(57)【要約】      （修正有）【課題】高音質で高効率なパラメトリックスピーカ及び自由な設計開発が可能なパラメトリックスピーカの開発システムを提供する。【解決手段】超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して超音波帯域の被変調信号を生成するための変調器であって、変調器は、キャリア信号を発生させる超音波発信器とプロセッサを含む。プロセッサにより、デジタル音源データを準備しＳ１、デジタル音源データをテキストデータに変換しＳ２、テキストデータに含まれるデジタル音源データ及び超音波発信器に基づいて生成されたキャリア信号に対する数値演算を行うことにより超音波信号を生成しＳ３、数値演算を行った結果に対してデジタル音源データに逆変換するＳ４。【選択図】図３
2019161375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して超音波帯域の被変調信号を生成するための変調器であって、
前記変調器は、キャリア信号を発生させる超音波発信器とプロセッサを含み、
前記プロセッサにより、
デジタル音源データを準備するステップＳ１と、
デジタル音源データをテキストデータに変換するステップＳ２、
前記テキストデータに含まれるデジタル音源データ及び前記超音波発信器に基づいて生成されたキャリア信号に対する数値演算を行うことにより超音波信号を生成するステップＳ３と、
前記数値演算を行った結果に対してデジタル音源データに逆変換するステップＳ４と、
を実行させることを特徴とする変調器。
【請求項２】
前記デジタル音源データは、ハイレゾ音源データであることを特徴とする請求項１記載の変調器。
【請求項３】
前記プロセッサによる数値演算は、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を実現するための数値演算機能を提供する演算処理のステップを更に伴うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の変調器。
【請求項４】
外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接数値演算し外部へ出力するストリーミング機能、ハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能、のいずれか一つを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の変調器。
【請求項５】
請求項１から請求項４記載の変調器と、
前記被変調信号を増幅する増幅器と、前記増幅された被変調信号に基づいて超音波を放射する超音波エミッタとを含むパラメトリックスピーカ。
【請求項６】
超音波信号をサンプリング周波数９６ｋＨｚ、量子化１６ビットで統一されたハイレゾ音源として取り扱い、ＲＬＣ直列共振回路としてモデリングして定式化された超音波エミッタのシミュレータ。
【請求項７】
請求項２から請求項４記載の変調器と、請求項６記載の超音波エミッタのシミュレータとを含むパラメトリックスピーカの開発システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調器、パラメトリックスピーカ、超音波エミッタのシミュレータ及びパラメトリックスピーカの開発システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パラメトリックスピーカは、変調器と増幅器と超音波エミッタを基本構成とする高指向性のスピーカである。変調器は、音源から供給される可聴帯域信号でキャリア超音波を変調する、すなわち可聴帯域信号を超音波帯域の信号（以下、「超音波信号」という。）にアップコンバートするための装置である。増幅器は、変調器で生成された超音波信号を後段の超音波エミッタから高音圧で送信するための電力増幅回路である。超音波エミッタは、超音波を放出させるための装置であり、通常、キャリア信号の周波数（以下、「キャリア周波数」という。）付近に共振周波数を持つ複数の超音波素子で構成される。
【０００３】
超音波エミッタから放出された超音波信号は、空気中を伝搬する過程で自然に可聴音域に復調される。この理由は、高音圧の超音波が空気中を伝搬する際に生じる非線形効果によって２乗検波回路（変調波を可聴音域に変換するための回路）の等価回路が構成されるためであり、空気の非線形作用による自己復調などと説明されている。
【０００４】
特許文献１は、本発明に先立ち本願発明者らによりなされた発明が記載されたものである。同文献の第３３段落には、このパラメトリックスピーカは、「変調手段」、「増幅器」、「超音波放射装置」からなる「メイン回路」と、可聴信号補正手段を構成するための「サブ回路」とからなる電子回路で構成されることが記載されている。特許文献２は、振幅変調された超音波信号と等価な信号をコンピュータで発生させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０８４４９９号公報
