(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成で、音源から出力された音波の周波数特性を制御できる周波数特性制御装置を提供する。【解決手段】入力された音波の音圧を変化させる周波数特性制御装置１は、前記入力された音波の入力軸方向に沿って複数の孔を有するハニカムセラミックスやメッシュ状のスタック２と、そのスタックにおける前記入力軸の上流側もしくは下流側を加熱させる第一の熱交換器３１と、そのスタックの下流側を冷却させる第二の熱交換器３２と、を備える。そして、音源４から入力された音波をスタックの孔に流入させ、温度勾配によって生じる気体の膨張・収縮による作用によって入力された音波の周波数特性を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された音波の周波数特性を制御させる周波数特性制御装置において、
前記入力された音波の入力軸方向に沿って複数の導通路を有するスタックと、
当該導通路における前記入力軸の上流側もしくは下流側を加熱もしくは冷却させることによってスタックに温度勾配を形成する温度勾配形成手段と、
を備えるようにしたことを特徴とする周波数特性制御装置。
【請求項２】
前記スタックを、音波の入力軸方向に沿って直列に配置した請求項１に記載の周波数特性制御装置。
【請求項３】
前記スタックを音波の入力軸方向に直列に複数設けるとともに、当該スタックとスタックの間および音波の入力軸方向の最上流側および最下流側に熱交換器を設け、当該熱交換器を前記温度勾配形成手段で加熱もしくは冷却させるようにした請求項１に記載の周波数特性制御装置。
【請求項４】
前記スタックを、音波の入力軸方向に沿って並列に配置するようにした請求項１に記載の周波数特性制御装置。
【請求項５】
前記スタックが、音波入力軸方向に沿った孔径を変化可能に構成されるものである請求項１に記載の周波数特性制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音源から発生した音の周波数特性を変化させるようにした周波数特性制御装置に関するものであり、より詳しくは、マイクやスピーカーなどを用いることなく周波数特性を制御できるようにした装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、音源から発生した音の所定周波数域の音量を調整して好みの周波数特性を有する音場を生成する音場制御システムが提案されている（特許文献１や特許文献２など）。
【０００３】
この音場制御システムは、音源から出力された音波をマイクで収集し、その収集した音波に干渉する音波を生成してスピーカーから出力させることによって、所定の周波数帯域の音量を調整して好みの音場を生成できるようにしたものである。
【０００４】
このようなシステムを用いれば、例えば、コンサートホールや多目的ホール、ライブハウス、オペラハウスなどの空間で生じた音を心地よい音に制御することができるようになるというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１８９８２号公報
【特許文献２】特開２０１２−０６３６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような音場制御システムを用いて音の周波数特性を調整する場合、次のような問題がある。
【０００７】
すなわち、このような音場制御システムは、マイクで収録された音に対して、干渉する音を生成する必要があるとともに、その干渉音を瞬時に生成して出力する必要があるため、そのようなプログラムを作成するのが極めて難しい。また、その音源からの音を収録するためのマイクや、干渉音を生成するための制御部、また、その制御部で生成された音を出力するスピーカーなどを必要とするため、機器構成が高くなってしまう。
【０００８】
さらには、例えば、エンジンから出力された音のうち、マフラー内で伝わる音のような小さな空間内を伝搬する音をマイクで収録し、合成音をスピーカーから出力して周波数特性を変化させることは現実的に不可能である。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、簡単な構成で、音源から出力された音波の周波数特性を制御できるようにした周波数特性制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、入力された音波の周波数特性を制御させる周波数特性制御装置において、前記入力された音波の入力軸方向に沿って複数の導通路を有するスタックと、当該導通路における前記入力軸の上流側もしくは下流側を加熱もしくは冷却させることによってスタックに温度勾配を形成する温度勾配形成手段とを備えるようにしたものである。
