JP3581343B2

JP3581343B2 - 音響再生方法・音響再生装置

Info

Publication number: JP3581343B2
Application number: JP2001344284A
Authority: JP
Inventors: 健司清原; 正人三好
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: JP2003153369A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は各種の拡声装置などに利用することができる音響再生方法及び音響再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータを用いたテレビ会議システム（以下デスクトップ会議システム；ＤｅｓｋＴｏｐＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＤＴＣ）システムと呼ぶ）が普及しつつある。これらの会議システムで相手の音声を再生する手段には通常のスピーカを使用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通常のスピーカは一般に指向性が広く、ＴＶ会議システムを使用している人だけではなく、その周囲にも相手の音声（再生音）が聞こえ、周囲に不要な騒音となって聞こえてしまうという問題があった。これを解決する一つの方法としては再生音信号で超音波信号を振幅変調した後に放射するというパラメトリックスピーカを用いる方法が考えられる。
しかし、パラメトリックスピーカでは素子の共振特性のため高音域の再生高率が中音域に比べて低いという問題があった。
【０００４】
この発明の目的は主に高音域の音を効率よく再生することができる音響再生方法及び装置を提案しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明では、超音波信号を可聴音信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号により電気音響変換部を駆動して超音波を放射し、可聴音を再生する音響再生方法において、振幅変調された超音波信号を可聴周波数帯域の上限周波数より高い周波数成分の信号に帯域制限した被帯域制限超音波信号にろ波し、可聴音信号は電気音響変換部が振動可能な周波数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波数までの帯域に周波数制限した被帯域制限可聴音信号にろ波し、これらろ波された被帯域制限超音波信号と被帯域制限可聴音信号とを重み付け加算した信号により電気音響変換部を駆動する音響再生方法を提案する。
【０００６】
この発明では更に、音響再生方法において、被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音圧と、被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音圧のレベル比を任意の比率に設定できるように被帯域制限超音波信号及び被帯域制限可聴音信号との間の重み付けを変更可能とした音響再生方法を提案する。
この発明による音響再生装置は超音波信号発振器と、この超音波信号発振器が発振した超音波信号を可聴音信号で振幅変調する振幅変調器と、この振幅変調器で振幅変調された超音波信号を可聴周波数帯域の上限周波数より高い周波数成分に周波数制限された被帯域制限超音波信号にろ波する第１フィルタと、可聴音信号を電気音響変換部が振動可能な周波数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波数までの帯域の周波数成分に周波数制限された被帯域制限可聴音信号にろ波する第２フィルタと、これら第１フィルタ及び第２フィルタから出力される被帯域制限超音波信号及び被帯域制限可聴音信号を重み付け加算する加算器と、この加算器で重み付け加算した信号により駆動される電気音響変換部と、によって構成した音響再生装置を提案する。
【０００７】
この発明では、超音波を利用した音響再生装置において、加算器への被帯域制限超音波信号の供給経路及び被帯域制限可聴音信号の供給経路の何れか一方又は双方に被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音圧と、被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音圧のレベル比を任意の比率に設定できるように、被帯域制限超音波信号及び被帯域制限可聴音信号との間の重み付けを調整するためのレベル調整器を設けて構成した音響再生装置を提案する。
作用
