JP2019080172A - スピーカ装置およびスピーカ装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることができるスピーカ装置およびスピーカ装置の制御方法を提供すること。【解決手段】実施形態に係るスピーカ装置は、パネルと、複数の振動素子と、駆動部とを備える。複数の振動素子は、パネルを振動させる。駆動部は、超音波帯域の搬送波を可聴波帯域の音声信号で変調した変調波を含む第1駆動信号を第1の振動素子へ印加し、搬送波を含み第1駆動信号とは異なる第2駆動信号を第2の振動素子へ印加して、パネルに振動領域を形成する。【選択図】図2
Description
本発明は、スピーカ装置およびスピーカ装置の制御方法に関する。
従来、複数の超音波振動子をアレイ状に配置して指向性を持たせたスピーカ装置が知られている。かかるスピーカ装置は、パラメトリックアレイスピーカとも呼ばれ、可聴波帯域の音声信号で変調をかけた超音波の電圧を複数の超音波振動素子に印加することで特定の方向に可聴音を発生させることができる(たとえば、特許文献1参照)。
このような、いわゆる狭指向性を有するスピーカ装置としては、パネル状の振動板の少なくとも一箇所に振動素子を備え、その振動子の振動で振動板上に定在波を生じさせ、かかる定在波の腹の一つ一つが放音部となって、パネル面に対して所定の方向の指向性を持った音波を放射するものも提案されている。
一般に、かかるスピーカ装置では、振動素子に印加する電圧を大きくするほど、出力される可聴音の音圧レベルは大きくなる。しかしながら、上述したようなスピーカ装置では、振動素子の耐久性の観点から、印加できる電圧に限りがある。そのため、印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることが望まれている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることができるスピーカ装置およびスピーカ装置の制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスピーカ装置は、パネルと、複数の振動素子と、駆動部とを備える。前記複数の振動素子は、前記パネルを振動させる。前記駆動部は、超音波帯域の搬送波を可聴波帯域の音声信号で変調した変調波を含む第1駆動信号を第1の前記振動素子へ印加し、前記搬送波を含み前記第1駆動信号とは異なる第2駆動信号を第2の前記振動素子へ印加して、前記パネルに振動領域を形成する。
本発明によれば、印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることができる。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するスピーカ装置およびスピーカ装置の制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図1を含む複数の図には、説明を分かり易くするために、スピーカ装置の正面方向を正方向とするZ軸を含む3次元の直交座標系を付している。
まず、図1を用いて、実施形態に係るスピーカ装置の制御方法の概要について説明する。図1は、実施形態に係るスピーカ装置の制御方法の概要を示す図である。図1には、スピーカ装置1の正面図を示す。図1に示すように、実施形態に係るスピーカ装置1は、駆動部2と、音出力部3とを備える。音出力部3は、パネル10と、複数の振動素子11a,11bとを備える。スピーカ装置1は、例えば、車両に搭載される音響システムのスピーカ装置として機能する。なお、スピーカ装置1の搭載対象は、車両の音響システムに限定されず、住宅等の施設に設けられる音響システムであってもよい。
パネル10は、振動素子11の振動に応じて振動する板状部材であり、例えば、ガラスなどの素材で形成される。振動素子11a,11bは、例えば、ピエゾ素子であり、パネル10の両端部に設けられる。なお、振動素子11は、パネル10の両端部に限らず、定在波を形成可能な位置関係で配置されればよい。駆動部2は、駆動信号Vo1,Vo2を生成し、かかる駆動信号Vo1,Vo2を振動素子11a,11bに印加する。
具体的には、駆動部2は、超音波帯域の搬送波Scを可聴波帯域(20kHz未満)の音声信号で変調した変調波Smを増幅することによって振動素子11a(以下、第1の振動素子11a)へ印加する駆動信号Vo1(以下、第1駆動信号Vo1)を生成する。また、駆動部2は、超音波帯域の搬送波Scを増幅することによって振動素子11b(以下、第2の振動素子11b)へ印加する駆動信号Vo2(以下、第2駆動信号Vo2)を生成する。
