JP2006222669A - スピーカアレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ある領域に居る複数の聴取者に対して、音声を明瞭に聞かせることができるスピーカアレイ装置を提供する。
【解決手段】 スピーカアレイ装置１のスピーカアレイ１４を構成する各スピーカ１５を複数のスピーカユニットに分割し、ユニット毎に各スピーカ１５から放音させる音声を遅延制御して、音声ビームを出力させる。また、各スピーカユニットが出力する音声ビームの出力タイミングを調整（遅延）する。これにより、複数の音声ビームがそれぞれ焦点を結ぶとともに、各焦点を帯状に配置することができる。つまり、音圧の高い帯状の領域を形成することができるので、この領域に居る複数の聴取者に対して明瞭に音声を聞かせることができる。また、スピーカアレイを構成するスピーカ数を調整したり、各スピーカから複数の音声を出力させたりすることで、音声ビームの数量を増加できるので、聴取者に音声を明瞭に聞かせることができる領域を更に拡大できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複数の音声ビームを出力するスピーカアレイ装置に関する。

従来、複数のスピーカを直線状や平面状に配置し、各スピーカから放音する音声のゲインや出力遅延時間を制御することで、音声ビームを形成してその指向性を制御できるスピーカ装置に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−２３３５９１号公報

特許文献１に記載のスピーカ装置では、音声ビームを壁面に反射させることで、リスナの前方に音像を定位させることができる。また、このスピーカ装置を用いることで、音声ビームの放射角を調整することができるので、聴取者が複数居る場所において、１名〜数名の聴取者に対して音声を明瞭に聞かせることができる。

しかしながら、このスピーカ装置は、さらに広い領域に居る多数の聴取者（例えば数十人の聴取者）に対して、音声を明瞭に聞かせることができなかった。また、音声を壁面で反射させると、一部目的の方向と異なる方向に音声が反射したり音声が壁面に多少吸収されたりするため、音声のエネルギーが多少減衰するという問題があった。

そこで、本発明は、一定の広さのある領域に居る複数の聴取者に対して、音声を明瞭に聞かせることができるスピーカアレイ装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１）複数のスピーカを配列したスピーカアレイと、
各スピーカへの音声信号の入力タイミングを制御することにより、前記スピーカアレイから出力される音声のビームを制御するビーム制御手段と、を備え、
前記ビーム制御手段は、前記複数のスピーカの一部を１ユニットとするスピーカユニットを複数設定し、スピーカユニット毎に、それぞれ異なる近接した位置に焦点を結ぶようにビームを制御することを特徴とする。

この構成においては、スピーカアレイ装置は、複数の音声ビームがそれぞれ焦点を結ぶように出力させるとともに、各焦点をそれぞれ異なる位置に近接して配置する。これにより、帯状や円形に高音圧の領域を形成することができ、この領域内に居る聴取者に対して音声を明瞭に聞かせることができる。例えば、コンサート会場のような広い空間において、複数の音声ビームの焦点を近接させて形成した高音圧領域を全座席中の中央付近に位置するように設定することで、この領域に居る複数の聴取者に対して、明瞭に音声を聞かせることができる。また、音声を直接空間内に放音するので、音声が壁面などに吸収されたり乱反射したりすることが無く、音声エネルギーの減衰を防止できる。

（２）前記ビーム制御手段は、前記スピーカユニットの一部または全部が他のスピーカユニットと重なっていることを特徴とする。

この構成においては、スピーカユニットの一部または全部が他のスピーカユニットと重なっており、少なくとも一部のスピーカは複数のスピーカユニットに属しているので、これらのスピーカから複数の音声を放音させて音声ビームを複数形成することができる。したがって、スピーカ数を増加させることなく、音声ビームの数量を増加させることが可能となり、高音圧領域を拡大することができる。

