JP2006511128A - サウンド・プロジェクター - Google Patents

Abstract

変調された超音波搬送波信号に基づいたパラメトリック・スピーカーは、強い指向性パターンを発生させる。この強い指向性パターンは、スピーカーから聴き手までの直接伝送路を必要とする。この伝送路における障害としては、反射あるいは吸収効果がある。本発明では、可動な反射器を備えたパラメトリック・スピーカーの機械的配置について記載される。本配置により、移動する聴き手の方向に放出された音の追跡が可能となる。本発明は、例えば、乗り物の屋根内張りにおいて、あるいは可搬式システムとして、好都合な設置の可能性を有する。

Description

本発明は、請求項１及び１３の前文に基づいた指向性スピーカーと、このような指向性スピーカーを動作させるのに適した方法に関する。

可聴信号が、単一のスピーカーあるいはスピーカー・アレイを介して、空気の振動として直接放射される従来のシステムでは、放射された音を比較的限定して集束させることは達成できる。対照的に、本発明の新規な方法では可聴信号を直接ではなく、むしろ非常に高周波（超音波）の搬送波の振幅の変調（振幅変調、ＡＭ）として送出する。音を空気の非線形特性の連続として音響的に知覚する基礎的な物理現象については、１９世紀の物理学者ヘルムホルツ（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）によって既に認識され考察されている。超音波／オーディオ・スピーカーを構築するための物理的な法則の応用については、非特許文献１においてヨネヤマ（Ｙｏｎｅｙａｍａ）、フジモト（Ｆｕｊｉｍｏｔｏ）、カワモ（Ｋａｗａｍｏ）、ササベ（Ｓａｓａｂｅ）により説明されている。

まず、第一に、「パラメトリック・スピーカー」からの音場は、有用な信号である可聴信号で変調された非可聴な超音波信号のみを含む。非可聴な超音波の高い音圧により空気媒体は変調される、すなわち空気媒体は非線形性となる。この非線形性により可聴信号は復調されることとなり、これが可聴式となる。上記生成された可聴音は正しい位相で超音波の伝播方向に加えられる。

パラメトリック・スピーカー・システムの指向性を利用するメガホンについては、特許文献１に記載されている。これに関しては、マイクロホンに向かって話された可聴信号は、環状に配置された超音波信号発生器を用いることにより指向性を備えて送信される。

パラメトリック・スピーカー・システムの放射方向に影響を与えるための選択肢についても、特許文献２に記載されている。ここでは、特別な電子的アクチュエータ手段（電子ビーム成形加工）を利用するか、あるいは機械的ミラー配置を利用して信号の方向を転換することにより、精密に集束された超音波信号の方向に影響を与えることを提案している。適切な配置の機械的ミラーについては、例えば、特許文献３により知られており、ここでは超音波アンテナとして知られているものを開示している。第１及び第２の反射器を含む配置を用いることにより、集束した超音波信号の方向を転換するとともにその断面形状を操作している。

特許文献４では、特に超音波信号を放射するための装置を開示している。上記装置は、複合型の超音波送信機／受信機に加えて特に超音波源から来る光線を、異なる空間的方向に偏向させるために利用可能な、回転可能に設置された反射器を含む。これに関しては、該超音波送信機／受信機及び反射器は共通支持体に別々に設置されている。上記配置の全体は筺体により囲まれていないので、特に上記配置が戸外で使用される場合に、反射面が汚れたり、湿気が送信／受信ユニットに侵入する危険性がある。

米国特許第６３５９９９０ Ｂ１号 米国特許第６２２９８９９ Ｂ１号 米国特許第４７９１４３０ Ａ１号 国際公開第９９／４４７５７号パンフレット 「オーディオ・スポットライト：音波の非線形相互作用の新型スピーカー設計への応用」米国音響学会誌、１９８３年、１５３２−１５３６ページ：‘Ｔｈｅ ａｕｄｉｏ ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ：Ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｗａｖｅｓ ｔｏ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｌｏｕｄ−ｓｐｅａｋｅｒ ｄｅｓｉｇｎ’， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， １９８３， ｐａｇｅｓ １５３２−１５３６