振動素子11への駆動信号Vo1,Vo2の印加によって、パネル10が振動し定在波が発生してパネル10に縞状の振動領域Asが形成される。縞状の振動領域Asは、複数の帯状振動領域Agを含んでおり、かかる帯状振動領域Agは音声信号Ssで変調された超音波を放射する線音源として機能する。
図1に示す例では、パネル10の長手方向(Y軸方向)の両端部に、パネル10の短手方向(X軸方向)に延伸する振動素子11がそれぞれ設けられる。そして、振動素子11の振動によってパネル10の長手方向に定在波が形成され、パネル10の短手方向に延伸する複数の帯状振動領域Agがパネル10の長手方向に等間隔で形成される。
かかるスピーカ装置1は、上述のように形成される複数の帯状振動領域Agから発生した超音波同士の干渉、および、変調処理をした超音波の非線形歪みによる自然復調現象によって特定方向に音声信号に応じた音波が生成される。これにより、スピーカ装置1は、狭い指向性を有するスピーカ装置として機能する。
ここで、従来のスピーカ装置について説明する。従来のスピーカ装置は、超音波帯域の搬送波を可聴波帯域の音声信号で変調をかけた変調波を含む駆動信号を複数の振動素子すべてに印加することで可聴音を発生させていた。また、一般に、振動素子に印加する電圧を大きくするほど、出力される可聴音の音圧レベルは大きくなる。
しかしながら、従来のスピーカ装置は、振動素子の印加電圧に対する耐久性に限りがあり、印加できる電圧に限りがあるため、印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることが望まれている。
そこで、実施形態に係るスピーカ装置1では、第1の振動素子11aと、第2の振動素子11bとで異なる駆動信号Vo1,Vo2を印加する。具体的には、実施形態に係るスピーカ装置1は、第1の振動素子11aに対して変調波Smを含む第1駆動信号Vo1を印加し、第2の振動素子11bには搬送波Scを含む第2駆動信号Vo2を印加する。
第1駆動信号Vo1および第2駆動信号Vo2の印加により、第1の振動素子11aでは変調波Smによる振動が発生するのに対し、第2の振動素子11bでは無変調の搬送波Scによる振動が発生する。つまり、パネル10上で変調波Smと、搬送波Scとを合成する。
これにより、従来のスピーカ装置の音圧レベルを維持するための電圧を下げることができる。具体的には、変調波Smと、搬送波Scとを合成させることで、発生する可聴音の一部の周波数帯における音圧レベルが従来のスピーカ装置の可聴音よりも高くなる(図6参照)。
すなわち、実施形態に係るスピーカ装置1によれば、異なる第1駆動信号Vo1および第2駆動信号Vo2を印加することで、従来の音圧レベルを下げることなく、印加する電圧を下げることができる。このため、振動素子11a,11bの耐久性の範囲で最大の電圧を印加した場合の、音圧レベルを従来よりも大きくすることができる。すなわち、印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることができる。
なお、図1に示す例では、第2駆動信号Vo2は、無変調の搬送波Scのみを含む場合を示したが、第1駆動信号Vo1と異なればよく、例えば、第2駆動信号Vo2に音声信号Ssの一部(例えば、第1駆動信号Vo1の一部)が含まれてもよい。
次に、図2を用いて、実施形態に係るスピーカ装置1の構成についてさらに説明する。図2は、実施形態に係るスピーカ装置1のブロック図である。図2に示すように、スピーカ装置1は、外部装置60に接続されており、外部装置60から入力される音声信号Ssに基づいて、パネル10を振動させ、音声信号Ssで変調された搬送波Scに応じた超音波を発生する。
外部装置60は、可聴波帯域(20kHz未満の帯域)の音声信号Ssをスピーカ装置1へ出力する装置であり、例えば、オーディオ装置、カーナビゲーション装置、スマートフォン、PC(Personal Computer)などのように外部に音声信号Ssを出力できる装置である。
また、スピーカ装置1は、駆動部2と、音出力部3とを備える。駆動部2は、取得部21と、搬送波生成部22と、変調部23と、音量調整部24と、第1増幅部25aと、第2増幅部25bとを備える。音出力部3は、パネル10と、振動素子11a,11bとを備える。
駆動部2は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Desk Drive)、入出力ポートなどを有するコンピュータや増幅回路などの各種回路を含む。
