JP2006222670A - スピーカアレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スピーカアレイの構成が大規模になったり複雑になったりすることなく、低音の指向性制御が簡便な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では、ローカットフィルタ４により所定の周波数以下の低音を遮断し、この遮断した低音に含まれる波長の音声を基音に設定する。そして、倍音強調部５で、音声入力端子２から入力された音声信号に含まれる、基音の複数の倍音を強調させるので、スピーカアレイ１３から出力される音声は、ミッシングファンダメンタル現象により基音が付加されたように聞こえる。したがって、低音域の音声が基音となるように倍音を設定することで、従来は低音の指向性を制御するのは困難であったが、スピーカアレイ１３から出力される音声ビームに低音が付加されたように聞こえることになるので、中高音域の音声の指向性を制御することで、低音域の音声の指向性も制御したことになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音声ビームを出力するスピーカアレイ装置における低音の指向性制御に関する。

従来、複数のスピーカユニットを直線状や平面状に配置し、各スピーカユニット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。）。

特許文献１に記載された構成のようなスピーカアレイでは、音声ビームとして放音する音声の波長λに対して、スピーカアレイの全長Ｌが大きいほど音声ビームの指向性を鋭く、つまり、メインローブの角度（幅）θを小さくすることが可能となる。

しかし、低い周波数の音声について鋭い指向性の音声ビームを形成しようとすると、非常に規模の大きいスピーカアレイを形成する必要があり、低い周波数の音声は現実的には指向性の制御が難しいという問題があった。

従来、このような問題を解決するために、低音用と高音用に独立したスピーカユニットを用いて、少ないチャンネル数で低域の指向性を大きく改善できるスピーカシステムが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平９−２３３５９１号公報 特開平７−２０３５８１号公報

上記のように、従来のスピーカアレイ装置で低音の指向性を制御するためには、装置の規模を大きくしなければならなかった。また、特許文献２に記載のスピーカ装置のように構成することにより低音の指向性を制御することは可能になるが、スピーカユニットを低音用と高音用に独立させると構成が複雑となり、また、スピーカアレイを構成するスピーカの数も増加してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、スピーカアレイの構成が大規模になったり複雑になったりすることなく、低音の指向性制御が簡便であ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、
入力音声信号から基本周波数の音声を検出する基音検出手段と、
入力音声信号から、前記基本周波数の音声を含む所定周波数以下の音声を遮断して出力する低域遮断手段と、
前記低域遮断手段が出力した音声信号から、前記基音検出手段が検出した基本周波数の音声の倍音を強調して出力する倍音強調手段と、
前記倍音強調手段が出力した音声信号を前記スピーカアレイのスピーカに対して分配するとともに、各スピーカの放音タイミングを調整して前記スピーカアレイから音声ビームを出力させる信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

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るという性質があり、低域遮断手段を有していない場合には音声ビームが低域を含んでおり、この低域の音声の指向性を制御するのは困難である。しかし、この構成においては、入力音声信号から基本周波数を含む低域の所定周波数以下をカットして、入力音声信号に含まれる基本周波数の複数の倍音を倍音強調手段で強調させるので、ミッシングファンダメンタル現象によりスピーカアレイから出力される音声ビームに基本周波数の音声が付加されたように聞こえるようになる。したがって、中高域の音声を含む音声ビームの指向性を制御することで、音声ビームの到達領域において、実際には低音は含まれていないが聴取者に低音を知覚させることができ、低域の音声についても仮想的に指向性を制御することができる。

なお、ミッシングファンダメンタル現象とは、ある基本周波数の音（基音）の整数倍の音（倍音）を複数含む音声が聞こえている場合には、基音を含んでいなくても、人間が基音を知覚する現象のことである。

（２）前記倍音強調手段は、櫛形フィルタを備えたことを特徴とする。

この構成においては、櫛形フィルタを基本周波数の倍音を複数強調するように櫛形フィルタを構成することで、ミッシングファンダメンタル現象によりスピーカアレイから出力される音声ビームに基音が付加されて聞こえるようにすることができる。

