CN109155885A - 局部声场形成装置、局部声场形成方法和程序 - Google Patents

局部声场形成装置、局部声场形成方法和程序 Download PDF

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Abstract

本技术涉及能够减少在非预期方向上的声音泄漏的一种局部声场形成装置、一种局部声场形成方法和一种程序。局部声场形成装置包括局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；滤波器单元，其被配置成对音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，并且被配置成基于扬声器驱动信号再现声音。本技术可以应用于局部声场形成装置。

Description

局部声场形成装置、局部声场形成方法和程序
技术领域
本技术涉及一种局部声场形成装置、一种局部声场形成方法和一种程序。具体来说，本技术涉及能够减少在非预期方向上的声音泄漏的一种局部声场形成装置、一种局部声场形成方法和一种程序。
背景技术
近年来，在诸如机场和车站的公共场所，使用视频显示器呈现操作信息和标牌。
当以这种方式在公共场所呈现内容时，除了视频之外，还可以通过使用音频更有效地呈现内容，但另一方面，音频将到达未指定的大量不需要此类信息的人。
因此，已经提出了一种局部声场形成技术，通过该技术，只能在所需区域附近听到再现声音，并且在该区域之外几乎听不到。
例如，作为形成这种局部声场的方法，通过使用参量扬声器的超方向性控制的局部声场形成方法是已知的。
然而，利用通过使用参量扬声器的超方向性控制的方法，一旦安装了参量扬声器，其只能用于固定目的，并且为了安全也需要某种独创性。此外，由于可以用作再现声音的频带是有限的，所以再现内容也受到限制。
另一方面，也提出了一种在不限制再现内容的情况下实现局部声场形成的方法。
例如，作为这种方法，已经提出了通过使用扬声器阵列产生渐逝波的方法(例如，参见专利文献1)。此外，为了抑制由于使用有限长度的扬声器阵列产生渐逝波而导致的空间截断误差，还提出了一种通过在空间方向上执行加窗来减少误差的方法(例如，参见非专利文献1)。
通过使用专利文献1和非专利文献1中描述的方法，不仅可以在不限制再现内容的情况下形成局部声场，而且可以形成其中可以在一定程度上抑制传播波相对于扬声器阵列在横向上的泄漏的局部声场。
引文列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开号2012-44572
非专利文献
非专利文献1：Itou等人在2011年的IEEE关于信号处理在音频与声学中的应用研讨会(WASPAA)上的“使用线性扬声器阵列进行渐逝波再现(EVANESCENT WAVEREPRODUCTION USING LINEAR ARRAY OF LOUDSPEAKERS)”。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，利用上述技术，在某些情况下不能充分地抑制在非预期方向上的声音泄漏。
例如，在通过使用专利文献1和非专利文献1中描述的技术执行内容再现的情况下，当构成扬声器阵列的扬声器的数量较小时或当再现时间频率中的高频声音时，在非预期方向上的声音泄漏增加。
这样做将创建一个区域，其中人们也可以在所需区域外听到再现内容的声音，并且声音将到达预定的人以外的地方。
鉴于这种情况，已经提出了本技术，并且旨在减少在非预期方向上的声音泄漏。
问题的解决方案
根据本技术的一个方面的局部声场形成装置包括：局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；滤波器单元，其被配置成对音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，并且被配置成基于扬声器驱动信号再现声音。
定向扬声器可以是平板扬声器或平面波扬声器。
扬声器阵列可以是线性扬声器阵列或平板扬声器阵列。
包括在扬声器阵列中的多个扬声器中的至少一半可以是定向扬声器。
根据本技术的一个方面的局部声场形成方法或程序是由局部声场形成装置实施的局部声场形成方法或程序，所述局部声场形成装置包括局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；滤波器单元，其被配置成对音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，并且被配置成基于扬声器驱动信号再现声音。局部声场形成方法或程序包括以下步骤：通过滤波器单元产生扬声器驱动信号；以及基于扬声器阵列的扬声器驱动信号再现声音。
根据本技术的一个方面，在局部声场形成装置中，通过滤波器单元产生扬声器驱动信号，并且基于扬声器阵列的扬声器驱动信号再现声音，所述局部声场形成装置包括局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；滤波器单元，其被配置成对音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，并且被配置成基于扬声器驱动信号再现声音。