【特許文献２】特開２００３−１５３３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パラメトリックスピーカの変調方式には、ＡＭ方式、ＳＳＢ方式、ＦＭ方式、ＰＷＭ方式など種々の方式があり、それぞれ回路構成も異なる。しかし、いずれの変調方式が採用される場合でも、基本的には特許文献１に記載されるような電子回路によるハードウェアで構成された変調器が用いられることが一般的である。
【０００７】
一方、特許文献２に記載される発明のように、電子回路で構成される復調器をコンピュータで代替しようとする試みもなされている。しかし、キャリア信号となる超音波を発生させるために、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音をオーバーサンプリングして可聴音信号にない新たに加わっ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ている。
【０００８】
しかし、この方法では、入力音源信号が無音でもキャリア信号が継続的に出力されるため、電力効率が悪く、かつ人体への影響が懸念される超音波曝露の問題を回避できない。更に、キャリア信号のサンプリング周波数が可聴音周波数の上限値の２以上の整数倍と定義されるため、設計の自由度が大幅に制限されるという問題もある。
【０００９】
一方、パラメトリックスピーカの開発は、変調器の設計にとどまらない。電力効率や超音波暴露の低減化に基づく安全性の問題はもちろんであるが、空気中の非線形伝搬作用による自己復調の結果として最終的に得られる可聴音域の音質を高めることにその究極的な目的があるといえる。
【００１０】
以上のような理由により、パラメトリックスピーカの開発は長期化しがちであり、開発コストの削減も難しかった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高音質で高効率なパラメトリックスピーカを提供すること、及び自由な設計開発が可能なパラメトリックスピーカの開発システムを提供することを主たる技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る変調器は、
超音波帯域のキャリア信号を、外部音源からの可聴信号で変調して超音波帯域の被変調信号を生成するための変調器であって、
前記変調器は、キャリア信号を発生させる超音波発信器とプロセッサを含み、
前記プロセッサにより、
デジタル音源データを準備するステップＳ１と、
デジタル音源データをテキストデータに変換するステップＳ２、
前記テキストデータに含まれるデジタル音源データ及び前記超音波発信器に基づいて生成されたキャリア信号に対する数値演算を行うことにより超音波信号を生成するステップＳ３と、
前記数値演算を行った結果に対してデジタル音源データに逆変換するステップＳ４と、
を実行させることを特徴とする。
【００１３】
なお、本明細書における「キャリア信号」とは、入力音源信号を搬送する一般に数十ｋＨｚ以上の超音波帯域の信号を意味し、例えばＳＳＢ変調方式の場合、このキャリア信号に上側側波帯（ＵＳＢ）信号又は下側側波帯（ＬＳＢ）信号を加算した信号を生成する方式である。
【００１４】
前記デジタル音源データは、ハイレゾリューション音源データであってもよい。
なお、ハイレゾリューション音源とはオーディオＣＤのスペックを超えた音源、具体的には、サンプリング周波数４４．１ｋＨｚ、または量子化１６ビットを越える離散化特性を持って、録音・再生される音源のことをいう。ハイレゾリューション音源を、以下「ハイレゾ音源」と略す。現状のハイレゾ環境においては、サンプリング周波数は１９２ｋＨｚまで対応しているので、ほぼ９６ｋＨｚまでの超音波帯域の信号を扱うことができる。このハイレゾ録音再生器は、ポータブルオーディオプレーヤやスマートホンなど、ハイレゾ音源出力に対応した汎用のオーディオ機器としても提供されている。
【００１５】
前記プロセッサによる数値演算は、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を実現するための数値演算機能を提供する演算処理のステップを更に伴うこともできる。
【００１６】
上記の構成による変換器は更に、外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接数値演算し外部へ出力するストリーミング機能、ハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能、の少なくともいずれか１つを備えていてもよい。
【００１７】
上記の構成による変調器と、前記被変調信号を増幅する増幅器と、前記増幅された被変調信号に基づいて超音波を放射する超音波エミッタと、を含むパラメトリックスピーカを構成することが可能となる。
【００１８】
