KR101181188B1 - 음향 재생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 음향 재생 장치는 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로 한다. 주파수에 대한 진동 변위의 변화율이 낮은 모드 결합의 주파수를 반송 신호로 함으로써, 가청 대역 신호원으로부터 출력된 가청 대역의 신호를 광폭의 주파수 대역에서 안정한 음압으로 복조, 재생가능하게 한다.

Description

음향 재생 장치{SOUND REPRODUCING APPARATUS}

본 발명은, 초음파 대역의 신호를 반송파로 하여 가청 대역의 신호를 변조하여 방사하고, 특정의 공간 범위에서 가청 대역의 음파가 재생가능한 높은 지향성을 갖는 음향 재생 장치에 관한 것이다.

보통의 음향 재생 장치는, 진동판을 통해서 직접 공기 등의 매체 중으로 가청 대역의 음파를 방사하고, 회절 효과에 의해 비교적 광범위하게 가청 대역의 음파를 전파시킬 수 있다.

이것에 대하여, 특정의 공간 범위에만 선택적으로 가청 대역의 음파를 전파시키기 위해서, 높은 지향성을 갖는 음향 재생 장치가 실용화되어 있다. 이 음향 재생 장치는, 일반적으로 초 지향성 스피커, 혹은 파라메트릭 스피커라고 불린다. 가청 대역의 신호를, 반송파로서 초음파 대역의 신호로 변조하고, 또한 특정의 배율로 증폭한 후, 이 변조된 신호를 초음파 진동자 등으로 이루어지는 방음부에 입력하고, 공기 등의 매체 중으로 초음파 대역의 음파로서 방사하는 것이다.

방음부로부터 방사된 음파는, 반송파인 초음파의 전파 특성에 의해, 높은 지향성을 갖고 매체를 전파한다. 또한, 초음파 대역의 음파가 매체 중을 전파하는 동안에, 매체의 비선형성에 의해, 가청 대역의 음파의 진폭이 축적적으로 증가함과 아울러, 초음파 대역의 음파가 매체에 의한 흡수나 구면 확산에 의해서 감쇠한다. 이 결과, 초음파 대역으로 변조된 가청 대역의 음파는, 매체의 비선형성에 의해 가청 대역의 음파로 자기 복조하고, 한정된 좁은 공간 범위에서만 가청 대역의 음파를 재생할 수 있다.

즉, 초 지향성 스피커는 음파가 전파하는 매체의 비선형성과, 초음파가 갖는 지향성의 높이를 이용한 것이다. 예컨대, 초 지향성 스피커를 미술관이나 박물관의 전시물의 설명용의 스피커로서 이용하면, 특정의 공간 범위 내에 존재하는 인물에만 가청 대역의 음파를 전할 수 있다.

상기의 음향 재생 장치는, 가능한 한 낮은 입력 전계에서 재생하는 가청 대역의 음파의 음압을 높이기 위해서, 압전체 등으로 이루어지는 초음파 진동자의 공진 모드를 여진시키는 공진 주파수 근방의 주파수를, 반송파의 주파수로서 이용한다. 이 공진 주파수의 근방에서는, 기계적 품질 계수(Qm)(압전체 등이 공진 진동을 일으킬 때의 공진 주파수 근방에 있어서의 기계적인 진동 변위의 급격도(sharpness)를 나타내는 정수)이 높고, 인가하는 교류 전계에 대하여 최대의 진동 변위를 얻을 수 있다.

츠네오 다나카, 미키로 이와사, 및 유이치 기무라 저 「파라메트릭 스피커의 실용화에 대하여」 일본 음향 학회 초음파 연구회 자료, US84-61,1984년(제 1 페이지 - 제 2 페이지, 제 1 도, 제 2 도)

그러나, 압전체나 그외 구성 요소의 형상, 치수나 지지 고정 방법 등의 구조적인 조건과, 압전체가 세라믹인 경우, 분극이나 소성 등의 공정에 의한 압전 정수나 탄성 정수 등의 재료 특성적인 조건에 의해, 초음파 진동자의 공진 주파수는 개체 사이에서 편차가 있다. 또한 기계적 품질 계수(Qm)도, 초음파 진동자 자체의 온도 변화나 공기 등의 매체에 의한 부하 변동에 의해 영향을 받기 때문에, 복수의 초음파 진동자에, 동일 주파수에서 동일 진폭의 전계를 인가하더라도, 초음파 진동자의 진동 진폭은 각각 다르기 때문에, 가청 대역의 신호를 복조, 재생시켰을 때에, 가청 대역의 신호의 주파수 대역에 의해서는 원하는 음압을 얻을 수 없다고 하는 과제가 있었다.

한편, 상기의 음향 재생 장치에 관한 선행 기술 문헌 정보로서 비특허문헌 1이 알려져 있다.

본 발명은, 가청 대역의 신호를 생성하는 가청 대역 신호원과, 반송파를 생성하는 반송파 발진기와, 가청 대역의 신호를 반송파로 변조하는 변조기와, 변조기로부터 출력된 신호가 입력되고 재생음을 초음파 진동자에 의해 출력하는 방음부를 적어도 구비한다. 방음부의 초음파 진동자는, 다른 주파수에서 진동 변위가 극대로 되는 복수의 공진 모드를 갖고, 복수의 공진 모드를 여진하는 주파수 사이에서 모드 결합한 진동을 여진할 수 있다. 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로 한다.

