JP3888941B2

JP3888941B2 - 音響再生装置

Info

Publication number: JP3888941B2
Application number: JP2002219200A
Authority: JP
Inventors: 健司清原; 学岡本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP2004064374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の方向にのみ音を放射する音響再生装置に係わり、特に空間的エイリアジングによって所望の方向以外に生じる指向性を防ぎ卓上の用途に供することを可能とした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（デスクトップ会議システム）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点があった。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。以下、パラメトリックスピーカの原理とその超指向性について簡単に説明する。
図４にパラメトリックスピーカの電気的な回路構成を示す。超音波信号発生手段１１は例えば４０ｋＨｚ程度の周波数の超音波信号を発生する。この超音波信号は振幅変調手段１３に入力され、この振幅変調手段１３において、可聴信号入力手段１２から入力された可聴信号により振幅変調される。
【０００４】
振幅変調された超音波信号は増幅手段１４で増幅されその増幅出力で超音波発音装置１５を駆動する。超音波発音装置１５は例えば４０ｋＨｚを共振周波数に持つ複数の超音波発音素子１５−１、１５−２、１５−３、…、１５−ｎが並列接続されて構成される。これらの複数の超音波発音素子１５−１〜１５−ｎを並列駆動することにより強力な超音波を発生させることができる。
複数の超音波発音素子１５−１〜１５−ｎは図５に示すように互いに接近してほぼ円形のプリント配線基板１６に実装され、プリント配線基板１６に形成されたプリント配線により全てが並列接続される。
【０００５】
このような構造によりパラメトリックスピーカは強力な超音波（約１００ｄＢ以上）を放射し、空気の非線形性を利用して可聴音を生成するものである。正弦波の超音波(sin(ω_ct)：キャリア)を可聴波s(t)で変調し(式(1))空気中に放射すると、空気の非線形項は式(1)の２乗に比例するため、式(2)のように可聴波s(t)が復調される。

