JP2021048521A

JP2021048521A - 音場生成装置及び音場生成方法

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Publication number: JP2021048521A
Application number: JP2019170554A
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】可聴域の音場において特定領域のみを限定的に抑圧可能なエリア消音技術を提供する。【解決手段】音場生成装置１は、周波数が同じ及び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〜１４ｇと、を備え、前記変調部１２は、一部の変調超音波が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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、前記複数のキャリア信号のうち少なくとも２つのキャリア信号を変調する。【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、可聴域の音場を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、特許文献１及び非特許文献１は、パラメトリックスピーカが生成した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するにすぎず、特定領域のみを限定的に抑圧することは困難であった。また、特許文献１は、受聴者に本来聞かせたいパラメトリックスピーカと制御点との間の領域内の音も抑圧してしまう場合があった。

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、可聴域の音場において特定領域のみを限定的に抑圧可能なエリア消音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、周波数が同じ及び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、前記変調部は、一部の変調超音波が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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、前記複数のキャリア信号のうち２つのキャリア信号を変調する。

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、周波数が同じ及び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送出する第３ステップと、を行い、前記第２ステップでは、一部の変調超音波が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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、前記複数のキャリア信号のうち２つのキャリア信号を変調する。

本発明によれば、可聴域の音場において特定領域のみを限定的に抑圧可能なエリア消音技術を提供できる。

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、再生部の超音波送出面の構成の一例を示す図である。図４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５は、可聴域の音場の生成方法の一例を示す図である。図６は、可聴域の音場の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］
本実施形態に係る音場生成装置は、周波数が同一及び異なる複数の変調超音波を送出する複数の再生ユニット部（スピーカ）を用いる。例えば、複数の再生ユニット部を周波数毎に階層化した多層構造で構成し、各層から周波数が同一及び異なる複数の変調超音波をそれぞれ送出する。これにより、複数の制御点（音場生成の設定位置）を設定可能とし、複数の可聴域の音場を生成できる。

また、本実施形態に係る音場生成装置は、一部の変調超音波が生成する同一位置の制御点において、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、複数のキャリア信号のうち２つのキャリア信号を変調する。これにより、生成した複数の可聴域の音場のうち、当該同一位置の制御点における音場のみを限定的に抑圧できる。

その結果、可聴域の音場において特定領域のみを限定的に抑圧可能なエリア消音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７つ送出する場合について説明する。

発生部１１は、周波数が同じ及び異なる７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である。具体的には、発生部１１は、第１再生ユニット部１４ａ〜第７再生ユニット部１４ｇ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（４０ｋＨｚ、７５ｋＨｚ）で駆動される第１超音波信号〜第７超音波信号を出力する。

つまり、発生部１１は、再生部１４の公称周波数ｆｃと同じ周波数（４０ｋＨｚ、７５ｋＨｚ）の第１超音波信号〜第７超音波信号を出力する。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７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、上記周波数（４
０ｋＨ、７５ｋＨｚ）の第１超音波信号〜第７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〜第７超音波信号の総数と同数である７つの第１変調超音波信号〜第７変調超音波信号を出力する。

また、変調部１２は、一部の変調超音波Ｓ１，Ｓ２が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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７つのキャリア信号のうち周波数が同じ少なくとも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７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から出力された第１変調超音波信号〜第７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〜第７再生ユニット部１４ｇ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。

このとき、増幅部１３は、上記周波数（４０ｋＨｚ、７５ｋＨｚ）の第１変調超音波信号〜第７変調超音波信号を、当該周波数と同じ公称周波数ｆｃの超音波素子を有する第１再生ユニット部１４ａ〜第７再生ユニット部１４ｇに出力する。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７つの第１再生ユニット部１４ａ〜第７再生ユニット部１４ｇを備える。第１再生ユニット部１４ａ〜第７再生ユニット部１４ｇ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、再生ユニット部毎に共通の公称周波数ｆｃを備える。

