JP2012257088A - パラメトリックスピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】特定の領域以外に音声が伝達されてしまうことが防止され、必要のない領域に音声が鳴り響くこととなったり、異なる音声が同時に聞こえてしまったりすることを抑制する。
【解決手段】本発明の一実施形態として、複数の超音波発生素子が複数の列に配置され、前記複数の列が離隔して配置されていることを特徴とするパラメトリックスピーカを提供する。この場合において、前記複数の超音波発生素子は、音声信号により変調された同位相の超音波を発生させてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラメトリックスピーカに関する。特に、音声信号により変調された超音波を使用して、音声の伝達範囲を限定することができるパラメトリックスピーカに関する。

空気などの伝搬媒質の非線形性により音声信号により変調された超音波から音声が復調されるパラメトリック現象を利用して、音声を伝達する技術が知られている。例えば、特許文献１には、音声信号により振幅変調された超音波を用いて、音声を伝達する技術が開示されている。

超音波は、可聴な音声よりも波長が短いので、特定の方向に放射することが可能である。したがって、音声信号により変調された超音波を放射することにより、音声を直接放射する場合よりも、狭い範囲に音声を伝達することが可能となる。

さらに狭い範囲に音声を伝達させるために、超音波発生素子の振動板を仮想焦点に向けて配置したオーディオ装置が知られている（例えば特許文献２参照。）。

特開昭５８−１１９２９３号公報 特開２００８−１３１０５５号公報

しかしながら、音声信号により変調された超音波を使用して音声を伝達する従来のパラメトリックスピーカを、博物館、美術館およびゲームセンターなどに使用すると、床面や壁面に反射し、超音波が遠くまで伝達する効果と相俟って、予想外の場所に音声が伝達されてしまう。このため、必要のない領域に音声が鳴り響くこととなったり、異なる音声が同時に聞こえてしまったりすることがある。そこで、以下では、特定の領域以外に音声が伝達されてしまうことを防止するパラメトリックスピーカについて開示する。

本発明の一実施形態として、複数の超音波発生素子が複数の列に配置され、前記複数の列が離隔して配置されていることを特徴とするパラメトリックスピーカを提供する。

本発明の一実施形態によれば、特定の領域以外に音声が伝達されてしまうことが防止され、必要のない領域に音声が鳴り響くこととなったり、異なる音声が同時に聞こえてしまったりすることを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカを備える音響発生装置の機能ブロック図 本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図 本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図 本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図 本発明の一実施形態の測定例におけるパラメトリックスピーカの関係を示す図 本発明の一実施形態の測定例におけるパラメトリックスピーカの側面写真図とスピーカの配置写真図 本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカ音響発生装置の機能ブロック図 本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図 本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図 本発明の一実施形態の測定例におけるパラメトリックスピーカの正面写真図

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明を行なう。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る音響発生装置の機能ブロック図の一例を示す。音響発生装置は、スピーカ（パラメトリックスピーカ）１０１と、変調部１０２と、搬送信号生成部１０３と、音源供給部１０４とを有する。

搬送信号生成部１０３は、所定の周波数の超音波をスピーカ１０１から放射するための信号を生成する。例えば、搬送信号生成部１０３は周波数が４０ｋＨｚのパルス波又は正弦波の電気信号を生成する。音源供給部１０４は、搬送信号生成部１０３により生成された信号を変調するための音声信号を変調部１０２に供給する。変調部１０２は、搬送信号生成部１０３により生成された信号を、音源供給部１０４により供給された音声信号により変調を行なう。変調部１０２は、搬送信号生成部１０３により生成された信号を、例えば、振幅変調、周波数変調または位相変調などを用いて変調を行なう。

音源供給部１０４により供給される音声信号の周波数が２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下であり、搬送信号生成部１０３により生成される信号の周波数が４０ｋＨｚであれば、変調部１０２は、４０ｋＨｚの±２０ｋＨｚの範囲を含む２０ｋＨｚ以上の変調された超音波を表わす信号を出力することになる。ただし、変調部１０２において抑圧搬送波単側波帯変調が用いられれば、４０ｋＨｚ以上の変調された超音波を表わす信号が出力されるようにすることができる。このため、変調部１０２が出力する信号から搬送信号生成部１０３が生成する信号よりも周波数が小さい成分を取り除くフィルターが変調部１０２とスピーカ１０１との間に配置されていてもよい。

