓ
Ｄの下限周波数は約２０ＫＨｚとなる。従って、第１フ
ィルタ４の遮断周波数を可聴周波数帯域の上限周波数２
０ＫＨｚとしたことにより、振幅変調された超音波信号
の両側波帯ＳＤ及びＳＵを全て第１フィルタ４によりろ
波して取り出すことができる。この結果、この実施例で
は超音波信号により可聴音信号の全ての周波数成分５０
Ｈｚ〜２０ＫＨｚを電気音響変換部６に印加することが
できる。

【００１６】図４は第１フィルタ４のフィルタ特性Ａと
して振幅変調された超音波信号ＵＳＳ１から可聴音信号
ＯＤＳ１の低域成分ｆｍｉｎ〜ｆＬを抽出する特性とし
た場合を示す。つまり、超音波信号発振器２が発信する
超音波信号の周波数をｆｃとした場合、振幅変調器３か
ら出力される振幅変調された超音波信号は図５に示すよ
うに、周波数ｆｃを中心に周波数ｆｃの下側と上側に下
側波帯ＳＤと上側波帯ＳＵが発生する。この下側波帯Ｓ
Ｄと上側波帯ＳＵは下側波帯ＳＤの下限周波数はｆｃ−
ｆｍａｘ、上側波帯ＳＵの上限周波数はｆｃ＋ｆｍａｘ
である。

【００１７】従って、第１フィルタ４の周波数特性Ａを
図６に示すようにｆｃ−ｆＬ，ｆｃ＋ｆＬに設定するこ
とにより、第１フィルタ４で取り出される振幅変調され
た超音波に乗せられている可聴音信号成分はｆｍｉｎ〜
ｆＬの周波数成分となり、超音波による駆動音域は図７
に曲線ＡＡとして示す特性となる。第２フィルタ８の周
波数特性を図１に示した実施例と同じ特性とすると、第
２フィルタ８側の可聴音による駆動音域は図７に曲線Ｂ
Ｂで示す特性となる。従って、この実施例でも可聴音信
号のｆｍｉｎ〜ｆｍａｘまでの音域の音を再生すること
ができることになる。

【００１８】図８及び図９は振幅変調器３が単側波帯変
調方式で動作する変調器の場合を示す。図８は下側波帯
ＳＤから成る被変調信号を出力する変調方式の場合を示
す。超音波信号の周波数をｆｃとした場合、第１フィル
タ４のフィルタ特性は図１０に示すように（ｆｃ−２０
ＫＨｚ）〜ｆｃの間の周波数成分を取り出すフィルタ特
性とすればよい。ｆｃ＝４０ＫＨｚ、ｆｍａｘ＝２０Ｋ
Ｈｚとした場合、第１フィルタ４は２０ＫＨｚ〜４０Ｋ
Ｈｚを通過帯域とするバンドパスフィルタで構成すれば
よい。この場合も、第２フィルタ８を構成するバンドパ
スフィルタから可聴音信号の音域成分に相当する被帯域
制限可聴音信号ＯＤＳ２を印加するから、可聴音信号の
高域成分を効率よく再現することができる。

【００１９】図９では振幅変調器３が上側波帯ＳＵから
成る被変調信号を出力する変調方式の場合を示す。この
場合には第１フィルタ４のフィルタ特性は図１１に示す
上側波帯ＳＵを通過させるｆｃ〜（ｆｃ＋２０ＫＨｚ）
を通過させるバンドパス特性に選定すればよい。以上説
明した両側波帯振幅変調方式と単側波帯振幅変調方式の
構成上の違いをここで簡単に説明する。図１２は両側波
帯振幅変調方式の振幅変調器の構成を示す。両側波帯振
幅変調方式の振幅変調器２１は増幅器Ｍと、加算器ＡＤ
Ｄと、乗算器ＭＵとによって構成され、その構成は比較
的簡素である。構成が簡素である半面歪みが比較的多い
難点がある。

【００２０】図１３は単側波帯変調方式の振幅変調器の
構成を示す。単側波帯変調方式の振幅変調器２２は増幅
器Ｍと、９０°移相器φ１、φ２と、乗算器ＭＵと、２
台の加算器ＡＤＤ１、ＡＤＤ２とによって構成される。
従って、この単側波帯変調方式の振幅変調器２２は図１
２に示した両側波帯変調方式の振幅変調器２１より構成
が少し複雑である。然し乍ら、単側波を取り扱うため、
効率がよい特徴を有する。その他の振幅変調方式として
は両側波帯方式の変形として両側帯域の包絡の平方根を
取った変形両側波帯方式（ＭＤＳＢ）の振幅変調方式
を、図１又は図４に示した両側波帯変調方式の振幅変調
器３に適用することもできる。この変形両側波帯方式を
用いる場合、振幅変調器の構成は多少複雑になるもの
の、歪みの発生量が少ないため、音質の向上を期待する
ことができる。尚この変形両側波帯方式に関しては必要
があれば「平面波の自己復調」青木・鎌倉・池谷・日本
音響学会誌４０巻５号（１９８４）pp.３４９〜３５６
を参照のこと。

【００２１】図１４はこの発明で提案した音響再生装置
更に他の実施例を示す。この発明では加算器７に第１フ
ィルタ４により帯域制限された被帯域制限超音波信号Ｕ
ＳＳ２を供給する信号供給路と、加算器７に第２フィル
タ８により帯域制限された被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ
２を供給する信号供給路のいずれか一方又は双方にレベ
ル調整器を設けた構成を提案するものである。図１４に
示す例では被帯域制限超音波信号の供給路及び被帯域制
限可聴音信号の供給路の双方にレベル調整器９及び１０
を挿入した実施例を示す。