この発明による音響再生方法及び音響再生装置によれば、被帯域制限超音波信号によって再生される可聴音に被帯域制限可聴音信号によって再生される可聴音が加算されて再生される。ここで特に被帯域制限可聴信号は電気音響変換部が振動可能な周波数領域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波数までの周波数成分を持つから、この被帯域制限可聴音信号の周波数成分は可聴周波数帯域内では主に高音域側の周波数成分である。従って、被帯域制限可聴音信号によって再生される可聴音は可聴周波数帯域内の高域側の音が主となる。この高域側の音が被帯域制限超音波信号によって再生される可聴音に加算されるため、高音域の音を効率よく再生できることとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による音響再生方法で動作する音響再生装置の一実施例を示す。図中１は可聴音信号源、２は超音波信号発振器、３は振幅変調器をそれぞれ示す。
従来から知られている超音波を利用した音響再生装置は超音波信号発振器２から出力される超音波信号を可聴音信号源１から出力される可聴音信号により振幅変調器３で振幅変調し、その振幅変調された超音波信号を増幅器５で増幅した後、超音波振動子によって構成される電気音響変換部６に印加し、電気音響変換部６を駆動することにより超音波の空間復調作用により、超音波のビーム上に可聴音信号源１から供給した可聴信号に対応した可聴音を再生するものである。尚、電気音響変換部６は複数の超音波振動子ＥＬを同一平面上に配列して構成される。
【０００９】
この発明の特徴とする点は電気音響変換部６を駆動する信号が可聴音信号ＯＤＳ１の上限周波数ｆｍａｘより高い周波数成分に帯域制限した被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２と、可聴周波数帯域内において電気音響変換部６の振動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬ（後に図２を用いて説明する）から可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘまでの帯域に周波数制限した被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２とを加算した信号とした点である。
この発明の特徴とする音響再生方法によれば被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２によって再生される可聴音に被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２によって再生される可聴信号が加わるため、高音域の音を補強することができ、高音域の音を効率よく再生できる利点が得られる。以下にその理由を詳細に説明する。
【００１０】
図２は電気音響変換部６として用いる一般的な超音波振動子の周波数特性の一例を示す。図中曲線Ａは電気音響変換部６として利用しようとした超音波振動子を５０Ｈｚ〜５０ＫＨｚまでの各周波数の信号により加振した際に発生する音波の音圧レベルを測定した曲線を示す。曲線Ｂはその測定環境下における背景ノイズのレベルを示す。
ここでは超音波振動子が発生する音波の音圧レベルが背景ノイズのレベルより低下した状態を超音波振動子が振動を停止したものと定義する。従って、図２に示す例では低音域側のある周波数ｆＬ以下では、この測定に供した超音波振動子は振動していないと見なすものである。周波数ｆＬを振動可能な周波数領域の下限周波数と称すことにする。一般に振動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬは６〜７ＫＨｚ程度とされている。従って、図２に示す周波数特性から、この測定に供した超音波振動子の共振周波数は約４０ＫＨｚであり、振動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬは約７ＫＨｚ付近にあり、可聴周波数帯域内ではｆＬから可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘ＝２０ＫＨｚが振動可能領域であることが解る。
【００１１】
図１に示す電気音響変換部６として図２に示した周波数特性を持つ超音波素子を用いたとすると、超音波信号発振器２は４０ＫＨｚで発振させ、この４０ＫＨｚの超音波信号をキャリアとして可聴音信号源１から入力される可聴音信号ＯＤＳ１で振幅変調する。
振幅変調された超音波信号ＵＳＳ１をこの発明では第１フィルタ４により可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘより高い周波数の信号成分に周波数制限した被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２にろ波する。
【００１２】
