JP2005080227A - Method for providing sound information, and directional sound information providing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、広帯域の超音波トランスデューサを使用して指向性の高い音響空間を形成するとともに、対象人物の位置や動きに合わせて、該音響空間を移動させることが可能な音声情報提供方法及び指向型音声情報提供装置に関する。 The present invention provides a sound information providing method and directivity capable of forming a highly directional acoustic space using a broadband ultrasonic transducer and moving the acoustic space in accordance with the position and movement of a target person. The present invention relates to a type audio information providing apparatus.
博物館や美術館などでの展示解説や、券売機やATM(Automatic Teller Machine)などでの操作説明など、ある特定の領域(場所)にいる人にのみ音声情報を提供したいというシーンは多い。このような場合、従来のスピーカは一般的に指向性が強くないため、案内対象人物の周辺にいる人達にも聞こえてしまい、案内を必要としていない人にとっては騒音となってしまうというような問題がある。 There are many scenes where you want to provide audio information only to people in a specific area (location), such as exhibition explanations at museums and art museums, and explanations of operations at ticket machines and ATMs (Automatic Teller Machines). In such a case, the conventional speaker is generally not strong in directivity, so it can be heard by people around the guidance target person, and it can be a noise for those who do not need guidance. There is.
また、別の案内を必要としている人に対しては、不要な情報を提供してしまうことになり、かえって惑わせてしまうというような問題がある。
これに対し、空気の非線形性による自己復調の原理を応用した指向性の強いスピーカが提案されている(特許文献1、2参照)。
高音圧の超音波搬送波を可聴音信号で振幅変調して空中に放射すると、空気の非線形性により、音圧の高いところでは音速が高くなり、低いところでは音速が低くなって、波形に歪みが発生する。
In addition, there is a problem in that unnecessary information is provided to a person who needs another guidance, which is rather confusing.
On the other hand, a loudspeaker having a strong directivity applying the principle of self-demodulation due to air nonlinearity has been proposed (see
When an ultrasonic carrier wave with high sound pressure is amplitude-modulated with an audible sound signal and radiated into the air, the sound speed increases at high sound pressure, and the sound speed decreases at low sound pressure due to air nonlinearity. Occur.
この結果、音波が空中を伝搬するに従い波形に歪みが蓄積されて徐々に搬送波成分が減衰し、変調に用いた可聴音成分が自己復調されてくることが知られている。この現象はパラメトリックアレイと呼ばれており、この原理を応用したスピーカはパラメトリックスピーカ(超音波スピーカ)や超指向性スピーカなどと呼ばれている。以下、本明細書では超音波スピーカと記す。超音波で搬送することによって自己復調された可聴音は鋭い指向性を有することから、超音波スピーカは局所的なアナウンスや展示解説、操作案内などに利用されている。
ところで、音波が空中を伝搬する際、音波の伝搬に伴う空気中粒子の振動の結果、粘性及び熱伝導によってエネルギーを失う。このような空気の吸収によるエネルギー減衰の大きさは、音波の周波数の2乗に比例するため、周波数が高くなるほど音波の到達距離は短くなる。逆に言えば、搬送波の周波数を変えることで、自己復調される音圧、すなわち再生音圧を変えることなく到達距離を変えることができる。 By the way, when a sound wave propagates in the air, energy is lost due to viscosity and heat conduction as a result of vibration of particles in the air accompanying the propagation of the sound wave. Since the magnitude of energy attenuation due to such air absorption is proportional to the square of the frequency of the sound wave, the higher the frequency, the shorter the sound wave reach. In other words, by changing the frequency of the carrier wave, the reach distance can be changed without changing the self-demodulated sound pressure, that is, the reproduction sound pressure.
上記従来の超音波スピーカは、振動体に圧電素子を用いた共振型の超音波トランスデューサが用いられているが、共振型トランスデューサはその発振原理上、図9に示すように振動周波数特性の帯域は狭い(狭帯域)。このため、上記従来の共振型トランスデューサを用いた超音波スピーカでは、音響情報の到達範囲を制御する(変化させる)には向いていない。 The conventional ultrasonic speaker uses a resonance type ultrasonic transducer using a piezoelectric element as a vibrating body. However, the resonance type transducer has a vibration frequency characteristic band as shown in FIG. Narrow (narrow band). For this reason, the ultrasonic speaker using the conventional resonant transducer is not suitable for controlling (changing) the reach of acoustic information.
