JP7336803B2 - パラメトリックスピーカ、及び、音響信号の出力方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 公開の事実１：２０１９年２月１９日の「日本音響学会２０１９年春季研究発表会論文集」日本音響学会電気音響研究委員会に掲載 公開の事実２：２０１９年３月５日の「日本音響学会２０１９年春季研究発表会」（一般社団法人 日本音響学会電気音響研究委員会主催）にて発表

本開示は、パラメトリックスピーカ、及び、音響信号の出力方法に関する。

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。パラメトリックスピーカは、超音波帯域の搬送波（キャリア波）を音響信号（目的音）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２０００－２０９６９１号公報

パラメトリックスピーカは広く普及し、特に音楽鑑賞などの場面では高音質が求められる。高音質を目的として、特許文献１は、フィルタを用いて復調した際に人間の耳には聞こえ難い周波数成分を目的音からカットして変調する手法を提案している。

しかしながら、復調音の音圧は周波数の二乗に比例するため、超音波を用いるパラメトリックスピーカでは低域の再生が困難であり音質が劣化する、という課題は依然として解消されない。

ある実施の形態に従うと、パラメトリックスピーカは、目的音から、第１の周波数帯域成分を抽出する第１のフィルタと、目的音から、第１の周波数帯域よりも高い周波数の第２の周波数帯域成分を抽出する第２のフィルタと、搬送波の振幅を、第１の周波数帯域成分を用いて第１の変調方式で変調し、第１の変調波を生成する第１の変調部と、搬送波の振幅を、第２の周波数帯域成分を用いて、第１の変調方式とは異なる第２の変調方式で変調し、第２の変調波を生成する第２の変調部と、第１の変調波を放射する第１のスピーカと、第２の変調波を放射する、第１のスピーカと異なる第２のスピーカと、を備える。

ある実施の形態に従うと、音響信号の出力方法は複数のスピーカを有するパラメトリックスピーカによる音響信号の出力方法であって、目的音を複数の周波数帯域成分に分割するステップと、搬送波の振幅を、複数の周波数帯域成分それぞれを用いて、周波数帯域成分ごとに異なる変調方式で変調して複数の変調波を生成するステップと、複数の変調波を、複数のスピーカのそれぞれ異なるスピーカで出力するステップと、を備える。

更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

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構成を表したブロック図である。 図２は、図１のパラメトリックスピーカに含まれる第１スピーカ及び第２のスピーカを構成するユニットの放射面側を示した概略図である。 図３は、図１のパラメトリックスピーカに含まれる第１スピーカ及び第２のスピーカの配置の一例を示した概略図である。 図４は、図１のパラメトリックスピーカに含まれる第１スピーカ及び第２のスピーカの配置の他の例を示した概略図である。 図５は、第１スピーカ用の圧電素子の数と、第２のスピーカ用の圧電素子の数との比率を決定するための実験における条件を示した図である。 図６は、図５の条件での実験において復調する目的音のパワースペクトルである。 図７は、図５の条件での実験において圧電素子の数ごとにおける復調音の平均音圧を示した図である。 図８は、パワースペクトルの誤差平均Ｐｅｒｒを算出するための式（２）である。 図９は、図５の各条件での復調音から得られたパワースペクトルより算出された誤差平均Ｐｅｒｒを示す図である。 図１０は、図５の各条件での復調音の平均パワーを示す表である。 図１１は、図５の各条件での復調音から得られたパワースペクトルの誤差平均を示す図である。 図１２は、図１のパラメトリックスピーカでの音響信号の出力方法を表したフローチャートである。

［１．パラメトリックスピーカの概要］

（１）本実施の形態に含まれるパラメトリックスピーカは、目的音から、第１の周波数帯域成分を抽出する第１のフィルタと、目的音から、第１の周波数帯域よりも高い周波数の第２の周波数帯域成分を抽出する第２のフィルタと、搬送波の振幅を、第１の周波数帯域成分を用いて第１の変調方式で変調し、第１の変調波を生成する第１の変調部と、搬送波の振幅を、第２の周波数帯域成分を用いて、第１の変調方式とは異なる第２の変調方式で変調し、第２の変調波を生成する第２の変調部と、第１の変調波を放射する第１のスピーカと、第２の変調波を放射する、第１のスピーカと異なる第２のスピーカと、を備える。なお、フィルタ、変調部、及び、スピーカは、いずれも、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。

