JP2008236198A - 超指向性スピーカ用変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】可聴音の低域再生を良好に行うことができる超指向性スピーカ用変調器を得る。
【解決手段】音源１から入力した音声信号ｓ（ｔ）の低音域をミッシングファンダメンタル現象によるバーチャルピッチとして聴取者が感じるように低域補償部１０が該低音域の倍音を表す音声信号ｓａ（ｔ）を生成し、加算器１２ａが音声信号ｓ（ｔ）と音声信号ｓａ（ｔ）とを加算して係数器１３へ出力する。係数器１３が加算器１２ａの出力信号を係数倍し、加算器１２ｂが係数器１３と直流源１４との出力信号を加算する。平方根変換器１５が加算器１２ｂの出力信号の平方根処理を行い、掛算器１７が超音波帯域発振器１６からの超音波帯域の搬送波を示す信号と平方根変換器１５の出力信号とを掛算処理して、パワーアンプ３で増幅して放射器４から空気中へ放射したとき、超音波から可聴音へ自己復調する変調信号を生成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、可聴音を指向性放射する超指向性スピーカ用変調器に関するものである。

従来の変調器として次のように信号処理を行うものがある。音源から出力される音声信号ｓ（ｔ）を係数器によってｍ倍し、ｍ・ｓ（ｔ）の信号を得る。このｍ・ｓ（ｔ）の信号に加算器を用いて直流源のバイアスを加算して包絡処理を行い、１＋ｍ・ｓ（ｔ）とする。平方根変換器を用いて加算器の出力信号１＋ｍ・ｓ（ｔ）に平方根処理を施し、得られた信号√（１＋ｍ・ｓ（ｔ））を掛算器に入力し、超音波帯域発振器が発生している超音波帯域の搬送波と掛算処理する。この掛算処理によって振幅変調が行われ、変調信号を生成している。即ち、変調度ｍの音声信号ｍ・ｓ（ｔ）の平方根処理を行い、平方根処理を施した信号に掛算処理を行って超音波を搬送波とする振幅変調を行っている。掛算器の出力即ち変調信号は、パワーアンプによって増幅され、超音波振動子アレー（以下、放射器と記載する）に供給される。放射器は、パワーアンプから入力した変調信号に基いて超音波を発生する。放射器から空気中に放射された超音波は、空気の非線形作用によって可聴音に自己復調し、前述の音源から出力された音声信号が可聴音に再生される。このように超音波の伝搬範囲のみで可聴音が聴こえる指向性放射を行っている（例えば、特許文献１参照）。

また、入力信号を帯域分割手段によって複数の周波数帯域に分割し、分割された周波数に対して倍音再生が行われるように音響信号処理を施す装置がある。倍音再生法については全波整流法、べき乗算、ゼロクロス法等のいずれでもよい。このとき帯域分割手段による帯域分割幅を工夫することにより、倍音生成に伴う歪の発生を防ぐことができる。生成された倍音は、遅延器によって遅延された元の入力信号と加算される。このように倍音を生成し、歪を抑えながら低音感の向上を図っている（例えば、特許文献２参照）。なお、この装置は、分割した帯域毎に倍音を生成し、変調を行うことなく可聴音を表す信号を処理するもので、超音波から自己復調して可聴音になる当該超音波の変調信号を生成するように構成されたものではない。

特開平４−５８７５８号公報（第３頁、第１，２図） 特開２００４−１０１７９７号公報（第７，８頁、図１〜図３）

従来の変調器は以上のように構成されているので、超音波を発生する放射器等の周波数特性が影響して空気中に放射した超音波から自己復調する可聴音は低域音圧が小さなものになる。可聴音を指向性放射したとき、上記のように低域再生能力が低いことからフラットな周波数特性を得ることが難しく、音楽再生などに適さない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、可聴音の低域再生を良好に行うことができる超指向性スピーカ用変調器を得ることを目的とする。