図１に示す実施例では第１フィルタ４を図３に曲線Ａで示すハイパス特性とした場合を示す。一方、可聴音信号源１から入力された可聴音信号源１から入力された可聴音信号ＯＤＳ１は第２フィルタ８で電気音響変換部６の可動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬから可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘまでの帯域に周波数制限したた被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２にろ波する。
図１に示す実施例では第２フィルタ８によってｆｍｉｎ（５０Ｈｚ）〜ｆｍａｘ（２０ＫＨｚ）の周波数成分を持つ可聴音信号ＯＤＳ１を図３に曲線Ｂで示すバンドパス特性によりｆＬ〜ｆｍａｘの周波数成分に帯域制限した被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２にろ波した場合を示す。
【００１３】
これら第１フィルタ４及第２フィルタ８でろ波した被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２と被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２を加算器７で加算し、その加算結果を増幅器５で増幅して電気音響変換部６に印加することにより、電気音響変換部６は振幅変調された被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２と、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２によって駆動される。
被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２は可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘ以上の周波数に帯域制限されているから、電気音響変換部６はその共振周波数である、ここでは４０ＫＨｚの周波数で振動し、その振動の振幅が可聴音信号ＯＤＳ１の振幅で変動する超音波を発生する。この超音波が空気を伝搬する間に振幅変調した可聴音信号に対応した可聴音が再生される。
【００１４】
更に、この発明では第２フィルタ８から、可聴周波数帯域の中で電気音響変換部６が振動可能な周波数領域の下限周波数ｆＬから可聴周波数帯域の上限周波数ｆｍａｘまでの信号に帯域制限した被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２によっても駆動され可聴音を再生する。ここで被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２は電気音響変換部６の振動可能周波数領域の下限周波数ｆＬから可聴周波数帯域の上限周波数までの帯域（７ＫＨｚ〜２０ＫＨｚ）に制限されているから、この被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２は主に可聴周波数帯域内の高音域の周波数成分である。
【００１５】
この結果、被帯域制限された超音波によって再生される可聴音に、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２で再生される可聴音を加算するから、高音域の音が補強され、高音域の音を効率よく再生することができる。
尚、上述では振幅変調器３の振幅変調方式に関して特に説明しなかったが、振幅変調方式が両側波帯方式であるものとすると、超音波信号発振器２が発信する超音波信号の周波数をｆｃとすると、この周波数ｆｃを中心にその両側に下側波帯ＳＤと上側波帯ＳＵ（図１参照）とが発生する。可聴信号ＯＤＳ１の上限周波数が２０ＫＨｚとした場合、下側波帯ＳＤの下限周波数はｆｃ−２０ＫＨｚとなる。ｆｃ＝４０ＫＨｚとした場合、下側波帯ＳＤの下限周波数は約２０ＫＨｚとなる。従って、第１フィルタ４の遮断周波数を可聴周波数帯域の上限周波数２０ＫＨｚとしたことにより、振幅変調された超音波信号の両側波帯ＳＤ及びＳＵを全て第１フィルタ４によりろ波して取り出すことができる。この結果、この実施例では超音波信号により可聴音信号の全ての周波数成分５０Ｈｚ〜２０ＫＨｚを電気音響変換部６に印加することができる。
【００１６】
図４は第１フィルタ４のフィルタ特性Ａとして振幅変調された超音波信号ＵＳＳ１から可聴音信号ＯＤＳ１の低域成分ｆｍｉｎ〜ｆＬを抽出する特性とした場合を示す。つまり、超音波信号発振器２が発信する超音波信号の周波数をｆｃとした場合、振幅変調器３から出力される振幅変調された超音波信号は図５に示すように、周波数ｆｃを中心に周波数ｆｃの下側と上側に下側波帯ＳＤと上側波帯ＳＵが発生する。この下側波帯ＳＤと上側波帯ＳＵは下側波帯ＳＤの下限周波数はｆｃ−ｆｍａｘ、上側波帯ＳＵの上限周波数はｆｃ＋ｆｍａｘである。
