JP2008113190A - 可聴音指向性制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可聴音の指向性を制御することで、大形のパラメトリックスピーカを使用せず、大きなエネルギを要しない可聴音指向性制御装置を提供する。
【解決手段】複数の超音波振動子２２を備える超音波振動子アレイ２０と、超音波振動子アレイ２０から放射される超音波の到達目標位置を検出する目標位置検出手段１０と、目標位置に超音波が放射されるように、超音波振動子アレイ２０に備えられる複数の超音波振動子２２を個別に制御する超音波振動子制御手段５０と、を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、可聴音の指向性を制御する装置に関する。

可聴音を強い指向性で放射するパラメトリックスピーカと呼ばれる指向性スピーカが知られている(例えば特許文献１)。パラメトリックスピーカは、超音波振動子などの電気音響変換器が平面上に配列された構造である。超音波振動子は、超音波帯域の周波数をもつ搬送波(信号)を可聴音(音声信号)によって振幅変調した被変調信号を超音波に変換して空気中に放射する。放射された超音波信号は、空気中を伝播するときに音波の非線形現象によって可聴音を復調(自己復調)する。このような特性によって指向性の強い可聴音を放射できるのである。

特許文献１では、複数のパラメトリックスピーカと、そのパラメトリックスピーカと対になる人感センサとを使用する。そして人を検出した人感センサに対応するパラメトリックスピーカから可聴音を放射するようにしていた。
特開２００５−１５９４４６号公報

前述した従来の装置は、パラメトリックスピーカを１台ごとにＯＮ／ＯＦＦ制御している。そのため、人の位置や、身長の高低などにもかかわらず、可聴音を伝達できるように、パラメトリックスピーカは大形であり、音を放射するために大きなエネルギを必要としていた。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、可聴音の指向性を制御することで、大形のパラメトリックスピーカを使用せず、大きなエネルギを要しない可聴音指向性制御装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、複数の超音波振動子(２２)を備える超音波振動子アレイ(２０)と、前記超音波振動子アレイ(２０)から放射される超音波の到達目標位置を検出する目標位置検出手段(１０)と、前記目標位置に超音波が放射されるように、前記超音波振動子アレイ(２０)に備えられる複数の超音波振動子(２２)を個別に制御する超音波振動子制御手段(５０)と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の超音波振動子を個別に制御するようにしたので、小形の超音波振動子アレイを使用しても、目標位置に超音波が放射されるようになった。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明による可聴音指向性制御装置の第１実施形態を示す全体図、図２は指向性スピーカの平面図、図３は指向性スピーカを車両に搭載した状態を車両上方から透視した図である。

可聴音指向性制御装置１は、イメージセンサ１０と、指向性スピーカ２０と、コントローラ５０とを有する。

イメージセンサ(撮像センサ)１０は、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラであり、乗員８０の頭部８１の位置をリアルタイムに検出する。イメージセンサ１０は、図１では車両６０の天井６１に１台取り付けられているが、複数台であってもよい。

指向性スピーカ２０は、座席６２の真上の天井６１に取り付けられている。指向性スピーカ２０は、図２に示すように長方形の基盤２１に電気音響変換器である超音波振動子２２が格子状に複数配列された超音波振動子アレイである。図２では、超音波振動子２２が１７行×１１列の合計１８７個並んでいる。指向性スピーカ２０は、図３に示すように座席６２の真上から見たときに座席６２を覆う大きさである。

コントローラ５０は、イメージセンサ１０によって得られたイメージ情報に基づいて指向性スピーカ２０を制御する。またコントローラ５０は、後述する振幅変調部５１と、スイッチ部５２と、アンプ部５３とを含む。コントローラ５０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。エンジンコントローラ５０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

図４は、指向性スピーカの制御装置の構造を示すブロック図である。

指向性スピーカ２０の各超音波振動子２２は、それぞれスイッチ５２及びアンプ５３を介して振幅変調器５１に接続される。

振幅変調器５１は、搬送波である超音波を可聴音信号で振幅変調する。

スイッチ５２は、振幅変調器５１で変調された信号の伝達のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

アンプ５３は、スイッチ５２から伝達した信号を増幅する。

超音波振動子２２は、アンプ５３で増幅された信号を放射する。増幅されて放射された信号は、空気中を伝播するときに音波の非線形現象によって可聴音を復調(自己復調)する。