（３）音声ビームの焦点の移動入力を受け付ける操作手段を備え、
前記ビーム制御手段は、前記操作手段で受け付けた操作に応じて、各スピーカから放音する音声のゲイン及び放音タイミングを調整して、音声ビームの焦点位置を移動させることを特徴とする。

この構成においては、スピーカアレイ装置では、操作手段を操作することで、音声ビームの焦点位置を移動することができる。したがって、複数の音声ビームの焦点位置を同時に移動するように操作を行うことで、高音圧領域を移動することが可能となり、所望の領域に音声を拡声することができる。

本発明のスピーカアレイ装置は、スピーカアレイから複数の音声ビームを出力して、各音声ビームの焦点を近接して配置するので、これらの焦点により帯状や円形などの音圧の高い領域を形成することができるので、この高音圧領域に居る聴取者に対して音声を明瞭に聞かせることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るスピーカアレイ装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、スピーカアレイの構成図であり、（Ａ）はマトリックス状にスピーカを配列した場合、（Ｂ）はハニカム状にスピーカを配列した場合を示している。

スピーカアレイ装置１は、音声入力端子２、Ａ／Ｄコンバータ３、複数の音声ビーム形成部４（４ａ〜４ｅ）、及びスピーカアレイ１４を有している。各音声ビーム形成部４は、タイムアライメント部５、帯域分割部６、オーバサンプリング部７、ディレイコントロール部８、ダウンサンプリング部９、ウィンドウフィルタ部１０、帯域合成部１１、音声合成部１２、Ｄ／Ａコンバータ１３、及びスピーカアレイ１４を備えている。

音声入力端子２は、音声信号を出力する外部機器を接続するためのものである。

Ａ／Ｄコンバータ３は、音声入力端子２から入力されたアナログ音声信号をディジタル音声信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ３のサンプリング周波数は、一例として４８ｋＨｚに設定されているものとする。

ここで、スピーカアレイ装置１は、スピーカアレイ１４から出力する音声ビームの数量分だけ音声ビーム形成部４を備えている。図１に示した構成では、一例として音声ビーム形成部４ａ〜４ｅを備えており、音声ビームを最大で５つ出力することができる。各音声ビーム形成部４ａ〜４ｅの構成は同様であるため、図１には音声ビーム形成部４ａの構成のみを示している。

タイムアライメント部５は、Ａ／Ｄコンバータ３で変換された入力音声信号の出力タイミングを調整して、各音声ビーム形成部４がスピーカアレイ１４から出力させる音声ビームの出力タイミングを調整する。

帯域分割部６は、タイムアライメント部５で出力タイミングが調整された音声信号を、周波数帯域毎に分割する。図１に示した例では、低域、低中域、中高域、高域の４つの帯域に分割している。ここで、帯域分割部６は、低域の音声信号を出力する帯域分割部６ａ、低中域の音声信号を出力する帯域分割部６ｂ、中高域の音声信号を出力する帯域分割部６ｃ、高域の音声信号を出力する帯域分割部６ｄから成る。

オーバサンプリング部７は、サンプリング周波数４８ｋＨｚでサンプリングされた音声信号のサンプリング周波数を一例として１９２ｋＨｚに上げて、再度サンプリング（オーバサンプリング）する。ここで、オーバサンプリング部７は、帯域分割部６ａに接続されたオーバサンプリング部７ａ、帯域分割部６ｂに接続されたオーバサンプリング部７ｂ、帯域分割部６ｃに接続されたオーバサンプリング部７ｃ、帯域分割部６ｄに接続されたオーバサンプリング部７ｄから成る。

ディレイコントロール部８は、スピーカアレイ１４から放音する音声を音声ビームとして形成するために、スピーカアレイ１４を構成する各スピーカ１５から出力する音声信号の放音タイミングを個別に調整する。ここで、ディレイコントロール部８は、オーバサンプリング部７ａに接続されたディレイコントロール部８ａ、オーバサンプリング部７ｂに接続されたディレイコントロール部８ｂ、オーバサンプリング部７ｃに接続されたディレイコントロール部８ｃ、及びオーバサンプリング部７ｄに接続されたディレイコントロール部８ｄから成る。

