JP3700841B2

JP3700841B2 - 音場制御装置

Info

Publication number: JP3700841B2
Application number: JP2001354299A
Authority: JP
Inventors: 健司清原; 正人三好
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2003158788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、所望の領域のみに再生音が聞こえるように限定させるための音場制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＴ革命の波によってパーソナルコンピュータを用いたテレビ会議システム（以下デスクトップ会議システム；ＤｅｓｋＴｏｐＣｏｎｆｅｒｅｎ−ｃｅ（ＤＴＣ）システムと呼ぶ）が普及しつつある。これらの会議システムで相手の音声を再生する手段には通常のスピーカを使用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし通常のスピーカは一般に指向性が広く、ＴＶ会議システムを使用している人だけではなく、その周囲にも相手の音声（再生音）が聞こえ、周囲に不要な騒音となって聞こえてしまうという問題点があった。これを解決する一つの方法としてパラメトリックスピーカを用いる方法が考えられる。以下、パラメトリックスピーカの原理とその超指向性について簡単に説明する。パラメトリックスピーカとは超音波信号を可聴周波数を持つ変調信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号により強力な超音波（約１００ｄＢ以上）を放射し、空気の非線形性を利用して変調信号に対応した可聴音を生成するものである。通常の音声のレベル（約７０ｄＢ）で伝播先における音波の強度を駆動源における強度の関数で示すと駆動源の強度の２次以上の成分は無視できる程小さい。
【０００４】
しかし、１００ｄＢ以上もの音波の伝播を考察する場合は上記２次以上の成分は無視できなくなる。この２次以上の成分の音圧は超音波の音圧が１００ｄＢのとき約６０〜７０ｄＢとなり、この音圧レベルに達すると可聴音として聞こえるようになる。この空気の非線形性を利用して可聴音を生成するのがパラメトリックスピーカである。
空気の非線形性に基づく自己復調作用によって、空気を伝播するうちに自然に可聴音を生成する技術は、例えば特公平１−１５１９８号広報、或いは（鎌倉友男「非線形音響学の基礎」（愛智出版）１９９６ｐｐ．１０７−１１０）等により良く知られている。１００ｄＢ以上もの超音波を出力するためには単一の超音波素子では困難で、超音波素子を、例えばマトリックス状或いは円状に多数（数百〜千個）配置する。このとき可聴音は平面の中心から平面に垂直に伸びる音軸上にかなり遠方（数百ｍ）まで伝播し、上記したＴＶ会議システムには利用できない。
【０００５】
これを解決するには超音波をパラボラなどの集音手段で集音させその集音位置に高音圧部を生成することにより、高音圧部を仮想的な音源（受聴可能エリア）にするという方法がある（米沢正道「パラメトリックアレービームによる空中音源」電子情報通信学会技術報告ＥＡ９４−３７）。しかし、この場合も仮想的音源位置は集音手段の集音位置で決定されるが、単に集音手段による集音だけでは先に説明した６０〜７０ｄＢの音圧に達することがなく充分に聴き取ることができる音圧を得ることができない不都合がある。
この発明の目的は集音手段で集音して限られた範囲で可聴音が聞こえる領域を形成する音場制御装置において、再生される可聴音の音圧を従来より大きい音圧で再生することができる音場制御装置を提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では、更に可聴周波数帯の周波数より高い周波数を持つ超音波信号を発生する超音波信号源と、この超音波信号源で発生した超音波信号を可聴周波数帯の周波数を持つ変調信号により振幅変調する振幅変調器と、この振幅変調器で振幅変調された超音波信号により駆動される電気音響変換部と、この電気音響変換部が発射する超音波により再生される可聴音を集音させ音場を形成する集音手段と、超音波信号源で発生する超音波信号の周波数を集音手段の集音位置と超音波の衝撃波面形成位置とを一致させる周波数に設定する周波数設定手段とによって構成した音場制御装置を提案する。
【０００７】
この発明では、更に上記した音場制御装置において、周波数設定手段は、互に発振周波数を異にする複数の超音波発振器によって構成した超音波信号源と、この超音波信号源を構成する複数の発振器のいずれかの超音波発振器を選択して振幅変調器に印加する切替手段とによって構成した音場制御装置を提案する。