이것에 의해, 초음파 진동자의 제조 공정이나, 동작중인 부하 변동 등에 의해, 초음파 진동자의 공진 주파수가 변하게 되거나, 또는 변동한 경우이더라도, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 범위 내에서는, 초음파 진동자의 진동 진폭 변동이 적고 안정하다. 그 결과, 가청 대역의 음파를 자기 복조시켰을 때에, 광대역으로 또한 안정한 음압이 실현된다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 초음파 진동자의 단면도이다.
도 3은 종래의 압전체의 어드미턴스(admittance) 및 두께 방향의 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 압전체의 어드미턴스 및 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서 공진 주파수(f_m1)를 중심으로 한 특정의 주파수 대역을 반송파의 주파수로 한 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 압전체에 있어서, 직경 방향의 확대 진동의 공진 주파수와 두께 방향의 진동 변위의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 압전체의 기계적 품질 계수(Qm)에 대한 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서 진동 변위가 극소치(ξ_Lm)를 취하는 주파수(f_Lm)를 중심으로 한 특정의 주파수 대역을 반송파의 주파수로 한 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 1의 압전체에 있어서 치수비를 변화시킨 경우의, 어드미턴스가 극대치를 취하는 주파수와, 두께 방향의 진동 변위의 극소치의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 방음부의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 3개의 초음파 진동자의 압전체의 어드미턴스 및 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 3에 있어서의 초음파 진동자의 단면도이다.

(실시의 형태 1)

이하, 도면을 이용하여, 본 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치의 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치의 블록도이다. 도 1은 본 발명의 음향 재생 장치(1)의 구동부를 설명한다.

가청 대역 신호원(2)에서 생성한 가청 대역의 신호(주파수로서 대략 20 Hz ~ 20 kHz)와, 반송파 발진기(3)에서 생성한 반송파(대략 20 kHz 이상의 초음파)를 변조기(4)에 입력하여, 가청 대역의 신호를 반송파로 변조시킨다. 변조시킨 신호를 파워 앰프(5)로 증폭하여, 방음부(6)에 입력한다. 방음부(6)에 입력된 변조기(4)로부터의 신호는, 공기 등의 매체에 초음파로서 방사되고, 일정의 거리를 전파한 후, 반송파인 초음파 대역의 음파가 감쇠함과 아울러, 매체의 비선형성에 의해 가청 대역의 음파가 자기 복조한다.

이와 같이, 본 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치(1)에서는, 높은 지향성을 갖는 초음파를 반송파로서 이용하는 것으로, 매우 좁은 공간 범위에만 가청 대역의 음파를 재생할 수 있는 구성으로 되어 있다.

다음으로, 도 2를 이용하여 방음부(6)를 구성하는 초음파 진동자(7)에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 초음파 진동자(7)의 단면도이다.

초음파 진동자(7)는, 변조기(4)로부터의 신호가 입력되는 것에 의해, 압전체(8)를 진동시켜, 공기 등의 매체에 음파를 방사하는 부분이다. 압전체(8)는, 복합 페로브스카이트(perovskite)계 압전 재료(예컨대, PbTiO₃-ZrTiO₃-Pb(Mg_{1 /2} Nb_{1 /2}) TiO₃ 등의 3 성분계의 압전 세라믹 재료)로 이루어지는 원주 형상의 압전 세라믹이며, 도 2에 나타낸 바와 같이 음향 정합층(9)의 두께 방향의 한쪽의 면 상의 거의 중앙부에 배치되어 있다. 이 압전체(8)는, 그 두께를 L, 직경을 D로 하면, 치수비 L/D는 약 0.7이며, 두께 L 방향으로 분극되어 있다. 여기서, 압전체(8)는 복합 페로브스카이트계 압전 재료로 했지만, 이외에도 PZT(PbTiO₃-ZrTiO₃)계나 티탄산바륨(BaTiO₃) 등의 압전 세라믹이나 압전 단결정 등을 사용할 수 있다.

음향 정합층(9)의 주연부 부근에는, 압전체(8)를 둘러싸도록 통상의 케이스(10)가 고정되어 있고, 압전체(8)를 외부로부터 보호하고 있다. 본 실시의 형태 1에서는 케이스(10)를 알루미늄제로 하고 있다.

또한, 케이스(10)의 개구부(음향 정합층(9)의 접속 부분과는 반대의 단부 부근의 내측면)에는 단자대(11)가 설치되고 있다. 이 단자대(11)와 압전체(8)는, 외부로부터의 충격이나 압전체(8)의 진동 등에 의해 서로 접촉하지 않도록, 일정한 간극이 설치되고 있다. 또한 단자대(11)에는, 봉 형상의 단자(12)가 2개 설치되어 있고, 이들 단자(12)는 각각, 리드선(13)을 통해서 압전체(8)의 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 단자(12)를 통해서 압전체(8)에 교류 전계를 인가할 수 있다.

이러한 구성의 초음파 진동자(7)에 있어서, 압전체(8)의 양 주면에 설치된 전극에 특정의 주파수의 교류 전계를 인가하면, 압전체(8)에 재료 정수, 형상이나 치수 등으로 결정되는 탄성 진동을 여진시킬 수 있다. 이 탄성 진동에 의해 발생하는 음파를, 음향 정합층(9)을 통해서 공기 등의 매체에 방사하여 특정의 방향(도 2에 있어서의 상향 방향)으로 전파시킨다.

여기서, 음향 정합층(9)은, 압전체(8)와 공기 등의 매체의 음향 임피던스의 정합을 취하는 것이고, 압전체와 매체와의 음향 임피던스의 차이에 의한 경계면에서의 반사 등에 의한 음파의 감쇠를 저감하는 것이다.

한편, 본 실시의 형태 1에 있어서는, 상기의 가청 대역 신호원(2), 반송파 발진기(3), 변조기(4), 및 파워 앰프(5)는 1세트만으로 구성되어 있다.

