(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可聴音の上限周波数の２以上の整数倍の標本化周波数で可聴音をオーバーサンプリングして得られたサンプルの中で少なくとも一部をゼロ値で置換することにより折り返し歪みを生じさせ、この折り返し歪み成分を含む信号から上記可聴音の帯域幅の帯域成分をろ波した信号で電気音響変換部を駆動して超音波を発生させることを特徴とする音響再生方法。
【請求項２】
可聴音の上限周波数の２以上の整数倍の標本化周波数で可聴音信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプリング手段と、
オーバーサンプリングした可聴音信号に折り返し歪みを生じさせる歪付加手段と、
折り返し歪み成分を含む信号から、前記上限周波数の偶数倍の周波数から再生しようとする可聴音の帯域幅の帯域成分をろ波するろ波手段と、
ろ波された帯域成分で電気音響変換部を駆動させる駆動手段と、
によって構成したことを特徴とする音響再生装置。
【請求項３】
請求項２記載の音響再生装置において、前記歪付加手段は前記オーバーサンプリングにより得られたサンブルの中の少なくとも一部をゼロ値で置換する手段で構成したことを特徴とする音響再生装置。
【請求項４】
可聴音の上限周波数の２以上の整数倍の標本化周波数で可聴音信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプリングルーチンと、
オーバーサンプリングした可聴音信号に折り返し歪みを生じさせる歪付加ルーチンと、
折り返し歪み成分を含む信号から、前記上限周波数の偶数倍の周波数から再生しようとする可聴音の帯域幅の帯域成分をろ波するろ波ルーチンと、
によって構成したことを特徴とする超音波発生プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は可聴音信号により振幅変調された超音波信号により超音波素子を駆動し、超音波素子から可聴音信号により振幅変調された超音波を放射させ、この超音波により超音波の放射軸線上に可聴音を再生する音響再生方法をコンピュータで実現することができる音響再生方法及びこの音響再生方法を用いた音響再生装置及びこの音響再生装置をコンピュータ上で実現する超音波発生プロクラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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超音波素子を駆動し、超音波素子から振幅変調された超音波を放出させることにより、超音波の放射軸上に超音波の自己復調作用により可聴音を再生するパラメトリックスピーカが各種提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超音波を発生するパラメトリックスピーカの利用において、従来は専用の超音波信号発生器、振幅変調部が必要であり、手軽にパラメトリックスピーカを利用する環境がなかった。
この発明はコンピュータ上で振幅変調された超音波信号と等価な信号を生成し、パラメトリックスピーカを利用できる環境を提供することを目的とするものである。
【０００４】
従って、この発明によればコンピュータを利用した会議システム等に適用すれば超音波信号発振器、振幅変調器等の超音波発生用の専用装置を特設しなくても振幅変調された超音波信号を生成することができる利点が得られる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明では可聴音の上限周波数の２以上の整数倍の標本化周波数で可聴音をオーバーサンプリングして得られたサンプルの中で少なくとも一部をゼロ値で置換することにより折り返し歪みを生じさせ、この折り返し歪み成分を含む信号で電気音響変換部を駆動して超音波を発生させることを特徴とする音響再生方法を提案する。
この発明では可聴音の上限周波数の２以上の整数倍の標本化周波数で可聴音信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプリング手段と、
