專利名稱：聲音再生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以超聲波頻段的信號為載波對可聽頻段的信號調(diào)制并發(fā)射，具有在特定的空間范圍可再生可聽頻段的聲波的、高指向性的聲音再生裝置。
背景技術(shù)：
通常的聲音再生裝置可經(jīng)由振動板直接向空氣等介質(zhì)中發(fā)射可聽頻段的聲波，利用衍射效應(yīng)在較寬范圍傳播可聽頻段的聲波。與之相對，為了只在特定的空間范圍有選擇地傳播可聽頻段的聲波，具有高指向性的聲音再生裝置正在實(shí)用化。該聲音再生裝置一般被稱為超指向性揚(yáng)聲器、或參量(〃 ，^卜U 7々7 )揚(yáng)聲器。將可聽頻段的信號作為載波調(diào)制為超聲波頻段的信號，再按特定的倍率進(jìn)行放大之后，將該調(diào)制后的信號輸入到由超聲波振子等構(gòu)成的放聲部，作為超聲波頻段的聲波發(fā)射到空氣等介質(zhì)中。從放聲部發(fā)射的聲波通過載波即超聲波的傳播特性保持高指向性而在介質(zhì)中傳播。另外，超聲波頻段的聲波在介質(zhì)中傳播過程中，由于介質(zhì)的非線形性使可聽頻段的聲波的振幅蓄積增加，并且超聲波頻段的聲波因基于介質(zhì)的吸收、球面擴(kuò)散而發(fā)生衰減。其結(jié)果是，被調(diào)制成超聲波頻段的可聽頻段的聲波因介質(zhì)的非線形性而自解調(diào)為可聽頻段的聲波，能夠僅在限定的狹窄空間范圍再生可聽頻段的聲波。即，所謂超指向性揚(yáng)聲器是指利用傳播聲波的介質(zhì)的非線形性和超聲波所具有的高指向性。例如，若在將超指向性揚(yáng)聲器用作美術(shù)館及博物館展品的說明用的揚(yáng)聲器，則可以只對存在于特定的空間范圍內(nèi)的人傳播可聽頻段的聲波。上述的聲音再生裝置為了提高在盡可能低的輸入電場再生的可聽頻段的聲波的聲壓，而將激勵由壓電體等構(gòu)成的超聲波振子的諧振模式的諧振頻率附近的頻率用作載波的頻率。在該諧振頻率附近，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm(表示壓電體等引起諧振振動時的諧振頻率附近的機(jī)械振動位移的敏銳度的常數(shù))高，對于施加的交流電場能夠得到最大的振動位移。但是，因壓電體或其它構(gòu)成要素的形狀、尺寸及支承固定方法等結(jié)構(gòu)性條件以及在壓電體為陶瓷的情況下，由于極化(分極)及燒成等工序的壓電常數(shù)及彈性常數(shù)等材料特性條件，超聲波振子的諧振頻率在個體間存在偏差。另外，由于機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm也因超聲波振子自身的溫度變化、空氣等介質(zhì)的負(fù)荷變動，而受到影響，因而即使對多個超聲波振子施加同頻率同振幅的電場，超聲波振子的振動振幅也分別不同，因此，存在在解調(diào)、再生可聽頻段的信號時，不能通過可聽頻段的信號的頻段得到所期望的聲壓的課題。另外，作為與上述的聲音再生裝置有關(guān)的先行技術(shù)文獻(xiàn)信息公知有非專利文獻(xiàn)1。非專利文獻(xiàn)1 田中恒雄、巖佐干郎、木村陽一著《關(guān)于參量揚(yáng)聲器的實(shí)用化》日本聲學(xué)會超聲波研究會資料，US84-61U984年(第1頁-第2頁，圖1、圖2)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明至少具備生成可聽頻段的信號的可聽頻段信號源；生成載波的載波振蕩器；將可聽頻段的信號與載波一起調(diào)制的調(diào)制器；輸入從調(diào)制器輸出的信號并通過超聲波振子輸出再生音的放聲部。放聲部的超聲波振子具有按不同的頻率使振動位移達(dá)到極大的多個諧振模式，可在激勵多個諧振模式的頻率之間激勵模式耦合后的振動。將可激勵模式耦合后的振動的頻段的一部分作為載波的頻率。由此，即使在因超聲波振子的制造工序及工作中的負(fù)荷變動等而超聲波振子的諧振頻率偏移或者變動的情況下，在能夠激勵起模式耦合后的振動的頻率范圍內(nèi)，超聲波振子的振動振幅變動也小而穩(wěn)定。其結(jié)果是，在對可聽頻段的聲波進(jìn)行自解調(diào)時，可實(shí)現(xiàn)寬頻段且穩(wěn)定的聲壓。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式1的聲音再生裝置的框圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式1的超聲波振子的剖面圖。