(57)【要約】【課題】本発明は幅広い周波数帯域で安定した音圧にて可聴帯域の信号を復調、再生可能な音響再生装置を提供することを目的とする。【解決手段】そしてこの目的を達成するために本発明は音響再生装置においては、放音部が、異なる周波数で振動変位が極大となる複数の共振モードと、前記複数の共振モードを励振する周波数の間でモード結合した振動を励振することができる超音波振動子から成り、前記モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とした。このように、周波数に対する振動変位の変化率の低いモード結合の周波数を搬送信号とすることで、可聴帯域信号源から出力された可聴帯域の信号を幅広い周波数帯域で安定した音圧にて復調、再生可能とすることができる。【選択図】図７
2010074488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可聴帯域の信号を生成する可聴帯域信号源と、
搬送波を生成する搬送波発振器と、
前記可聴帯域の信号と前記搬送波とを変調する変調器と、
前記変調器から出力された信号が入力されて音波を出力する放音部とを少なくとも備え、
前記放音部は、異なる周波数で振動変位が極大となる複数の共振モードと、前記複数の共振モードを励振する周波数の間でモード結合した振動を励振することができる超音波振動子から成り、
前記モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を前記搬送波の周波数とした音響再生装置。
【請求項２】
前記搬送波の周波数として用いる前記モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部が、前記超音波振動子の振動変位が極小となる周波数を基準としたものである請求項１に記載の音響再生装置。
【請求項３】
前記超音波振動子は円柱形状の圧電体を有し、前記圧電体の厚さをＬ、直径をＤとした時、前記円柱形状の圧電体の寸法比Ｌ／Ｄを０．４〜１．０とした請求項１、若しくは請求項２に記載の音響再生装置。
【請求項４】
前記放音部は、複数の超音波振動子から成る請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の音響再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波帯域の信号を搬送波として可聴帯域の信号を変調して放射し、特定の空間範囲で可聴帯域の音波が再生可能な高い指向性を有する音響再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の音響再生装置は、振動板を介して直接空気等の媒体中へ可聴帯域の音波を放射し、回折効果により比較的広範囲に可聴帯域の音波を伝搬させることができる。
【０００３】
これに対して、特定の空間範囲にのみ選択的に可聴帯域の音波を伝搬させるために、高い指向性を有する音響再生装置が実用化されている。
【０００４】
この音響再生装置は、一般に超指向性スピーカ、或いはパラメトリックスピーカと呼ばれ、可聴帯域の信号を、搬送波として超音波帯域の信号と変調し、更に特定の倍率で増幅した後、この変調された信号を超音波振動子等から成る放音部へ入力し、空気等の媒体中へ超音波帯域の音波として放射するものである。
【０００５】
そして、放音部から放射された音波は、搬送波である超音波の伝搬特性により、高い指向性を持って媒体を伝搬することになる。更に、超音波帯域の音波が媒体中を伝搬するうちに、媒体の非線形性により、可聴帯域の音波の振幅が蓄積的に増加すると共に、超音波帯域の音波が媒体による吸収や球面拡散によって減衰する。この結果、超音波帯域に変調された可聴帯域の音波は、媒体の非線形性により可聴帯域の音波に自己復調し、限られた狭い空間範囲でのみ可聴帯域の音波を再生することができる。
【０００６】
即ち、超指向性スピーカとは、音波が伝搬する媒体の非線形性と、超音波が有する指向性の高さを利用したものである。例えば、超指向性スピーカを美術館や博物館の展示物の説明用のスピーカとして用いれば、特定の空間範囲内に存在する人物にのみ可聴帯域の音波を伝えることができる。
【０００７】
尚、上記の音響再生装置に関する先行技術文献情報として非特許文献１が知られている。