オーバーサンプリングした可聴音信号に折り返し歪みを生じさせる歪付加手段と、
折り返し歪み成分を含む信号から、前記上限周波数の偶数倍の周波数から再生しようとする可聴音の帯域幅の帯域成分をろ波するろ波手段と、
ろ波された帯域成分で電気音響変換部を駆動させる駆動手段と、
によって構成した音響再生装置を提案する。
【０００６】
この発明では更に前記音響再生装置において、前記歪付加手段は前記オーバーサンプリングにより得られたサンブルの中の少なくとも一部をゼロ値で置換する手段で構成した音響再生装置を提案する。
この発明では更に可聴音の上限周波数の２以上の整数倍の標本化周波数で可聴信号をオーバーサンプリングを実行するオーバーサンプリングルーチンと、
オーバーサンプリングした可聴音信号に折り返し歪みを生じさせる歪付加ルーチンと、
折り返し歪み成分を含む信号から、前記上限周波数の偶数倍の周波数から再生しようとする可聴音の帯域幅の帯域成分をろ波するろ波ルーチンと、
によって構成した超音波発生プログラムを提案する。
作用
この発明によれば可聴音信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプリング手段、オーバーサンプリングした可聴音信号に折り返し歪みを生じさせる歪付加手段、折り返し歪み成分を含む信号から可聴音信号の上限周波数の偶数倍の周波数から再生しようとする可聴音の帯域幅乃至その２倍の帯域幅の帯域成分をろ波するろ波手段は、全てデジタル信号の処理で実現することができる。
【０００７】
この結果、この発明の音響再生装置は少なくとも振幅変調された超音波信号を発生させるまでの部分に関してはコンピュータ上で実現できる。また、コンピュータ上で実現できることから、超音波信号発振器、或いは振幅変調器等の超音波発生用の専用装置を用意しなくても、超音波を利用した音響再生装置を構成することができる実益が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の一実施例を示す。図中１は可聴音信号源を示す。可聴音信号源１から出力された可聴音信号はコンピュータ１０に入力される。コンピュータ１０にはオーバーサンプリング手段２と、加算手段３と、直流バイアス発生源４と、歪付加手段５と、ろ波手段６と、ＤＡ変換手段７とが設けられ、ＤＡ変換手段７から出力されるアナログの超音波信号が駆動手段として動作する増幅器８で増幅され、電気音響変換部９を駆動する。電気音響変換部９は複数の超音波素子ＥＬによって構成される。
【０００９】
オーバーサンプリング手段２では可聴音信号源１から入力される可聴音信号の上限周波数をｆu とした場合、そのサンプリング周波数ｆs は
ｆs ＝Ｎ・（２・ｆu ）・・・・・・・・・・・・・・・  （１）
Ｎは２以上正の整数
で与えられる。
一般に可聴周波数帯域の上限周波数ｆu は２０KHz とされているから、可聴音信号を記録、再生する場合のように一般的なＡＤ変換動作であれば、サンプリング周波数は上限周波数ｆu の２倍に採れば充分である。しかしながら、この発明ではそれ以上の例えばＮ＝２に選定してサンプリング周波数ｆs をｆs ＝２×２×２０KHz に選定し、オーバーサンプリングする。
【００１０】
オーバーサンプリングされた可聴音信号の各サンプルに加算手段３で一定値の直流バイアス値を加算し、一定値が加算された各サンプルを歪付加手段５に入力する。
歪付加手段５はゼロ値置換部５Ａによって構成することができる。ゼロ値置換部５Ａではオーバーサンプリングされて得られたサンプル列の中の少なくとも一部のサンプルの値をゼロ値に置換して折り返し歪み（aliasing) を生じさせる。ゼロ値への置換例としてはサンプル列の中のサンプルの値をＮ個おきにゼロ値に置換する。
【００１１】
この折り返し歪みにより図２に示すように、直流分によって発生するキャリアＣＹ１とＣＹ２及び可聴音信号ＡＵの折り返し雑音としてＡＵ１，ＡＵ２，ＡＵ３が発生する。
