JP2006180504A - 超音波変換生成方法による音響再生スクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】超音波に載せて伝送される音声信号を、超音波から分離し音声信号を再生する超音波変換再生装置の構造を提示することによって、構造が簡単ながら変換効率が極大化された超音波変換再生方法による音響再生スクリーンを提供する。
【解決手段】超音波変換再生方法による音響再生スクリーンは、音声信号の載せた超音波が入射されると音声信号を反射する振動体を備え、所定の体積を有する少なくとも１つのセルと、セルが連続的に連結されたマトリックス構造のスクリーンとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波に載せて伝送される音声信号を再生する装置に関し、詳細には超音波変換再生方法による音響再生スクリーンに関する。

音声信号を遠距離送信するために用いられる方法のうち、超音波に音声信号を載せて送信する方法がある。このような方法は、最初、潜水艦のような軍事用に開発され、最近では一般の家庭用および産業用スピーカとして開発されている。
超音波は可聴周波数より高い２０ｋＨｚ以上の周波数を有する音波のことを言う。音声信号を超音波に乗せて伝達する場合、通常の音声に比べて強度が高く、且つ方向性のある音源を得ることができる。

超音波の性質を用いた従来のスピーカは、主に、音波を超音波で振幅変調する方法を使用している。スピーカの出力信号は、媒質の非線形性によって伝達される過程で人が聴くことのできる可聴帯域の音声信号に変換される。
従来の超音波音源は音波を遠くへ伝送したり、特定の一点に向かうように指向性を持たせることができるが、超音波信号に載せられた音声信号のパワーの一部だけが実際に伝達されるものであり、一般のスピーカに比して強力な出力を出す必要がある。従って、一般の可聴帯域の音声信号のみを出力するスピーカに比べて人が聴取するための音源としては不適な部分がある。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、超音波に載せて伝送される音声信号を超音波から分離し、音声信号を再生する超音波変換再生装置の構造を提示することによって、構造が簡単ながら変換効率が極大化された、超音波変換再生方法による音響再生スクリーンを提供することにある。

前述の目的を達成するために本発明に係る音響再生スクリーンは、音声信号を載せた超音波が入射すると前記音声信号を反射する振動体を備え、所定の体積を有する少なくとも１つのセルと、前記セルを連続的に連結したマトリックス構造のスクリーンとを含む。
好ましくは、前記スクリーンは、スクリーンの直径と音声信号の波長との比率であるウェーブサイズが１より大きく、音声信号の周波数は10Hzより大きく10kHzより小さいことが好ましい。

前記セルは、前記超音波が入射するとこの超音波により振動しながら前記音声信号を反射する、弾性力のある平板状の薄膜弾性体と、前記弾性体の振動の一方向の変位を制限するために、前記弾性体と所定間隔離れて前記弾性体と平行に設けられた網構造の連続する穴を有する堅固なネットとを含むことが好ましく、さらには、前記弾性体は薄膜のフィルムで構成することが好ましい。

なお、薄膜フィルムの厚さと、薄膜フィルムの密度と、超音波の角速度とを掛けたものである薄膜フィルムの機械的なインピーダンスは、空気のインピーダンスとほぼ同一であることが好ましい。
本発明の他の実施形態に係る前記セルは、前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射するホーン（ｈｏｒｎ）と、前記ホーンの振動が伝わる方向の反対方向の変位を有し、前記ホーンを支持するシリンダあるいはドーム構造の弾性力のあるシェル（ｓｈｅｌｌ）と、前記ホーンおよび前記弾性力のあるシェルに連結され、前記ホーンの振動を前記弾性力のあるシェルに伝える支持体と、前記弾性力のあるシェルを支持し、前記入射する超音波による前記弾性力のあるシェルの振動が可能になるよう設けられる網構造の連続する穴を有す堅固なネットとを有することを特徴とする。

