「超音波変調技術」について

2020/10/09

技術的なことについて

超音波には、
１．周波数が低く測定環境が構築しやすく扱いやすい
２．空気を伝搬媒体とするので波長が短い。
３．周波数を高くするのも可能であるが、空気伝搬（音波・弾性波）の為減衰が激しい。
等の特徴があります。
２．の波長が短い性質は、空気中に存在する物体・事象の種々の測定・センサーにとってその
製品の形状が小さくできるという利点があります。
そのため、超音波は超音波歯ブラシ（デンタルグッズ）・超音波洗浄機（半導体洗浄）
非破壊検査（橋梁検査）・超音波診断装置（メディカル）等民生品から医療用品まで多岐に
渡って製品に応用されています。
光の速さを「光速」と呼んだのと同様に、音の速さを「音速」と呼びます。
音速は１秒間に約340 m進むくらいの速さで、光速の100万分の１しかありません。
単純にその波長を計算すると
λ（波長）＝（速度Ｃ）／（周波数Ｆ）
ですので、光速＝３×１０＾８（m/s）、音速＝３４３（m/s）（温度20度）としたとき
超音波（ここでは周波数４０kＨzの超音波）の波長は≒8.6mmです。
これはそのまま、製品の一つの仕様である分解能に直結し、この分解能を得るための電波
の周波数は≒35GHz（ミリ波）とざっくりですが計算できます。
空気伝搬には、いろいろ条件・問題がありますが、その応用範囲を広くしているのはこの
波長の短さだと考えられます。
弊社で採用している、パラメトリックスピーカー（消音スピーカー）では、この超音波に
害鳥獣の忌避音声で±10kHzの周波数変調（ＦＭ）をかけて、この波を単一スピーカーの
複数合成を行って、空気中に送出することによって、空気の非直線性をおこし、遠隔の
場所の害鳥獣に忌避音声を届け害獣の対策としております。
このスピーカーの特徴は、
１．波長が短いため、指向性が鋭くできる
２．波長が短いため。電力合成が小さい面積でできる
３．指向性を鋭くできることで、忌避音声の聞こえるエリアを狭くすることができる。
等です。
上記の利点により、このスピーカーを使用したエリアでは、害鳥獣のみに忌避音声を届ける
ことができ、周囲の騒音にほとんどならない害獣対策となっております。
上記のスピーカーで最も重要で技術的に難しいのが「超音波変調技術」です。
超音波は一般に長距離の空気伝搬では、その伝播到達距離の確保の為、通常25～80kHzが用い
られており、上記の周波数帯で±10kHzの周波数変調（忌避音声の明瞭度）をかけ、シンセサイザー（周波数安定）にするのは、低い搬送周波数（超音波）に、広い変調をかけるという意味で、技術的には難しくなっています。
このスピーカーは、博物館での狭いエリアでの説明音声・横断歩道での聴覚の不自由な人への
方向指示等に使用されるなど、音波の可能性を引き出してくれております。
今後は、周波数が低いといううことで、技術的には、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）
の出番となり、多方面に応用されると思われます。