JP2019161375A - Modulator, parametric speaker, simulator of ultrasonic emitter, and parametric speaker development system - Google Patents

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利典 菅原
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裕太 長島
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Abstract

To provide a parametric speaker having a high sound quality and high efficiency and a parametric speaker development system capable of free design development.SOLUTION: The modulator for modulating a carrier signal in an ultrasonic band with an audible signal from an external sound source to generate a modulated signal in the ultrasonic band, includes: an ultrasonic transmitter for generating a carrier signal; and a processor. The processor is configured to prepare digital sound source data, S1; convert the digital sound source data to text data, S2; generate an ultrasonic signal by performing a numerical calculation on the carrier signal generated based on the digital sound source data and the ultrasonic transmitter included in the text data, S3; and reversely convert a result of the numerical calculation into digital sound source data, S4.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、変調器、パラメトリックスピーカ、超音波エミッタのシミュレータ及びパラメトリックスピーカの開発システムに関する。   The present invention relates to a modulator, a parametric speaker, an ultrasonic emitter simulator, and a parametric speaker development system.

パラメトリックスピーカは、変調器と増幅器と超音波エミッタを基本構成とする高指向性のスピーカである。変調器は、音源から供給される可聴帯域信号でキャリア超音波を変調する、すなわち可聴帯域信号を超音波帯域の信号(以下、「超音波信号」という。)にアップコンバートするための装置である。増幅器は、変調器で生成された超音波信号を後段の超音波エミッタから高音圧で送信するための電力増幅回路である。超音波エミッタは、超音波を放出させるための装置であり、通常、キャリア信号の周波数(以下、「キャリア周波数」という。)付近に共振周波数を持つ複数の超音波素子で構成される。   A parametric speaker is a highly directional speaker having a modulator, an amplifier, and an ultrasonic emitter as basic components. The modulator is a device for modulating carrier ultrasonic waves with an audible band signal supplied from a sound source, that is, for up-converting an audible band signal into an ultrasonic band signal (hereinafter referred to as “ultrasonic signal”). . The amplifier is a power amplification circuit for transmitting an ultrasonic signal generated by the modulator from a subsequent ultrasonic emitter at a high sound pressure. The ultrasonic emitter is a device for emitting ultrasonic waves, and is generally composed of a plurality of ultrasonic elements having a resonance frequency near the frequency of a carrier signal (hereinafter referred to as “carrier frequency”).

超音波エミッタから放出された超音波信号は、空気中を伝搬する過程で自然に可聴音域に復調される。この理由は、高音圧の超音波が空気中を伝搬する際に生じる非線形効果によって2乗検波回路(変調波を可聴音域に変換するための回路)の等価回路が構成されるためであり、空気の非線形作用による自己復調などと説明されている。   The ultrasonic signal emitted from the ultrasonic emitter is naturally demodulated into an audible sound range in the process of propagating through the air. This is because an equivalent circuit of a square detection circuit (a circuit for converting a modulated wave into an audible sound range) is configured by a nonlinear effect generated when high-sonic pressure ultrasonic waves propagate in the air. It is described as self-demodulation due to non-linear action.

特許文献1は、本発明に先立ち本願発明者らによりなされた発明が記載されたものである。同文献の第33段落には、このパラメトリックスピーカは、「変調手段」、「増幅器」、「超音波放射装置」からなる「メイン回路」と、可聴信号補正手段を構成するための「サブ回路」とからなる電子回路で構成されることが記載されている。特許文献2は、振幅変調された超音波信号と等価な信号をコンピュータで発生させる方法が開示されている。   Patent Document 1 describes an invention made by the present inventors prior to the present invention. In paragraph 33 of the same document, this parametric speaker is composed of a “main circuit” composed of “modulation means”, “amplifier”, and “ultrasonic radiation device” and “sub-circuit” for constituting audible signal correction means. It is described that it is comprised with the electronic circuit which consists of these. Patent Document 2 discloses a method of generating a signal equivalent to an amplitude-modulated ultrasonic signal by a computer.

特開2015−084499号公報JP2015-084499A 特開2003−153370号公報JP 2003-153370 A

パラメトリックスピーカの変調方式には、AM方式、SSB方式、FM方式、PWM方式など種々の方式があり、それぞれ回路構成も異なる。しかし、いずれの変調方式が採用される場合でも、基本的には特許文献1に記載されるような電子回路によるハードウェアで構成された変調器が用いられることが一般的である。   There are various methods such as an AM method, an SSB method, an FM method, and a PWM method as the modulation method of the parametric speaker, and the circuit configurations thereof are also different. However, regardless of which modulation method is employed, a modulator composed of hardware by an electronic circuit as described in Patent Document 1 is generally used.

一方、特許文献2に記載される発明のように、電子回路で構成される復調器をコンピュータで代替しようとする試みもなされている。しかし、キャリア信号となる超音波を発生させるために、可聴音の上限周波数の2以上の整数倍の標本化周波数で可聴音をオーバーサンプリングして可聴音信号にない新たに加わったサンプルの中で少なくとも一部をゼロ値で置換することにより折り返し歪みを生じさせ、この折り返し歪み成分を含む信号で電気音響変換部を駆動して超音波を発生させている。   On the other hand, as in the invention described in Patent Document 2, attempts have been made to replace a demodulator composed of an electronic circuit with a computer. However, among the newly added samples that are not in the audible sound signal by oversampling the audible sound at a sampling frequency that is an integer multiple of 2 or more of the upper limit frequency of the audible sound in order to generate an ultrasonic wave that becomes the carrier signal By replacing at least a part with a zero value, aliasing distortion is generated, and an electroacoustic transducer is driven by a signal including the aliasing distortion component to generate ultrasonic waves.

しかし、この方法では、入力音源信号が無音でもキャリア信号が継続的に出力されるため、電力効率が悪く、かつ人体への影響が懸念される超音波曝露の問題を回避できない。更に、キャリア信号のサンプリング周波数が可聴音周波数の上限値の2以上の整数倍と定義されるため、設計の自由度が大幅に制限されるという問題もある。   However, in this method, since the carrier signal is continuously output even when the input sound source signal is silent, it is impossible to avoid the problem of ultrasonic exposure that is inferior in power efficiency and has a concern about influence on the human body. Furthermore, since the sampling frequency of the carrier signal is defined as an integer multiple of 2 or more of the upper limit value of the audible sound frequency, there is a problem that the degree of freedom of design is greatly limited.

一方、パラメトリックスピーカの開発は、変調器の設計にとどまらない。電力効率や超音波暴露の低減化に基づく安全性の問題はもちろんであるが、空気中の非線形伝搬作用による自己復調の結果として最終的に得られる可聴音域の音質を高めることにその究極的な目的があるといえる。   On the other hand, development of parametric speakers is not limited to modulator design. The ultimate in improving the sound quality of the audible range that will ultimately be obtained as a result of self-demodulation due to non-linear propagation in air, as well as safety issues based on reduced power efficiency and ultrasonic exposure. It can be said that there is a purpose.

以上のような理由により、パラメトリックスピーカの開発は長期化しがちであり、開発コストの削減も難しかった。   For these reasons, the development of parametric speakers tends to be prolonged, and it has been difficult to reduce development costs.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高音質で高効率なパラメトリックスピーカを提供すること、及び自由な設計開発が可能なパラメトリックスピーカの開発システムを提供することを主たる技術的課題とする。   The present invention has been made in view of the above, and it is a main technical problem to provide a parametric speaker with high sound quality and high efficiency, and to provide a parametric speaker development system capable of free design development. To do.

本発明に係る変調器は、
超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して超音波帯域の被変調信号を生成するための変調器であって、
前記変調器は、キャリア信号を発生させる超音波発信器とプロセッサを含み、
前記プロセッサにより、
デジタル音源データを準備するステップS1と、
デジタル音源データをテキストデータに変換するステップS2、
前記テキストデータに含まれるデジタル音源データ及び前記超音波発信器に基づいて生成されたキャリア信号に対する数値演算を行うことにより超音波信号を生成するステップS3と、
前記数値演算を行った結果に対してデジタル音源データに逆変換するステップS4と、
を実行させることを特徴とする。
The modulator according to the present invention comprises:
A modulator for modulating a carrier signal in an ultrasonic band with an audible signal from an external sound source to generate a modulated signal in the ultrasonic band,
The modulator includes an ultrasonic transmitter for generating a carrier signal and a processor,
By the processor,
Step S1 for preparing digital sound source data;
Step S2 for converting digital sound source data into text data;
Step S3 for generating an ultrasonic signal by performing a numerical operation on a digital sound source data included in the text data and a carrier signal generated based on the ultrasonic transmitter;
Step S4 for inversely converting the result of the numerical calculation into digital sound source data;
Is executed.