圖3是表示現(xiàn)有的壓電體的導(dǎo)納(7 K S 7夕> 7 )及厚度方向的振動位移的頻率特性的圖。圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的壓電體的導(dǎo)納及振動位移的頻率特性的圖。圖5是表示在本發(fā)明實(shí)施方式1中將以諧振頻率fml為中心的特定頻段作為載波頻率的圖。圖6是表示在本發(fā)明實(shí)施方式1的壓電體中，徑向擴(kuò)散振動的諧振頻率和厚度方向的振動位移的關(guān)系的圖。圖7是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的壓電體的振動位移相對于機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的頻率特性的圖。圖8是表示在本發(fā)明實(shí)施方式1中，以振動位移為極小值ξ Lffl的頻率為中心的特定頻段作為載波頻率的圖。圖9是表示在本發(fā)明實(shí)施方式1的壓電體中，使尺寸比變化的情況下的導(dǎo)納為極大值的頻率、和厚度方向振動位移的極小值的關(guān)系的圖。圖10是本發(fā)明實(shí)施方式2的放聲部的正視圖。圖11是表示本發(fā)明實(shí)施方式2中的三個超聲波振子的壓電體的導(dǎo)納及振動位移的頻率特性的圖。圖12是本發(fā)明實(shí)施方式3的超聲波振子的剖面圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施方式1)下面，使用

本實(shí)施方式1的聲音再生裝置的構(gòu)成。圖1是本發(fā)明實(shí)施方式1的聲音再生裝置的框圖。圖1說明本發(fā)明的聲音再生裝置1的驅(qū)動部。將由可聽頻段信號源2生成的可聽頻段的信號(作為頻率約為20Hz 20kHz)和由載波振蕩器3生成的載波(約20kHz以上的超聲波)輸入到調(diào)制器4，通過載波調(diào)制可聽頻段的信號。將調(diào)制后的信號用功率放大器5進(jìn)行放大并輸入到放聲部6。輸入到放聲部
46的來自調(diào)制器4的信號作為超聲波向空氣等介質(zhì)發(fā)射，傳播一定的距離后，作為載波的超聲波頻段的聲波發(fā)生衰減，并且利用介質(zhì)的非線形性使可聽頻段的聲波自解調(diào)。這樣，在本實(shí)施方式1的聲音再生裝置1中，通過將具有高指向性的超聲波用作載波，成為只能夠在非常狹窄的空間范圍再生可聽頻段的聲波的構(gòu)成。下面，使用圖2說明構(gòu)成放聲部6的超聲波振子7。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式1的超聲波振子7的剖面圖。超聲波振子7是通過輸入來自調(diào)制器4的信號而使壓電體8振動而向空氣等介質(zhì)發(fā)射聲波的部分。壓電體8為由復(fù)合鈣鈦礦系壓電材料(例如， PbTiO3-ZrTiO3-Pb (Mg1/2Nb1/2) TiO3等三組分系的壓電陶瓷材料)構(gòu)成的圓柱形狀的壓電陶瓷，如圖2所示，配置于聲匹配(整合)層9的厚度方向的一面上的大致中央部。若設(shè)該壓電體8的厚度為L、直徑為D，則尺寸比L/D約為0.7，在厚度方向被極化。在此，將壓電體8設(shè)為復(fù)合鈣鈦礦(《π O力4卜)系壓電材料，但是，除此之外也可以使用 PZT(PbTiO3-ZrTiO3)系及鈦酸鋇(BaTiO3)等壓電陶瓷、壓電單晶體等。在聲音匹配層9的周緣部附近，以包圍壓電體8的方式固定有筒狀的外殼10，保護(hù)壓電體8不受外部影響。在本實(shí)施方式1中，外殼10采用鋁制。另外，在外殼10的開口部(在與聲音匹配層9的連接部分相反的端部附近的內(nèi)側(cè)面)設(shè)置有端子臺11。為了不使該端子臺11和壓電體8因來自外部的沖擊及壓電體8的振動等而彼此接觸，而設(shè)置有一定的間隙。另外，端子臺11上設(shè)置有兩條棒狀的端子12，這些端子12分別經(jīng)由引線13與壓電體8的電極電連接。即，可經(jīng)由端子12向壓電體8施加交流電場。在這樣的構(gòu)成的超聲波振子7中，若對設(shè)置于壓電體8的兩主面的電極施加特定頻率的交流電場，則可在壓電體8上激勵出取決于材料常數(shù)、形狀及尺寸等的彈性振動。