JP4153172B2

JP4153172B2 - 音・振動の共鳴分離装置

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Publication number: JP4153172B2
Application number: JP2001060932A
Authority: JP
Inventors: 陽菅原
Original assignee: 陽菅原
Priority date: 2001-01-28
Filing date: 2001-01-28
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2021-01-28
Also published as: JP2002221444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音声・音楽・騒音などの振動を分離し、その振動数に対応したいくつもの振動を検知する装置の作成と利用法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば「片持はり」に振動を共鳴させることは物理や工学上では基礎的な理論として完成されているものである。しかし、人が普段発声する音声の帯域である１００〜４００Ｈｚ、またはその帯域以外の周波数の共鳴振動子をいくつも備え、声や音楽などを共鳴分離させ、瞬時に振動成分を検知する装置は従来にはない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
「音」を周波数分離することは、コンピュータによるフーリエ変換や電子回路による共振・フィルタ回路でディスプレイやインジケータに表示させることはこれまでも行われている。その他の方法も様々あるが、計算または電子回路による間接的な方法であった。
【０００４】
本発明は、時間とともに伝わってくる音の振動を瞬時に分離することができる。共鳴振動により「音」・「振動」を周波数成分に分離する直接的な方法であり、動物の聴覚の仕組みと同様のものである。よって、本発明は聴覚器官そのもののモデルとして、あるいは数学理論であるフーリエ変換の実行モデルとして、また教育的あるいは情意的な面での新しい効果を利用した教材や装飾品としての利用、さらには圧電素子などを振動子に使用することによる人工の聴覚器官としての利用を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
剛体と複数の弾性体の振動子から構成された装置を作成し、振動を剛体に伝えると、それぞれの振動子の共鳴により、音や振動は周波数成分に分離できる。振動子にはピアノ線やプラスチックファイバーあるいはセラミック圧電素子などを使用する。この装置が共鳴振動分離器である。
【０００６】
振動子の材質や形状によって小型のものから大型の共鳴振動分離器が作成可能である。普通の話し声の音圧を紙コップの底の平面で受け、その振動を小型の共鳴振動分離器に伝えると振動子は反応するが、大きな振動子を持つ共鳴振動分離器はその共鳴振動が目に見える振動にはなりにくい。そこでマイクなどで入力された音を増幅し共鳴振動分離器に伝えると、大きなエネルギーの振動に変換され、目に見える振動とすることができる。
【０００７】
共鳴振動分離器のそれぞれの振動子に圧電素子などを使用した場合、振動によって、曲げによるひずみを生じ、そのひずみは電気信号に変換される。その信号を増幅制御する回路を個々の振動子ごとに配置し共鳴振動分離器に組み込めば、小型の人工聴覚器官になる。増幅率をコントロールするとは振動子の感度を調整することに当たり、これによりコンピュータにとっての人工聴覚器となる。
【発明の実施の形態】
【０００８】
発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は音共鳴分離装置の本体である。振動子１から２０までは様々な固有振動を持った振動子である。音の振動はマイクから電気信号に変換され、マイク入力端子２７から装置に入力すると、電子回路２８によって増幅制御される。さらに電気信号は振動発生装置（スピーカー）２４に出力され、音の振動は増幅された縦振動となり、剛体２１を縦の方向に振動させる。その振動は剛体に固定された固有振動を持つ振動子１〜２０に伝わり、その振動の周波数に応じた振動子だけが振動する。ボリュームつまみ２５は振動の大きさを調節するためにある。また周波数制御つまみはｓｉｎｅ波の発信周波数をコントロールする。
【０００９】
図３はスピーカーに接合された共鳴分離器の例である。その材質のヤング率・断面積・長さ・線密度によって固有振動数は異なる。例えば５０Ｈｚから２５０Ｈｚまで１０Ｈｚ毎に２０本の振動子を剛体２１に固定する。この剛体２１は軽く丈夫なものがよい。例えば、木材やアクリル管やアルミ管である。
【００１０】
振動発生装置である圧電素子やスピーカーの振動中心には、直接に振動共鳴器を固定する。固定の方法は、スピーカーであれば振動中心に軽量の固定台２３を接着する。加重やその他の力の負荷が小くなるように工夫し、振動が伝わっても摩擦ではずれたり倒れないように振動共鳴器を固定台２３と接合する。
【００１１】
遠くからも見えるような大型の振動子の場合は、スピーカーなどの振動発生装置本体に振動子の加重が負荷しすぎないように上から吊るなどする。そして振動発生装置（スピーカー）との接合部分を強固なものにする。（例えば、固定台にナットを固定し振動共鳴器の剛体部分をボルトとして固定する。）またこの装置は音の共鳴振動を見るために作成するのだから、多くの場合音量を抑える必要がある。その場合、例えばスピーカーであればコーンの一部を切り取る。
【００１２】
図４の本体のブロック図３２は図２の電子回路２８に相当し、無線入出力のブロック図３９には遠方からの音の入力のため、ＦＭ発信器４０とＦＭ受信器４１の回路も加えた。必要に応じて低振動から高音域までの共鳴振動の感度を調整する機能を制御・増幅回路３８に付加する。さらに実験用や精度を必要とする用途のためｓｉｎｅカーブ出力用の低周波発信器３６、３７を回路に加えた。
【００１３】
図５，図６は室内装飾用の別のタイプの共鳴振動分離器の例である。図５の振動子はアゲハ蝶をかたどったものであり、図６はその立体図である。
【００１４】
図７は多数のセラミック圧電素子４２による共鳴振動分離器４３である。図８は音を周波数分離の検知感度を調節できる感度調整電子回路４４とそれをコントロールするコンピュータ４７からなる人工聴覚器のシステムブロック図である。
【実施例】
【００１５】
振動共鳴器の理論と実験値を以下に示す。いわゆる振動理論として物理や振動工学の分野で明らかになっている。参照した書籍は近藤恭平著「工学基礎」振動論１３２ページである。（ＩＳＢＮ４−５６３−０３４７８−９Ｃ３０５３Ｐ４４２９Ｅ）
この振動論の「片持はり」の理論によると「振動子の長さＬは振動数ｆの平方の逆数に比例する」が、これを式で表現すると次のようになる。
【００１６】
【数１】

