JP4222169B2

JP4222169B2 - 超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法

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Publication number: JP4222169B2
Application number: JP2003330234A
Authority: JP
Inventors: 芳樹福井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2005101749A; US20050149338A1

Description

本発明は、超音波に対する媒質（空気）の非線形性を用いて可聴周波数帯の信号音を再生させる超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法に関する。

従来から、超音波に対する（媒質）空気の非線形性を利用した超音波スピーカーが、通常のスピーカーに比べてはるかに鋭い指向性を持つ可聴周波数帯の信号を再生し得ることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号源からの信号波によって超音波周波数帯のキャリア波を変調し、パワーアンプ等で増幅した後に超音波トランスデューサーから有限振幅レベルの音波に変換して媒質中（空気中）に放射し、媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音を再生するようになっている。

この際、可聴周波数帯の信号発生のメカニズムは、上記変調の結果により生成される超音波帯の複数の異なる周波数信号間の差音により生成されるというものである。この複数の異なる周波数信号の構成が複雑であればある程、元の入力信号に対応した再生に悪影響を与える歪成分がより多く生成され、結果として復調効率が落ちることになる（再生音量が小さくなる）。例えば、入力信号が単調な波形の信号（例えば、正弦波信号）の時に比べ、複雑な波形となる任意の音響信号（例えば、楽曲信号）とでは、後者の方の再生音量が小さくなってしまうという問題がある。
特開昭５８−１１９２９３号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、再生される可聴周波数帯の信号音の復調効率の向上を図った超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により超音波トランスデューサを駆動することにより可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカの信号音再生制御方法において、前記信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を予め除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波により前記キャリア波を変調し、該変調信号により前記超音波トランスデューサを駆動することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、該変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有し、可聴周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、前記信号源から出力される信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波を変調器に出力する不要信号成分除去手段を有することを特徴とする。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により超音波トランスデューサを駆動することにより可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカの信号音再生制御方法において、前記信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を予め除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波により前記キャリア波を変調し、該変調信号により前記超音波トランスデューサを駆動するようにしたので、複雑となる任意の音響信号の複雑度が軽減されることとなり、再生される可聴周波数帯の信号音の復調効率の向上が図れる。
という効果が得られる。

また、請求項２に記載の発明によれば、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、該変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有し、可聴周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、前記信号源から出力される信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波を変調器に出力する不要信号成分除去手段を有するので、複雑となる任意の音響信号の複雑度が軽減されることとなり、再生される可聴周波数帯の信号音の復調効率の向上が図れる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態を説明するに先立ち、可聴周波数帯の信号発生のメカニズムを簡単に以下に説明する。
超音波スピーカーでは、可聴周波数帯の元信号（信号波）によって超音波周波数帯のキャリア信号（キャリア波）を変調する処理が行われるが、変調方式としてDSB-WC(Double Side Band With Carrier AM)変調を例にとり説明する。非線形伝播では高調波成分の発生により、以下の説明のモデルが複数形成されることになるが、モデル間の相関は基本的には無い為、単一のモデルで説明する。

超音波帯のキャリア信号（cos(ω_ct)）を可聴域信号（cos(ω_mt)）で変調することにより得られる信号P(t)は次式（１）となり、その際の周波数分布は図７に示すようになる。
図中にある矢印(A)と矢印(B)が差音の発生要因となる関係を示しており、矢印(A)は元の可聴域信号ω_mを発生させ、矢印(B)は元の可聴域信号ω_mの２倍(2ω_m)を発生させる。
p(t ) = {1+ m cos(ω_mt)} cos(ω_ct) (ω_m<< ω_c) …（１）
ただし、mは変調度である。

今度は、可聴域信号（cos(ω_mt)）部分を可聴域の任意信号 E(t)で同様に変調をかけた場合は次式（２）となり、その際の周波数分布は図８に示すようになる。任意信号の場合には、図８に示すように信号成分の周波数分布が複雑になり、差音の構成が複雑になる。図中の矢印(B)で示される矢印群が歪発生の要因となり、結果として矢印(A)で示される構成から発生する差音（元信号の再生）の音量が小さくなってしまう。
p(t ) = {1+ m E(t)} cos(ω_ct) (ω_m<< ω_c) …（２）
ただし、mは変調度である。
図８で示した信号成分の周波数分布は、元信号である可聴域の任意信号 E(t)の信号がシンプルであればある程、複雑さが減少することになる。

