JP2021048520A

JP2021048520A - 音場生成装置及び音場生成方法

Info

Publication number: JP2021048520A
Application number: JP2019170549A
Authority: JP
Inventors: 公孝堤; Kimitaka Tsutsumi; 健太今泉; Kenta IMAIZUMI; 篤中平; Atsushi Nakahira; 英之野村; Hideyuki Nomura
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Electro Communications NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Electro Communications NUC
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25

Abstract

【課題】簡易な構成でビーム長抑圧可能な技術を提供する。【解決手段】音場生成装置１が、周波数が異なる複数のキャリア信号を発生する発生部１１と、前記複数のキャリア信号を制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する変調部１２と、変調した前記複数のキャリア信号に対応する複数の変調超音波を送出する複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂと、を備え、前記複数のキャリア信号は、前記複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂを構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号と、前記公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号と、であり、前記複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂは、公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、音場生成装置及び音場生成方法に関するものである。

従来、パラメトリックスピーカが知られている。パラメトリックスピーカは、超音波素子を振動させて超音波を送出することで、公共施設の案内掲示板等、特定エリアの方向にのみ可聴域の音場を生成する。また、超音波の指向性が強いことで生じる影響を防止するため、可聴域の音場において、音場生成の設定位置である制御点よりも後方の音場を抑圧（ビーム長抑圧）する方法も知られている（特許文献１、非特許文献１）。

特開２０１１−２３９０４７号公報

C.M.Hedberg、外２名、"A Self-Silenced Sound Beam"、Acoustical Physics、Vol.56、No.5、2010年、p.637-p.639

しかしながら、非特許文献１では、公称周波数が異なる２種類の超音波素子を用いるため、パラメトリックスピーカのコストが大きくなってしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構成でビーム長抑圧可能な技術を提供することである。

本発明の一態様の音場生成装置は、周波数が異なる複数のキャリア信号を発生する発生部と、前記複数のキャリア信号を制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する変調部と、変調した前記複数のキャリア信号に対応する複数の変調超音波を送出する複数の再生部と、を備え、前記複数のキャリア信号は、前記複数の再生部を構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号と、前記公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号と、であり、前記複数の再生部は、公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成されている。

本発明の一態様の音場生成方法は、音場生成装置で行う音場生成方法において、前記音場生成装置が、周波数が異なる複数のキャリア信号を発生する第１ステップと、前記複数のキャリア信号を制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する第２ステップと、変調した前記複数のキャリア信号に対応する複数の変調超音波を複数の再生部から送出する第３ステップと、を行い、前記複数のキャリア信号は、前記複数の再生部を構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号と、前記公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号と、であり、前記複数の再生部は、公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成されている。

本発明によれば、簡易な構成でビーム長抑圧可能な技術を提供できる。

図１は、本発明の実施形態の音場生成装置を示す構成図である。図２は、再生ユニット部の超音波送出面の構成の一例を示す図である。図３は、超音波素子（ｆｃ＝２８ｋＨｚ）のインピーダンス特性を示す図である。図４は、再生部の超音波送出面の構成の一例を示す図である。図５は、音場生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。図６は、可聴域の音場のビーム長抑圧方法の一例を示す図である。図７は、本実施形態による音場の音圧分布を示す図である。図８は、従来による音場の音圧分布を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。

［実施形態の概要］
超音波素子は、公称周波数の音を強く放射する以外に、公称周波数よりも高い高次モードの周波数の音も強く放射する性質を持つ。そこで、本実施形態では、当該超音波素子の周波数特性を利用し、１種類の超音波素子で可聴域以上の差音を出力する。これにより、可聴域の音場を生成し、更にはビーム長抑圧を実現する。

すなわち、本実施形態に係る音場生成装置は、超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号を発生するとともに、当該公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号を発生し、複数の再生ユニット部（スピーカ）を公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成する。複数の再生ユニット部を１種類の超音波素子で構成するので、音場生成装置に係る製造コスト及び超音波素子の調達コストを削減できる。その結果、簡易な構成でビーム長抑圧可能な技術を提供可能となる。

