JP7241381B2

JP7241381B2 - パラメトリックスピーカ及び信号処理装置

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Publication number: JP7241381B2
Application number: JP2018188872A
Authority: JP
Inventors: 敬信西浦; 雅人中山; 海里森
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Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2023-03-17
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特許法第３０条第２項適用発行日：２０１８年３月１２日の信学技報（ＩＥＩＣＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ（電子情報通信学会技術研究報告））Ｖｏｌ．１１７Ｎｏ．５１５（一般財団法人電子情報通信学会発行）に掲載［刊行物等］開催日：２０１８年３月１９日の「電気音響研究会／応用音響研究会」（一般社団法人日本音響学会電気音響研究委員会、及び、一般社団法人電子情報通信学会応用音響研究専門委員会主催）にて発表［刊行物等］開催日：２０１８年７月２１日の「第４７回関西合同音声ゼミ」（国立大学法人京都大学主催）にて発表

本開示は、パラメトリックスピーカ及び信号処理装置に関する。

従来、超音波を用いて高い指向性を実現するパラメトリックスピーカが知られている（例えば、特許文献１参照）。パラメトリックスピーカは、超音波帯域の搬送波を音響信号により変調した変調波を大音圧で放射し、空中の非線形特性により変調波を自己復調して音（復調音）を伝えるものである。パラメトリックスピーカによる可聴領域は、超音波の高い指向性によって直線状に存在する。そのため、直線状の可聴領域に存在する者に音を伝えることが可能である。

特開２００４－３４９８１６号公報

しかしながら、パラメトリックスピーカでは変調波を大音圧で放射するために、超音波発生素子の疲労破壊が引き起こされる場合がある。超音波発生素子が疲労破壊すると、周波数ピーク雑音が発生する。その結果、パラメトリックスピーカの音質が低下してしまう。

ある実施の形態に従うと、パラメトリックスピーカは、スピーカ本体と、スピーカ本体から放射される変調波を生成する信号処理装置と、を備え、信号処理装置は、搬送波の周波数を、変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調する第１変調部と、周波数の変調された搬送波の振幅を、可聴音の音響信号によって変調する第２変調部と、を含む。

他の実施の形態に従うと、信号処理装置は、パラメトリックスピーカのスピーカ本体から放射される変調波を生成する信号処理装置であって、搬送波の周波数を、変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調する第１変調部と、周波数の変調された搬送波の振幅を、可聴音の音響信号によって変調する第２変調部と、を備える。

図１は、実施の形態に係るパラメトリックスピーカの概略的な構成図である。図２は、搬送波の周波数変換を説明するための図である。図３は、周波数変換後の搬送波の振幅変調を説明するための図である。図４Ａはパラメトリックスピーカの超音波発生素子が正常である場合の放射される変調波の周波数特性を表した図であり、図４Ｂは超音波発生素子が疲労破壊した場合の放射される変調波の周波数特性を表した図である。図５Ａは実験１の機材配置を表した図であり、図５Ｂは実験１で用いた指標Ｐを表した図である。図６は、実験１の評価帯域Ａでの結果を示した図である。図７は、実験１の評価帯域Ｂでの結果を示した図である。図８Ａは実験１の評価帯域Ｂでの周波数変調していない場合のスペクトログラム、図８Ｂは実験１の評価帯域Ｂでの周波数変調した場合のスペクトログラムを示した図である。図９は、実験２での、音圧の比較結果を示した図である。図１０は、実験２での、音質の比較結果を示した図である。図１１は、実験３の結果を示した図である。図１２Ａは実験３の周波数変調していない場合のスペクトログラム、図１２Ｂは実験３の周波数変調した場合のスペクトログラムを示した図である。図１３Ａは実験４の周波数変調していない場合のスペクトログラム、図１３Ｂは実験４の周波数ｆ_Mを１０００Ｈｚとして周波数変調した場合のスペクトログラム、及び図１３Ｃは実験４の周波数ｆ_Mを５０００Ｈｚとして周波数変調した場合のスペクトログラムを示した図である。図１４は、ラメトリックスピーカに含まれる超音波発生素子の周波数特性を表した図である。