次に本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を図１に示す。同図において、本発明の実施形態に係る超音波スピーカは、可聴周波数波発振源１０と、心理聴覚分析処理部１２と、キャリア波発振源１４と、変調器１６と、パワーアンプ１８と、超音波トランスデューサ２０とを有している。
可聴周波数波発振源１０は、可聴周波数帯の信号波（音響信号）を生成する機能を有している。
心理聴覚分析処理部１２は、可聴周波数帯の信号波（音響信号）に対し、心理聴覚分析に基づいて、人間が知覚不可能な信号成分を予め除去する処理を行う。

ここで、心理聴覚分析処理部１２で行う複雑な波形となる任意の音響信号に事前に波形の複雑度を軽減する処理（心理聴覚分析処理）について以下に説明する。
音響信号の圧縮技術として、ISO-MPEG Audio Layer3(MP3)などの技術が存在する。これらの技術では音響信号データ削減の手段の一つとして、心理聴覚分析処理により、人間が知覚不可能な信号成分を削除する手法をとっている。

人間が知覚不可能な信号成分を削除する手法としては、具体的には、最小可聴限界処理及びマスキング効果処理がある。
最小可聴限界処理は、周波数帯によって人間が聞こえ始める音の強さが異なる点を利用して人間が知覚不可能な信号成分を削除するものである。図２に示すように、最小可聴限界曲線以下の領域の音は聞こえない為、この部分を削除することが可能である。
また、マスキング効果処理は、大きな音の直前直後にある周波数が同程度の小さな音や、大きな音の中に埋もれた周波数が同程度の小さな音などは聴き取れない点を利用して人間が知覚不可能な信号成分を削除するものである。

図３では周波数マスキングの例を示しているが、強い音を中心とした一定の範囲の周波数が同程度の音は聞こえない為、この部分を削除することが可能となる。図３の横軸を時間軸とした場合にも同様に、強い音の直前直後にある周波数が同程度の小さな音は聞こえない為、この部分も削除することができる。

これらの心理聴覚分析処理の中身は、従来技術を用いることになり本発明の範囲外となる。従来技術としては、ISO-MPEG Audio Layer3の規格や、特開２００２−３１１９９７号公報にあるオーディオ信号符号化装置に開示のある手法や、特開２００２―２３７９９号公報にある音声符号化装置及びそれに用いる心理聴覚分析方法に開示のある手法などがある。
以上の最小可聴限界処理及びマスキング効果処理を心理聴覚分析処理部１２で実行することにより、複雑な波形となる任意の音響信号の複雑度が軽減され、再生される可聴周波数帯の信号音の復調効率が向上することになる。

キャリア波発振源１４は、超音波帯のキャリア波を生成刷る機能を有している。
変調器１６は、キャリア波発振源１４から出力されるキャリア波を心理聴覚分析処理部１２から出力される信号波により振幅変調する機能を有する。
超音波トランスデューサ２０は、変調器１６から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中（空気中）に放射する機能を有する。
高音圧の超音波搬送波（キャリア波）を、上記のように可聴音信号（信号波）で振幅変調して空中に放射すると、空気の非線形性により、音圧の高いところでは音速が高くなり、低いところでは音速が低くなって、波形に歪みが発生する。この結果、音波が空中を伝播するに従い波形に歪みが蓄積されて徐々に搬送波成分が減衰し、変調に用いた可聴音成分が自己復調されてくる（パラメトリックアレイ効果）。超音波で搬送することによって自己復調された可聴音は鋭い指向性を有し、超音波スピーカを構成することができる。

本発明の実施形態における超音波トランスデューサ２０は、広周波数帯域の音響信号を発振することができる。超音波トランスデューサ６の具体的構成を図４に示す。同図において、静電型の超音波トランスデューサ２０は、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフクレート樹脂）等の誘電体３１（絶縁体）を用いている。誘電体３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極３３が誘電体３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極３３は、リード５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板３５に固定されている。