【００１１】
このように構成すれば、音波の入力軸方向に沿ってスタックの両端側に温度勾配を生成することにより、導通路内で気体の膨張と収縮のサイクルを発生させ、この膨張と収縮と音とのエネルギー交換によって、入力された音波の周波数特性を変化させることができるようになる。
【００１２】
また、このような発明において、前記スタックを、音波の入力軸方向に沿って直列に配置する。
【００１３】
このようにすれば、上流側に設けられたスタックなどによって変化させた音波について、さらに、直列に設けられた下流側のスタックで周波数特性を変化させることができ、幅広い周波数帯域において周波数特性を変化させることができるようになる。
【００１４】
また、このようにスタックを直列に配置する際、前記スタックを音波の入力軸方向に直列に複数設けるとともに、当該スタックとスタックの間、および、音波の入力軸方向の最上流側および最下流側に熱交換器を設け、当該熱交換器を前記温度勾配形成手段で加熱もしくは冷却させるようにする。
【００１５】
このようにすれば、温度勾配を形成するための熱交換器の数を少なくした状態で、周波数特性を広い範囲にわたって変化させることができるようになる。
【００１６】
また、別の態様では、前記スタックを、音波の入力軸方向に沿って並列に配置する。
【００１７】
このようにすれば、例えば、大きな管を通る音波を制御する際、管を分岐させることによって熱交換器を小さくすることができ、熱交換器の外周と内側の温度差を小さくすることによって、安定してスタック前後の温度勾配を形成することができる。
【００１８】
加えて、前記スタックの導通路の孔径を変化させるように構成する。
【００１９】
このようにすれば、孔径を変化させることによって、温度勾配の変化だけでは制御できない周波数特性を変化させることができるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、入力された音波の周波数特性を制御させる周波数特性制御装置において、前記入力された音波の入力軸方向に沿って複数の導通路を有するスタックと、当該導通路における前記入力軸の上流側もしくは下流側を加熱もしくは冷却させることによってスタックに温度勾配を形成する温度勾配形成手段とを備えるようにしたので、音波の入力軸方向に沿ってスタックの両端側に温度勾配を生成することにより、導通路内で気体の膨張と収縮のサイクルを発生させ、この膨張と収縮と音とのエネルギー交換によって、入力された音波の周波数特性を変化させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態を示す音圧制御装置を示す図
【図２】同形態におけるスタックと熱交換器を示す図
【図３】同形態における周波数特性を変化させる際の基準となる実験例を示す図
【図４】同形態における周波数特性を変化させた実験例を示す図
【図５】同形態における音圧を低減させる場合の実験例を示す図
【図６】同形態における音圧を増幅させる場合の実験例を示す図
【図７】他の実施の形態における音圧制御装置を直列に配置した状態を示す図
【図８】他の実施の形態における音圧制御装置を並列に配置した状態を示す図
【図９】他の実施の形態における音圧制御装置を示す図
【図１０】同形態におけるスタックの孔径を変化させる状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
第一の実施の形態における周波数特性制御装置１は、図１に示すように、音源４から出力された音波の周波数特性を変化させるようにしたものであって、内側に貫通する複数の孔２１（図２参照）を有するスタック２と、そのスタック２における音波の入力軸の上流側と下流側に温度勾配を形成するための温度勾配形成手段３とを設けるように構成している。そして、その温度勾配形成手段３によってスタック２の両端に温度勾配を形成させることによって、スタック２の孔内で空気を膨張・収縮させ、これによって、音源４から出力された音波の周波数特性を変化させるようにしたものである。以下、本実施の形態における周波数特性制御装置１について詳細に説明する。
【００２４】
