JP2003023689A

JP2003023689A - 可変指向性超音波スピーカシステム

Info

Publication number: JP2003023689A
Application number: JP2001208073A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Haruyama; 真一郎春山; Ghavami Mohammad; ガバミモハマッド
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】圧電素子型の超音波変換器を用いてビームを指
向させる超音波スピーカにおいて素子の配列を容易にす
ること。【解決手段】超音波モジュレータは、可聴信号の入力に
基づいて中央周波数ｆを有する超音波信号を変調する。
多数の遅延線路は、ビームパターンを角度θ_０へ指向さ
せるために、変調された超音波信号を遅延させる。スピ
ーカはビームパターンを角度θ０へ指向させて超音波信
号を出力する。超音波スピーカは、中心間の距離ｄが超
音波の半波長λ／２よりも大きくなるように配置されて
いる。このためビームパターンは、メインローブと少な
くとも１つのグレーティングローブとを有する。メイン
ローブはモードＫを有しており、グレーティングローブ
は、メインローブの減衰に対する減衰Ｇａを有する。
ｄ、ｆ，Ｋ，Ｇａ、θ_０の値の間には以下の関係があ
る。ここでｃは音速である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波スピーカシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の、音波を発生するスピーカにおい
ては、発生した音波は様々な方向に放射される。スピー
カアレーを用いて、鋭く集中的な音波のビームを形成す
ることは理論上は可能であるが、非常に多くのスピーカ
を用いることとなる。また、スピーカから発生される音
波は、１．７４〜１７．４０ｍの範囲の値を採る比較的
長い波長を有しているため、また、波の動きの性質によ
り、スピーカアレーは広大なスペースを占めることとな
る。

【０００３】一方、超音波変換器（スピーカ）アレー
は、狭い幅のビームを形成することができる。超音波
は、音声信号によってＡＭ変調され、超音波変換器アレ
ーを動作させ、ＡＭ変調された超音波ビームを形成する
ために用いられる。ＡＭ変調された超音波ビームは、空
気中を伝搬しているときに、空気中の非線型伝搬効果に
より復調され、超音波の周波数帯域以外の周波数の可聴
音のみが残る。パラメトリックアレーは、「音のスポッ
トライト」を作るためにこの現象を用いており、音のス
ポットライト中にいる人にのみ音が聞こえるようにして
いる。

【０００４】欧州特許第０９７３１５２Ａ２号で
は、回転可能に構成された反射面によって狭い幅の超音
波ビームを反射することを提案している。超音波ビーム
は、反射面を回転させることによって所望の位置へ絞ら
れる。超音波ビームが第２の面へ向かって反射される
と、第２の面において超音波周波数は吸収され可聴音周
波数が反射され、第２の面の方向から可聴音が聞こえ
る。第２の面が映画のスクリーンであれば、反射面を回
転させることによって、スクリーン上を横切る映画のキ
ャラクターに可聴音の聞こえる位置を追随させることが
できる。

【０００５】また、欧州特許第０９７３１５２Ａ
２号には、超音波周波数が吸収され可聴音周波数が反射
される曲面を用いることができ、この構成により、反射
された可聴音は特定の視聴位置に向けられることが開示
されている。

【０００６】また、欧州特許第０９７３１５２Ａ
２号には、多数の超音波変換器モジュールを有し、これ
らが２次元又は３次元に構成された変換器アレーが開示
されている。電気的に収束させたり指向させたりするこ
とを容易にするために、変換器モジュールに印可される
信号に可変的な相関関係のある位相をネットワークが付
加する。信号は広帯域であるため、アレーからのビーム
を指向させるために遅延を用いることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、圧電素子
型の超音波変換器を用いてビームを指向させることを可
能とする超音波スピーカシステムを製造しようと試み
た。圧電素子型の超音波変換器は、直径が１〜４ｃｍの
範囲である。超音波変換器をアレー中に組込もうとした
ときに、発明者は、超音波変換器間を標準半波長となる
ように配置することが非常に困難であることに気が付い
た。超音波の半波長の長さが非常に短く、ミリメートル
レベルであるためである。発明者は、超音波変換器アレ
ーで発生した超音波ビームを指向させるためにこのよう
な配置とすることは実現困難であることに気づいた。超
音波変換器の素子を非常に小さくしなければならず、非
常に短い距離で隔てられなければならないからである。