发明的效果
根据本技术的一个方面，可以减少在非预期方向上的声音泄漏。
应注意，这里描述的效果不一定是有限的，并且可以应用本公开中描述的任何效果。
附图说明
图1是图示取决于扬声器的数量的声音泄漏的图解。
图2是图示取决于时间频率的声音泄漏的图解。
图3是用于说明全向扬声器的图解。
图4是用于说明定向扬声器的图解。
图5是用于说明扬声器数量的减少的图解。
图6是用于说明与时间频率有关的高频声音的再现的图解。
图7是图示局部声场形成装置的配置的图解。
图8是用于说明坐标系的图解。
图9是用于说明局部声场形成处理的流程图。
图10是用于说明扬声器驱动信号的空间频谱的图解。
图11是用于说明形成的声场的空间频谱的图解。
图12是用于说明扬声器阵列的传输特性的空间频谱的图解。
图13是图示计算机的示例性配置的图解。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述应用本技术的实施方案。
<第一实施方案>
<关于本技术>
本技术使用扬声器阵列来形成局部声场，该局部声场是仅在扬声器阵列附近维持足以用于听觉的声压并且声压在远处区域急剧衰减的声场。
在本技术中，使用扬声器阵列来形成局部声场，并产生渐逝波。渐逝波是具有声压在垂直于扬声器阵列的方向上按距离呈指数衰减的特性的波。
如果使用这种渐逝波，则可以再现内容的声音，使得仅在所需区域中保持足够的声压。然而，实际上，扬声器阵列的长度是有限的。然后，实际上声音可能会在非预期方向上泄漏。
众所周知，例如，如图1中所示，这种声音泄漏随着构成扬声器阵列的扬声器数量的减少而增加。
应注意，在图1中，水平方向指示扬声器阵列的扬声器布置在空间中的方向，并且在以下描述中该方向也称为x方向。此外，在图中，垂直方向指示与空间中的x方向垂直的方向，并且在以下描述中该方向也称为y方向。具体来说，y方向是与扬声器阵列输出声音的方向平行的方向。
在图1中，箭头A11所示的部分示出了在使用由40个扬声器构成的扬声器阵列SPA11通过渐逝波形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A12所示的部分示出了当扬声器阵列SPA11形成由箭头A11指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，应当理解，例如，在扬声器阵列SPA11附近的箭头Q11所示的区域中，声压很大，并且可以充分听到声音。另一方面，应当理解，随着距箭头Q11所示区域的距离增大，声压突然下降，很难听到声音，并且形成了局部声场。然而，即使在这种情况下，例如，在箭头Q12所示的区域和其他地方，应当理解，声音也会轻微泄漏。
另一方面，图1中的箭头A13所示的部分示出了在使用由20个扬声器构成的扬声器阵列SPA12通过渐逝波形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A14所示的部分示出了当扬声器阵列SPA12形成由箭头A13指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，应当理解，例如，在扬声器阵列SPA12附近的箭头Q13所示的区域中，声压很大，使得可以充分听到声音。另一方面，当声压在远离箭头Q13所示区域的区域中减小时，例如，在箭头Q14所示的区域，箭头Q15所示的区域和箭头Q16所示的区域等中，与扬声器阵列SPA11的情况相比，泄漏了更大量的声音。
在如上所述用渐逝波形成局部声场的情况下，随着构成扬声器阵列的扬声器的数量减少，声音泄漏增加。
此外，声音泄漏不仅通过扬声器阵列的扬声器的数量而且通过要再现的声音的时间频带而增加，例如，如图2中所示。
应注意，在图2中，与图1中相对应的部分用相同的参考数字表示，并且将适当地省略其描述。此外，在图2中，水平方向指示扬声器阵列SPA11的扬声器布置在空间中的方向，即，上述x方向，并且图中的垂直方向指示上述y方向。
在图2中，箭头A21所示的部分示出了在使用扬声器阵列SPA11通过渐逝波再现具有500Hz的时间频率的声音来形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A22所示的部分示出了当扬声器阵列SPA11形成由箭头A21指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，应当理解，例如，在扬声器阵列SPA11附近的箭头Q21所示的区域中，声压很大，使得可以充分听到声音。另一方面，应当理解，随着距箭头Q21所示区域的距离增大，声压突然下降，很难听到声音，并且形成了局部声场。然而，同样在这种情况下，应当理解，例如，在箭头Q22所示的区域和其他地方，声音会泄漏。
另一方面，在图2中，箭头A23所示的部分示出了在使用扬声器阵列SPA11通过渐逝波再现具有1500Hz的时间频率的声音来形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A24所示的部分示出了当扬声器阵列SPA11形成由箭头A23指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，应当理解，例如，在扬声器阵列SPA11附近的箭头Q23所示的区域中，声压很大，使得可以充分听到声音。另一方面，声压在远离箭头Q23所示区域的区域中减小。然而，例如，在箭头Q24所示的区域，箭头Q25所示的区域和其他地方，与再现500Hz的声音的情况相比，泄漏了更大量的声音。
