JP4799303B2 - 変調器及び超指向性音響装置 - Google Patents

Description

この発明は、超音波帯域のキャリア波を用いて可聴音声を狭いエリアに放射する変調器及び超指向性音響装置に関するものである。

可聴音声を示すオーディオ信号で超音波帯域のキャリア波を振幅変調すると、キャリア波の両側の周波数帯域にサイドバンドが発生する。狭いエリア内のみで聴取できるように音声を放射するときには、超音波帯域のキャリア波とその両側帯域に生じる二つのサイドバンドによる相互作用を用いて超音波から可聴音声を復調し、パラメトリック音のオーディオ再生を行っている。このような復調では可聴音声波に歪が生じるため、可聴音声で超音波を変調するとき、オーディオ信号の包絡線を忠実に抽出し、これにオーディオ信号を加算して平方根を求め、これにキャリア波を示す信号を掛算して変調信号を生成している。また、オーディオ信号に対して周波数を１／２とした非変調信号を生成し、この信号を用いて変調信号の振幅を補正して上記の歪を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１２３６９９号公報（第３，４頁、第１〜３図）

従来の超指向性音響装置は以上のように構成されているので、オーディオ信号を加算して平方根処理を行う際に被変調波の帯域が信号上で広がってしまい、広帯域の超音波を発生することができる超音波エミッタを使用しないと歪が増えてしまう。また、１／２の周波数の被変調波を発生させて変調信号の振幅を補正すると、回路構成が複雑になって変調信号に各回路動作に起因する歪成分が含まれてしまうという課題があった。

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、超音波から自己復調した可聴音声の歪が抑制されるように超音波を発生させ、また消費電力を抑制して動作する変調器及び超指向性音響装置を得ることを目的とする。

この発明に係る変調器は、オーディオ信号のレベルを調整するゲイン調整手段と、ゲイン調整手段からの出力の振幅を圧縮調整する振幅圧縮手段と、振幅圧縮手段からの出力の包絡線情報を生成する包絡線情報生成手段と、超音波帯域のキャリア波となるキャリア信号及び包絡線情報生成手段からの包絡線情報を用いた演算を行って包絡線情報を含むキャリア波となる包絡線キャリア波信号を生成する包絡線キャリア波信号生成手段と、オーディオ信号でキャリア信号をＳＳＢ変調するＳＳＢ変調手段とを備えるものである。

この発明に係る超指向性音響装置は、可聴音であるオーディオ信号のレベルを調整するゲイン調整手段と、ゲイン調整手段からの出力の振幅を圧縮調整する振幅圧縮手段と、振幅圧縮手段からの出力の包絡線情報を生成する包絡線情報生成手段と、キャリア波生成手段の生成した超音波帯域のキャリア波となるキャリア信号及び包絡線情報生成手段からの包絡線情報を用いた演算を行って包絡線情報を含むキャリア波となる包絡線キャリア波信号を生成する包絡線キャリア波信号生成手段と、オーディオ信号でキャリア信号をＳＳＢ変調して空気中で可聴音に自己復調する超音波を示す変調信号を生成するＳＳＢ変調手段と、変調信号及び包絡線キャリア波信号を増幅する増幅手段と、増幅手段が増幅した変調信号及び包絡線キャリア波信号を用いて超音波を発生する超音波エミッタとを備えるものである。

この発明によれば、包絡線キャリア波信号生成手段がオーディオ信号の包絡線情報とキャリア波を示すキャリア信号から包絡線キャリア波信号を生成し、ＳＳＢ変調手段が包絡線キャリア波信号に対応させてオーディオ信号の変調信号を生成して、増幅手段が増幅した変調信号及び包絡線キャリア波信号を用いて超音波を発生させるようにしたので、歪を抑制した可聴音声を放射することができ、またオーディオ信号が無音に等しいときにはキャリア波の発生を抑制して省電力化を図ることができるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
超音波のキャリア波を用いて狭いエリアのみで聴取できるように可聴音声を放射するとき、二つのサイドバンドを有する、即ちＤＳＢ変調を行った超音波から可聴音声へ自己復調すると歪成分が含まれる。振幅変調を行ったときに生じる二つのサイドバンドのうち、一方のサイドバンドを除去したＳＳＢ変調を用いると、例えば、上側波帯の信号を除去して下側波帯のサイドバンドのみを用いるとサイドバンド同士の相互作用が起こらないことから、オーディオ信号に忠実なパラメトリック音が再生され、原理的には復調した可聴音声から歪が無くなる。なお、実際にはＳＳＢ変調を行ったときでも歪は生じるが、ＤＳＢ変調に比べて非常に小さいものになる。また、ＤＳＢ変調を施した超音波とＳＳＢ変調を施した超音波を比較すると、伝搬特性は概ね同様である。
この発明の実施の形態１による変調器及び超指向性音響装置は、前述のように低歪のオーディオ信号を再生する観点からＳＳＢ変調を用いて変調した超音波を放射し、当該超音波から歪の少ない可聴音声へ自己復調させるものである。