【０００８】本発明の目的は、上記課題を解決し、アレ
ー中においてスピーカの配置の自由度を持たせることを
可能とした超音波スピーカシステムを提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波スピ
ーカシステムは、超音波モジュレータと、多数の遅延線
路と、遅延線路に一対一対応で接続された多数の超音波
スピーカとを有している。超音波モジュレータは、入力
した可聴信号に基づいて中央周波数ｆを有する超音波信
号を変調し、変調された該超音波信号を出力する。遅延
線路は、該超音波モジュレータからの該変調された超音
波信号を受信し、ビームパターンを角度θ_０へ指向させ
るために該変調された超音波信号に異なる遅延が付加さ
れた状態で超音波信号を出力する。該超音波スピーカ
は、該遅延線路により遅延の付加された変調された超音
波信号に基づいてビームパターンを角度θ_０へ指向させ
た状態で超音波を出力する。該超音波スピーカは、中心
間の距離ｄが超音波の半波長λ／２よりも大きくなるよ
うに配置されることにより、該ビームパターンは、メイ
ンローブと少なくとも１つのグレーティングローブとを
有する。該メインローブはモード数Ｋを有し、該メイン
ローブに最も近い位置にある該グレーティングローブは
該メインローブの減衰に対する減衰Ｇ_ａを有する。ｃを
音速として該距離ｄ、該周波数ｆ、該モード数Ｋ、該減
衰Ｇ_ａ、及び、該角度θ_０の値の間には、以下の関係：がある。

【００１０】超音波スピーカは、中心間の距離ｄが超音
波の半波長λ／２よりも大きいため、非常に鋭いビーム
を形成することができ、選択された視聴者へ音を指向さ
せることができる。

【００１１】本発明者は、距離ｄ、周波数ｆ、モード数
Ｋ、減衰Ｇ_ａ、及び、角度θ_０の値の間には、特許請求
の範囲に示したような関係のあることを認識した。スピ
ーカシステム設計者は、減衰Ｇ_ａをどのぐらいのレベル
で許容できるかを指定し、モード数Ｋについて次の等式
を解くことにより、スピーカの放射パターンを容易に計
算するために上述の関係を用いることができる。

【００１２】設計者は、グレーティングローブを抑制す
るためスピーカに要求される放射パターンを決定するた
めに、モード数Ｋを次の等式に代入する。

【００１３】遅延線路は、超音波スピーカから超音波が
出力される前に変調された超音波信号に遅延を付加する
ため、ビームの指向を物理的に制御するのではなく電気
的に制御することができる。

【００１４】メインローブの伝搬路には、指向させる角
度を広げるための凸面反射板を設けることが好ましい。
凸面反射面が用いられるため、例えば、数度から１０度
以上といったように、所望の角度の制限範囲を広げるこ
とができる。

【００１５】また、出力された可聴音のゆがみを減じる
ために、超音波モジュレータに入力した音声信号の処理
を行うためのプリプロセッサーを有していることが好ま
しい。

【００１６】また、超音波スピーカは圧電素子型である
ことが好ましい。圧電素子型超音波スピーカは高価では
ない。しかし、１〜４ｃｍといった具合にかなり大きい
サイズであるため、互いに接近させることは困難であ
る。本発明では、半波長λ／２よりも大きい間隔で配置
するため、高価ではない圧電素子型超音波スピーカを用
いることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の上述の目的、他の目的、
特徴、有利点については、添付の図面を参照しながら以
下の実施例についての記述を理解することにより明らか
になる。

【００１８】本発明の実施の形態による超音波スピーカ
システム１０について、添付の図面を参照しながら説明
する。図１に示すように、システム１０は、超音波スピ
ーカアレー２０と、凸面反射板３０と、信号処理器４０
と、入力ユニット５０とを有している。超音波スピーカ
アレー２０は、圧電素子タイプの５つの超音波スピーカ
２１ａ〜２１ｅからなる一行をなしている。

