JPS58119293A - 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】 本発明は可聴周波数帯の電気信号を音響信号として空中
に放射するだめの電気音響変換装置に関するものである
。

現在、電気音響エネルギー変換器としては、動電形直接
放射スピーカとホーンロードスピーカが主流である。い
ずれにおいても、空気と接する弾性振動板を機械的に振
動させる事により音波を発生させる装置である。これら
の装置が有する共通の欠点は広いオーディオ周波数帯で
使用しようとすると、弾性振動板の機械的な多重分割共
振により、得られる音圧の周波数特性には鋭い共振峰が
生じる。この共振峰のＱを低下させるために弾性振動板
の内部損失を増大させる様な材料学的な配慮が必要であ
る。

更に、弾性振動板の一様な振動状態を保持させようとす
ると、可聴周波数帯を複数個の帯域に分割し、各々の帯
域に専用のスピーカを配する必要があった。いずれの技
術を用いても、現時点ては可聴周波数帯の低域から高域
までフラットなまたは清めらかな周波数特性を得る事は
困難である。

本発明は、可聴周波数帯の広帯域に亘って、滑らかな周
波数特性を有する電気音響変換装置を得る事を目的とし
、このため従来のスピーカ等の音響変換器とは全く異る
手段、つまり空気の非線形による有限振幅音波のパラメ
トリック作用を利用するものである。

媒質中での音波の伝播は線形な波動方程式で記述されて
いるが、これは音圧変動が無限小の場合を仮定しており
、この場合のみ有効な方程式である。音波の音圧変動の
振幅が次第に大きくなり、無限小とは考える事が出来ず
、有限な振幅を有する音波と考えられる場合には、伝播
媒質は非線形性を表わし、音波の伝播を記述する波動方
程式も非線形な方程式となる。この様な有限振幅音波は
非線形性を有するが故に、線形波動伝播特性からは想像
出来ない種々の挙動を示す。

種々の非線形効果の内でバラン）　ＩＪツク作用として
知られている現象がある。

これは水中で周波数のわづかに異る２つの有限振幅超音
波ビームを同軸上に重ねて放射した場合、水の非線形性
により、２つの超音波の差と和の周波数を有する音波が
発生する現象である。この場合、発生した音波は、メイ
ンｔｉ−ムと同等の指向性パターンを有するのが特徴で
ある。

この現象は水中での超指向性長距離用ソナーに適用する
研究がなされている。

本発明は音波のパラメトリック作用に着目し、弾性振動
板を直接オーディオ信号で振動させる事なく空気中を伝
播する有限振幅音波の非線形作用を利用して可聴音の発
生を得んとするものである。

今、空気中を進行する有限振幅超音波のエンベロープに
時間的変化がある場合には、非線形効果による自己検波
作用が生じ、エンベロープ成分の発生が予想される。以
下、この件について数学的解析手段により現象を説明す
る。

超音波振動子に式（１）に示すようなＡＭ波電圧を印加
する。

ひ＝　ｖ、（１＋　ｍ　−ｇ（ｔ）　）　ＣＯ８ω、ｊ
　　　　　　（１）ここで、ｇ（ｔ）：オーディオ信号
、ωＯ：超音波領域の角周波数。

ここで、振動子からは有限振幅の超音波平面波ビームが
発生するものとし、ビームの半径を↓とする。！、たビ
ームにそってχ軸を考え振動子面上でχ−ＳＯとすると
振動子からは（１）式で表わされた有限振幅超音波が第
１図に示す様に放射されることになる。

今、χ点での進行波の音圧Ｐは Ｐ＝Ｐ、（１４ｍ−ｇ（ｔ−ｉｌｅ　”　ｃｏｓ（ω、
ｔ−４ｚ）　（２）ここで、Ｃ０：音速、α：角周波数
ω。の音波の減表係数、ｋｏ：ωＶ／Ｃ４、Ｐ、：　初
期音圧拳次に、ｇｔｍのビーム内の音場を求める。

完全流体を扱った流体力学における連続の方程式と運動
量の方程式をテンソル表示するとそれぞ（３）式におい
て、β：空気の密度、Ｖ、：速度テンソル、Ｔす：ひす
みテンソル。更にＴＬＪはＴＬｊ＝Ｐδｊ７　＋　１１
１ｈ１）；−ｐ　Ｃ：δＬ：Ｊ＜４）（４）式において
、δＬソノ：Ｋｒ０ｎｅＣｋｅｒのデルり関数０したが
って（３）式よりρに関する次式のごとき波動式（５）
の右辺を計算して、全体をオーディオ信号ただし、β：
空気の非線形ノ（ラメータ。

