(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号を可聴音信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号で電気音響変換部を駆動して電気音響変換部から超音波を放射する超音波再生方法において、
上記電気音響変換部は複数の共振周波数を有し、上記振幅変調される超音波の周波数は上記複数の共振周波数に挟まれ、上記電気音響変換部を駆動する超音波信号に対する振幅出力特性が極小となる周波数であることを特徴とする超音波再生方法。
【請求項２】
超音波信号発振器と、超音波信号発振器で発振した超音波信号を可聴音信号により振幅変調する振幅変調器と、振幅変調された超音波信号を放射する電気音響変換部とによって構成される超音波再生装置において、
上記電気音響変換部は複数の共振周波数を具備し、上記振幅変調される超音波の周波数は上記複数の共振周波数で挟まれ、上記電気音響変換部を駆動する超音波信号に対する振幅出力特性が極小となる周波数であることを特徴とする超音波再生装置。
【請求項３】
請求項２記載の超音波再生装置において、上記電気音響変換部は互に共振周波数が異なる複数の圧電素子を共通の基盤に搭載したことを特徴とする超音波再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、所望の領域にのみ再生音が聞こえるように限定させるための超音波再生方法及びその装置に係わり、特に放射される超音波エネルギーを低いレベルに抑えた超音波再生方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータを用いたテレビ会議システム（以下デスクトップ会議システム；Ｄｅｓｋ  Ｔｏｐ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＤＴＣ）システムと呼ぶ）が普及しつつある。これらの会議システムで相手の音声を再生する手段には従来は通常のスピーカを使用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし通常のスピーカは一般に指向性が広く、ＴＶ会議システムを使用している人だけではなく、その周辺にも相手の声（再生音）が聞こえ、周囲に不要な騒音となって聞こえてしまうという問題点があった。これを解決する一つの方法として可聴音信号で超音波信号を振幅変調し、この振幅変調された超音波信号を超音波素子から放射する構成としたパラメトリックスピーカを用いる方法が考えられる。
以下、パラメトリックスピーカの原理とその超指向性に付いて簡単に説明する。パラメトリックスピーカは強力な超音波（約１００ｄＢ以上）を放射し、空気の非線形性を利用して可聴音を生成するものである。通常の音声レベル（約７０ｄＢ）で伝播先における音波の強度を駆動源における強度の関数で示すと駆動源の強度の２次以上の成分は無視できる程小さい。しかし、１００ｄＢ以上もの音波の伝播を考察する場合は上記２次以上の成分は無視できなくなる。この２次以上の成分の音圧は超音波の音圧が１００ｄＢのとき約６０〜７０ｄＢとなり、この音圧レベルに達すると可聴音として聞こえるようになる。この空気の非線形項を利用して可聴音を生成するのがパラメトリックスピーカである。
【０００４】
この可聴音生成の方法のうち、比較的効率の良い方法が超音波の振幅変調である。超音波を放射する超音波素子には共振周波数がある。この共振周波数付近の周波数を持つ超音波信号をキャリアとして可聴音信号で振幅変調する。すると超音波素子から放射された超音波は、空気の非線形性に基づく自己復調作用によって、空気を伝播するうちに自然に可聴音が生成される（鎌倉友男「非線形音響学の基礎」（愛智出版）１９９６  ｐｐ．１０７−１１０）。しかし図7に示す振幅変調の周波数分析からも分かる通り、振幅変調によって生成される上側波帯ＳＵ、下側波帯ＳＤは超音波信号ＳＵ（キャリア；図では４０ＫＨｚ）の約５０ｄＢであり、１００ｄＢ以上もの超音波を出力しても７０ｄＢ程度の可聴音（音声など）しか生成できないためエネルギー効率として１／１０００程度であるという問題点があった。
【０００５】
この発明の目的は可聴音の放射エネルギー効率を改善することができる超音波再生方法及び装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では超音波信号を可聴音信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号で電気音響変換部を駆動して電気音響変換部から超音波を放射する超音波再生方法において、電気音響変換部は複数の共振周波数を有し、振幅変調される超音波の周波数は上記複数の共振周波数に挟まれ、電気音響変換部を駆動する超音波信号に対する振幅出力特性が極小となる周波数とした超音波再生方法を提案する。
この発明では更に超音波信号発振器と、超音波信号発振器で発振した超音波信号を可聴音信号により振幅変調する振幅変調器と、振幅変調された超音波信号を放射する電気音響変換部とによって構成される超音波再生装置において、電気音響変換部は複数の共振周波数を具備し、振幅変調される超音波の周波数は複数の共振周波数で挟まれ、電気音響変換部を駆動する超音波信号に対する振幅出力特性が極小となる周波数とした超音波再生装置を提案する。
【０００７】
この発明では更に上記の超音波再生装置において、電気音響変換部は互に共振周波数が異なる複数の圧電素子を共通の基盤に搭載した超音波再生装置を提案する。
作用
この発明による超音波再生方法及び装置によれば、電気音響変換部の駆動周波数を電気音響変換部の共振周波数で挟まれた超音波の放射特性が極小となる周波数に選定したから、単一共振周波数特性を有する超音波素子に共振周波数の超音波信号を印加した従来の超音波再生方法の駆動エネルギーより低いエネルギーで駆動しても従来技術と同等レベルの可聴音を再生することができる。その理由は以下に説明する実施例により明らかにされよう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による可聴音生成装置の一実施例を示す。図中１は超音波信号源、２は可聴音信号源、３は振幅変調器、４は増幅器、５は電気音響変換部を示す。