なお、本明細書における「キャリア信号」とは、入力音源信号を搬送する一般に数十kHz以上の超音波帯域の信号を意味し、例えばSSB変調方式の場合、このキャリア信号に上側側波帯(USB)信号又は下側側波帯(LSB)信号を加算した信号を生成する方式である。   In this specification, the “carrier signal” means a signal in an ultrasonic band generally carrying several tens of kHz or more that carries an input sound source signal. For example, in the case of the SSB modulation method, an upper sideband ( This is a method for generating a signal obtained by adding a USB) signal or a lower sideband (LSB) signal.

前記デジタル音源データは、ハイレゾリューション音源データであってもよい。
なお、ハイレゾリューション音源とはオーディオCDのスペックを超えた音源、具体的には、サンプリング周波数44.1kHz、または量子化16ビットを越える離散化特性を持って、録音・再生される音源のことをいう。ハイレゾリューション音源を、以下「ハイレゾ音源」と略す。現状のハイレゾ環境においては、サンプリング周波数は192kHzまで対応しているので、ほぼ96kHzまでの超音波帯域の信号を扱うことができる。このハイレゾ録音再生器は、ポータブルオーディオプレーヤやスマートホンなど、ハイレゾ音源出力に対応した汎用のオーディオ機器としても提供されている。
The digital sound source data may be high resolution sound source data.
A high resolution sound source means a sound source that exceeds the specifications of an audio CD, specifically, a sound source that is recorded / reproduced with a sampling frequency of 44.1 kHz or a discretization characteristic that exceeds 16 bits of quantization. Say. The high resolution sound source is hereinafter abbreviated as “high resolution sound source”. In the current high-resolution environment, since the sampling frequency corresponds to 192 kHz, an ultrasonic band signal up to approximately 96 kHz can be handled. This high-resolution recording / reproducing device is also provided as a general-purpose audio device that supports high-resolution sound source output, such as a portable audio player and a smart phone.

前記プロセッサによる数値演算は、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を実現するための数値演算機能を提供する演算処理のステップを更に伴うこともできる。   The numerical calculation by the processor is at least one selected from level adjustment in the process from the input sound source signal to the output signal, adjustment of frequency characteristics and phase characteristics as filter functions, sound quality improvement for distortion reduction, and power saving. An operation processing step for providing a numerical operation function for realizing one function can be further included.

上記の構成による変換器は更に、外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接数値演算し外部へ出力するストリーミング機能、ハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能、の少なくともいずれか1つを備えていてもよい。   The converter having the above configuration further has a function of accepting an audible signal file from an external sound source, a streaming function of sequentially receiving an audible signal from an external sound source in a buffer memory, and directly calculating and outputting it to the outside, a signal file of a high-resolution sound source At least one of the functions for generating

上記の構成による変調器と、前記被変調信号を増幅する増幅器と、前記増幅された被変調信号に基づいて超音波を放射する超音波エミッタと、を含むパラメトリックスピーカを構成することが可能となる。   It is possible to configure a parametric speaker including the modulator configured as described above, an amplifier that amplifies the modulated signal, and an ultrasonic emitter that emits ultrasonic waves based on the amplified modulated signal. .

本発明に係る超音波エミッタのシミュレータは、超音波信号を例えばサンプリング周波数96kHz、量子化16ビットで統一されたハイレゾ音源として取り扱い、RLC直列共振回路としてモデリングして定式化されることを特徴とする。   The simulator of an ultrasonic emitter according to the present invention is characterized in that an ultrasonic signal is handled as a high-resolution sound source unified by, for example, a sampling frequency of 96 kHz and a quantization of 16 bits, and modeled as an RLC series resonance circuit. .

上述したいずれかの変調器と、上述した超音波エミッタのシミュレータを含むことにより、パラメトリックスピーカの開発システムを構成することが可能となる。   By including any of the above-described modulators and the above-described ultrasonic emitter simulator, a parametric speaker development system can be configured.

上記の構成おいては、ハードウェアとしての変調器や超音波エミッタ及びその後の復調過程がソフトウェアの演算機能でシミュレートできるため、製品開発期間の短縮と製造費用などの削減を図ることができる。また、回路構成やパラメータの調整が容易であるため、歪みの低減や入出力の線形性向上などの音質改善のための回路を別途設けることなく高音質化するシステムを開発及び実現することができる。   In the above configuration, the modulator and the ultrasonic emitter as hardware and the subsequent demodulation process can be simulated by the calculation function of the software, so that the product development period can be shortened and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since it is easy to adjust the circuit configuration and parameters, it is possible to develop and realize a system for improving the sound quality without providing a separate circuit for sound quality improvement such as distortion reduction and input / output linearity improvement. .

図1は、パラメトリックスピーカの信号の流れを各処理の機能ブロック単位で示した概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing the signal flow of a parametric speaker in units of functional blocks for each process. 図2は、図1に示す変換器の機能ブロックを示したものである。FIG. 2 shows functional blocks of the converter shown in FIG. 図3は、図2に示される入力音源信号s(t)から超音波信号x(t)が出力されるまでの処理のフローを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a processing flow until the ultrasonic signal x (t) is output from the input sound source signal s (t) shown in FIG. 図4(A)は、2kHzの正弦波信号を示している。図4(B)及び図4(C)は、図4(A)に示す正弦波信号を入力音源信号s(t)とした場合の出力信号波形(超音波信号x(t)の時間波形)を示している。図4(B)は時間波形であり、図4(C)はその周波数スペクトルである。FIG. 4A shows a 2 kHz sine wave signal. 4B and 4C show output signal waveforms when the sine wave signal shown in FIG. 4A is the input sound source signal s (t) (time waveform of the ultrasonic signal x (t)). Is shown. FIG. 4B shows a time waveform, and FIG. 4C shows its frequency spectrum. 図5(A)は、約4秒間の音声信号を示している。図5(B)は、図5(A)に示す音声信号を入力音源信号s(t)とした場合の出力信号波形(超音波信号x(t)の時間波形)を示している。FIG. 5A shows an audio signal of about 4 seconds. FIG. 5B shows an output signal waveform (time waveform of the ultrasonic signal x (t)) when the sound signal shown in FIG. 5A is used as the input sound source signal s (t). 図6(A)は、実験に用いた超音波エミッタの外観を示している。図6(B)は、この超音波エミッタから放射される音圧の周波数特性を示す図である。FIG. 6A shows the appearance of the ultrasonic emitter used in the experiment. FIG. 6B is a diagram showing frequency characteristics of sound pressure radiated from the ultrasonic emitter. 図7は、超音波エミッタの音圧レベル(SPL)が130dB、距離1m、4m、10m、20mで測定した可聴音のSPLの周波数応答特性を示している。FIG. 7 shows the frequency response characteristics of the SPL of audible sound measured at a sound pressure level (SPL) of the ultrasonic emitter of 130 dB, distances of 1 m, 4 m, 10 m, and 20 m. 図8(A)は、入力音源信号とシミュレーションにより得られた復調信号の例を示す時間波形、図8(B)は、図8(A)の周波数スペクトルを示している。FIG. 8A shows a time waveform showing an example of an input sound source signal and a demodulated signal obtained by simulation, and FIG. 8B shows a frequency spectrum of FIG. 8A. 第3の実施形態のパラメトリックスピーカのブロック図である。破線で示した部分が変調器である。バッチ処理を一点鎖線で表し、リアルタイム処理を実線で表している。It is a block diagram of the parametric speaker of a 3rd embodiment. A portion indicated by a broken line is a modulator. Batch processing is represented by a one-dot chain line, and real-time processing is represented by a solid line.

(第1の実施形態)−システムの基本構成及び基本処理フローについて−
以下、実施形態に係るパラメトリックスピーカにつき図面を参照して説明する。
図1は、パラメトリックスピーカの信号の流れを各処理の機能ブロック単位で示した概念図である。コンピュータシュミレータを構築するために、処理プロセスは、(I)変調プロセス、(II)超音波エミッタ駆動プロセス、(III)自己復調プロセス、の3つに分けて、それぞれのプロセスをモデリングして定式化することを考える。
(First embodiment)-Basic system configuration and basic processing flow-
Hereinafter, parametric speakers according to embodiments will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the signal flow of a parametric speaker in units of functional blocks for each process. In order to build a computer simulator, the processing process is divided into three parts: (I) modulation process, (II) ultrasonic emitter driving process, and (III) self-demodulation process, and each process is modeled and formulated. Think about what to do.