ダウンサンプリング部９は、１９２ｋＨｚでオーバサンプリングされた音声信号のサンプリング周波数を４８ｋＨｚに下げる（ダウンサンプリングする）。ここで、ダウンサンプリング部９は、ディレイコントロール部８ａに接続されたダウンサンプリング部９ａ、ディレイコントロール部８ｂに接続されたダウンサンプリング部９ｂ、ディレイコントロール部８ｃに接続されたダウンサンプリング部９ｃ、及びディレイコントロール部８ｄに接続されたダウンサンプリング部９ｄから成る。

ウィンドウフィルタ部１０は、ゲイン制御機能を内蔵しており、スピーカアレイ１４の各スピーカ１５から放音させる音声のゲインを調整する。また、ウィンドウフィルタ部１０は、帯域毎に窓関数が設定されており、スピーカアレイ１４から放音する音声ビームにおいてサイドローブの発生を抑制してメインローブのみを出力させる。ここで、ウィンドウフィルタ部１０は、ダウンサンプリング部９ａに接続されたウィンドウフィルタ部１０ａ、ダウンサンプリング部９ｂに接続されたウィンドウフィルタ部１０ｂ、ダウンサンプリング部９ｃに接続されたウィンドウフィルタ部１０ｃ、及びダウンサンプリング部９ｄに接続されたウィンドウフィルタ部１０ｄから成る。

帯域合成部１１は、周波数帯域毎に分割された音声信号を合成する。ここで、帯域合成部１１は、スピーカアレイ１４を構成するｎ個のスピーカ１５のそれぞれに音声信号を出力するために、音声ビーム形成部４ａ〜４ｅはそれぞれｎ個の帯域合成部を備えている。すなわち、音声ビーム形成部４ａは帯域合成部１１−１〜１１−ｎを、音声ビーム形成部４ｂは帯域合成部１１−（ｎ＋１）〜１１−２ｎ、音声ビーム形成部４ｃは帯域合成部１１−（２ｎ＋１）〜１１−３ｎ、音声ビーム形成部４ｄは帯域合成部１１−（３ｎ＋１）〜１１−４ｎ、音声ビーム形成部４ｅは帯域合成部１１−（４ｎ＋１）〜１１−５ｎをそれぞれ備えている。帯域合成部１１−１〜１１−ｎは、音声ビーム形成部４ａのウィンドウフィルタ部１０（１０ａ〜１０ｄ）に接続されている。帯域合成部１１−（ｎ＋１）〜１１−２ｎは、音声ビーム形成部４ｂのウィンドウフィルタ部１０（１０ａ〜１０ｄ）に接続されている。帯域合成部１１−（２ｎ＋１）〜１１−３ｎは、音声ビーム形成部４ｃのウィンドウフィルタ部１０（１０ａ〜１０ｄ）に接続されている。帯域合成部１１−（３ｎ＋１）〜１１−４ｎは、音声ビーム形成部４ｄのウィンドウフィルタ部１０（１０ａ〜１０ｄ）に接続されている。帯域合成部１１−（４ｎ＋１）〜１１−５ｎは、音声ビーム形成部４ｅのウィンドウフィルタ部１０（１０ａ〜１０ｄ）に接続されている。

音声合成部１２は、各音声ビーム形成部４ａ〜４ｅから出力された音声信号を合成する。音声合成部１２は、音声合成部１２−１〜１２−ｎから成る。音声合成部１２−１は、帯域合成部１１−１，１１−（ｎ＋１），１１−（２ｎ＋１），１１−（３ｎ＋１），１１−（４ｎ＋１）に接続され、音声合成部１２−ｎは、帯域合成部１１−ｎ，１１−２ｎ，１１−３ｎ，１１−４ｎ，１１−５ｎに接続されている。音声合成部１２−２〜１２−（ｎ−１）も同様に帯域合成部１１と接続されている。