本実施形態では、第１再生ユニット部１４ａ、第３再生ユニット部１４ｃ、第５再生ユニット部１４ｅ、第７再生ユニット部１４ｇは、公称周波数ｆｃが４０ｋＨｚの超音波素子を備える。第２再生ユニット部１４ｂ、第４再生ユニット部１４ｄ、第６再生ユニット部１４ｆは、公称周波数ｆｃが７５ｋＨｚの超音波素子を備える。

また、再生部１４は、増幅した７つのキャリア信号に対応する周波数が異なる２種類の７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〜第７再生ユニット部１４ｇ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〜第７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７つの第１変調超音波〜第７変調超音波を音場生成装置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３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〜第７再生ユニット部１４ｇは、Ｙ−Ｚ平面の同一平面上に配置される。第１変調超音波〜第７変調超音波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〜第７再生ユニット部１４ｇ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を配置して構成される。また、第１再生ユニット部１４ａ〜第７再生ユニット部１４ｇ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、奇数層目の４つの再生ユニット部１４ａ，１４ｃ，１４ｅ，１４ｇは、それぞれ、４０ｋＨｚ（第１周波数）の超音波素子を備え、４０ｋＨｚの変調超音波Ｓ
１を送出する。偶数層目の３つの再生ユニット部１４ｂ，１４ｄ，１４ｆは、それぞれ、７５ｋＨｚ（第２周波数）の超音波素子を備え、７５ｋＨｚの変調超音波Ｓ２を送出する。

［音場生成装置の動作］
図４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と同じ周波数（４０ｋＨｚ、７５ｋＨｚ）の第１超音波信号〜第７超音波信号を発生する。具体的には、発生部１１は、４０ｋＨｚの第１超音波信号、７５ｋＨｚの第２超音波信号、４０ｋＨｚの第３超音波信号、７５ｋＨｚの第４超音波信号、４０ｋＨｚの第５超音波信号、７５ｋＨｚの第６超音波信号、４０ｋＨｚの第７超音波信号を発生して変調部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〜第７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４０ｋＨｚの第１変調超音波信号、７５ｋＨｚの第２変調超音波信号、４０ｋＨｚの第３変調超音波信号、７５ｋＨｚの第４変調超音波信号、４０ｋＨｚの第５変調超音波信号、７５ｋＨｚの第６変調超音波信号、４０ｋＨｚの第７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７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４０ｋＨｚの第１変調超音波信号、７５ｋＨｚの第２変調超音波信号、４０ｋＨｚの第３変調超音波信号、７５ｋＨｚの第４変調超音波信号、４０ｋＨｚの第５変調超音波信号、７５ｋＨｚの第６変調超音波信号、４０ｋＨｚの第７変調超音波信号を、それぞれ、第１再生ユニット部１４ａ〜第７再生ユニット部１４ｇ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４０ｋＨｚの第１変調超音波信号で、自身の超音波素子（公称周波数ｆｃ＝４０ｋＨｚ）を振動させることにより、４０ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１を出力する。同一の公称周波数で構成された第３再生ユニット部１４ｃ、第５再生ユニット部１４ｄ、第７再生ユニット部１４ｇも、第１再生ユニット部１４ａと同様に、４０ｋＨｚの第３変調超音波Ｓ１、第５変調超音波Ｓ１、第７変調超音波Ｓ１をそれぞれ出力する。

第２再生ユニット部１４ｂは、増幅部１３から出力された７５ｋＨｚの第２変調超音波信号で、自身の超音波素子（公称周波数ｆｃ＝７５ｋＨｚ）を振動させることにより、７５ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２を出力する。同一の公称周波数で構成された第４再生ユニット部１４ｄ、第６再生ユニット部１４ｆも、第２再生ユニット部１４ｂと同様に、７５ｋＨｚの第４変調超音波Ｓ２、第６変調超音波Ｓ２をそれぞれ出力する。