다음으로, 본 발명의 포인트인 반송파의 주파수의 결정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 3은 종래의 압전체에 있어서의 어드미턴스의 주파수 특성 및 두께 방향의 진동 변위의 주파수 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 일반적으로, 압전체는, 형상(치수비)이나, 분극(단결정의 경우는 c축)의 방향과, 인가하는 교류 전계의 방향 등에 의해, 진동 방향이나 진동 자태(진동 모드)가 다른 복수의 공진 모드를 여진할 수 있다.

도 3은, 원주 형상의 압전체이며, 그 두께를 L, 직경을 D로 했을 때, 치수비 L/D를 2.5 이상으로 한 경우의, 어드미턴스와 두께 방향의 진동 변위의 주파수 특성의 일례를 나타낸 도면이다. 한편, 도 3에 있어서의 압전체는, 두께 방향으로 분극한 압전 세라믹이며, 두께 방향으로 교류 전계가 인가되어 있다.

압전체에 인가하는 교류 전계의 주파수를 저주파수측으로부터 고주파수측으로 변화시켜 가면, 도 3에 나타낸 바와 같이 최초에 어드미턴스(Y)가 극대로 되는 주파수(f_L1) 근방에서, 두께 방향의 진동 변위(ξ_L1)가 극대로 되는 제 1 공진 모드가 생긴다. 이 주파수(f_L1)에 있어서의 공진 모드는, 두께 방향 종 진동이라고 불리는 것이다.

또한, 주파수를 높이면, 다음으로 어드미턴스(Y)가 극대로 되는 주파수(f_D1) 근방에서, 직경 방향의 진동 변위가 극대로 되는 제 2 공진 모드가 생긴다. 이 주파수(f_D1)에 있어서의 공진 모드는 직경 방향 확대 진동이라고 불리는 것이다. 한편, 이 직경 방향 확대 진동의 직경 방향의 진동 변위는 도 3에는 도시되어 있지 않다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 압전체도 탄성체이기 때문에, 직경 방향으로 진동 변위가 생김과 아울러, 프와송 결합(poisson coupling)에 의해 두께 방향으로도 진동 변위가 생긴다. 그러나, 이 주파수(f_D1) 근방에서의 두께 방향의 진동 변위는, 원주의 두께 L이 직경 D에 비해 크기 때문에, 주파수(f_L1) 근방에 있어서의 진동 변위(ξ_L1)에 비해 매우 작은 것이다.

주파수(f_L1)와 주파수(f_D1)의 근방 이외에서는, 압전체의 두께 방향의 진동 변위는 급격히 감소하여 거의 얻기 어렵다. 마찬가지로, 직경 방향의 진동 변위도 주파수(f_L1)와 주파수(f_D1)의 근방 이외에서는 감소하여 거의 얻을 수 없다. 즉, 주파수(f_L1)와 주파수(f_D1)의 근방 이외의 주파수에서는, 압전체는 두께 방향으로도, 또한 직경 방향으로도 거의 진동하지 않는다. 이것은 2개의 공진 모드, 즉, 두께 방향 종 진동과 직경 방향 확대 진동은 서로 영향을 미치지 않고, 각각의 공진 주파수 근방에서 독립적으로 진동하는 것을 의미한다.

이와 같이, 원주 형상의 압전체에 있어서 두께 L과 직경 D 중 어느 한쪽을 크게 함으로써(일반적으로, 두께 L을 직경 D의 2.5배 이상으로 한 원주 형상, 혹은 직경 D를 두께 L의 15배 이상으로 한 원판 형상), 각각의 공진 모드는 서로 영향을 미치지 않고 독립적으로 진동함과 아울러, 각각의 공진 모드의 기계적 품질 계수(Qm)는 높아진다.

이것에 대하여 본 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치(1)의 초음파 진동자(7)에서는, 두께 L과 직경 D의 치수비 L/D를 약 0.7로 한 원주 형상의 압전체(8)를 이용했다. 이러한 치수비의 압전체(8)를 이용하는 것에 의해, 두께 방향 종 진동과 직경 방향 확대 진동의 2개의 공진 모드를 여진하는 공진 주파수 사이의 주파수에 있어서, 모드 결합한 진동을 여진시켜, 두께 방향으로 일정 이상의 진동 변위(ξ_L)를 얻을 수 있다. 또한, 주파수 변동에 대하여 변화가 적은 진동 변위(ξ_L)를 압전체(8)에 여진시키는 것이 가능해진다. 본 실시의 형태 1에서는, 이 모드 결합한 진동을 여진시킬 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수 대역으로 하는 것이다.

도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 압전체의 어드미턴스 및 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 본 실시의 형태 1에 있어서의 압전체(8)의 어드미턴스(Y), 및 두께 방향의 진동 변위(ξL)의 주파수 특성을, 유한 요소법을 이용하여 수치 계산한 결과의 일례를 나타낸다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 2개의 공진 주파수, 주파수(f_m1)와 주파수(f_m2)에서 압전체(8)는, 각각 기계적 품질 계수(Qm)가 높은 공진 모드를 여진하고 있다. 또한, 주파수(f_m1)와 주파수(f_m2) 사이에서는, 모드 결합한 진동을 여진하고 있고, 상기 2개의 주파수(f_m1)와 주파수(f_m2)의 근방과 비교하여, 두께 방향의 진동 변위(ξ_L)의 절대치는 작지만, 주파수 변동에 대한 변화량이 작은 주파수 대역을 얻을 수 있다. 특히, 두께 방향의 진동 변위가 극소치(ξ_Lm)로 되는 주파수(f_Lm) 근방에 있어서, 주파수 변동에 대하여 진동 변위(ξ_L)의 변화량이 가장 작은 평탄한 영역을 얻을 수 있다.

