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JP2003023689A - Variable directivity ultrasonic wave speaker system - Google Patents

Variable directivity ultrasonic wave speaker system

Info

Publication number
JP2003023689A
JP2003023689A JP2001208073A JP2001208073A JP2003023689A JP 2003023689 A JP2003023689 A JP 2003023689A JP 2001208073 A JP2001208073 A JP 2001208073A JP 2001208073 A JP2001208073 A JP 2001208073A JP 2003023689 A JP2003023689 A JP 2003023689A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic
ultrasonic wave
angle
speaker
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001208073A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichiro Haruyama
真一郎 春山
Ghavami Mohammad
ガバミ モハマッド
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001208073A priority Critical patent/JP2003023689A/en
Publication of JP2003023689A publication Critical patent/JP2003023689A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate arrangement of elements in an ultrasonic wave speaker that employs a piezoelectric element ultrasonic wave transducer to direct a beam. SOLUTION: An ultrasonic wave modulator modulates an ultrasonic wave signal with a central frequency (f) on the basis of an input of an audible signal. Many delay lines delay the modulated ultrasonic wave signal in order to direct a beam pattern toward an angle θ0 . A speaker outputs the ultrasonic wave signal by directing the beam pattern toward the angle θ0 . The ultrasonic wave speakers are placed so that a center distance (d) is greater than half the wavelength λ/2 of the ultrasonic wave. Thus, the beam pattern has a main lobe and at least one grating lobe. The main lobe has a mode K and the grating lobe has an attenuation Ga with respect to the attenuation of the main lobe. Expression (1) holds between the values d, f, K, Ga, and θ0 , where c is a sound velocity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic speaker system.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In a conventional speaker that generates a sound wave, the generated sound wave is emitted in various directions. Although it is theoretically possible to use a speaker array to form a sharp and focused beam of sound waves, a very large number of speakers will be used. In addition, since the sound wave generated from the speaker has a relatively long wavelength in the range of 1.74 to 17.40 m, the speaker array has a large space due to the nature of the wave motion. Will occupy.

【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。
On the other hand, an ultrasonic transducer (speaker) array can form a beam with a narrow width. The ultrasonic waves are AM modulated by the audio signal and used to operate the ultrasonic transducer array to form an AM modulated ultrasonic beam. While propagating in the air, the AM-modulated ultrasonic beam is demodulated by the nonlinear propagation effect in the air, and only audible sound having a frequency other than the frequency band of the ultrasonic wave remains. Parametric arrays use this phenomenon to create a "sound spotlight" so that only those who are in the sound spotlight can hear it.

【0004】欧州特許第0 973 152 A2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。
[0004] EP 0 973 152 A2 proposes reflecting an ultrasonic beam of narrow width by means of a rotatable reflecting surface. The ultrasonic beam is focused to a desired position by rotating the reflecting surface. When the ultrasonic beam is reflected toward the second surface, the ultrasonic frequency is absorbed and the audible sound frequency is reflected at the second surface, and the audible sound can be heard from the direction of the second surface. If the second surface is a movie screen, the reflective surface can be rotated to cause the movie character across the screen to follow the audible position.

【0005】また、欧州特許第0 973 152 A
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。
European Patent No. 0 973 152 A
No. 2 discloses that a curved surface that absorbs ultrasonic frequencies and reflects audible sound frequencies can be used, and that this configuration directs the reflected audible sound to a specific viewing position.

【0006】また、欧州特許第0 973 152 A
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。
European Patent No. 0 973 152 A
No. 2 discloses a transducer array having a large number of ultrasonic transducer modules, which are configured in two dimensions or three dimensions. A network adds variable correlated phases to the signals applied to the transducer modules to facilitate electrical focusing and steering. Since the signals are broadband, delays can be used to direct the beams from the array.

【0007】[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。
The present inventor has tried to manufacture an ultrasonic speaker system capable of directing a beam by using a piezoelectric element type ultrasonic transducer. The piezoelectric element type ultrasonic transducer has a diameter in the range of 1 to 4 cm. When attempting to incorporate ultrasonic transducers into the array, the inventor found that it was very difficult to place the ultrasonic transducers at standard half wavelengths. This is because the half-wave length of ultrasonic waves is very short and is on the millimeter level. The inventor has found that such an arrangement is difficult to achieve in order to direct the ultrasonic beams generated by the ultrasonic transducer array. The elements of the ultrasonic transducer must be very small and must be separated by a very short distance.

