アレイ制御を用いた指向性可変なパラメトリックスピーカ

社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,
INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS
信学技報
IEICE Technical Report
EA2012-38 (2012-06)
アレイ制御を用いた指向性可変なパラメトリックスピーカ
武岡
成人†
†静岡理工科大学 理工学部 〒437-8555 静岡県袋井市豊沢 2200-2
E-mail: †[email protected]
あらまし 本論文ではパラメトリックスピーカへのアレイ制御の導入として，多チャンネル構成の提案・試作，
実用的な規模での指向性制御，アレイ信号処理の実験について報告する。具体的にはスピーカ駆動信号に高速 1bit
信号処理を導入し，最大 576ch の制御点での駆動可能な実験装置を作成すると共に指向性制御実験，多方向出力実
験を行った。また多点制御により可能となる平面波以外の出力を利用して，受聴点での超音波帯域の制御を提案し
基礎実験として焦点制御による実験を行った。提案手法により任意の方向へ複数のビーム出力が可能になるなどパ
ラメトリックスピーカの用途を大きく広げる可能性がある。
キーワード パラメトリックスピーカ，アレイ信号処理，高速 1bit 信号処理
Steerable Parametric Loudspeaker Using Array Control
Shigeto TAKEOKA†
†Shizuoka Institute of Science and Technology 2200-2 Toyosawa, Fukuroi-shi, Shizuoka, 437-8555 Japan
E-mail: †[email protected]
Abstract In this paper, an introduction of array control to parametric loudspeaker system is described. The author propose
the parametric loudspeaker system consisting of 576 ultrasonic transducers controlled individually by using high speed 1-bit
signal processing, experiments of directivity control of parametric loudspeaker and multi beam emitting. The system can also
reproduce non-plane wave front. By using this system, it is suggested a method to suppress the ultrasonic waves without
reduction of the reproduced audible sound.
1. ま え が き
着目すればアレイを構成していることからアレイ信号
極めて指向性の高いスピーカとしてパラメトリッ
処理の適用も可能なはずであり，近年特に海外を中心
クスピーカが知られている。これは超音波を 何らかの
としてパラメトリックスピーカの指向性制御に関する
方法で変調し，空気伝播過程における非線形性を利用
研 究 が 行 わ れ つ つ あ る [3][4]。パ ラ メ ト リ ッ ク ス ピ ー カ
して空気中で復調するもので，復調音が一種のエンド
は“ Audio Spot Light” と 呼 ば れ る ほ ど の 指 向 性 を 持 つ
ファイアアレイを構成し結果として可聴音でありなが
ことから，これらの指向性を任意に制御することが可
ら極めて高い指向性を持つ出力が得られる。
能であればその用途が大きく広がること が期待できよ
空気中のパラメトリック効果を利用するこのスピ
う 。し か し な が ら 例 え ば 40kHz の 駆 動 信 号 に 対 し て 虚
ー カ は 1983 年 の 米 山 ら に よ る 提 案 [1]以 来 国 内 で は 鎌
像 な く ア レ イ 制 御 を 行 う に は 厳 密 に は 5cm 以 下 の 間 隔
倉らを中心として最適変調方式や数値計算など様々な
での制御が必要となる。実用的な音圧を得るには何百
研 究 が な さ れ [2]，発 表 件 数 等 の 観 点 か ら は あ る 程 度 集
という制御点数が必要になってしまうことから，シミ
束をしていた様に思われる。一方近年超音波振動子が
ュレーションや限られた制御点数での実験結果の報告
比較的安価に供給されるようになってきたこと， 海外
が主であった。
では防犯用など受聴以外の用途での発展に伴い商業レ