さらに、人の動きや経路に沿って情報提供(案内)を行うためには、上記従来のスピーカでは、複数のスピーカを設置するか、案内対象の動きに合わせて機械的にスピーカを走査する必要があるため、設置スペースがかさむうえに、コストも高くなるという問題があった。 Furthermore, in order to provide information (guidance) along a person's movement and route, the conventional speaker needs to have a plurality of speakers or mechanically scan the speaker according to the movement of the guidance target. Therefore, there is a problem that the installation space is increased and the cost is increased.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、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使用して指向性の高い音響空間を形成するとともに、対象人物の位置や動きに合わせて、該音響空間を移動させたり、提供する音声情報を変更したりすることが可能な音声情報提供方法及び指向型音声情報提供装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and forms an acoustic space with high directivity using an ultrasonic transducer capable of oscillating an acoustic signal in a wide frequency band. Accordingly, an object of the present invention is to provide a voice information providing method and a directional voice information providing apparatus capable of moving the acoustic space and changing the voice information to be provided.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、対象人物の位置を計測する位置計測手段と、音声情報を出力する音声情報出力手段を用い、位置計測手段の出力に基づいて対象人物を追尾しながら、該対象人物の位置に応じて前記音声情報出力手段により音声情報を提供する空間範囲と、提供する音声情報の内容を動的に変更することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention described in
また、請求項2に記載の発明は、対象人物に対して音声情報を提供する指向型情報提供装置であって、対象人物の位置を計測する位置計測手段と、音声情報を複数パターン有し、前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じて前記音声情報となる信号波を選択的に出力する音声情報切換手段と、前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じてキャリア波の周波数を変更して出力するキャリア波生成手段と、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広周波数帯域の音響信号を発振することができる超音波トランスデューサと、各部の動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の指向型音声情報提供装置前記超音波トランスデューサの音波放射軸の角度を機械的に変更する駆動手段を有し、前記制御手段は、前記対象人物の位置に応じて前記超音波トランスデューサの音波放射軸の角度を変更するように前記駆動手段を制御することを特徴とする。
The invention described in
また、請求項4に記載の発明は、対象人物に対して音声情報を提供する指向型情報提供装置であって、対象人物の位置を計測する位置計測手段と、音声情報を複数パターン有し、前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じて前記音声情報となる信号波を選択的に出力する音声情報切換手段と、前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じてキャリア波の周波数を変更して出力するキャリア波生成手段と、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広周波数帯域の音響信号を発振することができる複数の超音波トランスデューサと、前記複数の超音波トランスデューサの各々に入力される前記変調信号の位相をシフトする複数の移相器と、前記複数の移相器の移相量を調整して前記複数の超音波トランスデューサから出力される超音波の放射方向角を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項5に記載の発明は、請求項2乃至4のいずれかに記載の指向型音声情報提供装置において、前記位置計測手段は、広周波数帯域の音響信号を発振することができる超音波トランスデューサを含んで構成され、該超音波トランスデューサを、音声情報出力用の超音波トランスデューサと兼用することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the directional audio information providing apparatus according to any one of the second to fourth aspects, the position measuring means is an ultrasonic wave capable of oscillating an acoustic signal in a wide frequency band. A transducer is included, and the ultrasonic transducer is also used as an ultrasonic transducer for outputting voice information.
また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の指向型音声情報提供装置において、前記制御手段は、前記対象人物の位置を計測する位置計測モードと、音声情報を出力する音声情報出力モードとを切り換えて動作させることを特徴とする。
Further, the invention according to
また、請求項7に記載の発明は、請求項2乃至6のいずれかに記載の指向型音声情報提供装置において、前記制御手段は、前記位置計測手段により広い空間領域を超音波で走査させ、対象人物の存在を検知した状態をトリガーとして、音声情報提供動作を開始することを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the directional audio information providing apparatus according to any one of
本発明によれば、位置を限定して音声情報を提供することができるため、案内を必要としている人のみに情報を提供することができるとともに、案内を必要としていない人を不要な情報で惑わせてしまうことがない。
また、人の移動に合わせて音声情報の内容を変更しながら提供することができるため、丁寧かつ確実な情報提供(案内)を実現することができる。特に、視覚障害者の案内などには有効である。例えば、超音波トランスデューサを使えば、煙等で視界がなくなった状態でも人物(動体)を検出することできるため、非常時の確実な避難誘導を行うことも可能になる。
According to the present invention, since voice information can be provided by limiting the position, information can be provided only to a person who needs guidance, and a person who does not need guidance is confused with unnecessary information. I won't let you down.
In addition, since the information can be provided while changing the contents of the voice information in accordance with the movement of the person, it is possible to realize a polite and reliable information provision (guidance). This is particularly effective for guiding visually handicapped persons. For example, if an ultrasonic transducer is used, a person (moving object) can be detected even when the field of view is lost due to smoke or the like, so that it is possible to perform reliable evacuation guidance in an emergency.