在如上所述用渐逝波形成局部声场的情况下，要再现的声音的时间频率越高，即，时间频率越高，声音泄漏就越多。
因此，在本技术中，除了在产生用于产生渐逝波的扬声器驱动信号时的信号处理之外，还通过使用包括定向扬声器的扬声器阵列，可以实现在非预期方向上的声音泄漏的减少。
这里，例如，定向扬声器是诸如平板扬声器、平面波扬声器、参量扬声器的扬声器。其是与通常的全向扬声器相比具有更强方向性的扬声器。
将考虑例如由如图3中所示的全向扬声器构成的扬声器阵列形成声场的情况。应注意，在图3中，水平方向指示上述空间中的x方向，并且图中的垂直方向指示上述y方向。
箭头A31所示的部分示出了当通过使用全向扬声器SPK11再现声音时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。从该实例可以理解，在通过使用全向扬声器SPK11再现声音的情况下，每个方向上的声压变得相等，并且声音的波前向各个方向扩散并传播。
箭头A32所示的部分示出了在使用通过布置类似于全向扬声器SPK11的多个扬声器获得的扬声器阵列SPA21通过渐逝波形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A33所示的部分示出了当扬声器阵列SPA21形成由箭头A32指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，应当理解，例如，在扬声器阵列SPA21附近的箭头Q31所示的区域中，声压很大，使得可以充分听到声音。另一方面，当距箭头Q31所示区域的距离增加时，声压突然下降，很难听到声音，并且形成了局部声场。
然而，应当理解，例如，声音在箭头Q32所示的区域，箭头Q33所示的区域以及其他地方泄漏。具体来说，应当理解，在扬声器阵列SPA21附近的x方向侧的区域中，诸如箭头Q33所示的区域，大量的声音泄漏。
同时，将考虑例如由如图4中所示的定向扬声器构成的扬声器阵列形成声场的情况。应注意，在图4中，水平方向指示上述空间中的x方向，并且图中的垂直方向指示上述y方向。
箭头A41所示的部分示出了当通过使用定向扬声器SPK21再现声音时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。从该实例可以理解，在通过使用定向扬声器SPK21再现声音的情况下，定向扬声器SPK21前方的声压很大，并且定向扬声器SPK21右侧和左侧的声压极低。因此，传播具有强方向性的声波。
箭头A42所示的部分示出了在使用通过布置类似于定向扬声器SPK21的多个扬声器获得的扬声器阵列SPA31通过渐逝波形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A43所示的部分示出了当扬声器阵列SPA31形成由箭头A42所示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，应当理解，例如，在扬声器阵列SPA31附近的箭头Q41所示的区域中，声压很大，使得可以充分听到声音。另一方面，当距箭头Q41所示区域的距离增加时，声压突然下降，很难听到声音，并且形成了局部声场。
即使在使用由定向扬声器构成的扬声器阵列SPA31时，例如，声音也在箭头Q42所示的区域中，在箭头Q43所示的区域中以及其他地方泄漏。然而，与参考图3描述的实例相比，应当理解，声音泄漏非常小。
通过使用由这种定向扬声器构成的扬声器阵列SPA31，即使在如上所述扬声器的数量小的情况下或在再现高频声音的情况下，也可以形成充分抑制声音泄漏的局部声场。
换句话说，根据本技术，通过充分减少声音泄漏，可以减少扬声器的数量，并扩展在声音泄漏足够小到更高频率的状态下可以再现的时间频带。
例如，当将图3中所示的扬声器阵列SPA21与图4中所示的扬声器阵列SPA31进行比较时，在扬声器的数量是20并且要再现的声音的时间频率是500Hz的情况下，声音泄漏情况如图5中所示。
应注意，在图5中，与图3或图4中相对应的部分用相同的参考数字表示，并且将省略其描述。此外，在图5中，水平方向指示在空间中布置扬声器阵列SPA21或扬声器阵列SPA31的扬声器的方向，即，上述x方向，并且图中的垂直方向指示上述y方向。
在图5中，箭头A51所示的部分示出了在使用扬声器阵列SPA21通过渐逝波再现具有500Hz的时间频率的声音来形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，扬声器阵列SPA21由20个全向扬声器构成，并且每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A52所示的部分示出了当扬声器阵列SPA21形成由箭头A51指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，扬声器阵列SPA21附近的区域是希望在局部声场中再现声音的区域。然而，声音不仅泄漏到希望再现声音的区域附近，诸如箭头Q51至Q53所示的区域，例如，而且泄漏到相对远离所需区域的区域。