コンピュータのCPUは、たとえば、ROMに記憶された各種プログラムを読み出して実行することによって、駆動部2の取得部21、搬送波生成部22、変調部23および音量調整部24として機能する。また、駆動部2の取得部21、搬送波生成部22、変調部23および音量調整部24の少なくともいずれか一つまたは全部をASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などのハードウェアで構成することもできる。また、第1増幅部25a,第2増幅部25bは、例えば、パワーアンプなどの増幅回路によって構成される。
取得部21は、外部装置60から出力される音声信号Ssを取得し、取得した音声信号Ssを変調部23へ出力する。なお、取得部21は、音声信号Ssのゲイン(振幅)を調整し、調整後の音声信号Ssを変調部23へ出力することもできる。また、取得部21は、可聴波帯域の信号を通過させるローパスフィルタを有していてもよく、かかるローパスフィルタによって可聴波帯域以外の信号を除去することができる。
搬送波生成部22は、搬送波Scを生成し、変調部23および音量調整部24へ出力する。搬送波Scは、超音波帯域の正弦波信号であり、パネル10に定在波を発生させ、縞状の振動領域Asを形成する周波数を有する。
変調部23は、搬送波生成部22から入力される搬送波Scを取得部21から入力される音声信号Ssで変調した信号である変調波Smを生成し、音量調整部24へ出力する。変調部23による変調は、AM(Amplitude Modulation)変調、または、FM(Frequency Modulation)変調によって行われる。なお、AM変調は、例えば、DSB(Double Sideband)変調、または、SSB(Single Sideband)変調である。
音量調整部24は、変調部23から入力される変調波Smのゲインを取得部21から入力される音量信号に応じて調整することで、パネル10から出力される音圧レベル(音量)を調整する。
また、音量調整部24は、搬送波生成部22から入力される搬送波Scのゲインを取得部21から入力される音量信号に応じて調整することで、パネル10から出力される音圧レベルを調整する。
音量調整部24から第1増幅部25aへ出力された変調波Smは、第1増幅部25aによって増幅され、変調波Smの波形に応じた交流電圧の第1駆動信号Vo1として第1の振動素子11aへ印加される。
また、音量調整部24から第2増幅部25bへ出力された搬送波Scは、第2増幅部25bによって増幅され、搬送波Scの波形に応じた交流電圧の第2駆動信号Vo2として第2の振動素子11bへ印加される。
第1の振動素子11aおよび第2の振動素子11bは、パネル10の長手方向における両端部に1つ配置される。つまり、第1の振動素子11aおよび第2の振動素子11bは、一対設けられる。これにより、最小限の振動素子数でパネル10全体を振動させることができる。また、第1の振動素子11aおよび第2の振動素子11bは、印加された第1駆動信号Vo1および第2駆動信号Vo2に応じて伸縮し、パネル10に定在波を発生させる。かかる定在波の腹が帯状振動領域Agとなる。
パネル10は、振動素子11の振動に応じて振動する矩形状の板状部材であり、例えば、ガラスなどの素材で形成されるが、ガラスに限られず、金属やプラスチックなど他の部材を用いることもできる。
振動素子11a,11bは、上述したように、ピエゾ素子であるが、駆動部2から供給される駆動信号Vo1,Vo2の周波数で振動できる構成であればよく、ピエゾ素子以外の振動素子であってもよい。
図3は、パネル10に形成される帯状振動領域Agと定在波との関係を示す図である。図3において、定在波Wの腹を実線で示し、定在波Wの節を破線で示しており、定在波Wの腹部分が帯状振動領域Agとして機能する。定在波Wの腹部分は、パネル10の長手方向に沿って等間隔で発生するため、帯状振動領域Agは、パネル10の長手方向(Y軸方向)に沿って等間隔で発生する。なお、図3では、説明をわかりやすくするために、パネル10の長手方向に定在波Wによって7つの帯状振動領域Agが発生している例を示しているが、帯状振動領域Agの数は、7つに限定されず、また、搬送波Scの周波数を高くするほど多くすることができる。
次に、スピーカ装置1の指向性について説明する。図4は、パネル10に形成される定在波Wとスピーカ装置1の指向性との関係を説明するための図である。図4においては、説明を分かりやすくするために、定在波Wを部分的に示している。また、定在波Wにおいて位相が等しく、隣り合う腹を帯状振動領域Ag1,Ag2とし、帯状振動領域Ag1,Ag2で発生する超音波のパネル10に対する角度θを表している。
