(57)【要約】【課題】再生音を話者が確認することのできる指向性拡声器を提供する。【解決手段】話者の音声を電気信号に変換するマイク２と、超音波周波数帯域の搬送波を生成する搬送波発振器１０と、上記搬送波をマイク２から出力される可聴周波数帯域の音声信号で変調する変調器１２と、該変調器１２から出力される変調信号により駆動され、信号音を再生する超音波トランスデューサ１５とを有する指向性拡声器において、変調器１２から出力される変調信号から復調音の波形及びレベルを推定する復調音推定器１６と、復調音推定器１６から出力される復調音推定波形をフィルタリングし、可聴周波数帯域成分の信号のみを通過させるフィルタ１７と、フィルタ１７の出力を増幅する増幅器１８と、増幅器１８の出力を小音量で再生するラウドスピーカ１９とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される話者の音声を電気信号に変換し、該変換された音声信号で超音波周波数帯域の搬送波を変調し、該変調信号で超音波トランスデューサを駆動し、信号音を再生する指向性拡声器において、
指向性を伴って再生される音声の波形及びレベルを推定して、該推定した音声を話者に対して再生する手段を別途有することを特徴とする指向性拡声器。
【請求項２】
話者の音声を電気信号に変換する音声入力手段と、超音波周波数帯域の搬送波を生成する搬送波生成手段と、該搬送波生成手段から出力される超音波周波数帯域の搬送波を前記入力手段から出力される可聴周波数帯域の音声信号で変調する変調手段と、該変調手段から出力される変調信号により駆動され、信号音を再生する超音波トランスデューサとを有する指向性拡声器において、
前記変調手段から出力される変調信号から復調音の波形及びレベルを推定する復調音推定手段と、
前記復調音推定手段から出力される復調音推定波形をフィルタリングし、可聴周波数帯域成分の信号のみを通過させるフィルタと、
前記フィルタの出力を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力を小音量で再生するラウドスピーカと、
を有することを特徴とする指向性拡声器。
【請求項３】
前記音声入力手段と前記変調手段との間に超音波トランスデューサにより再生される復調音の周波数特性を均等化させるための、周波数が高域になるにつれて入力信号の減衰量が大きくなる周波数特性を有する均等化フィルタを挿入したことを特徴とする請求項２に記載の指向性拡声器。
【請求項４】
前記超音波トランスデューサは、静電型超音波トランスデューサであることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の指向性拡声器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指向性の非常に高い音を再生することができる拡声器に関する。        
【背景技術】
【０００２】
情報機器の発達と普及により、現代社会、特に公共空間は、様々な情報機器の発する種々雑多な音で氾濫している。しかし、不要な音声やアナウンスは、それを必要としない個人にとっては、混乱の元となったり、不快感を与えるなど、大きなストレスの原因となる。このような状況に対し、特に公共空間においては、周囲に対する雑音を減らす等、音環境をより改善したいという要求が最近高まっている。
【０００３】
これに対して、高い指向性を有する音を再生できる拡声装置がある（特許文献１参照）。この拡声装置では、マイク、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）及びパラメトリックスピーカ（超音波スピーカ）を備えており、パラメトリックスピーカで再生された指向性の高い音波の壁面反射音によるハウリングを抑えることを目的とした構成が示されている。
【０００４】
このような超指向性スピーカを、メガホンタイプの指向性拡声器として使用すれば、必要な個人にのみ音声メッセージや指示を伝えることができる。  
【０００５】
また、非常に指向性が高いので、あまり減衰せずに遠くまで音声を届けることができるという特長があり、拡声装置としては都合が良い。さらに、従来の一般的なホーンを用いたラウドスピーカタイプの拡声装置のように、反射音によって聞きづらくなったり、ハウリングが発生したりするような現象が起きにくいという特長もある。
