JP2005159862A

JP2005159862A - 音響装置

Info

Publication number: JP2005159862A
Application number: JP2003397548A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sakai; 新一酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】超音波放射器からの再生音が常時最大音圧となる音響装置を得る。
【解決手段】変調信号源１からの入力電気信号によって超音波のキャリア信号を変調する変調器７と、変調器７による変調によって得られた信号を増幅する増幅器８と、増幅器８によって増幅された信号を音波に変換する超音波放射器９とを備え、超音波の有限振幅音波の非線形性によるパラメトリック作用により可聴信号を得る超指向性音響装置において、増幅器８と超音波放射器９との間を流れる電流信号の変化を検出して変調器７内の超音波のキャリア信号周波数を決定する手段を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、パラメトリック作用により可聴信号等で振幅変調された超音波を空気等の媒体に放射すると、変調信号が音波の非線形伝搬特性により超音波伝送路に沿って可聴音として復調される現象を利用した音響装置に関するものである。

図５は従来の電気音響変換装置を示すブロック図であり、同図において、変調信号源１０１は生成された音声信号ｓ（ｔ）を係数器１０２でｍ倍してｍ・ｓ（ｔ）の信号を得る。このｍ・ｓ（ｔ）は直流源１０３のバイアスにより加算器１０４で加算されて１＋ｍ・ｓ（ｔ）となる。
平方根変換器１０５は加算器１０４の出力信号１＋ｍ・ｓ（ｔ）を平方根処理する。平方根処理された信号√（１＋ｍ・ｓ（ｔ））は超音波帯域発信器１０６から出力された超音波のキャリア信号と掛算器１０７により掛算される。この掛算処理により振幅変調が行われ、変調信号が得られる。すなわち係数器１０２から掛算器１０７までの過程で変調度ｍの音声信号ｍ・ｓ（ｔ）が平方根処理され振幅変調される。
掛算器１０７の出力は増幅器１０８により増幅されて超音波放射器１０９に供給され、さらに超音波放射器１０９から音波となって放射される。この音波は強力超音波である有限振幅音波として空気中を伝搬される過程で非線形相互作用を起こし、低周波成分などからなっている超指向性音声に自己復調され聴取者に対して聴取可能になる。なお、超音波放射器１０９は圧電セラミック等からなる超音波振動子をアレイ化した多数の素子で構成されたもので機械共振を利用して高音圧レベルを得ている。
一方、超音波帯域発振器１０６で生成されるキャリア信号の周波数は、超音波放射器１０９の素子の再生音圧レベルが最高となる共振周波数に一致させて自己復調される音圧レベルを高める方策が採られる。一般に、超音波素子の共振付近の周波数特性は狭い帯域となり、キャリア信号周波数が超音波素子の共振周波数に一致していないと音圧レベルの低下を招くこととなる。したがって、キャリア信号の周波数と共振周波数とは常時一致していることが望ましいが、超音波素子の共振周波数は、温湿度等の環境の影響を受けて変わったり経時的に変化することがあり、また、動作すると超音波素子内に熱が発生して共振周波数が開始時の状態から変化してしまうこともある（例えば、特許文献１参照）。

特公平４−５８７５８号公報

従来の電気音響変換装置は以上のように構成されているので、超音波放射器１０９の共振周波数が変化して、キャリア信号の周波数と共振周波数とが一致することなくずれてしまうことがあり、そのため超音波放射器１０９の音圧レベルが低下するという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、超音波放射器からの再生音が常時最大音圧となる音響装置を得ることを目的とする。

この発明に係る音響装置は、変調信号源からの入力電気信号によって超音波のキャリア信号を変調する変調器と、上記変調器による変調によって得られた信号を増幅する増幅器と、前記増幅器によって増幅された信号を音波に変換する電気音響変換器とを備え、超音波の有限振幅音波の非線形性によるパラメトリック作用により可聴音信号を得る超指向性音響装置において、上記電気音響変換器の共振周波数を基に上記変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定する手段を有するものである。

この発明に係る音響装置は、超音波のキャリア信号周波数を決定する手段は、増幅器と電気音響変換器との間を流れる信号の変化を検出して変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定するものである。

この発明に係る音響装置は、超音波のキャリア信号周波数を決定する手段は、電気音響変換器から放射される音圧の変化を検出して変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定するものである。

