JP2000209691A

JP2000209691A - パラメトリックスピ―カ―

Info

Publication number: JP2000209691A
Application number: JP517499A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Takazawa; 和哉高沢; Hikari Suyama; 光須山
Original assignee: MK Seiko Co Ltd
Current assignee: MK Seiko Co Ltd
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【目的】パラメトリック効果を用いて、空気等の媒質
中に被変調信号を復調するパラメトリックスピーカーに
おいて、復調した再生音に混入するノイズを軽減させる
と共に、聞き取りやすい自然な音質のスピーカーを提供
する。【構成】被変調信号の低音域をカットするフィルター
と、可聴音周波数帯の所定周波数範囲を通過するフィル
ターと、これらのフィルターを適宜選択する切換器とを
設け、復調した際に人間の耳には聞こえ難い周波数成分
を予めカットして超音波を変調し空中に放射すること
で、ノイズの原因となる各周波数成分の差音をなくし、
同時に、カットした周波数成分のうちの低音域を可聴音
域スピーカーで再生することで、パラメトリックアレイ
効果による再生音に不足する低音域を補完するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パラメトリックアレイ
効果により可聴音信号などで振幅変調された超音波を媒
質（例えば空気中）に放射した際、音波の非線形伝搬特
性の結果、超音波伝搬路に沿って変調信号が可聴音とし
て復調される現象を利用したパラメトリックスピーカー
に関する。

【０００２】

【従来の技術】音声による情報伝達の分野において音声
の伝達範囲や方向を制御することは重要な課題のひとつ
である。例えば、大勢の人が集まるイベント会場では一
度に大勢の人に対して音声情報を伝える必要があるが、
美術館，博物館などの展示物ガイダンスでは限られた範
囲に存在する人に対して音声情報を伝達できれば充分で
あり不必要な範囲の人にまで音声を伝えることは騒音に
つながる。また、銀行などの現金支払機の場合は更に範
囲が限定され、利用者一人に対して情報伝達するのが望
ましい。そこで、特定範囲の空間に可聴音を発生させる
装置としてパラメトリックスピーカーが従来より提案さ
れている。このパラメトリックスピーカーは、可聴域信
号で振幅変調された超音波を超音波振動子などのトラン
スデューサから空中に放射することで、空気中における
音波の非線形伝搬特性の結果（パラメトリックアレイ効
果）、超音波伝搬路に沿って変調信号が自己復調される
ものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のパラメトリック
スピーカーにおいて、例えば４０キロＨｚの超音波を搬
送波とし、図５（ａ）に示すようなスペクトルを持った
被変調信号を振幅変調すると、図５（ｂ）に示すスペク
トルを持った超音波が空中に放射される。このとき、超
音波の振幅が有限振幅レベルと見なされる程度に大きけ
れば、搬送波成分と上・下側波帯成分とが空気中で非線
形相互作用を起こし、その差音が超音波伝搬路に沿って
発生する。すなわち、上側波帯の５０キロＨｚ成分と搬
送波の４０キロＨｚ成分とで１０キロＨｚの可聴音が発
生し、同じく４０．０１キロＨｚ成分と搬送波成分とで
１０Ｈｚの音波が発生し、結果として被変調信号が復調
される。このように、搬送波成分と側波帯成分との差音
のみが再生されるのであれば、変調した通りの信号が再
生されることになり、高音質の可聴音を聞くことができ
る。しかしながら実際は、上側波帯と下側波帯とに含ま
れる全ての周波数成分の間で差音が生じ、また、同じ側
波帯の中でも差音が生じ、これらの差音が被変調信号と
は異なったノイズとなっていた。すなわち、側波帯域
（被変調信号の周波数帯域）が広いほどその分ノイズが
混入してしまうという問題点があった。

