JP2005039438A - 超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の入力音圧による再生範囲の制御に比して、より自由度の高い再生範囲制御を行うこと。
【解決手段】可聴周波数波発振源１０と、キャリア波発振源１２と、キャリア波を信号波で変調する変調器１８と、変調器１８から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサ２２とを有し、再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、超音波トランスデューサ２２は、広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサであり、再生信号の再生範囲を指定するためのデータを設定し、保持する再生範囲設定部１４と、再生範囲設定部１４の設定内容を参照し、設定された再生範囲となるようキャリア波の周波数を変更するようにキャリア波発振源１２を制御する再生範囲制御処理部１６とを有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波に対する媒質（空気）の非線形性を用いて可聴周波数帯の信号音を再生させるとともに、可聴周波数帯の信号音が再生される範囲を制御することができる超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超音波に対する媒質（空気）の非線形性を利用した超音波スピーカが、通常のスピーカに比べてはるかに鋭い指向性を持つ可聴周波数帯の信号を再生し得ることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
従来の超音波スピーカの構成を図５に示す。同図において、超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号を生成する可聴周波数波発振源５１と、キャリア波を生成するキャリア波発振源５２と、変調器５３と、パワーアンプ５４と、超音波トランスデューサ５５とを有している。
【０００３】
上記構成において、可聴周波数波発振源５１より出力される信号波によってキャリア波発振源５２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器５３により変調し、パワーアンプ８４で増幅した変調信号により超音波トランスデューサ５５を駆動する。この結果、上記変調信号が超音波トランスデューサ５５により有限振幅レベルの音波に変換され、この音波は媒質中（空気中）に放射されて媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音が再生されるようになっている。
この場合、可聴周波数帯の再生信号の再生範囲は、超音波トランスデューサ５５から放出軸方向へのビーム状の範囲となる。ここで、「再生信号の再生範囲」とは超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離と、超音波ビームのビーム幅（ビーム放射角）との両者を含む。
【０００４】
ここで、従来の超音波スピーカに使用されている超音波トランスデューサの構成を図６に示す。従来の超音波トランスデューサ（あるいは振動トランスデューサ）は、振動素子として圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。図６に示す超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いて電気信号から超音波への変換と、超音波から電気信号への変換（超音波の送信と受信）の両方を行う。図６（Ａ）に示すバイモルフ型の超音波トランスデューサは、２枚の圧電セラミック６１および６２と、コーン６３と、ケース６４と、リード６５および６６と、スクリーン６７とから構成されている。
【０００５】
圧電セラミック６１および６２は、互いに貼り合わされていて、その貼り合わせ面と反対側の面にそれぞれリード６５とリード６６が接続されている。
一方、図６（Ｂ）に示すユニモルフ型の超音波トランスデューサは、１枚の圧電セラミック７１と、ケース７２と、リード７３および７４と、内部配線７５と、ガラス７６とから構成されている。圧電セラミック７１は、内部配線７５を介してリード７３が接続されるとともに、ケース７２に接地されている。
共振型の超音波トランスデューサは、圧電セラミックの共振現象を利用しているので、超音波の送信および受信の特性がその共振周波数周辺の比較的狭い周波数帯域で良好となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５８−１１９２９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波スピーカ（図５）では、圧電セラミックを用いた共振型である為、固定の共振周波数付近でしかキャリア信号周波数を変動させることができない為、再生範囲の制御という部分においては、通常のスピーカと同じく入力音圧の高低で調節することしかできないという問題が有った。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、従来の入力音圧による再生範囲の制御に比して、より自由度の高い再生範囲制御を行うことができる超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のポイントは、広周波数帯域の音響信号（音波）を発振できる超音波トランスデューサを用いて、キャリア波の周波数を変更することにより可聴周波数帯の再生信号の再生範囲を制御することにある。