また、上電極３２は、リード５３が接続されており、このリード５３は直流バイアス電源５０に接続されている。この直流バイアス電源５０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され、上電極３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。５１は交流信号源（本実施形態では、パワーアンプ５の出力）である。誘電体３１および上電極３２ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられている。

下電極３３の誘電体３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極３３の表面を手作業によりヤスリで荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、超音波トランスデューサ２０の周波数特性が図５において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。

上記構成の超音波トランスデューサ２０では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３２と下電極３３との間に交流信号電圧（パワーアンプ１８の出力）が印加されるようになっている。因みに、図５に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５kHzの周波数において最大音圧に対して−３０dＢである。これに対して、上記構成の広周波数帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢ程度である。

超音波が媒質中（空気中）を伝搬する際、音波の周波数が高くなるほどその到達距離は短くなる。上記超音波トランスデューサ６は広帯域の周波数特性を有するため、信号波を搬送するキャリア波の周波数を変えて超音波トランスデューサ６を駆動することによって、自己復調される音圧レベル、すなわち再生音圧を変えることなく、再生音の到達範囲を制御することができる。
本発明に係る超音波スピーカでは、超音波トランスデューサ２０は広帯域発振型の超音波トランスデューサである必要はなく、狭帯域発振型の、すなわち共振型の超音波トランスデューサであってもよい。

上記構成からなる本実施形態に係る超音波スピーカの動作について説明する。信号源である可聴周波数波発振源１０から出力される可聴周波数帯の信号波（音響信号）が心理聴覚分析処理部１２に入力され、心理聴覚分析処理部１２は、可聴周波数帯の信号波（音響信号）に対し、心理聴覚分析に基づいて、人間が知覚不可能な信号成分を予め除去する処理を行い、人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波を変調器１６に出力する。
また、キャリア波発振源１４は、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、変調器１６に出力する。

変調器１６では、キャリア波発振源１４から入力された超音波周波数帯のキャリア波を心理聴覚分析処理部１２より入力された人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波（可聴周波数帯の音響信号）により振幅変調し、該変調信号をパワーアンプ１８に出力する。パワーアンプ１８により増幅された変調信号は、超音波トランスデューサ２０の上電極３２と下電極３３との間に印加され、該変調信号は有限振幅レベルの音波（音響信号）に変換され、媒質（空気中）に放射される。

図６に、音響信号の波形データを、可聴周波数波発振源１０から出力された信号波を音響信号に変換した元信号、心理聴覚分析処理部１２で人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波を音響信号に変換した音響信号、超音波トランスデューサ２０から媒質（空気）中を伝播後の音響信号の再生波形について示す。同図において、可聴周波数波発振源１０から出力された信号波を音響信号に変換した元信号（図６（Ａ））は、従来の超音波スピーカでは、信号波についてはキャリア波を変調する前に人間が知覚できない不要な信号成分を除去していないので、これらの信号成分が雑音成分となり、図６（Ｃ）に示すように、再生信号の音圧レベルが低下する。

これに対して、本発明では、既述したように、可聴周波数波発振源１０から出力された信号波に対して心理聴覚分析処理部１２で心理聴覚分析に基づいて、人間が知覚不可能な信号成分を予め除去する処理を行うので、人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波が得られる。この信号波を音響信号に変換した場合の音響信号の波形は図６（Ｂ）に示すように元信号に対して複雑度が軽減され、再生される可聴周波数帯の信号音の再生波形は図６（Ｄ）に示すように、音圧レベルが大きく取れ、すなわち復調効率の向上が図れる。

以上に説明したように、本実施形態にかかる超音波スピーカによれば、信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を予め除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波により信号波を搬送するキャリア波を変調し、該変調信号により超音波トランスデューサを駆動するようにしたので、複雑となる任意の音響信号の複雑度が軽減されることとなり、再生される可聴周波数帯の信号音の復調効率の向上が図れる。

