JP2015070413A - パラメトリックスピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】音を聞かせようとする対象者に１／２共振周波数により生じる不快音を聞こえなくすることができるパラメトリックスピーカを提供する。【解決手段】複数の発振源から超音波を放射するパラメトリックスピーカ１００であって、平板状の基板１２０と、基板１２０上に設けられ、各々圧電振動子上に円錐筒形状に形成された共振子を有する複数の超音波発音体１１０と、を備え、複数の超音波発音体１１０は、いずれも４４ｋＨｚ以上の共振周波数を有する。これにより、音を聞かせようとする対象者に１／２共振周波数により生じる不快音を聞こえなくすることができる。また、パラメトリックスピーカ１００は、円錐筒形状に形成された共振子を有しているため、特に指向性が高く、対象者に対する不快音を抑制することの効果が高い。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発振源から超音波を放射するパラメトリックスピーカに関する。

超音波発音体は、金属板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動子を備えている。そして、圧電振動子は、圧電振動子固有の共振周波数付近の交流電圧を印加することで振動し、超音波を発する。超音波発音体は、共振周波数が超音波帯域（２０ｋＨｚを超えたもの）であるため、「超音波」発音体と呼ばれる。

また、圧電振動子にアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成された円錐筒形状（パラボラ状、漏斗状含む）の共振子を取り付けることで、音圧を増すことができ、前方への指向性を持たせることができる。

超音波発音体の固定は、圧電振動子の屈曲振動において動かない節部をシリコン接着剤などで接着し、極力振動を妨げないように行われている。なお、超音波発音体は超音波センサと同じ構造をしており、超音波センサは超音波の送信、受信を行うもの、超音波発音体は超音波の送信のみを行うものである。

そして、超音波発音体を複数個並べて構成したものがパラメトリックスピーカであり、パラメトリックスピーカは各々の超音波発音体が発した超音波が空気中で重なり合ってある音圧以上に達すると超音波から可聴音へ復調され、聞こえるようになる。また、超音波が重なり合った中心部のみが可聴音となるため、鋭い指向性を持ったスピーカとなる。

パラメトリックスピーカは、超音波発音体にて音圧が得られる共振周波数付近を搬送波とし、変調をかけたものが空気中にて可聴音へと復調される。そして、従来の超音波発音体の共振周波数は４０ｋＨｚが主流である（特許文献１、２参照）。

実開昭６２−１８１０９９号公報 特開２０１２−１９２８６５号公報

超音波などの周波数には整数分の１に成分が現れる特性がある。図７に示すようにパラメトリックスピーカでは、放射した周波数ｆの１／２周波数のｆ／２の成分が無視できないレベルとなる。超音波発音体の共振周波数が４０ｋＨｚ以下の場合、単体の超音波発音体からの１／２周波数成分は聞き取れないが、複数個の超音波発音体を用いて高音圧を得るパラメトリックスピーカからの１／２周波数成分は雑音として聞こえてしまう。特に、超音波発音体の共振周波数が３４ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度の場合、１／２の周波数成分が１７ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度になるため、モスキート音として聞こえてしまい、聴者は不快に感じてしまう。また、搬送波だけで出力している際にも不快音が聞こえてしまう。

モスキート音を避けるために、４０ｋＨｚが共振周波数の超音波発音体をさらに高い周波数で駆動した場合、モスキート音は聞こえなくなったとしても、図８に示すように最も音圧が得られる共振周波数から外れた周波数で駆動することになるため音圧は低下する。また、低下分を補うために超音波発音体の数を増やすとしても、パラメトリックスピーカが大きくなりすぎる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、音を聞かせようとする対象者に１／２共振周波数により生じる不快音を聞こえなくすることができるパラメトリックスピーカを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明のパラメトリックスピーカは、複数の発振源から超音波を放射するパラメトリックスピーカであって、平板状の基板と、前記基板上に設けられ、各々圧電振動子上に円錐筒形状に形成された共振子を有する複数の超音波発音体と、を備え、前記複数の超音波発音体は、いずれも４４ｋＨｚ以上の共振周波数を有することを特徴としている。