物理的な機能ブロックは、変調器1、増幅器2、超音波エミッタ3の3つで構成されるが、自己復調プロセスをモデリングして定式化するため、非線形伝搬4を第4の機能ブロックとする。以下、各機能ブロックについて、具体的に説明する。   The physical functional block is composed of the modulator 1, the amplifier 2, and the ultrasonic emitter 3, but the nonlinear propagation 4 is the fourth functional block in order to model and formulate the self-demodulation process. . Hereinafter, each functional block will be specifically described.

(I)変調プロセス(アップコンバート)
変調器1は、可聴帯域の入力音源信号s(t)で超音波キャリアを変調して超音波信号x(t)に変換(アップコンバート)し出力する基本機能を有する。変調器の変調方式として、キャリア信号の振幅を信号の波形に合わせる振幅変調(AM)、信号の大きさに比例するようにキャリア周波数を高くしたり低くしたりする周波数変調(FM)や、信号の大きさに比例させてキャリア信号の位相をずらす位相変調(PM)など、複数の変調方式が知られている。パラメトリックスピーカでは振幅変調方式が使われることが多く、キャリア信号周波数成分の両側に側波帯(サイドバンド)が生成される両側波帯(DSB:Double Side Band)と単側波帯(SSB:Single Side Band)の2つの方法がある。音源側からの信号を入力して増幅器へ信号を出力する変調器は、その間の処理において、上記のような変調処理を基本とするが、その他の機能として、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を達成するための数値演算機能が搭載されていてもよい。
(I) Modulation process (up-conversion)
The modulator 1 has a basic function of modulating an ultrasonic carrier with an input sound source signal s (t) in an audible band, converting it to an ultrasonic signal x (t), and outputting it. As a modulation method of the modulator, amplitude modulation (AM) for adjusting the amplitude of the carrier signal to the waveform of the signal, frequency modulation (FM) for increasing or decreasing the carrier frequency in proportion to the signal size, A plurality of modulation schemes are known, such as phase modulation (PM) in which the phase of the carrier signal is shifted in proportion to the magnitude of. An amplitude modulation method is often used in a parametric speaker, and a double sideband (DSB) in which sidebands (sidebands) are generated on both sides of a carrier signal frequency component and a single sideband (SSB: Single). There are two methods of Side Band). The modulator that inputs the signal from the sound source side and outputs the signal to the amplifier is basically based on the above-mentioned modulation processing in the process in between, but as another function, the process from the input sound source signal to the output signal Is equipped with a numerical calculation function to achieve at least one of the functions selected from level adjustment, frequency characteristic and phase characteristic adjustment, sound quality improvement for distortion reduction, and power saving Also good.

上述のとおり、このように構成される変調器1は、従来は電子回路(アナログ回路又はデジタル回路)などのハードウェアで実現されていたが、アナログ回路の場合、フィルタの最適化が難題であり、希望の周波数特性を得るための微調整が困難であった。さらに、パラメータや回路構成の一部を変更すると、システム全体に影響を及ぼすこともあるため、ブロックごとの整合性をとるなど、試作や製作には、知識と経験が必要であった。一方、デジタル回路の場合、DSP(デジタル・シグナル・プロセッサ)やFPGA(フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ)などデジタル回路の専門的な知識と経験が必要であった。また、回路シミュレータ(例えば、LTspiceなど)を利用することも考えられるが、実用レベルの複雑なシミュレーションには対応できず、現実的ではない。   As described above, the modulator 1 configured as described above has been conventionally realized by hardware such as an electronic circuit (analog circuit or digital circuit). However, in the case of an analog circuit, it is difficult to optimize a filter. Fine adjustment to obtain the desired frequency characteristics is difficult. Furthermore, changes in parameters and circuit configuration may affect the entire system, so knowledge and experience were required for prototyping and manufacturing, such as ensuring consistency for each block. On the other hand, in the case of digital circuits, specialized knowledge and experience of digital circuits such as DSP (Digital Signal Processor) and FPGA (Field Programmable Gate Array) are required. In addition, although it is conceivable to use a circuit simulator (for example, LTspice), it cannot cope with a complicated simulation at a practical level and is not realistic.

そこで、本実施形態では、コンピュータなどに搭載されるプロセッサを用いた数値演算によって被変調信号を出力する方法について具体的に説明する。   Therefore, in the present embodiment, a method for outputting a modulated signal by numerical calculation using a processor mounted on a computer or the like will be specifically described.

図2は、図1に示す変換器の機能ブロックを示したものである。この変換器は、Weaver方式に基づくSSB変調を改良したダイナミックSSB変調方式を採用した例を示している。   FIG. 2 shows functional blocks of the converter shown in FIG. This converter shows an example in which a dynamic SSB modulation method obtained by improving the SSB modulation based on the Weaver method is adopted.

「ダイナミックSSB変調」とは、入力音源信号s(t)の包絡線に応じてキャリア信号の振幅を変える変調方式であり、図2に示す破線部20がこの機能を実現する機能ブロックである。破線部20では、帯域フィルタを通過した入力音源信号s(t)の絶対値(ABS)及びその平方根(ROOT)を計算した後に、遮断周波数数十HzのLPFで帯域制限された後、遅延(DELAY)させることで数値演算により包絡線信号e(t)を求め、キャリア信号を乗算して、上述のSSB信号に加算して超音波信号x(t)を出力している。   “Dynamic SSB modulation” is a modulation method in which the amplitude of the carrier signal is changed in accordance with the envelope of the input sound source signal s (t), and the broken line portion 20 shown in FIG. 2 is a functional block that realizes this function. In the broken line part 20, after calculating the absolute value (ABS) and the square root (ROOT) of the input sound source signal s (t) that has passed through the band filter, the band is limited by an LPF having a cutoff frequency of several tens of Hz, and then the delay ( DELAY) to obtain an envelope signal e (t) by numerical calculation, multiply the carrier signal, add it to the SSB signal, and output an ultrasonic signal x (t).

このようなダイナミック変調によれば、入力音源が無音の時にはキャリア信号の出力がゼロとなる。このため、パラメトリックスピーカのシステム駆動時における消費電力や超音波曝露を低減できる利点がある。   According to such dynamic modulation, the output of the carrier signal becomes zero when the input sound source is silent. For this reason, there exists an advantage which can reduce the power consumption and ultrasonic exposure at the time of the system drive of a parametric speaker.

入力音源信号s(t)は、wav形式やmp3などで表される汎用のフォーマットで記録されたデジタル音源データがテキストファイルに変換された状態で、先ず帯域フィルタ(BPF)を通過してサブキャリア周波数f=4.1kHzの正弦波sinωt=sin(2πft)及びcosωt=cos(2πft)を乗算された後に、遮断周波数4.1kHzのLPFで帯域制限される。こうして得られた信号を、キャリア角周波数ωにサブキャリア角周波数ωを加算或いは減算した正弦波信号sin[(ω±ω)t]、cos[(ω±ω)t]に乗算する。なお、例としてキャリア周波数25kHzの正弦波(sinωt)信号を超音波発生装置により生成した。最後に、2つに分かれた信号を加算或いは減算することでSSB信号が得られる。ここで、加算すると上側波帯(USB)信号、減算すると下側波帯(LSB)信号が得られる。一方、キャリア信号の振幅は入力音源信号の振幅に応じて決定され、それにSSB信号が加算される。但し、SSB信号の生成方法は公知の方法を用いることができ、Weaver方式以外の方式、例えば、単純なフィルタ法、PSN(フェーズ・シフト・ネットワーク)方式、メリーゴーランド方式を用いてもよく、回路方式は限定されない。 The input sound source signal s (t) is passed through a bandpass filter (BPF) and then subcarriers in a state in which digital sound source data recorded in a general-purpose format represented by the wav format or mp3 is converted into a text file. after sinusoid of frequency f s = 4.1kHz sinω s t = sin (2πf s t) and cosω s t = cos a (2πf s t) is multiplied, is band-limited by the LPF cutoff frequency 4.1KHz. A sine wave signal sin [(ω c ± ω s ) t], cos [(ω c ± ω s ) t] obtained by adding or subtracting the subcarrier angular frequency ω s to the carrier angular frequency ω c to the signal thus obtained. Multiply by. Note that sine wave of carrier frequency 25kHz as an example (sinω c t) signal generated by the ultrasonic generator. Finally, an SSB signal is obtained by adding or subtracting the two signals. Here, when added, an upper sideband (USB) signal is obtained, and when subtracted, a lower sideband (LSB) signal is obtained. On the other hand, the amplitude of the carrier signal is determined according to the amplitude of the input sound source signal, and the SSB signal is added thereto. However, a known method can be used as a method for generating the SSB signal, and a method other than the Weaver method, for example, a simple filter method, a PSN (Phase Shift Network) method, a merry-go-round method, or a circuit method may be used. Is not limited.

