(57)【要約】【課題】超音波を利用して指向性の強い可聴音を再生する音響再生装置において、超音波発生素子から可聴が再生されるまでの距離が長すぎる欠点を解消する。【解決手段】超音波信号を可聴信号で振幅変調して円盤状に並べた複数の超音波発生素子から放射し媒質の非線形性による自己復調効果を用いて所望の方向に超指向性を実現する音響再生方法において、円盤に対する垂直方向の距離Ｌに円盤と水平な方向に対して角度ψを円盤に対してψ＝ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ）／２となるような角度を待たせた第１の反射板で円盤を含む面に超音波を反射させ、円盤を含む面およびこれと平行な、第１の反射板がある方向の距離Ｌの面の双方に第２及び第３の反射板を設けて反射した超音波を多重反射させ、多重反射した超音波を角度可変な第４の反射板で所望の方向に反射させて所望の方向に音響を再生する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号発生手段と、可聴信号入力手段と、上記超音波信号発生手段で発生された超音波信号を上記可聴信号入力手段から入力された可聴信号で振幅変調する振幅変調手段と、該振幅変調手段で振幅変調された超音波信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段の出力を超音波として放射する複数の超音波素子を円盤状に配置した音響再生装置において、
上記円盤状に配置した超音波素子に対する垂直方向の距離Ｌに上記円盤と平行な面に対して角度ψを、上記円盤の半径ａに対してψ＝ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ）／２となるような角度を持たせて第１の反射手段を設け、上記円盤を含む面および上記円盤の面から距離Ｌに上記円盤の面と平行な面の双方に第２及び第３の反射手段および角度可変な第４の反射手段を設けたことを特徴とする音響再生装置。
【請求項２】
請求項１記載の音響再生装置において、上記第２の反射板及び第３の反射板の双方に上記第１の反射板と同等の角度ψを付加したことを特徴とする音響再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の方向にのみ音を放射する音響再生装置に係り、特に可聴音で振幅変調した超音波から伝播の過程で可聴波が復調される性質を利用し、充分に復調されるまでの距離を多重反射によって形成して小型化を図った音響再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータを用いたテレビ会議システム（デスクトップ会議システム）が普及しつつある。これらの会議システムで相手の音声を再生するには通常のスピーカを使用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし通常のスピーカは一般に指向性が広く、ＴＶ会議システムを使用している人だけでなく、その周囲にも相手の音声（再生音）が聞こえ、周囲に不要な雑音となって聞こえてしまうという問題があった。これを解決する一つの方法としては再生音信号で超音波信号を振幅変調した後に放射するというパラメトリックスピーカを用いる方法が考えられる。以下、パラメトリックスピーカの原理とその超指向性について簡単に説明する。
図４にパラメトリックスピーカの電気的な回路構成を示す。超音波信号発生手段１１は例えば４０ｋＨｚ程度の周波数の超音波信号を発生する。この超音波信号は振幅変調手段１３に入力され、この振幅変調手段１３において可聴信号入力手段１２から入力された可聴信号により振幅変調される。
【０００４】
振幅変調された超音波信号は増幅手段１４で増幅されその増幅出力で超音波発生装置１５を駆動する。超音波発生装置１５は例えば４０ｋＨｚを共振周波数に持つ複数の超音波発生素子１５−１、１５−２、１５−３．…１５−ｎが並列駆動することにより強力な超音波を発生させることができる。
複数の超音波発生素子１５−１〜１５−ｎは図５に示すように互いに接近してほぼ円形のプリント配線基板１６に実装され、プリント配線基板１６に形成されたプリント配線により全てが並列接続される。
【０００５】