【特許文献１】特開２００５−３０３５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献1に記載されているような超指向性拡声装置では、再生音の指向性が非常に高いので、特にメガホンタイプのような拡声器として構成する場合には、話している本人（話者）には再生音が聞こえない。このため、正しく音声が出力（提供）できているかどうか、話者には分からないという問題がある。
【０００７】
特許文献1に記載されているようなパラメトリックアレイ現象を利用した超指向性スピーカでは、通常のラウドスピーカと比較して、再生音（復調音）が歪み易い。よって、話者が気付かないまま非常に歪みの大きい音を出してしまう恐れがある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、再生音を話者が確認することのできる指向性拡声器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の指向性拡声器は、入力される話者の音声を電気信号に変換し、該変換された音声信号で超音波周波数帯域の搬送波を変調し、該変調信号で超音波トランスデューサを駆動し、信号音を再生する指向性拡声器において、指向性を伴って再生される音声の波形及びレベルを推定して、該推定した音声を話者に対して再生する手段を別途有することを特徴とする。
【００１０】
上記構成からなる指向性拡声器では、入力される話者の音声が電気信号に変換され、該変換された音声信号で超音波周波数帯域の搬送波が変調され、該変調信号で超音波トランスデューサが駆動され、指向性の高い信号音が再生される。
【００１１】
同時に、この再生音の波形とレベルを推定して、別途話者に対して再生することにより、指向性を伴って再生される音声（自己復調音）に相当する音声を、話者自身が確認することができる。
【００１２】
したがって、話者が話しているそのままの状態で、再生音を話者自身が確認することができるので、話者が気付かないまま非常に大きい音、もしくは歪みの大きい音を出力させてしまうことがない。また、音質調整も容易になる。
【００１３】
また、本発明の指向性拡声器は、話者の音声を電気信号に変換する音声入力手段と、超音波周波数帯域の搬送波を生成する搬送波生成手段と、該搬送波生成手段から出力される超音波周波数帯域の搬送波を前記入力手段から出力される可聴周波数帯域の音声信号で変調する変調手段と、該変調手段から出力される変調信号により駆動され、信号音を再生する超音波トランスデューサとを有する指向性拡声器において、前記変調手段から出力される変調信号から復調音の波形及びレベルを推定する復調音推定手段と、前記復調音推定手段から出力される復調音推定波形をフィルタリングし、可聴周波数帯域成分の信号のみを通過させるフィルタと、前記フィルタの出力を増幅する増幅器と、前記増幅器の出力を小音量で再生するラウドスピーカとを有することを特徴とする。
【００１４】
上記構成からなる本発明の指向性拡声器では、音声入力手段により話者の音声が電気信号に変換され、変調手段により、搬送波生成手段から出力される超音波周波数帯域の搬送波が前記入力手段から出力される可聴周波数帯域の音声信号で変調されるとともに、超音波トランスデューサが前記変調信号により駆動され、信号音が再生される。これと同時に復調音推定手段により前記変調信号から復調音の波形とそのレベルが推定され、前記復調音推定手段から出力される復調音推定波形がフィルタによりフィルタリングされ、可聴周波数帯域成分の信号のみが増幅器に出力され、ラウドスピーカにより増幅器の出力が小音量で再生され、話者によりモニタされる。したがって、復調音推定器によって、復調後の歪み分を加味した上で、ラウドスピーカで可聴音として別途再生（モニタ）することによって、再生される超指向性音の歪み具合や大きさを話者自身が容易に確認、調整することができる。
【００１５】
また、本発明の指向性拡声器は、前記音声入力手段と前記変調手段との間に超音波トランスデューサにより再生される復調音の周波数特性を均等化させるための、周波数が高域になるにつれて入力信号の減衰量が大きくなる周波数特性を有する均等化フィルタを挿入したことを特徴とする。
【００１６】
上記構成からなる本発明の指向性拡声器では、超音波スピーカで再生される復調音の周波数特性が、原理上、周波数が高くなるほど復調効率が高くなるので、音声入力手段より出力される音声信号に対し復調音の周波数特性が高域になるにつれて減衰量が大きくなる特性を有する均等化フィルタを介して音声信号を変調器に出力することで、復調音の周波数特性が均等化される。したがって、復調音の音質の向上が図れる。
