JP6274497B2 - Parametric speaker - Google Patents

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Description

本発明は、パラメトリックスピーカ、特に、歪成分を低減し、高音質の再生音を得ることができるパラメトリックスピーカに関する。   The present invention relates to a parametric speaker, and more particularly to a parametric speaker that can reduce distortion components and obtain high-quality reproduced sound.

通常のスピーカに比べて格段に指向性の狭い(鋭い)音場を生成できるスピーカとして、パラメトリックスピーカが知られている。このパラメトリックスピーカは、近年、展示物のブースごとの個別案内、交通バリアフリーでの音による注意喚起や誘導等に適用できるように研究開発がなされ実用化も進んでいる。
パラメトリックスピーカの特長としては、指向性が非常に鋭く、特定の空間にいる人だけに限定的に音を聞かせることができる点にある。この特長によって、個別案内や、周囲の静音化を実現できるため、競技場、劇場、学校等の公共施設やアミューズメント施設での案内、鉄道や交通機関等への導入が期待されている。例えば、実際に、観光名所等での導入も行われており、また、駅の特定のホームにいる人にだけアナウンスを流したり、エスカレーターにおいて、乗降する人にのみ注意を促すようなことも可能であり、音の反響、残響が激しいトンネルにおける、災害時の避難誘導への利用も期待されている。さらに、アミューズメント施設における大音量のゲーム機の騒音低下への応用研究や、横断歩道の視覚障害者用音響信号機に設置して、視覚障害者へアナウンスを流し、同時に周辺環境の静音化を実現するための応用研究もされている。
このように、指向性が非常に鋭く、周囲の静音化が実現できるパラメトリックスピーカは、騒音が社会問題となっている近代社会において、様々な分野での応用が期待される技術である。
A parametric speaker is known as a speaker that can generate a sound field with a much narrower directivity than a normal speaker. In recent years, this parametric speaker has been researched and developed so that it can be applied to individual guidance for each booth of exhibits, traffic alert-free alerting and guidance, etc.
The feature of the parametric speaker is that directivity is very sharp and only a person in a specific space can hear the sound limitedly. Because of this feature, it is possible to achieve individual guidance and quieter surroundings. Therefore, guidance in public facilities such as stadiums, theaters, schools, and amusement facilities, and introduction to railways and transportation facilities are expected. For example, it is actually introduced at tourist attractions, etc., and announcements can be given only to people at specific platforms in the station, or escalators can be alerted only to those who get on and off. It is also expected to be used for evacuation guidance at the time of disaster in tunnels where sound reverberation and reverberation are intense. Furthermore, applied research on noise reduction of high-volume game consoles at amusement facilities, and installed in acoustic traffic lights for visually impaired people at pedestrian crossings, to make announcements to visually impaired people, and at the same time realize quietness of the surrounding environment Applied research is also being conducted.
As described above, the parametric loudspeaker that has very directivity and can realize the quietness of surroundings is a technology that is expected to be applied in various fields in a modern society where noise is a social problem.

ここで、パラメトリックスピーカの再生原理としては、強力な超音波を放射して、その伝搬過程における空気の非線形性を利用して可聴音を得るというものである。このパラメトリックスピーカの基本構成については、図1に示すように、外部音源5と、キャリア信号源6と、変調手段2と増幅手段3と超音波放射手段4とを備えるものであり、かかる基本構成において、入力の可聴信号を伝送処理し、超音波放射手段4から放射することで、音源の再生音を得る。
変調手段2は、可聴信号を用いて超音波帯域のキャリア信号の変調処理を行う手段であり、例えば、変調器によって実現される。増幅手段3は、得られた変調信号を増幅して超音波放射手段4へと供給する手段であり、例えば、増幅器によって実現される。また、超音波放射手段4は、単数又は複数の超音波エミッタから構成されるのが一般的である。超音波放射手段4から放射された変調超音波から可聴信号を得るための復調処理は、空気中を伝搬する超音波の自己復調現象を利用する。
Here, the reproduction principle of the parametric speaker is that a strong ultrasonic wave is emitted and an audible sound is obtained by utilizing the nonlinearity of air in the propagation process. As shown in FIG. 1, the basic configuration of this parametric speaker includes an external sound source 5, a carrier signal source 6, a modulation means 2, an amplification means 3, and an ultrasonic radiation means 4, and such a basic configuration. , The input audible signal is subjected to transmission processing and radiated from the ultrasonic radiation means 4 to obtain a reproduced sound of the sound source.
The modulation unit 2 is a unit that performs modulation processing of an ultrasonic band carrier signal using an audible signal, and is realized by, for example, a modulator. The amplifying unit 3 is a unit that amplifies the obtained modulation signal and supplies it to the ultrasonic radiation unit 4 and is realized by, for example, an amplifier. The ultrasonic radiation means 4 is generally composed of one or a plurality of ultrasonic emitters. The demodulation process for obtaining an audible signal from the modulated ultrasonic wave radiated from the ultrasonic radiation means 4 utilizes the self-demodulation phenomenon of the ultrasonic wave propagating in the air.

なお、上述したパラメトリックスピーカについて、概略構成(図2)に基づいて、可聴信号を変調し、再生音を放射する流れの一例について説明する。
s(t )で外部音源からの可聴信号を表現し、信号を時間領域(t )と角周波数領域(ω)で扱う場合、変調手段で生成された変調信号f(t )は、以下の式(1)によって表される。

Figure 0006274497
ここで、ωcはキャリア信号の角周波数、e (t )は包絡線関数を示す。
例えば、振幅変調(AM)の場合には、mを変調度として、
Figure 0006274497
と表される。また、位相変調(Phase Modulation, PM)であれば、mを変調指数として、
Figure 0006274497
で表される。
また、増幅手段で増幅された信号v (t )は、時間領域では変調信号f(t )をK' 倍したものとして、v (t ) = K' f (t )と表され、周波数領域ではV(ω) = K' F (ω)と表される。
さらに、超音波放射手段から放射される音源音圧をp(t )と表わし、パラメトリック差音の音圧をpS(t )と表わす。 Note that an example of the flow of modulating the audible signal and radiating the reproduced sound will be described based on the schematic configuration (FIG. 2) of the parametric speaker described above.
When an audible signal from an external sound source is expressed by s (t) and the signal is handled in the time domain (t) and the angular frequency domain (ω), the modulation signal f (t) generated by the modulation means is expressed by the following equation: It is represented by (1).
Figure 0006274497
Here, ω c represents the angular frequency of the carrier signal, and e (t) represents the envelope function.
For example, in the case of amplitude modulation (AM), m is a modulation degree,
Figure 0006274497
It is expressed. For phase modulation (PM), m is the modulation index,
Figure 0006274497
It is represented by
The signal v (t) amplified by the amplifying means is expressed as v (t) = K ′ f (t) in the time domain, with the modulated signal f (t) multiplied by K ′, and in the frequency domain V (ω) = K ′ F (ω).
Further, the sound source sound pressure radiated from the ultrasonic radiation means is represented as p (t), and the sound pressure of the parametric difference sound is represented as p S (t).

前記超音波放射手段4は、高音圧の超音波を発生させるため、駆動源とする機械的共振現象を利用した圧電セラミック等の超音波素子を用いることが多い。その場合の超音波エミッタの機械共振付近の等価回路(LCR回路)は図3(a)に示すことができる。また電気音響特性は共振現象を反映して、図3(b)のようにピーク状の単峰特性を示す。ここで、Cdは圧電セラミックの静電容量であり、L、C及びRはそれぞれ圧電的機械振動の共振を決定する等価インダクタンス(コイル)、等価容量(コンデンサ)及び等価抵抗である。図2において、超音波放射手段から放射される音源音圧P(ω)の周波数特性と位相特性は、超音波放射手段の等価抵抗に流れる電流I(ω)に比例すると仮定した場合、その比例定数をK''とすると図3(a)から、電流I(ω)は超音波放射手段の印加電圧V(=K’F)と、LCR直列回路のインピーダンスとの比で決まり、次の式で表わされる。

Figure 0006274497
ここで、K=K’K”と置き、また、LCR直列回路のアドミッタンスに相当する次のH(ω)を導入する。
Figure 0006274497
これらから、初期音圧P(ω)は、次の式で表わされる。
Figure 0006274497
これから、超音波放射手段の出力P(ω)は、変調手段の出力信号F(ω)に超音波放射手段の伝送特性(伝達関数)H(ω)が掛けられて決定されることが分かる。 The ultrasonic radiation means 4 often uses an ultrasonic element such as a piezoelectric ceramic using a mechanical resonance phenomenon as a drive source in order to generate high sound pressure ultrasonic waves. An equivalent circuit (LCR circuit) near the mechanical resonance of the ultrasonic emitter in that case can be shown in FIG. In addition, the electroacoustic characteristic reflects a resonance phenomenon and exhibits a peak-like single peak characteristic as shown in FIG. Here, C d is the capacitance of the piezoelectric ceramic, and L, C, and R are an equivalent inductance (coil), an equivalent capacitance (capacitor), and an equivalent resistance that determine the resonance of the piezoelectric mechanical vibration, respectively. In FIG. 2, when it is assumed that the frequency characteristic and phase characteristic of the sound source sound pressure P (ω) radiated from the ultrasonic radiation means are proportional to the current I (ω) flowing through the equivalent resistance of the ultrasonic radiation means, the proportionality is obtained. When the constant is K ″, the current I (ω) is determined by the ratio of the applied voltage V (= K′F) of the ultrasonic radiation means and the impedance of the LCR series circuit from FIG. It is represented by
Figure 0006274497
Here, K = K′K ″ is set, and the next H (ω) corresponding to the admittance of the LCR series circuit is introduced.
Figure 0006274497
From these, the initial sound pressure P (ω) is expressed by the following equation.
Figure 0006274497
From this, it can be seen that the output P (ω) of the ultrasonic radiation means is determined by multiplying the output signal F (ω) of the modulation means by the transmission characteristic (transfer function) H (ω) of the ultrasonic radiation means.

上述したようなパラメトリックスピーカであるが、今後、応用範囲を広めていくためには、パラメトリックスピーカのさらなる性能向上が望まれている。特に、明瞭度の良い音声・楽音や聞きやすく違和感の無い高音質の再生音を得るためには、パラメトリックスピーカの再生音波中の歪成分をさらに低減することが重要である。なお、歪成分とは、超音波波放射手段4を構成する超音波振動子の非線形特性や、空気の非線形性によって音波波形が歪み、高調波成分が発生する等の非線形復調過程に起因して発生する種々の歪の成分のことである。図2に示した音伝搬過程は、非線形伝搬過程であるため、パラメトリックスピーカの再生音には、種々の歪成分が含まれると考えられる。一方、従来の動電型スピーカは音源の音の信号のレベルが小さく、音伝搬過程は線形伝搬であるといえる。   Although it is a parametric speaker as mentioned above, in order to expand an application range in the future, the further performance improvement of a parametric speaker is desired. In particular, it is important to further reduce the distortion component in the reproduced sound wave of the parametric speaker in order to obtain a voice / musical sound with high intelligibility and a high-quality reproduced sound that is easy to hear and has no sense of incongruity. The distortion component is caused by a nonlinear demodulation process such as a nonlinear characteristic of the ultrasonic transducer constituting the ultrasonic wave radiating means 4 or a non-linear demodulation process in which a sound wave waveform is distorted due to air nonlinearity and a harmonic component is generated. These are components of various distortions that occur. Since the sound propagation process shown in FIG. 2 is a nonlinear propagation process, it is considered that the reproduced sound of the parametric speaker includes various distortion components. On the other hand, it can be said that the conventional electrodynamic speaker has a low sound signal level of the sound source and the sound propagation process is linear propagation.

