JP2021048520A - 音場生成装置及び音場生成方法 - Google Patents

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Kimitaka Tsutsumi
公孝 堤
健太 今泉
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健太 今泉
篤 中平
Atsushi Nakahira
篤 中平
英之 野村
Hideyuki Nomura
英之 野村
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【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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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