また［Ｉ’ｌ、はＰｌの内で変調信号に関与する成分を
表わす。式（６）の右辺は超音波の干渉によってメイン
ビーム中に生ずるオーディオ信号の仮想音源密度を表わ
し、左辺は、これによって生じるオーディオ音源の音圧
音場を表わしている。式（２）より［ｔ］５を計算する
と次式のごとくなる。

［Ｐｌ、　７　Ｐ’、（ｍ−ｇ（ｔ　−４；）　十−；
’ｍ’ｇ”（ｔ　−−））　ｅ　　　　’（７）ここに
おいて、ｍは変調の深さを表わすノくラメータでｍ〈１
でちる。今、ｍ（１が成り立つような浅い変調を考える
と、式（７）右辺の第２項は第１項に比べて十分小さく
なり無視出来る。

したがって、この場合には 式（８）を用いて、式（６）の波動方程式を解くとただ
し、】ｒ：観測点の位置ベクトル、＋ｔｒ’　　：音源
の位置ベクトル。

いま、超音波が円筒状のビームを形成していると仮定し
、遠方音場近似を用いて（９）式の積分を実ただし、ｒ
は振動子の中心から、軸上の観測点までの距離を表わす
。

式（１０）が非線形パラメトリック作用によって得られ
る復調音波の音圧を表わしている。

勿論、ビーム中にはこの外にもω０構成が存在し更に非
線形効果によって２ω。成分も発生する。しかし、ω・
を十分に高い周波数に設定しておけば、これ等の成分は
空気中での減衰が激しいために比較的早く消滅し、遠方
での音場としては式（１ｏ）で表わされる成分のみが現
れることになる。

ここでｐ５（ｔ）およびｇ　（ｔ）の７−リエ変換をそ
れぞれ次のごとく表わす。

Ｐｇ（ｔ）　＋−＋Ｐ　（ω）、ｇ（ｔ）−Ｇ（→式（
１０）の両辺をフーリエ変換すると々姶　−か Ｐ　（（ｃｌ）　＝−ω”ｅＧ（（’））　　　　　　
　（１１）式（１１）はω１に比例している事が認めら
れる。

したがって、もし超音波振幅動子の周波数特性が必要帯
域内で平担であると仮定するならばオーディオ信号の忠
実再生のためには振幅変調をおこなう以前に変調信号を
予め１／ω１のイコライザー（例えば−１２ｄｌｏ　ｃ
　ｔに相当するイコライザー）に通す必要がある。

この場合、パランｌ−ＩＪツク作用により、空中にで示
される。

本発明の構成を第２図に示す。

ｆ、＝１．ｏ　　のときｍ　＝　Ｑ、０５”Ｋ調整する
と１７　♂のイコライザーにより、Ｊｓ＝　２２ｏＨｚ
のときｍ　＝　１（１００％変調）となるので、周波数
特性の平担特性の下限は２２ｏ’Ｎ”ｚとなる。振動子
アレーの半径を艮−１０′ｃ″ＷＬとし、これより２跣
離れた軸上の点でのオーディオ音波の音圧を初期音圧ｐ
、をパラメータとして計算した結果を表−１に示す。

計算に当って、式（１２）の各パラメータの値を次の様
に決めた。

β＝１，２、Ｊ％＝　１．２　ｋｇ／ｍ％、Ｃｏ：３４
０ｍ／Ｓ　％α＝０．１９ｎｅｐｅｒ／ｍ　、　ｍ　＝
　０．０５　（＝ＩＫＨ２のとき）、γ＝　２．ｏ％表
−１ したがって、この場合には、実用的になる程度の音圧を
得るためには、初期音圧として１５０〜１６０″！Ｆ３
が必要である。

次に変調信号を正弦波とした時の第２高調波ひずみ率に
ついて計算する。

ｇ（ｔ）＝　ｃｏｓ〜ｔとすると、得られる信号音圧は
式１式％） 一方、第２高調波成分（パラメトリック作用によって発
生する）の音圧は式（７）、　　（１０）よりｌｃ　ｏ
　８２　ω、ｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　（
１４）したがって、第２高調波ひずみ率は 表−２ イコライザーの周波数特性を（糟に示す。更にこの場合
のスピーカの周波数特性を第４図に示す。