【００１７】
また、本発明の指向性拡声器は、前記超音波トランスデューサは、静電型超音波トランスデューサであることを特徴とする。
【００１８】
上記構成からなる本発明の指向性拡声器では、静電型超音波トランスデューサを用いることによって、超音波周波数帯域から可聴周波数帯域までの広い周波数帯域にわたって高い音圧を発生させることができるため、復調音の音質の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。本発明の指向性拡声器は、入力される話者の音声を電気信号に変換し、該変換された音声信号で超音波周波数帯域の搬送波を変調し、該変調信号で超音波トランスデューサを駆動し、指向性の高い信号音を再生する指向性拡声器において、指向性を伴って再生される音声の波形及びレベルを推定して、該推定した音声を話者に対して再生する機能、つまり再生音をモニタする機能を内蔵したことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の実施形態に係る指向性拡声器の構成を図１に示す。同図において、本発明の実施形態に係る指向性拡声器は、マイク２と、プリアンプ４と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）６と、均等化フィルタ８と、搬送波発振器１０と、  変調器１２と、アンプ１４と、超音波トランスデューサ１５と、復調音推定器１６と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）１７と、アンプ１８と、ラウドスピーカ１９とを有している。
【００２１】
マイク２にはマウスフード２Ａが装着されている。このマウスフードは、話者が話す際に、口を近接させることで、ラウドスピーカ１９から再生されるモニタ音がマイクに入るのを防ぎ、ハウリングを防止するためのものである。
【００２２】
ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）６は、プリアンプ４の出力信号をフィルタリングし、可聴周波数帯域成分のみ通過させる機能を有している。
【００２３】
均等化フィルタ８は、復調音の周波数特性を均等化（平坦）にするためのフィルタである。パラメトリックアレイ現象では、原理上、周波数が高い音ほど復調効率が高くなる特性を示すので、例えば、高域になるにつれて減衰量が大きくなるローパスフィルタ的な周波数特性を有するフィルタとして構成することができる。
【００２４】
搬送波発振器１０は、超音波周波数帯域の搬送波を生成し、出力する機能を有している。変調器１２は、搬送波発振器１０から出力される搬送波を、ローパスフィルタ６を通過した後の音声信号で変調し、変調信号を出力する。アンプ１４（超音波トランスデューサ用）は変調器１２から出力される変調信号を所定のレベルまで電力増幅する。
【００２５】
超音波トランスデューサ１５は、変調信号により駆動され、超音波周波数帯域の変調波を高音圧で出力する。
【００２６】
また、復調音推定器１６は、超音波トランスデューサ１５を駆動する駆動信号（変調信号）から、復調歪みを含んだ復調音波形を推定する機能を有している。
【００２７】
ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）１７は、復調音推定器１６から出力される推定復調音波形をフィルタリングし、可聴周波数帯域成分のみ通過させる機能を有している。アンプ１８（ラウドスピーカ用）はローパスフィルタ１７を通過後の推定復調音声信号を所定レベルまで増幅する。ラウドスピーカ１９は、アンプ１８で増幅された推定復調音声を小音量で再生する。
【００２８】
なお、マイク２は本発明の音声入力手段に、搬送波発振器１０は本発明の搬送波生成手段に、変調器１２は本発明の変調手段に、復調音推定器１６は本発明の復調音推定手段に、ローパスフィルタ１７は本発明のフィルタに、それぞれ相当する。
【００２９】