そこで本報ではパラメトリックスピーカへのアレ
ベルで開発が盛んになってきたこと，ポリフッ化ビニ
イ 制 御 を 導 入 と し て ，多 チ ャ ン ネ ル 構 成 の 提 案・試 作 ，
リ デ ン（ PVDF）な ど 新 し い 振 動 膜 の 実 用 化 な ど も あ り ，
実用的な規模での指向性制御，アレイ信号処理の実験
開発・研究の分野でもパラメトリックスピーカが再び
について報告する。具体的にはスピーカ駆動信号に 高
注目を集めつつある。
速 1bit 信 号 処 理 を 導 入 し ，最 大 576ch の 制 御 点 で の 駆
パラメトリックスピーカを構成するトランスデュ
動可能な実験装置を作成すると共に指向性制御実験，
ーサは前述の様に新しい素材もあるが，出力の帯域が
多方向出力実験を行った。また多点制御により可能と
通 常 と 異 な る こ と か ら 超 音 波 域 （ 30~100kHz 程 度 ） に
なる平面波以外の出力を利用して，受聴点での超音波
共振点を持つセラミック振動子を同相駆動のアレイと
帯域の制御を提案し基礎実験として焦点制御による実
する手法が従来用いられてきた。 一方，これら構造に
験を行った。
-31-
2. 高 速 1bit 信 号 に よ る 超 音 波 素 子 の 個 別 制 御
24)個 別 駆 動 型 (以 下 Type A)，縦 方 向 を 同 相 駆 動 と し 素
2.1. 超 音 波 域 の高 速 1bit 信 号 符 号 化
子 の 集 積 度 を 挙 げ た 64ch(14×64)駆 動 型（ 以 下 Type B）
高 速 1bit 信 号 処 理 は 広 く 用 い ら れ て い る マ ル チ ビ ッ
の２種類の試作機を作成した。多チャンネル駆動の実
ト で は な く 標 本 化 周 波 数 の 高 い 1bit 信 号 で 量 子 化 す る
現 例 と し て 前 者 の 外 観 を 図 － ２ に 示 す 。 SDHC カ ー ド
手 法 で [5] ， 音 響 信 号 で は SuperAudioCD 等 い わ ゆ る
から読みだした信号をスピーカ周囲に設置した汎用ロ
Hi-Fi 用 途 に お い て 実 用 化 が な さ れ て い る 。1bit 信 号 へ
ジック回路を用いてシリアル－パラレル変換すること
の 量 子 化 は 1961 年 に 安 田 ら に よ り 提 案 さ れ そ の 後
に よ り 24×24 個 の 超 音 波 振 動 子 を そ れ ぞ れ 個 別 に 駆
Candy ら に よ り 発 展 し た Δ Σ 変 調 が 広 く 用 い ら れ て い
動することができる。また，試作機それぞれの素子の
る [6]。こ れ は フ ィ ー ド バ ッ ク ル ー プ 内 に 積 分 器 を 設 け
配置を図－３に示す。
ることにより所望の帯域の量子化雑音を制御するもの
で，特にパラメトリックスピーカの駆動信号は通常の
可聴域ではなく搬送波を中心とした周波数分布となる
ことから低ビットのバンドパス型のΔΣ変調を用いる
事により標本化定理を満たしつつ効率よくダイナミッ
クレンジを確保することができる。本報で使用した変
調器の量子化雑音の伝達関数を以下に示し，搬送波 で
あ る 40kHz 純 音 入 力 時 の 1bit 信 号 の ス ペ ク ト ラ ム を 図
１ に 示 す 。 サ ン プ リ ン グ 周 波 数 1.4MHz の 条 件 で ， 35
～ 45kHz の 帯 域 に お い て 量 子 化 雑 音 が 制 御 さ れ て お り ，
S/N を 100dB 以 上 確 保 で き て い る 様 子 が わ か る 。
H q ( z) 
1  1.968z  z 
 0.56741  1.651z
1
1  1.489z
2 2
1
1

(1)
 0.7833
0
-20
図－２
576ch 個 別 駆 動 型 試 作 機 の 外 観
-40
-60
-80
-100
-120
(a)全 素 子 制 御 型 (A)
-140
10000
100000
図－３
Frequency [Hz]
図－１
高 速 1bit 信 号 の 大 き な 特 徴 と し て デ ィ ジ タ ル 信 号 で
試作機の素子配列
高 速 1bit 信 号 は 一 般 に MHz 単 位 の サ ン プ リ ン グ 周
40kHz 純 音 入 力 に 対 す る ス ペ ク ト ラ ム
2.2. 高 速 1bit 個 別 駆 動 型 パラメトリックスピーカ
(b)水 平 方 向 制 御 型 (B)
波数であり，アレイの指向性制御の際にアップサンプ
リングを施さずとも単純な遅延制御のみで充分な分解
ありながらビットストリーム内にアナログ信号のスペ
能 が 得 ら れ る と い う 利 点 も あ る 。 本 実 験 で は 1.4MHz