상기의 모드 결합한 진동을 여진시켜, 또한 두께 방향의 진동 변위(ξ_L)가 극소로 되는 주파수(f_Lm)를 기준으로 한 주파수 영역을 반송파의 주파수로서 이용한다. 재료나 형상의 편차 등으로 압전체(8)의 두께 방향 종 진동과 직경 방향 확대 진동의 공진 주파수가 각각 변동한 경우이더라도, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 범위 내에서는, 초음파 진동자의 진동 진폭 변동이 적고 안정하다. 그 결과, 가청 대역의 신호를 자기 복조시켰을 때에, 광대역으로 또한 안정한 음압을 실현할 수 있다.

이 가청 대역의 신호를 자기 복조시켰을 때에 안정한 음압을 얻을 수 있다는 점에 대하여, 이하에 그 상세를 설명한다.

도 5는, 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서 공진 주파수(f_m1)를 중심으로 한 특정의 주파수 대역을 반송파의 주파수로 한 것을 나타내는 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 가령 초음파 진동자(7)에 인가하는 전계의 진폭을 고정하여, 주파수가 공진 주파수(f_m1)를 중심으로 한 일정한 주파수 대역(f_m1±Δf)으로 한 경우, 공진 주파수(f_m1) 근방에서는, 공진 모드의 기계적 품질 계수(Qm)가 높기 때문에 초음파 진동자(7)의 진동 변위가 크고, 초음파 진동자(7)로부터 방사되는 음파도 높은 음압을 얻을 수 있다. 그러나 공진 주파수(f_m1)로부터 주파수 변동폭(Δf) 떨어진 주파수에서는, 공진 주파수(f_m1) 근방과 비교하여 초음파 진동자(7)의 진동 변위가 작게 된다.

이와 같이, 공진 주파수(f_m1)를 반송파의 주파수로 하여, 광대역의 가청 대역 신호를 변조한 신호로 초음파 진동자(7)를 여진하면, 인가하는 전계의 주파수 범위 내에서 초음파 진동자(7)의 진동 변위의 변화량이 크기 때문에, 초음파 진동자로부터 방사되는 음파의 주파수에 대한 음압 변동이 커져, 복조시킨 가청 대역의 음파도 주파수에 의한 진폭 변동폭이 크고, 안정한 음압을 얻는 것이 어렵게 된다.

그래서, 본 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치(1)와 같이, 주파수 변동에 대한 진동 변위(ξ_L)의 변화량이 비교적 작은 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로 함으로써, 가청 대역의 신호를 광대역으로 또한 안정한 음압으로 재생하는 것이 가능해진다.

여기서, 압전체(8)에 모드 결합한 진동을 여진시키기 위한 조건을, 2개의 공진 주파수, 주파수(f_m1)와 주파수(f_m2)의 관계로부터 고찰한 결과에 대하여 이하에 설명한다.

도 6은, 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 압전체에 있어서, 직경 방향 확대 진동의 공진 주파수와 두께 방향의 진동 변위의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6은, 복합 페로브스카이트계 압전 재료를 이용하여 형성한 압전체(8)에 있어서, 직경 방향 확대 진동의 공진 주파수(f_m2)를 변화시켜, 두께 방향의 진동 변위(ξ_L)를 유한 요소법을 이용하여 수치 계산한 결과의 일례이다.

도 6에서, 횡축은 압전체(8)에 인가하는 교류 전계의 주파수를 규격화하여 나타낸 것이고, 공진 주파수(f_m1)를 1로 한 때의 공진 주파수(f_m2)의 값을 각각 기재하고 있다. 종축은 진동 변위(ξ_L)를 나타낸다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 공진 주파수(f_m2)가 각각 f_m2a(=3.17), f_m2b(=2.69)인 주파수 특성 a, 주파수 특성 b에서는, 진동 변위(ξ_L)의 극소치(ξ_Lma, ξ_Lmb)는 매우 작다. 즉, 이 극소치(ξ_Lma, ξ_Lmb)를 나타내는 주파수에 있어서는, 압전체(8)의 두께 방향의 진동 변위는 거의 얻기 어렵다는 것을 알게 된다. 또한, 직경 방향의 진동 변위도 거의 얻을 수 없다. 따라서, 주파수 특성 a, 주파수 특성 b에서, 2개의 공진 모드는 서로 영향을 미치지 않고, 독립적으로 진동하고 있는 것을 알게 된다.

한편, 주파수 특성 a, 주파수 특성 b에 비교하여, 공진 주파수(f_m2)를 공진 주파수(f_m1)에 가깝게 하고, 공진 주파수(f_m2)를 f_m2c(=2.44), f_m2d(=2.25)로 한 주파수 특성 c, 주파수 특성 d에서는, 진동 변위(ξ_L)의 극소치(ξ_Lmc, ξ_Lmd)가 극소치(ξ_Lma, ξ_Lmb)에 비해, 커지고 있다. 즉, 공진 주파수(f_m2)를 공진 주파수(f_m1)에 가깝게 함으로써, 두께 방향의 진동 변위(ξ_L)는 일정 이상의 값을 나타내도록 되고, 이러한 조건의 압전체(8)에서는, 공진 모드를 여진하는 주파수 사이에서, 압전체(8)에 모드 결합한 진동을 여진시킬 수 있다.

본 수치 계산의 결과에 따르면, 압전체(8)의 공진 주파수(f_m2)의 규격화된 값이, 대략 2.5 이하이면, 그 주파수 특성은 주파수 특성 c이나 주파수 특성 d와 같은 파형을 나타내고, 압전체(8)에 모드 결합이 생긴다고 하는 결과가 얻어졌다.