この可聴波の強度は距離とともに次第に増加し、超音波を放射する超音波素子が図５に示すように円盤状に配置された場合、その半径をａとすると、次式(3)で定義されるレーリー長Rまで増加し、その後球面状に拡散して可聴波は減衰すると言われている（鎌倉友男“非線形音響学の基礎”愛智出版（１９９６）ｐ．２０１）。
R=πa²/λ (3)
（λ＝f/c，fはキャリア周波数、cは音速（約340［m/s］）
充分な強度を持つ超音波を放射させるために図５に示したように複数の超音波発音素子１５−１、１５−２、…、１５−ｎで構成する場合、各超音波発音素子１５−１、１５−２、…、１５−ｎが発生する超音波の波長より各超音波発音素子１５−１、１５−２、…、１５−ｎの径が大きいと、以下に述べる空間的エイリアジングにより正面以外の方向に不要な指向性を発生し、目的以外の領域に音が漏れるという問題がある。
【０００６】
空間的エイリアジングとは図６に示すように、正面方向j以外の方向で音の行路差が波長の整数倍となってこの方向で音が強めあい、不要な指向性が生じる現象である。例えば超音波発音素子の素子間隔dがd=10[mm]、超音波の周波数fがf=40,000[Hz]の場合、音の波長λはλ=8.5[mm]となりd>λになるため空間的エイリアジングが発生する。
図６ではd・sinθが音の波長λと同じ長さになる方向θに不要な指向性が生じる。超音波の周波数f=40,000[Hz]、超音波発音素子の直径が10[mm]の場合、d・sinθ=λ=c/fであるから、arcsin(c/(fd))≒60°となる。つまり、正面の方向jからθ=60°の方向に不要な超音波が放射される。この不要な放射は正面方向jを軸として周方向に360°の全周にわたって発生する。従って超音波発音素子の発音面からθ=60°の方向に音響が再生され、その方向に音が漏れることになる。この漏れた音が周囲の人々に騒音として聞こえることになる。更に、不要な方向に音が漏れた分、目標方向に到達する超音波の量が減少するから、目標方向で再生される音響のレベルが低下する不都合も生じる。
【０００７】
これらの不都合を解消するには超音波発音素子の直径を発音する超音波の波長λより小さくする必要があるが、現況の技術ではその実現は難しく、空間的エイリアジングの発生は容認せざるを得ない状況にある。
この発明の第１の目的は空間的エイリアジングで発生する不要方向の指向性を解消し、目的とする場所以外に音が漏れない音響再生装置を提供しようとするものである。
この発明の第２の目的は超音波発生装置から放射された超音波は全て目標方向に伝搬され、目標位置で強度の強い音響を再生することができる音響再生装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明では、超音波信号発生手段と、可聴信号入力手段と、超音波信号発生手段で発生された超音波信号を可聴信号入力手段から入力された可聴信号で振幅変調する振幅変調手段と、振幅変調手段で振幅変調された超音波信号を増幅する増幅手段と、増幅手段の出力を放音面が揃えられて配置され、超音波を同一方向に放射する複数の超音波発音素子とによって構成される音響再生装置において、
超音波発音素子の間隔ｄと、音速ｃと、超音波信号の周波数ｆにより、空間的エイリアジングによって正面に対しθ=arcsin(c/(fd))の方向に生じる指向性を正面に反射させるために超音波発音素子が配置された領域の周縁に放音面の法線方向に伸びる軸まわりに鋭角な反射面を設けた音響再生装置を提案する。
【０００９】
この発明では更に、音響再生装置において、超音波発音素子の放音面からレーリー長相当位置までの間に振幅変調された超音波を反射させて所望方向に音響を再生させる反射板を設けた音響再生装置を提案する。
作用
この発明の音響再生装置によれば、超音波発音素子を配置した領域を取り囲んで、放音面の法線方向に伸びる軸まわりに鋭角な反射面を設けたから、超音波発音素子の配置間隔ｄが超音波の波長λより大きいｄ＞λの関係により空間エイリアジングによる不要方向の指向性が発生しても、この不要方向の指向性は反射面によって反射されて正面方向に向けられる。
【００１０】
従って、この発明によれば目的とする場所以外に音が漏れることはなく、このために周囲の人々に騒音を発生することがない音響再生装置を提供することができる。また、不要な方向に音が漏れないため目標位置には放射された音波の全てが伝搬し、強度の強い音響を再生することができる。
更に、この発明によれば超音波発音素子の放音面からレーリー長に至るまでの間に反射板を設け、この反射板により超音波を目標方向に反射させる構成としたから、空間的エイリアジングによって不要方向に放射された超音波も含めて全ての超音波を目標方向に反射させることができ、これにより目標位置で強度の強い音響を再生することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の要部の構成を示す。図１に示す１６は図５で説明した円形のプリント配線基板を示す。このプリント配線基板１６の一方の面に図５と同様に複数の超音波発音素子１５−１１、１５−２、１５−３、…、１５−ｎが装着され、図４に示した電気回路によって駆動される。超音波発音素子１５−１、１５−２、１５−３、…、１５−ｎの配列間隔（超音波発音素子の直径と同じ意味）ｄがd=10[mm]、超音波周波数ｆがf=40kHzの場合、波長λはλ=8.5[mm]となるからd>λの関係となる。従って、この条件の場合にはd・sinθ=λ=c/fからθ=arcsin(c/(fd))≒60°の方向に不要指向性Ｋが発生する。
【００１２】
この発明ではこの不要指向性Ｋを正面方向に反射させて音の漏れを除去するために、超音波発音素子１５−１〜１５−ｎを装着した領域を取り囲んで放音面の法線方向（正面方向ｊと同じ）に伸びる軸まわりに鋭角な反射面１７を設けた構造を特徴とするものである。