本発明に係る超音波エミッタのシミュレータは、超音波信号を例えばサンプリング周波数９６ｋＨｚ、量子化１６ビットで統一されたハイレゾ音源として取り扱い、ＲＬＣ直列共振回路としてモデリングして定式化されることを特徴とする。
【００１９】
上述したいずれかの変調器と、上述した超音波エミッタのシミュレータを含むことにより、パラメトリックスピーカの開発システムを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
上記の構成おいては、ハードウェアとしての変調器や超音波エミッタ及びその後の復調過程がソフトウェアの演算機能でシミュレートできるため、製品開発期間の短縮と製造費用などの削減を図ることができる。また、回路構成やパラメータの調整が容易であるため、歪みの低減や入出力の線形性向上などの音質改善のための回路を別途設けることなく高音質化するシステムを開発及び実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、パラメトリックスピーカの信号の流れを各処理の機能ブロック単位で示した概念図である。
【図２】図２は、図１に示す変換器の機能ブロックを示したものである。
【図３】図３は、図２に示される入力音源信号ｓ（ｔ）から超音波信号ｘ（ｔ）が出力されるまでの処理のフローを示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、２ｋＨｚの正弦波信号を示している。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す正弦波信号を入力音源信号ｓ（ｔ）とした場合の出力信号波形（超音波信号ｘ（ｔ）の時間波形）を示している。図４（Ｂ）は時間波形であり、図４（Ｃ）はその周波数スペクトルである。
【図５】図５（Ａ）は、約４秒間の音声信号を示している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す音声信号を入力音源信号ｓ（ｔ）とした場合の出力信号波形（超音波信号ｘ（ｔ）の時間波形）を示している。
【図６】図６（Ａ）は、実験に用いた超音波エミッタの外観を示している。図６（Ｂ）は、この超音波エミッタから放射される音圧の周波数特性を示す図である。
【図７】図７は、超音波エミッタの音圧レベル（ＳＰＬ）が１３０ｄＢ、距離１ｍ、４ｍ、１０ｍ、２０ｍで測定した可聴音のＳＰＬの周波数応答特性を示している。
【図８】図８（Ａ）は、入力音源信号とシミュレーションにより得られた復調信号の例を示す時間波形、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の周波数スペクトルを示している。
【図９】第３の実施形態のパラメトリックスピーカのブロック図である。破線で示した部分が変調器である。バッチ処理を一点鎖線で表し、リアルタイム処理を実線で表している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）−システムの基本構成及び基本処理フローについて−
以下、実施形態に係るパラメトリックスピーカにつき図面を参照して説明する。
図１は、パラメトリックスピーカの信号の流れを各処理の機能ブロック単位で示した概念図である。コンピュータシュミレータを構築するために、処理プロセスは、（Ｉ）変調プロセス、（ＩＩ）超音波エミッタ駆動プロセス、（ＩＩＩ）自己復調プロセス、の３つに分けて、それぞれのプロセスをモデリングして定式化することを考える。
【００２３】
物理的な機能ブロックは、変調器１、増幅器２、超音波エミッタ３の３つで構成されるが、自己復調プロセスをモデリングして定式化するため、非線形伝搬４を第４の機能ブロックとする。以下、各機能ブロックについて、具体的に説明する。
【００２４】
（Ｉ）変調プロセス（アップコンバート）
変調器１は、可聴帯域の入力音源信号ｓ（ｔ）で超音波キャリアを変調して超音波信号ｘ（ｔ）に変換（アップコンバート）し出力する基本機能を有する。変調器の変調方式として、キャリア信号の振幅を信号の波形に合わせる振幅変調（ＡＭ）、信号の大きさに比例するようにキャリア周波数を高くしたり低くしたりする周波数変調（ＦＭ）や、信号の大きさに比例させてキャリア信号の位相をずらす位相変調（ＰＭ）など、複数の変調方式が知られている。パラメトリックスピーカでは振幅変調方式が使われることが多く、キャリア信号周波数成分の両側に側波帯（サイドバンド）が生成される両側波帯（ＤＳＢ：Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓｉｄｅ  Ｂａｎｄ）と単側波帯（ＳＳＢ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｓｉｄｅ  Ｂａｎｄ）の２つの方法がある。音源側からの信号を入力して増幅器へ信号を出力する変調器は、その間の処理において、上記のような変調処理を基本とするが、その他の機能として、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を達成するための数値演算機能が搭載されていてもよい。