以上の信号の流れにおいて、各種フィルタはいずれもKaiser型FIR(有限インパルス応答)を用いた。FIR型フィルタは、周波数による遅延量を一定にして周波数応答のみ変化させられるという、アナログフィルタにはない特性があることで知られている。   In the above signal flow, each filter used a Kaiser type FIR (finite impulse response). The FIR type filter is known to have a characteristic not found in an analog filter, in which only the frequency response can be changed with a constant delay amount depending on the frequency.

最終的な出力は、入力音源信号と同形式のデジタル音源データ(wav形式が入力された場合は出力もwav形式とすることが通常である)の超音波信号x(t)が出力される。   The final output is an ultrasonic signal x (t) of digital sound source data in the same format as the input sound source signal (when the wav format is input, the output is usually also in the wav format).

ここで、入力音源信号s(t)にハイレゾ音源を用い、ハイレゾ録音再生器に出力するために逆変換を行うことで、ハイレゾ音源ファイル(例えば、wav ファイル)を生成することが可能となる。   Here, it is possible to generate a high-resolution sound source file (for example, a wav file) by using a high-resolution sound source for the input sound source signal s (t) and performing inverse conversion to output it to the high-resolution recording / reproducing device.

このようなことが実現できるのは、アナログ回路で行っていた乗算や加減算を全てコンピュータなどに搭載されるプロセッサにより行っているためである。   This can be realized because all multiplications and additions / subtractions performed in the analog circuit are performed by a processor mounted on a computer or the like.

図3は、図2に示される入力音源信号s(t)から超音波信号x(t)が出力されるまでの処理のフローを示す図である。入力音源信号として、デジタル音源データ(例えば、wav形式)を準備し(ステップS1)、数値演算が容易なテキストデータに変換する(ステップS2)。   FIG. 3 is a diagram showing a processing flow until the ultrasonic signal x (t) is output from the input sound source signal s (t) shown in FIG. Digital sound source data (for example, wav format) is prepared as an input sound source signal (step S1), and converted to text data that can be easily numerically calculated (step S2).

次に、ステップS3で、テキストファイルから数値データを読み取り、キャリア周波数、FIRデジタルフィルタ、振幅変調などの変調処理、入力・出力信号のレベル調整、フィルタ機能を持つ周波数特性の調整や、音質改善や省電力などを実現するための処理機能を必要に応じ演算する。このように、DSBやSSBの振幅変調方式などの変調処理を実現する機能を核として、信号のレベル調整、フィルタによる周波数特性調整や、音質改善や省電力などを行う種々の処理機能をアナログ回路によらずプログラミングによって実現することができる。なお、変調は信号が数式で表現できるかぎり、周波数変調や位相変調などあらゆる変調方式を採用できることはいうまでもない。   Next, in step S3, numerical data is read from the text file, modulation processing such as carrier frequency, FIR digital filter, amplitude modulation, input / output signal level adjustment, frequency characteristic adjustment with filter function, sound quality improvement, A processing function for realizing power saving or the like is calculated as necessary. In this way, with the function that realizes modulation processing such as DSB or SSB amplitude modulation system as the core, various processing functions for signal level adjustment, frequency characteristic adjustment by filter, sound quality improvement, power saving, etc. are analog circuits Regardless, it can be realized by programming. Needless to say, any modulation method such as frequency modulation and phase modulation can be used for the modulation as long as the signal can be expressed by a mathematical expression.

次に、ステップS4では、数値演算によって得られた結果をデジタル音源データに逆変換を行い、可聴帯域の音源信号で変調された超音波信号x(t)が出力信号として得られる。出力信号はその後、オーディオインターフェースなどに送られる。なお、出力信号及びオーディオインターフェースがいずれもハイレゾ音源に対応していれば、ハイレゾ音源で変調された超音波信号を得ることができる。   Next, in step S4, the result obtained by the numerical calculation is inversely converted into digital sound source data, and an ultrasonic signal x (t) modulated by the sound source signal in the audible band is obtained as an output signal. The output signal is then sent to an audio interface or the like. If both the output signal and the audio interface are compatible with a high-resolution sound source, an ultrasonic signal modulated by the high-resolution sound source can be obtained.

以上の各ステップで行われる数値演算のほとんどが、加減算と乗算(しかも、単なる定数の乗算)であり、高度な演算は必要ない。実験ではC言語を用いてプログラミングしたが、Fortran、JAVA(登録商標)、マシン語をはじめとする他の言語でプログラミングを行ってもよい。   Most of the numerical operations performed in each of the above steps are addition / subtraction and multiplication (and simple multiplication of constants), and high-level operations are not necessary. In the experiment, programming was performed using the C language. However, programming may be performed using other languages such as Fortran, JAVA (registered trademark), and machine language.

個々の機能を具体化するための条件などは、プログラム上で追加したり変更することが容易に可能であり、非常に簡便である。例えば、変調方式のキャリア信号周波数、周波数調整用のフィルタ係数、ハイレゾ音源ファイルを生成するためのサンプリング周波数やビット数の条件などを自由にしかも微調整に設定・変更できることである。すなわち、プログラムのコーディングの作業で済ませることができる。従来の方策であるハードウェア変調器であればアナログ回路やデジタル回路で作り上げていた処理機能を机上のプログラミングで実現可能となる。   Conditions for embodying individual functions can be easily added or changed on the program, and are very simple. For example, the carrier signal frequency of the modulation system, the filter coefficient for frequency adjustment, the sampling frequency for generating the high-resolution sound source file, the condition of the number of bits, and the like can be freely set and changed to fine adjustment. In other words, it can be done by coding the program. With a hardware modulator, which is a conventional measure, processing functions created with analog circuits and digital circuits can be realized by desktop programming.

図3の数値演算は、計算機(パソコン他)上で実行することも可能であるが、専用の数値演算装置を用いてもよい。更に、本発明におけるソフトウェアシミュレータは、それらに限定されることなく、数値演算機能を内蔵できる装置に搭載されていてもよい。例えば、スマートホンやタッチパネルをはじめとする携帯端末機、高度情報処理を適用する人工知能(AI)機能を有する機器(ロボットやAIスピーカ、スマートスピーカ等)に搭載されている数値演算機能を用いてもよい。   The numerical calculation of FIG. 3 can be executed on a computer (such as a personal computer), but a dedicated numerical calculation device may be used. Furthermore, the software simulator in the present invention is not limited to these, and may be mounted on a device that can incorporate a numerical calculation function. For example, using a numerical calculation function installed in a mobile terminal such as a smart phone or a touch panel, or a device having an artificial intelligence (AI) function that applies advanced information processing (robot, AI speaker, smart speaker, etc.) Also good.

また、数値演算の結果生成されるハイレゾ音源ファイルは、まずは計算機の記憶装置などに保存されるが、このハイレゾ音源ファイルは、外部記録媒体や、有線又は無線の接続方策によってハイレゾ録音再生器に渡され保存することも可能である。一方、数値演算のためのプロセッサがハイレゾ音源ファイルの再生ソフトウェアを実行できる場合、例えば、ハイレゾ用のオーディオインターフェースを介して、ハイレゾ録音再生器を経由することなく増幅器(例えば、デジタル増幅器)と超音波エミッタに整合よく直接、超音波信号を供給できることになる。   A high-resolution sound source file generated as a result of numerical calculation is first saved in a storage device of a computer. The high-resolution sound source file is transferred to a high-resolution recording / playback device by an external recording medium or a wired or wireless connection method. And can be saved. On the other hand, when the processor for numerical computation can execute the playback software for the high-resolution sound source file, for example, via an audio interface for high-resolution, an amplifier (for example, a digital amplifier) and an ultrasonic wave without going through a high-resolution recording / playback device An ultrasonic signal can be supplied directly to the emitter with good alignment.

