超指向性を楽しめる

パラメトリック・スピーカー実験キット

このキットは、超音波を利用したパラメトリック・スピーカーを手軽に再現できるように設計してあります。パラメトリック・スピーカーは超音波が空気中を進行する際に生じる歪を利用して、可聴領域に音を再現する仕組みです。
最新のドライバー基板は、非常に高音質になっています。低音域が少し歪むことを除けば、ほとんどHiFiといえるレベルまで音質が改善しています。

お知らせ：

現在、配布している基板はPWM駆動です。

2008年ごろから国内の電子工作系出版社に記事・企画などを
持ち込みましたが、いずれも没。結局、ドイツの「Elector」誌に
記事が掲載されました。

パラメトリック・スピーカーの仕組み（以下の記事は古いので最新はPWMになっています）

パラメトリック・スピーカーは超音波の直進性を利用して、非常に鋭い指向性を実現したスピーカーです。人間の聴覚は約20kHz程度までの音波を聞き取ることができるといわれていますが、実際には20kHzよりもかなり低い周波数で、聞こえなくなることが知られています。年齢にもよりますが、せいぜい、 14kHz程度が聞こえればいいほうだといえます。

超音波を発生させるための素子は、ピエゾ素子と呼ばれる圧電現象を利用しています。キットでは、40kHzにピークを持った超音波トランスデューサを使用しています。ピークの山が急峻なので、あまり幅広い帯域を通すことはできません。40kHzの超音波は、通常の人間にはまったく聞き取ることができません。

超音波を人間が聞き取ることのできる音波に変換する方法はいくつか考案されています。そのひとつは、周波数の異なる２つの超音波源を利用して、超音波の差にあたる周波数の音を再現する方法です。たとえば、40kHzと41kHzの超音波を出すと、その差にあたる1kHzの音がうねりとして聞こえてきます。 40kHzの超音波を搬送波として利用して、もう片方のスピーカーからAM変調した超音波を出すことで、２つの超音波が交差する付近に、可聴領域の音を発生させることができます。この方法は、信号のない場合にもたえず超音波を出しつづける必要があるので、効率が悪いことが欠点です。

もうひとつの方法は、超音波をDSB変調して、空気中を超音波が進行するときに生じる歪を利用し、可聴領域の音を再現する方法です。左の画像は、音声信号を40kHzでスイッチングした波形を表しています。この波形の包括線（頂点を結ぶ線）が空気中でひずみとして聞こえてきます。

DSB変調はアマチュア無線ではよく使われる変調方式です。本キットでは、アナログスイッチによるDSB変調を利用してパラメトリック効果を実現しています。

DSB変調方式は、効率はいいのですが、空気の伝播による歪を利用しているので、音質が悪いという欠点があります。オーディオスポットライトやHSSは、デジタル信号処理を使い、歪んだあとに元の音が再現するようにして、音質の劣化を防いでいます。本キットでは、こうした処理を行っていないので、音楽の再生などには適していません。

キットの回路（現行のキットは、若干改良してあります）

回路は、オペアンプを利用したローパスフィルタにアナログスイッチで変調回路を構成してあります。アンプ部分は、東芝のAB級アンプ、TA8258HQを使いました。15V～35Vで使用でき、最大２０Ｗの出力があります。キットでは、15V～24Vで使用するようにしました。24Vで動作させるとかなり熱くなります。

この回路は、ソフトウエアラジオの送信機ではよく使われる回路です。出力部分がオーディオであることと、アナログスイッチを駆動する信号がひとつだけ（ソフトウエアラジオではIQ信号を使う）という点が違うだけです。