JPH04123699A - 電気音響変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、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電気音響変換装置に
間するものである。

【従来の技術】

従来より、電気音響変換装置としては、動電形のスピー
カが多く採用されているが、動電形のスビー力は指向性
が比較的弱いという欠点がある。 すなわち、動電形のスピーカでは、音情報が目的とする
人や場所以外にも伝達されるから、第３者への迷惑にな
るという問題が生じる。 こうした問題を解決するには、電気音響変換装置により
形成される音場を限定できるように指向性を強めること
が必要である。動電形のスピーカの指向性を強める手段
としては、口径を大きくしたり、ホーンを装着すること
が知られている。 しかしながら、いずれの手段によっても大形化するわり
には指向性の改善効果が少ないという問題がある。とく
に、可聴周波数の低域では指向性を強めるのが難しいも
のである。 一方、比較的小形ながら指向性が強い電気音響変換装置
として、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、以下のような原理によって、１
次音波より可聴音である２次音波を生成する。すなわち
、第５図のように、互いに異なる２つの周波数（Ｆｌ、
Ｆ２）で超音波振動子１１を駆動すると、超音波振動子
１１より出力された１次音波（実線で示す）が空気によ
り干渉し、１次音波の周波数の差成分（Ｆ２−Ｆｌ）と
和成分（Ｆ２＋Ｆ１）とが２次音波（破線で示す）とし
て生成される。このような現象によって生成される２次
音波の音圧は、１次音波として指向性の強い超音波を用
いて非常に強い音場を形成すれば、実用に耐えるレベル
になる。また、第６図に示すように、１次音波（Ｆｌ、
Ｆ２）の周波数差が可聴周波数（ＡＦ）になるようにす
れば、差成分として可聴周波数の２次音波（Ｆ２−Ｆｌ
）が生じることになる。このような現象を非線形パラメ
トリック作用と称しており、生成された２次音波の指向
性は、１次音波の指向性よりは弱くなるが１次音波に比
較的近いパターンを示す（第５図中の楕円パターン）、
シたがって、１次音波として指向性の強い超音波を用い
れば、２次音波として生成される可聴周波数においても
指向性を強くすることができるのである。 パラメトリックスピーカは上述したように１次音波の強
い音場を必要とするから、１次音波として強い超音波が
発生することになる。そのため、超音波が人体に悪影響
を及ぼすことがないように、第４図に示すように、１次
音波が発生する空間を囲む音響筒１２を設けるとともに
、音響筒１２において２次音波を取り出す開口部分に少
なくとも１次音波を減衰させる音響フィルタ１３を配設
するのが普通である。 ところで、非線形パラメトリック作用によって可聴周波
数の２次音波を発生させるように超音波振動子１１を駆
動するために、振幅変調した信号を超音波振動子１１に
入力する駆動方式が考えられている。超音波振動子１１
に入力される変調信号としては、通常のＡＭ変調方式や
搬送波付のＳＳＢ変調方式が考えられている。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、ＡＭ変調方式や搬送波付のＳＳＢ変調方
式により振幅変調した信号は、いずれも搬送波を含んだ
信号であるから、１次音波として２次音波を生成しない
搬送波に対応する超音波が出力されることになり、１次
音波を音響フィルタで抑制したとしても、１次音波の照
射積算量はかなり高くなるという問題がある。 また、ＡＭ変調方式では、搬送波信号の周波数をＦＯと
し、被変調信号の周波数をΔＦとすれば、第７図に示す
ように、搬送波信号の周波数ＦＯを中心とする両側波成
分（ＦＯ＋ΔＦ＞、（ＦＯ−ΔＦ）と、搬送波信号の周
波数ＦＯとを含んだ信号となる。その結果、１次音波の
干渉によってビート成分として発生する２次音波は、大
部分がΔＦであり、その他に比較的高いレベルで２・Δ
Ｆの成分が発生することになる。すなわち、生成される
２次音波に高調波成分が多く含まれて歪みが大きいとい
う問題を有するのである。一方、搬送波付のＳＳＢ変調
方式では、歪みの問題は解消されるが、一方の側波を除
去するのに高精度のフィルタが必要になりコスト高にな
るという問題がある。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、比
較的小形でありながら指向性が強く、しかも、１次音波
の照射積算量が少ないとともに生成された２次音波に歪
みが少なく、かつ比較的安価に形成できるようにした電
気音響変換装置を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

請求項１の構成では、上記目的を達成するために、超音
波振動子より出力された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の周波数の被弯調信
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波変調方式による変
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
により構成されているのである。 請求項２の構成では、被変調信号発生回路は、可聴周波
数の信号が入力されるとともに、入力された信号の振幅
をほぼ平方根になるように抑圧する振幅補正回路を備え
ているのである。 請求項３の構成では、変調回路とスピーカ部との間に、
変調回路の出力信号の振幅をほぼ平方根になるように抑
圧する振幅補正回路を設けているのである。 請求項４の構成では、被変調信号発生回路は、記憶部の
データに基づいて音声信号を合成して出力する音声合成
回路であって、記憶部に格納されたデータは、スピーカ
部により発生する２次音波に対して周波数が２分の１に
なり、振幅がほぼ平方根になるようにあらかじめ補正さ
れているのである。