［音場生成装置の構成］
図１は、本発明の実施形態の音場生成装置１を示す構成図である。音場生成装置１は、パラメトリックスピーカに相当する装置であり、発生部１１と、変調部１２と、増幅部１３と、再生部１４と、を備える。本実施形態では、音場生成装置１において、周波数が異なる２種類の変調超音波Ｓ１，Ｓ２を２つ送出する場合について説明する。

発生部１１は、周波数が異なる２つのキャリア信号を発生する機能を備える。当該周波数は、再生部１４を構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数と、当該公称周波数よりも高い高次モードの周波数と、である。具体的には、発生部１１は、第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂをそれぞれ構成する各超音波素子群の超音波素子の公称周波数ｆｃ（２８ｋＨｚ）で駆動される第１超音波信号と、高次モードの周波数（５０ｋＨｚ（実測値））で駆動される第２超音波信号と、を出力する。

つまり、発生部１１は、再生部１４の公称周波数ｆｃと同じ２８ｋＨｚの第１超音波信号と、当該公称周波数ｆｃよりも高い高次モード周波数である５０ｋＨｚの第２超音波信号と、を出力する。超音波信号は、キャリア信号と同義である。尚、発生部１１は、正弦波のキャリア波又は搬送波を発信する既存の発信器で実現可能である。

変調部１２は、上記２つのキャリア信号を、音場生成装置１に入力された制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する機能を備える。具体的には、変調部１２は、上記２８ｋＨｚの第１超音波信号と５０ｋＨｚの第２超音波信号を、制御対象の音の信号である可聴音信号（例えば、音声、楽音等）でそれぞれ変調し、当該第１超音波信号と第２超音波信号の
総数と同数である２つの第１変調超音波信号と第２変調超音波信号を出力する。

また、変調部１２は、２種類の２つの変調超音波Ｓ１，Ｓ２が生成する同一位置の音場において、互いの振幅が同一となり位相が互いに逆位相となる２つの可聴音信号が生成されるように、上記２つのキャリア信号を変調する機能を備える。尚、変調部１２は、既存の変調器で実現可能である。

増幅部１３は、変調した２つのキャリア信号をそれぞれ増幅する機能を備える。具体的には、増幅部１３は、変調部１２から出力された２８ｋＨｚの第１変調超音波信号と５０ｋＨｚの第２変調超音波信号をそれぞれ増幅（例えば、逓倍等）し、再生部１４を構成する第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂにそれぞれ出力する。増幅は、可聴域の音場において自然復調される可聴音信号の音圧レベルを調整することに繋がる。尚、増幅部１３は、既存の増幅器で実現可能である。

再生部１４は、互いに独立に動作する２つの第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂを備える。第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂは、それぞれ、図２に示すように、複数の超音波素子１５を並列、格子状、千鳥状等に配置した超音波素子群で構成される。各超音波素子群における各超音波素子は、公称周波数が同じ１種類の超音波素子１５で構成される。再生部１４を構成する全ての超音波素子１５は、公称周波数ｆｃが２８ｋＨｚであり、図３に示すように、高次モードである５０ｋＨｚの周波数の音も強く放射する周波数特性を備える。

また、再生部１４は、増幅した２つのキャリア信号に対応する周波数が異なる２種類の２つの変調超音波Ｓ１，Ｓ２を外部に送出して外部空間内で再生する機能を備える。具体的には、第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂが、それぞれ、増幅部１３から出力された第１変調超音波信号と第２変調超音波信号で、自身の再生ユニット部を構成する複数の超音波素子を振動させることにより、周波数が異なる２種類の２つの第１変調超音波Ｓ１と第２変調超音波Ｓ２を音場生成装置１の外部空間へ送出する。尚、再生部１４は、超音波素子で構成される既存の超音波放射器で実現可能である。