【００２５】
上述のとおり、このように構成される変調器１は、従来は電子回路（アナログ回路又はデジタル回路）などのハードウェアで実現されていたが、アナログ回路の場合、フィルタの最適化が難題であり、希望の周波数特性を得るための微調整が困難であった。さらに、パラメータや回路構成の一部を変更すると、システム全体に影響を及ぼすこともあるため、ブロックごとの整合性をとるなど、試作や製作には、知識と経験が必要であった。一方、デジタル回路の場合、ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）やＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）などデジタル回路の専門的な知識と経験が必要であった。また、回路シミュレータ（例えば、ＬＴｓｐｉｃｅなど）を利用することも考えられるが、実用レベルの複雑なシミュレーションには対応できず、現実的ではない。
【００２６】
そこで、本実施形態では、コンピュータなどに搭載されるプロセッサを用いた数値演算によって被変調信号を出力する方法について具体的に説明する。
【００２７】
図２は、図１に示す変換器の機能ブロックを示したものである。この変換器は、Ｗｅａｖｅｒ方式に基づくＳＳＢ変調を改良したダイナミックＳＳＢ変調方式を採用した例を示している。
【００２８】
「ダイナミックＳＳＢ変調」とは、入力音源信号ｓ（ｔ）の包絡線に応じてキャリア信号の振幅を変える変調方式であり、図２に示す破線部２０がこの機能を実現する機能ブロックである。破線部２０では、帯域フィルタを通過した入力音源信号ｓ（ｔ）の絶対値（ＡＢＳ）及びその平方根（ＲＯＯＴ）を計算した後に、遮断周波数数十ＨｚのＬＰＦで帯域制限された後、遅延（ＤＥＬＡＹ）させることで数値演算により包絡線信号ｅ（ｔ）を求め、キャリア信号を乗算して、上述のＳＳＢ信号に加算して超音波信号ｘ（ｔ）を出力している。
【００２９】
このようなダイナミック変調によれば、入力音源が無音の時にはキャリア信号の出力がゼロとなる。このため、パラメトリックスピーカのシステム駆動時における消費電力や超音波曝露を低減できる利点がある。
【００３０】
入力音源信号ｓ（ｔ）は、ｗａｖ形式やｍｐ３などで表される汎用のフォーマットで記録されたデジタル音源データがテキストファイルに変換された状態で、先ず帯域フィルタ（ＢＰＦ）を通過してサブキャリア周波数ｆｓ＝４．１ｋＨｚの正弦波ｓｉｎωｓｔ＝ｓｉｎ（２πｆｓｔ）及びｃｏｓωｓｔ＝ｃｏｓ（２πｆｓｔ）を乗算された後に、遮断周波数４．１ｋＨｚのＬＰＦで帯域制限される。こうして得られた信号を、キャリア角周波数ωｃにサブキャリア角周波数ωｓを加算或いは減算した正弦波信号ｓｉｎ［（ωｃ±ωｓ）ｔ］、ｃｏｓ［（ωｃ±ωｓ）ｔ］に乗算する。なお、例としてキャリア周波数２５ｋＨｚの正弦波（ｓｉｎωｃｔ）信号を超音波発生装置により生成した。最後に、２つに分かれた信号を加算或いは減算することでＳＳＢ信号が得られる。ここで、加算すると上側波帯（ＵＳＢ）信号、減算すると下側波帯（ＬＳＢ）信号が得られる。一方、キャリア信号の振幅は入力音源信号の振幅に応じて決定され、それにＳＳＢ信号が加算される。但し、ＳＳＢ信号の生成方法は公知の方法を用いることができ、Ｗｅａｖｅｒ方式以外の方式、例えば、単純なフィルタ法、ＰＳＮ（フェーズ・シフト・ネットワーク）方式、メリーゴーランド方式を用いてもよく、回路方式は限定されない。
【００３１】
以上の信号の流れにおいて、各種フィルタはいずれもＫａｉｓｅｒ型ＦＩＲ（有限インパルス応答）を用いた。ＦＩＲ型フィルタは、周波数による遅延量を一定にして周波数応答のみ変化させられるという、アナログフィルタにはない特性があることで知られている。
【００３２】
最終的な出力は、入力音源信号と同形式のデジタル音源データ（ｗａｖ形式が入力された場合は出力もｗａｖ形式とすることが通常である）の超音波信号ｘ（ｔ）が出力される。
【００３３】
ここで、入力音源信号ｓ（ｔ）にハイレゾ音源を用い、ハイレゾ録音再生器に出力するために逆変換を行うことで、ハイレゾ音源ファイル（例えば、ｗａｖ ファイル）を生成することが可能となる。
【００３４】
このようなことが実現できるのは、アナログ回路で行っていた乗算や加減算を全てコンピュータなどに搭載されるプロセッサにより行っているためである。
【００３５】
図３は、図２に示される入力音源信号ｓ（ｔ）から超音波信号ｘ（ｔ）が出力されるまでの処理のフローを示す図である。入力音源信号として、デジタル音源データ（例えば、ｗａｖ形式）を準備し（ステップＳ１）、数値演算が容易なテキストデータに変換する（ステップＳ２）。
【００３６】
次に、ステップＳ３で、テキストファイルから数値データを読み取り、キャリア周波数、ＦＩＲデジタルフィルタ、振幅変調などの変調処理、入力・出力信号のレベル調整、フィルタ機能を持つ周波数特性の調整や、音質改善や省電力などを実現するための処理機能を必要に応じ演算する。このように、ＤＳＢやＳＳＢの振幅変調方式などの変調処理を実現する機能を核として、信号のレベル調整、フィルタによる周波数特性調整や、音質改善や省電力などを行う種々の処理機能をアナログ回路によらずプログラミングによって実現することができる。なお、変調は信号が数式で表現できるかぎり、周波数変調や位相変調などあらゆる変調方式を採用できることはいうまでもない。