【作用】

請求項１の構成によれば、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、スピーカ部により発生する
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波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を備えているの
で、スピーカ部に対して搬送波信号がほとんど入力され
ないのであって、１次音波において搬送波信号に対応す
る成分がほとんど出力されず、超音波の照射積算量が少
なくなるのである。その結果、超音波の人体に対する影
響を少なくすることができるのである。また、２次音波
の大部分は１次音波の両側波の差分によって生成される
から、高調波成分がほとんど含まれず、歪みの少ない２
次音波が生成されるのである。しかも、搬送波抑圧両側
帯波変調方式であるからＳＳＢ変調方式に比較すれば回
路構成が簡単であり比較的安価に提供できるのである。 請求項２および請求項３の構成では、変調回路の前段ま
たは後段において信号の振幅をほぼ平方根になるように
抑圧する振幅補正回路を設けているから、入力される音
声信号と生成される２次音波との振幅がほぼ等しくなる
のである。 請求項４の構成では、記憶部のデータに基づいて音声信
号を合成し、て出力する音声合成回路の出力信号を変調
回路に入力するのであって、記憶部に格納されたデータ
は、スピーカ部により発生する２次音波に対して周波数
が２分の１になり、振幅がほぼ平方根になるようにあら
かじめ補正されているので、記憶部のデータに基づいて
２次音波を生成する際には、データの補正処理を行う必
要がなく、動作時における処理時間が短縮されるととも
に、回路構成も簡単になるのである。

【実施例１】 第１図に示すように、１次音波の非線形パラメトリック
作用により可聴周波数の２次音波を発生させるスピーカ
部１と、スピーカ部１に対して駆動信号を出力する駆動
信号生成部２とを備えている。 スピーカ部１は、第４図に示した構成を有し、超音波振
動子１１を備え、１次音波を閉じ込める音響筒１２や１
次音波を抑圧する音響フィルタ１３を備えている。超音
波振動子１１は必要に応じて複数個設けるのが望ましい
。 駆動信号生成部２は、一定周波数の高周波を出力する搬
送波発振回路２１と、被変調信号を出力する被変調信号
発生回路２２と、搬送波と被変調信号とが入力されて搬
送波抑圧両側帯波変調方式による変調を施した駆動信号
を出力する変調回路２３と、変調回路２３の出力を増幅
する電力増幅回路２４とからなる。被変調信号発生回路
２２はスピーカ部１より送出される２次音波に相当する
可聴周波数の信号を出力するマイクロホンや音声信号発
生回路よりなる可聴信号発生部２５と、可聴信号発生部
２５の出力信号の周波数を２分の１の周波数に変換する
広帯域分周回路２６と、広帯域分周回路２６の出力信号
の振幅の平方根をとる振幅補正回路２７と、振幅補正回
路２７の出力を増幅して変調回路２３に入力する増幅回
路２８とを備えている。変調回路２３としては、搬送波
抑圧両側帯波変調方式が採用されており、平衡変調回路
が用いられる。 上記構成によれば、変調方式が搬送波抑圧両側帯波変調
方式であるから、可聴信号発生部２５から信号が入力さ
れていないときには、搬送波がスピーカ部１に出力され
ないのであって、搬送波を抑圧していない変調方式を用
いる場合に比較すれば、同量の２次音波を生成するのに
要する１次音波の照射積算量（総エネルギー量）が少な
くなり、結果的に超音波の人体への影響を抑制すること
ができるのである。 また、変調回路２３に入力される搬送波信号の周波数を
ＦＯとし、被変調信号の周波数をΔＦとすれば、変調回
路２３の出力は、第２図に示すように、搬送波信号の周
波数ＦＯを中心として両側波成分（ＦＯ＋ΔＦ）、（Ｆ
Ｏ−ΔＦ）を含んだ信号となり、搬送波信号は抑圧され
ているから、１次音波の干渉によって両側波成分の周波
数差に相当するビート成分として２次音波が発生する。 すなわち、２次音波の周波数は、はとんどが２・ΔＦに
なり、周波数がΔＦであるような２次音波はほとんど生
成されないのである。その結果、高調波成分が少なく歪
みの少ない２次音波が得られるのである６まな、ＡＭ変
調方式では２次音波はΔＦになるのに対して、本実施例
での２次音波は２・ΔＦになるから、もともと動作帯域
幅の狭い超音波振動子１１に適した動作が行えるのであ
る。 ここにおいて、２次音波は１次音波の干渉により生成さ
れ、２次音波の振幅は１次音波の振幅の２乗になるから
、振幅補正回路２７によって被変調信号の振幅の平方根
を取るようにしているのである。この構成によって、可
聴信号発生部２５から出力された信号の振幅に相当する
２次音波が生成されるのである。ここに、振幅補正回路
２７は、変調回路２３の前段に設けられているが、変調
回路の後段に設けるようにしてもよい、また、振幅補正
回路２７としては、振幅をほぼ平方根になるように抑圧
すればよいのであって、対数に抑圧するものでもよい。