任意の角度θに対して、帯状振動領域Ag1,Ag2で発生する超音波は、距離dcosθだけ位相がずれる。搬送波Scの波長をλとすると、距離dcosθが波長λ/2の奇数倍となる角度θにおいて帯状振動領域Ag1,Ag2で発生する超音波は互いに打消し合う。つまり、距離dcosθが波長λ/2の奇数倍となる角度θでは、超音波がキャンセルされる。一方で、距離dcosθが波長λの整数倍(波長λ/2の偶数倍)となる角度θでは、帯状振動領域Ag1,Ag2で発生する超音波が互いに強め合う。そして、超音波が空間を伝搬する際や超音波が物体に反射する際の超音波の非線形歪みによる自然復調現象により、可聴波帯域の音波が生成される。
このように、複数の帯状振動領域Agから発生する超音波は位相干渉(強調および打ち消し)することで、特定方向に超音波を進行させることができる。そして、超音波の非線形歪みによる自然復調現象により可聴波帯域の音波が生成されることによって、スピーカ装置1は、特定方向に狭い指向性を有することができる。
次に、スピーカ装置1の音圧レベルの測定結果について説明する。図5および図6は、実施形態に係るスピーカ装置1の音圧レベルの測定結果を示す図である。図5では、音声信号Ssとして、2kHzの正弦波を再生した場合の測定結果を示す。図5および図6では、第1駆動信号Vo1および第2駆動信号Vo2ともに変調波Sm(図中の「変調波/変調波」)である場合と、第1駆動信号Vo1が変調波Smであり、第2駆動信号Vo2が搬送波Sc(図中の「変調波/搬送波」)のみである場合とを示している。
また、図6では、音声信号Ssとして、パワーが周波数に反比例するピンクノイズにバンドパスフィルタをかけて帯域制限した信号を再生した場合の測定結果を示す。また、図5および図6では、パネル10から正面方向(Z軸正方向)に所定距離離れた位置を音圧レベルの測定点としている。
まず、図5を用いて、2kHZの正弦波を再生した場合の測定結果について説明する。図5に示すように、「変調波/変調波」では、第1の振動素子11aに対し21.4Vppの駆動信号Voを印加し、第2の振動素子11bに対し21.3Vppの駆動信号Voを印加した。その結果、搬送波Scの音圧レベルが133.2dBであり、復調音(音声信号Ss)の音圧レベルが81.8dBであった。なお、搬送波Scは、可聴音帯域ではないため、人の耳では音が認識されない。
また、「変調波/搬送波」では、第1の振動素子11aに対し17.4Vppの第1駆動信号Vo1を印加し、第2の振動素子11bに対し11.4Vppの第2駆動信号Vo2を印加した。その結果、搬送波Scの音圧レベルが131.9dBであり、復調音(音声信号Ss)の音圧レベルが85.9dBであった。
つまり、復調音の音圧レベルを同程度とするために必要とする印加電圧が、「変調波/搬送波」の方が、「変調波/変調波」より小さい。すなわち、実施形態に係るスピーカ装置1によれば、音圧レベルを下げることなく、印加電圧を下げることができる。
次に、図6を用いて、帯域制限をかけたピンクノイズを再生した場合の測定結果について説明する。図6では、48kHzサンプリングでのA特性音圧レベルを縦軸に示し、復調音の周波数帯を横軸に示す。なお、グラフの左端の「ALL」は、A特性の平均音圧レベルを示す。なお、図6では、図示を省略しているが、「変調波/搬送波」が「変調波/変調波」よりも印加電圧が低いこととする。
図6に示すように、「ALL」、つまり、平均音圧レベルは、「変調波/搬送波」と「変調波/変調波」とでほぼ同程度である。つまり、ピンクノイズ等の複数周波数が混在する復調音であっても、2kHzの正弦波と同様に、音圧レベルを下げることなく、印加電圧を下げることができる。
さらに、200Hz〜12.5kHZにおける各周波数帯の音圧レベルを見ると、2kHz以上の音圧レベルが、「変調波/変調波」よりも「変調波/搬送波」で比較的大きくなっている。特に、2kHz〜5kHzにおいて、「変調波/変調波」よりも「変調波/搬送波」が顕著に大きくなっている。
つまり、図6の結果から、「変調波/変調波」では、2kHz〜5kHzの周波数帯が抑制されていたのに対し、「変調波/搬送波」では、2kHz〜5kHzの周波数帯が抑制されずに残ったままとなっている。すなわち、「変調波/搬送波」で、2kHz〜5kHzの周波数帯が抑制されずに残ったままとなることで、音圧レベル全体を引き上げることができる。
上述してきたように、実施形態に係るスピーカ装置1は、パネル10と、複数の振動素子11a,11bと、駆動部2とを備える。複数の振動素子11a,11bは、パネル10を振動させる。駆動部2は、超音波帯域の搬送波Scを可聴波帯域の音声信号Ssで変調した変調波Smを含む第1駆動信号Vo1を第1の振動素子11aへ印加し、搬送波Scを含み第1駆動信号Vo1とは異なる第2駆動信号Vo2を第2の振動素子11bへ印加して、パネル10に振動領域Asを形成する。これにより、印加電圧を抑えつつ、出力される可聴音の音圧レベルを高めることができる。
