JP3356847B2 - 音源構成法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は特徴ある可聴域信号の音
源を源発音体以外の空間に構成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来可聴域の音響信号を発生させる方式
としてはスピーカ等のトランスジューサを駆動する方法
が普通である。このため音の発生する位置即ち音源はそ
の振動板の位置となる。ステレオ受聴方式では二つのス
ピーカの中間部位置で鳴っているように聞こえるがこれ
は感覚的な音源位置であってその位置に音源がある訳で
はない。またスピーカを球面上に配列してその中心部に
音波を収束することもできるが、実際の配列スピーカは
それぞれ球の中心方向へ音波を送るだけでなく、それ以
外の方向にも音波を放射するので球面の中心を音源とす
るはっきりした音源効果は得られない。また一定の方向
にのみ音波を送るビーム状音波形成方法については、特
殊な配列のスピーカと遮蔽板及び駆動方式の工夫によっ
てある程度の効果が得られているが調整や駆動装置が大
がかりとなる。またビーム状可聴音を得るために本発明
と同様の原理を用いて、トランスジューサを平面上に多
数配列する方式が試みられているがトランスジューサの
中心軸上のエネルギーのみを用いるために効率が悪い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は物理的な存在
である発音体の無いところに実際の音源を設置する技術
に関するもので以下のような場合において人間生活の向
上に役立つものである。 （１）従来音波についてはその音源より距離を置いて聴
取することが習慣である。例えば音楽を聴く場合にはし
ばしば部屋の一隅にスピーカを一対設置してかなりの音
響エネルギーを放射させ鑑賞する。このため同部屋の中
には聴取者以外の方向にも音波の伝播が起こり隣室や屋
外あるいは隣家までが音楽の影響を受ける場合がある。
これをなくすためにはヘッドホンの使用も考えられるが
新たな拘束感の発生があり、長時間の使用は難しい。 （２）使用者に用件が伝達されればよい音声を発生する
ＯＡ機器の使用なども同室内のその音情報を必要としな
い部分にまで伝わり騒音となる場合がある。 （３）テレビ受聴において個人的な聴取のために部屋中
に受聴音声を拡散させていることも他人にとっては雑音
をまき散らしているとしか取られない場合が在るし、逆
に難聴のひとにとっては個人的に他の人より高レベルの
音響信号が欲しい場合もある。 （４）会議の出席者にメッセイジを伝えたい場合には個
人的な伝令が行く場合が多い。それは個人的に音声信号
を送る方法が無いからである。

【０００４】上記の必要例の場合においては、不要な空
間を音響信号で汚す事無く、かつ、肉体的な拘束を受け
ずに必要な音響信号を得る必要がある。このためには、
聞き手の耳のそばに物として存在しない形態の音源を設
置して小さな音量レベル伝達するか、ビーム状の音波を
遠方より聞き手の耳に目がけて送る方式が考えられる。
本発明はそのいずれの方式をも実現しようとするもので
ある。

【０００５】本発明の原理について述べれば、可聴音域
信号によって振幅変調した超音波領域の電気信号によっ
て駆動した発信用超音波トランスージューサからの超音
波が空中を伝播中に空気の音波に対する非線形特性から
自己復調して該可聴音域信号に対応した音波が発生する
パラメトリックアレイ効果を応用するものである。即
ち、請求項１の具体例である請求項３の場合は、上述の
トランスジューサを回転楕円体の内面の片方（第１）の
焦点に置き、ここから上述の超音波を発生させると回転
楕円体の内面による反射波は全てもう一つ（第２）の焦
点に収束し、その後再び発散して行く。 この経路の間
にパラメトリックアレイ効果によって変調信号の可聴音
域変調信号成分は復調され、この信号に対応した音波が
同様に収束し、発散する。この様子は第２の焦点を音源
とするスピーカと同一の波面となるから、この波面の伝
播領域空間に居る聞き手には可聴音が第２の焦点から聞
こえてくる。また、この可聴音波はその発生が調度可聴
域のスピーカを進行方向にアレイ状に並べたのと同じ効
果で元の超音波の進行方向に鋭い指向性を持つため、収
束性が良く聞き手はこの経路の音のみを聴くことになる
のが特徴である。