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。本発明の第1実施形態に係る指向型音声情報提供装置の構成を図1に示す。この音声情報提供装置は、対象人物の位置を計測する位置計測手段と、音声情報を出力する音声情報出力手段を用い、位置計測手段の出力に基づいて対象人物を追尾しながら、該対象人物の位置に応じて前記音声情報出力手段により音声情報を提供する空間範囲と、提供する音声情報の内容を動的に変更することを特徴とする音声情報提供方法を実施するための装置である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a directional audio information providing apparatus according to the first embodiment of the present invention. The audio information providing apparatus uses a position measuring unit that measures the position of the target person and a voice information output unit that outputs audio information, and tracks the target person based on the output of the position measuring unit. An apparatus for carrying out a voice information providing method characterized by dynamically changing a spatial range in which voice information is provided by the voice information output means according to a position and contents of the voice information to be provided.
図1において、本発明の第1実施形態に係る指向型音声情報提供装置は、音声情報を提供する対象人物Pの位置を計測する位置計測部1と、キャリア波を生成するキャリア波生成部2と、提供する音声情報(信号波)を出力する音声情報切換部3と、変調器4と、パワーアンプ5と、超音波トランスデューサ6と、トランスデューサ駆動部7と、各部を制御する制御部8とを有している。
In FIG. 1, a directional audio information providing apparatus according to a first embodiment of the present invention includes a
本実施形態に好適な位置計測部1の具体的な構成の一例を図2に示す。位置計測部1は、第1の超音波トランスデューサ10(TS1)と、第2の超音波トランスデューサ11(TS2)と、信号発生部12と、超音波受信部13(RS)と、バンドパスフィルタ部14−1(BPF−A)〜14−n(BPF−S)と、カウンタ部15−1(A)〜15−n(S)と、統合計測部16とを有している。
An example of a specific configuration of the
この位置計測部1は、超音波トランスデューサから出力される超音波が、周波数に応じて超音波の指向特性(指向角度)が異なることを利用し、超音波トランスデューサの発振周波数による空間コード化(空間を分割し、それぞれに識別符号をつける)を行うこと、すなわち超音波トランスデューサから出力される超音波の発振周波数と、超音波の放射領域となる空間領域とを対応づけることにより、広周波数帯域発振型の、少数の超音波トランスデューサを用いることにより、横方向(距離方向に対して垂直な方向)の空間分解能の高い位置計測を行うものである。
This
第1の超音波トランスデューサ10(TS1)は、目標物に対して超音波を放射する広い周波数帯域にわたって超音波を発振する機能を有している。第1の超音波トランスデューサ10は、複数の周波数のバースト波を生成し、出力する。このために、第1の超音波トランスデューサ10には、広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサを用いる。第1の超音波トランスデューサ10には、例えば、静電型の超音波トランスデューサを用いる。
The first ultrasonic transducer 10 (TS1) has a function of oscillating ultrasonic waves over a wide frequency band for radiating ultrasonic waves to a target. The first
第2の超音波トランスデューサ11(TS2)は、単一の周波数の超音波を生成し、出力する。したがって、第2の超音波トランスデューサ11(TS2)は、第1の超音波トランスデューサ10のように、広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサである必要はなく、圧電型の狭周波数帯域発振型の超音波トランスデューサを用いてもよい。
第2の超音波トランスデューサ11(TS2)は、第1の超音波トランスデューサ10の音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域のうちの特定領域に単一の周波数の超音波を放射する機能を有している。
The second ultrasonic transducer 11 (TS2) generates and outputs a single frequency ultrasonic wave. Therefore, unlike the first
The second ultrasonic transducer 11 (TS2) specifies a spatial region that is an ultrasonic radiation region centered on the ultrasonic radiation axis that is the normal direction of the sound radiation surface of the first
