JP3631192B2 - 音場制御方法・音場制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超音波を用いて可聴周波数を持つ音波を生成する電気音響変換装置において、人間が知覚する音の到来方向を任意に設定することができる音場制御方法及び音場制御装置を提案しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
可聴周波数より充分高い周波数を持つ超音波信号を可聴周波数帯域の周波数を持つ変調信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号で超音波素子を駆動することにより、超音波素子から放射される超音波が空間復調作用により復調されて振幅変調した変調信号成分を音として聴くことができるようにした電気音響変換装置（特開平１−１５１９８号公報）が提案されている。
この種の電気音響変換装置を一般にパラメトリックスピーカと称している。このパラメトリックスピーカを利用してパラメトリックスピーカの指向方向を制御する技術も特開平２−２６５３９８号公報により提案されている。
【０００３】
特開平２−２６５３９８号公報で提案された指向性可変音源は、複数の超音波素子をアレー状に配置して電気音響変換部を構成し、この電気音響変換部を構成する各超音波素子に共通の変調信号で振幅変調した超音波信号を印加する。これと共に各超音波素子に印加する超音波信号（キャリア）の位相をアレー状に配列された超音波素子の配列順序に従って、一方側から他方側に向って順次所定量ずつ進み位相又は遅れ位相に設定することにより、音として再生される音の放射方向（指向方向）を自由に設定し変更することができる、とするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
先に提案されている指向性可変音源は図６に示すように、電気音響変換部１から放射される超音波ＵＳＮが空間復調作用により復調された音の指向方向を受聴者Ａ、Ｂ、Ｃの何れかに向けることができる技術である。従って、受聴者Ａ、Ｂ、Ｃの各個に特有の内容を伝達する場合に適用することができる。例えば同公報に開示されているように、複数の就寝者に対し、他の就寝者を起こすことなく、特定の就寝者に対してのみ目覚音を提示する場合などに利用され、その応用範囲は限定される。
【０００５】
ところで、受聴者を主体として考えた場合、受聴者に聴こえる音の到来方向を固定された電気音響変換部から放射される音により自由に設定し、変更できるとした場合、受聴者には仮想空間が与えられ、種々の利用方法が考えられる。つまり、図７に示すように、固定された電気音響変換部１から放射される超音波ＵＳＮから復調される音を受聴者Ｂが聴く場合、音源の位置がＸである場合、Ｙである場合、Ｚである場合のようにあたかも知覚させることができれば、その応用は広く考えられる。然し乍ら、従来の技術では放射される音の到来方向を変更させることはできなかった。
【０００６】
この発明の目的は受聴者に対して音の到来方向を自由に変更し、設定することができる音場制御方法及び音場制御装置を提案しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、超音波発生器で構成される電気音響変換部に可聴周波数帯の周波数を持つ変調信号により振幅変調された超音波信号を印加し、電気音響変換部から放射される超音波により変調信号に対応する可聴音を生成する音場制御方法において、電気音響変換部を同一平面上に複数個配列し、これら複数の電気音響変換部のそれぞれに印加する超音波信号の変調信号成分の位相を、目標位置で音源が発生した音波が電気音響変換部の各位置に到達する時刻とほぼ同時刻に各電気音響変換部が振幅変調された超音波を放射するように各々制御する音場制御方法に関わるものである。
【０００８】
この発明では、一定周波数の超音波信号を発振する超音波信号発振器と、この超音波信号発振器が発振する超音波信号を可聴周波数帯の周波数を持つ変調信号により振幅変調する複数の振幅変調器と、この複数の振幅変調器で振幅変調された被変調信号により駆動され、同一平面上に配列された複数の電気音響変換部と、この複数の電気音響変換部のそれぞれを駆動する被変調信号の変調信号成分の位相を、目標位置で音源が発生した音波が電気音響変換部の各位置に到達する時刻とほぼ同時刻に各電気音響変換部が振幅変調された超音波を放射するように各々制御する位相制御器を備えた音場制御装置を提案する。