【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。
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an ultrasonic speaker system capable of providing a degree of freedom of speaker arrangement in an array.

【0009】[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、及び、該角度θの値の間には、以下の関係: がある。
An ultrasonic speaker system according to the present invention has an ultrasonic modulator, a large number of delay lines, and a large number of ultrasonic speakers connected to the delay lines in a one-to-one correspondence. . The ultrasonic modulator modulates the ultrasonic signal having the central frequency f based on the inputted audible signal and outputs the modulated ultrasonic signal. The delay line receives the modulated ultrasonic signal from the ultrasonic modulator, and ultrasonic waves are added to the modulated ultrasonic signal with different delays to direct the beam pattern to the angle θ 0 . Output a signal. The ultrasonic speaker outputs ultrasonic waves in a state in which the beam pattern is directed to the angle θ 0 based on the modulated ultrasonic signal delayed by the delay line. The beam pattern has a main lobe and at least one grating lobe by arranging the ultrasonic speaker so that the distance d between the centers thereof is larger than the half wavelength λ / 2 of the ultrasonic wave. The main lobe has a mode number K, and the grating lobe closest to the main lobe has an attenuation G a with respect to the attenuation of the main lobe. The following relationship is established among the values of the distance d, the frequency f, the number of modes K, the attenuation G a , and the angle θ 0 , where c is the sound velocity. There is.

【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。
Since the distance d between the centers of the ultrasonic speaker is larger than the half wavelength λ / 2 of the ultrasonic wave, a very sharp beam can be formed and the sound can be directed to a selected viewer. it can.

【0011】本発明者は、距離d、周波数f、モード数
K、減衰G、及び、角度θ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。
The inventor of the present invention has recognized that the distance d, the frequency f, the number of modes K, the damping G a , and the value of the angle θ 0 have the relationship as shown in the claims. . The loudspeaker system designer specifies the allowable level of attenuation G a and solves the above relationship to easily calculate the loudspeaker radiation pattern by solving the following equation for the number of modes K: Can be used.

【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。
The designer substitutes the number of modes K into the following equation to determine the radiation pattern required of the loudspeaker to suppress grating lobes.

【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。
Since the delay line adds a delay to the ultrasonic signal modulated before the ultrasonic wave is output from the ultrasonic speaker, the delay line should be controlled electrically rather than physically controlled. You can

【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。
It is preferable to provide a convex reflecting plate on the propagation path of the main lobe to widen the angle of pointing.
Since the convex reflecting surface is used, it is possible to widen the limit range of the desired angle, for example, from several degrees to 10 degrees or more.

【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。
Further, in order to reduce the distortion of the output audible sound, it is preferable to have a preprocessor for processing the audio signal input to the ultrasonic modulator.

【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。
The ultrasonic speaker is preferably of the piezoelectric element type. Piezoelectric ultrasonic speakers are not expensive. However, since the sizes are considerably large such as 1 to 4 cm, it is difficult to bring them close to each other. In the present invention, the piezoelectric element type ultrasonic speaker, which is not expensive, can be used because it is arranged at an interval larger than the half wavelength λ / 2.

【0017】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The above-mentioned objects of the present invention, other objects,
The features and advantages will become apparent by understanding the description of the following embodiments with reference to the accompanying drawings.

【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。
An ultrasonic speaker system 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, the system 10 includes an ultrasonic speaker array 20, a convex reflector 30, and a signal processor 40.
And an input unit 50. The ultrasonic speaker array 20 is composed of five piezoelectric element type ultrasonic speakers 21a to 21e.

【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
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で表されるデータを入力し、信号処理器40へ
出力する。
As shown in FIG. 2, the input unit 50 is
It has an audio signal input unit 51 and a desired angle θ 0 input unit 52. The audio signal input unit 51 inputs an audio signal represented by an audible sound. The desired angle θ 0 input unit 52 inputs data represented by the desired angle θ 0 for specifying the beam direction, and outputs the data to the signal processor 40.

【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、The Jour
nal of Audio Eng. Soc.,
Vol.47, No.9.1999 Septemb
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。
The signal processing circuit 40 includes a preprocessor 4
1, an ultrasonic modulator 42, and a variable delay unit 4
3 and an ultrasonic signal source 44. The preprocessor 41 performs pre-processing of the audio signal from the audio signal input unit 51 in order to reduce the distortion of the output audible sound. The preprocessor 42 is The Jour
nal of Audio Eng. Soc. ,
Vol. 47, No. 9.1999 Septemb
ER, "Use of Ultrasonic Waves in Air for General Audible Sound Beam". Joseph
It operates according to the method of Pompei. See the same publication for this content.

