説明

パラメトリックスピーカ

【課題】特定の領域以外に音声が伝達されてしまうことが防止され、必要のない領域に音声が鳴り響くこととなったり、異なる音声が同時に聞こえてしまったりすることを抑制する。
【解決手段】本発明の一実施形態として、複数の超音波発生素子が複数の列に配置され、前記複数の列が離隔して配置されていることを特徴とするパラメトリックスピーカを提供する。この場合において、前記複数の超音波発生素子は、音声信号により変調された同位相の超音波を発生させてもよい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パラメトリックスピーカに関する。特に、音声信号により変調された超音波を使用して、音声の伝達範囲を限定することができるパラメトリックスピーカに関する。
【背景技術】
【0002】
空気などの伝搬媒質の非線形性により音声信号により変調された超音波から音声が復調されるパラメトリック現象を利用して、音声を伝達する技術が知られている。例えば、特許文献1には、音声信号により振幅変調された超音波を用いて、音声を伝達する技術が開示されている。
【0003】
超音波は、可聴な音声よりも波長が短いので、特定の方向に放射することが可能である。したがって、音声信号により変調された超音波を放射することにより、音声を直接放射する場合よりも、狭い範囲に音声を伝達することが可能となる。
【0004】
さらに狭い範囲に音声を伝達させるために、超音波発生素子の振動板を仮想焦点に向けて配置したオーディオ装置が知られている(例えば特許文献2参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開昭58−119293号公報
【特許文献2】特開2008−131055号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、音声信号により変調された超音波を使用して音声を伝達する従来のパラメトリックスピーカを、博物館、美術館およびゲームセンターなどに使用すると、床面や壁面に反射し、超音波が遠くまで伝達する効果と相俟って、予想外の場所に音声が伝達されてしまう。このため、必要のない領域に音声が鳴り響くこととなったり、異なる音声が同時に聞こえてしまったりすることがある。そこで、以下では、特定の領域以外に音声が伝達されてしまうことを防止するパラメトリックスピーカについて開示する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施形態として、複数の超音波発生素子が複数の列に配置され、前記複数の列が離隔して配置されていることを特徴とするパラメトリックスピーカを提供する。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一実施形態によれば、特定の領域以外に音声が伝達されてしまうことが防止され、必要のない領域に音声が鳴り響くこととなったり、異なる音声が同時に聞こえてしまったりすることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカを備える音響発生装置の機能ブロック図
【図2】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図
【図3】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図
【図4】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図
【図5】本発明の一実施形態の測定例におけるパラメトリックスピーカの関係を示す図
【図6】本発明の一実施形態の測定例におけるパラメトリックスピーカの側面写真図とスピーカの配置写真図
【図7】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカ音響発生装置の機能ブロック図
【図8】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図
【図9】本発明の一実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける超音波発生素子の配置の一例図
【図10】本発明の一実施形態の測定例におけるパラメトリックスピーカの正面写真図
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明を行なう。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。
【0011】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る音響発生装置の機能ブロック図の一例を示す。音響発生装置は、スピーカ(パラメトリックスピーカ)101と、変調部102と、搬送信号生成部103と、音源供給部104とを有する。
【0012】
搬送信号生成部103は、所定の周波数の超音波をスピーカ101から放射するための信号を生成する。例えば、搬送信号生成部103は周波数が40kHzのパルス波又は正弦波の電気信号を生成する。音源供給部104は、搬送信号生成部103により生成された信号を変調するための音声信号を変調部102に供給する。変調部102は、搬送信号生成部103により生成された信号を、音源供給部104により供給された音声信号により変調を行なう。変調部102は、搬送信号生成部103により生成された信号を、例えば、振幅変調、周波数変調または位相変調などを用いて変調を行なう。
【0013】
