JP2005142632A

JP2005142632A - 音場制御方法およびこの方法を実施する装置

Info

Publication number: JP2005142632A
Application number: JP2003374250A
Authority: JP
Inventors: Takashi Uematsu; 尚植松; Yoichi Haneda; 陽一羽田; Akitoshi Kataoka; 章俊片岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: JP4125216B2

Abstract

【課題】分割された周波数帯域を制御するに適した間隔を持った音圧・音圧傾度センサを用いて、再生すべきエリア内において低周波数の音を充分な音圧で再生すると共により高い周波数までの制御をすることができる音場制御方法および装置を提供する。
【解決手段】入力音信号Ｘ（ｔ）を再生する一次音源部３１と、入力音信号Ｘ（ｔ）の遅延と周波数特性を変化させた信号を再生する二次音源部３２とにより音場を制御する音場制御方法および装置において、二次音源部３２に供給する入力音信号Ｘ（ｔ）をN個（Ｎ≧２）の周波数帯域に分割し、再生エリアの境界上に設置されて各周波数帯域の信号毎に選択された音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nの出力信号を用いて、入力音信号Ｘ（ｔ）の遅延と周波数特性を変化させた周波数帯域毎の信号を生成し、これを二次音源部３２に用いる音場制御方法および装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、音場制御方法およびこの方法を実施する装置に関し、室内エリアの如き空間の音場特性を変化させて任意のエリア内のみに可聴音を生成するエリア限定拡声、能動騒音制御その他の音場制御の用途に供する音場制御方法およびこの方法を実施する装置に関する。

拡声装置を用いて音を放射する場合、音再生に用いるスピーカの指向特性の影響はあるものの、音はスピーカから概ね全ての方向に放射されて聴取することができる。従って、或る特定のエリアだけに限定して音を再生しその外側に音が漏れ出ることのない拡声、即ち、エリア限定再生の構築を目指した場合、スピーカの如き拡声装置、或いは再生装置をこれに対応して工夫する必要がある。この一つの実現の手法として、Kirchhoff-Helmholtzの積分方程式の性質を利用した音場制御法を応用する方法が考えられる（非特許文献１参照）。

このKirchhoff-Helmholtzの積分方程式の性質を利用した音場制御法は、或る任意の閉空間の境界面上における音圧と音圧傾度を制御することで、別の場所にある同じ形状の閉空間内の原音場を忠実に再現することができるというものである。
この制御法には、ホーンを用いたり、反射板の焦点にスピーカユニットを設置するという幾何学的な方法、或いは複数のスピーカをアレイ状に配置することで指向性を形成するという狭い指向特性を有するスピーカを用いて或るエリア内だけに音場を再生する場合と比較して、小規模なシステムで実現することができると共に、再生エリアの制御が他の方法に比較して容易であるという利点がある。ただし、この制御法は、広い周波数帯域に亘って音場を制御するには、音圧および音圧傾度を観測するセンサを多数設置する必要があり、その数に比例して二次音源の数も増大するので、実際にシステムを動作させた場合には制御可能な周波数帯域の上.限は限られる。

この限られた上限周波数の内で、より高い周波数まで制御を行うには、二次音源および制御点の間隔を狭くすることが有効である。ただし、特に、二次音源の間隔を狭くすると、上限周波数を超えない範囲において比較的高い周波数に対して制御することができるが、比較的低い周波数の音は一次音源の近傍で消音されて、再生エリアが極端に小さくなる。結果として、所望の再生エリア内に充分な音圧を持って音再生をすることができない。
伊勢、音声学会誌Vol.53.No.9,pp.706-713,1977．

上述した通り、Kirchhoff-Helmholtzの積分方程式の性質を利用したエリア再生式は、制御することができる上限周波数を上げようとすると、低周波数の音を充分な音圧で再生することができなくなる。
この発明は、再生エリア内において低周波数の音を充分な音圧で再生すると共に、制御することができる上限周波数を上げることができる音場制御方法およびこの方法を実施する装置を提供するものである。

請求項１：入力音信号Ｘ（ｔ）を再生する一次音源部３１と、入力音信号Ｘ（ｔ）の遅延と周波数特性を変化させた信号を再生する二次音源部３２とにより音場を制御する音場制御方法において、二次音源部３２に供給する入力音信号Ｘ（ｔ）をN個（Ｎ≧２）の周波数帯域に分割し、再生エリアの境界上に設置されて各周波数帯域の信号毎に選択された音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nの出力信号を用いて、入力音信号Ｘ（ｔ）の遅延と周波数特性を変化させた周波数帯域毎の信号を生成し、これを二次音源部３２を用いて拡声再生する音場制御方法を構成した。