【０００９】
この発明では更に、上記の音場制御装置において、超音波素子の隣接間隔をｄ、音速をＣ、変調信号の最高周波数をｆмとした場合、Ｍ＜Ｃ／（２・ｆм・ｄ）を満たすＭ個の超音波素子を複数の電気音響変換部として用いた音場制御装置を提案する。
作用
この発明による音場制御方法及び音場制御装置によれば、複数の超音波素子に与える振幅変調信号の変調信号成分の位相を超音波素子の配列の一方側から、他方側に向って順次所定の位相ずつ遅れ位相の状態に設定したとすると、受聴者は進み位相側の超音波素子が発射した超音波が生成する音を、遅れ位相側の超音波素子が発射した超音波が生成する音より先に聴くことになる。
【００１０】
受聴者は先に音が致来した方向に音源が有るものと感ずるため、固定された電気音響変換部から放射される超音波により復調される可聴音でありながら、受聴者は電気音響変換部以外の位置から音が到来するものと知覚する。従って、位相制御器の設定状況に応じて音の到来方向を自由に設定することが可能となり、その応用は広く考えられるものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による音場制御装置の一実施例を示す。図１に示す音場制御装置を説明することによりこの発明の音場制御方法についても明らかにされるであろう。
図１において、１０はこの発明による音場制御装置の全体を示す。この発明による音場制御装置１０は入力端子１１から入力される可聴周波数帯、例えば２００Ｈｚ〜２０ＫＨｚの周波数を持つ信号Ｍの目標位置で音源が発生して上記電気音響変換部に到達する時刻に上記振幅変調された超音波を放射するように上記変調成分の位相を各々制御する複数の位相制御器１２Ａ、１２Ｂ…１２Ｎと、この位相制御器１２Ａ、１２Ｂ…１２Ｎで位相が設定された信号を変調信号Ｍ１、Ｍ２…ＭＮとして入力され、この変調信号Ｍ１、Ｍ２…ＭＮにより発振器１６が発振する。例えば４０ＫＨｚの超音波信号Ｕを振幅変調する複数の振幅変調器１３Ａ、１３Ｂ…１３Ｎと、これら複数の振幅変調器１３Ａ、１３Ｂ…１３Ｎで振幅変調された超音波信号ＭＵ１、ＭＵ２…ＭＵＮにより駆動される電気音響変換部１とによって構成される。
【００１２】
尚、図１に示す実施例では電気音響変換部１を超音波発生器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎによって構成した場合を示す。また、図１に示す実施例では振幅変調器１３Ａ、１３Ｂ…１３Ｎで振幅変調された超音波信号ＭＵ１、ＭＵ２…ＭＵＮはそれぞれ増幅器１４Ａ、１４Ｂ…１４Ｎによって増幅し、その増幅された超音波信号ＭＵ１、ＭＵ２…ＭＵＮを電気音響変換部１を構成する各超音波発生器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎに印加する構造とした場合を示す。
ここで、この発明の特徴とする点は電気音響変換部１を構成する各超音波発生器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎに印加される超音波信号Ｕの位相は全て共通の位相である点と、超音波信号Ｕを振幅変調する変調信号Ｍ１、Ｍ２…ＭＮの位相を位相制御器１２Ａ、１２Ｂ…１２Ｎで別々に制御することができる構成とした点である。
【００１３】
この構成により、電気音響変換部１から放射される再生音（超音波によって再生される音）の音軸（指向方向）は常に一定方向を向き、その方向に位置する受聴者に対して再生音を受聴させることができる。この受聴条件下において、位相制御器１２Ａ、１２Ｂ、…１２Ｎで変調信号Ｍ１、Ｍ２…ＭＮの位相を制御することにより、受聴者が聴く音の到来方向を変化させることができる。
その理由を図２及び図３を用いて説明する。図２において、１は図１に示した電気音響変換部を示す。Ｂは受聴者、Ｒは受聴者Ｂの右耳、Ｌは受聴者Ｂの左耳、ＳＵは電気音響変換部１から放射される超音波ビームである。この超音波ビームＳＵの内部が超音波によって生成される再生音の受聴可能範囲である。
【００１４】
電気音響変換部１を構成する超音波発生器１５Ａに与える振幅変調信号ＭＣ１を変調した変調信号Ｍ１の位相を最も進み位相に設定し、以下順次他の変調信号Ｍ２、Ｍ３…の位相を所定の位相量ずつ遅れ位相に設定したとすると、再生音の波面は図２に斜線１８で示すように表すことができる。図３にその詳細を示す。
