JP2005192212A - 多数のマイクロホンを利用した指向性制御可能スピーカシステム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のマイクロホンを利用した指向性制御可能スピーカシステム及びその方法を提供する。
【解決手段】チャンネル別に複数のスピーカアレイより構成されたスピーカユニットの指向性制御方法において、各チャンネル別の聴取位置でインパルス状に発生した衝撃音を感知して各チャンネル間信号の遅延値を計測し、計測された信号の遅延値に基づいて所定の聴取者位置補償フィルタ係数を読出し、読出された補償フィルタ係数を入力されるオーディオ信号に付与してスピーカの指向性を調整する過程を含む指向性制御可能スピーカシステム。
【選択図】図４

Description

本発明は音響再生システムに係り、特に、多数のマイクロホンを利用した指向性制御可能スピーカシステム及びその方法に関する。

通常的に、ラウドスピーカの性能を決定する特性のうち一つは、指向性である。
指向性は、スピーカの方向によって音圧の周波数特性が変わる性質である。しかし、広い指向性は、スピーカの性能を自動的に保証しない。むしろスピーカの目的及びラウドスピーカが音を伝達する領域のサイズによって指向性パターンを決定しなければならない。例えば、オーディオシステムに対しては、広い指向性が要求される。そして、パブリックアドレスシステムに対しては、ハウリングを防止するために音が特定方向にのみ伝播される狭い指向性が要求される。一方、ラウドスピーカの指向性を決定する時に考慮しなければならない幾つかの要素がある。単一スピーカユニットを採用するスピーカシステムで、指向性は、そのユニットの構造、すなわち、コーンスピーカまたはホーンスピーカによって決定される。また、複数のスピーカユニットが直線配列で配置されているラインソーススピーカシステムで、それぞれのスピーカユニットは、物理的構造と位置とによって決定された方向にのみ音を放射するために装着される。したがって、いかなる構造のスピーカシステムでも、その指向性は、当該スピーカユニット自体の物理的構造あるいは配置によって決定される。しかし、聴取者の位置によってスピーカの指向性を変更しなければならない状況が度々発生する。

従来の指向性を制御するスピーカシステムは、特許文献１に提示されている。
図１Ａ及び図１Ｂを参照して従来の技術を説明すれば、スピーカシステムは、デジタルフィルタアレイ２２、アンプアレイＡ_１〜Ａ_ｍ ２４及びスピーカユニットアレイＳＰ_１〜ＳＰ_ｍ ２６を備える。デジタルフィルタアレイ２２は、複数のデジタルオーディオ信号プロセッサ（ＤＡＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｕｄｉｏ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ＤＦ_１〜ＤＦ_ｍを有する。それぞれのＤＡＳＰは、第１信号入力端子ＩＮ_１及び第２信号入力端子ＩＮ_２を通じて入力されるオーディオ信号を所定のデジタルフィルタ係数によってフィルタリングする。アンプアレイ２４は、ＤＡＳＰで制御されたオーディオ信号を増幅する。スピーカユニットアレイ２６は、ラインソース形態としてアンプアレイ２４で増幅されたオーディオ信号を再生する。したがって、図１Ａのようなスピーカシステムを利用して、図１Ｂのように信号の指向性をＳ_１及びＳ_２方向に分ける。結果的に、第１信号入力端子ＩＮ_１及び第２信号入力端子ＩＮ_２を通じて入力されるオーディオ信号はそれぞれ、Ｓ_１方向及びＳ_２方向に再生される。

しかし、図１Ａのように構成される従来のスピーカシステムは、スピーカ駆動のための正確な聴取者の計測方法が提供されなくて聴取者の位置による指向性を得られず、それぞれのスピーカユニットにフィルタとアンプとがそれぞれ付着されて、別途にヒートシンク素子を備えなければならない問題点がある。