【００１９】図２に示すように、入力ユニット５０は、
音声信号入力ユニット５１と所望角度θ_０入力ユニット
５２とを有している。音声信号入力ユニット５１は、可
聴音に代表される音声信号を入力する。所望角度θ_０入
力ユニット５２は、ビームの方向を特定するための所望
角度θ_０で表されるデータを入力し、信号処理器４０へ
出力する。

【００２０】信号処理回路４０は、プリプロセッサー４
１と、超音波モジュレータ４２と、可変遅延ユニット４
３と、超音波信号源４４とを有している。プリプロセッ
サー４１は、出力される可聴音のゆがみを減じるため
に、音声信号入力ユニット５１からの音声信号の前段処
理を行う。プリプロセッサー４２は、ＴｈｅＪｏｕｒ
ｎａｌｏｆＡｕｄｉｏＥｎｇ．Ｓｏｃ．，
Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．９．１９９９Ｓｅｐｔｅｍｂ
ｅｒ中の「一般的な可聴音ビームのための空中を伝達す
る超音波の利用」に記載されているＦ．Ｊｏｓｅｐｈ
Ｐｏｍｐｅｉの方法に従い動作する。この内容について
は、同刊行物を参照されたい。

【００２１】超音波信号源４４は、超音波モジュレータ
４２へ超音波信号を出力する。超音波信号は、２０ＫＨ
ｚよりも高い中央周波数ｆを有している。超音波モジュ
レータ４２は、プリプロセッサー４１によって処理され
た音声信号入力に基づいて超音波信号を変調し、変調さ
れた超音波信号ｘ（ｔ）を可変遅延ユニット４３へ出力
する。

【００２２】可変遅延ユニット４１は、複数の調整可能
な遅延線路４３ａ〜４３ｅを有している。遅延線路４３
ａ〜４３ｅは、それぞれ超音波モジュレータ４２からの
変調された超音波信号を受信し、所望角度θ_０入力ユニ
ット５２において入力した所望角度θ_０へとビームを指
向させるために、それぞれ異なる遅延が付加され変調さ
れた超音波信号を出力する。遅延時間は、所望ビーム角
度θ_０に基づき各スピーカ２１ａ〜２１ｅについて計算
され、可変遅延回路に対して設定される。

【００２３】図３に示すように、アレー２０の各スピー
カ２１は、数度乃至１０度の音圧指向性を有している。
図４に示すように、アレー２０は、直線上に配列された
５つの超音波スピーカ２１ａ〜２１ｅからなる一次元ア
レーにより構成されている。５つの超音波スピーカ２１
ａ〜２１ｅは、一対一対応で遅延線路４３ａ〜４３ｅに
接続されている。このため、スピーカ２１ａ〜２１ｅ
は、遅延線路４３ａ〜４３ｅによって遅延が付加された
変調された超音波信号に基づき、異なる超音波を発生す
る。図５、６、及び７に示すように、超音波は、所望角
度θ_０（図５、６、及び７においては、θ_０はそれぞれ
−３、０、及び＋５である）に指向されたメインローブ
７１を有する超音波ビームパターン７０を発生するため
に組合される。超音波ビームは空気中を伝搬するため、
空気の非線型効果により可聴音が発生する。

【００２４】超音波スピーカ２１ａ〜２１ｅは、中心間
の距離がｄとなるように配置されている。ｄは、超音波
スピーカ２１ａ〜２１ｅから発生する超音波の半波長λ
／２よりも大きい。中心間の距離ｄが超音波の半波長λ
／２よりも大きいため、アレー２０中におけるスピーカ
２１ａ、２１ｅの配置を極めて容易とすることができ
る。また、図５、６、及び７に示すように、結果として
生ずるビームパターン７０は好ましい狭い幅のメインロ
ーブ７１を有している。メインビームが鋭いため、より
特定された視聴者に向けることができる。これに対して
図８は、中心間の距離ｄが超音波の半波長λ／２に等し
い場合に発生したビームパターンを示している。メイン
ローブが幅広いことに注意されたい。

