JPH0754996B2 - 電気音響変換装置 - Google Patents
電気音響変換装置Info
- Publication number
- JPH0754996B2 JPH0754996B2 JP59058041A JP5804184A JPH0754996B2 JP H0754996 B2 JPH0754996 B2 JP H0754996B2 JP 59058041 A JP59058041 A JP 59058041A JP 5804184 A JP5804184 A JP 5804184A JP H0754996 B2 JPH0754996 B2 JP H0754996B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave
- ultrasonic
- sound
- air
- transducer
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
- G10K15/02—Synthesis of acoustic waves
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Audiology, Speech & Language Pathology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Obtaining Desirable Characteristics In Audible-Bandwidth Transducers (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 従来技術 本発明は、可聴周波数帯の電気信号を音響信号として空
気中に放射するための電気音響変換装置に関する。
気中に放射するための電気音響変換装置に関する。
従来技術 現在、電気音響変換器としては、動電形直接放射スピー
カとホーンロードスピーカが主流であるが、いづれの方
式においても空気中において振動板を振動させることに
より空気の疎密波を作り機械振動エネルギーを音響エネ
ルギーに変換するものである。
カとホーンロードスピーカが主流であるが、いづれの方
式においても空気中において振動板を振動させることに
より空気の疎密波を作り機械振動エネルギーを音響エネ
ルギーに変換するものである。
本発明は従来のスピーカ等の音響変換器とは全く異る手
段、つまり空気の非線形による有限振幅音波のパラメト
リツク作用を利用するものであるが、パラメトリツク作
用によつて空気中で自己復調されて再生された音波（２
次波と称する）は、超音波領域のキヤリア音波と同等の
指向性パターンを有するのが特徴である。
段、つまり空気の非線形による有限振幅音波のパラメト
リツク作用を利用するものであるが、パラメトリツク作
用によつて空気中で自己復調されて再生された音波（２
次波と称する）は、超音波領域のキヤリア音波と同等の
指向性パターンを有するのが特徴である。
而して、可聴周波数帯域の信号によつて振幅変調を施さ
れた超音波を有限振幅レベルで空気または水等の媒質中
に放射し、空気の非線形効果に基づく自己復調作用によ
つて媒質中に生じる復調音波を通信手段として用いる方
式については、パラメトリツクスピーカとして既に種々
報告されている。この音波の非線形現象を利用したパラ
メトリツク・スピーカは、その指向性の鋭さに一つの特
徴をもつが、一般に、超音波の周波数が高くなると振動
子より放射される音波はビーム状になつて直進する。
れた超音波を有限振幅レベルで空気または水等の媒質中
に放射し、空気の非線形効果に基づく自己復調作用によ
つて媒質中に生じる復調音波を通信手段として用いる方
式については、パラメトリツクスピーカとして既に種々
報告されている。この音波の非線形現象を利用したパラ
メトリツク・スピーカは、その指向性の鋭さに一つの特
徴をもつが、一般に、超音波の周波数が高くなると振動
子より放射される音波はビーム状になつて直進する。
今、半径αの振動子アレーから振幅変調を受けた超音波
がビーム状で放射されると仮定した場合、アレーからｘ
なる距離の点での音圧Ｐは次式で表わせる。
がビーム状で放射されると仮定した場合、アレーからｘ
なる距離の点での音圧Ｐは次式で表わせる。
（ただし、COは音速、αは角周波数ωＯの音波の減衰係
数、POは初期音圧、ｍは変調度、ｇ（ｔ）は変調波であ
る。） （１）式で表わされる有限振幅レベルの超音波が空気中
で非線形パラメトリツク作用によつて復調されて生じる
２次波の音圧は以下の非斉次波動方程式によつて表わさ
れる。
数、POは初期音圧、ｍは変調度、ｇ（ｔ）は変調波であ
る。） （１）式で表わされる有限振幅レベルの超音波が空気中
で非線形パラメトリツク作用によつて復調されて生じる
２次波の音圧は以下の非斉次波動方程式によつて表わさ
れる。
（２）式において、PSは２次波の音圧、ρＯは空気の密
度、ｑは１次波ビーム中に生じる２次波の仮想音源密度
で、このｑは次式で表わせる。