（ｆ周波数Ｅヤンク゛率Ｉ断面積 μ線密度Ｌ針の長さ λは振動モードの定数でλ＝１．８７５、４．６９４、７．８５５、１０．９９６、・・の値をとる）で与えられ、式変形すると
【００１７】
【数２】

となる。つまり以下のように振動子の長さＬは周波数の平方根の逆数に比例する。
【００１８】
【数３】

【００１９】
この理論に基づき、音の周波数分離の現象を実際の装置で目に見えるようにするため、共鳴振動分離器を作成する。作成の前にデータを得るためにピアノ線を複数本準備し実測した。そのピアノ線の長さと共鳴振動の実測値を回帰分析し、グラフ化すると直線になり上記の理論通りである。ピアノ線はＪＩＳＧ３５２２を使用した。
【００２０】
図１は実験結果のグラフである。直径が０．３ｍｍのピアノ線を２０ｍｍから４５ｍｍの４０本を剛体である木材に固定し測定した。その測定点をプロットし、回帰直線を表示したものである。このような基礎的データの解析をすると、その回帰分析からその素材に応じた振動子の共鳴周波数と振動子の長さの関係が計算することができる。
【００２１】
その結果を表１にまとめた。尚、表１には上記の他、０．５ｍｍと１．０ｍｍのピアノ線と０．０５ｍｍ、１．５ｍｍ、０．５ｍｍの樹脂繊維のデータも含んでいる。表のデータは次のようにして求めた。それぞれの素材を２０本ほど用意し実測した。データを回帰分析するとほぼ理論通りになり、図１と同様に直線になった。その回帰分析結果から振動数と振動子の長さの対応させたものが表１である。一番右▲７▼は０．５ｍｍの光樹脂ファイバーである。▲６▼は音楽で使用する純正律による音階の周波数に振動子の長さを対応させた。
【００２２】
【表１】