一般に、超音波が媒体中（空気中）を伝播する際、媒質の粘性による減衰量は周波数の２乗に比例する。この為、音波の周波数帯が高くなればなるほど、その到達距離は短くなる。キャリア波の到達距離を制御することに伴い、媒質（空気）の非線形性による可聴周波数帯の再生信号の到達距離も制御されることになる。すなわち、キャリア波の周波数と再生信号の到達距離は相関がある。
また、キャリア波の周波数が高くなるほど、そのビーム幅は狭く、低くなるほどビーム幅は広くなるという関係がある。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサを駆動することにより可聴波周波数帯の信号音を再生させる再生範囲を制御する超音波スピーカの信号音再生制御方法であって、指定された再生範囲で再生音が再生されるように前記キャリア波の周波数を変更することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波スピーカの信号音再生制御方法において、前記超音波トランスデューサは、広周波数帯域の音響信号を発振できる静電型トランスデューサであることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有し、可聴波周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、前記超音波トランスデューサは、広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサであり、再生信号の再生範囲を指定するためのデータを設定し、保持する再生範囲設定手段と、前記再生範囲設定手段の設定内容を参照し、設定された再生範囲となるよう前記キャリア波の周波数を変更するように前記キャリア波供給手段を制御する再生範囲制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波スピーカにおいて、前記再生範囲制御手段は、再生範囲を規定する前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離と前記キャリア波の周波数との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶手段を有し、前記再生範囲設定手段に再生範囲を示すデータが設定された際に、前記テーブルを参照して変更すべきキャリア波の周波数を求め、該周波数のキャリア波を生成するように前記キャリア波供給手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３または４のいずれかに記載の超音波スピーカにおいて、前記超音波トランスデューサは、広周波数帯域の音響信号を発振できる静電型トランスデューサであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を図１に示す。同図において、超音波スピーカ１は可聴周波数波発振源１０と、キャリア波発振源１２と、再生範囲設定部１４と、再生範囲制御処理部１６と、変調器１８と、パワーアンプ２０と、超音波トランスデューサ２２とを有している。
【００１５】
可聴周波数波発振源１０は可聴周波数帯の信号波を生成する機能を有する。
また、キャリア波発振源１２は、超音波周波数帯の周波数のキャリア波を生成する機能を有する。
再生範囲設定部１４は、操作用キー、つまみ等の操作手段を有しており、ユーザが再生信号の再生範囲を指定するためのデータを入力できるようになっており、該データが入力されると、該データを設定し、保持する機能を有している。再生信号の再生範囲の設定は、超音波トランスデューサ２２の音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離を指定することに行われる。可聴周波数波発振源１０は本発明の信号源に相当する。
【００１６】
再生範囲制御処理部１６は、再生範囲設定部１４の設定内容を参照し、設定された再生範囲となるようキャリア波発振源１２により生成されるキャリア波の周波数を変更するようにキャリア波発振源１２を制御する機能を有する。
例えば、再生範囲設定部１４の内部情報として、キャリア波周波数が５０ｋＨｚに対応する上記距離が設定されている場合、キャリア波発振源１２に対して５０ｋＨｚで発振するように制御する。
再生範囲制御処理部１６は、再生範囲を規定する超音波トランスデューサ２２の音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離とキャリア波の周波数との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶部１６０を有している。このテーブルのデータは、キャリア波の周波数と上記再生信号の到達距離との関係を実際に計測することにより得られる。記憶部１６０は本発明の記憶手段に相当する。
【００１７】
再生範囲設定部１４に再生範囲を示すデータが設定された際に、上記テーブルを参照して変更すべきキャリア波の周波数を求め、該周波数のキャリア波を生成するようにキャリア波発振源１２を制御する。