【非特許文献１】田中恒雄、岩佐幹郎、木村陽一著「パラメトリックスピーカの実用化について」日本音響学会超音波研究会資料、ＵＳ８４−６１、１９８４年（第１頁−第２頁、第１図、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の音響再生装置は、できるだけ低い入力電界で再生する可聴帯域の音波の音圧を高めるために、圧電体等から成る超音波振動子の共振モードを励振させる周波数である共振周波数近傍の周波数を、搬送波の周波数として用いる。この共振周波数の近傍では、機械的品質係数Ｑｍ（圧電体等が共振振動を起こした時の共振周波数近傍における機械的な振動変位の鋭さを示す定数）が高く、印加する交流電界に対して最大の振動変位を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、圧電体やその他構成要素の形状、寸法や支持固定方法等の構造的な条件と、圧電体がセラミックの場合、分極や焼成等の工程による圧電定数や弾性定数等の材料特性的な条件により、超音波振動子の共振周波数は個体間でばらつきがある。また機械的品質係数Ｑｍも、超音波振動子自体の温度変化や空気等の媒体による負荷変動により影響を受けるので、複数の超音波振動子に、同じ周波数で同じ振幅の電界を印加しても、超音波振動子の振動振幅は個々に異なるために、可聴帯域の信号を復調、再生させた際に、可聴帯域の信号の周波数帯域によっては所望の音圧を得ることができないという課題があった。
【００１０】
そこで本発明は、幅広い周波数帯域で安定した音圧にて可聴帯域の信号を復調、再生可能な音響再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために本発明は、可聴帯域の信号を生成する可聴帯域信号源と、搬送波を生成する搬送波発振器と、前記可聴帯域の信号を前記搬送波とで変調する変調器と、前記変調器から出力された信号が入力されて再生音を出力する放音部とを少なくとも備え、前記放音部は、異なる周波数で振動変位が極大となる複数の共振モードと、前記複数の共振モードを励振する周波数の間でモード結合した振動を励振することができる超音波振動子から成り、前記モード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を前記搬送波の周波数とした。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の音響再生装置は、放音部を構成する超音波振動子が少なくとも２つ以上の共振モードと、これら共振モードの間で振動振幅や振動方向についてお互いに影響し合うモード結合を有し、このモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数として用いるので、超音波振動子の製造工程や、動作中の負荷変動等により、超音波振動子の共振周波数がばらついたり、または変動した場合であっても、モード結合した振動を励振することができる周波数範囲内では、超音波振動子の振動振幅変動が少なく安定しているので、その結果、可聴帯域の音波を自己復調させた際に、広帯域でかつ安定した音圧を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、図を用いて、本実施の形態における音響再生装置１の構成について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の音響再生装置１の駆動部を説明するブロック図である。
【００１５】
可聴帯域信号源２で生成した可聴帯域の信号（周波数として概ね２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）と、搬送波発振器３で生成した搬送波（概ね２０ｋＨｚ以上の超音波）を変調器４に入力して、可聴帯域の信号を搬送波で変調させる。この変調させた信号をパワーアンプ５で増幅し、放音部６へ入力する。
【００１６】
そして、放音部６へ入力された変調器４からの信号は、空気等の媒体へ超音波として放射され、一定の距離を伝搬した後、搬送波である超音波帯域の音波が減衰すると共に、媒体の非線形性により可聴帯域の音波が自己復調する。
【００１７】