【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。
The ultrasonic signal source 44 outputs an ultrasonic signal to the ultrasonic modulator 42. Ultrasonic signal is 20KH
It has a central frequency f higher than z. The ultrasonic modulator 42 modulates the ultrasonic signal based on the audio signal input processed by the preprocessor 41 and outputs the modulated ultrasonic signal x (t) to the variable delay unit 43.

【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入力ユニ
ット52において入力した所望角度θ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。
The variable delay unit 41 has a plurality of adjustable delay lines 43a to 43e. Delay line 43
a~43e respectively receive the modulated ultrasonic signal from the ultrasonic modulator 42, the desired angle theta 0 to the desired angle theta 0 inputted in the input unit 52 to direct the beam, different delays each additional The modulated and modulated ultrasonic signal is output. The delay time is calculated for each speaker 21a to 21e based on the desired beam angle θ 0 and set for the variable delay circuit.

【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(図5、6、及び7においては、θ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。
As shown in FIG. 3, each speaker 21 of the array 20 has a sound pressure directivity of several degrees to 10 degrees.
As shown in FIG. 4, the array 20 is configured by a one-dimensional array including five ultrasonic speakers 21a to 21e arranged in a straight line. 5 ultrasonic speakers 21
The a to 21e are connected to the delay lines 43a to 43e in a one-to-one correspondence. Therefore, the speakers 21a to 21e
Generates different ultrasonic waves based on the modulated ultrasonic signal delayed by the delay lines 43a to 43e. As shown in FIGS. 5, 6, and 7, the ultrasonic waves are directed at a desired angle θ 0 (in FIGS. 5, 6, and 7, θ 0 is −3, 0 , and +5, respectively). Combined to generate an ultrasonic beam pattern 70 having lobes 71. Since the ultrasonic beam propagates in the air,
An audible sound is generated due to the nonlinear effect of air.

【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。
The ultrasonic speakers 21a to 21e are arranged such that the distance between their centers is d. d is a half wavelength λ of the ultrasonic wave generated from the ultrasonic speakers 21a to 21e.
Greater than / 2. The distance d between the centers is the half wavelength λ of the ultrasonic wave.
Since it is larger than / 2, the arrangement of the speakers 21a and 21e in the array 20 can be made extremely easy. Also, as shown in FIGS. 5, 6 and 7, the resulting beam pattern 70 has a preferred narrow width main lobe 71. The sharp main beam allows it to be aimed at a more specific audience. On the other hand, FIG. 8 shows a beam pattern generated when the distance d between the centers is equal to the half wavelength λ / 2 of the ultrasonic wave. Note that the main lobe is wide.

【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。
The main lobe 71 has a mode number K which affects the width of the rope 71. That is, FIG.
As shown in, the larger the value of K, the narrower the beam width.

【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。
As shown in FIGS. 5, 6 and 7, when the distance d between the centers is larger than the half wavelength λ / 2 of the ultrasonic wave,
The resulting beam pattern 70 has at least one grating lobe. Main robe 7
The grating lobe 72 close to 1 is the main lobe 7
It has a damping Ga for a damping of 1. All other grating lobes have much greater attenuation.

【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の間には、
次のような関係がある。 ここで、cは音速である。
As will be described later, between the distance d between the centers, the frequency f, the number of modes K, the attenuation Ga, and the angle θ 0 ,
It has the following relationships. Here, c is the speed of sound.

【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。
FIG. 10 shows a beam pattern generated from a speaker array in which the distance d between the centers of the individual speakers is 1.5 cm. These speakers generate ultrasonic waves with a frequency of 55 to 65 KHz, that is, a half wavelength λ / 2 of 2.6 to 3.1 mm. Therefore, the distance d between the centers is the half wavelength λ / 2 of the ultrasonic wave.
Much larger than Therefore, the grating lobes 72 are generated on the left side or the right side of the main (0) beam 71, and these are oriented in the direction perpendicular to the speaker surface.

