(57)【要約】【課題】超音波を搬送波とした可聴音声を示す変調信号を適切に補正して放射器を動作させる超指向性スピーカ用変調器を得る。【解決手段】振幅変調部２０が音源１から可聴音声信号を入力して超音波の搬送波を当該可聴音声信号により振幅変調し、補正フィルタ８が振幅変調部２０から変調信号を入力して当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを、同じく変調信号に含まれているキャリア周波数の信号レベルに対応させて補正を行って増幅器９へ出力する。【選択図】図１
2007201624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から可聴音声信号を入力し、超音波の搬送波を前記可聴音声信号によって振幅変調して変調信号を生成する振幅変調手段を備え、前記変調信号を増幅手段によって増幅して超音波の放射器を動作させる超指向性スピーカ用変調器において、
前記振幅変調手段から変調信号を入力し当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを補正して前記増幅手段へ出力する補正フィルタを備えたことを特徴とする超指向性スピーカ用変調器。
【請求項２】
補正フィルタは、変調信号に含まれているキャリア周波数の信号レベルに対応させてサイドバンドの信号レベルを補正することを特徴とする請求項１記載の超指向性スピーカ用変調器。
【請求項３】
補正フィルタは、変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを増幅することを特徴とする請求項２記載の超指向性スピーカ用変調器。
【請求項４】
補正フィルタは、変調信号に含まれている超音波帯域の伝送特性が任意に変更／調整されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の超指向性スピーカ用変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可聴音声の超指向性放射を放射器に行わせる超指向性スピーカ用変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超指向性スピーカ用変調器は、変調信号源の生成した音声信号を二重積分器で処理してから係数器で定倍し、加算器を用いて係数器の出力信号と直流源のバイアスとを加算する。平方根変換器を用いて加算器の出力信号に平方根処理を施す。掛算器を用いて平方根変換器の出力信号と超音波帯域発振器の生成した超音波信号とを掛算して振幅変調を行い、変調信号を生成している。この後、当該変調器から出力された変調信号をパワーアンプによって増幅し、増幅した信号を超音波エミッタ即ち超音波の放射器に供給して超音波を発生／放射する。この超音波は、空気中を伝搬するとき非線形相互作用によって可聴音声へ自己復調し、超音波の放射範囲内のみで聴こえる可聴音声が生じる。
二重積分器は、自己復調した可聴音声の音圧が原変調信号の二階微分に比例すること、即ち、可聴音声の音圧レベルが周波数の二乗に比例して上昇することから、このような音圧特性を補正するために用いられている。つまり、予め可聴音声信号を二重積分してから変調信号を生成し、この変調信号の音声再生を行ったとき、その音圧が元の変調信号に比例するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、従来の超指向性スピーカ用変調器の動作を示す説明図である。この図は、従来の超指向性スピーカ用変調器を、増幅器を介して超音波の放射器へ接続して動作させたときの周波数特性を示したものである。図示したグラフの縦軸は相対レベル［ｄＢ］を表し、放射器から空気中へ出力される可聴音声の音圧レベルなどをデシベル表示によって表したものである。また、横軸は対数スケールを用いて表した可聴音声帯域の周波数［Ｈｚ］である。
放射器へ入力する電圧、即ち放射器の端子間電圧を一定として各周波数の信号を再生したとき、前述のように可聴音声の音圧レベルは周波数の二乗に比例して上昇することから、理論上では図示した特性Ａのように出力音声の周波数が高くなるほど例えば＋１２［ｄＢ／ｏｃｔａｖｅ］の増加率で放射器から放射される音圧レベルが上昇する。
【０００４】
また、上記の放射器の動作と同一条件下において、前述の二重積分器を使用して動作させたときには、二重積分器は破線で示した特性Ｂのように周波数が高くなるほど出力信号のレベルが低くなる伝送特性を有しているので、二重積分器を用いた場合には放射器から放射される音圧レベルが周波数によらず一定になる。このように、理論上では図示した特性Ｃのように平坦な音圧レベル／周波数特性を有することになる。
【０００５】
図５は、超指向性スピーカの超音波帯域の周波数特性を示す説明図である。図５に示したグラフの縦軸は相対レベル［ｄＢ］を表し、放射器から空気中へ放射される超音波の音圧レベルをデシベル表示によって表したものである。また、横軸は対数スケールを用いて表した超音波の周波数［Ｈｚ］である。以下、説明を付記したものを除いて音圧レベル／周波数特性を周波数特性と記載する。