式（１２）を検討すると、音圧殉はプログラムソースの
オーディオ信号に比例している。更に比例係数にはωが
含まれないので、平担な周波数特性が得られることがわ
かる。

次に電気音響変換器の一実施例について説明する。

第５図に示すごとく電気音響変換器への入力信号は角周
波ω、を中心として±１５１ｉ１．ｌ乙つまり３ｏＭｌ
の帯域幅を有している。したがって電気信号を音響信号
に変換する電気音響変換器においてもωｌを中心周波数
としてａｏｋｇｆの帯域幅が要求される。

パラメトリック・スピーカ用の電気音響変換器としては
次の２点を満す必要がある。

（１）有限振幅レベルの超音波を発生する事。

（２）少なく共、３ｏＵ！ｉの帯域を有する事。

上記（１）の条件を満すためには、単一の振動子を用い
るよりも、第Ｃ図に示す様に複数の振動子をアレー状に
配置して用いた方が有利である事が既に知られている。

更に超音波の周波数が高くなると、電気音響変換能率が
低下し、また空気中での減衰も激しくなるので、ω、と
しては余り高い周波数は望ましくない。

次に上記（２）の条件を満すことを考える。

一般に超音波振動子のＱは相当に高いので、帯域幅を確
保するためには、出来るだけωＩを高く選んだ方が有利
である。

したがって、上記条件（１）（２）はお互いに矛盾する
ことが解る。この矛盾を解決する一方法として比較的低
いω１を選び、アレーを構成している各振動子の共振周
波数を適当に異なる周波数に設定し、各振動子を並列駆
動した時、変換器全体として第１図に示すように各振動
子の周波数帯域がスタガ事　。

一状につながり、全体として必要帯域を力・・−する様
にすればよい。

例えば仮りに、Ｊｌ（−ω〆２）をｘｏｏｔ；ｓＱとす
ると振動子アレーとしてはＢ５！ｅ＃Ａから１１ｓｆＨ
ｚまでを少なくともカバーしなくてはならない。今、振
動子のＱを５０前後と仮定し、１００　＃？ｚ臀近にお
いては３低下点での帯域幅をｚｋＨ乏と考え、各振動子
は相隣接する振動子と＾下点で相変わる様に設定すると
各振動子間の中心周波数の差は４廟乏とななシ、３０１
？＃、Ｑ帯域幅を確保するには約８個の振動子が必要で
ある。

上記の様に比較的低い超音波を用いても必要帯域が確保
出来るので、広帯域有限振幅波を放射しやすくパラメト
リックスピーカの実現が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動子より有限振幅の超音波が放射され、平面
波として伝播していく様子を示す。 第２図は本発明の一構成図である。 第３図は本発明の一実施例に用いられるイコライザーの
周波数特性を示す。 第４図は本発明の一実施例の音量出力である音圧周波数
特性を示す。 第５図は本発明の一実施例の変調された信号の周波数ス
ペクトラムを示す。 第６図は振動子をアレー状に配置する一実施例を示す。 第７図は９第６図の各振動子の周波数特性をスタガー状
に結合して広帯域な特性を得ることを示す図である。 １は超音波振動子、２はビーム、３はプログラムソース
、４はイコライザー、５は発振器、６は振幅変調器、７
はパワーアンプ、８は振動子アレーである。 第１図 第２ｒ！！１ １２０Ｈ＠　　　　　　ＩにＨＩＬ 闇液数

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　プログラムソースからのオーディオ信号でオ
   ーディオ信号周波数帯よりも十分高い周波数をキャリア
   として振幅変調する変調器と、該変調器によって変調さ
   れた信号を電気−音響変換する超音波振動子とを有し、
   有限振幅超音波を空気中に放射し非線形特性によるパラ
   メトリック作用によりオーディオ信号を得ることを特徴
   とする電気音響変換装置。
2. （２）　　オーディオ信号の周波数特性をイコライザー
   を通した後、該振幅変調器に入力することを特徴とする
   特許請求範囲第（１）項の電気音響変換装置。
3. （３）超音波振動子を複数個配置し、超音波出力周波数
   特性をスタガー状に結合して成る振動子アレーを具備し
   たことを特徴とする特許請求範囲第（１）項または第（
   ２）項の電気音響変換装置。