JPH06106000B2 - Parametric speaker - Google Patents

Parametric speaker

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JPH06106000B2
JPH06106000B2 JP13338586A JP13338586A JPH06106000B2 JP H06106000 B2 JPH06106000 B2 JP H06106000B2 JP 13338586 A JP13338586 A JP 13338586A JP 13338586 A JP13338586 A JP 13338586A JP H06106000 B2 JPH06106000 B2 JP H06106000B2
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JP
Japan
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ultrasonic
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wave
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source
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JP13338586A
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恒雄 田中
康三 塗矢
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波に対する空気の非線形性を用いて音声信
号を再生させるパラメトリックスピーカに関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a parametric speaker that reproduces an audio signal by using the nonlinearity of air with respect to ultrasonic waves.

従来の技術 従来から拡声装置において、音の指向性をスポットライ
トの様に鋭くして、周囲騒音の影響を受けずにある特定
の範囲の人々にだけ聞かせたいと言う要求は、展示会な
どで個々の出品物ごとに別々の説明を行ないたい時や、
駅ホームでの案内放送などの用途で強いものがあった。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a loudspeaker, the demand for sharpening the directivity of sound like a spotlight and allowing only a certain range of people to be heard without being affected by ambient noise has been demanded at exhibitions and the like. When you want to give a separate explanation for each exhibit,
There were some strong uses such as information broadcasting at station platforms.

この様な用途には、従来ホーンスピーカが主として用い
られてきたが、ホーンスピーカの指向性はその長さと口
径に強く依存し、特に音声の様に低音域で鋭い指向性を
得るには、長さ、口径共に極めて大きなものになると言
う欠点があった。
Conventionally, a horn speaker has been mainly used for such an application, but the directivity of the horn speaker strongly depends on its length and caliber. In particular, to obtain a sharp directivity in the low frequency range like voice, However, there was a drawback that the diameter would be extremely large.

一方、近年超音波に対する空気の非線形性を利用したス
ピーカ(以下パラメトリックスピーカという)が従来に
比べはるかに鋭い指向性を得られることから注目されて
いる。まず従来のパラメトリックスピーカについて説明
する(例えば特開昭58−119293号公報)。
On the other hand, in recent years, a speaker that utilizes the non-linearity of air with respect to ultrasonic waves (hereinafter referred to as a parametric speaker) has attracted attention because it can obtain a much sharper directivity than in the past. First, a conventional parametric speaker will be described (for example, JP-A-58-119293).

第5図は従来のパラメトリックスピーカの構成を示すも
のである。第5図において、1は超音波振動子、2は超
音波振動子1を蜂の巣状に並べて構成した超音波源であ
る。3は音声信号源であり、この出力を変調器4に入力
する。ここで音声信号は搬送波を40KHzとして振幅変調
され、パワーアンプ6を経て超音波源2に入力される。
7は超音波を吸収するための音響フィルタであり、超音
波源2と受聴者8の間に設置されている。
FIG. 5 shows the structure of a conventional parametric speaker. In FIG. 5, reference numeral 1 is an ultrasonic transducer, and 2 is an ultrasonic source configured by arranging the ultrasonic transducers 1 in a honeycomb shape. Reference numeral 3 is an audio signal source, and its output is input to the modulator 4. Here, the audio signal is amplitude-modulated with a carrier wave of 40 KHz, and is input to the ultrasonic wave source 2 via the power amplifier 6.
Reference numeral 7 denotes an acoustic filter for absorbing ultrasonic waves, which is installed between the ultrasonic source 2 and the listener 8.

上述したパラメトリックスピーカにおいて、超音波源2
から放射された振幅変調超音波の搬送波と上下の側帯波
とは空中で非線形相互作用を起こし、鋭い指向性を有す
る変調波が発生する。ここでパラメトリックスピーカか
ら出た振幅変調超音波のことを1次波,1次波の非線形相
互作用の結果として生じた元の音声信号(変調波)のこ
とを2次波と称する。
In the parametric speaker described above, the ultrasonic source 2
The carrier of the amplitude-modulated ultrasonic wave radiated from the antenna and the upper and lower sidebands cause a nonlinear interaction in the air, and a modulated wave having a sharp directivity is generated. Here, the amplitude-modulated ultrasonic wave emitted from the parametric speaker is called a primary wave, and the original audio signal (modulated wave) generated as a result of the nonlinear interaction of the primary wave is called a secondary wave.