信号発生部12は、第1の超音波トランスデューサ10(TS1)、第2の超音波トランスデューサ11(TS2)を駆動するためのバースト信号を、それぞれ生成し、第1の超音波トランスデューサ10(TS1)、第2の超音波トランスデューサ11(TS2)に供給する。
信号発生部12は、第1の超音波トランスデューサ10(TS1)へは、時系列的に段階的に周波数が変化するバースト信号を生成し、供給する。すなわち、信号発生部12は、第1の超音波トランスデューサ10の発振周波数を、例えば、最初は低くし、時系列的に、かつ段階的に高くなるバースト波を生成して第1の超音波トランスデューサ10に供給する。このように駆動することで、空間に放射される超音波のバースト波は、最初のうちは大きな指向角度を有し、段階的にその指向角度が小さく(鋭く)なっていく。
The
The
また、信号発生部12は、第2の超音波トランスデューサ11(TS2)へは、単一の周波数のバースト信号を生成し、供給する。
さらに、信号発生部12は、各バースト信号出力と同期して、カウンタ部15−1〜15−n内の各カウンタのカウントアップを開始させるトリガ゛信号(trg−A,trg−B,…,trg−S)をそれぞれ出力する。また、信号発生部12は、第1、第2の超音波トランスデューサ10、11に出力するバースト信号の出力タイミング及び、バースト信号の出力期間を示す時間情報である計測時間情報を統合計測部16に対して出力する。この計測時間情報は、統合計測部16において、信号処理に必要となる時間情報である。
また、後述するように、統合計測部16は、第1、第2の超音波トランスデューサ10、11の発振周波数と、該発振周波数に対する超音波の放射空間領域とを予め対応付けたテーブルを有している。このため、第1.第2の超音波トランスデューサ10、11を上述したように駆動することで、超音波放射空間を仮想的に分割し、分割された各空間領域に対して発振周波数を対応づける(空間コード化を行う)ことが可能になる。
In addition, the
Further, the
As will be described later, the integrated
超音波受信部13(RS)は、超音波トランスデューサ10、11から出力され、目標物(対象人物)で反射した超音波の反射波を受信する機能を有している。超音波受信部13(RS)は、本実施形態では、第1の超音波トランスデューサ10で用いた静電型超音波トランスデューサを用い、直流バイアスを印加した状態で、両電極間に生じる電圧変動を検出することにより、広周波数帯域の超音波信号(反射波)を電気信号に変換する超音波受信部13(RS)を構成することができる。
The ultrasonic receiving unit 13 (RS) has a function of receiving a reflected wave of an ultrasonic wave output from the
バンドパスフィルタ部14−1(BPF−A)〜14−n(BPF−S)は、それぞれ、バンドパスフィルタを有し、超音波受信部13(RS)により受信した超音波の反射波を周波数毎に分離する機能を有している。バンドパスフィルタ部14−1(BPF−A)〜14−n(BPF−S)内の各バンドパスフィルタの通過帯域はそれぞれ異なり、通過帯域が互いにオーバーラップしないようなフィルタ周波数特性とする。(各フィルタの通過帯域は、信号発生部12で生成する各バースト波周波数を通過帯域幅の中心周波数とし、それ以外のバースト波周波数成分を遮断するようなフィルタ特性とする。)
Each of the bandpass filter units 14-1 (BPF-A) to 14-n (BPF-S) has a bandpass filter, and the frequency of the reflected wave of the ultrasonic wave received by the ultrasonic wave receiving unit 13 (RS). It has a function to separate each. The passbands of the bandpass filters in the bandpass filter units 14-1 (BPF-A) to 14-n (BPF-S) are different from each other, and the filter frequency characteristics are set so that the passbands do not overlap each other. (The pass band of each filter has a filter characteristic such that each burst wave frequency generated by the
また、カウンタ部15−1(A)〜15−n(S)は、バンドパスフィルタ部14−1(BPF−A)〜14−n(BPF−S)により分離された周波数成分毎の反射波となる超音波の送信時点から受信時点までの時間を計測する機能を有する。
カウンタ部15−1(A)〜15−n(S)内の各カウンタは、信号発生部12から出力される各トリガー信号(trg−A,trg−B,…,trg−S)に同期してそれぞれ計数値がリセットされてカウントアップが開始され、各バンドパスフィルタ部14−1(BPF−A)〜14−n(BPF−S)から出力される反射波検出信号(detA,detB,…,detS)に同期してカウントアップが終了する。
The counter units 15-1 (A) to 15-n (S) are reflected waves for each frequency component separated by the bandpass filter units 14-1 (BPF-A) to 14-n (BPF-S). It has the function to measure the time from the transmission time of the ultrasonic wave to become the reception time.