本発明の目的は、汚れや湿気の侵入から十分に保護することができる超音波反射器の配置を見出すことである。

本発明は、請求項１及び１３の特徴を有する指向性スピーカー及び指向性スピーカーを動作させる方法により達成される。本発明の好適な改良及び発展については従属請求項に記載される。

本発明の新規な指向性スピーカーは、少なくとも１つの超音波スピーカーによって形成される高指向性音を生成するための音源を含み、さらにこの指向性音を偏向させるための回転可能な反射器を備える。上記反射器は、指向性スピーカーの音源の機械的保護として機能するように、新規に回転可能に設計される。この保護は、特に汚れ、湿気のような環境の影響に対するものである。特に好都合な様式では、上記反射器は本質的に２つの異なる指向方向付け（オリエンテーション）並びに機能を有する。第１に、該反射器は、指向性スピーカーの音源から来るエネルギーを適切なオリエンテーションにより、規定可能な所望の方向へ偏向させる機能を果たし、第２に、上記反射器は音源上に折畳むことが可能であり、したがって音源を形成する超音波スピーカーを機械的環境の影響に対して保護する一種の保護ケースが作成されることになる。

本発明及びその好都合な改良を、図を参照しながら以下に詳細に説明する。

特に好都合な様式では、指向性スピーカーの音源は反射器により正確に嵌合し密閉することが可能な筺体内に設置される。この目的のために、反射器は、特に好都合に可動接続点により筺体に接続され、その結果、上記反射器はその蓋を形成し、反射器のオリエンテーションを変えることにより開閉することが可能な一種の缶容器となる。この場合、可動接続点は本質的には、上記反射器の所望の移動の角度に対する要求に応じて選択される。したがって単純な蝶番を使用することが考え得るが、あるいは特に反射器の移動する角度を大きくするためには、玉継手、自在継手あるいはカルダン継手に頼ることも考え得る。

特に好都合な様式では、音源が設置される筺体は本質的に円形の断面を有する。一例として、筺体上に固定されるとともに、反射器を反射器の最先端に沿って回転させるのに利用可能な軌道上に、上記回転接続点を設置できる。

指向性スピーカーのオリエンテーションは、筺体自体が支持体に強固には設置されることなく、むしろ継手により接続されると、特に好都合に設定できる。このため、音を指向性スピーカーにより直接送ることができる空間領域を著しく拡張できる。これは音源に対する反射器のオリエンテーションが同じままで変わらない場合、反射器と音源とを含む配置全体を回転することが可能となるからである。従って、本発明の指向性スピーカーは、外側筺体と内側筺体とを含む筺体を使用することにより特に好都合に実施することができる。この場合、指向性スピーカーの音源は、可動接続点により反射器へ直接接続された内側筺体内に位置する。これに関連して、内側筺体は外側筺体に対して傾斜及び／又は回転することが可能となるように好都合に設置されるが、このことは、上述の説明に基づくと、音を直接受信できる周囲領域が著しく拡張されることと、外側筺体が上記複合型ピボット配置を機械的環境の影響から保護することとを意味する。

図１に、アレイの基底板（１０）と折り畳み可能な反射器（１１）とを含むシステム例を示す。これに関して、反射器（１１）は、軌道（１３）上で移動できるように、継手（１２）を介して、音源を含む筺体に設置される。このような好都合な配置は、図２のように、車両の屋根内張り（２０）のようなある表面の上に設置するのに特に好適である。特に好都合な様式では、指向性スピーカーの筺体はこの表面に挿入される。このことは、指向性スピーカーは、一見すると「不可視の」ままであり得ることを意味する。指向性スピーカーを動作させるためには、反射器を開き、例えば、約４５°の範囲に初期設定する。正確な水平方向のオリエンテーションは軌道（１３）上を回転することにより得られ、また、高さ方向のオリエンテーションは約４５°の範囲の開口角により得られる。軌道または筺体と反射器（１１）との間の継手（１２）は、反射器（１１）が本質的に垂直方向に回転することを可能とし、また筺体上で移動できるように配置された軌道は、反射器が水平方向に移動し円形のベース領域の上で回転することを可能にする。