このように、本実施の形態における音響再生装置１では、高い指向性を有する超音波を搬送波として利用することで、非常に狭い空間範囲にのみ可聴帯域の音波を再生することができる構成となっている。
【００１８】
次に、図２を用いて放音部６を構成する超音波振動子７について説明する。図２は、超音波振動子７の断面図である。
【００１９】
この超音波振動子７は、変調器４からの信号が入力されることにより、圧電体８を振動させ、空気等の媒体に音波を放射する部分である。
【００２０】
圧電体８は、ＰＣＭ（例えば、ＰｂＴｉＯ3−ＺｒＴｉＯ3−Ｐｂ（Ｍｇ1/2Ｎｂ1/2）ＴｉＯ3等）系セラミックから成る円柱形状の圧電セラミックであり、図２に示すように音響整合層９の厚さ方向の一方の面上のほぼ中央部に配置されている。この圧電体８は、その厚さをＬ、直径をＤとすると、寸法比Ｌ／Ｄは約０．７であり、厚さＬ方向に分極されている。ここで、圧電体８はＰＣＭ系セラミックとしたが、これ以外にもＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ3−ＺｒＴｉＯ3）系やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）等の圧電セラミックや圧電単結晶等を用いてもよい。
【００２１】
音響整合層９の周縁部付近には、圧電体８を囲むように筒状のケース１０が固定されており、圧電体８を外部から保護している。本実施の形態ではケース１０をアルミ製のものとしている。
【００２２】
更に、ケース１０の開口部（音響整合層９の接続部分とは逆の端部付近の内側面）には端子台１１が設けられている。この端子台１１と圧電体８とは、外部からの衝撃や圧電体８の振動等により互いに接触しないように、一定の隙間が設けられている。更に端子台１１には、棒状の端子１２が２本設けられており、これら端子１２はそれぞれ、リード線１３を介して圧電体８の電極と電気的に接続されている。即ち、端子１２を介して圧電体８に交流電界を印加することができる。
【００２３】
このような構成の超音波振動子７において、圧電体８の両主面に設けられた電極に特定の周波数の交流電界を印加すると、圧電体８に材料定数、形状や寸法等で決まる弾性振動を励振させることができる。この弾性振動により発生する音波を、音響整合層９を介して空気等の媒体に放射し特定の方向（図２における上方向）へ伝搬させるものである。
【００２４】
ここで、音響整合層９は、圧電体８と空気等の媒体との音響インピーダンスの整合をとるものであり、圧電体と媒体との音響インピーダンスの相違による境界面での反射等による音波の減衰を低減するものである。
【００２５】
尚、本実施の形態においては、上記の可聴帯域信号源２、搬送波発振器３、変調器４、及びパワーアンプ５は一組のみで構成されている。
【００２６】
次に、本発明のポイントである搬送波の周波数の決定方法について詳細に説明する。
【００２７】
図３は、従来の圧電体におけるアドミッタンスの周波数特性及び厚さ方向の振動変位の周波数特性の一例を示す図である。
【００２８】
一般に、圧電体は、形状（寸法比）や、分極（単結晶の場合はｃ軸）の方向と印加する交流電界の方向等により、振動方向や振動姿態（振動モード）が異なる複数の共振モードを励振することができる。
【００２９】
図３は、円柱形状の圧電体であり、その厚さをＬ、直径をＤとした時、寸法比Ｌ／Ｄを２．５以上とした場合の、アドミッタンスと厚さ方向の振動変位の周波数特性の一例を示した図である。尚、同図における圧電体は、厚さ方向に分極した圧電セラミックに、厚さ方向に交流電界を印加しているものである。
【００３０】
圧電体に印加する交流電界の周波数を低周波数側から高周波数側に変化させていくと、図３に示すように最初にアドミッタンスＹが極大となる周波数ｆL1近傍で、厚さ方向の振動変位ξL1が極大となる第一の共振モードが生じる。この周波数ｆL1における共振モードは、厚さ方向縦振動と呼ばれるものである。
【００３１】
更に、周波数を高くしていくと、次にアドミッタンスＹが極大となる周波数ｆD1近傍で、径方向の振動変位が極大となる第二の共振モードが生じる。この周波数ｆD1における共振モードは径方向拡がり振動と呼ばれるものである。尚、この径方向拡がり振動の径方向の振動変位は図３には図示されていない。
【００３２】