另一方面，箭头A53所示的部分示出了在使用扬声器阵列SPA31通过渐逝波再现具有500Hz的时间频率的声音来形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，扬声器阵列SPA31由20个定向扬声器构成，并且每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A54所示的部分示出了当扬声器阵列SPA31形成由箭头A53指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，扬声器阵列SPA31附近的区域是希望在局部声场中再现声音的区域。然而，例如，声音在希望再现声音的区域附近泄漏，诸如箭头Q54和箭头Q55所示的区域。然而，应当理解，在使用扬声器阵列SPA31的情况下，与使用扬声器阵列SPA21的情况相比，声音泄漏大大减少。换句话说，应当理解，即使当扬声器阵列由相对少量的扬声器构成时，也可以充分抑制在非预期方向上的声音泄漏。
类似地，在比较扬声器阵列SPA21和扬声器阵列SPA31的情况下，例如，当扬声器的数量是40并且要再现的声音的时间频率是1500Hz时，声音泄漏的状态变为如图6中所示。
应注意，在图6中，与图5的情况中相对应的部分用相同的参考数字表示，并且将省略其描述。此外，在图6中，水平方向指示在空间中布置扬声器阵列SPA21或扬声器阵列SPA31的扬声器的方向，即，上述x方向，并且图中的垂直方向指示上述y方向。
在图6中，箭头A61所示的部分示出了在使用扬声器阵列SPA21通过渐逝波再现具有1500Hz的时间频率的声音来形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，扬声器阵列SPA21由40个全向扬声器构成，并且每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A62所示的部分示出了当扬声器阵列SPA21形成由箭头A61指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，扬声器阵列SPA21附近的区域是希望在局部声场中再现声音的区域。然而，声音不仅在希望再现声音的区域附近的区域中泄漏，诸如箭头Q61和箭头Q62所示的区域，例如，而且在广阔的区域直到相对较远位置的区域泄漏。
另一方面，箭头A63所示的部分示出了在使用扬声器阵列SPA31通过渐逝波再现具有1500Hz的时间频率的声音来形成声场的特定时间，空间中声音的波前状态。这里，扬声器阵列SPA31由40个定向扬声器构成，并且每个位置的密度指示声波的振幅。
此外，箭头A64所示的部分示出了当扬声器阵列SPA31形成由箭头A63指示的声场时空间中每个位置处的声压。具体来说，每个位置的密度指示声压。
在该实例中，扬声器阵列SPA31附近的区域是希望在局部声场中再现声音的区域。然而，例如，声音在希望再现声音的区域附近泄漏，诸如箭头Q63和箭头Q64所示的区域。然而，应当理解，在使用扬声器阵列SPA31的情况下，与使用扬声器阵列SPA21的情况相比，声音泄漏大大减少。换句话说，应当理解，即使当再现高频声音时，也可以充分抑制在非预期方向上的声音泄漏。
利用上述本技术，通过组合包括定向扬声器的扬声器阵列和在产生用于产生渐逝波的扬声器驱动信号时的信号处理来形成局部声场，可以减少在非预期方向上的声音泄漏。具体来说，利用本技术，即使在扬声器阵列的扬声器的数量小的情况下或在再现高频声音的情况下，也可以充分抑制声音泄漏。
应注意，在参考图4至图6所述的实例中，已经描述了构成扬声器阵列的扬声器都是定向扬声器的情况。然而，构成扬声器阵列的扬声器的至少一部分是定向扬声器就足够了。
例如，在通过组合定向扬声器和全向扬声器来配置扬声器阵列的情况下，扬声器阵列的右半部分可以由多个全向扬声器构成，并且剩余的左半部分可以由多个定向扬声器构成。此外，例如，定向扬声器和全向扬声器可以交替布置以形成扬声器阵列。
<局部声场形成装置的示例性配置>
随后，将描述上述本技术的更具体的实施方案。
图7是图示应用本技术的局部声场形成装置的示例性配置的图解。
图7中所示的局部声场形成装置11包括局部声场形成滤波器系数记录单元21、滤波器单元22和扬声器阵列23。
局部声场形成滤波器系数记录单元21包括例如非易失性存储器等，并且通过产生渐逝波来形成声场，预先记录用于形成局部声场的音频滤波器系数。换句话说，记录在局部声场形成滤波器系数记录单元21中的音频滤波器系数是用于通过渐逝波形成所需声场的局部声场形成滤波器的滤波器系数。
局部声场形成滤波器系数记录单元21将记录的音频滤波器系数提供给滤波器单元22。
滤波器单元22被提供声源信号，该声源信号是由扬声器阵列23形成局部声场的声音的声音信号。滤波器单元22使用从局部声场形成滤波器系数记录单元21提供的音频滤波器系数向所提供的声源信号应用滤波处理，由此产生用于通过扬声器阵列23形成局部声场的扬声器驱动信号。滤波器单元22将如此获得的各个扬声器的扬声器驱动信号提供给扬声器阵列23以再现声音。