このような構造によりパラメトリックスピーカは強力な超音波（約１００ｄＢ以上）を放射し、空気の非線形性を利用して可聴音を生成するものである。正弦波超音波（ｓｉｎ（ωｃｔ）：キャリア）を可聴波ｓ（ｔ）で変調し（式（１））空気中に放射すると、空気の非線形項は式（１）の２乗に比例するため、式（２）のように可聴波ｓ（ｔ）が復調される。
（１＋ｓ（ｔ））ｓｉｎ（ωｃｔ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
（１＋ｓ（ｔ））２ｓｉｎ２（ωｃｔ）＝（１＋ｓ（ｔ））２（１−ｃｏｓ（２ωｃｔ））／２
＝１／２＋ｓ（ｔ）＋ｓ２（ｔ）／２−（１＋ｓ（ｔ））２ｃｏｓ（２ωｃｔ）／２　　　　　　（２）
この可聴波ｓ（ｔ）の強度は距離とともに次第に増加し、超音波を放射する超音波発生素子が円盤状の場合、その半径をａとすると、次式（３）で定義されるレーリー長Ｒまで増加し、その後球面上に拡散して可聴波減衰すると言われている（鎌倉友男“非線形音響学の基礎”愛知出版（１９９６）ｐ．２０１）。
Ｒ＝πａ２／λ　　（λ＝ｆ／ｃ．　ｆはキャリアの周波数、ｃは音速（約３４０［ｍ／ｓ］））　　　　（３）
また、鎌倉らは数値シミュレーションにより、媒質の超音波に対する吸収係数αに対し、Ｒ／（２α）の距離をとれば充分に増加して飽和することを示している（鎌倉ほか“パラメトリックスピーカ実用化への検討”日本音響学会誌４１巻６号（１９８５）ｐｐ．３７８―３８５）。
しかし、ａ＝０．１［ｍ］，ｆ＝４０，０００［Ｈｚ］の場合、Ｒ≒１．２［ｍ］であり、しかも媒質が空気の場合α＝０．１４であるから最適聴取距離はＲ／（２α）＝４．３ｍとなって通常のスピーカに比べ、非常に大型になるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では、超音波信号発生手段と可聴信号入力手段と、超音波信号発生手段で発生された超音波信号を上記可聴信号手段で入力された可聴信号で振幅変調手段と、振幅変調手段で振幅変調された超音波信号を増幅する増幅手段と、増幅手段の出力を超音波として放射する複数の超音波発生素子を円盤状に配置した音響再生装置おいて、
円盤状に配置した超音波発生素子に対する垂直方向の距離Ｌに円盤と平行な面に対して角度ψを、円盤の半径ａに対してψ＝ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ）／２となるような角度を持たせて第１の反射手段を設け、円盤を含む面および円盤の面から距離Ｌ離れて円盤の面と平行な面の双方に第２及び第３の反射手段および角度可変な第４の反射手段を設けた音響再生装置を提案する。
この発明では更に、上記第２の反射板及び第３の反射板の双方に第１の反射板と同等の角度ψを付加した音響再生装置を提案する。
【０００７】
作用
この発明によれば、第１の反射板を図１のように角度ψ（＝　ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ）／２）を持たせておくと第１の反射板の垂線に対し入射角ψで超音波は入射し、鏡面反射のとき角度ψで反射するから第２の反射板に角度２ψで入射し、反射角も２ψとなる。第２の反射板と第３の反射板は平行で、所望の回数だけ多重反射させる。最後に角度可変な第４の反射板で所望の方向に反射させる。
【０００８】
第２と第３の反射板により所望の回数反射させることにより短い距離でも音波の伝搬距離を稼ぐことができる。この結果超音波発生素子の放音面から、最適聴取位置までの見かけ上の距離を短くすることができる。
特に第２の反射板及び第３の反射板の双方に第１の反射板と同等の角度ψを付した場合は、第２の反射板及び第３の反射板における超音波の反射角度が鋭角となるため、第３の反射板を短くすることができる。この結果、最適聴取位置までの見かけ上の距離を更に短くすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による音響再生装置の実施例を示す。図中１５は図４及び図５に示して説明した超音波発生装置を示す。超音波発生装置１５は図５で説明したように複数の超音波発生素子１５−１、１５−２、１５−３…１５−ｎが円盤状にプリント配線基盤１６に実装されることにより全ての超音波発生素子１５−１、１５−２、１５−３…１５−ｎは並列接続され、図４に示した駆動回路で駆動される。