同図に示すように、圧電体も弾性体であるので、径方向に振動変位が生じると同時に、ポアソン結合により厚さ方向にも振動変位が生じる。しかしながら、この周波数ｆD1近傍での厚さ方向の振動変位は、円柱の厚さＬが直径Ｄに対して大きいので、周波数ｆL1近傍における振動変位ξL1に比べ非常に小さいものである。
【００３３】
上記の周波数ｆL1と周波数ｆD1の近傍以外では、圧電体の厚さ方向の振動変位は急激に減少して殆ど得られなくなる。同様に、径方向の振動変位も周波数ｆL1と周波数ｆD1の近傍以外では減少して殆ど得ることができない。即ち、周波数ｆL1と周波数ｆD1の近傍以外の周波数では、圧電体は厚さ方向においても、また径方向においても殆ど振動しない。これは２つの共振モード、即ち、厚さ方向縦振動と径方向拡がり振動とは互いに影響を及ぼさず、それぞれの共振周波数近傍で独立して振動することを意味する。
【００３４】
このように、円柱形状の圧電体において厚さＬと直径Ｄのいずれか一方を大きくする（一般的に、厚さＬを直径Ｄの２．５倍以上とした円柱形状、或いは直径Ｄを厚さＬの１５倍以上とした円板形状）ことにより、それぞれの共振モードは互いに影響を及ぼさず独立に振動すると共に、それぞれの共振モードの機械的品質係数Ｑｍは高くなる。
【００３５】
これに対して本実施の形態における音響再生装置１の超音波振動子７では、厚さＬと直径Ｄとの寸法比Ｌ／Ｄを約０．７とした円柱形状の圧電体８を用いた。このような寸法比の圧電体８を用いることにより、厚さ方向縦振動と径方向拡がり振動との２つの共振モードを励振する共振周波数の間の周波数において、モード結合した振動を励振させて、厚さ方向において一定以上の振動変位ξLを得ることができると共に、周波数変動に対して変化の少ない振動変位ξLを圧電体８に励振させることが可能となる。本実施の形態では、このモード結合した振動を励振させることができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数帯域とするものである。
【００３６】
図４に、本実施の形態における圧電体８のアドミッタンスＹ、及び厚さ方向の振動変位ξLの周波数特性を、有限要素法を用いて数値計算した結果の一例を示す。
【００３７】
図４に示すように、２つの共振周波数、周波数ｆm1と周波数ｆm2とで圧電体８は、それぞれ機械的品質係数Ｑｍの高い共振モードを励振している。更に、周波数ｆm1と周波数ｆm2との間では、モード結合した振動を励振しており、上記２つの周波数ｆm1と周波数ｆm2の近傍に比べて、厚さ方向の振動変位ξLの絶対値は小さいが、周波数変動に対する変化量の小さい周波数帯域を得ることができる。特に、厚さ方向の振動変位が極小値ξLmとなる周波数ｆLm近傍において、周波数変動に対して振動変位ξLの変化量が最も小さい平坦な領域を得ることができる。
【００３８】
上記のモード結合した振動を励振させ、かつ厚さ方向の振動変位ξLが極小となる周波数ｆLmを基準とした周波数領域を搬送波の周波数として用いることにより、材料や形状のばらつき等で圧電体８の厚さ方向縦振動と径方向拡がり振動の共振周波数がそれぞれ変動した場合であっても、モード結合した振動を励振することができる周波数範囲内では、超音波振動子の振動振幅変動が少なく安定しているので、その結果、可聴帯域の信号を自己復調させた際に、広帯域でかつ安定した音圧を実現することができる。
【００３９】
この可聴帯域の信号を自己復調させた際に安定した音圧を得ることができる点について、以下にその詳細を説明する。
【００４０】
図５に示すように、仮に超音波振動子７に印加する電界の振幅を固定して、周波数が共振周波数ｆm1を中心とした一定の周波数帯域ｆm1±Δｆとした場合、共振周波数ｆm1近傍では、共振モードの機械的品質係数Ｑｍが高いために超音波振動子７の振動変位が大きく、超音波振動子７から放射される音波も高い音圧を得ることができる。しかしながら、共振周波数ｆm1から周波数変動幅Δｆ離れた周波数では、共振周波数ｆm1近傍に比べて超音波振動子７の振動変位が小さくなる。
【００４１】
このように、共振周波数ｆm1を搬送波の周波数として、広帯域の可聴帯域信号を変調した信号で超音波振動子７を励振すると、印加する電界の周波数範囲内で超音波振動子７の振動変位の変化量が大きいので、超音波振動子から放射される音波の周波数に対する音圧変動が大きくなり、復調させた可聴帯域の音波も周波数による振幅変動幅が大きく、安定した音圧を得ることが非常に難しくなる。