この発明では、更に上記した音場制御装置のいずれかにおいて、集音手段は電気音響変換部が発射する超音波を凹面で反射させ、その反射された超音波を凹面の曲率に従って集音位置を規定するパラボラ反射器で構成した音場制御装置を提案する。
【０００８】
この発明では、更に上記した音場制御装置のいずれかにおいて、集音手段は凹面を持つ超音波素子支持体と、この超音波素子支持体の凹面に装着した複数の超音波素子とによって構成した音場制御装置を提案する。
作用
この発明による音場制御装置によれば、振幅変調された超音波により再生される可聴音を集音手段により定められる集音位置に集音し、高音圧部を形成するのと同時に超音波の衝撃波面形成距離を集音手段の集音位置に合致するように、超音波の発振周波数を設定するから、衝撃波面形成により更に音圧が加算され、集音手段の集音位置に従来より音圧の高い可聴音を再生することができる。
【０００９】
ここで衝撃波面形成距離ｘ_sは次式で与えられる。
ｘ_s＝ρｃ³／（β２πｆＰ） ………（１）
で与えられる。
但し、ρは空気の密度、Ｃは空気中の音速である。一般にρｃ＝４１５［Ｎ・Ｓ／ｍ³］、ｃ≒３４０［ｍ／ｓ］、βは非線形パラメータでβ＝１．２、ｆは超音波の周波数、Ｐは超音波の振幅である。音圧のレベルが約１３０ｄＢで、ｆ＝４０ＫＨｚのときｘ_s≒１．６［ｍ］、ｆ＝８０ＫＨｚのとき、ｘ_s≒０．８［ｍ］、ｆ＝４００ＫＨｚのときｘ_s≒０．１６［ｍ］となる。
【００１０】
このように、超音波信号の周波数ｆを変えることにより衝撃波面形成距離ｘ_sを変化させることができるから、集音手段の集音位置と衝撃波面形成位置とを合致させることにより、その合致位置に集音による可聴音の音圧と、衝撃波面形成による可聴音の音圧との相乗効果により従来の集音のみによる音圧より大きい音圧の可聴音を再生することができることになる。
更に、この発明では超音波周波数を変化させることができる周波数設定手段を設けたから、利用状況に応じて受聴エリアの位置が決まれば、その希望する受聴エリアの位置に衝撃波面形成距離を設定し、更に、この設定距離に合致した集音距離を持つ集音手段を利用することにより希望する位置に充分音圧の高い受聴可能エリアを形成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による音場制御装置の一実施例を示す。図中１０は電気音響変換部を示す。この電気音響変換部１０は複数の超音波素子を平面状に多数配置して構成することができる。
電気音響変換部１０には例えば２００Ｈｚ〜２０ＫＨｚの可聴周波数帯の周波数を持つ変調信号で振幅変調した超音波信号を印加する。図１に示す例では振幅変調器１３で振幅変調した超音波信号を増幅器１４で増幅して電気音響変換部１０に印加する構成とした場合を示す。
【００１２】
電気音響変換部１０から放射された超音波は例えばパラボラ型の反射面を持つ集音手段１１で集音され、電気音響変換部１０から所定の距離（集音手段１１の集音位置で決まる距離）の位置に高音圧部１２Ａを形成する。
この高音圧部１２Ａは振幅変調された超音波信号により再生される可聴音が集音手段11によって集音されて形成されるものであるから、超音波の放射エネルギーを１００ｄＢ程度としても従来と同様に音圧レベルとしては６０ｄＢ程度で充分な音圧を得ることができない。
このために、この発明では集音手段１１の集音位置と超音波の衝撃波面形成位置とを一致させるように構成する。このためには超音波信号源１５に複数の発振器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎを設け、この複数の発振器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎの発振周波数の中から、集音手段１１の集音位置と、衝撃波面形成距離ｘ_sとがほぼ等しい状態になる発振周波数を切替手段１６で選択し、この周波数の超音波信号を振幅変調器１３に与えて、可聴信号で振幅変調し、その変調出力信号を増幅器１４で増幅し、その増幅出力で電気音響変換部１０を駆動すれば、集音手段１１の集音位置に集音効果による高音部１２Ａに加えて、衝撃波面形成によって再生される可聴音の高音圧部１２Ｂが加算されるため、これら高音圧部１２Ａと１２Ｂの相乗効果によって、高音レベルが６０〜７０ｄＢ以上の音圧を得ることができる。従って、明瞭に受聴することができる受聴可能エリア１２を形成することができる。
【００１３】
一方、上述したように超音波信号の周波数ｆを変えることにより衝撃波面形成距離ｘ_sを変化させることができるから、衝撃波面形成距離ｘ_sの変更に伴って衝撃波面形成距離ｘ_sに一致する集音距離を持つ集音手段１１に交換すれば、図１に示した受聴可能エリア１２の位置を、超音波周波数ｆの変更と集音手段１１の交換によって図２に示すように超音波放射軸の軸芯１８に沿って１２−１，１２−２，１２−３，１２−４のように変更することができる。特に超音波の周波数ｆを高く採れば採るほど、受聴可能エリア１２の位置を電気音響変換部１０の位置に近づけることができる。その位置に一致した集音距離を持つ集音手段に交換すれば電気音響変換部１０の極めて近い位置に受聴可能エリア１２を設定することができる。超音波は一般に良く知られているように高い周波数の超音波程減衰が顕著であるため、高い周波数の超音波程遠方に到達する率は少ない。このため受聴可能エリア１２の位置を近距離の状態、例えば１２−４に設定した場合は後方に音が漏れる率を小さくできる利点が得られる。