上記の超指向性スピーカ、詳しくは超音波の放射器は、超音波振動子によって超音波を発生させていることから、超音波帯域において、図５に示した破線Ｆのような平坦な周波数特性を有さず、実際には特性Ｇのような狭帯域においてピークが生じる周波数特性を有している。放射器を駆動する変調器は、放射器の特性Ｇのピーク周波数をキャリア周波数として使用して超音波の発生効率を高め、放射された超音波が自己復調したとき高い音圧の可聴音声が得られるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−５８７５８号公報（第２，３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の超指向性スピーカ用変調器は以上のように構成されており、当該変調器に増幅器を介して接続されている放射器は、超音波帯域の周波数特性として図５に示した特性Ｇのようにピーク周波数即ち共振周波数を有している。また、可聴音声帯域の周波数特性は、実際には図４に示した特性Ｄのようになり、可聴音声帯域の低域から中域にかけて前述の＋１２［ｄＢ／ｏｃｔａｖｅ］の割合で音圧レベルが増加せず、或る周波数以上の中高域では上記の低域よりも緩く増加し、増加率が急激に小さくなって概ね一定あるいは微細な減少になる。従って二重積分器を用いて周波数特性を補正した場合には、放射される可聴音声帯域の周波数特性は図４の特性Ｅのようになり、可聴音声帯域の低域は強調されるが中高域では音圧が不足してしまい、可聴音声帯域の周波数特性を適切に補正することが難しいという課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、超音波を搬送波とした可聴音声を示す変調信号を適切に補正して放射器を動作させる超指向性スピーカ用変調器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る超指向性スピーカ用変調器は、振幅変調手段から変調信号を入力し当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを補正して増幅手段へ出力する補正フィルタを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、振幅変調手段から変調信号を入力し当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを補正フィルタにより補正するようにしたので、超音波から自己復調する可聴音声の音圧レベルを高め、聴取者が良好に聴取できる可聴音声を超指向性放射することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の概略構成を示すブロック図である。図示した超指向性スピーカ用変調器は、可聴音声信号を生成する音源１、音源１から可聴音声信号を入力する係数器２、可聴音声信号に加えるバイアス量を示す信号を発生する直流源３、係数器２から出力された可聴音声信号に直流源３からのバイアス量を加算する加算器４、加算器４の出力信号に平方根処理を施す平方根変換器５、搬送波として用いる超音波を示す信号を発生する超音波帯域発振器６、平方根変換器５の出力信号と超音波帯域発振器６の出力信号とを乗算する乗算器７、乗算器７の出力信号が示す音声レベルを補正する補正フィルタ８を備える。なお、上記の係数器２、直流源３、加算器４、平方根変換器５、超音波帯域発振器６、及び、乗算器７によって、可聴音声信号を用いた振幅変調を行う振幅変調部２０が構成されている。また、この発明のパラメトリックスピーカ用変換器は、例えば上記の振幅変調部２０と補正フィルタ８によって構成されている。補正フィルタ８の出力信号は、増幅器９へ入力され、増幅器９の出力信号は放射器１０へ入力されるように接続されている。
【００１２】
補正フィルタ８は、任意の周波数特性を容易に設定することが可能な例えばデジタルフィルタである。なお、補正フィルタ８は、超音波帯域を示す信号を取り扱うことから２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の周波数に作用することができるもので、デジタルフィルタとして動作するソフトウエアを備えたパソコンやＤＳＰ搭載のボードなど、どのような形態のものでもよい。また、上記のデジタルフィルタと同様な特性を有するアナログフィルタによって構成してもよい。
放射器１０は、例えば多数の圧電セラミック素子を振動子として備えたパラメトリックスピーカで、入力した変調信号に応じて上記の各圧電セラミック素子を振動させて超音波を発生する超音波の放射器である。
【００１３】
次に動作について説明する。