前記ホーンは平板の円型ディスク状であり、前記支持体は前記ホーンの中心と前記弾性力のあるシェルの中心に連結され、直線状の剛性部材で構成されることが好ましい。
本発明の更なる実施形態に係る前記セルは、前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射する、弾性力のある平板状の薄膜弾性体と、磁場が形成される所定空間が特定されるよう前記弾性体と前記空間を取り巻き、前記弾性体の振動により電流が誘導されるコイルと、前記コイルの両端末に連結され、前記コイルに誘導された電流が流れる方向に沿って前記弾性体の振動を制限するダイオードとを含むことを特徴とする。

前記弾性体は、弾性力のある薄膜であることが好ましい。
本発明の更なる実施形態に係る前記セルは、前記超音波から変換された電気的な信号から前記超音波のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を抽出するデータ処理部と、前記超音波を受信し電気的な信号に変換し、前記エンベロープが伝達されて音声信号に変換し出力する振動部とを含むことを特徴とする。

前記振動部は、前記入射する超音波を受信し電気的な信号に変換し前記データ処理部へ出力する受信部と、前記データ処理部から抽出された前記エンベロープを音声信号に変換して出力する送信部とを含むことができる。
また、前記データ処理部は、前記電気的な信号から所定周波数以上の信号を分離する高域通過フィルタと、前記高域通過フィルタの出力から前記エンベロープを抽出する整流器と、前記整流器から出力される前記エンベロープで所定の周波数以下の信号を分離する低域通過フィルタとを含み、前記電気的な信号を所定の利得で増幅し前記高域通過フィルタに出力する第１増幅器と、前記低域通過フィルタの出力を願望する所定の出力を有するよう所定の利得で増幅する第２増幅器とを更に含むことができる。

前記振動部は、前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射する弾性力のある平面上の薄膜の第１フィルムと、前記第１フィルムの内側および外側に取り付けられ、前記第１フィルムの振動により電気的な信号を誘起し、前記データ処理部に連結される第１および第２メタル層と、前記第２メタル層に取り付けられ、前記第１フィルムの振動に共振を発生させる平板状の第２フィルムと、前記データ処理部の出力に連結され、前記第２フィルムの内側に所定間隔の空間が形成されるべく前記空間の内側および外側に形成され、前記第２フィルムと平行し平板状である第３および第４メタル層とを含む。

ここで、前記第１フィルムは圧電フィルムであり、前記第２フィルムはポリエチレンフィルムであることが好ましい。

本発明によると、第１に、音響再生スクリーンは、音が響く全体空間のうち任意の一定領域へ大部分の音を伝達する。その結果、聴取者は自分の前、あるいは後から実際のような３次元音響空間を感じることができる。
また、仮想音響空間を極めて高い空間的解像度（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有するものとすることができる。即ち、これを介して１つのバンドの各楽器の位置を示すことができる。

第２に、本発明のスピーカは動いている仮想の音源のような特別音響効果を生成できる。
第３に、音声スペクトラムの低周波領域の生成において際立つ特性を示す。
第４に、本発明の音響再生スクリーンは簡単な構造により製造され、壁紙のよう薄く製造することができるので設置および運用の容易性を確保できると共に、スクリーンの材質により映像スクリーンとしても活用できる。この場合、観覧者は例えば車や動物のような自分が見ているものの音源位置からの出力を正確に聴取できる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

図１は本発明に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの構成を示す斜視図である。
本発明の音響再生スクリーン１００はマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）構造のスクリーン形状に形成され、簡単にスピーカとも呼ぶ。本発明のスクリーン１００は、その正面以外の場所に位置してスクリーン１００に超音波を放射する少なくとも１つのセットの小さい超音波音源（図示せず）と共に動作する。

非線形の超音波音源（図示せず）により生成される信号は人が感知できない超音波帯域の信号であり、振幅変調により可聴帯域の音声信号を含む。
スクリーン１００は、単位セル１０１が連続し集積されたマトリックス構造であり、各セル１０１は所定の幅と面積を有している。
スクリーン１００に達した超音波は、スクリーン１００の各セル１０１の整流動作により変換されながら反射し、反射された音波は整流された形態で聴取者が聴取できる可聴帯域の音声信号を含む。なお、スクリーン１００の各セル１０１は整流器として動作する。

