超音波からの音

超音波からの音とは、ここでは、能動受信機を使用せずに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、意図的または意図せずに復調器として機能する非線形媒体を通過するときに発生します。

1960 年代初頭から、研究者たちはヘテロダイン法を用いたパラメトリック アレイによって生成された超音波のビームを非線形に相互作用させて指向性の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波長がはるかに短いため、オーディオ周波数を使用する通常のスピーカー システムよりもずっと狭いビームで伝搬します。作業のほとんどは液体中で行われました (水中音響用)。

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。

トランスデューサーは、100～110 dBSPLの強力な 変調超音波の狭いビームを投射するように作られており、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動作し、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表面から放射されているように見える音が発生します。この技術により、音のビームを遠くまで投射して、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、可聴周波数の音をこのような狭いビームに集中させることができないため、従来のスピーカーでは実現できません。^[3]

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

音声信号は、特定の通行人や近くにいる人だけに聞こえるように向けることができます。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なしで、特定の人物に音声を向けることができます。

これはパーソナルオーディオに使用でき、1人だけに聞こえる音や、グループで聞きたい音を流すことができます。たとえば、ナビゲーションの指示は、車の運転手だけが興味を持ちますが、乗客は興味を持ちません。もう1つの可能性は、片方の耳ではもう一方の耳で聞こえている音が聞こえない、真のステレオサウンドの将来のアプリケーションです。^[4]

指向性音声列車信号は超音波ビームを使用することで実現でき、周囲の住宅や企業に大音量の列車信号が迷惑にならないようにしながら列車の接近を警告します。^[5]

この技術は、もともと1960年代半ばに米国海軍とソ連海軍によって水中ソナー用に開発され、1980年代初頭に日本の研究者によって短期間研究されましたが、音質が非常に悪く（歪みが大きい）、システムコストがかなり高かったため、これらの取り組みは中止されました。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・ポンペイ博士によって発表された論文^[1]で、従来のスピーカーと同程度の可聴歪みを実質的に低減する実用的な装置が完全に説明されるまで、未解決のままでした。

2014 年現在、超音波を使用して可聴音ビームを生成する ^{[アップデート]}デバイスが 5 つ販売されていることがわかっています。

MITのF.ジョセフ・ポンペイは「オーディオスポットライト」と呼ぶ技術を開発し^[6]、2000年に彼の会社ホロソニックスで商業的に販売した。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」台販売されたという。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の多くの応用例が掲載されている。^[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できる狭い音のビームです。超音波ビームを「仮想音源」として使用し、音の分布を制御できます。超音波の波長はわずか数ミリメートルで、音源よりはるかに短いため、非常に狭いビームで自然に伝わります。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、まったく聞こえません。しかし、超音波ビームが空気中を伝わると、空気の固有の特性により、超音波は予測可能な方法で形状を変えます。これにより、予測および制御可能な可聴帯域の周波数成分が発生します。

アメリカンテクノロジーコーポレーション（ATC）の創設者で会長のエルウッド・「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使用して、異なる周波数の2つの超音波を1点に向けて送信し、干渉パターンからの可聴音がその点から発生しているという錯覚を与える。^{[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}Popular ScienceのBest of What's New号の1つに選ばれた。^[10] 2002年12月、Popular ScienceはHyperSonic Soundを2002年最高の発明に選んだ。^[要出典]ノリスは「極超音速音」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 Corporationに改名）は、四半期報告書、プレスリリース、経営陣の声明によると、2010年9月にパラメトリックサウンドコーポレーションに技術をスピンオフし、長距離音響装置（LRAD）製品に注力しました。^{[12] [13]}

三菱は「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社から市販されているようです。^[15]

ドイツのオーディオメーカーであるゼンハイザー・エ​​レクトロニックはかつて「オーディオビーム」製品を約4,500ドルで販売していた。^[16]この製品が公共の用途で使用された形跡はない。この製品はその後製造中止となった。^[17]

最初の実験的なシステムは 30 年以上前に構築されましたが、これらの最初のバージョンでは単純な音しか再生できませんでした。システムが実際のリスニング用途向けに構築されたのはずっと後のことでした (上記を参照)。

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まとめます。2000 年代初頭には、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バージョンが、MITメディアラボのポンペイ博士の研究を基に設立された会社 Holosonics から購入できました。^[18]

関連するトピックは、水中音響の分野で約 40 年前に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で構成されていた。
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。

どちらの論文も、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にこの現象を利用する目的で使用されました。これらのシステムの目標は、指向性そのものの高さではなく、通常は帯域制限のあるトランスデューサーの使用可能な帯域幅を高めることでした。

