JP4522121B2 - 超指向性スピーカ用変調器 - Google Patents

Description

この発明は、可聴音を指向性放射する超指向性スピーカ用変調器に関するものである。

従来の超指向性スピーカ用変調器は、変調信号のオーディオ信号を係数器でｍ倍し、その信号に直流バイアスを加算した後、平方根変換してから超音波帯域発振器の出力搬送波信号と掛算器で掛け算し、変調信号を得ている。この変調信号をパワーアンプで増幅し、超音波振動子アレーに供給することで音波となって放射している。
すなわち、上記の係数器から掛算器までの処理は、変調度ｍの音声信号を平方根処理し、振幅変調した処理を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特公平４−５８７５８号公報（第２頁〜第３頁、第１図）

従来の超指向性スピーカー用変調器では、音源信号がないときに搬送波信号がそのまま放射器から出力されてしまうという問題がある。また、その変調方式に振幅変調を採用しているため、小レベルのオーディオ信号が入力された場合、変調率が低下する。このため、超音波振動素子から空気中に放射し自己生成される復調音は、所望の音圧レベルを得ることができないという問題がある。
また、様々な形態のオーディオ信号に対して、所望の音圧レベルを得るためには後段の増幅装置においてゲインを上げなければならにという問題点もあった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、入力されるオーディオ信号レベルに合わせ搬送波信号レベルをコントロールすることで、最適な変調出力を可能としたものである。
さらに、小レベルのオーディオ信号の時は、変調信号ゲインを上げることで音圧レベルを上げ、さらにはまた、入力されるオーディオ信号にあわせ、変調信号ゲインを可変することにより聴取しやすい音声提供を可能としたものである。

この発明に係る超指向性スピーカ用変調器は、オーディオ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器の出力信号から包絡線レベルを求める包絡線器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力に係数を乗じる係数器と、前記包絡線器と前記係数器の出力を加算する加算器と、この加算器出力を平方根処理する平方根変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を基に周期情報とレベル情報を生成する信号レベルコントロール部と、前記信号レベルコントロール部の出力信号により制御される超音波帯域発振器と、前記平方根変換器と前記超音波帯域発振器の出力信号を掛け算する掛算器と、前記掛算器の出力信号をデジタル信号からアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、前記信号レベルコントロール部の出力信号と任意に設定される値にもとづいてゲイン値を生成するゲイン可変器と、前記Ｄ／Ａ変換器の出力に前記ゲイン可変器の出力を乗じる掛算器を備えるものである。

この発明によれば、入力されるオーディオ信号レベルに合わせた搬送波信号レベルを調整することを可能とするため、最適な変調出力を可能とし所望の音圧レベルを得ることが可能となる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における超指向性スピーカ用変調器の構成を示す図である。図１をもとに説明する。この超指向性スピーカ用変調器は、オーディオ信号を出力する変調信号源１と、オーディオ信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器２と、Ａ／Ｄ変換器２の出力は信号レベルコントロール部３へ供給されるとともに、並列に配置された包絡線器４と係数器５に供給されている。包絡線器４と係数器５の出力は加算器６に入力されている。加算された出力は平方根変換器７に入力される。平方根変換器７の出力は、信号レベルコントロール部３出力信号でコントロールされるオーディオ信号より高い一定周波数の搬送波を出力する超音波帯域発振器８の出力と掛算器９で掛け算された後Ｄ／Ａ変換器１０に入力されている。このＤ／Ａ変換器１０の出力は掛算器１２で信号レベルコントロール部３の出力信号をもとにゲイン可変器１１で生成される信号と掛け合わされて出力信号を得る構成をとる。

超指向性スピーカーは、パラメトリック作用により可聴信号を得るために超音波を発信する指向性の高いスピーカーの放射部である図示しない放射器が設けられている。
超指向性スピーカーであるパラメトリックスピーカーは、人には聞こえない超音波を利用し、強力な超音波が空気を伝搬する過程でひずみ成分が発生し、そのひずみ成分を利用することによって可聴帯域の音を得る原理（非線形性）を採用している。可聴音を得るための変換効率は低いが、音放射方向の狭いエリアにビーム状に音が集中するという「超指向性」を呈することができる。従来の指向性の低いスピーカーは、いわば裸電球の光のように、背面を含む広いエリアに音場を形成するので、エリアをコントロールすることが出来なかったが、パラメトリックスピーカーで使用するスピーカーは、あたかもスポットライトのように聞こえるエリアを限定することが可能となり、非常に指向性の高いスピーカーとなっている。