【００２５】メインローブ７１は、ロープ７１の幅に影
響を与えるモードナンバーＫを有している。即ち、図９
に示されるように、Ｋの値が大きくなればなるほどビー
ム幅は狭くなる。

【００２６】図５、６、及び７に示すように、中心間の
距離ｄが超音波の半波長λ／２よりも大きいときには、
結果として生ずるビームパターン７０は少なくとも１つ
のグレーティングローブを有している。メインローブ７
１に近いグレーティングローブ７２は、メインローブ７
１の減衰に対する減衰Ｇａを有している。他のグレーテ
ィングローブは、何れも減衰がはるかに大きい。

【００２７】後述のように、中心間の距離ｄ、周波数
ｆ、モード数Ｋ、減衰Ｇａ、及び、角度θ_０の間には、
次のような関係がある。ここで、ｃは音速である。

【００２８】図１０には、それぞれ個々のスピーカの中
心間の距離ｄが１．５ｃｍで配置されているスピーカア
レーから発生したビームパターンが示されている。これ
らのスピーカは、５５〜６５ＫＨｚの周波数、即ち、半
波長λ／２が２．６〜３．１ｍｍである超音波を発生す
る。従って、中心間の距離ｄは、超音波の半波長λ／２
よりも遙かに大きい。このため、グレーティングローブ
７２は、メイン（０）ビーム７１の左側又は右側に発生
し、これらは、スピーカ表面に対して垂直の方向に指向
している。

【００２９】図１０に示される例においては、音波は無
指向性で全方向に発生され、同一の振幅及び位相を有す
ると仮定している。しかし、実際には、超音波スピーカ
アレーは、図６の円弧状の線で示されるような狭い範囲
の音圧指向特性ＳＰＤを有している。このため、実際の
ビームパターンは図６に示すようになる。即ち、このビ
ームパターンは、無指向性と仮定された図１０のビーム
パターンと、スピーカ自身の音圧指向特性ＳＰＤとを組
合せて得られたものである。グレーティングローブは、
スピーカ自身の音圧指向特性を適切に利用することによ
って減ずることが可能であり、このようにしてビームは
一方向のみに統合され、グレーティングローブを取除く
ことが可能となる。

【００３０】スピーカアレー２０からの音波の方向は、
遅延線路４３ａ〜４３ｅにおいて遅延時間を変えること
によって、角度θ_０だけ左又は右に振ることができる。
しかし、可変可能な角度の範囲は、図５又は７に示すよ
うなスピーカの音圧指向特性により制限されている。あ
る場合には、超音波アレー２０の放射パターンによって
数度から２０度までに制限される。また、指向させるこ
とが可能な角度の範囲は、等式（１）に用いられている
変数が実際に採りうる範囲により制限される。凸面反射
板３０を設けることよって、ビームにおける可変可能な
角度の範囲を広くすることができる。

【００３１】ここで、本発明による超音波スピーカシス
テムの応用例を示す。

【００３２】図１１は、１つの部屋の中において、通常
の聴力を有する人と一緒にテレビを見ている難聴のテレ
ビ視聴者の一例を示している。大音量の可聴音ビーム
は、難聴の視聴者に向けられている。ビームは、音の通
常の無指向性放射よりも大音量であるため、難聴の視聴
者はより容易に聞くことができる。しかし、ビームは鋭
い指向性を有しているため、周囲のテレビ視聴者をうる
さがらせることはない。

【００３３】図１２は、日本語のトラックと英語のトラ
ックとを含むテレビ番組を見ているグループを示してい
る。英語のトラックのビームは、グループ中の英語バー
ジョンの視聴を希望する一人に向けられており、他の者
は、日本語バージョンである無指向放射による音声を視
聴している。

【００３４】図１３は、従来の５つのスピーカとサブウ
ーファーとが用いられて、従来の方法によってサラウン
ド音声が実現されている状態を示している。図１４は、
本発明に基づき１つのスピーカから高指向性の音声ビー
ムを発生させることによって、サラウンド音声を実現し
ている様子を示している。必要に応じて壁でビームを反
射させることにより、視聴者は５つの異なる方向からの
音を聞くことができる。ビームの方向は、部屋の形状等
を考慮に入れることにより容易に調整することが可能で
ある。