ところでパラメトリックスピーカでは1次波から2次波
への変換効率が極めて低い(1%以下)ために、実用レ
ベルの2次波を発生させるためには強力な超音波が必要
となる。例えば90dBの2次波音圧を得るためには140dB
或いはそれ以上の1次波音圧が必要である。
By the way, since the conversion efficiency from the primary wave to the secondary wave is extremely low (1% or less) in the parametric speaker, strong ultrasonic waves are required to generate the secondary wave at a practical level. For example, 140 dB to obtain a secondary wave sound pressure of 90 dB
Alternatively, a higher primary wave sound pressure is required.

又、空気中での音波の吸収係数や変換効率の点から使用
できる周波数は30〜70KHz程度に限られ、音声信号で変
調するためには帯域も数KHz必要である。以上のような
要求を満たすために、バイモルフ形の圧電セラミックを
用いた超音波振動子を数百個から数千個並べたものが超
音波源として用いられている。
In addition, the usable frequency is limited to about 30 to 70 KHz in terms of absorption coefficient and conversion efficiency of sound waves in the air, and a band of several KHz is required to modulate with a sound signal. In order to meet the above requirements, an ultrasonic source is one in which hundreds to thousands of ultrasonic transducers using a bimorph piezoelectric ceramic are arranged.

次に駆動系について説明する。各振動子は同位相で駆動
するために全て並列接続されている。ところで1つ1つ
の振動子のインピーダンス特性は第2図aに示すように
共振点で数百オーム、反共振点でKΩである。そのため
多数の振動子を並列接続するとインピーダンスが低下
し、通常のアンプでは駆動できなくなる。そのために通
常は振動子全体を多数のチャンネルに分割し、1つ1つ
のチャンネルのインピーダンスをアンプの出力インピー
ダンスに合わせるようにしていた。
Next, the drive system will be described. All the oscillators are connected in parallel to drive in the same phase. By the way, the impedance characteristic of each vibrator is several hundred ohms at the resonance point and KΩ at the anti-resonance point as shown in FIG. Therefore, if a large number of vibrators are connected in parallel, the impedance will drop and it will not be possible to drive with a normal amplifier. Therefore, the whole vibrator is usually divided into a large number of channels, and the impedance of each channel is matched with the output impedance of the amplifier.

ところで振動子には振幅を拡大し、音圧レベルを向上さ
せるとともに共振のQを下げ帯域を広くするためにコー
ン状の共振子がバイモルフの中心に接着固定されてい
る。そのため振動子の音圧周波数特性は第2図bに示す
ようにインピーダンス特性に比較して緩やかに変化す
る。
By the way, a cone-shaped resonator is adhered and fixed to the center of the bimorph in the vibrator in order to expand the amplitude, improve the sound pressure level, and lower the Q of resonance to widen the band. Therefore, the sound pressure frequency characteristic of the oscillator changes more gently than the impedance characteristic as shown in FIG. 2b.

この点に注目して、超音波振動子552ケを並列接続した
超音波源を用い一定の2次波音圧レベル(75dB/2m)を
発生するのに必要な電力を測定したところ第3図に示す
ようになった。この結果から最適駆動周波数は反共振周
数付近にあることがわかる。
Focusing on this point, the power required to generate a constant secondary wave sound pressure level (75 dB / 2 m) was measured using an ultrasonic source in which 552 ultrasonic transducers were connected in parallel. Came to show. From this result, it can be seen that the optimum driving frequency is near the anti-resonance frequency.