なお、上述した実施形態では変調部23は、変調波Smをそのまま、つまり搬送波Scと、両側波帯の音声信号Ssとを含む変調波Smを出力したが、例えば、片側の側波帯を除去してもよい。かかる点について、図7および図8を用いて説明する。
図7は、変形例に係るスピーカ装置1のブロック図である。図8は、変形例に係る変調部23の処理内容を示す図である。以下に示す変形例は、SSB処理部23aをさらに備える点で上述の実施形態と異なる。
具体的には、図7に示すように、変調部23は、SSB処理部23aをさらに備える。SSB処理部23aは、音声信号Ssの両側波帯のうち、片側の側波帯を抑制する。SSB処理部23aを含む変調部23の処理内容を図8を用いて説明する。
図8に示すように、変調部23は、SSB処理部23aと加算部233とを備える。SSB処理部23aは、2つのπ/2移相器231a,231bと、2つの乗算部232a,232bとを備える。
図8に示すように、まず、変調部23に搬送波Scおよび音声信号Ssが入力され、それぞれが乗算部232a,232bに入力される。また、搬送波Scおよび音声信号Ssそれぞれは、π/2移相器231a,231bに入力され、位相がπ/2だけ遅れた状態で出力され、乗算部232a,232bに入力される。
乗算部232aでは、位相が遅れていない搬送波Scと、位相がπ/2遅れた音声信号Ssとにより第1の変調波Smが生成され、加算部233に入力される。また、乗算部232bでは、位相がπ/2遅れた搬送波Scと、位相が遅れていない音声信号Ssとにより第2の変調波Smが生成され、加算部233に入力される。
そして、加算部233では、第1の変調波Smと第2の変調波Smとが加算演算され、音声信号Ssの下側波帯(LSB)および搬送波Scが除去された信号が生成される。そして、加算部233によって生成された信号に搬送波Scを加えることで、音声信号Ssの上側波帯(USB)のみを含む変調波Smが生成され、出力される。このように、片側の側波帯を除去することで、超音波から可聴音を復調する際の効率をより高めることができる。
なお、図8に示す例では、音声信号Ssの下側波帯を完全に除去したが、これに限定されず、下側波帯の一部を除去して、下側波帯が上側波帯よりも抑制された状態の変調波Smを生成してもよい。また、音声信号Ssの下側波帯を除去したが、これに限定されず、上側波帯を除去して、下側波帯が残った変調波Smを生成してもよい。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 スピーカ装置
2 駆動部
3 音出力部
10 パネル
11a,11b 振動素子
21 取得部
22 搬送波生成部
23 変調部
23a SSB処理部
24 音量調整部
25a 第1増幅部
25b 第2増幅部
60 外部装置
Ag 帯状振動領域
2 駆動部
3 音出力部
10 パネル
11a,11b 振動素子
21 取得部
22 搬送波生成部
23 変調部
23a SSB処理部
24 音量調整部
25a 第1増幅部
25b 第2増幅部
60 外部装置
Ag 帯状振動領域
Claims (5)
- パネルと、
前記パネルを振動させる複数の振動素子と、
超音波帯域の搬送波を可聴波帯域の音声信号で変調した変調波を含む第1駆動信号を第1の前記振動素子へ印加し、前記搬送波を含み前記第1駆動信号とは異なる第2駆動信号を第2の前記振動素子へ印加して、前記パネルに振動領域を形成する駆動部と
を備えることを特徴とするスピーカ装置。 - 前記駆動部は、
前記音声信号に対応する前記搬送波の両側波帯のうち、片側の側波帯を抑制した前記変調波を含む前記第1駆動信号を前記第1の振動素子へ印加すること
を特徴とする請求項1に記載のスピーカ装置。 - 前記駆動部は、
前記搬送波のみを前記第2駆動信号として前記第2の振動素子へ印加すること
を特徴とする請求項1または2に記載のスピーカ装置。 - 前記パネルは、
矩形状の平板であり、
前記振動素子は、
1対設けられ、それぞれが前記パネルの長手方向における両端部に配置されること
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のスピーカ装置。 - パネルと、
前記パネルを振動させる複数の振動素子と、を備えるスピーカ装置の制御方法であって、
超音波帯域の搬送波を可聴波帯域の音声信号で変調した変調波を含む第1駆動信号を第1の前記振動素子へ印加し、前記搬送波を含み前記第1駆動信号とは異なる第2駆動信号を第2の前記振動素子へ印加して、前記パネルに振動領域を形成する駆動工程
を含むことを特徴とするスピーカ装置の制御方法。
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