目的音の周波数帯域ごとに（低域（第１の周波数帯域）成分と高域（第２の周波数帯域）成分と）に分割し、それぞれ異なる変調方式で搬送波の振幅を変調することで、周波数に応じた変調方式を用いて変調波を生成することができる。低域用の超音波と高域用の超音波とでは高域用の超音波の方が高エネルギーのため、同一のスピーカから放射すると低エネルギー側の低域用の超音波の放射が損なわれる。その点、低域用の超音波と高域用の超音波とを異なるスピーカ（第１スピーカ及び第２のスピーカ）で放射することで、それぞれの帯域の超音波を放射することができる。その結果、復調波の特に低域側が確保され、復調音の音質を向上させることができる。

（２）好ましくは、第１の変調方式は、第２の変調方式よりも復調音の音圧レベルが大きくなる変調方式である。これにより、復調音の低域（第１の周波数帯域）成分の方が高域（第２の周波数帯域）成分より音圧レベルが高くなる。復調音の音圧は周波数の二乗に比例するため、超音波を用いるパラメトリックスピーカでは低域の再生が困難であり音質が劣化する、という課題があることに対し、第１の変調方式で低域側を変調することによって、復調音の低域の音圧レベルを確保することができる。

（３）好ましくは、第１の変調方式は、両側波帯多重（Ｍ－ＤＳＢ：Multiplexed-Double Sideband）変調方式である。Ｍ－ＤＳＢ変調方式は、ＤＳＢ変調方式とＤＳＢ－ＳＣ変調方式とを利用する変調方式であって、Ｍ－ＤＳＢ変調波は、ＤＳＢ変調波とＤＳＢ－ＳＣ変調波との和で表される。ＤＳＢ変調方式は、両側波帯とキャリア波との差音を利用した変調方式であって、両側波帯とキャリア波との差音の和が再生音となる。ＤＳＢ－ＳＣ変調方式は、原音の周波数軸を１／２に圧縮してからＤＳＢ変調を行い、その変調波からキャリア波の成分を除去する変調方式である。

（４）好ましくは、第２の変調方式は、第１の変調方式よりも音質劣化を抑える変調方式である。これにより、復調音の高域（第２の周波数帯域）成分の方が低域（第１の周波数帯域）成分より音質劣化が抑えられ復調音の音質が確保される。

（５）好ましくは、第２の変調方式は、単側波帯（ＳＳＢ：Single Sideband）変調方式ある。ＳＳＢ変調方式は、キャリア波と単側波帯との差音を利用する変調方式である。第２の変調方式で高域側を変調することによって、復調音の高域の音質を確保することができる。

また、低域側では音圧を強調する第１の変調方式、高域側では音質劣化を抑える第２の変調方式で変調することで、同一の変調方式で変調する場合と比較してパワースペクトルを最も平坦、つまり、ノイズを抑え高音質にできることが、発明者の実験によって確認された。

（６）第１のスピーカの有する超音波発生素子の数は、第２のスピーカの有する超音波発生素子の数より多い。これにより、復調音の低域側の音圧レベルが高域側よりも大きくなる。

（７）第１のスピーカと第２のスピーカとは、所定位置において復調音の到来方向が一致するように配置される。所定位置は、例えば、一方のスピーカからの復調音の到来方向であって、例えば、第２のスピーカからの復調音の到来方向である。

これにより、所定位置では、第１のスピーカからの復調音と第２のスピーカからの復調音とが同じ方向から到来する。その結果、所定位置にいる受聴者は、復調音の音源が１つのように感じ、自然な音の出力となる。

（８）本実施の形態に含まれる音響信号の出力方法は複数のスピーカを有するパラメトリックスピーカによる音響信号の出力方法であって、目的音を複数の周波数帯域成分に分割し、搬送波の振幅を、複数の周波数帯域成分それぞれを用いて、周波数帯域成分ごとに異なる変調方式で変調して複数の変調波を生成し、複数の変調波を、複数のスピーカのそれぞれ異なるスピーカで出力する、ことを備える。

［２．パラメトリックスピーカの例］

＜パラメトリックスピーカの構造＞

本実施の形態に係るパラメトリックアレイスピーカ（以下、パラメトリックスピーカとも言う）１は、超音波発生素子が複数並んだスピーカであって、超音波を搬送波（キャリア）とし、目的音である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、フィルタ部１０を備える。フィルタ部１０は、低域用フィルタ（第１フィルタ）１１と、高域用フィルタ（第２フィルタ）１２と、を含む。