式（１）においてＮ＝２とした場合、キャリアＣＹ２は８０KHz の周波数となり、その１／２の周波数４０KHz にキャリアＣＹ１が折り返し歪みによって発生する。更に、可聴音信号ＡＵの下限周波数をｆL ，その帯域幅をｆr とした場合、信号成分ＡＵ１は帯域幅がｆr で折り返し歪みにより下限側に２ｆu −ｆuの成分を有し、上限側に２ｆu −ｆLの成分を有する。信号成分ＡＵ２は帯域幅がｆr で下限側に２ｆu ＋ｆLの成分を有し、上限側に２ｆu＋ｆu の成分を有する。信号成分ＡＵ３は帯域幅がｆr で下限側に４ｆu −ｆuの成分を有し、上限側に４ｆu −ｆLの成分を持つ。
【００１２】
これらの周波数成分を見ると、信号成分ＡＵ１，ＡＵ２はキャリアＣＹ１を可聴音信号ＡＵで振幅変調して得られる振幅変調波の下側波帯と上側波帯として見ることができる。また信号成分ＡＵ３はキャリアＣＹ２を可聴音信号ＡＵで振幅変調して得られる振幅変調波の下側波帯として見ることができる。
従って、この発明ではろ波手段６で折り返し歪み成分を含む信号から可聴音信号ＡＵの上限周波数ｆu （２０KHz)乃至はその偶数倍（４０KHz,８０KHz)の周波数から再生しようとする可聴音の帯域幅ｆr か、またはその倍の帯域幅の帯域成分をろ波して取り出すように構成とする。つまり、例えばキャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ１と信号成分ＡＵ１及び信号成分ＡＵ２をろ波して取り出すか、またはキャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ１，或いはキャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ２，或いはキャリアＣＹ２と信号成分ＡＵ３をろ波して取り出し、そのろ波して取り出した信号をＤＡ変換手段７でＡＤ変換し、そのＡＤ変換したアナログ信号を駆動手段として動作する増幅器８で増幅し、その増幅出力で電気音響変換部９を駆動することにより、電気音響変換部９からキャリアＣＹ１またはＣＹ２の周波数の超音波を発生させることができる。
【００１３】
ここで電気音響変換部９に用いる超音波素子ＥＬの共振周波数が４０KHz であるものとすると、ろ波手段６は図３Ａに示すように、キャリアＣＹ１を含む信号成分ＡＵ１とＡＵ２をろ波するバンドパス特性Ｆ１に設定するか、図３Ｂに示すようにキャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ１をろ波するバンドパス特性Ｆ２に設定するか、或いは図３Ｃに示すようにキャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ２をろ波するバンドパス特性Ｆ３の何れかに設定すればよい。
図３Ａに示すバンドパス特性Ｆ１では、そのバンドパス特性Ｆ１の下限周波数は２０KHz （上限周波数ｆu と一致）から上限周波数は２ｆu ＋ｆu ＝６０KHz となり、その帯域幅は可聴音信号ＡＵの帯域幅ｆr の２倍の２ｆr となる。
【００１４】
図３Ｂに示すバンドパス特性Ｆ２では、そのバンドパス特性Ｆ２の下限周波数は２０KHz ，上限周波数は４０KHz となり、その帯域幅は可聴音信号ＡＵの帯域幅ｆr と同じ帯域幅となる。
図３Ｃに示すバンドパス特性Ｆ３は下限周波数が４０KHz で、上限周波数は６０KHz であり、その帯域幅は可聴音信号ＡＵの帯域幅ｆr と同じ帯域幅となる。超音波を用いて可聴音を再生する場合、その再生原理として２以上の周波数成分間の相互作用により、その周波数差の可聴音が再生されると定義されている。このため、キャリア周波数２ｆu の振幅変調信号と等価な信号で所望の可聴音を再生するためには図２に示した信号成分ＡＵ１とキャリアＣＹ１または信号成分ＡＵ２とキャリアＣＹ１との相互作用を信号成分ＡＵ１とＡＵ２の相互作用よりも充分強く設定する必要がある。例としては、キャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ１及びキャリアＣＹ１とＡＵ２とのレベル差を１５〜４０dB程度に設定することにより、信号成分ＡＵ１とＡＵ２の相互作用で発生する音響成分はキャリアＣＹ１と信号成分ＡＵ１またはＡＵ２の相互作用によって発生する音響成分より充分小さくすることができる。
【００１５】
キャリアＣＹ１のレベルを設定するには直流バイアス発生部４から加算手段３に与える直流バイアスの値を、例えば可聴音信号の振幅の８倍〜２０倍程度に設定すればよい。
