3GHz帯マイクロ波発生回路設計と25dBm出力増幅の最適構成
2026年4月22日水曜日
2025年12月31日水曜日
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。
2025年12月29日月曜日
電気触覚ディスプレイの解説
皮膚下の神経を電気刺激することで触覚を提示する電気触覚ディスプレイの仕組みと設計手法を解説しています。機械的駆動部がないため軽量・薄型かつ低消費電力という利点がありますが、一方で感覚の安定性や回路設計の難易度が課題とされています。技術面では、神経膜を脱分極させるアクティベイティング・ファンクションの理論や、痛みを抑えつつ効率的に刺激を与えるためのパルス幅と高さの関係が詳述されています。また、電極の極性による感覚の違いや、高電圧スイッチング回路を用いたハードウェア構成についても触れています。さらに、汗や皮膚の状態による感覚のばらつきを防ぐため、インピーダンス計測を用いたフィードバック等の解決策が提示されています。最終的に、視覚障害者支援やタッチパネルへの応用など、将来的な実用化に向けた技術的要点をまとめた総合的なガイドとなっています。
2023年10月26日木曜日
2023年5月9日火曜日
2022年5月12日木曜日
2022年4月22日金曜日
エナジーハーベスティングの回路設計及び基板設計
エナジーハーベスティングの回路設計及び基板設計が完了した。
動作確認もOKです。今回は、3回目の試作で仕様を満たしました。
今回は、キーデバイスに、LTC3114(同期整流式昇降圧DC/DCコンバータ)
今回は、キーデバイスに、LTC3114(同期整流式昇降圧DC/DCコンバータ)
を採用しました。
2022年3月12日土曜日
エナジーハーベスティング回路実験
出力電流が少なく、EDLCへの充電は時間がかかります。EDLCのメリットは、電流の
出し入れが容易であります。
今回は、EDLCを並列接続にて、容量Fを最優先しているため、充電時間がかかります。
最終的には、５V出力ですので、３Vから昇圧回路にて処理します。２つのパターンがあり、
１Vから昇圧する場合と2.５Vから昇圧する方法があります。
今回は、電流は0.２Aで考えています。
もう少し、回路実験を行い来週、基板にする予定です。
エナジーハーベスティング回路基板はMEB-EH1を採用しています。
EDLCを任意で６個まで並列接続できます。
MIセンサーのセンシング回路実験
MIセンサーを採用で磁場を測定できます。今回は、３軸になります。
センサーにある一定条件のパルス波形を入力します。
センシング回路を経て、ADコンバーター、MCU経由でセンサーネットワークに
送信されます。
2021年11月11日木曜日
配線長による電圧降下の計算方法について
配線長による電圧降下の計算は、下記のURLより計算出来ます。
http://www.musicworld.jp/ec/voltagedrop.html
AWGの断面積は、下記より、決定します。
AWG換算表
| ワイヤーゲージ | 外径 | 断面積 |
|---|---|---|
| AWG1 | 7.348mm | 42.41mm2 |
| AWG2 | 6.543mm | 33.63mm2 |
| AWG3 | 5.827mm | 26.67mm2 |
| AWG4 | 5.189mm | 21.15mm2 |
| AWG5 | 4.620mm | 16.77mm2 |
| AWG6 | 4.115mm | 13.30mm2 |
| AWG7 | 3.665mm | 10.55mm2 |
| AWG8 | 3.264mm | 8.368mm2 |
| AWG9 | 2.906mm | 6.633mm2 |
| AWG10 | 2.588mm | 5.260mm2 |
| AWG11 | 2.304mm | 4.169mm2 |
| AWG12 | 2.052mm | 3.309mm2 |
| AWG13 | 1.829mm | 2.627mm2 |
| AWG14 | 1.628mm | 2.082mm2 |
| AWG15 | 1.450mm | 1.652mm2 |
| AWG16 | 1.290mm | 1.308mm2 |
| AWG17 | 1.151mm | 1.040mm2 |
| AWG18 | 1.024mm | 0.8233mm2 |
| AWG19 | 0.9119mm | 0.6529mm2 |
| AWG20 | 0.8128mm | 0.5189mm2 |
| AWG21 | 0.7239mm | 0.4116mm2 |
| AWG22 | 0.6426mm | 0.3243mm2 |
| AWG23 | 0.5740mm | 0.2589mm2 |
| AWG24 | 0.5105mm | 0.2047mm2 |
| AWG25 | 0.4547mm | 0.1624mm2 |
| AWG26 | 0.4039mm | 0.1281mm2 |
| AWG27 | 0.3607mm | 0.1022mm2 |
| AWG28 | 0.3200mm | 0.08046mm2 |
| AWG29 | 0.2870mm | 0.06471mm2 |
| AWG30 | 0.2540mm | 0.05067mm2 |
| AWG31 | 0.2261mm | 0.04014mm2 |
| AWG32 | 0.2032mm | 0.03243mm2 |
| AWG33 | 0.1803mm | 0.02554mm2 |
| AWG34 | 0.1600mm | 0.02011mm2 |
| AWG35 | 0.1422mm | 0.01589mm2 |
| AWG36 | 0.1270mm | 0.01267mm2 |
| AWG37 | 0.1143mm | 0.01026mm2 |
| AWG38 | 0.1016mm | 0.00811mm2 |
2021年8月5日木曜日
2021年7月29日木曜日
2021年7月28日水曜日
LTC3260を活用した正負電源回路の回路実験
LTC3260を活用した正負電源回路の回路実験を行いました。
LTC3260の評価ボードを使用し、±5[V]出力の実験を行いました。
抵抗で出力電圧を設定しますが、公差の少ない抵抗値を選定すれば、
高精度出力になります。
EN+及びEN-については、Highにて、ONさせます。
回路基板に実装していきます。
高精度出力になります。
EN+及びEN-については、Highにて、ONさせます。
回路基板に実装していきます。
2021年6月23日水曜日
2021年4月12日月曜日
ブリッジ回路入力の増幅回路について
熱電対の微小信号をブリッジ回路経由で作動オペアンプで検出し、
必要な信号まで増幅します。ゼロ点調整も行います。
この回路設計に必要なスキルは、
①差動アンプ回路
②ゼロ点調整回路
上記の２点です。
使用を満たすデバイスの最適な選定も必要になります。
このような回路の場合、SPICEシミュレーションで検証するスキルも
必要になります。オペアンプのSPICEモデルは入手性も良くなってき
ています。
上記の事例は、熱電対のブリッジ回路ですが、圧力センサー、歪みセンサー
にも有効です。
また、ブリッジ回路をセンサーに置き換えると、微小信号の増幅という
観点で見ると、応用適応範囲が広がります。
センシング回路として、多くの分野で活用できます。
堀米 毅
2021年2月11日木曜日
2020年5月12日火曜日
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