【００３７】
次に、ステップＳ４では、数値演算によって得られた結果をデジタル音源データに逆変換を行い、可聴帯域の音源信号で変調された超音波信号ｘ（ｔ）が出力信号として得られる。出力信号はその後、オーディオインターフェースなどに送られる。なお、出力信号及びオーディオインターフェースがいずれもハイレゾ音源に対応していれば、ハイレゾ音源で変調された超音波信号を得ることができる。
【００３８】
以上の各ステップで行われる数値演算のほとんどが、加減算と乗算（しかも、単なる定数の乗算）であり、高度な演算は必要ない。実験ではＣ言語を用いてプログラミングしたが、Ｆｏｒｔｒａｎ、ＪＡＶＡ（登録商標）、マシン語をはじめとする他の言語でプログラミングを行ってもよい。
【００３９】
個々の機能を具体化するための条件などは、プログラム上で追加したり変更することが容易に可能であり、非常に簡便である。例えば、変調方式のキャリア信号周波数、周波数調整用のフィルタ係数、ハイレゾ音源ファイルを生成するためのサンプリング周波数やビット数の条件などを自由にしかも微調整に設定・変更できることである。すなわち、プログラムのコーディングの作業で済ませることができる。従来の方策であるハードウェア変調器であればアナログ回路やデジタル回路で作り上げていた処理機能を机上のプログラミングで実現可能となる。
【００４０】
図３の数値演算は、計算機（パソコン他）上で実行することも可能であるが、専用の数値演算装置を用いてもよい。更に、本発明におけるソフトウェアシミュレータは、それらに限定されることなく、数値演算機能を内蔵できる装置に搭載されていてもよい。例えば、スマートホンやタッチパネルをはじめとする携帯端末機、高度情報処理を適用する人工知能（ＡＩ）機能を有する機器（ロボットやＡＩスピーカ、スマートスピーカ等）に搭載されている数値演算機能を用いてもよい。
【００４１】
また、数値演算の結果生成されるハイレゾ音源ファイルは、まずは計算機の記憶装置などに保存されるが、このハイレゾ音源ファイルは、外部記録媒体や、有線又は無線の接続方策によってハイレゾ録音再生器に渡され保存することも可能である。一方、数値演算のためのプロセッサがハイレゾ音源ファイルの再生ソフトウェアを実行できる場合、例えば、ハイレゾ用のオーディオインターフェースを介して、ハイレゾ録音再生器を経由することなく増幅器（例えば、デジタル増幅器）と超音波エミッタに整合よく直接、超音波信号を供給できることになる。
【００４２】
−実験例−
（実験１）
はじめに、正弦波信号を入力音源信号として入力した場合の出力信号波形を調べた。
図４（Ａ）は、２ｋＨｚの正弦波信号を示している。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す正弦波信号を入力音源信号ｓ（ｔ）とした場合の出力信号波形（超音波信号ｘ（ｔ））を示している。図４（Ｂ）は時間波形であり、図４（Ｃ）はその周波数スペクトルである。ここでは、２５ｋＨｚのキャリア信号と２７ｋＨｚのＵＳＢ信号のそれぞれの振幅が同じ大きさになるように、入力音源信号の大きさを調整した。
【００４３】
観測した出力波形には２５ｋＨｚと２７ｋＨｚの同レベルの平衡被変調信号が得られ、所望の数値演算が正しくなされていることが確認できた。
【００４４】
（実験２）
次に、実際の音声データを入力音源信号として入力した場合の出力信号波形を調べた。
図５（Ａ）は、約４秒間の音声信号を示している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す音声信号を入力音源信号ｓ（ｔ）とした場合の出力信号波形（超音波信号ｘ（ｔ）の時間波形）を示している。
【００４５】
この入力音源信号には、有名な小説の一節を読み上げた音声データをデジタル録音したｗａｖ形式の音源データファイルを用いた。音声信号がない時間領域に変調後の信号の一部にキャリア成分がほぼないことが確認された。コンピュータやオーディオ機器に録音されたＳＳＢ信号のｗａｖファイルの信号は、ハイレゾ再生器に接続した増幅器を通して超音波エミッタに供給すれば、元のオーディオ信号を復元できる。現時点では、非圧縮のリニアＰＣＭフォーマットｗａｖでサンプリング周波数９６ｋＨｚ、量子化を１６ビットに選んでおり、これによるパラメトリックスピーカの再生音は、アナログ回路による変調器を使う従来方法と同等の音質が得られた。今回の方法によれば、共振周波数２５ｋＨｚの超音波エミッタ、及び共振周波数４０ｋＨｚのエミッタ駆動用ハイレゾ音源の制作が可能である。
【００４６】
但し、数値演算によって最適な回路構成やパラメータが得られた後は、同等の機能を実現する電子回路で構成することもできる。一般にハードウェアの方が処理速度が早く、リアルタイム処理が可能だからである。