ところが超音波振動子のインピーダンスは共振点付近で
周波数に対して大きく変化するばかりでなく温度によっ
ても大きく変化する。例えば室温時に40KHzであった共
振周波数が65℃では38KHz位まで低下する。このため超
音波振動子に大きな入力を加える時には除々に入力を上
げていく必要がある。その理由を第4図と共に説明す
る。第4図において、aは超音波振動子550ケを並列接
続した超音波源の室温におけるインピーダンス特性であ
る。bは同じ超音波源に200Wの入力を入れて2時間後の
インピーダンス特性を示すものであり、この時、振動子
の温度は約65℃に上昇していた。ところで200W入力時の
最適駆動周波数は40KHzでありその時のインピーダンス
Bは約8Ωである。ところが室温の時の40KHzにおける
インピーダンスAは約2Ωしかないため、急に大きな入
力を入れるとアンプを破壊することになる。そのため、
従来は、除々に入力を上げていくか、最初は42KHz付近
で駆動し、除々に周波数を下げていくかしていた。
However, the impedance of the ultrasonic transducer changes not only greatly with frequency near the resonance point but also with temperature. For example, the resonance frequency, which was 40 KHz at room temperature, drops to about 38 KHz at 65 ° C. Therefore, when a large input is applied to the ultrasonic transducer, it is necessary to gradually increase the input. The reason will be described with reference to FIG. In FIG. 4, a is an impedance characteristic at room temperature of an ultrasonic source in which 550 ultrasonic transducers are connected in parallel. b shows the impedance characteristics of the same ultrasonic source two hours after inputting 200 W of input, at which time the temperature of the oscillator had risen to about 65 ° C. By the way, the optimum drive frequency at the time of inputting 200 W is 40 KHz, and the impedance B at that time is about 8Ω. However, the impedance A at 40KHz at room temperature is only about 2Ω, so suddenly inputting a large input will destroy the amplifier. for that reason,
In the past, the input was gradually increased, or at first it was driven at around 42 KHz and the frequency was gradually decreased.

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記の様な方法では手間がかかるばかりで
なく入力を変化させるたびに、駆動周波数も変化させな
ければならず、しかも入力を変化させてから温度変化に
よってインピーダンスが変化するまでには、かなりの時
間を要し、常に最適周波数で駆動すると言うのは困難で
あった。しかも上記のような駆動方法ではチャンネル数
即ちアンプの台数が増えるために不経済なばかりでな
く、アンプや振動子の発熱と言った問題があった。
Problems to be Solved by the Invention However, in the above method, not only is it troublesome, but also the drive frequency must be changed every time the input is changed, and further, the impedance is changed by the temperature change after changing the input. It took a considerable amount of time to change, and it was difficult to always drive at the optimum frequency. Moreover, the driving method as described above is not only uneconomical because the number of channels, that is, the number of amplifiers is increased, but also has a problem of heat generation of the amplifier and the vibrator.

本発明は上記問題点に鑑み、低消費電力で高い音圧レベ
ルを得ることのできるパラメトリックスピーカを提供す
るものである。
In view of the above problems, the present invention provides a parametric speaker capable of obtaining a high sound pressure level with low power consumption.

問題点を解決するための手段 この目的を達成するために本発明のパラメトリックスピ
ーカは音声信号源と、超音波帯の搬送波発振器と、搬送
波発振器の出力を音声信号源の出力で変調するための変
調器と、変調器の出力によって駆動され被変調超音波を
空中に放射し、空気の非線形性によって音声信号を再生
させるための1個又は複数個の超音波振動子からなる超
音波源と、超音波源への入力電力を測定する電力計と、
電力計の出力が最低となるように搬送波発振器の搬送波
周波数を制御する制御器とを具備した構成となってい
る。
In order to achieve this object, the parametric speaker of the present invention comprises an audio signal source, an ultrasonic wave carrier oscillator, and a modulation for modulating the output of the carrier oscillator with the output of the audio signal source. And an ultrasonic source that is driven by the output of the modulator and emits a modulated ultrasonic wave in the air, and one or more ultrasonic transducers for reproducing an audio signal due to the nonlinearity of air, and an ultrasonic source. A power meter that measures the input power to the sound source,
A controller for controlling the carrier wave frequency of the carrier wave oscillator so that the output of the wattmeter becomes minimum.