この発明に係る超指向性スピーカ用変調器は、音源から入力した音声信号の低音域をミッシングファンダメンタル現象によるバーチャルピッチとして聴取者が感じるように該低音域の倍音を表す音声信号を生成する低域補償手段、及び、音源から入力した音声信号と低域補償手段が生成した倍音を表す音声信号とを加算して係数手段へ出力する加算手段を備えるものである。

この発明によれば、音声信号の低音域をミッシングファンダメンタル現象によるバーチャルピッチとして聴取者が感じるように該低音域の倍音を低域補償手段が生成し、音声信号と低域補償手段が生成した倍音とを加算して変調信号を生成するようにしたので、ミッシングファンダメンタル現象のバーチャルピッチとして低域の可聴音を聴取者に知覚させることによって低域再生能力を高め、音楽再生用としても使用することが可能になるという効果がある。

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は、この発明の実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器を用いた超指向性スピーカの構成を示すブロック図である。図示した超指向性スピーカは、可聴音を表す音声信号ｓ（ｔ）を出力する音源１、音源１から入力した音声信号ｓ（ｔ）を変調する変調器２、変調器２の出力信号を増幅するパワーアンプ３、及び、パワーアンプ３の出力信号に基いて超音波を発生する放射器４を備えている。
変調器２は、音源１から音声信号ｓ（ｔ）を入力する低域補償部１０、同じく音声信号ｓ（ｔ）を音源１から入力する遅延部１１、低域補償部１０と遅延部１１の出力信号とを入力する加算器１２ａ、加算器１２ａの出力信号を入力する係数器１３、係数器１３の出力信号と直流源１４の出力信号とを入力する加算器１２ｂ、加算器１２ｂの出力信号を入力する平方根変換器１５、平方根変換器１５の出力信号と超音波帯域発振器１６の出力信号とを入力して生成した変調信号をパワーアンプ３へ出力する掛算器１７によって構成されている。

図２は、実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の構成を示すブロック図である。この図は、図１に示した変調器２に備えられる低域補償部１０の構成を示したもので、図１に示したものと同一部分に同じ符号を使用し、その説明を省略する。図２に示した低域補償部１０は、音源１から音声信号ｓ（ｔ）を入力してフーリエ変換処理を施すＦａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（以下、ＦＦＴと記載する）部２０、ＦＦＴ部２０の出力信号にサンプリング処理を施すサンプリング部２１、サンプリング部２１の出力信号が表す各周波数の倍音を各々生成する複数の倍音生成部２２、及び、全ての倍音生成部２２の出力信号に逆フーリエ変換処理を施す逆ＦＦＴ部２３を備えている。

次に動作について説明する。
音源１からの音声信号ｓ（ｔ）は変調器２へ入力される。変調器２の低域補償部１０は、入力した音声信号ｓ（ｔ）から倍音を表す音声信号ｓａ（ｔ）を生成する。また、遅延部１１は、入力した音声信号ｓ（ｔ）を遅延させて音声信号ｓａ（ｔ）と同期させる。加算器１２ａは、低域補償部１０から出力された音声信号ｓａ（ｔ）と遅延部１１から出力された音声信号ｓ（ｔ）との加算処理を行い、ｓ（ｔ）＋ｓａ（ｔ）で表される音声信号を生成する。係数器１３は、加算器１２ａの出力信号に変調度を表す係数ｍを乗じる処理を行い、ｍ（ｓ（ｔ）＋ｓａ（ｔ））で表される信号を生成する。加算器１２ｂは、係数器１３の出力信号と直流源１４から出力されるバイアス成分、即ち包絡線バイアス信号とを加算し、１＋ｍ（ｓ（ｔ）＋ｓａ（ｔ））で表される信号を生成する。