【００４７】
（ＩＩ）駆動プロセス
変調プロセスに続く駆動するプロセスでは、変調器を経て出力された超音波信号ｘ（ｔ）が図１に示す増幅器２で電力増幅され、超音波エミッタ３から超音波信号が放出される。パラメトリックスピーカの電力増幅器は、その多くは周波数特性が平坦なので、モデリングにおいては増幅度に合わせて単なる定数を乗算する演算ですむ。一方、超音波エミッタは超音波信号を空気中に放出するための電気音響変換装置であり、例えば、多数の圧電セラミック素子を平面的に配列したものが一般的である。超音波素子の周波数特性は復調音の周波数特性に影響するため、予備実験として超音波エミッタの周波数特性を調べる。
【００４８】
図６（Ａ）は、実験に用いた超音波エミッタの外観を示している。
＜超音波エミッタ＞
日本セラミック社製  超音波素子（Ｔ４０１０Ｂ４、素子数２７１）
【００４９】
図６（Ｂ）は、この超音波センサの感度周波数特性を示す図である。すなわち、電圧振幅５．４７Ｖで駆動し、周波数を３４ｋＨｚから４６ｋＨｚまで変化させて、そのときの超音波エミッタから音軸上４ｍの位置における音圧を測定した結果を示している。但し、この図の横軸は共振周波数約４０．２ｋＨｚであり、縦軸はそのときの音圧振幅２１．２Ｐａ（ＳＰＬで１１７．５ｄＢ）で無次元化している。
ここで、ＲＬＣ直列共振回路としてモデリングして定式化する方法について説明する。機械共振は、その共振付近において、コイル（質量）、コンデンサ（ばね）、そして抵抗（機械抵抗）の直列回路と等価である。超音波は、平面波であることを前提とすると、その回路に流れる電流に比例して放射されるとモデル化でき、超音波エミッタのインパルス応答ｈ（ｔ）は、式１
（式１）
2019161375.tif 000003
により表される。ここで、Ａは任意定数、ωｄ＝ω０・（１−１／４Ｑ０２）１／２、ω０＝２πｆ０）は共振周波数、Ｑ０は共振の先鋭度、ｕ（ｔ）は単位ステップ関数である。この式の導出方法は、先ず、超音波エミッタに加える電圧をｖ（ｔ）、流れる電流をｉ（ｔ）と置き、ＲＬＣ直列共振回路の伝達関数Ｈ（ｓ）を計算する。そして、ラプラス変換を用いてインパルス応答を計算し、超音波は超音波エミッタから離れると回折が現れ、その効果を入れることは１階時間微分することに対応し、式１を得る。
【００５０】
図６（Ｂ）の実線はＱ０＝２０にしたとき、点線はＱ０＝３０にしたときのフィッティング曲線である。このフィッティングのように、共振周波数を挟んで両周波数領域でＱ０の値が異なる。また、やっかいなことに、駆動電圧の増加に応じてｆ０とＱ０の値が低下する傾向にあることが分かった。本来ならば、超音波の回折を抑えるためにエミッタ近傍で周波数特性を測定しなければならない。最終的には以上のような２次的な影響を含めて超音波エミッタの周波数特性を決める必要があるが、今回のモデル化には含めていない。
【００５１】
超音波エミッタの駆動電圧は変調シミュレータからの出力信号ｘ（ｔ）であり（パワーアンプの増幅度を信号に含めるときには、ｘ（ｔ）に増幅度を乗算する）、従って、エミッタから放射される超音波音圧ｐｃ（ｔ）は、ｘ（ｔ）とｈ（ｔ）とのたたみ込み積分（式２）で与えられる。
（式２）
2019161375.tif 000004
【００５２】
（ＩＩＩ）復調プロセス（ダウンコンバート）
パラメトリック音圧信号ｐは、超音波信号ｐｃの自己復調プロセスの結果として発生する。そのプロセスの簡単なモデルは、Ｂｅｒｋｔａｙの式（式３）とＭｅｒｋｌｉｎｇｅｒの式（式４）とで表される。
【００５３】
（式３）
2019161375.tif 000005
（式４）
2019161375.tif 000006
【００５４】
これらの式３、式４において、エミッタから放出される超音波の音圧信号ｐ０、包絡線関数Ｅ（ｔ）、キャリア角周波数ωｃとの関係は、
（式５）
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とおいている。また、ρ０、βは、それぞれ媒質の密度、非線形係数、またｃ０は音速、αｃはキャリア超音波の音波吸収係数である。
Ｂｅｒｋｔａｙの式３は、包絡線Ｅ（ｔ）を時間ｔで２階微分したものがパラメトリック差音に比例することを示しており、物理的には２乗検波を行っているにすぎない。特に、キャリア超音波の音圧ｐ０が低くてδ＜＜１が満たされるような場合は、式４を低次で近似するとＢｅｒｋｔａｙの式３が得られる。従って、Ｍｅｒｋｌｉｎｇｅｒの式は、Ｂｅｒｋｔａｙの式を包含した広範囲の１次波駆動に対して有効といえる。
【００５５】
ところで、パラメトリック差音の大きさは包絡情報を持つ関数の２階時間微分で与えられる。この微分は周波数領域でいえば、パラメトリック差音が周波数の２乗に比例することを意味する。厳密にいうと、音圧の周波数特性は超音波エミッタの距離に依存する。図６（Ｂ）は開口半径ａ＝１００ｍｍ、１次波の一方、すなわちキャリア周波数を４０ｋＨｚに固定し、他方の１次波周波数を４０ｋＨｚ未満（ＬＳＢ）で変化させたときの差音音圧の周波数応答を示したものである。