−実験例−
(実験1)
はじめに、正弦波信号を入力音源信号として入力した場合の出力信号波形を調べた。
図4(A)は、2kHzの正弦波信号を示している。図4(B)及び図4(C)は、図4(A)に示す正弦波信号を入力音源信号s(t)とした場合の出力信号波形(超音波信号x(t))を示している。図4(B)は時間波形であり、図4(C)はその周波数スペクトルである。ここでは、25kHzのキャリア信号と27kHzのUSB信号のそれぞれの振幅が同じ大きさになるように、入力音源信号の大きさを調整した。
-Experimental example-
(Experiment 1)
First, the output signal waveform when a sine wave signal was input as an input sound source signal was examined.
FIG. 4A shows a 2 kHz sine wave signal. 4B and 4C show an output signal waveform (ultrasonic signal x (t)) when the sine wave signal shown in FIG. 4A is used as the input sound source signal s (t). Yes. FIG. 4B shows a time waveform, and FIG. 4C shows its frequency spectrum. Here, the magnitude of the input sound source signal was adjusted so that the amplitudes of the 25 kHz carrier signal and the 27 kHz USB signal were the same.

観測した出力波形には25kHzと27kHzの同レベルの平衡被変調信号が得られ、所望の数値演算が正しくなされていることが確認できた。   In the observed output waveform, a balanced modulated signal of the same level of 25 kHz and 27 kHz was obtained, and it was confirmed that the desired numerical calculation was performed correctly.

(実験2)
次に、実際の音声データを入力音源信号として入力した場合の出力信号波形を調べた。
図5(A)は、約4秒間の音声信号を示している。図5(B)は、図5(A)に示す音声信号を入力音源信号s(t)とした場合の出力信号波形(超音波信号x(t)の時間波形)を示している。
(Experiment 2)
Next, the output signal waveform when actual sound data was input as an input sound source signal was examined.
FIG. 5A shows an audio signal of about 4 seconds. FIG. 5B shows an output signal waveform (time waveform of the ultrasonic signal x (t)) when the sound signal shown in FIG. 5A is used as the input sound source signal s (t).

この入力音源信号には、有名な小説の一節を読み上げた音声データをデジタル録音したwav形式の音源データファイルを用いた。音声信号がない時間領域に変調後の信号の一部にキャリア成分がほぼないことが確認された。コンピュータやオーディオ機器に録音されたSSB信号のwavファイルの信号は、ハイレゾ再生器に接続した増幅器を通して超音波エミッタに供給すれば、元のオーディオ信号を復元できる。現時点では、非圧縮のリニアPCMフォーマットwavでサンプリング周波数96kHz、量子化を16ビットに選んでおり、これによるパラメトリックスピーカの再生音は、アナログ回路による変調器を使う従来方法と同等の音質が得られた。今回の方法によれば、共振周波数25kHzの超音波エミッタ、及び共振周波数40kHzのエミッタ駆動用ハイレゾ音源の制作が可能である。   As the input sound source signal, a sound data file in wav format in which audio data read out from a passage of a famous novel is digitally recorded is used. It was confirmed that there is almost no carrier component in part of the modulated signal in the time domain where there is no audio signal. If the WSB file signal of the SSB signal recorded in the computer or audio device is supplied to the ultrasonic emitter through an amplifier connected to the high-resolution player, the original audio signal can be restored. At present, the uncompressed linear PCM format wav has been selected to have a sampling frequency of 96 kHz and quantization of 16 bits, so that the reproduced sound of the parametric speaker can be obtained with the same sound quality as the conventional method using a modulator based on an analog circuit. It was. According to this method, it is possible to produce an ultrasonic emitter having a resonance frequency of 25 kHz and a high-resolution sound source for driving an emitter having a resonance frequency of 40 kHz.

但し、数値演算によって最適な回路構成やパラメータが得られた後は、同等の機能を実現する電子回路で構成することもできる。一般にハードウェアの方が処理速度が早く、リアルタイム処理が可能だからである。   However, after an optimal circuit configuration and parameters are obtained by numerical calculation, it can be configured by an electronic circuit that realizes an equivalent function. This is because hardware generally has a higher processing speed and can perform real-time processing.

(II)駆動プロセス
変調プロセスに続く駆動するプロセスでは、変調器を経て出力された超音波信号x(t)が図1に示す増幅器2で電力増幅され、超音波エミッタ3から超音波信号が放出される。パラメトリックスピーカの電力増幅器は、その多くは周波数特性が平坦なので、モデリングにおいては増幅度に合わせて単なる定数を乗算する演算ですむ。一方、超音波エミッタは超音波信号を空気中に放出するための電気音響変換装置であり、例えば、多数の圧電セラミック素子を平面的に配列したものが一般的である。超音波素子の周波数特性は復調音の周波数特性に影響するため、予備実験として超音波エミッタの周波数特性を調べる。
(II) Driving Process In the driving process following the modulation process, the ultrasonic signal x (t) output through the modulator is amplified by the amplifier 2 shown in FIG. 1 and the ultrasonic signal is emitted from the ultrasonic emitter 3. Is done. Many of the power amplifiers of parametric speakers have flat frequency characteristics, so in the modeling, it is only necessary to multiply by a constant according to the amplification degree. On the other hand, the ultrasonic emitter is an electroacoustic transducer for emitting an ultrasonic signal into the air. For example, it is common to have a large number of piezoelectric ceramic elements arranged in a plane. Since the frequency characteristic of the ultrasonic element affects the frequency characteristic of the demodulated sound, the frequency characteristic of the ultrasonic emitter is examined as a preliminary experiment.

図6(A)は、実験に用いた超音波エミッタの外観を示している。
<超音波エミッタ>
日本セラミック社製 超音波素子(T4010B4、素子数271)
FIG. 6A shows the appearance of the ultrasonic emitter used in the experiment.
<Ultrasonic emitter>
Ultrasonic element made by Nippon Ceramic Co., Ltd. (T4010B4, number of elements 271)

図6(B)は、この超音波センサの感度周波数特性を示す図である。すなわち、電圧振幅5.47Vで駆動し、周波数を34kHzから46kHzまで変化させて、そのときの超音波エミッタから音軸上4mの位置における音圧を測定した結果を示している。但し、この図の横軸は共振周波数約40.2kHzであり、縦軸はそのときの音圧振幅21.2Pa(SPLで117.5dB)で無次元化している。
ここで、RLC直列共振回路としてモデリングして定式化する方法について説明する。機械共振は、その共振付近において、コイル(質量)、コンデンサ(ばね)、そして抵抗(機械抵抗)の直列回路と等価である。超音波は、平面波であることを前提とすると、その回路に流れる電流に比例して放射されるとモデル化でき、超音波エミッタのインパルス応答h(t)は、式1
(式1)

Figure 2019161375

により表される。ここで、Aは任意定数、ω=ω・(1−1/4Q 1/2、ω=2πf)は共振周波数、Qは共振の先鋭度、u(t)は単位ステップ関数である。この式の導出方法は、先ず、超音波エミッタに加える電圧をv(t)、流れる電流をi(t)と置き、RLC直列共振回路の伝達関数H(s)を計算する。そして、ラプラス変換を用いてインパルス応答を計算し、超音波は超音波エミッタから離れると回折が現れ、その効果を入れることは1階時間微分することに対応し、式1を得る。 FIG. 6B is a diagram showing the sensitivity frequency characteristic of this ultrasonic sensor. That is, it shows the result of driving with a voltage amplitude of 5.47 V, changing the frequency from 34 kHz to 46 kHz, and measuring the sound pressure at a position 4 m on the sound axis from the ultrasonic emitter at that time. However, the horizontal axis of this figure is the resonance frequency of about 40.2 kHz, and the vertical axis is dimensionless at the sound pressure amplitude at that time 21.2 Pa (SPL 117.5 dB).
Here, a method of modeling and formulating as an RLC series resonant circuit will be described. The mechanical resonance is equivalent to a series circuit of a coil (mass), a capacitor (spring), and a resistance (mechanical resistance) in the vicinity of the resonance. Assuming that the ultrasonic wave is a plane wave, it can be modeled that the ultrasonic wave is radiated in proportion to the current flowing through the circuit. The impulse response h (t) of the ultrasonic emitter is expressed by the following equation (1).
(Formula 1)
Figure 2019161375

It is represented by Here, A is an arbitrary constant, ω d = ω 0 · (1-1 / 4Q 0 2 ) 1/2 , ω 0 = 2πf 0 ) is the resonance frequency, Q 0 is the sharpness of resonance, and u (t) is Unit step function. In the derivation method of this equation, first, the voltage applied to the ultrasonic emitter is set to v (t), the flowing current is set to i (t), and the transfer function H (s) of the RLC series resonance circuit is calculated. Then, the impulse response is calculated using Laplace transform, and when the ultrasonic wave is separated from the ultrasonic emitter, diffraction appears, and adding the effect corresponds to first-order time differentiation, and Equation 1 is obtained.