フィルタ部１０は、音響信号生成装置５に接続され、音響信号生成装置５から目的音（可聴音）の音響信号Ｓの入力を受け付ける。フィルタ部１０は、複数の帯域用のフィルタを含み、音響信号Ｓを複数の帯域成分に分割する。複数の帯域用のフィルタは、例えば、低域用フィルタ１１及び高域用フィルタ１２である。

フィルタ部１０は、低域用フィルタ１１及び高域用フィルタ１２を用いて、それぞれ、音響信号Ｓを低域成分（第１の周波数帯域成分）ＳＬと、高域成分（第２の周波数帯域成分）ＳＨと、に分割する。低域用フィルタ１１はローパスフィルタ、及び、高域用フィルタ１２はハイパスフィルタである．

パラメトリックスピーカ１は、信号処理部２０を備える。また、パラメトリックスピーカ１は、スピーカ部３０を備える。信号処理部２０は、スピーカ部３０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。

信号処理部２０は、搬送波生成部２５を有する。搬送波生成部２５は、所定の周波数の搬送波Ｃを生成する。搬送波生成部２５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。

信号処理部２０は、音響信号Ｓから分割された複数の帯域成分に対して、それぞれ異なる変調方法で変調する、複数の変調部を有する。複数の変調部は、例えば、第１変調部２１及び第２変調部２３である。

第１変調部２１及び第２変調部２３は、それぞれ、搬送波生成部２５から搬送波Ｃの入力を受け付ける。また、第１変調部２１は、低域用フィルタ１１を用いて音響信号Ｓから抽出された低域成分ＳＬの入力を受け付ける。また、第２変調部２３は、高域用フィルタ１２を用いて音響信号Ｓから抽出された高域成分ＳＨの入力を受け付ける。

第１変調部２１は、第１の変調方式によって、搬送波Ｃの振幅を音響信号Ｓの低域成分ＳＬで変調し、変調波ｖｐ１を生成する。第２変調部２３は、第１の変調方式と異なる第２の変調方式によって、搬送波Ｃの振幅を音響信号Ｓの高域成分ＳＨで変調し、変調波ｖｐ２を生成する。

搬送波生成部２５、第１変調部２１、及び、第２変調部２３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２５、第１変調部２１、及び、第２変調部２３が実現されている。

複数の変調部でそれぞれ異なる変調方法で変調された変調波は、それぞれ増幅部で増幅され、異なるスピーカから出力される。すなわち、第１変調部２１は第１増幅部２２に接続される。第１増幅部２２は第１変調部２１から変調波ｖｐ１の入力を受け付ける。第１増幅部２２は変調波ｖｐ１を増幅し、増幅した変調波Ｈ１をスピーカ部３０に入力する。また、第２変調部２３は第２増幅部２４に接続される。第２増幅部２４は第２変調部２３から変調波ｖｐ２の入力を受け付ける。第２増幅部２４は変調波ｖｐ２を増幅し、増幅した変調波Ｈ２をスピーカ部３０に入力する。第１増幅部２２及び第２増幅部２４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。

＜スピーカ部の構成＞

スピーカ部３０は、音響信号Ｓが分割された複数の帯域に応じた、複数のスピーカを有する。複数のスピーカは、例えば、第１スピーカ（スピーカ本体）３１及び第２のスピーカ（スピーカ本体）３２である。第１スピーカは低域用のスピーカであり、第２スピーカ３２は高域用のスピーカである。第１増幅部２２で増幅された変調波Ｈ１は第１スピーカ３１に入力され、第１スピーカ３１の圧電素子３３から（低域用の）超音波として放射される。第２増幅部２４で増幅された変調波Ｈ２は第２スピーカ３２に入力され、第２スピーカ３２の圧電素子３３から（高域用の）超音波として放射される。

低域用の超音波と高域用の超音波とでは高域用の超音波の方が高エネルギーのため、同一のスピーカから放射すると低エネルギー側の低域用の超音波の放射が損なわれる。その点、本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１では、低域用の超音波と高域用の超音波とをそれぞれ第１スピーカ３１及び第２スピーカ３２と異なるスピーカで放射することで、それぞれの帯域の超音波を放射することができる。その結果、復調波の特に低域側が確保され、復調音（復調された目的音）の音質を向上させることができる。