図４に図１に示したコンピュータ１０に設けたオーバーサンプリング手段２と、加算手段３と、歪付加手段５と、ろ波手段６と、ＤＡ変換手段７を構成するこの発明の超音波発生ブログラムの概要を説明するためのブロック図を示す。
図中Ｌ１はオーバーサンプリング手段２を構成するためのオーバーサンプリングルーチン、Ｌ２はオーバーサンプリング実行ルーチンＬ１で一定時間オーバーサンプリングして得られた或る個数のサンプルをバッファＡ（特に図示していない）に格納するルーチン、Ｌ３はバッファＡに格納した或る個数のサンプルを順次読み出し、その読み出したサンプルに直流バイアス値を加算する直流バイアス加算ルーチン、Ｌ４は直流バイアスが加算されたサンプル列の中の一定個数ごとのサンプルに対し、そのサンプル値をゼロ値に置換し、折り返し歪みの発生動作を実行する歪付加ルーチン。
【００１６】
Ｌ５はろ波ルーチンを示し、折り返し歪みが付加された信号成分の中から希望する信号成分を取り出す。
Ｌ６はろ波ルーチンから排出されるデータ列をバッファＢ（特に図示していない）に格納するルーチン。
Ｌ７はバッファＢから順次データ列を読み出し、そのデータ列をＤＡ変換するＤＡ変換ルーチンを示す。
バッファＡに格納された或る個数（例えば１０２４個）のデータ列は、オーバーサンプリング実行ルーチンＬ１が或る一定時間にオーバーサンプリングしている時間より短い時間で処理されてバッファＢに移される。バッファＢに移されたデータ列をＤＡ変換ルーチングＬ７でＤＡ変換し、全てのデータ列がＡＤ変換される時点で次のデータ列がバッファＡからバッファＢに移される。つまり、パイプライン処理により上述した動作が実行される。
【００１７】
これらのプログラムは超音波発生プログラムとして、例えばコンパクトディスク或いは磁気ディスクのような記憶媒体に格納されて販売するか、或いは通信網を通じて要求されたコンピュータに伝送して販売することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば超音波発振器及び振幅変調器等の超音波発生用の専用装置を用意しなくても、コンピュータで振幅変調された超音波信号を生成することができるから、簡単に超音波を利用した可聴音の再生装置を構成することができる。特に、電気音響変換部９から放射される超音波のキャリア周波数を変更するにはオーバーサンプリング手段２のサンプリング周波数を変更すれば済むから、このためにはオーバーサンプリング手段２を構成するプログラムのパラメータを変更すれば実現できるため、簡単にキャリア周波数を変更することができる。
【００１９】
この結果、例えばコンピュータを利用した会議・システム等に適用する場合にその効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による音響再生装置の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】図１に示したこの発明による音響再生装置の動作を説明するためのグラフ。
【図３】図２と同様にこの発明による音響再生装置の動作を説明するためのグラフ。
【図４】この発明による超音波発生プログラムの概要を説明するためのブロック図。
【符号の説明】
１    可聴音信号源             Ｌ１    オーバーサンプリングルーチン
２    オーバーサンプリング手段 Ｌ２    バッファＡに格納するルーチン
３    加算手段                 Ｌ３    直流バイアス加算ルーチン
４    直流バイアス発生部       Ｌ４    歪付加ルーチン
５    歪付加手段               Ｌ５    ろ波ルーチン
６    ろ波手段                 Ｌ６    バッファＢに格納するルーチン
７    ＤＡ変換手段             Ｌ７    ＤＡ変換ルーチン
８    増幅器
９    電気音響変換部
１０    コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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