図6(B)の実線はQ=20にしたとき、点線はQ=30にしたときのフィッティング曲線である。このフィッティングのように、共振周波数を挟んで両周波数領域でQの値が異なる。また、やっかいなことに、駆動電圧の増加に応じてfとQの値が低下する傾向にあることが分かった。本来ならば、超音波の回折を抑えるためにエミッタ近傍で周波数特性を測定しなければならない。最終的には以上のような2次的な影響を含めて超音波エミッタの周波数特性を決める必要があるが、今回のモデル化には含めていない。 The solid line in FIG. 6B is a fitting curve when Q 0 = 20, and the dotted line is a fitting curve when Q 0 = 30. As in this fitting, the value of Q 0 is different in both frequency regions across the resonance frequency. Unfortunately, it has been found that the values of f 0 and Q 0 tend to decrease as the drive voltage increases. Originally, frequency characteristics must be measured near the emitter in order to suppress ultrasonic diffraction. Ultimately, it is necessary to determine the frequency characteristics of the ultrasonic emitter including the secondary effects as described above, but this is not included in this modeling.

超音波エミッタの駆動電圧は変調シミュレータからの出力信号x(t)であり(パワーアンプの増幅度を信号に含めるときには、x(t)に増幅度を乗算する)、従って、エミッタから放射される超音波音圧p(t)は、x(t)とh(t)とのたたみ込み積分(式2)で与えられる。
(式2)

Figure 2019161375
The drive voltage of the ultrasonic emitter is the output signal x (t) from the modulation simulator (when the amplification factor of the power amplifier is included in the signal, x (t) is multiplied by the amplification factor) and is therefore emitted from the emitter. The ultrasonic sound pressure p c (t) is given by a convolution integral (Expression 2) of x (t) and h (t).
(Formula 2)
Figure 2019161375

(III)復調プロセス(ダウンコンバート)
パラメトリック音圧信号pは、超音波信号pの自己復調プロセスの結果として発生する。そのプロセスの簡単なモデルは、Berktayの式(式3)とMerklingerの式(式4)とで表される。
(III) Demodulation process (down-conversion)
Parametric sound pressure signal p is generated as a result of self-demodulation process of the ultrasonic signal p c. A simple model of the process is represented by Berktay's equation (Equation 3) and Merkinger's equation (Equation 4).

(式3)

Figure 2019161375

(式4)
Figure 2019161375
(Formula 3)
Figure 2019161375

(Formula 4)
Figure 2019161375

これらの式3、式4において、エミッタから放出される超音波の音圧信号p、包絡線関数E(t)、キャリア角周波数ωとの関係は、
(式5)

Figure 2019161375

とおいている。また、ρ、βは、それぞれ媒質の密度、非線形係数、またcは音速、αはキャリア超音波の音波吸収係数である。
Berktayの式3は、包絡線E(t)を時間tで2階微分したものがパラメトリック差音に比例することを示しており、物理的には2乗検波を行っているにすぎない。特に、キャリア超音波の音圧pが低くてδ<<1が満たされるような場合は、式4を低次で近似するとBerktayの式3が得られる。従って、Merklingerの式は、Berktayの式を包含した広範囲の1次波駆動に対して有効といえる。 In these expressions 3 and 4, the relationship between the sound pressure signal p 0 of the ultrasonic wave emitted from the emitter, the envelope function E (t), and the carrier angular frequency ω c is
(Formula 5)
Figure 2019161375

I keep it. Further, ρ 0 and β are the density and nonlinear coefficient of the medium, c 0 is the sound velocity, and α c is the sound wave absorption coefficient of the carrier ultrasonic wave.
Berktay's equation 3 shows that the second derivative of the envelope E (t) with respect to time t is proportional to the parametric difference sound, and is only physically square-detected. In particular, when the sound pressure p 0 of the carrier ultrasonic wave is low and δ << 1 is satisfied, Berktay's equation 3 is obtained by approximating equation 4 with a low order. Therefore, it can be said that the Merklinger equation is effective for a wide range of primary wave driving including the Berktay equation.

ところで、パラメトリック差音の大きさは包絡情報を持つ関数の2階時間微分で与えられる。この微分は周波数領域でいえば、パラメトリック差音が周波数の2乗に比例することを意味する。厳密にいうと、音圧の周波数特性は超音波エミッタの距離に依存する。図6(B)は開口半径a=100mm、1次波の一方、すなわちキャリア周波数を40kHzに固定し、他方の1次波周波数を40kHz未満(LSB)で変化させたときの差音音圧の周波数応答を示したものである。   By the way, the magnitude of the parametric difference sound is given by a second-order time derivative of a function having envelope information. This differentiation means that the parametric difference sound is proportional to the square of the frequency in the frequency domain. Strictly speaking, the frequency characteristics of sound pressure depend on the distance of the ultrasonic emitter. FIG. 6B shows the difference in sound pressure when the aperture radius a = 100 mm, one of the primary waves, that is, the carrier frequency is fixed at 40 kHz, and the other primary wave frequency is changed to less than 40 kHz (LSB). The frequency response is shown.

ここで、理論計算にはKZK方程式を利用した。2つの1次波の音源面音圧pは128dBに固定している。この理論結果から、距離が1mの場合は周波数fの1.6乗に、4mから10mの場合は1.7乗から1.8乗に、更に遠くなり20mになると2乗に近づく。ただ、距離が遠くなるほど音波吸収の影響を受けて2次曲線からは外れていく。ちなみに、4kHzの音波吸収はおよそ0.03dB/mなので、20m伝搬しても1dB以下の減衰量である。 Here, the KZK equation was used for the theoretical calculation. The sound wave surface sound pressures p 0 of the two primary waves are fixed at 128 dB. From this theoretical result, when the distance is 1 m, the frequency f is 1.6 to the power of 1.6, from 4 m to 10 m is from the 1.7 power to the 1.8 power, and when it is further 20 m, it approaches the square. However, the farther the distance is, the greater the distance from the quadratic curve is affected by sound wave absorption. Incidentally, since the sound absorption at 4 kHz is about 0.03 dB / m, the attenuation is 1 dB or less even when propagating 20 m.

図7は、超音波の音圧信号p=130dB、距離1m、4m、10m、20mで測定したSPLの周波数応答特性を示している。なお、時間微分は7次の数値微分で代用した。 FIG. 7 shows the frequency response characteristics of SPL measured with an ultrasonic sound pressure signal p 0 = 130 dB, distances of 1 m, 4 m, 10 m, and 20 m. The time differentiation was substituted with a 7th-order numerical differentiation.

差音が周波数の2乗(f)に比例するのは、遠距離場であることを示している。遠距離では、高周波における音波吸収の影響が見られる。近距離場ほど周波数の1.5乗に比例するようになる。 The fact that the difference sound is proportional to the square of the frequency (f 2 ) indicates a far field. At long distances, the effect of sound wave absorption at high frequencies is seen. The near field is proportional to the 1.5th power of the frequency.

(まとめ)
(1)本発明の第1の実施形態で説明される変調器は、ソフトウェアプログラムによって外部音源からの可聴信号を入力し、その可聴信号を数値データに変換し、更に数値データに対する種々の数値演算を行って被変調信号の数値データを生成し出力する機能を備える。
(2)上記の変調器によれば、被変調信号のハイレゾ音源を扱うことも容易である
(3)上記の変調器によれば、被変調信号生成に加えて、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を達成するためのいずれかの演算機能を備えることも可能となる。
(4)上記の変換器は、外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、又は、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接演算し外部へ出力するストリーミング機能、演算結果はハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能、のうち少なくともいずれか1つを備えていてもよい。
(5)上記の変換器は、(4)項記載の機能の全て又は一部を、ハードウェアにより構成された物理的な機器と置き換えることが可能である。
(Summary)
(1) The modulator described in the first embodiment of the present invention receives an audible signal from an external sound source by a software program, converts the audible signal into numerical data, and further performs various numerical operations on the numerical data. To generate and output numerical data of the modulated signal.
(2) According to the modulator, it is easy to handle a high-resolution sound source of a modulated signal. (3) According to the modulator, in addition to generation of a modulated signal, an input sound source signal is changed to an output signal. Any calculation function to achieve at least one function selected from level adjustment in every process, adjustment of frequency characteristics and phase characteristics that are filter functions, sound quality improvement for distortion reduction, and power saving It can also be provided.
(4) The above converter has a function of accepting an audible signal file from an external sound source, or a streaming function of sequentially accepting an audible signal from an external sound source in a buffer memory and directly outputting it to the outside. You may provide at least any one of the function which produces | generates the signal file of a sound source.
(5) The converter can replace all or part of the function described in the item (4) with a physical device configured by hardware.