【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。
In the example shown in FIG. 10, it is assumed that the sound waves are omnidirectional and are generated in all directions and have the same amplitude and phase. However, in reality, the ultrasonic speaker array has the sound pressure directivity characteristic SPD in a narrow range as shown by the arc-shaped line in FIG. Therefore, the actual beam pattern is as shown in FIG. That is, this beam pattern is obtained by combining the beam pattern of FIG. 10, which is assumed to be omnidirectional, and the sound pressure directional characteristic SPD of the speaker itself. The grating lobe is
By properly using the sound pressure directivity of the loudspeaker itself, it can be reduced, thus the beam is integrated in only one direction and the grating lobe can be eliminated.

【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。
The direction of the sound wave from the speaker array 20 is
By changing the delay time in the delay lines 43a to 43e, it can be swung to the left or right by the angle θ 0 .
However, the range of the variable angle is limited by the sound pressure directivity characteristic of the speaker as shown in FIG. 5 or 7. In some cases, the radiation pattern of the ultrasonic array 20 limits it to a few degrees to 20 degrees. Also, the range of angles that can be pointed is limited by the range that the variables used in equation (1) can actually take. By providing the convex reflecting plate 30, it is possible to widen the range of the variable angle of the beam.

【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。
Here, an application example of the ultrasonic speaker system according to the present invention will be shown.

【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。
FIG. 11 shows an example of a hearing-impaired television viewer watching television with a person having normal hearing in one room. The loud audible sound beam is aimed at a hearing-impaired viewer. Since the beam is louder than the normal omnidirectional radiation of sound, it is easier for hearing-impaired viewers to hear. However, since the beam has a sharp directivity, it does not disturb surrounding television viewers.

【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。
FIG. 12 shows a group watching a television program that includes Japanese and English tracks. The beam of the English track is aimed at one of the group wishing to watch the English version, while the other is watching the Japanese version of the omnidirectional sound.

【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。
FIG. 13 shows a state in which surround sound is realized by a conventional method by using five conventional speakers and a subwoofer. Figure 14
It is shown that surround sound is realized by generating a highly directional sound beam from one speaker according to the present invention. By reflecting the beam off the wall as needed, the viewer can hear sound from five different directions. The beam direction can be easily adjusted by taking the shape of the room into consideration.

【0035】ここで、本発明の背景にある基本的な理論
を説明する。
The basic theory behind the present invention will now be described.

【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によって決まる。
Each of the adjustable delay lines 43a to 43e can be represented by Tn, where N is the number of speakers in the speaker array 20 and n = 1, 2, ..., N.
N is 5 in the examples. Adjustable delay line T
n is determined by the desired angle θ 0 of the main lobe of the directional beam pattern shown below.

【0037】固定遅延Tは、 であることが要求される。Tを除いて考えると、θ
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(t)はスピーカnから発生さ
れた信号であり、τ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。
The fixed delay T 0 is Is required. Excluding T 0 , θ 0
This is because a negative delay is obtained for a negative value of, but such a value cannot be satisfied. The signal received in the far field in the direction θ (−90 <θ <+90) is be equivalent to. Here, X n (t) is the signal generated from the speaker n, τ n is the delay caused by the difference in the distance between each element and the viewer, and A (θ) is each element and the propagation path. Is the total gain of.

【0038】図2の例における時間遅延τは、 に等しい。ここでτ0は、第1スピーカx(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。
The time delay τ n in the example of FIG. 2 is be equivalent to. Where τ0 is a constant transmission delay of the first speaker x 1 (t),
It is independent of the reception direction θ in the far field.

【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(θ)は、角度に依存した要素の利得であ
り、Aは、距離に依存した減衰である。
The gain A (θ) can be divided into two parts as follows. Here, A 1 (θ) is the gain of the element depending on the angle, and A 2 is the attenuation depending on the distance.

【0040】等式(4)、(5)を等式(3)に代入す
ると、 を得る。ここで、α=T+τである。
Substituting equations (4) and (5) into equation (3), To get Here, α 0 = T 0 + τ 0 .

【0041】周波数ドメインは、 である。The frequency domain is Is.