固定の開口角４５°で十分な場合には、ベース領域を傾けるための第２の蝶番（１４、３０）は必要とせず、個々の各要素は、集束するように直角、あるいは適切な傾斜で設置される。約４５°の開口角から、例えば、プラス１０°の狭い範囲を必要とする場合は、音源を形成する超音波スピーカーを集束させる配置が推奨される。大きな範囲の開口角が必要な場合、図３を参照すると第２の蝶番（１４、３０）はベース領域を傾けるのに好都合となる。

他の応用としては、より広い空間において音を送信したり、部屋及び建築物外の野外において音を送信したりするための応用がある。本システムは可搬式装置として設計できるので好都合である。本システムは、密封状態において機械的に保護され、また、上記反射器及びベースユニットにより、風化作用の影響を防ぐことができる。動作中は、ベースユニットは支持体としての機能を果たす。

図４は、指向性スピーカーの音源を共同で形成する２５個の超音波スピーカーの配置例の平面図を示す。超音波スピーカーの形態における２５個の個々の要素（４０）は、円形のベース領域に５×５の正方形に配列される。これに関しては、個々の要素（４０）は小さなシリンダの形態をとってもよく、上記シリンダは、例えばその上部端に音を出す開口部を備えるとともに共通ベース領域に直立した状態で設置される。このような配置により、各要素はベース領域に対して直角の放射方向を有することになる。

図５は、反射器（５０）及びトランスデューサ・アレイの基本的な配置の側面図を示す。問題を単純化するために、この図では上記アレイ内の単一トランスデューサのみが示される。反射器は、筺体壁面（５１）の一側面に設置される。反射器（５０）と筺体壁面（５１）との間で用いられる取り付けは、例えば、蝶番（５２）あるいは他の継手である。一例として示されるように、反射器がアレイベース領域に対し４５°で配列される場合、反射音は音響トランスデューサ・アレイのベース領域（５３）と平行に伝播する。

４５°という角度は、反射器領域（５４）がアレイからの音を完全に反射するという意味で、最適である（放射は、アレイのベース領域に対して直角であり、極限まで集束しているものと仮定する）。４５°より大きな角度では、より大きな反射器が必要となり、また、４５°より小さい角度では、ベース領域によって反射は部分的に受信されるものとなる。

放射が集束されるように、ベース領域の要素が適切な角度で設置されると、反射器の角度はより広範囲に動かすことが可能となる。問題を単純化するために、ここではベース領域の要素の設置角は、共通の焦点が得られるように選択されるものと仮定する。このとき、外側の要素は内側の要素より、傾斜の程度はより大きく、また、中心部にある要素は、再び直角に設置される。

この焦点より後ろでは、当該音は集束せず、従って、その指向性もまた広がる。

図６は、反射器（６０）がベース領域に対し６０°の開口角の配置例を示す。反射の後に焦点（６１）が置かれる。外側の要素の設置角は、一例として−７０°の値を示す。実際に焦点（６１）を反射の前に置くと、音場の拡散はさらに大きいものとなる。このようにして、ベース領域の要素に対し集束するための設置角度を選択することで、ある範囲内、即ち反射器を大きくしなければならない、あるいは反射の一部分のみが受信されるという欠点を持たない値約４５°で可変な最適の開口角を得ることができる。開口角６０°関しては、焦点には無関係に、２＊（６０°−４５°）＝３０°の合成平均放射が存在する。

上記集束配置の欠点は焦点がずれること（散乱）である。聴き手が、例えば音線内で、該配置の直接近傍に存在する場合は、聴き手自身もまた反射器としての役割を果たすので、一定量の散乱は完全に許容できる。

集束するための開口角と設置角は、反射器の寸法を大きくする意図が無い場合には、大きな開口角を備えても、やはり大きな傾斜（設置角）を用いる必要があるという点で、相互に依存して選択される。

図７に、開口角４０°と合成平均放射角２＊（４５°−４０°）＝−１０°を備えた例を示す。

４５°より小さい開口角とベース領域の外側の要素の設置角は、この場合、反射がベース領域により遮蔽される、すなわち、反射はもはや発生しないかもしれないので、全く自由に選択されるわけではない。この場合、正確な幾何学的説明図は省略する。外側要素の好適な撓角として得られる大きさは、一例として、開口角４０°、３５°及び３０°に対して、それぞれ８０°、７０°、及び６０°である。