まず、スタック２は、図２に示すように、内側に音源４からの音波を入力させるように複数の貫通した小さな孔２１を有するものであって、例えば、ハニカム状のものや、コルゲートペーパーを巻き付けたもの、あるいは、メッシュ状の部材を複数積層したもの、不規則な繊維を軽く圧縮したものなどを用いることができる。このような素材としては、音波の入力軸の上流側と下流側で温度勾配を形成できるようなものを選び、例えば、セラミックス、ステンレスなどの金属、合成繊維などを用いることができる。このような素材を用いれば、上流側と下流側との間の温度差によって温度勾配を形成することができ、多孔内で空気の膨張や圧縮などのサイクルを繰り返させるようにすることができる。また、孔２１の数としては、その数が少なすぎると、貫通する導通路の壁面との間で熱交換をすることができず、音圧を低減させることができなくなる一方、孔数が多すぎる場合は、音波を完全に遮断してしまう可能性があるため、好ましくは、１０〜５００mesh／平方インチの範囲内にしておく。また、この孔２１によって形成される導通路としては、音波の入力軸に沿って直線状にしたり、もしくは、不規則に蛇行させたりしておく。このように導通路を直線状としておけば、音波を増幅させる際に、音圧が導通路内で低減されてしまうことを防ぐことができるというメリットがあり、一方、導通路を蛇行させておけば、音波の音圧を低減させることができるようになるというメリットがある。このようなスタック２を、例えば、円筒状の管５に取り付ける場合には、その管５の内側に接するように取り付けられ、また、室内空間などのような広い空間に設ける場合は、その壁面内に設けられる。
【００２５】
一方、温度勾配形成手段３は、第一の熱交換器３１や第二の熱交換器３２などによって構成され、それぞれの温度を変えることによってスタック２に温度勾配を形成させるようにしている。
【００２６】
このうち第一の熱交換器３１は、スタック２の音源４に近い側に接するように取り付けられ、内側に多孔を設けてその多孔から音波をスタック２内に入力させるようにしている。また、この第一の熱交換器３１は、外部からの熱源によって高温状態に設定できるようにしており、例えば、５０℃〜１０００℃などの範囲内に設定できるようになっている。このように高温状態に設定する方法としては、電気ヒーターやエンジンなどの廃熱、太陽光による熱などを用いるようにする。
【００２７】
また、第二の熱交換器３２は、スタック２の反対側の表面に接するように取り付けられ、内側に同様の多孔を有してその多孔から音波をスタック２側に出力させるようにしている。この第二の熱交換器３２は、相対的に第一の熱交換器３１よりも低い温度に設定され、例えば、―２０℃〜５０℃などの範囲内に設定される。このように第二の熱交換器３２を低温側に設定する場合、周囲に水などの液体を循環させることによって、常時低温にできるようにするとよい。
【００２８】
次に、このように構成された周波数特性制御装置１によって周波数特性を制御する場合の作用について説明する。
【００２９】
まず、音源４から音波が出力された場合、その音波が周波数特性制御装置１の第一の熱交換器３１側の孔２１に入力され、そこから、スタック２の孔２１の導通路内に入る。このとき、スタック２の導通路に入力された音波は、空気を膨張・収縮させながら入力軸方向に進むが、スタック２内の入力軸方向に形成された温度勾配によって、その表面の空気が上流から下流側へと収縮し、音波による空気の膨張を阻害させることができる。また、その温度勾配によって、音波による空気の膨張・圧縮によって放出される熱を導通路内で熱交換を行って音圧を低減させることができる。そして、そのスタック２の温度勾配の作用によって音波の音圧を低減させ、反対側の第二の熱交換器３２側から出力させる。
【００３０】
このときの実験結果を図３や図４に示す。この実験結果は、図１に示すように、管５の内部に周波数特性制御装置１を取り付け、その上流側に音源４を配置するとともに、周波数特性制御装置１の上流側と下流側にマイクを取り付けてＦＦＴで周波数解析をしたものである。
【００３１】
図３は、正弦波一波の２００Ｈｚの電気信号をスピーカーに入力して音波を出力し、温度勾配が０℃の状態でスタック２の通過前の周波数特性と通過後の周波数特性を示したものである。この図３の実線から分かるように、第一の熱交換器３１やスタック２や第二の熱交換器３２が存在しているため、若干周波数特性が変化していることがわかる。以下に、この温度勾配０℃におけるスタック通過後の周波数を基準として他の状態との周波数特性の比較を行う。
【００３２】
図４は、同じ音波を出力した状態で、温度勾配を０℃と２００℃と４００℃にした場合におけるスタック通過後の周波数特性を示したものである。この図において、破線は図３の実線（温度勾配０℃スタック通過後）に相当し、細い実線は温度勾配２００℃の状態の周波数特性、下図の太い実線は温度勾配４００℃の状態の周波数特性を示したものである。この図から分かるように、例えば、矩形領域で囲まれた周波数帯域においては、温度勾配０℃の時のスペクトル（音圧）よりも２００℃や４００℃の温度勾配のときの方がスペクトルが格段に小さくなっていることが分かる。このため、このような周波数帯域のスペクトルをカットするためには、第一の熱交換器３１と第二の熱交換器３２の温度勾配を上昇させて、フィルタリングを行うようにすることができる。
【００３３】