図４は、再生部１４の超音波送出面の構成の一例を示す図である。第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂは、Ｙ−Ｚ平面の同一平面上に配置される。第１変調超音波Ｓ１と第２変調超音波Ｓ２によって生成される可聴域の音場は、Ｙ−Ｚ平面と直交するＸ軸方向に生成される。Ｘ軸方向の可聴域の音場とＹ−Ｚ平面とが交わってできる領域の中心を原点とすると、第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂは、当該原点近傍に複数の超音波素子を軸対象に配置して構成される。また、第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂは、それぞれ、当該原点を中心とする同心円状に複数の超音波素子（公称周波数が同じ１種類の超音波素子）を連結して配置して構成される。また、第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂは、入れ子構造で多層に同心円状に配置される。

本実施形態では、第１再生ユニット部１４ａは、２８ｋＨｚの超音波素子を備え、２８ｋＨｚの変調超音波Ｓ１を送出する。第２再生ユニット部１４ｂは、２８ｋＨｚの超音波素子を備え、高次モードの周波数である５０ｋＨｚの変調超音波Ｓ２を送出する。

［音場生成装置の動作］
図５は、音場生成装置１の動作の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１；
まず、発生部１１が、再生部１４の超音波素子の公称周波数ｆｃ（２８ｋＨｚ）と同じ
２８ｋＨｚの第１超音波信号と、超音波素子の高次モード周波数である５０ｋＨｚの第２超音波信号と、を発生する。そして、発生部１１は、発生した２８ｋＨｚの第１超音波信号と５０ｋＨｚの第２超音波信号を変調部１２に出力する。

ステップＳ２；
次に、変調部１２が、上記第１超音波信号と第２超音波信号を、音場生成装置１に入力された可聴音信号でそれぞれ変調する。そして、変調部１２は、変調後の２８ｋＨｚの第１変調超音波信号と５０ｋＨｚの第２変調超音波信号を増幅部１３に出力する。

ステップＳ３；
次に、増幅部１３が、変調した２つの変調超音波信号をそれぞれ増幅する。そして、増幅部１３は、増幅後の２８ｋＨｚの第１変調超音波信号と５０ｋＨｚの第２変調超音波信号を、それぞれ、第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂに出力する。

ステップＳ４；
最後に、第１再生ユニット部１４ａは、増幅部１３から出力された２８ｋＨｚの第１変調超音波信号で、自身の超音波素子（ｆｃ＝２８ｋＨｚ）を振動させることにより、２８ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１を出力する。第２再生ユニット部１４ｂは、増幅部１３から出力された５０ｋＨｚの第２変調超音波信号で、自身の超音波素子（ｆｃ＝２８ｋＨｚ）を振動させることにより、５０ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２を出力する。超音波素子の公称周波数は２８ｋＨｚであるが、図３に示した周波数特性より、第２再生ユニット部１４ｂを構成する超音波素子は、５０ｋＨｚの第２変調超音波信号に基づき、高次モードの周波数である５０ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２を出力する。

第１再生ユニット部１４ａと第２再生ユニット部１４ｂがそれぞれ２８ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１と５０ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２を送出することで、２つの音場が生成される。また、その２つの音場を目標点である制御点Ｘで干渉させることで、差音に相当する可聴域以上の音場が生成される。そして、当該２つの音場が干渉（交差）する制御点Ｘの空間において、可聴音信号が自然復調され、減衰しない可聴域の音場が生成（再生）される。

このように、本実施形態では、公称周波数が同じ１種類の超音波素子で複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂを構成するので、音場生成装置１に係る製造コスト及び超音波素子の調達コストを削減できる。

これに対し、従来のパラメトリックスピーカは、２８ｋＨｚの超音波素子と５０ｋＨｚの超音波素子との２種類の超音波素子を用いて可聴域以上の差音を出力するので、周波数が異なる２種類の超音波素子を調達する必要があり、音場生成装置１に係る製造コスト及び超音波素子の調達コストを削減することは難しい。

また、ステップＳ２において、変調部１２は、予め設定した制御点Ｘに生成される可聴域の音場が打ち消されるように変調を行う。例えば、変調部１２は、図６に示すように、２８ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１が制御点Ｘで復調される可聴音信号Ａと、５０ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２が同じ制御点Ｘで復調される可聴音信号Ｂと、が互いに同一振幅で逆位相の可聴域の音場を生成するように変調する。これにより、制御点Ｘにおいて、ビーム長抑圧を可能となる。