この発明によれば、電気音響変換器の共振周波数を基に変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定するように構成したので、キャリア信号周波数を電気音響変換器の共振周波数に追尾させることが可能であり、よって常時、電気音響変換器から最大音圧となる再生音を得ることができる。
この発明によれば、増幅器と電気音響変換器との間を流れる信号の変化を検出して変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定するように構成したので、増幅器と電気音響変換器との間を流れる信号から電気音響変換器の共振周波数を判断することが可能であり、したがって、キャリア信号周波数を電気音響変換器の共振周波数に常時一致させることが可能であり、よって常時、最大音圧となる再生音を得ることができる。
この発明によれば、電気音響変換器から放射される音圧の変化を検出して変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定するように構成したので、電気音響変換器から放射される音圧の変化から電気音響変換器の共振周波数を判断することが可能であり、したがって、キャリア信号周波数を電気音響変換器の共振周波数に常時一致させることが可能であり、よって常時、最大音圧となる再生音を得ることができる。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１において、変調信号源１は音声信号ｓ（ｔ）を生成する。係数器２は変調信号源１で生成された音声信号ｓ（ｔ）をｍ倍してｍ・ｓ（ｔ）の信号を出力する。係数器２によって出力された信号ｍ・ｓ（ｔ）は直流電源３のバイアスにより加算器４で加算されて１＋ｍ・ｓ（ｔ）となる。

平方根変換器５は加算器４からの出力信号１＋ｍ・ｓ（ｔ）を平方根処理する。平行根処理により得られた信号√（１＋ｍ・ｓ（ｔ））は超音波帯域発信器６から出力される超音波のキャリア信号と掛算器７により掛算される。この掛算処理により振幅変調が行われて、変調信号が得られる。

掛算器７からの出力信号は増幅器８によって増幅された後、超音波放射器９に供給され、超音波放射器９から音波となって放射される。この音波は有限振幅音波として空気中を伝搬される過程で非線形相互作用を起こし、低周波成分などからなっている超指向性音声に自己復調される。

検出器１０は増幅器８からの出力信号を監視する。制御器１１は、検出器１０によって検出された検出信号（Ａ）から超音波放射器９の共振周波数を検知して、超音波帯域発振器６の発振周波数を決定し、かつ決定された共振周波数を指示信号（Ｂ）として超音波帯域発振器６に出力する。したがって、超音波帯域発振器６から出力されるキャリア信号周波数は、常時、超音波放射器９の共振周波数と一致するため、常時、最大音圧となる再生音が得られる。

検出器１０が監視する信号の例として、増幅器８と超音波放射器９との間を流れる電流信号が挙げられる。この電流は超音波放射器９の電気インピーダンスに依存して変化し、かつ、電気インピーダンスと超音波放射器９の共振周波数との間には図２に示すような相関関係があるところから、増幅器８と超音波放射器９との間を流れる電流を監視することにより共振周波数を検出することが可能である。

図２は超音波放射器９の電気インピーダンスの周波数特性を示すもので、特に共振周波数付近の電気インピーダンスの周波数特性を表している。通常は共振周波数ｆｒをもち、電気インピーダンス周波数特性（Ｃ）であったものが、例えば、外部要因で共振周波数が変化して周波数特性が（Ｄ）や（Ｅ）に変化したりする。

制御器１１は、検出器１０で検出された電流から電気インピーダンスが最低となるところを検出して超音波放射器９の共振周波数を決定する。そしてこの共振周波数を情報としてもつ指示信号（Ｂ）を超音波帯域発振器６に供給してキャリア信号周波数とする。

上記では検出器１０が監視する信号の例として、増幅器８と超音波放射器９との間を流れる電流信号を捕らえ、電気インピーダンスが最低となるところを検出して超音波放射器９の共振周波数を決定しキャリア信号周波数としているが、これに限らず掛算器７から出力される振幅変調信号の周波数スペクトルを検出することによってもキャリア信号周波数を決定することが可能である。以下、この方法について説明する。

掛算器７から出力される振幅変調信号の周波数スペクトルはキャリア成分とサイドバンド成分とから構成され、これら両成分のレベル差は規定値、例えば、ダブルサイドバンド（ＤＳＢ）方式ではキャリア成分のレベルに対してサイドバンド成分のレベルは１／２（理論値）となる。