スクリーン１００からの音声信号はまるでスクリーン１００の裏の仮想音源（図示せず）から伝達されるよう感じられる。反射された可聴帯域の音声信号は入射する超音波に含まれた位相情報をそのまま維持する。
スクリーン１００によって反射される音声信号を含む超音波は、少なくとも１つの装置（図示せず）から生成されスクリーン１００に向うように構成することができる。

セル１０１は、大きく受動装置であるセルと能動装置であるセルとに分けられる。
受動装置および能動装置であるセルは、入射する超音波のエネルギーを音声信号のエネルギーに変換する。
受動装置は、スクリーンそのものであることからいかなるエネルギー供給も必要としない。係る受動装置の長所は、スクリーン１００のセル１０１が比較的に単純であるところにある。

能動装置であるセル１０１は、動作のための電源供給が必要である。しかし、各セル１０１での電源消費は比較的に小さい。かかる能動装置の長所は聴取者が高強度超音波にさらされることを防止するところにある。
また、本発明のスクリーン１００は、各セル１０１の動作に基づいて独立して動作するものと全体的に動作するものとに分けられる。

また、スクリーン１００は、機械的な動作原理によるものと電磁気的な原理によるものとに分けられる。そして、整流子として動作することにおいて、波の変位を整流するか、あるいは速度を整流するかに分けて分類できる。
以下、本発明の音響再生スクリーン１００の全体動作を説明し、このために超音波音源（図示せず）からの超音波信号を反射して音声信号を出力する各セル１０１を１つのコンパクトスピーカと見なして詳説する。

本発明のスクリーン１００は、主に各セル１０１が音声信号の高周波領域を担当し、各セル１０１を合わせた全体スクリーン１００が低周波領域を担当し音を再生する。全てのセル１０１は個別に駆動される。
図１に図示された音声再生スクリーン１００によると、スクリーン１００裏側に位置する仮想の音源（図示せず）により生成される、真に迫った音響空間を再生することができる。係る効果はＨｕｙｇｅｎｓ−Ｆｒｅｓｎｅｌ理論に基づく。

Ｈｕｙｇｅｎｓ−Ｆｒｅｓｎｅｌ理論によると、スクリーン１００裏に仮想の音源（図示せず）が存在し、仮想の音源（図示せず）によりスクリーンの前面から２次元音源が生成され、このような２次音源により聴取者が音を聴取できるように感じられる。
スクリーン１００のセル１０１は２次元音源に当る。即ち、Ｈｕｙｇｅｎｓ−Ｆｒｅｓｎｅｌ理論によると、実際の音源がスクリーンの裏に位置し、仮想の２次音源がスクリーンの前面に位置する一方、本発明によると、スクリーン１００の裏に仮想の音源が存在し、スクリーン１００にセル１０１という実際音源が存在する。各セル１０１での音声信号の振幅と位相を適切に選択調整すれば、聴取者に音源到達の効果は同一である。聴取者はスクリーン１００の裏に存在する仮想の音源（図示せず）から音声信号が伝達されるよう感じられる。

以下、音響再生スクリーン１００が連続システムとして動作するための各セル１０１の大きさについて説明する。ここで、スクリーン１００の全体がセル１０１に覆われている。なおセル１０１の大きさというのは各セル１０１の幅を指す。
理論的には人の聴取できる周波数ｆは約２０ｋＨｚである。この周波数に対応する波長の長さは周波数ｆで音速（ｃ＝３３０ｍ／ｓ）を割ることによって算出することができる。その結果、約２ｃｍである。

