WO2010032463A1 - 音響再生装置 - Google Patents

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WO2010032463A1
WO2010032463A1 PCT/JP2009/004668 JP2009004668W WO2010032463A1 WO 2010032463 A1 WO2010032463 A1 WO 2010032463A1 JP 2009004668 W JP2009004668 W JP 2009004668W WO 2010032463 A1 WO2010032463 A1 WO 2010032463A1
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WO
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frequency
piezoelectric body
sound
vibration
ultrasonic
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PCT/JP2009/004668
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武田克
多田真樹
水口雅史
今野文靖
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パナソニック株式会社
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R2217/00—Details of magnetostrictive, piezoelectric, or electrostrictive transducers covered by H04R15/00 or H04R17/00 but not provided for in any of their subgroups
    • H04R2217/03—Parametric transducers where sound is generated or captured by the acoustic demodulation of amplitude modulated ultrasonic waves

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic reproduction apparatus having high directivity capable of reproducing an audible band sound wave in a specific spatial range by modulating and radiating an audible band signal using an ultrasonic band signal as a carrier wave.
  • a normal sound reproducing device can emit sound waves in the audible band directly into a medium such as air through a diaphragm, and can propagate sound waves in the audible band in a relatively wide range by a diffraction effect.
  • This sound reproducing apparatus is generally called a super-directional speaker or a parametric speaker.
  • a signal in the audible band is modulated as a carrier wave with a signal in the ultrasonic band, and further amplified at a specific magnification, and then the modulated signal is input to a sound emitting unit including an ultrasonic transducer and the like, and a medium such as air It emits as a sound wave in the ultrasonic band.
  • the sound wave radiated from the sound emitting part propagates through the medium with high directivity due to the propagation characteristics of the ultrasonic wave as a carrier wave. Furthermore, while the sound wave in the ultrasonic band propagates through the medium, the amplitude of the sound wave in the audible band increases cumulatively due to the nonlinearity of the medium, and the sound wave in the ultrasonic band attenuates due to absorption by the medium and spherical diffusion. To do. As a result, the sound wave in the audible band modulated in the ultrasonic band is self-demodulated into the sound wave in the audible band due to the nonlinearity of the medium, and the sound wave in the audible band can be reproduced only in a limited narrow space range.
  • the super-directional speaker uses the nonlinearity of the medium through which the sound wave propagates and the high directivity of the ultrasonic wave. For example, if a super-directional speaker is used as a speaker for explaining an exhibition in a museum or a museum, sound waves in the audible band can be transmitted only to a person existing within a specific spatial range.
  • the above-described sound reproducing device uses a frequency in the vicinity of a resonance frequency for exciting a resonance mode of an ultrasonic vibrator made of a piezoelectric body or the like. Used as a frequency.
  • the mechanical quality factor Qm (a constant indicating the sharpness of mechanical vibration displacement in the vicinity of the resonance frequency when the piezoelectric body or the like causes resonance vibration) is high, and maximum for the applied AC electric field. The vibration displacement can be obtained.
  • the resonance frequency of the ultrasonic transducer varies among individuals.
  • the mechanical quality factor Qm is also affected by temperature changes of the ultrasonic transducer itself and load fluctuations caused by a medium such as air. Therefore, even if an electric field having the same frequency and the same amplitude is applied to a plurality of ultrasonic transducers.
  • Non-Patent Document 1 is known as prior art document information relating to the above-described sound reproduction device.
  • the present invention includes an audible band signal source that generates an audible band signal, a carrier wave generator that generates a carrier wave, a modulator that modulates an audible band signal with a carrier wave, and a signal output from the modulator. And at least a sound emitting unit for outputting the reproduced sound by the ultrasonic vibrator.
  • the ultrasonic vibrator of the sound emitting unit has a plurality of resonance modes in which vibration displacement is maximized at different frequencies, and can excite mode-coupled vibration between frequencies for exciting the plurality of resonance modes.
  • a part of a frequency band in which mode-coupled vibration can be excited is defined as a carrier frequency.
  • the resonance frequency of the ultrasonic vibrator varies or fluctuates due to the manufacturing process of the ultrasonic vibrator or load fluctuation during operation, it is possible to excite mode-coupled vibration.
  • the vibration amplitude fluctuation of the ultrasonic transducer is small and stable.
  • the sound wave in the audible band is self-demodulated, a broadband and stable sound pressure is realized.
  • FIG. 1 is a block diagram of a sound reproducing device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing frequency characteristics of admittance and vibration displacement in the thickness direction of a conventional piezoelectric body.
  • FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of admittance and vibration displacement of the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing that a specific frequency band centered on the resonance frequency f m1 is a carrier frequency in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency of radial expansion vibration and the vibration displacement in the thickness direction in the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing frequency characteristics of vibration displacement with respect to the mechanical quality factor Qm of the piezoelectric body in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing that a specific frequency band centered on the frequency f Lm at which the vibration displacement takes the minimum value ⁇ Lm is used as the frequency of the carrier wave in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the frequency at which the admittance takes a maximum value and the minimum value of vibration displacement in the thickness direction when the dimensional ratio is changed in the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a front view of the sound emitting unit in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the admittance and vibration displacement of the piezoelectric bodies of the three ultrasonic transducers according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a sound reproducing device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 illustrates a drive unit of the sound reproducing device 1 of the present invention.
  • An audible band signal (approximately 20 Hz to 20 kHz as a frequency) generated by the audible band signal source 2 and a carrier wave (approximately 20 kHz or higher ultrasonic wave) generated by the carrier wave oscillator 3 are input to the modulator 4, and an audible band signal is input. Is modulated with a carrier wave. The modulated signal is amplified by the power amplifier 5 and input to the sound emitting unit 6.
  • the signal from the modulator 4 input to the sound emitting unit 6 is radiated as an ultrasonic wave to a medium such as air, and after propagating a certain distance, the sound wave in the ultrasonic band as a carrier wave is attenuated, and Sound waves in the audible band self-demodulate due to nonlinearity.
  • the sound reproducing device 1 can reproduce sound waves in the audible band only in a very narrow spatial range by using ultrasonic waves having high directivity as carrier waves. It has become.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 7 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the ultrasonic vibrator 7 is a part that vibrates the piezoelectric body 8 and receives sound waves to a medium such as air when a signal from the modulator 4 is input.
  • the piezoelectric body 8 is a cylindrical piezoelectric ceramic made of a composite perovskite piezoelectric material (for example, a ternary piezoelectric ceramic material such as PbTiO 3 —ZrTiO 3 —Pb (Mg 1/2 Nb 1/2 ) TiO 3 ).
  • the acoustic matching layer 9 is disposed substantially at the center on one surface in the thickness direction.
  • the piezoelectric body 8 has a dimensional ratio L / D of about 0.7, where L is the thickness and D is the diameter, and is polarized in the thickness L direction.
  • L is the thickness and D is the diameter
  • a piezoelectric ceramic such as PZT (PbTiO 3 —ZrTiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), or a piezoelectric single crystal may be used. Good.
  • a cylindrical case 10 is fixed so as to surround the piezoelectric body 8, and the piezoelectric body 8 is protected from the outside.
  • the case 10 is made of aluminum.
  • a terminal block 11 is provided at the opening of the case 10 (the inner surface near the end opposite to the connection portion of the acoustic matching layer 9).
  • the terminal block 11 and the piezoelectric body 8 are provided with a certain gap so that they do not come into contact with each other due to external impact, vibration of the piezoelectric body 8 or the like.
  • the terminal block 11 is provided with two rod-like terminals 12, and these terminals 12 are electrically connected to the electrodes of the piezoelectric body 8 through lead wires 13, respectively. That is, an alternating electric field can be applied to the piezoelectric body 8 via the terminal 12.
  • the ultrasonic vibrator 7 having such a configuration, when an alternating electric field having a specific frequency is applied to the electrodes provided on both main surfaces of the piezoelectric body 8, elastic vibration determined by the material constant, shape, dimensions, and the like is applied to the piezoelectric body 8. Can be excited. A sound wave generated by this elastic vibration is radiated to a medium such as air through the acoustic matching layer 9 and propagates in a specific direction (upward direction in FIG. 2).
