(57)【要約】【課題】パラメトリックスピーカシステムの歪を低減させるパラメトリックスピーカシステムの技術を提供すること。【解決手段】本発明は、パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する補償手段を有するパラメトリックスピーカシステムである。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する補償手段
を有するパラメトリックスピーカシステム。
【請求項２】
前記使用聴取距離の前記所定の聴取位置におけるパラメトリックスピーカシステムを同定する同定手段を有し、
前記補償手段は、前記同定されたパラメトリックスピーカシステムの歪みが小さくなるように、前記変調前のパラメトリックスピーカシステムの入力信号を補償する
請求項１に記載のパラメトリックスピーカシステム。
【請求項３】
前記同定手段は、前記使用聴取距離の前記所定の聴取位置におけるパラメトリックスピーカシステムに対応する模擬フィルタを推定し、
前記補償手段は、前記模擬フィルタの逆フィルタを用いて、前記変調前のパラメトリックスピーカシステムの入力信号を補償する
請求項２に記載のパラメトリックスピーカシステム。
【請求項４】
前記所定の聴取位置が、前記使用聴取距離の中心位置付近である
請求項１から請求項３のいずれかに記載のパラメトリックスピーカシステム。
【請求項５】
前記所定の聴取位置が、パラメトリックスピーカシステムの音圧が最大となる位置付近である
請求項１から請求項３のいずれかに記載のパラメトリックスピーカシステム。
【請求項６】
前記フィルタとして、ボルテラフィルタを用いる
請求項３に記載のパラメトリックスピーカシステム。
【請求項７】
前記フィルタとして、べき乗フィルタを用いる
請求項３に記載のパラメトリックスピーカシステム。
【請求項８】
パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する
パラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項９】
前記使用聴取距離の前記所定の聴取位置におけるパラメトリックスピーカシステムを同定し、
前記同定されたパラメトリックスピーカシステムの歪みが小さくなるように、前記変調前のパラメトリックスピーカシステムの入力信号を補償する
請求項８に記載のパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項１０】
前記使用聴取距離の前記所定の聴取位置におけるパラメトリックスピーカシステムに対応する模擬フィルタを推定し、
前記模擬フィルタの逆フィルタを用いて、前記変調前のパラメトリックスピーカシステムの入力信号を補償する
請求項９に記載のパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項１１】
前記所定の聴取位置が、前記使用聴取距離の中心位置付近である
請求項８から請求項１０のいずれかに記載のパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項１２】
前記所定の聴取位置が、パラメトリックスピーカシステムの音圧が最大となる位置付近である
請求項８から請求項１１のいずれかに記載のパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項１３】
前記フィルタとして、ボルテラフィルタを用いる
請求項１０に記載のパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項１４】
前記フィルタとして、べき乗フィルタを用いる
請求項１０に記載のパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法。
【請求項１５】
パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する処理を
コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項１６】
パラメトリックスピーカシステムを用いたアトラクションシステムであって、
パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する補償手段
を有するアトラクションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パラメトリックスピーカシステム、歪み補償方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パラメトリックスピーカは、音声など可聴域周波数帯の信号で変調した強力な超音波を空中に放射し、空気の非線形性によるパラメトリック効果を用いて、伝搬途中に可聴域周波数帯の信号を復調するスピーカである。超音波を平面波として放射すると、空気中で伝搬経路において連続的に発生した可聴域音波が累積することによって、音波としてはとても鋭い指向性が得られる。そのため一般的には超指向性スピーカとして知られている。
【０００３】