図５は、周波数毎の音圧変化率を示すものであり、横軸は音波の周波数、縦軸は周波数特性制御装置１の上流側と下流側の音圧変化率を示したものである。一般的には、周波数特性制御装置１を通過した音波の音圧は小さくなるが、第一の熱交換器３１と第二の熱交換器３２の温度差が０℃の場合の音圧変化率が「１．０」となるように規格化している。また、図５の上図は、スタック２の孔密度を２０mesh／平方インチ、スタック２の長さを１０ｍｍとしたものであり、図５の下図は、スタック２の孔密度を５０mesh／平方インチ、スタック２の長さを同じ１０ｍｍとしたものである。
【００３４】
図５の各図に示すように、第一の熱交換器３１と第二の熱交換器３２の温度差が大きいと、上流側と下流側の音圧変化率が小さくなる（すなわち、音圧が小さくなる）ことが分かり、また、周波数に応じて音圧変化率が変化することが分かる。このため、孔密度を変化させることができない場合は、第一の熱交換器３１と第二の熱交換器３２の温度差を大きくすることによって、音圧を小さくすることができる。
【００３５】
一方、図５の上図と下図とを比較した場合、スタック２の孔密度が大きくなるほど、特に高周波領域においては、音圧変化率が小さくなる（すなわち、音圧が小さくなる）ことが分かる。このため、低減させたい音波の周波数がある程度分かっている場合は、そのスタック２の孔密度を大きくできるようにしておき、これによって最適な温度差を用いて音圧を小さくする。
【００３６】
次に、この周波数特性制御装置１における第一の熱交換器３１を低温側に設定するとともに、第二の熱交換器３２を高温側に設定した場合の実験結果を図６に示す。
【００３７】
この実験結果は、多孔密度が２０メッシュ／平方インチとした場合における音圧の変化を示すものであり、同様に、温度差を変化させた際の音圧を規格化したものである。図６から分かるように、第一の熱交換器３１を低温側に設定した場合、音圧が増幅されることが分かり、また、温度差が大きくなるほど音圧変化率が大きくなることが分かる。このため、小さな音を増幅させる際には、第一の熱交換器３１を低温側、第二の熱交換器３２を高温側に設定するなどして、音圧を増幅させるようにする。
【００３８】
次に、このように構成された周波数特性制御装置１の応用例を説明する。
【００３９】
このような周波数特性制御装置１を配置する場合、図７に示すように、音波の進行方向に対して周波数特性制御装置１を直列に配置し、それぞれの周波数特性制御装置１におけるスタック２の孔密度や温度差などを変化させる。そして、これによって、上流側のスタック２などで第一の周波数帯域をカットし、下流側のスタック２などで第二の周波数帯域の音波をカットするなどして、周波数特性制御装置１を、ハイパスフィルター、バンドパスフィルター、ローパスフィルター、バンドイルミネーションなどとして使用できるようにする。
【００４０】
また、このように直列に設ける場合、第一の熱交換器３１と第二の熱交換器３２の二つを設けるようにしているが、図８に示すように、両端の熱交換器の間に第三の熱交換器３３を設け、各熱交換器の温度を変化させるようにして周波数特性を制御できるようにしてもよい。このように３枚以上（４枚以上であってもよい）の熱交換器３１、３２、３３を配置する場合としては、上流側から高温、中温、低温として音圧を低減させるようにするか、あるいは、この逆の低温、中温、高温として音圧を増幅させるようにしてもよい。もしくは、上流側から高温、低温、高温として、音圧を一旦低減させてから増幅させ、周波数特性や音圧特性を変化させてイコライザーとして使用することもできる。この場合、各熱交換器３１、３２、３３に挟まれるスタック２の孔密度や孔径などを変化させておくと、特定の周波数帯域の音圧を低減させたり増幅させたりすることができる。
【００４１】
さらに、図９に示すように、分岐する管５に並列に配置することによって、ハイパスフィルター、バンドパスフィルター、ローパスフィルター、バンドイルミネーションなどとして使用できるようにする。このように並列に配置する場合、例えば、管５の大きさが大きい場合、熱交換器３１、３２も必然的に大きくなるが、このように熱交換器３１、３２が大きくなると、周囲の温度と中央部分の温度差が異なってしまい、周波数特性の変化をうまく制御できない場合がある。そこで、分岐管を用いて熱交換器３１、３２を小型化し、周囲と中央部分の温度差を小さくして周波数特性の変化を安定化させる場合などに用いることができる。なお、このように管５を分岐させる場合、図９に示すように、一本の管を二本に分岐させて再び一本に合流させる場合のみならず、第一の本数からそれよりも多い本数に分岐させるようにしてもよい。
【００４２】