따라서, 압전체(8)의 제 1 공진 모드를 나타내는 주파수를 f_m1로 제 2 공진 모드를 나타내는 주파수를 f_m2로 했을 때, 제 1 공진 모드를 나타내는 주파수와 제 2 공진 모드를 나타내는 주파수의 비인 f_m1/f_m2가 적어도 0.4(=1/2.5) 이상이면, 압전체(8)에 모드 결합이 생긴다는 것을 알게 된다. 한편, 이와 같이 f_m1/f_m2가 0.4 이상으로 되도록 하기 위해서는, 예컨대 압전체(8)의 치수비 L/D를 적절히 조정하면 바람직하다. 치수비 L/D를 조정하는 것으로, 제 1 공진 모드를 나타내는 주파수(f_m1) 및 제 2 공진 모드를 나타내는 주파수(f_m2)를 조정하는 것은 가능하다.

한편, 도 6은 복합 페로브스카이트계 압전 재료를 이용하여 압전체(8)를 형성한 일례이지만, 기타 PZT계 세라믹 등의 압전 세라믹을 이용한 경우이더라도, 같은 수치 계산의 결과, f_m1/f_m2가 0.4 이상이면 압전체(8)에 모드 결합이 생긴다고 하는 결과가 얻어졌다. 따라서, 복합 페로브스카이트계 압전 재료에 한정하지 않고, f_m1/f_m2가 적어도 0.4 이상이면, 압전체(8)에 모드 결합이 생긴다고 생각된다.

또한, 도 4에 나타낸 어드미턴스(Y)의 주파수 특성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공진 주파수(f_m1)에 있어서는 압전체(8)의 임피던스는 낮은 것으로 되어 있다. 이와 같이 임피던스가 낮은 상태의 압전체(8)에 대하여는, 초음파 진동자(7)에 접속된 전원은 보다 많은 전류를 흘리고자 한다. 이 결과, 전원에의 부담이 커지거나, 또는 전류가 흐르지 않는 가능성이 있다. 이것에 대하여, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역에 있어서는, 비교적 압전체(8)의 임피던스는 높기 때문에, 전원에 상기와 같은 악영향을 미치지 않고, 초음파 진동자(7)를 안정하게 구동시키는 것이 가능하다.

또한, 본 실시의 형태 1의 압전체(8)를 이용함으로써, 온도 변화나 진동 등의 외란에 의해 주위로부터 받는 응력에 대하여 안정한 성능을 발휘할 수 있는 음향 재생 장치(1)를 얻을 수 있다. 그 상세를 이하에 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 압전체의 기계적 품질 계수(Qm) 에 대한 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 7은 도 5에 있어서의 진동 변위(ξ_L)의 주파수 특성만 추출한 것이고, 횡축 및 종축은, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역에 있어서의 진동 변위의 극소치(ξ_Lm)와, 그때의 주파수(f_Lm)를 기초로 각각 규격화하여 나타내고 있다. 실선은, 압전체(8)가 외란이 없는 무부하의 경우를, 점선은 압전체(8)에 외부로부터 응력이 가해진 경우의 주파수 특성이다.

제 1, 제 2 공진 모드를 여진하는 각각의 공진 주파수, 주파수(f_m1), 주파수(f_m2) 근방에서는, 응력의 유무에 의해 공진 모드의 기계적 품질 계수(Qm)가 변동함과 아울러 진동 변위(ξ_L)가 크게 변화되는 것을 알게 된다.

일례를 들면, 제 1 공진 모드(두께 방향 종 진동: 공진 주파수(f_m1))의 경우, 외란 등에 의한 응력이 가해지면 기계적 품질 계수(Qm)는 낮게 되고, 진동 변위(ξ_L)는 무부하의 경우의 약 1/5까지 감소한다. 한편, 본 실시의 형태 1에서 이용하는 반송파의 주파수인 주파수(f_Lm)의 근방에서는, 동일한 응력이 가해진 경우이더라도 진동 변위(ξ_L)는 거의 감소하지 않는다.

즉, 도 7은 초음파 진동자(7)에 인가하는 교류 전계의 주파수에 의해서, 외부로부터의 부하 변동에 의한 초음파 진동자(7)의 진동 변위에의 영향을 쉽게 받는 것이 다른 것을 나타내고 있다. 특히, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역에서는, 부하 변동에 의한 진동 변위에의 영향을 받기 어려운 것을 알게 된다.

따라서, 본 실시의 형태 1에서는, 이 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로서 이용하는 것에 의해, 온도 변화, 진동이나 지지 고정 조건 등의 외란에 의해 압전체(8)에 응력이 가해진 경우이더라도, 진동 변위(ξ_L)의 변화가 적다. 그 결과, 광대역으로 또한 안정한 음압의 가청 대역의 음파가 재생가능한 음향 재생 장치(1)를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시의 형태 1의 음향 재생 장치(1)를 구동할 때에 발생하는 열에 의해서도, 초음파 진동자(7)는 영향을 받을 가능성이 있다. 즉, 초음파 진동자(7)의 온도가 변화되면 압전체(8)의 음속이 변화되기 때문에, 이 변화가 초음파 진동자(7)의 공진 주파수에 변화를 준다. 특히, 본 실시의 형태 1과 같이, 압전체(8)에서 이용한 압전 세라믹은, 공진 주파수의 온도 의존성이 높고, 온도 변화에 대한 공진 주파수의 안정성이 낮다. 따라서, 공진 주파수 근방의 주파수를 반송파의 주파수로서 이용한 경우, 온도 변화에 의해서 공진 주파수가 변화되면 원하는 음압을 얻을 수 없다고 생각된다.

한편, 본 실시의 형태 1에서는, 온도 변화의 영향을 받기 어려운 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로서 이용하고 있고, 가령 음향 재생 장치(1)를 구동할 때의 열에 의해 초음파 진동자(7)의 온도가 변화되었다고 해도, 안정한 음압의 가청 대역의 음파를 재생할 수 있다.