図１５は、一般的なパラメトリックスピーカシステムを示す図である。パラメトリックスピーカでは、最初に、超音波の搬送波信号が、可聴音信号の形の変調入力信号によって変調される。前処理ユニットと変調ユニットとを使用して、変調された信号を生成する。次に、変調された信号を増幅器に送り、超音波エミッタ（超音波スピーカ）を駆動して、変調された信号を伝送媒体（通常は、空気）に放出する。変調された信号を伝送媒体の中に放つと、伝送媒体と相互に作用して、自己復調する（self-demodulate）。このとき、徐々に発生する可聴音は位相がそろっているため、伝播の最中に連続的に音源が発生しているような状態（すなわち、パラメトリックアレイの状態）となり、図１５に示されているような１列の仮想音源を通じて、伝送媒体において可聴音ビームが生成される。
【０００４】
伝送媒体を通るパラメトリックスピーカによる非線形の音の伝播を近似的に求めるために、バークテイ（Berktay）遠距離音場モデルが広く使用されている。このモデルは、式（１）に示されているような式を使用して、パラメトリックスピーカの遠距離音場のアレイの応答を予測する。式（１）によると、振幅変調を使用する場合に、伝播軸に沿う復調信号（又は、可聴差周波数）の圧力ｐ２（ｔ）は、変調された信号の包絡線の二乗の二次時間微分に比例する。方程式（１）において、βは非線形性の係数であり、Ｐ０は直接波の圧力であり、ａは超音波エミッタの半径であり、ρ０は伝送媒体の密度であり、ｃ０は小さな信号の音速であり、ｚは超音波エミッタからの軸方向の距離であり、α０は源周波数の減衰係数であり、Ｅ（ｔ）は変調された信号の包絡線である。
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式（１）に示されているように、非線形の音の伝播は、復調信号において歪みをもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の通り、非線形の音の伝播は、復調信号において歪みをもたらため、パラメトリックスピーカによって生成された可聴信号の歪は原理的には避けられない。特に音量が大きい場合には、高調波歪み率ＴＨＤ（Total Harmonics Distortion）で数十％にもなり、明瞭度が大きく低下する。
【０００６】
伝送媒体（通常は、空気）の非線形性だけを考慮するならば、可聴域の歪みを少なくすることが可能であるが、超音波を放射する素子（超音波エミッタ）が理想的ではないため、伝送媒体（通常は、空気）の非線形性だけを考慮するだけでは、歪みを補償することはできない。
【０００７】
そこで、本発明は、パラメトリックスピーカシステムの歪を低減させるパラメトリックスピーカシステムの技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する補償手段を有するパラメトリックスピーカシステムである。
【０００９】
本発明は、パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償するパラメトリックスピーカシステムの歪み補償方法である。
【００１０】
本発明は、パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する処理をコンピュータに実行させるプログラムである。
【００１１】
本発明は、パラメトリックスピーカシステムを用いたアトラクションシステムであって、パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する補償手段を有するアトラクションシステムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パラメトリックスピーカシステムの歪を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はパラメトリックスピーカの原理および歪み累積のイメージを示した図である。
【図２】図２はパラメトリックスピーカシステムの使用聴取距離範囲を説明するための図である。
【図３】図３は使用聴取距離範囲内の中心位置に聴取位置を設定した場合における本発明の原理を説明する為の図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態を説明するための図である。
【図５】図５はパラメトリックスピーカシステム１を同定する模擬フィルタ２の一例を示す図である。
【図６】図６は適応フィルタによる逆フィルタ３の推定の一例を示した図である。
【図７】図７は逆フィルタ３とパラメトリックスピーカシステム１とのブロック図である。
【図８】図８は実施例で用いた２次のボルテラフィルタを示す図である。
【図９】図９は実施例の測定結果を示す図である。
【図１０】図１０は実施例の測定結果を示す図である。
【図１１】図１１は実施例の測定結果を示す図である。
【図１２】図１２は実施例の測定結果を示す図である。
【図１３】図１３は本実施の形態で用いることができる他のフィルタの一例である。
【図１４】図１４は本実施の形態におけるパラメトリックスピーカシステムの適用方法を説明する為の図である。
【図１５】図１５は一般的なパラメトリックスピーカシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
まず、本発明の原理を説明する。
【００１６】
図１はパラメトリックスピーカの原理および歪み累積のイメージを示した図である。
【００１７】
