(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の超音波ビームを放射したときでも可聴帯域信号の混信を抑制することができる超指向性スピーカを提供する。【解決手段】変調器４，５は、異なる周波数の超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2を可聴帯域の入力信号Ｓin1，Ｓin2で変調して変調信号Ｓm1，Ｓm2を生成する。遅延器群６，７は、変調信号Ｓm1，Ｓm2から遅延信号Ｓd11〜Ｓd1n，Ｓd21〜Ｓd2nを生成する。超音波スピーカ群９1〜９nには、遅延信号Ｓd11〜Ｓd1nと遅延信号Ｓd21〜Ｓd2nを加算した加算信号Ｓa1〜Ｓanを入力する。超音波スピーカ群９1〜９nからの超音波を合成することによって、変調信号に応じた超音波ビームを形成し、超音波ビームのそれぞれで可聴帯域信号を再生することができる。【選択図】図１
2014143480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数の異なる複数の超音波帯域キャリア信号を個別の入力可聴帯域信号でそれぞれ変調して複数の変調信号を生成する変調手段と、
前記複数の変調信号を複数の遅延時間でそれぞれ遅延させて前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の遅延信号を生成する遅延手段と、
前記複数の遅延信号のうち前記超音波帯域キャリア信号の異なるものを遅延時間が大きくなる順または小さくなる順に並べたときに同じ順番になる遅延信号同士でそれぞれ加算して複数の加算信号を生成する加算手段と、
前記複数の加算信号を複数の超音波として媒質中に放射する１つ以上の超音波スピーカからなる超音波スピーカ群で構成される超音波スピーカアレーとを備え、
前記各超音波帯域キャリア信号の周波数差から前記入力可聴帯域信号の上限周波数を減算した周波数が可聴帯域の上限周波数以上となるように、前記各超音波帯域キャリア信号の周波数を設定し、
前記超音波帯域キャリア信号毎に前記各遅延時間を設定し、前記複数の超音波スピーカ群から放射される前記複数の超音波を合成することによって前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の超音波ビームを形成し、
前記複数の超音波ビームが媒質中で自己復調することにより前記複数の超音波ビームのそれぞれにおいて可聴帯域音波を再生する構成としてなる超指向性スピーカ。
【請求項２】
周波数の異なる複数の超音波帯域キャリア信号のうち少なくとも１つの超音波帯域キャリア信号を入力可聴帯域信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、
前記複数の超音波帯域キャリア信号のうち前記変調信号を生成する超音波帯域キャリア信号とは異なる少なくとも１つの超音波帯域キャリア信号を無変調信号とし、該無変調信号と前記変調信号とを複数の遅延時間でそれぞれ遅延させて前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の遅延信号を生成する遅延手段と、
前記複数の遅延信号のうち前記超音波帯域キャリア信号の異なるものを遅延時間が大きくなる順または小さくなる順に並べたときに同じ順番になる遅延信号同士でそれぞれ加算して複数の加算信号を生成する加算手段と、
前記複数の加算信号を複数の超音波として媒質中に放射する１つ以上の超音波スピーカからなる超音波スピーカ群で構成される超音波スピーカアレーと、
超音波を受信する超音波受信手段とを備え、
前記各超音波帯域キャリア信号の周波数差から前記入力可聴帯域信号の上限周波数を減算した周波数が可聴帯域の上限周波数以上となるように、前記各超音波帯域キャリア信号の周波数を設定し、
前記超音波帯域キャリア信号毎に前記各遅延時間を設定し、前記複数の超音波スピーカ群から放射される前記複数の超音波を合成することによって前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の超音波ビームを形成し、
前記複数の超音波ビームのうち前記変調信号に対応したものが媒質中で自己復調することにより前記超音波ビームにおいて可聴帯域音波を再生し、
前記複数の超音波ビームのうち前記無変調信号に対応したものを物体が反射したときに、反射した超音波を前記超音波受信手段によって受信し、前記物体を検知する構成としてなる超指向性スピーカ。
【請求項３】
前記超音波スピーカアレーは、前記超音波ビームの走査方向に対して前記複数の超音波スピーカ群を等間隔で配置し、
前記超音波帯域キャリア信号毎に生成された複数の遅延信号は、前記各遅延時間の遅延時間差を一定にしてなる請求項１または２に記載の超指向性スピーカ。
【請求項４】