  • the acoustic matching layer 9 is for matching the acoustic impedance between the piezoelectric body 8 and a medium such as air, and attenuation of sound waves due to reflection at a boundary surface due to a difference in acoustic impedance between the piezoelectric body and the medium. Is reduced.
  • the audible band signal source 2, the carrier wave oscillator 3, the modulator 4, and the power amplifier 5 are constituted by only one set.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of frequency characteristics of admittance and frequency characteristics of vibration displacement in the thickness direction in a conventional piezoelectric body.
  • a piezoelectric body has a plurality of resonance modes having different vibration directions and vibration modes (vibration modes) depending on the shape (size ratio), the direction of polarization (c-axis in the case of a single crystal) and the direction of an alternating electric field to be applied. Can be excited.
  • FIG. 3 shows a cylindrical piezoelectric body.
  • the piezoelectric body in the figure is a piezoelectric ceramic polarized in the thickness direction, and an AC electric field is applied in the thickness direction.
  • the vibration displacement in the thickness direction is first near the frequency f L1 at which the admittance Y is maximized.
  • a first resonance mode in which ⁇ L1 is maximum occurs. This resonance mode at the frequency f L1 is called longitudinal vibration in the thickness direction.
  • a second resonance mode in which the radial vibration displacement is maximized is generated in the vicinity of the frequency f D1 at which the admittance Y is maximized.
  • the resonance mode at this frequency f D1 is called radial expansion vibration. Note that the radial vibration displacement of the radial spreading vibration is not shown in FIG.
  • the piezoelectric body is also an elastic body, vibration displacement occurs in the radial direction, and vibration displacement occurs also in the thickness direction due to Poisson coupling.
  • the vibration displacement in the thickness direction in the vicinity of the frequency f D1 is very small compared to the vibration displacement ⁇ L1 in the vicinity of the frequency f L1 because the thickness L of the cylinder is larger than the diameter D.
  • the vibration displacement in the thickness direction of the piezoelectric body decreases rapidly and is hardly obtained.
  • the vibration displacement in the radial direction decreases and can hardly be obtained except in the vicinity of the frequency f L1 and the frequency f D1 . That is, the piezoelectric body hardly vibrates in the thickness direction and the radial direction at frequencies other than the vicinity of the frequency f L1 and the frequency f D1 .
  • the two resonance modes ie, the longitudinal vibration in the thickness direction and the vibration in the radial direction, do not affect each other and vibrate independently in the vicinity of the respective resonance frequencies.
  • each resonance mode does not affect each other and vibrates independently, and the mechanical quality factor Qm of each resonance mode increases.
  • a cylindrical piezoelectric body 8 having a dimensional ratio L / D between the thickness L and the diameter D of about 0.7 is used. It was.
  • a mode-coupled vibration is excited at a frequency between the resonance frequencies for exciting the two resonance modes of the thickness direction longitudinal vibration and the radial spread vibration, It is possible to obtain a vibration displacement ⁇ L of a certain level or more in the thickness direction.
  • a part of the frequency band in which this mode-coupled vibration can be excited is used as a carrier frequency band.
  • FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of admittance and vibration displacement of the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows an example of the result of numerical calculation of the frequency characteristics of the admittance Y of the piezoelectric body 8 and the vibration displacement ⁇ L in the thickness direction in the first embodiment using the finite element method.
  • the piezoelectric body 8 excites a resonance mode having a high mechanical quality factor Qm at two resonance frequencies, frequency f m1 and frequency f m2 . Furthermore, between the frequency f m1 and frequency f m @ 2, and exciting the vibration mode coupling, as compared with the vicinity of the two frequencies f m1 and frequency f m @ 2, the absolute vibration displacement xi] L of the thickness direction Although the value is small, it is possible to obtain a frequency band with a small amount of change with respect to frequency fluctuation. In particular, in the vicinity of the frequency f Lm where the vibration displacement in the thickness direction becomes the minimum value ⁇ Lm , a flat region in which the change amount of the vibration displacement ⁇ L is the smallest with respect to the frequency variation can be obtained.
  • the frequency region based on the frequency f Lm that excites the above mode-coupled vibration and minimizes the vibration displacement ⁇ L in the thickness direction is used as the frequency of the carrier wave. Even when the resonance frequency of the longitudinal vibration in the thickness direction and the radial expansion vibration of the piezoelectric body 8 fluctuates due to variations in materials and shapes, etc., within the frequency range in which mode-coupled vibration can be excited, The vibration amplitude fluctuation of the sound wave vibrator is small and stable. As a result, when the signal in the audible band is self-demodulated, a wide band and a stable sound pressure can be realized.
  • FIG. 5 is a diagram showing that a specific frequency band centered on the resonance frequency f m1 is a carrier frequency in the first embodiment of the present invention.
  • the resonance frequency f m1 In the vicinity, since the mechanical quality factor Qm of the resonance mode is high, the vibration displacement of the ultrasonic vibrator 7 is large, and the sound wave emitted from the ultrasonic vibrator 7 can also obtain a high sound pressure.
  • the vibration displacement of the ultrasonic transducer 7 is smaller at a frequency away from the resonance frequency f m1 by a frequency variation width ⁇ f than at the vicinity of the resonance frequency f m1 .
  • the ultrasonic vibrator 7 when the ultrasonic vibrator 7 is excited with a signal obtained by modulating a wideband audible band signal with the resonance frequency fm1 as the frequency of the carrier wave, the vibration displacement of the ultrasonic vibrator 7 is reduced within the frequency range of the applied electric field. Since the amount of change is large, the sound pressure fluctuation with respect to the frequency of the sound wave radiated from the ultrasonic transducer becomes large, and the demodulated sound wave in the audible band also has a large amplitude fluctuation range depending on the frequency, and it is difficult to obtain a stable sound pressure. Become.
  • a part of the frequency band in which mode-coupled vibration in which the change amount of the vibration displacement ⁇ L with respect to the frequency variation is relatively small can be excited is defined as the carrier frequency. This makes it possible to reproduce an audible band signal with a wide band and a stable sound pressure.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency of radial expansion vibration and the vibration displacement in the thickness direction in the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a numerical calculation of the vibration displacement ⁇ L in the thickness direction by using the finite element method by changing the resonance frequency f m2 of the radial expansion vibration in the piezoelectric body 8 formed using the composite perovskite piezoelectric material. It is an example of the result.
  • the horizontal axis shows the normalized frequency of the alternating electric field applied to the piezoelectric body 8, and shows the value of the resonance frequency f m2 when the resonance frequency f m1 is 1.
  • the vertical axis represents the vibration displacement ⁇ L.
  • the minimum value ⁇ of the vibration displacement ⁇ L Lma and ⁇ Lmb are extremely small. That is, it can be understood that vibration displacement in the thickness direction of the piezoelectric body 8 is hardly obtained at the frequencies indicating the minimum values ⁇ Lma and ⁇ Lmb . Further, almost no vibration displacement in the radial direction could be obtained. Therefore, it can be seen that in the frequency characteristic a and the frequency characteristic b, the two resonance modes do not affect each other and vibrate independently.
  • the minimum values ⁇ Lmc and ⁇ Lmd of the vibration displacement ⁇ L are larger than the minimum values ⁇ Lma and ⁇ Lmb . That is, by bringing the resonance frequency f m2 closer to the resonance frequency f m1 , the vibration displacement ⁇ L in the thickness direction shows a value greater than a certain value, and the piezoelectric body 8 under such conditions excites the resonance mode. Between the frequencies, vibration mode-coupled to the piezoelectric body 8 can be excited.
  • the frequency characteristic shows a waveform such as the frequency characteristic c or the frequency characteristic d.
  • mode coupling occurs in the piezoelectric body 8.
  • the frequency indicating the first resonance mode of the piezoelectric body 8 is f m1 and the frequency indicating the second resonance mode is f m2 , the frequency indicating the first resonance mode and the frequency indicating the second resonance mode.
  • the dimensional ratio L / D of the piezoelectric body 8 may be adjusted as appropriate. By adjusting the dimensional ratio L / D, it is possible to adjust the frequency f m1 indicating the first resonance mode and the frequency f m2 indicating the second resonance mode.
  • FIG. 6 shows an example in which the piezoelectric body 8 is formed using a composite perovskite piezoelectric material.