【００５６】
ここで、理論計算にはＫＺＫ方程式を利用した。２つの１次波の音源面音圧ｐ０は１２８ｄＢに固定している。この理論結果から、距離が１ｍの場合は周波数ｆの１．６乗に、４ｍから１０ｍの場合は１．７乗から１．８乗に、更に遠くなり２０ｍになると２乗に近づく。ただ、距離が遠くなるほど音波吸収の影響を受けて２次曲線からは外れていく。ちなみに、４ｋＨｚの音波吸収はおよそ０．０３ｄＢ／ｍなので、２０ｍ伝搬しても１ｄＢ以下の減衰量である。
【００５７】
図７は、超音波の音圧信号ｐ０＝１３０ｄＢ、距離１ｍ、４ｍ、１０ｍ、２０ｍで測定したＳＰＬの周波数応答特性を示している。なお、時間微分は７次の数値微分で代用した。
【００５８】
差音が周波数の２乗（ｆ２）に比例するのは、遠距離場であることを示している。遠距離では、高周波における音波吸収の影響が見られる。近距離場ほど周波数の１．５乗に比例するようになる。
【００５９】
（まとめ）
（１）本発明の第１の実施形態で説明される変調器は、ソフトウェアプログラムによって外部音源からの可聴信号を入力し、その可聴信号を数値データに変換し、更に数値データに対する種々の数値演算を行って被変調信号の数値データを生成し出力する機能を備える。
（２）上記の変調器によれば、被変調信号のハイレゾ音源を扱うことも容易である
（３）上記の変調器によれば、被変調信号生成に加えて、入力音源信号から出力信号に至る過程でのレベル調整、フィルタ機能である周波数特性や位相特性の調整、歪低減のための音質改善、省電力から選択される少なくともいずれか一つの機能を達成するためのいずれかの演算機能を備えることも可能となる。
（４）上記の変換器は、外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、又は、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接演算し外部へ出力するストリーミング機能、演算結果はハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能、のうち少なくともいずれか１つを備えていてもよい。
（５）上記の変換器は、（４）項記載の機能の全て又は一部を、ハードウェアにより構成された物理的な機器と置き換えることが可能である。
【００６０】
ハイレゾ音源を使用するため、ブルートゥース（登録商標）で信号を送り、遠隔操作することも容易である。また、ハイレゾ音源は可聴音の帯域信号も含むので、パラメトリックスピーカ用信号と、従来のスピーカ（ＡＩスピーカもこの種）をも含むことになり、ともに駆動できる音源であるので、汎用性に勝れる。
【００６１】
（第２の実施形態）
以上の一連のプロセスにおいて、入力音源信号を変調するステップから自己復調されるまでの全ての信号の流れをコンピュータ上でシミュレートする方法について説明する。
【００６２】
−超音波エミッタのシミュレータについて−
通常超音波エミッタから放出された超音波信号は自己復調により可聴帯域の周波数にダウンコンバートされる。パラメトリックスピーカ用駆動信号は概ね４０ｋＨｚ付近の周波数成分であるため、この信号をハイレゾ音源として取り扱うと共に、超音波エミッタは単純なＲＬＣ直列共振回路としてモデリングして定式化することで、復調音をコンピュータ上で再現することができる。実験では、信号の流れは全てハイレゾ音源（サンプリング周波数９６ｋＨｚ、量子化１６ビットで統一）とし、入力と出力はいずれもｗａｖ形式の音源データファイルを用いることとし、パソコンやスマートホンなどで記録・再生できる状態にした。なお、リアルタイム処理については、第３の実施形態で詳細に説明する。
【００６３】
実験ではＢｅｋｔａｙの式４に従って表示したが、Ｍｅｋｌｉｎｇｅｒの式を用いてもよい。時間に関する微分は７次の数値微分に置き換えている。
【００６４】
図８（Ａ）は、入力音源信号とシミュレーションにより得られた復調信号の例を示す時間波形、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の周波数スペクトルを示している。入力音源信号は、等振幅の１ｋＨｚと３ｋＨｚの正弦波を加算したオーディオ信号ｓ（ｔ）＝ｓｉｎ ωｔ＋ｓｉｎ ３ωｔとし（ω＝２π×１０００ ｒａｄ／ｓ）、その信号を変調プロセスに入力した。ここでは、変調後の超音波キャリア４０ｋＨｚ、及びＬＳＢの３７ｋＨｚ、３９ｋＨｚ成分の振幅は全て等しいとして超音波エミッタに入力している。
【００６５】
以上のような超音波エミッタのシミュレータを用いることで、変調から復調までのプロセスをコンピュータ上で行った。振幅変調方式としては、今回はＷｅａｖｅｒ法をベースにダイナミック変調できるように改良を加えたダイナミックＳＳＢ変調を用いたが、数式で表される変調方式であれば他の変調方式でもよい。
【００６６】