本発明に係るセル１０１の大きさが前記波長の半分である１ｃｍより小さければ、セル１０１の配列は連続的なものであり、スクリーン１００の個別に区分付けられた特性に基づいた効果は無視できる。
しかし１ｃｍという大きさは実質的に大きいものである。実質的な可聴周波数の閾値ははるかに低い。少なくとも１０ｋＨｚより低い周波数は、それが情報を有するものとみなすことができる。この場合、セル１０１の大きさは約２ｃｍとなる。

１ｃｍの幅を有するスクリーン１００は連続的に動作することができ、全ての可聴周波数領域で実質的な３次元音声現場を生成することができる。さらに、セル１０１の大きさが約５ｃｍ〜７ｃｍ程度であれば、３次元音声を生成するのに十分である。
以下、可聴帯域の音声信号のうち低周波領域での動作について説明する。
高周波数と低周波数の音声信号を生成する過程において主な違いは、スピーカの直径と波長の比率であるスピーカのウェーブサイズと関連する。ウェーブサイズが１より大きければスピーカの音声出力は効率的である。しかし、ウェーブサイズの値が１より小さければ、スピーカの音声出力の効率は著しく落ちる。この状況でスピーカに適用される空気負荷（Ａｉｒ ｌｏａｄ）は極めて低くなる。それは小さい質量に適用された強い力と同様、振動の振幅は大きく、空気の負荷により伝達されるエネルギーは小さくなる。

各セル１０１の観点から、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの周波数より小さい周波数に関して、セル１０１のウェーブサイズは小さいものである。しかし、全体スクリーン１００の動作を測定するためにはスクリーン１００のウェーブサイズを考慮すべきであり、全体スクリーン１００のウェーブサイズはセル１０１と異なって特定される。もし、スクリーン１００が十分に大きければ、スクリーン１００のウェーブサイズは約１００Ｈｚ程度までは十分であるものの、１００Ｈｚより小さい周波数については小さくなる。この値は相対的に小さいので、１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ帯域でのスクリーン１００の効率は各セル１０１に対応されるオーディオチャネルの簡単な振幅補正により増大される。

以下、本発明の音響再生スクリーン１００の各セル１０１について他の実施形態について詳説する。
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃに示すように、超音波変換の再生方法による音響再生スクリーンの各セルの断面図である。
同図における音響再生スクリーン１００は、各セル２００が個別で機械的に動作し、外部電源によらない受動システムであって、ＦＮ（Ｆｉｌｍ−Ｎｅｔ）とも呼ぶ。各セル２００は、その内部に別のスピーカを含んでいない。外部からの音声を超音波に載せてスクリーン１００の前面に向わせた場合、スクリーン１００は音声信号のみを反射する。図２Ａ、図２Ｂ，および図２Ｃはそのセル２００の断面を示したものである。

以下、図２Ａ，図２Ｂ、および図２Ｃの各構成応訴の動作と特徴を説明する。図２Ａに示すように、本発明の一実施の形態に係る音響再生スクリーン１００の各セル２００は、前面に薄膜のフィルム２０１を備え、所定の間隔（ｄ１）離間した網構造の連続する穴を有する堅固なネット２０３を含む。薄膜フィルムはポリマーフィルムであることが好ましい。

セル２００のフィルム２０１に向って超音波である入射波が伝達されると、フィルム２０１は入射波により振動する。図２Ｃに示すように、その波がネット２０３からフィルム２０１を引っ張るとそれは自在に動くようになる。そして、図２Ｂに示すように、その波がフィルム２０１をネット２０３に押すと、ネット２０３が堅固な状態であるためフィルム２０１により動かないことから、フィルム２０１のネット２０３側の変位ξは制限される。

フィルム２０１の振動により反射波が生成されることができる。明確に、フィルム２０１の応答が非線形であれば、反射は非線形の部分を含む。
フィルム２０１とネット２０３を含むセル２００の動作はダイオードと同様に、波の変位ξを整流することができる。入射波は振幅変調されたものとして見なす。入射波と反射波の変位ξを表すグラフは図３の通りである。