【００３５】ここで、本発明の背景にある基本的な理論
を説明する。

【００３６】Ｎをスピーカアレー２０中のスピーカの数
とし、ｎ＝１、２、・・・、Ｎとして、調整可能な遅延
線路４３ａ〜４３ｅの各々をＴｎで表すことができる。
Ｎは実施例においては５である。調整可能な遅延線路Ｔ
ｎは、以下に示す指向ビームパターンのメインローブの
所望角度θ_０によって決まる。

【００３７】固定遅延Ｔ_０は、であることが要求される。Ｔ_０を除いて考えると、θ_０
の負の値に対しては負の遅延が得られるが、このような
値を満たすことはできないからである。ファーフィール
ドにおいて方向θ（−９０＜θ＜＋９０）で受信された
信号は、に等しい。ここで、Ｘ_ｎ（ｔ）はスピーカｎから発生さ
れた信号であり、τ_ｎは各素子と視聴者との間の距離の
違いから生ずる遅延であり、Ａ（θ）は各素子と伝搬路
の総合利得である。

【００３８】図２の例における時間遅延τ_ｎは、に等しい。ここでτ０は、第１スピーカｘ_１（ｔ）の固
定伝搬遅延（constant transmission delay）であり、
ファーフィールドにおける受信方向θに対して独立であ
る。

【００３９】利得Ａ（θ）は、以下のように２つの部分
に分けることができる。ここで、Ａ_１（θ）は、角度に依存した要素の利得であ
り、Ａ_２は、距離に依存した減衰である。

【００４０】等式（４）、（５）を等式（３）に代入す
ると、を得る。ここで、α_０＝Ｔ_０＋τ_０である。

【００４１】周波数ドメインは、である。

【００４２】等式（７）より、異なる周波数では異なる
方向にビームパターンが形成されることが分かる。図８
は、５５〜６５ＫＨｚの間に均一に分布する１１の周波
数について、中心間の距離ｄが半波長λ／２に等しいビ
ームフォーミングスピーカアレーによって形作られた指
向性パターンを示すグラフである。図８の例は、等式
（７）において基準化された振幅を示しており、以下の
諸条件が等式（７）に代入されている。即ち、ＡＭ信号
は、中央周波数ｆが６０ＫＨｚであり、帯域幅が１０Ｋ
Ｈｚであり、ファーフィールド受信方向θ_０が１０゜、
−９０＜θ＜＋９０であり、スピーカの数Ｎが１０であ
り、スピーカの中心間の距離ｄが２．６ｍｍであり、音
速ｃが３４０ｍ／ｓであり、角度に従属関係を有する利
得Ａ（θ）は距離に関係する減衰Ａ_２に等しい。所望ビ
ーム角度θ_０がファーフィールド受信方向θと同一であ
るときには、信号対ノイズ比ｄＢは全ての周波数におい
て同一であり、信号対ノイズ比は周波数から完全に独立
していると考えられるが、所望ビーム角度θ_０とファー
フィールド受信方向θとの差が大きくなるにつれて、信
号対ノイズ比ｄＢは周波数に依存して増加すると考えら
れる。しかし、ビーム形成器は分別帯域幅は１０／６
０、即ち１７％である。変調されていないことのみが異
なりその他は同一のメッセージの場合には、分数帯域幅
は５／２．５、即ち、２００％である。従って、帯域幅
に対する中央周波数の比が非常に大きく、ビーム形成を
行うのが困難であるため、変調されている超音波ではな
く変調されていない音声信号について１つのビーム形成
器を用いようとしても役に立たない。より複雑なフィル
ターを利用したビーム形成器が必要である。更に、スピ
ーカの中心間の距離ｄが２．６ｍｍであるため、実際に
スピーカアレーを作ることが極めて困難かおそらく不可
能である。

【００４３】半波長λ／２よりもスピーカの中心間の距
離ｄを大きくすることによりスピーカアレーをより容易
に作ることができる。また、このように大きくすること
により鋭いメインビームとなる。メインビームが鋭いた
め、より特定された視聴者へ指向させることが可能であ
る。一方、このように大きくすることにより、スピーカ
から発せられる音の視聴者が通常いる場所、即ち、−９
０＜θ＜＋９０の範囲の角度において、好ましくないグ
レーティングローブを形成する。