スピーカ１０１には、複数の超音波発生素子が配置されている。複数の超音波発生素子には、変調部１０２が出力する信号が供給される。これにより、複数の超音波発生素子は供給される信号に応じて超音波を発生させる。また、複数の超音波発生素子は、複数の列に配置されている。図１においては、複数の超音波発生素子は、第１の列の超音波発生素子１０５−１〜３、第２の列の超音波発生素子１０６−１〜３、第３の列の超音波発生素子１０７−１〜３に分かれて配置されている。本実施形態の特徴のうち２点を挙げると、その第１点は、複数の超音波発生素子は、同位相の超音波を発生させる点であり、その第２点は、隣接する列が離隔して配置されていることである。

複数の超音波発生素子は、同位相の超音波を発生させる第１点の特徴により、超音波発生素子が平面状に配置され、超音波発生素子の超音波発生面が平面上に配置されていれば、平面波としての超音波がスピーカ１０１から放射されることになる。これにより、音源供給部１０４により供給される音声信号の表す音声をスピーカ１０１の前面の位置において復調させることができ、スピーカ１０１の前面から左右に逸れた位置には音声が復調されず伝達されないようにできる。また、隣接する列が離隔して配置されている第２点の特徴により、スピーカ１０１から放射される超音波が壁面などで反射する際の反射力を小さくすることができる。これにより、音声が伝達される範囲を限定することができる。

図１のように、超音波発生素子が上下方向に並んで列が形成されている場合には、列と列との間の距離は、左右方向における距離１１２として表すことができる。この場合、発明者が距離１１２を様々に変化させて実験させた結果、距離１１２は、０．３ｃｍ以上４．０ｃｍ以下であることが好ましい。これは、音速を３４０ｍ／ｓとし、搬送信号の周波数が４０ｋＨｚである場合の波長である０．８５ｃｍの３５％以上４７０％以下である。言い換えると、距離１１２は、距離１１２が超音波の波長の３５％未満となると、音声信号により変調された超音波を使用する従来の音響発生装置におけるように、スピーカ１０１が放射する超音波の反射力が大きくなってしまう。また、距離１１２が超音波の波長の４７０％を超えると、音声をスピーカの前面の位置において復調させることが困難となる。

また、スピーカ１０１が放射する超音波の反射力をより小さくするために、列と列との間に、逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子を配置してもよい。この場合、距離１１２の代わりに斜め方向に隣接する超音波発生素子、例えば、超音波発生素子１０５−２の中心１０５Ｃと超音波発生素子１０６−１の中心１０６Ｃとの間の距離１１３の距離が半径１１１の４倍とするのが好ましい。このようにすることにより、隣接する超音波発生素子の中心を結ぶ線分が正六角形を構成することとなり超音波発生素子を細密に配置することができる。このように、超音波発生素子を細密に配置すると、音声の復調を効率よく行なうことができ、高品質の音声を得ることができる。

図１においては、複数の超音波発生素子は、１０５−１〜３、１０６−１〜３，１０７−１〜３の９個が示されているが、これに限定されることはない。また、各列において、超音波発生素子は隣接している必要はなく、離れていてもよい。また、超音波発生素子の超音波発生面の形状は円形に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。例えば、三角形、正方形、長方形、六角形などとすることができる。この場合、複数の超音波発生素子が配置される列の間の距離は、超音波発生面の最大の幅や平均の幅の０．５倍以上１．５倍以下とするのが好ましい。

また、複数の超音波発生素子は平面上に配置されている必要はない。この場合、複数の超音波発生素子が発生される超音波がスピーカの前面に集中するように、複数の超音波発生素子を例えば、球面上に配置したり、円筒の側面上に配置したりし、超音波発生素子を球対または円筒の内側に向ける。言い換えると、超音波発生素子を凹曲面上に配置する。そして、超音波発生素子の超音波発生面を凹曲面の凹側（内側）に向け、凹側で超音波が集中するようにする。

図２は、複数の超音波発生素子が球面上あるいは円筒の側面上において球体または円筒の内側に向けて配置されている場合の、スピーカ１０１の断面の一例を示す。符号２１０は、複数の超音波発生素子１０５〜１０９が配置される基板であり、図２においては円弧となっている。円弧の中心が符号２１１である。これにより、超音波発生素子１０５〜１０９が発生する超音波は中心２１１の位置に集中することになる。これにより、中心２１１で復調される音声の強度を大きくすることができ、中心２１１を外れると音声が急激に小さくなるようにすることができる。

この場合においても、超音波発生素子１０５〜１０９は同位相の超音波を発生させ、それぞれが配置されている列は離隔して配置されている。これにより、音声の復調を確保しつつ、超音波の反射力を小さくすることができる。この場合、円弧の中心よりスピーカの前方においては、超音波発生素子が分散することになるので、中心２１１を外れた場合の音声の小さくなる程度を更に急激に変化させることができる。