上記構成において、話者がマウスフードに口を接近させてマイク２により発声すると、その音声は、マイク２により音声信号（電気信号）に変換され、その音声信号はプリアンプ４により増幅され、ローパスフィルタ６に入力される。ローパスフィルタ６では、プリアンプ４の出力信号をフィルタリングし、可聴周波数帯域成分のみ通過させ、均等化フィルタ８に出力する。均等化フィルタ８は、例えば、周波数が高くなる程、減衰量が大きくなるような通過特性を有し、超音波トランスデューサ１５から再生される復調音の周波数特性が平坦になるように、入力された音声信号に対してフィルタリング処理を行った後、変調器１２に出力する。
【００３０】
変調器１２では、搬送波発振器１０から出力された超音波周波数帯域の搬送波を、均等化フィルタ８を介して出力される可聴周波数帯域の音声信号で変調し、その変調信号をアンプ１４に出力する。アンプ１４で所定のレベルまで電力増幅された変調信号は、超音波トランスデューサ１５及び復調音推定器１６に出力される。
【００３１】
超音波トランスデューサ１５は、上記変調信号により駆動され、信号音を再生する。
【００３２】
これと同時に、復調音推定器１６は、超音波トランスデューサ１５を駆動する駆動信号（変調信号）から、空中を伝搬する際に発生する復調歪みを含んだ応答波形（以降、復調音と呼ぶ）を推定し、ローパスフィルタ１７に出力する。
【００３３】
復調音推定器１６は、例えば、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等で構成される。ここでは、アンプ１４から出力される変調波（超音波トランスデューサの駆動信号）を取り込み、変調波形に超音波トランスデューサ１５の応答歪み、音波が空中を伝搬する際の非線形歪みを加え、推定復調音波形としてリアルタイムで出力する。
【００３４】
トランスデューサへの入力信号波形（駆動波形）をｘとすると、遠距離音場における所定時間経過後の応答波形ｙは、次式（１）で近似することができる。
【００３５】
ｙ＝ａ０＋ａ１ｘ＋ａ２ｘ２＋ａ３ｘ３＋ａ４ｘ４＋…      （１）
ここで、ａｎは係数であり、ａ０の項は直流成分（ＤＣオフセット成分）、ａ１ｘの項は無歪み成分、ａｎｘｎの項はｎ次の歪み成分に相当する。
【００３６】
本発明のようなパラメトリックアレイ効果を利用する超指向性スピーカは、超音波搬送波を可聴帯域信号で変調した変調波をトランスデューサから出力し、空中での伝搬歪みを利用して、変調波周波数スペクトルの差音成分を発生させることで、指向性の高い可聴音（自己復調音）を再生させるというものである。この高い指向性を有する可聴音（自己復調音）は、相互変調歪み（混変調歪み）の差分成分の一部に相当する。つまり、変調波形の相互変調歪みの差分成分（変調波周波数スペクトルの差音成分）のうち、可聴周波数帯域に現れてくる成分のことである。
【００３７】
式（１）において、変調波の入力信号ｘに対して、変調波周波数スペクトルの差音成分（相互変調歪みの差分成分）が出力信号ｙに含まれるのは、偶数次の歪み成分が存在する（係数ａ２、ａ３、ａ４、…の値が０でない）場合である。即ち、パラメトリックアレイ効果に起因する自己復調音（歪み成分も含む）の成分に対しては、偶数次の歪み、特に２次の歪み（係数ａ２）成分が支配的に寄与している。
【００３８】
一方、奇数次の歪みは超音波トランスデューサの非線形応答（振幅飽和など）などに起因し、これらは主に高調波歪み成分となる。
【００３９】
以上より、復調音推定器１６の推定特性は、例えば、式（２）のように既述することができる。
【００４０】
ｙ＝ａ０＋ａ１ｘ＋ａ２ｘ２＋ａ３ｘ３＋ａ４ｘ４      （２）
ここで、ａ１＞＞ａ２＞ａ４であり、各係数値については、超音波トランスデューサの仕様や、放射環境条件に応じて設定される。各係数値を調整することで、実際に復調される音声の歪み具合や再生レベル（大きさ）に対して、後述するラウドスピーカ１９で再生される推定復調音声（モニタ音声）の歪み具合や再生レベルが一致するように調整することができる。
【００４１】
復調音推定器１６から出力された復調音推定出力は、ローパスフィルタ１７に入力される。復調音推定器１６からは、大きな超音波（搬送波）周波数成分がそのまま含まれた状態の推定信号が出力されるので、ローパスフィルタ１７によって超音波周波数成分をカットした後、可聴周波数帯域成分のみがアンプ１８を介してラウドスピーカ１９に出力される。ラウドスピーカ１９で推定復調音声が小音量で再生され、話者によりモニタされる。
【００４２】
このように、本発明の実施形態に係る指向性拡声器によれば、復調音推定器１６によって、復調後の歪み分を加味した上で、ラウドスピーカで可聴音として別途再生（モニタ）することによって、再生される超指向性音の歪み具合を話者自身が容易に確認、調整することができる。
