超音波からの音
Sound transmission method

超音波音とは、能動受信機を用いることなく、変調された超音波から可聴音を生成することを指します。これは、変調された超音波が、意図的か否かに関わらず復調器として機能する非線形媒体を通過する際に発生します。

パラメトリック配列

1960年代初頭から、研究者たちは、ヘテロダイン法を用いてパラメトリックアレイから生成された超音波ビームを指向的に照射し、その非線形相互作用によって指向性低周波音を生成する実験を行ってきました。超音波は可聴音よりもはるかに波長が短いため、通常の可聴周波数を用いたスピーカーシステムよりもはるかに狭いビームで伝播します。この研究のほとんどは、水中音響用途のために液体中で行われました。

空気音響用の最初の現代的な装置は1998年に開発され[1] 、現在では「オーディオスポットライト」という商標名で知られています。この用語は1983年に日本の研究者[2]によって初めて造られましたが、研究者らは1980年代半ばにこの技術は実現不可能であるとして放棄しました。

変換器は、100～110 dBSPLという十分に強力な 変調超音波の狭いビームを投射するように作ることができます。このビームは、通過する空気中の音速を大幅に変えることができます。ビーム内の空気は非線形に振舞い、超音波から変調信号を抽出します。その結果、ビームの経路に沿ってのみ聞こえる音、またはビームが当たるあらゆる表面から放射されるように聞こえる音が生成されます。この技術により、音のビームを長距離投射して、明確に定義された小さな領域でのみ聞こえるようにすることができます。[3]ビームの外側にいるリスナーにとっては、音圧が大幅に低下します。この効果は従来のスピーカーでは実現できません。なぜなら、可聴周波数の音をこのような狭いビームに集束させることができないからです。[3]

このアプローチにはいくつかの制限があります。ビームを遮るものは、スポットライトのビームを遮るのと同じように、超音波の伝播を妨げます。そのため、ほとんどのシステムは照明のように頭上に設置されます。

アプリケーション

商業広告

特定の通行人や非常に近くにいる人だけに聞こえるように、音声信号を指向させることができます。商用アプリケーションでは、スピーカーの周囲の音や関連するノイズを気にすることなく、特定の人物に音を届けることができます。

パーソナルオーディオ

パーソナルオーディオにも活用でき、一人だけに聞こえる音、あるいはグループで聴きたい音を届けることができます。例えば、ナビゲーションの案内は車内の運転手にとってのみ重要であり、同乗者には重要ではありません。また、将来的には、片方の耳で聞こえている音がもう片方の耳で聞こえない、真のステレオサウンドを実現することも可能です。[4]

列車信号装置

指向性音声列車信号は超音波ビームの使用によって実現可能であり、周囲の住宅や事業所への大きな列車信号の迷惑を避けながら列車の接近を警告する。[5]

歴史

この技術は、1960年代半ばにアメリカ海軍とソ連海軍によって水中ソナー用に開発され、1980年代初頭には日本の研究者によって短期間研究されましたが、音質が極めて悪く（歪みが大きい）、システムコストも高額だったため、開発は中止されました。これらの問題は、1998年にマサチューセッツ工科大学のF・ジョセフ・ポンペイ博士が発表した論文[ 1 ]で、可聴歪みを従来のスピーカーと同程度にまで低減する実用的な装置が詳細に説明されるまで、未解決のままでした。

製品

2014 年現在、超音波を使用して可聴音ビームを作成する [update]デバイスが 5 つ市販されていることが知られています。

オーディオスポットライト

MITのF・ジョセフ・ポンペイ氏は「オーディオ・スポットライト」[6]と呼ばれる技術を開発し、2000年に彼の会社であるホロソニックス社から商用化されました。同社のウェブサイトによると、「オーディオ・スポットライト」システムは「数千台」販売されたとのことです。ディズニーはエプコット・センターでこのシステムを採用した最初の大手企業の一つであり、ホロソニックスのウェブサイトには他にも多くの応用例が掲載されています。[7]

オーディオスポットライトは、スポットライトの光と同等の精度で制御可能な狭い音波ビームです。超音波ビームを「仮想音源」として使用することで、音の分布を制御することができます。超音波の波長はわずか数ミリメートルで、音源よりもはるかに短いため、非常に狭いビームで伝播します。人間の可聴範囲をはるかに超える周波数を含む超音波は、全く聞こえません。しかし、超音波ビームが空気中を伝播すると、空気の特性によって超音波は予測可能な形で形状を変化させます。これにより、可聴帯域内に予測可能な周波数成分が生じ、これを制御することが可能になります。