音源供給部104により供給される音声信号の周波数が20Hz以上20kHz以下であり、搬送信号生成部103により生成される信号の周波数が40kHzであれば、変調部102は、40kHzの±20kHzの範囲を含む20kHz以上の変調された超音波を表わす信号を出力することになる。ただし、変調部102において抑圧搬送波単側波帯変調が用いられれば、40kHz以上の変調された超音波を表わす信号が出力されるようにすることができる。このため、変調部102が出力する信号から搬送信号生成部103が生成する信号よりも周波数が小さい成分を取り除くフィルターが変調部102とスピーカ101との間に配置されていてもよい。
【0014】
スピーカ101には、複数の超音波発生素子が配置されている。複数の超音波発生素子には、変調部102が出力する信号が供給される。これにより、複数の超音波発生素子は供給される信号に応じて超音波を発生させる。また、複数の超音波発生素子は、複数の列に配置されている。図1においては、複数の超音波発生素子は、第1の列の超音波発生素子105−1〜3、第2の列の超音波発生素子106−1〜3、第3の列の超音波発生素子107−1〜3に分かれて配置されている。本実施形態の特徴のうち2点を挙げると、その第1点は、複数の超音波発生素子は、同位相の超音波を発生させる点であり、その第2点は、隣接する列が離隔して配置されていることである。
【0015】
複数の超音波発生素子は、同位相の超音波を発生させる第1点の特徴により、超音波発生素子が平面状に配置され、超音波発生素子の超音波発生面が平面上に配置されていれば、平面波としての超音波がスピーカ101から放射されることになる。これにより、音源供給部104により供給される音声信号の表す音声をスピーカ101の前面の位置において復調させることができ、スピーカ101の前面から左右に逸れた位置には音声が復調されず伝達されないようにできる。また、隣接する列が離隔して配置されている第2点の特徴により、スピーカ101から放射される超音波が壁面などで反射する際の反射力を小さくすることができる。これにより、音声が伝達される範囲を限定することができる。
【0016】
図1のように、超音波発生素子が上下方向に並んで列が形成されている場合には、列と列との間の距離は、左右方向における距離112として表すことができる。この場合、発明者が距離112を様々に変化させて実験させた結果、距離112は、0.3cm以上4.0cm以下であることが好ましい。これは、音速を340m/sとし、搬送信号の周波数が40kHzである場合の波長である0.85cmの35%以上470%以下である。言い換えると、距離112は、距離112が超音波の波長の35%未満となると、音声信号により変調された超音波を使用する従来の音響発生装置におけるように、スピーカ101が放射する超音波の反射力が大きくなってしまう。また、距離112が超音波の波長の470%を超えると、音声をスピーカの前面の位置において復調させることが困難となる。
【0017】
また、スピーカ101が放射する超音波の反射力をより小さくするために、列と列との間に、逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子を配置してもよい。この場合、距離112の代わりに斜め方向に隣接する超音波発生素子、例えば、超音波発生素子105−2の中心105Cと超音波発生素子106−1の中心106Cとの間の距離113の距離が半径111の4倍とするのが好ましい。このようにすることにより、隣接する超音波発生素子の中心を結ぶ線分が正六角形を構成することとなり超音波発生素子を細密に配置することができる。このように、超音波発生素子を細密に配置すると、音声の復調を効率よく行なうことができ、高品質の音声を得ることができる。
【0018】
図1においては、複数の超音波発生素子は、105−1〜3、106−1〜3,107−1〜3の9個が示されているが、これに限定されることはない。また、各列において、超音波発生素子は隣接している必要はなく、離れていてもよい。また、超音波発生素子の超音波発生面の形状は円形に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。例えば、三角形、正方形、長方形、六角形などとすることができる。この場合、複数の超音波発生素子が配置される列の間の距離は、超音波発生面の最大の幅や平均の幅の0.5倍以上1.5倍以下とするのが好ましい。
【0019】
また、複数の超音波発生素子は平面上に配置されている必要はない。この場合、複数の超音波発生素子が発生される超音波がスピーカの前面に集中するように、複数の超音波発生素子を例えば、球面上に配置したり、円筒の側面上に配置したりし、超音波発生素子を球対または円筒の内側に向ける。言い換えると、超音波発生素子を凹曲面上に配置する。そして、超音波発生素子の超音波発生面を凹曲面の凹側(内側)に向け、凹側で超音波が集中するようにする。
【0020】
図2は、複数の超音波発生素子が球面上あるいは円筒の側面上において球体または円筒の内側に向けて配置されている場合の、スピーカ101の断面の一例を示す。符号210は、複数の超音波発生素子105〜109が配置される基板であり、図2においては円弧となっている。円弧の中心が符号211である。これにより、超音波発生素子105〜109が発生する超音波は中心211の位置に集中することになる。これにより、中心211で復調される音声の強度を大きくすることができ、中心211を外れると音声が急激に小さくなるようにすることができる。
【0021】