前記超音波スピーカアレーは、複数の前記超音波スピーカを全体として円形に配置し、端部側に比べて中心側の超音波スピーカ群では超音波の放射音圧を高めてなる請求項１ないし３のいずれかに記載の超指向性スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指向性をもって可聴帯域音波を放射する超指向性スピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いて指向性をもって可聴帯域音波を放射する超指向性スピーカが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１には、高音圧超音波を可聴帯域信号で振幅変調して有限振幅音波として媒質中に放射したときに、伝搬過程で発生する非線形性により自己復調され、伝搬空間内に音声帯域信号が再生される構成が記載されている。特許文献２には、トランスデューサをマトリクス状に配置したトランスデューサアレーを用いることによって、複数の超音波を合成して超音波ビームを形成すると共に、超音波ビームの放射方向を電気的に変更可能とした構成が記載されている。特許文献３には、複数の超音波を空気中に放射する複数の超音波スピーカからなる超音波スピーカアレーを備え、複数の超音波が空気中の複数の領域で収束して自己復調することによって、複数の領域のそれぞれにおいて可聴帯域音波を再生する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−１１９２９３号公報
【特許文献２】特開平２−２６５３９８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の超指向性スピーカでは、超音波の放射方向が固定されているのに対し、特許文献２には、超音波ビームの放射方向を電気的に変更可能にした構成が開示されている。しかし、特許文献２の構成では、複数の空間に可聴帯域信号を同時に送信することができないという問題がある。
【０００５】
これに対し、特許文献３には、複数の空間に別個の可聴帯域信号を同時に送信することができる構成が開示されている。しかし、特許文献３の構成は、搬送波として同一周波数の超音波を用いるため、それぞれの可聴帯域信号が条件によっては分離されず、複数の可聴帯域信号に混信が生じる可能性がある。例えば超音波は指向性を有するものの、ある程度の広がりをもって放射される。このため、超音波を異なる方向に向けて放射したとしても、互いの搬送波や側帯波が干渉し合い、それぞれの超音波に変調された可聴帯域信号が分離して再生できない可能性がある。
【０００６】
本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、複数の超音波ビームを放射したときでも可聴帯域信号の混信を抑制することができる超指向性スピーカを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明による超指向性スピーカは、周波数の異なる複数の超音波帯域キャリア信号を個別の入力可聴帯域信号でそれぞれ変調して複数の変調信号を生成する変調手段と、前記複数の変調信号を複数の遅延時間でそれぞれ遅延させて前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の遅延信号を生成する遅延手段と、前記複数の遅延信号のうち前記超音波帯域キャリア信号の異なるものを遅延時間が大きくなる順または小さくなる順に並べたときに同じ順番になる遅延信号同士でそれぞれ加算して複数の加算信号を生成する加算手段と、前記複数の加算信号を複数の超音波として媒質中に放射する１つ以上の超音波スピーカからなる超音波スピーカ群で構成される超音波スピーカアレーとを備え、前記各超音波帯域キャリア信号の周波数差から前記入力可聴帯域信号の上限周波数を減算した周波数が可聴帯域の上限周波数以上となるように、前記各超音波帯域キャリア信号の周波数を設定し、前記超音波帯域キャリア信号毎に前記各遅延時間を設定し、前記複数の超音波スピーカ群から放射される前記複数の超音波を合成することによって前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の超音波ビームを形成し、前記複数の超音波ビームが媒質中で自己復調することにより前記複数の超音波ビームのそれぞれにおいて可聴帯域音波を再生する構成としている。
【０００８】