つぎに、図１にもとづき動作について説明する。変調信号源１から出力されるオーディオ信号は、Ａ／Ｄ変換器２でアナログ信号から量子化データ値のデジタル信号へ変換される。Ａ／Ｄ変換器２の標本化する周波数は、変調信号源１から出力されるオーディオ信号より充分大きな周波数で標本化でき、入力されるオーディオ信号にあわせ標本化であるサンプリング周波数を調整できるものとする。この量子化されたデータ値は、信号レベルコントロール部３へ入力されるとともに、並列に設けられた包絡線器４と係数器５へ入力される。
まず、包絡線器４と係数器５の方に入力された量子化されたデータ値は、包絡線器４で包絡線レベルをもとめられ、また、係数器５でｍ倍にされ出力される。この包絡線器４と係数器５の出力は加算器６で加算された後、平方根変換器７に入力される。平方根変換器７では、加算された信号の並行根処理が行われて出力される。
一方、信号レベルコントロール部３では量子化されたデータ値から周期情報とレベル情報を生成する。図２は、信号レベルコントロール部の詳細を示すブロック図である。図２をもとに、信号レベルコントロール部３の動作を説明する。入力された量子化データ値は、メモリ１３に入力され蓄積されるとともに差分器１４に出力される。メモリ１３は、蓄積されるデータ管理するプログラムが内蔵されているものとする。差分器１４で差分処理を行い、その結果を増減検出器１５へ出力する。増減検出器１５は、差分結果データより増加、減少傾向のそれぞれの境界値を割り出す。例えば、２つの減少境界値より周期（時間）と２つの減少境界値とその間の最大値をもとにレベルを割り出し、その周期情報とレベル情報をメモリ１３経由で、パルス生成器１６へ出力する。パルス生成器１６に送られてくる周期情報とレベル情報を基にパルス生成を行い、超音波帯域発振器８へ出力する。超音波帯域発振器８は、送られてくるパルス情報を基に、そのパルスのレベルに応じた超音波である搬送波を掛算器９へ出力し、入力されるオーディオ信号により振幅変調される。振幅変調された信号はＤ／Ａ変換器１０でもとのアナログ信号に変換される。変換後、掛算器１２でゲイン可変器１１の出力と掛け合わされて変調信号のゲインを可変し、変調信号出力となる。ゲイン可変器１１は、任意の基準より小さいときは、増加させるような数値を出力し、変調信号ゲインを増加させる。

たとえば、信号レベルコントロール部３から出力されるレベルＡを０＜Ａ≦１の値となるようにする。ゲイン可変器１１では式１／（Ｘ＋Ａ）に従い、変調信号ゲインの可変を行う。この式のＸは、変調信号源１から出力されるオーディオ信号に基づき任意の値を設定できるものとする。信号レベルコントロール部３から出力されるレベルをゲイン可変器１１の１／（Ｘ＋Ａ）式に代入することで小さいオーディオ信号レベル時、変調ゲインを上げることができる。たとえば、Ｘの値を０．３とすると、大きいオーディオ信号時、信号レベルコントロール部３から出力されるレベルを０．７としたとき、ゲイン可変器１１の出力値は１倍となる。これに対し、小さいオーディオ信号の信号レベルコントロール部３から出力されるレベルを０．１としたとき、ゲイン可変器１１の出力値は２．５倍になり小さいオーディオ信号時、変調信号ゲインを上げることが可能となる。

また、信号レベルコントロール部３〜出力されるレベルに応じて、ゲイン可変器１１はａを定数としてａ^{（１／Ｘ＋Ａ）}のような指数関数、ｌｏｇａ^Ｘのような対数関数などの単調増加関数としてのふるまいをしてもよい。

この発明の実施の形態１を示す超指向性スピーカ用変調器のブロック図である。 この発明の信号レベルコントロール部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 変調信号源、２ Ａ／Ｄ変換器、３ 信号レベルコントロール部、４ 包絡線器、５ 係数器、６ 加算器、７ 平方根変換器、８ 超音波帯域発振器、９ 掛算器、１０ Ｄ／Ａ変換器、１１ ゲイン可変器、１２ 掛算器、１３ メモリ、１４ 差分器、１５ 増減検出器、１６ パルス生成器。

Claims (4)

1. オーディオ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器の出力信号から包絡線レベルを求める包絡線器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力に係数を乗じる係数器と、前記包絡線器と前記係数器の出力を加算する加算器と、この加算器出力を平方根処理する平方根変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を基に周期情報とレベル情報を生成する信号レベルコントロール部と、前記信号レベルコントロール部の出力信号により制御される超音波帯域発振器と、前記平方根変換器と前記超音波帯域発振器の出力信号を掛け算する掛算器と、前記掛算器の出力信号をデジタル信号からアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、前記信号レベルコントロール部の出力信号と任意に設定される値にもとづいてゲイン値を生成するゲイン可変器と、前記Ｄ／Ａ変換器の出力に前記ゲイン可変器の出力を乗じる掛算器を備える超指向性スピーカ用変調器。
2. 前記信号レベルコントロール部は、オーディオ信号を標本化、量子化したデータの差分値を基に信号レベルコントロールすることを特徴とする請求項１記載の超指向性スピーカ用変調器。
3. 前記信号レベルコントロール部は、オーディオ信号を標本化、量子化したデータの差分値の増加、減少傾向の境界値を基にオーディオ信号の最大値を検知し、その周期と最大値を基に信号レベルコントロールすることを特徴とする請求項１記載の超指向性スピーカ用変調器。
4. 前記ゲイン可変器は、前記信号レベルコントロール部の出力と任意に設定される値とにもとづいて変調ゲインを可変することを特徴とする請求項１記載の超指向性スピーカ用変調器。

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