JP6622060B2 - パラメトリックスピーカ、信号処理装置、及び信号処理プログラム - Google Patents
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超音波帯域の搬送波を生成する搬送波生成部と、
可聴帯域の音波信号により前記搬送波を振幅変調して変調波を生成する変調部と、
前記変調波を、搬送波の周波数成分を有する第1分離波と、側波帯の周波数成分を有する第2分離波とに分離する帯域分離部と、
複数の超音波発生素子を有するスピーカ本体と、
前記第1分離波と前記第2分離波とをそれぞれ互いに異なる前記超音波発生素子から互いに異なる方向に放射させるように、前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する位相制御部と、を備えている。
このような構成によって、パラメトリックスピーカの近傍のみに可聴領域を設定することができ、パラメトリックスピーカから離れた場所にいる者に音が届かないようにすることができる。
このような構成によって、パラメトリックスピーカから近くにいる者には音が届くが、パラメトリックスピーカから離れた場所にいる者に音が届かないように可聴領域を設定することができる。
前記位相制御部は、複数に分割された第2分離波をそれぞれ異なる超音波発生素子から異なる方向に放射させるように各第2分離波の位相を制御することが好ましい。
このような構成によって側帯波に含まれる複数の周波数成分の差音によって目的としない可聴音が再生されるのを抑制することができる。
このような構成により、簡素な構成のスピーカ本体を用いて可聴領域の設定の自由度を高めることができる。
この構成によれば、使用者の身体にスピーカ本体を装着し、その者の耳の近傍に可聴領域を設定することによってその者のみに音を届けることが可能となる。
この構成によれば、例えば、各分離波により発生するグレーティングローブが互いに重なる領域を小さくするように第1分離波及び第2分離波の位相を制御することによって、グレーティングローブに起因する、目的としない可聴音の発生を抑制することが可能となる。
前記第1分離波と前記第2分離波とを、それぞれ互いに異なる超音波発生素子から互いに異なる方向に放射させるように、前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する位相制御部と、を備えているものである。
前記第1分離波と前記第2分離波とを、それぞれ互いに異なる超音波発生素子から互いに異なる方向に放射させるように、前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する位相制御部として、コンピュータを機能させるものである。
以下、実施形態に係るパラメトリックスピーカを図面を参照して説明する。
図1は、実施形態に係るパラメトリックスピーカを備えた音響システムの概略構成図である。
音響システム10は、信号生成装置11と、パラメトリックスピーカ12とを備えている。信号生成装置11は、信号源13と、フィルタ処理部14と、を備えている。信号源13は、音声信号やオーディオ信号等の可聴帯域の音波信号を生成し、フィルタ処理部14に出力する。フィルタ処理部14は、信号波に所定の特性を付与したうえで当該信号波をパラメトリックスピーカ12へ出力する。
搬送波生成部31は、所定の周波数の超音波からなる搬送波を生成し、変調部32に出力する。この搬送波生成部31は、例えば水晶振動子等を用いた高周波発振器を含んで構成されている。本実施形態では、40kHzの搬送波を生成して変調部32に出力する。
帯域分離部33は、変調波を周波数成分に応じて複数の分離波に分離するものである。
そのため、本実施形態の帯域分離部33は、例えば、周波数fBを閾値として複数の周波数fB1〜fB4を2つの周波数帯の側帯波(高域側帯波及び低域側帯波)に分割することによって、各側帯波間に存在する差音を少なくし、混変調歪みを抑制する。
搬送波生成部31、変調部32、帯域分離部33、および位相制御部34は、例えばCPU等の演算部やメモリ等の記憶部、その他、入出力インターフェース等を備えたコンピュータから構成されている。そして、演算部が、記憶部に読み込まれたコンピュータプログラムを実行することにより、搬送波生成部31、変調部32、帯域分離部33、および位相制御部34が実現されている。
図6は、変調波の位相制御を説明する図である。本実施形態の位相制御部34は、搬送波をスピーカ本体21の正面方向に放射し、低域側帯波及び高域側帯波をそれぞれ正面方向に対して互いに逆方向に傾斜して放射するように、搬送波、低域側帯波、及び高域側帯波の位相を制御する。図6には、搬送波が放射される領域をP2、低域側帯波が放射される領域をP3、高域側帯波が放射される領域をP4で示し、各領域P2〜P4が重なる略三角形の領域をP1で示している。