作用 本発明は、上記した構成により、まず超音波源への入力
電力を測定し、次に制御器で駆動周波数を少しずつ変化
させて、その時の電力を前と比較し、次々とこのプロセ
スを繰り返すことによって、最低電力の周波数に収束さ
せる。そして常にこの最適周波数で駆動することにより
変換効率の高いパラメトリックスピーカを実現するもの
である。
Action The present invention, by the above-described configuration, first measures the input power to the ultrasonic source, then changes the drive frequency little by little with the controller, compares the power at that time with the previous one, and successively performs this process. By repeating, the frequency is converged to the lowest power frequency. By constantly driving at this optimum frequency, a parametric speaker with high conversion efficiency is realized.

尚、実際にはこのような電気的な帰還だけではなく、電
気音響変換効率を最大にすると言うことから2次波音圧
を測定することにより、2次波音圧一定のもとでの電力
を測定するべきであるが、パワーアンプの出力電圧を一
定にして周波数を変えて実験した結果、2次波音圧レベ
ルはほぼ一定であった。又、2次波音圧を測定するとし
ても音声信号のレベルは常に変化するわけであるから、
2次波音圧が一定であるかどうかを判断するのは現実に
は困難である。従って、上記したような方法で十分最適
周波数における駆動を実現できるものである。
Actually, not only such electrical feedback but also maximizing the electroacoustic conversion efficiency is measured, so that the secondary wave sound pressure is measured to measure the power under a constant secondary wave sound pressure. However, as a result of an experiment in which the output voltage of the power amplifier was fixed and the frequency was changed, the sound pressure level of the secondary wave was almost constant. Also, even if the secondary wave sound pressure is measured, the level of the audio signal always changes,
In reality, it is difficult to judge whether the secondary wave sound pressure is constant. Therefore, it is possible to realize driving at a sufficiently optimum frequency by the above method.

実施例 以下本発明の実施例について第1図と共に説明する。第
1図は本発明の一実施例におけるパラメトリックスピー
カの構成を示すものであるが、第5図に示す従来例にお
いて超音波振動子1,超音波源2,変調器4,パワーアンプ6
は、同実施例のものと同じであるから、本実施例では、
第1図には駆動部のみを示す。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 shows the configuration of a parametric speaker in one embodiment of the present invention. In the conventional example shown in FIG. 5, the ultrasonic transducer 1, the ultrasonic source 2, the modulator 4, and the power amplifier 6 are used.
Is the same as that of the embodiment, so in this embodiment,
FIG. 1 shows only the drive unit.

第1図において、R1,R2は超音波振動子1のインピーダ
ンスに比べて十分大きく、R3は十分小さな抵抗であり、
超音波振動子1への入力電圧及び電流を測定する。それ
らの出力を乗算器9に入力し電力を求める。次に乗算器
9の出力を搬送波周波数制御器(以下制御器と称す)10
に入力する。制御器10ではまず乗算器9の出力を、乗算
器9のメモリに記憶された基準値と比較し、小さい方の
値を新たにメモリに格納すると共に、正又は負のパルス
を搬送波発振器5に送る。搬送波発振器5の発振周波数
は、正又は負のパルスがはいるごとに、±0.1KHzずつ標
化するようになっている。
In FIG. 1, R 1 and R 2 are sufficiently larger than the impedance of the ultrasonic transducer 1, and R 3 is a sufficiently small resistance.
The input voltage and current to the ultrasonic transducer 1 are measured. These outputs are input to the multiplier 9 to obtain electric power. Next, the output of the multiplier 9 is the carrier frequency controller (hereinafter referred to as controller) 10
To enter. In the controller 10, first, the output of the multiplier 9 is compared with the reference value stored in the memory of the multiplier 9, the smaller value is newly stored in the memory, and the positive or negative pulse is sent to the carrier oscillator 5. send. The oscillation frequency of the carrier wave oscillator 5 is adapted to be ± 0.1 KHz each time a positive or negative pulse is applied.