［１．パラメトリックスピーカ及び信号処理装置の概要］
（１）本実施の形態に含まれるパラメトリックスピーカは、スピーカ本体と、スピーカ本体から放射される変調波を生成する信号処理装置と、を備え、信号処理装置は、搬送波の周波数を、変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調する第１変調部と、周波数の変調された搬送波の振幅を、可聴音の音響信号によって変調する第２変調部と、を含む。パラメトリックスピーカは、超音波を搬送波（キャリア）とし、音声等の可聴帯域の音響信号で振幅変調された変調波を音響空間に放射する。変調信号は、搬送波を周波数変調する信号であって、時間をパラメータとする所定の時間関数である。搬送波の周波数を変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調することにより、スピーカ本体に含まれる超音波発生素子にかかる応力を時間分散させることができる。これにより、スピーカ本体に含まれる超音波発生素子のうちの搬送波の周波数に対応した特定の素子に対する負荷の集中を回避できる。その結果、スピーカ本体に含まれる超音波発生素子の疲労破壊を遅らせ、パラメトリックスピーカの耐久性を向上できる。

（２）好ましくは、第１変調部で搬送波の周波数を変調する際の周波数偏移は１０Ｈｚ～１００Ｈｚである。周波数偏移は搬送波の周波数に対する周波数変化の最大量である。そのため、周波数偏移が搬送波の周波数に対して大きすぎると周波数ピーク雑音（ノイズ）が大きくなる。逆に、周波数偏移が搬送波の周波数に対して小さすぎると、周波数ピーク雑音を低減する効果が小さくなる。周波数偏移を１０Ｈｚ～１００Ｈｚとすることによって、たとえスピーカ本体に含まれる超音波発生素子が疲労破壊した場合であっても、雑音が有する周波数ピークが非定常となり、周波数ピーク雑音の音圧は低減する。つまり、超音波発生素子が疲労破壊した場合であっても周波数ピーク雑音を抑えることができる。

（３）好ましくは、第１変調部での、変調信号の周波数は５０Ｈｚ～９０Ｈｚである。変調信号の周波数が高すぎると可聴音の音響信号に影響し、復調音の音質の低下を招く。変調信号の周波数を５０Ｈｚ～９０Ｈｚとすることによって、可聴音である音響信号に与える影響、及び、周波数ピーク雑音の音圧が抑えられ、復調音の音質の低下を回避することができる。また、たとえスピーカ本体に含まれる超音波発生素子が疲労破壊した場合であっても、復調音の音質の低下を回避することができる。つまり、超音波発生素子が疲労破壊した場合であっても、音質の低下を防止することができる。

（４）好ましくは、時間経過に対して変化する周波数は、平均値が搬送波の周波数と一致するように時間経過に対して変化する周波数である。時間経過に対して変化する周波数にはスピーカ本体に含まれる超音波発生素子の共振周波数が含まれる。そのため、超音波発生素子の共振周波数を用いないことによる放射音の音圧の損失を抑えることができる。

（５）好ましくは、時間経過に対して変化する周波数の瞬時周波数の時間経過に対する変化の軌跡は、正弦波状である。つまり、変調信号を表す所定の時間関数は正弦関数である。これにより、周波数成分のノイズの影響を抑えやすくなる。

（６）本実施の形態に含まれる信号処理装置はパラメトリックスピーカのスピーカ本体から放射される変調波を生成する信号処理装置であって、搬送波の周波数を、変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調する第１変調部と、周波数の変調された搬送波の振幅を、可聴音の音響信号によって変調する第２変調部と、を備える。この信号処理装置は（１）～（５）に記載のパラメトリックスピーカに含まれる信号処理装置である。そのため、（１）～（５）に記載のパラメトリックスピーカと同じ効果を奏する。