クトルを有しているという点が挙げられる。 これによ
のサンプリング周波数で駆動した。この場合 ，3 章に
りディジタル信号そのものを D 級アンプの駆動信号と
し て 扱 う こ と が で き ，汎 用 ロ ジ ッ ク IC の 出 力 そ の も の
でスピーカを駆動することができる。すなわちいわゆ
る ”DA コ ン バ ー タ ”を 必 要 と せ ず ， デ ィ ジ タ ル の 良 さ
であるシリアル－パラレル変換など各点への信号のア
サインの利便さを保ったまま変換素子を用いることな
く各スピーカを駆動できることになり，本報で試みて
述べるような指向性制御時の分解能は約 2 度である。
ま た 高 速 1bit 信 号 は 広 帯 域 な 信 号 処 理 が 可 能 な こ と か
ら変調から駆動までをディジタル段で行うことができ
という利点もある。本報で用いた試作機のシステム構
成を図－４に示す。また，本報では基礎的な測定が目
的であることから生成されるスペクトラムが簡潔にな
る振幅変調を変調方式に用いている。
いるような極めて制御点数の多いシステムには有効で
あ る 。 今 回 任 意 の 方 向 へ の 出 力 を 重 視 し た 576ch(24×
-32-
図－４
試作機構成
15°
0°
30°
45°
75°
60°
図－５
指 向 性 制 御 実 験 結 果 （ 素 子 間 隔 5mm）
60°
0°
図－６
素 子 間 隔 1cm で の 指 向 性 制 御 時 の 出 力
-33-
考慮し，ランダムに抽出した 3 個の平均値を用いてい
3. 指 向 性 測 定 実 験
指向性制御の基礎的な実験として，最もシンプルな
る。両者の関係は概ね一致しており，パラメトリック
制御である遅延制御による実験を行った。 一定間隔で
スピーカは復調音が超音波素子そのものから放射され
配置した素子間隔を d ，音速を c としたとき
ているわけではないもののパラメトリックスピーカ出
D
力の復調波も素子自体の指向性に追従することがわか
d sin
c
(2)
る 。ま た ，0°方 向 制 御 時 の レ ベ ル が 低 く 測 定 さ れ た 原
の遅延を各素子間に付加して駆動することにより超音
因は無響室ではあるが壁面に対してスピー カが正対す
波ビームを任意の制御角  に出力する。実験は無響室
る条件であったことから反射による影響と思われる。
で 行 い ，3.1，3.2 節 の 実 験 は ス ピ ー カ か ら 2m の 地 点 ，
3.3 節 の 実 験 で は 30cm の 地 点 に マ イ ク ロ ホ ン を 設 置 し ，
ス ピ ー カ を 7.5 度 毎 に 回 転 さ せ 各 条 件 で の 指 向 特 性 を
測 定 し た 。 前 者 の 実 験 は 4kHz 純 音 を 40kHz で 振 幅 変
調 し た も の ，後 者 は 搬 送 波 で あ る 40kHz 純 音 を 駆 動 信
号 と し て 用 い た 。 マ イ ク ロ ホ ン に は GRAS 社 製 46BE
を 使 用 し レ コ ー ダ に は KORG 社 製 MR-2000S を 用 い て
5.6MHz-1bit で 収 録 し た 信 号 か ら 周 波 数 分 析 に よ り 求
めている。
図－７
3.1. 素 子 間 遅 延 による指 向 性 制 御
Type B の 試 作 機 に お い て 0~75 度 ま で の 15 度 毎 に 出
力制御時の復調音の指向性を測定した。復調波には歪
素子指向性と各メインローブのピーク値
（△：メインローブのピーク値，実線：素子指向性）
3.4. 多 方 向 出 力
が 発 生 す る が 4kHz の み 音 圧 レ ベ ル を 算 出 し て い る 。
多チャンネル駆動型のパラメトリックスピーカの
結果を図－５に示す。各図右上に制御角を示す。超音
特徴として出力波面を合成することにより多方向に個
波ビームが所望の方向に制御されている様子と，制御
別のビームを出力可能な点も挙げられる。
Type A の 装 置 を 用 い て 15°毎 に バ イ オ リ ン ，ポ ッ プ
角が深くなるにつれ復調波のエネルギーが小さくなっ
ていく様子が確認できる。
ス ， 音 声 の 3 種 類 の 信 号 を そ れ ぞ れ 図 － ８ 中 の A’,B’，
3.2. 素 子 配 置 によるグレーティングローブ
C’に 向 け て 出 力 し た 。 パ ラ メ ト リ ッ ク ス ピ ー カ の 復 調
等 間 隔 な 直 線 ア レ イ に お い て 素 子 間 が λ /2 以 上 に な
音は高域上がりの周波数特性となることから原音に
るとグレーティングローブと呼ばれるメインローブ以
1kHz の HPF を 施 し た 波 形 と 収 録 音 の 波 形 を 比 較 し た
外 の 出 力 が 発 生 す る 。Type A の 試 作 機 に お い て 制 御 角