そのため、パラメトリックスピーカの信号伝送又は音響再生における歪成分の低減を目的として、種々の技術が開発されている。
例えば特許文献1には、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、キャリア信号をオーディオ信号で振幅変調して、超音波放射手段4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、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、を備えることを特徴とする変調器が、開示されている。
この変調器によれば、歪を抑制した可聴音をパラメトリックスピーカで得ることが可能となり、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。
Therefore, various techniques have been developed for the purpose of reducing distortion components in parametric speaker signal transmission or sound reproduction.
For example, in Patent Document 1, an audio signal that is an audible sound and a carrier signal that is a carrier wave in an ultrasonic band generated by a carrier wave generation unit are input, the carrier signal is amplitude-modulated with the audio signal, and ultrasonic radiation is performed. In a modulator that generates a signal indicating an ultrasonic wave that self-demodulates to an audible sound in the air when radiated from the means 4, a gain adjusting means for adjusting the level of the audio signal, and an amplitude of an output from the gain adjusting means are compression adjusted. Amplitude compression means, envelope information generation means for generating envelope information output from the amplitude compression means, a carrier signal that becomes a carrier wave in the ultrasonic band, and an operation using envelope information from the envelope generation means And an envelope carrier wave signal generating means for generating an envelope carrier wave signal that becomes a carrier wave including envelope information, and an audio signal A modulator, characterized in that it comprises, a SSB modulation means for SSB modulation is disclosed.
According to this modulator, an audible sound with suppressed distortion can be obtained by a parametric speaker. When the audio signal is equal to silence, generation of a carrier wave can be suppressed to save power.

また、特許文献2には、超音波振動子により出力された1次音波の非線形パラメトリック作用により可聴音である2次音波を発生させるスピーカ部と、超音波振動子を駆動する駆動信号を出力する駆動信号生成部とを備え、駆動信号生成部は、超音波周波数の搬送波信号を出力する搬送波発振回路と、スピーカ部より発生する2次音波の2分の1の周波数の被変調信号を出力する被変調信号発生回路と、搬送波と被変調信号とが入力されて搬送波抑圧両側帯被変調方式による変調を施した駆動信号をスピーカ部に出力する変調回路とから成ることを特徴とする電気音響変換装置が、開示されている。
この技術によれば、比較的小形でありながら指向性が鋭く、1次音波の照射積算量を低減できるとともに生成された2次音波に歪が少なく、かつ比較的安価に形成できるようにした電気音響変換装置を実現することができる、とされている。
Further, Patent Document 2 outputs a speaker unit that generates a secondary sound wave that is an audible sound by a non-linear parametric action of a primary sound wave output by an ultrasonic vibrator, and a drive signal that drives the ultrasonic vibrator. A drive signal generation unit, and the drive signal generation unit outputs a modulated signal having a frequency half that of the secondary sound wave generated by the speaker unit and a carrier wave oscillation circuit that outputs a carrier wave signal having an ultrasonic frequency. An electroacoustic conversion comprising: a modulated signal generating circuit; and a modulation circuit that receives a carrier wave and the modulated signal and outputs a drive signal modulated by a carrier-suppressed double-band modulated method to a speaker unit An apparatus is disclosed.
According to this technique, the directivity is sharp while being relatively small, and the amount of accumulated primary sound waves can be reduced, and the generated secondary sound is less distorted and can be formed at a relatively low cost. An acoustic conversion device can be realized.

特許第4799303号Japanese Patent No. 4799303 特開平4−123699号公報JP-A-4-123699

しかしながら、特許文献1及び2の技術では、いずれも、上述した歪成分の抑制が十分ではなく、高明瞭度のパラメトリックスピーカを実現するためには、さらなる歪抑制のための技術開発が望まれていた。   However, neither of the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 is sufficient to suppress the above-described distortion component, and in order to realize a high-intelligibility parametric speaker, technical development for further distortion suppression is desired. It was.

例えば、特許文献1の技術は、キャリア信号とサイドバンド信号に対し、SSB変調を採用することで、サイドバンド同士の非線形相互作用に起因する2次高調波の発生が低減され、DSB変調に比べ歪の発生を抑制できるが、サイドバンド内の周波数成分に非線形相互作用による歪の発生が依然として残り、空気中の音伝搬の復調過程における歪成分についても低減することが望まれていた。ここで、空気中の音伝搬の復調過程における歪成分とは、主に、パラメトリックスピーカから放射された音波の伝搬過程において、音波波形が歪み、高調波成分が多く発生することによって発生する歪成分である。   For example, the technique of Patent Document 1 employs SSB modulation for a carrier signal and a sideband signal, thereby reducing the generation of second-order harmonics due to nonlinear interaction between sidebands, compared to DSB modulation. Although the generation of distortion can be suppressed, the generation of distortion due to nonlinear interaction still remains in the frequency component in the sideband, and it has been desired to reduce the distortion component in the demodulation process of sound propagation in the air. Here, the distortion component in the demodulation process of sound propagation in the air is mainly a distortion component generated when the sound wave waveform is distorted and many harmonic components are generated in the propagation process of the sound wave radiated from the parametric speaker. It is.

また、特許文献2の技術では、搬送波抑圧両側帯被変調方式による変調を採用しているため、一方の側波を除去するためのフィルタが不要であって低コストになるが、SSB変調に比べ、搬送波がないため2次高調波の低減が不十分となり、歪の発生の制御が十分できない。また、空気中の音伝搬の復調過程における歪を低減できないため、聞きやすく違和感の無い高音質の再生音を得ることができないという問題があった。   In addition, the technique of Patent Document 2 employs modulation using a carrier-suppressed double-sideband modulated system, so that a filter for removing one sideband is not required and the cost is low, but compared to SSB modulation. Since there is no carrier wave, the reduction of the second harmonic becomes insufficient, and the generation of distortion cannot be controlled sufficiently. Further, since distortion in the demodulation process of sound propagation in the air cannot be reduced, there is a problem that it is difficult to obtain high-quality reproduced sound that is easy to hear and has no sense of incongruity.

上記課題を鑑み、本発明の目的は、空気中の音伝搬の復調過程における歪成分をさらに低減でき、高音質の再生音を得ることができるパラメトリックスピーカを提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a parametric speaker that can further reduce distortion components in the demodulation process of sound propagation in the air and can obtain a high-quality reproduced sound.

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた。その結果、パラメトリックスピーカから再生された音波に歪成分が含まれることの要因として、媒質である空気が非線形性を有し、高音圧の超音波が伝搬するという有限振幅音波現象により、音波波形が伝搬過程で歪み、高周波成分が多く発生すること、並びに、パラメトリックスピーカの復調の原理上、再生音成分に加え、2成分以上の音波の相互干渉伝搬状態から、高調波成分及び差音・和音の他混変調歪を生じる結合音が多数発生し、さらには、発音体である超音波エミッタ又は超音波素子から歪成分が発生することに着目した。   The present inventors have repeatedly studied to solve the above problems. As a result, the sound wave reproduced by the parametric loudspeaker is caused by the finite amplitude sound wave phenomenon that the medium air has non-linearity and high sound pressure ultrasonic waves propagate due to the distortion component included in the sound wave reproduced from the parametric speaker. In the propagation process, many distortions and high-frequency components occur, and due to the principle of demodulating the parametric speaker, in addition to the reproduced sound components, from the mutual interference propagation state of two or more sound waves, harmonic components and difference / chords We focused on the fact that many coupled sounds that generate other intermodulation distortion are generated, and further, distortion components are generated from the ultrasonic emitter or ultrasonic element that is the sound generator.

そして、本発明者らは、さらに鋭意研究を重ねた結果、超音波の非線形伝搬過程による影響を加味して可聴信号の補正を行う手段をスピーカ駆動手段中に組み込みことによって、非線形復調過程によって発生する種々の歪み成分をフィードバック処理又はフィードフォワード処理によって低減することが可能となり、高品質の再生音を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of further earnest research, the inventors have developed a means for correcting the audible signal in consideration of the influence of the nonlinear propagation process of the ultrasonic wave in the speaker driving means, which is generated by the nonlinear demodulation process. It has been found that various distortion components can be reduced by feedback processing or feedforward processing, and that high-quality reproduced sound can be realized, and the present invention has been completed.

本発明は、このような知見に基づきされたもので、その要旨は以下の通りである。
(1)超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、該生成された変調信号を増幅する増幅手段と、該増幅された変調信号に基づいて超音波を放射する超音波放射手段と、を備えるパラメトリックスピーカにおいて、前記パラメトリックスピーカは、前記超音波放射手段から出力された超音波の音圧を検出し、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の復調可聴信号の波形を非線形伝搬モデルによって予測して生成し、該生成した波形と入力された可聴信号の波形とを比較することで、前記可聴信号の補正を行い、補正した可聴信号を前記変調手段へと送る可聴信号補正手段を、さらに備えることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
The present invention is based on such knowledge, and the gist thereof is as follows.
(1) Modulation means for modulating a carrier signal in an ultrasonic band with an audible signal from an external sound source to generate a modulation signal, amplification means for amplifying the generated modulation signal, and the amplified modulation signal An ultrasonic radiation means for radiating an ultrasonic wave based on the parametric speaker, wherein the parametric speaker detects a sound pressure of the ultrasonic wave output from the ultrasonic radiation means, and a signal of the detected output sound pressure Based on the above, the waveform of the demodulated audible signal when affected by the nonlinear propagation process is predicted and generated by a nonlinear propagation model, and the generated waveform is compared with the waveform of the input audible signal, corrects the audio signal, an audible signal correction means for sending and the corrected audio signal to the modulating means, a parametric loudspeaker, characterized in that it further comprises.

)前記可聴信号が非線形伝搬過程の影響を受けた際の波形モデルは、以下の式によって導出されることを特徴とする上記()に記載のパラメトリックスピーカ。

Figure 0006274497
ここで、tは時間(秒)、e(t)は包絡線関数を示す。 ( 2 ) The parametric speaker according to ( 1 ) above, wherein a waveform model when the audible signal is affected by a nonlinear propagation process is derived by the following equation.
Figure 0006274497
Here, t represents time (seconds), and e (t) represents an envelope function.

)前記変調信号は、前記キャリア信号、及び、該キャリア信号が変調されたサイドバンド信号からなることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のパラメトリックスピーカ。 ( 3 ) The parametric speaker according to (1) or (2) , wherein the modulation signal includes the carrier signal and a sideband signal obtained by modulating the carrier signal.

)前記超音波放射手段は、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個の超音波エミッタによって放射することを特徴とする上記()に記載のパラメトリックスピーカ。 (4) the ultrasound emitting means comprises a ultrasonic wave based on the carrier signal, and an ultrasonic based on the sideband signal, in the above (3), characterized in that the radiation by a separate ultrasonic emitter Parametric speaker described.

)前記超音波エミッタでは、放射された前記キャリア信号に基づいた超音波と、放射された前記サイドバンド信号に基づいた超音波とが、10°以下の角度で交差するように配置されることを特徴とする上記()に記載のパラメトリックスピーカ。 ( 5 ) In the ultrasonic emitter, the ultrasonic wave based on the emitted carrier signal and the ultrasonic wave based on the emitted sideband signal are arranged so as to intersect at an angle of 10 ° or less. The parametric speaker according to ( 4 ) above, characterized in that.