Each counter in the counter units 15-1 (A) to 15-n (S) is synchronized with each trigger signal (trg-A, trg-B,..., Trg-S) output from the
統合計測部16はカウンタ部15−1(A)〜15−n(S)の出力cnt−A〜cnt−Sに基づいて、各周波数成分に対して、バースト波を発信してからその反射波を受信するまでの時間をそれぞれ計測し、これらの計測結果を統合して、対象人物が存在する空間領域及び前記目標物までの距離を算出し、上記対象人物の位置を決定する。
統合計測部16は、第1、第2の超音波トランスデューサ10、11の発振周波数と、該発振周波数のときに前記超音波トランスデューサの音波放射面の法線方向である超音波放射軸を中心とする超音波の放射領域となる空間領域とを予め対応付けたテーブルを記憶する記憶手段を有しており、超音波受信部13が受信した超音波の反射波の周波数から前記テーブルを参照して目標物である対象人物が存在する空間領域を同定し、超音波の送信時点から受信時点までの時間から前記対象人物までの距離を算出する。
Based on the outputs cnt-A to cnt-S of the counter units 15-1 (A) to 15-n (S), the integrated measuring
The integrated
ところで、本実施形態における位置計測部1では、横方向の計測範囲を広くかつ空間分解能の高い計測を行うために、送受信部にそれぞれ広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサを用い、発振(送信)周波数を段階的に変更して時系列的に計測を行う構成を示したが、これに限るものではない。例えば、狭い通路における情報提供の用途など、距離計測のみで対応できるような用途においては、一般によく用いられている圧電型(狭帯域型)の超音波トランスデューサを上記送受信部にそれぞれ用い得ることも当然可能である。
また、本実施形態では、位置計測部1を構成する距離センサとして、超音波トランスデューサを使用したが、これに限らず、赤外線センサ、イメージセンサ等のセンサを使用して位置計測部1を構成するようにしてもよい。
次に、キャリア波生成部2の構成を図3に示す。同図において、キャリア波生成部2は、周波数制御部20と、周波数情報記憶部21と、キャリア波発振源22とを有している。
周波数情報記憶部21には、目標物である対象人物までの距離とキャリア波発振源の発振周波数との関係を示すテーブルが記憶されている。
By the way, in the
In the present embodiment, an ultrasonic transducer is used as a distance sensor that constitutes the
Next, the configuration of the
The frequency
対象人物までの距離とキャリア波発振源の発振周波数との関係を、例えば、対象人物が音声情報提供装置に近づくにつれて、すなわち、対象人物までの距離が短くなるにつれてキャリア波の周波数を高くするように設定することで、提供する音声情報が対象人物までの距離が遠い場合には遠くまで到達し、近い場合には近距離のみに到達する音響空間を形成することが可能になる。 The relationship between the distance to the target person and the oscillation frequency of the carrier wave oscillation source is set such that, for example, the frequency of the carrier wave is increased as the target person approaches the audio information providing apparatus, that is, as the distance to the target person decreases. By setting to, it is possible to form an acoustic space in which the audio information to be provided reaches far when the distance to the target person is long, and only reaches a short distance when the distance is close.
周波数制御部20は、位置計測部1より入力された対象人物までの距離データから周波数情報記憶部21に記憶されたテーブルを参照して対象人物までの距離に対応する周波数を求め、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22を制御する。この結果、キャリア波生成部2は、対象人物までの距離に応じた周波数のキャリア波を生成し、変調器4に出力する。
なお、キャリア波生成部2を、それぞれ異なる固定周波数のキャリア波を発振する複数の発振部を設けておき、距離情報に応じて所定の周波数のキャリア波が選択されるように切り換えるように構成しても良い。
The
The carrier
次に、音声情報切換部3の構成を図4に示す。同図において、音声情報切換部3は、音声情報出力部30と、音声情報記憶部31と、信号波生成部32とを有している。
音声情報記憶部31には、目標物である対象人物までの距離と提供すべき音声情報との関係を示すテーブルが記憶されている。例えば、音声情報は予め複数のパターンを用意しておき、例えば、
対象人物までの距離 音声情報パターン
10〜5m A (○○へは、真っ直ぐお進みください)
5〜2m B (○○へは、まもなく右に曲がります)
2〜0m C (○○へは、ここで右に曲がってください)
というように、検出距離範囲と音声情報の各パターンとを関連づけてテーブルとして音声情報記憶部に記憶させておく。これにより、対象人物の位置や動きに応じて適切な音声情報(案内)を提供することができる。
Next, the configuration of the voice
The voice
Distance to the target person Voice information pattern 10-5m A (Please go straight to XX)
5-2m B (Turn right to XX soon)
2 ~ 0m C (Please turn right here to XX)
Thus, the detected distance range and each pattern of the voice information are associated with each other and stored in the voice information storage unit as a table. Thereby, appropriate audio information (guidance) can be provided according to the position and movement of the target person.