【００４２】
そこで、本実施の形態における音響再生装置１のように、周波数変動に対する振動変位ξLの変化量が比較的小さいモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とすることで、可聴帯域の信号を広帯域でかつ安定した音圧で再生することが可能となるものである。
【００４３】
更に、本実施の形態の圧電体８を用いることで、温度変化や振動等の外乱により周囲から受ける応力に対して安定した性能を発揮できる音響再生装置１を得ることができる。その詳細を以下に説明する。
【００４４】
図６は、図５における振動変位ξLの周波数特性のみ抽出したものであり、横軸及び縦軸は、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域における振動変位の極小値ξLmと、その時の周波数ｆLmを基にそれぞれ規格化して示している。実線は、圧電体８が外乱のない無負荷の場合を、点線は圧電体８に外部から応力が加えられた場合の周波数特性である。
【００４５】
第一、第二の共振モードを励振するそれぞれの共振周波数、周波数ｆm1、周波数ｆm2近傍では、応力の有無により共振モードの機械的品質係数Ｑｍが変動すると共に振動変位ξLが大きく変化することがわかる。
【００４６】
一例を挙げると、第一の共振モード（厚さ方向縦振動：共振周波数ｆm1）の場合、外乱等による応力が加えられると機械的品質係数Ｑｍは低くなり、振動変位ξLは無負荷の場合の約１／５まで減少する。一方、本実施の形態で用いる搬送波の周波数である周波数ｆLmの近傍では、同様の応力が加えられた場合であっても振動変位ξLは殆ど減少しない。
【００４７】
即ち、図６は超音波振動子７に印加する交流電界の周波数によって、外部からの負荷変動による超音波振動子７の振動変位への影響の受け易さが異なることを示している。特に、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域では、負荷変動による振動変位への影響を受け難いことがわかる。
【００４８】
従って、本実施の形態では、このモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数として用いることにより、温度変化、振動や支持固定条件等の外乱により圧電体８に応力が加えられた場合であっても、振動変位ξLの変化が少なく、その結果、広帯域でかつ安定した音圧の可聴帯域の音波が再生可能な音響再生装置１を得ることができる。
【００４９】
尚、搬送波の周波数は、モード結合した振動を励振することができる周波数帯域で、特に、超音波振動子７の振動変位ξLが極小となる周波数を基準として選択することが望ましい。
【００５０】
これは図７、及びこれまでに示した図４から図６でも明らかなように、振動変位ξLが極小値ξLmとなる周波数ｆLm近傍において周波数変動に対する振動変位ξLの変化量が小さくなり、周波数特性は平坦となるからである。この周波数ｆLmを中心とした一定の周波数帯域ｆLm±Δｆを搬送波の周波数として用いることで、再生される可聴帯域の音波の音圧をより安定化させると共に周波数帯域を拡げることができる。
【００５１】
最後に、円柱形状の圧電体８の直径Ｄに対する厚さＬの寸法比Ｌ／Ｄの設計方法について説明する。
【００５２】
図８は、ＰＣＭ系セラミックを用いて形成した圧電体８において、厚さ方向縦振動の共振周波数ｆm1と、径方向拡がり振動の共振周波数ｆm2と、これら２つの共振モード間で励振することができるモード結合した振動における最大変位ξLmを、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを変化させて、有限要素法による数値計算にて求めた結果を示した図である。
【００５３】
横軸は、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを規格化して示したものであり、縦軸は寸法比Ｌ／Ｄを１とした時の周波数ｆLmを基に規格化した周波数を左側の軸に、同様に、寸法比Ｌ／Ｄを１とした時の厚さ方向の振動変位ξLmを基に規格化した振動変位を右側の軸にそれぞれ示したものである。尚、周波数ｆm1は実線で、周波数ｆm2は一点鎖線で、振動変位ξLmは点線である。