反射面１７は超音波発音素子の放音面から離れるに従って、徐々に直径が大きくなるホーン形状とされる。ホーンの傾斜角（放音面からの角度）は不要指向性の向く角度θと同じ角度に採ればよい。ホーンの深さは放音面の最も遠くの位置からの不要指向性Ｋ₀を反射させるために必要な深さが条件とされ、その深さＤは超音波発音素子の装着領域の直径（プリント基板１６の直径）をＬとした場合D=L・sinθとすることができる。反射面１７は例えば金属板或はプラスチックで構成することができる。反射面１７に要求される要件としてはその形状を保持し、且つ超音波に共振しない強度を有し、反射面は反射させるべき超音波の波長λより深い凹凸を持つことなく平滑面である必要がある。
【００１３】
このような反射面１７を設けることによって超音波発音素子１５−１〜１５−ｎの各直径が発音する超音波の波長λより小さくすることができないことによって生じる空間的エイリアジングの影響を除去することができる。
図２にこの発明の請求項２で提案する音響再生装置の一実施例を示す。この発明の請求項２では超音波発音素子の放射面からレーリー長Ｒｄ相当分離れた位置までの間に反射板１８を設け、この反射板１８の角度を任意の角度に設定させて目標とする方向に超音波を反射させ、目標位置で音響を再生させる音響再生装置を提案するものである。
【００１４】
図２に示す実施例では超音波発生装置１５を上向きに配置し、超音波を上向きに放音させ、超音波発生装置１５の上部に設けた反射板１８で超音波を反射させる構成とした場合を示す。
反射板１８は反射面１７と同様に金属板又はプラスチックによって構成することができる。反射板１８の長さ（回動支点から回動遊端までの距離）Ｓは超音波発音装置１５の直径をＬとした場合、約２Ｌ程度とすればよい。また、幅ＷはW=(1+2cosθ)L程度に選定すればよい。１９は反射板１８を支持する柱を示す。この実施例では反射板１８を２本の柱１９で支持した例を示すが必ずしもこの構造に限定されるものではない。柱１９の長さは上記したようにレーリー長Ｒｄより短い寸法に選定する。レーリー長Ｒｄの一例としては上述の条件超音波の周波数が４０ｋＨｚの場合、波長λは約8.5[mm]、超音波発音装置１５の半径ａをa=50mmとした場合Rd≒92[cm]となる。従って、柱１９はそれより短い、例えば２０〜７０ｃｍ程度に選定すればレーリー長に至る手前で超音波を反射させることができる。超音波をレーリー長Ｒｄより手前で反射させることにより超音波のビーム形状が崩れていないため、全ての超音波を目標方向に反射させることができる。
【００１５】
図３に反射板１８の角度を自由に変更し、その角度を維持する手段の一例を示す。図３に示す例では反射板１８と一体に円盤２０が回転する。円盤２０の周縁にはほぼ等角間隔に凹欠２１が形成される。一方柱１９には板バネ２２が装着され、板バネ２２の遊端にローラ２３が装着され、このローラ２３が板バネ２２の偏倚力によって円盤２０の周縁に押し付けられる。
この構造により反射板１８は角度を変更することが可能であり、更に、その変更した角度の位置でローラ２３が凹欠２１に係合して反射板１８の角度を維持する。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば超音波発音素子の直径が発音する超音波の波長λより大きく、これにより空間的エイリアジングが発生し、不要な方向に指向性を持つ音波が発生しても、その不要波は反射面１７により正面方向に反射される。この結果、目的以外の場所に音が漏れることを阻止することができる音響再生装置を提供することができる。また、目標方向以外に超音波が漏れないから、目標方向に伝搬する音波の量が減少することはない。従って、目標位置で再生される音響のレベルが不要方向の漏れた音波成分だけ低下することはない。
【００１７】
更に、この発明によれば超音波発音素子の放音面からレーリー長に至る間の任意の位置に反射板１８を設置したからレーリー長に至る手前、つまり超音波のビームの形状が崩れる手前で反射させるから、全ての超音波を目標方向に反射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の請求項１で提案する音響再生装置の要部の構成を説明するための断面図。
【図２】この発明の請求項２で提案する音響再生装置の一実施例を説明するための斜視図。
【図３】図２に示した実施例に用いる角度調整機構の一例を説明するための側面図。
【図４】音響再生装置の全体を説明するためのブロック図。
【図５】超音波発音装置の一例を説明するための平面図。
【図６】図５に示した超音波発音装置で発生する空間的エイリアジングを説明するための拡大図。
【符号の説明】
１１超音波信号発生手段１９柱
１２可聴信号入力手段２０円盤
１３振幅変調手段２１凹欠
１４増幅手段２２板バネ
１５超音波発音装置２３ローラ
１６プリン配線基板Ｋ不要指向性
１７反射面Ｊ正面方向
１８反射板

Claims

超音波信号発生手段と、可聴信号入力手段と、上記超音波信号発生手段で発生された超音波信号を上記可聴信号入力手段から入力された可聴信号で振幅変調する振幅変調手段と、該振幅変調手段で振幅変調された超音波信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段の出力を放音面が揃えられて配置され、超音波を同一方向に放射する複数の超音波発音素子とによって構成される音響再生装置において、
上記超音波発音素子の間隔ｄと、音速ｃと、超音波信号の周波数ｆにより、空間的エイリアジングによって正面に対しθ=arcsin(c/(fd))の方向に生じる指向性を正面に反射させるために上記超音波発音素子が配置された領域の周縁に放音面の法線方向に伸びる軸まわりに鋭角な反射面を設けたことを特徴とする音響再生装置。
請求項１記載の音響再生装置において、上記超音波発音素子の放音面からレーリー長相当位置までの間に上記振幅変調された超音波を反射させて所望方向に音響を再生させる反射板を設けたことを特徴とする音響再生装置。