(57)【要約】【課題】聴取者にとって違和感を伴わない音の再生を可能とする。【解決手段】可聴周波数帯の信号波を生成する可聴周波数波発振源１０と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波発振源１２と、キャリア波を信号波で変調する変調器１４と、変調器１４から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサ１８とを有し、可聴波周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカであって、前記信号音の音圧分布が正負対象となるように超音波トランスデューサ１８に印加される変調信号の音圧レベルをシフトする音圧レベル調整器２０を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサを駆動することにより可聴波周波数帯の信号音を再生させる超音波スピーカの信号音再生方法であって、
前記信号音の音圧分布が正負対象となるように前記超音波トランスデューサに印加される変調信号の音圧レベルをシフトすることを特徴とする超音波スピーカの信号音再生方法。
【請求項２】
前記変調信号の音圧レベルを予め正方向にシフトすることを特徴とする請求項１に記載の超音波スピーカの信号音再生方法。
【請求項３】
前記変調信号の音圧レベルのシフト量を前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離に応じて調整することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波スピーカの信号音再生方法。
【請求項４】
前記変調信号の音圧レベルのシフト量を前記超音波トランスデューサの音波放射面から再生地点までの距離に無関係に固定値とすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の超音波スピーカの信号音再生方法。
【請求項５】
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、
キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、
前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、
前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有し、可聴波周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカであって、
前記信号音の音圧分布が正負対象となるように前記超音波トランスデューサに印加される変調信号の音圧レベルをシフトする音圧レベル調整手段を有することを特徴とする超音波スピーカ。
【請求項６】
前記音圧レベル調整手段は、前記変調波の音圧レベルのシフト量を前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離に応じて調整可能としたことを特徴とする請求項５に記載の超音波スピーカ。
【請求項７】
前記音圧レベル調整手段は、
前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離と、前記信号音の音圧分布を正負対象とするのに必要な前記変調信号の音圧レベルのシフト量との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶部と、
外部より入力された前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離情報を取りこみ、前記テーブルを参照し、前記距離情報に応じた前記変調信号の音圧レベルのシフト量を求め、該シフト量を出力するシフト量選択部と、
前記シフト量選択部から入力されたシフト量だけ前記変調信号の音圧レベルをシフトし、出力する音圧レベル調整部と、
を有することを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の超音波スピーカ。
【請求項８】
前記音圧レベル調整手段は、前記変調信号の音圧レベル予め正方向にシフトするようにシフト量が固定的に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波に対する媒質（空気）の非線形性を用いて可聴周波数帯の信号音を再生させる超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超音波に対する媒質（空気）の非線形性を利用した超音波スピーカが、通常のスピーカに比べてはるかに鋭い指向性を持つ可聴周波数帯の信号を再生し得ることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
従来の超音波スピーカの構成を図７に示す。超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号を生成する可聴周波数波発振源１０と、キャリア波を生成するキャリア波発振源１２と、変調器１４と、パワーアンプ１６と、超音波トランスデューサ１８とを有している。
【０００３】
上記構成において、可聴周波数波発振源１０より出力される信号波によってキャリア波発振源１２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器１４により変調し、パワーアンプ１６で増幅した変調信号により超音波トランスデューサ１８を駆動する。この結果、上記変調信号が超音波トランスデューサ１８により有限振幅レベルの音波に変換され、この音波は媒質中（空気中）に放射されて媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音が再生されるようになっている。