請求項２の発明による超指向性スピーカは、周波数の異なる複数の超音波帯域キャリア信号のうち少なくとも１つの超音波帯域キャリア信号を入力可聴帯域信号で変調して変調信号を生成する変調手段と、前記複数の超音波帯域キャリア信号のうち前記変調信号を生成する超音波帯域キャリア信号とは異なる少なくとも１つの超音波帯域キャリア信号を無変調信号とし、該無変調信号と前記変調信号とを複数の遅延時間でそれぞれ遅延させて前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の遅延信号を生成する遅延手段と、前記複数の遅延信号のうち前記超音波帯域キャリア信号の異なるものを遅延時間が大きくなる順または小さくなる順に並べたときに同じ順番になる遅延信号同士でそれぞれ加算して複数の加算信号を生成する加算手段と、前記複数の加算信号を複数の超音波として媒質中に放射する１つ以上の超音波スピーカからなる超音波スピーカ群で構成される超音波スピーカアレーと、超音波を受信する超音波受信手段とを備え、前記各超音波帯域キャリア信号の周波数差から前記入力可聴帯域信号の上限周波数を減算した周波数が可聴帯域の上限周波数以上となるように、前記各超音波帯域キャリア信号の周波数を設定し、前記超音波帯域キャリア信号毎に前記各遅延時間を設定し、前記複数の超音波スピーカ群から放射される前記複数の超音波を合成することによって前記超音波帯域キャリア信号毎に複数の超音波ビームを形成し、前記複数の超音波ビームのうち前記変調信号に対応したものが媒質中で自己復調することにより前記超音波ビームにおいて可聴帯域音波を再生し、前記複数の超音波ビームのうち前記無変調信号に対応したものを物体が反射したときに、反射した超音波を前記超音波受信手段によって受信し、前記物体を検知する構成としている。
【０００９】
請求項３の発明では、前記超音波スピーカアレーは、前記超音波ビームの走査方向に対して前記複数の超音波スピーカ群を等間隔で配置し、前記超音波帯域キャリア信号毎に生成された複数の遅延信号は、前記各遅延時間の遅延時間差を一定にしている。
【００１０】
請求項４の発明では、前記超音波スピーカアレーは、複数の前記超音波スピーカを全体として円形に配置し、端部側に比べて中心側の超音波スピーカ群では超音波の放射音圧を高めている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、例えば超音波帯域キャリア信号毎に各遅延時間をある定まった関係式で導かれる異なる値に設定すると、複数の超音波スピーカ群から放射される複数の超音波を合成することによって超音波帯域キャリア信号毎に異なる方向に向けて伝搬する複数の超音波ビームを形成することができる。このため、複数の超音波ビームが媒質中で自己復調することにより、複数の超音波ビームのそれぞれにおいて可聴帯域音波を再生することができ、複数の領域で可聴帯域音波を再生することができる。また、各超音波帯域キャリア信号の周波数差から入力可聴帯域信号の上限周波数を減算した周波数が可聴帯域の上限周波数以上となるように、各超音波帯域キャリア信号の周波数を設定した。このため、変調信号の生成に使用したものとは異なる超音波帯域キャリア信号との間に音波が復調される場合でも、この音波の周波数を可聴帯域の範囲外に配置することができる。この結果、可聴帯域信号の混信を抑制することができると共に、複数の可聴帯域音波を分離して複数の領域で再生することができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、変調信号に対応した超音波ビームが媒質中で自己復調することにより、可聴帯域音波を再生することができる。また、各超音波帯域キャリア信号の周波数差から入力可聴帯域信号の上限周波数を減算した周波数が可聴帯域の上限周波数以上となるように、各超音波帯域キャリア信号の周波数を設定したから、可聴帯域信号の混信を抑制することができる。さらに、物体検知用の超音波ビームを物体が反射したときに、反射した超音波を超音波受信手段によって受信することによって、移動物体として例えば人体の位置を検知することができる。このため、検知した人体に向けて変調信号に対応した超音波ビームを放射し、可聴帯域音波を再生させることで、警告や案内を伝達することができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、超音波ビームの走査方向に対して複数の超音波スピーカ群を等間隔で配置すると共に、超音波帯域キャリア信号毎に生成された複数の遅延信号は各遅延時間の遅延時間差を一定にしたから、遅延時間差に応じた方向に向けて超音波ビームを放射することができる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、超音波スピーカアレーは、複数の超音波スピーカ群を全体として円形に配置し、端部側に比べて中心側の超音波スピーカでは超音波の放射音圧を高めたから、超音波ビームのサイドローブを低減することができ、サイドローブによるゴースト音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態による超指向性スピーカを示す全体構成図である。
【図２】超音波スピーカアレーから超音波を放射した状態を示す説明図である。
【図３】超音波スピーカアレーを図２中の矢示III−III方向からみた正面図である。
【図４】超音波スピーカアレーから２つの超音波ビームを放射した状態を示す説明図である。
【図５】第１，第２の超音波帯域キャリア信号、再生された可聴帯域信号および不要信号のスペクトラムを示す特性線図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による超指向性スピーカを示す全体構成図である。