図２に示されるように、第１スピーカ３１及び第２スピーカ３２のそれぞれを構成するユニットは、超音波を放射する複数の超音波発生素子（以下、圧電素子）３３を備える。各ユニットは、一例として、長尺矩形形状の放射面３３Ａを有する。各ユニットには、放射される超音波の進行方向が放射面３３Ａの法線方向と一致するように複数の圧電素子３３がアレイ状に配置されている。複数の圧電素子３３は、放射面３３Ａ表面に、長手方向に直交する方向（図２の縦方向）に４または５個、長手方向（図２の横方向）に２２個、配置される。

パラメトリックスピーカ１では、第１スピーカ３１に配置されている圧電素子３３の数は、第２のスピーカに配置されている圧電素子３３の数より多い。すなわち、第１スピーカ３１を構成するユニット（図２）の数が、第２スピーカ３２を構成するユニットの数より多い。一例として、パラメトリックスピーカ１は、第１スピーカ３１を構成する６つの第１ユニット３１Ａ～３１Ｆ、及び、第２スピーカ３２を構成する１つの第２ユニット３２Ａを有する。

なお、パラメトリックスピーカ１における、第１スピーカ３１用の圧電素子３３の数と、第２スピーカ３２用の圧電素子３３の数との比率は、復調音の低域と高域とのバランスに応じて決定されてもよい。その決定は、例えば、実験等に基づいてなされてもよい。具体的に実験結果から最適な比率を求める例については後述する。図３、図４の例では、上記比率の一例が示されている。

第１スピーカ３１と第２スピーカ３２とは、所定位置において復調音の到来方向が一致するように配置される。一例として、図３に示されたように、第２ユニット３２Ａを中心に配置し、その両側に対照的に、第１ユニット３１Ａ～３１Ｃと、第１ユニット３１Ｄ～３１Ｆとが配置される。両側は、例えば、上下方向の両側であってもよいし、左右方向の両側であってもよい。また、上下左右両方向、つまり、第２ユニット３２Ａを中心として複数の第１ユニット３１Ａ～３１Ｆをパラボラ状に配置してもよい。

このとき、第１スピーカ３１からの復調音の進行方向Ｖ１は、第１ユニット３１Ａ～３１Ｃからの復調波の放射方向Ｖ１－１と、第１ユニット３１Ｄ～３１Ｆからの復調波の放射方向Ｖ１－２との合成方向となる。第２ユニット３２Ａは、復調波の放射方向Ｖ２が進行方向Ｖ１と一致するように配置される。これにより、復調波の放射方向Ｖ１－１，Ｖ１－２，Ｖ２が１点Ｆで交差している。言い替えると、複数の第１ユニット３１Ａ～３１Ｃ及び第２ユニット３２Ａは、復調波の放射方向が１つの焦点Ｆを構築するように隣接させて配置される。

第２ユニット３２Ａの調波の放射方向Ｖ２は、第２スピーカ３２からの復調音の進行方向と一致する。そのため、図３のように配置されることによって、第１スピーカ３１からの復調音の進行方向Ｖ１と第２スピーカ３２からの復調音の進行方向の進行方向Ｖとが一致する。これにより、所定位置では、第１のスピーカからの復調音と第２のスピーカからの復調音とが同じ方向から到来する。

第１ユニット３１Ａ～３１Ｃと第１ユニット３１Ｄ～３１Ｆと（第１スピーカ３１）は、それぞれ、放射方向Ｖ１－１及び放射方向Ｖ１－２に沿って直線状に復調領域Ｒ１－１，Ｒ１－２が広がる。第２ユニット３２Ａ（第２スピーカ３２）は、放射方向Ｖ２に沿って直線状に復調領域Ｒ２が広がる。復調領域は、放射された変調波が自己復調され、復調音が伝えられる範囲を指す。

復調領域Ｒ１－１，Ｒ１－２は、低域の復調音が伝えられる範囲である。復調領域Ｒ２が、高域の復調音が伝えられる範囲である。従って、これらが重なる、図３においてハッチングで示した対象エリアＲには、高域と低域との両方の復調音が、概ね同一の方向から届けられる。そのため、上記所定位置は、少なくとも対象エリアＲ内の位置である。好ましくは、所定位置は、焦点Ｆ以遠の第２ユニット３２Ａの正面の進行方向Ｖ１，Ｖ２上の位置である。