扬声器阵列23由通过线性布置多个扬声器获得的线性扬声器阵列，通过在平面上布置多个扬声器获得的平板扬声器阵列等构成，并且基于从滤波器单元22提供的扬声器驱动信号再现声音。
因此，由扬声器阵列23产生渐逝波，并且形成局部声场，其中仅在扬声器阵列23附近的区域中可以听到声音。
应注意，尽管扬声器阵列23由多个扬声器构成，但是多个扬声器中的至少一个是定向扬声器，诸如平板扬声器、平面波扬声器或参量扬声器，如上所述。即，构成扬声器阵列23的部分或全部扬声器是定向扬声器。
例如，构成扬声器阵列23的至少一半扬声器可以是定向扬声器，诸如平板扬声器和平面波扬声器。
(局部声场形成滤波器系数记录单元)
接着，将更详细地描述局部声场形成装置11的各个单元。
首先，将描述局部声场形成滤波器系数记录单元21。
例如，下面将描述在图8中所示的三维正交坐标系中描述三维自由空间中的声场的预定位置V的情况。
在图8中所示的实例中，扬声器阵列23是平板扬声器阵列，并且平板扬声器阵列的预定位置被设置为xyz坐标系的原点O，该xyz坐标系是三维正交坐标系。此外，在xyz坐标系中，图中的水平方向是x轴方向(x方向)，图中的前方向是y轴方向(y方向)，并且图中的垂直方向是z轴方向(z方向)。
因此，在该实例中，任意位置V使用x坐标、y坐标和z坐标表示为位置V＝(x,y,z)。
具体来说，在该实例中，y方向是与构成扬声器阵列23的扬声器排列的方向垂直的方向，并且当形成局部声场时，扬声器阵列23再现声音，使得产生在y方向上衰减的渐逝波。
在局部声场形成滤波器系数记录单元21中，记录用于由扬声器阵列23产生要在y方向上衰减的渐逝波的音频滤波器的滤波器系数。例如，如下所述获得构成音频滤波器的滤波器系数。
换句话说，在三维自由空间中，在任意位置V的时间t的声场p(V,t)满足以下表达式(1)所示的波表达式。
[公式1]
应注意，在表达式(1)中，c表示声音的速度，并且如以下表达式(2)所示。
[公式2]
此外，假设逆时间傅里叶变换T(t)如以下表达式(3)所示，时间傅里叶变换F(·)如以下表达式(4)所示。
[公式3]
[公式4]
应注意，在表达式(3)和(4)中，i表示虚数单位，并且ω表示角频率。
这里，关于上述表达式(1)，按照以下表达式(5)中表示的方式执行变量除法以划分空间微分和时间微分。此外，通过使用表达式(4)，获得以下表达式(6)所示的亥姆霍兹表达式。
[公式5]
p(V,t)＝X(V)T(t)···(5)
[公式6]
应注意，在表达式(6)中，P(V,ω)表示位置V处的角频率ω的声场。此外，当角频率为ωpw，并且x方向、y方向和z方向上的波数分别为kpw,x、kpw,y和kpw,z时，表达式(6)所示的亥姆霍兹表达式的通解，其表示在由角频率ωpw、波数kpw,x、波数kpw,y和波数kpw,z表示的方向上传播的平面波，如以下表达式(7)中所表示。
[公式7]
应注意，在表达式(7)中，δ(ω-ωpw)表示δ函数。
这里，在波数区中，建立由以下表达式(8)所示的关系。
[公式8]
求解y方向上的波数kpw,y的表达式(8)得到以下表达式(9)。
[公式9]
表达式(9)的上部中的波，即，上部所示的具有波数kpw,y的波，表示正常传播波，并且表达式(9)的下部中的波，即，下部所示的具有波数kpw,y的波，表示渐逝波。
因此，将表达式(9)的下部所示的渐逝波的波数kpw,y代入表达式(7)中所示的声场P(V,ω)，得到以下表达式(10)。
[公式10]
然而，当将波数kpw,y代入表达式(7)时，由于具有波数kpw,y的正号的项提供了物理上无意义的解，所以具有负号的项被替换。
此外，表达式(10)中的(kpw,x 2+kpw,z 2-(ω/c)2)1/2是定义渐逝波的衰减幅度的项。
因此，在希望具有恒定衰减幅度而不依赖于角频率ω的情况下，例如，可以使用表示衰减幅度的常数α来设置波数kpw,x和波数kpw,z以满足以下表达式(11)。此时，如从表达式(10)所理解的，随着常数α增加，渐逝波的衰减因子增加。
[公式11]
这里，考虑获得音频滤波器系数，该系数用于获得用于产生由表达式(10)表示的渐逝波的扬声器驱动信号。应注意，如何获得音频滤波器系数也在例如“Itou等人在2011年的IEEE关于信号处理在音频与声学中的应用研讨会(WASPAA)上的“使用线性扬声器阵列进行渐逝波再现(EVANESCENT WAVE REPRODUCTION USING LINEAR ARRAY OFLOUDSPEAKERS)””等中详细描述。
当表达式(10)在x上进行空间傅里叶变换时，其表示为如以下表达式(12)中所示。
[公式12]
此外，传递函数的空间频谱G'(kx,y,z,ω)表示为如以下表达式(13)中所示。
[公式13]
应注意，在表达式(13)中，H0 (2)表示第二类汉克尔函数，并且K0表示贝塞尔函数。
此外，根据频谱分割法(SDM)，扬声器驱动信号的空间频谱D'(kx,ω)如以下表达式(14)中所示。应注意，SDM方法在例如“Jens Ahrens和Sascha Spors在IEEE关于音频、语音和语言处理的事务(第18卷，第8号，2010年11月)中的“使用平面和线性扬声器阵列进行声场再现(Sound Field Reproduction Using Planar and Linear Arrays ofloudspeakers)””等中详细描述。