【図７】超音波スピーカアレーから可聴帯域信号の送出用の超音波ビームと物体検知用の超音波ビームとを放射した状態を示す説明図である。
【図８】変形例による超音波スピーカアレーを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態による超指向性スピーカについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
図１に、第１の実施の形態による超指向性スピーカ１を示す。超指向性スピーカ１は、発振器２，３、変調器４，５、遅延器群６，７、加算器群８、超音波スピーカアレー９および制御回路１０を備える。
【００１８】
発振器２は、第１の超音波帯域キャリア信号Ｓc1を生成する。一方、発振器３は、第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2を生成する。ここで、第１の超音波帯域キャリア信号Ｓc1の周波数ｆ1と第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2の周波数ｆ2とは互いに異なる。発振器２，３は、周波数ｆ1，ｆ2の搬送波を生成する搬送波生成器を構成する。
【００１９】
変調器４は、第１の超音波帯域キャリア信号Ｓc1を可聴帯域の入力信号Ｓin1（入力可聴帯域信号）で変調して第１の変調信号Ｓm1を生成する。同様に、変調器５は、第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2を可聴帯域の入力信号Ｓin2（入力可聴帯域信号）で変調して第２の変調信号Ｓm2を生成する。
【００２０】
遅延器群６は、複数の遅延器６1〜６nを備え、遅延手段を構成する。この遅延器群６は、第１の変調信号Ｓm1を複数の遅延時間Φ11〜Φ1nでそれぞれ遅延させて複数の遅延信号Ｓd11〜Ｓd1nを生成する。同様に、遅延器群７は、複数の遅延器７1〜７nを備え、遅延手段を構成する。この遅延器群７は、第２の変調信号Ｓm2を複数の遅延時間Φ21〜Φ2nでそれぞれ遅延させて複数の遅延信号Ｓd21〜Ｓd2nを生成する。遅延器６1〜６n，７1〜７nの個数ｎは、後述する超音波スピーカアレー９の超音波スピーカ群９1〜９nの個数ｎと一致している。
【００２１】
遅延器６1〜６nと遅延器７1〜７nには、制御回路１０が接続されている。この制御回路１０は、遅延時間Φ11〜Φ1nを制御すると共に、遅延時間Φ21〜Φ2nを制御する。このとき、制御回路１０は、後述するように超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向に基づいて遅延時間Φ11〜Φ1n，Φ21〜Φ2nを設定する。
【００２２】
加算器群８は、複数の加算器８1〜８nを備え、加算手段を構成する。この加算器群８は、第１の超音波帯域キャリア信号Ｓc1による遅延信号Ｓd11〜Ｓd1nと、第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2による遅延信号Ｓd21〜Ｓd2nとをそれぞれ加算して加算信号Ｓa1〜Ｓanを生成する。これにより、加算器群８は、複数の遅延信号Ｓd11〜Ｓd1n，Ｓd21〜Ｓd2nのうち超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2の異なるものを遅延時間Φ11〜Φ1n，Φ21〜Φ2nが大きくなる順または小さくなる順に並べたときに同じ順番になる遅延信号同士でそれぞれ加算して複数の加算信号Ｓa1〜Ｓanを生成する。
【００２３】
超音波スピーカアレー９は、平面形状をなし、加算器８1〜８nからそれぞれ入力される複数の加算信号Ｓa1〜Ｓanを複数の超音波として空気中に放射する複数の超音波スピーカ群９1〜９nによって構成される。このとき、遅延時間Φ11〜Φ1nを適宜設定することによって、所定方向に対して超音波の位相を揃えることができるから、ｎ個の超音波を合成することによって所定方向に指向性をもった第１の超音波ビームＢＭ1を形成することができる。同様に、遅延時間Φ21〜Φ2nを適宜設定することによって、所定方向に指向性をもった第２の超音波ビームＢＭ2を形成することができる。図４に示すように、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2が媒質となる空気中で自己復調することにより、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2のそれぞれにおいて入力信号Ｓin1，Ｓin2に対応した可聴帯域音波（可聴帯域信号Ｓout1，Ｓout2）を再生することができる。
【００２４】
なお、加算器８1〜８nからの加算信号Ｓa1〜Ｓanが超音波スピーカ群９1〜９nを駆動するのに不十分である場合には、加算器８1〜８nと超音波スピーカ群９1〜９nとの間に増幅器を設けてもよい。
【００２５】