コントローラ５０は、イメージセンサ１０で検出した乗員８０の頭部８１の上方付近に位置する超音波振動子２２に接続されるスイッチ５２をＯＮする。例えば図５では、乗員８０の頭部８１の上方付近に位置するクロスハッチングを付した超音波振動子２２から超音波が放射されるようにスイッチ５２をＯＮする。白抜きの超音波振動子２２からは超音波が放射されないようにスイッチ５２をＯＦＦする。

図６は、本実施形態の効果を説明する図である。なお指向性スピーカから放射される超音波を図中に網を掛けて模式的に表現する。

以上のようにすることで図６に示すように、乗員８０が座る座席６２ａ，６２ｂの上方に配置された指向性スピーカ２０ａ，２０ｂからは可聴音を再生し、乗員８０がいない座席６２ｃの上方に配置された指向性スピーカ２０ｃからは可聴音を再生しない。また指向性スピーカ２０ａ，２０ｂは、乗員８０の頭部付近でのみ可聴音を再生する。したがって指向性スピーカは、超音波の放射範囲を最小限にとどめることができ、音の放射に使用するエネルギーを最小限に抑えることができる。

（第２実施形態）
図７は、本発明による可聴音指向性制御装置の第２実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。

なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態は、搬送波である超音波を左耳可聴音信号で振幅変調する左音振幅変調器５１Ｌと、搬送波である超音波を右耳可聴音信号で振幅変調する右音振幅変調器５１Ｒと、を有する点で第１実施形態と相違する。そしてスイッチ５２は、左音振幅変調器５１Ｌで変調された信号伝達と、右音振幅変調器５１Ｒで変調された信号伝達と、無音(信号ＯＦＦ)と、を切り替える。

コントローラ５０は、イメージセンサ１０の画像データを処理することによって、乗員の頭部位置をリアルタイムに検出する。そして図８に示すように、検出された頭部８１の左側(左耳８２Ｌ)の上方付近に位置する左下がりハッチングを付した超音波振動子２２から、左音振幅変調器５１Ｌで変調された超音波が放射されるようにスイッチ５２を切り替える。また頭部８１の右側(右耳８２Ｒ)の上方付近に位置するクロスハッチングを付した超音波振動子２２から、右音振幅変調器５１Ｒで変調された超音波が放射されるようにスイッチ５２を切り替える。白抜きの超音波振動子２２からは超音波が放射されないようにスイッチをＯＦＦする。

本実施形態によれば、座席に座る特定の乗員に対してのみ、左右の耳で異なる可聴音を再生するステレオ再生が可能となる。また乗員の頭部が動いた場合であっても、それに応じて頭部位置を検出し、超音波振動子アレイ上の放射範囲を変更することにより、常にステレオ音を再生することが可能となる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に使用する指向性スピーカの平面図である。

本実施形態の指向性スピーカ２０は、第１実施形態、第２実施形態で使用するものに比べて小形である。図９では、超音波振動子２２が１１行×１１列の合計１２１個並んでいる。

図１０は、本発明による可聴音指向性制御装置の第３実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。

本実施形態は、搬送波である超音波を基準可聴音信号で振幅変調する基準振幅変調器５１Ｂと、搬送波である超音波を、基準可聴音信号の位相を９０度遅らせたディレイ可聴音信号で振幅変調するディレイ振幅変調器５１Ｄと、を有する点で第１実施形態と相違する。そしてスイッチ５２は、基準振幅変調器５１Ｂで変調された信号伝達と、ディレイ振幅変調器５１Ｄで変調された信号伝達と、無音(信号ＯＦＦ)と、を切り替える。

位相が９０度異なる信号が放射されて重ねあわされると、それぞれの比率によって重ねあわされた信号の位相を任意に変更することができる。すなわち、基準信号のみを放射すれば位相遅れのない音が放射され、ディレイ信号のみを放射すれば位相が９０度遅れた音が放射される。基準信号とディレイ信号とを同比率で放射すれば位相が４５度遅れた音が放射される。このような特性があるので、図１１のように指向性スピーカ２０から放射される搬送波の位相を順次遅らせれば、放射された搬送波の同位相面Ａが位相の遅れる方向に傾き、矢印Ｂで示すように搬送波の進行方向を傾けることができる。