ハイパーソニックサウンド

アメリカン・テクノロジー・コーポレーション（ATC）の創設者兼会長であるエルウッド・「ウッディ」・ノリスは、1996年に超音波による音の伝送を実現する装置の開発に成功したと発表した。[8]この装置は圧電トランスデューサーを用いて、2つの異なる周波数の超音波を一点に向けて送信し、それらの干渉パターンから生じる可聴音がその一点から発生しているかのような錯覚を生じさせた。[9] ATCはこの装置を「HyperSonic Sound」（HSS）と名付け、商標登録した。1997年12月、HSSは『ポピュラーサイエンス』誌の「ベスト・オブ・ワッツ・ニュー」号に取り上げられた。[10] 2002年12月、『ポピュラーサイエンス』誌はHyperSonic Soundを2002年最優秀発明に選んだ。[要出典]ノリスは「極超音速音響」の発明により、 2005年のレメルソンMIT賞を受賞した。 [11] ATC（現在はLRADコーポレーションと改名）は、四半期報告書、プレスリリース、および経営陣の声明によると、2010年9月に長距離音響装置（LRAD）製品に注力するために、この技術をパラメトリックサウンドコーポレーションにスピンオフしました。[12] [13]

三菱電機エンジニアリング株式会社

三菱電機は「MSP-50E」 [14]という超音波製品を提供しており、三菱電機エンジニアリング株式会社から市販されているようです。[15]

オーディオビーム

ドイツのオーディオメーカー、ゼンハイザー・エ​​レクトロニックはかつて「AudioBeam」製品を約4,500ドルで販売していました。[16]この製品が公的な用途で使用された形跡はありません。その後、この製品は製造中止となりました。[17]

文献調査

最初の実験的なシステムは30年以上前に開発されましたが、当初は単純な音しか再生できませんでした。実用的なリスニング用途に使えるシステムが構築されたのは、ずっと後になってからでした（上記参照）。

実験的超音波非線形音響

ここでは、過去にオーディオスポットライトシステムを検証するために行われた実験的アプローチを時系列で概説します。2000年代初頭には、MITメディアラボのポンペイ博士の研究成果を基に設立された企業、ホロソニックス社から、音声と音楽を再生できるオーディオスポットライトの実用版を購入することができました。[18]

関連するトピックは、ほぼ 40 年前に水中音響の分野で研究されていました。

  1. 最初の論文[19]は復調信号の半圧力角の理論的定式化からなるものであった。
  2. 2番目の論文[20]では理論的予測と実験的比較が行われた。

両論文は、米国海軍研究局の支援を受けており、特に水中ソナーパルスへのこの現象の利用を目的としていました。これらのシステムの目標は、高い指向性そのものではなく、通常は帯域制限のあるトランスデューサーの利用可能な帯域幅を拡大することでした。

1970年代には、空中実験システムの開発が空中[21]と水中[22]の両方で活発に行われた。再び米国海軍研究局の支援を受けた水中実験の主目的は、非線形歪みによるソナーパルス伝搬の到達距離限界を明らかにすることであった。空中実験は、音声信号の再生能力の開発ではなく、超音波搬送波と復調波の両方の指向性と伝搬損失に関する定量的なデータを記録することを目的としていた。

1983年にこのアイデアは実験的に再検討されましたが[2]、今度は、このシステムを空中で使用して、非常に指向性のある方法でより複雑なベースバンド信号を形成することを分析するという明確な目的がありました。これを実現するために使用された信号処理は、事前補償のない単純なDSB-AMであり、入力信号に事前補償が適用されなかったため、このシステムのTHD（全高調波歪み）レベルは、おそらく音声再生には十分でしたが、音楽の再生には法外なものだったでしょう。実験装置の興味深い特徴[2]は、547個の超音波トランスデューサーを使用して、4メートルで130dbを超える40kHzの超音波音源を作り出したことです。これには、重大な安全上の考慮が必要になります。[23] [24]この実験は、超音波システムを使用してオーディオ信号を再生する可能性を明確に示しましたが、特に事前補償を使用しない場合に、システムが大きな歪みに悩まされることも示しました。

理論的な超音波非線形音響

非線形音響を支配する方程式は非常に複雑であり[25] [26]、残念ながら一般的な解析解は存在しません。通常はコンピュータシミュレーションを使用する必要があります[27] 。しかし、1965年にはすでに、Berktay はいくつかの単純化された仮定の下で解析を行っており[28]、復調された SPL を振幅変調された超音波搬送波圧力 P cとさまざまな物理パラメータで表せるようにしています。復調プロセスは損失が非常に大きく、超音波 SPL から可聴波 SPL までの損失は最小で 60 dB 程度であることに注意してください。Berktay の式 (式 1) を基に、ベースバンド信号エンベロープ E の平方根を取り、2 回積分して二重部分時間微分の効果を反転させることで、事前補償方式を作成できます。平方根関数のアナログ電子回路等価物は、単にフィードバック付きのオペアンプであり、イコライザーは積分関数に類似しています。ただし、これらのトピック領域はこのプロジェクトの範囲外です。

p 2 ( x , t ) = K ⋅ P c 2 ⋅ ∂ 2 ∂ t 2 E 2 ( x , t ) {\displaystyle p_{2}(x,t)=K\cdot P_{c}^{2}\cdot {\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}E^{2}(x,t)}