)前記超音波エミッタは、複数の超音波素子からなる複数のブロックによって構成され、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個のブロックによって放射することを特徴とする上記(4)に記載のパラメトリックスピーカ。 ( 6 ) The ultrasonic emitter is configured by a plurality of blocks including a plurality of ultrasonic elements, and radiates an ultrasonic wave based on the carrier signal and an ultrasonic wave based on the sideband signal by separate blocks. The parametric speaker according to (4) above, characterized in that:

)前記超音波素子からなるブロックは、矩形、市松模様、同心円、又は、放射の形状を有することを特徴とする上記()に記載のパラメトリックスピーカ。 ( 7 ) The parametric speaker according to ( 6 ), wherein the block including the ultrasonic element has a rectangular shape, a checkered pattern, a concentric circle, or a radiation shape.

)前記超音波放射手段における周波数特性の減衰帯域を、下側帯域であれば周波数の上昇に伴って周波数の2乗に比例し、上側帯域であれば周波数の2乗に反比例する特性に制御し、前記下側帯域又は前記上側帯域にキャリア信号とサイドバンド信号が存在することを特徴とする上記(1)〜()のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。 ( 8 ) The attenuation band of the frequency characteristic in the ultrasonic radiation means is a characteristic that is proportional to the square of the frequency as the frequency increases in the lower band and inversely proportional to the square of the frequency in the upper band. The parametric speaker according to any one of (1) to ( 7 ), wherein the parametric speaker is controlled and a carrier signal and a sideband signal exist in the lower band or the upper band.

)前記超音波放射手段によって再生される超音波の周波数特性を、該超音波放射手段の減衰周波数帯域を、該超音波放射手段の周波数特性の下側帯域であれば周波数の上昇に伴って周波数の2乗に比例し、上側帯域であれば周波数の2乗に反比例する特性となるように制御する周波数特性補正手段をさらに備え、前記下側帯域又は前記上側帯域にキャリアとサイドバンド成分が存在することを特徴とする上記(1)〜()のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。 ( 9 ) The frequency characteristics of the ultrasonic waves reproduced by the ultrasonic radiation means are the attenuation frequency band of the ultrasonic radiation means, and if the lower frequency band of the ultrasonic radiation means, the frequency characteristics are increased. Frequency characteristic correction means for controlling the frequency band to be proportional to the square of the frequency and inversely proportional to the square of the frequency in the upper band, and carrier and sideband components in the lower band or the upper band. The parametric speaker according to any one of (1) to ( 7 ) above, wherein

10上記(1)〜(9)のいずれか1項に記載のパラメトリックスピーカ用のソフトウエアであって、パラメトリックスピーカに組み込むことで、パラメトリックスピーカ中の超音波放射手段から出力された超音波の音圧を検出し、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の復調可聴信号の波形を非線形伝搬モデルによって予測して生成し、該生成した波形入力された可聴信号の波形とを比較することで、前記可聴信号の補正を行うように機能させるためのソフトウエア。
( 10 ) The parametric speaker software according to any one of (1) to (9 ) above , wherein the ultrasonic wave output from the ultrasonic radiation means in the parametric speaker is incorporated into the parametric speaker. And a waveform of a demodulated audible signal at the time of being influenced by the nonlinear propagation process based on the detected output sound pressure signal is predicted by a nonlinear propagation model, and the generated waveform and Software for functioning to correct the audible signal by comparing the waveform of the input audible signal.

本発明によれば、空気中の音伝搬の変調及び復調過程における歪を低減することで、高音質の再生音を得ることができるパラメトリックスピーカを提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the parametric speaker which can obtain the reproduction sound of high sound quality by reducing the distortion in the process of modulation and demodulation of sound propagation in the air.

従来のパラメトリックスピーカの一実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about one Embodiment of the conventional parametric speaker. 従来のパラメトリックスピーカの概略構成を示した図である。It is the figure which showed schematic structure of the conventional parametric speaker. 超音波エミッタの音圧周波数特性を示し、(a)は超音波素子の共振付近の等価回路で、(b)はLCR直列回路の電流周波数特性を示した図である。The sound pressure frequency characteristic of the ultrasonic emitter is shown, (a) is an equivalent circuit near the resonance of the ultrasonic element, and (b) is a diagram showing the current frequency characteristic of the LCR series circuit. 本発明に従うパラメトリックスピーカの一実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about one Embodiment of the parametric speaker according to this invention. 従来のパラメトリックスピーカの外部音源からの入力可聴信号と出力音圧の周波数特性の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the frequency characteristic of the input audio signal and the output sound pressure from the external sound source of the conventional parametric speaker. 本発明に従うパラメトリックスピーカについて(a)は、可聴信号と可聴信号補正手段により補正した可聴信号の周波数特性の一例を示し、(b)は、パラメトリックスピーカの出力音圧の周波数特性の一例を示した図である。In the parametric speaker according to the present invention, (a) shows an example of the frequency characteristic of the audible signal and the audible signal corrected by the audible signal correcting means, and (b) shows an example of the frequency characteristic of the output sound pressure of the parametric speaker. FIG. 本発明に従う可聴信号補正手段による補正の流れの一例を示したフロー図である。It is the flowchart which showed an example of the flow of correction | amendment by the audible signal correction | amendment means according to this invention. 可聴信号補正手段を用いた本発明に従うパラメトリックの一実施形態を示した図である。It is the figure which showed one Embodiment of the parametric according to this invention using the audible signal correction | amendment means. 本発明に従う非線形伝搬モデル生成手段の一実施形態を示した図である。It is the figure which showed one Embodiment of the nonlinear propagation model production | generation means according to this invention. 本発明に従うパラメトリックスピーカの他の実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about other embodiment of the parametric speaker according to this invention. 本発明に従うパラメトリックスピーカの他の実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about other embodiment of the parametric speaker according to this invention. 本発明に従う超音波放射手段の一実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about one Embodiment of the ultrasonic radiation means according to this invention. 本発明に従う超音波放射手段の他の実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about other embodiment of the ultrasonic radiation means according to this invention. 本発明に従う超音波放射手段の他の実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about other embodiment of the ultrasonic radiation means according to this invention. 本発明に従う超音波放射手段の他の実施形態について模式的に示した図である。It is the figure typically shown about other embodiment of the ultrasonic radiation means according to this invention. 超音波エミッタについて、キャリア信号に基づいた超音波と、サイドバンド信号に基づいた超音波との交差角度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the crossing angle of the ultrasonic wave based on a carrier signal, and the ultrasonic wave based on a sideband signal about an ultrasonic emitter. 超音波エミッタの音圧周波数特性を表わした図であり、サイドバンド信号が共振ピークの上の帯域に存在する場合を示したものである。It is a figure showing the sound pressure frequency characteristic of an ultrasonic emitter, and shows the case where a sideband signal exists in the zone | band above a resonance peak. パラメトリックスピーカの復調変換原理に基づく周波数特性を示した図である。It is the figure which showed the frequency characteristic based on the demodulation conversion principle of a parametric speaker. USB型のSSB変調の超音波エミッタについて、復調差音特性と超音波周波数特性を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing demodulation difference sound characteristics and ultrasonic frequency characteristics of a USB-type SSB-modulated ultrasonic emitter. 本発明に従うパラメトリックスピーカの概略構成を示した図である。It is the figure which showed schematic structure of the parametric speaker according to this invention.

<パラメトリックスピーカ>
本発明に従うパラメトリックスピーカについて、必要に応じて図面を用いて説明する。
本発明によるパラメトリックスピーカ100は、図4に示すように、超音波帯域のキャリア信号を、外部音源50からの可聴信号で変調して変調信号を生成する変調手段20と、該生成された変調信号を増幅する増幅手段30と、該増幅された変調信号に基づいて超音波を放射する超音波放射手段40と、を備える。
そして、本発明のパラメトリックスピーカ100は、前記超音波の非線形伝搬過程による影響を加味して前記可聴信号の補正を行い、補正した可聴信号を前記変調手段へと送る可聴信号補正手段10を、さらに備えることを特徴とする。
<Parametric speaker>
A parametric speaker according to the present invention will be described with reference to the drawings as necessary.
As shown in FIG. 4, a parametric speaker 100 according to the present invention includes a modulation unit 20 that modulates an ultrasonic band carrier signal with an audible signal from an external sound source 50 to generate a modulation signal, and the generated modulation signal. And an ultrasonic radiation means 40 for radiating an ultrasonic wave based on the amplified modulation signal.
The parametric speaker 100 according to the present invention further includes an audible signal correction unit 10 that corrects the audible signal in consideration of the influence of the nonlinear propagation process of the ultrasonic wave, and sends the corrected audible signal to the modulation unit. It is characterized by providing.

ここで、超音波とは、人の耳には聞こえない可聴範囲を超えた音波にことで、例えば、周波数が16キロヘルツ以上の音波等をいう。また、外部音源からの可聴信号とは、パラメトリックスピーカの音源となる信号で、人が鼓膜の振動として感じることができる周波数帯域の信号のことをいう。例えば、人の発する声及び音楽等の信号をいうが、特に限定されない。さらに、キャリア信号とは、一般に可聴信号よりも十分高い周波数の信号で、可聴信号という情報を運ぶ担い手であって、該変調を受ける信号のことである。   Here, the ultrasonic wave refers to a sound wave exceeding the audible range that cannot be heard by the human ear, for example, a sound wave having a frequency of 16 kilohertz or more. An audible signal from an external sound source is a signal that is a sound source of a parametric speaker, and is a signal in a frequency band that a person can feel as vibration of the eardrum. For example, it refers to signals such as human voices and music, but is not particularly limited. Furthermore, a carrier signal is a signal that is generally a signal having a frequency sufficiently higher than that of an audible signal and that carries information such as an audible signal and is subjected to the modulation.

(可聴信号補正手段)
本発明のパラメトリックスピーカ100は、図4に示すように、可聴信号補正手段10を備える。可聴信号補正手段10とは、外部音源50からの可聴信号について、超音波の非線形伝搬過程による影響を加味して前記可聴信号の補正を行い、非線形復調過程等によって発生する種々の歪成分を減少させ、該補正した可聴信号を後述する変調手段20へ送るための手段である。
ここで、「超音波の非線形伝搬過程による影響を加味した補正」とは、超音波の波形が空気の非線形伝搬過程で歪んでいき、高周波成分が多く発生し、また、音波の相互干渉伝搬状態から、高調波成分及び差音・和音の他混変調歪を生じる結合音が多数発生すること等による影響を考慮し、該影響をなくすような補正のことである。
可聴信号補正手段10を備えることで、パラメトリックスピーカ100の非線形伝搬過程によって発生する種々の歪成分を低減するためのフィードバック処理(実際に検出した非線形伝搬過程による悪影響を除去する処理)又はフィードフォワード処理(前もって予測される非線形伝搬過程による悪影響を除去する処理)が可能となり、聞きやすく違和感の無い高音質の再生音を実現できる、という効果を奏する。
(Audible signal correction means)
The parametric speaker 100 of the present invention includes an audible signal correcting means 10 as shown in FIG. The audible signal correcting means 10 corrects the audible signal from the external sound source 50 in consideration of the influence of the nonlinear propagation process of the ultrasonic wave, and reduces various distortion components generated by the nonlinear demodulation process and the like. The corrected audible signal is sent to the modulation means 20 described later.
Here, “correction taking into account the effect of the nonlinear propagation process of ultrasound” means that the waveform of the ultrasound is distorted in the nonlinear propagation process of air, a lot of high-frequency components are generated, and the mutual interference propagation state of the sound wave From this, it is a correction that eliminates the influence in consideration of the influence of the generation of a large number of combined sounds that cause intermodulation distortion in addition to the harmonic component and difference / chord.
By providing the audible signal correcting means 10, feedback processing (processing for removing adverse effects due to the actually detected nonlinear propagation process) or feedforward processing for reducing various distortion components generated by the nonlinear propagation process of the parametric speaker 100. (A process for removing the adverse effects caused by the non-linear propagation process predicted in advance) is possible, and it is possible to realize a high-quality reproduced sound that is easy to hear and has no sense of incongruity.