そして、請求項２：請求項１に記載される音場制御方法において、分割された任意の周波数帯域毎に音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nの数および距離間隔を異にする音場制御方法を構成した。
また、請求項３：求項１に記載される音場制御方法において、音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nの内の幾つかは複数周波数帯域に共通して使用する音場制御方法を構成した。
ここで、請求項４：入力音信号Ｘ（ｔ）を再生する一次音源部３１と、入力音信号Ｘ（ｔ）の遅延と周波数特性を変化させた信号を再生する二次音源部３２とにより音場を制御する音場制御装置において、二次音源部３２に供給する入力音信号Ｘ（ｔ）をN個（Ｎ≧２）の周波数帯域に分割する周波数分割部１０を具備し、再生エリアの境界上に設置されて各周波数帯域の信号毎に選択された音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nより成る音圧・音圧傾度センサ部４０を具備し、音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nの出力信号を用いて周波数分割部１０から供給される入力音信号X（ｔ）に遅延と周波数特性の変化を付与した信号を生成して二次音源部３２に出力する信号処理部２０を具備する音場制御装置を構成した。

そして、請求項５：請求項４に記載される音場制御装置において、信号処理部は分割された各周波数帯域に対応するフィルタ部２１₁〜２１_nを有し、最も高い周波数帯域に対応するフィルタ部２１₁の入力は基本センサ配置における全ての音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nに接続し、この最も高い周波数帯域の次に周波数の高い帯域を処理するフィルタ部２１₂以降の入力は基本センサ配置の内から音庄センサ４の間隔をより粗くした複数個の音圧・音圧傾度センサに選択接続している音場制御装置を構成した。

この発明によれば、再生するべき音の周波数を任意の周波数帯域に分割し、そのそれぞれの帯域について異なる個数の制御点および音圧・音圧傾度センサを用いて再生エリアを制御する。ここで、再生するべき音の周波数とは、この発明によるエリア再生方式で制御を行う周波数である。これに際して、基本音圧・音圧傾度センサ配置として、音圧・音圧傾度センサを最高周波数帯域の制御に適した最も密に配置する音圧・音圧傾度センサ配置とする。最高周波数帯域以外の周波数帯域については、音圧・音圧傾度センサ間の間隔が制御すべき周波数帯域の制御に相応する様に、最高周波数帯域の制御に用いる音圧・音圧傾度センサの内から複数個の音圧・音圧傾度センサを選択する。この様に、再生すべき周波数帯域を複数の周波数帯域毎に分割し、その分割された周波数帯域を制御するのに適した間隔を持った音圧・音圧傾度センサを用いることで、再生すべきエリア内において低周波数の音を充分な音圧で再生すると共に、より高い周波数までの制御をすることができるに到る。

発明を実施するための最良の形態を図１の実施例を参照して説明する。
図１はこの発明によるエリア再生装置を示す。図１において、１０は周波数分割部であり、入力される音信号Ｘ（ｔ）を複数の周波数帯域の信号に分割する部位である。２０は信号処理部であり、分割された各周波数帯域毎に信号を処理する部位である。３０は音響再生部であり、入力音信号Ｘ（ｔ）を再生すると共に処理した信号を音として再生する部位である。４０は音圧・音圧傾度センサ部であり、再生された音の音圧と音圧傾度を観測する部位である。

音圧・音圧傾度センサ部４０は、一般に、音響−電気信号変換器はマイクロホンの如き音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nにより構成することができる。この音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nは１個の丸により図示されているが、それぞれ、一対の音圧センサを近接して配置することで構成されており、これら一対の内の何れか一方の音圧センサの出力信号を音圧信号とすると共に、一対の音圧センサ４の出力信号の差から音庄傾度を得る。また、各音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nは、周波数分割部１０で分割された周波数帯域の内の最も高い周波数帯域における音の制御に適した間隔に設定配置する。ここにおいて、これを基本センサ配置と呼ぶ。最も高い周波数帯域に対応するフィルタ部２１₁の入力は基本センサ配置における全ての音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nに接続した検出信号である。この最も高い周波数帯域の次に周波数の高い帯域を処理するフィルタ部２１₂以降の入力は、基本センサ配置の内から音庄センサ４の間隔をより粗くした複数個の音圧・音圧傾度センサに選択接続している。例えば、図示される通り、基本センサ配置から一つ置きに隣り合う音圧・音圧傾度センサ４₂、・・・、４_n-2、４_nを選択することで、音圧・音圧傾度センサ間隔を粗にすることができる。この様に、処理すべき周波数帯域が低くなるにつれて、音圧・音圧傾度センサ間隔がより粗となる様に、再生エリアの境界上に配置される音圧・音圧傾度センサを複数個置きに選択し、それぞれの周波数帯域毎のフィルタ部２１の入力に接続する。この実施例は、再生エリアの境界上に音圧・音圧傾度センサを多数設置する余地のある場合に好適な実施例である。

図２を参照するに、これは簡単のために入力される音信号の周波数帯域を２分割した場合について、７個の音圧・音圧傾度センサ４₁〜４₇を用いて制御した場合を説明する図である。ここにおいては、２分割された周波数帯域の内の高周波数帯域の信号を制御するには、全ての音圧・音圧傾度センサ４₁〜４₇を用いる。そして、低周波数帯域の信号を制御するには、これらのセンサの内の一つ置きに隣り合う４個の音圧・音圧傾度センサ４₁、４₃、４₅、４₇を用いている。ここで、音圧・音圧傾度センサ４₁〜４₇に関して、一次音源３１を二次音源３２よりも遠方に配置することで、二次音源３２に用いる信号処理部２０のフィルタの因果性を満たすことができる。或いは、一次音源３１に遅延を持たせて信号を出力することに依っても、フィルタの因果性を満たすことができる。