【００４４】このようにして、グレーティングローブの
角度及びその存在状況は決定される。等式（７）は、角
度に従属関係を有する利得Ａ（θ）が距離に依存する減
衰Ａ _２に等しいと仮定し、ファーフィールド受信方向θ
が所望ビーム角度θ_０に等しいときに書換えることがで
きる。換言すれば、等式（７）は、メインローブが完璧
な変換器であると仮定すると以下の等式で書換えること
ができる。

【００４５】また、等式（８）の関係は、グレーティン
グローブとなる他の角度θ_ｇに対しても成り立ってい
る。グレーティングローブの角度θ_ｇを計算するため
に、先ず、等式（７）より以下のように決定される。

【００４６】ここで、等式（９）はグレーティングロー
ブの角度θ_ｇについて以下のように計算される。ここで、ｍ＝±１、±２、・・・とする。故に、

【００４７】第１グレーティングローブは、ｍ＝±１と
することにより得られる。−９０＜θ＜＋９０の値を採
るグレーティングローブの角度θ_ｇが存在しない場合に
は、ビーム形成のネットワークはグレーティングローブ
を発生させないことが分かる。所望ビーム角度θ_０が±
９０の値を採るときに、最悪のグレーティングローブが
発生する。等式（１１）より以下の関係が決定される。
即ち、半波長λ／２よりもスピーカの中心間の距離ｄが
小さいときには、グレーティングローブは発生しない。

【００４８】他は、

【００４９】グレーティングローブの角度θ_ｇはスピー
カの数Ｎの関数ではなく、スピーカの中心間の距離ｄに
完全に依存していることは興味深いことである。

【００５０】スピーカの中心間の距離ｄが半波長λ／２
よりも大きいときのグレーティングローブが現れる様子
を示す。図１０は図８と同様の状態を示すグラフである
が、スピーカの中心間の距離ｄは１５ｍｍでありスピー
カの中心間の距離ｄは半波長λ／２よりも大きくなって
いる。スピーカ間をこのように大きくした結果、グレー
ティングローブが発生している。６０ＫＨｚの周波数ｆ
に最も近いグレーティングローブは、３３．５〜−１
１．８度の間にあり、等式（１１）と一致していない。
ファーフィールド受信角度θが所望角度θ_０と異なれば
異なるほど、ビームパターンが周波数により大きく依存
するようになる。

【００５１】図１０に示すメインビーム７１が、図８に
示すメインビームよりも遙かに狭くなっていることは注
目すべきことである。これに相当する等式は容易に導き
出せる。中間ヌルビーム幅（inter-null beam widt
h）ＩＮＢＷは、所望のビーム角度θ_０の周りの最も近
い２つのヌルビームによって定義される。中間ヌルビー
ム幅ＩＮＢＷをゼロと仮定すると、等式（７）から以下
の関係が定まる。ここで、ｍ＝±１、±２、・・・である。

【００５２】所望ビーム角度θ_０の周りの２つの角度θ
_１、θ_２は、ｍをｍ＝＋１、ｍ＝−１とすることにより
等式（１３）より計算することができ、それぞれ以下の
ようになる。

【００５３】このようにして一番近い２つの角度θ_１、
θ_２についての中間ヌルビーム幅は、ＩＮＢＷΔθ =
θ₂ θ_１であり、以下のように決定される。

【００５４】であれば、所望ビーム角度θ_０の左側又は右側におい
て、ヌルビームが現れないことは明らかである。特殊な
ケースとしては、所望ビーム角度θ_０がゼロの場合があ
るが、この場合中間ヌルビーム幅ＩＮＢＷ_０は、となる。

【００５５】即ち、スピーカの中心間の距離ｄを大きく
することにより、中間ヌルビーム幅ＩＮＢＷの値が小さ
くなり、鋭いビームが形成されることが理解できる。図
８、１０の例で用いられている条件の下で、等式（１
６）を容易に試してみることができる。これらの条件の
下では、図８、１０の例における中間ヌルビーム幅ＩＮ
ＢＷの値を、それぞれ２５．６、４．４度と算出するこ
とができる。