【００１７】
従って、第１フィルタ４の周波数特性Ａを図６に示すようにｆｃ−ｆＬ，ｆｃ＋ｆＬに設定することにより、第１フィルタ４で取り出される振幅変調された超音波に乗せられている可聴音信号成分はｆｍｉｎ〜ｆＬの周波数成分となり、超音波による駆動音域は図７に曲線ＡＡとして示す特性となる。
第２フィルタ８の周波数特性を図１に示した実施例と同じ特性とすると、第２フィルタ８側の可聴音による駆動音域は図７に曲線ＢＢで示す特性となる。
従って、この実施例でも可聴音信号のｆｍｉｎ〜ｆｍａｘまでの音域の音を再生することができることになる。
【００１８】
図８及び図９は振幅変調器３が単側波帯変調方式で動作する変調器の場合を示す。図８は下側波帯ＳＤから成る被変調信号を出力する変調方式の場合を示す。超音波信号の周波数をｆｃとした場合、第１フィルタ４のフィルタ特性は図１０に示すように（ｆｃ−２０ＫＨｚ）〜ｆｃの間の周波数成分を取り出すフィルタ特性とすればよい。ｆｃ＝４０ＫＨｚ、ｆｍａｘ＝２０ＫＨｚとした場合、第１フィルタ４は２０ＫＨｚ〜４０ＫＨｚを通過帯域とするバンドパスフィルタで構成すればよい。この場合も、第２フィルタ８を構成するバンドパスフィルタから可聴音信号の音域成分に相当する被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２を印加するから、可聴音信号の高域成分を効率よく再現することができる。
【００１９】
図９では振幅変調器３が上側波帯ＳＵから成る被変調信号を出力する変調方式の場合を示す。この場合には第１フィルタ４のフィルタ特性は図１１に示す上側波帯ＳＵを通過させるｆｃ〜（ｆｃ＋２０ＫＨｚ）を通過させるバンドパス特性に選定すればよい。
以上説明した両側波帯振幅変調方式と単側波帯振幅変調方式の構成上の違いをここで簡単に説明する。図１２は両側波帯振幅変調方式の振幅変調器の構成を示す。両側波帯振幅変調方式の振幅変調器２１は増幅器Ｍと、加算器ＡＤＤと、乗算器ＭＵとによって構成され、その構成は比較的簡素である。構成が簡素である半面歪みが比較的多い難点がある。
【００２０】
図１３は単側波帯変調方式の振幅変調器の構成を示す。単側波帯変調方式の振幅変調器２２は増幅器Ｍと、９０°移相器φ１、φ２と、乗算器ＭＵと、２台の加算器ＡＤＤ１、ＡＤＤ２とによって構成される。
従って、この単側波帯変調方式の振幅変調器２２は図１２に示した両側波帯変調方式の振幅変調器２１より構成が少し複雑である。然し乍ら、単側波を取り扱うため、効率がよい特徴を有する。
その他の振幅変調方式としては両側波帯方式の変形として両側帯域の包絡の平方根を取った変形両側波帯方式（ＭＤＳＢ）の振幅変調方式を、図１又は図４に示した両側波帯変調方式の振幅変調器３に適用することもできる。この変形両側波帯方式を用いる場合、振幅変調器の構成は多少複雑になるものの、歪みの発生量が少ないため、音質の向上を期待することができる。尚この変形両側波帯方式に関しては必要があれば「平面波の自己復調」青木・鎌倉・池谷・日本音響学会誌４０巻５号（１９８４）ｐｐ．３４９〜３５６を参照のこと。
【００２１】
図１４はこの発明で提案した音響再生装置更に他の実施例を示す。この発明では加算器７に第１フィルタ４により帯域制限された被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２を供給する信号供給路と、加算器７に第２フィルタ８により帯域制限された被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２を供給する信号供給路のいずれか一方又は双方にレベル調整器を設けた構成を提案するものである。図１４に示す例では被帯域制限超音波信号の供給路及び被帯域制限可聴音信号の供給路の双方にレベル調整器９及び１０を挿入した実施例を示す。
【００２２】
このように、レベル調整器９及び１０を設けることにより加算器７に印加する被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２のレベル及び被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２のレベルを調整し、双方の重み付けを変更することができる。従って、被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２で再生される可聴音の音圧と、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２で再生される可聴音の音圧を調整することができるから、被帯域制限超音波信号ＵＳＳ２によって再生される可聴音の音圧と、被帯域制限可聴音信号ＯＤＳ２によって再生される可聴音の音圧の比がほぼ１：１となるようにレベル調整器９及び１０を制御することにより、最適状態に設定することができる。
【００２３】