また、マルチチャンネル駆動器を採用したスピーカシステムは、パワーハンドリングに対する長所があるが、高周波を再生させる場合に再生周波数帯域の波長とチャンネル駆動期間との距離によって同一音圧を表す線で連結されたローブが複数に分けられる。したがって、図２Ａに示されたように、聴取者によって周波数特性が平坦な位置とそうでない位置とが発生する。図２Ｂは、スイートスポット領域とオフアクシスとでのスピーカ周波数特性を示す一例である。指向性ローブが存在する最適の位置のスイートスポットでの周波数特性は、全周波数帯域で平坦である一方、オフアクシスでの周波数特性は、特定帯域で音圧が平坦でない問題点がある。
米国特許ＵＳ５,９５３,４３２号公報（Ｕ.Ｓ．Ａｐｐ．Ｎｏ．０８／９１１,１８３ ｆｉｌｅｄ １４ Ａｕｇ．１４ １９９７ ｔｏ Ｙａｎａｇａｗａ ｅｔ ａｌ，ＬＩＮＥ ＳＯＵＲＣＥ ＳＰＥＡＫＥＲ ＳＹＳＴＥＭ） 特開平１１−３１６６３６号公報 特開２００２−１９６８５０号公報 米国特許第５，３６１，３６１号明細書 米国公開公報２００２／００７８２６２号

本発明が解決しようとする技術的課題は、複数のマイクロホンで聴取者の位置を計測して複数のスピーカアレイより構成された二つのチャンネルのスピーカの指向性を調節する指向性制御可能スピーカシステム及びその方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明は、チャンネル別に複数のスピーカアレイより構成されたスピーカユニットの指向性制御方法において、（ａ）各チャンネル別の聴取位置でインパルス状に発生した衝撃音を感知して各チャンネル間信号の遅延値を計測する過程と、（ｂ）前記計測された信号の遅延値に基づいて所定の聴取者位置補償フィルタ係数を読出す過程と、（ｃ）前記読出された補償フィルタ係数を入力されるオーディオ信号に付与してスピーカの指向性を調整する過程と、を含むことを特徴とする。

前記他の課題を解決するために、本発明は、チャンネル別に複数のスピーカアレイより構成されたスピーカシステムにおいて、チャンネル別の聴取者の位置でインパルス状に発生した衝撃音を感知する聴取位置感知部と、前記聴取位置感知部で感知された各チャンネル間の音遅延情報に基づいて所定の聴取者位置補償フィルタ係数を読出し、入力されるオーディオ信号を前記補償フィルタ係数で遅延補償してＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）オーディオ信号に変換する制御部と、前記制御部によって変換されたＰＷＭオーディオ信号を増幅して前記複数のスピーカに出力するパワースイッチング部と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、計測された信号の遅延値を利用して最適のデジタルフィルタ係数値を設定することによって、二つチャンネルのスピーカの指向性を聴取者に最適に調整できる。そして、マルチチャンネル駆動器を利用する場合、複数のスピーカはそれぞれアンプを別途に備える。したがって、従来にはアンプで発生する熱によってアンプとスピーカとが共に装着し難いが、本発明では、ＰＷＭ増幅方式のデジタルアンプを利用して熱を効果的に低下させてスピーカと共に装着しうる。

以下、添付された図面を参照として本発明の望ましい実施例を説明する。
図３は、本発明によるスピーカシステムの外観図である。
図３を参照すれば、スピーカシステムは、左右チャンネル別に複数のスピーカアレイユニット３１０，３２０より構成される。左右チャンネル別スピーカアレイユニットはそれぞれ、上下マイクロホンＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２及び左右スピーカアレイＬＳＰ１−ＬＳＰｍ，ＲＳＰ１−ＲＳＰｍより構成される。ここで、上下マイクロホンＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２は、左右チャンネル別にユーザが聴取位置で発生させたインパルス状の衝撃音を感知する。

図４は、本発明によるスピーカシステムの全体ブロック図である。
図４のスピーカシステムは、制御部４１０、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４１６、左右聴取位置感知部ＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２、４チャンネルＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）部４２０、左右チャンネル信号再生部４４０，４４０−１より構成される。制御部４１０は、デジタル信号処理部４１４及びＲＯＭ ４１６よりなる。左右聴取位置感知部ＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２は、マイクロホンを利用する。左右チャンネル信号再生部４４０，４４０−１は、パワースイッチング回路部４４２，４４２−１、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）アレイ部４４４，４４４−１、スピーカアレイ部４４６，４４６−１よりなる。

まず、左右聴取位置感知部ＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２は、左右スピーカアレイ部４４６，４４６−１の上下位置に４個のマイクロホン状に装着されてインパルスで発生する衝撃音を感知する。