Ｄ／Ａコンバータ１３は、音声合成部１２で合成されたサンプリング周波数が４８ｋＨｚのディジタル音声信号をアナログ音声信号に変換する。ここで、Ｄ／Ａコンバータ１３は、Ｄ／Ａコンバータ１３−１〜１３−ｎから成り、それぞれ音声合成部１２−１〜１２−ｎに接続されている。

スピーカアレイ１４は、ｎ個のスピーカ１５（１５−１〜１５−ｎ）から成り、それぞれＤ／Ａコンバータ１３−１〜１３−ｎに接続されている。スピーカアレイ１４は、Ｄ／Ａコンバータ１３（１３−１〜１３−ｎ）が出力した音声信号を増幅する図示しないパワーアンプの出力信号を放音して、音声ビームを形成する。スピーカアレイ装置１は５つの音声ビーム形成部４ａ〜４ｅを備えているので、スピーカアレイ１４は、５つの音声ビームを出力可能である。

スピーカ１５−１〜１５−ｎには、一例として直径１インチ程度のものを使用し、４ｃｍ間隔で、図２に示すようにマトリックス状またはハニカム状に配列して使用する。スピーカアレイ１４のサイズは、例えば全長・全高とも２ｍである。スピーカアレイ装置１では、人の声や楽器の音色など様々な種類の音声を音声ビームとして出力することが可能である。

操作部２１は、音声ビームの出力方向や音声ビームの焦点までの距離の設定など、ユーザＵが行った各種の設定入力を受け付けて、その入力に応じた信号を制御部２３へ出力する。

表示部２２は、制御部２３から出力された制御信号に基づいてユーザＵに伝達すべき内容を表示する。

制御部２３は、操作部２１で受け付けた音声ビームの出力方向や焦点距離などの設定入力に基づいて、音声ビームを形成するために各スピーカ１５から放音する音声信号の遅延時間や音声信号のゲインの設定を演算により求める。そして、その演算結果に基づいて、スピーカアレイ１４の各スピーカ１５から放音させる音声の遅延時間の設定値をディレイコントロール部８に設定するとともに、各スピーカ１５から放音させる音声のゲインの設定値をウィンドウフィルタ部１０に設定する。

ここで、周知のように音声は、周波数が高くなるほど指向性が鋭くなり、逆に周波数が低いほど指向性を有しなくなり、また音声ビームの帯域によってサイドローブの発生位置や発生量が異なる。そこで、本発明では、上記のようにスピーカアレイ装置１において、音声入力端子２から入力した音声信号を、一例として低域、低中域、中高域、高域の４つの帯域に分割するとともに、ウィンドウフィルタ部１０における窓関数の設定値を帯域毎に変えている。これにより、帯域毎にサイドローブの発生を抑制するとともに、全帯域をほぼ同じ指向性にすることができる。

なお、音声ビームの帯域分割は、４つに限るものではなく、さらに細分化するようにしてもよく、この場合にはサイドローブの発生をさらに抑制することができる。

また、本発明のスピーカアレイ装置１は、音声ビームの指向性を細かく制御することができる。例えば、スピーカアレイ１４の前面から３０ｍ先において音声ビームが焦点を結ぶように制御できる。また、この距離において焦点の位置を１〜２ｎの範囲で移動させることが可能である。このような精度で音声ビームの指向性及び焦点距離を制御するためには、周波数分解能を高くする必要がある。そのため、本発明では、Ａ／Ｄコンバータ３のサンプリング周波数が４８ｋＨｚである場合、オーバサンプリング部７においてサンプリング周波数１９２ｋＨｚでオーバサンプリングするように構成している。