ハイレゾ音源を使用するため、ブルートゥース(登録商標)で信号を送り、遠隔操作することも容易である。また、ハイレゾ音源は可聴音の帯域信号も含むので、パラメトリックスピーカ用信号と、従来のスピーカ(AIスピーカもこの種)をも含むことになり、ともに駆動できる音源であるので、汎用性に勝れる。   Since a high-resolution sound source is used, it is easy to send a signal via Bluetooth (registered trademark) and perform remote control. In addition, since the high-resolution sound source includes a band signal of audible sound, it also includes a parametric speaker signal and a conventional speaker (an AI speaker is also this type), and since it is a sound source that can be driven together, it is excellent in versatility. .

(第2の実施形態)
以上の一連のプロセスにおいて、入力音源信号を変調するステップから自己復調されるまでの全ての信号の流れをコンピュータ上でシミュレートする方法について説明する。
(Second Embodiment)
In the series of processes described above, a method of simulating on the computer the flow of all signals from the step of modulating the input sound source signal to the time of self-demodulation will be described.

−超音波エミッタのシミュレータについて−
通常超音波エミッタから放出された超音波信号は自己復調により可聴帯域の周波数にダウンコンバートされる。パラメトリックスピーカ用駆動信号は概ね40kHz付近の周波数成分であるため、この信号をハイレゾ音源として取り扱うと共に、超音波エミッタは単純なRLC直列共振回路としてモデリングして定式化することで、復調音をコンピュータ上で再現することができる。実験では、信号の流れは全てハイレゾ音源(サンプリング周波数96kHz、量子化16ビットで統一)とし、入力と出力はいずれもwav形式の音源データファイルを用いることとし、パソコンやスマートホンなどで記録・再生できる状態にした。なお、リアルタイム処理については、第3の実施形態で詳細に説明する。
-Ultrasonic emitter simulator-
Usually, the ultrasonic signal emitted from the ultrasonic emitter is down-converted to a frequency in the audible band by self-demodulation. Since the parametric speaker drive signal has a frequency component of approximately 40 kHz, this signal is handled as a high-resolution sound source, and the ultrasonic emitter is modeled and formulated as a simple RLC series resonant circuit. Can be reproduced. In the experiment, all signal flows were high-resolution sound sources (sampling frequency 96 kHz, unified with 16-bit quantization), and input and output were both wav format sound source data files, which were recorded and played back on a personal computer or smart phone. I was able to do it. Real-time processing will be described in detail in the third embodiment.

実験ではBektayの式4に従って表示したが、Meklingerの式を用いてもよい。時間に関する微分は7次の数値微分に置き換えている。   In the experiment, display was performed according to Bekta's equation 4, but Meklinger's equation may be used. The derivative with respect to time is replaced with a seventh-order numerical derivative.

図8(A)は、入力音源信号とシミュレーションにより得られた復調信号の例を示す時間波形、図8(B)は、図8(A)の周波数スペクトルを示している。入力音源信号は、等振幅の1kHzと3kHzの正弦波を加算したオーディオ信号s(t)=sin ωt+sin 3ωtとし(ω=2π×1000 rad/s)、その信号を変調プロセスに入力した。ここでは、変調後の超音波キャリア40kHz、及びLSBの37kHz、39kHz成分の振幅は全て等しいとして超音波エミッタに入力している。   FIG. 8A shows a time waveform showing an example of an input sound source signal and a demodulated signal obtained by simulation, and FIG. 8B shows a frequency spectrum of FIG. 8A. The input sound source signal was an audio signal s (t) = sin ωt + sin 3ωt (ω = 2π × 1000 rad / s) obtained by adding sine waves of equal amplitude of 1 kHz and 3 kHz, and the signal was input to the modulation process. Here, the amplitude of the modulated ultrasonic carrier 40 kHz and the 37 kHz and 39 kHz components of the LSB are all equal and input to the ultrasonic emitter.

以上のような超音波エミッタのシミュレータを用いることで、変調から復調までのプロセスをコンピュータ上で行った。振幅変調方式としては、今回はWeaver法をベースにダイナミック変調できるように改良を加えたダイナミックSSB変調を用いたが、数式で表される変調方式であれば他の変調方式でもよい。   By using the ultrasonic emitter simulator as described above, the process from modulation to demodulation was performed on a computer. As the amplitude modulation method, the dynamic SSB modulation improved so that dynamic modulation can be performed based on the Weaver method is used this time, but other modulation methods may be used as long as the modulation method is expressed by a mathematical expression.

以上のように、本実施形態で説明したパラメトリックスピーカ開発システムは、入力音源信号から復調プロセスまでの全てをコンピュータ上でシミュレーションでき、所望の品質(低歪みや入出力の線形性など)のパラメトリック信号が再生できるシミュレータをソフトウェア上で実現することができる。本実施形態によれば、超音波エミッタから放出された超音波信号が自己復調された結果として得られる復調音がコンピュータ上で再現されることになるため、超音波エミッタは不要となり、システムの調整に際しても、アナログ回路のようなブロックごとの整合性に配慮する必要がない。また、手間と時間のかかる面倒なフィールド実験が不要であると共に、実験に伴う経費とマンパワーの低減化を図ることができる。   As described above, the parametric speaker development system described in the present embodiment can simulate everything from an input sound source signal to a demodulation process on a computer, and a parametric signal having a desired quality (such as low distortion and input / output linearity). Can be realized on software. According to the present embodiment, since the demodulated sound obtained as a result of self-demodulation of the ultrasonic signal emitted from the ultrasonic emitter is reproduced on the computer, the ultrasonic emitter is not necessary and the system is adjusted. At this time, it is not necessary to consider the consistency of each block as in an analog circuit. In addition, troublesome and time-consuming field experiments are unnecessary, and costs and manpower associated with the experiments can be reduced.

自己復調プロセスはBerktayの式に従ってモデル化したが、Meklingerなど、他の式を用いることもできることはいうまでもない。   Although the self-demodulation process is modeled according to Berktay's equation, it goes without saying that other equations such as Meklinger can be used.

(第3の実施形態)−リアルタイム処理の実現方法−
第1及び第2の実施形態では、いずれも、入力音源信号に汎用のデジタル音源フォーマットのデータを用いた例で説明したが、その場合、ファイル変換するプロセスやハイレゾ録音再生器への入出力が伴うプロセスが必要となるため、流れとしては時間的に不連続なバッチ処理なる。しかし、アルゴリズムを工夫し、高速処理可能なソフトウェアでプログラミングすれば、リアルタイム処理も可能である。
(Third embodiment)-Realization method of real-time processing-
In both the first and second embodiments, an example in which data in a general-purpose digital sound source format is used as an input sound source signal has been described. In this case, however, a file conversion process and input / output to a high-resolution recording / playback device are performed. Since the accompanying process is required, the flow becomes a batch process that is discontinuous in time. However, real-time processing is possible if the algorithm is devised and programmed with software capable of high-speed processing.

例えば、連続的な音声信号(デジタルデータでない場合はA/D変換器を通す)を入力し、上記の各ステップを連続的に実行し、ハイレゾに相当する信号を増幅器と超音波エミッタに供給するという方法が考えられる。   For example, a continuous audio signal (in the case of non-digital data, through an A / D converter) is input, the above steps are executed continuously, and a signal corresponding to high resolution is supplied to an amplifier and an ultrasonic emitter. The method can be considered.

入力音源がアナログ信号の場合、A/D変換器を通してデジタル音源の入力音源信号を連続的にテキスト変換すれば足りる。また出力形式についても、必要に応じてD/A変換器に出力するなど、システムの設計に応じて適時変更は可能である。   If the input sound source is an analog signal, it is sufficient to continuously convert the input sound source signal of the digital sound source through the A / D converter into text. Also, the output format can be changed in a timely manner according to the design of the system, such as outputting to a D / A converter if necessary.