超音波スピーカ群９1〜９nは、例えば円形のトランスデューサ（超音波スピーカＴ）を１つ以上、同一軸線上に並べることによってそれぞれ構成される。また、超音波スピーカアレー９の形状は任意である。図３は、超音波スピーカアレー９を円形状または六角形状（多角形状）に形成した場合を例示している。図３において、超音波スピーカアレー９内の超音波スピーカ群９1〜９7は、例えば放射方向を可変する平面、即ち左，右方向に広がる水平面に対して、垂直な方向を軸とする軸線Ａ1〜Ａ7に沿って配置される。
【００２６】
このとき、超音波スピーカ群９1〜９7を構成する超音波スピーカＴの個数は、中央の超音波スピーカ群９4で最も多く、左，右方向の端部側の超音波スピーカ群９1，９7に近付くに従って少なくなっている。図２に示すように、７個の超音波スピーカ群９1〜９7の中心位置は、間隔寸法Ｌをもって左，右方向に対して等間隔に配置されている。
【００２７】
なお、端部側の超音波スピーカ群９1，９7に比べて中心側の超音波スピーカ群９4では超音波の放射音圧を高めるのが好ましい。このときの超音波の放射音圧の分布は、例えばhamming関数、raised cosine関数、sinc関数のような窓関数等に従って設定される。この場合には、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2のサイドローブを低減することができ、サイドローブによるゴースト音を低減することができる。
【００２８】
次に、第１の超音波帯域キャリア信号Ｓc1の周波数ｆ1と第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2の周波数ｆ2について、その設定方法を説明する。
【００２９】
第１の超音波帯域キャリア信号Ｓc1の周波数ｆ1と第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2の周波数ｆ2は、生成される変調信号Ｓm1，Ｓm2が干渉し、非線形性により意図しない可聴音が生成されないように、互いの周波数差Δｆから可聴帯域信号の上限周波数ｆsmaxを減じた周波数が可聴帯域Ｂhに入らないように選択する。図５に示すように、周波数ｆ1の搬送波（超音波帯域キャリア信号Ｓc1）に上限周波数ｆsmaxの入力信号Ｓin1で振幅変調をかけると、周波数（ｆ1−ｆsmax）から周波数（ｆ1＋ｆsmax）まで変調信号Ｓm1の帯域が広がる。この変調信号Ｓm1に基づく超音波に対して周波数ｆ2の搬送波（超音波帯域キャリア信号Ｓc2）が干渉すると、周波数（ｆ2−（ｆ1＋ｆsmax））から周波数（ｆ2−（ｆ1−ｆsmax））までの成分をもった不要信号Ｓ0が復調される。この点は、変調信号Ｓm2に基づく超音波に対して周波数ｆ1の搬送波が干渉したときも同様である。
【００３０】
このため、不要信号Ｓ0の周波数成分が可聴帯域Ｂhに入らないように、周波数ｆ1，ｆ2、上限周波数ｆsmaxを選択する。具体的には、各超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2の周波数差Δｆ（Δｆ＝ｆ2−ｆ1）から入力信号Ｓin1，Ｓin2の上限周波数ｆsmaxを減算した周波数が、可聴帯域Ｂhの上限周波数ｆt以上となるように、各超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2の周波数ｆ1，ｆ2および上限周波数ｆsmaxを設定する。周波数ｆ1よりも周波数ｆ2は高周波であるとすると、周波数ｆ1，ｆ2および上限周波数ｆsmaxは、以下の数１の式の関係を満たす。
【００３１】
【数１】
2014143480.tif 000003
【００３２】
通常、人間の可聴帯域Ｂhの上限周波数ｆtは２０ｋＨｚと言われている。しかし、等ラウドネス曲線を参照すると、例えば１０ｋＨｚを超える周波数では３ｋＨｚ付近のピークに比べて人間の聴覚感度が低下する。このため、可聴帯域Ｂhの上限周波数ｆtを２０ｋＨｚ以下に設定してもよい。例えば上限周波数ｆtを１０ｋＨｚに仮定すると、不要信号Ｓ0の周波数成分の下限値である周波数（ｆ2−（ｆ1＋ｆsmax））が１０ｋＨｚ以上となるように選択してもよい。この場合、入力信号Ｓin1，Ｓin2の上限周波数ｆsmaxをいずれも１０ｋＨｚ未満に設定したときには、周波数ｆ1と周波数ｆ2との周波数差Δｆは２０ｋＨｚ以上となるように設定する。
【００３３】
一例を挙げて説明すると、周波数ｆ1と周波数ｆ2はいずれも上限周波数ｆtよりも高周波であるから、例えば周波数ｆ1は４０ｋＨｚ、周波数ｆ2は６０ｋＨｚに設定する。これにより、超音波の相互干渉によって意図しない不要信号Ｓ0が復調されたとしても、相互干渉に基づく不要信号Ｓ0は可聴帯域Ｂhよりも高周波の信号となり、人間には殆ど聞き取れない音、またはそれぞれの搬送波から再生される可聴帯域音に比べて感知し難い音として再生される。
【００３４】
次に、遅延器群６，７による信号遅延の方法について、図２を参照しつつ説明する。図２に示すように、ここでは超音波スピーカ群９1〜９n等の個数ｎが７個の場合を例に挙げて説明するが、個数ｎは２個以上の任意の値に設定することができる。