度、ｑは１次波ビーム中に生じる２次波の仮想音源密度
で、このｑは次式で表わせる。
従つて、（１），（３）式よりアレーからの距離ｘ（軸
上）の点での仮想音源密度を計算すると次式を得る （４）式の右辺第１項は信号成分に基づく仮想音源密度
を表わしており、第２項はひずみ成分の仮想音源密度を
表わしている。
上）の点での仮想音源密度を計算すると次式を得る （４）式の右辺第１項は信号成分に基づく仮想音源密度
を表わしており、第２項はひずみ成分の仮想音源密度を
表わしている。
更に、２次波のひずみ成分を低減させるため変調方式と
して、 がある。
して、 がある。
この は、変調信号にある直流成分を加えて した後にキヤリア信号との積をとる様な変調方式で、こ
の場合、被変調信号は次式で表わせる。
の場合、被変調信号は次式で表わせる。
従つて、振動子アレーからｘなる距離の点での１次波
（被変調超音波）の音圧は となる。この場合の２次波の仮想音源密度は（３）式を
用いて、 となる。従つて、本変調方式を用いると（４）式右辺第
２項に示されるごときひずみ成分が消減し、再生音の品
質が著しく向上する。
（被変調超音波）の音圧は となる。この場合の２次波の仮想音源密度は（３）式を
用いて、 となる。従つて、本変調方式を用いると（４）式右辺第
２項に示されるごときひずみ成分が消減し、再生音の品
質が著しく向上する。
しかしながら、上述のごときパラメトリツク作用を利用
した電気音響変換器をスピーカとして用いる場合、受聴
者がハイパワーの１次波（超音波）を浴びることにな
り、この点が安全上問題となる。
した電気音響変換器をスピーカとして用いる場合、受聴
者がハイパワーの１次波（超音波）を浴びることにな
り、この点が安全上問題となる。
目的 本発明は、上述のごときパラメトリツク作用を利用した
電気音響変換器をスピーカとして用いた場合に生じる問
題点を解決するためになされたもので、より具体的に
は、人体に有害なハイパワー超音波をカツトし、しか
も、２次波の損失の少ない電気音響変換装置を提供する
ことを目的としてなされたものである。
電気音響変換器をスピーカとして用いた場合に生じる問
題点を解決するためになされたもので、より具体的に
は、人体に有害なハイパワー超音波をカツトし、しか
も、２次波の損失の少ない電気音響変換装置を提供する
ことを目的としてなされたものである。
構成 本発明は、上記目的を達成するために、可聴周波数帯の
信号源からの信号によって超音波周波数帯のキャリア信
号を変調し、電力増幅した後、超音波振動子に導き、前
記被変調波を有限振幅レベルの音波に変換して空気中に
放射し、空気の非線形効果によって元の可聴音を再生す
るようにした電気音響変換装置において、前記超音波振
動子前面からの超音波放射方向に、該超音波の一次波を
遮断するための音響フィルターを設け、前記超音波振動
子と音響フィルターとの距離Ｌが、レーリー長をR0,超
音波の空気中でのレーリー長当りの減衰係数をαとした
とき、 Ｌ＝R0/2α の関係を有することを特徴としたものである。
信号源からの信号によって超音波周波数帯のキャリア信
号を変調し、電力増幅した後、超音波振動子に導き、前
記被変調波を有限振幅レベルの音波に変換して空気中に
放射し、空気の非線形効果によって元の可聴音を再生す
るようにした電気音響変換装置において、前記超音波振
動子前面からの超音波放射方向に、該超音波の一次波を
遮断するための音響フィルターを設け、前記超音波振動
子と音響フィルターとの距離Ｌが、レーリー長をR0,超
音波の空気中でのレーリー長当りの減衰係数をαとした
とき、 Ｌ＝R0/2α の関係を有することを特徴としたものである。
本発明の構成について、以下、実施例に基づいて説明す
る。
る。
パラメトリツク作用を用いたスピーカは、可聴音により
振幅変調された有限振幅超音波が超音波振動子アレーか
ら放射され、空気中を伝搬していく過程で、空気の非線
形特性の影響を受け、自己復調がおこなわれた結果、１
次波のビーム中に２次波（変調波＝可聴音）の仮想音源
が縦形アレーとして形成されるため、鋭い指向性の２次
波音場を有することになる。したがつて、パラメトリツ
クスピーカからの再生音を受聴する場合、受聴者は超音
波振動子アレー面から十分に距離をおいて受聴する必要
がある。もし、距離が十分でないと、仮想音源アレーの
形成が十分でなく、満足な音圧レベルの再生音が得られ
ない。超音波振動子から適当な距離を保つて受聴する場
合、受聴者は２次音を聞くと同時に１次波をも被爆する
ことになる。この場合、１次波の音圧は相当に高いた
め、長期に且つて被爆すると人体に何らかの影響が及ぼ
されることが心配される。そこで仮想音源アレー形成後
のビーム中にビーム径より十分大きな径の音響フィルタ
ーを挿入し、１次波をカツトすると同時に２次波はなる
べく減衰少なく通過させるような措置を施すことを考え
たが、その場合次の２点が問題となる。
振幅変調された有限振幅超音波が超音波振動子アレーか
ら放射され、空気中を伝搬していく過程で、空気の非線
形特性の影響を受け、自己復調がおこなわれた結果、１