【０００６】なお、反射波の収束地点を反射面より無限
大の遠距離地点とし、収束途上でビーム状の可聴音を得
ようとする場合は、請求項３の場合における焦点間の距
離が極端に遠く、第２の焦点が無限遠に近い場合であっ
て、第１の発射した音波は平面波面となってビーム状に
進行する。この場合には、音波は発散によるエネルギー
の損失が少ない状態で遠方まで届きビーム径の範囲内に
のみ可聴信号を伝達できる。本方式は、トランスジュー
サから発生する音響エネルギーを反射面でまとめるため
に全てのエネルギーを目的の音源として利用できるので
効率が良く、特に上記パラメトリックアレイで発生する
可聴音は原理的に指向性が高いので比較的小さな反射面
でその全てをまとめることができ、トランスジューサを
平面上に配列してビーム状とする方式よりも高い効率が
得られる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の構成方法例によ
る音源は音声を含む可聴音波に相当する電気信号によっ
て振幅変調された超音波領域の正弦波電気信号を生成す
る駆動回路と、この信号によって駆動される発信用超音
波トランスジューサと、回転楕円体の内面の二焦点を結
ぶ線に垂直な部分を含むある面積を持った凹面の一部に
よるもので構成され、同回転楕円体の焦点の位置に当た
る空間を音源として可聴音変調信号に対応する音波を発
する。

【０００８】また、回転楕円体の極端な寸法の例とし
て、焦点と楕円体内面までの距離に比べて二焦点間の距
離がはるかに長い場合には、第２の焦点は遠くなり反射
体の大きさに対応した面積の平面波面を持つビーム状可
聴音波を発する。

【０００９】ここで原理として用いるパラメトリックア
レイ効果は原振幅変調信号とは異なった波型の復調信号
を出力する。典型的な条件では振幅変調された超音波信
号の振幅の２乗の２回微分の出力波型となることが知ら
れている。このような場合においても変調信号に対応し
た信号成分は含まれているので信号が音声の場合などで
は充分内容を聴くことができるが特に必要であればあら
かじめ振幅変調波形を出力時に必要とする形となるよう
に加工して置けばよい。また以上の場合においてトラン
スジューサは必ずしも焦点位置にある必要は無く焦点か
ら発生した音波と等価な波面を持つ様に配置されたもの
であればよい。

【００１０】

【実施例】次に、本発明について図１を参照して説明す
る。図１は本発明の請求項３場合の実施例の断面図であ
り、回転楕円体の一部分１の内部の焦点２に発信用超音
波トランスジューサ３が設置されている。このトランス
ジューサの駆動信号は超音波帯の正弦波を発信する発振
器４の出力を可聴域信号５によって振幅変調する変調器
６の出力７が入力している。トランスジューサの超音波
出力は回転楕円体の一部１に向けて発射されており、楕
円の法則からこの音波は破線の経路をたどって反射後も
う一つの焦点８に向かって収束し、さらに収束後発散し
ていく。この経路をたどる内に、超音波はその振幅を変
調している可聴域の信号を徐々に独立の音波とし分離発
生して同行するようになる。

【００１１】このため破線矢印の方向には可聴域音波も
含まれている。よって収束後の発散領域に聞き手９がい
れば、この人にとって音波は音源が焦点８にあるように
聞こえることになる。この場合に可聴音波は前述の指向
性から破線の範囲以外には出ないため聞き手９は８以外
の他の音源を聴くことは無いのが特徴である。また音源
を聞き手の近くに設置できるために音量は十分小さくて
よいから、この音波が聞き手の後方に散乱してもそれほ
ど後方の雑音にはならない。また、必要であれば聞き手
の後方に吸音効果の大きな壁面を用意してもよい。