【００２３】
やや大型の装置の作成の場合についてさらに詳しく説明する。振動子に振動を伝える剛体として、例えば木製の丸棒やアルミ管やアクリル管を利用する。これらの剛体に振動子を固定する穴をボール盤などで等間隔に削る。この等間隔の穴に振動子を長さの順にはめ込み樹脂などで固定し振動受信器とする。振動子の例としてピアノ線や樹脂ファイバーなどがある。
【００２４】
普通の話し声の音圧はこの大型の振動受信共鳴器の振動子を十分に共鳴させるほど大きくない。そのため音圧を受け振動を振動受信共鳴器に伝える途中に振動を増幅する装置を付加する。音はマイクから入力され増幅・制御する回路を経て振動変換装置（スピーカー）から増幅されて振動受信共鳴器に伝える。
【００２５】
振動子の一般的な振動の感度はその振動帯域によって異なる。低音であれば振動子の共鳴感度は、例えば０．３ｍｍの径のピアノ線の固有振動数が３０Ｈｚとすると、その前後１Ｈｚまで振動するが、より高音の２００Ｈｚ〜４００Ｈｚではその前後５〜１０Ｈｚまで共鳴振動する。このように振動帯域によって共鳴振動の感度の幅が異なることを考慮し、振動子の共鳴周波数を設定しなければならない。また帯域によって共鳴振動の振れの角度や幅の度合いが異なることも考慮する。特に低振動で振動子はよく共鳴し大きく振動しやすいが、高音になるほど振動子の長さは短くなり、目に見えるレベルで振動することが難しくなる。高音でも目に見えるようにするには、高音の帯域でのエネルギーが大きくなるように出力する回路を設計すればよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、音の刺激を聴覚と視覚で同時にとらえる装置であるので、以下に記載するような効果を奏する。
【００２７】
人は胎児のとき母親の心音を聞き、生まれてからも様々な音に囲まれて生活している。またコミュニケーションの手段として音声を発信し、また受信している。さらには感性を豊かに刺激する「音楽」として我々の生活に深く関わっている。そんな環境にある人間にとって、直接的に即座に音が振動子に反応し、音が様々な振動からなることを直感的に理解でき、様々な音に反応する様子を楽しむことができることは知性のみならず感性に働きかける効果が大きく、様々な場面で有用である。以下に例を示す。
【００２８】
人間には聞こえない低周波の確認装置や低振動の検知装置として使用できる。この装置の振動共鳴器の振動子を人に聞こえない低振動の周波数に合わせて作製すると、低振動検知器になる。例えば重量のあるトラックなどの運搬車の移動により地盤の弱い地域での構造物が振動するとき、あるいはエアコンなどの振動体が構造物に伝える振動と振動数を知りたいときなど建物の共鳴振動の検知装置として利用できる。振動子を目的の周波数に応じて長さと太さをを調整し、数Ｈｚ〜６０Ｈｚ程度の固有振動を持つ振動子を取り付ける。確実にとらえるためには３０Ｈｚ以下の低周波であれば振動子の周波数の間隔は、２Ｈｚより小さくするなどそのピッチを狭める必要がある。なお、低振動の場合は振動子自体の感度が高いため共鳴分離器単体でも検知でき、増幅用の電気回路が必要ない場合もある。
【００２９】
理科物理分野「波動」及び生物分野「聴覚」の教材としての効果がある。理科実験に使用する場合は、電子回路制御部分に発信器３６を備える。発信器はきれいなｓｉｎｅカーブを出力するタイプを用い、出力周波数をコントロールする。出力の端子を外に出し、周波数カウンタと組み合わせると、コントロールされて発信する音の振動数に対して共鳴分離器の振動子の共鳴振動数を確定することができる。
【００３０】
音の反応を見て楽しむオーディオ機器の副装品として有用である。例えば図５の振動子はアゲハ蝶をかたどったものであり、図６はその立体図である。オーディオ機器においては、すでに帯域ごとの音の強弱を発光ダイオードなどで示す装置が装備されているものがある。しかし、この装置で別種の効果を得ることができる。例えば大型化すると遠くから見えるようになる。そのためには太いピアノ線や樹脂ファイバーを使用する。また明るい色で目立つようにする。
【００３１】
子どもが自ら発する音や声に反応する玩具として有用である。幼児が自ら発した音や声で外界に働きかけた結果を直接目で観察できることは成長過程にある幼児の発達に資する。振動子の数や材質を選び安全上の設計を加えることにより、玩具として活用できる。また室内用であるため、消音の工夫をする。スピーカーの場合コーンの一部を取り去るのが効果的である。
【００３２】
音楽や音声を目で楽しむ室内装飾品として有用である。各振動数に反応する振動子の長さは数学的に美しい曲線を示している。人の蝸牛管が渦巻き状の立体で構成されているように振動子の位置と向きを固定すると、音声や音楽の信号をテレビ・ラジオ等の出力端子からの音を振動子に反応させて楽しむことに加えて室内装飾品としての価値を高めた利用ができる。