【００４３】
また、必要な個人にのみ音声メッセージや指示を伝えることができる。
【００４４】
また、反射音によって聞きづらくなったり、ハウリングが発生したりするような現象が起きにくい。
【００４５】
次に、本発明の実施形態に係る指向性拡声器において超音波トランスデューサとして使用するのに適した静電型超音波トランスデューサの構造の一例を図２に示す。
【００４６】
図２（Ａ）は、静電型超音波トランスデューサ１５の断面を示しており、導電層（振動膜電極）２２１を有する振動膜２２と、該振動膜２２のそれぞれの面に対向して設けられた前面側固定電極２０Ａ及び背面側固定電極２０Ｂからなる一対の固定電極とを有している（前面側固定電極２０Ａ及び背面側固定電極２０Ｂの両方を指す場合は固定電極２０と呼ぶ）。振動膜２２は図２（Ａ）に示すように電極を形成する導電層（振動膜電極）２２１を絶縁膜２２０で挟むように形成してもよいし、振動膜全体を導電性材料で形成するようにしてもよい。
【００４７】
また、振動膜２２を挟持する前面側固定電極２０Ａには複数の貫通孔２４Ａが設けられており、かつ背面側固定電極２０Ｂには前面側固定電極２０Ａに設けた各貫通孔２４Ａに対向する位置に同一形状の貫通孔２４Ｂが設けられている（貫通孔２４Ａ及び貫通孔２４Ｂの両方を指す場合は貫通孔２４と呼ぶ）。前面側固定電極２０Ａと背面側固定電極２０Ｂは、それぞれ支持部材２１によって振動膜２２から所定のギャップを隔てて支持されており、図２（Ａ）に示すように振動膜２２と固定電極２０とが一部空隙を介して対向するように支持部材は形成されている。
【００４８】
図２（Ｂ）は、静電型超音波トランスデューサ１５の片側平面外観を示したもので（固定電極２０の一部を切り欠いた状態）、上記複数の貫通孔２４がハニカム状に配列されている。図２（Ｃ）は、前記支持部材が接合されている固定電極の平面図であり、丁度静電型超音波トランスデューサの振動膜２２側から固定電極２０側を見た状態を示している。支持部材２１は絶縁材で構成され、例えばプリント基板にレジスト印刷する要領で、固定電極２０の表面（振動膜２２に対向する側）上に絶縁材をパターン印刷することによって形成することができる。
【００４９】
上記の構成により、静電型超音波トランスデューサ１５の前面側固定電極２０Ａと背面側固定電極２０Ｂとには、振幅が等しく、位相が互いに反転した交流信号２８Ａ、２８Ｂが印加される。また、振動膜電極２２１に直流電源２６により直流バイアス電圧が印加される。このように、振動膜電極２２１に直流バイアス電圧を印加し、前面側固定電極２０Ａと背面側固定電極２０Ｂとに、互いに位相が反転した駆動信号（交流信号）を印加することによって、振動膜２２には静電吸引力及び静電反発力が同方向に同時に作用する。駆動信号（交流信号）の極性が反転する毎に、上記静電吸引力及び静電反発力の作用する方向が変化するために振動膜２２がプッシュプル駆動される。この結果、振動膜で発生した音波は前面側固定電極２０Ａと背面側固定電極２０Ｂに設けられた貫通孔２４を通じて外部へ放出される。
【００５０】
上述したような静電型トランスデューサは、図３に示すように、超音波周波数帯域において広帯域な音圧−周波数特性を有する。このため、上記均等化フィルタを用いて、再生（復調）される音圧−周波数特性を広帯域に渡って平坦化することができるので、急峻（狭帯域）な音圧−周波数特性を有する圧電型の超音波トランスデューサよりも再生音質を向上させ易いという特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係る指向性拡声器の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態に係る指向性拡声器において超音波トランスデューサとして使用するのに適した静電型超音波トランスデューサの構造例を示す図。
【図３】静電型超音波トランスデューサの周波数特性の一例を示す図。
【符号の説明】
【００５２】
２…マイク、４…プリアンプ、６、１７…ローパスフィルタ、８…均等化フィルタ、１０…搬送波発振器、１２…変調器、１４、１８…アンプ、１５…超音波トランスデューサ、１６…復調音推定器、１９…ラウドスピーカ
【図１】
2007251901.tif 000003
【図２】
2007251901.tif 000004
【図３】
2007251901.tif 000005