  • a piezoelectric ceramic such as a PZT ceramic
  • the result of the same numerical calculation shows that f m1
  • mode coupling occurs in the piezoelectric body 8 when / f m2 is 0.4 or more. Accordingly, it is considered that mode coupling occurs in the piezoelectric body 8 if f m1 / f m2 is at least 0.4 or more, not limited to the composite perovskite piezoelectric material.
  • the impedance of the piezoelectric body 8 is low at the resonance frequency fm1 .
  • the power source connected to the ultrasonic vibrator 7 tends to flow more current.
  • the burden on the power source becomes large or no current flows.
  • the impedance of the piezoelectric body 8 is relatively high in the frequency band in which mode-coupled vibration can be excited, the ultrasonic vibrator 7 can be stabilized without adversely affecting the power source as described above. It is possible to drive.
  • the piezoelectric body 8 of the first embodiment it is possible to obtain the sound reproducing device 1 that can exhibit stable performance against stress received from the surroundings due to a disturbance such as a temperature change or vibration. Details thereof will be described below.
  • FIG. 7 is a diagram showing frequency characteristics of vibration displacement with respect to the mechanical quality factor Qm of the piezoelectric body in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows only the frequency characteristics of the vibration displacement ⁇ L in FIG. 5, and the horizontal and vertical axes indicate the minimum value ⁇ Lm of the vibration displacement in the frequency band in which mode-coupled vibration can be excited, Each is shown normalized based on the frequency f Lm at that time.
  • the solid line indicates the frequency characteristics when the piezoelectric body 8 is unloaded without disturbance, and the dotted line indicates the frequency characteristics when stress is applied to the piezoelectric body 8 from the outside.
  • the frequency f m1 and the frequency f m2 In the vicinity of the respective resonance frequencies for exciting the first and second resonance modes, the frequency f m1 and the frequency f m2 , the mechanical quality factor Qm of the resonance mode varies and the vibration displacement ⁇ L varies greatly depending on the presence or absence of stress. I understand that.
  • the mechanical quality factor Qm becomes low and the vibration displacement ⁇ L is unloaded. It is reduced to about 1/5 of the case.
  • the vibration displacement ⁇ L is hardly reduced even when the same stress is applied.
  • FIG. 7 shows that the susceptibility to the vibration displacement of the ultrasonic vibrator 7 due to the load fluctuation from the outside varies depending on the frequency of the AC electric field applied to the ultrasonic vibrator 7.
  • FIG. 7 shows that in a frequency band in which mode-coupled vibration can be excited, it is difficult to be affected by vibration displacement due to load fluctuations.
  • the piezoelectric body 8 is affected by disturbance such as temperature change, vibration, and support fixing conditions. Even when stress is applied, the change in the vibration displacement ⁇ L is small. As a result, it is possible to obtain the sound reproducing device 1 that can reproduce sound waves in a wide band and an audible band having a stable sound pressure.
  • the ultrasonic vibrator 7 may be affected by heat generated when the sound reproducing device 1 of the first embodiment is driven. That is, when the temperature of the ultrasonic vibrator 7 changes, the sound velocity of the piezoelectric body 8 changes, and this change affects the resonance frequency of the ultrasonic vibrator 7.
  • the piezoelectric ceramic used as the piezoelectric body 8 has a high temperature dependency of the resonance frequency and low stability of the resonance frequency with respect to a temperature change. Therefore, when a frequency in the vicinity of the resonance frequency is used as the frequency of the carrier wave, it is considered that a desired sound pressure cannot be obtained if the resonance frequency changes due to a temperature change.
  • the frequency of the carrier wave a part of the frequency band that can excite mode-coupled vibration that is not easily affected by temperature change is used as the frequency of the carrier wave. Even if the temperature of the ultrasonic vibrator 7 changes due to heat, sound waves in the audible band having a stable sound pressure can be reproduced.
  • the frequency of the carrier wave is preferably selected in a frequency band in which mode-coupled vibration can be excited, in particular, based on the frequency at which the vibration displacement ⁇ L of the ultrasonic transducer 7 is minimized.
  • FIG. 8 is a diagram showing that a specific frequency band centered on the frequency f Lm at which the vibration displacement takes the minimum value ⁇ Lm is used as the frequency of the carrier wave in the first embodiment of the present invention.
  • the frequency band including the frequency f Lm for example, the constant frequency band f Lm ⁇ ⁇ f centered on the frequency f Lm is used as the carrier frequency, so that the sound pressure of the sound wave in the audible band to be reproduced is further stabilized.
  • Bandwidth can be expanded.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the frequency at which the admittance takes a maximum value and the minimum value of vibration displacement in the thickness direction when the dimensional ratio is changed in the piezoelectric body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows a resonance frequency f m1 of longitudinal vibration in the thickness direction, a resonance frequency f m2 of radial expansion vibration, and excitation between these two resonance modes in the piezoelectric body 8 formed using the composite perovskite piezoelectric material.
  • the maximum displacement ⁇ Lm in the mode-coupled vibration that can be performed is obtained by numerical calculation by the finite element method by changing the dimensional ratio L / D of the piezoelectric body 8.
  • the horizontal axis is a standardized dimension ratio L / D of the piezoelectric body 8.
  • the left axis of the vertical axis is a frequency normalized based on the frequency f Lm when the dimensional ratio L / D is 1.
  • the axis on the right side of the vertical axis is the vibration displacement normalized based on the vibration displacement ⁇ Lm in the thickness direction when the dimension ratio L / D is 1.
  • the frequency f m1 is a solid line
  • the frequency f m2 is a one-dot chain line
  • the vibration displacement ⁇ Lm is a wavy line.
  • the vibration displacement ⁇ Lm in the mode-coupled vibration increases as the size ratio L / D of the piezoelectric body 8 increases, and when the size ratio L / D is around 0.7 and the size ratio L / D is 1. It can be seen that the maximum value is about 1.7 times the value of, and then decreases. For this reason, in the first embodiment, the dimension ratio L / D is set to 0.7 at which the vibration displacement ⁇ Lm is maximized.
  • the dimensional ratio L / D of the piezoelectric body 8 is not limited to 0.7, but within a range of ⁇ 0.3 centered on 0.7 where the vibration displacement ⁇ Lm takes the maximum value, that is, the dimensional ratio.
  • L / D should just be a value of 0.4-1.0. If the dimensional ratio L / D is a value of 0.4 or more and 1.0 or less, the piezoelectric body 8 can efficiently vibrate with respect to the applied AC electric field, and sound waves can be emitted from the ultrasonic transducer 7. As an acoustic reproduction device, it is possible to output sound waves in the audible band efficiently.
  • the vibration loss of the piezoelectric body 8 increases, and therefore the vibration amplitude with respect to the applied AC electric field. Becomes smaller.
  • the sound wave radiated from the ultrasonic vibrator 7 becomes small, and the heat generated by the vibration loss adversely affects the material characteristics of the piezoelectric body 8, which increases the possibility of deteriorating the operation reliability of the ultrasonic vibrator 7. .
  • the piezoelectric body 8 is formed using a composite perovskite piezoelectric material
  • the same numerical calculation and prototyping are performed even when the piezoelectric ceramic such as PZT ceramic or the material such as the piezoelectric single crystal is different.
  • the examination it is possible to determine the optimum dimensional ratio L / D of the cylindrical piezoelectric body 8.
  • the sound emitting unit 6 is configured by one ultrasonic transducer.
  • the sound emitting unit is configured by a plurality of ultrasonic transducers 7 will be described below.
  • FIG. 10 is a front view of the sound emitting unit in the second embodiment of the present invention.
  • the sound emitting unit 14 in the second embodiment is configured by arranging a plurality of ultrasonic transducers 7 in a plane.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the admittance and vibration displacement of the piezoelectric bodies of the three ultrasonic transducers according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows the frequency characteristics of the admittances and the frequency characteristics of the vibration displacement of the piezoelectric bodies 8 constituting the three ultrasonic vibrators 7 among the ultrasonic vibrators 7 constituting the sound emitting unit 14 of FIG.
  • the admittance Y 1 and the vibration displacement ⁇ L1 , the admittance Y 2 and the vibration displacement ⁇ L2 , and the admittance Y 3 and the vibration displacement ⁇ L3 indicate the admittance of the same piezoelectric body 8 and the frequency characteristics of the vibration displacement, respectively. ing.