［２．パラメトリックスピーカ及び信号処理装置の例］
［第１の実施の形態］
＜パラメトリックスピーカの構成＞
本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１は、超音波を搬送波（キャリア）とし、音声等の可聴帯域の音響信号で振幅変調された変調波を、非線形が生じる大きな振幅で音響空間に放射する。変調波は、音響空間に存在する空気（大気）を伝播する過程で、当該媒質の非線形性により歪みを生じ、この歪みによって可聴音である音響信号（復調音）が自己復調し、指向性の高い音場が形成される。

図１に示されるように、パラメトリックスピーカ１は、信号処理装置１０と、スピーカ本体２０と、を有し、音響信号生成装置５に接続されている。スピーカ本体２０は、超音波を放射する複数の超音波発生素子を備える。複数の超音波発生素子は、放射面に沿って縦横にアレイ状に配列される。信号処理装置１０はスピーカ本体２０から放射される超音波を生成するための信号処理を実行する。

信号処理装置１０は搬送波生成部１１を有する。搬送波生成部１１は、所定の周波数の搬送波Ｃ１を生成する。搬送波生成部１１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。搬送波Ｃ１は、図１の式（１）で示された関数ｃ（ｔ）で表される。なお、式（１）において、周波数ｆｃは搬送波Ｃ１の周波数である。

信号処理装置１０は変調部１２を有する。変調部１２は、第１変調部１２１及び第２変調部１２２を有する。第１変調部１２１は、搬送波生成部１１から搬送波Ｃ１の入力を受け付ける。第１変調部１２１は、搬送波生成部１１から入力された搬送波Ｃ１を周波数変調（変換）し、周波数変調後の搬送波Ｃ２を生成する。第１変調部１２１での搬送波Ｃ１の周波数変調については後述する。

第２変調部１２２は、第１変調部１２１から周波数変調後の搬送波Ｃ２の入力を受け付けるとともに、音響信号生成装置５から、可聴音の音響信号Ｓの入力を受け付ける。第２変調部１２２は、搬送波Ｃ２の振幅を音響信号Ｓによって変調し、変調波ｖｐを生成する。

信号処理装置１０は増幅部１３を有する。増幅部１３は第２変調部１２２から変調波ｖｐの入力を受け付ける。信号処理装置１０は変調波ｖｐを増幅し、スピーカ本体２０に入力する。増幅部１３は、例えば超音波帯域の増幅特性が良好なオペアンプ等を用いて構成されている。増幅された変調波Ｈは、スピーカ本体２０の超音波発生素子から超音波として放射される。

搬送波生成部１１及び変調部１２は、例えば、デジタル回路によって構成されていてもよいし、アナログ回路によって構成されていてもよい。デジタル回路は、例えばＣＰＵ等のプロセッサやメモリを備えたコンピュータから構成されている。そして、プロセッサがメモリに記憶されている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１１及び変調部１２が実現されている。

＜搬送波の周波数変調の説明＞
図２に示されるように、第１変調部１２１は、純音である搬送波Ｃ１の、時間変化に対して一定値ｆｃであった周波数の値を、変調信号により時間経過に対して変化する値に変調して搬送波Ｃ２を生成する。変調信号は、搬送波Ｃ１を周波数変調する信号であって、時間をパラメータとする所定の時間関数で表される。すなわち、変調後の搬送波Ｃ２の周波数は、時間経過に関わらずに一定値をとるものではなく、時間経過に対して変化する。時間経過に対して変化する搬送波Ｃ２の周波数、つまり、上記の変調信号を、時間ｔの関数ｆ（ｔ）で表す。好ましくは、周波数ｆ（ｔ）は、平均値が周波数ｆｃと一致する。周波数ｆ（ｔ）の瞬時周波数の時間変化に対する軌跡は、例えば、図２に示されるようにｆｃ上を進行する正弦波、三角波、などである。周波数ｆ（ｔ）は、例えば、正弦関数である。周波数ｆ（ｔ）を、瞬時周波数の時間変化に対する軌跡が正弦波となる関数（正弦関数）とすることで、高調波成分のノイズの影響を抑えやすくなる。

