JPS62200998A - パラメトリツクスピ−カ - 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 本発明は限定された受聴エリアにのみ音を拡声するため
の指向性スピーカシステムとして用いられるパラメトリ
ックスピーカに関するものである。

従来の技術 従来より、音の指向性を鋭くして限定された範囲にだけ
聞こえるようにしたいと言う要求は、展示会での出品物
の説明などをはじめとして極めて強いものがあった。こ
のような用途には従来上としてホーンスピーカが用いら
れてきたが、ホーンスピーカを用いて音声帯域のような
低音まで指向性を鋭くするにはホーン長１口径が極めて
大きくなると言う欠点があった。

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（パラメトリックスピーカ）が従来よりもはるか
に鋭い指向性を実現できるところから注目されている。

まずはじめに、従来のパラメトリックスピーカについて
第１Ｑ図と共に説明する。

第１０図において、１は超音波発生器であり、音声信号
で変調された高周波（通常、２５〜８０匹が用いられ名
）で駆動される。次に駆動部について説明すると、７は
音声信号源、８は高周波発信器、９は変調器であり、音
声信号で変調された高周波信号は、パワーアンプ１０で
増幅され超音波発生器１を駆動する。超音波発生器１か
ら被変調超音波を有限振幅レベルで空中に発射すると空
気の非線形性によって超音波が非線形相互作用を起こし
空中で鋭い指向性を有する元の音声信号が発生する。こ
こで空中に発射された被変調超音波のことを１次波、そ
の非線形相互作用によって生じた音声信号のことを２次
波と言う。

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
への変換効率が低いために実用レベルの２次波音圧を得
るためには１３０〜１５０ｄＢ程度と言う高い１次波音
圧を必要とする。そのためパラメトリックスピーカの実
用化に際しては受聴者を強力な超音波から保護するため
に１次波から２次波が発生する空間（パラメトリックア
レイ）を密閉したり、超音波発生器と受聴者の間に超音
波を遮断するための音響フィルタ４を設けている（例え
ば特開昭５８−１１９２９３号公報）。

発明が解決しようとする問題点 しかしながらパラメトリックアレイを密閉するとパラメ
トリックスピーカの特長である鋭い指向性が損なわれる
。例えば第１１図に示すように直径１６αの超音波発生
器１に直径１８　ｃｍ　、長さ１ｍの鉄バイブ１１を取
りつけパイプの先端に１次波（４０ｋＨｚ）を約ａ　ｏ
　ｄＢ減衰させ、２次波（１ｋ）ｈ）を約４ｄＢ　　し
か減衰させない音響フィルタ４を設置したところ１ｋＨ
ｘの指向特性は第２図の破線ａで示す特性になった。な
お、指向特性は音響フィルタ４から軸上１ｍの位置にお
かれたマイクロホン６をＸ方向に移動させて測定したも
のである。

−見して第２図の実線すで示す鉄パイプを取りつけてい
ない時の特性に比べ指向性が著るしく広くなっているこ
とがわかる。

次に鉄パイプで密閉するかわりに音響フィルタだけを設
置した場合であるが超音波の指向性は鋭いとは言え、第
１２図の実線ａで示す特性のように、サイドロープのレ
ベルはなお１１０〜１２０ｄＢ程度ありミこれを遮断す
るには極めて大きな音響フィルタが必要になり現実的で
ない。又音響フィルタ４が小さいと、１２０ｄＢ程度の
１次波が直接受聴者にあたることになる。このレベルは
人体にとって必ずしも安全とは言いがたい。

以上詳しく説明したように、従来の技術においては、指
向性を損うことなく受聴者の受ける１次波のレベルを十
分安全なレベル（１ｏｏｄＢ以下）に下げることは困難
であると言う問題点があった。

本発明は、２次波の指向性を損うことなく、１次波の音
圧レベルを減衰させることができるパラメトリックスピ
ーカを提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明のパラメトリック
スピーカは、超音波発生器と、前記超音波発生器から発
射される１次波の透過損失が大きく２次波の透過損失は
小なるような材質で作られた密閉用容器とから構成され
ている。