【００３５】
例えば超音波スピーカアレー９の正面放射方向から角度θだけ左方向に超音波ビームＢＭ1を形成するためには、超音波スピーカ群９1から超音波スピーカ群９7まで順次遅延させた遅延信号Ｓd11〜Ｓd17を供給すればよい。即ち、角度θの方向に対して直交方向で、超音波スピーカ群９1〜９7から放射される超音波の位相が互いに同一になればよい。このとき、隣合う超音波スピーカ群９1〜９7間の遅延時間差である遅延量ｄ［秒］は、音速をｃ［ｍ／秒］、隣接する超音波スピーカ群９1〜９7の中心間の間隔寸法をＬ［ｍ］とすると、以下の数２の式によって算出することができる。
【００３６】
【数２】
2014143480.tif 000004
【００３７】
従って、超音波ビームＢＭ1の走査方向に対して隣合う超音波スピーカ群９1〜９7の遅延時間差が遅延量ｄとなるように、制御回路１０によって遅延器６1〜６7の遅延時間Φ11〜Φ17を定めるようにすれば、超音波ビームＢＭ1の放射方向を制御することができる。以上の点は、超音波ビームＢＭ2の放射方向についても同様である。
【００３８】
独立した遅延器群６，７によって、それぞれ遅延制御された変調信号Ｓm1，Ｓm2は、加算器群８で加算されても元の放射方向に影響を及ぼすことはない。従って、遅延器群６，７によって遅延時間Φ11〜Φ17，Φ21〜Φ27を別個に設定することによって、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向を別個に制御することができる。
【００３９】
以上のような加算信号Ｓa1〜Ｓa7は、アナログ回路やディジタル回路で電気信号を直接生成してもよく、ディジタル信号処理手段でディジタルデータを生成した後にＡ／Ｄコンバータ等で電気信号に変換してもよい。また、変調器４，５による変調方式は、振幅変調に限らず、例えば周波数変調等のように他の方式でもよい。
【００４０】
なお、特許文献３のように、特定の収束領域に復調波を集中させる方法も適用することができる。しかしながら、超音波スピーカアレー９と復調波の収束領域との間の距離が、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の走査方向に沿った超音波スピーカアレー９の幅（左，右方向の長さ寸法）よりも大きくなると、音の伝搬距離の差が小さくなって遅延時間差が小さくなるので制御が難しくなる。また、復調波の収束領域や放射方向を動的に変えるためには、超音波スピーカ群９1〜９7毎の演算が必要になるので、応答速度が遅くなる。これに対し、本実施の形態では、遅延量ｄを演算するだけで、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向を変更することができ、演算処理の負担を軽減できると共に、応答性を高めることができる。
【００４１】
かくして、本実施の形態によれば、入力信号Ｓin1，Ｓin2がそれぞれ変調された超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2を放射するから、それぞれの超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2によって可聴帯域信号Ｓout1，Ｓout2を再生することができる。このため、図４に示すように、複数の対象（人間）に対して対象の位置や距離によらずに、同時に独立した可聴音情報を届けることができる。
【００４２】
また、単一の超音波スピーカアレー９で複数の超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2を生成することができるので、複数の対象に向けて同時に可聴帯域信号Ｓout1，Ｓout2を伝達できる。さらに、遅延器群６，７による遅延時間Φ11〜Φ1n，Φ21〜Φ2nを制御することによって、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向をそれぞれ別個に制御することができるから、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向を可変しながら同時に可聴帯域信号Ｓout1，Ｓout2を送出することができる。
【００４３】
この結果、例えばサイネージにおいて複数の対象に向けて個別の音声情報を提供することが可能になる。また、超音波を反射させて利用することもできるので、例えばサラウンドシステムのリアのＬｃｈ（左チャネル）、Ｒｃｈ（右チャネル）音声用として、聴取者の前方に超音波スピーカアレー９を設置するものの反射を利用して後方から聞かせることが可能となる。
【００４４】