本出願の発明者は、以上に説明したようなパラメトリックスピーカの可聴領域の設定が有効であること確認するために評価実験を行った。具体的には、パラメトリックスピーカから放射した音波(変調波)を複数のマイクロホンで収録し、収録した可聴音の音圧レベルを算出し、その分布を求めた。図7に示すように、マイクロホンMは、0.1m間隔で縦横に110点配置し、パラメトリックスピーカ12のスピーカ本体21は、幅及び奥行(距離)が0mの位置(座標(0,0))に配置した。その他の条件は、次の表1の通りである。音源には、日本語1音声を用い、搬送波の周波数を40kHzとした。側帯波は、39kHzを閾値として32kHz〜39kHzを低域側帯波の周波数とし、39kHz〜39.9kHzを高域側帯波の周波数とした。
評価実験1では、図8に示すように、パラメトリックスピーカ12の正面方向を0°として、搬送波(第1分離波)を0°方向に放射し、低域側帯波(第2分離波)を0°方向からマイナス側(図8の左側)に傾斜した方向に放射し、高域側帯波を0°方向からプラス側(図8の右側)に傾斜した方向に放射した。
図9(a)は、従来のパラメトリックスピーカから正面方向(0°方向)に変調波を放射した場合における可聴音の音圧レベルを示している。図9(a)から明らかなように、可聴領域A1は、パラメトリックスピーカの位置(幅及び距離が0mの位置)から正面方向に直線状に延びており、指向性の高い音場が形成されていることがわかる。
評価実験2では、図11に示すように、パラメトリックスピーカの正面方向を0°として、搬送波(第1分離波)を0°方向に放射し、高域側帯波(第2分離波)を0°方向からマイナス側(図11の左側)に傾斜した方向に放射し、低域側帯波を0°方向からプラス側(図11の右側)に傾斜した方向に放射した。
評価実験3では、図14に示すように、パラメトリックスピーカの正面方向を0°として、搬送波(第1分離波)をマイナス側(図14の左側)に傾斜した方向に放射し、低域側帯波を0°方向に放射し、高域側帯波を0°方向からプラス側(図14の右側)に傾斜した方向に放射した。
評価実験4では、図17に示すように、パラメトリックスピーカの正面方向を0°として、搬送波(第1分離波)をプラス側(図17の右側)に傾斜した方向に放射し、低域側帯波をマイナス側(図17の左側)に傾斜した方向に放射し、高域側帯波を0°方向に放射した。
例えば、図10(a)(c)に示すように、低域側帯波及び高域側帯波では、音圧レベルの高い領域が、円L1で囲んで示す本来の側帯波の放射方向だけでなく、円L2で囲んで示す領域にも生じていることが分かる。これは、アレイ状に配列された超音波発生素子から放射される本来の側帯波(メインローブ)に対して妨害波となる音波(グレーティングローブ)である。このようなグレーティングローブが他のグレーティングローブと重なると、例えば、図9(e)に示すように、本来の可聴領域A1以外に、可聴音が再生される領域A2が生じる可能性がある。
例えば、図21には、搬送波、高域側帯波、及び低域側帯波を、周波数の小さいものほど放射角度θTを大きくした場合(図21(a)参照)と、逆に、周波数の小さいものほど放射角度θTを小さくした場合(図21(b)参照)とを示している。両者を比較すると、それぞれのグレーティングローブが重なる領域A2は、後者の方が前者よりも小さくなる。つまり、グレーティングローブの重なりによって生成される可聴領域A2が小さくなる。したがって、周波数の大きさに応じて搬送波、低域側帯波、及び高域側帯波の放射方向(位相)を設定することによって、グレーティングローブに起因して発生する可聴領域を制御することが可能であることがわかる。言い換えると、搬送波、低域側帯波、及び高域側帯波のグレーティングローブが互いに重なる領域の大きさに基づいて、搬送波、低域側帯波、及び高域側帯波の位相を制御することによって、グレーティングローブに起因する、目的としない可聴音の発生を抑制することが可能となる。
例えば、スピーカ本体を構成する複数の超音波発生素子は、平面状に配列されるに限らず、曲面状に配列されていてもよい。
上記実施形態では、側帯波を低域側帯波と高域側帯波とに2分割していたが、3以上に分割してもよい。
上記スピーカ本体は、例えば、使用者の身体に装着して使用することができる。例えば、使用者の頭、顔、首、腕等にスピーカ本体を装着し、可聴領域を使用者の耳の付近に設定することによって、ヘッドホン等を用いなくても使用者のみに音を届けることが可能となる。なお、使用者の身体への「装着」には、例えば使用者の衣服のポケット等に入れた状態で携帯することも含む。
21:スピーカ本体
23:超音波発生素子
31:搬送波生成部
32:変調部
33:帯域分離部
34:位相制御部
Claims (6)
- 超音波帯域の搬送波を生成する搬送波生成部と、
可聴帯域の音波信号により前記搬送波を振幅変調して変調波を生成する変調部と、