【００５６】上述の説明より、スピーカの中心間の距離
ｄを大きくすることによって、鋭いビームとすることが
できるが、多くのグレーティングローブを生ずることが
理解できる。次に、スピーカアレー２０のスピーカ２１
の指向パターンについて、より詳細に説明する。スピー
カは、それぞれ指向性があり、次の放射パターンにより
示される、角度に従属関係を有する基準化利得Ａ
_１（θ）を有している。

【００５７】ここで、Ｋは放射ローブ（radiation lob
e）のモード数である。

【００５８】超音波スピーカ（変換器）としては、さま
ざまな周波数特性や指向性を有するものが生産されてい
る。超音波スピーカの異なる放射パターンは、等式（１
８）中のモード数Ｋを適宜代えることにより概略的に表
すことができる。図９は、モード数Ｋを幾つかの様々な
値に代えてみたときに、１つの超音波変換器によって形
成される放射パターン（角度に依存する基準化利得Ａ_１
（θ））を示している。

【００５９】等式（１８）を等式（７）に代入し、ファ
ーフィールド受信角度θがグレーティングローブθ_ｇに
等しいとして等式（７）を計算すると、ｍ＝±１として
等式（１０）より次の結果が得られる。

【００６０】指向性のあるエレメントであると仮定でき
るため、ファーフィールド受信方向θ_０やグレーティン
グローブ角度θ_ｇについて、それぞれといった減衰を生ずる。所望ビーム角θ_０における減衰
に対する、最も近いグレーティングローブの角度におけ
る要求される減衰Ｇ_ａｄＢは、等式（１）を用いて計算
することができる。即ち、

【００６１】等式（２０）中の正負の符号（±）は、フ
ァーフィールド受信方向θの負又は正の値にそれぞれ用
いられる。

【００６２】ほとんどの等式において中央周波数ｆが含
まれていることは、計算及びその結果が周波数に従属関
係を有していることを示している。必要なときには、等
式（２０）中のモード数Ｋのように、信号のキャリアの
中央周波数ｆを推定パラメータに用いることができる。
例えば、±５の値のファーフィールド受信方向θ_０にお
ける、最も近いグレーティングローブの角度において、
減衰Ｇａの値として３０ｄＢが許容されるときには、図
１０に示されるアレーでは、モード数Ｋの値は８５．７
が要求される。図５、６、及び７は、モード数Ｋが８
５．７の値の場合であって、所望ビーム角度θ_０がそれ
ぞれ−３、０、５である場合のスピーカアレーの指向性
パターンの全体を示している。モード数Ｋを高い値とす
ることによって、グレーティングローブの減衰Ｇ_ａが大
きくなるが、これと同時に、ビーム指向性として有用な
角度θ_０の範囲は狭くなる。減衰Ｇ_ａと有用な角度θ_０
との間にはトレード関係がある。モード数Ｋが固定であ
り、メインローブの減衰に対する所望の減衰Ｇ_ａが設定
されると、対応するスピーカアレーとしての有用な角度
θ_０の範囲を決定するための試行錯誤を行うことによ
り、等式（２０）を所望ビーム角度θ_０について解くこ
とができる。

【００６３】本発明について、具体的な実施の形態を参
照しながら詳細にわたり説明してきたが、本発明は、添
付した特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改
良が可能である。

【００６４】例えば、本実施の形態においては、スピー
カアレー２０は５行の超音波スピーカを有していたが、
１０行の超音波スピーカとしても同様の効果を発揮す
る。

【００６５】また、図１５に示すような２次元スピーカ
アレー２０′で代用してもよい。スピーカアレー２０′
はｎ行ｍ列のスピーカ２１を有している。この場合、信
号処理器４０′は、各列のスピーカについて遅延線路を
有しており、各遅延線路からの信号は、対応する列中の
全てのスピーカに送られる。各列において垂直に配列さ
れたスピーカは、発生する音波のパワーを増大させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による超音波スピーカシス
テムを示す概念図。