【実施例２１ 本実施例では、第３図に示すように、可聴信号発生部２
５を音声合成回路３１とした例を示す。 音声合成回路３１はＣＰＵ３２により制御されるのであ
って、ＲＯＭ３３に格納されたデータに従って所定のメ
ツセージに対応した可聴信号を生成する。 実施例１で説明したように、変調回路２３において搬送
波抑圧両側帯波変調方式を用いており、変調回路２３に
入力する被変調信号は、可聴信号に対して、周波数を２
分の１、振幅を平方根に補正しているから、ＲＯＭ３３
に格納されるデータをあらかじめ補正したデータとすれ
ば、その後の補正処理が不要になり動作時の処理が容易
になるのである。 そこで、本実施例では、ＲＯＭ３３へのデータを作成す
る際に、マイクロホン等の音声入力装置３５から入力さ
れる音声信号を、アナログ−ディジタル変換回路３６に
おいて、サンプリング、量子化してディジタル信号に変
換し、次に、データ処理回路３７において、周波数を２
分の１に分周し、振幅の平方根をとることによって補正
を施し、その後、データ出力部３８において、データ処
理回路３７の出力に基づいてＲＯＭ３３に書き込むデー
タを作成するようにしている。 上述のようにしてＲＯＭ３３に書き込むデータを生成す
ることにより、あらかじめ補正を施したデータがＲＯＭ
３３に格納されることになり、その後の補正処理が不要
になるのである。その結果、２次音波を発生させる際の
回路には補正用の回路構成が不要になり、処理時間が、
短縮されるとともに、小形化されるのである。ここに、
記憶部としてＲＯＭ３３を用いた例を示しているが、磁
気テープなども使用可能である。また、磁気テープに音
声信号を記録しておけば、音声合成回路３１やＣＰＵ３
２は用いなくてもよい。 【発明の効果】 上述のように、請求項１の構成によれば、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
により発生する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波変調方式による変
調を施した駆瞥信号をスピーカ部に出力する変調回路と
を備えているので、スピーカ部に対して搬送波信号がほ
とんど入力されないのであって、１次音波において搬送
波信号に対応する成分がほとんど出力されず、超音波の
照射積算量が少なくなるという利点がある。その結果、
超音波の人体に対する影響を少なくすることができるの
である。また、２次音波の大部分は１次音波の両側波の
差分によって生成されるから、高調波成分がほとんど含
まれず、歪みの少ない２次音波が生成されるという効果
がある。しかも、搬送波抑圧両側帯波変調方式であるか
らＳＳＢ変調方式に比較すれば回路構成が簡単であり比
較的安価に提供できるのである。 請求項２および請求項３の構成では、変調回路の前段ま
たは後段において信号の振幅をほぼ平方根になるように
抑圧する振幅補正回路を設けているから、入力される音
声信号と生成される２次音波との振幅がほぼ等しくなる
という効果を奏するのである。 請求項４の構成では、記憶部のデータに基づいて音声信
号を合成して出力する音声合成回路の出力信号を変調回
路に入力するのであって、記憶部に格納されたデータは
、スピーカ部により発生する２次音波に対して周波数が
２分の１になり、振幅がほぼ平方根になるようにあらか
じめ補正されているので、記憶部のデータに基づいて２
次音波を生成する際には、データの補正処理を行う必要
がなく、動作時における処理時間が短縮されるとともに
、回路構成も簡単になるという利点を有するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示すブロック図、第２図は
同上の動作説明図、第３図は本発明の実施例２を示すブ
ロック図、第４図は本発明に用いるパラメトリックスピ
ーカの概略構成図、第５図は同上に用いるパラメトリッ
クスピーカの原理説明図、第６図は同上の動作説明図、
第７図は従来例の動作説明図である。 １・・・スピーカ部、２・・・駆動信号生成部、１１・
・・超音波振動子、２１・・・搬送波発振回路、２２・
・・被変調信号発生回路、２３・・・変調回路、２７・
・・振幅補正回路、３１・・・音声合成回路、３３・・
・ＲＯＭ。 代理人　弁理士　石　１）長　七 第４ 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動子より出力された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波変調方
   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
   。
2. （２）被変調信号発生回路は、可聴周波数の信号が入力
   されるとともに、入力された信号の振幅をほぼ平方根に
   なるように抑圧する振幅補正回路を備えて成ることを特
   徴とする請求項１記載の電気音響変換装置。
3. （３）変調回路とスピーカ部との間に、変調回路の出力
   信号の振幅をほぼ平方根になるように抑圧する振幅補正
   回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の電気音響
   変換装置。
4. （４）被変調信号発生回路は、記憶部のデータに基づい
   て音声信号を合成して出力する音声合成回路であつて、
   記憶部に格納されたデータは、スピーカ部により発生す
   る２次音波に対して周波数が２分の１になり、振幅がほ
   ぼ平方根になるようにあらかじめ補正されていることを
   特徴とする請求項１記載の電気音響変換装置。