フィルタ部２１は、その処理すべき周波数帯域それぞれの音圧・音圧傾度センサ４から供給される検出出力に基づいてその出力を発生出力する。具体的には、周波数分割部１０から入力される入力音信号Ｘ（ｔ）が、フィルタ部２１の持つフィルタ係数Ｗi（ｔ）と畳み込まれ、その結果であるｙi（ｔ）が音響再生部３０に出力される。但し、ｉは分割された周波数帯域の番号を示す。ここで、フィルタ係数Ｗi（ｔ）は、その周波数帯域用にエリアの境界に設置された音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nにより観測された音圧０とすると共に音圧傾度を０とする設定とされる。ここで、音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nの設置点近傍において観測された音圧０であると共に音圧傾度０であるということは、ここに音圧が存在していない無音であることを意味している。この設定の仕方の一例として、音響再生部３０から出力された音を再生エリアの境界上に設置した音圧・音圧傾度センサ４を構成する１対のマイクロホンにより観測し、何れか一方のマイクロホンの値およびを両者の差を音圧傾度として用いて次の出力に用いるフィルタ係数Ｗi（ｔ＋１）を求める仕方がある。このフィルタ係数Ｗi（ｔ＋１）の更新には、一例として、MEFX-LMSアルゴリズム(Elliot et al."Amultiple error LMS algorithm and its application to active control of sound and vibration,"IEEE Trans.Acoust.Speech Signal Proc.,Vol.ASSP-35(10),pp.1423-1434,1987)を用いることができる。或いは、再生部３０の各二次音源部３２と、音圧・音圧傾度センサ部４０の各音圧・音圧傾度センサ４間の音響伝達関数を予め求め、その伝達関数から、一例として多点放射型音圧制御装置（特開昭６１−２１２９９６号公報参照）により、各音圧・音圧傾度センサ４において音圧が０となる様にフィルタ係数Ｗi（ｔ）を求めておく仕方もある。

周波数帯域毎のフィルタ部２１のフィルタ係数Ｗi（ｔ）は、フィルタ部それぞれについて用いる音圧・音圧傾度センサ４の数が異なるところから、周波数帯域毎に独立に求めることとなる。
周波数分割された周波数帯域毎にフィルタ係数Ｗi（ｔ）と畳み込まれた入力音信号は、二次音源部３２から再生出力されることで、音圧・音圧傾度センサ４₁〜４_nが配列される位置を境界とした再生エリア内において、広い周波数帯域に亘って充分な音圧を持って音再生される。

実施例を説明するブロック図。図１の実施例の一例を説明する図。

符号の説明

１０周波数分割部２０信号処理部
２１₁〜２１_nフィルタ部３０音響再生部
３１一次音源３２二次音源
４０音圧・音圧傾度センサ部４₁〜４_n音圧・音圧傾度センサ

Claims

入力音信号を再生する一次音源部と、入力音信号の遅延と周波数特性を変化させた信号を再生する二次音源部とにより音場を制御する音場制御方法において、
二次音源部に供給する入力音信号をN個（Ｎ≧２）の周波数帯域に分割し、再生エリアの境界上に設置されて各周波数帯域の信号毎に選択された音圧・音圧傾度センサの出力信号を用いて、入力音信号の遅延と周波数特性を変化させた周波数帯域毎の信号を生成し、これを二次音源部を用いて拡声再生することを特徴とする音場制御方法。
請求項１に記載される音場制御方法において、
分割された任意の周波数帯域毎に音圧・音圧傾度センサの数および距離間隔を異にすることを特徴とする音場制御方法。
請求項１に記載される音場制御方法において、
音圧・音圧傾度センサの内の幾つかは複数周波数帯域に共通して使用することを特徴とする音場制御方法。
入力音信号を再生する一次音源部と、入力音信号の遅延と周波数特性を変化させた信号を再生する二次音源部とにより音場を制御する音場制御装置において、
二次音源部に供給する入力音信号をN個（Ｎ≧２）の周波数帯域に分割する周波数分割部を具備し、
再生エリアの境界上に設置されて各周波数帯域の信号毎に選択された音圧・音圧傾度センサより成る音圧・音圧傾度センサ部を具備し、
音圧・音圧傾度センサの出力信号を用いて周波数分割部から供給される入力音信号に遅延と周波数特性の変化を付与した信号を生成して二次音源部に出力する信号処理部を具備することを特徴とする音場制御装置。
請求項４に記載される音場制御装置において、
信号処理部は分割された各周波数帯域に対応するフィルタ部を有し、
最も高い周波数帯域に対応するフィルタ部の入力は基本センサ配置における全ての音圧・音圧傾度センサに接続し、この最も高い周波数帯域の次に周波数の高い帯域を処理するフィルタ部以降の入力は基本センサ配置の内から音圧・音圧傾度センサの間隔をより粗くした複数個の音圧・音圧傾度センサに選択接続していることを特徴とする音場制御装置。