複数のパラメトリックアレイスピーカー（指向性スピーカー）を用いた、特定エリアでのみ受信可能な音響データ通信システムの紹介です。
文献情報
- 著者: Y. Taniguchi, K. Morimoto
- 題目: Development of an acoustic spot data communication system using multiple parametric array loudspeakers
- 雑誌: IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering
- 出版: 2022年1月
- DOI: https://doi.org/10.1002/tee.23496
研究概要
私たちの身の回りには、Wi-FiやBluetoothなど、電波を使った無線通信技術があふれています。しかし、電波による通信は専用のアンテナや通信チップが必要である、独自の技術を導入しづらいなどの課題があります。そこで近年注目されているのが、スマートフォンのスピーカーやマイク等を活用してデータを送受信する音響データ通信です。特別なハードウェアを追加することなく、既存のスピーカー設備とユーザーのスマートフォンだけで手軽にデータ通信環境を構築できるのが大きなメリットです。
しかし、従来の一般的なスピーカーには音が四方八方に広がってしまうという物理的な性質があります。例えば、商業施設の大型モニターの前で、画面を見ている人にだけ限定クーポンを音響通信で配信しようとした場合、音が周囲に広く伝わるため、画面を見ていない遠くの人や、ただ通りかかっただけの人までクーポンを受信できてしまいます。画面の真ん前にいる人だけに、ピンポイントでデータを届けるといった、特定の狭い空間に限定した通信（スポット通信）を行うことは、従来のスピーカーでは困難でした。
そこでこの研究では、この課題を解決するために「パラメトリックアレイスピーカー（超指向性スピーカー）」に着目しました。これは、多数の小さな超音波素子を並べることで、まるでレーザー光線のように、特定の方向にだけ音をまっすぐ一直線に飛ばせる特殊なスピーカーです。ただし、この超指向性スピーカーを1台使うだけでは、音が進む一本の直線（ルート）の上にあるエリアであれば、どこでもデータが受信できてしまいます。この研究では、2台の超指向性スピーカーを組み合わせて交差させるというアイデアを採用しています。
具体的には、送りたいデジタルデータを2つに分割し、それぞれのスピーカーから別々の音として同時に発射します。このとき、音の高さ（周波数）を細かく切り替えてデジタルデータを表現する「周波数シフトキーイング（FSK）」という通信方式を応用し、奇数番目のデータをスピーカー1から、偶数番目のデータをスピーカー2から流すという工夫を施しました。片方のスピーカーからの音だけではデータは不完全（虫食い状態）であり、2つのスピーカーから出た音がちょうど交差する特定の場所（スポット）にいる時だけ、2つの音がマイクに同時に届き、データが完全に合体して元の情報を正しく復元できるようになる仕組みを考案しました。
本研究では、このアイデアが本当に通用するかを確かめるため、市販されている安価な小型コンピューター（Raspberry Pi 3B）やスピーカー、環境に依存しにくいJavaプログラムを組み合わせて、実際にシステムを構築しました。そして実験室の机の上で、2台の超指向性スピーカーを角度をつけて設置し、それらの音が交わるポイントと、そこから前後左右にズレた複数のポイントでデータの受信率を測定しました。実験の結果、普通のスピーカーを使った場合は周囲のどの位置でもデータがほぼ100%受信できてしまったのに対し、提案システムでは、2つの音が綺麗に交差する狙った1点でのみ高い確率でデータを受信することに成功しました。そこから少しでも外れた場所ではデータの受信率がほぼゼロになり、まさにその場所限定の通信空間が作れることを実証したのです。
現在はまだ研究室での基礎検証の段階ですが、今後は、人間の耳には聞こえない超音波の領域を使って周囲に迷惑をかけずに静かに通信を行う改良や、スピーカーを3台以上に増やしてさらに複雑でピンポイントな受信エリアを設計する研究が考えられます。この技術が実用化されれば、美術館で作品の真ん前に立った人にだけ自動的にその絵画の解説をスマホに送ったり、特定の座席にいる観客にだけにクーポンを配信したりといった、場所と強く結びついた未来の新しいサービスの実現につながると期待されます。
（本記事の文章の校正と画像生成にGeminiを使っています。正確な情報は文献を参照ください。）