周波数が変調されることで、搬送波Ｃ２は、図２の式（２）で示されるｃ_P（ｔ）で表される。なお、式（２）において、周波数ｆｃは搬送波Ｃ１の周波数であり、変調信号の周波数ｆ_M及び周波数偏移Δｆは、周波数変調におけるパラメータである。周波数偏移Δｆは、搬送波Ｃ１の周波数ｆｃに対する周波数変化の最大量である。変調信号の周波数ｆ_Mは、搬送波Ｃ２の周波数の変化の周期である。

第１変調部１２１は、周波数変調において、変調信号の周波数ｆ_M及び周波数偏移Δｆを決定する。周波数偏移Δｆは周波数ｆｃに対する周波数変化の最大量であるため、周波数ｆｃに対して大きすぎると周波数ピーク雑音（ノイズ）が大きくなる。一方で、周波数ｆｃに対して小さすぎると、後述する発明者らによる実験によって検証されたように、周波数ピーク雑音を低減する効果が小さくなる。そのため、搬送波Ｃ１の周波数ｆｃに対して適切な範囲で設定されることが望ましい。そこで、第１変調部１２１は、周波数変調において、搬送波Ｃ１の周波数ｆｃに基づいて周波数偏移Δｆを決定する。

また、変調信号の周波数ｆ_Mは、搬送波Ｃ２の周波数の変化の周期であるため、大きすぎると可聴音である音響信号Ｓに影響し、復調音の音質の低下を招く。そこで、第１変調部１２１は、周波数変調において、変調信号の周波数ｆ_Mを小さい値に決定する。好ましくは、第１変調部１２１は、音響信号Ｓの周波数に対して十分に小さい値に決定する。より好ましくは、第１変調部１２１は、後述する発明者らの実験によって有効と検証された変調信号の周波数ｆ_M及び周波数偏移Δｆに決定する。

＜周波数変調後の搬送波の振幅変調の説明＞
図３に示されるように、第２変調部１２２は、超音波帯域ＵＢ内で周波数ｆ（ｔ）に変調された搬送波Ｃ２の振幅を、超音波帯域ＵＢ外の周波数である音響信号Ｓによって変調し、超音波帯域ＵＢ内の変調波ｖｐを生成する。変調波ｖｐは、周波数ｆ（ｔ）に変調された搬送波Ｃ２に並行した上側波帯ＵＳＢ及び下側波帯ＬＳＢに挟まれた範囲であり、図３中の式ｖｐ（ｔ）で表される。

＜実施の形態の効果＞
本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１では、時間変化に対して変化する周波数ｆ（ｔ）である搬送波Ｃ２に対して、振幅を音響信号Ｓによって変調した変調波ｖｐを増幅して放射される。これにより、搬送波Ｃ２の周波数が時間経過に伴って変化するために共振周波数が時間経過に伴って変化する。搬送波が共振周波数に近いほど、超音波素子へかかる応力が大きくなるものである。これに対して、共振周波数が時間経過に伴って変化することによって、複数の超音波素子のうちの負荷のかかる素子も時間経過に伴って変化する。これにより、複数の超音波素子の中で負荷が分散される。つまり、応力の時間分散が図られる。その結果、全体として疲労破壊に達するまでの期間を長くすることができる。その結果、パラメトリックスピーカの耐久性を従来のパラメトリックスピーカの耐久性より向上することができる。

［第２の実施の形態］
図４Ａに示されるように、スピーカ本体２０の超音波発生素子が正常である場合に放射される変調波の周波数ピークが４０ｋＨｚ程度であるとする。この場合、図４Ｂに示されるように、超音波発生素子が疲労破壊すると、変調波は４～２０ｋＨｚに複数の周波数ピークが生じる。これにより、周波数ピーク雑音が発生する。