【００５４】
図８より、モード結合した振動における振動変位ξLmは、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄの増加とともに増大し、０．７付近で寸法比Ｌ／Ｄが１の時の約１．７倍の最大値をとり、そしてその後は低下していくことがわかる。このため、本実施の形態では寸法比Ｌ／Ｄを振動変位ξLmが最大となる０．７とした。
【００５５】
尚、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄは、０．７に限定されるものではなく、振動変位ξLmが最大値をとる０．７を中心として±０．３の範囲、即ち、寸法比Ｌ／Ｄが０．４以上１．０以下の値であればよい。これは、寸法比Ｌ／Ｄが０．４以上１．０以下の値であれば、印加する交流電界に対して圧電体８が効率よく振動して、超音波振動子７から音波を放射することができるので、音響再生装置として効率的に可聴帯域の音波を出力することが可能なためである。
【００５６】
これに対して、圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを０．４未満、或いは１．０を超える値とすると、圧電体８の振動損失が大きくなるので、印加する交流電界に対して振動振幅が小さいために、超音波振動子７から放射する音波は小さくなると共に、振動損失による発熱が圧電体８の材料特性に悪影響を及ぼし、超音波振動子７の動作信頼性を劣化させる可能性が高くなるため好ましくない。
【００５７】
尚、上記はＰＣＭ系セラミックを用いて圧電体８を形成した一例であるが、ＰＺＴ系セラミック等の圧電セラミックや圧電単結晶等材料が異なる場合であっても同様の数値計算と試作検討を行うことで、最適な円柱形状の圧電体８の寸法比Ｌ／Ｄを決定するものである。
【００５８】
（実施の形態２）
実施の形態１は、放音部６を、１つの超音波振動子で構成したが、本実施の形態２では、複数の超音波振動子７で放音部を構成する一例について以下に説明する。
【００５９】
本実施の形態における放音部１４は、図９に示すように、複数の超音波振動子７を平面的に配置して構成されている。
【００６０】
図１０は、図９の放音部１４を構成する超音波振動子７のうち、３つの超音波振動子７を構成する圧電体８のそれぞれのアドミッタンスの周波数特性、及び振動変位の周波数特性を示したものであり、アドミッタンスＹ1と振動変位ξL1、アドミッタンスＹ2と振動変位ξL2、アドミッタンスＹ3と振動変位ξL3は、それぞれ同じ圧電体８のアドミッタンス、及び振動変位の周波数特性を示している。
【００６１】
図１０に示すように、３つの圧電体８のアドミッタンスＹ1、アドミッタンスＹ2、アドミッタンスＹ3、及び振動変位ξL1、振動変位ξL2、振動変位ξL3は全く同一の周波数特性とはならず、ズレを生じる。これは、圧電体８を製造する際、その製造条件、材料特性、及び形状寸法等のばらつきに起因するものである。更に、圧電体８を支持固定して超音波振動子７を組み立てる時のばらつきも影響するため、放音部１４を構成する複数の超音波振動子７のアドミッタンス、或いは振動変位の周波数特性において、共振モードを励振することができる共振周波数もばらつくこととなる。このような共振周波数が同一でない複数の超音波振動子７を用い、搬送波の周波数を周波数ｆm1近傍や周波数ｆm2近傍と固定して音響再生装置を構成した場合、それぞれの超音波振動子７から放射される音波の音圧レベルがばらつき、その結果、可聴帯域の音波が復調した際に安定した音圧を得ることがない。
【００６２】
そこで、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、搬送波の周波数として、共振モードを励振する共振周波数ではなく、共振モード間で励振されるモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を利用するものである。
【００６３】