  • the admittance Y 1 , admittance Y 2 , admittance Y 3 , vibration displacement ⁇ L1 , vibration displacement ⁇ L2 , and vibration displacement ⁇ L3 of the three piezoelectric bodies 8 do not have exactly the same frequency characteristics. Cause misalignment. This is due to variations in manufacturing conditions, material characteristics, and shape dimensions when the piezoelectric body 8 is manufactured. Furthermore, since variations in assembling the ultrasonic vibrator 7 by supporting and fixing the piezoelectric body 8 are also affected, in the admittance of a plurality of ultrasonic vibrators 7 constituting the sound emitting unit 14 or the frequency characteristics of vibration displacement, The resonance frequency that can excite the resonance mode also varies.
  • each ultrasonic vibrator 7 When a plurality of ultrasonic vibrators 7 having the same resonance frequency are used and the frequency of the carrier wave is fixed near the frequency f m1 or the frequency f m2 and the sound reproducing apparatus is configured, each ultrasonic vibrator 7 The sound pressure level of the sound wave emitted from the sound source varies, and as a result, it may be difficult to obtain a stable sound pressure when the sound wave in the audible band is demodulated.
  • the frequency of the carrier wave is not a resonance frequency that excites the resonance mode, but a frequency that can excite mode-coupled vibration excited between the resonance modes. A part of the band is used.
  • the piezoelectric body 8 in the second embodiment is the same as the piezoelectric body 8 in the first embodiment, and has a cylindrical shape with a dimensional ratio L / D between the thickness L and the diameter D of 0.7. It is a piezoelectric body. With such a dimensional ratio, a part of a frequency band in which the sound emitting unit 14 is configured by a plurality of piezoelectric bodies 8 as shown in FIG. 10 and vibrations mode-coupled to the piezoelectric bodies 8 can be excited. Is the frequency of the carrier wave, electric fields having the same amplitude and the same frequency are applied to the respective piezoelectric bodies 8.
  • the sound emitting unit 14 is an example in the case where there is an individual difference in the resonance frequency of the piezoelectric body 8 constituting the ultrasonic vibrator 7, but in the case where the sound emitting unit 14 is configured by the piezoelectric body 8 having the same resonance frequency. Even if it exists, it is effective. That is, the frequency characteristics of the vibration amplitude of the ultrasonic transducer 14 may change due to a temperature change of the ultrasonic transducer 14 during operation or stress applied to the piezoelectric body 8 when the ultrasonic transducer 14 is assembled. Even in such a case, the configuration of the second embodiment can be applied.
  • the sound reproducing device 1 according to the second embodiment in FIG. 10 is illustrated as a configuration in which the ultrasonic transducers 7 in the sound emitting unit 14 are densely arranged in a honeycomb shape, but the arrangement method is not limited thereto. However, the same effect can be obtained as long as the sound wave emitted from the sound emitting unit can be efficiently collected at a predetermined position.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 15 according to the third embodiment.
  • the configuration of the ultrasonic transducer 7 shown in the first embodiment is partially different. Since the configuration other than this is the same as that of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions will be described.
  • the case 16 has a bottomed cylindrical shape, and the piezoelectric body 8 is placed at the center of the inner bottom surface of the case 16.
  • Two rod-shaped terminals 12 are provided on the inner bottom surface of the case 16, and these terminals 12 are electrically connected to the electrodes of the piezoelectric body 8 through lead wires 13 as in the first embodiment.
  • the case 16 is made of aluminum.
  • a conical resonator 17 is fixed to the central portion of the upper end surface of the piezoelectric body 8 with an adhesive.
  • the material of the resonator 17 is preferably light and has a sound velocity of about 3,000 to 10,000 m / s.
  • the resonator 17 capable of following the amplitude of the piezoelectric body 8 can be configured, and the vibration mode remains unchanged without changing the vibration mode shape.
  • the amplitude can be amplified by That is, the resonator 17 according to the third embodiment exhibits resonance characteristics corresponding to the vibration of the piezoelectric body 8 and can emit a stable ultrasonic wave to a medium such as air with respect to the amplitude of the piezoelectric body 8.
  • the resonator 17 is also surrounded by the case 16 as shown in FIG.
  • the resonator 17 is provided so that the diameter of the sound source can be increased and the sound pressure output can be improved.
  • the sound reproduction device 1 according to Embodiment 1 since the sound reproduction device 1 according to Embodiment 1 outputs ultrasonic waves having high directivity, it is possible to reproduce sound waves in the audible band only in a very narrow spatial range.
  • the resonator 17 is provided like the ultrasonic transducer 15 of the third embodiment, and the directivity of the sound reproducing device 1 is expanded. Can be supported.
  • each ultrasonic transducer 15 is formed by the resonator 17 as described above. It has the characteristic that directivity is expanded to some extent. For this reason, the radiation range of the ultrasonic wave output from each ultrasonic transducer 15 is likely to overlap with the ultrasonic radiation range of the ultrasonic transducer 15 disposed in the vicinity thereof. That is, at the positions where the radiation ranges overlap, the ultrasonic waves output from the ultrasonic transducers 15 are added together, so that the sound waves in the audible band to be reproduced can be heard with a higher sound pressure. It becomes possible.
  • the directivity by the resonator 17 can be adjusted by appropriately changing the angle of the conical portion of the resonator 17.
  • the circular part of the cone is not limited to a perfect circle and may be an ellipse.
  • the shape of the piezoelectric body 8 constituting the ultrasonic vibrator 7 is a cylindrical shape, and the vibration excited by the piezoelectric body 8 is the resonance vibration of the thickness direction longitudinal vibration and the radial expansion.
  • the case where the vibration in which the resonance vibration of the vibration is mode-coupled has been described.
  • the present invention is not limited to a specific shape or a specific resonance mode with respect to the shape of the piezoelectric body and the vibration mode excited in the piezoelectric body.
  • the same effect can be obtained even when the piezoelectric body 8 is formed in a prismatic shape and vibration in which the thickness direction longitudinal vibration and the resonance vibration of the diagonal direction or side direction vibration are mode-coupled is used.
  • the sound reproducing apparatus of the present invention can stabilize the sound pressure of sound waves in the audible band to be reproduced in a wide band by setting a part of the frequency band capable of exciting mode-coupled vibration as the frequency of the carrier wave. .
  • it is useful as a sound reproducing device that reproduces sound waves in the audible band only in a limited spatial range.