この場合、可聴周波数帯の再生信号の再生範囲は、超音波トランスデューサ１８から放出軸方向へのビーム状の範囲となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５８−１１９２９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の超音波スピーカでは、再生される可聴周波数帯の信号音では、非線形性の特徴故に音圧分布が正負対称とならずに負音圧側に偏る傾向があり、通常の可聴域周波数の信号音と比較して聴取者にとって違和感を伴う音として認識されるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、聴取者にとって違和感を伴わない音の再生を可能とする超音波スピーカ及び超音波スピーカの信号音再生方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のポイントは、聴取者にとって違和感を伴う再生音の音圧分布が負音圧側に偏っている現象を改善する為に、超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサから放射する信号をあらかじめ一定の規則により修正しておく点にある。こうすることにより、聴取者が聞く再生音の音圧分布を正負対称とすることが可能であり、聴取者は通常の可聴周波数帯の再生信号として聴取することができる。通常の可聴周波数帯の再生信号なので、聴取に際して違和感を伴うこともなくなり、超音波スピーカから出力される再生音の品質の向上が図れる。
【０００８】
すなわち、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサを駆動することにより可聴波周波数帯の信号音を再生させる超音波スピーカの信号音再生方法であって、前記信号音の音圧分布が正負対象となるように前記超音波トランスデューサに印加される変調信号の音圧レベルをシフトすることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波スピーカの信号音再生方法において、前記変調信号の音圧レベルを予め正方向にシフトすることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の超音波スピーカの信号音再生方法において、前記変調信号の音圧レベルのシフト量を前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離に応じて調整することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の超音波スピーカの信号音再生方法において、前記変調信号の音圧レベルのシフト量を前記超音波トランスデューサの音波放射面から再生地点までの距離に無関係に固定値とすることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有し、可聴波周波数帯の信号音である再生信号を出力する超音波スピーカであって、前記信号音の音圧分布が正負対象となるように前記超音波トランスデューサに印加される変調信号の音圧レベルをシフトする音圧レベル調整手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の超音波スピーカにおいて、前記音圧レベル調整手段は、前記変調波の音圧レベルのシフト量を前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離に応じて調整可能としたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５または６のいずれかに記載の超音波スピーカにおいて、前記音圧レベル調整手段は、前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離と、前記信号音の音圧分布を正負対象とするのに必要な前記変調信号の音圧レベルのシフト量との関係を示すテーブルが予め記憶されている記憶部と、外部より入力された前記超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離情報を取り込み、前記テーブルを参照し、前記距離情報に応じた前記変調信号の音圧レベルのシフト量を求め、該シフト量を出力するシフト量選択部と、前記シフト量選択部から入力されたシフト量だけ前記変調信号の音圧レベルをシフトし、出力する音圧レベル調整部とを有することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の超音波スピーカにおいて、前記音圧レベル調整手段は、前記変調信号の音圧レベルを予め正方向にシフトするようにシフト量が固定的に設定されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を図１に示す。同図において、超音波スピーカは可聴周波数波発振源１０と、キャリア波発振源１２と、変調器１４と、音圧レベル調整器２０と、パワーアンプ１６と、超音波トランスデューサ１８とを有している。
【００１７】
可聴周波数波発振源１０は可聴周波数帯の信号波を生成する機能を有する。
キャリア波発振源１２は、超音波周波数帯の周波数のキャリア波を生成し、変調器１４に供給する機能を有する。
変調器１４は、それぞれ、キャリア波発振源１２から出力されるキャリア波を可聴周波数波発振源１０から出力される信号波でＡＭ変調し、変調信号を出力する機能を有する。
なお、可聴周波数波発振源１０は本発明の信号源に、キャリア波発振源１２は本発明のキャリア波供給手段に、変調器１４は本発明の変調手段に、それぞれ相当する。