なお、上記記憶手段は、再生範囲設定部１４に設けるようにしてもよい。
再生範囲設定部１４は本発明の再生範囲設定手段に、再生範囲制御処理部１６は本発明の再生範囲制御手段に、それぞれ相当する。
【００１８】
キャリア波発振源１２は再生範囲制御処理部に指示された周波数のキャリア波を生成し、変調器１８に供給する。
変調器１８はキャリア波発振源１２から供給されるキャリア波を可聴周波数波発振源１０より出力される信号波でＡＭ変調し、変調信号をパワーアンプ２０に出力する機能を有する。キャリア波発振源１２は本発明のキャリア波供給手段に、変調器１８は本発明の変調手段に、それぞれ相当する。
【００１９】
超音波トランスデューサ２２は、変調器１８からパワーアンプ２０を介して出力される変調信号により駆動され、該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射し、可聴周波数帯の信号音（再生信号）を再生する機能を有する。この超音波トランスデューサ２２は、例えば、広周波数帯域の音響信号（超音波）を発振できる静電型トランスデューサである。超音波トランスデューサ２２は、広周波数帯域の音響信号を発振できるものであれば、静電型のものでなくてもよい。
【００２０】
超音波トランスデューサ２２の具体的構成を図２に示す。図２に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフクレート樹脂）等の誘電体３１（絶縁体）を用いている。誘電体３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極３３が誘電体３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極３３は、リード５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板３５に固定されている。
【００２１】
また、上電極３２は、リード５３が接続されており、このリード５３は直流バイアス電源５０に接続されている。この直流バイアス電源５０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。５１は交流信号源であり、図１におけるパワーアンプ２０の出力（ＡＣ５０〜１５０Ｖｐ−ｐ）に相当する。
誘電体３１および上電極３２ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられてる。
【００２２】
下電極３３の誘電体３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極３３の表面を手作業でヤスリで荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、超音波トランスデューサの周波数特性が図３において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。
【００２３】
上記構成の超音波トランスデューサ２２では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３１と下電極３３との間に変調信号（パワーアンプ２２の出力）が印加されるようになっている。因みに、図３に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０ｋＨｚであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５ｋＨｚの周波数において最大音圧に対して−３０ｄＢである。これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０ｋＨｚから１００ｋＨｚ付近まで平坦で、１００ｋＨｚで最大音圧に比して±６ｄＢ程度である。
【００２４】
上記構成からなる本発明の実施形態に係る超音波スピーカの動作について説明する。再生範囲設定部１４により、再生信号の再生範囲（超音波トランスデューサ２２の音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離）が設定されると、再生範囲制御処理部１６は、再生範囲設定部１４の設定データを取りこみ、内蔵する記憶手段に格納されている超音波トランスデューサ２２の音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離とキャリア波の周波数との関係を示すテーブルを参照し、キャリア波発振源１２が生成すべきキャリア波の周波数を求め、該周波数のキャリア波を生成するようにキャリア波発振源１２を制御する。
【００２５】
この結果、キャリア波発振源１２は、再生範囲設定部１４で設定された再生信号の上記到達距離に対応する周波数のキャリア波を生成し、変調器１８に出力する。
一方、変調器１８には可聴周波数波発振源１０より可聴周波数帯の信号波が入力される。変調器１８では、キャリア波発信源１４から入力されたキャリア波を可聴周波数波発振源１０より入力された低周波信号でＡＭ変調し、該変調信号をパワーアンプ２０に出力する。
【００２６】
パワーアンプ２０により増幅された変調信号は、超音波トランスデューサ２２の上電極３２と下電極３３との間に印加され、該変調信号は、有限振幅レベルの音波（音響信号）に変換され、媒質（空気中）に放射される。