次波のビーム中に２次波（変調波＝可聴音）の仮想音源
が縦形アレーとして形成されるため、鋭い指向性の２次
波音場を有することになる。したがつて、パラメトリツ
クスピーカからの再生音を受聴する場合、受聴者は超音
波振動子アレー面から十分に距離をおいて受聴する必要
がある。もし、距離が十分でないと、仮想音源アレーの
形成が十分でなく、満足な音圧レベルの再生音が得られ
ない。超音波振動子から適当な距離を保つて受聴する場
合、受聴者は２次音を聞くと同時に１次波をも被爆する
ことになる。この場合、１次波の音圧は相当に高いた
め、長期に且つて被爆すると人体に何らかの影響が及ぼ
されることが心配される。そこで仮想音源アレー形成後
のビーム中にビーム径より十分大きな径の音響フィルタ
ーを挿入し、１次波をカツトすると同時に２次波はなる
べく減衰少なく通過させるような措置を施すことを考え
たが、その場合次の２点が問題となる。
（１）、音響フイルターの挿入位置（超音波振動子から
の距離）。
の距離）。
（２）、音響フイルターの構成および特性。
（１）については、挿入位置が振動子に近すぎると仮想
音源アレーが形成されきらない内に１次波が遮断される
ため、十分な２次音圧が得られない。一方、挿入位置が
振動子から遠すぎると、仮想音源アレーを切断する心配
はないが取り扱いが不便である。したがつて、最適挿入
位置を決定することが必要である。
音源アレーが形成されきらない内に１次波が遮断される
ため、十分な２次音圧が得られない。一方、挿入位置が
振動子から遠すぎると、仮想音源アレーを切断する心配
はないが取り扱いが不便である。したがつて、最適挿入
位置を決定することが必要である。
第１図は、振動子からの正規化距離L/RO（実距離をレー
リー長で除したもの）と２次音圧の関係についてのコン
ピユータ シミユレーシヨン結果の一例である。これに
より仮想音源アレーは正規化距離L/RO＝1/2αの近傍で
ほぼ形成が終るものと考えられる。したがつて、音響フ
イルターの挿入位置はＬ＝RO/2αの近傍が２次音圧の点
から適当である。
リー長で除したもの）と２次音圧の関係についてのコン
ピユータ シミユレーシヨン結果の一例である。これに
より仮想音源アレーは正規化距離L/RO＝1/2αの近傍で
ほぼ形成が終るものと考えられる。したがつて、音響フ
イルターの挿入位置はＬ＝RO/2αの近傍が２次音圧の点
から適当である。
次に（２）の項目であるが、望まれる音響フイルターの
特性は１次波の吸収が大きく、かつ、２次波の透過率が
出来るだけ高いことである。この様な材質としては各種
のものが考えられるが、１次波周波数40kHzの場合には
ウレタンフオームやエアーパツト等が有力である。な
お、以下にレーリー長と吸収係数（減衰係数）について
説明する。
特性は１次波の吸収が大きく、かつ、２次波の透過率が
出来るだけ高いことである。この様な材質としては各種
のものが考えられるが、１次波周波数40kHzの場合には
ウレタンフオームやエアーパツト等が有力である。な
お、以下にレーリー長と吸収係数（減衰係数）について
説明する。
レーリー長：有限の寸法を持つ音源から放射された音波
の振幅は波の基本的性質、即ち干渉によって複雑な特性
を示す。特に音源の近くにおいてはこれが顕著で、振幅
は凹凸を繰り返す。一方、音源からある程度離れるとこ
の干渉は弱くなり、音源からの距離とともに振幅は球面
拡散を伴い緩やかに減少する。波の振幅が複雑に変化す
る領域と緩やかに変化する領域との境を与える一つの目
安距離がレーリー長であり、音源の寸法と波の波長で決
まる。
の振幅は波の基本的性質、即ち干渉によって複雑な特性
を示す。特に音源の近くにおいてはこれが顕著で、振幅
は凹凸を繰り返す。一方、音源からある程度離れるとこ
の干渉は弱くなり、音源からの距離とともに振幅は球面
拡散を伴い緩やかに減少する。波の振幅が複雑に変化す
る領域と緩やかに変化する領域との境を与える一つの目
安距離がレーリー長であり、音源の寸法と波の波長で決
まる。
吸収係数：音を伝える弾性媒質には多かれ少なかれ粘
性、熱伝導性がある。この性質は力学における摩擦抵抗
に相当し、波のもつ弾性エネルギーはこの抵抗によって
伝搬とともに減衰の割合を吸収係数という。この吸収係
数は媒質定数のみならず、温度、湿度といった環境条
件、更には使用周波数に強く依存し、周波数が高いほど
吸収係数は大きく、波は著しく減衰する。
性、熱伝導性がある。この性質は力学における摩擦抵抗
に相当し、波のもつ弾性エネルギーはこの抵抗によって
伝搬とともに減衰の割合を吸収係数という。この吸収係
数は媒質定数のみならず、温度、湿度といった環境条
件、更には使用周波数に強く依存し、周波数が高いほど
吸収係数は大きく、波は著しく減衰する。
第２図は、音響フイルターとしてエアーパツトを用いた
時の挿入位置と挿入損失の関係の実験結果について示し
たもので、同図よりエアーパツト（音響フイルター）の
挿入位置は７〜10m位までは２次波の損失が大きい事を
示している。なお、第２図において、○は1kHz,□は3kH