將因該彈性振動而產(chǎn)生的聲波經(jīng)由聲音匹配層9發(fā)射到空氣等介質(zhì)并向特定的方向(圖2中的上方向)傳播。在此，聲音匹配層9采用壓電體8和空氣等介質(zhì)的聲阻抗耦合，降低因壓電體和介質(zhì)的聲阻抗的差異而在邊界面產(chǎn)生的反射等所引起的聲波的衰減。另外，在本實(shí)施方式1中，上述的可聽頻段信號源2、載波振蕩器3、調(diào)制器4、及功率放大器5僅由一組構(gòu)成。下面，詳細(xì)說明本發(fā)明的指向即載波頻率的確定方法。圖3是表示現(xiàn)有的壓電體中的導(dǎo)納頻率特性及厚度方向的振動位移的頻率特性的一例的圖。通常，壓電體通過形狀(尺寸比)、極化(單晶體的情況為c軸)的方向和所施加的交流電場的方向等，能夠激勵出振動方向、振動姿勢(振動模式)不同的多個諧振模式。圖3是在設(shè)圓柱形狀的壓電體的厚度為L、直徑為D時，尺寸比L/D達(dá)到2. 5以上的情況下的導(dǎo)納和厚度方向的振動位移的頻率特性的一例的圖。另外，該圖中的壓電體為厚度方向進(jìn)行了極化的壓電陶瓷，對厚度方向施加交流電場。若使施加于壓電體的交流電場的頻率從低頻率側(cè)變化到高頻率側(cè)，則如圖3所示，最初，在導(dǎo)納Y達(dá)到極大的頻率fu附近，產(chǎn)生厚度方向的振動位移ξ L1達(dá)到極大的第一諧振模式。該頻率fu下的諧振模式被稱為厚度方向縱向振動。另外，若提高頻率，則接著在導(dǎo)納Y達(dá)到極大的頻率fD1附近，產(chǎn)生徑向的振動位移達(dá)到極大的第二諧振模式。該頻率fD1下的諧振模式被稱為徑向擴(kuò)散振動。另外，該徑向擴(kuò)散振動的徑向振動位移在圖3中未圖示。 如圖3所示，由于壓電體也是彈性體，因而徑向產(chǎn)生振動位移的同時，因泊松(# 7 y y)耦合從而也在厚度方向產(chǎn)生振動位移。但是，由于圓柱的厚度L相對于直徑D較大，因而該頻率fD1附近的厚度方向的振動位移與頻率fu附近的振動位移ξL1相比，非常在頻率fu和頻率fD1的附近以外，壓電體的厚度方向的振動位移急劇減少到幾乎沒有。同樣，徑向的振動位移在頻率fu和頻率fD1的附近以外也減少到幾乎沒有。即，在頻率fu和頻率fM附近以外的頻率中，壓電體不論在在厚度方向還是在徑向幾乎都不發(fā)生振動。這意味著，兩種諧振模式，即厚度方向縱向振動和徑向擴(kuò)散振動相互不受影響，在各自的諧振頻率附近自由振動。這樣，在圓柱形狀的壓電體中，通過使厚度L和直徑D中的其中一方變大(通常為將厚度L設(shè)為直徑D的2. 5倍以上的圓柱形狀或者將直徑D設(shè)為厚度L的15倍以上的圓板形狀)，而各諧振模式相互不受影響地獨(dú)立振動，同時，各諧振模式的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm變
尚ο與此相對，在本實(shí)施方式1的聲音再生裝置1的超聲波振子7中，使用厚度L和直徑D的尺寸比L/D約為0. 7的圓柱形狀的壓電體8。通過使用這種尺寸比的壓電體8，在激勵厚度方向縱向振動和徑向擴(kuò)散振動這兩種諧振模式的諧振頻率之間的頻率中，能夠激勵出模式耦合后的振動，在厚度方向得到一定以上的振動位移I。另外，能夠在壓電體8中激勵出相對于頻率變動變化少的振動位移ξ ρ在本實(shí)施方式1中，將能夠激勵出該模式耦合后的振動的頻段的一部分設(shè)為載波頻段。圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式1中的壓電體的導(dǎo)納及振動位移的頻率特性的圖。圖 4中表示使用有限元法對本實(shí)施方式1的壓電體8的導(dǎo)納Y、及厚度方向的振動位移ξ L的頻率特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后的結(jié)果的一例。如圖4所示，通過兩個諧振頻率即頻率fml和頻率fm2使壓電體8分別機(jī)械地激勵起品質(zhì)因數(shù)Qm高的諧振模式。另外，在頻率fml和頻率fm2之間，激勵起模式耦合后的振動， 與上述兩個頻率fml和頻率fm2附近相比，厚度方向的振動位移ξ [的絕對值小，但是，可得到變化量相對于頻率變動小的頻段。特別是在厚度方向的振動位移達(dá)到極小值Ita的頻率 fLffl附近，可得到相對于頻率變動振動位移ξ L的變化量最小的平坦區(qū)域。將以激勵上述模式耦合后的振動、且厚度方向的振動位移ξ L達(dá)到極小的頻率為基準(zhǔn)的頻率區(qū)域用作載波頻率。