可聴信号補正手段10による補正をしない場合は、例えば、図5に示すように、入力された可聴信号s(t )(図5(a))が入力され、s(t )の基本波成分の周波数特性は変化して、空気による非線形伝搬過程を経た後の音圧信号ps(t)(図5(b)の実線)が得られる。ここで、図5(b)の破線は、パラメトリックスピーカの伝送系の過程で発生した高調波や混成調成波の歪を示す。これから、非線形伝搬過程による歪(図5(b)の破線)により、ps(t)(図5(b)の実線)は、入力された可聴信号s(t )(図5(a))とは異なった周波数特性になることがわかる。
一方、可聴信号補正手段10による補正をした場合は、例えば、図6(a)に示すように、入力された可聴信号s(t ) (図5(a)実線)が補正され、補正した可聴信号s’ (t ) (図6(a)実線)が、前記変調手段に送られ、増幅手段と超音波放射手段を経て空気による音伝搬過程により音再生される。その結果、得られる音圧ps’(t)の周波数特性は、図6(b)の実線に示すように、入力された可聴信号s(t ) (図5(a)実線)と同等又は相似となる。ここで、図6(b)の破線は、歪の周波数特性であり、可聴信号補正手段10による補正をしない場合の図5(b)の破線の歪特性に比べて格段のレベル低減が実現できる。
When correction by the audible signal correcting means 10 is not performed, for example, as shown in FIG. 5, the input audible signal s (t) (FIG. 5 (a)) is input, and the fundamental wave component of s (t) is The frequency characteristic is changed, and a sound pressure signal p s (t) (solid line in FIG. 5B) after a nonlinear propagation process by air is obtained. Here, the broken line in FIG. 5 (b) indicates the distortion of the harmonics and hybrid harmonic waves generated in the process of the transmission system of the parametric speaker. From this, p s (t) (solid line in FIG. 5 (b)) becomes the input audible signal s (t) (FIG. 5 (a)) due to distortion caused by the nonlinear propagation process (broken line in FIG. 5 (b)). It turns out that it becomes a frequency characteristic different from.
On the other hand, when the correction by the audible signal correcting means 10 is performed, for example, as shown in FIG. 6 (a), the input audible signal s (t) (FIG. 5 (a) solid line) is corrected and corrected audible. The signal s ′ (t) (solid line in FIG. 6 (a)) is sent to the modulation means, and the sound is reproduced by the sound propagation process by air through the amplification means and the ultrasonic radiation means. As a result, the frequency characteristic of the sound pressure p s ′ (t) obtained is equal to or equal to the input audible signal s (t) (FIG. 5 (a) solid line), as shown by the solid line in FIG. 6 (b). It will be similar. Here, the broken line in FIG. 6B is the frequency characteristic of the distortion, and a marked level reduction can be realized compared with the distortion characteristic of the broken line in FIG. 5B when the correction by the audible signal correcting means 10 is not performed. .

なお、超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、該生成された変調信号を増幅する増幅手段と、該増幅された変調信号に基づいて超音波を放射する超音波放射手段からなる回路は、以下ではメイン回路と呼ばれる場合がある。また、超音波放射手段の出力音圧を検出する検出手段と、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の非線形伝搬モデルに基づいて予測信号を生成し、該処理された信号と前記入力された可聴信号を比較する比較手段とを有する回路は、サブ回路と呼ばれる場合がある。   A modulation means for modulating a carrier signal in the ultrasonic band with an audible signal from an external sound source to generate a modulation signal, an amplification means for amplifying the generated modulation signal, and the amplified modulation signal A circuit composed of ultrasonic radiation means for emitting ultrasonic waves may be referred to as a main circuit below. Also, based on the detection means for detecting the output sound pressure of the ultrasonic radiation means and the detected output sound pressure signal, a prediction signal is generated based on the nonlinear propagation model when affected by the nonlinear propagation process. The circuit having the processed signal and the comparing means for comparing the inputted audible signal may be called a sub-circuit.

また、前記可聴信号補正手段10は、上述したように、超音波の非線形伝搬過程による影響を加味したものであれば、補正の方法については特に限定はされないが、例えば、図7に示すように、前記外部音源から入力された可聴信号が非線形伝搬過程の影響を受けた際の波形モデル(図7(b))を生成し、該非線形伝搬過程の影響を加味した可聴信号の波形モデル(図7(b))と、前記入力された可聴信号のレベル調整された波形(図7(c))とを比較して差分を抽出し、該抽出された差分を、前記入力された可聴信号に付与することで、前記可聴信号の補正を行う(補正を行った波形(図7(a))を得る)ことが可能である。
その場合、非線形伝搬過程の特性を反映した歪の発生を模擬したモデルをもとに、歪予測等の歪低減処理の帰還処理を行い、前記可聴信号の補正ができるため、パラメトリックスピーカにおける非線形復調過程によって発生する種々の発生される歪成分をより効果的且つ容易に低減でき、聞きやすく違和感のない高音質の再生音を得ることができるため好ましい。
Further, as described above, the audible signal correcting means 10 is not particularly limited as long as it takes into account the influence of the non-linear propagation process of ultrasonic waves. For example, as shown in FIG. A waveform model (FIG. 7B) when the audible signal input from the external sound source is affected by the nonlinear propagation process is generated, and the waveform model of the audible signal considering the influence of the nonlinear propagation process (FIG. 7). 7 (b)) and the level-adjusted waveform of the input audible signal (FIG. 7 (c)) to extract a difference, and the extracted difference is used as the input audible signal. By applying, it is possible to correct the audible signal (to obtain a corrected waveform (FIG. 7A)).
In that case, feedback processing of distortion reduction processing such as distortion prediction is performed based on a model simulating the generation of distortion reflecting the characteristics of the nonlinear propagation process, and the audible signal can be corrected, so that nonlinear demodulation in a parametric speaker is possible. It is preferable because various distortion components generated by the process can be more effectively and easily reduced, and high-quality reproduced sound that is easy to hear and has no sense of incongruity can be obtained.

さらに、前記可聴信号補正手段10は、図8に示すように、前記超音波放射手段40から出力された超音波の音圧を、検出手段13によって検出し、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の復調可聴信号の波形を非線形伝搬モデル手段11によって予測して生成し、該生成した波形と前記入力された可聴信号の波形とを比較手段12によって比較することで、前記可聴信号の補正を行うことができる。このような容易な構成で、パラメトリックスピーカ100の非線形伝搬過程によって発生する種々の歪成分を低減するためのフィードバック処理(前記検出手段13によって検出された超音波の音圧をもとに、前もって予測される非線形伝搬過程による悪影響を除去する処理)が可能となり、聞きやすく違和感の無い高音質の再生音を実現できる。   Further, as shown in FIG. 8, the audible signal correcting unit 10 detects the sound pressure of the ultrasonic wave output from the ultrasonic wave radiating unit 40 by the detecting unit 13, and converts the detected sound pressure signal into a detected output sound pressure signal. Based on this, the waveform of the demodulated audible signal when affected by the nonlinear propagation process is predicted and generated by the nonlinear propagation model means 11, and the generated waveform and the waveform of the inputted audible signal are compared by the comparing means 12. By comparing, the audible signal can be corrected. With such an easy configuration, feedback processing for reducing various distortion components generated by the non-linear propagation process of the parametric speaker 100 (predicted in advance based on the sound pressure of the ultrasonic wave detected by the detecting means 13). To remove the adverse effects caused by the nonlinear propagation process), and it is possible to realize a high-quality reproduced sound that is easy to hear and has no sense of incongruity.

ここで、非線形伝搬モデル生成手段11とは、例えば、検出手段13によって検出された出力信号の信号から、非線形伝搬過程のモデル式を回路等で模擬し、可聴信号が非線形伝搬過程の影響を受けた所望の復調可聴信号の波形モデル(図7(b))を生成するものである。これによって、パラメトリック再生音の生成を模擬し、例えば、図9に示したように、式(1)をもとにした2乗手段、検波手段、微分手段で構成される。あるいは、KZKの式(鎌倉著、「非線形音響学の基礎」、愛智出版、1996を参照)から得られる入出力関係を組み込む手段でもよい。
なお、2乗手段とは、例えば2乗回路で実現され、包絡線関数を2乗することであり、検波手段とは、例えば検波回路によって実現され、2乗された信号から低周波成分を取り出すことであり、微分手段とは例えば微分回路で実現され、時間に関して微分する回路のことである。
また、検出手段13とは、超音波放射手段40の電気音響動作を検出する手段である。例えば、放射された超音波を検出するマイクロホン及び/又は超音波エミッタ素子の振動を検出するセンサ及び/又は超音波エミッタ素子に流れる電流を検出するセンサ等があるが、特に限定はされない。
さらに、比較手段12とは、該非線形伝搬過程の影響を加味した可聴信号と、前記入力された可聴信号との比較し、補正した可聴信号s’ (t )を変調手段20へ送る手段である。例えばオペアンプによって行われるが、特に限定はされない。前記外部音源から入力された可聴信号s(t)は、前記非線形伝搬モデル生成手段11の信号と比較されて可聴信号s’(t)が出力され、変調手段20へと送られる。このように、前記比較手段12においては、外部音源からの可聴信号s(t)と非線形伝搬モデル生成手段11によって生成された信号との比較信号が生成され、可聴信号s’(t)として前記変調手段20へ送られる。これにより、補正した可聴信号s’(t)が、変調手段及び増幅手段及び超音波放射手段及び空気の非線形音伝搬過程により音再生処理されると、前記可聴信号s(t)と同等の特性でかつ歪を低減した可聴音が得られる。
Here, the non-linear propagation model generation means 11 is, for example, a model equation of the non-linear propagation process is simulated by a circuit or the like from the signal of the output signal detected by the detection means 13, and the audible signal is affected by the non-linear propagation process. A waveform model of the desired demodulated audible signal (FIG. 7B) is generated. As a result, the generation of the parametric reproduction sound is simulated, and for example, as shown in FIG. 9, it is constituted by a square means, a detection means, and a differentiation means based on the equation (1). Alternatively, it may be a means of incorporating an input / output relationship obtained from the KZK equation (see Kamakura, “Basics of Nonlinear Acoustics”, Aichi Publishing, 1996).
The squaring means is realized by, for example, a squaring circuit and squares the envelope function, and the detecting means is realized by, for example, a detecting circuit and extracts a low-frequency component from the squared signal. The differentiating means is a circuit that is realized by, for example, a differentiating circuit and differentiates with respect to time.
The detection means 13 is a means for detecting the electroacoustic operation of the ultrasonic radiation means 40. For example, there are a microphone for detecting emitted ultrasonic waves and / or a sensor for detecting vibrations of the ultrasonic emitter element and / or a sensor for detecting current flowing in the ultrasonic emitter element, but there is no particular limitation.
Further, the comparison means 12 is a means for comparing the audible signal taking into account the influence of the nonlinear propagation process and the inputted audible signal and sending the corrected audible signal s ′ (t) to the modulation means 20. . For example, it is performed by an operational amplifier, but is not particularly limited. The audible signal s (t) input from the external sound source is compared with the signal of the nonlinear propagation model generation unit 11 to output an audible signal s ′ (t) and sent to the modulation unit 20. Thus, the comparison means 12 generates a comparison signal between the audible signal s (t) from the external sound source and the signal generated by the non-linear propagation model generation means 11, and as the audible signal s ′ (t), the comparison signal is generated. It is sent to the modulation means 20. Thus, when the corrected audible signal s' (t) is subjected to sound reproduction processing by the nonlinear sound propagation process of the modulating means, the amplifying means, the ultrasonic radiating means and the air, the characteristics equivalent to the audible signal s (t) In addition, an audible sound with reduced distortion can be obtained.

