JP2008011074A - 超指向性音響装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 振幅変調器2が、エミッタ4の音圧周波数特性の中でキャリア波の音圧とサイドバンドの音圧との積が大きくなる周波数を有するキャリア波信号を生成し、音声生成器1からの音声信号で当該キャリア波信号を振幅変調する。この振幅変調信号を増幅器3で増幅してエミッタ4から超音波を放射し、超音波から自己復調する可聴音声の音圧を高める。
【選択図】図1
Description
また、十分な音量を得るために複数のパラメトリックスピーカ即ちエミッタを動作させるものがある。このように構成して動作させると、各エミッタの音響出力に著しい位相差が生じて理論上よりも出力や指向性が低くなってしまう。そのため各エミッタの出力位相が一致するように、エミッタの最大共振周波数から1〜5%移動した周波数のキャリア波を用いるものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、複数のエミッタを用いて可聴音声の音圧レベルの向上を図ると、装置構成が複雑になってコストが高くなると共に各エミッタの出力位相を揃える処理が必要になって動作も複雑になるという課題があった。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による超指向性音響装置の構成を示すブロック図である。図示した超指向性音響装置は、可聴音を示す音声信号を生成する音声生成器1、音声信号を入力して振幅変調信号を生成する振幅変調器2、振幅変調信号を増幅する増幅器3、増幅器3によって増幅された振幅変調信号を入力して超音波を発生するエミッタ4によって構成されている。
振幅変調器2は、超音波帯域のキャリア波を示す信号を生成する高周波生成器21、高周波生成器21からのキャリア波信号と音声生成器1からの音声信号とを入力し、これらの信号の掛算処理を行う掛算器22によって構成されている。超音波を放射するエミッタ4は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛即ちPZTなどの有機系の硬い圧電素材から成る超音波振動子を備えたものである。
フィルタ23は、例えば上側波帯を有するSSB変調を行う場合は、キャリア波とキャリア波よりも低い周波数帯域のサイドバンドとを抑制し、キャリア波よりも高い周波数帯域のサイドバンドを通すフィルタ特性を有するものである。また、下側波帯を有するSSB変調を行う場合は、キャリア波よりも低い周波数帯域のサイドバンドを通すフィルタ特性を有するものが使用される。
図1に示した音声生成器1は、可聴帯域の音声を示す音声信号を生成する。この音声信号は振幅変調器2の掛算器22へ入力される。振幅変調器2では、高周波生成器21が超音波帯域のキャリア波を示すキャリア波信号を生成している。ここで生成されるキャリア波信号は、後述するようにエミッタ4の共振周波数とは異なる、即ちエミッタ共振周波数からずれた周波数の超音波を表すものである。このキャリア波信号も前述の音声信号と同様に掛算器22へ入力される。掛算器22は、音声信号とキャリア波信号との掛算処理を行い、キャリア波信号を音声信号にて振幅変調した振幅変調信号を生成する。なお、変調率を100%とするためには、振幅変調によって生じるサイドバンドのレベルがキャリア波のレベルに対して“−6dB”となるように、例えば図示されない音声信号を入力する加算器などの処理動作によって音声信号のレベルを調整して上記の掛算処理を行う。
例えば上側波帯を有するSSB変調を行う場合には、前述のようにフィルタ23はハイパスフィルタとして作用し、掛算器22の出力信号からキャリア波と当該キャリア波の下側帯域のサイドバンドとを減衰させ、上側帯域のサイドバンド成分を通過させる。
一方、高周波生成器21から出力されたキャリア波信号をアッテネータ24へ入力する。アッテネータ24は、入力したキャリア波信号のレベルを減衰させ、上記のフィルタ23から出力される信号レベルと適合するように、即ち、高い変調率を確保すると共に変調による歪が生じないようにレベル調整を行う。
フィルタ23の出力信号と、アッテネータ24の出力信号とを加算器25へ入力し、これらの信号の加算処理を行って上側帯域のサイドバンドとキャリア波とから成る変調信号を生成する。このように上側波帯を有するSSB変調を施した変調信号を増幅器3へ入力して、エミッタ4を駆動可能なレベルまで増幅する。エミッタ4を駆動させてSSB変調による超音波を放射する。
エミッタ4は、前述のように有機系の硬い圧電素材の超音波振動子を用いて超音波を発生させるもので、音圧周波数特性として一般的には複数の音圧ピークを有している。ここで例示するエミッタ4は、二つの音圧ピークを有する音圧周波数特性を備えたもので、この特性は図3−1や図3−2などに示した特性曲線の音圧周波数特性Aのように表されるものである。なお、図示した音圧周波数特性Aの中で、最も音圧が高くなる部分を第1ピークとし、また図中エミッタ共振周波数feよりも高い周波数の音圧ピークを第2ピークとする。ここでは、第1ピークの周波数をエミッタ共振周波数feと記載する。図3−1及び図3−2に示したグラフは、縦軸が放射器即ちエミッタ4から放射される超音波の音圧[dB]、横軸が周波数[Hz]を表すもので特に超音波帯域の周波数を表している。