図１は、この発明の実施の形態１による超指向性音響装置の概略構成を示すブロック図である。図示した変調器１は、外部からオーディオ信号を入力し、超音波帯域のキャリア波を示す包絡線キャリア波信号とＳＳＢ変調による変調信号とを生成し、当該包絡線キャリア波信号と変調信号とを切り替えスイッチ部２へ出力する。また、切り替えスイッチ部２から出力された各信号を増幅器３ａと増幅器３ｂへ入力し、増幅器３ａ，３ｂの各出力信号は、超音波を発生する超音波エミッタ４へ入力するように構成されている。

図２は、実施の形態１による超指向性音響装置の変調器の構成を示すブロック図である。この図は、図１に示した変調器１の構成を表したものである。ゲイン調整部１１は、オーディオ信号を入力し、ゲイン調整を行った信号を振幅圧縮部１２へ出力する。振幅圧縮部１２は出力信号を包絡線抽出部１３及びＳＳＢ変調部１６へ出力する。包絡線抽出部１３は、生成した包絡線情報を示す信号を掛算部１５へ出力する。キャリア波発生部１４は、超音波帯域のキャリア波を示すキャリア信号を生成して掛算部１５及びＳＳＢ変調部１６へ出力する。掛算部１５は、演算処理によって生成した包絡線キャリア波信号を変調器１の外部へ出力する。また、ＳＳＢ変調部１６は、ＳＳＢ変調を行った変調信号、詳しくはオーディオ信号で超音波帯域のキャリア波を振幅変調し、この変調によって発生した上側波帯あるいは下側波帯のいずれか一方のサイドバンド成分を示すＳＳＢ変調信号（以下、変調信号と記載する）を変調器１の外部へ出力するように構成されたもので、例えば、後述するようにウエーバー式ＳＳＢ変調を行うデジタル回路またはプログラム等である。

次に動作について説明する。
図１に示した変調器１は、可聴音声を示すオーディオ信号で超音波を表す信号をＳＳＢ変調し、生成した変調信号を例えば切り替えスイッチ部２を介して増幅器３ｂへ出力する。一方、変調器１は、オーディオ信号の包絡線を抽出して包絡線情報を生成し、さらに包絡線情報に基づいてキャリア波の包絡変調を行って、生成した包絡線キャリア波信号を例えば切り替えスイッチ部２を介して増幅器３ａへ出力する。上記の変調信号ならびに包絡線キャリア波信号は、いずれも超音波を表す信号で、同一の可聴音声を表すように同期させて生成／出力されるものである。包絡線キャリア波信号は増幅器３ａ、変調信号は増幅器３ｂによって増幅されて超音波エミッタ４を駆動する。
包絡変調を施した超音波、即ち包絡線キャリア波信号を用いることにより、例えば無音などのようにオーディオ信号レベルが極めて小さくなったときには、超音波エミッタ４にキャリア波の超音波を発生させず、有意な音声を表しているオーディオ信号のみに対応してキャリア波を発生させるようにして、超音波エミッタ４を駆動する電力の省力化を図る。

変調器１は、前述のようにオーディオ信号を外部から入力し、次のように処理動作を行う。初めに上記のオーディオ信号のレベルを、ゲイン調整部１１を用いて後述する処理が可能な信号レベルへ調整する。
ゲイン調整器１１から出力されたオーディオ信号は、振幅圧縮部１２によって振幅の大きさが調整される。この振幅調整は、変調器１の入力したオーディオ信号が表す音量と超音波エミッタ４から出力されるパラメトリック音の音量とのリニアリティが確保されるように行う。換言すると、元来のオーディオ信号が表していた音量と、後述するように処理されて空気中へ放射された可聴音声の音量が直線的な比例関係を有するように、ゲイン調整部１１から入力したオーディオ信号の振幅を圧縮／調整する。