このように、共振周波数を４４ｋＨｚ以上とすることで１／２共振周波数が２０ｋＨｚを超えることとなり、音を聞かせようとする対象者に１／２共振周波数により生じる不快音を聞こえなくすることができる。また、本発明のパラメトリックスピーカは、円錐筒形状に形成された共振子を有しているため、特に指向性が高く、対象者に対する不快音を抑制することの効果が高い。

（２）また、本発明のパラメトリックスピーカは、前記超音波発音体が、超音波放射方向の中央０°のピーク音圧から低下する音圧が６ｄｂ以下となる角度範囲が±４５°より小さい指向性を有することを特徴としている。このように、本発明のパラメトリックスピーカは指向性が高い超音波発音体で構成されていることから、特に１／２共振周波数を不可聴音とすることが有効となる。

（３）また、本発明のパラメトリックスピーカは、前記圧電振動子が、厚みをｔｍｍ、直径をｄｍｍとしたとき、１３５ｔ≧ｄ²の関係を満たすことを特徴としている。これにより、容易に超音波発音体の共振周波数を４４ｋＨｚ以上にすることができる。

本発明によれば、共振周波数を４４ｋＨｚ以上とすることで１／２共振周波数が２０ｋＨｚを超えることとなり、音を聞かせようとする対象者に１／２共振周波数により生じる不快音を聞こえなくすることができる。

本発明のパラメトリックスピーカを示す正面図である。 超音波発音体の構成を示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）いずれも本発明の超音波発音体の動作の一場面を示す側面図である。 本発明のパラメトリックスピーカの電気的構成を示すブロック図である。 単体の超音波発音体の周波数−音圧特性を示すグラフである。 パラメトリックスピーカを周波数分析器で測定した結果を示すグラフである。 超音波の放射角度に対する音圧を示すグラフである。 共振周波数および１／２共振周波数の音圧を示すグラフである。 従来の超音波発音体について４０ｋＨｚ周辺の周波数に対する音圧を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（パラメトリックスピーカの構成）
図１は、それぞれパラメトリックスピーカ１００を示す正面図である。パラメトリックスピーカ１００は、強力な音圧で変調された超音波を発生させ、空気中を超音波が伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させる。このようにして方向や距離を特定し指向性を与えて音響情報を伝えることを可能にする。

図１に示すように、パラメトリックスピーカ１００は、複数の超音波発音体１１０が基板１２０上に設けられて構成されている。超音波発音体１１０は、変調信号に基づいて超音波を発生させる。基板１２０は、配線パターンが設けられ、平板状に形成されており、超音波発音体１１０を固定し支持している。支持部材は、ゴム材料で形成され、基板上に設けられ、超音波発音体１１０を振動の節で支持する。これにより、超音波発音体１１０の動きが妨げられないため、少ない発振源で大きな音圧を得ることができる。なお、図１では、外観構成を示し、電気的構成は省略している。なお、支持部材は、リング状の突起部が設けられた樹脂製の端子台であってもよい。超音波発音体１１０および支持部材は、超音波素子を構成する。

（超音波発音体の構成）
図２は、超音波発音体１１０の構成を示す側面図である。超音波発音体１１０は、発振源としてパラメトリックスピーカ１００に用いられ、超音波を発生させる。超音波発音体１１０は、電圧の印加により変調超音波信号を発生させる。超音波発音体１１０は、圧電素子１１１、振動板１１２、リード線１１３ａ、１１３ｂ、共振子１１４により構成されている。

圧電素子１１１は、ＰＺＴ等の圧電材料を用いて、板状に形成され、厚み方向への電圧の印加により伸縮する。圧電材料は、機械的品質係数Ｑｍ１００以上が好ましい。圧電素子１１１の径は、振動板１１２の径以下であることが好ましい。圧電素子１１１は、振動板１１２の一方の主面に接着されて設置されている。圧電素子１１１は、振動板１１２の他方の主面が振動面となっており、振動面を介し、超音波を発生させることができる。