[公式14]
在表达式(14)中，yref表示用作y方向上的基础的参考位置，即控制点的位置。
通过对如此获得的关于波数kx的表达式(14)执行逆空间傅里叶变换，获得以下表达式(15)中所示的扬声器驱动信号的时间频谱D(x,ω)。
[公式15]
此外，当如此获得的时间频谱D(x,ω)进行逆时间傅里叶变换时，获得扬声器驱动信号的时间波形d(x,t)，即作为时间信号的扬声器驱动信号d(x,t)，如以下表达式(16)所示。
[公式16]
此时，如果识别构成扬声器阵列23的扬声器并且用I表示指示扬声器位置的索引，则从表达式(16)获得具有索引I的扬声器的音频滤波器的滤波器系数h(l,m)，如以下表达式(17)所示。
[公式17]
应注意，在表达式(17)中，m表示时间索引。通过用索引l替换表达式(16)中所示的扬声器驱动信号d(x,t)中的x，并用时间索引m替换t，获得滤波器系数h(l,m)。当使用这种滤波器系数h(l,m)对声源信号应用滤波处理时，在基于声源信号形成的波前的空间方向上执行加窗。由此，可以减少产生旁瓣，即传播波。
此外，在上述描述中，已经描述了在波数区域中获得渐逝波并计算滤波器系数h(l,m)的方法。然而，可以通过其他方法获得用于产生渐逝波的滤波器系数。
(滤波器单元)
通过执行由以下表达式(18)所示的计算，滤波器单元22对从局部声场形成滤波器系数记录单元21提供的音频滤波器的滤波器系数h(l,m)和声源信号进行卷积，并计算扬声器阵列23的每个扬声器的扬声器驱动信号s(l,n)。换句话说，通过使用包括滤波器系数h(l,m)的音频滤波器对声源信号应用滤波处理来产生扬声器驱动信号s(l,n)。
[公式18]
应注意，在表达式(18)中，n表示时间索引，并且x(n)表示声源信号。此外，N指示滤波器长度。
滤波器单元22将如此获得的扬声器驱动信号s(l,n)提供给构成扬声器阵列23的每个扬声器以再现声音。
<局部声场形成处理的描述>
接着，将参考图9的流程图描述由局部声场形成装置11执行的局部声场形成处理。
在步骤S11中，滤波器单元22从局部声场形成滤波器系数记录单元21读出每个扬声器的滤波器系数h(l,m)，并对每个扬声器的读出的滤波器系数h(l,m)和提供的声源信号进行卷积，由此产生扬声器驱动信号s(l,n)。
在步骤S11中，通过为构成扬声器阵列23的每个扬声器计算上述表达式(18)，产生扬声器驱动信号s(l,n)。
在步骤S12中，滤波器单元22将产生的扬声器驱动信号s(l,n)提供给构成扬声器阵列23的扬声器以再现声音，并且局部声场形成处理结束。因此，通过扬声器阵列23使用渐逝波形成声场，并形成局部声场。
如上所述，局部声场形成装置11通过使用用于在空间方向上加窗的滤波器系数来产生扬声器驱动信号，并且通过包括定向扬声器作为组件的扬声器阵列23基于扬声器驱动信号再现声音。利用这种配置，可以减少在非预期方向上的声音泄漏。
同时，在构成扬声器阵列23的扬声器的数量小的情况下或在特别要再现相对于时间频率的高频声音的情况下，当基于由滤波器单元22获得的扬声器驱动信号再现扬声器阵列23的声音时，传播波在x方向上泄漏。
这里，图10图示用于产生渐逝波的扬声器驱动信号的空间频谱的实例。
在图10中，箭头A71所示的部分示出了扬声器驱动信号的空间频谱，即时空频谱图，具体来说，水平轴示出了空间频率，即，x方向上的波数kx，并且垂直轴示出了时间频率f。此外，空间频谱中的密度指示声压(振幅)。
应注意，在这种情况下，为了简化说明，假设z方向上的波数是kz＝0，并且构成扬声器阵列23的扬声器在x轴上线性对齐。
在箭头A71所示的空间频谱中，由直线表示的边界BD11-1和边界BD11-2表示渐逝区域和传播波区域之间的边界位置，即渐逝边界。
在局部声场形成装置11中，当基于扬声器驱动信号s(l,n)再现声音时，产生如箭头A71所示的空间频谱的波前。产生的波包括渐逝波和传播波。
此时，图中边界BD11-1右侧的区域和图中边界BD11-2左侧的区域是传播波区域，并且传播波区域中的波是传播波。另一方面，图中边界BD11-1左侧的区域和图中边界BD11-2右侧的渐逝边界外的区域是渐逝区域，并且渐逝区域中的波是渐逝波。
应注意，在以下描述中，在不必特别区分边界BD11-1和边界BD11-2的情况下，将其简称为边界BD11。
边界BD11是波数k＝(kx 2+kz 2)1/2的位置，特别是在该实例中，波数kx满足kx＝|ω/c|，并且在该位置处的波是在x方向上行进的传播波。
此外，箭头A72所示的部分示出了箭头A71所示的空间频谱中的预定区域的波数kx(即直线L11上的一部分)与要形成的波(声波)的振幅之间的关系。换句话说，在箭头A72所示的部分中，垂直轴示出了振幅，并且水平轴示出了波数kx。
在图10中所示的实例中，如从箭头A71所示的空间频谱可以理解，箭头W11所示的部分被观察为频谱峰值。换句话说，沿边界BD11-2存在频谱峰值，并且频谱峰值位于渐逝区域内。
因此，应当理解，箭头W11所示的部分，即，如箭头A72所示形成的波前中的频谱峰值部分成为主瓣，并且当基于扬声器驱动信号s(l,n)再现声音时，主要产生渐逝波。