包絡線抽出部１３は、振幅圧縮部１２によって振幅の圧縮／調整が施されたオーディオ信号の包絡線を抽出する。これは、例えば一定時間毎に上記のオーディオ信号のレベル値を検出して、順次検出している値を連続させたものを包絡線情報として出力する。なお、上記の検出処理は、オーディオ信号の可聴音声成分の変化を精度よく表すようにサンプリングし、オーディオ信号の包絡線を忠実に抽出する。また、包絡線は、超音波エミッタ４から出力させる超音波帯域のキャリア波を制御するものなので、当該キャリア波を可聴音声帯域で変調することにならないように、高くても数十［Ｈｚ］程度までの周波数で変化するように抽出する。
キャリア波発生部１４は、例えば３０〜５０［ｋＨｚ］程度の周波数ｆｃを有する超音波を超音波エミッタ４に発生させるキャリア信号を生成し、前述のように掛算部１５とＳＳＢ変調部１６へ出力する。
掛算部１５は、キャリア波発生部１４から入力したキャリア信号と包絡線抽出部１３から入力した包絡線情報とを掛算する演算処理を行い、オーディオ信号の包絡線振幅に応じてキャリア波の振幅を変調する。この振幅変調によって生成した包絡線キャリア波信号を切り替えスイッチ部２へ出力する。

ＳＳＢ変調部１６は、前述のように振幅圧縮部１２から出力されたオーディオ信号と、キャリア波周波数ｆｃを示す例えばキャリア波発生部１４から出力されたキャリア信号を使用して、ウエーバー式ＳＳＢ変調による上側波帯あるいは下側波帯のサイドバンド成分を示す変調信号を生成する。
図３は、実施の形態１による変調器に備えられるＳＳＢ変調部の概略構成と動作を示す説明図である。この図は、図２に示したＳＳＢ変調部１１の一例を示したもので、ウエーバー式ＳＳＢ変調部の要部と動作を表している。
ここで、実施の形態１による変調器及び超指向性音響装置で取り扱うオーディオ信号の周波数帯域を、例えば０．５［ｋＨｚ］〜８．０［ｋＨｚ］の範囲とする。この帯域中心は４．２５［ｋＨｚ］になる。なお、一般的には０．３［ｋＨｚ］〜１０．０［ｋＨｚ］程度の周波数帯域をオーディオ信号として取り扱うことが多く、このような周波数帯域に対応させて上記の帯域中心の周波数を設定し、後述するように正弦波発生部２０などを動作させる。
正弦波発生部２０は、この周波数４．２５［ｋＨｚ］を示す正弦波信号を生成し、移相部２１と掛算部２３へ出力する。移相部２１は入力した信号の位相をπ／２［ｒａｄ．］進めて掛算部２２へ出力する。

掛算部２２は、振幅圧縮部１２から出力されたオーディオ信号と上記の移相部２１からの正弦波信号とを掛算処理し、位相がπ／２［ｒａｄ．］進んでいる４．２５［ｋＨｚ］の正弦波を副搬送波としてオーディオ信号の振幅変調、換言するとＤＳＢ変調を行った信号を生成し、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと記載する）２４ａへ出力する。ＬＰＦ２４ａは、遮断する出端の周波数が４．２５［ｋＨｚ］の低域通過フィルタで、掛算部２２から入力した信号の上側帯域の成分をカットし、下側波帯のみのサイドバンドを示す信号を出力する。
一方、掛算部２３は、振幅圧縮部１２から出力されたオーディオ信号と正弦波発生部２０からの信号とを掛算処理し、位相がずれていない４．２５［ｋＨｚ］の正弦波を副搬送波としてオーディオ信号の振幅変調、換言するとＤＳＢ変調を行った信号を生成し、ＬＰＦ２４ｂへ出力する。ＬＰＦ２４ｂは、ＬＰＦ２４ａと同様に遮断する出端の周波数が４．２５［ｋＨｚ］の低域通過フィルタで、掛算部２３から入力した信号の上側帯域の成分をカットし、下側波帯のみのサイドバンドを示す信号を出力する。

基準周波数発生部２５は、例えば図３では図示を省略したキャリア波発生部１４からの周波数ｆｃのキャリア信号を用いて、ｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］あるいはｆｃ−４．２５［ｋＨｚ］の周波数を有する正弦波を示す基準周波数信号を生成し、移相部２６と掛算部２８へ出力する。移相部２６は、移相部２１と同様に、入力した基準周波数信号の位相をπ／２［ｒａｄ．］進めて掛算部２７へ出力する。なお、後述するように変調動作に応じてｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］あるいはｆｃ−４．２５［ｋＨｚ］のどちらかを基準周波数として設定する。また、上記のようにキャリア波発生部１４から出力されているキャリア信号を用いて基準周波数信号を生成するようにしても、基準周波数発生部２５自らにキャリア波周波数ｆｃを設定しておき、ｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］あるいはｆｃ−４．２５［ｋＨｚ］の基準周波数信号を生成する、あるいはｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］，ｆｃ−４．２５［ｋＨｚ］の値を自らに設定しておいて生成するようにしてもよい。