４チャンネルＡＤＣ部４２０は、左右聴取位置感知部ＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２で４チャンネルとして感知されたアナログ形態の衝撃音をデジタル信号に変換する。

制御部４１０は、４チャンネルＡＤＣ部４２０からデジタルに変換された衝撃音信号を利用して各チャンネル間の信号の遅延値を計算し、その遅延値に基づいてＲＯＭ ４１６に保存された聴取者位置補償フィルタ係数を読出し、入力されるＰＣＭ（Ｐｌｕｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）オーディオ信号を割当てられたｍ個の補償フィルタ係数とコンボリューションさせてｍチャンネルに分離させた後、その補償フィルタ係数を通じて遅延補償されたｍ個のチャンネルのオーディオ信号をＰＷＭオーディオ信号に変換する。特に、制御部４１０は、入力される２つのチャンネルのＰＣＭオーディオ信号を位置補償フィルタ係数を通じてｍ個のチャンネルに並列処理することによって、スピーカユニットが現在聴取者位置で最適の指向特性を有させる。

ＲＯＭ ４１６には、ルックアップテーブル状に複数の遅延値に対応する最適の聴取者位置補償フィルタ係数を保存している。

パワースイッチング回路部４４２，４４２−１は、制御部４１０でｍ個のチャンネル別に入力される小出力のＰＷＭオーディオ信号をそれぞれ大出力のオーディオＰＷＭ信号に増幅する。この時、小出力のＰＷＭオーディオ信号は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなスイッチング素子をオン／オフさせることによって大出力のＰＷＭオーディオ信号に変換される。

ＬＰＦアレイ部４４４，４４４−１は、パワースイッチング回路部４４２，４４２−１でｍ個のチャンネル別に入力される大出力のＰＷＭオーディオ信号をローパスフィルタリングして可聴オーディオ帯域の信号に変換する。

スピーカアレイ部４４６，４４６−１は、ＬＰＦアレイ部４４４，４４４−１でｍ個のチャンネル別に入力されるそれぞれのオーディオ信号を再生する。

図５は、図４の制御部４１０で信号の遅延を計測する方法を示すフローチャートである。
まず、システムがオンになれば、聴取者位置で発生するインパルス信号を待機する（５１０過程）。

次いで、聴取者位置で各チャンネル別のマイクロホンを利用して図６と同じユーザが発生させたインパルス信号を感知すれば、各チャンネル別に発生したインパルス信号の音圧の大きさＩが臨界値Ｉ_ｔｈを超えるか否かをチェックする（５２０過程）。図６に、聴取者の位置からスピーカエンクロージャの上下に位置したマイクロホンで拍手のようなインパルス信号を発生する方法を示している。

次いで、各チャンネル別のインパルス信号の音圧の大きさＩが臨界値Ｉ_ｔｈを超える度に各チャンネル間の信号遅延値ｄ１〜ｄ３を時間ドメイン上で計測する（５３０過程）。

次いで、求められた信号時間ドメインでの遅延値ｄ１〜ｄ３から経路差を計算する（５４０過程）。すなわち、図７を参照すれば、チャンネル別にスピーカのインクロージャに装着された複数のマイクロホンＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１−ＲＭ２を利用して一つのチャンネルの高低差によって発生する遅延値ｄ１またはｄ２と左右チャンネル間の距離差によって発生する遅延値ｄ３とを求める。この時、理想的に動作するスピーカシステムを利用する場合、遅延値ｄ１及びｄ２は、ほぼ同じである。

次いで、遅延値ｄ１，ｄ３による最適の聴取者位置補償フィルタ係数をＲＯＭで読出す（５５０過程）。すなわち、ＲＯＭ ４１６には行列構造の遅延値ｄ１及びｄ３それぞれに対応する最適の位置補償フィルタ係数が保存されている。この行列構造の遅延値ｄ１及びｄ３と当該位置補償フィルタ係数とはルックアップテーブルで具現できる。この時、計算された遅延値ｄ１，ｄ３に該当するフィルタ係数をルックアップテーブルを通じて読出す。結局、入力されるオーディオ信号は、フィルタ係数とコンボリューションされる。したがって、この遅延値に対応する位置補償フィルタ係数が聴取者の位置を補償することによって、聴取者に現在位置で最適の指向特性を有するようにスピーカ指向性を調節する。