これらにより、スピーカから放射される超音波が壁面などで反射する際の反射力を小さくすることができ、音声が伝達される範囲を限定する効果を顕在化させることができる。

図３は、複数の超音波発生素子の好ましい配置について説明する図である。図３において、位置２１１は、図２と同じように超音波発生素子１０５〜１０９が発生する超音波が集中する位置である。図３の位置３１１は、位置２１１からスピーカに対して左方向に、複数の超音波発生素子の列の間隔だけ移動した位置であり、位置３１２は、位置３１１からスピーカに対して左方向に、さらに、複数の超音波発生素子の列の間隔だけ移動した位置である。

この場合、超音波発生素子１０５が超音波発生素子１０７よりもスピーカの前方に位置している距離を符号３１０により表すと、距離３１０は、超音波発生素子の発生する超音波の波長の（整数−１／２）の倍数またはそれより少し小さな値とする。言い換えると、中心に位置する超音波発生素子１０７よりも、超音波発生素子１０７の隣の列のさらに隣の列に配置されている超音波発生素子１０５がスピーカの前後方向における前方に配置されている距離が、複数の超音波発生素子１０７−１０９が発生させる超音波の波長の（整数−１／２）の倍数以下とする。ここに、スピーカの前後方向における前方をより正確に定義すれば、スピーカの中央に配置されている超音波発生素子１０５の超音波発生面の前方となる。

このように中心から周囲に向かうにつれて超音波発生素子がスピーカの前後方向における前方に配置されることにより、位置３１１において、超音波発生素子１０５が発生する超音波と超音波発生素子１０７が発生する超音波とが逆位相の関係となる。また、位置３１２においても、超音波発生素子１０５が発生する超音波と超音波発生素子１０７が発生する超音波とが逆位相の関係となる。これにより、位置２１１およびその近傍以外において、超音波が打ち消しあうことにより、音声が復調されにくくすることができる。すなわち、音声が伝達される範囲をより小さくすることができる。

なお、距離３１０が、隣接していない超音波発生素子１０７と超音波発生素子１０５との関係で定まっているのは、基板の断面が円弧であり、超音波発生素子１０７がスピーカの中心である場合には、超音波発生素子１０７と超音波発生素子１０６との隣接する超音波発生素子の前後の距離を確保することが困難なためである。この場合、超音波発生素子１０６は大音量の発生のために機能する。

複数の超音波発生素子が配置される曲面は、球面および円筒の側面に限定されることはなく、スピーカの前面において凹状となる種々の曲面を使用することができる。例えば、スピーカの中心部分は曲面とし、スピーカの中心の周りは平面とすることができる。

図４は、スピーカの中心部分は曲面とし、スピーカの中心の周囲を平面とする一例を示す。図４において、スピーカの中心部分に超音波発生素子４０１が配置され、超音波発生素子４０１の向かって左に、順に、超音波発生素子４０２、４０３、４０４、４０５が配置され、超音波発生素子４０１の右に、順に、超音波発生素子４０６、４０７、４０８、４０９が配置されている。超音波発生素子４０１、４０２、４０３、４０６、４０７が配置されている基板部分４１０は球面などの曲面であり、超音波発生素子４０４、４０５、４０８、４０９が配置されている周囲の基板部分４１１、４１２は、平面である。この場合、超音波発生素子４０１より超音波発生素子４０３は距離４２１だけスピーカの前面に位置し、超音波発生素子４０３より超音波発生素子４０４は距離４２２だけスピーカの前面に位置し、超音波発生素子４０５は超音波発生素子４０４より距離４２３だけスピーカの前面に位置している。このとき、距離４２１、４２２、４２３が、超音波発生素子の発生する超音波の波長の（整数−１／２）の倍数またはそれより少し小さな値であれば、図３を参照して説明したように、音声が伝達される範囲をより小さくすることができる。

（測定例１）
図５は、本実施形態に係る音響発生装置の効果を測定したした結果を示す。図４の構成のスピーカとして、ＡとＢとの２つを用意し、ＡとＢとの間の距離Ｌとして２．５ｍを設定し、ＡとＢとが前方を平行に向くように配置し、ＡとＢとのそれぞれから音声を再生させ、音量を測定した。なお、Ａは、２４個の超音波発生素子を有し、Ｂは５０個の超音波発生素子を有し、それぞれ下方向に２５°、３５°の傾斜角度を付けて床から１．８５ｍの高さに設置した。測定は、平均的な日本人男性の平均身長から頭頂から耳までの上下方向の距離を引いた１．６ｍの位置で行なった。