図３は振幅変調信号のキャリア成分とサイドバンド成分との両レベルを併記した共振周波数付近の電気インピーダンス特性の詳細拡大図を示すもので、超音波放射器９の共振周波数とキャリア成分の周波数に差が生じた場合、すなわち超音波放射器９の共振周波数ｆｒがキャリア成分（Ｆ）の周波数からずれて電気インピーダンスの特性が（Ｃ）から（Ｄ）に変化した場合を例示している。

このように電気インピーダンスの特性が（Ｃ）から（Ｄ）に変化すると、２つのサイドバンドのレベルは（Ｇ）、（Ｈ）から（ｇ）、（ｈ）に変化する。これら２つのサイドバンドのレベル変化を検出することによって超音波放射器９の共振周波数が変化したこと、およびその変化の度合を検出することが可能である。かかる検出値を超音波帯域発振器６にフィードバックすることによりキャリア信号周波数と共振周波数との差を補正することができる。

なお、図１では、検出器１０は増幅器８と超音波放射器９との間に設けられているが、これに限定されることなく、増幅器８または超音波放射器９のどちらかに内蔵させることも可能である。

実施の形態２．
実施の形態１では、検出器１０によって増幅器８と超音波放射器９との間を流れる電流を介して電気インピーダンスを検出することによって超音波放射器９の共振周波数を検出するが、実施の形態２では音圧レベルを検出する点において実施の形態１と相違する。

図４は実施の形態２の構成を示すブロック図である。変調信号源１は音声信号ｓ（ｔ）を生成する。係数器２は変調信号源１で生成された音声信号ｓ（ｔ）をｍ倍してｍ・ｓ（ｔ）の信号を出力する。係数器２によって出力された信号ｍ・ｓ（ｔ）は直流電源３のバイアスにより加算器４で加算されて１＋ｍ・ｓ（ｔ）となる。

掛算器７からの出力信号は増幅器８によって増幅された後、超音波放射器９に供給され、超音波放射器９から音波となって放射される。以上の構成は実施の形態１と同一である。

実施の形態２では、検出器１０を図示しないマイクロホンまたは受波器等の音波を検出可能な位置に配置する。音波の場合は、超音波放射器９の共振周波数付近で音圧レベルが最大となるので、実施の形態１のように電気インピーダンスの最低値を検出するのではなく最大値を検出することによって超音波放射器９の共振周波数を検出する。

制御器１１は、検出器１０によって検出された検出信号（Ａ）から超音波放射器９の共振周波数を検知して超音波帯域発振器６の発振周波数を決定し、かつ決定された共振周波数を指示信号（Ｂ）として超音波帯域発振器６に出力する。

この発明の実施の形態１による音響装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による超音波放射器の共振周波数の検出方法を説明した電気インピーダンスを示すグラフである。この発明の実施の形態１による超音波放射器の共振周波数の他の検出方法を説明した電気インピーダンスを示すグラフであるこの発明の実施の形態２による音響装置の構成を示すブロック図である。従来例の電気音響変換装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１変調信号源、２係数器、３直流電源、４加算器、５平方根変換器、６超音波帯域発振器、７掛算器、８増幅器、９超音波放射器、１０検出器、１１制御器、１０１変調信号源、１０２係数器、１０３直流電源、１０４加算器、１０５平方根変換器、１０６超音波帯域発振器、１０７掛算器、１０８増幅器、１０９超音波放射器。

Claims

変調信号源からの入力電気信号によって超音波のキャリア信号を変調する変調器と、上記変調器による変調によって得られた信号を増幅する増幅器と、上記増幅器によって増幅された信号を音波に変換する電気音響変換器とを備え、超音波の有限振幅音波の非線形性によるパラメトリック作用により可聴信号を得る音響装置において、上記電気音響変換器の共振周波数を基に上記変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定する手段を有することを特徴とする音響装置。
超音波のキャリア信号周波数を決定する手段は、増幅器と電気音響変換器との間を流れる信号の変化を検出して変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定することを特徴とする請求項１記載の音響装置。
超音波のキャリア信号周波数を決定する手段は、電気音響変換器から放射される音圧の変化を検出して変調器内の超音波のキャリア信号周波数を決定することを特徴とする請求項１記載の音響装置。