以这种方式，表示渐逝波的频谱峰值存在于渐逝边界外的渐逝区域内，并且满足|ω/c|<|kx|。然而，因为扬声器阵列23的x方向上的长度是有限的，所以发生截断误差。因此，应当理解，频谱的旁瓣泄漏到满足|kx|<|ω/c|的落入渐逝边界内的传播波区域中，使得不仅产生渐逝波而且产生传播波。
如上所述，随着构成扬声器阵列23的扬声器的数量减少，旁瓣的影响增加。此外，在表达式(11)中所示的α表示常数的情况下，随着时间频率变高，旁瓣的影响增加。
因此，在局部声场形成装置11中，构成扬声器阵列23的扬声器中的一个或多个扬声器是定向扬声器。
例如，如上参考图4所述，通过使用在前方向(即y方向)上具有方向性的定向扬声器，作为构成扬声器阵列23的一个或多个扬声器，可以减少在x方向上的声音泄漏。
这里，例如，如果构成扬声器阵列23的所有扬声器都是在y方向上具有方向性的定向扬声器，则形成的声场中的渐逝边界附近的传播波区域的能量变小，如图11中所示。
应注意，在图11中，与图10中相对应的部分用相同的参考数字表示，并且将适当地省略其描述。
由图11中的箭头A81指示的部分示出了当构成扬声器阵列23的所有扬声器都是全向扬声器时形成的声场的空间频谱，即时空频谱图。此外，箭头A82所示的部分示出了当构成扬声器阵列23的所有扬声器都是定向扬声器时形成的声场的空间频谱，即时空频谱图。具体来说，在这些空间频谱中，水平轴示出了空间频率，即波数kx，并且垂直轴示出了时间频率f。此外，空间频谱中的密度指示声压(能量)。
在箭头A81所示的空间频谱中，产生在x方向(即，扬声器在扬声器阵列23中排列的方向)上传播的平面波(传播波)，因为边界BD11附近的传播波区域的能量很大。即，x方向上的声音泄漏相对于扬声器阵列23增加。
另一方面，在箭头A82所示的空间频谱中，应当理解，边界BD11附近的传播波区域的能量很小，并且在x方向上的声音泄漏大大减少。这是因为通过使用定向扬声器减少了泄漏到边界BD11附近(即，渐逝边界附近)的旁瓣的影响。
此外，例如，当采用定向扬声器作为构成扬声器阵列23的扬声器时，在x方向上的声音泄漏减少的现象也可以在扬声器阵列23的传输特性的时空频谱图中得到证实，如图12中所示。应注意，在图12中，与图10中相对应的部分用相同的参考数字表示，并且将适当地省略其描述。
由图12中的箭头A91指示的部分指示当构成扬声器阵列23的所有扬声器都是全向扬声器时，扬声器阵列23的传输特性的时空频谱图，即空间频谱。此外，箭头A92指示的部分示出了当构成扬声器阵列23的所有扬声器都是定向扬声器时，扬声器阵列23的传输特性的时空频谱图，即空间频谱。具体来说，在这些空间频谱中，水平轴示出了空间频率，即波数kx，并且垂直轴示出了时间频率f。此外，空间频谱中的密度指示声压(能量)。
在箭头A91所示的空间频谱中，应当理解，传播到作为边界BD11的渐逝边界附近的传播波区域的信号(即在x方向上)具有恒定能量。
另一方面，在箭头A92所示的空间频谱中，应当理解，在作为边界BD11的渐逝边界附近的传播波区域中，与箭头A91所示的空间频谱中的情况相比，即使在相同区域中信号的能量也较小。
如上所述，通过使用定向扬声器作为构成扬声器阵列23的一个或多个扬声器，与使用仅由全向扬声器构成的扬声器阵列的情况相比，可以显著减少在非预期方向上的声音泄漏。
<计算机的示例性配置>
顺便提及，上述一系列处理可以由硬件执行或由软件执行。在一系列处理由软件执行的情况下，构成软件的程序安装在计算机中。这里，例如，计算机包括并入专用硬件的计算机，以及能够通过安装各种程序来执行各种功能的通用计算机等。
图13是图示通处理序执行上述一系列处理的计算机的硬件的示例性配置的方框图。
在计算机中，中央处理单元(CPU)501、只读存储器(ROM)502和随机存取存储器(RAM)503通过总线504相互连接。
总线504进一步与输入/输出接口505连接。输入/输出接口505与输入单元506、输出单元507、记录单元508、通信单元509和驱动器510连接。
输入单元506包括键盘、鼠标、麦克风、成像设备等。输出单元507包括显示器、扬声器阵列等。记录单元508包括硬盘、非易失性存储器等。通信单元509包括网络接口等。驱动器510驱动可移动记录介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器。
在如上所述配置的计算机中，CPU 501经由输入/输出接口505和总线504将例如记录在记录单元508中的程序加载到RAM 503中并执行该程序，由此执行上述一系列处理。
例如，要由计算机(CPU 501)执行的程序可以通过记录在作为封装介质等的可移动记录介质511上来提供。此外，程序可以经由有线或无线传输介质来提供，诸如局域网、互联网或数字卫星广播。
在计算机中，通过将可移动记录介质511安装在驱动器510上，可以经由输入/输出接口505将程序安装在记录单元508上。此外，该程序可以经由有线或无线传输介质由通信单元509接收并安装在记录单元508上。另外，程序可以预先安装在ROM 502或记录单元508上。
应注意的是，由计算机执行的程序可以是根据本说明书中描述的顺序按时间顺序处理的程序，或者可以并行执行或在必要的时间执行，诸如在进行呼叫时。
此外，本技术的实施方案不限于上述实施方案。在不脱离本技术的主旨的情况下，可以进行各种修改。