音声情報出力部30は、位置計測部1より入力された対象人物までの距離データからその距離に対応する音声情報を音声情報記憶部31に記憶されているテーブルを参照して求め、その音声情報を信号波生成部32に出力する。
信号波生成部32は、音声情報出力部30から入力された音声情報を、変調器4で変調可能な形式、例えば、アナログ信号(信号波)に変換して変調器4に出力する。
このように音声情報切換部3は、位置計測部1から出力される対象人物までの距離データに応じて、再生すべき音声情報を切り換える。
The audio
The signal
As described above, the audio
変調器4は、キャリア波生成部2から出力されたキャリア波を音声情報切換部3から出力された信号波(音声情報)で振幅変調し、該変調信号をパワーアンプ5を介して超音波トランスデューサ6に出力する。
The
超音波トランスデューサ6は、変調器4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(空気中)に放射する。高音圧の超音波搬送波(キャリア波)を、上記のように可聴音信号で振幅変調して空中に放射すると、空気の非線形性により、音圧の高いところでは音速が高くなり、低いところでは音速が低くなって、波形に歪みが発生する。この結果、音波が空中を伝播するに従い波形に歪みが蓄積されて徐々に搬送波成分が減衰し、変調に用いた可聴音成分が自己復調されてくる(パラメトリックアレイ効果)。超音波で搬送することによって自己復調された可聴音は鋭い指向性を有し、超音波スピーカを構成することができる。
本発明の実施形態における超音波トランスデューサ6は、広周波数帯域の音響信号を発振することができる。超音波トランスデューサ6の具体的構成を図8に示す。同図において、静電型の超音波トランスデューサ6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41(絶縁体)を用いている。誘電体41に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極42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43が誘電体41の下面部に接触するように設けられている。この下電極43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45に固定されている。
The
The
また、上電極42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42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42が下電極43側に吸着されるようになっている。51は交流信号源(本実施形態では、パワーアンプ5の出力)である。誘電体41および上電極42ならびにベース板45は、メタルリング46、47、および48、ならびにメッシュ49とともに、ケース40によってかしめられている。
The
下電極43の誘電体41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43と誘電体41との間の空隙となるので、上電極42および下電極43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43の表面を手作業により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6の周波数特性が図9において曲線Q1に示すように広帯域となっている。
On the surface of the
上記構成の超音波トランスデューサ6では、上電極42に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極41と下電極43との間に交流信号電圧(パワーアンプ5の出力)が印加されるようになっている。因みに、図9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。
上述したように、超音波が媒質中(空気中)を伝搬する際、音波の周波数が高くなるほどその到達距離は短くなる。上記超音波トランスデューサ6は広帯域の周波数特性を有するため、音声情報を搬送するキャリア波の周波数を変えて超音波トランスデューサ6を駆動することによって、自己復調される音圧レベル、すなわち再生音圧を変えることなく、再生音の到達範囲を制御することができる。
なお、位置計測部1を構成する超音波トランスデューサ10も上述した超音波トランスデューサ6と同一の構成及び特性を有する。
In the
As described above, when the ultrasonic wave propagates in the medium (in the air), the reaching distance becomes shorter as the frequency of the sound wave becomes higher. Since the
Note that the
トランスデューサ駆動部7は、超音波トランスデューサ6の音波放射軸(音波放射面の法線方向)の角度を機械的に変更する機能を有している。図示していないが、例えば、超音波トランスデューサ6を駆動するアクチュエータと、該アクチュエータを電気的に駆動する駆動部とで構成され、制御部8からの制御信号に基づいて超音波トランスデューサ6の音波放射軸の角度を変更するように制御する。
The transducer drive unit 7 has a function of mechanically changing the angle of the sound wave emission axis (normal direction of the sound wave emission surface) of the
制御部8は、位置計測部1、キャリア波生成部2、音声情報切換部3及びトランスデューサ駆動部7の動作を制御する。具体的には、位置計測部1で計測された対象人物Pの位置に応じて、超音波トランスデューサ6の音波放射軸が対象人物Pに向くようにトランスデューサ駆動部7を制御する。さらに、音声情報提供装置の動作を、対象人物Pの位置を計測する位置計測モードと、対象人物の存在する空間領域に音声情報を出力する音声情報出力モードとに切り換えるように制御することができるようになっている。
The
上記構成において、制御部8は、周期的に、例えば、一定時間毎に動作モードを位置計測モードに切り換え、位置計測部1を動作させて、音声情報の提供対象である対象人物Pの位置を計測する。
また、制御部8は、位置計測モードの動作が終了する毎に音声情報出力モードに切り換え、キャリア波生成部2、音声情報切換部3、トランスデューサ駆動部7を動作させる。この結果、対象人物Pと音声情報提供装置との間の検出された距離データに基づいて予め対象人物までの距離に対応付けられた音声情報が信号波として音声情報切換部3より変調器4に出力されるとともに、キャリア波生成部2からは対象人物Pまでに音声情報が到達するように周波数が変更されたキャリア波が変調器4に出力される。
なお、本実施形態においては、位置計測部1から出力される超音波と超音波トランスデューサ6から出力される超音波とが互いに強く干渉しないように、双方の配置及び発振周波数を調節することによって、位置計測モードと音声情報出力モードとをオーバーラップさせる、つまり位置計測を行いながら音声情報を出力することも可能である。
In the above configuration, the
The
In the present embodiment, by adjusting both the arrangement and the oscillation frequency so that the ultrasonic wave output from the
変調器4では、キャリア波生成部2より入力されたキャリア波を音声情報切換部3より入力された信号波により変調し、該変調信号をパワーアンプ5に出力する。パワーアンプ5では前記変調信号を所定のレベルまで増幅し、超音波トランスデューサ6に出力する。
超音波トランスデューサ6は、前記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(空気)中に放射する。
また、超音波トランスデューサ6は、位置計測部1からの位置データに基づいて制御部8の制御下に超音波トランスデューサ6の音波放射軸が対象人物Pに向くようにトランスデューサ駆動部7により方向制御される。
In the
The
The direction of the
以上より、本実施形態に係る指向型音声情報提供装置によれば、図10にイメージ図として示すように、対象人物Pに対して対象人物Pの位置(距離)に応じた音声情報を提供する空間範囲(音声情報の再生範囲)と、提供する音声情報の内容を動的に変更することができる。図10において、対象人物Pと指向型音声情報提供装置との距離lはl1<l2<l3の関係にある。 As described above, according to the directional audio information providing apparatus according to the present embodiment, as shown as an image diagram in FIG. 10, a space for providing audio information corresponding to the position (distance) of the target person P to the target person P. The range (audio information reproduction range) and the content of the audio information to be provided can be dynamically changed. In FIG. 10, the distance l between the target person P and the directional audio information providing apparatus has a relationship of l1 <l2 <l3.