図9は、第3の実施形態のパラメトリックスピーカのブロック図である。破線で示した部分が変調器である。バッチ処理を一点鎖線で表し、リアルタイム処理を実線で表している。   FIG. 9 is a block diagram of a parametric speaker according to the third embodiment. A portion indicated by a broken line is a modulator. Batch processing is represented by a one-dot chain line, and real-time processing is represented by a solid line.

図9の一点鎖線で説明するように、バッチ処理の場合、wav形式の音源データファイルである入力音源信号s(t)が入力音源90から変換器92に送られ、プロセッサ93による数値演算を行うことで超音波信号を生成する。変換器の出力ファイルは必要に応じて記録媒体95に保存されるようにしてもよい。変換器の出力データはハイレゾ録音再生器94に送られる。更に、増幅器96を経由して超音波信号が超音波エミッタ100からリアルタイムで連続的に放出される。   In the case of batch processing, the input sound source signal s (t), which is a sound data file in wav format, is sent from the input sound source 90 to the converter 92 and subjected to numerical calculation by the processor 93, as will be described with a dashed line in FIG. Thus, an ultrasonic signal is generated. The output file of the converter may be stored in the recording medium 95 as necessary. The output data of the converter is sent to the high resolution recording / reproducing device 94. Further, an ultrasonic signal is continuously emitted from the ultrasonic emitter 100 in real time via the amplifier 96.

これに対して、図9の実線で説明するような、リアルタイム処理も可能である。入力音源90からリアルタイムに提供される可聴帯域の入力音源信号は、数値演算を行って超音波信号を生成した後、オーディオインターフェース98を経由して出力信号は、超音波帯域を扱えるオーディオインターフェースによってD/A(デジタル/アナログ)変換してアナログ信号になり、その後増幅器96に送られ、超音波信号が超音波エミッタ100からリアルタイムで連続的に放出される。この場合、ハードウェア構成及びソフトウェアはいずれもリアルタイム処理できる時間内に必要な処理ができる構成を用いることが必要である。具体的には、例えば、外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接数値演算し外部へ出力するストリーミング機能、ハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能などである。   On the other hand, real-time processing as described with a solid line in FIG. 9 is also possible. The input sound source signal in the audible band provided in real time from the input sound source 90 is subjected to numerical calculation to generate an ultrasonic signal, and then the output signal via the audio interface 98 is output by the audio interface that can handle the ultrasonic band. / A (digital / analog) conversion into an analog signal, which is then sent to the amplifier 96, where the ultrasonic signal is continuously emitted from the ultrasonic emitter 100 in real time. In this case, both the hardware configuration and the software need to use a configuration capable of performing necessary processing within a time that can be processed in real time. Specifically, for example, a function that accepts an audible signal file from an external sound source, a streaming function that sequentially accepts an audible signal from an external sound source into a buffer memory and directly outputs it to the outside, and generates a signal file of a high-resolution sound source Functions.

或いは、音源出力信号から増幅器内部処理まで全てデジタルで組み込むことが可能となり、システム全体の整合性が確保され小型化が実現できる。一方、オーディオインターフェース又は図9のハイレゾ録音・再生器94において、D/A変換器が増幅器を搭載していれば、或いは、超音波帯域を扱える完全なデジタル増幅器であれば、D/A変換等のアナログ変換器を経ずにソフトウェアシミュレータのデジタル信号を直接増幅器に入力されると、その出力をアナログ信号として超音波エミッタに供給できる。図9においては、その機能を有し増幅器を内蔵するブロックをハイレゾデジタル増幅器97と記載した。一方、ソフトウェアシミュレータがD/A変換機能を持ち、アナログ信号が出力できるのであれば、ソフトウェアシミュレータの出力を増幅器に渡してもよい。   Alternatively, everything from the sound source output signal to the internal processing of the amplifier can be incorporated digitally, ensuring the consistency of the entire system and realizing downsizing. On the other hand, in the audio interface or the high-resolution recording / reproducing device 94 of FIG. 9, if the D / A converter is equipped with an amplifier, or if it is a complete digital amplifier that can handle the ultrasonic band, D / A conversion, etc. When the digital signal of the software simulator is directly input to the amplifier without passing through the analog converter, the output can be supplied as an analog signal to the ultrasonic emitter. In FIG. 9, the block having the function and incorporating the amplifier is described as a high-resolution digital amplifier 97. On the other hand, if the software simulator has a D / A conversion function and can output an analog signal, the output of the software simulator may be passed to an amplifier.

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において適宜変更可能である。   The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.

20 破線部(ダイナミックSSB変調を実現するための機能ブロック)
90 入力音源
92 変調器
93 プロセッサ
94 ハイレゾ録音・再生器
95 外部記録媒体
96 増幅器
97 ハイレゾデジタル増幅器
98 オーディオインターフェース
100 超音波エミッタ
20 Broken line (functional block for realizing dynamic SSB modulation)
90 input sound source 92 modulator 93 processor 94 high resolution recording / reproducing device 95 external recording medium 96 amplifier 97 high resolution digital amplifier 98 audio interface 100 ultrasonic emitter

Claims (7)

超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して超音波帯域の被変調信号を生成するための変調器であって、
前記変調器は、キャリア信号を発生させる超音波発信器とプロセッサを含み、
前記プロセッサにより、
デジタル音源データを準備するステップS1と、
デジタル音源データをテキストデータに変換するステップS2、
前記テキストデータに含まれるデジタル音源データ及び前記超音波発信器に基づいて生成されたキャリア信号に対する数値演算を行うことにより超音波信号を生成するステップS3と、
前記数値演算を行った結果に対してデジタル音源データに逆変換するステップS4と、
を実行させることを特徴とする変調器。
A modulator for modulating a carrier signal in an ultrasonic band with an audible signal from an external sound source to generate a modulated signal in the ultrasonic band,
The modulator includes an ultrasonic transmitter for generating a carrier signal and a processor,
By the processor,
Step S1 for preparing digital sound source data;
Step S2 for converting digital sound source data into text data;
Step S3 for generating an ultrasonic signal by performing a numerical operation on a digital sound source data included in the text data and a carrier signal generated based on the ultrasonic transmitter;
Step S4 for inversely converting the result of the numerical calculation into digital sound source data;
A modulator characterized by causing
前記デジタル音源データは、ハイレゾ音源データであることを特徴とする請求項1記載の変調器。   The modulator according to claim 1, wherein the digital sound source data is high-resolution sound source data. 前記プロセッサによる数値演算は、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を実現するための数値演算機能を提供する演算処理のステップを更に伴うことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の変調器。   The numerical calculation by the processor is at least one selected from level adjustment in the process from the input sound source signal to the output signal, adjustment of frequency characteristics and phase characteristics as filter functions, sound quality improvement for distortion reduction, and power saving. The modulator according to claim 1, further comprising a calculation processing step for providing a numerical calculation function for realizing one function. 外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接数値演算し外部へ出力するストリーミング機能、ハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能、のいずれか一つを備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項記載の変調器。   One of the function of accepting an audible signal file from an external sound source, the streaming function of sequentially receiving the audible signal from the external sound source into the buffer memory and directly calculating the result, and the function of generating a signal file of a high-resolution sound source The modulator according to claim 1, further comprising: a modulator. 請求項1から請求項4記載の変調器と、
前記被変調信号を増幅する増幅器と、前記増幅された被変調信号に基づいて超音波を放射する超音波エミッタとを含むパラメトリックスピーカ。
A modulator according to claims 1 to 4;
A parametric speaker comprising: an amplifier that amplifies the modulated signal; and an ultrasonic emitter that emits an ultrasonic wave based on the amplified modulated signal.
超音波信号をサンプリング周波数96kHz、量子化16ビットで統一されたハイレゾ音源として取り扱い、RLC直列共振回路としてモデリングして定式化された超音波エミッタのシミュレータ。   An ultrasonic emitter simulator that treats an ultrasonic signal as a high-resolution sound source unified with a sampling frequency of 96 kHz and quantization of 16 bits, and is modeled as an RLC series resonance circuit. 請求項2から請求項4記載の変調器と、請求項6記載の超音波エミッタのシミュレータとを含むパラメトリックスピーカの開発システム。   A parametric speaker development system comprising the modulator according to claim 2 and the ultrasonic emitter simulator according to claim 6.
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