図３から解るように、この設定状態では受聴者Ｂは左耳Ｌよりも右耳Ｒに先に可聴音が到達することになる。この結果、受聴者Ｂは電気音響変換部１の位置より右側から音の到来方向を知覚する。左右の到達時間差を手がかりに音の到来方向を知覚させ、音の到来方向を左右に制御できる点については周知である（例えば日本音響学会編「音響用語辞典」コロナ社）により定義されている。
【００１５】
ここで位相制御器１２Ａ、１２Ｂ、…１２Ｎで与える各変調信号への位相差（以下では遅延量Ｄ_ｉと称す）は、
Ｄ_ｉ＝Ｄ_０−（ｉ−１）τＬ ｉ＝１，２，…，Ｍ
τＬ＝（ｄ・ｓｉｎθ_Ｌ）／Ｃ
で設定される。
θ_Ｌは目的方向（ｔａｒｇｅｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼び、図２に示す斜線１８の傾きθ_Ｌと等価であり、仮想の音源Ｘの方向を表す。ｄは超音波発生器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎの間隔、Ｃは音速を示す。Ｄ_０は遅延時間が負になることを避けて遅延特性をデジタルフィルタで実現する際の精度が低下することを防ぐために付加する固定遅延量である。
【００１６】
この結果として位相制御器１２Ａ、１２Ｂ…１２Ｎに設定する遅延量Ｄ_ｉの状態に応じて、受聴者Ｂは電気音響変換部１の位置により右側、左側或いは中央の何れの方向からでも音の到来方向を知覚することができることになる。
図４はこの発明の他の実施例を示す。この実施例では電気音響変換部１を構成する各超音波発生器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎのそれぞれを複数の超音波素子ＥＬによって構成し、これら複数の超音波発生器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎを構成する各超音波素子ＥＬを群毎に同一の振幅変調信号によって駆動する構成とした場合を示す。
【００１７】
図５に電気音響変換部１に実装した超音波素子ＥＬの配置の一例を示す。図５Ａは各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２、…１５Ｂ−１、１５Ｂ−２、…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…をそれぞれ９個の超音波素子ＥＬで構成し、これら各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２、…１５Ｂ−１、１５Ｂ−２、…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…を支持板１６の面にマトリックス状に配列した場合を示す。
この配列を図４に示した駆動回路でそのまま駆動した場合には、縦方向の各１列（１５Ａ−１〜１５Ａ−Ｍ）で１列、（１５Ａ−１〜１５Ｂ−Ｍ）で１列、…が同一位相で駆動され、各列毎に遅延量に差を与えることにより音の到来方向を水平方向の任意の方向に設定することができる。
【００１８】
図４に示した駆動回路とは別にマトリックスを行方向に分離し、各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ｂ−１、１５Ｃ−１…と１５Ａ−２、１５Ｂ−２、１５Ｃ−２…と、１５Ａ−３、１５Ｂ−３、１５Ｃ−３…をそれぞれ行毎に同一位相で駆動し、各行毎に遅延量を異ならせることにより、音の到来方向を上下方向の任意の方向に設定することができる。
図５Ｂは各超音波発生器（１５Ａ−１、１５Ａ−２…１５Ａ−Ｍ）、（１５Ｂ−１、１５Ｂ−２…１５Ｂ−Ｍ）、（１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…１５Ｎ−Ｍ）のそれぞれを円形状に形成し、円形の内部に同心円状に超音波素子ＥＬを配置し、更に各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２…１５Ａ−Ｍと１５Ｂ−１、１５Ｂ−２…１５Ｂ−Ｍ，…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…１５Ｎ−Ｍを支持板１６の面にハネカム形状に配置した場合を示す。
【００１９】