【００１４】
図３に電気音響変換部１０と、その駆動系の構造の一例を示す。電気音響変換部１０は超音波信号源１５に設けた発振器１５Ａ〜１５Ｎの発振周波数ｆ₁〜ｆＮに一致した共振周波数を持つ複数の超音波素子で構成した超音波素子群１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…１０Ｎを具備し、これら複数の超音波素子群１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…１０Ｎをそれぞれ発振器１５Ａ、１５Ｂ…１５Ｎで発振した超音波信号を振幅変調器１３Ａ〜１３ｎで振幅変調して駆動する構成とした場合を示す。従って、この場合も、周波数設定手段１７を構成する切替手段１６のスイッチ１６Ａ〜１６Ｎで選択した周波数の超音波信号が、その超音波信号の周波数に合致した共振周波数を持つ超音波素子群に与えられ、その周波数の超音波を放出させる。
【００１５】
図４は電気音響変換部１０と集音手段１１の変形実施例を示す。この実施例ではパラボラ型の凹面を持つ超音波素子支持体１９に超音波素子群１０Ａ、１０Ｂ…１０Ｎを装着し、この超音波素子支持体１９と超音波素子群１０Ａ、１０Ｂ…１０Ｎを装着し、この超音波素子支持体１９と超音波素子群１０Ａ、１０Ｂ…１０Ｎとによって集音手段１１を構成した場合を示す。
この構成とした場合も、各超音波素子群１０Ａ、１０Ｂ…１０Ｎから放射された超音波は超音波素子支持体１９が具備した凹面の曲率で定められる集音位置に集音には高音圧部を形成すると共に、その高音圧部の位置に超音波の衝撃波面形成位置を合致させることにより、音圧の高い受聴可能エリア１２を形成することができる。また、この場合も、受聴可能エリア１２の形成位置を変更するには、受聴可能エリア１２を形成することを希望する位置が集音位置となる凹面の曲率を持つ超音波素子群が装着されている超音波素子支持体１９を用意し、更に、その新たに設定した受聴可能エリア１２の位置に超音波の衝撃波面が形成される超音波の周波数を設定すればよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば超音波の空間復調作用で復調される可聴音の受聴可能エリア１２の位置を設定し、変更することができる。よって例えばＴＶ会議システムに適用した場合、話者を映出する表示器と、受聴者との間の最適距離が決定されれば、その最適距離に受聴可能エリアの位置を設定することができる。従って、その設定によって常に最適状態で利用することができる利点が得られる。また、電気音響変換部１０の近傍に受聴可能エリア１２を設定する場合は、振幅変調される超音波の周波数を、例えば４００ＫＨｚのように高く選定するため、このような高い周波数の超音波信号は電気音響変換部１０から離れるに従って減衰が著しいため、受聴可能エリア１２の形成位置より更に遠方に音が漏れる率を少なくすることができるため、会議が他の邪魔になることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】この発明の動作を説明するための平面図。
【図３】図１に示した実施例の電気系の構成を詳細に説明するためのブロック図。
【図４】集音手段の変形実施例を説明するためのブロック図。
【符号の説明】
１０電気音響変換部１５超音波信号源
１１集音手段１６切替手段
１２受聴可能エリア１８軸芯
１３振幅変調器１９超音波素子支持体
１４増幅器

Claims

可聴周波数帯の周波数より高い周波数を持つ超音波信号を発生し、互に周波数を異にする複数の超音波発振器によって構成される超音波信号源と、
この超音波信号源で発生した超音波信号を可聴周波数帯の周波数を持つ変調信号により振幅変調する振幅変調器と、
この振幅変調器で振幅変調された超音波信号により駆動される電気音響変換部と、
この電気音響変換部が発射する超音波を凹面で反射させ、その反射された超音波を上記凹面の曲率に従って集音位置を規定するパラボラ反射器で構成させる集音手段と、
上記集音手段の集音位置と超音波の衝撃波面形成位置とを一致させる周波数をもつ超音波発信器を選択して上記振幅変調器に印加する周波数設定手段と、
によって構成したことを特徴とする音場制御装置。
請求項１記載の音場制御装置において、
上記集音手段は凹面を持つ超音波素子支持体と、この超音波素子支持体の凹面に装着した上記電気音響変換部を構成する複数の超音波素子とによって構成したことを特徴とする音場制御装置。