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Abstract

本発明の音響再生装置は、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とする。周波数に対する振動変位の変化率の低いモード結合の周波数を搬送信号とすることで、可聴帯域信号源から出力された可聴帯域の信号を幅広い周波数帯域で安定した音圧にて復調、再生可能とする。

Description

音響再生装置
　本発明は、超音波帯域の信号を搬送波として可聴帯域の信号を変調して放射し、特定の空間範囲で可聴帯域の音波が再生可能な高い指向性を有する音響再生装置に関するものである。
　通常の音響再生装置は、振動板を介して直接空気等の媒体中へ可聴帯域の音波を放射し、回折効果により比較的広範囲に可聴帯域の音波を伝搬させることができる。
　これに対して、特定の空間範囲にのみ選択的に可聴帯域の音波を伝搬させるために、高い指向性を有する音響再生装置が実用化されている。この音響再生装置は、一般に超指向性スピーカ、或いはパラメトリックスピーカと呼ばれる。可聴帯域の信号を、搬送波として超音波帯域の信号と変調し、更に特定の倍率で増幅した後、この変調された信号を超音波振動子等から成る放音部へ入力し、空気等の媒体中へ超音波帯域の音波として放射するものである。
　放音部から放射された音波は、搬送波である超音波の伝搬特性により、高い指向性を持って媒体を伝搬する。更に、超音波帯域の音波が媒体中を伝搬するうちに、媒体の非線形性により、可聴帯域の音波の振幅が蓄積的に増加すると共に、超音波帯域の音波が媒体による吸収や球面拡散によって減衰する。この結果、超音波帯域に変調された可聴帯域の音波は、媒体の非線形性により可聴帯域の音波に自己復調し、限られた狭い空間範囲でのみ可聴帯域の音波を再生することができる。
　即ち、超指向性スピーカとは、音波が伝搬する媒体の非線形性と、超音波が有する指向性の高さを利用したものである。例えば、超指向性スピーカを美術館や博物館の展示物の説明用のスピーカとして用いれば、特定の空間範囲内に存在する人物にのみ可聴帯域の音波を伝えることができる。
　上記の音響再生装置は、できるだけ低い入力電界で再生する可聴帯域の音波の音圧を高めるために、圧電体等から成る超音波振動子の共振モードを励振させる共振周波数近傍の周波数を、搬送波の周波数として用いる。この共振周波数の近傍では、機械的品質係数Ｑｍ（圧電体等が共振振動を起こした時の共振周波数近傍における機械的な振動変位の鋭さを示す定数）が高く、印加する交流電界に対して最大の振動変位を得ることができる。
　しかしながら、圧電体やその他構成要素の形状、寸法や支持固定方法等の構造的な条件と、圧電体がセラミックの場合、分極や焼成等の工程による圧電定数や弾性定数等の材料特性的な条件により、超音波振動子の共振周波数は個体間でばらつきがある。また機械的品質係数Ｑｍも、超音波振動子自体の温度変化や空気等の媒体による負荷変動により影響を受けるので、複数の超音波振動子に、同じ周波数で同じ振幅の電界を印加しても、超音波振動子の振動振幅は個々に異なるために、可聴帯域の信号を復調、再生させた際に、可聴帯域の信号の周波数帯域によっては所望の音圧を得ることができないという課題があった。
　尚、上記の音響再生装置に関する先行技術文献情報として非特許文献１が知られている。
田中恒雄、岩佐幹郎、木村陽一著「パラメトリックスピーカの実用化について」日本音響学会超音波研究会資料、ＵＳ８４－６１、１９８４年（第１頁－第２頁、第１図、第２図）
　本発明は、可聴帯域の信号を生成する可聴帯域信号源と、搬送波を生成する搬送波発振器と、可聴帯域の信号を搬送波とで変調する変調器と、変調器から出力された信号が入力されて再生音を超音波振動子により出力する放音部とを少なくとも備える。放音部の超音波振動子は、異なる周波数で振動変位が極大となる複数の共振モードを有し、複数の共振モードを励振する周波数の間でモード結合した振動を励振することができる。モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とする。
　これにより、超音波振動子の製造工程や、動作中の負荷変動等により、超音波振動子の共振周波数がばらついたり、または変動した場合であっても、モード結合した振動を励振することができる周波数範囲内では、超音波振動子の振動振幅変動が少なく安定している。その結果、可聴帯域の音波を自己復調させた際に、広帯域でかつ安定した音圧が実現される。
図１は、本発明の実施の形態１における音響再生装置のブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１における超音波振動子の断面図である。 図３は、従来の圧電体のアドミッタンス及び厚さ方向の振動変位の周波数特性を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１における圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態１において共振周波数ｆｍ１を中心とした特定の周波数帯域を搬送波の周波数としたことを示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１における圧電体において、径方向拡がり振動の共振周波数と厚さ方向の振動変位の関係を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態１における圧電体の機械的品質係数Ｑｍに対する振動変位の周波数特性を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１において振動変位が極小値ξＬｍをとる周波数ｆＬｍを中心とした特定の周波数帯域を搬送波の周波数としたことを示す図である。 図９は、本発明の実施の形態１の圧電体において寸法比を変化させた場合の、アドミッタンスが極大値をとる周波数と、厚さ方向の振動変位の極小値の関係を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態２における放音部の正面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２における３つの超音波振動子の圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図である。 図１２は、本発明の実施の形態３における超音波振動子の断面図である。
　（実施の形態１）
　以下、図を用いて、本実施の形態１における音響再生装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における音響再生装置のブロック図である。図１は、本発明の音響再生装置１の駆動部を説明する。
　可聴帯域信号源２で生成した可聴帯域の信号（周波数として概ね２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ）と、搬送波発振器３で生成した搬送波（概ね２０ｋＨｚ以上の超音波）を変調器４に入力して、可聴帯域の信号を搬送波で変調させる。変調させた信号をパワーアンプ５で増幅し、放音部６へ入力する。放音部６へ入力された変調器４からの信号は、空気等の媒体へ超音波として放射され、一定の距離を伝搬した後、搬送波である超音波帯域の音波が減衰すると共に、媒体の非線形性により可聴帯域の音波が自己復調する。
　このように、本実施の形態１における音響再生装置１では、高い指向性を有する超音波を搬送波として利用することで、非常に狭い空間範囲にのみ可聴帯域の音波を再生することができる構成となっている。
　次に、図２を用いて放音部６を構成する超音波振動子７について説明する。図２は、本発明の実施の形態１における超音波振動子７の断面図である。
　超音波振動子７は、変調器４からの信号が入力されることにより、圧電体８を振動させ、空気等の媒体に音波を放射する部分である。圧電体８は、複合ペロブスカイト系圧電材料（例えば、ＰｂＴｉＯ３－ＺｒＴｉＯ３－Ｐｂ（Ｍｇ１／２Ｎｂ１／２）ＴｉＯ３等の３成分系の圧電セラミック材料）から成る円柱形状の圧電セラミックであり、図２に示すように音響整合層９の厚さ方向の一方の面上のほぼ中央部に配置されている。この圧電体８は、その厚さをＬ、直径をＤとすると、寸法比Ｌ／Ｄは約０．７であり、厚さＬ方向に分極されている。ここで、圧電体８は複合ペロブスカイト系圧電材料としたが、これ以外にもＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ３－ＺｒＴｉＯ３）系やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等の圧電セラミックや圧電単結晶等を用いてもよい。
　音響整合層９の周縁部付近には、圧電体８を囲むように筒状のケース１０が固定されており、圧電体８を外部から保護している。本実施の形態１ではケース１０をアルミ製のものとしている。
　更に、ケース１０の開口部（音響整合層９の接続部分とは逆の端部付近の内側面）には端子台１１が設けられている。この端子台１１と圧電体８とは、外部からの衝撃や圧電体８の振動等により互いに接触しないように、一定の隙間が設けられている。更に端子台１１には、棒状の端子１２が２本設けられており、これら端子１２はそれぞれ、リード線１３を介して圧電体８の電極と電気的に接続されている。即ち、端子１２を介して圧電体８に交流電界を印加することができる。