当該の聴き手がアレイから非常に離れている場合、焦点ずれにより指向性の大部分は失われるので放射を集束させることは、もはや意味をなさない。図８の具体例に示すように、基本システムを傾斜させるとともに４５°の最適開口角を維持するほうが好都合である。

一例として、複数個の単一トランスデューサ、すなわちアレイ・システムをベース領域のトランスデューサ・システムとして使用した。超音波送信機は、個々の各トランスデューサの代わりに単に１個のトランスデューサを備えて構成できる。通常のトランスデューサは、一方向に高レベルの指向性を有する音を放射するが、その音線は距離にとともにいくらか広がる。先行技術に基づいて、個々のトランスデューサも、集束効果を有するように設計可能であるので、単一トランスデューサかあるいは複数のトランスデューサを用いるかは上述したシステム全体にとっては重要ではない。

本システムの指向性を高レベル化するためには、当該聴き手に対するオリエンテーションが必要である。図９に一例として簡易な支援手段を示す。これに関して、指向性スピーカーのベース領域の中心部は、集束光線を音の伝播方向へ放射する要素（９０）を含む。この小さな点に見える光である光点を入射することにより、音が所望される地点となる到達先を設定できる。この場合、設定は手動で行われることになる。好都合には、要素（９０）は、照明される人物あるいは目標物上で容易に感知することが可能な光の集束ビームを放射するレーザーである。

例えば、音を受信しようとする目標物への自動設定は、一例としてレーザー光線の反射を評価する光電子画像評価ユニットにより行うことが可能である。この時、この画像評価ユニットはシステムを回転させるとともに傾斜させるための制御信号を供給できる。複雑な画像評価の代わりに、最も強い放射熱を有する目標物を追跡する赤外線センサーによる制御もまた可能である。

音を受信しようとする目標物が、光点あるいは無線信号のような信号を放射する場合は、さらなる選択の余地が得られることになる。位置検出装置に接続された受信機は、この信号を利用して当該目標物の位置を確定し、本反射器システムの方向を当該目標物に合わせることが可能である。音を受信しようとする目標物が、例えばレーザーから光点を放射する場合、図１０に示されるように、適正な受信機（１００）は指向性スピーカーのベース領域に直接設置することが可能であり、これにより反射器により反射された光を評価する。これに関しては、光の最大入射は、光源に対して正確な音響的オリエンテーションを有するシステムを用いることにより得られる。

特に好都合には、本筺体は車両の内部装置の埋設された様式と一体化するのに理想的であるので、本発明の新規な指向性スピーカーは自動車両内の人物へ音を送信するのに利用できる。一方、本発明の新規な指向性スピーカーは、音響変換器を特に環境の影響から保護する用途を提供するので、車両または建造物の外部でも好都合な用途を提供できる。本発明に従って設計された指向性スピーカーは、例えば、車両の屋根に比較的目立たずに一体化できるので、特に、運転中の車両の周囲領域に対して、音を提供できる。一例として、ピクニックに出かけた際に、周囲領域の人物を悩ますことなく、当該の人物の領域、あるいはピクニック地点における特に限定的な空間に対して音を提供することが可能となる。

アレイの基底板と折り畳み可能な反射器とを含むシステム例を示す。 指向性スピーカーの考え得る設置の変形態様（オーバーヘッド）を示す。 ベース領域を傾斜させるための第２の蝶番を備えた変形態様を示す。 各超音波スピーカーの例示的配置の平面図を示す。 反射器とトランスデューサ・アレイの基本的な配置の側面図を示す。 反射器がベース領域に対して６０°の開口角を有する配置例を示す。 開口角４０°の例を示す。 反射器に加えてシステム全体も回転される配置を示す。 聴き手に対し最適なオリエンテーションを可能にする指向性スピーカーの例示的改良を示す。 最適なオリエンテーションを可能にする指向性スピーカーのさらなる例示的改良を示す。