この場合においても、超音波発生素子105〜109は同位相の超音波を発生させ、それぞれが配置されている列は離隔して配置されている。これにより、音声の復調を確保しつつ、超音波の反射力を小さくすることができる。この場合、円弧の中心よりスピーカの前方においては、超音波発生素子が分散することになるので、中心211を外れた場合の音声の小さくなる程度を更に急激に変化させることができる。
【0022】
これらにより、スピーカから放射される超音波が壁面などで反射する際の反射力を小さくすることができ、音声が伝達される範囲を限定する効果を顕在化させることができる。
【0023】
図3は、複数の超音波発生素子の好ましい配置について説明する図である。図3において、位置211は、図2と同じように超音波発生素子105〜109が発生する超音波が集中する位置である。図3の位置311は、位置211からスピーカに対して左方向に、複数の超音波発生素子の列の間隔だけ移動した位置であり、位置312は、位置311からスピーカに対して左方向に、さらに、複数の超音波発生素子の列の間隔だけ移動した位置である。
【0024】
この場合、超音波発生素子105が超音波発生素子107よりもスピーカの前方に位置している距離を符号310により表すと、距離310は、超音波発生素子の発生する超音波の波長の(整数−1/2)の倍数またはそれより少し小さな値とする。言い換えると、中心に位置する超音波発生素子107よりも、超音波発生素子107の隣の列のさらに隣の列に配置されている超音波発生素子105がスピーカの前後方向における前方に配置されている距離が、複数の超音波発生素子107−109が発生させる超音波の波長の(整数−1/2)の倍数以下とする。ここに、スピーカの前後方向における前方をより正確に定義すれば、スピーカの中央に配置されている超音波発生素子105の超音波発生面の前方となる。
【0025】
このように中心から周囲に向かうにつれて超音波発生素子がスピーカの前後方向における前方に配置されることにより、位置311において、超音波発生素子105が発生する超音波と超音波発生素子107が発生する超音波とが逆位相の関係となる。また、位置312においても、超音波発生素子105が発生する超音波と超音波発生素子107が発生する超音波とが逆位相の関係となる。これにより、位置211およびその近傍以外において、超音波が打ち消しあうことにより、音声が復調されにくくすることができる。すなわち、音声が伝達される範囲をより小さくすることができる。
【0026】
なお、距離310が、隣接していない超音波発生素子107と超音波発生素子105との関係で定まっているのは、基板の断面が円弧であり、超音波発生素子107がスピーカの中心である場合には、超音波発生素子107と超音波発生素子106との隣接する超音波発生素子の前後の距離を確保することが困難なためである。この場合、超音波発生素子106は大音量の発生のために機能する。
【0027】
複数の超音波発生素子が配置される曲面は、球面および円筒の側面に限定されることはなく、スピーカの前面において凹状となる種々の曲面を使用することができる。例えば、スピーカの中心部分は曲面とし、スピーカの中心の周りは平面とすることができる。
【0028】
図4は、スピーカの中心部分は曲面とし、スピーカの中心の周囲を平面とする一例を示す。図4において、スピーカの中心部分に超音波発生素子401が配置され、超音波発生素子401の向かって左に、順に、超音波発生素子402、403、404、405が配置され、超音波発生素子401の右に、順に、超音波発生素子406、407、408、409が配置されている。超音波発生素子401、402、403、406、407が配置されている基板部分410は球面などの曲面であり、超音波発生素子404、405、408、409が配置されている周囲の基板部分411、412は、平面である。この場合、超音波発生素子401より超音波発生素子403は距離421だけスピーカの前面に位置し、超音波発生素子403より超音波発生素子404は距離422だけスピーカの前面に位置し、超音波発生素子405は超音波発生素子404より距離423だけスピーカの前面に位置している。このとき、距離421、422、423が、超音波発生素子の発生する超音波の波長の(整数−1/2)の倍数またはそれより少し小さな値であれば、図3を参照して説明したように、音声が伝達される範囲をより小さくすることができる。
【0029】
(測定例1)
図5は、本実施形態に係る音響発生装置の効果を測定したした結果を示す。図4の構成のスピーカとして、AとBとの2つを用意し、AとBとの間の距離Lとして2.5mを設定し、AとBとが前方を平行に向くように配置し、AとBとのそれぞれから音声を再生させ、音量を測定した。なお、Aは、24個の超音波発生素子を有し、Bは50個の超音波発生素子を有し、それぞれ下方向に25°、35°の傾斜角度を付けて床から1.85mの高さに設置した。測定は、平均的な日本人男性の平均身長から頭頂から耳までの上下方向の距離を引いた1.6mの位置で行なった。
【0030】
表1にその測定結果を示す。
【表1】


表1によれば、スピーカの正面において、前面から2mの範囲までは46dB以上の音量が確保され、それ以外においては、46dB未満の音量となり、音声を伝達できる範囲を限定することができた。特にスピーカ間の中間点においては、43dB未満の音量となり、スピーカAとスピーカBとの発する音声が混合して聞こえることもなかった。
【0031】
(測定例2)
