パラメトリックスピーカー
【課題】 簡単かつ低コストで電力効率に優れ、低消費電力で発熱の少ないパラメトリックスピーカーを提供することを課題としている。
【解決手段】 アナログ信号で入力されるオーディオ信号をデジタル信号化した上で超音波周波数帯のパルス状搬送波にパルス幅変調し、パルス幅変調したデジタルパルス信号で超音波振動子を直接駆動する。
【解決手段】 アナログ信号で入力されるオーディオ信号をデジタル信号化した上で超音波周波数帯のパルス状搬送波にパルス幅変調し、パルス幅変調したデジタルパルス信号で超音波振動子を直接駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可聴音信号等で変調された超音波を空気中へ放射した際に、超音波に対する空気の非線形特性の結果、超音波伝搬路に沿って変調信号が可聴音として復調されるパラメトリックアレイ効果を利用したパラメトリックスピーカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定範囲の空間に可聴音を発生させる装置として、超音波に対する空気の非線形性を利用したパラメトリックスピーカーが提案されている。このパラメトリックスピーカーの基本的な構成の例として、特許文献１がある。この特許文献１では、可聴音信号源、搬送波発振器、変調器、パワーアンプ、超音波振動子、をそれぞれ備え、搬送波発振器から発生した超音波を可聴音信号源から発生した可聴域信号で振幅変調し、振幅変調された搬送波としての超音波をパワーアンプを経て超音波振動子から空中に放射するようにしている。空中に放射された超音波（１次波）は、搬送波と上下の側帯波とが空気中で非線形相互作用を起こし、超音波伝搬路に沿って変調信号が自己復調されて可聴音（２次波）が発生するのである。
【０００３】
ところで、パラメトリックスピーカーは、１次波から２次波への変換効率が低いことから、スピーカーとして実用レベルの可聴音を得るには相当高い音圧で１次波を放射する必要がある。その為、超音波振動子への入力が最大６０Ｖｐｐに達することもあり、大規模な回路が必要になって消費電力が大きくなると共に、発熱面、コスト面で問題を抱えていた。
【特許文献１】特公平１−１５１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記先行例が抱える問題点に対処してなされたものであり、簡単かつ低コストで電力効率に優れ、低消費電力で発熱の少ないパラメトリックスピーカーを提供できないかという点を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために、超音波周波数帯域のパルス信号から成る搬送波信号を発生する搬送波信号発生部と、可聴周波数帯域の可聴音信号を入力する可聴音信号入力部と、該可聴音信号入力部に入力される可聴音信号の信号レベルに応じて前記搬送波信号をパルス幅変調し、被変調信号として出力するパルス幅変調部と、該パルス幅変調部から出力される被変調信号を受けて超音波として媒質中に放射する超音波振動子とを備え、媒質の非線形特性により可聴音を再生することを特徴とするパラメトリックスピーカーを提案する。
【０００６】
上記パラメトリックスピーカーは、パルス幅変調部から出力される被変調信号の所定周波数以上を遮断するローパスフィルターを備え、ローパスフィルターを介して出力される被変調信号により前記超音波振動子を駆動することが望ましい。また、前記可聴音信号入力部から前記パルス幅変調部に与えられる可聴音信号の振幅最大レベルがほぼ一定のレベルになるよう調節するＡＧＣ回路を備えることが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、超音波周波数帯域のパルス信号を可聴音信号でパルス幅変調して被変調信号とし、この被変調信号を超音波振動子に入力して超音波として放射するので、従来のようにアナログ電気信号を振幅変調するものに対して、電気信号をデジタル処理することができる。従って、電力効率を大幅に向上させて発熱の抑制が可能になると共に、回路規模を簡単に構成することができる。
【０００８】
また、パルス幅変調部から出力される被変調信号の所定周波数以上をローパスフィルターで遮断して超音波振動子を駆動することにより、不要なスプリアス信号の発生を低減することが可能になる。
【０００９】
また、パルス幅変調部で変調する可聴音信号の振幅最大レベルがほぼ一定のレベルとなるように調整するので、超音波伝搬路に沿って復調する可聴音に歪みが発生するのを防ぐことができる。