z,△は5kHz,●は40kHz（一次波）の例を示す。
時の挿入位置と挿入損失の関係の実験結果について示し
たもので、同図よりエアーパツト（音響フイルター）の
挿入位置は７〜10m位までは２次波の損失が大きい事を
示している。なお、第２図において、○は1kHz,□は3kH
z,△は5kHz,●は40kHz（一次波）の例を示す。
第３図は、本発明の主旨である１次波カツトの音響フイ
ルターを損入したパラメトリツクスピーカシステムと一
例を示す図で、図中、１は信号源（可聴音）、２は超音
波周波数領域の発振器、３はAM変調器、４はパワーアン
プ、５は超音波振動子アレー、６は音響フイルター（エ
アーパツトカーテン）、７は受聴エリアで、図示のよう
に、本発明においては、超音波振動子アレー５の前面か
ら略Ｌ＝RO/2αの距離に音響フイルタ６が設けられてい
る。このように、本発明は、１次波の超音波を遮断する
ため、超音波ビームに垂直に音響フイルターをスピーカ
（超音波振動子）からR0/2αの位置に設置し、人体に有
害になる強力超音波を安全レベルまで逓減するようにし
た音響放射システムである。従って、超音波振動子と音
響フィルターとの距離だけが分かっていれば十分に所期
の目的を達成するものである。すなわち、再生可聴音は
スピーカから離れるとともにその大きさを増し、およそ
R0/2αの位置においてピークとなり、以降、徐々ではあ
るが球面拡散によって減衰する。このことはR0/2α（α
は超音波の空気中でのレーリー長当たりの減衰係数）以
遠において、強力な１次超音波は可聴音再生に何ら寄与
せずに、しかも、その近辺で聴取することは人体に有害
となることから、何らかの方法によって超音波を逓減す
る必要がある。又、このスピーカの特長である指向性
は、縦型アレーの長さに依存し、R0/2α以前においてす
でにそのアレーができあがっていることから超音波を逓
減しても変わることはない。
ルターを損入したパラメトリツクスピーカシステムと一
例を示す図で、図中、１は信号源（可聴音）、２は超音
波周波数領域の発振器、３はAM変調器、４はパワーアン
プ、５は超音波振動子アレー、６は音響フイルター（エ
アーパツトカーテン）、７は受聴エリアで、図示のよう
に、本発明においては、超音波振動子アレー５の前面か
ら略Ｌ＝RO/2αの距離に音響フイルタ６が設けられてい
る。このように、本発明は、１次波の超音波を遮断する
ため、超音波ビームに垂直に音響フイルターをスピーカ
（超音波振動子）からR0/2αの位置に設置し、人体に有
害になる強力超音波を安全レベルまで逓減するようにし
た音響放射システムである。従って、超音波振動子と音
響フィルターとの距離だけが分かっていれば十分に所期
の目的を達成するものである。すなわち、再生可聴音は
スピーカから離れるとともにその大きさを増し、およそ
R0/2αの位置においてピークとなり、以降、徐々ではあ
るが球面拡散によって減衰する。このことはR0/2α（α
は超音波の空気中でのレーリー長当たりの減衰係数）以
遠において、強力な１次超音波は可聴音再生に何ら寄与
せずに、しかも、その近辺で聴取することは人体に有害
となることから、何らかの方法によって超音波を逓減す
る必要がある。又、このスピーカの特長である指向性
は、縦型アレーの長さに依存し、R0/2α以前においてす
でにそのアレーができあがっていることから超音波を逓
減しても変わることはない。
効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、超音
波振動子と音響フィルターとの距離Ｌが、Ｌ＝R0/2α
（R0:レーリー長，α：超音波の空気中でのレーリー長
当りの減衰係数）となるように、音響フィルターを設け
たので、人体に有害なハイパワー超音波をカツトし、し
かも、２次波の損失が少ない電気音響変換装置を提供す
ることができる。
波振動子と音響フィルターとの距離Ｌが、Ｌ＝R0/2α
（R0:レーリー長，α：超音波の空気中でのレーリー長
当りの減衰係数）となるように、音響フィルターを設け
たので、人体に有害なハイパワー超音波をカツトし、し
かも、２次波の損失が少ない電気音響変換装置を提供す
ることができる。
第１図は、振動子からの正規化距離と２次音圧との関係
を示す図、第２図は、エアーパツトの挿入位置と挿入損
失との関係を示す図、第３図は、本発明の一実施例を説
明するための構成図である。 １……信号源、２……超音波周波数領域の発振器、 ３……AM変調器、４……パワーアンプ、５……超音波振
動子アレー、６……音響フイルター、７……受聴エリ
ア。
を示す図、第２図は、エアーパツトの挿入位置と挿入損
失との関係を示す図、第３図は、本発明の一実施例を説
明するための構成図である。 １……信号源、２……超音波周波数領域の発振器、 ３……AM変調器、４……パワーアンプ、５……超音波振
動子アレー、６……音響フイルター、７……受聴エリ
ア。
Claims (1)
- 【請求項１】可聴周波数帯の信号源からの信号によって
超音波周波数帯のキャリア信号を変調し、電力増幅した
後、超音波振動子に導き、前記被変調波を有限振幅レベ