また特性ＡＡ及びＢＢの減衰量を適当に設定することにより高音域側を強調した状態、或いは低音域側を強調した状態に自由に設定することが可能になる。このレベル調整器９及び１０を設ける思想は図１、図４、図８、図９に示した全ての実施例に適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば振幅変調された超音波信号に加えて、電気音響変換部６を直接駆動することを可能とする可聴音信号の周波数成分を電気音響変換部６に印加して可聴音信号により電気音響変換部６を直接駆動する方法を採ったから、可聴音信号の高域側を効率よく放射させることができる利点が得られる
尚、上述では可聴音信号の中で電気音響変換手段６を直接駆動することを可能とした周波数の帯域を７ＫＨｚ〜２０ＫＨｚとして説明したが、この発明は必ずしもこの数値に限定するものでないことは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】一般的な超音波振動素子の周波数特性と超音波振動素子の振動可能な下限周波数を説明するための特性曲線図。
【図３】図１に示した実施例に用いた第１フィルタと第２フィルタの特性を説明するための特性曲線図。
【図４】この発明の変形実施例を説明するためのブロック図。
【図５】図４に示した実施例の動作を説明するための曲線図。
【図６】図４に示した実施例に用いた第１フィルタの特性を説明するための特性曲線図。
【図７】図４に示した実施例で電気音響変換部に印加される可聴音信号成分の音域の関係を説明するための特性曲線図。
【図８】この発明の変形実施例を説明するためのブロック図。
【図９】この発明の更に他の変形実施例を説明するためのブロック図。
【図１０】図８に示した実施例に用いる第１フィルタの特性を説明するための特性曲線図。
【図１１】図９に示した実施例に用いた第１フィルタの特性を説明するための特性曲線図。
【図１２】この発明で用いた振幅変調器の内部構成の一例を示すブロック図。
【図１３】図１２と同様の図。
【図１４】この発明の更に他の変形実施例を説明するためのブロック図。
【符号の説明】
１可聴音信号源７加算器
２超音波信号発振器８第２フィルタ
３振幅変調器９、１０レベル調整期
４第１フィルタＳＵ上側波帯
５増幅器ＳＤ下側波帯
６電気音響変換部ＵＳＳ２被帯域制限超音波信号
ＥＬ超音波振動子ＯＤＳ２被帯域制限可聴音信号

Claims

超音波信号を可聴音信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号により電気音響変換部を駆動して超音波を放射し、可聴音を再生する音響再生方法において、
前記振幅変調された超音波信号を可聴周波数帯域の上限周波数より高い周波数成分の信号に帯域制限した被帯域制限超音波信号にろ波し、前記可聴音信号は前記電気音響変換部が振動可能な周波数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波数までの帯域に周波数制限した被帯域制限可聴音信号にろ波し、これらろ波された被帯域制限超音波信号と被帯域制限可聴音信号とを重み付け加算した信号により前記電気音響変換部を駆動することを特徴とする音響再生方法。
請求項１記載の音響再生方法において、前記被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音圧と、前記被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音圧のレベル比を任意の比率に設定できるように前記被帯域制限超音波信号及び前記被帯域制限可聴音信号との間の重み付けを変更可能としたことを特徴とする音響再生方法。
超音波信号発振器と、
この超音波信号発振器が発振した超音波信号を可聴音信号で振幅変調する振幅変調器と、
この振幅変調器で振幅変調された超音波信号を可聴周波数帯域の上限周波数より高い周波数成分に周波数制限された被帯域制限超音波信号にろ波する第１フィルタと、
前記可聴音信号を前記電気音響変換部が振動可能な周波数帯域の下限周波数から可聴周波数帯域の上限周波数までの帯域の周波数成分に周波数制限された被帯域制限可聴音信号にろ波する第２フィルタと、
これら第１フィルタ及び第２フィルタから出力される前記被帯域制限超音波信号及び被帯域制限可聴音信号を重み付け加算する加算器と、
この加算器で重み付け加算した信号により駆動される電気音響変換部と、
によって構成したことを特徴とする音響再生装置。
請求項３記載の音響再生装置において、前記加算器への前記被帯域制限超音波信号の供給経路及び被帯域制限可聴音信号の供給経路の何れか一方又は双方に前記被帯域制限超音波信号で再生される可聴音の音圧と、前記被帯域制限可聴音信号で再生される可聴音の音圧のレベル比を任意の比率に設定できるように、前記被帯域制限超音波信号及び前記被帯域制限可聴音信号との間の重み付けを調整するためのレベル調整器を設けて構成したことを特徴とする音響再生装置。