第１スピーカ３１及び第２スピーカ３２がこのように配置されることによって、所定位置にいる受聴者は、復調音の音源が１つのように感じる。図３の場合、復調音の音源は第２ユニット３２Ａの位置に感じられる。これにより、同一の目的音を帯域成分ごとに異なるスピーカから出力しても、自然に復調音が出力される。

なお、所定位置において復調音の到来方向が一致するような第１スピーカ３１及び第２スピーカ３２の配置は図３の配置に限定されない。他の配置として、図４に示されたように、第１スピーカ３１と第２スピーカ３２とを、それぞれの放射方向（すなわち、復調音の進行方向）Ｖ１，Ｖ２に対して重ねて配置してもよい。

すなわち、図４を参照して、パラメトリックスピーカ１が第１スピーカ３１を構成する２つの第１ユニット３１Ａ，３１Ｂ、及び、第２スピーカ３２を構成する１つの第２ユニット３２Ａを有する場合、２つの第１ユニット３１Ａ，３１Ｂ、及び、１つの第２ユニット３２Ａは、放射面３３Ａが同じ方向を向き、かつ、それぞれの放射方向Ｖ１－１，Ｖ１－２，Ｖ２が一致するように配置される。また、第２スピーカ３２の復調領域Ｒ２が第１ユニット３１Ａ，３１Ｂの復調領域Ｒ１に重なるように第１ユニット３１Ａ，３１Ｂ及び第２ユニット３２Ａは配置される。これにより、復調領域Ｒ１と復調領域Ｒ２とが重なる、図４においてハッチングで示した対象エリアＲには、目的音の高域と低域との両方の復調音が同じ方向から届けられる。好ましくは、図４に示されたように、第２ユニット３２Ａの復調領域Ｒ２が第１ユニット３１Ａ，３１Ｂの復調領域Ｒ１に含まれるように第１ユニット３１Ａ，３１Ｂ及び第２ユニット３２Ａは配置される。これにより、対象エリアＲを広くできる。

なお、所定位置において復調音の到来方向が一致するような第１スピーカ３１及び第２スピーカ３２の配置は、図３、図４に示されたような位置的な配置に限定されず、両スピーカ３１，３２からの復調波の位相を一致させるような位相制御を含んでもよい。

＜変調方式＞

第２変調部２３は、第２の変調方式によって、搬送波Ｃの振幅を音響信号Ｓの高域成分ＳＨで変調する。第２の変調方式は、音質劣化を抑える変調方式である。第２の変調方式は、一例として、単側波帯（ＳＳＢ：Single Sideband）変調方式である。ＳＳＢ変調方式は、キャリア波と単側波帯との差音を利用する変調方式である。

第１変調部２１は、第１の変調方式で搬送波Ｃの振幅を音響信号Ｓの低域成分ＳＬで変調する。第１の変調方式は、音圧を強調する変調方式である。第１の変調方式は、一例として、両側波帯多重（Ｍ－ＤＳＢ：Multiplexed-Double Sideband）変調方式である。

Ｍ－ＤＳＢ変調方式は、ＤＳＢ変調方式とＤＳＢ－ＳＣ変調方式とを利用して目的音を強調する変調方式であって、Ｍ－ＤＳＢ変調波は、ＤＳＢ変調波とＤＳＢ－ＳＣ変調波との和で表される。ＤＳＢ変調方式は、両側波帯とキャリア波との差音を利用した変調方式であって、両側波帯とキャリア波との差音の和が再生音となる。ＤＳＢ－ＳＣ変調方式は、ＤＳＢ変調波からキャリア波の成分を除去する変調方式である。

目的波の周波数をｆＬ、キャリア波の周波数をｆＣとすると、Ｍ－ＤＳＢ変調方式では、キャリア波とＤＳＢ変調波における両側波帯との差音｜ｆＣ－（ｆＣ±ｆＬ）｜、及び、ＤＳＢ－ＳＣ変調波における上側波帯と下側波帯との差音｜(ｆＣ＋ｆＬ／２）－（ｆＣ－ｆＬ／２）｜が、目的音として復調される。