変調部１２が行う変調方法については、任意の既存の変調方法を用いて実現できる。予め設定した制御点Ｘで可聴域の音場が生成されるように変調を行う変調方法の一例について説明する。例えば、超音波素子Ａと超音波素子Ｂに対して、入力音声（あ）で変調した
変調超音波ａと変調超音波ｂをそれぞれ入力する。また、設定すべき制御点Ｘに配置したマイクで可聴音の音圧が最小になるように変調超音波ｂに用いる入力音声「あ」を制御する。当該制御とは、可聴音信号の振幅に−１をかけて遅延量を制御する等の処理である。そして、算出した遅延量を記録しておき、実際に音声を再生する際に当該遅延量を適用した入力音声「あ’」で変調超音波ｂを生成する。その他、特許文献１のようにフィードバック制御を用いてもよいし、非特許文献１にように実験的に求めて行う方法もある。

［音場の測定結果］
図７は、本実施形態の音場生成装置１を用いて測定した音場の音圧分布を示す図である。１ｋＨｚの純音を用いた。再生部１４から制御点Ｘまでの距離を４ｍとした。図８は、従来のパラメトリックスピーカを用いて測定した音場の音圧分布を示す図である。１ｋＨｚの純音を用いた。図７より、公称周波数が同じ１種類の超音波素子を用いた場合であっても、可聴域の音場が生成されている様子を把握できる。また、図７と図８を比較すると、制御点Ｘよりも後方の音場がビーム長抑圧されている様子を把握できる。

［実施形態の効果］
本実施形態によれば、音場生成装置１が、周波数が異なる複数のキャリア信号を発生する発生部１１と、前記複数のキャリア信号を制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する変調部１２と、変調した前記複数のキャリア信号に対応する複数の変調超音波を送出する複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂと、を備え、前記複数のキャリア信号は、前記複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂを構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号と、前記公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号と、であり、前記複数の再生ユニット部１４ａ，１４ｂは、公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成されているので、音場生成装置１に係る製造コスト及び超音波素子の調達コストを削減可能となる。その結果、簡易な構成でビーム長抑圧可能な技術を提供できる。

［変形例１］
本実施形態では、２つの周波数を用いる場合を説明したが、２つ以外の数の周波数を用いてもよい。

［変形例２］
本実施形態では、２つの再生ユニット部を用いる場合を説明したが、２つ以外の数の再生ユニット部を用いてもよい。

［変形例３］
本実施形態では、変調部１２と再生部１４との間に増幅部１３を接続した場合を説明したが、増幅部１３を用いないようにしてもよい。

１：音場生成装置
１１：発生部
１２：変調部
１３：増幅部
１４：再生部
１４ａ：第１再生ユニット部
１４ｂ：第２再生ユニット部
１５：超音波素子

Claims

周波数が異なる複数のキャリア信号を発生する発生部と、
前記複数のキャリア信号を制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する変調部と、
変調した前記複数のキャリア信号に対応する複数の変調超音波を送出する複数の再生部と、を備え、
前記複数のキャリア信号は、前記複数の再生部を構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号と、前記公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号と、であり、
前記複数の再生部は、
公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成されている音場生成装置。
前記複数の再生部は、それぞれ、
複数の前記１種類の超音波素子が連結している請求項１の音場生成装置。
音場生成装置で行う音場生成方法において、
前記音場生成装置が、
周波数が異なる複数のキャリア信号を発生する第１ステップと、
前記複数のキャリア信号を制御対象の可聴音信号でそれぞれ変調する第２ステップと、
変調した前記複数のキャリア信号に対応する複数の変調超音波を複数の再生部から送出する第３ステップと、を行い、
前記複数のキャリア信号は、前記複数の再生部を構成する超音波素子の公称周波数と同じ周波数のキャリア信号と、前記公称周波数よりも高い高次モードの周波数のキャリア信号と、であり、
前記複数の再生部は、
公称周波数が同じ１種類の超音波素子で構成されている音場生成方法。