　このような構成の超音波振動子７において、圧電体８の両主面に設けられた電極に特定の周波数の交流電界を印加すると、圧電体８に材料定数、形状や寸法等で決まる弾性振動を励振させることができる。この弾性振動により発生する音波を、音響整合層９を介して空気等の媒体に放射し特定の方向（図２における上方向）へ伝搬させる。
　ここで、音響整合層９は、圧電体８と空気等の媒体との音響インピーダンスの整合をとるものであり、圧電体と媒体との音響インピーダンスの相違による境界面での反射等による音波の減衰を低減するものである。
　尚、本実施の形態１においては、上記の可聴帯域信号源２、搬送波発振器３、変調器４、及びパワーアンプ５は一組のみで構成されている。
　次に、本発明のポイントである搬送波の周波数の決定方法について詳細に説明する。
　図３は、従来の圧電体におけるアドミッタンスの周波数特性及び厚さ方向の振動変位の周波数特性の一例を示す図である。一般に、圧電体は、形状（寸法比）や、分極（単結晶の場合はｃ軸）の方向と印加する交流電界の方向等により、振動方向や振動姿態（振動モード）が異なる複数の共振モードを励振することができる。
　図３は、円柱形状の圧電体であり、その厚さをＬ、直径をＤとした時、寸法比Ｌ／Ｄを２．５以上とした場合の、アドミッタンスと厚さ方向の振動変位の周波数特性の一例を示した図である。尚、同図における圧電体は、厚さ方向に分極した圧電セラミックであり、厚さ方向に交流電界が印加されている。
　圧電体に印加する交流電界の周波数を低周波数側から高周波数側に変化させていくと、図３に示すように最初にアドミッタンスＹが極大となる周波数ｆＬ１近傍で、厚さ方向の振動変位ξＬ１が極大となる第一の共振モードが生じる。この周波数ｆＬ１における共振モードは、厚さ方向縦振動と呼ばれるものである。
　更に、周波数を高くしていくと、次にアドミッタンスＹが極大となる周波数ｆＤ１近傍で、径方向の振動変位が極大となる第二の共振モードが生じる。この周波数ｆＤ１における共振モードは径方向拡がり振動と呼ばれるものである。尚、この径方向拡がり振動の径方向の振動変位は図３には図示されていない。
　図３に示すように、圧電体も弾性体であるので、径方向に振動変位が生じると同時に、ポアソン結合により厚さ方向にも振動変位が生じる。しかしながら、この周波数ｆＤ１近傍での厚さ方向の振動変位は、円柱の厚さＬが直径Ｄに対して大きいので、周波数ｆＬ１近傍における振動変位ξＬ１に比べ非常に小さいものである。
　周波数ｆＬ１と周波数ｆＤ１の近傍以外では、圧電体の厚さ方向の振動変位は急激に減少して殆ど得られなくなる。同様に、径方向の振動変位も周波数ｆＬ１と周波数ｆＤ１の近傍以外では減少して殆ど得ることができない。即ち、周波数ｆＬ１と周波数ｆＤ１の近傍以外の周波数では、圧電体は厚さ方向においても、また径方向においても殆ど振動しない。これは２つの共振モード、即ち、厚さ方向縦振動と径方向拡がり振動とは互いに影響を及ぼさず、それぞれの共振周波数近傍で独立して振動することを意味する。
　このように、円柱形状の圧電体において厚さＬと直径Ｄのいずれか一方を大きくする（一般的に、厚さＬを直径Ｄの２．５倍以上とした円柱形状、或いは直径Ｄを厚さＬの１５倍以上とした円板形状）ことにより、それぞれの共振モードは互いに影響を及ぼさず独立に振動すると共に、それぞれの共振モードの機械的品質係数Ｑｍは高くなる。
　これに対して本実施の形態１における音響再生装置１の超音波振動子７では、厚さＬと直径Ｄとの寸法比Ｌ／Ｄを約０．７とした円柱形状の圧電体８を用いた。このような寸法比の圧電体８を用いることにより、厚さ方向縦振動と径方向拡がり振動との２つの共振モードを励振する共振周波数の間の周波数において、モード結合した振動を励振させて、厚さ方向において一定以上の振動変位ξＬを得ることができる。また、周波数変動に対して変化の少ない振動変位ξＬを圧電体８に励振させることが可能となる。本実施の形態１では、このモード結合した振動を励振させることができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数帯域とするものである。
　図４は、本発明の実施の形態１における圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図である。図４において、本実施の形態１における圧電体８のアドミッタンスＹ、及び厚さ方向の振動変位ξＬの周波数特性を、有限要素法を用いて数値計算した結果の一例を示す。
　図４に示すように、２つの共振周波数、周波数ｆｍ１と周波数ｆｍ２とで圧電体８は、それぞれ機械的品質係数Ｑｍの高い共振モードを励振している。更に、周波数ｆｍ１と周波数ｆｍ２との間では、モード結合した振動を励振しており、上記２つの周波数ｆｍ１と周波数ｆｍ２の近傍に比べて、厚さ方向の振動変位ξＬの絶対値は小さいが、周波数変動に対する変化量の小さい周波数帯域を得ることができる。特に、厚さ方向の振動変位が極小値ξＬｍとなる周波数ｆＬｍ近傍において、周波数変動に対して振動変位ξＬの変化量が最も小さい平坦な領域を得ることができる。
　上記のモード結合した振動を励振させ、かつ厚さ方向の振動変位ξＬが極小となる周波数ｆＬｍを基準とした周波数領域を搬送波の周波数として用いる。材料や形状のばらつき等で圧電体８の厚さ方向縦振動と径方向拡がり振動の共振周波数がそれぞれ変動した場合であっても、モード結合した振動を励振することができる周波数範囲内では、超音波振動子の振動振幅変動が少なく安定している。その結果、可聴帯域の信号を自己復調させた際に、広帯域でかつ安定した音圧を実現することができる。
　この可聴帯域の信号を自己復調させた際に安定した音圧を得ることができる点について、以下にその詳細を説明する。
　図５は、本発明の実施の形態１において共振周波数ｆｍ１を中心とした特定の周波数帯域を搬送波の周波数としたことを示す図である。図５に示すように、仮に超音波振動子７に印加する電界の振幅を固定して、周波数が共振周波数ｆｍ１を中心とした一定の周波数帯域ｆｍ１±Δｆとした場合、共振周波数ｆｍ１近傍では、共振モードの機械的品質係数Ｑｍが高いために超音波振動子７の振動変位が大きく、超音波振動子７から放射される音波も高い音圧を得ることができる。しかしながら、共振周波数ｆｍ１から周波数変動幅Δｆ離れた周波数では、共振周波数ｆｍ１近傍に比べて超音波振動子７の振動変位が小さくなる。
　このように、共振周波数ｆｍ１を搬送波の周波数として、広帯域の可聴帯域信号を変調した信号で超音波振動子７を励振すると、印加する電界の周波数範囲内で超音波振動子７の振動変位の変化量が大きいので、超音波振動子から放射される音波の周波数に対する音圧変動が大きくなり、復調させた可聴帯域の音波も周波数による振幅変動幅が大きく、安定した音圧を得ることが難しくなる。
　そこで、本実施の形態１における音響再生装置１のように、周波数変動に対する振動変位ξＬの変化量が比較的小さいモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とすることで、可聴帯域の信号を広帯域でかつ安定した音圧で再生することが可能となる。
　ここで、圧電体８にモード結合した振動を励振させるための条件を、２つの共振周波数、周波数ｆｍ１と周波数ｆｍ２の関係から考察した結果について以下に説明する。
　図６は、本発明の実施の形態１における圧電体において、径方向拡がり振動の共振周波数と厚さ方向の振動変位の関係を示す図である。図６は、複合ペロブスカイト系圧電材料を用いて形成した圧電体８において、径方向拡がり振動の共振周波数ｆｍ２を変化させて、厚さ方向の振動変位ξＬを有限要素法を用いて数値計算した結果の一例である。
　図６において、横軸は圧電体８に印加する交流電界の周波数を規格化して示したものであり、共振周波数ｆｍ１を１とした時の共振周波数ｆｍ２の値をそれぞれ記載している。縦軸は振動変位ξＬを表す。
　図６に示すように、共振周波数ｆｍ２がそれぞれｆｍ２ａ（＝３．１７）、ｆｍ２ｂ（＝２．６９）である周波数特性ａ、周波数特性ｂにおいては、振動変位ξＬの極小値ξＬｍａ、ξＬｍｂは極めて小さい。すなわち、この極小値ξＬｍａ、ξＬｍｂを示す周波数においては、圧電体８の厚さ方向の振動変位は殆ど得られないことがわかる。また、径方向の振動変位も殆ど得ることができなかった。したがって、周波数特性ａ、周波数特性ｂにおいて、２つの共振モードは互いに影響を及ぼさず、独立して振動していることがわかる。
　一方、周波数特性ａ、周波数特性ｂに比べ、共振周波数ｆｍ２を共振周波数ｆｍ１に近づけ、共振周波数ｆｍ２をｆｍ２ｃ（＝２．４４）、ｆｍ２ｄ（＝２．２５）とした周波数特性ｃ、周波数特性ｄにおいては、振動変位ξＬの極小値ξＬｍｃ、ξＬｍｄが極小値ξＬｍａ、ξＬｍｂに比べ、大きくなっている。すなわち、共振周波数ｆｍ２を共振周波数ｆｍ１に近づけることで、厚さ方向の振動変位ξＬは一定以上の値を示すようになり、このような条件の圧電体８では、共振モードを励振する周波数の間で、圧電体８にモード結合した振動を励振させることができる。
　本数値計算の結果によると、圧電体８の共振周波数ｆｍ２の規格化された値が、概ね２．５以下であれば、その周波数特性は周波数特性ｃや周波数特性ｄのような波形を示し、圧電体８にモード結合が生じるという結果が得られた。