【実施例】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を説明する。図１は本発明実施例の全体構成を示すブロック図である。１は音声信号や音楽信号等のオーディオ信号が入力される可聴音信号入力部、２は可聴音信号入力部に入力した信号の振幅を自動的に制限するＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路、３は超音波帯域の周波数である４０ｋＨｚの基準搬送波信号を得る為のパルス信号を発生する搬送波信号発生部、４は搬送波信号発生部３から出力する搬送波に可聴音信号入力部１から出力されたオーディオ信号をパルス幅変調するパルス幅変調部である。５はパルス幅変調部４から出力される被変調信号の可聴音周波数以上をカットするローパスフィルターで、そのカットオフ周波数は適宜設定することが可能である。本実施例ではカットオフ周波数を１０ｋＨｚとしており、復調しても実際には聞こえにくい高音帯域をカットしながら、被変調信号に対するスプリアスの発生を抑制するようにしている。６は超音波振動子で、ローパスフィルター５を介して入力される被変調信号を受けて、媒質たる空気中に超音波として放射する。
【００１１】
なお上記構成において、可聴音信号入力部１に入力されるオーディオ信号を、本装置内部の記憶装置に記憶させてオーディオ音源としても良いが、本装置の外部に存在するオーディオ音源を用いることも可能である。外部にあるオーディオ音源の信号送出端子と本装置の外部信号入力端子とを信号ケーブルで接続し、信号ケーブルを通じて送出されてくるオーディオ信号が可聴音信号入力部１に入力されれば良い。また、上記搬送波信号発生部３では少なくとも１６０ｋＨｚのパルス信号を発生しており、パルス幅変調部４でパルス幅変調する際に４０ｋＨｚの基準搬送波の１周期を４パルスで構成するようにしている。
【００１２】
次に、図２を基にしてパルス幅変調部４の動作について説明する。図２は、可聴音信号入力部１より４ｋＨｚのオーディオ信号が出力されたときの様子を示している。まず、４ｋＨｚのオーディオ信号をサンプリング周波数４０ｋＨｚでサンプリングし（図２（ａ））、１０ビット（１０２４段階）で量子化する。デジタル化したオーディオ信号は、図２（ｂ）に示すように１周期あたり４つのパルスで構成する４０ｋＨｚの搬送波にパルス幅変調するのである。こうして生成された図２（ｂ）に示す被変調信号はローパスフィルター５を介して超音波振動子６に送出され、デジタル信号の状態で超音波振動子６のピエゾ素子を駆動する。
【００１３】
以上のように本発明は、アナログ信号で入力されるオーディオ信号をデジタル信号化した上で超音波周波数帯のパルス状搬送波にパルス幅変調し、パルス幅変調したデジタルパルス信号で超音波振動子を直接駆動するので、回路全体の効率を高めることができ、損失電力を少なくして発熱を抑えることができる。また、発熱が少ないため回路規模を小型化することができ、無駄な消費電力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明実施例の全体構成を示す説明図である。
【図２】本発明実施例のパルス幅変調動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１５】
１ 可聴音信号入力部
２ ＡＧＣ回路
３ 搬送波信号発生部
４ パルス幅変調部
５ ローパスフィルター
６ 超音波振動子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可聴音信号等で変調された超音波を空気中へ放射した際に、超音波に対する空気の非線形特性の結果、超音波伝搬路に沿って変調信号が可聴音として復調されるパラメトリックアレイ効果を利用したパラメトリックスピーカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定範囲の空間に可聴音を発生させる装置として、超音波に対する空気の非線形性を利用したパラメトリックスピーカーが提案されている。このパラメトリックスピーカーの基本的な構成の例として、特許文献１がある。この特許文献１では、可聴音信号源、搬送波発振器、変調器、パワーアンプ、超音波振動子、をそれぞれ備え、搬送波発振器から発生した超音波を可聴音信号源から発生した可聴域信号で振幅変調し、振幅変調された搬送波としての超音波をパワーアンプを経て超音波振動子から空中に放射するようにしている。空中に放射された超音波（１次波）は、搬送波と上下の側帯波とが空気中で非線形相互作用を起こし、超音波伝搬路に沿って変調信号が自己復調されて可聴音（２次波）が発生するのである。
【０００３】
ところで、パラメトリックスピーカーは、１次波から２次波への変換効率が低いことから、スピーカーとして実用レベルの可聴音を得るには相当高い音圧で１次波を放射する必要がある。その為、超音波振動子への入力が最大６０Ｖｐｐに達することもあり、大規模な回路が必要になって消費電力が大きくなると共に、発熱面、コスト面で問題を抱えていた。
