パラメトリック・スピーカー（指向性スピーカー）の仕組みと製作方法

 特定の範囲にのみ音を届けるパラメトリック・スピーカー（指向性スピーカー）の仕組みと製作方法を解説しています。この技術は超音波を利用しており、直進性の高い音波を特定のターゲットに照射することで、周囲の人に気づかれずに本人だけに音を聴かせることが可能です。テキスト内では、**振幅変調（AM）やパルス幅変調（PWM）**といった信号処理技術に加え、空気の非線形特性による歪みの課題についても触れられています。また、LRAD（長距離音響発生装置）のような軍事・警備転用から、美術館や図書館での案内といった平和的な利用まで、幅広い応用例が示されています。設計の核心として、多数の超音波送信機を配列（アレイ化）することで、音圧の維持と高い指向性を両立させる手法が提案されています。最終的に、自作回路による実験結果を通じて、理論が実際に機能することが証明されています。

超音波指向性スピーカーシステムの構造

 超音波指向性スピーカー回路の作り方

この記事では、パラメトリックスピーカーとも呼ばれる超音波指向性スピーカーシステムの構造について説明しました。このシステムは、特定の場所または領域に音声周波数を送信することで、その場所にいる人は音を聞くことができますが、隣にいる人や領域外の人は音に全く影響を受けず、その動作に気づくこともありません。

発明・製作：三浦一徳（日本）

長距離音響装置（LRAD）の試験で得られた優れた結果を受けて、アメリカン・テクノロジー・コーポレーションはLRAD社に社名を変更しました。2010年3月25日、LRAD社はオーディオスポットライトとも呼ばれるこの装置をLolosonic Research Labs, Inc.の製品として開発し、軍事用途以外で使用されています。

この装置は、特定の領域のみに集中した音波ビームを生成するように設計されています。この装置は、美術館、図書館、展示ギャラリーなど、周囲の人が静かに過ごしている間に、音ビームを用いて警告メッセージを送ったり、特定の行動をとっている人に指示を出したりするのに非常に適しています。

このようなパラメトリックスピーカーシステムから発せられる集中的な音響効果は非常に正確で、対象者は、隣にいる人には全く気づかれない一方で、自分だけが集中した音響コンテンツを体験することに驚嘆するでしょう。

パラメトリックスピーカーの動作原理

パラメトリックスピーカー技術は、ほぼ視線方向を伝播する特性を持つ超音波領域の音波を使用します。

しかし、超音波領域は20kHzを超える場合（正確には40kHz）、人間の耳には全く聞こえない可能性があるため、システムはどのように集中ゾーンで音波を聞き取れるようにしているのでしょうか？

これを実現する一つの方法は、2つの40kHzビームを重ね合わせ、一方のビームに1kHzの可聴周波数を持たせ、特定の地点で合流するように角度をつけて配置することです。この2つの40kHzの成分は互いに打ち消し合い、特定の地点で1kHzの周波数が聞こえるようにします。

このアイデアは一見シンプルに見えますが、LRADとは正反対に、対象地点での音量が低いため、効果が出にくくなり、対象者を気絶させたり無力化したりするには不十分です。

超音波を用いて可聴指向性音を生成する他の現代的な方法としては、振幅変調（AM）、両側波帯変調（DSB）、片側波帯変調（SSB）、周波数変調（FM）などがありますが、これらの概念はすべて、最近研究されているパラメトリックスピーカーシステム技術に基づいています。

言うまでもなく、110dB以上の超音波は、長い気団「チューブ」を伝播する過程で、音圧分布が不均一になる可能性があります。

音圧の不均一性により、大きな歪みが生じる可能性があり、美術館やギャラリーなどの静かな場所での使用には非常に望ましくない場合があります。

上記の非線形応答は、空気分子が元の密度に戻るまでの時間が、分子を圧縮するのにかかる時間よりも比較的長いために生じます。高圧で発生する音は周波数も高くなり、分子が圧縮されている分子と衝突する際に衝撃波が発生する傾向があります。

正確に言うと、可聴音は振動する空気分子で構成されており、それらは完全には「元に戻らない」ため、音の周波数が高くなると、不均一性によって「空気粘性」と最もよく定義される効果により歪みが大きく聞こえやすくなります。

そのため、メーカーは歪みを最小限に抑えながら音響再生を大幅に向上させるDSP指向性スピーカーコンセプトを採用しています。

さらに、単一指向性でクリアなサウンドスポットを実現するために、高度なパラメトリックトランスデューサースピーカー配置を採用しています。

これらのパラメトリックスピーカーによって生み出される高い指向性は、その狭い帯域幅特性にも起因しており、マトリックス配置によって多数のトランスデューサーを追加するだけで、要求仕様に応じて帯域幅を拡大できます。

パラメトリック2チャンネルスピーカー変調器の概念を理解する

DSBはアナログスイッチング回路を用いて容易に実現できます。発明者は当初これを試みましたが、大きな音は得られましたが、非常に大きな歪みを伴いました。

次に、FM技術に似た概念を採用したPWM回路が試されました。結果として得られる音の出力ははるかに明瞭で歪みはないものでしたが、DSBに比べて強度がはるかに弱いことがわかりました。

この欠点は最終的に、最大50個の40kHzトランスデューサーを並列に接続した2チャンネルのトランスデューサーアレイを配置することで解決されました。