即使是因材料及形狀的偏差等而使壓電體8的厚度方向縱向振動和徑向擴(kuò)散振動的諧振頻率分別發(fā)生了變動的情況下，在能夠激勵出模式耦合后的振動的頻率范圍內(nèi)，也可減少超聲波振子的振動振幅變動使其穩(wěn)定。其結(jié)果是，在對可聽頻段的信號進(jìn)行自解調(diào)時，可實(shí)現(xiàn)寬頻段且穩(wěn)定的聲壓。下面對于在自解調(diào)該可聽頻段的信號時可得到穩(wěn)定的聲壓這一點(diǎn)，說明其詳情。圖5是表示在本發(fā)明實(shí)施方式1中將以諧振頻率fml為中心的特定頻段設(shè)為載波頻率的圖。如圖5所示，在假如將施加于超聲波振子7的電場的振幅固定，并將頻率設(shè)為以諧振頻率fml為中心的一定頻段fml士 Af的情況下，在諧振頻率fml附近，由于諧振模式的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm高因而超聲波振子7的振動位移大，可得到從超聲波振子7發(fā)射的聲波也高的聲壓。但是，在從諧振頻率fml偏離頻率變動幅度Δι的頻率中，與諧振頻率fml附近相比，超聲波振子7的振動位移變小。這樣，若以諧振頻率fml為載波頻率，并用將寬頻段的可聽頻段進(jìn)行調(diào)制后的信號，激勵超聲波振子7，則在所施加的電場的頻率范圍內(nèi)超聲波振子7振動位移的變化量較大，因此，相對于由超聲波振子發(fā)射的聲波的頻率的聲壓變動變大，所解調(diào)的可聽頻段的聲波的由頻率引起的振幅變動的幅度也變大，難以得到穩(wěn)定的聲壓。因此，如本實(shí)施方式1的聲音再生裝置1所示，通過將能夠激勵起相對于頻率變動的振動位移ξ L的變化量比較小的、模式耦合后的振動的頻段的一部分設(shè)為載波頻率，能夠用寬頻段且穩(wěn)定的聲壓再生可聽頻段的信號。在此，說明根據(jù)兩種諧振頻率即頻率fml和頻率fm2的關(guān)系對用于激勵與壓電體8 模式耦合后的振動的條件進(jìn)行考察的結(jié)果。圖6是表示在本發(fā)明的實(shí)施方式1的壓電體中，徑向擴(kuò)散振動的諧振頻率和厚度方向的振動位移的關(guān)系的圖。圖6是在使用復(fù)合鈣鈦礦系壓電材料而形成的壓電體8中， 使徑向擴(kuò)散振動的諧振頻率fm2發(fā)生變化并使用有限元法對厚度方向的振動位移ξ L進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的結(jié)果的一例。在圖6中，橫軸表示對施加于壓電體8的交流電場的頻率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)格)化后的頻率，分別記載了將諧振頻率fml設(shè)為1時的諧振頻率fm2的值。縱軸表示振動位移ξ ρ如圖6所示，在諧振頻率fm2分別為fm2a( = 3. 17)、fm2b( = 2. 69)的頻率特性a、頻率特性b中，振動位移ξ J勺極小值€ta、€tab極小。即，表明在表示該極小值€ta、€tab的頻率中，幾乎得不到壓電體8厚度方向的振動位移。另外，也幾乎得不到徑向的振動位移。 因此，在頻率特性a、頻率特性b中，兩個諧振模式彼此互不影響地獨(dú)立振動。另一方面，與頻率特性a、頻率特性b相比，在諧振頻率fm2接近諧振頻率fml，將諧振頻率fm2設(shè)為fm2。( = 2. 44)、fm2d( = 2. 25)的頻率特性C、頻率特性d中，振動位移ξ L的極小值lLfflC> 變得比極小值lLffla> U。即，通過使諧振頻率fm2接近諧振頻率fml， 可使厚度方向的振動位移ξ [表現(xiàn)出一定以上的值，在這種條件的壓電體8中，可在激勵出諧振模式的頻率的期間，激勵與壓電體8模式耦合后的振動。根據(jù)本數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，若壓電體8的諧振頻率fm2的標(biāo)準(zhǔn)化后的值為大約2. 5以下，則其頻率特性表現(xiàn)出如頻率特性c及頻率特性d那樣的波，得到與壓電體8產(chǎn)生模式耦合這""結(jié)果ο因此，在將表示壓電體8的第一諧振模式的頻率設(shè)為fml，并將表示第二諧振模式的頻率設(shè)為fm2時，若表示第一諧振模式的頻率和表示第二諧振模式的頻率之比fml/fm2至少為0.4( = 1/2.5)以上，則表明與壓電體8產(chǎn)生模式耦合。另外，在這樣將fml/fm2設(shè)為 0. 4以上時，只要適當(dāng)調(diào)整例如壓電體8的尺寸比L/D即可。