そこで、発明者らは、たとえ超音波発生素子が疲労破壊した場合であっても、音質の低下を回避できるようなパラメータを得るための実験を行った。

＜実験１＞
第１の実験として搬送波Ｃ１の周波数を変調せずに音響信号Ｓによって振幅変調した場合と、周波数を変調した搬送波Ｃ２を音響信号Ｓによって振幅変調した場合との周波数ピーク雑音の音圧を比較する実験を行った。このとき、パラメータである波数ｆ_M及び周波数偏移Δｆを変化させて搬送波Ｃ１の周波数を変調した。これにより、本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１の超音波発生素子の疲労破壊に対する有効性を確認するとともに、搬送波Ｃ１の周波数変調におけるパラメータｆ_M及びΔｆを検討した。

実験１においては、図５Ａに示されるように、Ｌ１×Ｌ２＝６．０ｍ×６．３ｍの実験空間に、辺Ｌ１からｄ１＝０．８ｍ、かつ、辺Ｌ２からｄ２＝２．０ｍ隔ててスピーカ本体２０を配置した。さらに、スピーカ本体２０の正面に距離Ｄ１＝０．２５ｍ隔ててマイクロホン７を配置した。また、各実験機材は、以下の機材を用いた。
パラメトリックスピーカ：MSP-50E-1（三菱電機エンジニアリング株式会社製）
マイクロホン：ECM-88B（ＳＯＮＹ製）
オーディオインタフェース：Fireface UFX（ＲＭＥ製）
マイクアンプ：MICA-800A（平塚エンジニアリング製）
パワーアンプ：PS-A2002（ＶＩＣＴＯＲ製）

実験場所はオフィス環境を模した、２３．２ｄＢの暗騒音レベルとした。残響時間は６５０ｍｓであった。標本化（サンプリング）周波数は１９２ｋＨｚ、量子化ビット数は３２ビットとした。搬送波Ｃ１の周波数を４０ｋＨｚとし、その周波数変調におけるパラメータとして、搬送波Ｃ１の周波数ｆｃに対する周波数変化の最大量である周波数偏移Δｆを１００Ｈｚから１０００Ｈｚまで１００Ｈｚずつ変化させて周波数変調を行った。また、パラメータとして、搬送波Ｃ１の変化の周期である周波数ｆ_Mを１０Ｈｚから１００Ｈｚまで１０Ｈｚずつ変化させて周波数変調を行った。この実験において、評価帯域を、全帯域である帯域Ａ：０～２０ｋＨｚ、及び、周波数変調による復調音を除いた帯域である帯域Ｂ：４～２０ｋＨｚの２種類とした。なお、評価指標は、図５Ｂに式（１）で示される指標Ｐを用いた。

図６及び図７では、周波数変調を行っていない場合に対する周波数変調を行った場合の周波数ピーク雑音の音圧の差が、評価帯域Ａ，Ｂそれぞれで示されている。図６に示されるように、評価帯域Ａにおいては、周波数変調による復調音の影響により、周波数変調を行っていない場合に比べてパラメトリックスピーカから発生する雑音が増加した。

一方、図７に示されるように、評価帯域Ｂでは周波数変調による復調音を除去し、周波数ピーク雑音の帯域のみ評価するため、周波数ピーク雑音が抑圧されることがわかった。特に、搬送波Ｃ１の周波数を変調せずに音響信号Ｓによって振幅変調した場合と、周波数ｆ_Mを９０Ｈｚ、周波数偏移Δｆを１００Ｈｚとして周波数変調した場合との周波数ピーク雑音を比較すると、図８Ｂに示される周波数変調した場合では、図８Ａに示される周波数変調していない場合と比較して、周波数ピーク雑音が約５．８ｄＢ低下している。また、図７の結果より、周波数ｆ_Mが６０～９０Ｈｚ、周波数偏移Δｆが５００Ｈｚ以下のときに周波数ピーク雑音が抑圧されることが分かった。