図１２は、本実施形態の効果を説明する図である。なお指向性スピーカから放射される超音波を図中に網を掛けて模式的に表現する。

以上のようにすることで図１２に示すように、乗員８０ａ，８０ｂが座る座席６２ａ，６２ｂの上方に配置された指向性スピーカ２０ａ，２０ｂからは可聴音を再生し、乗員がいない座席６２ｃの上方に配置された指向性スピーカ２０ｃからは可聴音を再生しない。そしてコントローラ５０は、イメージセンサ１０の画像データを処理することによって、乗員の頭部位置をリアルタイムに検出し、スイッチ５２が、基準振幅変調器５１Ｂで変調された信号伝達と、ディレイ振幅変調器５１Ｄで変調された信号伝達と、無音(信号ＯＦＦ)と、を切り替えることで、指向性スピーカ２０ａ，２０ｂは、小形であるが、乗員の頭部付近でのみ可聴音を再生することができる。なお図１３では、乗員の頭部に近い列ほど多くの超音波振動子２２から超音波が放射されるようにしている。すなわち図１３では足側から頭側に進むに連れて超音波を放射する超音波振動子２２が、０→１→２→３→４→５→６→７、と増えるようにしている。このようにすれば、乗員は一層音声を聞き取りやすくなる。

（第４実施形態）
図１４は、本発明による可聴音指向性制御装置の第４実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。

指向性スピーカ２０の各超音波振動子２２は、それぞれディレイ回路５４及びアンプ５３を介して振幅変調器５１に接続される。

ディレイ回路５４は、振幅変調器５１で変調された信号に時間遅れを与えて位相を制御する。

図１５、図１６は、本発明による可聴音指向性制御装置による制御を説明する図である。

図１５に示すように、放射された超音波の位相が指向性スピーカ２０の中心で最も遅れるように制御すると、指向性スピーカ２０から放射された超音波は、指向性スピーカ２０の中心の法線上の点Ｃで収束する。そのため、復調された可聴音もその一点Ｃに収束するので、その一点Ｃでは周囲と比較して音圧が大きくなり、そこで可聴音が再生されたのと等価な状態となる。

また図１６に示すように、空間上に存在する一点Ｄを中心とした球面Ｅ上で同位相となるように、各超音波振動子２２の信号の位相を制御すると、放射された超音波はその空間上の一点Ｄで収束する。このように各超音波振動子２２の信号の位相を制御することで、指向性スピーカ２０の中心軸以外の点でも可聴音を再生することが可能である。

図１７は、本実施形態の効果を説明する図である。なお指向性スピーカから放射される超音波を図中に網を掛けて模式的に表現する。

コントローラ５０は、イメージセンサ１０の画像データを処理することによって、乗員の耳８２の位置をリアルタイムに検出する。そして図１７に示すように、検出された耳位置で超音波が収束(可聴音が再生)するように、指向性スピーカ２０の各超音波振動子２２に入力される信号の位相を制御する。

本実施形態によれば、耳８２の位置で可聴音を再生できるので、イアホンのように微小な音量で情報を伝達することができる。そのため、聴取者にのみ音を聞かせ、それ以外の乗員には再生された可聴音を聞かせないことができる。さらに各乗員に対して独立した指向性スピーカ２０を用意すれば、それぞれの乗員に異なった可聴音を聞かせることが可能となり、各乗員がそれぞれ異なった音声を聴くことができる。

（第５実施形態）
図１８は、本発明による可聴音指向性制御装置の第５実施形態を示す図である。

本実施形態では、指向性スピーカ２０が車両の前面に設置されている。

コントローラ５０は、左折時に運転者がウィンカーを操作すると、全地球測位システム(Global Positioning System)を利用するナビゲーションシステムの情報に基づいて交差点の角Ｆを推定する。そして図１８に示すように、指向性スピーカ２０の各超音波振動子２２に入力される信号の位相を制御して、推定した交差点の角Ｆで警報アナウンスを再生する。なお変調された可聴音信号が復調されるのは、空気の非線形性によって搬送波の波形が歪み、衝撃波が形成されてからになるが、この衝撃波はスピーカの近傍では形成されない。そのため、交差点の角Ｆが近づき衝撃波が形成されない範囲になると可聴音が再生できなくなる可能性がある。衝撃波が形成されるまでの距離は、搬送波の振幅により変化し、振幅が大きくなるほどその距離が短くなる。そこで、本実施形態では交差点の角Ｆが近づいて可聴音を再生不能な範囲になったら、搬送波の振幅が大きくする。このようにすることで、交差点の角Ｆに近づいても可聴音を再生可能である。

本実施形態によれば、左折時の歩行者８０に注意を促して巻き込み事故を防止できる。また最小限の音量で情報伝達が可能となるので、周囲への騒音を発生しない。

（第６実施形態）
図１９は、本発明による可聴音指向性制御装置の第６実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。