DSB変調を行った場合には、図3−1に示したようにキャリア波Bを中心にして上下両側の周波数帯域にサイドバンドCが生じる。
SSB変調を行った場合には、キャリア波Bよりも高い周波数帯域あるいは低い周波数帯域のいずれかにサイドバンドCが存在し、例えば上側波帯即ちUSBを有する振幅変調を行った場合には図3−2に示したようにキャリア波Bよりも高い周波数帯域にサイドバンドCが生じる。また、下側波帯即ちLSBを有する振幅変調を行った場合にはキャリア波Bよりも低い周波数帯域にサイドバンドCが生じる。
なお、SSB変調は、DSB変調に比べて変調に要するデータ処理量を抑えることができ、デジタルデータの音声信号やキャリア波信号を処理する際に有利である。また、SSB変調は理論上では二次高調波歪が発生せず高調波歪を低減することができるため変調効率を改善することも可能である。
エミッタ4は、前述のようにエミッタ共振周波数feにおいて音圧ピークが生じることから、振幅変調器2が、例えばエミッタ共振周波数feよりも高い周波数のキャリア波Bを振幅変調に使用するときには下側波帯即ちLSBを有するSSB変調を行う。こうすると、キャリア波Bの周波数とサイドバンドCの周波数帯域はエミッタ共振周波数feを挟むことになり、キャリア波Bの音圧とサイドバンドCの音圧は、音圧周波数特性Aの中において音圧ピークの両側方の音圧になって、当該音圧周波数特性Aにおけるキャリア波Bの音圧とサイドバンドCの音圧との積を大きな値にすることができる。
また、エミッタ共振周波数feよりも低い周波数のキャリア波Bを使用するときには、上側波帯即ちUSBを有するSSB変調を行うようにする。このようにした場合も、上記の説明と同様にキャリア波Bの音圧とサイドバンドCの音圧は音圧周波数特性Aの中において音圧ピークの両側方の音圧になり、音圧周波数特性Aの中においてキャリア波Bの音圧とサイドバンドCの音圧の積を大きな値にすることができる。
また、音圧周波数特性Aの特性曲線の傾斜が、エミッタ共振周波数feよりも低い帯域において緩やかな場合には、キャリア波Bの周波数をエミッタ共振周波数feよりも低く設定する。このように設定して、前述のようにUSBを有するSSB変調を行うと、サイドバンドCの音圧レベルが音圧周波数特性Aにおいて相対的に高くなり、キャリア波Bの音圧とサイドバンドCの音圧との積が大きな値になる。
特性曲線Fは、前述の図4−1に示したキャリア波BとサイドバンドCから成る超音波がエミッタ4から放射されたときに自己復調した可聴音性の音圧周波数特性を表したものである。図3−2に示したキャリア波Bの音圧ならびにサイドバンドCの音圧と比べて、図4−1に示したキャリア波Bの音圧レベルは低くなっているが、サイドバンドCの音圧レベルは高くなっていることから、図4−1のキャリア波Bの音圧とサイドバンドCの音圧との積は上記の図3−2ならびに図4−2に示したものに比べて大きな値になる。図4−1に示した周波数のキャリア波B及びサイドバンドCの超音波をエミッタ4から放射したとき、この超音波から復調する可聴音声の音圧レベル即ち特性曲線Fは、特性曲線Dや特性曲線Eが示す音圧レベルよりも、特に低中音域から高音域にかけて高い値となる。
また、高周波生成器22が生成するキャリア波信号の周波数の設定をエミッタ4の音圧周波数特性Aに適応させて振幅変調信号を生成するようにしたので、構成を複雑にすることなくエミッタ4から放射される可聴音声の音圧を高めることができるという効果がある。
Claims (5)
- 可聴音声を示す音声信号を生成する音声生成手段と、超音波帯域のキャリア波を示すキャリア波信号を生成し前記音声生成手段から入力した音声信号で当該キャリア波信号を振幅変調して振幅変調信号を生成する振幅変調手段と、前記振幅変調信号を増幅する増幅手段と、前記増幅器からの振幅変調信号に基いて超音波をキャリア波とする可聴音声を放射するエミッタとを備えた超指向性音響装置において、
前記振幅変調手段は、前記エミッタの音圧周波数特性の中でキャリア波の音圧と当該キャリア波を音声信号で振幅変調したときのサイドバンドの音圧との積が大きくなる周波数を有するキャリア波信号を生成することを特徴とする超指向性音響装置。 - 振幅変調手段は、エミッタの共振周波数よりも高い周波数のキャリア波信号を生成して当該キャリア波信号の下側波帯を有するSSB変調を行うことを特徴とする請求項1記載の超指向性音響装置。
- 振幅変調手段は、エミッタの共振周波数よりも低い周波数のキャリア波信号を生成して当該キャリア波信号の上側波帯を有するSSB変調を行うことを特徴とする請求項1記載の超指向性音響装置。
- 振幅変調手段は、外部から、エミッタの共振周波数よりも高い周波数のキャリア波信号を生成するように設定されたとき当該キャリア波信号の下側波帯を有するSSB変調を行い、またはエミッタの共振周波数よりも低い周波数のキャリア波信号を生成するように設定されたとき当該キャリア波信号の上側波帯を有するSSB変調を行うことを特徴とする請求項1記載の超指向性音響装置。
- 振幅変調手段は、エミッタの共振周波数から当該共振周波数の20%よりも小さな範囲で移動した周波数のキャリア波信号を生成することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の超指向性音響装置。
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