한편, 반송파의 주파수는, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역으로, 특히, 초음파 진동자(7)의 진동 변위(ξ_L)가 극소로 되는 주파수를 기준으로서 선택하는 것이 바람직하다.

이것은 도 8, 및 지금까지 나타낸 도 4 내지 도 7에서도 알 수 있는 바와 같이, 진동 변위(ξ_L)가 극소치(ξ_Lm)로 되는 주파수(f_Lm) 근방에서 주파수 변동에 대한 진동 변위(ξ_L)의 변화량이 작게 되고, 주파수 특성이 평탄해지기 때문이다. 도 8은, 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서 진동 변위가 극소치(ξ_Lm)를 취하는 주파수(f_Lm)를 중심으로 한 특정의 주파수 대역을 반송파의 주파수로 한 것을 나타내는 도면이다. 주파수(f_Lm)를 포함하는 주파수 대역, 예컨대 주파수(f_Lm)를 중심으로 한 일정한 주파수 대역(f_Lm±Δf)을 반송파의 주파수로서 이용함으로써 재생되는 가청 대역의 음파의 음압을 보다 안정화시킴과 아울러 주파수 대역을 넓힐 수 있다.

다음으로, 원주 형상의 압전체(8)의 직경 D에 대한 두께 L의 치수비 L/D의 설계 방법에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 실시의 형태 1의 압전체에 있어서 치수비를 변화시킨 경우의, 어드미턴스가 극대치를 취하는 주파수와, 두께 방향의 진동 변위의 극소치의 관계를 나타내는 도면이다. 도 9는, 복합 페로브스카이트계 압전 재료를 이용하여 형성한 압전체(8)에 있어서, 두께 방향 종 진동의 공진 주파수(f_m1)와, 직경 방향 확대 진동의 공진 주파수(f_m2)와, 이들 2개의 공진 모드 사이에서 여진할 수 있는 모드 결합한 진동에 있어서의 최대 변위(ξ_Lm)를, 압전체(8)의 치수비 L/D를 변화시켜, 유한 요소법에 의한 수치 계산으로 구한 결과를 나타내고 있다.

횡축은 압전체(8)의 치수비 L/D를 규격화한 것이다. 종축의 좌측의 축은, 치수비 L/D를 1로 한 때의 주파수(f_Lm)를 기초로 규격화한 주파수이다. 마찬가지로, 종축의 오른쪽의 축은, 치수비 L/D를 1로 한 때의 두께 방향의 진동 변위(ξ_Lm)를 기초로 규격화한 진동 변위이다. 한편, 주파수(f_m1)는 실선으로, 주파수(f_m2)는 일점 쇄선으로, 진동 변위(ξ_Lm)는 파선이다.

도 9로부터, 모드 결합한 진동에 있어서의 진동 변위(ξ_Lm)는, 압전체(8)의 치수비 L/D의 증가와 동시에 증대하고, 치수비 L/D가 0.7 부근에서 치수비 L/D가 1일 때의 약 1.7배의 최대치를 취하고, 그리고 그 후는 내려가는 것을 알게 된다. 이 때문에, 본 실시의 형태 1에서는 치수비 L/D를 진동 변위(ξ_Lm)가 최대로 되는 0.7로 했다.

한편, 압전체(8)의 치수비 L/D는, 0.7로 한정되는 것이 아니라, 진동 변위(ξ_Lm)가 최대치를 취하는 0.7을 중심으로 하고 ±0.3의 범위, 즉, 치수비 L/D가 0.4 이상 1.0 이하의 값이면 좋다. 치수비 L/D가 0.4 이상 1.0 이하의 값이면, 인가하는 교류 전계에 대하여 압전체(8)가 효율적으로 진동하여, 초음파 진동자(7)로부터 음파를 방사할 수 있고, 음향 재생 장치로서 효율적으로 가청 대역의 음파를 출력하는 것이 가능하다.

이것에 대하여, 압전체(8)의 치수비 L/D를 0.4 미만, 혹은 1.0을 넘는 값이라고 하면, 압전체(8)의 진동 손실이 커지기 때문에, 인가하는 교류 전계에 대하여 진동 진폭이 작게 된다. 초음파 진동자(7)로부터 방사하는 음파는 작게 되는 동시에, 진동 손실에 의한 발열이 압전체(8)의 재료 특성에 악영향을 미치게 되어, 초음파 진동자(7)의 동작 신뢰성을 열화시킬 가능성이 높게 되기 때문에 바람직하지 못하다.

한편, 상기 기재는 복합 페로브스카이트계 압전 재료를 이용하여 압전체(8)를 형성한 일례이지만, PZT계 세라믹 등의 압전 세라믹이나 압전 단결정 등의 재료가 다른 경우이더라도 마찬가지의 수치 계산과 시작(試作) 검토를 행함으로써, 최적의 원주 형상의 압전체(8)의 치수비 L/D를 결정하는 것이 가능하다.

(실시의 형태 2)

실시의 형태 1은, 방음부(6)를 하나의 초음파 진동자로 구성했지만, 본 실시의 형태 2에서는, 복수의 초음파 진동자(7)로 방음부를 구성하는 일례에 대하여 이하에 설명한다.

도 10은 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 방음부의 정면도이다. 본 실시의 형태 2에 있어서의 방음부(14)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 복수의 초음파 진동자(7)를 평면적으로 배치하여 구성되어 있다.