表１にその測定結果を示す。

表１によれば、スピーカの正面において、前面から２ｍの範囲までは４６ｄＢ以上の音量が確保され、それ以外においては、４６ｄＢ未満の音量となり、音声を伝達できる範囲を限定することができた。特にスピーカ間の中間点においては、４３ｄＢ未満の音量となり、スピーカＡとスピーカＢとの発する音声が混合して聞こえることもなかった。

（測定例２）
表２は、図４の構成のスピーカとして、ＡとＢとの２つを用意し、ＡとＢとの間の距離Ｌとして１．０ｍを設定し、ＡとＢとのそれぞれから音声を再生させ、音量を測定した結果を示す。なお、この測定例では、ＡとＢとのそれぞれは、５０個の超音波発生素子を有するようにした。図６（ａ）に一つのスピーカの横方向を撮影した写真を示す。また、両方のスピーカを下方向に２５°の傾斜角度を付けて床から１．８５ｍの高さに設置した。また、スピーカの向きは、図６（ｂ）に示すようにスピーカの中間地点を向くように配置した。測定は、測定例１と同じく、床から１．６ｍの高さの位置で行なった。測定例２では、ＡとＢとを、平行ではなく、ＡとＢとの中間点の前０．５ｍの位置を向くように配置したので、ＡとＢとの中点を横方向の距離の基準としている。

表２によれば、スピーカＡの真正面０．５ｍで７０．０デシベルの音量を出力できた。これは視聴実験おいて、実際の聴感で耳が痛くならない程度に音量を下げたときの音量である。スピーカＡとＢとの中間点の左右０．５ｍ以内で、スピーカの前０．５ｍから１．０ｍまでの範囲において６０デシベル以上の音量とすることができ、それ以外では、６０デシベル未満の音量とすることができた。したがって、音声を伝達できる範囲を限定することができた。スピーカＡとＢとの中間点である真正面の位置から３．０ｍ離れた距離においても、音量は５０デシベル未満であり、前記真正面から真正面からから２．０ｍ離れた距離においても、音量は約５０．２デシベルである。また、スピーカＡとＢとを結ぶ直線から前方へ２．０ｍにおいても全体でもほぼ５０デシベル前半にできた。すなわち、音声を伝達できる範囲を限定することができた。５０デシベル前半はゲームセンターでは周囲に騒音がほとんど聞こえない状態が作れる音量であり、家庭では周囲に座っている人にうるさく感じない音量であり、４０デシベル台は隣の部屋に騒音にならない音量である。

（実施形態２）
本発明の実施形態２として、逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子が隣接して配置されたスピーカを有する音響発生装置について説明する。

図７は、実施形態２に係る音響発生装置の機能ブロック図を示す。音響発生装置は、スピーカ（パラメトリックスピーカ）７０１と、変調部７０２と、搬送信号生成部７０３と、音源供給部７０４とを有する。変調部７０２と、搬送信号生成部７０３と、音源供給部７０４とは、実施形態１における変調部１０２と、搬送信号生成部１０３と、音源供給部１０４とに対応するので説明を省略する。

スピーカ７０１には、複数の超音波発生素子が配置されている。複数の超音波発生素子は、複数の列に配置され、隣接する列の一方に配置されている超音波発生素子は、他方の列に配置されている超音波発生素子の発生する超音波とは逆位相の超音波を発生させる。言い換えると、ある列の両側に位置する２つの列に配置されている超音波発生素子は同位相の超音波を発生させる。したがって、図７において、ハッチングを付した超音波発生素子の列とハッチングを付していない超音波発生素子の列とでは、互いに逆位相の超音波を発生させる。

本実施形態においては、逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子が隣接して配置されているので、反射力が小さくなった超音波が発生され、音声が伝達される範囲を限定することができる。

なお、「列」は直線状となっていることに限定はされない。例えば、「列」の形状は、曲線状、環状となっていてもよい。図８は、超音波発生素子を、隣接するもの同士の中心を結ぶ線分が正六角形となるように、配置し、中心部分に位置する超音波発生素子から同心円状に逆位相の超音波発生素子と同位相の超音波とを交互に発生するように環状の列に配置した例を示す。したがって、図８において、ハッチングを付した超音波発生素子の列とハッチングを付していない超音波発生素子の列とでは、互いに逆位相の超音波を発生させる。