【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に等しい。所望ビ
ーム角度θ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。
From equation (7), it can be seen that beam patterns are formed in different directions at different frequencies. Figure 8
FIG. 4 is a graph showing a directional pattern formed by a beamforming speaker array with a center-to-center distance d equal to half-wavelength λ / 2 for 11 frequencies evenly distributed between 55 and 65 KHz. The example of FIG. 8 shows the amplitude normalized in equation (7), and the following conditions are substituted into equation (7). That is, the AM signal has a center frequency f of 60 KHz and a bandwidth of 10 K
And the far field reception direction θ 0 is 10 °,
-90 <θ <+90, the number N of speakers is 10, the distance d between the centers of the speakers is 2.6 mm, the sound velocity c is 340 m / s, and the gain A ( θ) is equal to the distance-related attenuation A 2 . It is considered that when the desired beam angle θ 0 is the same as the far-field reception direction θ, the signal-to-noise ratio dB is the same at all frequencies, and the signal-to-noise ratio is completely independent of frequency. It is considered that the signal-to-noise ratio dB increases depending on the frequency as the difference between the beam angle θ 0 and the far-field reception direction θ increases. However, the beam former has a fractional bandwidth of 10/6.
0, that is, 17%. For otherwise identical messages, only unmodulated, the fractional bandwidth is 5 / 2.5, or 200%. Therefore, since the ratio of the center frequency to the bandwidth is so large that it is difficult to form a beam, even if one beamformer is used for an unmodulated audio signal instead of a modulated ultrasonic wave. Useless. There is a need for beamformers that utilize more complex filters. Moreover, the distance d between the centers of the speakers is 2.6 mm, which makes it extremely difficult or possibly impossible to actually make speaker arrays.

【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。
The speaker array can be made more easily by increasing the distance d between the centers of the speakers than the half wavelength λ / 2. Also, by making it large in this way, a sharp main beam is obtained. Since the main beam is sharp, it is possible to direct it to a more specific viewer. On the other hand, by increasing the size in this way, the place where the viewer of the sound emitted from the speaker is usually located, that is, -9
At angles in the range 0 <θ <+90, undesirable grating lobes are formed.

【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 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。
In this way, the grating lobe
The angle and its presence are determined. Equation (7) is a corner
The gain A (θ), which has a degree dependency, decreases with distance.
Decline A TwoFar-field reception direction θ
Is the desired beam angle θ0Can be rewritten when
Wear. In other words, equation (7) shows that the main lobe is perfect.
Rewrite the equation
You can

【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。
Further, the relationship of the equation (8) holds for other angles θ g which are grating lobes. In order to calculate the angle θ g of the grating lobe, it is first determined from equation (7) as follows:

【0046】ここで、等式(9)はグレーティングロー
ブの角度θ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、
Equation (9) is now calculated for the grating lobe angle θ g as follows: Here, m = ± 1, ± 2, ... Therefore,

【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。
The first grating lobe is obtained by setting m = ± 1. It can be seen that the beam-forming network does not generate grating lobes if there is no grating lobe angle θ g with a value of −90 <θ <+90. The desired beam angle θ 0 is ±
When taking a value of 90, the worst grating lobe occurs. From equation (11), the following relationship is determined.
That is, when the distance d between the centers of the speakers is smaller than the half wavelength λ / 2, the grating lobe does not occur.

【0048】 他は、 [0048] The other is

【0049】グレーティングローブの角度θ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。
It is interesting to note that the angle θ g of the grating lobe is not a function of the number N of loudspeakers, but entirely on the distance d between the loudspeaker centers.

【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。
The distance d between the centers of the speakers is a half wavelength λ / 2.
It shows how a grating lobe appears when the value is larger than. FIG. 10 is a graph showing the same state as in FIG. 8, but the distance d between the centers of the speakers is 15 mm, and the distance d between the centers of the speakers is larger than the half wavelength λ / 2. As a result of increasing the distance between the speakers in this way, a grating lobe is generated. Frequency f of 60 KHz
The closest grating lobe to 33.5 to -1
It lies between 1.8 degrees and does not match equation (11).
The more the far-field reception angle θ differs from the desired angle θ 0 , the more the beam pattern becomes more dependent on the frequency.

【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。
It should be noted that the main beam 71 shown in FIG. 10 is much narrower than the main beam shown in FIG. The equivalent equation can be easily derived. Inter-null beam widt
h) INBW is defined by the two closest null beams around the desired beam angle θ 0 . Assuming that the intermediate null beam width INBW is zero, equation (7) establishes the following relationship. Here, m = ± 1, ± 2, ...

【0052】所望ビーム角度θの周りの2つの角度θ
、θ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。
Two angles θ around the desired beam angle θ 0
1 and θ 2 can be calculated from the equation (13) by setting m to m = + 1 and m = −1, and are as follows.