図３Ａおよび図３Ｂは図２のポリマーフィルムを使用する音響再生スクリーンの入射波と反射波の変位ξを示したグラフである。図３Ａは、入射波の変位ξⁱⁿを示しており、図３Ｂは反射波の変位ξ^rを示している。図３Ａおよび図３Ｂの横軸は時間を、縦軸は各変位ξを示す。
図３Ａに示したように、低周波の音声信号が高周波である超音波に振幅変調されたことが分かる。図３Ｂのグラフはフィルム２０１のネット２０３側の変位が制限されることにより整流された波形を示す。

反射波は低周波成分を含んでいる。もし、変位を用いて表示した入射波ξⁱⁿが数１のようであれば、低周波成分の振幅は A_Ω=A_ω/πである。なお、πは円周率であり、A_ωは入射波の振幅を示す。

ここで、Ωは反射波の角速度であり、ωは入射波の角速度である。したがって、入射波の周波数ｆはf =ω/(2π) = 40 kHzであり、低周波成分の周波数Ｆは F =Ω/(2π) = 約1 kHzである。

図２Ａの音響再生スクリーン１００の反射波は図１における各セル１０１のスピーカと同一の役割を果し、図２Ａの音響再生スクリーン１００は図１と同一動作を行う。それ以降の動作は図１と同様である。
フィルム２０１は振動の振幅と同一振幅を有する超音波として振動する。このためにフィルム２０１は軽くなければならない。

フィルム２０１が与えられた情況で軽いかどうかを判断するためには、フィルム２０１の機械的インピーダンスを求め空気のインピーダンスと比較する。インピーダンスが空気のインピーダンスに近いというのは、フィルム２０１の材質による減衰がないことを意味する。
フィルム２０１の厚さｈを２×１０^-6ｍとする場合、フィルム２０１のインピーダンスは数２から求められる。

ここで、ｐは圧力、ｕは速度、ａは加速度を示す。ωは入射波の角速度であり、ｐｆはフィルムの密度を示す。例えば、フィルムの密度ｐｆを１０³ｋｇ／ｍ³とすると、Ｚｆは空気のインピーダンスに近い５×１０²Ｐａ*ｓ／ｍになるので、適切なフィルム２０１に選択できる。

ネット２０３は一連の連続した穴を有する格子形態をなし、フィルム２０１の振動により形成される音波の境界領域である音声境界層（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ）のサイズがネット２０３の穴より小さくなければならない。小さいことによりフィルム２０１の振動が可能となる。逆に、音声境界層のサイズがネット２０３より大きければネット２０３は壁のように作用する。

音声境界層δは数３に基づいて求められ、ネット２０３の穴はδより大きい。

ここで、ωは入射波の角速度であり、ηは空気の動的粘度であって、３×１０^-5ｋｇ／（ｍｓ）であり、ｐ₀は空気の密度である。従って、δは約１０^-5ｍとなる
要するに、図２の音響再生スクリーン１００は、約２ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）より小さい厚さを有するフィルム２０１と１０^-5ｍより大きい穴を有する堅固なネット２０３により具現される。フィルム２０１とネット２０３との間隔ｄ１は超音波において波の変位より小さいことがよい。

図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、本発明の他の実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの断面図の一部である。図４Ａは本発明の他の実施形態にかかる音響再生スクリーン４００の一部を示した図であり、図４Ｂはスクリーン４００の各セル４１０を示した図である。
図４Ｃは各セル４１０に含まれたシェル（ｓｈｅｌｌ）４０５の動きを説明するための図であって、半円のドーム構造のシェル４０５の頂点に超音波の入射による力が伝わった場合、シェル４０５が変位ξ₁ だけの動きを表示する。

図４Ａの音響再生スクリーン４００は、複数のセル４１０が格子をなして１つのスクリーンを形成している。各セル４１０は、前面にディスク構造のホーン（ｈｏｒｎ）４０１があり、ホーン４０１の裏面に半円のドーム構造の弾性体であるシェル４０５が存在している。ここでホーン４０１とシェル４０５は針状の剛体である支持体４０３により連結されている。シェル４０５の裏面にはシェル４０５を支持する一連の穴が連結された網であるネット４０７が形成されている。