通過調(diào)整尺寸比L/D，就可以調(diào)整表示第一諧振模式的頻率fml及表示第二諧振模式的頻率fm2。另外，圖6是使用復(fù)合鈣鈦礦系壓電材料形成壓電體8之一例，即使是使用其它 PZT系陶瓷等的壓電陶瓷的情況，也可得到同樣的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，只要fml/fm2為0. 4以上就能夠得到與壓電體8產(chǎn)生模式耦合后的結(jié)果。因此，不限于復(fù)合鈣鈦礦系壓電材料，只要 fffll/fffl2至少為0. 4以上，就能夠認(rèn)為與壓電體8產(chǎn)生模式耦合。另外，如根據(jù)示于圖4的導(dǎo)納Y的頻率特性明確的那樣，在諧振頻率fml時壓電體8的阻抗低。這樣，對于阻抗低的狀態(tài)的壓電體8，與超聲波振子7連接的電源將有更多的電流流過。其結(jié)果是，有可能加大對電源的負(fù)荷、或者電流不流動。與此相對，在能夠激勵出模式耦合后的振動的頻段中，由于壓電體8的阻抗比較高，因而不會對電源帶來上述那樣的不利影響，而是可以穩(wěn)定地驅(qū)動超聲波振子7。另外，通過使用本實(shí)施方式1的壓電體8，可得到能夠?qū)σ驕囟茸兓罢駝拥雀蓴_而從周圍受到的應(yīng)力發(fā)揮穩(wěn)定的性能的聲音再生裝置1。下面說明其詳情。圖7是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的振動位移相對于壓電體的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的頻率特性的圖。圖7是只抽出圖5的振動位移ξ [的頻率特性的圖，橫軸及縱軸表示基于能夠激勵出模式耦合后的振動的頻段的振動位移的極小值ξ Lffl和此時的頻率分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果。實(shí)線為壓電體8的不受干擾的無負(fù)荷情況的頻率特性，虛線表示從外部對壓電體8施加應(yīng)力的情況下的頻率特性?？芍诩畹谝弧⒌诙C振模式的各諧振頻率、頻率fml、頻率fm2附近，通過應(yīng)力的有無得知諧振模式的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的變動，并且振動位移ξ L較大地變化。列舉一例，在第一諧振模式(厚度方向縱向振動諧振頻率fml)的情況下，若因干擾等而施加應(yīng)力，則機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm變低，振動位移ξ L減小至無負(fù)荷情況的約1/5。另一方面，在本實(shí)施方式1所使用的載波頻率即頻率附近，即使是施加同樣的應(yīng)力的情況下， 振動位移ξ[幾乎不減少。S卩，圖7表示的是，因施加于超聲波振子7的交流電場的頻率，由來自外部的負(fù)荷變動引起的、超聲波振子7的振動位移的受到影響的難易程度不同。特別是，可知，在可激勵模式耦合后的振動的頻段中，負(fù)荷變動難以對振動位移產(chǎn)生影響。因此，在本實(shí)施方式1中，通過將能夠激勵出該模式耦合后的振動的頻段的一部分用作載波頻率使用，從而即使是因溫度變化、振動及支承固定條件等干擾而對壓電體8 施加應(yīng)力的情況下，振動位移ξ [的變化也少。其結(jié)果是，可得到能夠再生寬頻段且穩(wěn)定聲壓的可聽頻段的聲波的聲音再生裝置1。另外，驅(qū)動本實(shí)施方式1的聲音再生裝置1時發(fā)生的熱也有可能使超聲波振子7 受到影響。即，由于若超聲波振子7的溫度發(fā)生變化，則壓電體8的音速也發(fā)生變化，所以該變化波及到超聲波振子7的諧振頻率。特別是如本實(shí)施方式1所示，作為壓電體8使用的壓電陶瓷，諧振頻率的溫度依存性高，諧振頻率對溫度變化的穩(wěn)定性低。因此，要考慮在將諧振頻率附近的頻率用作載波頻率的情況下，若因溫度變化而使諧振頻率發(fā)生變化則不能得到所期望的聲壓。另一方面，在本實(shí)施方式1中，將能夠激勵出不易受溫度變化的影響的模式耦合后的振動的頻段的一部分作為載波頻率使用，假設(shè)因驅(qū)動聲音再生裝置1時的熱而超聲波振子7的溫度發(fā)生變化，也可再生電壓穩(wěn)定的可聽頻段的聲波。另外，載波頻率為可激勵模式耦合后的振動的頻段，特別優(yōu)選以超聲波振子7的振動位移ξ[達(dá)到極小的頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行選擇。