Ｍ－ＤＳＢ変調方式がＤＳＢ変調方式とＤＳＢ－ＳＣ変調方式とを利用するものであるため、キャリア波とＤＳＢ－ＳＣ変調波における両側波帯との差音｜ｆＣ－（ｆＣ±ｆＬ／２）｜、及び、ＤＳＢ変調波における両側波帯とＤＳＢ－ＳＣ変調波における両側波帯の差音｜(ｆＣ＋ｆＬ）－（ｆＣ±ｆＬ／２）｜が、１／２倍音歪として発生する。この１／２倍音歪の二次高調波歪は元の目的音の周波数と一致する。そのため、復調された目的音において低域側が強調される。

Ｍ－ＤＳＢ変調方式は両側波帯を利用する変調方式であるため、単側波帯を利用するＳＳＢ変調方式よりも、復調音の音圧が大きい。Ｍ－ＤＳＢ変調方式を目的波の低域に、ＳＳＢ変調方式を目的波の高域に利用してキャリア波を変調することで、復調された目的音において低域側の音圧を高域側の音圧よりも大きくできる。さらに、上記のように、低域側の変調波を放射する圧電素子３３の数が、高域側の変調波を放射する圧電素子３３の数よりも大きい。それにより、低域の音圧が小さいというパラメトリックスピーカの問題を抑えることができる。

また、ＳＳＢ変調方式は音質重視の変調方式であるため、復調された目的音において高域側の音質を確保できる。以上により、第１変調部２１及び第２変調部２３が、それぞれ、第１変調方式及び第２変調方式を用いて低域側及び高域側を変調することで、復調される目的波の音質を向上させることができる。

＜音響信号の出力方法＞

本実施の形態に係るパラメトリックスピーカ１では、図１２のフローチャートに示された方法で音響信号が出力される。すなわち、図１２を参照して、パラメトリックスピーカ１は、音響信号生成装置５から目的音の音響信号Ｓの入力を受け付けて、音響信号Ｓを受け取る（ステップＳ１０１）。

パラメトリックスピーカ１では、音響信号を、所定の周波数帯域成分に分割する（ステップＳ１０３）。例えば、低域用フィルタ１１及び高域用フィルタ１２を用いて、それぞれ、音響信号を低域成分と、高域成分と、に分割する。

次に、パラメトリックスピーカ１では、超音波の搬送波を、音響信号の分割された複数の周波数帯域成分それぞれを用いて、それぞれ異なる変調方法で変調する（ステップＳ１０５）。例えば、Ｍ－ＤＳＢ変調方式などである第１の変調方式によって、搬送波の振幅を音響信号の低域成分で変調する。また、ＳＳＢ変調方式などである第２の変調方式によって、搬送波の振幅を音響信号の高域成分で変調する。そして、パラメトリックスピーカ１では、ステップＳ１０５で生成した複数の変調波を、それぞれ異なるスピーカから出力する（ステップＳ１０７）。

このような出力方法によってパラメトリックスピーカ１から音響信号が出力されることによって、目的音の周波数帯域成分ごとに適切な変調方法で変調され、異なるスピーカから出力される。これにより、復調音における各周波数帯域成分のバランスをよくできる。その結果、復調音の音質を向上させることができる。

＜実験＞

図５に示される条件で、第１スピーカ３１用の圧電素子３３の数と、第２スピーカ３２用の圧電素子３３の数との比率を決定するための実験を行った。実験は、図２に示された、１ユニット当たり圧電素子３３が１００個配列されたスピーカを用い、圧電素子３３の数によっては、このユニットの長辺を隣接させて用いた。

実験では、まず復調する目的音のパワースペクトルを求め、図６のパワースペクトルを得た。図６において、横軸は周波数を表し、縦軸は音圧レベル（ＳＰＬ：Pressure Level）を表している。目的音のパワースペクトルを得るために、図２のユニットを２つ連結させ、ＳＳＢ変調波を放射した。変調波は最大振幅（２¹⁵－１）で正規化し、スピーカの最大許容電圧（１６Ｖ）で放射した。

図６のパワースペクトルにおける低域の平均パワーＰＬと高域の平均パワーＰＨから、低域用の圧電素子３３の、高域用の圧電素子３３に対する比率（ｎＬ／ｎＨ）を、以下の式（１）により算出した。
ｎＬ＝√（ＰＨ／ＰＬ）×ｎＨ …（１）