表2は、図4の構成のスピーカとして、AとBとの2つを用意し、AとBとの間の距離Lとして1.0mを設定し、AとBとのそれぞれから音声を再生させ、音量を測定した結果を示す。なお、この測定例では、AとBとのそれぞれは、50個の超音波発生素子を有するようにした。図6(a)に一つのスピーカの横方向を撮影した写真を示す。また、両方のスピーカを下方向に25°の傾斜角度を付けて床から1.85mの高さに設置した。また、スピーカの向きは、図6(b)に示すようにスピーカの中間地点を向くように配置した。測定は、測定例1と同じく、床から1.6mの高さの位置で行なった。測定例2では、AとBとを、平行ではなく、AとBとの中間点の前0.5mの位置を向くように配置したので、AとBとの中点を横方向の距離の基準としている。
【表2】

【0032】
表2によれば、スピーカAの真正面0.5mで70.0デシベルの音量を出力できた。これは視聴実験おいて、実際の聴感で耳が痛くならない程度に音量を下げたときの音量である。スピーカAとBとの中間点の左右0.5m以内で、スピーカの前0.5mから1.0mまでの範囲において60デシベル以上の音量とすることができ、それ以外では、60デシベル未満の音量とすることができた。したがって、音声を伝達できる範囲を限定することができた。スピーカAとBとの中間点である真正面の位置から3.0m離れた距離においても、音量は50デシベル未満であり、前記真正面から真正面からから2.0m離れた距離においても、音量は約50.2デシベルである。また、スピーカAとBとを結ぶ直線から前方へ2.0mにおいても全体でもほぼ50デシベル前半にできた。すなわち、音声を伝達できる範囲を限定することができた。50デシベル前半はゲームセンターでは周囲に騒音がほとんど聞こえない状態が作れる音量であり、家庭では周囲に座っている人にうるさく感じない音量であり、40デシベル台は隣の部屋に騒音にならない音量である。
【0033】
(実施形態2)
本発明の実施形態2として、逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子が隣接して配置されたスピーカを有する音響発生装置について説明する。
【0034】
図7は、実施形態2に係る音響発生装置の機能ブロック図を示す。音響発生装置は、スピーカ(パラメトリックスピーカ)701と、変調部702と、搬送信号生成部703と、音源供給部704とを有する。変調部702と、搬送信号生成部703と、音源供給部704とは、実施形態1における変調部102と、搬送信号生成部103と、音源供給部104とに対応するので説明を省略する。
【0035】
スピーカ701には、複数の超音波発生素子が配置されている。複数の超音波発生素子は、複数の列に配置され、隣接する列の一方に配置されている超音波発生素子は、他方の列に配置されている超音波発生素子の発生する超音波とは逆位相の超音波を発生させる。言い換えると、ある列の両側に位置する2つの列に配置されている超音波発生素子は同位相の超音波を発生させる。したがって、図7において、ハッチングを付した超音波発生素子の列とハッチングを付していない超音波発生素子の列とでは、互いに逆位相の超音波を発生させる。
【0036】
本実施形態においては、逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子が隣接して配置されているので、反射力が小さくなった超音波が発生され、音声が伝達される範囲を限定することができる。
【0037】
なお、「列」は直線状となっていることに限定はされない。例えば、「列」の形状は、曲線状、環状となっていてもよい。図8は、超音波発生素子を、隣接するもの同士の中心を結ぶ線分が正六角形となるように、配置し、中心部分に位置する超音波発生素子から同心円状に逆位相の超音波発生素子と同位相の超音波とを交互に発生するように環状の列に配置した例を示す。したがって、図8において、ハッチングを付した超音波発生素子の列とハッチングを付していない超音波発生素子の列とでは、互いに逆位相の超音波を発生させる。
【0038】
図9は、別の超音波発生素子の配置の例を示す。符号901を付した部分は、図8に示すように、中心部分に位置する超音波発生素子から同心円状に同位相の超音波を発生するようなっている。それに対し、符号902を付した部分として、符号901の部分と接して、符号911のライン上、符号912のライン上、符号913のライン上に配置された超音波発生素子は同位相の超音波を発生させ、それらの間に逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子を配置している。また、これらの超音波発生素子の発生させる超音波の反射力を小さくするために、符号902を付した部分においては、符号901を付した部分とは異なり、密に超音波発生素子を配置していない。言い換えると、1つの超音波発生素子を2つの方向においてのみ超音波発生素子と隣接させ、他の方向においては隣接させない。
【0039】
なお、本実施形態において、超音波発生素子は、平面上に配置してもよいし、実施形態1で説明したように曲面上に配置してもよい。
【0040】
(測定例3)
図9に示したスピーカの一例として、超音波発生素子を図10に示すように配置したスピーカを、床から1.9m、角度を下向きに30°で設置し、スピーカを中心に前方、左右方向それぞれ1m間隔で音量を測定した結果を表3に示す。
【表3】


表3によれば、スピーカの真正面から2.0m離れた位置のみにおいて、41デシベルを超える音量とすることができた。スピーカの前方1.0m以上2.0m以下でありスピーカの正面の左右0.0m以上1.0m以下の範囲、または、スピーカの正面においてスピーカの前方1.0m以上3m以下の範囲において、音量を37.5dB以上とし、その他の範囲では、37.4dB未満とすることができた。左右2m地点では、ほぼ34デシベル未満により静かな美術館や博物館などで隣の展示物へ騒音となり難い音量を作ることができた。