作　　用 本発明は上記の構成により、まず超音波発生器から強力
な被変調超音波が空中に発射され空気中で２次波が再生
される。十分な２次波の発生のためには通常少なくとも
数ｍの距離が必要とされるが実際には設置スペースの制
約などのために超音波発生器の前面の適当な大きさの空
間を容器でもって密閉し、１次波が外部へ漏れるのを防
いでいる。しかしながら、通常密閉容器の音軸上の付近
においては、１次波のレベルはまだ相自高いために密閉
容器には薄いプラスチックフィルムと発泡体を交互に重
ねたような積層構造体が多く用いられる。ここで密閉容
器の特性として１次波を遮断し２次波を殆んど遮断しな
い材質を使用すると２次波の指向特性に影響を与えずに
１次波を遮断できる。

次にこの点について更に詳しく説明すると、パラメトリ
ックスピーカにおいて２次波は１次波の非線形相互作用
によって生じる波形歪の結果として生成されるものであ
るから強力な１次波のないところでは２次波は発生しな
い。例えば第１３図において破線ａで囲まれた断回路だ
円形の空間でのみ２次波が廃止ずるとする。この空間の
一部を１次波を完全に遮断する理想的な密閉容器によっ
て鎖線すの様に断回路だ円形のふくらみ部を切削するよ
うに断面長方形状に密閉したとすると、２次波の発生す
る空間はこの密閉空間内に限定される。しかるに密閉空
間の大きさが２次波発生領域の大半をカバーしておれば
密閉空間の有無に拘らず発生する２次波のエネルギーに
ほとんど変化はなく、従って、もし密閉容器が２次波の
周波数に対して全く減衰がないとすれば、容器外の空間
の各点における２次波の音圧レベルにも変化がなく、そ
の結果指向性にも変化はない。

次に密閉容器が２次波を遮断するものとすると容器外に
２次波が出ないことになるが密閉容器の内、第１１図の
様に音軸上付近の受聴エリア部だけが２次波を透過させ
る音響フィルタであり側壁部は２次波を遮断するような
ものである。この場合、容器内で発生する２次波のエネ
ルギーには変化はないが、密閉容器が２次波に対して遮
音性であるため発生した２次波は容器の壁面で反射を繰
り返し最後に音響フィルタを通して空間へ放射される。

このため鉄パイプを側壁に用いた場合のようにパラメト
リックスピーカの特長である指向性の鋭さが損われるわ
けである。

本発明は密閉容器の側壁に１次波は遮断するが２次波に
対しては殆んど透過損失のない材料を用いることによっ
て２次波の指向特性に影響を与えずに１次波を遮蔽でき
るものである。

実施例 以下本発明の一実施例について図面を参照口ながら説明
する。

第１図は本発明の第１の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。尚、駆動部の基本構
成については第１０図に示す従来例と同じであるので省
略する。

第１図において、超音波発生器１は圧電セラミック超音
波振動子を１９０ケ略円形に並べたもので直径は約１６
ｃｒｎ、駆動周波数は４０％である。

これに側壁として直径が約１８ｃｒｎ、長さ１ｒｒＬの
パンチングメタルのパイプ２を取付け、更に外側に種々
の密閉用材料で形成された密閉用側壁３を巻きつけてい
る。又、パイプ先端には１６鵡厚の発泡ウレタンと２０
μｍ厚のポリエチレンフィルムとを交互に５層重ねた音
響フィルタ４を設置している。

次に上記構成によるパラメトリックスピーカの指向特性
について説明する。指向特性は音軸上、パイプ先端から
１ｒｒＬＯ所に設けたマイクロホン６を音軸と直角方向
に（Ｘ方向に）水平に移動させて測定している。その結
果の一例を第２図に示す。

音軸上に音響フィルタ４を設置するとパラメトリックア
レイが短かくなったことに相当するため設置しない場合
に比べ２次波音圧レベルの低下を招いたり指向特性の鋭
さを損なったりするが、これは音響フィルタの設置位置
を遠くすることにより原理的に解決できる。パンチング
メタルパイプ２を設置したことによる指向性の変化は殆
んどなく、第２図における指向性の差は密閉用材料の差
によるものとみなすことができる。即ち、第２図におい
て、ｂは発泡ウレタンとポリエチレンフィルムを重ねた
材料を用いた時の指向特性を示し、指向特性すはパンチ
ングメタルのみを用いた時の指向特性Ｃよりもむしろ指
向性が鋭くなっているのに対し、ポリ塩化ビニルの１０
０μｍのフィルムを用いた時の指向特性ｄは明らかに指
向性が損なわれている。