도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 있어서의 3개의 초음파 진동자의 압전체의 어드미턴스 및 진동 변위의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 11은 도 10의 방음부(14)를 구성하는 초음파 진동자(7) 중, 3개의 초음파 진동자(7)를 구성하는 압전체(8)의 각각의 어드미턴스의 주파수 특성, 및 진동 변위의 주파수 특성을 나타낸 것이고, 어드미턴스(Y1)와 진동 변위(ξ_L1), 어드미턴스(Y2)와 진동 변위(ξ_L2), 어드미턴스(Y3)와 진동 변위(ξ_L3)는, 각각 동일한 압전체(8)의 어드미턴스, 및 진동 변위의 주파수 특성을 나타내고 있다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 3개의 압전체(8)의 어드미턴스(Y1), 어드미턴스(Y2), 어드미턴스(Y3), 및 진동 변위(ξ_L1), 진동 변위(ξ_L2), 진동 변위(ξ_L3)는 완전히 동일한 주파수 특성으로는 되지 않고, 오차가 생긴다. 이것은, 압전체(8)를 제조할 때, 그 제조 조건, 재료 특성, 및 형상 치수 등의 편차에 기인하는 것이다. 또한, 압전체(8)를 지지 고정하여 초음파 진동자(7)를 조립할 때의 편차도 영향을 주기 때문에, 방음부(14)를 구성하는 복수의 초음파 진동자(7)의 어드미턴스, 혹은 진동 변위의 주파수 특성에 있어서, 공진 모드를 여진할 수 있는 공진 주파수도 변하게 것으로 된다. 이러한 공진 주파수가 동일하지 않은 복수의 초음파 진동자(7)를 이용하여, 반송파의 주파수를 주파수(f_m1) 근방이나 주파수(f_m2) 근방에 고정하여 음향 재생 장치를 구성한 경우, 각각의 초음파 진동자(7)로부터 방사되는 음파의 음압 레벨이 변하고, 그 결과, 가청 대역의 음파를 복조했을 때에 안정한 음압을 얻기 어려워질 가능성이 있다.

그래서, 본 실시의 형태 2에서는, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 반송파의 주파수로서, 공진 모드를 여진하는 공진 주파수가 아니라, 공진 모드 사이에서 여진되는 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 이용하는 것이다.

본 실시의 형태 2에 있어서의 압전체(8)는, 실시의 형태 1에 있어서의 압전체(8)와 마찬가지의 것을 이용하고 있고, 두께 L과 직경 D의 치수비 L/D를 0.7로 한 원주 형상의 압전체이다. 이러한 치수비로 하는 것에 의해, 도 10에 나타낸 바와 같이 복수의 압전체(8)로 방음부(14)를 구성하고, 또한 압전체(8)에 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로 한 경우, 각각의 압전체(8)에는, 동일한 진폭으로 동일 주파수의 전계가 인가된다. 이 때문에, 각각의 압전체(8)의 진동 변위에 대하여 개체 사이의 편차는 작고, 초음파 진동자(7)로부터 방사되는 음파의 음압에 관해서도 개체 사이의 편차는 작다. 그 결과, 복조되는 가청 대역의 음파는 높고, 또한 안정한 음압으로 재생할 수 있다.

방음부(14)는, 초음파 진동자(7)를 구성하는 압전체(8)의 공진 주파수에 개체 차이가 있는 경우의 예이지만, 동일한 공진 주파수를 갖는 압전체(8)로 방음부(14)를 구성한 경우이더라도 유효하다. 즉, 동작중인 초음파 진동자(14)의 온도 변화나, 초음파 진동자(14)의 조립시에 압전체(8)에 응력이 가해짐으로써, 초음파 진동자(14)의 진동 진폭의 주파수 특성이 변화되는 경우가 있고, 그와 같은 경우에도 본 실시의 형태 2의 구성은 적용가능하다.

또한, 도 10에 있어서의 본 실시의 형태 2에 의한 음향 재생 장치(1)는, 방음부(14)에 있어서의 초음파 진동자(7)를 벌집 형상으로 밀집시켜 배치한 구성으로서 도시하고 있지만, 배치 방법은 이것에 한정되는 것이 아니라, 방음부로부터 방사한 음파를 소정의 위치로 효율 좋게 집음(集音)할 수 있는 구성이면, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(실시의 형태 3)

이하, 도 12를 이용하여, 실시의 형태 3에 있어서의 초음파 진동자(15)의 구성에 대하여 설명한다. 도 12는 본 실시의 형태 3에 있어서의 초음파 진동자(15)의 단면도이다.

한편, 본 실시의 형태 3은, 실시의 형태 1에서 나타낸 초음파 진동자(7)의 구성을 일부 다르게 한 것이다. 이외의 구성은 실시의 형태 1과 마찬가지이기 때문에, 동일 부분에 관해서는 동일의 부호를 붙여 그 상세한 설명은 생략하고, 다른 부분에 대하여만 설명한다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 본 실시의 형태 3에 있어서 케이스(16)는 바닥부를 갖는 원주 형상을 이루고 있고, 이 케이스(16)의 내부 바닥면의 중앙부에 압전체(8)가 탑재되어 있다. 케이스(16)의 내부 바닥면에는 봉 형상의 단자(12)가 2개 설치되고 있고, 실시의 형태 1과 마찬가지로 이들 단자(12)는 각각 리드선(13)을 통해서 압전체(8)의 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 케이스(16)는 알루미늄제의 것으로 하고 있다.

그리고, 압전체(8)의 상단면의 중앙부에는 원뿔 형상(conical)의 공진자(17)를 접착제로 고정하고 있다. 이 공진자(17)의 재료로서는, 경량이고 또한 음속이 3,000 ~ 10,000 m/s 정도의 것이 바람직하다. 예컨대, 알루미늄이나 SUS (Stainless Used Steel) 등의 금속을 이용하면, 압전체(8)의 진폭에 추종하는 것이 가능한 공진자(17)를 구성할 수 있어, 진동 모드 형상을 바꾸는 일없이, 그대로의 진동 모드로 진폭 증폭할 수 있다. 즉, 본 실시의 형태 3에 있어서의 공진자(17)는 압전체(8)의 진동에 대응한 공진 특성을 나타내고, 압전체(8)의 진폭에 대하여 공기 등의 매체로 안정한 초음파를 방사할 수 있는 것이다.