図９は、別の超音波発生素子の配置の例を示す。符号９０１を付した部分は、図８に示すように、中心部分に位置する超音波発生素子から同心円状に同位相の超音波を発生するようなっている。それに対し、符号９０２を付した部分として、符号９０１の部分と接して、符号９１１のライン上、符号９１２のライン上、符号９１３のライン上に配置された超音波発生素子は同位相の超音波を発生させ、それらの間に逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子を配置している。また、これらの超音波発生素子の発生させる超音波の反射力を小さくするために、符号９０２を付した部分においては、符号９０１を付した部分とは異なり、密に超音波発生素子を配置していない。言い換えると、１つの超音波発生素子を２つの方向においてのみ超音波発生素子と隣接させ、他の方向においては隣接させない。

なお、本実施形態において、超音波発生素子は、平面上に配置してもよいし、実施形態１で説明したように曲面上に配置してもよい。

（測定例３）
図９に示したスピーカの一例として、超音波発生素子を図１０に示すように配置したスピーカを、床から１．９ｍ、角度を下向きに３０°で設置し、スピーカを中心に前方、左右方向それぞれ１ｍ間隔で音量を測定した結果を表３に示す。

表３によれば、スピーカの真正面から２．０ｍ離れた位置のみにおいて、４１デシベルを超える音量とすることができた。スピーカの前方１．０ｍ以上２．０ｍ以下でありスピーカの正面の左右０．０ｍ以上１．０ｍ以下の範囲、または、スピーカの正面においてスピーカの前方１．０ｍ以上３ｍ以下の範囲において、音量を３７．５ｄＢ以上とし、その他の範囲では、３７．４ｄＢ未満とすることができた。左右２ｍ地点では、ほぼ３４デシベル未満により静かな美術館や博物館などで隣の展示物へ騒音となり難い音量を作ることができた。

（測定例４）
スピーカを、床から２．１５ｍの高さに配置し、他の条件を測定例３と同じとして測定した結果を表４に示す。

表４によれば、スピーカの真正面から２．０ｍ離れた距離の位置のみにおいて、４１デシベルを超える音量とすることができた。スピーカの前方１．０ｍでありスピーカの正面の左右０．０ｍ以上１．０ｍ以下の範囲、または、スピーカの正面においてスピーカの前方１．０ｍ以上３．０ｍ以下の範囲において、音量を３７．５ｄＢ以上とし、その他の範囲では３７．４ｄＢ以下とすることができた。左右２ｍ地点では、ほぼ３５デシベル未満により静かな美術館や博物館などで隣の展示物へ騒音となり難い音量を作ることができた。

１０１ パラメトリックスピーカ、１０２ 変調部、１０３ 搬送信号生成部、１０４ 音源供給部

Claims (10)

1. 複数の超音波発生素子が複数の列に配置され、前記複数の列が離隔して配置されていることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
2. 前記複数の超音波発生素子は、音声信号により変調された同位相の超音波を発生させることを特徴とする請求項１に記載のパラメトリックスピーカ。
3. 前記複数の列が離隔して配置されている間隔は、前記複数の超音波発生素子が発生させる超音波の波長の４７０％以下３５％以上となることを特徴とする請求項１または２に記載のパラメトリックスピーカ。
4. 前記複数の超音波発生素子は、凹曲面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパラメトリックスピーカ。
5. 前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子よりも前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子の隣の列のさらに隣の列に配置されている超音波発生素子が前記パラメトリックスピーカの前後方向における前方に配置されている距離が、前記複数の超音波発生素子が発生させる超音波の波長の（整数−１／２）の倍数以下であることを特徴とする請求項４に記載のパラメトリックスピーカ。
6. 前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子と前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子の隣の列とに配置されている超音波発生素子を除き、隣接する列の一方の列に配置されている超音波発生素子よりも、他方の列に配置されている超音波発生素子が前記パラメトリックスピーカの前後方向における前方に配置されている距離が、前記複数の超音波発生素子が発生させる超音波の波長の（整数−１／２）の倍数以下であることを特徴とする請求項５に記載のパラメトリックスピーカ。
7. 前記凹曲面の周囲に配置されている複数の超音波発生素子は平面上に配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載のパラメトリックスピーカ。
8. 同位相の超音波を発生させる超音波発生素子の列の間に逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子が配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパラメトリックスピーカ。
9. 同位相の超音波を発生させる超音波発生素子の列が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のパラメトリックスピーカ。
10. 前記同心円状の列に配置された超音波発生素子が配置された領域に隣接して、同位相の超音波を発生させる超音波発生素子と逆位相の超音波発生素子とが交互に並ぶ列が複数離隔して配置されたことを特徴とする請求項９に記載のパラメトリックスピーカ。