【0053】このようにして一番近い2つの角度θ
θについての中間ヌルビーム幅は、INBWΔθ =
θ2 θであり、以下のように決定される。
In this way, the two closest angles θ 1 ,
The intermediate null beam width for θ 2 is INBWΔθ =
θ 2 θ 1, which is determined as follows.

【0054】 であれば、所望ビーム角度θ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がゼロの場合があ
るが、この場合中間ヌルビーム幅INBWは、 となる。
[0054] Then, it is clear that the null beam does not appear on the left side or the right side of the desired beam angle θ 0 . As a special case, the desired beam angle θ 0 may be zero, in which case the intermediate null beam width INBW 0 is Becomes

【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。
That is, it can be understood that by increasing the distance d between the centers of the speakers, the value of the intermediate null beam width INBW becomes smaller and a sharp beam is formed. Under the conditions used in the examples of FIGS.
You can easily try 6). Under these conditions, the intermediate null beam width IN in the example of FIGS.
The values of BW can be calculated as 25.6 and 4.4 degrees, respectively.

【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
(θ)を有している。
From the above description, it can be understood that a sharp beam can be obtained by increasing the distance d between the centers of the speakers, but many grating lobes are generated. Next, the speaker 21 of the speaker array 20
The directional pattern of will be described in more detail. The loudspeakers are each directional and have a normalized gain A with an angle dependence, as indicated by the following radiation pattern:
It has 1 (θ).

【0057】ここで、Kは放射ローブ(radiation lob
e)のモード数である。
Where K is the radiation lob
It is the number of modes in e).

【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
(θ))を示している。
Ultrasonic speakers (transducers) having various frequency characteristics and directivity are produced. The different radiation patterns of the ultrasonic speaker are given by the equation (1
It can be roughly expressed by appropriately changing the number of modes K in 8). FIG. 9 shows the radiation pattern formed by one ultrasonic transducer (angle-dependent normalized gain A 1 when the number of modes K is changed to several different values).
(Θ)) is shown.

【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
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。
Substituting equation (18) into equation (7) and calculating equation (7) assuming that the far-field reception angle θ is equal to the grating lobe θ g , equation (10) yields m = ± 1. The following results are obtained.

【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やグレーティン
グローブ角度θ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GdBは、等式(1)を用いて計算
することができる。即ち、
Since it can be assumed that the element has directivity, the far-field reception direction θ 0 and the grating lobe angle θ g are respectively determined. Attenuation such as occurs. The required attenuation G a dB at the angle of the closest grating lobe, relative to the attenuation at the desired beam angle θ 0, can be calculated using equation (1). That is,

【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。
The positive and negative signs (±) in the equation (20) are used for the negative and positive values in the far field reception direction θ, respectively.

【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の範囲は狭くなる。減衰Gと有用な角度θ
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について解くこ
とができる。
The inclusion of the center frequency f in most equations indicates that the calculations and their results are frequency dependent. When required, the center frequency f of the carrier of the signal can be used as the estimation parameter, such as the number of modes K in equation (20).
For example, at the nearest grating lobe angle in the far field reception direction θ 0 with a value of ± 5,
When 30 dB is allowed as the value of the attenuation Ga, the value of the number of modes K is 85.7 in the array shown in FIG.
Is required. In FIGS. 5, 6, and 7, the number of modes K is 8
In the case of the value of 5.7, the whole directivity pattern of the speaker array when the desired beam angle θ 0 is −3, 0, and 5 is shown. By setting the mode number K to a high value, the attenuation G a of the grating lobe increases, but at the same time, the range of the angle θ 0 useful as the beam directivity narrows. Damping G a and useful angle θ 0
There is a trade relationship with. If the number of modes K is fixed and the desired attenuation G a for the main lobe attenuation is set, then by trial and error to determine the range of useful angles θ 0 for the corresponding speaker array, etc. Equation (20) can be solved for the desired beam angle θ 0 .

【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。
Although the present invention has been described in detail with reference to specific embodiments, the present invention can be variously modified and improved within the scope described in the appended claims.

【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。
For example, in the present embodiment, the speaker array 20 has five rows of ultrasonic speakers.
The same effect can be obtained even with a 10-row ultrasonic speaker.