掛算部２７は、ＬＰＦ２４ａの出力信号と移相部２６からの基準周波数信号とを掛算処理し、位相がπ／２［ｒａｄ．］進んでいるｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］の正弦波を基準として掛算処理を行った信号、詳しくは上側波帯と下側波帯の位相が逆転している信号を出力する。
一方、掛算部２８は、ＬＰＦ２４ｂの出力信号と基準周波数発生部２５からの基準周波数信号とを掛算処理し、位相がずれていないｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］の正弦波を基準として掛算処理を行った信号、詳しくは上側波帯と下側波帯の位相が同相の信号を出力する。

例えば、変調器１が上側波帯を用いた変調信号を出力するときには、基準周波数発生部２５がｆｃ＋４．２５［ｋＨｚ］の基準周波数信号を発生して上記の処理を行い、掛算部２７の出力信号と掛算部２８の出力信号とを加算部２９で加算する。この加算処理により、位相の逆転している成分が打ち消され、同相となっている上側波帯の成分を有する変調信号が生成される。
また、変調器１が下側波帯を用いた変調信号を出力するときには、図３の加算部２９に替えて減算部を備え、基準周波数発生部２５がｆｃ−４．２５［ｋＨｚ］の基準周波数信号を発生して上記の処理を行い、上記の減算部を用いて掛算部２８の出力信号から掛算部２７の出力信号を減算する。この減算処理により下側波帯の成分を有する変調信号が生成される。

ＳＳＢ変調部１６が、上側波帯と下側波帯のどちらを用いた変調信号を生成するかは、超音波エミッタ４の音圧周波数特性に応じて効率よく超音波を発生させることができる帯域を使用するように定めて、これまで説明したように動作させる。なお、ＳＳＢ変調部１６としてウエーバー式ＳＳＢ変調器を用いたものを例示して説明したが、ＳＳＢ変調部１６は、ウエーバー式ＳＳＢ変調器のように不要側波帯などが出力信号から除かれ、キャリア波の周波数とオーディオ信号の周波数帯域の周波数比がそれほど大きくないときでも良好に振幅変調を行うことができるものであればよく、ウエーバー式ＳＳＢ変調器に限定されない。

図４は、実施の形態１による超指向性音響装置の切り替えスイッチ部の構成を示す説明図である。この図は、図１の切り替えスイッチ部２の接続構成例を示したもので、キャリア波とサイドバンドとを空気中で音響的に混ぜ合わせる分離型方式と、包絡線キャリア波信号と変調信号を電気的に加算してから超音波を発生させる混合型方式の動作切り替えを行うものである。
図４に例示したものは、接点ａへの接続と接点ｂへの接続とを四連動で切り替える切り替えスイッチを用いて配線接続を構成したもので、接点ａに切り替え接続したとき、変調器１から入力した包絡線キャリア波信号を増幅器３ａへ入力し、また、変調器１からの変調信号を増幅器３ｂへ入力するように接続構成されている。接点ｂへ切り替え接続したときには、切り替えスイッチ部２自らに備えられている加算部３１へ包絡線キャリア波信号と変調信号とを入力し、これらの信号を加算して加算部３１の出力信号を増幅器３ａと増幅器３ｂへ入力するように接続構成されている。
前述の分離型方式は、混合型方式に比べて超音波エミッタ４の駆動電力から可聴音声の音響パワーへの変換効率が若干低下するが、超音波エミッタ４が有している非線形特性の影響を受けにくく、より指向性の鋭い可聴音声の放射を行うことができる。設置場所の音環境等に応じて、切り替えスイッチ部２を用いて動作態様を選択／設定する。

一般に超音波エミッタ４は、多数のエミッタ素子を並べて構成されている。このような超音波エミッタ４を使用するとき、前述の分離型方式で動作させたとき良好な可聴音声の超指向性放射が行われるように、並んでいる各エミッタ素子へ増幅器３ａの出力信号と増幅器３ｂの出力信号とを、例えば市松模様状に配置してそれぞれ交互に入力するように電気接続を行って超音波を発生させる。また、超音波エミッタ４を構成するエミッタ素子の総数の概ね半数に変調信号を入力し、残り半数のエミッタ素子へ包絡線キャリア波信号を入力して励振させる。このように接続構成して超音波を発生させると、空気中において前述の音響的な混ぜ合せが良好に行われ、歪の少ない可聴音声が効率よく復調して、鋭い指向性を示しながら限られたエリアへ放射される。