本発明に係る超音波スピーカは、ホームシアター用の音源として、また、限られた空間領域において、音声情報の伝達を行うためのスピーカとして利用可能である。

本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を示すブロック図。図１に示した本発明の実施形態に係る超音波スピーカの心理聴覚分析処理部で実行する最小可聴限界処理の内容を概念的に示す説明図。図１に示した本発明の実施形態に係る超音波スピーカの心理聴覚分析処理部で実行するマスキング効果処理の内容を概念的に示す説明図。図１に示した本発明の実施形態に係る超音波スピーカの超音波トランスデューサの具体的構成を示す図。図４に示した超音波トランスデューサの周波数特性を示す特性図。可聴周波数帯の再生音の復調効率が向上する本発明の効果を説明するための説明図。キャリア波を可聴周波数帯の単調な信号波で変調したときの変調信号の周波数分布を示す図。キャリア波を可聴周波数帯の複雑な信号波で変調したときの変調信号の周波数分布を示す図。

符号の説明

１０…可聴周波数波発振源、１２…心理聴覚分析処理部、１４…キャリア波発振源、１６…変調器、１８…パワーアンプ、２０…超音波トランスデューサ

Claims

可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号を増幅するパワーアンプと、前記パワーアンプで増幅された変調信号により駆動され、当該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する静電型の超音波トランスデューサとを有し、前記超音波トランスデューサが、アルミの金属箔として形成される上電極が上面部に蒸着処理により一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極が下面部に接触するように設けられている３〜１０μｍの厚さを有する振動体としての誘電体を有し、前記下電極は第１のリードが接続されるとともに、ベース板に固定されており、前記上電極は第２のリードを介して直流バイアス電源に接続されており、前記誘電体および前記上電極ならびに前記ベース板は、複数のメタルリングならびにメッシュとともに、ケースによってかしめられており、前記下電極の誘電体側の面には、前記下電極と前記誘電体との間の空隙となり前記上電極および前記下電極間の静電容量の分布が変化するように、不均一な形状を有する数十〜数百μｍの溝が複数形成されており、周波数特性として、４０kHzから１００kHzまで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢを有しており、前記上電極に直流バイアス電源からの直流バイアス電圧が印加された状態で、前記電極と前記下電極との間に前記パワーアンプで増幅された変調信号が印加されることにより可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカの信号音再生制御方法において、
最小可聴限界処理、マスキング効果処理、および、時間軸において強い音の直前直後の音を削除する処理により、前記信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を予め除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波により前記キャリア波を変調し、該変調信号により前記超音波トランスデューサを駆動することを特徴とする超音波スピーカの信号音再生制御方法。
可聴周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、
キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、
前記変調手段から出力される変調信号を増幅するパワーアンプと、
前記パワーアンプで増幅された変調信号により駆動され、当該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する静電型の超音波トランスデューサと、
最小可聴限界処理、マスキング効果処理、および、時間軸において強い音の直前直後の音を削除する処理により、前記信号源から出力される信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波を前記変調手段に出力する不要信号成分除去手段と
を有し、
前記超音波トランスデューサが、
アルミの金属箔として形成される上電極が上面部に蒸着処理により一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極が下面部に接触するように設けられている３〜１０μｍの厚さを有する振動体としての誘電体
を有し、
前記下電極は第１のリードが接続されるとともに、ベース板に固定されており、
前記上電極は第２のリードを介して直流バイアス電源に接続されており、
前記誘電体および前記上電極ならびに前記ベース板は、複数のメタルリングならびにメッシュとともに、ケースによってかしめられており、
前記下電極の誘電体側の面には、前記下電極と前記誘電体との間の空隙となり前記上電極および前記下電極間の静電容量の分布が変化するように、不均一な形状を有する数十〜数百μｍの溝が複数形成されており、
周波数特性として、４０kHzから１００kHzまで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢを有しており、
前記上電極に直流バイアス電源からの直流バイアス電圧が印加された状態で、前記電極と前記下電極との間に前記パワーアンプで増幅された変調信号が印加される、
ことを特徴とする超音波スピーカ。