以上の実験１の結果より、一例として、周波数変調による復調音が除去される場合、周波数ｆ_Mは６０～９０Ｈｚ、周波数偏移Δｆは５００Ｈｚ以下に設定するものとする。

＜実験２＞
次に、発明者らは、周波数を変調した搬送波Ｃ２による復調音の音質、及び、音圧への影響を確認するために、実験２として、搬送波Ｃ１の周波数を変調せずに音響信号Ｓによって振幅変調した場合と、周波数を変調した搬送波Ｃ２を音響信号Ｓによって振幅変調した場合との、復調音の音質、及び、音圧を比較する実験を行った。このとき、音源の音質は、男性２人及び女性３人による音素バランス単語を用い、音圧測定にはＴＳＰ（Time Stretched Pulse）信号を用いた。音質評価の指標はＰＥＳＱ（Perceptual Evaluation of Speech Quality）値を用いた。

実験２においては、図５Ａと概ね同じ機材配置とし、スピーカ本体２０の正面に距離Ｄ２＝１．０ｍ隔ててマイクロホン７を配置した。また、使用した各実験機材は、実験１と同じである。

実験環境は実験１と同じとし、標本化（サンプリング）周波数は１９２ｋＨｚ、量子化ビット数は３２ビットとした。搬送波Ｃ１の周波数を４０ｋＨｚとし、その周波数変調におけるパラメータとして、周波数偏移Δｆを１００，５００，１０００Ｈｚ、変調信号の周波数ｆ_Mを１０Ｈｚから１００Ｈｚまで１０Ｈｚずつ変化させて周波数変調を行った。なお、音圧の指標値Ｐ２は図５Ｂの式（１）に示される指標値Ｐ１と概ね同じものであって、雑音信号ｗ（ｔ）に替えて、ＴＳＰ信号より算出されたインパルス応答Ｓ_IR（ｔ）を用いた。

図９に示されたように、周波数偏移Δｆを大きくするほど、搬送波Ｃ２の周波数と超音波素子の共振周波数との差が大きくなる。そのため、周波数偏移Δｆを大きくするほど、復調音の音圧は低下する。周波数偏移Δｆが１００Ｈｚの場合、搬送波Ｃ１の周波数を変調しない場合と同等の音圧が保持されている。

従って、実験２の結果より、復調音の音圧の低下を防止することを目的とする場合には、周波数偏移Δｆは小さな値に設定する。好ましくは、周波数偏移Δｆは、１０Ｈｚ以上、かつ、１００Ｈｚ以下とする。

また、図１０に示されたように、周波数偏移Δｆ及び周波数ｆ_Mを大きくするほど、復調音の音質は悪化する。周波数偏移Δｆが１００Ｈｚの場合、搬送波Ｃ１の周波数を変調しない場合と同等の音質が保持されている。

従って、実験２の結果より、復調音の音質の維持を目的とする場合には、周波数偏移Δｆ及び周波数ｆ_Mは小さな値に設定する。好ましくは、周波数偏移Δｆ及び周波数ｆ_Mは、１０Ｈｚ以上、かつ、１００Ｈｚ以下とする。

＜実験３＞
実験１，２の結果を踏まえて、発明者らは、実験３として、周波数偏移Δｆを実験１，２よりも小さくして搬送波Ｃ１の周波変調に用いるパラメータごとの雑音低減性能を評価するために、搬送波Ｃ１の周波数を変調せずに音響信号Ｓによって振幅変調した場合と、周波数を変調した搬送波Ｃ２を音響信号Ｓによって振幅変調した場合との周波数ピーク雑音の音圧を比較する実験を行った。実験３では、パラメトリックスピーカの個体差を考慮して３台のパラメトリックスピーカを用い、各パラメトリックスピーカの共振周波数を搬送波Ｃ１の周波数とした。

実験３においても、図５Ａと同じ機材配置とした。また、使用した各実験機材は、実験１と同じである。

実験環境は実験１と同じとした。搬送波Ｃ１の周波数は、３台のパラメトリックスピーカの共振周波数より３８．１、３８．２、３８．４ｋＨｚとした。その周波数変調におけるパラメータとして、周波数偏移Δｆ及び変調信号の周波数ｆ_Mともに、１０Ｈｚから１００Ｈｚまで１０Ｈｚずつ変化させて周波数変調を行った。なお、音圧の指標値Ｐ１は図５Ｂの式（１）に示される指標値Ｐ１を用いた。