本実施例では、以上のプロセスを繰り返すことにより、
常に最も効率のよい周波数で駆動することが可能とな
る。先にも述べたように最適周波数は温度によって大き
く影響を受るため、増幅器の増幅度を変えるなどによっ
て超音波振動子1の温度が変わると、±1KHz程度も変化
するが、このような構成によれば増幅度を変化させても
常に最適周波数で駆動できる。
In this embodiment, by repeating the above process,
It is always possible to drive at the most efficient frequency. As described above, the optimum frequency is greatly affected by temperature, so if the temperature of the ultrasonic transducer 1 changes due to changes in the amplification factor of the amplifier, ± 1 KHz changes, but such a configuration According to the method, it is possible to always drive at the optimum frequency even if the amplification degree is changed.

発明の効果 以上のように本発明は、超音波振動子への入力電力が最
小となるように発振周波数を設定できる制御器を設けた
ことにより、常に電気音響変換効率が最大の状態で駆動
できるパラメトリックスピーカを実現できる。その結果
アンプは従来に比べ小出力のもので済み安価となる。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, according to the present invention, by providing the controller capable of setting the oscillation frequency so that the input power to the ultrasonic transducer is minimized, the electroacoustic conversion efficiency can be always driven in the maximum state. A parametric speaker can be realized. As a result, the amplifier can be cheaper and cheaper than the conventional one.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例におけるパラメトリックスピ
ーカの構成を示すブロック図、第2図は超音波振動子の
音圧周波数とインピーダンスとの関係を示す特性図、第
3図は超音波振動子の駆動周波数と入力電圧,電流,電
力の関係を示す特性図、第4図は入力によるインピーダ
ンスの違いを示す特性図、第5図は従来のパラメトリッ
クスピーカの構成を示すブロック図である。 1……超音波振動子、2……超音波源、3……音声信号
源、4……変調器、5……搬送波発振器、6……パワー
アンプ、7……音響フィルタ、8……受聴者、9……乗
算器、10……制御器。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a parametric speaker in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between sound pressure frequency and impedance of an ultrasonic transducer, and FIG. 3 is an ultrasonic transducer. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the driving frequency and input voltage, current and power, FIG. 4 is a characteristic diagram showing the difference in impedance due to input, and FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a conventional parametric speaker. 1 ... Ultrasonic transducer, 2 ... Ultrasonic source, 3 ... Audio signal source, 4 ... Modulator, 5 ... Carrier oscillator, 6 ... Power amplifier, 7 ... Acoustic filter, 8 ... Reception Listener, 9 ... Multiplier, 10 ... Controller.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】音声信号源と、超音波帯の搬送波発振器
と、前記搬送波発振器の出力を前記音声信号源の出力で
変調するための変調器と、前記変調器の出力によって駆
動され被変調超音波を空中に放射し、空気の非線形性に
よって音声信号を再生させるための1個又は複数個の超
音波振動子からなる超音波源と、前記超音波源への入力
電力を測定する電力計と、前記電力計の出力が最低とな
るように前記搬送波発振器の搬送波周波数を制御する制
御器とを具備してなるパラメトリックスピーカ。
1. An audio signal source, an ultrasonic wave carrier oscillator, a modulator for modulating the output of the carrier oscillator with the output of the audio signal source, and a modulated super-wave driven by the output of the modulator. An ultrasonic source comprising one or a plurality of ultrasonic transducers for radiating sound waves into the air and reproducing an audio signal due to the non-linearity of air, and a power meter for measuring the input power to the ultrasonic source. And a controller for controlling the carrier frequency of the carrier oscillator so that the output of the power meter becomes minimum.
JP13338586A 1986-06-09 1986-06-09 Parametric speaker Expired - Lifetime JPH06106000B2 (en)

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JPS62289095A JPS62289095A (en) 1987-12-15
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CA2414491A1 (en) * 2000-07-11 2002-01-17 American Technology Corporation Power amplification for parametric loudspeakers
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