また、非線形伝搬過程のモデル式とは、例えば、以下に示すBerktayのモデル式(5)(H.O.Berktay, Possible exploitation of nonlinear acoustics in underwater transmitting applications, Sound&Vib.,2,pp.435-461(1965))又は、Merklingerの式(H.M.Merklinger, Improved efficiency in the parametric transmitting array, J. Acoust. Soc. Am., 58, pp. 784-787 (1975))又は、KZKの式等のことである。
ここで、tは時間(秒)、e(t)は包絡線関数を示す。

Figure 0006274497
これより、前記可聴信号が非線形伝搬過程の影響を受けた際の波形モデルについては、例えば、前記(5)式によって導出することができる。
前記(1)式を用いて、音源音圧が大きくない条件のもと、非線形音場を数式で扱うことにより歪を予想することができるからである。 The model equation of the nonlinear propagation process is, for example, Berktay's model equation (5) shown below (HOBerktay, Possible exploitation of nonlinear acoustics in underwater transmitting applications, Sound & Vib., 2, pp. 435-461 (1965)) Or, Merklinger's formula (HMMerklinger, Improved efficiency in the parametric transmitting array, J. Acoust. Soc. Am., 58, pp. 784-787 (1975)) or KZK's formula.
Here, t represents time (seconds), and e (t) represents an envelope function.
Figure 0006274497
From this, the waveform model when the audible signal is affected by the nonlinear propagation process can be derived, for example, by the equation (5).
This is because distortion can be predicted by treating the nonlinear sound field with a mathematical expression under the condition that the sound source sound pressure is not large by using the expression (1).

ここで、超音波の音圧が大きく、大きな振幅を有す場合は、有限振幅超音波と呼ばれる。有限振幅音波に依存した歪成分等は、KZKの式のような波動方程式起源の非線形音場方程式で定式化が可能である。一方、音源音圧がそれほど大きくない場合は、パラメトリック差音ps(t)は、被変調1次波の包絡の2乗の時間に関する2階微分で与えられる。これから、1次初期波を、p(t)=Pe(t)sin[ωc t +φ(t)]とした場合の2次差音は、前記式(5)で与えられることが知られている。(H.O.Berktay, Possible exploitation of nonlinear acoustics in underwater transmitting applications, Sound&Vib.,2,pp.435-461(1965)) Here, when the sound pressure of the ultrasonic wave is large and has a large amplitude, it is called a finite amplitude ultrasonic wave. A distortion component or the like depending on a finite amplitude sound wave can be formulated by a nonlinear sound field equation originating from a wave equation such as the KZK equation. On the other hand, when the sound source sound pressure is not so high, the parametric difference sound p s (t) is given by the second-order derivative with respect to the square time of the envelope of the modulated primary wave. From this, the secondary difference sound when the primary initial wave is p (t) = P 0 e (t) sin [ω c t + φ (t)] can be given by the above equation (5). Are known. (HOBerktay, Possible exploitation of nonlinear acoustics in underwater transmitting applications, Sound & Vib., 2, pp. 435-461 (1965))

(変調手段)
本発明のパラメトリックスピーカ100は、図4に示すように、変調手段20を備える。変調手段20とは、前記外部音源50からの可聴信号によって前記キャリア信号を変調し、変調信号を生成する手段のことをいう。ここで、前記変調信号は、例えば、外部音源50からの可聴音信号によって、超音波キャリア信号(周波数fC)を変調し、キャリア信号とサイドバンド信号(周波数fC+fs及び/又はfC−fs)の2種類の信号成分を有する信号のことをいう。前記キャリア信号と前記サイドバンド信号からなる変調信号を得るための変調方式としては、変調処理後にキャリア成分の上下周波数帯に2つのサイドバンド成分を備える両側波帯(Double Side-Band,DSB)振幅変調方式(AM変調方式)及び、キャリア成分の上側又は下側の周波数帯に1つのサイドバンド成分を備える単側波帯(Single Side-Band、SSB)振幅変調方式等が挙げられるが、2次高調波が低減され、歪の発生をより抑制できる点から、単側波帯変調方式がより好ましい。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信号のみを用いるとサイドバンド信号同士の相互作用が起こらないことから、両側波帯振幅変調方式に比べ歪成分が小さくなり、外部音源50からの可聴信号に近い再生音を得ることができる。
(Modulation means)
The parametric speaker 100 of the present invention includes a modulation means 20 as shown in FIG. The modulation means 20 means means for modulating the carrier signal with an audible signal from the external sound source 50 to generate a modulated signal. Here, for example, the modulation signal modulates an ultrasonic carrier signal (frequency f C ) with an audible sound signal from the external sound source 50, and a carrier signal and a sideband signal (frequency f C + fs and / or f C −). fs) is a signal having two types of signal components. As a modulation method for obtaining a modulation signal composed of the carrier signal and the sideband signal, a double side-band (DSB) amplitude having two sideband components in the upper and lower frequency bands of the carrier component after the modulation processing. Modulation method (AM modulation method) and single sideband (Single Side-Band, SSB) amplitude modulation method with one sideband component in the upper or lower frequency band of the carrier component, etc. A single sideband modulation method is more preferable because harmonics are reduced and distortion can be further suppressed. For example, if the upper sideband signal is removed and only the lower sideband sideband signal is used, the sideband signals do not interact with each other, so the distortion component is smaller than the double sideband amplitude modulation method. A reproduced sound close to an audible signal from the external sound source 50 can be obtained.

(増幅手段)
増幅手段30とは、前記変調手段20で生成された変調信号を増幅するための手段である。該増幅手段30は、前記変調信号を大きなエネルギーの出力信号に増幅できるものであれば特に限定はされない。
(Amplification means)
The amplifying means 30 is means for amplifying the modulation signal generated by the modulating means 20. The amplifying means 30 is not particularly limited as long as it can amplify the modulated signal to an output signal with a large energy.

(超音波放射手段)
本発明のパラメトリックスピーカ100は、図4に示すように、前記超音波放射手段40を備える。超音波放射手段40とは、前記増幅手段30によって増幅した変調信号に基づいた超音波を放射する手段のことであり、単数又は複数の超音波エミッタから構成されるのが一般的である。
前記超音波エミッタとは、例えば、振動子として圧電セラミックを用いた空中用超音波センサ等の超音波素子によって構成され、超音波を発生することができる装置のことをいう。また、「放射」とは、パラメトリックスピーカが、超音波の形でエネルギーを放出することを言う。
(Ultrasonic radiation means)
The parametric speaker 100 of the present invention includes the ultrasonic radiation means 40 as shown in FIG. The ultrasonic radiation means 40 is a means for emitting an ultrasonic wave based on the modulation signal amplified by the amplification means 30, and is generally composed of one or a plurality of ultrasonic emitters.
The ultrasonic emitter refers to a device that is configured by an ultrasonic element such as an aerial ultrasonic sensor using a piezoelectric ceramic as a vibrator and can generate ultrasonic waves. “Radiation” means that a parametric speaker emits energy in the form of ultrasonic waves.

ここで、前記変調信号が、前記キャリア信号、及び、該キャリア信号が変調されたサイドバンド信号からなる場合、前記超音波放射手段は、図10に示すように、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個の超音波エミッタ41a、41bによって放射すること(分離型駆動方式)が好ましい。
別個のエミッタ41a、41bによって放射することにより、キャリア信号とサイドバンド信号とが混合せず、各超音波エミッタを構成する超音波素子は、キャリア信号及びサイドバンド信号のうち、一つの信号のみを扱うことができるため、キャリア信号及びサイドバンド信号の処理を共通の超音波エミッタを用いた場合に発生するキャリア信号とサイドバンド信号との混変調歪の発生が抑えることができる。また、各エミッタは、キャリア信号又はサイドバンド信号のいずれか一方の信号だけを扱えばいいため、各超音波エミッタ(超音波エミッタを構成する素子)の負担が減り、該超音波素子の耐入力及び耐久性を向上できる、という効果や、キャリア信号を扱う超音波素子は狭帯域で良いため、電気消費パワーを低減できる、という効果もある。
Here, when the modulation signal includes the carrier signal and a sideband signal obtained by modulating the carrier signal, the ultrasonic wave radiating means, as shown in FIG. And ultrasonic waves based on the sideband signals are preferably emitted by separate ultrasonic emitters 41a and 41b (separated drive system).
By radiating with the separate emitters 41a and 41b, the carrier signal and the sideband signal are not mixed, and the ultrasonic elements constituting each ultrasonic emitter receive only one signal out of the carrier signal and the sideband signal. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of intermodulation distortion between the carrier signal and the sideband signal, which occurs when a common ultrasonic emitter is used for the processing of the carrier signal and the sideband signal. In addition, each emitter only needs to handle either the carrier signal or the sideband signal, so that the burden on each ultrasonic emitter (element constituting the ultrasonic emitter) is reduced, and the input resistance of the ultrasonic element is reduced. In addition, there is an effect that the durability can be improved and an effect that the power consumption can be reduced because the ultrasonic element that handles the carrier signal may have a narrow band.

ここで、前記分離型駆動方式における超音波エミッタについては、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個の超音波エミッタ41によって放射するものであれば特に限定はされない。例えば、図10に示すように、キャリア信号とサイドバンド信号を1台ずつの超音波エミッタ41a、41bで駆動する形態が挙げられる。このとき、サイドバンド信号の波形は、例えば、正弦波音源信号の変調によって得られキャリア信号の周波数より上側に存在する上側サイドバンド(USB)のである。また、超音波エミッタ41の形状は、円形又は楕円形又は矩形又はリング形等にすることもできる。さらに、1つの信号を複数の超音波エミッタで駆動することもある。   Here, as for the ultrasonic emitter in the separated drive system, any ultrasonic emitter based on the carrier signal and ultrasonic wave based on the sideband signal may be emitted by separate ultrasonic emitters 41. There is no particular limitation. For example, as shown in FIG. 10, the carrier signal and the sideband signal are driven by one ultrasonic emitter 41a, 41b. At this time, the waveform of the sideband signal is, for example, an upper sideband (USB) that is obtained by modulating a sine wave sound source signal and exists above the frequency of the carrier signal. In addition, the shape of the ultrasonic emitter 41 may be a circle, an ellipse, a rectangle, a ring, or the like. Furthermore, one signal may be driven by a plurality of ultrasonic emitters.