図１に示した変調器は、例えば次のように動作する。係数器２は、音源１の発生した可聴音声信号ｖ（ｔ）を入力して、この信号に変調の度合いとして予め設定されている係数ｍを乗算する。加算器４は、直流源３が発生した信号の示すバイアス量、例えばバイアス値１を係数器２の出力信号ｍ・ｖ（ｔ）へ加算する。平方根変換器５は、加算器４の出力信号１＋ｍ・ｖ（ｔ）を平方根処理し、｛１＋ｍ・ｖ（ｔ）｝1/2を求める。乗算器７は、超音波帯域発振器６の生成した超音波を示す信号に平方根変換器５の出力信号｛１＋ｍ・ｖ（ｔ）｝1/2を乗算処理して変調信号を生成する。
【００１４】
このようにして音源１が発生させた可聴音声信号ｖ（ｔ）の振幅変調を行い、空気中へ放射したとき超音波から可聴音声へ自己復調する、即ち超音波を搬送波とした可聴音声を表す変調信号を生成する。この変調信号は補正フィルタ８へ入力され、信号レベルが後述するように補正される。
増幅器９は、補正フィルタ８によってレベル補正が成された変調信号を入力し、放射器１０を駆動することができる電力レベルへ増幅する。放射器１０は、増幅器９によって増幅された変調信号に応じて超音波を発生させ、空気中へ放射する。
【００１５】
一般に振幅変調を行うと、キャリア周波数と共に当該キャリア周波数の周辺の周波数帯域、即ちサイドバンドが生じる。この発明の超指向性スピーカ用変調器の変調動作でもサイドバンドが生じ、生成した変調信号にはサイドバンドの周波数成分が含まれている。
ここで説明している変調器は、搬送波の超音波を可聴音声信号で振幅変調しており、このような変調処理を行うと、搬送波の周波数即ちキャリア周波数を中心として、その上下両側にサイドバンドが生じる。通常の振幅変調では、例えばキャリア周波数が３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚのいずれかであれば、サイドバンドは当該キャリア周波数に対して±２０ｋＨｚ程度の範囲となる。
【００１６】
サイドバンドの信号レベルは、キャリア周波数の超音波を振幅変調している可聴音声信号のレベルに影響を与える。換言すると、キャリア周波数の成分とサイドバンドの成分の相互作用によって超音波が可聴音声へ自己復調することから、振幅変調した変調信号に基づいて超音波を放射器１０から放射したとき、当該変調信号に含まれているサイドバンドの成分が復調した可聴音声の音圧レベルに影響する。
サイドバンドの信号レベルがキャリア周波数の信号レベルの半分、即ちキャリア周波数の信号レベルに対してサイドバンドの信号レベルが−６［ｄＢ］になると、変調率が１００％となって最適な変調信号が得られる。変調する可聴音声信号のレベルが低くなると、サイドバンドの信号レベルは−６［ｄＢ］以下になって変調率が低下する。また、上記の可聴音声信号のレベルが高い場合には、サイドバンドの信号レベルが−６［ｄＢ］以上になり、変調率が１００％を超える状態になる。このように変調率が１００％を超えると、可聴音声に歪成分が多くなって好ましくない。
ただし、上記のように変調率が１００％となるようにキャリア周波数成分とサイドバンド成分とを調整して変調信号を生成し放射器１０へ供給しても、後述するような放射器１０の周波数特性によって、放射された超音波が良好に聴こえる可聴音声に復調するとは限らない。
【００１７】
図２は、実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の補正フィルタの伝送特性を示す説明図である。この図は、図１に示した補正フィルタ８の伝送特性、即ち入力信号に対する出力信号の相対レベルの周波数特性を示したもので、図示した縦軸は相対レベル［ｄＢ］、横軸は対数スケールを用いて示した周波数［Ｈｚ］である。
放射器１０の周波数特性において共振峰が生じる周波数、即ち放射器１０の共振周波数を例えばｆｐとして図２に示す。なお、図２に示した特性Ｇは放射器１０から放射される超音波の実際の音圧レベルを表しているとは限らない。また、上記の共振周波数ｆｐは、超音波帯域発振器６が発生する超音波帯域のキャリア周波数である。
【００１８】
放射器１０は、前述のように圧電セラミック素子を備えて超音波を発生している。圧電セラミック素子のような機械共振系の振動子は、固有の共振周波数において単一共振峰が生じる周波数特性を有する。そのため、多数の圧電セラミック素子によって構成されているパラメトリックスピーカの周波数特性から上記の共振峰を除くことは困難である。
放射器１０は、超音波を発生するとき図２などに示した特性Ｇのように狭帯域のバンドパスフィルタのような周波数特性を有しており、共振周波数ｆｐをキャリア周波数として用いた場合には、上記の共振周波数ｆｐのレベルを０［ｄＢ］としたときサイドバンドのレベルが−６［ｄＢ］以下になる。そのため、変調率も１００％以下となって自己復調した可聴音声の音圧レベルも小さくなる。
【００１９】