ルの音波に変換して空気中に放射し、空気の非線形効果
によって元の可聴音を再生するようにした電気音響変換
装置において、前記超音波振動子前面からの超音波放射
方向に、該超音波の一次波を遮断するための音響フィル
ターを設け、前記超音波振動子と音響フィルターとの距
離Ｌが、レーリー長をR0,超音波の空気中でのレーリー
長当りの減衰係数をαとしたとき、 Ｌ＝R0/2α の関係を有することを特徴とする電気音響変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59058041A JPH0754996B2 (ja) | 1984-03-26 | 1984-03-26 | 電気音響変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59058041A JPH0754996B2 (ja) | 1984-03-26 | 1984-03-26 | 電気音響変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60201799A JPS60201799A (ja) | 1985-10-12 |
| JPH0754996B2 true JPH0754996B2 (ja) | 1995-06-07 |
Family
ID=13072846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59058041A Expired - Lifetime JPH0754996B2 (ja) | 1984-03-26 | 1984-03-26 | 電気音響変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0754996B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62200998A (ja) * | 1986-02-28 | 1987-09-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | パラメトリツクスピ−カ |
| US5375101A (en) * | 1992-08-21 | 1994-12-20 | Westinghouse Electric Corporation | Electromagnetic sonar transmitter apparatus and method utilizing offset frequency drive |
| EP0599250B1 (en) * | 1992-11-24 | 2001-10-04 | Canon Kabushiki Kaisha | Acoustic output device, and electronic apparatus using said device |
| GB2351169B (en) | 1999-06-14 | 2003-11-19 | Nokia Mobile Phones Ltd | Audio apparatus |
| JP5471934B2 (ja) * | 2010-07-23 | 2014-04-16 | 日本電気株式会社 | 電子機器 |
| US9191768B2 (en) | 2011-02-24 | 2015-11-17 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Diffracted sound reduction device, diffracted sound reduction method, and filter coefficient determination method |
| JP2012239023A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Denso Corp | パラメトリックスピーカ |
| JP2014015186A (ja) * | 2012-07-11 | 2014-01-30 | Denso Corp | 車両存在通報装置 |
| CN105278452B (zh) * | 2015-10-16 | 2018-06-26 | 厦门金鹭特种合金有限公司 | 一种用于金属切削的数控加工中心的主动式降噪方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0754995B2 (ja) * | 1984-02-09 | 1995-06-07 | 松下電器産業株式会社 | パラメトリックスピーカ |
-
1984
- 1984-03-26 JP JP59058041A patent/JPH0754996B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60201799A (ja) | 1985-10-12 |
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