また、例えば特許文献３に記載されたように、同一の周波数で複数のビームを形成すると、互いの搬送波、側帯波が干渉し合うので、情報の独立性が保たれない。これに対し、本実施の形態では、超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2の周波数ｆ1，ｆ2を相互に相違させると共に、各周波数ｆ1，ｆ2と入力信号Ｓin1，Ｓin2の上限周波数ｆsmaxを数１の関係を満たすように制限することで、各ビームＢＭ1，ＢＭ2間の情報の独立性を保つことができる。
【００４５】
即ち、本実施の形態では、各超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2の周波数差Δｆから可聴帯域信号（入力信号Ｓin1，Ｓin2）の上限周波数ｆsmaxを減算した周波数（ｆ2−（ｆ1＋ｆsmax））が可聴帯域Ｂhの上限周波数ｆt（例えばｆt＝１０ｋＨｚ）以上となるように、各超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2の周波数ｆ1，ｆ2を設定した。このため、変調信号Ｓm1，Ｓm2とは異なる超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2に基づいて音波が再生される場合でも、この音波の周波数を可聴帯域Ｂhの範囲外に配置することができる。この結果、可聴帯域音波の混信を抑制しつつ、複数の可聴帯域信号Ｓout1，Ｓout2を分離して複数の領域で再生することができる。
【００４６】
また、超音波ビームＢＭ1の走査方向に対して超音波スピーカ群９1〜９nを等間隔で配置すると共に、各遅延時間Φ11〜Φ1nの遅延量ｄ（遅延時間差）を一定にしたから、遅延量ｄに応じた方向に向けて超音波ビームＢＭ1を放射することができる。同様に、遅延時間Φ21〜Φ2nの遅延量ｄを設定することによって、遅延量ｄに応じた方向に向けて超音波ビームＢＭ2を放射することができる。従って、各遅延時間Φ11〜Φ1nの遅延量ｄと遅延時間Φ21〜Φ2nの遅延量ｄを異なる値に設定することによって、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2を互いに異なる方向に放射することができる。
【００４７】
さらに、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向は遅延量ｄによって決まるから、遅延量ｄだけを算出すればよい。このため、特許文献３のように、特定の収束領域に複数の超音波を集中させる場合に比べて、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2を走査するときの応答性を高めることができると共に、可聴音の領域を容易に移動させることができる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施の形態を、図６に示す。第２の実施の形態の特徴は、超音波ビームを物体が反射したときに、反射した超音波を受信する超音波受信器を備えることにある。なお、第２の実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００４９】
超指向性スピーカ２１は、第１の実施の形態による超指向性スピーカ１とほぼ同様に、発振器２，３、変調器４、遅延器群６，７、加算器群８、超音波スピーカアレー９および制御回路２３を備えるのに加え、超音波受信器２２を備える。
【００５０】
第２の実施の形態では、超音波ビームＢＭ2は物体検知に使用する。このため、可聴帯域信号となる第２の入力信号Ｓin2を入力せず、かつ、発振器３から出力される第２の超音波帯域キャリア信号Ｓc2を、変調器を介さず遅延器群７に直接入力する。これにより、超音波ビームＢＭ2は無変調の超音波帯域キャリア信号Ｓc2によって形成される。
【００５１】
超音波受信器２２は、超音波受信手段を構成し、超音波ビームＢＭ2を例えば人体等の物体が反射したときに、反射波となった超音波を受信する。この超音波受信器２２は、制御回路２３に接続され、制御回路２３に向けて検出信号Ｓdtを出力する。なお、超音波ビームＢＭ1による誤検出を回避するために、超音波受信器２２は周波数ｆ1の超音波のみに反応してもよく、超音波受信器２２と制御回路２３との間に超音波ビームＢＭ2に応じた検出信号Ｓdtのみを通過させるフィルタ（図示せず）を設けてもよい。
【００５２】
制御回路２３は、第１の実施の形態による制御回路１０とほぼ同様に、遅延量ｄを演算すると共に、遅延量ｄに応じて遅延器６1〜６nの遅延時間Φ11〜Φ1nや遅延器７1〜７nの遅延時間Φ21〜Φ2nを制御する。これにより、制御回路２３は、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2の放射方向（角度θ）を調整する。
【００５３】
また、制御回路２３には、超音波受信器２２からの検出信号Ｓdtが入力される。このため、制御回路２３は、検出信号Ｓdtに基づいて反射波の強度を判定し、超音波ビームＢＭ2の放射方向に物体が存在するか否か、また物体までの距離の長短を検出することができる。
【００５４】