図１に示されるように、パラメトリックスピーカシステムは、超音波から可聴音が徐々に生成され、累積していくことで、指向性を得る。音圧も距離にしたがって上がっていく。可聴音累積がほとんどなくなっても、指向性ができているので、音圧は距離が離れても下がりにくいという性質を持つ。一方、パラメトリックスピーカシステムは、望ましい可聴域音が空間で累積されるのと同様に、歪み成分も空間で累積されるため、歪み成分は基本的に単調に累積し、可聴音を聴取する位置によって歪み率が異なる。
【００１８】
そこで、本発明は、パラメトリックスピーカシステムにおける可聴音の歪みが距離に応じて累積する距離依存性を考慮し、パラメトリックスピーカシステムの可聴音を聴取する使用聴取距離内における所定の聴取位置の歪が小さくなるように、前記パラメトリックスピーカシステムの変調前の入力信号を補償する。
【００１９】
ここで、使用聴取距離範囲とは、パラメトリックスピーカシステムを設置した場合に、聴取者にパラメトリックスピーカシステムから出力される可聴音を歪みが少なく聴取させたい範囲をいい、パラメトリックスピーカシステムを利用することができる（聴取者が可聴音を認識できる）使用許容範囲とは異なる。例えば、図２は、パラメトリックスピーカシステムの使用許容範囲（距離）のうち、パラメトリックスピーカ寄りの位置で、歪みを少なく聴取者に可聴音を聞かせたい場合の使用聴取距離範囲（近距離使用）の例と、パラメトリックスピーカシステムの使用許容範囲（距離）のうちパラメトリックスピーカから離れた位置で、歪みを少なく聴取者に可聴音を聞かせたい場合の使用聴取距離範囲（遠距離使用）の例を示した図である。
【００２０】
そして、使用聴取距離範囲内における所定の聴取位置は、使用聴取距離範囲（例えば、近距離使用の場合と遠距離使用の場合）によって好ましい位置が異なる場合があるが、例えば、使用聴取距離範囲の中心位置がある。所定の聴取位置を使用聴取距離範囲の中心位置にすれば、後述するように、歪み成分は空間で累積されるので、使用聴取距離範囲の全体にわたって歪み成分を低減することができるからである。尚、中心位置は厳密に使用聴取距離範囲の中心である必要はなく、使用聴取距離範囲の中心位置の前後でも良く、音響環境等により、使用聴取距離範囲の中心の前後から、最適な位置を選定するようにしても良い。また、使用聴取距離範囲が広い場合には、パラメトリックスピーカの音圧が最大となる付近の位置を聴取位置に設定しても良い。
【００２１】
図３は使用聴取距離範囲内の中心位置に聴取位置を設定した場合における本発明の原理を説明する為の図である。
【００２２】
上述したように、パラメトリックスピーカシステムの出力の歪み成分は、基本的に単調に累積する（図３ａ）。一方、パラメトリックスピーカシステムにおいては、超音波を放射する素子（超音波エミッタ）が理想的ではないため、それらを考慮せずに理想式から計算して補償しても歪みを補償することは難しい。
【００２３】
そこで、本発明では、パラメトリックスピーカシステムの変調復調、素子（超音波エミッタ）やパラメトリックスピーカシステムから聴取位置までの非線形伝播などをひとつのブラックボックスとして扱い、使用聴取距離範囲内の中心位置の歪が小さく、例えば最小となるような逆極性の波形（図３ｂ）を、パラメトリックスピーカシステムの入力信号に施すことにより、使用聴取距離範囲内の中心位置の歪を小さくする（最小化する）（図３ｃ）。このようにすれば、歪み成分は、基本的に単調に累積するので、聴取位置とした中心位置はもちろんのこと、使用聴取距離範囲の全体にわたって歪みを低減することができる。
【００２４】
上記原理を実現する手段として、図４に示す如く、信号の変調復調、素子（パラメトリックスピーカ）やパラメトリックスピーカから聴取位置までの非線形伝播などをひとつのパラメトリックスピーカシステム１としてシステム同定する。具体的には、使用聴取距離の中心位置付近におけるパラメトリックスピーカシステム１に対応する模擬フィルタ２を推定する。そして、推定された模擬フィルタ２の逆の特性を持つ逆フィルタ３を用いて、パラメトリックスピーカシステム１の入力信号を補償することにより、聴取位置で歪みを小さくする（例えば、最小化）する。
【００２５】
図５は、パラメトリックスピーカシステム１を同定する模擬フィルタ２の一例を示す図である。図５に示す例では、歪の主要成分は倍音となる特性を考慮し、２乗項を持ったボルテラフィルタを模擬フィルタ２に適用した例である。図５中、ｘ（ｋ）は入力信号、ｙ（ｋ）は模擬フィルタ２の出力信号、ｄ（ｋ）パラメトリックスピーカシステム１の出力信号、ｅ（ｋ）はｙ（ｋ）とｄ（ｋ）との誤差信号である。そして、誤差信号ｅ（ｋ）が最小となるようにフィルタを調整する。
【００２６】
次に、求められた模擬フィルタ２を基に、逆の特性を持つ逆フィルタ３を推定する。図６は適応フィルタによる逆フィルタ３の推定の一例を示した図である。逆フィルタ３の推定は、入力信号ｘ（ｋ）にフィルタ係数を畳み込み、出力信号ｙ（ｋ）を得て、出力信号ｙ（ｋ）と目標信号ｄ（ｋ）との誤差信号ｅ（ｋ）を計算する。そして、更新アルゴリズム（ＬＭＳ）に基づき、フィルタ係数を更新し、誤差信号ｅ（ｋ）が最小になるようにフィルタ係数を調整する。
【００２７】