この発明では超音波発生装置１５の放音面から距離Ｌ離れた位置に第１の反射板２１を設ける。第１の反射板２１は超音波発生装置１５の放音面と平行な面に対して角度ψを持たせる。角度ψとして超音波発生装置１５の円盤の半径ａに対してψ＝ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ）／２となる角度とされる。
【００１０】
第１の反射板２１に角度ψ（＝ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ）／２）を持たせておくことにより超音波は第１の反射板２１の垂線Ａに対して入射角ψで入射する。第１の反射板２１で超音波が鏡面反射するとき、角度ψで反射するから第２の反射板２２に角度２ψで入射し、第２の反射板２２の反射角度も２ψとなる。
第２の反射板２２と第３の反射板２３は平行で、所望の回数Ｍだけ多重反射させる。反射回数ｎは復調に必要な距離をＲ／α（Ｒはレーリー長（Ｒ＝ｆπａ２／Ｃ　；ｆは超音波の周波数：Ｃは音速）α：媒質の吸収係数）とすると、Ｌ＋ｎｘ＝Ｒ／αからｎ＝（Ｒ／α−Ｌ）／ｘで、図からｘ＝Ｌ／ｃｏｓ２ψだから上述のψを代入して整理すると次式（４）が得られる。
ｎ＝（Ｒ／（αＬ）−１）ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（２ａ／Ｌ））　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
実用的な大きさとしてＬ＝０．４［ｍ］、２ａ＝０．０５［ｍ］、超音波の周波数ｆ＝４０，０００［Ｈｚ］、媒質として空気の吸収係数α＝０．１４とすると、式（４）から反射回数ｎはｎ≒３回となる。４回目の反射で第４の反射板２４により任意の方向に超音波を反射させることにより、任意の方向で音響を再生することができる。
【００１１】
図２を用いて各部の寸法Ｌ、Ｗ、Ｄの一例を説明する。第１の反射板２１の寸法は超音波発生装置１５が構成する円盤の３倍程度が望ましいので、円盤の半径をａとした場合、第１の反射板２１は６ａ×６ａ程度の寸法にするとよい。Ｌ＝０．４［ｍ］、２ａ＝０．０５［ｍ］、とすると、Ｗ＝６ａ＝０．１５［ｍ］、寸法Ｄは第３の反射板２３の長さが６ａ＋６ａであるから、全体で１８ａ＝６ａ×３＝０．１５×３＝０．４５［ｍ］となる。
これらの反射板２１、２２、２３は金属或はガラス、プラスチック等ですることができ、その表面は平滑で超音波を鏡面反射させることができる面とされる。図３はこの発明の請求項２で提案する音響再生装置の実施例を示す。この実施例では第２の反射板２２と第３の反射板２３に第１の反射板２１と同等の角度ψを付加した構造とした場合を示す。
【００１２】
この構造とした場合には第１の反射板２１と第２の反射板２２及び第３の反射板２３はそれぞれ平行する面に揃えられ、これにより第２の反射板２２と第３の反射板２３における超音波の反射角は第１の反射板２１における反射角ψと一致し、図１に示した実施例の反射角２ψより１／２の角度となるため、第３の反射板２３を第２の反射板２２の真上に配置することができる。つまり、図２に示した寸法Ｄに相当する寸法はこの実施例では１２ａで済むことになる。この結果、最適聴取位置までの見かけ上の距離を更に短くできる効果が得られる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば第１〜第４の反射板２１、２２，２３、２４を設けることで可聴波が復調されるのに要する距離を反射でまかなう構成としたから、小型で所望方向に可聴波を生成することができる優れた作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を説明するための側面図。
【図２】図１に示した実施例の各部の寸法の一例を説明するための斜視図。
【図３】この発明の変形実施例を説明するための側面図。
【図４】超音波を利用した音響再生装置を説明するためのブロック図。
【図５】図４に示した音響再生装置に用いられる超音波発生装置の一例を説明するための平面図。
【符号の説明】
１５　　　超音波発生装置　　　　２３　　　第３の反射板
２１　　　第１の反射板　　　　　２４　　　第４の反射板
２２　　　第２の反射板
【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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