共振子１１４は、円錐筒形状に形成されており、振動板１１２の径以下の径を有し、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。共振子１１４の高さは、０．５〜１．５ｍｍが好ましい。なお、円錐筒形状には、パラボラ状または漏斗状が含まれる。共振子１１４は、振動板１１２の他方の主面に設けられ、振動板１１２の振動に共振して超音波を発生させる。なお、超音波発音体１１０は、パラメトリックスピーカ用であることから、超音波の受信は不要であり、短時間で振動を収める必要は無い。

圧電素子１１１の両主面には、それぞれ電極が形成されており、本体部分の圧電体は厚み方向に分極されている。振動板１１２は、圧電素子１１１が一方の主面に接着されている。振動板１１２は、たとえば、真鍮、ＳＵＳ３０４、４２アロイまたはアルミニウム等の金属により円板状に形成されている。圧電素子１１１および振動板１１２は、圧電振動子１１５を形成している。振動板１１２の直径は、５〜１５ｍｍが好ましいがこれに限定されない。

複数の超音波発音体１１０は、いずれも４４ｋＨｚ以上の共振周波数を有する。４４ｋＨｚの共振周波数では、１／２周波数成分が２２ｋＨｚとなり、２０ｋＨｚを超えるため、１／２周波数成分は可聴域から外れて聞こえなくなる。その結果、音を聞かせようとする対象者に１／２共振周波数により生じる不快音を聞こえなくすることができる。

このような超音波発音体１１０の共振周波数は、圧電振動子１１５や共振子１１４の形状、寸法等により決まる。圧電振動子１１５は、厚みをｔｍｍ、直径をｄｍｍとしたとき、１３５ｔ≧ｄ²の関係を満たすように形成されていることが好ましい。これにより、容易に超音波発音体１１０の共振周波数を４４ｋＨｚ以上にすることができる。なお、パラメトリックスピーカ１００を構成する各超音波発音体１１０は、円錐筒形状に形成された共振子１１４を有しているため、特に指向性が高く、対象者に対する不快音を抑制することの効果が高い。

超音波発音体１１０は、超音波放射方向の中央０°のピーク音圧に対し、低下する音圧が６ｄｂ以下となる角度範囲（指向性を示す範囲）が±４５°より小さくなるように構成されている。パラメトリックスピーカ１００は、上記のように指向性が高い超音波発音体１１０が複数設けられて構成されている。指向性が高いパラメトリックスピーカに不快音が生じると、特に音を聞いてもらう必要性の高い対象者にとって不快音も大きく聞こえてしまい不都合が生じる。したがって、指向性が高いパラメトリックスピーカにとっては特に１／２共振周波数を不可聴音とすることが有効となる。上記のような音波の指向性は、円錐筒形状に形成された共振子の寄与が大きい。

（超音波発音体の動作）
図３（ａ）、（ｂ）は、いずれも本発明の超音波発音体１１０の動作の一場面を示す側面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、超音波発音体１１０は、厚み方向に分極された圧電素子１１１の両主面の電極に交流電圧を印加することで屈曲振動する。その際には、圧電振動子１１５の共振周波数を駆動周波数として電圧を印加する。

（超音波発音体の作製方法）
超音波発音体１１０の作製方法を説明する。まず、圧電材料により板状の圧電体を形成し、電極を設けて分極することで、圧電素子１１１を形成する。圧電素子１１１を振動板１１２の一方の主面に接着する。そして、リード線１１３ａ、１１３ｂを所定箇所の電極または振動板１１２に接続する。振動板１１２の他方の主面に共振子１１４を接着する。このようにして、超音波発音体１１０を作製することができる。

（パラメトリックスピーカの電気的構成）
図４は、パラメトリックスピーカ１００の電気的構成を示すブロック図である。図４に示すように、パラメトリックスピーカ１００は、発振器１０１、変調器１０２、増幅器１０５および超音波発音体１１０を備え、これらを介して超音波を発生させる。発振器１０１は、超音波帯域の所定の周波数で信号を発振する。発振される周波数は、発振信号が超音波発音体１１０に伝達されたとき圧電素子１１１を駆動する駆動周波数であり、パラメトリックスピーカ１００の用途に応じてあらかじめ決定されている。特に超音波発音体１１０の共振周波数に近い周波数で発振することで大きい音圧を得ることができ、４０ｋＨｚ以上の範囲で発振することが好ましい。