【０００４】また、一般に音楽信号は、その周波数特性
を調べると低音域ほど音量レベルが高いので、被変調信
号として音楽信号を用いた場合、低音域を豊富に含んだ
超音波が放射されることになる。ところがパラメトリッ
クアレイ効果は、低音域になるほど超音波から可聴音へ
の変換効率が低下するので、実際の可聴音は低音域が不
足して甲高い音が聞こえることになる。しかし実際に
は、人間の耳には聞こえ難い低音域や高音域の成分も超
音波に変調されて空中に放射されているので、両側波帯
間および同じ側波帯の中で生じた周波数成分同士の差音
は、それぞれの周波数成分の出力レベルに比例した高い
音圧レベルのノイズとなり、再生音の音質低下を招いて
いた。更に、重低音は特に音量レベルが高いという事に
加え、超音波振動子のＱ（ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏ
ｒ）は搬送波周波数をピークにその周波数から離れるに
従い急激に低くなるので、振幅変調した場合に、被変調
信号の低音域ほど効率よく放射され、ノイズ発生の大き
な要因となってしまうのである。これらの事情によっ
て、甲高い上にノイズが混入した聞き難い可聴音が発生
してしまうという問題点が発生していた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１）上記のような問題
を解決するために本発明では、超音波周波数帯の搬送波
を発振する発振回路と、超音波周波数帯の搬送波を被変
調信号で変調する変調部と、変調部に入力される被変調
信号の所定周波数以下を遮断する第１のフィルターと、
前記変調部から出力される信号を超音波として媒質中に
放射する超音波振動子と、前記被変調信号の所定周波数
以上を遮断する第２のフィルターと、第２のフィルター
を通過した信号を可聴音再生する可聴音域スピーカーと
を備えたことを特徴とするパラメトリックスピーカーを
提案する。

【０００６】（２）また、超音波周波数帯の搬送波を発
振する発振回路と、超音波周波数帯の搬送波を被変調信
号で変調する変調部と、変調部に入力される被変調信号
の所定周波数帯域を通過する第１のフィルターと、前記
変調部から出力される信号を超音波として媒質中に放射
する超音波振動子と、前記被変調信号の所定周波数以上
を遮断する第２のフィルターと、第２のフィルターを通
過した信号を可聴音再生する可聴音域スピーカーとを備
えたことを特徴とするパラメトリックスピーカーを提案
する。

【０００７】（３）また、超音波周波数帯の搬送波を発
振する発振回路と、超音波周波数帯の搬送波を被変調信
号で変調する変調部と、変調部に入力される被変調信号
の所定周波数以下を遮断する第１のフィルターと、前記
変調部に入力される被変調信号の所定周波数帯域を通過
する第２のフィルターと、前記各フィルターを切り換え
る切換器と、前記変調部から出力される信号を超音波と
して媒質中に放射する超音波振動子と、前記被変調信号
の所定周波数以上を遮断する第３のフィルターと、第３
のフィルターを通過した信号を可聴音再生する可聴音域
スピーカーとを備えたことを特徴とするパラメトリック
スピーカーを提案する。

【０００８】（４）また、上記提案のパラメトリックス
ピーカーにおいて、各フィルターはカットオフ周波数あ
るいは通過周波数帯域を適宜調整するボリュームスイッ
チを備えることを特徴とするパラメトリックスピーカー
を提案する。

【０００９】

【作用】（１）の提案によれば、被変調信号の低音域を
カットして搬送波を変調し、パラメトリックスピーカー
として再生音を発生させることができる。したがって、
可聴音以下の不要な成分に起因していたノイズを大幅に
軽減することが可能になる。さらに、カットした被変調
信号の低音域のみを可聴音域スピーカーで再生するの
で、鋭い指向性を備えた上に音質の良いパラメトリック
スピーカーを提供することができる。

【００１０】（２）の提案によれば、被変調信号のうち
再生音として必要な可聴音周波数帯のみ変調し、パラメ
トリックスピーカーとして再生音を発生させることがで
きる。したがって、音声メッセージ等の再生には不要な
成分に起因していたノイズを大幅に軽減することが可能
になる。さらに、不足した低音域のみを可聴音域スピー
カーで再生するので、鋭い指向性を備えた上に音質の良
いパラメトリックスピーカーを提供することができる。