【００１２】実施例（１） 両焦点間の距離０．６ｍ、
両焦点を結ぶ軸上での焦点と反射面までの距離０．６ｍ
で決められる回転楕円体の、該軸と楕円体面との交点を
中心として半径０．５ｍの部分を石膏により形成し、焦
点に圧電型セラミックトランスジューサ（ｍｕｒａｔａ
４０ＳＲ）を設置して、１ＫＨｚの方形波によって１０
０％変調した実効値１０Ｖの４０ＫＨｚの電気信号を加
えたところ、第２の焦点から１ＫＨｚの方形波成分の発
生していることをマイクロホン（アコー４０１７）によ
る音圧分布から確認し、焦点から１０ｃｍの位置て゛６
５ｄＢ（Ａ）の値を得た。また実際に耳でも確認した。

【００１３】図２は焦点間の距離を無限大とした請求項
４の場合である。このことは反射曲面を回転楕円体から
回転放物面としたことに等価である。反射面１０に焦点
１１位置からトランスジューサ１２によって発射された
前記と同様の振幅変調超音波は破線のように反射され、
各部での反射音がいずれも平行に進行する。また放物面
の原理から波面は進行に直角で平面である。このため聞
き手１３はこの音波の進行領域の中に居るとある距離範
囲内では距離を問わず同様な条件で可聴音波を聴くこと
ができる。

【００１４】実施例（２） 焦点と中心までの距離０．
３ｍで決められる放物面を半径０．２ｍ分石膏で形成し
て実施例（１）と同様の超音波信号を焦点から発生させ
たところ放物面中心と焦点を結ぶ軸上に１ＫＨｚの方形
波成分のビーム状分布を確認した。軸上で約６２ｄＢ
（Ａ）を得た。また耳でも確認した。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では空中の
一点を音源とすること及びビーム状の音波を形成するこ
とができる。前者の方法によっては聞き手の目の前に音
源を設置することができるので小さな音量でもその聞き
手に音響情報を伝えることができる。聞き手はヘッドホ
ンのような拘束を受けない。また後者の方法による音源
では遠方の聞き手のいる方向に音響信号を送ることがで
きる。この場合音響信号はビーム状となりそのビーム外
では音響信号を聴くことができない。本方式は、従来考
えられていたトランスジューサの平面的な配列と異なり
パラメトリックアレイの出力信号を効果的に利用するの
で効率良く可聴音を得ることができる。このような特性
を持つ音源は従来なかったものであり、個人的な空中音
響通信方式としてさまざまな用途がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転楕円体反射面を用いる本発明の原理図。

【図２】回転放物体内面を用いる本発明の原理図 １ 回転楕円体反射面 ２ 第１の焦点 ３ 超音波トランスジューサ ４ 正弦波発振器 ５ 可聴信号 ６ 変調器 ７ 振幅変調信号 ８ 第２の焦点 ９ 聞き手 １０ 回転放物面体反射面 １１ 焦点 １２ トランスジューサ １３ 聞き手

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可聴領域の信号によって振幅変調された超
   音波信号を、発射形態と反射形態の組み合わせによって
   反射波を聴者の前方の近部において収束させられるよう
   に設置した曲面に向けて発射し、上記収束後の再発散空
   間において、上記収束地点が該可聴領域の信号に対応し
   た可聴音の音源として機能することを特徴とする音源構
   成法。
2. 【請求項２】可聴音域の周波数の電気信号により超音波
   音域の周波数の電気信号を振幅変調する変調手段と、上
   記変調手段の被変調電気信号を機械的振動に変換し音波
   を発信するトランスジューサと、音波を反射する音響反
   射手段とを有する音源構成装置であって、上記音響反射
   手段は、所定の位置に配置した上記トランスジューサか
   ら発せられた音波を聴者の前方の近部において収束せし
   める反射面を備えていることを特徴とする音源構成装
   置。
3. 【請求項３】請求項１において、超音波を回転楕円体の
   内面の片方（第１）の焦点から発射させ、上記内面の一
   部で反射させ他方（第２）の焦点に収束、通過させるこ
   とにより上記第２の焦点を前記可聴領域の信号に対応し
   た可聴音の音源とすることを特徴とする音源構成法。
4. 【請求項４】請求項２において、前記音響反射手段の反
   射面は、回転楕円体の内側面の一部を形成すると共に、
   前記トランスジューサから上記回転楕円面に向けて発せ
   られる音波の波面は上記回転楕円体の一方の焦点から発
   せられたと等価な波面を有していることを特徴とする音
   源構成装置。