以上のように、本実施形態で説明したパラメトリックスピーカ開発システムは、入力音源信号から復調プロセスまでの全てをコンピュータ上でシミュレーションでき、所望の品質（低歪みや入出力の線形性など）のパラメトリック信号が再生できるシミュレータをソフトウェア上で実現することができる。本実施形態によれば、超音波エミッタから放出された超音波信号が自己復調された結果として得られる復調音がコンピュータ上で再現されることになるため、超音波エミッタは不要となり、システムの調整に際しても、アナログ回路のようなブロックごとの整合性に配慮する必要がない。また、手間と時間のかかる面倒なフィールド実験が不要であると共に、実験に伴う経費とマンパワーの低減化を図ることができる。
【００６７】
自己復調プロセスはＢｅｒｋｔａｙの式に従ってモデル化したが、Ｍｅｋｌｉｎｇｅｒなど、他の式を用いることもできることはいうまでもない。
【００６８】
（第３の実施形態）−リアルタイム処理の実現方法−
第１及び第２の実施形態では、いずれも、入力音源信号に汎用のデジタル音源フォーマットのデータを用いた例で説明したが、その場合、ファイル変換するプロセスやハイレゾ録音再生器への入出力が伴うプロセスが必要となるため、流れとしては時間的に不連続なバッチ処理なる。しかし、アルゴリズムを工夫し、高速処理可能なソフトウェアでプログラミングすれば、リアルタイム処理も可能である。
【００６９】
例えば、連続的な音声信号（デジタルデータでない場合はＡ／Ｄ変換器を通す）を入力し、上記の各ステップを連続的に実行し、ハイレゾに相当する信号を増幅器と超音波エミッタに供給するという方法が考えられる。
【００７０】
入力音源がアナログ信号の場合、Ａ／Ｄ変換器を通してデジタル音源の入力音源信号を連続的にテキスト変換すれば足りる。また出力形式についても、必要に応じてＤ／Ａ変換器に出力するなど、システムの設計に応じて適時変更は可能である。
【００７１】
図９は、第３の実施形態のパラメトリックスピーカのブロック図である。破線で示した部分が変調器である。バッチ処理を一点鎖線で表し、リアルタイム処理を実線で表している。
【００７２】
図９の一点鎖線で説明するように、バッチ処理の場合、ｗａｖ形式の音源データファイルである入力音源信号ｓ（ｔ）が入力音源９０から変換器９２に送られ、プロセッサ９３による数値演算を行うことで超音波信号を生成する。変換器の出力ファイルは必要に応じて記録媒体９５に保存されるようにしてもよい。変換器の出力データはハイレゾ録音再生器９４に送られる。更に、増幅器９６を経由して超音波信号が超音波エミッタ１００からリアルタイムで連続的に放出される。
【００７３】
これに対して、図９の実線で説明するような、リアルタイム処理も可能である。入力音源９０からリアルタイムに提供される可聴帯域の入力音源信号は、数値演算を行って超音波信号を生成した後、オーディオインターフェース９８を経由して出力信号は、超音波帯域を扱えるオーディオインターフェースによってＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換してアナログ信号になり、その後増幅器９６に送られ、超音波信号が超音波エミッタ１００からリアルタイムで連続的に放出される。この場合、ハードウェア構成及びソフトウェアはいずれもリアルタイム処理できる時間内に必要な処理ができる構成を用いることが必要である。具体的には、例えば、外部音源からの可聴信号ファイルを受け入れる機能、外部音源からの可聴信号を逐次バッファメモリに受け入れそれを直接数値演算し外部へ出力するストリーミング機能、ハイレゾ音源の信号ファイルを生成する機能などである。
【００７４】
或いは、音源出力信号から増幅器内部処理まで全てデジタルで組み込むことが可能となり、システム全体の整合性が確保され小型化が実現できる。一方、オーディオインターフェース又は図９のハイレゾ録音・再生器９４において、Ｄ／Ａ変換器が増幅器を搭載していれば、或いは、超音波帯域を扱える完全なデジタル増幅器であれば、Ｄ／Ａ変換等のアナログ変換器を経ずにソフトウェアシミュレータのデジタル信号を直接増幅器に入力されると、その出力をアナログ信号として超音波エミッタに供給できる。図９においては、その機能を有し増幅器を内蔵するブロックをハイレゾデジタル増幅器９７と記載した。一方、ソフトウェアシミュレータがＤ／Ａ変換機能を持ち、アナログ信号が出力できるのであれば、ソフトウェアシミュレータの出力を増幅器に渡してもよい。
【００７５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００７６】
２０  破線部（ダイナミックＳＳＢ変調を実現するための機能ブロック）
９０  入力音源
９２  変調器
９３  プロセッサ
９４  ハイレゾ録音・再生器
９５  外部記録媒体
９６  増幅器
９７  ハイレゾデジタル増幅器
９８  オーディオインターフェース
１００  超音波エミッタ
【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９】
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