前述のような放射器１０の周波数特性を補うため、補正フィルタ８は図２の特性Ｈのような伝送特性を備えている。補正フィルタ８の伝送特性は、共振周波数ｆｐにおいて例えば入力信号と出力信号の相対レベルが０［ｄＢ］の信号を出力し、共振周波数ｆｐ即ちキャリア周波数の上下両側の周辺周波数帯域の信号レベルを当該キャリア周波数の信号レベルよりも大きく増幅するものである。即ち、キャリア周波数についてレベル補正を行わず、また、サイドバンドの信号レベルを上昇させて、ピーク値となっているキャリア周波数の信号レベルに対してサイドバンドの信号レベルを、好ましくは−６［ｄＢ］となるように補正して、例えば前述の変調率を１００％へ近付けるように調整する。なお、振幅変調部２０の生成した変調信号の変調率が１００％に満たない場合等には、補正フィルタ８がキャリア周波数の信号レベルを増幅すると共に、上記のように増幅したキャリア周波数の信号レベルに対してサイドバンドの信号レベルが−６［ｄＢ］となるように増幅する。
【００２０】
図３は、実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の周波数特性を示す説明図である。この図は、縦軸が相対レベル［ｄＢ］、横軸が対数スケールを用いて示した周波数［Ｈｚ］である。図３に破線で示した特性Ｇは、図５に示した特性Ｇと同様なもので、補正フィルタ８を用いることなく振幅変調部２０の生成した変調信号を増幅器９で増幅し、この信号を放射器１０によって超音波に変換したときの周波数特性である。図３に破線で示した特性Ｄは、放射器１０から放射された超音波が特性Ｇのような場合に、空気中で自己復調した可聴音声の周波数特性で、図４に示した特性Ｄと同様なものである。
【００２１】
図２の特性Ｈのような伝送特性を有する補正フィルタ８を介した変調信号を、増幅器９によって増幅し放射器１０を駆動して超音波を発生させると、そのとき発生する超音波帯域の周波数特性は図３に示した特性Ｋのようになる。特性Ｋは、図３に示した特性Ｇと比較するとピーク値は同等であるが、ピーク値が得られるキャリア周波数の上下両側の周辺周波数、即ちサイドバンドの信号レベルが高められている。このような超音波帯域の周波数特性が得られるとき、当該超音波から自己復調する可聴音声の周波数特性は、図３の特性Ｌのようになる。このように、サイドバンドの成分が大きくなると復調作用も強くなって可聴音声の音圧レベルも高くなる。また、特性Ｄと特性Ｌとを比較すると、特性Ｌのほうが可聴音声帯域の音圧レベルが総じて高くなり、高音域を損ねることなく低音域の音圧レベルが高くなっていることから、良好に聴こえる可聴音声を超指向性放射することができる。
【００２２】
ここでは、図２に示した特性Ｈのような伝送特性を有する補正フィルタ８を例示して説明したが、補正フィルタ８の伝送特性は上記のものに限定されず、放射器１０の周波数特性に適合するように、また、可聴音声を所望の音質とするように当該伝送特性を設定して補正フィルタ８を構成してもよい。このように補正フィルタ８は、伝送特性を容易に設定することができるデジタルフィルタが適しており、放射器１０の放射した超音波から自己復調する可聴音声帯域の周波数特性を精度良く補正することができる。また、補正フィルタ８の伝送特性を設定するときのパラメータとして、例えばキャリア周波数より低い周波数帯域のサイドバンドとキャリア周波数より高い周波数帯域のサイドバンドとを定めて、これらのサイドバンドを個別にレベル補正するように補正フィルタ８を構成してもよい。また、このように構成したとき、上記の低い周波数帯域のサイドバンドあるいは高い周波数帯域のサイドバンドのいずれか一方だけをレベル補正する、またさらに補正するレベルを調整する機能を有するように構成し、任意の伝送特性を有するように設定の変更／調整が可能なようにしてもよい。
【００２３】
以上のように実施の形態１によれば、振幅変調部２０が生成した変調信号を入力し、当該信号に含まれているキャリア周波数の信号レベルに対するサイドバンドの信号レベルを、放射器１０が超音波を発生するときの周波数特性に応じて補正する補正フィルタ８を備えたので、放射器１０の放射した超音波から自己復調する可聴音声帯域の周波数特性を変化させて当該可聴音声の音圧レベルを適切に高め、聴取者が良好に聴取できる可聴音声を超指向性放射することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の補正フィルタの伝送特性を示す説明図である。
【図３】実施の形態１による超指向性スピーカ用変調器の周波数特性を示す説明図である。
【図４】従来の超指向性スピーカ用変調器の動作を示す説明図である。
【図５】超指向性スピーカの超音波帯域の周波数特性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  音源、２  係数器、３  直流源、４  加算器、５  平方根変換器、６  超音波帯域発振器、７  乗算器、８  補正フィルタ、９  増幅器、１０  放射器、２０  振幅変調部。
【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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