図１１では、搬送波Ｃ１の周波数変調を行っていない場合に対する周波数変調を行った場合の周波数ピーク雑音の音圧の差が示されている。図１１に示されたように、周波数偏移Δｆの値が小さいと、周波数ピーク雑音が発生しないことがわかった。０～２０ｋＨｚの帯域で周波数ピーク雑音の音圧を評価すると、周波数変調を行っていない場合に比べて周波数ピーク雑音が低減していることがわかった。特に、図１２Ａに示される搬送波Ｃ１の周波数を変調せずに音響信号Ｓによって振幅変調した場合と、図１２Ｂに示される周波数ｆ_Mを７０Ｈｚ、周波数偏移Δｆを２０Ｈｚとして周波数変調した場合との周波数ピーク雑音を比較すると、周波数ピーク雑音の音圧が約７．５ｄＢ低下している。図１２Ａ，１２Ｂを比較すると、搬送波Ｃ１を周波数変調することで、１４ｋＨｚ付近にあった周波数ピーク雑音が非定常となり、低減することがわかった。

従って、実験３より、周波数ピーク雑音の発生の抑制を目的とする場合、周波数偏移Δｆを小さい値に設定する。好ましくは、周波数偏移Δｆを１０Ｈｚ～１００Ｈｚ、かつ、周波数ｆ_Mを５０Ｈｚ～９０Ｈｚとする。より好ましくは、周波数偏移Δｆを２０Ｈｚ、周波数ｆ_Mを７０Ｈｚとする。この場合、周波数変調を行わない場合よりも周波数ピーク雑音の音圧が約７．５ｄＢ低減することが確認された。

＜実験４＞
なお、発明者らは、追加的に実験４として、変調信号の周波数ｆ_Mが高い場合について、搬送波Ｃ１の周波数を変調せずに音響信号Ｓによって振幅変調した場合と、周波数を変調した搬送波Ｃ２を音響信号Ｓによって振幅変調した場合との復調音を比較する実験を行った。実験環境及び実験条件は実験１～３と概ね同じとした。周波数変調におけるパラメータとして、周波数偏移Δｆを１０００Ｈｚとし、変調信号の周波数ｆ_Mを１０００Ｈｚ及び５０００Ｈｚとして周波数変調を行った。

図１３Ａ～図１３Ｃを比較すると、周波数ｆ_Mが高くなると、周波数ピーク雑音が生じることがわかった。特に、図１３Ｂ，１３Ｃに示されるように、周波数ｆ_Mが高くなると周波数ｆ_Mの純音が復調されて雑音となることがわかった。

従って、実験４より、周波数ピーク雑音の発生の抑制を目的とする場には、周波数ｆ_Mを低い値とする。

＜まとめ＞
本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１では、時間変化に対して変化する周波数ｆ（ｔ）である搬送波Ｃ２に対して、振幅を音響信号Ｓによって変調した変調波ｖｐを増幅して放射される。これにより、雑音が有する周波数ピークが非定常となり、周波数ピーク雑音の音圧は低減する。つまり、周波数ピーク雑音を抑えることができる。

図１４に示されたように、超音波発生素子は共振周波数で急峻なピークを有する周波数特性を有する。従来、音圧を最大化するために、搬送波の周波数を超音波素子の共振周波数に合わせていた。本実施の形態では超音波素子が劣化したときに発生する周波数ピーク雑音を抑制するために周波数変調された搬送波を用いる。すなわち、図３中の式で示された変調信号の周波数ｆ_M及び周波数偏移Δｆ、つまり、平均値が搬送波Ｃ１の周波数ｆｃと一致する、時間経過に対して変化する周波数に変調される。このため、超音波発生素子からの放射音の音圧が変化する。時間経過に対して変化する搬送波Ｃ２の周波数には超音波発生素子の共振周波数が含まれる。つまり、変調された搬送波の周波数の平均値は、元の搬送波の周波数と一致している。そのため、超音波発生素子の共振周波数を用いないことによる放射音の音圧の損失を抑えることができる。すなわち、超音波素子の音圧の低下を抑えることができる。