ここで、媒質（空気）の非線形効果について簡単に述べておくと、超音波トランスデューサにより媒質中（空気中）に放射された超音波の伝播において、その伝播に伴い音圧の高い部分では音速が高くなり、音圧の低い部分では音速は遅くなる。この結果、波形の歪みが発生することが知られている。
【００２７】
放射する超音波帯域の信号（キャリア波）を可聴周波数帯の信号で変調（ＡＭ変調）しておいた場合には、上記波形歪みの結果により、変調時に用いた可聴周波数帯の信号波が自己復調する形で形成されてくることも知られている。その際、再生信号の広がりは超音波の特性からビーム状となり、通常のスピーカとは全く異なる特定方向のみに音が再生される。
本実施形態に係る超音波スピーカ１による再生時の状態を図４に示す。再生範囲設定部１４により再生範囲として超音波スピーカ１における超音波トランスデューサ２２の音波放射面から音波の放射軸Ｚ方向に比較的近い距離Ｄ１が設定された場合には、距離Ｄ１に対応するキャリア波の周波数が例えば、１００ｋＨｚとなり距離Ｄ１の範囲で再生信号が再生される。
【００２８】
また、距離Ｄ１より遠い距離Ｄ２が再生範囲設定部１４により設定された場合には、距離Ｄ２に対応するキャリア波の周波数が例えば、４０ｋＨｚとなり距離Ｄ２の範囲で再生信号が再生される。なお、キャリア波の周波数の高低により超音波トランスデューサ２２より放射される音波のビーム幅が変化するので、超音波トランスデューサ２２の音波放射面から音波の放射軸Ｚ方向に距離Ｄを設定することにより、ビーム幅も同時に決定されることとなる。
【００２９】
本実施形態に係る超音波スピーカによれば、広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサを用いて、指定された再生範囲で再生音が再生されるように前記キャリア波の周波数を変更し、該変更されたキャリア波を信号源からの可聴周波数帯の信号波により変調した変調信号により上記超音波トランスデューサを駆動するようにしたので、従来の入力音圧による再生範囲の制御に比して、より自由度の高い再生範囲制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した本発明の実施形態に係る超音波スピーカにおける超音波トランスデューサの具体的構成を示す図。
【図３】図２に示した超音波トランスデューサの周波数特性を示す特性図。
【図４】本発明の実施形態に係る超音波スピーカによる再生信号の再生時の状態を示すイメージ図。
【図５】従来の超音波スピーカの構成を示すブロック図。
【図６】共振型の超音波トランスデューサの構成例を示す図。
【符号の説明】
１０…可聴周波数波発振源
１２…キャリア波発振源
１４…再生範囲設定部
１６…再生範囲制御処理部
１８…変調器
２０…パワーアンプ
２２…超音波トランスデューサ

Claims (5)

1. 可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサを駆動することにより可聴波周波数帯の信号音を再生させる再生範囲を制御する超音波スピーカの信号音再生制御方法であって、指定された再生範囲で再生音が再生されるように前記キャリア波の周波数を変更することを特徴とする超音波スピーカの信号音再生制御方法。
2. 前記超音波トランスデューサは、広周波数帯域の音響信号を発振できる静電型トランスデューサであることを特徴とする請求項１に記載の超音波スピーカの信号音再生制御方法。
3. 可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有し、可聴波周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、
   前記超音波トランスデューサは、広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサであり、
   前記再生信号の再生範囲を指定するためのデータを設定し、保持する再生範囲設定手段と、
   前記再生範囲設定手段の設定内容を参照し、設定された再生範囲となるよう前記キャリア波の周波数を変更するように前記キャリア波供給手段を制御する再生範囲制御手段と、を有することを特徴とする超音波スピーカ。
4. 前記再生範囲制御手段は、再生範囲を規定する前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離と前記キャリア波の周波数との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶手段を有し、
   前記再生範囲設定手段に再生範囲を示すデータが設定された際に、前記テーブルを参照して変更すべきキャリア波の周波数を求め、該周波数のキャリア波を生成するように前記キャリア波供給手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の超音波スピーカ。
5. 前記超音波トランスデューサは、広周波数帯域の音響信号を発振できる静電型トランスデューサであることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の超音波スピーカ。

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