サラウンドパラメトリックスピーカを用いたキャリア波と側帯波の分離放射によるオーディオスポット形成

Audio Spot Design Based on Separating Emission of Carrier and Sideband Waves

using Surrounding Parametric Loudspeakers

松井唯 † 生藤大典 † 中山雅人 ‡ 西浦敬信 ‡

†立命館大学大学院情報理工学研究科‡立命館大学情報理工学部

Tadashi MATSUI† Daisuke IKEFUJI†

Masato NAKAYAMA‡ Takanobu NISHIURA‡

†Graduate School of Information Science and Engineering, Ritsumeikan University

‡College of Information Science and Engineering, Ritsumeikan University

アブストラクト パラメトリックスピーカは，振幅変調波を大振幅で放射し，その振幅変調波に含まれるキャリア波と側帯波の差音が空気中で可聴音として復調される原理で駆動する．本研究では，振幅変調波をキャリア波と側帯波に分離して，複数のパラメトリックスピーカを用いて異なる方位よりそれぞれ放射することで，特定の領域のみで可聴音波を復調させる再生領域制御法を提案している．特に本稿では，受聴者を囲むようにパラメトリックスピーカを配置したサラウンドパラメトリックスピーカを用いることで，再生領域を拡張する手法を検討した．最後に，実環境における再生音圧に関する評価実験より，提案手法の有効性を確認した．

1 はじめに

近年，超指向性を有するスピーカとしてパラメトリックスピーカが注目されている [1]．パラメトリックスピーカは，超音波を可聴音で変調した振幅変調波を大振幅で放射し，振幅変調波内のキャリア波と側帯波の差音が空気中で可聴音として復調される原理で駆動する [2], [3]．パラメトリックスピーカと受聴させたい対象のユーザの間に他のユーザがいる場合や室内の反射の影響により，対象以外のユーザに対してもオーディオスポットが形成されてしまう問題点があった．我々はこれまでに，振幅変調波をキャリア波と側帯波に分離して，異なる方位よりそれぞれ放射することで，2つの音波が重なる特定の領域のみで可聴音を復調させるオーディオスポット形成手法を提案している [4]．これまでの提案手法では，受聴者の頭部により放射音が遮断されることで，受聴者の片耳付近の狭い領域に再生領域が形成されていた．本稿では，受聴者を囲むようにパラメトリックスピーカを配置して，全方位から放射音を到来させることで，再生領域の拡張を試みる．

2 キャリア波と側帯波の分離放射によるオーディオスポット形成の原理

パラメトリックスピーカは，超音波を可聴音波で変調した振幅変調波を大振幅で放射し，空気の非線形成により元の可聴音に自己復調する原理で駆動する [2], [3]．パラメトリックスピーカから放射する振幅変調波 vssb(t)は次式のように表される [5]．

vssb(t) = Ac sin 2πfct

+

∫ fc

fc−bM

Af

2ej(2π(fc−f)t−θf )df (1)

ここで，t [s]は時刻，Acはキャリア波の最大振幅，fc [Hz]

はキャリア波の周波数，bM [Hz]は復調対象の音響信号が周波数成分をもつ最高周波数，Af , θf [rad]は可聴音波における周波数 f [Hz]の振幅と位相である．第一項Ac sin 2πfct

はキャリア波であり，第二項∫ fcfc−bM

Af

2 ej(2π(fc−f)t−θf )df

は側帯波である．パラメトリックスピーカは，キャリア波と側帯波の差音が可聴音として復調される原理であるため，どちらか一方の波が存在しない場合，再生したい可聴音には復調されない．そこで，これまでに本研究では，振幅変調波をキャリア波と側帯波に分離して別の方位から放射することで，キャリア波と側帯波が重なる領域のみにオーディオスポットを形成する手法を提案した [4]．

これまでは，受聴者の頭部により放射音が遮断され，受聴者の片耳付近の狭い領域に再生領域が形成されていた．そこで，受聴者を囲むようにパラメトリックスピーカを配置したサラウンドパラメトリックスピーカを用いて，全方位から放射音を到来させることで，再生領域を拡張する手法を提案する．図 1は，サラウンドパラメトリックスピーカを用いた提案手法の概略である．図 1において，PLc

はキャリア波を放射するパラメトリックスピーカ，PLsは側帯波を放射するパラメトリックスピーカである．

第28回信号処理シンポジウム 2013年11月19日～22日（下関）

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: Parametoric loudspeaker

for carrier wave (PLc)