搬送波Ｃ２の周波数と超音波発生素子の共振周波数の差が大きくなるほど超音波発生素子の振動は小さくなる。その結果、周波数ピーク雑音の音圧を低減させることができる。そのため、本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１では、搬送波の周波数変調を行わない場合と同等の放射音の音圧を保持しつつ、周波数ピーク雑音の音圧を低減させることができる。

なお、発明者らの実験によって、周波数変調におけるパラメータである周波数偏移Δｆが増加するほど搬送波Ｃ２の周波数と超音波発生素子の共振周波数との差が大きくなるため、周波数ピーク雑音の音圧、及び、放射音の音圧が低下することが検証された。また、周波数変調におけるパラメータである周波数ｆ_Mが増加するほど搬送波Ｃ２の周波数の変化の周期が短くなるため、周波数ピーク雑音の音圧、及び、放射音の音圧は非定常となることが検証された。

パラメトリックスピーカでは、超音波素子が疲労破壊すると目的音ではない周波数ピーク雑音が発生する。これに対して、本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１では、超音波素子が疲労破壊した場合であっても、発生する周波数ピーク雑音を低減させることができる。その結果、パラメトリックスピーカの耐久性を従来のパラメトリックスピーカの耐久性より向上することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１：パラメトリックスピーカ
５：音響信号生成装置
７：マイクロホン
１０：信号処理装置
１１：搬送波生成部
１２：変調部
１３：増幅部
２０：スピーカ本体
１２１：第１変調部
１２２：第２変調部
Ｃ１：搬送波
Ｃ２：搬送波
Ｄ１：距離
Ｄ２：距離
Ｈ：変調波
Ｌ１：辺
Ｌ２：辺
ＬＳＢ：下側波帯
Ｐ：指標
Ｐ１：指標値
Ｐ２：指標値
Ｓ：音響信号
ＵＢ：超音波帯域
ＵＳＢ：上側波帯
ｆ_M ：周波数
ｆｃ：周波数
ｖｐ：変調波
ｗ：雑音信号
Δｆ：周波数偏移

Claims

搬送波が可聴音の音響信号によって振幅変調された変調波を放射するパラメトリックスピーカであって、
スピーカ本体と、
前記スピーカ本体から放射される前記変調波を生成する信号処理装置と、を備え、
前記信号処理装置は、
搬送波の周波数を、変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調する第１変調部と、
周波数の変調された前記搬送波の振幅を、可聴音の音響信号によって振幅変調した振幅変調波である前記変調波を生成する第２変調部と、を含む
パラメトリックスピーカ。
前記第１変調部で搬送波の周波数を変調する際の周波数偏移は１０Ｈｚ～１００Ｈｚである
請求項１に記載のパラメトリックスピーカ。
前記第１変調部での、前記変調信号の周波数は５０Ｈｚ～９０Ｈｚである
請求項１又は２に記載のパラメトリックスピーカ。
前記時間経過に対して変化する周波数は、平均値が前記搬送波の周波数と一致するように時間経過に対して変化する周波数である
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のパラメトリックスピーカ。
前記時間経過に対して変化する周波数の瞬時周波数の時間経過に対する変化の軌跡は、正弦波である
請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のパラメトリックスピーカ。
搬送波が可聴音の音響信号によって振幅変調された変調波を放射するパラメトリックスピーカのスピーカ本体から放射される前記変調波を生成する信号処理装置であって、
搬送波の周波数を、変調信号により時間経過に対して変化する周波数に変調する第１変調部と、
周波数の変調された前記搬送波の振幅を、可聴音の音響信号によって振幅変調した振幅変調波である前記変調波を生成する第２変調部と、を備える
信号処理装置。