次に、スピーカアレイ装置１が高音圧領域を形成する動作について説明する。図３は、スピーカアレイにおいて、各スピーカから音声を放音して音声ビームを形成するイメージを示す図である。図３は、平面状のスピーカアレイから４つの音声ビームを出力させて、各音声ビームの焦点を近接させて円形の高音圧領域を形成している状態を示す斜視図である。

図３に示すように、本発明のスピーカアレイ装置１では、スピーカアレイ１４を構成する複数のスピーカ１５を複数のグループ（スピーカユニット）に分割して、スピーカユニット毎に音声ビームを出力させる。また、スピーカアレイ装置１は、スピーカアレイ１４の各スピーカ１５から、壁面などに反射させることなく直接放音させて、音声ビームの焦点が近接して並ぶように制御する。これは、タイムアライメント部５により音声ビーム毎に焦点の位置を制御するとともに、ディレイコントロール部８により各スピーカ１５から放音する音声の放音タイミングを調整することで、音声ビームを形成することによるものである。

このように制御することで、音声ビームの焦点及びその周囲は音圧の高い領域となるので、複数の音声ビームの焦点が近接することにより、帯状や円形に音圧の高い領域（高音圧領域）を形成することができる。

したがって、本発明のスピーカアレイ装置１を使用することで、例えばイベント会場や野外のような複数の聴取者が居る場所において、従来よりも多くの聴取者に対して明瞭に音声を聞かせることができる。

また、本発明のスピーカアレイ装置１では、壁面に音声を反射させないで空間内に音声を直接放音するので、壁面に音声が吸収されたり音声が乱反射して音声のエネルギーが減衰することがなく、高音圧領域におけるエネルギー成分を高めることができる。

なお、図３に示した例では、スピーカアレイ装置１では音声ビーム形成部４ｅを停止させて、音声ビーム形成部４ａ〜４ｄを動作させて４つの音声ビームを出力させている。

スピーカアレイ装置１では、スピーカアレイ１４を構成するスピーカ数を増加させるとともに、音声ビーム形成部４を増加させることで、音声ビームの焦点の数を増加させて、聴取者に音声を明瞭に聞かせることができる高音圧領域をさらに広くすることができる。また、音声ビーム形成部４では、各スピーカから複数の音声を出力させることで、音声ビームの焦点の数を増加させて高音圧領域をさらに広げることも可能である。

図４は、スピーカアレイの各スピーカから出力する音声ビームの図３とは異なるイメージ図である。図４は、平面状のスピーカアレイから５つの音声ビームを出力させて、各音声ビームの焦点を近接させて円形の高音圧領域を形成している状態を示す斜視図である。

スピーカアレイ装置１の制御部２３は、ユーザにより高音圧領域を広げるように設定されると、ディレイコントロール部８を制御して、スピーカアレイ１４の複数のスピーカ１５から２つ以上の音声を放音するように制御を行って、音声ビームの出力数を増加させる。そして、各音声ビームの焦点が近接するように配置を設定する。これにより、図４に示すように、少なくとも一部のスピーカ１５は、複数の音声ビームを形成するために複数の音声を放音するので、スピーカアレイ１４を構成するスピーカ１５の数量を増加することなく、複数の音声ビームを出力することができる。したがって、高音圧領域を拡大することが可能となる。

なお、１つのスピーカ１５から複数の音声を放音させる場合には、各音声が干渉して減衰しないように、出力タイミングやゲインを調整する必要がある。

次に、本発明のスピーカアレイ装置１では、操作部２１を操作することで、音声ビームの各焦点の位置を同時に移動させることができる。この場合、制御部２３は、操作部２１が音声ビームの焦点を移動する操作を受け付けたことを検出すると、その操作により入力された移動距離や移動方向などの情報に基づいて、各スピーカ１５から放音する音声のゲインや放音タイミングを演算する。そして、制御部２３は、その結果をタイムアライメント部５や各音声ビーム形成部４ａ〜４ｅのディレイコントロール部８ａ〜８ｄに制御信号を出力して、複数の音声ビームの各焦点位置を移動する。