: Parametoric loudspeaker

for sideband wave (PLs)

ric loudspeaker

ric loudspeaker

ric loudspeaker

ric loudspeaker

図 1: サラウンドパラメトリックスピーカを用いた提案手法の概略図

1.0 m

0.1 m 45 °

Dep

th [m

]

Width [m]-0.3 0 0.3

0.3

0 -0

.3

PLc PLs

Dummy head

(a) パラメトリックスピーカ対を用いた分離放射

1.0 m

0.1 m 45 °

Dep

th [m

]

Width [m]-0.3 0 0.3

0.3

0 -0

.3

PLs

Dummy head

PLc

PLc

PLc

(b) サラウンドパラメトリックスピーカを用いた分離放射

図 2: 実験環境

3 評価実験

提案手法の有効性を確認するため，ダミーヘッド周辺において，復調された可聴音の再生音圧レベルを計測する評価実験を実施した．

3.1 実験条件

図 2に実験環境，表 1に実験条件, 表 2に実験機器を示す．本実験では，パラメトリックスピーカ対を用いた分離放射，サラウンドパラメトリックスピーカを用いた分離放射に対して評価実験を実施した．図 2において，PLc

はキャリア波を放射するパラメトリックスピーカ，PLsは側帯波を放射するパラメトリックスピーカである．

3.2 実験結果と考察

図 3 に実験結果を示す．図 3(a) のパラメトリックスピーカ対を用いた分離放射による再生音の音圧分布より，ダミーヘッド近傍において，パラメトリックスピーカ側の側面付近では 65～55 dB程度の音圧が得られたことが確認できる．一方，反対の側面付近では 40 dB以下の音圧であり，比較すると低い音圧となっている．また，図 3(b)

のサラウンドパラメトリックスピーカを用いた分離放射

表 1: 実験条件Sampling frequency 96 kHz

Quantization 16 bits

Carrier frequency 40 kHz

Ambient noise level LA =32.4 dB

Evaluated frequency 0～8 kHz

Sound source Isolated word /nyujo:/

表 2: 実験機器Parametric loudspeaker MITSUBISHI, MSP-50E

Loudspeaker amplifier VICTOR, PS-A2002

Microphone SONY, ECM-88B

A/D, D/A converter ROLAND, UA-1010

Dummy head NEUMANN, KU100

: Parametoric loudspeaker

for carrier wave (PLc)

: Parametoric loudspeaker

for sideband wave (PLs)

ric loudspeaker ric loudspeaker

(a) パラメトリックスピーカ対を用いた分離放射による再生音の音圧分布

(b) サラウンドパラメトリックスピーカを用いた分離放射による再生音の音圧分布

図 3: 実験結果

による再生音の音圧分布より，ダミーヘッド近傍のほぼ全方位において，図 3(a)における高音圧の領域と同等の再生音圧を得られることが確認できた．すなわち，サラウンドパラメトリックスピーカを用いることで，再生領域を拡張可能であることが明らかとなった．以上の実験結果より，提案手法の有効性を確認できた．しかしながら，図 3(b)におけるダミーヘッドの左下部分に相当する領域で，他のダミーヘッド周辺の領域と比較して低い音圧であることが確認できる．これは，パラメトリックスピーカの個体差による放射音圧の低下のためと確認した．

4 おわりに

本稿では，キャリア波と側波帯の分離放射によるオーディオスポット形成手法おいて，サラウンドパラメトリックスピーカを用いることで，再生領域の拡張を検討した．評価実験の結果より提案手法の有効性が確認できた．今後は，サラウンドパラメトリックスピーカを用いた際の再生音圧レベルの均一化，再生音質の改善を目指す．

謝辞 本研究の一部は科研費による助成を受けた．

参考文献[1] M. Yoneyama, J. Fujimoto, Y. Kawamo, and S. Sasabe,

“The audio spotlight: An application of nonlinear inter-action of sound waves to a new type of loudspeaker de-sign,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 73, no. 5, 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, vol. 62, no. 11, pp. 791–797, 2006.

[3] 鎌倉 友男, “非線形音響学の基礎,” 愛智出版, 1996．[4] 松井唯,生藤大典,中山雅人,西浦敬信, “キャリア波と側波帯の分離放射によるオーディオスポット形成の基礎的検討,”日本音響学会 2012 年秋季研究発表会講演論文集, pp.867-868, 2012.

[5] 酒井 新一, 鎌倉 友男, 野村 英之, 吉田 俊治, “パラメトリックスピーカ用ダイナミック SSB変調器,” 電子情報通信学会論文誌，Vol. J91-A，No. 12，pp. 1166–1173，2008.

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