JP4222169B2 - 超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生制御方法 - Google Patents
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Description
この超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号源からの信号波によって超音波周波数帯のキャリア波を変調し、パワーアンプ等で増幅した後に超音波トランスデューサーから有限振幅レベルの音波に変換して媒質中(空気中)に放射し、媒質(空気)の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音を再生するようになっている。
という効果が得られる。
超音波スピーカーでは、可聴周波数帯の元信号(信号波)によって超音波周波数帯のキャリア信号(キャリア波)を変調する処理が行われるが、変調方式としてDSB-WC(Double Side Band With Carrier AM)変調を例にとり説明する。非線形伝播では高調波成分の発生により、以下の説明のモデルが複数形成されることになるが、モデル間の相関は基本的には無い為、単一のモデルで説明する。
図中にある矢印(A)と矢印(B)が差音の発生要因となる関係を示しており、矢印(A)は元の可聴域信号ωmを発生させ、矢印(B)は元の可聴域信号ωmの2倍(2ωm)を発生させる。
p(t ) = {1+ m cos(ωmt)} cos(ωct) (ωm<< ωc) …(1)
ただし、mは変調度である。
p(t ) = {1+ m E(t)} cos(ωct) (ωm<< ωc) …(2)
ただし、mは変調度である。
図8で示した信号成分の周波数分布は、元信号である可聴域の任意信号 E(t)の信号がシンプルであればある程、複雑さが減少することになる。
可聴周波数波発振源10は、可聴周波数帯の信号波(音響信号)を生成する機能を有している。
心理聴覚分析処理部12は、可聴周波数帯の信号波(音響信号)に対し、心理聴覚分析に基づいて、人間が知覚不可能な信号成分を予め除去する処理を行う。
音響信号の圧縮技術として、ISO-MPEG Audio Layer3(MP3)などの技術が存在する。これらの技術では音響信号データ削減の手段の一つとして、心理聴覚分析処理により、人間が知覚不可能な信号成分を削除する手法をとっている。
最小可聴限界処理は、周波数帯によって人間が聞こえ始める音の強さが異なる点を利用して人間が知覚不可能な信号成分を削除するものである。図2に示すように、最小可聴限界曲線以下の領域の音は聞こえない為、この部分を削除することが可能である。
また、マスキング効果処理は、大きな音の直前直後にある周波数が同程度の小さな音や、大きな音の中に埋もれた周波数が同程度の小さな音などは聴き取れない点を利用して人間が知覚不可能な信号成分を削除するものである。
以上の最小可聴限界処理及びマスキング効果処理を心理聴覚分析処理部12で実行することにより、複雑な波形となる任意の音響信号の複雑度が軽減され、再生される可聴周波数帯の信号音の復調効率が向上することになる。
変調器16は、キャリア波発振源14から出力されるキャリア波を心理聴覚分析処理部12から出力される信号波により振幅変調する機能を有する。
超音波トランスデューサ20は、変調器16から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中(空気中)に放射する機能を有する。
高音圧の超音波搬送波(キャリア波)を、上記のように可聴音信号(信号波)で振幅変調して空中に放射すると、空気の非線形性により、音圧の高いところでは音速が高くなり、低いところでは音速が低くなって、波形に歪みが発生する。この結果、音波が空中を伝播するに従い波形に歪みが蓄積されて徐々に搬送波成分が減衰し、変調に用いた可聴音成分が自己復調されてくる(パラメトリックアレイ効果)。超音波で搬送することによって自己復調された可聴音は鋭い指向性を有し、超音波スピーカを構成することができる。
本発明に係る超音波スピーカでは、超音波トランスデューサ20は広帯域発振型の超音波トランスデューサである必要はなく、狭帯域発振型の、すなわち共振型の超音波トランスデューサであってもよい。
また、キャリア波発振源14は、超音波周波数帯のキャリア波を生成し、変調器16に出力する。
Claims (2)
- 可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号を増幅するパワーアンプと、前記パワーアンプで増幅された変調信号により駆動され、当該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する静電型の超音波トランスデューサとを有し、前記超音波トランスデューサが、アルミの金属箔として形成される上電極が上面部に蒸着処理により一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極が下面部に接触するように設けられている3〜10μmの厚さを有する振動体としての誘電体を有し、前記下電極は第1のリードが接続されるとともに、ベース板に固定されており、前記上電極は第2のリードを介して直流バイアス電源に接続されており、前記誘電体および前記上電極ならびに前記ベース板は、複数のメタルリングならびにメッシュとともに、ケースによってかしめられており、前記下電極の誘電体側の面には、前記下電極と前記誘電体との間の空隙となり前記上電極および前記下電極間の静電容量の分布が変化するように、不均一な形状を有する数十〜数百μmの溝が複数形成されており、周波数特性として、40kHzから100kHzまで平坦で、100kHzで最大音圧に比して±6dBを有しており、前記上電極に直流バイアス電源からの直流バイアス電圧が印加された状態で、前記電極と前記下電極との間に前記パワーアンプで増幅された変調信号が印加されることにより可聴周波数帯の信号音を再生する超音波スピーカの信号音再生制御方法において、
最小可聴限界処理、マスキング効果処理、および、時間軸において強い音の直前直後の音を削除する処理により、前記信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を予め除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波により前記キャリア波を変調し、該変調信号により前記超音波トランスデューサを駆動することを特徴とする超音波スピーカの信号音再生制御方法。 - 可聴周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカにおいて、
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、
キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、
前記変調手段から出力される変調信号を増幅するパワーアンプと、
前記パワーアンプで増幅された変調信号により駆動され、当該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する静電型の超音波トランスデューサと、
最小可聴限界処理、マスキング効果処理、および、時間軸において強い音の直前直後の音を削除する処理により、前記信号源から出力される信号波に含まれる人間が知覚不可能な信号成分を除去し、該人間が知覚不可能な信号成分を除去した信号波を前記変調手段に出力する不要信号成分除去手段と
を有し、
前記超音波トランスデューサが、
アルミの金属箔として形成される上電極が上面部に蒸着処理により一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極が下面部に接触するように設けられている3〜10μmの厚さを有する振動体としての誘電体
を有し、
前記下電極は第1のリードが接続されるとともに、ベース板に固定されており、
前記上電極は第2のリードを介して直流バイアス電源に接続されており、
前記誘電体および前記上電極ならびに前記ベース板は、複数のメタルリングならびにメッシュとともに、ケースによってかしめられており、
前記下電極の誘電体側の面には、前記下電極と前記誘電体との間の空隙となり前記上電極および前記下電極間の静電容量の分布が変化するように、不均一な形状を有する数十〜数百μmの溝が複数形成されており、
周波数特性として、40kHzから100kHzまで平坦で、100kHzで最大音圧に比して±6dBを有しており、
前記上電極に直流バイアス電源からの直流バイアス電圧が印加された状態で、前記電極と前記下電極との間に前記パワーアンプで増幅された変調信号が印加される、
ことを特徴とする超音波スピーカ。
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