例如，在本技术中，可以采用云计算的配置，其中一个功能经由网络由多个装置共享，并且被协作处理。
此外，在上述流程图中描述的每个步骤可以由一个装置执行或由多个装置共享。
此外，在一个步骤中包括多个处理的情况下，在一个步骤中包括的多个处理可以由一个装置执行或由多个装置共享。
此外，本说明书中描述的效果仅仅是实例而不受限制，并且也可以提供其他效果。
此外，本技术可以如下所述配置。
(1)
一种局部声场形成装置，包括：
局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；
滤波器单元，其被配置成对所述音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及
扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，所述扬声器阵列被配置成基于所述扬声器驱动信号再现声音。
(2)
根据(1)所述的局部声场形成装置，其中
所述定向扬声器是平板扬声器或平面波扬声器。
(3)
根据(1)或(2)所述的局部声场形成装置，其中
所述扬声器阵列是线性扬声器阵列或平板扬声器阵列。
(4)
根据(1)至(3)中任一项所述的局部声场形成装置，其中
包括在所述扬声器阵列中的所述多个扬声器中的至少一半是所述定向扬声器。
(5)
一种由局部声场形成装置实施的局部声场形成方法，所述装置包括：
局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；
滤波器单元，其被配置成对所述音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及
扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，所述扬声器阵列被配置成基于所述扬声器驱动信号再现声音，
所述方法包括以下步骤：
通过所述滤波器单元产生所述扬声器驱动信号；以及
基于所述扬声器阵列的所述扬声器驱动信号再现所述声音。
(6)
一种用于使计算机执行处理的程序，所述计算机被配置成控制局部声场形成装置，所述装置包括：
局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；
滤波器单元，其被配置成对所述音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及
扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，所述扬声器阵列被配置成基于所述扬声器驱动信号再现声音，
所述处理包括以下步骤：
通过所述滤波器单元产生所述扬声器驱动信号；以及
基于所述扬声器阵列的所述扬声器驱动信号再现所述声音。
参考符号列表
11 局部声场形成装置
21 局部声场形成滤波器系数记录单元
22 滤波器单元
23 扬声器阵列。

Claims (6)

1.一种局部声场形成装置，包含：
局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；
滤波器单元，其被配置成对所述音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及
扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，所述扬声器阵列被配置成基于所述扬声器驱动信号再现声音。
2.根据权利要求1所述的局部声场形成装置，其中
所述定向扬声器是平板扬声器或平面波扬声器。
3.根据权利要求1所述的局部声场形成装置，其中
所述扬声器阵列是线性扬声器阵列或平板扬声器阵列。
4.根据权利要求1所述的局部声场形成装置，其中
包括在所述扬声器阵列中的所述多个扬声器中的至少一半是所述定向扬声器。
5.一种由局部声场形成装置实施的局部声场形成方法，所述装置包括：
局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；
滤波器单元，其被配置成对所述音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及
扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，所述扬声器阵列被配置成基于所述扬声器驱动信号再现声音，
所述方法包含以下步骤：
通过所述滤波器单元产生所述扬声器驱动信号；以及
基于所述扬声器阵列的所述扬声器驱动信号再现所述声音。
6.一种用于使计算机执行处理的程序，所述计算机被配置成控制局部声场形成装置，所述装置包括：
局部声场形成滤波器系数记录单元，其被配置成记录用于通过渐逝波形成声场的音频滤波器系数；
滤波器单元，其被配置成对所述音频滤波器系数和声源信号进行卷积以产生扬声器驱动信号；以及
扬声器阵列，其包括多个扬声器，所述扬声器包括定向扬声器，所述扬声器阵列被配置成基于所述扬声器驱动信号再现声音，
所述处理包括以下步骤：
通过所述滤波器单元产生所述扬声器驱动信号；以及
通过所述扬声器阵列基于所述扬声器驱动信号再现所述声音。
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