【００３３】
聴覚や発声器官に傷害がある人にとって聴覚の理解と発声練習の導入機器として有用である。周波数毎の振動を目で見て確認できる装置は、聴覚や発声器官に障害を持つ人々にとっても聴覚器官の理解をすすめ、発声練習の導入機器として使用できる。ピアノ線の共鳴振動の間隔を狭め、すべての周波数に対する反応が目に見えるように振動子をならべる。また精度を高めるため装置を作成し組み上げてから振動周波数の調整をする。そのため理科実験器と同様に回路内に発信器を装備し外部出力端子をつける。固有振動数の調整はピアノ線を削り振動数を高くする方法と塗料を塗り質量を増加させて振動数を低くする方法がある。
【００３４】
フーリエ変換を行う実際のモデル実験装置として有用である。コンピュータによる高速フーリエ変換は振動数と振幅と位相の成分に算出するが、この装置は振動子が直接共鳴振動することでフーリエ変換されることを音を聞くと同時に直接目で観察できる。
【００３５】
より高音に反応する共鳴分離器を作成するには、例えば８００Ｈｚ以上の高音に反応する装置の場合、０．３ｍｍ以下のピアノ線か剛性のある細い樹脂ファイバーを使用すると高音に反応する装置を作成できる。振動子はピアノ線に限らず弾性のある繊維でも良いわけで、直径が０．１ｍｍかそれ以下の剛性のある合成繊維の場合１０ｍｍから２ｍｍ程度の長さの振動子として十数本並ると、音声の振動に反応し分離するのが見える。ただし、目で見える装置としてはかなり小さなものになる。この場合は振動を伝える剛体の例として、楊枝やマッチの軸程度の木材で作成できる。
【００３６】
遠方からの音や振動の信号に反応させる方法も様々な効果が得られる。離れた場所の音や振動を共鳴分離装置に伝えるには、音をＦＭ発信回路４０から電波で発信しＦＭ受信回路４１で受信し、その信号を共鳴分離装置に伝える方法がある。このことにより音や振動の入力装置と共鳴分離装置はそれぞれ単独に移動できる。またそれぞれを電池で稼働すれば扱いやすくなる。教育用としても玩具としても、音響装置の副装品や室内装飾品としてもよりシンプルになりその利用の効果も上がる。
【００３７】
人工聴覚器官として有用である。コンピュータの発達によりマイクから入力した信号をＡＤ変換し、コンピュータ処理によって言語分析することは様々な方法により進展している。しかし、人が普段行っている「聞き耳を立てる」ことは、従来のマイクからの入力信号をコンピュータ処理することでは解決が難しい。
【００３８】
これを解決するために次のような共鳴振動分離器を作成する。多数のセラミック圧電素子４２による共鳴振動分離器４３は共鳴振動数を電圧として検知する。さらに振動子の一本一本に周波数分離の検知感度を調節できる感度調整電子回路４４を付加し外部からのコントロールで調整できるようにすることにより相手の話し声の周波数成分にのみ感度を上げ、あるいは他の周波数成分をカットすることにより、話し声などの選択された音の情報のみを収集できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験による４０の測定点と、回帰直線である。
【図２】装置本体の立体図である。
【図３】振動発生装置上の固定台に接合した振動共鳴器の立体図である。
【図４】電子回路のブロック図である。
【図５】振動子の別の付き方の例で黒アゲハの形をしたものである。
【図６】図５の振動子を実際に固定した時の立体図である。
【図７】セラミック圧電素子による共鳴振動分離器の構造図である。
【図８】人工聴覚器のシステムブロック図である。
【符号の説明】
１〜２０、２９、３１振動子
２１剛体（応力によるひずみの少ない素材のもの）
２２接合部
２３固定台
２４振動発生装置（スピーカー）
２５ボリュームつまみ（電子回路を駆動）
２６周波数制御つまみ（電子回路を駆動）
２７マイク入力端子
２８電子回路基板
３０固定板
３２本体ブロック図
３３、３４、４５外部入力マイク
３６、３７低周波発信器（ｓｉｎｅカーブ出力）
３８入力信号の制御・増幅回路
３９無線入出力ブロック図
４０ＦＭ発信変換回路
４１ＦＭ受信変換回路
４２圧電素子
４３圧電素子による共鳴振動分離器
４４感度調整電子回路
４６振動増幅回路および振動増幅装置
４７コンピュータ

Claims

音声・音楽・騒音などの振動を電気信号に変換し、特定の帯域を増幅し制御・調整する部分を備え、その制御された電気信号をスピーカーなどの振動装置を経て剛体の振動に伝え、その剛体から振動を受ける複数の弾性体の振動子が、音や振動を周波数に応じて共鳴し、目に見える振動に分離する振動共鳴分離装置。