また、前記超音波エミッタは、それぞれ、複数の超音波素子からなる複数のブロックによって構成され、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個のブロックによって放射することが好ましい。超音波エミッタを所望の形状とすることが容易となり、より高音質の再生音を得ることができるからである。前記超音波エミッタを複数の超音波素子からなるブロックにより構成する場合、例えば、図11に示すように、キャリア信号とサイドバンド信号を、2つにブロック分けした超音波エミッタ43、44に個別に送り、各超音波エミッタを構成する素子のブロック43a〜e、44a〜dは、1台の増幅手段42に相当するように構成されることが好ましい。ここで、1つのブロックは、ひと塊のブロック又は複数のブロックを備える構成が可能である。素子を配列したブロックを近接したエミッタとすることにより、個別のエミッタで分離駆動する場合に比べ、個々のブロックから放射される音波の合成度合が向上し、復調変換効率の低下も少なくなり、差音の音圧レベルの維持が図れるからである。   Each of the ultrasonic emitters includes a plurality of blocks each including a plurality of ultrasonic elements. The ultrasonic wave based on the carrier signal and the ultrasonic wave based on the sideband signal are separated by separate blocks. Radiation is preferred. This is because it is easy to make the ultrasonic emitter into a desired shape, and a higher-quality reproduced sound can be obtained. When the ultrasonic emitter is constituted by a block composed of a plurality of ultrasonic elements, for example, as shown in FIG. 11, the carrier signal and the sideband signal are individually divided into two ultrasonic emitters 43 and 44 divided into two blocks. It is preferable that the blocks 43a to e and 44a to d of the elements constituting the ultrasonic emitters are configured to correspond to one amplification means 42. Here, one block can be configured to include a block or a plurality of blocks. By making the block with the elements arranged close to each other, the degree of synthesis of the sound waves emitted from each block is improved and the demodulation conversion efficiency is reduced less than when separated and driven by individual emitters. This is because the sound pressure level of the sound can be maintained.

なお、前記超音波素子からなるブロックは、図12〜15に示すように、矩形(図12、図13)、市松模様(図14(a))、同心円(図14(b)、図15(a))、又は、放射(図15(b))の形状を有することが好ましい。方向依存性の少ない良好な音放射音場を得ることができ、設置時の制約を軽減することができるからである。   In addition, as shown in FIGS. 12-15, the block which consists of the said ultrasonic element has a rectangle (FIG. 12, FIG. 13), a checkered pattern (FIG. 14 (a)), a concentric circle (FIG. 14 (b), FIG. It is preferable to have a shape of a)) or radiation (FIG. 15B). This is because a good sound radiation field with little direction dependency can be obtained, and the restrictions during installation can be reduced.

ここで、前記矩形のブロックとは、図12に示すように、例えば、単数又は複数の長方形から構成される形状をいう。矩形ブロックは、さらに、「1列ブロック分け」や、「複数本ブロック分け」等に分類できる。1列ブロック分けとは、図12(a)に示すように、超音波エミッタにおいて、小口径の超音波素子を1列ずつ交互に、それぞれキャリア信号Aとサイドバンド信号Bを入力するブロックから構成されたものである。また、複数本ブロック分けは、図12(b)に示すように、例えば3本ずつ交互に配列した前記ブロックによって構成されたものである。
なお、前記「1列ブロック分け」及び「複数本ブロック分け」は、超音波素子を1列方向に配列しているため、超音波エミッタ全体として音響特性は縦方向と横方向の音放射特性が異なる。このため、パラメトリックスピーカの使用時に聴取位置を考慮して、パラメトリックスピーカの設置を行う必要がある等の制約を生じる。これを改善するため、超音波素子の配列を、方向性の少ない配列にする方法がある。該方向性の少ない配列としては、図13(a)に示すように、超音波素子がジグザグに交互に並び配列又は、図13(b)に示すように、超音波素子を斜めに配列して、縦又は横方向から角度を持たせて配列する方法がある。
ここで、「方向性」とは音放射パターンの状態を言い、個々の超音波素子から放射される音の合成となる超音波エミッタの放射音場が、音軸の方向(0°)から離れる方向に依存して音のレベルが異なることを言う。例えば、図12において、A又はBどちらか一方の信号を再生する超音波素子は縦一列に並び、他方とは間隔をおいて配列されている為、図12の超音波エミッタを正面から見て左右に移動する横方向と、上下に移動する縦方向とは音圧レベルの変化が異なる状態となる。このような状態を、音響工学的には、横と縦方向(その他、任意の方向)で音放射パターンが異なり、指向性がつく(指向性に差がある)、と言う。一方、図13においては、「方向性」は完全に無くならないが解消される配列である。「方向性」又は「指向性」は、超音波素子又はブロックの配列状態と超音波エミッタの外形形状(円形や多角形他)に依存する。例えば、図12〜15においては、図15(a)の同心円形の超音波エミッタにおいては方向性ない。図15(a)以外の超音波エミッタの素子配列や形状では少なからず方向性が存在する。
Here, as shown in FIG. 12, the said rectangular block means the shape comprised from a single or several rectangle, for example. The rectangular blocks can be further classified into “single row block division”, “multiple block division” and the like. As shown in FIG. 12 (a), the one-row block division is composed of blocks in which an ultrasonic emitter is alternately input with a small-diameter ultrasonic element one by one and a carrier signal A and a sideband signal B are input. It has been done. Further, as shown in FIG. 12B, the plural block division is constituted by the blocks alternately arranged, for example, three by three.
In the “single row block division” and “multiple block division”, since the ultrasonic elements are arranged in one row direction, the acoustic characteristics of the ultrasonic emitter as a whole are the sound emission characteristics in the vertical and horizontal directions. Different. For this reason, there arises a restriction that it is necessary to install the parametric speaker in consideration of the listening position when the parametric speaker is used. In order to improve this, there is a method in which the arrangement of the ultrasonic elements is arranged with less directivity. As an arrangement with less directivity, as shown in FIG. 13 (a), ultrasonic elements are alternately arranged in a zigzag pattern, or as shown in FIG. 13 (b), ultrasonic elements are arranged obliquely. There is a method of arranging with an angle from the vertical or horizontal direction.
Here, “directionality” refers to the state of the sound radiation pattern, and the radiated sound field of the ultrasonic emitter, which is the synthesis of the sound radiated from the individual ultrasonic elements, is separated from the direction of the sound axis (0 °). The sound level varies depending on the direction. For example, in FIG. 12, the ultrasonic elements for reproducing either the signal A or B are arranged in a vertical row and arranged at intervals from the other, so that the ultrasonic emitter in FIG. 12 is viewed from the front. The sound pressure level changes differently in the horizontal direction moving left and right and the vertical direction moving up and down. In terms of acoustic engineering, such a state is said to have different sound radiation patterns in the horizontal and vertical directions (other arbitrary directions) and have directivity (difference in directivity). On the other hand, in FIG. 13, the “directionality” is an arrangement that is completely eliminated but is eliminated. “Directionality” or “directivity” depends on the arrangement state of the ultrasonic elements or blocks and the outer shape of the ultrasonic emitter (circular, polygonal, etc.). For example, in FIGS. 12 to 15, the concentric ultrasonic emitter shown in FIG. There is a considerable directionality in the element arrangement and shape of the ultrasonic emitters other than those in FIG.

また、さらに方向性が少なくなる配列として、市松模様、同心円、又は放射の形状がある。超音波素子からなるブロックの形状について、前記市松模様の形状とは、図14(a)に示すように、超音波素子を矩形状に交互に配した模様の形状のことで、それぞれにキャリア信号とサイドバンド信号を交互に入力するものである。
さらに、超音波素子からなるブロックの形状について、前記同心円の形状とは、図14(b)及び図15(a)に示すように、中心が同じになるようにブロック分けすることである。また、超音波素子からなるブロックの形状について、前記放射の形状とは、図15(b)に示すように、放射状にブロック分けすることである。
ブロック分けを方向性が少なくなる配列とすることで、方向依存性の少ない良好な音放射音場を得ることができ、設置時の制約を軽減することができる。
Further, as an array in which directionality is further reduced, there is a checkered pattern, a concentric circle, or a radiation shape. As for the shape of the block made of ultrasonic elements, the checkered pattern shape is a pattern shape in which ultrasonic elements are alternately arranged in a rectangular shape as shown in FIG. And sideband signals are input alternately.
Further, regarding the shape of the block made of ultrasonic elements, the shape of the concentric circle is to divide the block so that the centers are the same as shown in FIGS. 14 (b) and 15 (a). In addition, regarding the shape of the block made of the ultrasonic element, the shape of the radiation is to divide the block radially as shown in FIG.
By making the block division into an array with less directivity, a good sound radiation sound field with less direction dependency can be obtained, and restrictions during installation can be reduced.

また、前記超音波エミッタは、図16に示すように、音軸aに沿って放射された前記キャリア信号Aに基づいた超音波と、放射された前記サイドバンド信号Bに基づいた超音波とが、10°以下の角度で音軸が交差するように配置されることが好ましい。再生音圧を高めることができ、音場の交差領域が大きくなるからである。なお、2つの超音波エミッタは、図16に示すように、2つの超音波エミッタの間隔や音軸aの傾斜角度を相互に制御して、集中(焦点)音場を生成できる。
なお、「放射された前記キャリア信号に基づいた超音波と、放射された前記サイドバンド信号に基づいた超音波の角度」とは、図16に示すように、別個の超音波エミッタから放射される超音波の進行方向(音軸)が交差する角度αのことである。
Further, as shown in FIG. 16, the ultrasonic emitter generates an ultrasonic wave based on the carrier signal A radiated along the sound axis a and an ultrasonic wave based on the radiated sideband signal B. It is preferable that the sound axes intersect at an angle of 10 ° or less. This is because the reproduction sound pressure can be increased and the sound field intersection area becomes larger. The two ultrasonic emitters can generate a concentrated (focus) sound field by mutually controlling the interval between the two ultrasonic emitters and the inclination angle of the sound axis a as shown in FIG.
Note that “the angle of the ultrasonic wave based on the radiated carrier signal and the ultrasonic wave based on the radiated sideband signal” is radiated from separate ultrasonic emitters as shown in FIG. This is the angle α at which the traveling direction (sound axis) of the ultrasonic waves intersects.

さらに、前記超音波放射手段における周波数特性の減衰帯域を、下側帯域であれば周波数の上昇に伴って周波数の2乗に比例し、上側帯域であれば周波数の2乗に反比例する特性に制御し、前記下側帯域又は前記上側帯域にキャリア信号とサイドバンド信号が存在することが好ましい。これにより、復調差音の中高域特性を、図19の左の実線の横に平らな線に示されるように、平坦化することができる。これにより、平坦化された帯域においては音源信号と同等の音質が得られる高忠実度の再生ができ、さらには、低域側への帯域拡大を図ることができ、復調再生音の音質は向上するからである。   Further, the attenuation band of the frequency characteristic in the ultrasonic radiation means is controlled to a characteristic that is proportional to the square of the frequency as the frequency increases in the lower band and inversely proportional to the square of the frequency in the upper band. However, it is preferable that a carrier signal and a sideband signal exist in the lower band or the upper band. Thereby, the mid-high frequency characteristics of the demodulated difference sound can be flattened as indicated by a flat line beside the solid line on the left in FIG. As a result, in the flattened band, high-fidelity playback that can achieve the same sound quality as the sound source signal can be performed, and further, the band can be expanded to the low-frequency side, improving the sound quality of the demodulated playback sound. Because it does.