本発明のスピーカアレイ装置は、スピーカアレイから放音させる中高域の音声において、音声に含まれていない基音の倍音に語る複数の波長を強調させることで、ミッシングファンダメンタル現象を利用しているので、この音声ビームの到達領域において、実際には低音は再生されていないが、聴取者に低音を知覚させることができ、音声の中高域を含む音声ビームの指向性を制御することで、音声の低域の指向性を制御したのと同様の効果を得ることができる。

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ユニットを配列した場合、（Ｂ）はハニカム状にスピーカユニット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、ローカットフィルタ４、倍音強調部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、Ｄ／Ａコンバータ１２、及びスピーカアレイ１３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。

ローカットフィルタ４は、音声入力端子２から入力された音声信号に含まれる一定周波数以下の音声を遮断するフィルタである。例えば、ローカットフィルタ４の遮断周波数は予め設定することが可能であり、例えば２００Ｈｚ未満の音声を遮断するように設定したりすることができ、もちろん遮断周波数を変更することも可能である。

倍音強調部５は、基音検出部５ａと櫛形フィルタ５ｂを備えている。また、櫛形フィルタ５ｂは、帰還する音声信号を減衰させるアッテネータ１５ａ、基音検出部５ａが検出した基本周波数の音声（以下、基音と称する。）の１周期分の時間だけ音声信号を遅延させるディレイ１５ｂ、及び入力音声信号と帰還信号とを加算する加算部１５ｃを備えている。基音検出部５ａは、高速フーリエ変換を行って、音声信号の基本周波数を検出して、その基本周波数に対応するディレイ時間を櫛形フィルタ５ｂのディレイ１５ｂに設定する。櫛形フィルタ５ｂは、基音検出部５ａから出力された基音に基づいて、その基音の倍音成分を増幅して強調させる。

帯域分割部６は、倍音強調部５で倍音が強調された音声信号を、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１３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１３を構成する各スピーカユニット１４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、ゲイン調整機能を内蔵しており、スピーカアレイ１３の各スピーカユニット１４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１３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するとともに、スピーカアレイ１３から出力する音声ビームの指向性を帯域毎に揃える。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１３を構成するｎ個のスピーカユニット１４のそれぞれに音声信号を出力する帯域合成部１１−１〜１１−ｎにより構成されている。

Ｄ／Ａコンバータ１２は、帯域合成部１１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１２は、帯域合成部１１−１〜１１−ｎにそれぞれ接続されたＤ／Ａコンバータ１２−１〜１２−ｎにより構成されている。

スピーカアレイ１３は、ｎ個のスピーカユニット１４（１４−１〜１４−ｎ）から成り、Ｄ／Ａコンバータ１２（１２−１〜１２−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。ここで、スピーカユニット１４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１３のサイズは、例えば全長・全高とも２ｍである。また、スピーカアレイ装置１から放音させる音声ビームとしては、人の声や楽器の音色など様々な種類の音声を放音させ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ユニット１４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１３の各スピーカユニット１４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、各スピーカユニット１４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、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、音声の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、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１３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１〜２ｍ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、低音の指向性制御について説明する。図３は、ミッシングファンダメンタル現象を説明するためのグラフであり、図３（Ａ）は基音及び倍音強調部で強調する倍音を示したグラフであり、図３（Ｂ）は、基音ｆ１、第２倍音ｆ２、及び第３倍音ｆ３の関係を示すグラフである。

本発明のスピーカアレイ装置１では、ミッシングファンダメンタル現象を用いて低音の指向性を仮想的に制御する。ミッシングファンダメンタル現象は、ヴァーチャル・ピッチとも称し、ある基本周波数の音（基音）の整数倍の音（倍音）を複数含む音声が聞こえている場合には、基音を含んでいなくても、人間が基音を知覚する現象のことである。例えば、１００Ｈｚの音声を基音とした場合に、２００Ｈｚ，３００Ｈｚ，４００Ｈｚ．．．というように複数の倍音を音声が含んでいると、基音を含んでいなくても人間には基音である１００Ｈｚの音声が聞こえているように感じる。これは、図３（Ｂ）に示すように、基音ｆ１、第２倍音ｆ２、第３倍音ｆ３とした場合、第２倍音ｆ２と第３倍音ｆ３とにより基音が合成されるためであると考えられる。