【００１８】
音圧レベル調整器２０は、前記信号音の音圧分布が正負対象となるように前記超音波トランスデューサに印加される変調信号の音圧レベルをシフトする機能を有する。具体的には、超音波トランスデューサ１８から放射する音響信号に対する修正は、媒質の非線形性の特徴故に信号音（再生信号）の音圧分布が正負対称とならずに負音圧部分に偏る傾向に対応する為に、予め変調信号全体を正音圧側にシフトするように調整する。すなわち、音圧レベル調整器２０は、超音波トランスデューサ１８から放射された音波が媒質中を伝播するに伴い負音圧側に偏った結果が正負対称となるようにシフト量を調節することになる。
【００１９】
但し、非線形性の伝播では、信号音の再生位置、すなわち聴取する位置（超音波トランスデューサーからの距離）によって、可聴周波数帯の再生信号の音圧は異なる。したがって、信号音の音圧分布を確実に正負対称となるようにするためには、超音波トランスデューサ１８に印加される変調器１４から出力される変調信号の音圧レベルのシフト量を超音波トランスデューサ１８の音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離に応じて調整する必要がある。但し、ある程度の距離以降は再生信号音圧は一定と考えてよく、確実な対称性がなくても聴取者が感じる違和感は、従来の超音波スピーカーの再生音と比べて遥かに小さいものである。
【００２０】
次に、音圧レベル調整器２０の具体的構成の一例を図２に示す。同図において音圧レベル調整器２０は、記憶部２０１と、シフト量選択部２０２と、音圧レベル調整部２０３とを有している。
記憶部２０１には、超音波トランスデューサ１８の音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離と、前記信号音の音圧分布を正負対象とするのに必要な変調信号（変調器１４の出力信号）の音圧レベルのシフト量との関係を示すテーブルが予め記憶されている。
【００２１】
シフト量選択部２０２は、操作手段等により外部から入力された超音波トランスデューサ１８の音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離情報を取り込み、前記テーブルを参照し、前記距離情報に応じた前記変調信号の音圧レベルのシフト量を求め、該シフト量を出力する機能を有している。
音圧レベル調整部２０３は、シフト量選択部２０２から入力されたシフト量だけ前記変調信号の音圧レベルをシフトし、出力する機能を有している。
音圧レベル調整器２０は、本発明の音圧レベル調整手段に相当する。
【００２２】
パワーアンプ１６は、音圧レベル調整器より出力される変調信号を電力増幅し、超音波トランスデューサ１８に出力する。
超音波トランスデューサ１８は、パワーアンプ１６より出力される変調信号により駆動され、該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射し、可聴周波数帯の信号音（再生信号）を再生する機能を有する。この超音波トランスデューサ１８は、例えば、広周波数帯域の音響信号を発振できる静電型トランスデューサが使用される。
なお、本発明は共振型の狭周波数帯域の音響信号を発振する超音波トランスデューサにも適用可能であり、適用対象となる超音波トランスデューサとしては広周波数帯域発振型であると、狭周波数帯域型であるとは問わない。
【００２３】
超音波トランスデューサ１８の具体的構成の一例を図３に示す。図３に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）等の誘電体３１（絶縁体）を用いている。誘電体３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極３３が誘電体３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極３３は、リード５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板３５に固定されている。
【００２４】
また、上電極３２は、リード５３が接続されており、このリード５３は直流バイアス電源５０に接続されている。この直流バイアス電源５０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。５１は交流信号源であり、図１におけるパワーアンプ１６の出力（ＡＣ５０〜１５０Ｖｐ−ｐ）に相当する。
誘電体３１および上電極３２ならびベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられてる。
【００２５】
下電極３３の誘電体３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極３３の表面を手作業でヤスリで荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、超音波トランスデューサの周波数特性が図４において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。
【００２６】
上記構成の超音波トランスデューサ１８では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３１と下電極３３との間に変調信号（パワーアンプ１６の出力）が印加されるようになっている。因みに、図４に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０ｋＨｚであり、中心周波数に対して±５ｋＨｚで最大音圧に対して−３０ｄＢである。これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０ｋＨｚから１００ｋＨｚ付近まで平坦で、１００ｋＨｚで最大音圧に比して±６ｄＢ程度である。