這是因?yàn)椋鐖D8、之前所示的圖4 圖7表明的那樣，在振動位移ξ [達(dá)到極小值 Ita的頻率近，振動位移、相對于頻率變動的變化量變小，頻率特性平坦。圖8是表示在本發(fā)明的實(shí)施方式1中將以振動位移是極小值ξ Lffl的頻率為中心的特定頻段設(shè)為載波頻率的圖。通過將包含頻率的頻段例如以頻率為中心的一定的頻段Af作為載波頻率使用，可使再生的可聽頻段的聲波的聲壓更加穩(wěn)定，同時可將頻段拓寬。下面，說明圓柱形狀的壓電體8的厚度L相對于直徑D的尺寸比L/D的設(shè)計(jì)方法。圖9是表示在本發(fā)明實(shí)施方式1的壓電體中，使尺寸比發(fā)生變化的情況下的導(dǎo)納達(dá)到極大值的頻率和厚度方向的振動位移的極小值的關(guān)系的圖。圖9表示的是，在使用復(fù)合鈣鈦礦系壓電材料而形成的壓電體8中，通過使壓電體8的尺寸比L/D發(fā)生變化并使用基于有限元法的數(shù)值計(jì)算對厚度方向縱向振動的諧振頻率fml和徑向擴(kuò)散振動的諧振頻率 fm2、以及能夠在這兩種諧振模式間激勵的模式耦合后的振動中的最大變位ξ Lffl進(jìn)行求算的結(jié)果。橫軸表示對壓電體8的尺寸比L/D進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。縱軸的左側(cè)的軸是以將尺寸比 L/D設(shè)為1時的頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的頻率。同樣，縱軸的右側(cè)的軸是以將尺寸比 L/D設(shè)為1時的厚度方向的振動位移Ita為基準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化后的振動位移。另外，頻率 fffll為實(shí)線，頻率fm2為單點(diǎn)劃線，振動位移ξ Lffl為波浪線。根據(jù)圖9得知，模式耦合后的振動中的振動位移ξ Lffl隨著壓電體8的尺寸比L/D 的增加而增大，在尺寸比L/D為0. 7附近，達(dá)到尺寸比L/D為1時的約1. 7倍的最大值，而且其后降低。因此，在本實(shí)施方式1中將尺寸比L/D設(shè)為振動位移Ita達(dá)到最大的0.7。另外，壓電體8的尺寸比L/D不限定于0. 7，只要是以振動位移ξ Lffl達(dá)到最大值的 0.7為中心的士0.3的范圍，S卩，只要尺寸比L/D是0.4以上1. 0以下的值即可。若尺寸比 L/D為0. 4以上1. 0以下的值，相對于所施加的交流電場使壓電體8有效振動，能夠從超聲波振子7發(fā)射聲波，從而作為聲音再生裝置能夠有效地輸出可聽頻段的聲波。與此相對，若壓電體8的尺寸比L/D為不足0. 4或者超過1. 0的值，則壓電體8的振動損失變大，因此，相對于所施加的交流電場振動振幅變小。由于從超聲波振子7發(fā)射的聲波變小，并且由振動損失引起的發(fā)熱對壓電體8的材料特性有不利影響，使超聲波振子7 的工作可靠性劣化的可能性變高，故而不予優(yōu)選。另外，上述記載是使用復(fù)合鈣鈦礦系壓電材料形成壓電體8之一例，但是，即使是 PZT系陶瓷等壓電陶瓷、壓電單晶體等材料不同的情況，通過進(jìn)行同樣的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，也可確定圓柱形狀的壓電體8的最佳尺寸比L/D。(實(shí)施方式2)實(shí)施方式1的放聲部6由一個超聲波振子構(gòu)成，而在本實(shí)施方式2中，對由多個超聲波振子7構(gòu)成放聲部的一例進(jìn)行說明。圖10是本發(fā)明實(shí)施方式2的放聲部的正視圖。如圖10所示，本實(shí)施方式2的放聲部14將多個超聲波振子7平面配置而構(gòu)成。圖11是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的三個超聲波振子的壓電體的導(dǎo)納及振動位移的頻率特性的圖。圖11表示在構(gòu)成圖10的放聲部14的超聲波振子7中，構(gòu)成三個超聲波振子7的壓電體8各自的導(dǎo)納的頻率特性及振動位移的頻率特性，導(dǎo)納Y1和振動位移ξ u、導(dǎo)納\和振動位移ξ &導(dǎo)納Y3和振動位移ξ L3分別表示同一壓電體8的導(dǎo)納及振動位移的頻率特性。如圖11所示，三個壓電體8的導(dǎo)納Y1、導(dǎo)納Y2、導(dǎo)納Y3及振動位移ξ u、振動位移振動位移ξω不是采用完全相同的頻率特性，而產(chǎn)生偏移。這是在制備壓電體8時因