以上のように実施の形態１によれば、変調器１がオーディオ信号の包絡線情報を含む包絡線キャリア波信号と、オーディオ信号でＳＳＢ変調を行った変調信号とを生成し、超音波エミッタ４が包絡線キャリア波信号と変調信号とを用いて超音波放射を行うようにしたので、歪を抑えた可聴音声を狭いエリアへ放射することができ、また、オーディオ信号の表す可聴音声が無音に等しいときにはキャリア波の発生を抑えて省電力化を図ることができるという効果がある。
また、オーディオ信号が無音に等しいときには強い超音波を発生しないので、人の聴覚に対する暴露を低減することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１による超指向性音響装置の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１による超指向性音響装置の変調器の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による変調器に備えられるＳＳＢ変調部の概略構成と動作を示す説明図である。 実施の形態１による超指向性音響装置の切り替えスイッチ部の構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 変調器、２ 切り替えスイッチ部、３ａ，３ｂ 増幅器、４ 超音波エミッタ、１１ ゲイン調整部、１２ 振幅圧縮部、１３ 包絡線抽出部、１４ キャリア波発生部、１５，２２，２３，２７，２８ 掛算部、１６ ＳＳＢ変調部、２０ 正弦波発生部、２１，２６ 移相部、２４ａ，２４ｂ ＬＰＦ、２５ 基準周波数発生部、２９，３１ 加算部。

Claims (6)

1. 可聴音であるオーディオ信号とキャリア波発生手段が生成した超音波帯域のキャリア波となるキャリア信号とを入力し、前記キャリア信号をオーディオ信号で振幅変調して、超音波エミッタから放射したとき空気中で可聴音に自己復調する超音波を示す信号を生成する変調器において、
   前記オーディオ信号のレベルを調整するゲイン調整手段と、
   前記ゲイン調整手段からの出力の振幅を圧縮調整する振幅圧縮手段と、
   前記振幅圧縮手段からの出力の包絡線情報を生成する包絡線情報生成手段と、
   超音波帯域のキャリア波となるキャリア信号及び前記包絡線情報生成手段からの包絡線情報を用いた演算を行って包絡線情報を含むキャリア波となる包絡線キャリア波信号を生成する包絡線キャリア波信号生成手段と、
   前記オーディオ信号でキャリア信号をＳＳＢ変調するＳＳＢ変調手段と、
   を備えることを特徴とする変調器。
2. ＳＳＢ変調手段は、ウエーバー式ＳＳＢ変調手段から成ることを特徴とする請求項１記載の変調器。
3. 可聴音であるオーディオ信号のレベルを調整するゲイン調整手段と、
   前記ゲイン調整手段からの出力の振幅を圧縮調整する振幅圧縮手段と、
   前記振幅圧縮手段からの出力の包絡線情報を生成する包絡線情報生成手段と、
   キャリア波生成手段の生成した超音波帯域のキャリア波となるキャリア信号及び前記包絡線情報生成手段からの包絡線情報を用いた演算を行って包絡線情報を含むキャリア波となる包絡線キャリア波信号を生成する包絡線キャリア波信号生成手段と、
   前記オーディオ信号でキャリア信号をＳＳＢ変調して空気中で可聴音に自己復調する超音波を示す変調信号を生成するＳＳＢ変調手段と、
   前記変調信号及び包絡線キャリア波信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段が増幅した変調信号及び包絡線キャリア波信号を用いて超音波を発生する超音波エミッタと、
   を備える超指向性音響装置。
4. ＳＳＢ変調手段は、ウエーバー式ＳＳＢ変調手段から成ることを特徴とする請求項３記載の超指向性音響装置。
5. 増幅手段は、第一増幅手段と第二増幅手段とから成り、
   加算手段を用いて包絡線キャリア波信号及び変調信号を加算した信号を前記第一増幅手段及び第二増幅手段で増幅させる接続と前記包絡線キャリア波信号を第一増幅手段で増幅させると共に前記変調信号を第二増幅手段で増幅させる接続とを切り替える切り替え手段を備えることを特徴とする請求項３または請求項４記載の超指向性音響装置。
6. 第一増幅手段は、超音波エミッタを成す一部のエミッタ素子へ包絡線キャリア波信号を出力し、
   第二増幅手段は、前記超音波エミッタの残りのエミッタ素子へ変調信号を出力することを特徴とする請求項５記載の超指向性音響装置。

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