この場合も、図４に示す駆動回路でそのまま駆動した場合には、縦方向に配列された超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２…１５Ａ−Ｍと１５Ｂ−１、１５Ｂ−２…１５Ｂ−Ｍ，…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…１５Ｎ−Ｍの各列が同一位相で駆動され、各列毎に遅延量を異ならせることにより音の到来方向を水平方向の任意の方向に設定することができる。
図４とは別の駆動回路により、各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２…１５Ａ−Ｍと１５Ｂ−１、１５Ｂ−２…１５Ｂ−Ｍ，…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…１５Ｎ−Ｍのそれぞれを行方向に分離し、行方向に同一位相で駆動し、各行毎に異なる遅延量を設定することにより、音の到来方向を上下方向の任意の方向に設定することができる。
【００２０】
尚ここで、各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…を複数の超音波素子ＥＬによって構成する場合、各超音波発生器を構成する超音波素子ＥＬの数Ｍについて説明する。各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２…を構成する超音波素子の数Ｍは一般に受聴位置までの距離、再生音の上限周波数と放射パワー等で決定されるが、制限事項として以下の事項が加味される。
変調信号Ｍ１、Ｍ２…ＭＮの最高限周波数ｆ_Ｍに対応する波長をλ（＝Ｃ／ｆ_Ｍ、Ｃは音速）とし、各超音波発生器１５Ａ−１、１５Ａ−２…１５Ａ−Ｍと１５Ｂ−１、１５Ｂ−２…１５Ｂ−Ｍ，…１５Ｎ−１、１５Ｎ−２…１５Ｎ−Ｍが平面的に等間隔ｄで配列されているものとすると、空間的な折り返し現象（ａｌｉａｓｉｎｇ）が生じないようにするためには各群を構成する超音波素子の最も離れている素子間の間隔Ｍ・ｄがＭ・ｄ＜λ／２（図５Ａ参照）の範囲で各超音波発生器を構成する超音波素子の数Ｍを定める必要がある。つまりＭ＜Ｃ／（２・ｆ_Ｍ・ｄ）により制限される。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば受聴者に対して音源位置を自由に設定し、変更することができる。この結果、受聴者に音源位置を変更することにより仮想空間を与えることができるから、この仮想空間を利用することにより各種の応用が考えられる。その効果は実用化されることにより明らかにされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による音場制御装置の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】図１に示した音場制御装置の動作を説明するための平面図。
【図３】図２の理解を容易にするための斜視図。
【図４】図１に示した実施例の変形例を説明するためのブロック図。
【図５】図４に示した実施例の要部を説明するための正面図。
【図６】従来の技術を説明するための平面図。
【図７】従来の技術では得られない機能を説明するための平面図。
【符号の説明】
１ 電気音響変換部 １３Ａ〜１３Ｎ 振幅変調器
Ａ、Ｂ、Ｃ 受聴者 １４Ａ〜１４Ｎ 増幅器
１０ 音場制御装置 １５Ａ〜１５Ｎ 超音波発生器
１１ 入力端子 ＥＬ 超音波素子
１２Ａ〜１２Ｎ 位相制御器 １６ 支持板

Claims (1)

1. 一定周波数の超音波信号を発振する超音波信号発振器と、
   この超音波信号発振器が発振する超音波信号を可聴周波数帯の周波数を持つ変調信号により振幅変調する複数の振幅変調器と、
   この複数の振幅変調器で振幅変調された被変調信号により駆動され、同一平面上に配列された複数の電気音響変換部と、
   この複数の電気音響変換部のそれぞれを駆動する上記被変調信号の上記変調信号成分の位相を目標位置で音源が発生した音が上記電気音響変換部の各位置に到達する時刻とほぼ同時刻に上記各電気音響変換部が上記振幅変調された超音波を放射するように各々制御する位相制御器と、
   を備え、
   上記電気音響変換部に装着された超音波素子の隣接間隔をｄ、音速をＣ、上記変調信号の最高周波数をｆмとした場合、Ｍ＜Ｃ／（２・ｆм・ｄ）を満たすＭ個の超音波素子を上記複数の電気音響変換部として用いたことを特徴とする音場制御装置。

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