JP4783921B2 - 超指向性スピーカー - Google Patents

Description

この発明は、可聴音を極めて狭いエリアに提供する超指向性スピーカーに関するものである。

空気の非線形現象を利用して可聴音を得る従来の超指向性スピーカーは、次のように構成されている（例えば、特許文献１を参照）。
まず、音声生成器が可聴音を生成し、高周波生成器が超音波キャリア信号を生成すると、乗算器が音声生成器により生成された可聴音に高周波生成器により生成された超音波キャリア信号を乗算することにより、その可聴音を振幅変調波信号に変換する。
そして、増幅器が振幅変調器により変換された振幅変調波信号を増幅し、電気音響変換器が増幅器により増幅された振幅変調波信号を超音波に変換し、その超音波を放射する。
電気音響変換器から放射される超音波は、強力超音波である有限振幅音波として空気中を伝播する過程で非線形相互作用を起こすことにより、元の低周波成分が自己復調されて、聴取可能なものになる。

ここで、電気音響変換器が複数の超音波素子（例えば、圧電セラミック超音波素子）を用いて構成される場合、一般的な特性として、共振による音圧のピークが生成される（図６の特性Ａを参照）。
図６において、特性Ａは超音波の周波数特性を示し、特性Ｂは復調波の周波数特性を示している。
また、特性Ａのｆ₁が第１の音圧ピーク周波数を示し、ｆ₂が第２の音圧ピーク周波数を示している。特性Ａと特性Ｂの関係は次の通りである。

電気音響変換器では、変調の搬送波周波数を第１の音圧ピーク周波数ｆ₁に一致させることにより放射器を駆動する。これにより、放射された音で復調が起こり、特性Ｂが得られる。
特性Ｂの特性傾向は、第１の音圧ピーク周波数ｆ₁の音圧レベルや尖鋭度で決定される。このとき、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂が第１の音圧ピーク周波数ｆ₁に近い場合、特性Ｂの高域側に音圧ピークＦ₂が現れる。
よって、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂によるピークによって特性Ｂの音圧ピークＦ₂が決まる。

特開２００３−０４７０９６号公報（段落番号［００１２］、図２）

従来の超指向性スピーカーは以上のように構成されているので、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂が現れることにより、可聴音の音圧周波数特性である復調波周波数特性に音圧ピークＦ₂が現れて、復調波周波数特性がフラットにならず、例えば、低中域の音圧レベルが低くなることがある課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、可聴音の音圧周波数特性をフラットにして、所定の帯域の音圧レベルの低下を抑えることができる超指向性スピーカーを得ることを目的とする。

この発明に係る超指向性スピーカーは、超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数より高い第２の音圧ピーク周波数が相互に異なる複数の超音波素子群を用いて、電気音響変換器を構成するようにしたものである。

この発明によれば、超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数より高い第２の音圧ピーク周波数が相互に異なる複数の超音波素子群を用いて、電気音響変換器を構成するようにしたので、可聴音の音圧周波数特性がフラットになり、所定の帯域の音圧レベルの低下を抑えることができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による超指向性スピーカーを示す構成図であり、図において、音声生成器１は可聴音を生成する処理を実施する。
振幅変調器２は音声生成器１により生成された可聴音を振幅変調して、その可聴音を振幅変調波信号に変換する処理を実施する。
振幅変調器２の高周波生成器３は超音波キャリア信号を生成する処理を実施する。振幅変調器２の乗算器４は音声生成器１により生成された可聴音に高周波生成器３により生成された超音波キャリア信号を乗算することにより、その可聴音を振幅変調波信号に変換する処理を実施する。

増幅器５は振幅変調器２により変換された振幅変調波信号を増幅する処理を実施する。
電気音響変換器６は増幅器５により増幅された振幅変調波信号を超音波に変換する複数の超音波素子群を用いて構成されており、複数の超音波素子群により変換された超音波を放射する。
電気音響変換器６を構成している複数の超音波素子群は、超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数ｆ₁が同一値であり、第１の音圧ピーク周波数ｆ₁より高い第２の音圧ピーク周波数ｆ₂が相互に異なっている。

図２はこの発明の実施の形態１による超指向性スピーカーの電気音響変換器を示す構成図である。
図２では電気音響変換器６における超音波素子の配置例を示しており、超音波素子１１，１２，１３の超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数ｆ₁は同一値であるが、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂は相互に異なっている。

次に動作について説明する。
電気音響変換器６を構成している超音波素子１１，１２，１３の超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数ｆ₁が異なる場合、変調率が悪くなり、復調波の平均音圧レベルが低下する。
しかし、この実施の形態１では、上述したように、超音波素子１１，１２，１３の超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数ｆ₁が同一値であるため、変調率の悪化を防止して、復調波の平均音圧レベルの低下を抑えることができる。
ただし、超音波素子１１，１２，１３の第１の音圧ピーク周波数ｆ₁が完全に同一値でなくても、略同一値であれば、ある程度、復調波の平均音圧レベルの低下を抑えることができる。

図３は電気音響変換器６における超音波素子１１，１２，１３の音圧周波数特性及び合成特性を示す説明図である。
図３の例では、超音波素子１１，１２，１３の第１の音圧ピーク周波数ｆ₁は共に４０ｋＨｚである。
しかし、超音波素子１１，１２，１３の第２の音圧ピーク周波数ｆ₂は相互に異なり、超音波素子１１の第２の音圧ピーク周波数ｆ₂は５０ｋＨｚ、超音波素子１２の第２の音圧ピーク周波数ｆ₂は４６ｋＨｚ、超音波素子１３の第２の音圧ピーク周波数ｆ₂は４３ｋＨｚである。