平方根変換器１５は、加算器１２ｂの出力信号の平方根を求める演算処理を行い、次の（１）式で表される信号Ｒｓ（ｔ）を生成する。

掛算器１７は、平方根変換器１５の出力信号Ｒｓ（ｔ）と超音波帯域発振器１６が生成している超音波帯域の搬送波を表す信号との掛算処理を行い、超音波帯域の搬送波を平方根変換器１５の出力信号Ｒｓ（ｔ）で振幅変調した変調信号を生成する。このように生成した変調信号は、超音波帯域に含まれる搬送波成分及び側波帯成分を有する。
パワーアンプ３は、掛算器１７の出力信号即ち変調器２が生成した変調信号を入力し、放射器４を駆動することができるように増幅する。放射器４は、パワーアンプ３の出力信号に基く超音波を発生して空気中に放射する。放射器４から放射された超音波は、搬送波と側波帯から成り、空気の非線形パラメトリック現象によって可聴音に自己復調する。この可聴音は、超音波の放射範囲内で聴こえることから、限られたエリア内に可聴音が指向性放射されたことになる。図１に示した超指向性スピーカは、概ねこのように動作する。

図３は、可聴音を指向性放射するときの動作を示す説明図である。この図は、パラメトリックスピーカから出力される可聴音ならびに超音波の音圧を示したもので、図中縦軸が音圧レベル、横軸が周波数を表している。
パラメトリックスピーカは、強力な超音波が空気を伝搬する過程で発生する歪成分を用いて可聴帯域の音を得るもので、例えば図３に示した二つの周波数成分ｆ１，ｆ２、その差成分ｆ２−ｆ１、和成分ｆ２＋ｆ１の関係を利用している。周波数成分ｆ１，ｆ２は人間に聴こえない超音波帯域に含まれるものであるが、差成分ｆ２−ｆ１が可聴帯域に含まれるように当該周波数ｆ１，ｆ２を定めることが可能である。即ち、このように周波数成分ｆ１，ｆ２を設定することにより、超音波が空気中を伝搬するときに生じる歪みのうち、差成分ｆ２−ｆ１を可聴音とすることができる。図１に示した超指向性スピーカは、ここで説明したパラメトリックスピーカのように、超音波に歪成分が発生する空気の非線形性を用いて可聴音の指向性放射を行っている。

パラメトリックスピーカの原理を応用して、空気中を伝わるとき直線性が高い超音波を放射器４から所望の方向へ放射し、当該超音波を自己復調させて可聴音の指向性放射を行うと、放射器４等の周波数特性が影響して超音波から自己復調した可聴音の低域音圧が不足する、もしくは低音域の再生が困難になる。図１の変調器２は、上記のように再生困難な低音について、低域補償部１０を用いて当該低音の整数次の倍音を生成し、いわゆるミッシングファンダメンタル現象によるバーチャルピッチを応用して、聴取者に音声信号ｓ（ｔ）の低音域を知覚させるようにしている。
ここで、ミッシングファンダメンタル現象によるバーチャルピッチの基本的な原理を説明する。ミッシングファンダメンタル現象とは、基本周波数が欠けた倍音（調波構造）をもつ音に関して、実際には存在しない基本波成分の周波数に対応するピッチ（バーチャルピッチ）が知覚される現象である。換言すると、人間の脳は二つの音を同時に聞くと音程の差を感知する能力を有している。

図４は、ミッシングファンダメンタル現象によって知覚されるバーチャルピッチの一例を示す説明図である。例えば、同じ音圧レベルの１２０［Ｈｚ］と１８０［Ｈｚ］の可聴音が聞こえたとき、脳は二つの可聴音の差音６０［Ｈｚ］を感じ取る。なお、上記の二つの可聴音１２０［Ｈｚ］と１８０［Ｈｚ］との和の周波数３００［Ｈｚ］は、図示したように小さな音圧レベルで知覚され、もしくは感じることができず、主に音圧レベルが大きくなる６０［Ｈｚ］の低音が知覚される。このように、人間の脳は実際には存在しない周波数の音を感じることから、放射器４から放射された超音波が可聴音へ自己復調するとき、実際には発生していない、もしくは音圧レベルが低い低音域の可聴音を聴取者に知覚させることが可能である。