超音波信号源１は例えばｆｃ＝４０ＫＨｚの超音波信号を発振する。可聴音信号源２は可聴周波数帯域の周波数を持つ可聴音信号を振幅変調器３に入力し、この振幅変調器３で超音波信号源１が出力する超音波信号を振幅変調する。振幅変調された超音波信号は必要に応じて増幅器４で増幅された電気音響変換部５へ出力される。電気音響変換部５は複数の超音波素子ＥＬが一面上にマトリックス状或いは同芯円状に配列して構成することもできる。
【０００９】
ここまでの構成は従来の可聴音生成装置と同じであるが、この発明では電気音響変換部５に用いる超音波素子ＥＬが図２に示すように複数の共振周波数ｆ１とｆ２を具備していている構成とした点を特徴とするものである。
図２に示す例ではｆ１とｆ２の２つの周波数に共振周波数を具備した例を示す。複数の共振周波数ｆ１、ｆ２を具備した超音波素子ＥＬは図３に示す構造により得ることができる。図３において、電極を兼ねる基盤６Ａの一方の面に互いに共振周波数がｆ１とｆ２を具備した圧電素子７Ａ、７Ｂを装着し、圧電素子７Ａ、７Ｂの上面にリング状の電極６Ｂを被着し、リング状の電極６Ｂを共通に接続することにより共振周波数を複数具備した超音波素子ＥＬを得ることができる。
【００１０】
共振周波数ｆ１とｆ２で挟まれた部分には図2に示すように電気音響変換部５を駆動する超音波信号に対する振幅出力特性が極小となる周波数が存在し、この極小となる周波数と超音波信号源１の発振周波数ｆｃを一致させ、周波数ｆｃを中心として電気音響変換部５を駆動する。
ここで上限周波数が２０ｋＨｚの可聴音信号により超音波信号を両側波帯方式の振幅変調器で振幅変調した場合には、図４に示すようにキャリアである超音波信号の周波数ｆｃの上側と下側に上側波帯ＳＵと下側波帯ＳＤを持つ両側波帯信号が発生する。
【００１１】
図２に示した電気音響変換部５の共振周波数ｆ１とｆ２を図４に破線で示すように上側波帯ＳＵと下側波帯ＳＤのほぼ中心の周波数に合致させたとすると、超音波信号ＵＳは共振特性の谷の部分で抑制され、その放射レベルは従来の超音波振動子の共振周波数と超音波信号の周波数が一致している場合より抑圧される。反面上側波帯ＳＵ及び下側波帯ＳＤは共振周波数ｆ１，ｆ２により強調される。従って、キャリアの成分の放射レベルを低く抑えて従来と同等の可聴音を再生できることになる。
図５を用いてその理由を説明する。図５Ａは図７に示した従来の超音波再生方法を採った場合の超音波放射特性を示す。ここでは超音波信号ＵＳと周波数ｆ１とｆ２の成分の放射レベルを示す。従来の超音波再生方法によれば超音波信号ＵＳの周波数を超音波素子の共振周波数に一致させているから超音波信号ＵＳは周波数ｆ１とｆ２の成分より共振特性により強調される。その放射レベルをここでは「３」と仮定し、周波数ｆ１とｆ２の成分の放射レベルをここでは「１」と仮定する。
【００１２】
一方、この発明による超音波再生方法による超音波放射レベルを図５Ｂに示す。この発明による超音波再生方法では超音波信号ＵＳの周波数を超音波放射特性が極小値となる周波数に設定したから、超音波信号ＵＳの放射レベルは抑制される。例えば放射レベルは「２」となる。これに対し、周波数ｆ１とｆ２の成分はこの発明ではこれらの周波数ｆ１とｆ２を共振周波数としているから、その放射レベルは共振特性で強調され、例えば放射レベルが「１．５」に強調される。
これらの仮定から超音波の放射エネルギーと音圧パワーを算出すると、
従来の場合の超音波放射エネルギーＷ１は
Ｗ１＝１2 ＋３2 ＋１2 ＝１１
従来の場合の音圧パワーＳＷ１は
ＳＷ１＝３×１＋３×１＝６
となる。
【００１３】
この発明の場合の超音波放射エネルギーＷ２は
Ｗ２＝１．５2 ＋２2 ＋１．５2 ＝８．５
この発明の場合の音圧パワーＳＷ２は
ＳＷ２＝２×１．５＋２×１．５＝６
となる。
これらの計算例から明らかなように、この発明によれば従来と同じ音圧パワーを得るのに超音波放射エネルギーは「１１」から「８．５」に抑制され、小さいエネルギーで従来と同等の音圧パワーを得ることができる。
【００１４】
尚、上述では超音波信号ＵＳに対して周波数ｆ１とｆ２の成分の音圧パワーだけを計算したが、本来は超音波信号ＵＳの上側と下側に発生する上側波帯ＳＵと下側波帯ＳＤの成分が積分されて強調されるから、音圧パワーＳＷ２は更に強調される。そのために同じ音圧パワーＳＷ２を得るのであれば超音波放射エネルギーＷ２を更に抑制することができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば従来より小さいエネルギーで従来と同等の音圧を持つ超音波を放射することができるから、超音波を効率良く生成することができる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】この発明に用いる超音波素子の周波数特性を説明するための特性曲線図。
【図３】図２に示した周波数特性を呈する超音波素子の構造の一例を説明するための断面図。
【図４】図2に示した超音波素子の周波数特性と振幅変調された超音波信号の信号成分の関係を説明するためのグラフ。
【図５】この発明の効果を説明するためのグラフ。
【図６】この発明による装置により得られる超音波放射特性を説明するための曲線図。
【図７】従来の装置における超音波放射特性を説明するための曲線図。
【符号の説明】
１      超音波信号源                ＥＬ      超音波素子
２      可聴音信号源                ６Ａ      基盤
３      振幅変調器                  ６Ｂ      電極
４      増幅器                ７Ａ、７Ｂ      圧電素子
５      電気音響変換部
【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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