そこで、密閉容器の側壁の材料の検討を行なうため種々
の材料の音響透過損失の測定結果を第９図に示す。０内
の数字は材料の厚みを示し、単位は（μｍ）である。一
般的に１次波の透過損失が大きな材料程２次波の透過損
失も大きくなる傾向にあるが、単層のフィルムや発泡ウ
レタンよりもそれらを積層したものの方が１次波の透過
損失は大きく２次波の透過損失は小さいものが実現でき
ることがわかる。これらの材料について２次波の指向性
と２次波透過損失について詳細な特性を第３図に示す。

第３図において、指向特性はＸ＝１７７１の位置におけ
る音圧レベルの減衰量で示している。

その結果２次波減衰量が１ｄＢ以下では指向特性の変化
はほとんどなく、むしろ鋭くなる場合もありうるが、減
資量が２　ｄＢを越えると急速に指向特性が損なわれる
。又いずれの場合も１次波は密閉容器を設けない時は最
大１４０ｄＢ程度であったものが第１２図のｂに示すよ
うに１００ｄＢ程度にまで減衰する。従って側壁の２次
波透過損失は多くても３　ｄＢ以下である必要があると
言える。

以上のように本実施例によれば、指向特性を損うことな
く１次波のレベルを大幅に減衰させることができ受聴者
の安全を確保することができる。

なお本実施例では、受聴点を音響フィルタから１ｍと近
くに設定したため音響フィルタの１次波透過損失は側壁
よりも大きなものを用いたが、受聴点が遠く、１次波が
十分に減衰することが認められる場合には、側壁と同じ
ものを用いても差支えない。

次に本発明の第２の実施例について第４図と共に説明す
る。第４図において、１は第１の実施例と同じ構成の超
音波振動子を用いて作られた６０の×２５ｍの超音波発
生器であり、２〜４はそれぞれ第１の実施例と同様の材
料で構成され九ノくンチングメタル、密閉用側壁及び音
響フィルタで音響フィルタ４は密閉用側壁３．パンチン
グメタル２の先端の延長線上に設けられている。６は容
器内で発生した２次波を音響フィルタ４の方向に反射さ
せるだめの反射板である。

パラメトリックスピーカは２次波の発生のためにかなり
大きな空間を必要とするために、設置場所に制約を受け
る場合が多かったが、反射板６を用いることにより設置
に伴う自由度が飛躍的に太きくなり第５図に示すように
天井２１から床２２までの高さの低い一般のフロアにお
いても、受聴者２３が受聴可能なようにパラメトリック
スピーカ２４を設置することができる。

次に本発明の第３の実施例について第６図と共”に説明
する。第６図において、基本的な構造は第１の実施例と
同じであるが側壁の断面が距離と共に大きくなっている
点が異なっている。

一般に音は距離と共に拡がるためパラメトリックアレイ
の形状も第１３図の破線で示したように距離と共に広が
る。ところが第１の実施例において音響フィル）４は１
次波を約４０　ｄＢ減衰させるが密閉容器の材料は１５
〜２ｏｄＢｌ、か減衰させない。そのためＸ軸上で測定
した１次波の音圧レベルは第７図の特性すのようになり
、矢印Ａで示す特性の近傍に盛り上がりを生ずる。これ
は密閉容器のＢの部分においては１次波の遮断性能が不
足するためである。

そこで、本実施例においては、側壁の断面積を距離と共
に太きくし音響フィルタを側壁の開口部に対応して大き
くしだために１次波の音圧レベルは第７図の特性Ｃのよ
うになり特性上盛り上がりもなく、全体として一層１次
波を減衰させることができ安全性が向上するものである
。

なお、側壁の断面積を変化するかわりに、第８°図に示
すように円筒形の側壁の先端部近傍Ｂの材質を変え１次
波の透過損失のより大きな材料で構成することによって
も同等の効果を得ることができるものである。又、以上
の実施例において２次波透過損失は１匹を例にして説明
したが、パラメトリックスピーカでは、原理上特に１ｋ
Ｈｚ以下の音圧レベルと指向性が問題となるため１ｋｌ
（Ｚ以下の周波数において上記条件が満たされればよい
。

又、密閉容器の径が超音波発生器よりかなり大きいか、
密閉容器の径が長さに比して大きい、と言った場合には
、密閉容器の２次波透過損失が多少大きくても指向性（
毎える影響は小さくなるのは当然であるが、スピーカの
大きさは常に小形化が求められてｂす、従って大抵の場
合密閉容器の径は超音波発生器の径とほとんど等しくす
ることが要求されるため本発明は極めて効果の大きいも
のであると言うことができる。