ホーン４０１は音声インピーダンス整合のためのものであり、平たいメタルディスクで具現できる。図２のフィルム２０１のインピーダンスと同様、空気と非線形素子であるホーン４０１との間のインピーダンス整合が必要である。
ホーン４０１のディスクは効果的な受信機または送信機として動作するためには空気中の波長に対応すべきサイズでなければならない。ディスクの共振周波数は搬送波である超音波周波数ωと同一でなければならない。ディスクの出力インピーダンスは支持体４０３に加えられた力と振動速度の比率であって、数４の通りである。

ここで、Ｆは支持体４０３に加えられた力、ｕは振動速度、Ｚ０は空気のインピーダンス、Ｓはホーン４０１の面積である。
シェル４０５は非線形の弾性特性を有する表面を形成し、超音波信号に乗せられた音声信号を分離する。シェル４０５の変位ξ₁は圧力に対する２次関数であり、それは２次非線形の応答を行う。シェル４０５はドーム構造でなくとも弾性力のあるシリンダー構造であればよい。

支持体４０３はホーン４０１とシェル４０５の中心を繋ぐ１つの直線状であり、さらに、ホーン４０１境界の少なくとも１つの地点に接続され、それから延長された少なくとも１つの支持体が三角錐の形態をなし、前記三角錐の頂点から延長された支持体４０３がシェル４０５と連結された構造を持つ。係るホーン４０１の中心と三角錐の頂点を通って支持体４０３のシェル４０５に連結された縦断の直線は、ホーン４０１の中心に向ってネット４０７と直交している。

図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃにおける音響再生スクリーンは、図２のＦＮ装置と類似した原理に基づいて動作する。ホーン４０１は非線形素子であるシェル４０５に連結される。シェル４０５は音声圧力Ｐと変位ξ₁ との間に非線形の形態を持つ。変位ξ₁の非線形特性により反射波は変調周波数Ωを含むこととなる。
図５は本発明の更なる実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの単位セルの斜視図である。

図５のセル５１０を単位構造にする音響再生スクリーンは電磁気誘導現像を用いる。
セル５１０は磁場中に位置し、所定の六面体であり、空気が占めている空間５０５の前面に弾性力のある薄い膜５０１が覆われている。空間５０５と膜５０１とを取り囲むようにしてコイル５０３が巻回されている。コイル５０３の両端は半導体であるダイオード（図示せず）と連結されている。

セル５１０は磁場中に位置し、入射する超音波により膜５０１が振動するときに共に振動するコイル５０３に電場が誘導される。もし、電場がダイオード（図示せず）の正の方向にバイアスされれば、電流がコイル５０３に沿って流れ、係る電流は膜５０１の振動を減衰させる。逆の方向にバイアスされれば、膜５０１は自在に動く。それにより振動速度が整流される。この場合膜５０１は十分軽くなければならない。

図５の他の実施形態は、膜５０１に所定の間隔をおいて他のフィルム（図示せず）をさらに一層形成することもできる。この場合、入射する超音波の周波数ωにより２つのフィルムによる振動に共振が発生すべく、２つのフィルム間の間隔を調整する。
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の更なる実施形態に係る超音波変換再生方法により音響再生スクリーンの単位セルのブロック図である。

図６Ａは本発明の他の実施形態に係る単位セル６１０を示し、単位セル６１０は超音波である入射波を受信する受信部６０１、データ処理部６２０、及び整流された音声信号を出力する送信部６０３を含む。
図６Ｂは、データ処理部６２０を示したものであり、第１増幅器６２１、高域通過フィルタ６２３、整流器６２５、低域通過フィルタ６２７、および第２増幅器６２９を含んでなる。