【００２２】このように、レベル調整器９及び１０を設
けることにより加算器７に印加する被帯域制限超音波信
号ＵＳＳ２のレベル及び被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２
のレベルを調整し、双方の重み付けを変更することがで
きる。従って、被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２で再生さ
れる可聴音の音圧と、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２で
再生される可聴音の音圧を調整することができるから、
被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２によって再生される可聴
音の音圧と、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２によって再
生される可聴音の音圧の比がほぼ１：１となるようにレ
ベル調整器９及び１０を制御することにより、最適状態
に設定することができる。

【００２３】また特性ＡＡ及びＢＢの減衰量を適当に設
定することにより高音域側を強調した状態、或いは低音
域側を強調した状態に自由に設定することが可能にな
る。このレベル調整器９及び１０を設ける思想は図１、
図４、図８、図９に示した全ての実施例に適用すること
ができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
振幅変調された超音波信号に加えて、電気音響変換部６
を直接駆動することを可能とする可聴音信号の周波数成
分を電気音響変換部６に印加して可聴音信号により電気
音響変換部６を直接駆動する方法を採ったから、可聴音
信号の高域側を効率よく放射させることができる利点が
得られる尚、上述では可聴音信号の中で電気音響変換手
段６を直接駆動することを可能とした周波数の帯域を７
ＫＨｚ〜２０ＫＨｚとして説明したが、この発明は必ず
しもこの数値に限定するものでないことは容易に理解さ
れよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を説明するためのブロック
図。

【図２】一般的な超音波振動素子の周波数特性と超音波
振動素子の振動可能な下限周波数を説明するための特性
曲線図。

【図３】図１に示した実施例に用いた第１フィルタと第
２フィルタの特性を説明するための特性曲線図。

【図４】この発明の変形実施例を説明するためのブロッ
ク図。

【図５】図４に示した実施例の動作を説明するための曲
線図。

【図６】図４に示した実施例に用いた第１フィルタの特
性を説明するための特性曲線図。

【図７】図４に示した実施例で電気音響変換部に印加さ
れる可聴音信号成分の音域の関係を説明するための特性
曲線図。

【図８】この発明の変形実施例を説明するためのブロッ
ク図。

【図９】この発明の更に他の変形実施例を説明するため
のブロック図。

【図１０】図８に示した実施例に用いる第１フィルタの
特性を説明するための特性曲線図。

【図１１】図９に示した実施例に用いた第１フィルタの
特性を説明するための特性曲線図。

【図１２】この発明で用いた振幅変調器の内部構成の一
例を示すブロック図。

【図１３】図１２と同様の図。

【図１４】この発明の更に他の変形実施例を説明するた
めのブロック図。

【符号の説明】

１ 可聴音信号源 ７ 加算器 ２ 超音波信号発振器 ８ 第２フィル
タ ３ 振幅変調器 ９、１０ レベル調整
期 ４ 第１フィルタ ＳＵ 上側波帯 ５ 増幅器 ＳＤ 下側波帯 ６ 電気音響変換部 ＵＳＳ２ 被帯域制限
超音波信号 ＥＬ 超音波振動子 ＯＤＳ２ 被帯域制
限可聴音信号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波信号を可聴音信号で振幅変調し、
   この振幅変調された超音波信号により電気音響変換部を
   駆動して超音波を放射し、可聴音を再生する音響再生方
   法において、 前記振幅変調された超音波信号を可聴周波数帯域の上限
   周波数より高い周波数成分の信号に帯域制限した被帯域
   制限超音波信号にろ波し、前記可聴音信号は前記電気音
   響変換部が振動可能な周波数帯域の下限周波数から可聴
   周波数帯域の上限周波数までの帯域に周波数制限した被
   帯域制限可聴音信号にろ波し、これらろ波された被帯域
   制限超音波信号と被帯域制限可聴音信号とを重み付け加
   算した信号により前記電気音響変換部を駆動することを
   特徴とする音響再生方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の音響再生方法において、
   前記被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音圧
   と、前記被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音
   圧のレベル比を任意の比率に設定できるように前記被帯
   域制限超音波信号及び前記被帯域制限可聴音信号との間
   の重み付けを変更可能としたことを特徴とする音響再生
   方法。
3. 【請求項３】 超音波信号発振器と、 この超音波信号発振器が発振した超音波信号を可聴音信
   号で振幅変調する振幅変調器と、 この振幅変調器で振幅変調された超音波信号を可聴周波
   数帯域の上限周波数より高い周波数成分に周波数制限さ
   れた被帯域制限超音波信号にろ波する第１フィルタと、 前記可聴音信号を前記電気音響変換部が振動可能な周波
   数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波数ま
   での帯域の周波数成分に周波数制限された被帯域制限可
   聴音信号にろ波する第２フィルタと、 これら第１フィルタ及び第２フィルタから出力される前
   記被帯域制限超音波信号及び被帯域制限可聴音信号を重
   み付け加算する加算器と、 この加算器で重み付け加算した信号により駆動される電
   気音響変換部と、 によって構成したことを特徴とする音響再生装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の音響再生装置において、
   前記加算器への前記被帯域制限超音波信号の供給経路及
   び被帯域制限可聴音信号の供給経路の何れか一方又は双
   方に前記被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音
   圧と、前記被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の
   音圧のレベル比を任意の比率に設定できるように、前記
   被帯域制限超音波信号及び前記被帯域制限可聴音信号と
   の間の重み付けを調整するためのレベル調整器を設けて
   構成したことを特徴とする音響再生装置。