図７は、求められた逆フィルタ３とパラメトリックスピーカシステム１とのブロック図である。図７に示されるように、聴取位置におけるパラメトリックスピーカシステム１を模擬フィルタ２に置き換えて、パラメトリックスピーカシステム１の入力信号を逆フィルタ３で補償した場合の聴取位置の可聴音の信号（所望信号成分と歪成分との和）Yは下記式（２）で表すことができる。
Y = H1Z-(Δ1+Δ2)H1-1X
+ H2(Z-(Δ1+Δ2)H1-1X)2
- H1Z-Δ2H1-1H2(H1-1X)2
- H2(Z-Δ2H1-1H2(H1-1X)2)2
= Y = Z-(Δ1+Δ2) X - H2(Z-Δ2H1-1H2(H1-1X)2)2
…（２）
式（２）のうち、２項目（H2(Z-Δ2H1-1H2(H1-1X)2)2）は無視することができる程度のものであり、１項目のZ-(Δ1+Δ2)は時間遅延であるため、歪みには関係がない。結果として、聴取位置における可聴音の信号Yの歪を小さく（最小化）することができる。
【００２８】
次に、本発明を用いた具体的な実施例を説明する。
【００２９】
パラメトリックスピーカの帯域は数キロヘルツのＡＭラジオ並みであるが、搬送波の４０ｋＨｚを処理するため、本実施例のサンプリング周波数は９６ｋＨｚとした。また、変調方式はＳＳＢ−ＡＭ方式とした。
【００３０】
パラメトリックスピーカのシステム同定で用いるモデルは、図８に示すように、２次のボルテラフィルタを時間方向に間引いた構成とした。２次としたのは、２次高調波歪みが３次以上の歪みと比較して圧倒的に大きいからである。そして、使用聴取距離範囲をパラメトリックスピーカから０．５ｍから１．５ｍの範囲とし、その範囲の中心である１ｍを聴取位置に設定した。尚、白色雑音によりシステム同定を行った。
【００３１】
その後、推定されたボルテラフィルタの逆フィルタをＦＩＲフィルタとし、適応フィルタにより求めた。そして、信号レベルを変化させた１ｋＨｚの正弦波を入力信号とし、求めた逆フィルタにより歪み補償を行った。尚、ＳＳＢ−ＡＭ変調などのパラメータの操作は行っていない。
【００３２】
測定はいくつかの異なる距離で行い、所望の１ｋＨｚおよび歪み成分である２次及び３次高調波（２ｋＨｚと３ｋＨｚ）の量を測定した。図９は本発明による歪補償を行った場合における変調度８０％の距離対高調波量を示すグラフ、図１０は従来方法による場合の変調度８０％の距離対高調波量を示すグラフである。
【００３３】
また、図１１は本発明による歪補償を行った場合における全音圧に対する高調波歪率ＴＨＤ（Total Harmonics Distortion）の変化を示すグラフ、図１２は従来方法による場合における全音圧に対する高調波歪率ＴＨＤ（Total Harmonics Distortion）の変化を示すグラフである。
【００３４】
グラフを見てわかるように、本発明の歪み補償によって、どの距離でも歪率ＴＨＤ（Total Harmonics Distortion）は低減している。特にシステム同定を行った地点である１ｍでは歪率が２％近くにまで低下している。またその近傍においても歪率は５％以下になっている。
【００３５】
以上の如く、本発明の実施の形態によれば、パラメトリックスピーカの歪を低減することができる。特に、本発明の実施の形態は、聴取位置とした位置はもちろんのこと、使用聴取距離範囲全体にわたって歪みを低減することができる。
【００３６】
尚、上述した実施例においては、フィルタの例としてボルテラフィルタを示したが、これに限られない。例えば、べき乗フィルタを用いても良い。べき乗フィルタの一例を図１３に示す。また、非線形フィルタとして、例えば、ニューラルネットワーク（Neural Network）やラディアルベーシスファンクション（Radial Basis Function）やファンクショナルリンクベーシス（Functional Link Basis）を用いても良い。
【００３７】
更に、本発明のパラメトリックスピーカシステムは、移動する特定の聴取者に可聴音を聞かせるようなアトラクションに好適である。例えば、図１４のように、聴取者の聴取位置が時間の経過とともに変化する場合（図１４では、聴取者は、初めはパラメトリックスピーカから離れた位置で可聴音を聴取し、その後、パラメトリックスピーカの前方で可聴音を聴取する）、それぞれの聴取位置の歪み補償のフィルタを予め設定しておき、聴取者の移動にともなって歪み補償のフィルタを切り替えるようにすれば、ひとつのパラメトリックスピーカで、聴取者は歪みのない可聴音を聴取することができる。
【００３８】
更に、上述した説明からも明らかなように、各部をハードウェアで構成することも可能であるが、コンピュータプログラムにより実現することも可能である。この場合、プログラムメモリに格納されているプログラムで動作するプロセッサによって、上述した各実施の形態と同様の機能、動作を実現させる。また、上述した実施の形態の一部の機能のみをコンピュータプログラムにより実現することも可能である。
【００３９】
以上好ましい実施の形態及び実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形し実施することが出来る。
【符号の説明】
【００４０】
１      パラメトリックスピーカ
２      模擬フィルタ
３      逆フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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