このように、各音声ビームの焦点を移動させることができるので、各音声ビームの焦点により形成された高音圧領域を移動させることができる。これにより、例えばコンサート会場などにおいて、帯状の光線を移動させることで、雰囲気を盛り上げることができるが、上記のように音声ビームの帯を移動させることで、音声が通過する（移動する）感覚を聴取者に与えることができるので、さらに雰囲気を盛り上げることができる。

なお、音声ビームを出力するためにどのスピーカ１５を使用するか、またスピーカ１５をいくつ使用するかは、制御部２３に予め設定されたデータと、スピーカアレイ１４から高音圧領域を形成する場所までの距離や方向などに基づいて演算した結果によって決定される。

以上のように、本発明のスピーカアレイ装置は、スピーカアレイを構成する各スピーカを複数のスピーカユニットに分割し、スピーカユニット毎に各スピーカから放音させる音声を遅延制御して、音声ビームを出力させるとともに、各スピーカユニットが出力する音声ビームの出力タイミングを調整（遅延）することで、複数の音声ビームがそれぞれ焦点を結ぶとともに、各焦点を帯状に配置することができる。これによりに、音圧の高い帯状の領域を形成することができるので、この領域に居る複数の聴取者に対して明瞭に音声を聞かせることができる。

また、本発明のスピーカアレイ装置では、各焦点を移動させることができるので、各音声ビームの焦点が移動するように制御することで、音圧の高い領域を移動させることができる。これにより、例えばコンサート会場などにおいて、帯状の光線を移動させることで、雰囲気を盛り上げることができるが、上記のように音声ビームの帯を移動させることで、聴取者に音声が通過する感覚を与えることができるので、さらに雰囲気を盛り上げることができる。

本発明の実施形態に係るスピーカアレイ装置の概略構成を示すブロック図である。 スピーカアレイの構成図である。 スピーカアレイの各スピーカから出力する音声ビームのイメージ図である。 スピーカアレイの各スピーカから出力する音声ビームの図３とは異なるイメージ図である。

符号の説明

１−スピーカアレイ装置 ２−音声入力端子 ３−Ａ／Ｄコンバータ
４，４ａ〜４ｅ−音声ビーム形成部 ５−タイムアライメント部
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ−帯域分割部
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ−オーバサンプリング部
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ−ディレイコントロール部
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ−ダウンサンプリング部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ−ウィンドウフィルタ部
１１，１１−１〜１１−ｎ−帯域合成部
１２，１２−１〜１２−ｎ−音声合成部
１３，１３−１〜１３−ｎ−Ｄ／Ａコンバータ １４−スピーカアレイ
１５−１〜１５−ｎ−スピーカ
２１−操作部 ２２−表示部 ２３−制御部

Claims (3)

1. 複数のスピーカを配列したスピーカアレイと、
   各スピーカへの音声信号の入力タイミングを制御することにより、前記スピーカアレイから出力される音声のビームを制御するビーム制御手段と、を備え、
   前記ビーム制御手段は、前記複数のスピーカの一部を１ユニットとするスピーカユニットを複数設定し、スピーカユニット毎に、それぞれ異なる近接した位置に焦点を結ぶようにビームを制御することを特徴とするスピーカアレイ装置。
2. 前記ビーム制御手段は、前記スピーカユニットの一部または全部が他のスピーカユニットと重なっている請求項１に記載のスピーカアレイ装置。
3. 音声ビームの焦点の移動入力を受け付ける操作手段を備え、
   前記ビーム制御手段は、前記操作手段で受け付けた操作に応じて、各スピーカから放音する音声のゲイン及び放音タイミングを調整して、音声ビームの焦点位置を移動させる請求項１または２に記載のスピーカアレイ装置。

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