高域通過フィルタ６２３と低域通過フィルタ６２７は、信号の入力と出力との間の正帰還（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を防止するためのものであって、高域通過フィルタ６２３は超音波帯域の所定周波数以上の信号のみを通過させるとき、３０ｋＨｚ以上の周波数信号をフィルタリングすることが好ましい。低域通過フィルタ６２７は可聴周波数帯域の信号をフィルタリングし、１０ｋＨｚ未満の周波数信号を通過させることが好ましい。

非線形素子として動作する整流器６２５は受信部６０１を介して入射した信号のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を追跡して検出する。従って、受信部６０１からの入射信号はデータ処理部６２０からの入射信号のエンベロープを検出して適した出力レベルで増幅し送信部６０３を介して出力する。
図６Ａおよび図６Ｂの他の実施形態は、受信部６０１と送信部６０３が１つの装置である振動部（図示せず）として具現され、図７はその一例を示す。

図７は図６における音響再生スクリーン単位セルの他の実施形態に係る断面図である。
同図に示したように、受信部６０１と送信部６０３は１つの構造物である振動部７００から形成される。振動部７００は、所定厚さの第１フィルム７０１、該第１フィルム７０１の内側および外側には第１および第２メタル層７０５、７０７が形成されている。内側の第２メタル層７０７の内側には振動モードを形成するための第２フィルム７０３が形成されている。第１フィルム７０１は圧電フィルムからなることが好ましく、第２フィルム７０３はポリエチレンフィルムであることが好ましい。

第２フィルム７０３の内側には空気が充填されている空間７０９が存在し、この空間７０９の内側および外側は第３および第４メタル層７１１，７１３により取り囲まれている。第１フィルム７０１を取り囲んでいる第１および第２メタル層７０５、７０７はデータ処理部６２０と連結され、受信部６０１の出力に対応される。また空間７０９を取り囲んだ第３および第４メタル層７１１，７１３はデータ処理部６２０の出力に連結され、送信部６０３に対応する。

第１フィルム７０１に入射する超音波による振動は、振動部７００の第１および第２メタル層７０５、７０７に電圧を引き起こす。この電圧は、音声信号としてデータ処理部６２０にて処理された後、データ処理部６２０から出力される低周波電圧信号は第３および第４メタル層７１１，７１３に伝達される。第１および第２フィルム７０１、７０３、空間７０９、および第４メタル層７１３はコンデンサーの出力スピーカと同様に動作する。

係る方法により超音波変換の再生方法による音響再生スクリーンが動作する。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの各セルの断面図である。 本発明の一実施の形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの各セルの断面図である。 本発明の一実施の形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの各セルの断面図である。 図２のポリマーフィルムを使用する音響再生スクリーンの入射波の変位ξを示すグラフである。 図２のポリマーフィルムを使用する音響再生スクリーンの反射波の変位ξを示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの断面図の一部を示す。 本発明の他の実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの断面図の一部を示す。 本発明の他の実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの断面図の一部を示す。 本発明の更なる実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの単位セルの斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの単位セルのブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る超音波変換再生方法による音響再生スクリーンの単位セルのブロック図である。 図６の音響再生スクリーンの単位セルの他の実施形態に係る断面図である。

符号の説明

１００ 音響再生スクリーン
１０１ セル

Claims (17)