ものを図－９に示す。それぞれの方向に分離性高く出
0°，30°時 の 復 調 波 の 指 向 性 を 図 － ６ に 示 す 。グ レ ー
力されている様子がわかる。
またこれら出力ビームは制御角をリアルタイムに
ティングローブの発生角は以下の式で与えられる。
 cD  N 

d


 N  arcsin
( N  0,1,2, )
変 え る こ と も 可 能 で あ り [8]，様 々 な 応 用 が 期 待 で き る 。
(3)
4. ア レ イ 制 御 に よ る 受 聴 点 で の 超 音 波 域 制 御
よ っ て 前 者 は ±58°， 後 者 は 1°， -57°に グ レ ー テ ィ
前述の様にパラメトリックスピーカは超音波の空
ングローブが発生することになり ，測定結果からもそ
気伝搬における非線形性を利用して復調するスピーカ
の様子が観察された。通常の平面波駆動である正面方
であるが，原則的に受聴者に向けて超音波を出力する
向出力時は後述の素子自体の指向性によりグレーティ
こととなり，受聴者が可聴音以上の超音波に晒される
ングローブが目立たないが，制御角によっては無視で
こ と が し ば し ば 検 討 課 題 と な っ て い た [9]。し か し な が
きない大きさとなることが確認できる。
ら復調後の音波と超音波の指向性は異なるはずであり，
3.3. 素 子 指 向 性 との関 係
放射直後はエンドファイアアレイを生成し得るような
電磁波工学の分野においてアレイアンテナの指向
同相性を持ちつつ，受聴点においては零点となるよう
性は素子自体の指向性とアレイの配列に起因するアレ
な波面を構成できれば受聴点において可聴音レベルを
イファクタの積によって決まる指向性相乗の理が知ら
保ちつつ超音波エネルギーを抑圧することが可能 であ
れ て い る [7]。放 射 さ れ る 超 音 波 レ ベ ル に 概 ね 依 存 す る
るはずである。そこでこの条件を満たす波面として焦
は ず で あ る 。 そ こ で ， 3.1 節 で の 各 実 験 結 果 に お け る
点制御時に発生するディップに着目し，超音波域の独
メインローブのピーク値と素子単体の指向性を比較し
立制御を試みた。概念図を図－９に示す。
た。結果を図－７に示す。素子の指向性はばらつきを
-34-
A’
A
15°
B
B’
15°
C
2m
図－８
C’
多方向出力実験配置図
図－１０
受聴点以外への超音波域の集中
4.1. 焦 点 制 御 による超 音 波 エネルギーの集 中
ス ピ ー カ 正 面 2m の 地 点 を 焦 点 と す る よ う な 遅 延 を
パラメトリックスピーカアレイに付加した場合と通常
の平面波出力時の焦点付近の音圧分布を比較した。ま
ず概算として素子の指向性や伝搬過程の減衰を考慮し
な い 条 件 で ，Type B の 装 置 に よ り 各 素 子 か ら 40kHz 純
音 を 出 力 し た 場 合 の 距 離 2m， 出 力 ビ ー ム 軸 上 を 0cm
とした水平方向各点での音圧分布の理論値を求めた。
図 － １ １ に 示 す 。 出 力 音 軸 よ り 20cm 程 度 の 局 所 的 な
範囲内においては平面波駆動時にはほぼ平坦な分布と
なるものの，焦点制御時にはディップがありまた焦点
のごく近傍以外では平均レベルも低い。
Plane Wave
(a) 原 音 に HPF を 施 し た 波 形
Focused Wave
図－１１
40kHz 純 音 の 焦 点 制 御 と 平 面 波 制 御
4kHz 純 音 の AM 波 を 出 力 し 2cm 毎 に 測 定 し た 結
果 を 図 － １ ２ に 示 す 。 そ れ ぞ れ の 収 録 音 で の 4kHz 純
音 の 音 圧 レ ベ ル 及 び 36~44kHz の 超 音 波 域 の 音 圧 レ ベ
ルを示す。超音波域の音圧分布はいずれも概算の分布
に概ね一致しており，また復調波の分布には大きな差
が な い 。 特 に 2 つ 目 の デ ィ ッ プ を 中 心 と し た 10cm 間
に お い て 超 音 波 域 は 最 大 11.2dB，平 均 で 9.1dB の 抑 圧
効果が見られた。焦点制御により超音波域は焦点を結
(b) 収 録 音 波 形
図－９
多方向出力時の原音と各点での収録音
びながらも伝搬過程で発生した復調波は概ね平面波と
して伝搬していることがわかる。
-35-
ム軸の角度が異なることから復調音の分離性の違いは
36-44kHz(Plane Wave)
当然であるが，両耳地点での復調音レベルは同程度で
あ り な が ら ， 超 音 波 領 域 に お い て は 両 耳 地 点 で 15dB，
-10cm～ 10cm の 間 の 平 均 レ ベ ル で 13dB 程 度 の 抑 圧 効