【0041】
(測定例4)
スピーカを、床から2.15mの高さに配置し、他の条件を測定例3と同じとして測定した結果を表4に示す。
【表4】


表4によれば、スピーカの真正面から2.0m離れた距離の位置のみにおいて、41デシベルを超える音量とすることができた。スピーカの前方1.0mでありスピーカの正面の左右0.0m以上1.0m以下の範囲、または、スピーカの正面においてスピーカの前方1.0m以上3.0m以下の範囲において、音量を37.5dB以上とし、その他の範囲では37.4dB以下とすることができた。左右2m地点では、ほぼ35デシベル未満により静かな美術館や博物館などで隣の展示物へ騒音となり難い音量を作ることができた。
【符号の説明】
【0042】
101 パラメトリックスピーカ、102 変調部、103 搬送信号生成部、104 音源供給部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の超音波発生素子が複数の列に配置され、前記複数の列が離隔して配置されていることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
【請求項2】
前記複数の超音波発生素子は、音声信号により変調された同位相の超音波を発生させることを特徴とする請求項1に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項3】
前記複数の列が離隔して配置されている間隔は、前記複数の超音波発生素子が発生させる超音波の波長の470%以下35%以上となることを特徴とする請求項1または2に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項4】
前記複数の超音波発生素子は、凹曲面上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項5】
前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子よりも前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子の隣の列のさらに隣の列に配置されている超音波発生素子が前記パラメトリックスピーカの前後方向における前方に配置されている距離が、前記複数の超音波発生素子が発生させる超音波の波長の(整数−1/2)の倍数以下であることを特徴とする請求項4に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項6】
前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子と前記凹曲面の中心に位置する超音波発生素子の隣の列とに配置されている超音波発生素子を除き、隣接する列の一方の列に配置されている超音波発生素子よりも、他方の列に配置されている超音波発生素子が前記パラメトリックスピーカの前後方向における前方に配置されている距離が、前記複数の超音波発生素子が発生させる超音波の波長の(整数−1/2)の倍数以下であることを特徴とする請求項5に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項7】
前記凹曲面の周囲に配置されている複数の超音波発生素子は平面上に配置されていることを特徴とする請求項5または6に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項8】
同位相の超音波を発生させる超音波発生素子の列の間に逆位相の超音波を発生させる超音波発生素子が配置されていることを特徴とする請求項2に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項9】
同位相の超音波を発生させる超音波発生素子の列が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項8に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項10】
前記同心円状の列に配置された超音波発生素子が配置された領域に隣接して、同位相の超音波を発生させる超音波発生素子と逆位相の超音波発生素子とが交互に並ぶ列が複数離隔して配置されたことを特徴とする請求項9に記載のパラメトリックスピーカ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図6】
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【図10】
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【公開番号】特開2012−257088(P2012−257088A)
【公開日】平成24年12月27日(2012.12.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−129187(P2011−129187)
【出願日】平成23年6月9日(2011.6.9)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 社団法人電子情報通信学会東京支部学生会、「研究発表会第16回講演論文集」、平成23年3月4日発行 学校法人東海大学、「2010年度東海大学情報理工学部情報メディア学科卒業研究発表会予稿集」、平成23年2月16日発行
【出願人】(000125369)学校法人東海大学 (352)
【Fターム(参考)】