JPWO2003064982A1 - 音・振動の共鳴分離装置 - Google Patents

Abstract

複数のピアノ線などの振動子を剛体に固定し、様々な周波数を含む音や振動を即座に共鳴分離させ目に見えるようにする音・振動の共鳴分離装置である。表現を変えればフーリエ変換を瞬時に実行する聴覚のモデルとなる装置でもある。第２図において１から２０までは様々な固有振動を持った振動子である。第４図において音を電気信号に変換するマイクから装置本体に入力すると、電子回路２８によって増幅・制御され振動変換装置であるスピーカー２４に出力され、音は増幅された縦振動となり、剛体２１を縦の方向に振動させる。その振動は剛体に固定された固有振動を持つ振動子１〜２０に伝わり、その振動の周波数に応じた振動子だけが振動する。ボリュームつまみ２５は振動の大きさを調節するためにある。周波数制御つまみはｓｉｎｅ波の発信周波数をコントロールする。

Description

技術分野
本発明は音声・音楽・騒音などの振動を共鳴分離し、音に含まれるいくつもの振動を目視により多数の振動数帯域の振動成分を直接検知する装置の作成と利用法に関する。
背景技術
「片持はり」に振動を共鳴させることは物理や工学上では基礎的な理論として完成されているものである。本装置はこの知見を応用し、人の音声の帯域に当たる１００Ｈｚ〜１３００Ｈｚ、またはそれ以上の周波数の共鳴振動子をいくつも備え、人の声、音楽、騒音などを共鳴分離させ直接、振動成分に分け検知する装置に発展させたものである。
「音」を周波数分離することは、フーリエ変換によってコンピュータで計算させることや共振回路やフィルタ回路の電子回路によって成分ごとに分け、それをディスプレイやインジケータで表示させることで行われている。しかし、それは計算または電子回路による方法である。
本発明は、人が直接振動現象を感じることのできる「音」・「振動」を周波数成分に分離する直接的な方法であり、伝わってくる音の振動を瞬時に分離する。その分離の結果は人の聴覚で行われる結果と同様である。音の成分分離の基本的な結果が人の聴覚と同じであることから、この方法の結果を、デジタル信号として処理することは聴覚器官として利用できる。また、振動受信部が直接振動する様子が見える装置は、人間の生活が「音」や「振動」に取り巻かれているため、教育的・情意的な面での新しい利用が考えられる。
振動共鳴器の理論はいわゆる「片持はり」の振動理論として物理や振動工学の分野で明らかになっている。理論のとおりに、音の周波数分離の現象を実際の装置で目に見えるようにするため、振動共鳴受信器を作成し実測した。ピアノ線の長さと共鳴振動の実測値の関係を回帰分析し、グラフ化すると直線になり理論のとおりである。ピアノ線を剛体に固定し装置から振動を与え、共鳴振動数を記録する。この基礎的データの解析をすると、その回帰分析からその素材に応じた振動子の共鳴周波数と振動子の長さの関係が計算される。
結果を第１図にまとめた、第１図には、０．５ｍｍと１．０ｍｍのピアノ線および０．０５ｍｍブラシ繊維１．５ｍｍ蛍光ファイバー０．５ｍｍの光ファイバーの計算データを含んでいる。０．３ｍｍピアノ線については純正律の音階の周波数データと振動子の長さの計算結果のデータも付加した。なお、ピアノ線はＪＩＳＧ３５２２を使用した。また、このピアノ線のかわりに０．００８ｍｍステンレス線に変えて測定すると、１３００Ｈｚ以上の共鳴振動数を計測できる。
発明の開示
これらの振動子に振動を伝える剛体としては、例えば木や樹脂の棒を利用する。簡易に作成するには市販のストローでもよい。これらの剛体にピアノ線を固定する穴を等間隔に空ける。この等間隔の穴にピアノ線を長さの順にはめ込み樹脂で固定し振動受信器とする。
普通の音のエネルギーはこの振動受信共鳴器の振動子を十分に共鳴させるほど大きくない。そのため、音圧を受け振動を振動受信共鳴器に伝える途中に振動を増幅する装置を付加する。音はマイクから入力され増幅・制御する回路を経て振動変換装置（スピーカー）から振動受信共鳴器に伝える。
振動子の一般的な振動の感度はその振動帯域によって異なる。低音であれば振動子の共鳴感度は、例えば０．３ｍｍの径のピアノ線の固有振動数が３０Ｈｚとすると、その前後１Ｈｚまで振動するが、より高音の４００Ｈｚではその前後５〜１０Ｈｚまで共鳴振動する。このように振動帯域によって共鳴振動の感度の幅が異なることを考慮して、振動子の共鳴周波数を設定する。特に、低振動で振動子はよく共鳴し大きく振動しやすいが、高音になるほど振動子の長さは短くなり、目に見えるレベルで振動することが難しくなるためより細い振動子を使用する。
発明を実施するための最良の形態