スピーカアレイ装置１では、倍音強調部５において、一定周波数以下の低音を基音として、音声データに含まれる、その基音の倍音を櫛形フィルタによって強調させる。これにより、中高域の音声を含む音声ビームは指向性を鋭くすることが可能であるが、この音声ビームの到達領域において、実際には低音は再生されていないが、聴取者に低音を知覚させることができる。つまり、低音域の音声についても仮想的に指向性を鋭くすることができる。

ここで、スピーカアレイ装置１において、上記のようにミッシングファンダメンタル現象を利用して仮想的に低音の指向性を制御する場合、音声入力端子２から入力される音声信号に、指向性を制御する低音が含まれていて、スピーカアレイ１３から実際に低音が放音される場合、スピーカアレイ１３から放音させる低音は、指向性がほとんどないため周囲に拡散してしまうため、低音の指向性を制御できない。そこで、スピーカアレイ装置１では、スピーカアレイ１３から実際に基音を放音しないように、ローカットフィルタ４により一定周波数以下の低音を遮断するように構成している。

スピーカアレイ装置１では、前記のようにスピーカアレイ１３の全長を２ｍとした場合、放音可能な低音の下限周波数は一例として約２００Ｈｚである。この場合、ローカットフィルタ４により２００Ｈｚ未満の音声を遮断し、２００Ｈｚ未満の帯域に含まれる低音からピークとなる音声を検出する。そして、この周波数の音声を基音として、２００Ｈｚ以上の帯域に含まれる倍音を強調するように設定することができる。例えば、１２０Ｈｚの音声を基音に設定した場合には、櫛形フィルタ５ｂは２４０Ｈｚ，３６０Ｈｚ，４８０Ｈｚ，６００Ｈｚ．．．の音声を強調するように設定される。

また、倍音強調部５を複数設けることで、複数の基音の倍音を強調するように設定することも可能である。例えば、ｆ１ａ＝１２０Ｈｚ，ｆ１ｂ＝１３０Ｈｚ，ｆ１ｃ＝１４０Ｈｚの音声を基音に設定した場合、ｆ１ａの倍音として２４０Ｈｚ，３６０Ｈｚ，４８０Ｈｚ，．．．の音声を、ｆ１ｂの倍音として２６０Ｈｚ，３９０Ｈｚ，５２０Ｈｚ，．．．の音声を、ｆ１ｃの倍音として２８０Ｈｚ，４２０Ｈｚ，５６０Ｈｚ，．．．の音声を、それぞれ強調させることができる。

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、音声ビームの焦点の位置を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、各スピーカユニット１４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、その結果に基づいてディレイコントロール部８ａ〜８ｄに制御信号を出力して、音声ビームの焦点位置を移動する。

以上のように、本発明のスピーカアレイ装置は、スピーカアレイから放音させる中高域の音声において、音声に含まれていない基音の倍音に語る複数の波長を強調させることで、ミッシングファンダメンタル現象を利用しているので、この音声ビームの到達領域において、実際には低音は再生されていないが、聴取者に低音を知覚させることができ、音声の中高域を含む音声ビームの指向性を制御することで、音声の低域の指向性を制御したのと同様の効果を得ることができる。また、スピーカアレイの構成が大規模になったり複雑になったりすることなく、低音の指向性を簡便に制御できる。

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。 ミッシングファンダメンタル現象を説明するためのグラフである。

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−ローカットフィルタ ５−倍音強調部
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−Ｄ／Ａコンバータ １３−スピーカアレイ
１４−１〜１４−ｎ−スピーカユニット
２１−操作部 ２２−表示部 ２３−制御部

Claims (2)

1. 複数のスピーカを配列したスピーカアレイと、
   入力音声信号から基本周波数の音声を検出する基音検出手段と、
   入力音声信号から、前記基本周波数の音声を含む所定周波数以下の音声を遮断して出力する低域遮断手段と、
   前記低域遮断手段が出力した音声信号から、前記基音検出手段が検出した基本周波数の音声の倍音を強調して出力する倍音強調手段と、
   前記倍音強調手段が出力した音声信号を前記スピーカアレイのスピーカに対して分配するとともに、各スピーカの放音タイミングを調整して前記スピーカアレイから音声ビームを出力させる信号処理手段と、
   を備えたスピーカアレイ装置。
2. 前記倍音強調手段は、櫛形フィルタを備えた請求項１に記載のスピーカアレイ装置。

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