　したがって、圧電体８の第一の共振モードを示す周波数をｆｍ１と第二の共振モードを示す周波数をｆｍ２とした時、第一の共振モードを示す周波数と第二の共振モードを示す周波数の比であるｆｍ１／ｆｍ２が少なくとも０．４（＝１／２．５）以上であれば、圧電体８にモード結合が生じることがわかる。尚、このようにｆｍ１／ｆｍ２が０．４以上となるようにするには、例えば圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを適宜調整すればよい。寸法比Ｌ／Ｄを調整することで、第一の共振モードを示す周波数ｆｍ１および第二の共振モードを示す周波数ｆｍ２を調整することは可能である。
　尚、図６は複合ペロブスカイト系圧電材料を用いて圧電体８を形成した一例であるが、その他ＰＺＴ系セラミック等の圧電セラミックを用いた場合であっても、同様の数値計算の結果、ｆｍ１／ｆｍ２が０．４以上であれば圧電体８にモード結合が生じるという結果が得られた。したがって、複合ペロブスカイト系圧電材料に限らず、ｆｍ１／ｆｍ２が少なくとも０．４以上であれば、圧電体８にモード結合が生じると考えられる。
　また、図４に示したアドミッタンスＹの周波数特性から明らかなように、共振周波数ｆｍ１においては圧電体８のインピーダンスは低いものとなっている。このようにインピーダンスが低い状態の圧電体８に対しては、超音波振動子７に接続された電源はより多くの電流を流そうとする。この結果、電源への負担が大きくなったり、あるいは電流が流れない可能性がある。これに対し、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域においては、比較的圧電体８のインピーダンスは高いため、電源に上記のような悪影響を及ぼすことなく、超音波振動子７を安定に駆動させることが可能である。
　更に、本実施の形態１の圧電体８を用いることで、温度変化や振動等の外乱により周囲から受ける応力に対して安定した性能を発揮できる音響再生装置１を得ることができる。その詳細を以下に説明する。
　図７は、本発明の実施の形態１における圧電体の機械的品質係数Ｑｍに対する振動変位の周波数特性を示す図である。図７は、図５における振動変位ξＬの周波数特性のみ抽出したものであり、横軸及び縦軸は、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域における振動変位の極小値ξＬｍと、その時の周波数ｆＬｍを基にそれぞれ規格化して示している。実線は、圧電体８が外乱のない無負荷の場合を、点線は圧電体８に外部から応力が加えられた場合の周波数特性である。
　第一、第二の共振モードを励振するそれぞれの共振周波数、周波数ｆｍ１、周波数ｆｍ２近傍では、応力の有無により共振モードの機械的品質係数Ｑｍが変動すると共に振動変位ξＬが大きく変化することがわかる。
　一例を挙げると、第一の共振モード（厚さ方向縦振動：共振周波数ｆｍ１）の場合、外乱等による応力が加えられると機械的品質係数Ｑｍは低くなり、振動変位ξＬは無負荷の場合の約１／５まで減少する。一方、本実施の形態１で用いる搬送波の周波数である周波数ｆＬｍの近傍では、同様の応力が加えられた場合であっても振動変位ξＬは殆ど減少しない。
　即ち、図７は超音波振動子７に印加する交流電界の周波数によって、外部からの負荷変動による超音波振動子７の振動変位への影響の受け易さが異なることを示している。特に、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域では、負荷変動による振動変位への影響を受け難いことがわかる。
　従って、本実施の形態１では、このモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数として用いることにより、温度変化、振動や支持固定条件等の外乱により圧電体８に応力が加えられた場合であっても、振動変位ξＬの変化が少ない。その結果、広帯域でかつ安定した音圧の可聴帯域の音波が再生可能な音響再生装置１を得ることができる。
　更に、本実施の形態１の音響再生装置１を駆動する際に発生する熱によっても、超音波振動子７は影響を受ける可能性がある。即ち、超音波振動子７の温度が変化すると圧電体８の音速が変化するため、この変化が超音波振動子７の共振周波数に変化を及ぼす。特に、本実施の形態１のように、圧電体８として用いた圧電セラミックは、共振周波数の温度依存性が高く、温度変化に対する共振周波数の安定性が低い。したがって、共振周波数近傍の周波数を搬送波の周波数として用いた場合、温度変化によって共振周波数が変化すると所望の音圧を得られないことが考えられる。
　一方、本実施の形態１では、温度変化の影響を受けにくいモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数として用いており、仮に音響再生装置１を駆動する際の熱により超音波振動子７の温度が変化したとしても、安定した音圧の可聴帯域の音波を再生することができる。
　尚、搬送波の周波数は、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域で、特に、超音波振動子７の振動変位ξＬが極小となる周波数を基準として選択することが望ましい。
　これは図８、及びこれまでに示した図４から図７でも明らかなように、振動変位ξＬが極小値ξＬｍとなる周波数ｆＬｍ近傍において周波数変動に対する振動変位ξＬの変化量が小さくなり、周波数特性が平坦となるからである。図８は、本発明の実施の形態１において振動変位が極小値ξＬｍをとる周波数ｆＬｍを中心とした特定の周波数帯域を搬送波の周波数としたことを示す図である。周波数ｆＬｍを含む周波数帯域、例えば周波数ｆＬｍを中心とした一定の周波数帯域ｆＬｍ±Δｆを搬送波の周波数として用いることで、再生される可聴帯域の音波の音圧をより安定化させると共に周波数帯域を拡げることができる。
　次に、円柱形状の圧電体８の直径Ｄに対する厚さＬの寸法比Ｌ／Ｄの設計方法について説明する。
　図９は、本発明の実施の形態１の圧電体において寸法比を変化させた場合の、アドミッタンスが極大値をとる周波数と、厚さ方向の振動変位の極小値の関係を示す図である。図９は、複合ペロブスカイト系圧電材料を用いて形成した圧電体８において、厚さ方向縦振動の共振周波数ｆｍ１と、径方向拡がり振動の共振周波数ｆｍ２と、これら２つの共振モード間で励振することができるモード結合した振動における最大変位ξＬｍを、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを変化させて、有限要素法による数値計算にて求めた結果を示している。
　横軸は、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを規格化したものである。縦軸の左側の軸は、寸法比Ｌ／Ｄを１とした時の周波数ｆＬｍを基に規格化した周波数である。同様に、縦軸の右側の軸は、寸法比Ｌ／Ｄを１とした時の厚さ方向の振動変位ξＬｍを基に規格化した振動変位である。尚、周波数ｆｍ１は実線で、周波数ｆｍ２は一点鎖線で、振動変位ξＬｍは波線である。
　図９より、モード結合した振動における振動変位ξＬｍは、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄの増加とともに増大し、寸法比Ｌ／Ｄが０．７付近で寸法比Ｌ／Ｄが１の時の約１．７倍の最大値をとり、そしてその後は低下していくことがわかる。このため、本実施の形態１では寸法比Ｌ／Ｄを振動変位ξＬｍが最大となる０．７とした。
　尚、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄは、０．７に限定されるものではなく、振動変位ξＬｍが最大値をとる０．７を中心として±０．３の範囲、即ち、寸法比Ｌ／Ｄが０．４以上１．０以下の値であればよい。寸法比Ｌ／Ｄが０．４以上１．０以下の値であれば、印加する交流電界に対して圧電体８が効率よく振動して、超音波振動子７から音波を放射することができ、音響再生装置として効率的に可聴帯域の音波を出力することが可能である。
　これに対して、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを０．４未満、或いは１．０を超える値とすると、圧電体８の振動損失が大きくなるので、印加する交流電界に対して振動振幅が小さくなる。超音波振動子７から放射する音波は小さくなると共に、振動損失による発熱が圧電体８の材料特性に悪影響を及ぼし、超音波振動子７の動作信頼性を劣化させる可能性が高くなるため好ましくない。
　尚、上記記載は複合ペロブスカイト系圧電材料を用いて圧電体８を形成した一例であるが、ＰＺＴ系セラミック等の圧電セラミックや圧電単結晶等材料が異なる場合であっても同様の数値計算と試作検討を行うことで、最適な円柱形状の圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを決定することが可能である。
　（実施の形態２）
　実施の形態１は、放音部６を１つの超音波振動子で構成したが、本実施の形態２では、複数の超音波振動子７で放音部を構成する一例について以下に説明する。
　図１０は、本発明の実施の形態２における放音部の正面図である。本実施の形態２における放音部１４は、図１０に示すように、複数の超音波振動子７を平面的に配置して構成されている。