【特許文献１】特公平１−１５１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記先行例が抱える問題点に対処してなされたものであり、簡単かつ低コストで電力効率に優れ、低消費電力で発熱の少ないパラメトリックスピーカーを提供できないかという点を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために、超音波周波数帯域のパルス信号から成る搬送波信号を発生する搬送波信号発生部と、可聴周波数帯域の可聴音信号を入力する可聴音信号入力部と、該可聴音信号入力部に入力される可聴音信号の信号レベルに応じて前記搬送波信号をパルス幅変調し、被変調信号として出力するパルス幅変調部と、該パルス幅変調部から出力される被変調信号を受けて超音波として媒質中に放射する超音波振動子とを備え、媒質の非線形特性により可聴音を再生することを特徴とするパラメトリックスピーカーを提案する。
【０００６】
上記パラメトリックスピーカーは、パルス幅変調部から出力される被変調信号の所定周波数以上を遮断するローパスフィルターを備え、ローパスフィルターを介して出力される被変調信号により前記超音波振動子を駆動することが望ましい。また、前記可聴音信号入力部から前記パルス幅変調部に与えられる可聴音信号の振幅最大レベルがほぼ一定のレベルになるよう調節するＡＧＣ回路を備えることが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、超音波周波数帯域のパルス信号を可聴音信号でパルス幅変調して被変調信号とし、この被変調信号を超音波振動子に入力して超音波として放射するので、従来のようにアナログ電気信号を振幅変調するものに対して、電気信号をデジタル処理することができる。従って、電力効率を大幅に向上させて発熱の抑制が可能になると共に、回路規模を簡単に構成することができる。
【０００８】
また、パルス幅変調部から出力される被変調信号の所定周波数以上をローパスフィルターで遮断して超音波振動子を駆動することにより、不要なスプリアス信号の発生を低減することが可能になる。
【０００９】
また、パルス幅変調部で変調する可聴音信号の振幅最大レベルがほぼ一定のレベルとなるように調整するので、超音波伝搬路に沿って復調する可聴音に歪みが発生するのを防ぐことができる。
【実施例】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を説明する。図１は本発明実施例の全体構成を示すブロック図である。１は音声信号や音楽信号等のオーディオ信号が入力される可聴音信号入力部、２は可聴音信号入力部に入力した信号の振幅を自動的に制限するＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路、３は超音波帯域の周波数である４０ｋＨｚの基準搬送波信号を得る為のパルス信号を発生する搬送波信号発生部、４は搬送波信号発生部３から出力する搬送波に可聴音信号入力部１から出力されたオーディオ信号をパルス幅変調するパルス幅変調部である。５はパルス幅変調部４から出力される被変調信号の可聴音周波数以上をカットするローパスフィルターで、そのカットオフ周波数は適宜設定することが可能である。本実施例ではカットオフ周波数を１０ｋＨｚとしており、復調しても実際には聞こえにくい高音帯域をカットしながら、被変調信号に対するスプリアスの発生を抑制するようにしている。６は超音波振動子で、ローパスフィルター５を介して入力される被変調信号を受けて、媒質たる空気中に超音波として放射する。
【００１１】
なお上記構成において、可聴音信号入力部１に入力されるオーディオ信号を、本装置内部の記憶装置に記憶させてオーディオ音源としても良いが、本装置の外部に存在するオーディオ音源を用いることも可能である。外部にあるオーディオ音源の信号送出端子と本装置の外部信号入力端子とを信号ケーブルで接続し、信号ケーブルを通じて送出されてくるオーディオ信号が可聴音信号入力部１に入力されれば良い。また、上記搬送波信号発生部３では少なくとも１６０ｋＨｚのパルス信号を発生しており、パルス幅変調部４でパルス幅変調する際に４０ｋＨｚの基準搬送波の１周期を４パルスで構成するようにしている。
【００１２】
次に、図２を基にしてパルス幅変調部４の動作について説明する。図２は、可聴音信号入力部１より４ｋＨｚのオーディオ信号が出力されたときの様子を示している。まず、４ｋＨｚのオーディオ信号をサンプリング周波数４０ｋＨｚでサンプリングし（図２（ａ））、１０ビット（１０２４段階）で量子化する。デジタル化したオーディオ信号は、図２（ｂ）に示すように１周期あたり４つのパルスで構成する４０ｋＨｚの搬送波にパルス幅変調するのである。こうして生成された図２（ｂ）に示す被変調信号はローパスフィルター５を介して超音波振動子６に送出され、デジタル信号の状態で超音波振動子６のピエゾ素子を駆動する。