図２に示したように構成された低域補償部１０は、入力した音声信号ｓ（ｔ）に対してＦＦＴ部２０がフーリエ変換を行って当該音声信号ｓ（ｔ）の周波数成分を抽出する。サンプリング部２１は、ＦＦＴ部２０が抽出した周波数成分の中から適当な複数の周波数成分を選択し、ミッシングファンダメンタル現象の基音として設定する。
図５は、実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器のサンプリング部の動作を示す説明図である。この図は、例えば時間ｔにおいてＦＦＴ部２０が音声信号ｓ（ｔ）をフーリエ変換したときの周波数成分と音圧レベルとの関係を示すもので、図中横軸が周波数、縦軸が音圧レベルを表している。前述のようにＦＦＴ部２０の出力信号を入力したサンプリング部２１は、例えば、周波数５０［Ｈｚ］から２５０［Ｈｚ］の範囲内において、予め設定されているしきい値以上の音圧レベルを有する周波数を複数選択し、この周波数をサンプリングポイントとして設定する。これらのサンプリングポイントの間隔は任意に設定され、例えばパラメータとして外部から設定するようにしてもよい。また、音声信号ｓ（ｔ）の低音域範囲は、上記の周波数５０［Ｈｚ］〜２５０［Ｈｚ］に限定されない。前述のように、一定の大きさ以上の音圧を有する低域周波数をサンプリングポイントとして設定し、音圧レベルが低いノイズ等をサンプリングポイントとして設定しないようにする。

図２に示したように並列に複数備えられた倍音生成部２２は、サンプリング部２１が設定した複数のサンプリングポイントの周波数（以下、サンプリングされた周波数と記載する）即ち基音を表す信号を入力する。このとき、各倍音生成部２２は各々異なるサンプリング周波数を一つずつ入力し、それぞれのサンプリングポイントについて倍音成分を生成する。各倍音生成部２２は、「サンプリングされた周波数をｎ倍にした周波数」、及び、「サンプリングされた周波数をｎ倍にした周波数＋サンプリングされた周波数」を求める。なお、上記の倍率ｎは１００以上の整数である。
例えば、サンプリングされた周波数を８０［Ｈｚ］とし、また上記の倍率ｎを２００としたとき、倍音生成部２２はサンプリングされた周波数８０［Ｈｚ］の倍音として、８０×２００＝１６０００［Ｈｚ］と、８０×２００＋８０＝１６０８０［Ｈｚ］を求める。このように倍率ｎを充分大きく設定して、倍音生成部２２の求める倍音が、放射器４から超音波を放射して空気中で可聴音に自己復調したとき充分な音圧が得られる周波数となるようにする。また、人には聞こえ難い超音波に近い周波数の倍音を生成することにより、音声信号ｓ（ｔ）が表す原音に大きな影響を与えることなく当該倍音の差音８０［Ｈｚ］を聴取者に感じさせることができる。

各倍音生成部２２の生成した倍音成分を示す信号は、前述のように逆ＦＦＴ部２３へ入力される。逆ＦＦＴ部２３は、各倍音生成部２２が生成した倍音成分の逆フーリエ変換を行って音声信号ｓａ（ｔ）を生成する。このように音声信号ｓ（ｔ）の低音域からサンプリングされた周波数の倍音成分を求め、さらに当該倍音成分の音声信号ｓａ（ｔ）を生成し、加算器１２ａによって元来の音声信号ｓ（ｔ）と音声信号ｓａ（ｔ）とを加算して、バーチャルピッチの応用によって低音域を補う音声信号ｓ（ｔ）＋ｓａ（ｔ）を生成している。なお、加算器１２ａに入力される音声信号ｓ（ｔ）は、遅延部１１によって遅延され、音声信号ｓａ（ｔ）と同期させたものである。このように動作する低域補償部１０及び遅延部１１は、デジタル回路として構成することにより実現することができる。