本実施の形態による超指向性スピーカ２１は上述のような構成を有するものであり、超音波ビームＢＭ1によって可聴帯域信号Ｓout1を送出すると共に、超音波ビームＢＭ2によって物体を検知する。
【００５５】
図７に基づいて具体的に説明すると、周波数ｆ1による超音波ビームＢＭ1は変調信号Ｓm1に対応し、左に位置する人間に対して可聴帯域信号Ｓout1を送出する。このため、左に位置する人間には、超音波ビームＢＭ1が媒質となる空気中で自己復調され、可聴帯域信号Ｓout1が再生される。
【００５６】
一方、周波数ｆ2による超音波ビームＢＭ2は右に位置する人間に対して無変調信号として超音波帯域キャリア信号Ｓc2をそのまま送出する。このとき、右に位置する人間は超音波ビームＢＭ2を反射するから、この反射波を検知用の超音波受信器２２によって受信する。このため、制御回路２３は超音波受信器２２からの検出信号Ｓdtを用いて反射波の強度を判定し、右に位置する人間の位置を検知することができる。
【００５７】
なお、位置検知用の超音波受信器２２は、例えば周波数ｆ2の超音波のみに反応することで周波数ｆ1の超音波からの干渉を防ぐことができる。このため、可聴帯域信号Ｓout1の送波と物体検知を同時に行うことができる。また、検知に際して送出する無変調の超音波帯域キャリア信号Ｓc2は、連続波、バースト波、チャープ波等としてもよい。
【００５８】
かくして、第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、第２の実施の形態では、超音波ビームＢＭ2に対応した可聴帯域信号の入力を無信号とすることで、超音波帯域キャリア信号Ｓc2のみが出力される。この超音波ビームＢＭ2を超音波による物体検知に利用すると共に、別途検知用の超音波受信器２２を設けることで、対象の位置を検知することができる。このため、対象の検知と同時に検知方向に向けて超音波ビームＢＭ1を放射し、超音波ビームＢＭ1において可聴帯域信号Ｓout1を再生することにより、警告や案内を送付することが可能となる。これにより、絶えず動く目標の位置を捉えながら追従して案内を出すことが可能になる。
【００５９】
また、超音波スピーカアレー９を、可聴帯域信号Ｓout1を届ける超音波ビームＢＭ1と物体検知用の超音波ビームＢＭ2との両方の送出に使用することができる。このため、２つの機能をもった超指向性スピーカ２１を、実装体積を小さく、かつ安価に提供することができる。
【００６０】
なお、前記各実施の形態では、複数の超音波スピーカ群９1〜９nを備えた超音波スピーカアレー９を円形状に形成するものとしたが、図８に示す変形例のように、複数の超音波スピーカ群３１1〜３１nを備えた超音波スピーカアレー３１を四角形状に形成してもよい。超音波スピーカアレー３１内の超音波スピーカ群３１1〜３１nは、図３の超音波スピーカアレー９と同じく、放射方向を可変にする平面に対して、垂直な方向を軸とする軸線Ｃ1〜Ｃnに沿って配置される。
【００６１】
また、超音波スピーカ群９1〜９n，３１1〜３１nは複数の超音波スピーカＴによって構成した場合を例示したが、単一の超音波スピーカＴによって超音波スピーカ群を構成してもよい。
【００６２】
また、前記各実施の形態では、２つの超音波帯域キャリア信号Ｓc1，Ｓc2（超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2）を用いる構成としたが、周波数の異なる３つ以上の超音波帯域キャリア信号を用いてもよい。
【００６３】
また、前記第２の実施の形態では、１つの超音波帯域キャリア信号Ｓc1を可聴帯域信号Ｓout1の送出に使用したが、２つ以上の超音波帯域キャリア信号を可聴帯域信号の送出に使用してもよい。同様に、前記第２の実施の形態では、１つの超音波帯域キャリア信号Ｓc2を物体検知に使用したが、２つ以上の超音波帯域キャリア信号を物体検知に使用してもよい。
【００６４】
さらに、前記各実施の形態では、超音波ビームＢＭ1，ＢＭ2を左，右方向に走査する場合を例に挙げて説明したが、超音波ビームの走査方向はこれに限定されるものではなく、左，右方向に上，下方向を加えた任意の方向に対して走査してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１，２１  超指向性スピーカ
２，３  発振器
４，５  変調器（変調手段）
６，７  遅延器群（遅延手段）
８  加算器群（加算手段）
９，３１  超音波スピーカアレー
９1〜９n，３１1〜３１n  超音波スピーカ群
１０，２３  制御回路
２２  超音波受信器（超音波受信手段）
【図１】
2014143480.tif 000005
【図２】
2014143480.tif 000006
【図３】
2014143480.tif 000007
【図４】
2014143480.tif 000008
【図５】
2014143480.tif 000009
【図６】
2014143480.tif 000010
【図７】
2014143480.tif 000011
【図８】
2014143480.tif 000012