どこ

  • p 2 ( x , t ) = {\displaystyle p_{2}(x,t)=\,} 可聴二次圧力波
  • K = {\displaystyle K=\,} その他の物理的パラメータ
  • P c = {\displaystyle P_{c}=\,} 超音波搬送波のSPL
  • E ( x , t ) = {\displaystyle E(x,t)=\,} エンベロープ機能（DSB-AMなど）

この式は、可聴復調された超音波圧力波（出力信号）が、包絡線関数（入力信号）の2回微分・2乗バージョンに比例することを示しています。前置補償とは、これらの変換を予測し、入力に逆変換を適用することで、出力が変換前の入力に近づくことを期待する手法を指します。

1990 年代までには、オーディオ スポットライトは動作するものの、大きな歪みが発生することがよく知られていました。また、プリコンペンセイション方式により、超音波トランスデューサの周波数応答に余分な負荷がかかることもわかっていました。実際、トランスデューサは、デジタル プリコンペンセイションの要求、つまりより広い周波数応答に対応する必要がありました。1998 年には、Berktay の式に基づくプリコンペンセイション方式を使用したコンピュータ シミュレーションにより、超音波トランスデューサの不十分な広い周波数応答が THD に及ぼす悪影響が定量化されました[29] 。1999 年の Pompei の論文[18]では、新しいプロトタイプ トランスデューサが、再び Berktay の式に基づくプリコンペンセイション方式によって超音波トランスデューサに課せられた周波数応答の増加要求をどのように満たしたかが説明されました。さらに、プリコンペンセイション方式を使用した場合の出力の THD の大幅な減少が、プリコンペンセイションを使用しない場合と比較してグラフ化されました。

要約すると、40年前に水中ソナーから生まれた技術は、ポンペイの論文と装置によって空気中の可聴音の再生に実用化され、AES論文（1998年）によれば、歪みが従来のスピーカーシステムに匹敵するレベルまで低減されたことが実証されました。

変調方式

非線形相互作用により、超音波トーンが空気中で混合され、和周波数と差周波数が生成されます。適切な大きさのベースバンド DC オフセットを備えた DSB (両側波帯) 振幅変調方式は、変調されたオーディオ スペクトルに重ね合わせた復調トーンを生成するためのもので、目的のベースバンド オーディオ スペクトルをエンコードする信号を生成する 1 つの方法です。この技術では、復調トーンが干渉するだけでなく、存在する他のすべての周波数が互いに干渉するため、非常に大きな歪みが生じます。変調されたスペクトルはそれ自体と畳み込まれ、畳み込みの長さの特性により帯域幅が 2 倍になります。元のオーディオ スペクトルの帯域幅におけるベースバンド歪みは、信号に重ね合わせた DC オフセット (復調トーン) の大きさに反比例します。トーンが大きいほど、歪みは少なくなります。

復調過程における2階微分特性によって、さらなる歪みが生じます。その結果、所望の信号は周波数関数-ω²で乗算されます。この歪みは、プリエンファシスフィルタリング（高周波信号の振幅を増幅する）によって除去できます。

フーリエ変換の時間畳み込みの性質により、時間領域における乗算は周波数領域における畳み込みとなります。ベースバンド信号とユニティゲインの純搬送波周波数との畳み込みは、ベースバンドスペクトルの周波数をシフトさせ、その振幅を半分にしますが、エネルギーは失われません。周波数軸の各半分には、レプリカの半分のスケールのコピーが1つずつ存在します。これはパーセバルの定理と一致しています。

変調度mは、復調信号の全高調波歪みを評価する際に便利な実験パラメータです。これはDCオフセットの大きさに反比例します。THDはm 1 ²に比例して増加します。

これらの歪み効果は、非線形音響効果の差動二乗装置の性質を利用する別の変調方式を使用することで、より効果的に緩和できる可能性があります。DC オフセットを追加せずに、目的のベースバンド オーディオ信号の平方根の 2 次積分を変調すると、非線形チャネル効果により、変調された平方根スペクトル (元の信号の帯域幅の半分) の周波数における畳み込みが、それ自体と畳み込まれます。この周波数における畳み込みは、信号自体の時間における乗算、つまり二乗です。これにより、スペクトルの帯域幅が再び 2 倍になり、入力オーディオ スペクトルの 2 次時間積分が再現されます。この 2 重積分により、非線形音響効果に関連する -ω² フィルタリング特性が補正されます。これにより、ベースバンドでスケーリングされた元のスペクトルが復元されます。