【００１３】
以上のように本発明は、アナログ信号で入力されるオーディオ信号をデジタル信号化した上で超音波周波数帯のパルス状搬送波にパルス幅変調し、パルス幅変調したデジタルパルス信号で超音波振動子を直接駆動するので、回路全体の効率を高めることができ、損失電力を少なくして発熱を抑えることができる。また、発熱が少ないため回路規模を小型化することができ、無駄な消費電力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明実施例の全体構成を示す説明図である。
【図２】本発明実施例のパルス幅変調動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１５】
１ 可聴音信号入力部
２ ＡＧＣ回路
３ 搬送波信号発生部
４ パルス幅変調部
５ ローパスフィルター
６ 超音波振動子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波周波数帯域のパルス信号から成る搬送波信号を発生する搬送波信号発生部と、
可聴周波数帯域の可聴音信号を入力する可聴音信号入力部と、
該可聴音信号入力部に入力される可聴音信号の信号レベルに応じて前記搬送波信号をパルス幅変調し、被変調信号として出力するパルス幅変調部と、
該パルス幅変調部から出力される被変調信号を受けて超音波として媒質中に放射する超音波振動子とを備え、
媒質の非線形特性により可聴音を再生することを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項２】
請求項１記載のパラメトリックスピーカーにおいて、前記パルス幅変調部から出力される被変調信号の所定周波数以上を遮断するローパスフィルターを備え、ローパスフィルターを介して出力される被変調信号により前記超音波振動子を駆動することを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項３】
請求項１または２何れか記載のパラメトリックスピーカーにおいて、前記可聴音信号入力部から前記パルス幅変調部部に与えられる可聴音信号の振幅最大レベルがほぼ一定のレベルになるよう調節するＡＧＣ回路を備えたことを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項１】
超音波周波数帯域のパルス信号から成る搬送波信号を発生する搬送波信号発生部と、
可聴周波数帯域の可聴音信号を入力する可聴音信号入力部と、
該可聴音信号入力部に入力される可聴音信号の信号レベルに応じて前記搬送波信号をパルス幅変調し、被変調信号として出力するパルス幅変調部と、
該パルス幅変調部から出力される被変調信号を受けて超音波として媒質中に放射する超音波振動子とを備え、
媒質の非線形特性により可聴音を再生することを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項２】
請求項１記載のパラメトリックスピーカーにおいて、前記パルス幅変調部から出力される被変調信号の所定周波数以上を遮断するローパスフィルターを備え、ローパスフィルターを介して出力される被変調信号により前記超音波振動子を駆動することを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項３】
請求項１または２何れか記載のパラメトリックスピーカーにおいて、前記可聴音信号入力部から前記パルス幅変調部部に与えられる可聴音信号の振幅最大レベルがほぼ一定のレベルになるよう調節するＡＧＣ回路を備えたことを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２９０２５３（Ｐ２００９−２９０２５３Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３７４０７（Ｐ２００８−１３７４０７）
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００１０３１３８）エムケー精工株式会社 (174)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００１０３１３８）エムケー精工株式会社 (174)
【Ｆターム（参考）】
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