図５に示すように、４０ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１（１）が出力されることで、制御点Ｘ１において、音場が生成される。同様に、制御点Ｘ２には、７５ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２（２）により音場が生成される。制御点Ｘ３には、４０ｋＨｚの第３変調超音波Ｓ１（３）により音場が生成される。制御点Ｘ４には、７５ｋＨｚの第４変調超音波Ｓ２（４）により音場が生成される。制御点Ｘ５には、４０ｋＨｚの第３変調超音波Ｓ１（５）により音場が生成される。制御点Ｘ６には、７５ｋＨｚの第４変調超音波Ｓ２（６）により音場が生成される。制御点Ｘ７には、４０ｋＨｚの第３変調超音波Ｓ１（７）により音場が生成される。

送出された７つの変調超音波のうち例えば２つの変調超音波（例えば、４０ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１（１）と７５ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２（２））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、周波数が同一及び異な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〜１４ｇを用いるので、複数の制御点を設定可能となり、複数の可聴域の音場を生成可能となる。

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、４０ｋＨｚの第１変調超音波Ｓ１（１）が制御点Ｘ１０で復調される可聴音信号Ａと、４０ｋＨｚの第３変調超音波Ｓ１（３）が制御点Ｘ２０で復調される可聴音信号Ｂと、が互いに同一振幅で同一位相の可聴域の音場を生成するように変調する。同時に、変調部１２は、７５ｋＨｚの第２変調超音波Ｓ２（２）が制御点Ｘ１０で復調される可聴音信号Ｃと、４０ｋＨｚの第７変調超音波Ｓ１（７）が制御点Ｘ２０で復調される可聴音信号Ｄと、が第１変調超音波Ｓ１（１）の可聴音信号Ａと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を行う。

これにより、制御点Ｘ１０においては、２つの可聴音信号Ａ，Ｃは互いに逆位相であるものの周波数（４０ｋＨｚに対応する可聴域の周波数と７５ｋＨｚに対応する可聴域の周波数）が異なるので、可聴域の音場が生成される。一方、制御点Ｘ２０においては、２つの可聴音信号Ｂ，Ｄは互いに逆位相であり周波数（共に４０ｋＨｚに対応する可聴域の周波数）及び振幅は同じであるため、可聴域の音場は打ち消される。つまり、生成した複数の可聴域の音場のうち、同一位置の制御点における音場のみを限定的に抑圧可能となる。

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までの距離は４ｍである。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と図８を比較すると、本実施形態の音場生成装置１を用いることで、制御点Ｘにおいてエリア消音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、周波数が同じ及び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〜１４ｇと、を備え、前記変調部１２は、一部の変調
超音波が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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、前記複数のキャリア信号のうち周波数が同じ少なくとも２つのキャリア信号を変調するので、複数の制御点を設定可能となり、複数の可聴域の音場を生成可能となるとともに、生成した複数の可聴域の音場のうち、同一位置の制御点における音場のみを限定的に抑圧可能となる。その結果、可聴域の音場において特定領域のみを限定的に抑圧可能なエリア消音技術を提供できる。

［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、７つの再生ユニット部を用いる場合を説明したが、７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
１４ｃ：第３再生ユニット部
１４ｄ：第４再生ユニット部
１４ｅ：第５再生ユニット部
１４ｆ：第６再生ユニット部
１４ｇ：第７再生ユニット部
１５：超音波素子

Claims

周波数が同じ及び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、
前記変調部は、
一部の変調超音波が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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、前記複数のキャリア信号のうち２つのキャリア信号を変調する音場生成装置。
前記複数の再生部は、
各再生部が入れ子構造で多層に同心円状に配置されている請求項１の音場生成装置。
前記複数の再生部は、
奇数層目の各再生部が第１周波数の変調超音波を送出し、偶数層目の各再生部が前記第１周波数と異なる第２周波数の変調超音波を送出する請求項２に記載の音場生成装置。
前記発生部は、
前記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前記キャリア信号を発生する請求項１乃至３のいずれかの音場生成装置。
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、
周波数が同じ及び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送出する第３ステップと、を行い、
前記第２ステップでは、
一部の変調超音波が生成する同一位置の音場において、互いの周波数及び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、前記複数のキャリア信号のうち２つのキャリア信号を変調する音場生成方法。