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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。

Programming Vehicles in Games

 Wasim Al-Hajumar氏（オンライン名：Wassimulator）が、ゲーム内での車両プログラミングについて解説しています。本職が外科医である彼が、趣味としてプログラミングを始めた経緯や、車両の物理挙動をシミュレートする上での課題を紹介しています。エンジン、タイヤ、シャシーという3つの主要コンポーネントに焦点を当て、それぞれの動作原理や実装方法を詳細に説明しています。特に、タイヤの摩擦円やスリップ比・スリップ角といった複雑な概念が、車両の挙動にどう影響するかを深く掘り下げており、リアルな運転体験をゲームで再現するための工夫と妥協点が語られています。

公開しているドキュメントはこちらです。

ACのヨットシミュレータ

ACのヨットシミュレータが2024年4月9日にリリースされました。
ここが情報源になります。

少し、遊びましたが、面白いです。

Build Your Own Phased Array Beamformer

 

マイクロピペットの事前準備について

周波数→周期変換

周波数→周期変換をしてくれるサイトです。

何故 デジタル電源が良いのか？

Why Digital Power Supply? from Tsuyoshi Horigome

何故、アナログ電源に比べてデジタル電源が良いのか？
特に低電圧化はアナログ電源回路では困難である。なぜならば、
フィードバック制御にエラーアンプがあり、基準電圧が存在する。
この基準電圧以下には出力電圧は設定できない。これが大きな
縛りである。

また、高効率化、応答性の高速性も大きな特徴である。

但し、デジタルマイコン制御はハードルが高いと思う。

サンケン電気にMD6602がある。これが一番、理解しやすいと
思う。

堀米　毅

カムプログラムロボット工作セット 標準Aモード

このロボットは、マイコン制御もできるプラットフォームなので、応用範囲も広く、
可能性があるロボットだと思います。動さも面白いし、現時点では、入手困難です。

ミニ四駆 再び

自分のサイクルで時々、ミニ四駆のマイブームがくる。コースが無くても疑似体験ができる装置を入手した。

距離のタイムアタックと最高速度の測定ができる機器です。

商品は古いものだと思いますが、面白いです。

Model Rocket Software RockSIM

Model Rocket Software RockSIMで遊びたい。

FreeFem++のサイト

FreeFem++も少し触れておこう。

FreeFem++のサイト

LTspiceを活用した真空管アンプセミナーの告知

真空管アンプセミナー告知 from Tsuyoshi Horigome

LTspiceを活用した真空管アンプセミナーの告知です。お申し込みは
こちらからお願い致します。

300Bと2A3のメモ(B電圧とヒーター電圧)

300Bと2A3 from Tsuyoshi Horigome

300Bと2A3のメモ(B電圧とヒーター電圧)について

MUSES01のスパイスモデル

MUSES01(PSpice Model) from Tsuyoshi Horigome

MUSES01のスパイスモデルです。オペアンプの差し替えのオーディオ・
アンプにて、スパイスモデルを活用し、シミュレーションのい機会を作り出す。

RS-540の特性図について

RS-540の特性図 from Tsuyoshi Horigome

RS-540の特性図についての資料です。

オペアンプの差し替えアンプ

真空管の差し替えアンプは知っていましたが、オペアンプの差し替えアンプ
があるとは知りませんでした。

先週の金曜日、半導体販売商社の方々と話していて、出てきた話題です。

オペアンプでそんなに変わるものなのか？早速、試したいと思いました。

「AMP-HP」がオペアンプの差し替えに便利そうだったので、早速、購入したいと
思います。

楽しみです。

nexus 7

注文したら、FeDexで3日間で到着、その後、開封する時間もなく、
本日、ようやく、開封できました。片手で持てる質量であり、反応
も良く、背面の加工がすべりづらいので、機能的です。

Android端末として、重宝すると思います。

しばらく、遊んでみます。

テスト飛行10回目 中風

テスト飛行10回目です。風は中風です。高さ制限を40mで飛行しました。風にあおられ
ていましたが、何とか後半、飛行が出来ました。グアダルペ教会が見えました。

オペレーションには慣れてきたところですが、セブ島を離れ、バンコクと東京でお仕事
のため、しばらく、遊べません。バンコクでも遊べるようにもう一台ほしいところですが、
この活動はセブ島限定で楽しみます。

バンコク、東京では車がないので、飛行エリアまでいくのが難しいです。群馬県にいけば
車はありますが、今度は、風の影響で飛行は難しいだろうな。

当面はAR.DRONE2.0は、セブ島での活動にします。