本発明は、前述した実施例に限定されず、本発明の思想内で当業者による変形が可能である。

本発明は、複数のマイクロホンを利用した指向性制御可能スピーカシステム及びその方法に係り、一般的に音響再生システムに適用可能である。

従来のスピーカシステムを説明する図である。 従来のスピーカシステムを説明する図である。 指向性によるスイートスポットの位置を示す図である。 スイートスポットとオフアクシスとでの周波数特性を示すグラフである。 本発明によるスピーカシステムの外観図である。 本発明によるスピーカシステムの全体ブロック図である。 図４の制御部で信号の遅延を計測する方法を示すフローチャートである。 聴取位置で各マイクロホンにインパルスを発生する方法を示す図である。 マイクロホンで感知されたインパルスを利用して遅延を計測する図である。

符号の説明

４１０ スピーカシステム制御部
４１４ デジタル信号処理部
４１６ ＲＯＭ
４２０ ４チャンネルＡＤＣ部
４４０，４４０−１ 左右チャンネル信号再生部
４４２，４４２−１ パワースイッチング回路部
４４４，４４４−１ ＬＰＦアレイ部
４４６，４４６−１ スピーカアレイ部
ＬＭ１−ＬＭ２，ＲＭ１，ＲＭ２ 左右聴取位置感知部
ＬＳＰ１−ＬＳＰｍ，ＲＳＰ１−ＲＳＰｍ 左右スピーカアレイ

Claims (8)

1. チャンネル別に複数のスピーカアレイより構成されたスピーカユニットの指向性制御方法において、
   （ａ）各チャンネル別の聴取位置でインパルス状に発生した衝撃音を感知して各チャンネル間信号の遅延値を計測する過程と、
   （ｂ）前記計測された信号の遅延値に基づいて所定の聴取者位置補償フィルタ係数を読出す過程と、
   （ｃ）前記読出された補償フィルタ係数を入力されるオーディオ信号に付与してスピーカの指向性を調整する過程と、を含むスピーカシステムの指向性制御方法。
2. 前記（ａ）過程は、
   チャンネル別に前記スピーカユニットに装着された複数のマイクロホンを通じてユーザによって発生するインパルス信号を感知する過程と、
   前記過程で感知されたチャンネル別のインパルス信号の音圧の大きさが臨界値を超える度に各チャンネル間の信号遅延値を計測する過程と、
   前記過程で計測された遅延値に基づいてチャンネル間の経路差を計算する過程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のスピーカシステムの指向性制御方法。
3. 前記（ａ）過程は、一つのチャンネルの高低差から発生する信号遅延値と左右チャンネル間の距離差から発生する信号遅延値とを利用してあらかじめ保存された遅延値に対する特定位置補償フィルタ係数を読出す過程であることを特徴とする請求項１に記載のスピーカシステムの指向性制御方法。
4. 前記（ｃ）過程で、オーディオ信号は、前記フィルタ係数とコンボリューションされた信号であることを特徴とする請求項１に記載のスピーカシステムの指向性制御方法。
5. チャンネル別に複数のスピーカアレイより構成されたスピーカシステムにおいて、
   チャンネル別の聴取者の位置でインパルス状に発生した衝撃音を感知する聴取位置感知部と、
   前記聴取位置感知部で感知された各チャンネル間の音遅延情報に基づいて所定の聴取者位置補償フィルタ係数を読出し、入力されるオーディオ信号を前記補償フィルタ係数で遅延補償してＰＷＭオーディオ信号に変換する制御部と、
   前記制御部によって変換されたＰＷＭオーディオ信号を増幅して前記複数のスピーカで出力するパワースイッチング部と、を含むスピーカシステム。
6. 前記聴取位置感知部は、ユーザによってインパルス状に発生する衝撃音を感知する複数のマイクロホンと、
   前記マイクロホンで感知された衝撃音をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のスピーカシステム。
7. 前記複数のマイクロホンは、前記チャンネル別に直線状に配列された複数のスピーカユニットに装着されることを特徴とする請求項６に記載のスピーカシステム。
8. 前記遅延値に対応する聴取者位置補償フィルタ係数をルックアップテーブルに保存している保存部をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のスピーカシステム。
   
   
   

Images