【図２】図１の超音波スピーカシステムを示すブロック
図。

【図３】超音波スピーカシステムに設けられた超音波ス
ピーカの各々の音圧指向性を示す概念図。

【図４】超音波スピーカシステムに設けられた超音波ス
ピーカアレーの音圧指向性を示す概念図。

【図５】スピーカの中心間の距離が半波長よりも大きい
スピーカアレーから発生した超音波を表すグラフであ
り、−３の値の狭いメインローブ指向性を有する超音波
ビームパターンを発生させるために超音波が組合されて
いる状態を示しており、また、スピーカアレーの音圧指
向特性により許容された範囲内を示す。

【図６】０の値の狭いメインローブ指向性を有する超音
波ビームパターンを発生させるために組合された、スピ
ーカアレーから発せられた超音波を示すグラフ。

【図７】スピーカアレーから発生した超音波を表すグラ
フであり、＋５の値の狭いメインローブ指向性を有する
超音波ビームパターンを発生させるために超音波が組合
されている状態を示しており、スピーカアレーの音圧指
向特性により許容された範囲内を示す。

【図８】スピーカが半波長間隔で配置されている場合に
おける、異なる周波数についての遅延ビーム形成器の指
向性パターンを示すグラフ。

【図９】モード数が異なる場合における、１つの超音波
スピーカの放射パターンを示すグラフ。

【図１０】スピーカの間隔が半波長よりも大きいこと以
外は図８と同一の条件であり、スピーカアレーは無指向
性であると仮定した場合の状態を表すグラフ。

【図１１】１グループ中の一人に選択的にテレビ番組の
音量を大きくすることに本発明を応用した様子を示す斜
視図。

【図１２】１グループ中の一人に選択的にサブチャンネ
ル音声、例えば、英語の音声トラックを聞こえるように
することに本発明を応用した様子を示す斜視図。

【図１３】従来のサラウンドの構成を示す斜視図。

【図１４】本発明によるサラウンドの構成を示す。

【図１５】スピーカアレーが１次元ではなく２次元であ
る、本発明の他の実施例を示す概念図。

【符号の説明】

１０超音波スピーカシステム２１ａ〜２１ｅ超音波スピーカ３０凸面反射板４１プリプロセッサー４２超音波モジュレータ４３ａ〜４３ｅ遅延線路

フロントページの続き (72)発明者モハマッドガバミ東京都品川区東五反田３丁目14番13号株式会社ソニーコンピュータサイエンス研究所内Ｆターム(参考） 5D019 AA02 BB18 5D020 AC11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力した可聴信号に基づいて中央周波数
ｆを有する超音波信号を変調し、変調された該超音波信
号を出力するための超音波モジュレータと、該超音波モ
ジュレータからの該変調された超音波信号を受信し、ビ
ームパターンを角度θ_０へ指向させるために該変調され
た超音波信号に異なる遅延が付加された状態で超音波信
号を出力するための多数の遅延線路と、該遅延線路に一対一対応で接続された多数の超音波スピ
ーカとを有し、該スピーカは、該遅延線路により遅延の付加された変調
された超音波信号に基づいてビームパターンを角度θ_０
へ指向させた状態で超音波を出力し、中心間の距離ｄが
超音波の半波長λ／２よりも大きくなるように配置され
ることにより、該ビームパターンは、メインローブと少
なくとも１つのグレーティングローブとを有し、該メイ
ンローブはモード数Ｋを有し、該メインローブに最も近
い位置にある該グレーティングローブは該メインローブ
における減衰に対する減衰Ｇ_ａを有し、ｃを音速として
該距離ｄ、該周波数ｆ、該モード数Ｋ、該減衰Ｇ_ａ、及
び、該角度θ_０の値の間には、以下の関係：があることを特徴とする超音波スピーカシステム。
【請求項２】該メインローブの伝搬路には、指向させ
る角度を広げるための凸面反射板が設けられていること
を特徴とする請求項１記載の超音波スピーカシステム。
【請求項３】出力された可聴音のゆがみを減じるため
に、超音波モジュレータに入力した音声信号の処理を行
うためのプリプロセッサーを有していることを特徴とす
る請求項１記載の超音波スピーカシステム。