図６の結果より、１ｋＨｚ以下の周波数帯域では、２～３ｋＨｚの周波数帯域よりも復調音の音圧が極めて小さい。そこで、クロスオーバー周波数Ωを１ｋＨｚとして低域を強調する。低域（０～１ｋＨｚ）における平均パワーが約５１．４ｄＢ、高域（１～８ｋＨｚ）における平均パワーが約６７．５ｄＢであり、低域の平均パワーＰＬは高域の平均パワーＰＨより小さい。この値を式（１）に適用することで、低域用の圧電素子３３の、高域用の圧電素子３３に対する比率（ｎＬ／ｎＨ）が６．４と得られた。

図５に示された条件で、低域用の圧電素子３３の数ｎＬと高域用の圧電素子３３の数ｎＨとを様々に変化させて、圧電素子３３の数ごとにおける復調音の平均音圧を測定した。その結果、図７に示された、圧電素子３３の数ごとにおける復調音の平均音圧が得られた。

図７の結果より、低域用の圧電素子３３の数ｎＬと高域用の圧電素子３３の数ｎＨとの組み合わせ（ｎＬ，ｎＨ）が（５００，１００）又は（１２００，２００）の場合に、低域の平均音圧と高域の平均音圧とが同程度になることがわかった。そこで、復調音の音圧を大きくするために、低域用の圧電素子３３の数ｎＬと高域用の圧電素子３３の数ｎＨとの組み合わせ（ｎＬ，ｎＨ）として、（１２００，２００）を採用した。

次に、復調音のパワースペクトルが平坦であるかを評価する評価実験を実施した。評価実験では、焦点Ｆの位置で収録した復調音からパワースペクトルを算出し、図８に示された式（２）を用いてパワースペクトルの誤差平均Ｐｅｒｒを算出した。誤差平均Ｐｅｒｒは小さいほど復調音のパワースペクトルが平坦であることを示している。

条件１は、低域用の圧電素子３３の数ｎＬと高域用の圧電素子３３の数ｎＨとの組み合わせ（ｎＬ，ｎＨ）に（１２００，２００）を採用したパラメトリックスピーカを用い、低域ではＭ－ＤＳＢ変調方式、高域ではＳＳＢ変調方式で変調を行った。条件２は、合計１４００個の圧電素子３３が搭載されたスピーカを有するパラメトリックスピーカを使用し、周波数帯域を分割せずにＳＳＢ変調方式で変調を行ない、条件３はＤＳＢ変調方式で変調を行い、条件４はＭ－ＤＳＢ変調方式で変調を行った。その他の条件については図５に示された条件と同じである。

図９に示された各条件での復調音から得られたパワースペクトルより算出された誤差平均Ｐｅｒｒにおいて、復調音の低域を比較すると、条件１，４では、Ｍ－ＤＳＢ変調方式で変調することによって、条件３のＤＳＢ変調方式で復調するよりも復調音の音圧が大きいことがわかる。

また、図１０に示された各条件における高域側及び低域側の平均パワーより、高域は約２．０ｄＢ強調されているのに対し、低域は約１．５ｄＢしか強調されていない。つまり、低域では強調効果が小さい。これは、復調音の音圧が小さい低域では高調波歪の音圧も小さいため、Ｍ－ＤＳＢ変調方式による強調効果が小さくなったと考えられる。

一方で、条件１では、Ｍ－ＤＳＢ変調方式によって、強調が困難であった低域がさらに約４．６ｄＢ強調されている。これは、低域用の第１スピーカ３１を用いることで低域成分を大きな音圧で放射可能であったため、復調音の音圧が増幅したと考えられる。

図１１に示された各条件での復調音から得られたパワースペクトルから算出された誤差平均Ｐｅｒｒを比較すると、ＤＳＢ変調方式で変調した条件３より、Ｍ－ＤＳＢ変調方式とＳＳＢ変調方式とを組み合わせた条件１の方が、誤差平均Ｐｅｒｒが約１．４ｄＢ小さい。

以上より、条件１で採用した、Ｍ－ＤＳＢ変調方式とＳＳＢ変調方式とを組み合わせた変調方式によって、復調音において低域が強調され、他の条件での変調方式と比較して最も平坦なパワースペクトルが実現される、すなわち、復調音が最も高品質となることが検証された。