変調器１０２は、音声信号で発振信号をＡＭ変調する。変調は、ＡＭ変調に代えて、ＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調であってもよい。増幅器１０５は、変調された発振信号を増幅し、超音波発音体１１０に出力する。超音波発音体１１０は、増幅された発振信号を音波に変換する。

上記のように構成されたパラメトリックスピーカ１００は、超音波帯域の周波数の信号を発振し、発振信号を所望の音声信号で変調し、変調信号を増幅して、超音波発音体１１０で音波に変換して放射する。このようにして、指向性の鋭い超音波を放射することができる。たとえば狭い範囲にいる人に選択的に案内を流すことができるため、美術館や水族館、博物館、アミューズメント施設などに利用できる。今後、交通案内などでも利用可能である。

（実施例）
実施例として、実際に共振子（アルミニウム合金、外径φ６．５ｍｍ、高さ１．０ｍｍ、厚み０．１ｍｍ）と圧電振動子（φ９ｍｍ、厚み０．６ｍｍ）で構成した超音波発音体１１０を作製した。音圧測定は印加電圧３０Ｖｐ−ｐ、超音波発音体１１０とマイクの距離３０ｃｍにて行った。図５は、単体の超音波発音体１１０の周波数−音圧特性を示すグラフである。図６は、超音波発音体１１０を２０個並べて搬送波のみの４４．５ｋＨｚで駆動したパラメトリックスピーカ１００を周波数分析器で測定した結果を示している。

このような駆動により、１／２周波数成分が２２．２５ｋＨｚとなり、可聴域から外れたため、共振周波数で駆動しても不快音が聞こえないことが確認できた。なお、可聴音帯域のマイクで測定したため、４４．５ｋＨｚの音圧が低くなっている。

超音波発音体１１０では、共振周波数が４４ｋＨｚ以上であるため、駆動周波数を共振周波数から離す必要がなく、超音波発音体１１０個々から高い音圧を得ることができる。また、超音波発音体１１０の数を少なくしたパラメトリックスピーカ１００を構成し、パラメトリックスピーカ１００を小型化できる。

次に、上記の実施例における共振子のある超音波発音体と共振子のない超音波発音体（比較例）とで指向性を検証した。図７は、超音波の放射角度に対する音圧を示すグラフであり、超音波発音体の指向性を示している。共振子のない超音波発音体では、中央の０°に対して角度を変えても音圧が大きく変わらなかった。これに対し、共振子を有する超音波発音体では、中央の０°をピークとして角度が離れるにしたがって音圧が低下し、中央の０°でのピークの音圧からの音圧の低下が６ｄｂ以下である角度範囲は±４０°であった。このように共振子を設けることで超音波発音体は強い指向性を有することが実証された。

１００ パラメトリックスピーカ
１０１ 発振器
１０２ 変調器
１０５ 増幅器
１１０ 超音波発音体
１１１ 圧電素子
１１２ 振動板
１１３ａ リード線
１１４ 共振子
１１５ 圧電振動子
１２０ 基板

Claims (3)

1. 複数の発振源から超音波を放射するパラメトリックスピーカであって、
   平板状の基板と、
   前記基板上に設けられ、各々圧電振動子上に円錐筒形状に形成された共振子を有する複数の超音波発音体と、を備え、
   前記複数の超音波発音体は、いずれも４４ｋＨｚ以上の共振周波数を有することを特徴とするパラメトリックスピーカ。
2. 前記超音波発音体は、超音波放射方向の中央０°のピーク音圧から低下する音圧が６ｄｂ以下となる角度範囲が±４５°より小さい指向性を有することを特徴とする請求項１記載のパラメトリックスピーカ。
3. 前記圧電振動子は、厚みをｔｍｍ、直径をｄｍｍとしたとき、１３５ｔ≧ｄ²の関係を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２記載のパラメトリックスピーカ。
   

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