第２図は音共鳴分離装置本体の立体図である。振動子１から２０までは様々な固有振動を持った振動子である。音の振動はマイクから電気信号に変換され、マイク入力端子２７から装置に入力すると、電子回路２８によって増幅制御される。さらに電気信号は振動発生装置（スピーカー）２４に出力され、音の振動は増幅された縦振動となり、剛体２１を縦の方向に振動させる。その振動は剛体に固定された固有振動を持つ振動子１〜２０に伝わり、その振動の周波数に応じた振動子だけが振動する。ボリュームつまみ２５は振動の大きさを調節するためにある。また周波数制御つまみはｓｉｎｅ波の発信周波数をコントロールする。
第３図は複数の共鳴振動子からなるスピーカーに接合された共鳴分離器の立体図である。その材質のヤング率・断面積・長さ・線相度によって固有振動数は異なる。例えば第１図の表の値を利用し５０Ｈｚから２５．０Ｈｚまで１０Ｈｚ毎に２０本の振動子を剛体２１に固定する。この剛体２１は軽く丈夫な材質がよい。
振動発生装置であるスピーカーの振動中心には、直接振動共鳴器を固定する。固定の方法は、スピーカーであれば振動中心に固定台２３を接着する。加重やその他の力の負荷が小くなるように工夫し、振動が伝わっても摩擦ではずれたり倒れないように振動共鳴器の剛体部分を固定台２３と接合する。
遠くからも見えるような大型の振動子の場合は、スピーカーなどの振動発生装置本体に振動子の加重が負荷しすぎないように上から吊るなどし、振動本体との接合部分をより強固に接着あるいは固定する。この装置は音の共鳴振動を見るために作成するのであるから、多くの場合音量を抑える必要がある。その場合は、スピーカーの例ではコーンの一部を切り取る。
第４図は電子回路のブロック図である。上の点線で囲まれた本体のブロック図３２は第２図の電子回路の２８のさらに具体的なブロック図である。もう一方の点線で囲まれた無線入出力のブロック図３９には、後述するような利用法も考慮して、遠方からの音の入力のため、ＦＭ発信器４０とＦＭ受信器４１の回路も図示した。（ラジオやテレビ等の出力を本体のマイク端子につなげることと同様である。）また、前述したように低振動では振動子は大きく振れるが振動の感度の幅が小さく、高音域では共鳴振動の感度の幅は大きいが振れの大きさが目に見えにくいということを考慮し、必要に応じて入力信号の制御・増幅回路３８に機能を付加する必要がある。実験用で精度を必要とする用途のためｓｉｎｅカーブ出力用の低周波発信器３６、３７を回路に加えた。（ただし発信器は外部装置でも代用できる）音声入力用のマイクは３３、３４であり３３は必ず必要である。
第５図は振動子を装飾用のために加工した共鳴器であり、第６図はその立体図である。第７図は圧電素子などの振動子を使用し、振動数に応じて電圧を発生する振動子で作成した例である。そして第８図は人間の聴覚器と同様の情報を得るように作動するときの電子回路ブロック図である。
産業上の利用可能性
本発明は音の刺激を瞬時に多くの周波数成分に分け、分離された成分を同時に目視できる装置である。以下に記載するような効果を奏する。
（１）物理分野 「波動」の学習教材として。
（２）生物分野 「聴覚」の学習教材として。
（３）数学分野 フーリエ変換の実際のモデルとして
（４）幼児教育分野 子どもが自ら発する音や声に反応する玩具として
（５）障害児教育分野 聴覚や発声器官に傷害がある人の聴覚の理解と発声練習の導入機器として
（６）音響分野 音の反応を見て楽しむオーディオ機器の副装品あるいは室内装飾品として
（７）人工聴覚器 フーリエ変換の結果を瞬時に、連続して得ることができる人工聴覚器として
さらにＦＭ電波で音の信号を遠方から送信する工夫により、上記の使用効果を高めることができると考える。
【図面の簡単な説明】
第２図は装置本体の立体図である。第３図はスピーカーと固定台に接合した振動共鳴器の立体図である。第４図は電子回路のブロック図である。第５図は振動子の別の付き方の例で、黒アゲハの形をしたものである。第６図は第５図の振動子を実際に固定した時の立体図である。第７図は振動子を電気信号に変換するため圧電素子で作成した例である。第８図はコンピュータが音を関知するための人工聴覚器のブロック図である。

Claims (3)

1. 剛体と複数の弾性体の振動子から構成され、伝えられた振動がそれぞれの振動子と共鳴することにより周波数成分に分離する振動共鳴器。
2. 音声・音楽・騒音などの振動を電気信号に変換し、特定の帯域を増幅し制御・調整する部分を備え、その制御された電気信号を剛体の振動に伝え、その剛体から振動を受ける複数の弾性体の振動子が、音や振動を周波数に応じて共鳴することにより、目に見える振動に分離する振動共鳴分離装置。
3. 剛体と複数の弾性体の振動子から構成され、伝えられた振動がそれぞれの振動子と共鳴することにより周波数成分に分離する振動共鳴器の、それぞれの共鳴振動子からの振動によるひずみを電気信号に変換し、その信号を制御調整する電子回路を備えた、音の周波数成分検出装置。

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