このように、超音波素子１１，１２，１３の第２の音圧ピーク周波数ｆ₂が相互に異なることにより、超音波素子１１，１２，１３の音圧周波数波形が合成された合成特性Ａがフラットな特性になる。
このため、復調波に現れる音圧ピークＦ₂の周波数は、超音波素子１１が１０ｋＨｚ、超音波素子１２が６ｋＨｚ、超音波素子１３が３ｋＨｚになる。
これにより、電気音響変換器６から放射される超音波の音圧周波数波形、即ち、超音波素子１１，１２，１３の復調波周波数特性が合成された合成特性Ｂがフラットな特性になる。

ここで、超音波素子１１，１２，１３が圧電セラミック超音波素子であるとして、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂を変える方法例について説明する。
図４は圧電セラミック超音波素子を示す断面図であり、図において、圧電材２１は増幅器５により増幅された振幅変調波信号に応じた電圧が印加されることにより伸縮振動する部材である。
保持材２２は圧電材２１を保持する部材である。
金属板２３は圧電材２１と結合しており、圧電材２１の伸縮振動に伴って振動する部材である。
コーン２４は金属板２３と結合しており、金属板２３の振動に伴って振動することにより超音波を発生する部材である。

圧電材２１は、増幅器５により増幅された振幅変調波信号に応じた電圧が印加されることにより伸縮振動する。
これにより、金属板２３が圧電材２１の伸縮振動に伴って振動し、コーン２４が金属板２３の振動に伴って振動することにより超音波を発生する。
圧電セラミック超音波素子において、音圧ピーク周波数では、コーン２４の振幅変位が金属板の振動変位より大きいため、音圧ピーク周波数及び音圧レベルは、特に振動変位が大きいコーン２４の形状により決まる。
したがって、コーン２４の形状、コーン２４の角度、コーン２４の厚み・質量・硬度などを変えれば、圧電セラミック超音波素子の挙動を変えて、音圧ピーク周波数、特に、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂を変化させることができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数ｆ₁より高い第２の音圧ピーク周波数ｆ₂が相互に異なる超音波素子１１，１２，１３を用いて、電気音響変換器６を構成するようにしたので、可聴音の音圧周波数特性（図３の合成特性Ｂ）がフラットになり、所定の帯域（例えば、低中域）の音圧レベルの低下を抑えることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、超音波素子１１，１２，１３の超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数ｆ₁が同一値であるように構成したので、変調率の悪化を防止して、復調波の平均音圧レベルの低下を抑えることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、電気音響変換器６を構成している超音波素子１１，１２，１３の割合が均一になるように配置しているので（図２を参照）、可聴域の全域に亘って音圧レベルを平均的に高めることができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、電気音響変換器６を構成している超音波素子１１，１２，１３の割合が均一になるように配置しているものについて示したが（図２を参照）、図５に示すように、超音波素子１１，１２，１３の割合が不均一になるように配置してもよい。
図５の例では、超音波素子１１の個数が、超音波素子１２，１３の個数より多くなるように配置されている。
これにより、特定の周波数帯域の音圧レベルを上げることが可能になる。

例えば、低中音域の音圧レベルを大きくしたいときは、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂を第１の音圧ピーク周波数ｆ₁に近づければよいので、音圧ピークＦ₂の山が低中音域に現れる超音波素子の個数を多めに配列すればよい。因みに、第２の音圧ピーク周波数ｆ₂の値を全て同一値にして配列すれば、音圧ピークＦ₂の音圧レベルが高くなる。
なお、図２及び図５では、寸法が大きな超音波素子を少数で構成している一例を示しているが、小径の素子を多数（数十個ないし数百個）で構成することができることは言うまでもない。その場合には、超音波素子を分散させたり、領域に分けたりする配列が可能になる。

この発明の実施の形態１による超指向性スピーカーを示す構成図である。 この発明の実施の形態１による超指向性スピーカーの電気音響変換器を示す構成図である。 電気音響変換器における超音波素子の音圧周波数特性及び合成特性を示す説明図である。 圧電セラミック超音波素子を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による超指向性スピーカーの電気音響変換器を示す構成図である。 超音波素子の音圧レベルと周波数の関係を表す音圧周波数特性を示す説明図である。

符号の説明

１ 音声生成器、２ 振幅変調器、３ 高周波生成器、４ 乗算器、５ 増幅器、６ 電気音響変換器、１１，１２，１３ 超音波素子、２１ 圧電材、２２ 保持材、２３ 金属板、２４ コーン。

Claims (4)

1. 可聴音を生成する音声生成器と、上記音声生成器により生成された可聴音を振幅変調して、上記可聴音を振幅変調波信号に変換する振幅変調器と、上記振幅変調器により変換された振幅変調波信号を超音波に変換する複数の超音波素子を用いて構成され、上記複数の超音波素子により変換された超音波を放射する電気音響変換器とを備えた超指向性スピーカーにおいて、超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数より高い第２の音圧ピーク周波数が相互に異なる複数の超音波素子群を用いて、上記電気音響変換器を構成していることを特徴とする超指向性スピーカー。
2. 複数の超音波素子群の超音波再生周波数における第１の音圧ピーク周波数が同一値であることを特徴とする請求項１記載の超指向性スピーカー。
3. 電気音響変換器を構成している複数の超音波素子群の割合が均一であることを特徴とする請求項２記載の超指向性スピーカー。
4. 電気音響変換器を構成している複数の超音波素子群の割合が不均一であることを特徴とする請求項２記載の超指向性スピーカー。

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