加算器１２ａの出力信号は前述のように係数器１３へ入力され、当該係数器１３、直流源１４、加算器１２ｂ、平方根変換器１５、超音波帯域発振器１６、及び、掛算器１７の各動作処理によって変調信号が生成される。この変調信号はパワーアンプ３によって増幅され、放射器４を駆動して超音波となって空気中に放射される。この超音波が空気の自己復調作用によって可聴音となったときには、元の音声信号ｓ（ｔ）を復調させた音声に加えて低域補償部１０が生成した音声信号ｓａ（ｔ）も復調されて前述のような倍音が生じ、音声信号ｓ（ｔ）の低域成分として上記倍音の差音を知覚させ、聴取者に充分な低音を有する音声信号ｓ（ｔ）の再生音を聴取させることができる。

以上のように実施の形態１によれば、音源１から入力した音声信号ｓ（ｔ）の周波数成分を抽出するＦＦＴ部２０、音声信号ｓ（ｔ）の周波数成分からサンプリングポイントを設定するサンプリング部２１、サンプリングポイントの周波数がバーチャルピッチとして感じられるように倍音を生成する倍音生成部２２、生成した倍音を逆フーリエ変換して音声信号ｓａ（ｔ）を生成する逆ＦＦＴ部２３、及び、音声信号ｓ（ｔ）と音声信号ｓａ（ｔ）とを換算する加算器１２ａを備え、加算器１２ａから出力される音声信号ｓ（ｔ）＋ｓａ（ｔ）に平方根処理を施して超音波帯域の搬送波を振幅変調するようにしたので、超音波を放射して可聴音へ自己復調させたときに音圧が不足する、もしくは発生させることが難しい音声信号ｓ（ｔ）の低音域を聴取者に感じさせることができ、音楽再生の用途に充分使用することができる周波数特性を備えて可聴音を指向性放射することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器を用いた超指向性スピーカの構成を示すブロック図である。 実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の構成を示すブロック図である。 可聴音を指向性放射するときの動作を示す説明図である。 ミッシングファンダメンタル現象によって知覚されるバーチャルピッチの一例を示す説明図である。 実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器のサンプリング部の動作を示す説明図である。

符号の説明

１ 音源、２ 変調器、３ パワーアンプ、４ 放射器、１０ 低域補償部、１１ 遅延部、１２ａ，１２ｂ 加算器、１３ 係数器、１４直流源、１５ 平方根変換器、１６ 超音波帯域発振器、１７ 掛算器、２０ ＦＦＴ部、２１ サンプリング部、２２ 倍音生成部、２３ 逆ＦＦＴ部。

Claims (3)

1. 音声信号を係数倍する係数手段、前記音声信号の包絡信号を生成し前記係数手段の出力信号と加算する包絡手段、前記包絡手段の出力信号の平方根処理を行う平方根変換手段、及び、超音波帯域発振手段からの超音波帯域の搬送波を表す信号と前記平方根変換手段の出力信号とを掛算処理して放射器を用いて空気中へ放射したとき超音波から可聴音へ自己復調する変調信号を生成する掛算手段を備える超指向性スピーカ用変調器において、
   音源から入力した音声信号の低音域をミッシングファンダメンタル現象によるバーチャルピッチとして聴取者が感じるように該低音域の倍音を表す音声信号を生成する低域補償手段、
   及び、前記音源から入力した音声信号と前記低域補償手段が生成した倍音を表す音声信号とを加算して前記係数手段へ出力する加算手段、
   を備えることを特徴とする超指向性スピーカ用変調器。
2. 低域補償手段は、音源から入力した音声信号のフーリエ変換を行うフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換によって抽出された前記音声信号の低音域の周波数成分からサンプリングポイントを設定するサンプリング手段と、前記サンプリング手段が設定したサンプリングポイントの周波数がバーチャルピッチとなるように該サンプリングポイントの倍音を生成する倍音生成手段と、前記倍音生成手段の生成した倍音の逆フーリエ変換を行って該倍音を表す音声信号を生成する逆フーリエ変換手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の超指向性スピーカ用変調器。
3. 低域補償手段から出力される倍音を表す音声信号と同期するように、音源から入力した音声信号を遅延させる遅延手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超指向性スピーカ用変調器。

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