また、スタック２の孔密度などを変化させることによって周波数特性や音圧変化率などを変化させることもできる。しかしながら、壁面や管内に配置されたスタック２を取り替えることが困難であるため、例えば、図１０に示すように、メッシュ状のスタック２を複数枚積層し、それぞれのスタック２の位置を面方向にずらすか回転させることなどによって、音波入力軸方向から見た孔径を変えられるようにすることもできる。このとき、孔径を大きくする場合は、積層されたスタック２の孔２１がそれぞれ一致するようにしておき、一方、孔径を小さくする場合は、モーターなどの駆動源などを用いて上層のスタック２の孔２１に下層のメッシュを位置させるようにする。このようにすれば、孔２１の大きさをメッシュで分割することができるため、音波の入力軸方向から見た孔径を小さくすることができるようになる。
【００４３】
このように上記実施の形態によれば、入力された音波の周波数特性を制御させる周波数特性制御装置１において、前記入力された音波の入力軸方向に沿って複数の導通路を有するスタック２と、当該導通路における前記入力軸の上流側もしくは下流側を加熱もしくは冷却させることによってスタック２に温度勾配を形成する温度勾配形成手段３とを備えるようにしたので、音波の入力軸方向に沿ってスタック２の両端側に温度勾配を生成することにより、導通路内で気体の膨張と収縮のサイクルを発生させ、この膨張と収縮と音とのエネルギー交換によって、入力された音波の周波数特性を変化させることができるようになる。
【００４４】
また、前記スタック２を、音波の入力軸方向に沿って直列に配置するようにした場合は、上流側に設けられたスタック２などによって変化させ、さらに、下流側のスタック２で周波数特性を変化させることで、幅広い周波数帯域において周波数特性を変化させることができるようになる。
【００４５】
さらに、このようにスタック２を直列に配置する際、前記スタック２を音波の入力軸方向に直列に複数設けるとともに、当該スタック２とスタック２の間、および、音波の入力軸方向の最上流側および最下流側に熱交換器３１、３２を設け、当該熱交換器３１、３２を前記温度勾配形成手段３で加熱もしくは冷却させるようにした場合は、温度勾配を形成するための熱交換器の数を少なくした状態で、周波数特性を広い範囲にわたって変化させることができるようになる。
【００４６】
また、スタック２を、音波の入力軸方向に沿って並列に配置した場合は、例えば、大きな管５を通る音波を制御する際、管を分岐させることによって熱交換器３１、３２を小さくすることができ、熱交換器３１、３２の外周と内側の温度差を小さくすることによって、安定して温度勾配を形成することができる。
【００４７】
加えて、前記スタック２の導通路の孔径を、変化可能に構成すれば、温度勾配の変化だけでは制御できない周波数特性を変化させることができるようになる。
【００４８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。
【００４９】
例えば、上記実施の形態では、温度勾配形成手段３として、第一の熱交換器３１と第二の熱交換器３２などを設けるようにしたが、第一の熱交換器３１を高温に設定しておき、他端側を外気などで自然冷却させるようにして、第一の熱交換器３１だけで温度勾配を形成するようにしてもよい。
【００５０】
あるいは、上記実施の形態では、スタック２とは異なる第一の熱交換器３１や第二の熱交換器３２で温度勾配を形成するようにしたが、ステンレス製のメッシュでスタック２を形成する際、そのスタック２そのものを加熱・冷却することによって温度勾配を形成させるようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態では、スタック２としてハニカムセラミックやメッシュ素材、繊維素材などを用いるようにしたが、スタック２の導通路内に好適な温度勾配を形成させることができない場合は、熱伝導率の異なるメッシュ素材を交互に積層して温度勾配を形成させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、音源から出力された音波のうち、所定の周波数の音圧を低減させたり増幅させたりすることによって周波数特性を制御できるような分野に利用することができ、例えば、エンジン音の音圧調整や室内空間から出力される音の音圧調整などに使用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１・・・周波数特性制御装置
２・・・スタック
２１・・・孔
３・・・温度勾配形成手段
３１・・・第一の熱交換器
３２・・・第二の熱交換器
４・・・音源
【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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【図１０】
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