ここで、前記超音波エミッタの代表的な音圧周波数特性は、図3(b)に示される。前記増幅された変調信号を前記超音波エミッタによって、音に変換する場合、図17に示すように、キャリア信号の周波数fcは、共振ピークの最大となる周波数に合わせ、サイドバンド信号は共振ピークの上か下のレベル減衰帯域に存在するように設定される。なお、図17は、超音波エミッタの音圧周波数特性を表わし、サイドバンド信号が共振ピークの上の帯域に存在する場合を例示している。
なお、「周波数特性の減衰帯域」とは、例えば、図3(b)に示すような周波数特性の山型の頂点から見て、左右のI(ω)が減衰していく帯域である。「下側帯域」とは、左側のI(ω)が減衰していく帯域であり、「上側帯域」とは、右側のI(ω)が減衰していく帯域である。
また、パラメトリックスピーカの復調変換原理に基づく周波数特性を図18に示す。パラメトリックスピーカの復調変換において、超音波パラメトリックスピーカ帯域に存在するキャリア信号fcとサイドバンド信号fc+fsを同一のレベルで出力して平坦な周波数特性(平坦な破線)を備えるエミッタで再生すると仮定した場合、復調して得られる差音fs(音源可聴信号)の周波数特性は周波数の2乗に比例する。
一方、図17に示す特性の超音波エミッタを使用する場合は、復調して得られる差音fs(音源可聴信号)の周波数特性は、低域では「周波数のほぼ2乗で上昇する」が、中高域では2乗のラインからレベル低下する傾向となる。すなわち、音源の周波数が低い場合は、キャリア信号とサイドバンド信号は近い周波数帯に存在するため、両者はほぼ同じレベルで再生されることになり、「周波数のほぼ2乗で上昇する」特性に近い傾向となる。しかし、音源周波数が高くなると、サイドバンド信号は、キャリア信号から離れてレベルの低い帯域で復調再生することになるので、図18の一点鎖線で示すように、「周波数のほぼ2乗で上昇する」ラインから外れ高域に向かってレベル低下し平坦化傾向の特性となる。このように平坦化の方向にはなるが、超音波エミッタ減衰帯域の周波数特性の変動及び/又はレベル低下の傾斜に依存して復調特性が決定されるため、完全には平坦な特性にはならない。
そのため、超音波エミッタの減衰帯域の傾斜を、共振の上側帯域(USB)の場合は「周波数のほぼ2乗分の1で減少(1/f2)」させ、及び、下側帯域(LSB)の場合は「周波数のほぼ2乗で上昇する(∝f2)」ように制御し、キャリア信号の周波数fcとサイドバンド信号の周波数fc+fsを、前記傾斜の特性上の帯域に存在するように設定することが好ましい。
Here, a typical sound pressure frequency characteristic of the ultrasonic emitter is shown in FIG. When the amplified modulation signal is converted into sound by the ultrasonic emitter, as shown in FIG. 17, the frequency fc of the carrier signal is adjusted to the frequency at which the resonance peak is maximum, and the sideband signal has the resonance peak. It is set to exist in the upper or lower level attenuation band. FIG. 17 represents the sound pressure frequency characteristics of the ultrasonic emitter, and illustrates the case where the sideband signal is present in the band above the resonance peak.
The “frequency characteristic attenuation band” is, for example, a band in which the left and right I (ω) are attenuated when viewed from the peak of the peak of the frequency characteristic as shown in FIG. The “lower band” is a band in which the left I (ω) is attenuated, and the “upper band” is a band in which the right I (ω) is attenuated.
FIG. 18 shows the frequency characteristics based on the demodulating conversion principle of the parametric speaker. In the demodulating conversion of the parametric speaker, assuming that the carrier signal fc and the sideband signal fc + fs existing in the ultrasonic parametric speaker band are output at the same level and reproduced by an emitter having a flat frequency characteristic (flat broken line), The frequency characteristic of the difference sound fs (sound source audible signal) obtained by demodulation is proportional to the square of the frequency.
On the other hand, when the ultrasonic emitter having the characteristics shown in FIG. 17 is used, the frequency characteristic of the difference sound fs (sound source audible signal) obtained by demodulation is “increases with approximately the square of the frequency” in the low frequency range. In the middle and high range, the level tends to drop from the square line. In other words, when the frequency of the sound source is low, the carrier signal and the sideband signal are present in close frequency bands, so that both are reproduced at almost the same level, and the characteristic is “rising at approximately the square of the frequency”. It tends to be close. However, as the sound source frequency increases, the sideband signal is demodulated and reproduced in a low-level band away from the carrier signal, and therefore, as shown by the one-dot chain line in FIG. The level falls off the line toward the high region and becomes a flattening tendency. Although the direction of flattening is in this way, the demodulation characteristic is determined depending on the fluctuation of the frequency characteristic of the ultrasonic emitter attenuation band and / or the slope of the level reduction, and therefore the characteristic is not completely flat. .
For this reason, the slope of the attenuation band of the ultrasonic emitter is “decreased by approximately one-quarter of the frequency (1 / f 2 )” in the case of the upper band of resonance (USB), and the lower band (LSB). In this case, control is performed so that the frequency rises to approximately the square of the frequency (∝f 2 ), so that the frequency fc of the carrier signal and the frequency fc + fs of the sideband signal are present in the band on the slope characteristics. It is preferable to set to.

さらにまた、前記超音波放射手段によって再生される超音波の周波数特性を、該超音波放射手段の減衰周波数帯域を、該超音波放射手段の周波数特性の下側帯域であれば周波数の上昇に伴って周波数の2乗に比例し、上側帯域であれば周波数の2乗に反比例する特性となるように制御する周波数特性補正手段をさらに備え、前記下側帯域又は前記上側帯域にキャリアとサイドバンド成分が存在することが好ましい。これにより、平坦化された帯域においては音源信号と同等の音質が得られる高忠実度の再生ができ、さらには、周波数の低域側への帯域拡大を図ることができ、復調再生音の音質は向上するからである。   Furthermore, the frequency characteristics of the ultrasonic waves reproduced by the ultrasonic radiation means can be expressed as the attenuation frequency band of the ultrasonic radiation means, and the lower frequency band of the ultrasonic radiation means as the frequency increases. Frequency characteristic correction means for controlling the frequency band to be proportional to the square of the frequency and inversely proportional to the square of the frequency in the upper band, and carrier and sideband components in the lower band or the upper band. Is preferably present. As a result, high-fidelity playback that can achieve the same sound quality as that of the sound source signal can be achieved in the flattened band, and further, the frequency band can be expanded to the low frequency side. It is because it improves.

前記超音波エミッタの音圧周波数特性は図3(b)のようななだらかな単一共振峰を備えることは稀である。前記超音波エミッタ素子を構成する色々な部材の共振や形状に依存した音放射状態や反射等の影響を受け、例えば、前記超音波エミッタの音圧周波数特性は、図19の右の破線に示すように、共振の上側と下側の特性は波打つような変動を備えて減衰する傾向となる。ここで、図19は、USB型のSSB変調の超音波エミッタ周波数特性制御と駆動方法を表わす。
なお、これに対する対策に関連して、USB型のSSB変調の場合は、図19の右グラフに示すように、超音波エミッタから再生される超音波の再生周波数特性が1/f2の減衰帯域を持つようにすることが必要となる。これによって、図18に示したように、復調特性である∝f2の逆特性を施すことによって補償する方策であり、主要中高音域を平坦な周波数特性にすることができる。
The sound pressure frequency characteristic of the ultrasonic emitter rarely has a gentle single resonance peak as shown in FIG. For example, the sound pressure frequency characteristic of the ultrasonic emitter is shown by a broken line on the right side of FIG. 19 due to the influence of the sound emission state and reflection depending on the resonance and shape of various members constituting the ultrasonic emitter element. Thus, the upper and lower characteristics of resonance tend to attenuate with undulating fluctuations. Here, FIG. 19 shows USB type SSB modulation ultrasonic emitter frequency characteristic control and driving method.
In connection with countermeasures against this, in the case of USB-type SSB modulation, as shown in the right graph of FIG. 19, the reproduction frequency characteristic of the ultrasonic wave reproduced from the ultrasonic emitter is 1 / f 2 attenuation band. It is necessary to have. As a result, as shown in FIG. 18, this is a measure to compensate by applying the inverse characteristic of 2f 2 which is a demodulation characteristic, and the main middle and high frequencies can be made flat frequency characteristics.

これを実現するため、1つ目の方策として、超音波エミッタ自体の共振周波数がコントロールされて製作されたものであること、及び/または、2つ目の方策として、動作帯域の減衰帯域部がフィルタ等で電気的に特性補正されたものであることが必要である。
「前記減衰帯域を電気的に特性補正する」ことは、図20に示すように、前記可聴信号補正手段10により補正した可聴信号をSSB変調手段27によりSSB変調した後に、周波数特性補正手段53によって実現可能である。好ましくは、さらに、図20に示すように、レベル調整手段52を備えることが好ましい。主要中高音域を、さらに平坦な周波数特性にすることができるからである。
ここで、周波数特性補正手段53は、サイドバンド信号用の特性補正フィルタリング手段であり、前述の再生音特性を実現するように作られる。キャリア信号側のレベル調整手段52は、サイドバンド信号の再生音特性上の傾斜上にキャリア信号のレベルが存在するように調整するものである。
なお、2つの方策は同時に実施されてもよいが、超音波エミッタ側の方策が実現されれば、2つ目の方策は不要である。
In order to realize this, the first policy is that the resonance frequency of the ultrasonic emitter itself is controlled, and / or the second policy is that the attenuation band of the operating band is It is necessary that the characteristics are electrically corrected by a filter or the like.
As shown in FIG. 20, “electrically correcting the attenuation band” means that the audible signal corrected by the audible signal correcting unit 10 is SSB modulated by the SSB modulating unit 27 and then the frequency characteristic correcting unit 53. It is feasible. Preferably, further, as shown in FIG. This is because the main mid-high range can be made to have a flatter frequency characteristic.
Here, the frequency characteristic correction means 53 is a characteristic correction filtering means for sideband signals, and is made so as to realize the above-described reproduction sound characteristics. The carrier signal side level adjusting means 52 adjusts the carrier signal level so that the carrier signal level exists on the slope of the reproduced sound characteristics of the sideband signal.
The two measures may be performed simultaneously, but the second measure is not necessary if the measure on the ultrasonic emitter side is realized.

超音波エミッタから再生される超音波の再生周波数特性が1/f2の減衰帯域を持つようにすることが実現された状態において、さらに、サイドバンド信号の周波数が1/f2(横軸の周波数が対数目盛の場合、直線傾斜)となるように設定する。これにより、復調後の中高音域周波数帯の特性は平坦化する。さらにまた、キャリア信号の周波数も単峰の最大値からずらして、1/f2の傾斜部(対数目盛の直線部)に存在するように設定すると、図19の左側特性の実線のように、低域側に平坦部が拡大される。
これにより、平坦化された帯域においては外部音源信号と同等の音が得られる高忠実度の再生ができ、低域側への帯域拡大を図ることができ、復調再生音の音質は向上する。
In a state where the reproduction frequency characteristic of the ultrasonic wave reproduced from the ultrasonic emitter is realized to have an attenuation band of 1 / f 2 , the frequency of the sideband signal is further 1 / f 2 (on the horizontal axis) If the frequency is a logarithmic scale, it is set to be a linear slope. As a result, the characteristics of the mid-high frequency band after demodulation are flattened. Furthermore, if the frequency of the carrier signal is also shifted from the maximum value of the single peak so as to be present in the 1 / f 2 slope portion (logarithmic scale linear portion), as shown by the solid line in the left-hand side characteristic of FIG. The flat part is enlarged on the low frequency side.
Thereby, in the flattened band, high-fidelity reproduction that can obtain a sound equivalent to the external sound source signal can be performed, the band can be expanded to the low band side, and the sound quality of the demodulated reproduced sound is improved.