1970年代には、空中^[21]と水中^[22]の両方で実験的な航空機搭載システムの活動が見られました。再び米国海軍研究局の支援を受けて、水中実験の主な目的は、非線形歪みによるソナーパルス伝播の範囲制限を決定することでした。航空機搭載実験は、オーディオ信号を再生する機能を開発するのではなく、超音波搬送波と復調波の両方の指向性と伝播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ました。

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、システムを空中で使用して、非常に指向性の高い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確固たる目的がありました。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でした。実験セットアップの興味深い特徴^[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の超音波音源を生成したことです。これには、重大な安全上の考慮が必要です。^{[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。

非線形音響を支配する方程式は非常に複雑で^{[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 が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]、これにより復調された 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なりました。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 を参照) 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することで、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に相当するものは、フィードバック付きのオペアンプだけであり、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。

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

どこ

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

この式は、可聴復調超音波圧力波 (出力信号) が、エンベロープ関数 (入力信号) の 2 度微分された 2 乗バージョンに比例することを示しています。事前補償とは、これらの変換を予測し、入力に逆変換を適用して、出力が変換されていない入力に近づくことを期待するトリックを指します。

1990 年代までに、オーディオ スポットライトは機能するものの、歪みが激しい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さらなる要求が課されることも知られていました。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に広い周波数応答が THD に与える悪影響が定量化されました^{[29] 。1999 年の Pompei の記事[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 の大幅な削減が、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始まった技術は、ポンペイの論文と装置によって空中での可聴音の再生に実用化され、彼の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。

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って帯域幅が 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。

復調プロセスの 2 次微分特性によって、さらに歪みが生じます。その結果、目的の信号が周波数の関数 -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 (高周波信号の振幅の増加) を使用することで均等化できます。

フーリエ変換の時間畳み込み特性により、時間領域での乗算は周波数領域での畳み込みになります。ベースバンド信号とユニティ ゲインの純粋な搬送周波数間の畳み込みにより、ベースバンド スペクトルの周波数がシフトし、その大きさは半分になりますが、エネルギーは失われません。レプリカの半分のスケールのコピーが周波数軸の各半分に存在します。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とき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、非線形音響効果の微分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、より緩和され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 番目の積分を変調すると、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) の周波数畳み込みが、それ自体と畳み込まれます。この周波数畳み込みは、信号自体の時間乗算、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 番目の時間積分が再現されます。この二重積分により、非線形音響効果に関連する -ω² フィルタリング特性が修正されます。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、どちらの変調方式でも、各二乗復調に関連する高周波レプリカに関係しています。これらは反復的に復調および自己変調し、スペクトルがぼやけて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 倍に毎回追加します。1 回の反復は、エミッターとターゲット間の空間の 1 回のトラバースに対応します。この非線形効果を生成するために干渉するのは、平行で共線的な位相速度ベクトルを持つ音だけです。偶数回の反復では、ターゲットからの反射放射として、変調製品、ベースバンドおよび高周波が生成されます。奇数回の反復では、エミッターからの反射放射として、変調製品が生成されます。

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します。

^[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の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。それでも、50 kHz の波は、1 気圧で 1 メートルあたり 1 dB 程度の減衰を受けます。

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す。関与するSPLは、超音波トランスデューサーの表面から 1 メートルの公称距離で、通常 100 dB を超える超音波でした。^[要出典]可聴範囲 (20～40 kHz) 付近で140 dB を超えるより強力な超音波 [要出典] にさらされると^{、吐き気、頭痛、}耳鳴り、痛み、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りますが、 ^[24]これは上記の 100 dB レベルの約 100 倍であり、通常は問題になりません。Audio Spotlight の Joseph Pompei 博士は、同社の製品が 3 メートルで測定された超音波音圧レベルが約 130 dB (60 kHz) であることを示すデータを公開しました。^[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、一般大衆の空中超音波音圧レベル（SPL）への曝露限度を100dB（25kHz以上）に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場合（つまり水中に沈んでいる場合）に限り、空中で商用システムで使用される周波数範囲で超音波の安全な上限値を145 dB SPL曝露と指定しています。^[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ります^[要出典]。国際的に許容される曝露限界のレビューで、Howardら（2005）^[34]は、標準化団体間の一般的な合意を指摘しましたが、米国の労働安全衛生局（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ました。 ^[35]

25～50kHzの超音波周波数については、1970年代後半から1980年代前半にかけて、カナダ、日本、ソ連、国際放射線防護機関によって110dBのガイドラインが推奨され、スウェーデン^[24]によって115dBが推奨されていましたが、これらは主に主観的な影響に基づいたものでした。上記のより最近のOSHA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、英国の健康安全局が発行した報告書の中で、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。これには、1988年にアメリカ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が許容できる曝露限界を、潜在的に有害な曝露の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。

• 指向性音
• 超低周波音

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