【００２７】
上記構成からなる本発明の実施形態に係る超音波スピーカの動作について説明する。可聴周波数波発振源１０は可聴周波数帯の信号波を生成し、変調器１４に出力する。
キャリア波発振源１２は、超音波周波数帯の周波数のキャリア波を生成し、変調器１４に供給する。
変調器１４では、キャリア波発信源１２から出力されたキャリア波を可聴周波数波発振源１０より出力された信号波でＡＭ変調し、該変調信号を音圧レベル調整器２０に出力する。
【００２８】
一方、音圧レベル調整器において、シフト量選択部２０２では、操作手段等により入力された超音波トランスデューサ１８の音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離情報を取り込み、記憶部２０１に記憶されている前記テーブルを参照し、前記距離情報に応じた変調信号の音圧レベルのシフト量を求め、該シフト量を音量レベル調整部２０３に出力する。
音圧レベル調整部２０３は、シフト量選択部２０２から入力されたシフト量だけ変調器１４から入力された変調信号の音圧レベルを正方向にシフトし、パワーアンプ１６に出力する。
パワーアンプ１６により増幅された変調信号は、超音波トランスデューサ１８の上電極３２と下電極３３との間に印加され、該変調信号は、有限振幅レベルの音波（音響信号）に変換され、媒質（空気中）に放射される。
【００２９】
ここで、媒質（空気）の非線形効果について簡単に述べておくと、超音波トランスデューサにより媒質中（空気中）に放射された超音波の伝播において、その伝播に伴い音圧の高い部分では音速が高くなり、音圧の低い部分では音速は遅くなる。この結果、波形の歪みが発生することが知られている。放射する超音波帯域の信号（キャリア波と呼ぶ）を可聴周波数帯の信号で変調（ＡＭ変調）しておいた場合には、上記波形歪みの結果により、変調時に用いた可聴周波数帯の信号波が自己復調する形で形成されてくることも知られている。その際、再生信号の広がりは超音波の特性からビーム状となり、通常のスピーカとは全く異なる特定方向のみに音が再生される。
【００３０】
次に、本発明の実施形態に係る超音波スピーカの効果について図５及び図６を参照して説明する。
図５は、従来の超音波スピーカ（図７）の特性を、図６は、本発明に係る超音波スピーカ（図１）の特性をそれぞれ、示している。図５及び図６は、いずれもキャリア波の周波数が４０ｋＨｚ，可聴周波数帯の信号波の周波数が２ｋＨｚとした場合の変調波（図５（ａ），図６（ａ））、伝播波（図５（ｂ），図６（ｂ））及び再生信号（図５（ｃ），図６（ｃ））の各波形を示している。
【００３１】
これらの図から明らかなように、従来の超音波スピーカでは、変調信号の音圧レベルを調整していないために、再生信号の音圧レベル分布は図５（ｃ）に示すように負音圧側に偏っていることが判る。したがって、再生音は、聴取者にとって違和感を伴う音として認識される。
これに対して、本発明に係る超音波スピーカ（図１）では、再生信号の音圧レベルが正負対称となるように、音圧レベル調整器２０により変調器の音圧レベルを予め正音圧側にシフト（図６（ａ）では、例えば、シフト量は変調信号の最大振幅の０．８％）するように調整しているので、再生信号の音圧レベルは図６（ｃ）に示すように正負対称となり、聴取者にとって違和感のない音の再生が可能となる。
【００３２】
なお、本実施形態では、音圧レベル調整器２０は、変調器１４の出力である変調信号の音圧レベルのシフト量を超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生地点までの距離に応じて調整するように構成しているが、既述したように、厳密に正負対称とならない場合でも改善効果があるので、上記変調信号の音圧レベルのシフト量を超音波トランスデューサの音波放射面から再生地点までの距離に無関係に予め正音圧側にシフトするような固定値としてもよい。
【００３３】
本実施形態によれば、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源から出力される信号波によりキャリア波を変調し、該変調信号により広周波数帯域の音響信号を発振できる超音波トランスデューサを駆動することにより可聴波周波数帯の信号音を再生させる超音波スピーカにおいて、信号音の音圧分布が正負対象となるように超音波トランスデューサに印加される変調信号の音圧レベルをシフトするようにしたので、聴取者にとって違和感を伴わない音の再生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した本発明の実施形態に係る超音波スピーカにおける音圧レベル調整器の具体的構成の一例を示すブロック図。
【図３】図１に示した本発明の実施形態に係る超音波スピーカにおける超音波トランスデューサの具体的構成を示す図。
【図４】図３に示した超音波トランスデューサの周波数特性を示す特性図。
【図５】従来の超音波スピーカの特性を示し、変調信号（図５（ａ））、伝搬波（図５（ｂ））、及び再生信号（図５（ｃ））の各波形を示す波形図。
【図６】本発明に係る超音波スピーカの特性を示し、変調信号（図６（ａ））、伝搬波（図６（ｂ）））、及び再生信号（図６（ｃ））の各波形を示す波形図。
【図７】従来の超音波スピーカの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１０…可聴周波数波発振源
１２…キャリア波発振源
１４…変調器
１６…パワーアンプ
１８…超音波トランスデューサ
２０…音圧レベル調整器
【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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