1. 音声信号を載せた超音波が入射されると前記音声信号を反射する振動体を備え、所定の体積を有する少なくとも１つのセルと、
   前記セルが連続的に連結されたマトリックス構造のスクリーンと、
   を含むことを特徴とする音響再生スクリーン。
2. 前記スクリーンは、スクリーンの直径と前記音声信号の波長との比率であるウェーブサイズが１より大きく、前記音声信号の周波数は１０Ｈｚより大きく１０ｋＨｚより小さいことを特徴とする請求項１に記載の音響再生スクリーン。
3. 前記セルは、
   前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射する、弾性力のある平板状の薄膜弾性体と、
   前記弾性体の振動の一方向の変位を制限するために、前記弾性体と所定間隔離れて前記弾性体と平行に設けられた網構造の連続する穴を有する堅固なネットと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響再生スクリーン。
4. 前記弾性体は薄膜のフィルムを含むことを特徴とする請求項３に記載の音響再生スクリーン。
5. 前記薄膜フィルムの厚さと、薄膜フィルムの密度および前記超音波の角速度とをかけた値である機械的なインピーダンスが、空気のインピーダンスとほぼ同一であることを特徴とする請求項４に記載の音響再生スクリーン。
6. 前記セルは、
   前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射するホーン（ｈｏｒｎ）と、
   前記ホーンの振動が伝わる方向の反対方向の変位を有し、前記ホーンを支持するシリンダあるいはドーム構造の弾性力のあるシェル（ｓｈｅｌｌ）と、
   前記ホーンおよび前記弾性力のあるシェルに連結され、前記ホーンの振動を前記弾性力のあるシェルに伝える支持体と、
   前記弾性力のあるシェルを支持し、前記入射する超音波による前記弾性力のあるシェルの振動が可能になるよう設けられる網構造の連続する穴を有す堅固なネットと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の音響再生スクリーン。
7. 前記ホーンは、平板の円型ディスク状であることを特徴とする請求項６に記載の音響再生スクリーン。
8. 前記支持体は、前記ホーンの中心と前記弾性力のあるシェルの中心に連結され、直線状の剛性部材で構成されることを特徴とする請求項７に記載の音響再生スクリーン。
9. 前記セルは、
   前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射する、弾性力のある平板状の薄膜弾性体と、
   磁場が形成される所定空間が特定されるように前記弾性体と前記空間を取り巻き、前記弾性体の振動により電流が誘導されるコイルと、
   前記コイルの両端末に連結され、前記コイルに誘導された電流が流れる方向に沿って前記弾性体の振動を制限するダイオードと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響再生スクリーン。
10. 前記弾性体は、弾性力のある膜を含むことを特徴とする請求項９に記載の音響再生スクリーン。
11. 前記セルは、
    前記超音波から変換された電気的な信号から前記超音波のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を抽出するデータ処理部と、
    前記超音波を受信し電気的な信号に変換し、前記エンベロープが伝達されて音声信号に変換し出力する振動部と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響再生スクリーン。
12. 前記振動部は、
    前記入射する超音波を受信し電気的な信号に変換し前記データ処理部へ出力する受信部と、
    前記データ処理部から抽出された前記エンベロープを音声信号に変換して出力する送信部と、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の音響再生スクリーン。
13. 前記データ処理部は、
    前記電気的な信号から所定周波数以上の信号を分離する高域通過フィルタと、
    前記高域通過フィルタの出力から前記エンベロープを抽出する整流器と、
    前記整流器から出力される前記エンベロープで所定の周波数以下の信号を分離する低域通過フィルタと、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の音響再生スクリーン。
14. 前記データ処理部は、
    前記電気的な信号を所定の利得で増幅し前記高域通過フィルタに出力する第１増幅器と、
    前記低域通過フィルタの出力が所望の所定出力となるように所定の利得で増幅する第２増幅器と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の音響再生スクリーン。
15. 前記振動部は、
    前記超音波が入射すると前記超音波により振動しながら前記音声信号を反射する弾性力のある平板状の薄膜の第１フィルムと、
    前記第１フィルムの内側および外側に取り付けられ、前記第１フィルムの振動により電気的な信号を誘起し、前記データ処理部に連結される第１および第２メタル層と、
    前記第２メタル層に取り付けられ、前記第１フィルムの振動に共振を発生させる平面上の第２フィルムと、
    前記データ処理部の出力に連結され、前記第２フィルムの内側に所定間隔の空間が形成されるべく前記空間の内側および外側に形成され、前記第２フィルムと平行し平面状である第３および第４メタル層と、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の音響再生スクリーン。
16. 前記第１フィルムは圧電フィルムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の音響再生スクリーン。
17. 前記第２フィルムはポリエチレンフィルムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の音響再生スクリーン。

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