其制造條件、材料特性及形狀尺寸等的偏差而引起。另外，由于也對支承固定壓電體8而
9組裝超聲波振子7時的偏差有影響，因而，在構(gòu)成放聲部14的多個超聲波振子7的導(dǎo)納或振動位移的頻率特性中，可激勵諧振模式的諧振頻率也發(fā)生偏差。在使用這樣的諧振頻率不相同的多個超聲波振子7，將載波頻率固定為頻率fml附近及頻率fm2附近而構(gòu)成聲音再生裝置的情況下，從各個超聲波振子7發(fā)射的聲波的聲壓級( > 一>)存在偏差，其結(jié)果是，在解調(diào)可聽頻段的聲波時有可能難以得到穩(wěn)定的聲壓。因此，在本實(shí)施方式2中，與實(shí)施方式1同樣，作為載波頻率，不是利用激勵諧振模式的諧振頻率，而是利用在諧振模式間激勵的能夠激勵起模式耦合后的振動的頻段的一部分。本實(shí)施方式2的壓電體8使用與實(shí)施方式1的壓電體8相同的壓電體，是將厚度 L和直徑D的尺寸比L/D設(shè)為0.7的圓柱形狀的壓電體。通過做成這種尺寸比，如圖10所示由多個壓電體8構(gòu)成放聲部14，且將能夠激勵起與壓電體8模式耦合后的振動的頻段的一部分設(shè)為載波頻率的情況下，對各個壓電體8施加相同振幅相同頻率的電場。因此，對于各個壓電體8的振動位移，個體間的偏差小，對于從超聲波振子7發(fā)射的聲波的聲壓，個體間的偏差也變小。其結(jié)果是，所解調(diào)的可聽頻段的聲波高，且能夠用穩(wěn)定的聲壓進(jìn)行再生。發(fā)聲部14是與構(gòu)成超聲波振子7的壓電體8的諧振頻率具有個體差異的情況之例，在由具有同一諧振頻率的壓電體8構(gòu)成發(fā)聲部14的情況下也同樣有效。即，因工作中的超聲波振子14的溫度變化、或在組裝超聲波振子14時對壓電體8施加應(yīng)力，而使超聲波振子14的振動振幅的頻率特性發(fā)生變化，這樣的情況下也適合本實(shí)施方式2的構(gòu)成。另外，圖10中的本實(shí)施方式2的聲音再生裝置1作為將發(fā)聲部14的超聲波振子7 以蜂窩狀密集配置的構(gòu)成進(jìn)行了圖示，但是，配置方法不限于此，只要是可使發(fā)聲部發(fā)射的聲波在規(guī)定的位置有效共鳴(集音)的構(gòu)成，就可得到同樣的效果。(實(shí)施方式3)下面，使用圖12說明實(shí)施方式3的超聲波振子15的構(gòu)成。圖12是本實(shí)施方式3 的超聲波振子15的剖面圖。另外，本實(shí)施方式3 —部分有別于實(shí)施方式1所示的超聲波振子7的構(gòu)成。除此之外的構(gòu)成與實(shí)施方式1相同，因而對于相同部分添加相同的符號而詳細(xì)說明從略，只是對不同的部分加以說明。如圖12所示，在本實(shí)施方式3中，外殼16構(gòu)成有底圓筒狀形狀，該外殼16的內(nèi)底面中央部載置有壓電體8。外殼16的內(nèi)底面設(shè)置有兩條棒狀的端子12，與實(shí)施方式1同樣， 這些端子12分別經(jīng)由引線13與壓電體8的電極電連接。另外，還與實(shí)施方式1同樣，外殼 16采用鋁制。而且，在壓電體8的上端面的中央部用粘接劑固定有圓錐形狀的諧振子17。作為該諧振子17的材料，優(yōu)選輕量且音速為3，000 10，000m/s左右的材料。例如若使用鋁及 SUS (Stainless Used Steel)等金屬，則能夠構(gòu)成可跟隨壓電體8的振幅的諧振子17，能夠在不改變振動模式形狀的情況下，直接通過該振動模式進(jìn)行振幅放大。即，本實(shí)施方式3的諧振子17表現(xiàn)出與壓電體8的振動相對應(yīng)的諧振特性，相對于壓電體8的振幅能夠向空氣等介質(zhì)發(fā)射穩(wěn)定的超聲波。另外，如圖12所示，諧振子17也采用被外殼16圍住的構(gòu)成。在這樣構(gòu)成的超聲波振子15中，由于具備諧振子17，從而音源直徑擴(kuò)大，可提高