次に、本発明の第2実施形態に係る指向型音声情報提供装置の構成を図5に示す。本実施形態に係る指向型音声情報提供装置が第1実施の形態に係る音声情報提供装置と構成上、異なるのは、単一の超音波トランスデューサ6の代わりに複数の超音波トランスデューサ6−1〜6−6を設けたことと、複数の超音波トランスデューサ6−1〜6−6から放射される超音波の合成波の放射方向を制御するための移相回路9を設けた点であり、他の構成は第1実施形態と同様であるので重複する説明は省略する。なお、本実施形態では、超音波トランスデューサの数を6としたが、これに限定する必要はない。
Next, FIG. 5 shows the configuration of a directional audio information providing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The directional audio information providing apparatus according to the present embodiment differs from the audio information providing apparatus according to the first embodiment in configuration in that a plurality of ultrasonic transducers 6-1 to 6-1 are used instead of the single
移相回路9の構成を図11に示す。同図に示すように、移相回路9は、複数の超音波トランスデューサ6−1〜6−6の各々に設けられた移相シフト部90〜95から構成されている。移相シフト部90〜95の各々の移相量は制御部8からの制御信号により設定されるようになっている。
図5において、位置計測モードの動作により得られた対象人物Pまでの距離データが入力された制御部8は、対象人物Pの位置に応じて、移相回路9内の各位相シフト部90〜95の移相量を設定する。
The configuration of the
In FIG. 5, the
図11において、各超音波トランスデューサ6−1〜6−6から放射される信号波で変調された超音波を同一の方向角θで出力するには、超音波トランスデューサ6−1に供給する駆動信号(変調信号)の位相をシフトする位相シフト部90の移相量を基準とすると、他の位相シフト部91〜95の移相量を隣接する位相シフト部の移相量に対して所定の移相量だけ順次、増加または減少させるように設定する。これにより、各超音波トランスデューサ6−1〜6−6から放射される音波の合成波面は、方向角θで放射され、位置計測部1で検出した位置に応じて出力する音波の放射方向角を制御することができる。
In FIG. 11, in order to output the ultrasonic waves modulated by the signal waves radiated from the ultrasonic transducers 6-1 to 6-6 at the same direction angle θ, the drive signal supplied to the ultrasonic transducer 6-1. If the phase shift amount of the phase shift unit 90 that shifts the phase of the (modulation signal) is used as a reference, the phase shift amounts of the other
次に、本発明の第3実施形態に係る指向型音声情報提供装置の構成を図6に示す。本実施形態に係る指向型音声情報提供装置が第1実施形態に係る指向型音声情報提供装置と構成上、異なるのは、音声情報出力用の超音波トランスデューサ6を設けずに、位置計測部1内の第1の超音波トランスデューサ10(TS1)を位置計測用と音声情報出力用に兼用する用にした点である。このために、第1の超音波トランスデューサ10(TS1)の入力系を切り換えるモードスイッチ100を追加し、位置計測モードと音声情報出力モードとで、第1の超音波トランスデューサ10(TS1)に入力する信号を切り換えるようにしている。
Next, FIG. 6 shows the configuration of a directional audio information providing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The directional audio information providing apparatus according to the present embodiment differs in configuration from the directional audio information providing apparatus according to the first embodiment in that the
図7は、信号計測部1の構成を示しており、図2と異なるのは、第1の超音波トランスデューサ10は、制御部8の制御下に通常は(位置計測モードでは)モードスイッチ100の接点a側に切り換えられており、音声情報出力モード時に制御部8から出力される制御信号CSにより接点b側に切り換えられるようになっている。その他の構成は第1実施の形態と同様であるので、重複する構成及びその説明は省略する。
上記構成において、位置計測モードでは、信号発生部12から出力されるバースト信号により第1の超音波トランスデューサ10が駆動され、既述した動作により対象人物Pの位置が計測される。
FIG. 7 shows the configuration of the
In the above configuration, in the position measurement mode, the first
そして音声情報提供装置の動作が音声情報出力モードに切り換えられると、制御部8よりモードスイッチ100に制御信号CSが出力され、モードスイッチ100は可動接点が接点b側に切り換えられ、音声情報を荷った変調信号がパワーアンプ5により増幅され、その出力が第1の超音波トランスデューサ10に出力されるようになる。この結果、対象人物Pの位置に応じた音声情報が第1の超音波トランスデューサ10より出力されることとなる。
When the operation of the audio information providing device is switched to the audio information output mode, the control signal CS is output from the
第3の実施形態によれば、広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサを位置計測用と音声情報出力用に兼用できるので、装置の簡略化及びコストの低減が図れる。 According to the third embodiment, since the wide frequency band oscillation type ultrasonic transducer can be used for both position measurement and voice information output, the apparatus can be simplified and the cost can be reduced.