［３．付記］
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
１０ ：フィルタ部
１１ ：低域用フィルタ
１２ ：高域用フィルタ
２０ ：信号処理部
２１ ：第１変調部
２２ ：第１増幅部
２３ ：第２変調部
２４ ：第２増幅部
２５ ：搬送波生成部
３０ ：スピーカ部
３１ ：第１スピーカ
３１Ａ ：第１ユニット
３１Ｂ ：第１ユニット
３１Ｃ ：第１ユニット
３１Ｄ ：第１ユニット
３１Ｅ ：第１ユニット
３１Ｆ ：第１ユニット
３２ ：第２スピーカ
３２Ａ ：第２ユニット
３３ ：圧電素子
３３Ａ ：放射面
Ｃ ：搬送波
Ｆ ：焦点
Ｈ１ ：変調波
Ｈ２ ：変調波
ＰＨ ：平均パワー
ＰＬ ：平均パワー
Ｐｅｒｒ ：誤差平均
Ｒ ：対象エリア
Ｒ１ ：復調領域
Ｒ１－１ ：復調領域
Ｒ２ ：復調領域
Ｓ ：音響信号
ＳＨ ：高域成分
ＳＬ ：低域成分
Ｖ１ ：進行方向
Ｖ１－１ ：放射方向
Ｖ１－２ ：放射方向
Ｖ２ ：進行方向
ｖｐ１ ：変調波
ｖｐ２ ：変調波
Ω ：クロスオーバー周波数

Claims (7)

1. 目的音から、第１の周波数帯域成分を抽出する第１のフィルタと、
   前記目的音から、前記第１の周波数帯域よりも高い周波数の第２の周波数帯域成分を抽出する第２のフィルタと、
   搬送波の振幅を、前記第１の周波数帯域成分を用いて第１の変調方式で変調し、第１の変調波を生成する第１の変調部と、
   前記搬送波の振幅を、前記第２の周波数帯域成分を用いて、前記第１の変調方式とは異なる第２の変調方式で変調し、第２の変調波を生成する第２の変調部と、
   前記第１の変調波を放射する第１のスピーカと、
   前記第２の変調波を放射する、前記第１のスピーカと異なる第２のスピーカと、を備え、
   前記第１のスピーカは、前記第２のスピーカの両側に配置され、
   前記第２のスピーカの両側にある前記第１のスピーカそれぞれの放射方向が、前記第２のスピーカによる放射方向と焦点を結ぶよう構成されている
   パラメトリックスピーカ。
2. 前記第２のスピーカの両側にある前記第１のスピーカそれぞれの放射方向が、前記第２のスピーカによる放射方向と焦点を結ぶように、前記第１のスピーカが前記第２のスピーカに対して傾いて配置されている
   請求項１に記載のパラメトリックスピーカ。
3. 前記第２のスピーカの両側にある前記第１のスピーカそれぞれの放射方向が、前記第２のスピーカによる放射方向と焦点を結ぶように、前記第１のスピーカ及び前記第２のスピーカが位相制御されている
   請求項１に記載のパラメトリックスピーカ。
4. 前記第１の変調方式は、前記第２の変調方式よりも復調音の音圧レベルが大きくなる変調方式である
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のパラメトリックスピーカ。
5. 前記第２の変調方式は、前記第１の変調方式よりも音質劣化を抑える変調方式である
   請求項１～請求項４のいずれか一項に記載のパラメトリックスピーカ。
6. 前記第１のスピーカの有する超音波発生素子の数は、前記第２のスピーカの有する超音波発生素子の数より多い
   請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のパラメトリックスピーカ。
7. 複数のスピーカを有するパラメトリックスピーカによる音響信号の出力方法であって、
   目的音から、第１の周波数帯域成分と、前記第１の周波数帯域よりも高い周波数の第２の周波数帯域成分と、を抽出し、
   搬送波の振幅を、前記第１の周波数帯域成分を用いて第１の変調方式で変調し、第１の変調波を生成し、
   前記搬送波の振幅を、前記第２の周波数帯域成分を用いて、前記第１の変調方式とは異なる第２の変調方式で変調し、第２の変調波を生成し、
   第１のスピーカによって、前記第１の変調波を放射し、
   前記第１のスピーカとは異なる第２のスピーカによって、前記第２の変調波を放射する、ことを備え、
   前記第１のスピーカは、前記第２のスピーカの両側に配置され、
   前記第２のスピーカの両側にある前記第１のスピーカそれぞれの放射方向が、前記第２のスピーカによる放射方向と焦点を結ぶ
   音響信号の出力方法。

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