高調波歪みのプロセスは、どちらの変調方式においても、各二乗復調に伴う高周波レプリカに関係しています。これらのレプリカは反復的に復調と自己変調を行い、スペクトル的にぼかされ、時間指数化された元の信号のコピーをベースバンドと元の中心周波数の2倍に加算します。1回の反復は、エミッターとターゲット間の空間を1往復するごとに発生します。この非線形効果は、位相速度ベクトルが平行で共線的な音だけが干渉して生成します。偶数回目の反復では、ベースバンドと高周波の変調生成物がターゲットからの反射放射として生成されます。奇数回目の反復では、変調生成物がエミッターからの反射放射として生成されます。

この効果は、エミッタとリフレクタが平行でない場合でも当てはまりますが、回折効果により、各反復のベースバンド製品は毎回異なる場所から発生し、発生場所は反射された高周波自己変調製品のパスに対応します。

これらの高調波コピーは、空気中を伝播する際に、高周波数での自然損失によって大幅に減衰されます。

空気中の超音波の減衰

[30]に示されている図は、超音波が空気中を伝播する際に受ける減衰の推定値を示しています。このグラフの数値は完全に線形な伝播に対応しており、非線形復調現象が空気中の超音波搬送波の減衰に及ぼす正確な影響は考慮されていません。湿度には興味深い依存性があります。しかしながら、50kHzの波は1気圧において1mあたり1dB程度の減衰を受けます。

高強度超音波の安全な使用

非線形効果が発生するには、比較的高強度の超音波が必要である。超音波トランスデューサーの面から公称距離1mで、発生する音圧レベル（SPL）は通常100dBを超える。 [要出典]可聴域（20～40kHz）付近で140dBを超える強力な超音波[要出典]に曝露すると、吐き気、頭痛、耳鳴り、疼痛、めまい、疲労などの症状を伴う症候群を引き起こす可能性があるが[24]、これは前述の100dBレベルの約100倍であり、通常は問題にならない。Audio SpotlightのJoseph Pompei博士は、同社の製品が3mの距離で測定した場合、約130dB（60kHz）の超音波音圧レベルを生成することを示すデータを公開している。[31]

英国の独立機関である非電離放射線諮問委員会（AGNIR）は、2010年に超音波と超低周波音への人体曝露による健康影響に関する180ページの報告書を作成した。英国健康保護庁（HPA）は報告書を発表し、一般大衆に対する空中超音波音圧レベル（SPL）への曝露限度を100dB（25kHz以上）とすることを推奨した。[32]

OSHAは、変換器表面または結合媒体との接触の可能性がない（すなわち、水中にある）限り、空中で商用システムで使用される周波数範囲での超音波曝露の安全上限値を145 dB SPLと指定している。[33]これは、商用オーディオスポットライトシステムで使用される最高レベルの数倍であるため、安全のための十分な余裕がある[引用が必要]。国際的に許容される曝露限界のレビューにおいて、Howardら（2005年）[34]は標準化団体間の一般的な合意を指摘したが、米国労働安全衛生局（OSHA）が特定の条件下で曝露限界をさらに30 dB（強度で1000倍に相当）上げるという決定に懸念を表明した。 [35]

25～50kHzの超音波周波数については、1970年代後半から1980年代初頭にかけて、カナダ、日本、ソ連、国際放射線防護機関（IRPA）が110dB、スウェーデン[24]が115dBというガイドラインを推奨していましたが、これらは主に主観的な影響に基づいていました。上記のOSHA（労働安全衛生局）の最近のガイドラインは、1987年のACGIH（米国産業衛生専門家会議）の研究に基づいています。

ロートン（2001）[36]は、英国健康安全執行局（HSE）が発表した報告書の中で、空中超音波に関する国際ガイドラインをレビューしました。この報告書には、1988年に米国産業衛生専門家会議（ACGIH）が発行したガイドラインに関する議論も含まれています。ロートンは、「このレビュー担当者は、ACGIHが許容曝露限界を、潜在的に有害な曝露の限界ぎりぎりまで押し上げていると考えている」と述べています。ACGIHの文書では、聴覚保護の必要性についても言及されています。

参照

その他のリソース

  • 2004年8月17日に出願された米国特許6,778,672号は、超音波を使用して以下のことを行うHSSシステムについて説明しています。
    • さまざまな位置の乗客に、個別の「車内エンターテイメント」を直接提供します。
    • 車内の電波を整形して、不要な騒音を抑えます。

参考文献

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  • Holosonicsオーディオスポットライト
  • 超音速音
  • ネクストフェスト
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