36-44kHz(Focused Wave)
4kHz(Focused Wave)
果を確認した。
5. む す び
パラメトリックスピーカにアレイ信号処理を導入
し，指向性制御や多方向出力，焦点制御を用いた実験
4kHz(Plane Wave)
を行い素子間隔，素子指向性と復調音の関係を明らか
にするとともに平面波以外の駆動による超音波域の独
立制御の可能性を示した。実用的な規模で超音波素子
を個別制御するシステムの構成法を提案し，基礎的な
図－１２
焦点制御及び平面波制御の測定結果
4.2. バイノーラルシステムへの応 用
原理は通常のアレイ処理の手法が概ね適用できること
を確認した。超音波域の独立制御の研究に関してはよ
提案手法のバイノーラルシステムへの応用に向けた
実 験 を 試 み た 。ス ピ ー カ か ら の 距 離 2m，両 耳 間 距 離 を
り高度な制御が期待できるが，今後は素子の指向性や
個体差への対応が課題になる。
16cm と 仮 定 し ， 4kHz， 2.5kHz の 純 音 を 左 右 の 耳 に 聞
パラメトリックスピーカにアレイ制御を用いるこ
かせるものとして以下の 2 種類の実験を行い，それぞ
とより実用上の可能性を大幅に広げることになる。特
れの音圧分布を測定した。
に画像処理との組み合わせにより 状況に応じて“スポ
・ 両 耳 想 定 の 位 置 （ ±8cm） に 向 け た 平 面 波 出 力
ットライト”を移動させることが可能になることから
・両耳の位置が超音波域のディップとなるよう±
電気自動車の注意喚起システムや美術館での個人に合
18cm の 位 置 へ 向 け た 焦 点 制 御 出 力
わせた多言語再生システムなど様々な用途が期待でき
る。今後は壁面反射を利用した新しい 3 次元音場再生
システムなどにも挑戦していく所存である。
謝
36-44kHz
辞
本 研 究 は 日 本 学 術 振 興 会 科 学 研 究 費 若 手 (B)
（ 23700151） の 助 成 を 受 け た も の で あ る 。
2.5kHz
図－１３
文
4kHz
平面波制御による両耳地点への出力
36-44kHz
2.5kHz
図－１４
献
[1] M.Yoneyama, J.Fujimoto, “The audio spotlight: An
application of nonlinear interaction of sound waves
to a new type of loudspeaker design ,” J. Acoust. Soc.
Am 73, pp.1532-1536, 1983.
[2] 鎌 倉 友 男 ，酒 井 新 一 ,“ パ ラ メ ト リ ッ ク ス ピ ー カ の
実 用 化 ”日 本 音 響 学 会 誌 ，62 巻 ，11，791-797(2006)
[3] D. Olszewski, F. Prasetyo, and K. Linhard, “Steerable
highly directional audio beamloudspeaker,”Interspeech, pp.137-146, 2005.
[4] C. Shi and W. S. Gan, “Grating lobe elimination in
steerable parametric loudspeaker,” IEEE Trans.
Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 58, no. 2,
pp.437-450, 2011.
[5] 山 崎 芳 男 ，太 田 弘 毅 ， 西 川 明 成 ， 野 間 政 利 ， 飯 塚
秀 幸 ，”広 帯 域 音 響 信 号 の 高 速 1bit 信 号 処 理 ”信 学
技 報 ， EA93-102， 1994.
[6] 和 保 孝 夫 ， 安 田 彰 （ 監 訳 ）， Δ Σ 型 ア ナ ロ グ ／ デ
ジ タ ル 変 換 器 入 門 ， 丸 善 ， 東 京 ， 2007.
[7] 稲 垣 直 樹 ， 電 磁 波 工 学 ， 丸 善 ， 東 京 ， 1980.
[8] 武 岡 成 人 , Frey Mathhias, 及 川 靖 広 , 山 崎 芳 男 , "両
耳 に 追 従 す る 指 向 性 制 御 型 超 音 波 ス ピ ー カ ,"日 本
音 響 学 会 春 季 講 演 論 文 集 , pp.777-778,March, 2011.
[9] B.W. Lawton,” Damage to human hearing by airborne
sound of very high frequency o r ultrasonic
frequency,” Contract Research Report, 343, 2001.
4kHz
焦点制御による両耳地点近傍への出力
実験結果をそれぞれ図－１３，図－１４に示す。ビー
-36-