前記変調波を、搬送波の周波数成分を有する第1分離波と、側波帯の周波数成分を有する第2分離波とに分離する帯域分離部と、
複数の超音波発生素子が第1の方向に配列されてなる列が前記第1の方向に直交する第2の方向に複数列配置されたスピーカ本体と、
前記第1分離波と前記第2分離波とを、それぞれ互いに異なる前記超音波発生素子から互いに異なる方向に放射させるように前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する位相制御部と、を備え、
前記複数列のそれぞれは、前記第1分離波と前記第2分離波との両方を放射し、かつ、前記列に含まれる前記複数の超音波発生素子それぞれは、前記第1分離波と前記第2分離波とのうちのいずれか1つを放射し、
前記位相制御部は、前記列ごとに、前記列から放射させる前記第1分離波及び前記第2分離波のそれぞれに対して、放射させる方向に応じた遅延時間を付与し、
前記帯域分離部は、前記第2分離波を周波数成分に応じて複数に分割して複数の分割波とし、
前記位相制御部は、前記第1分離波及び前記複数の分割波を異なる方向に放射させるようにそれぞれの位相を制御し、
前記互いに異なる方向は、前記第1分離波及び前記複数の分割波の全てが重なる領域が前記スピーカ本体の近傍に設定され、かつ、前記スピーカ本体から離れるほど狭くなるような方向である、パラメトリックスピーカ。 - 前記複数の超音波発生素子が平面状に配列されている、請求項1に記載のパラメトリックスピーカ。
- 少なくとも前記スピーカ本体が、人体に装着して用いられる請求項1又は2に記載のパラメトリックスピーカ。
- 前記位相制御部は、前記第1分離波及び前記第2分離波のそれぞれの放射に伴って発生するグレーティングローブが互いに重なる領域の大きさに基づいて、前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパラメトリックスピーカ。
- 可聴帯域の音波信号によって超音波帯域の搬送波を振幅変調することにより生成された変調波を、前記搬送波の周波数成分を有する第1分離波と、前記変調波の側波帯の周波数成分を有する第2分離波とに分離する帯域分離部と、
前記第1分離波と前記第2分離波とを、第1の方向に複数の超音波発生素子が配列されてなる列が前記第1の方向に直交する第2の方向に複数列配置されている複数の超音波素子のうち、それぞれ互いに異なる超音波発生素子から互いに異なる方向に放射させるように、前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する位相制御部と、を備えて、
前記複数列のそれぞれは、前記第1分離波と前記第2分離波との両方を放射し、かつ、前記列に含まれる前記複数の超音波発生素子それぞれは、前記第1分離波と前記第2分離波とのうちのいずれか1つを放射し、
前記位相制御部は、前記列ごとに、前記列から放射させる前記第1分離波及び前記第2分離波のそれぞれに対して、放射させる方向に応じた遅延時間を付与し、
前記帯域分離部は、前記第2分離波を周波数成分に応じて複数に分割して複数の分割波とし、
前記位相制御部は、前記第1分離波及び前記複数の分割波を異なる方向に放射させるようにそれぞれの位相を制御し、
前記互いに異なる方向は、前記第1分離波及び前記複数の分割波の全てが重なる領域が前記複数の超音波発生素子を有するスピーカ本体の近傍に設定され、かつ、前記スピーカ本体から離れるほど狭くなるような方向である、信号処理装置。 - 可聴帯域の音波信号によって超音波帯域の搬送波を振幅変調することにより生成された変調波を、前記搬送波の周波数成分を有する第1分離波と、前記変調波の側波帯の周波数成分を有する第2分離波とに分離する帯域分離部、及び、
第1の方向に複数の超音波発生素子が配列されてなる列が前記第1の方向に直交する第2の方向に複数列配置されている複数の超音波素子のうち、前記第1分離波と前記第2分離波とを、それぞれ互いに異なる超音波発生素子から互いに異なる方向に放射させるように、前記第1分離波及び前記第2分離波の位相を制御する位相制御部として、コンピュータを機能させ、
前記位相制御部は、前記列ごとに、前記列から放射させる前記第1分離波及び前記第2分離波のそれぞれに対して、放射させる方向に応じた遅延時間を付与し、
前記帯域分離部は、前記2分離波を周波数成分に応じて複数に分割して複数の分割波とし、
前記位相制御部は、前記第1分離波及び前記複数の分割波を異なる方向に放射させるようにそれぞれの位相を制御し、
前記互いに異なる方向は、前記第1分離波及び前記複数の分割波が重なる領域が前記複数の超音波発生素子を有するスピーカ本体の近傍に設定され、かつ、前記スピーカ本体から離れるほど狭くなるような方向である、信号処理プログラム。
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