【００１１】（３）、（４）の提案によれば、被変調信
号をフィルターを介して変調し、パラメトリックアレイ
効果により発生した再生音のノイズ混入状況に応じてフ
ィルターの種類あるいはカットオフ周波数・通過周波数
帯域を選択・調整できる。また、可聴音域スピーカーに
つながるフィルターのカットオフ周波数を調整できる。
したがって、被変調信号の種類（音声信号・音楽信号
等）に応じて効果的にノイズを軽減したり、音質を調整
することが可能になる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を基に、本発明の実施例について
説明する。図１は本発明実施例の駆動回路を示すブロッ
ク図である。１は超音波振動子から放射する超音波の搬
送波（例えば４０ＫＨｚ）を発振する発振回路、２は音
声信号や音楽信号等から成るオーディオ信号（すなわち
被変調信号）を発生するオーディオ信号発生部、３は発
振回路１から出力される搬送波にオーディオ信号発生部
２から出力されるオーディオ信号を変調する変調部であ
る。４は変調部３からの出力信号を増幅する超音波振動
子増幅回路であり、超音波振動子５を駆動する。６はオ
ーディオ信号発生部２から出力されるオーディオ信号の
低音域以下をカットするハイパスフィルターで、そのカ
ットオフ周波数は一例として３００Ｈｚに設定されてい
る。ところで、可聴音の範囲は一般に３０Ｈｚ〜１６Ｋ
Ｈｚであるが、実際のところ３００Ｈｚ以下の音は聞こ
え難く、パラメトリックスピーカーにおいては、復調す
なわち再生音への変換効率が非常に低い。ところが、一
般に音楽信号にはこれら低音域の成分が多く含まれてお
り、そのまま被変調信号として変調すると、復調した際
に再生音としてではなくむしろノイズとして音質低下を
引き起こしてしまう。そのために本実施例ではカットオ
フ周波数を一例として３００Ｈｚに設定した。７はバン
ドパスフィルターで、その通過周波数帯は一例として３
００Ｈｚ〜１０ＫＨｚとした。そして、これらのフィル
ターは切換器８を介して変調部３に接続されている。９
はオーディオ信号発生部２から出力されるオーディオ信
号の低音域以上をカットするローパスフィルターで、そ
のカットオフ周波数は一例として２００Ｈｚに設定され
ている。１０はローパスフィルター９からの出力信号を
増幅する可聴音域スピーカー増幅回路であり、可聴音域
スピーカー１１を駆動する。

【００１３】次に本発明の動作について説明する。切換
器８でハイパスフィルター６を選択すると、オーディオ
信号発生部２から出力されたオーディオ信号は３００Ｈ
ｚ以下の低音域をカットされて図２（ａ）に示すような
スペクトルを持つ超音波が空中に放射され、図２（ｂ）
のような周波数特性の再生音が復調される。このよう
に、復調された際に聞き取りにくい３００Ｈｚ以下の周
波数成分をカットするので、カットした周波数成分との
差音として発生していたノイズを大幅に減少することが
できる。この点について図４を基に更に詳しく説明す
る。例えば４０ＫＨｚの搬送波に３００Ｈｚと１５ＫＨ
ｚの信号とを振幅変調し、超音波振動子から空中に放射
すると、上側波帯に注目すればそれぞれの信号成分の差
音としてＡ：３００ＨｚＢ：１４．７ＫＨｚＣ：１
５ＫＨｚと三種類の音が復調される。すなわち、３０
０Ｈｚと１５ＫＨｚとの差音である１４．７ＫＨｚの信
号が不要なノイズとして発生してしまうのである。しか
も、この１４．７ＫＨｚの信号は３００Ｈｚと１５ＫＨ
ｚの出力レベルに比例するので、非常に高い音圧のノイ
ズとなってしまう。そこで、復調音としてはほとんど聞
こえない３００Ｈｚの信号をカットしてしまえば、差音
Ｂも発生せず、ノイズをなくすことができるのである。

【００１４】次に切換器８でバンドパスフィルター７を
選択すると、オーディオ信号発生部２から出力されたオ
ーディオ信号は３００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数成分の
みが変調され、図３（ａ）に示すようなスペクトルを持
つ超音波が空中に放射されて図３（ｂ）のような周波数
特性の再生音が復調される。このように、復調された際
にほとんど聞こえない３００Ｈｚ以下の周波数成分と、
再生音への変換効率が高い高音域の周波数成分とをカッ
トするので、そのカットした周波数成分との差音として
発生していたノイズを大幅に減少させることができる。

【００１５】一方、ローパスフィルター９では、オーデ
ィオ信号発生部２から出力されたオーディオ信号のうち
の２００Ｈｚ以下の周波数成分を可聴音域スピーカー増
幅回路１０に出力するので、可聴音域スピーカー１１か
らは低音域周波数成分のみが直接可聴音として再生され
る。したがって、ハイパスフィルター６、バンドパスフ
ィルター７でカットした低音域周波数成分を可聴音域ス
ピーカー１１で補完することができる。

【００１６】本発明は以上のように構成されるものであ
るが、上記実施例に限定されるものではなく、オーディ
オ信号が一定の決まった内容であったり、音声メッセー
ジだけであるような場合は、上記各フィルターにカット
オフ周波数および通過周波数帯を適宜調整できるボリュ
ームスイッチを設け、再生音を確認しながら最も適した
値に設定することも可能である。例えば、上記ハイパス
フィルターのカットオフ周波数を５００Ｈｚに設定し、
可聴音域スピーカーにつながるローパスフィルターのカ
ットオフ周波数を４００Ｈｚに設定すると、多少パラメ
トリックアレイ効果としての狭指向性は失われるものの
音楽再生に対して著しいノイズ減少効果が得られ、音質
が飛躍的に向上することを確認した。また、上記各フィ
ルターを切換器で選択する構成ではなく、オーディオ信
号の内容が決まっているような場合は専用のフィルター
を固定で設けるようにしても良い。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、パラメト
リックアレイ効果による復調時にほとんど聞こえないよ
うな低音域を予めカットして搬送波を変調し、パラメト
リックスピーカーとして再生音を発生させることができ
る。したがって、再生音として必要な周波数成分と不要
な周波数成分との差音として高い音圧レベルで生じてい
たノイズを大幅に軽減することができる。また一方で、
失われた低音域は可聴音域スピーカーで直接可聴音とし
て再生するので、全体として狭指向性を備えながら低音
域に富んだ音質の良いパラメトリックスピーカーを提供
することができる。