【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。
A two-dimensional speaker array 20 'as shown in FIG. 15 may be used instead. Speaker array 20 '
Has a speaker 21 of n rows and m columns. In this case, the signal processor 40 'has a delay line for each row of speakers, and the signal from each delay line is sent to all the speakers in the corresponding row. The vertically arranged speakers in each row increase the power of the sound waves generated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an ultrasonic speaker system according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の超音波スピーカシステムを示すブロック
図。
FIG. 2 is a block diagram showing the ultrasonic speaker system of FIG.

【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。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the sound pressure directivity of each ultrasonic speaker provided in the ultrasonic speaker system.

【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。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing sound pressure directivity of an ultrasonic speaker array provided in the ultrasonic speaker system.

【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。
FIG. 5 is a graph showing an ultrasonic wave generated from a speaker array in which the distance between the centers of the speakers is larger than a half wavelength, in order to generate an ultrasonic beam pattern having a main lobe directivity with a narrow value of −3. The figure shows a state in which ultrasonic waves are combined, and also shows the range within the range allowed by the sound pressure directivity of the speaker array.

【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。
FIG. 6 is a graph showing ultrasonic waves emitted from a speaker array combined to generate an ultrasonic beam pattern with a narrow main lobe directivity of zero value.

【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。
FIG. 7 is a graph showing ultrasonic waves generated from a speaker array, showing a state in which ultrasonic waves are combined to generate an ultrasonic beam pattern having a main lobe directivity with a narrow value of +5; It shows the range within the range allowed by the sound pressure directivity of the speaker array.

【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。
FIG. 8 is a graph showing the directional patterns of the delayed beamformer for different frequencies when the speakers are arranged at half-wavelength intervals.

【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。
FIG. 9 is a graph showing a radiation pattern of one ultrasonic speaker when the number of modes is different.

【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。
FIG. 10 is a graph showing a state under the same conditions as in FIG. 8 except that the speaker spacing is larger than a half wavelength, and assuming that the speaker array is omnidirectional.

【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。
FIG. 11 is a perspective view showing a state in which the present invention is applied to selectively increase the volume of a television program for one person in one group.

【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。
FIG. 12 is a perspective view showing a state in which the present invention is applied to allow one of the groups to selectively hear sub-channel audio, for example, an English audio track.

【図13】従来のサラウンドの構成を示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view showing a configuration of a conventional surround.

【図14】本発明によるサラウンドの構成を示す。FIG. 14 shows a surround configuration according to the present invention.

【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。
FIG. 15 is a conceptual diagram showing another embodiment of the present invention in which the speaker array is two-dimensional rather than one-dimensional.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 10 Ultrasonic speaker system 21a-21e ultrasonic speaker 30 convex reflector 41 preprocessor 42 Ultrasonic modulator 43a to 43e Delay line

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 Continued front page    (72) Inventor Mohammad Gabami             3-14-13 Higashi Gotanda, Shinagawa-ku, Tokyo Stock             Ceremony Company Sony Computer Science Research             In-house F-term (reference) 5D019 AA02 BB18                 5D020 AC11

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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
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、及
び、該角度θ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。
1. An ultrasonic modulator for modulating an ultrasonic signal having a center frequency f based on an input audible signal and outputting the modulated ultrasonic signal, and the modulated ultrasonic wave from the ultrasonic modulator. A plurality of delay lines for receiving the ultrasonic signal and outputting the ultrasonic signal with different delays added to the modulated ultrasonic signal to direct the beam pattern to the angle θ 0 . And a plurality of ultrasonic speakers connected to the delay line in a one-to-one correspondence, the speaker forming a beam pattern based on the modulated ultrasonic signal delayed by the delay line by an angle θ 0.
The beam pattern is arranged so that the ultrasonic wave is output in a state of being directed to and the distance d between the centers is larger than the half wavelength λ / 2 of the ultrasonic wave, so that the beam pattern has a main lobe and at least one grating. , The main lobe has a mode number K, the grating lobe closest to the main lobe has an attenuation G a with respect to the attenuation in the main lobe, and c is the speed of sound and the distance d is , The frequency f, the number of modes K, the attenuation G a , and the value of the angle θ 0 , the following relationship: An ultrasonic speaker system characterized in that there is.
【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。
2. The ultrasonic speaker system according to claim 1, wherein the propagation path of the main lobe is provided with a convex reflecting plate for widening a pointing angle.
【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。
3. The ultrasonic wave according to claim 1, further comprising a preprocessor for processing the audio signal input to the ultrasonic modulator in order to reduce the distortion of the output audible sound. Speaker system.
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