また、側壁は厚さ１００μｍ以下の薄膜又はそれを空気
層を介して複数枚重ねたもので形成してもよく、空気層
は２次波透過損失の小さな多孔質体を用いて形成しても
よい。

発明の効果 以上のように本発明は超音波発生器と音響フィルタと１
次波を遮断し２次波を透過させる密閉用側壁とを設ける
ことによって２次波の指向性を損うことなく受聴者の受
ける１次波の音圧レベルを減衰させるこ゛とができるも
のであり、更に密閉用側壁の断面積を距離と共に大きく
したり、密閉用側壁の一部の材料を１次波の透過損失の
より大きい材料に変えることにより、一層１次波音圧レ
ベルを低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例におけるパラメトリック
スピーカの構成図、第２図は側壁の違いによる２次波指
向特性の差を示す特性図、第３図は側壁の材料の２次波
透過損失と２次波の指向性の関係を示す特性図、第４図
は本発明の第２の実施例の構成図、第５図は第２の実施
例のパラメトリックスピーカを天井に取りつけた場合の
構成図、第６図は本発明の第３の実施例の構成図、第７
図は側壁材料の１次波透過損失と１次波の指向性の関係
を示す特性図、第８図は側壁材料を部分によって変えた
場合を示す構成図、第９図は種々の側壁用の密閉材料の
１次波と２次波の透過損失の関係を示す特性図、第１０
図は従来のパラメトリックスピーカの構成図、第１１図
は側壁に鉄〕くイブを用いたパラメトリックスピーカの
構成図、第１２図は１次波の指向特性図、第１３図はパ
ラメトリックアレイと密閉すべき空間の関係を示す構成
図である。 １・・・・・・超音波発生器、２・・・・・・パンチン
グメタルパイプ、３・・・・・・密閉用側壁、４・・・
・・・音響フィルタ、６・・・・・・マイクロホン、６
・・・・・・反射板。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 −ｔ、ｏ　　　　　　−ａ、ｓ　　　　　　ｌ）　　　
　　　　ａ、ｓ　　　　　　ｔ、ｔｙ軸上からＱ距離χ
　（鑞２ 第３図 ； こ τ＼ 釉上Ｉ；対すＳ　２　”Ｘ　５＆ｔｊＥレヘ′ル’）＄
１量（Ｘ−１ｍ）（ｄＢ）第４図 第７図 第８図 β 第９図 Ｏｆ　　　　　２　　　　３４５６ ２ン欠う皮ｊツ警−喧ｉ二１ノ■しゴ大ミ（ｆＫＨｖ）
（ｄ−β）第１２図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）可聴周波で変調された超音波である１次波を有限
   振幅レベルで空中に放射し、パラメトリック効果によっ
   て可聴周波である２次波を再生するための超音波発生器
   と、前記超音波発生器から放射された１次波をとじ込め
   るための密閉容器とからなり、前記密閉容器が１次波の
   透過損失は大きく２次波の透過損失は小さくなるように
   形成したことを特徴とするパラメトリックスピーカ。
2. （２）密閉容器内部に２次波の進行方向を変えるための
   反射板を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のパラメトリックスピーカ。
3. （３）密閉容器が超音波発生器の音軸上に設けられた１
   次波を遮断するための音響フィルタと密閉用の側壁とか
   らなり前記側壁の２次波透過損失が３ｄＢ以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパラメトリ
   ックスピーカ。
4. （４）音響フィルタが反射板で反射された後の１次波及
   び２次波の主たる進行方向上に設けられたことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のパラメトリックスピー
   カ。
5. （５）側壁の断面積が超音波発生器からの距離とともに
   大きくなり、側壁と、音軸とのなす角度が超音波発生器
   から放射される１次波のメインローブを臨む角度に略等
   しいことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパラ
   メトリックスピーカ。
6. （６）側壁のうちで１次波のメインローブが直接入射す
   る部分の１次波透過損失を他の部分よりも大きくしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパラメトリ
   ックスピーカ。
7. （７）側壁が厚さ１００μｍ以下の薄膜又はそれを空気
   層を介して複数枚重ねたものからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のパラメトリックスピーカ。
8. （８）空気層が２次波透過損失の小さな多孔質体である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載のパラメト
   リックスピーカ。
9. （９）側壁の２次波透過損失が１ｋＨｚ以下の周波数に
   おいて３ｄＢ以下であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のパラメトリックスピーカ。