Claims (21)

1. 少なくとも１つの超音波スピーカーにより形成される高指向性音を生成するための音源を含み、前記指向性音を偏向させるために設けられた回転可能な反射器を備えた指向性スピーカーであって、
   前記反射器は、前記指向性スピーカーの音源に対して、汚れや湿気のような環境の影響に対する機械的保護として機能するように回転可能であることを特徴とする指向性スピーカー。
2. 前記指向性スピーカーの音源は、前記反射器により密閉可能な筺体内に位置することを特徴とする請求項１記載の指向性スピーカー。
3. 前記筺体の壁面が円形の断面を有することを特徴とする請求項１記載の指向性スピーカー。
4. 前記反射器は、継手により移動可能に前記筺体へ接続されることを特徴とする請求項２あるいは３に記載の指向性スピーカー。
5. 前記継手は、壁面の上部に沿って移動可能なように前記筺体の壁面に設置されることを特徴とする請求項４記載の指向性スピーカー。
6. 前記筺体自身はその支持体に対して傾斜及び／又は回転できるように設置されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の指向性スピーカー。
7. 前記筺体は外側筺体及び内側筺体を含み、
   前記反射器は継手を介して前記内側筺体に接続され、
   前記内側筺体は前記外部筺体に対して傾斜及び／又は回転できるように設置されることを特徴とする請求項６記載の指向性スピーカー。
8. 前記指向性スピーカーの音源は、アレイを形成するように配置された複数の超音波スピーカーにより形成され、個々の前記超音波スピーカーは、これらの放射全体が集束するようにお互いの超音波スピーカーに対し、ある角度で傾斜されて配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の指向性スピーカー。
9. 前記指向性スピーカーは、前記指向性超音波信号を受信しようとしている人物または対象物の位置を検出する手段に接続されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の指向性スピーカー。
10. 人物または対象物の位置を検出する前記手段は、前記指向性スピーカーの筺体内、あるいはその上に位置することを特徴とする請求項９記載の指向性スピーカー。
11. 人物または対象物の位置を検出する前記手段は、放射される光信号あるいは無線信号を使用することにより、レーザーまたは無線信号の位置を検出することが出来ることを特徴とする請求項９及び１０のいずれかに記載の指向性スピーカー。
12. 人物または対象物の位置を検出前記手段は、レーザーからの光線を前記指向性スピーカーの反射器上でのレーザーの偏向を経由して受信するように配置されることを特徴とする請求項１１記載の指向性スピーカー。
13. 前記指向性スピーカーの方向を、特に、音を受信しようとしている人物または対象物へ向けるように使用可能な手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の指向性スピーカー。
14. 前記指向性スピーカーは、前記指向性スピーカーの筺体内に配列されるとともに前記指向性スピーカーの反射器上のビーム偏向手段により当該の人物あるいは対象物に光を当てるレーザーを更なる手段として備えることを特徴とする請求項１３記載の指向性スピーカー。
15. 音源から少なくとも１つの超音波スピーカーを介して高指向性音が放射され、前記放射音が反射器によって偏向される指向性スピーカーを動作させる方法であって、
    前記音源は、特に汚れ、湿気のような環境の影響から遮断するように前記反射器を回転させることにより機械的に保護されることを特徴とする方法。
16. 指向性超音波が放射される人物あるいは対象物の位置を検出し、その結果、上記反射器は、前記場所へ放射する上で好適に方向付けられることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 位置付けられるべき場所に設置されたレーザーあるいは無線から、前記指向性スピーカーに付属するレーザー光受信機に対して送出されるレーザー光線あるいは無線信号に基づいて、場所が特定され、前記受信機は、受信した光信号から光源の場所を推測することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 指向性スピーカーの特定の指向方向付けを支援するために、前記指向性スピーカーからの主要光線の現在の方向に位置する人物あるいは対象物を、限定的に照明することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記限定的な照明はレーザーを使用することにより実現されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
20. 自動車内の人物あるいは対象物に対して音を送出するために、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置あるいは方法の使用。
21. 自動車外の周囲の人物あるいは対象物に対して音を送出するために、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置あるいは方法の使用。

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