　図１１は、本発明の実施の形態２における３つの超音波振動子の圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図である。図１１は、図１０の放音部１４を構成する超音波振動子７のうち、３つの超音波振動子７を構成する圧電体８のそれぞれのアドミッタンスの周波数特性、及び振動変位の周波数特性を示したものであり、アドミッタンスＹ１と振動変位ξＬ１、アドミッタンスＹ２と振動変位ξＬ２、アドミッタンスＹ３と振動変位ξＬ３は、それぞれ同じ圧電体８のアドミッタンス、及び振動変位の周波数特性を示している。
　図１１に示すように、３つの圧電体８のアドミッタンスＹ１、アドミッタンスＹ２、アドミッタンスＹ３、及び振動変位ξＬ１、振動変位ξＬ２、振動変位ξＬ３は全く同一の周波数特性とはならず、ズレを生じる。これは、圧電体８を製造する際、その製造条件、材料特性、及び形状寸法等のばらつきに起因するものである。更に、圧電体８を支持固定して超音波振動子７を組み立てる時のばらつきも影響するため、放音部１４を構成する複数の超音波振動子７のアドミッタンス、或いは振動変位の周波数特性において、共振モードを励振することができる共振周波数もばらつくこととなる。このような共振周波数が同一でない複数の超音波振動子７を用い、搬送波の周波数を周波数ｆｍ１近傍や周波数ｆｍ２近傍と固定して音響再生装置を構成した場合、それぞれの超音波振動子７から放射される音波の音圧レベルがばらつき、その結果、可聴帯域の音波を復調した際に安定した音圧を得ることが困難となる可能性がある。
　そこで、本実施の形態２では、実施の形態１と同様に、搬送波の周波数として、共振モードを励振する共振周波数ではなく、共振モード間で励振されるモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を利用するものである。
　本実施の形態２における圧電体８は、実施の形態１における圧電体８と同様のものを用いており、厚さＬと直径Ｄとの寸法比Ｌ／Ｄを０．７とした円柱形状の圧電体である。このような寸法比とすることにより、図１０に示すように複数の圧電体８で放音部１４を構成し、かつ圧電体８にモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とした場合、それぞれの圧電体８には、同じ振幅で同じ周波数の電界が印加される。このため、それぞれの圧電体８の振動変位について個体間のばらつきは小さく、超音波振動子７から放射される音波の音圧についても個体間のばらつきは小さい。その結果、復調される可聴帯域の音波は高く、かつ安定した音圧で再生することができる。
　放音部１４は、超音波振動子７を構成する圧電体８の共振周波数に個体差がある場合の例であるが、同じ共振周波数を有する圧電体８で放音部１４を構成した場合であっても有効である。即ち、動作中の超音波振動子１４の温度変化や、超音波振動子１４の組み立て時に圧電体８に応力が加わることで、超音波振動子１４の振動振幅の周波数特性が変化することがあり、そのような場合にも本実施の形態２の構成は適用可能である。
　また、図１０における本実施の形態２による音響再生装置１は、放音部１４における超音波振動子７を蜂の巣状に密集させて配置した構成として図示しているが、配置方法はこれに限られるものではなく、放音部から放射した音波を所定の位置で効率よく集音できる構成であれば、同様の効果を得ることができる。
　（実施の形態３）
　以下、図１２を用いて、実施の形態３における超音波振動子１５の構成について説明する。図１２は本実施の形態３における超音波振動子１５の断面図である。
　尚、本実施の形態３は、実施の形態１で示した超音波振動子７の構成を一部異なるようにしたものである。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるため、同一部分については同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
　図１２に示すように、本実施の形態３においてケース１６は有底円筒状の形状を成しており、このケース１６の内底面中央部に圧電体８が載置されている。ケース１６の内底面には棒状の端子１２が２本設けられており、実施の形態１と同様にこれら端子１２はそれぞれリード線１３を介して圧電体８の電極と電気的に接続されている。なお、実施の形態１と同様に、ケース１６はアルミ製のものとしている。
　そして、圧電体８の上端面の中央部には円錐形状の共振子１７を接着剤にて固定している。この共振子１７の材料としては、軽量でかつ音速が３，０００～１０，０００ｍ／ｓ程度のものが望ましい。例えばアルミニウムやＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｕｓｅｄ　Ｓｔｅｅｌ）などの金属を用いれば、圧電体８の振幅に追従することが可能な共振子１７を構成することができ、振動モード形状を変えることなく、そのままの振動モードにて振幅増幅することができる。すなわち、本実施の形態３における共振子１７は圧電体８の振動に対応した共振特性を示し、圧電体８の振幅に対して空気等の媒体へ安定した超音波を放射できるものである。
　尚、図１２に示すように共振子１７もケース１６にて囲まれた構成としている。
　このように構成された超音波振動子１５においては、共振子１７を備えることで音源径が拡大し、音圧出力を向上させることができる。
　また、前述したように、実施の形態１における音響再生装置１は、高い指向性を有する超音波を出力するため、非常に狭い空間範囲にのみ可聴帯域の音波を再生することが可能である。ここで、可聴帯域の音波を再生させる空間範囲をある程度広げたい場合などは、本実施の形態３の超音波振動子１５のように共振子１７を設け、音響再生装置１の指向性を広げることで対応が可能である。
　さらに、本実施の形態３の超音波振動子１５を上記実施の形態２のごとく、複数個並列させて放音部を構成した場合、上述のように各超音波振動子１５は共振子１７により指向性がある程度広げられた特性を有する。このため、各超音波振動子１５から出力される超音波の放射範囲は、その周辺に配置された超音波振動子１５の超音波の放射範囲と重なり易くなる。すなわち、このように放射範囲が重なり合った位置においては、各超音波振動子１５から出力された超音波が足し合わされるため、再生される可聴帯域の音波をさらに大きい音圧にて聴取することが可能となる。
　また、共振子１７による指向性は、共振子１７の円錐部分の角度を適宜変更することにより、調整が可能である。また円錐の円部分は、真円に限定せずに楕円でも構わない。
　尚、本発明における各実施の形態において、超音波振動子７を構成する圧電体８の形状を円柱形状とし、圧電体８に励振させる振動を、厚さ方向縦振動の共振振動と径方向拡がり振動の共振振動とがモード結合した振動を用いた場合について説明した。しかしながら、本発明は、圧電体の形状と圧電体に励振する振動モードについて、特定の形状や特定の共振モードに限られたものではない。例えば、圧電体８を角柱形状として、厚さ方向縦振動と、対角線方向或いは辺方向拡がり振動の共振振動とがモード結合した振動を用いた場合についても、同様の効果を得ることができる。
　本発明の音響再生装置は、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とすることで、再生される可聴帯域の音波の音圧を広帯域で安定させることができる。超音波の高い指向性を利用することで、限られた空間範囲にのみ可聴帯域の音波を再生させる音響再生装置として有用である。
　１　　音響再生装置
　２　　可聴帯域信号源
　３　　搬送波発振器
　４　　変調器
　５　　パワーアンプ
　６　　放音部
　７　　超音波振動子
　８　　圧電体
　９　　音響整合層
　１０　　ケース
　１１　　端子台
　１２　　端子
　１３　　リード線
　１４　　放音部
　１５　　超音波振動子
　１６　　ケース
　１７　　共振子

Claims (6)

  1. 可聴帯域の信号を生成する可聴帯域信号源と、
    搬送波を生成する搬送波発振器と、
    前記可聴帯域の信号と前記搬送波とを変調する変調器と、
    前記変調器から出力された信号を超音波振動子により音波として出力する放音部とを備え、
    前記超音波振動子は、異なる周波数で振動変位が極大となる複数の共振モードを有し、前記複数の共振モードを励振する周波数の間でモード結合した振動を励振し、
    前記モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を前記搬送波の周波数とする音響再生装置。
  2. 前記複数の共振モードを励振する周波数のうち、隣接し合う周波数を小さい周波数からｆｍ１、ｆｍ２とした時、これら周波数の比ｆｍ１／ｆｍ２を０．４以上とした請求項１に記載の音響再生装置。
  3. 前記モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部が、前記超音波振動子の振動変位が極小となる周波数を基準として選択された請求項１に記載の音響再生装置。
  4. 前記超音波振動子は円柱形状の圧電体を有し、前記圧電体の厚さをＬ、直径をＤとした時、前記円柱形状の圧電体の寸法比Ｌ／Ｄを０．４～１．０とした請求項１に記載の音響再生装置。
  5. 前記超音波振動子は圧電体を有し、前記圧電体の中央部上面に略円錐形状の共振子が固定されている請求項１に記載の音響再生装置。
  6. 前記放音部は、複数の超音波振動子から成る請求項１に記載の音響再生装置。
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