한편, 도 12에 나타낸 바와 같이 공진자(17)도 케이스(16)로 둘러싸인 구성으로 하고 있다.

이와 같이 구성된 초음파 진동자(15)에 있어서는, 공진자(17)를 구비하는 것으로 음원 직경이 확대하여, 음압 출력을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 실시의 형태 1에 있어서의 음향 재생 장치(1)는, 높은 지향성을 갖는 초음파를 출력하기 때문에, 매우 좁은 공간 범위로만 가청 대역의 음파를 재생하는 것이 가능하다. 여기서, 가청 대역의 음파를 재생시키는 공간 범위를 어느 정도 넓히고 싶은 경우 등은, 본 실시의 형태 3의 초음파 진동자(15)와 같이 공진자(17)를 설치하여, 음향 재생 장치(1)의 지향성을 넓히는 것으로 대응이 가능하다.

또한, 본 실시의 형태 3의 초음파 진동자(15)를 상기 실시의 형태 2와 같이, 복수개 병렬로 하여 방음부를 구성한 경우, 상술한 바와 같이 각 초음파 진동자(15)는 공진자(17)에 의해 지향성이 어느 정도 넓어진 특성을 갖는다. 이 때문에, 각 초음파 진동자(15)로부터 출력되는 초음파의 방사 범위는, 그 주변에 배치된 초음파 진동자(15)의 초음파의 방사 범위와 쉽게 겹치게 된다. 즉, 이와 같이 방사 범위가 겹친 위치에 있어서는, 각 초음파 진동자(15)로부터 출력된 초음파가 발사되기 때문에, 재생되는 가청 대역의 음파를 더 큰 음압으로 청취하는 것이 가능해진다.

또한, 공진자(17)에 의한 지향성은, 공진자(17)의 원뿔 부분의 각도를 적절히 변경함으로써 조정이 가능하다. 또한 원뿔의 원 부분은, 완전한 원으로 한정하지 않고 타원이라도 상관없다.

한편, 본 발명에 있어서의 각 실시의 형태에 있어서, 초음파 진동자(7)를 구성하는 압전체(8)의 형상을 원주 형상으로 하고, 압전체(8)에 여진시키는 진동을, 두께 방향 종 진동의 공진 진동과 직경 방향 확대 진동의 공진 진동이 모드 결합한 진동을 이용한 경우에 대하여 설명했다. 그러나, 본 발명은, 압전체의 형상과 압전체에 여진하는 진동 모드에 대하여, 특정의 형상이나 특정의 공진 모드로 한정된 것은 아니다. 예컨대, 압전체(8)를 각 기둥 형상으로 하여, 두께 방향 종 진동과, 대각선 방향 혹은 주변 방향 확대 진동의 공진 진동이 모드 결합한 진동을 이용한 경우에 관해서도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(산업상의 이용가능성)

본 발명의 음향 재생 장치는, 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 반송파의 주파수로 함으로써, 재생되는 가청 대역의 음파의 음압을 광대역으로 안정시킬 수 있다. 초음파의 높은 지향성을 이용함으로써, 한정된 공간 범위로만 가청 대역의 음파를 재생시키는 음향 재생 장치로서 유용하다.

1 : 음향 재생 장치 2 : 가청 대역 신호원
3 : 반송파 발진기 4 : 변조기
5 : 파워 앰프 6 : 방음부
7 : 초음파 진동자 8 : 압전체
9 : 음향 정합층 10 : 케이스
11 : 단자대 12 : 단자
13 : 리드선 14 : 방음부
15 : 초음파 진동자 16 : 케이스
17 : 공진자

Claims (8)

1. 가청 대역의 신호를 생성하는 가청 대역 신호원과,
   반송파를 생성하는 반송파 발진기와,
   상기 가청 대역의 신호와 상기 반송파를 변조하는 변조기와,
   상기 변조기로부터 출력된 신호를 초음파 진동자에 의해 음파로서 출력하는 방음부
   를 구비하되,
   상기 초음파 진동자는, 상이한 주파수에서 진동 변위가 극대로 되는 복수의 공진 모드를 갖고, 상기 복수의 공진 모드를 여진하는 주파수 사이에서 모드 결합한 진동을 여진하고,
   상기 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부를 상기 반송파의 주파수로 하는
   음향 재생 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 공진 모드를 여진하는 주파수 중, 인접하는 주파수를 작은 주파수부터 f_m1, f_m2로 했을 때, 이들 주파수의 비 f_m1/f_m2를 0.4 이상으로 한 음향 재생 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 모드 결합한 진동을 여진할 수 있는 주파수 대역의 일부가, 상기 초음파 진동자의 진동 변위가 극소로 되는 주파수를 기준으로서 선택된 음향 재생 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 진동자는 원주 형상의 압전체를 갖고, 상기 압전체의 두께를 L, 직경을 D로 했을 때, 상기 원주 형상의 압전체의 치수비 L/D를 0.4 ~ 1.0으로 한 음향 재생 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 진동자는 압전체를 갖고, 상기 압전체의 중앙부 상면에 원뿔 형상의 공진자가 고정되어 있는 음향 재생 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 방음부는 복수의 초음파 진동자로 이루어지는 음향 재생 장치.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 공진자의 원뿔의 단면부는 원 혹은 타원인 음향 재생 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 진동자는 각기둥 형상의 압전체를 갖는 음향 재생 장치.

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