本実施の形態における圧電体８は、実施の形態１における圧電体８と同様のものを用いており、厚さＬと直径Ｄとの寸法比Ｌ／Ｄを０．７とした円柱形状の圧電体である。このような寸法比とすることにより、図９に示すように複数の圧電体８で放音部１４を構成し、かつ圧電体８にモード結合した振動を励振することができる周波数帯域の一部を搬送波の周波数とした場合、それぞれの圧電体８には、同じ振幅で同じ周波数の電界が印加されるので、それぞれの圧電体８の振動変位について個体間のばらつきは小さく、超音波振動子７から放射される音波の音圧についても個体間のばらつきは小さい。その結果、復調される可聴帯域の音波は高く、かつ安定した音圧で再生することができる。
【００６４】
上記放音部１４は、超音波振動子７を構成する圧電体８の共振周波数に個体差がある場合の例であるが、同じ共振周波数を有する圧電体８で放音部１４を構成した場合であっても有効である。即ち、動作中の超音波振動子１４の温度変化や、超音波振動子１４の組み立て時に圧電体８に応力が加わることで、超音波振動子１４の振動振幅の周波数特性が変化することがあり、そのような場合にも本実施の形態の構成は適用可能である。
【００６５】
また、図９における本実施の形態による音響再生装置１は、放音部１４における超音波振動子７を蜂の巣状に密集させて配置した構成として図示しているが、配置方法はこれに限られるものではなく、放音部から放射した音波を所定の位置で効率よく集音できる構成であれば、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
尚、本発明における各実施の形態において、超音波振動子７を構成する圧電体８の形状を円柱形状とし、圧電体８に励振させる振動を、厚さ方向縦振動の共振振動と径方向拡がり振動の共振振動とがモード結合した振動を用いた場合について説明したが、本発明は、圧電体の形状と圧電体に励振する振動モードについて、特定の形状や特定の共振モードに限られたものではない。例えば、圧電体８を角柱形状として、厚さ方向縦振動と、対角線方向或いは辺方向拡がり振動の共振振動とがモード結合した振動を用いた場合についても、同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明によると、放射する超音波の周波数帯域に対して安定した音圧で放射できることで、再生される可聴帯域の音波の音圧が広帯域で安定させることができるので、可聴周波数帯域の信号を変調して超音波として空気等の媒体に放射して、媒体の非線形性を利用して可聴帯域の音波を自己復調させると共に、超音波の高い指向性を利用して、限られた空間範囲にのみ可聴帯域の音波を再生させる音響再生装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１における音響再生装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波振動子の断面図
【図３】従来の圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図
【図５】本発明の実施の形態１において共振周波数ｆm1を中心とした特定の周波数帯域を搬送波の周波数としたことを示す図
【図６】本発明の実施の形態１における圧電体の機械的品質係数Ｑｍに対する振動変位の周波数特性を示す図
【図７】本発明の実施の形態１において振動変位が極小値ξLmをとる周波数ｆLmを中心とした特定の周波数帯域を搬送波の周波数としたことを示す図
【図８】本発明の実施の形態１の圧電体において寸法比を変化させた場合の、アドミッタンスが極大値をとる周波数と、厚さ方向の振動変位の極小値の関係を示す図
【図９】本発明の実施の形態２における放音部の正面図
【図１０】本発明の実施の形態２における３つの超音波振動子の圧電体のアドミッタンス及び振動変位の周波数特性を示す図
【符号の説明】
【００６９】
１  音響再生装置
２  可聴帯域信号源
３  搬送波発振器
４  変調器
５  パワーアンプ
６  放音部
７  超音波振動子
８  圧電体
９  音響整合層
１０  ケース
１１  端子台
１２  端子
１３  リード線
１４  放音部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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