10聲壓輸出。另外，如上所述，由于實(shí)施方式1的聲音再生裝置1輸出具有高指向性的超聲波， 因而只可在非常狹 窄的空間范圍再生可聽頻段的聲波。在此，在打算將使可聽頻段的聲波再生的空間范圍擴(kuò)大一定程度的情況等，如本實(shí)施方式3的超聲波振子15那樣設(shè)置諧振子 17，可通過擴(kuò)大聲音再生裝置1的指向性來對應(yīng)。另外，在將本實(shí)施方式3的超聲波振子15如上述實(shí)施方式2那樣并列多個而構(gòu)成發(fā)聲部的情況下，則如上所述，各超聲波振子15具有通過諧振子17使指向性擴(kuò)展一定程度的特性。因此，從各超聲波振子15輸出的超聲波的發(fā)射范圍，易于與配置在其周邊的超聲波振子15的超聲波的發(fā)射范圍重合。即，在這樣使發(fā)射范圍重合的位置，從各超聲波振子 15輸出的超聲波彼此調(diào)和(足合Λ6 )，能夠以更高的聲壓收聽再生的可聽頻段的聲波。另外，諧振子17的指向性可通過適當(dāng)變更諧振子17的圓錐部分的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 另外，圓錐的圓部分不限于正圓也可以是橢圓。另外，在本發(fā)明的各實(shí)施方式中，說明了如下情況S卩，將構(gòu)成超聲波振子7的壓電體8的形狀設(shè)為圓柱形狀，使用將使壓電體8所激勵的振動與厚度方向縱向振動的諧振振動和徑向擴(kuò)散振動的諧振振動進(jìn)行模式耦合后的振動。但是，本發(fā)明中，關(guān)于壓電體的形狀和由壓電體激勵處的振動模式，并不限于特定的形狀及特定的諧振模式。例如，對于將壓電體8設(shè)為棱柱形狀，使用使厚度方向縱向振動與對角線方向或邊方向擴(kuò)散振動的諧振振動進(jìn)行模式耦合后的振動的情況，也可得到同樣的效果。產(chǎn)業(yè)的可應(yīng)用性本發(fā)明的聲音再生裝置中，通過將能夠激勵模式耦合后的振動的頻段的一部分設(shè)為載波頻率，可使再生的可聽頻段的聲波的聲壓頻段寬且穩(wěn)定。通過利用超聲波的高指向性，可用作只在有限的空間范圍再生可聽頻段的聲波的聲音再生裝置。
0099]符號說明0100]1 聲音再生裝置0101]2 可聽頻段信號源0102]3 載波振蕩器0103]4 調(diào)制器0104]5 功率放大器0105]6 放聲部0106]7 超聲波振子0107]8 壓電體0108]9 聲音匹配層0109]10 外殼0110]11 端子臺0111]12 端子0112]13:引線0113]14 放聲部0114]15 超聲波振子
16:外殼17:諧振子
權(quán)利要求
1.一種聲音再生裝置，其特征在于， 具備生成可聽頻段的信號的可聽頻段信號源； 生成載波的載波振蕩器；調(diào)制所述可聽頻段的信號和所述載波的調(diào)制器；以及通過超聲波振子將從所述調(diào)制器輸出的信號作為聲波輸出的放聲部， 所述超聲波振子具有以不同的頻率使振動位移達(dá)到極大的多個諧振模式，在激勵所述多個諧振模式的頻率之間激勵起模式耦合后的振動，將能夠激勵起所述模式耦合后的振動的頻段的一部分設(shè)為所述載波的頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的聲音再生裝置，其特征在于，將激勵起所述多個諧振模式的頻率中相鄰接的頻率，從低頻率起設(shè)為fml、fm2時，這些頻率之比fml/fm2*0.4以上。
3.如權(quán)利要求1所述的聲音再生裝置，其特征在于，對能夠激勵起所述模式耦合后的振動的頻段的一部分，以使所述超聲波振子的振動位移成為極小的頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的聲音再生裝置，其特征在于，所述超聲波振子具有圓柱形狀的壓電體，在設(shè)所述壓電體的厚度為L、直徑為D時，將所述圓柱形狀的壓電體的尺寸比L/D設(shè)為0. 4 1. 0。
5.如權(quán)利要求1所述的聲音再生裝置，其特征在于，所述超聲波振子具有壓電體，在所述壓電體的中央部上面固定有大致圓錐形狀的諧振子。
6.如權(quán)利要求1所述的聲音再生裝置，其特征在于， 所述放聲部由多個超聲波振子構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種聲音再生裝置，其將能夠激勵起模式耦合后的振動的頻段的一部分設(shè)為載波的頻率。通過將振動位移相對于頻率的變化率低的模式耦合后的頻率設(shè)為載波信號，可使從可聽頻段信號源輸出的可聽頻段的信號在寬頻段以穩(wěn)定的聲壓解調(diào)、再生。
文檔編號H04R3/00GK102160399SQ200980136600
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者今野文靖, 多田真樹, 武田克, 水口雅史 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社