なお、1つ目の方策及び2つ目の方策においてDSB変調又はSSB変調でも構わなく、複合型駆動又は分離型駆動であっても構わない。また、キャリア信号とサイドバンド信号の再生用の超音波エミッタは、同一性能のものであっても良いが、それぞれ専用の素子であっても構わない。例えば、キャリア信号用は、キャリア信号の周波数はほぼ固定であるので、狭帯域で高音圧再生可能な超音波素子、例えば、ボルト締めランジュバン振動子又はコンポジット圧電体振動子等を使用することが考えられる。また、サイドバンド信号用は、帯域特性を制御した超音波エミッタを使用する。   In the first and second measures, DSB modulation or SSB modulation may be used, and composite drive or separation drive may be used. Further, the ultrasonic emitter for reproducing the carrier signal and the sideband signal may have the same performance, but may be a dedicated element. For example, for carrier signals, since the frequency of the carrier signal is almost fixed, it is considered to use an ultrasonic element capable of reproducing a high sound pressure in a narrow band, such as a bolted Langevin vibrator or a composite piezoelectric vibrator. It is done. For the sideband signal, an ultrasonic emitter with controlled band characteristics is used.

<ソフトウエア>
次に、本発明による「前記可聴信号の補正を行うように機能させるためのソフトウエア」について説明する。
本発明の可聴信号の補正を行うように機能させるためのソフトウエアは、パラメトリックスピーカに組み込むことで、前記超音波放射手段から出力された超音波の音圧を検出し、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の復調可聴信号の波形を非線形伝搬モデルによって予測して生成し、該生成した波形と前記入力された可聴信号の波形とを比較することで、前記可聴信号の補正を行うように機能させることを特徴とする。
<Software>
Next, “software for functioning to correct the audible signal” according to the present invention will be described.
The software for functioning to correct an audible signal according to the present invention is incorporated in a parametric speaker to detect the sound pressure of the ultrasonic wave output from the ultrasonic radiation means, and the detected output sound pressure A waveform of a demodulated audible signal when it is affected by a nonlinear propagation process based on the signal of the signal is generated using a nonlinear propagation model, and the generated waveform is compared with the waveform of the input audible signal. The audible signal is corrected so as to function.

上記構成を具備するソフトウエアをパラメトリックスピーカに組み込むことで、上述した本願発明に係る可聴信号の補正を行う効果を得ることが可能となる。
なお、前記ソフトウエアをインストールする具体的な方法としては、パラメトリックスピーカ製造においてパラメトリックスピーカの回路等に記録する方法や、該ソフトウエアを、媒体を用いてインストールする方法、又は、インターネット等でダウンロードによってインストール方法等がある。ここで、媒体には、例えば、DVD、CD、USBメモリーやハードディスク等があるが、特にこれらに限られない。
By incorporating the software having the above configuration into the parametric speaker, it is possible to obtain the effect of correcting the audible signal according to the present invention described above.
In addition, as a specific method of installing the software, a method of recording in a parametric speaker circuit or the like in the manufacture of a parametric speaker, a method of installing the software using a medium, or a download by the Internet or the like There are installation methods. Here, examples of the medium include, but are not limited to, a DVD, a CD, a USB memory, a hard disk, and the like.

本発明によれば、空気中の音伝搬の変調及び復調過程における歪等を低減することが可能となる。その結果、従来にはなかった聞きやすく違和感の無い高音質の再生音を実現でき、パラメトリックスピーカの応用分野を広げることができることから産業上有用である。   According to the present invention, it is possible to reduce distortion or the like in the process of modulation and demodulation of sound propagation in the air. As a result, it is possible to realize a high-quality reproduced sound that is easy to hear and has no sense of incongruity, which is not possible in the past.

2、20 変調手段
3、30、31 増幅手段
4、40、41、42 超音放射手段
5、50 外部音源
6 キャリア信号源
7、70、71 超音波
10 可聴信号補正手段
11 非線形伝搬モデル生成手段
12 比較手段
13 検出手段
27 SSB変調手段
31a、41a キャリア信号
31b、41b サイドバンド信号
43a〜e 超音波素子からなるブロック(キャリア信号)
44a〜d 超音波素子からなるブロック(サイドバンド信号)
52 レベル調整手段
53 周波数特性補正手段
100、101 パラメトリックスピーカ















2, 20 Modulating means 3, 30, 31 Amplifying means 4, 40, 41, 42 Supersonic radiation means 5, 50 External sound source 6 Carrier signal source 7, 70, 71 Ultrasonic wave 10 Audible signal correcting means 11 Non-linear propagation model generating means 12 Comparison means 13 Detection means 27 SSB modulation means 31a, 41a Carrier signals 31b, 41b Sideband signals 43a-e Blocks (carrier signals) composed of ultrasonic elements
44a-d Blocks composed of ultrasonic elements (sideband signals)
52 Level adjustment means 53 Frequency characteristic correction means 100, 101 Parametric speaker















Claims (10)

超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、該生成された変調信号を増幅する増幅手段と、該増幅された変調信号に基づいて超音波を放射する超音波放射手段と、を備えるパラメトリックスピーカにおいて、
前記パラメトリックスピーカは、前記超音波放射手段から出力された超音波の音圧を検出し、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の復調可聴信号の波形を非線形伝搬モデルによって予測して生成し、該生成した波形と入力された可聴信号の波形とを比較することで、前記可聴信号の補正を行い、補正した可聴信号を前記変調手段へと送る可聴信号補正手段を、さらに備えることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
A modulation means for modulating a carrier signal in an ultrasonic band with an audible signal from an external sound source to generate a modulation signal, an amplification means for amplifying the generated modulation signal, and an ultrasonic signal based on the amplified modulation signal. In a parametric speaker comprising an ultrasonic radiation means for radiating sound waves,
The parametric speaker detects the sound pressure of the ultrasonic wave output from the ultrasonic radiation means, and based on the detected output sound pressure signal, the waveform of the demodulated audible signal when affected by a non-linear propagation process Is predicted by a non-linear propagation model, and the generated waveform is compared with the waveform of the input audible signal to correct the audible signal and send the corrected audible signal to the modulation means. A parametric speaker, further comprising signal correction means.
前記可聴信号が非線形伝搬過程の影響を受けた際の波形モデルは、以下の式によって導出されることを特徴とする請求項に記載のパラメトリックスピーカ。
Figure 0006274497
ここで、tは時間(秒)、e(t)は包絡線関数を示す。
The parametric speaker according to claim 1 , wherein a waveform model when the audible signal is affected by a nonlinear propagation process is derived by the following equation.
Figure 0006274497
Here, t represents time (seconds), and e (t) represents an envelope function.
前記変調信号は、前記キャリア信号、及び、該キャリア信号が変調されたサイドバンド信号からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のパラメトリックスピーカ。 The parametric speaker according to claim 1 or 2 , wherein the modulation signal includes the carrier signal and a sideband signal obtained by modulating the carrier signal. 前記超音波放射手段は、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個の超音波エミッタによって放射することを特徴とする請求項に記載のパラメトリックスピーカ。 The parametric speaker according to claim 3 , wherein the ultrasonic radiation means radiates ultrasonic waves based on the carrier signal and ultrasonic waves based on the sideband signal by separate ultrasonic emitters. . 前記超音波エミッタでは、放射された前記キャリア信号に基づいた超音波と、放射された前記サイドバンド信号に基づいた超音波とが、10°以下の角度で交差するように配置されることを特徴とする請求項に記載のパラメトリックスピーカ。 In the ultrasonic emitter, the ultrasonic wave based on the emitted carrier signal and the ultrasonic wave based on the emitted sideband signal are arranged so as to intersect at an angle of 10 ° or less. The parametric speaker according to claim 4 . 前記音波エミッタは、複数の超音波素子からなる複数のブロックによって構成され、前記キャリア信号に基づいた超音波と、前記サイドバンド信号に基づいた超音波とを、別個のブロックによって放射することを特徴とする請求項に記載のパラメトリックスピーカ。 The ultrasonic emitter is constituted by a plurality of blocks consisting of a plurality of ultrasonic elements, the ultrasonic wave based on the carrier signal, and an ultrasonic based on the sideband signal, that emitted by separate blocks The parametric speaker according to claim 4 , wherein the speaker is a parametric speaker. 前記超音波素子からなるブロックは、矩形、市松模様、同心円、又は、放射の形状を有することを特徴とする請求項に記載のパラメトリックスピーカ。 The parametric speaker according to claim 6 , wherein the block made of the ultrasonic element has a rectangular shape, a checkered pattern, a concentric circle, or a radiation shape. 前記超音波放射手段における周波数特性の減衰帯域を、下側帯域であれば周波数の上昇に伴って周波数の2乗に比例し、上側帯域であれば周波数の2乗に反比例する特性に制御し、前記下側帯域又は前記上側帯域にキャリア信号とサイドバンド信号が存在することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のパラメトリックスピーカ。 The attenuation band of the frequency characteristic in the ultrasonic radiation means is controlled to a characteristic that is proportional to the square of the frequency as the frequency increases if the lower band, and inversely proportional to the square of the frequency if the upper band, The parametric speaker according to any one of claims 1 to 7 , wherein a carrier signal and a sideband signal exist in the lower band or the upper band. 前記超音波放射手段によって再生される超音波の周波数特性を、該超音波放射手段の減衰周波数帯域を、該超音波放射手段の周波数特性の下側帯域であれば周波数の上昇に伴って周波数の2乗に比例し、上側帯域であれば周波数の2乗に反比例する特性となるように制御する周波数特性補正手段をさらに備え、前記下側帯域又は前記上側帯域にキャリアとサイドバンド成分が存在することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のパラメトリックスピーカ。 The frequency characteristics of the ultrasonic waves reproduced by the ultrasonic radiation means are the attenuation frequency band of the ultrasonic radiation means, and the lower band of the frequency characteristics of the ultrasonic radiation means, the frequency Frequency characteristic correction means is further provided for controlling the frequency to be proportional to the square and inversely proportional to the square of the frequency in the upper band, and carrier and side band components exist in the lower band or the upper band. The parametric speaker according to any one of claims 1 to 7 , wherein 請求項1〜9のいずれか1項に記載のパラメトリックスピーカ用のソフトウエアであって、
パラメトリックスピーカに組み込むことで、パラメトリックスピーカ中の超音波放射手段から出力された超音波の音圧を検出し、検出された出力音圧の信号に基づいて、非線形伝搬過程の影響を受けた際の復調可聴信号の波形を非線形伝搬モデルによって予測して生成し、該生成した波形入力された可聴信号の波形とを比較することで、前記可聴信号の補正を行うように機能させるためのソフトウエア。
Software for a parametric speaker according to any one of claims 1 to 9,
By incorporating it in a parametric speaker, the sound pressure of the ultrasonic wave output from the ultrasonic radiation means in the parametric speaker is detected, and when it is affected by the nonlinear propagation process based on the detected output sound pressure signal Software for predicting and generating a waveform of a demodulated audible signal using a non-linear propagation model, and comparing the generated waveform with the waveform of the input audible signal to function to correct the audible signal .
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