本発明は、アミューズメント設備、及び施設における音響演出等に適用可能である。 The present invention can be applied to amusement equipment, sound production in facilities, and the like.
1…位置計測部、2…キャリア波生成部、3…音声情報切換部、4…変調器、5…パワーアンプ、6、10、11…超音波トランスデューサ、7…トランスデューサ駆動部、8…制御部、13…超音波受信部、14−1〜14−n…バンドパスフィルタ部、15−1〜15−n…カウンタ部、16…統合計測部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
対象人物の位置を計測する位置計測手段と、
音声情報を複数パターン有し、前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じて前記音声情報となる信号波を選択的に出力する音声情報切換手段と、
前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じてキャリア波の周波数を変更して出力するキャリア波生成手段と、
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広周波数帯域の音響信号を発振することができる超音波トランスデューサと、
各部の動作を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする指向型音声情報提供装置。 A directional information providing device that provides audio information to a target person,
Position measuring means for measuring the position of the target person;
Voice information switching means that has a plurality of patterns of voice information, takes in the output of the position measurement means, and selectively outputs a signal wave as the voice information according to the distance to the target person;
A carrier wave generating means for taking in the output of the position measuring means and changing the frequency of the carrier wave according to the distance to the target person and outputting the carrier wave;
Modulation means for modulating the carrier wave with the signal wave;
An ultrasonic transducer that is driven by a modulation signal output from the modulation means and can oscillate an acoustic signal in a wide frequency band that is radiated into a medium by converting the modulation signal into a sound wave of a finite amplitude level;
Control means for controlling the operation of each part;
A directional audio information providing apparatus characterized by comprising:
前記制御手段は、前記対象人物の位置に応じて前記超音波トランスデューサの音波放射軸の角度を変更するように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の指向型音声情報提供装置。 Drive means for mechanically changing the angle of the sound radiation axis of the ultrasonic transducer;
3. The directional audio information provision according to claim 2, wherein the control unit controls the driving unit to change an angle of a sound wave emission axis of the ultrasonic transducer according to a position of the target person. apparatus.
対象人物の位置を計測する位置計測手段と、
音声情報を複数パターン有し、前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じて前記音声情報となる信号波を選択的に出力する音声情報切換手段と、
前記位置計測手段の出力を取り込み前記対象人物までの距離に応じてキャリア波の周波数を変更して出力するキャリア波生成手段と、
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広周波数帯域の音響信号を発振することができる複数の超音波トランスデューサと、
前記複数の超音波トランスデューサの各々に入力される前記変調信号の位相をシフトする複数の移相器と、
前記複数の移相器の移相量を調整して前記複数の超音波トランスデューサから出力される超音波の放射方向角を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする指向型音声情報提供装置。 A directional information providing device that provides audio information to a target person,
Position measuring means for measuring the position of the target person;
Voice information switching means that has a plurality of patterns of voice information, takes in the output of the position measurement means, and selectively outputs a signal wave as the voice information according to the distance to the target person;
A carrier wave generating means for taking in the output of the position measuring means and changing the frequency of the carrier wave according to the distance to the target person and outputting the carrier wave;
Modulation means for modulating the carrier wave with the signal wave;
A plurality of ultrasonic transducers driven by a modulation signal output from the modulation means and capable of oscillating a wide frequency band acoustic signal to be radiated into a medium by converting the modulation signal into a sound wave of a finite amplitude level;
A plurality of phase shifters for shifting the phase of the modulation signal input to each of the plurality of ultrasonic transducers;
Control means for adjusting the amount of phase shift of the plurality of phase shifters to control the radiation direction angle of the ultrasonic waves output from the plurality of ultrasonic transducers;
A directional audio information providing apparatus characterized by comprising:
7. The control unit according to claim 2, wherein the position measuring unit scans a wide space area with ultrasonic waves and starts a voice information providing operation using a state in which the presence of the target person is detected as a trigger. The directional audio information providing apparatus according to any one of the above.
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