【００１８】また、パラメトリックアレイ効果による復
調時に、特に必要でないにも関わらず再生音への変換効
率が高い可聴音上限付近の高音域と、ノイズ発生の大き
な原因となる低音域とを予めカットして、少なくとも再
生音として必要な可聴音周波数帯のみ変調するので、音
声メッセージ等の再生には不要な周波数成分に起因して
いた高い音圧レベルのノイズを大幅に軽減することがで
きる。また一方で、失われた低音域は可聴音域スピーカ
ーで直接可聴音として再生するので、甲高い再生音にな
りがちなパラメトリックスピーカーの低音域を補完する
ことができ、全体として狭指向性を備えながら低ノイズ
で自然な音質のパラメトリックスピーカーを提供するこ
とができる。

【００１９】また、被変調信号をフィルターを介して変
調し、パラメトリックアレイ効果により発生した再生音
のノイズ混入状況に応じてフィルターの種類あるいはカ
ットオフ周波数・通過周波数帯域を選択・調整できる。
また、可聴音域スピーカーにつながるフィルターのカッ
トオフ周波数を調整できる。したがって、被変調信号の
種類（音声信号・音楽信号・音声＋音楽信号等）に応
じて効果的にノイズを軽減したり、音質を調整すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の駆動回路を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明実施例による変調波と再生音のスペクト
ルを示す説明図である。

【図３】本発明実施例による変調波と再生音のスペクト
ルを示す説明図である。

【図４】搬送波に２種類の信号を振幅変調した状態を示
す説明図である。

【図５】被変調信号と変調後のスペクトルを示す説明図
である。

【符号の説明】

１発振回路２オーディオ信号発生部３変調部４超音波振動子増幅回路５超音波振動子６ハイパスフィルター７バンドパスフィルター８切換器９ローパスフィルター１０可聴音域スピーカー増幅回路１１可聴音域スピーカー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波周波数帯の搬送波を発振する発振
回路と、超音波周波数帯の搬送波を被変調信号で変調す
る変調部と、変調部に入力される被変調信号の所定周波
数以下を遮断する第１のフィルターと、第１のフィルタ
ーを介して前記変調部から出力される信号を超音波とし
て放射する超音波振動子と、前記被変調信号の所定周波
数以上を遮断する第２のフィルターと、第２のフィルタ
ーを介した信号を可聴音再生する可聴音域スピーカーと
を備えたことを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項２】超音波周波数帯の搬送波を発振する発振
回路と、超音波周波数帯の搬送波を被変調信号で変調す
る変調部と、変調部に入力される被変調信号の所定周波
数帯域を通過する第１のフィルターと、第１のフィルタ
ーを介して前記変調部から出力される信号を超音波とし
て放射する超音波振動子と、前記被変調信号の所定周波
数以上を遮断する第２のフィルターと、第２のフィルタ
ーを介した信号を可聴音再生する可聴音域スピーカーと
を備えたことを特徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項３】超音波周波数帯の搬送波を発振する発振
回路と、超音波周波数帯の搬送波を被変調信号で変調す
る変調部と、変調部に入力される被変調信号の所定周波
数以下を遮断する第１のフィルターと、前記変調部に入
力される被変調信号の所定周波数帯域を通過する第２の
フィルターと、前記各フィルターを切り換える切換器
と、前記各フィルターおよび前記切換器を介して前記変
調部から出力される信号を超音波として放射する超音波
振動子と、前記被変調信号の所定周波数以上を遮断する
第３のフィルターと、第３のフィルターを介した信号を
可聴音再生する可聴音域スピーカーとを備えたことを特
徴とするパラメトリックスピーカー。
【請求項４】請求項１、２および３記載のパラメトリ
ックスピーカーにおいて、各フィルターはカットオフ周
波数あるいは通過周波数帯域を適宜調整するボリューム
スイッチを備えることを特徴とするパラメトリックスピ
ーカー。