本実施形態は、第５実施形態に対して、各超音波振動子２２から放射される搬送波の周波数を可変にできるようにしたものである。衝撃波が形成されるまでの距離は、搬送波の周波数によっても変化し、周波数が高くなるほどその距離が短くなる。そこで本実施形態では、交差点の角Ｆが近づいて可聴音を再生不能な範囲になったら、搬送波の周波数を高くする。このようにすることで、交差点の角Ｆに近づいても可聴音を再生可能である。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

例えば、指向性スピーカの形状や超音波振動子の個数は、仕様に合わせて適宜設定すればよい。

本発明による可聴音指向性制御装置の第１実施形態を示す全体図である。 指向性スピーカの平面図である。 指向性スピーカを車両に搭載した状態を車両上方から透視した図である。 指向性スピーカの制御装置の構造を示すブロック図である。 第１実施形態の超音波振動子のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す平面図である。 第１実施形態の効果を説明する図である。 本発明による可聴音指向性制御装置の第２実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。 第２実施形態の超音波振動子のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す平面図である。 第３実施形態に使用する指向性スピーカの平面図である。 本発明による可聴音指向性制御装置の第３実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。 第３実施形態の指向性スピーカの制御を説明する図である。 第３実施形態の効果を説明する図である。 第３実施形態の変形例の超音波振動子のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す平面図である。 本発明による可聴音指向性制御装置の第４実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。 本発明による可聴音指向性制御装置による制御を説明する図である。 本発明による可聴音指向性制御装置による制御を説明する図である。 第４実施形態の効果を説明する図である。 本発明による可聴音指向性制御装置の第５実施形態を示す図である。 本発明による可聴音指向性制御装置の第６実施形態のコントローラの制御にかかる機能を示すブロック図である。

符号の説明

１ 可聴音指向性制御装置
１０ イメージセンサ(目標位置検出手段)
２０ 指向性スピーカ(超音波振動子アレイ／パラメトリックスピーカ)
２２ 超音波振動子
５０ コントローラ(超音波振動子制御手段)
５１ 振幅変調器
５２ スイッチ
５３ アンプ
５４ ディレイ回路

Claims (10)

1. 複数の超音波振動子を備える超音波振動子アレイと、
   前記超音波振動子アレイから放射される超音波の到達目標位置を検出する目標位置検出手段と、
   前記目標位置に超音波が放射されるように、前記超音波振動子アレイに備えられる複数の超音波振動子を個別に制御する超音波振動子制御手段と、
   を有することを特徴とする可聴音指向性制御装置。
2. 前記超音波振動子制御手段は、前記超音波振動子アレイから放射された超音波が、前記目標位置に収束するように前記超音波振動子を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可聴音指向性制御装置。
3. 前記超音波振動子制御手段は、前記目標位置に近いほど位相遅れの大きな超音波が放射されるように前記超音波振動子を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の可聴音指向性制御装置。
4. 前記超音波振動子制御手段は、前記目標位置に近づくほど振幅の大きな超音波が放射されるように前記超音波振動子を制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可聴音指向性制御装置。
5. 前記超音波振動子制御手段は、前記目標位置に近づくほど周波数の高い超音波が放射されるように前記超音波振動子を制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可聴音指向性制御装置。
6. 前記目標方向検出手段は、車両内の乗員の耳位置を撮像して目標位置として検出するイメージセンサである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の可聴音指向性制御装置。
7. 前記目標方向検出手段は、全地球測位システムを利用して交差点の角を目標位置として検出するナビゲーションシステムである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の可聴音指向性制御装置。
8. 前記超音波振動子アレイは、座席の上方の天井に取り付けられ、
   前記目標方向検出手段は、車両内の乗員の頭部を撮像して目標位置として検出するイメージセンサであり、
   前記超音波振動子制御手段は、前記乗員の頭部の真上に位置する各超音波振動子から同位相の超音波が放射されるように前記超音波振動子を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可聴音指向性制御装置。
9. 前記超音波振動子アレイは、座席の上方の天井に取り付けられ、
   前記目標方向検出手段は、車両内の乗員の右耳及び左耳を撮像して目標位置として検出するイメージセンサであり、
   前記超音波振動子制御手段は、前記乗員の右耳の真上に位置する超音波振動子と乗員の左耳の真上に位置する超音波振動子とで異なる超音波が放射されるように前記超音波振動子を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可聴音指向性制御装置。
10. 前記超音波振動子アレイは、座席の上方の天井に取り付けられ、
    前記目標方向検出手段は、車両内の乗員の頭部を撮像して目標位置として検出するイメージセンサであり、
    前記超音波振動子制御手段は、列ごとに同位相であって前記乗員の頭部に近い列ほど位相遅れの大きな超音波が放射されるように前記超音波振動子を制御する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の可聴音指向性制御装置。