JP2008118559A - ３次元音場再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受聴者の頭部の周辺の音場をより最適に再現できる３次元音場再生装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 この発明は、複数のスピーカによって音場を再生する３次元音場再生装置において、受聴者２０を中心とする３次元軸上の正負の位置に複数のスピーカ１１、１２、１３、１４、１５が配置され、受聴者２０の両耳が位置する水平面近傍に最大個数のスピーカ１１を配置し、この水平面より正中面に方向に対して上または下に離れるに従いスピーカの個数を削減する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、複数のスピーカによって音場を合成再生し、リアリティ音場を再現する３次元音場再生装置に関する。

高い臨場感のある音場を生成するために多くの方法が提案されている。その中で、境界音場制御（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＢＳＣ）の原理に基づいた音場再現方法が提案されている。

境界音場制御（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＢＳＣ）の原理は、境界から離れた点に音源を設置し、逆システムを用いて生成された信号を音源から出力する方法である。

境界音場制御の原理によれば、その領域を囲む境界上の音圧と音圧勾配を制御することにより、３次元音場内の任意の領域内の音圧を制御できる。厳密に制御を行うためには、境界面を波長よりも十分短く離散化する必要がある。そこで、受聴者の頭部周辺での音場再現を目的とした６４ｃｈの収音・再生が可能なコンパクトな没入型聴覚ディスプレイシステムが提案されている（非特許文献１参照）。

上記した没入型聴覚ディスプレイシステムは、システムの利用者の頭部全体を覆うことが出来る程度のフレームを作成し、フレームは、８０面体から頭部をフレーム内部に入れるための１６面を除いた６４面で構成する。８０面体は５角錐の組み合わせにより構成されている。２次音源となるスピーカはフレームの各面の中央付近に設置する。マイクロホンシステムは、フレームの各面に設置したスピーカの正面１ｃｍの位置に設置されるよう作成している。
日本音響学会誌６２巻１号（２００６），ｐｐ．３２−４１「コンパクトな没入型聴覚ディスプレイの試作と評価」

かかるシステムにおいては、水平面内では被験者が頭部を動かすことが可能であれば、極めて良好な定位が得られ、正中面内においては、頭部動きを許容することで定位感が大きく向上することが確認できた。

ところで、人間は定位により、弁別限が異なる。本発明者は、かかる実情に鑑みなされたものにして、上記没入型聴覚ディスプレイシステムを改良し、受聴者の頭部の周辺の音場をより最適に再現できる３次元音場再生装置を提供することを課題とする。

この発明は、複数のスピーカによって音場を再生する３次元音場再生装置において、受聴者を中心とする３次元軸上の正負の位置に複数のスピーカが配置され、前記スピーカは受聴者の定位の弁別限の小さな方向に多く配置されていることを特徴とする。

また、この発明は、前記受聴者の両耳が位置する水平面近傍に最大個数のスピーカを配置し、この水平面より正中面に方向に対して上または下に離れるに従いスピーカの個数を削減するように構成すればよい。

前記スピーカはドーム状に配置すればよい。

また、前記受聴者の両耳が位置する水平面から正中面に方向に対して上方に１０度未満の角度の位置に最大個数のスピーカを配置し、前記スピーカは正中面内では２０度から２５度の範囲毎に配置するように構成できる。

この発明は、聴取者の弁別限の小さい位置には、スピーカの個数を多くし、定位が曖昧になる付近はスピーカ数を削減することで、聴取者により、臨場感あふれる音場を再生することができる。

以下、この発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の３次元音場再生装置を設置した音場再現室を示す斜視図、図２は、この発明の３次元音場再生装置を設置した音場再現室の外側の壁面を除いて、スピーカシステムの配置状態を示す斜視図、図３は、この発明の３次元音場再生装置を設置した音場再現室におけるスピーカシステムを下方から見た図である。図４は、この発明の３次元音場再生装置のスピーカ配置を正中面から見た説明図、図５は、マイクロアレイの状態を示す模式図、図６は、境界音場制御の原理を説明するための模式図である。

この発明の３次元音場再生装置は、例えば、映画の中の音場を厳密に再現したり、役者の頭部の周辺の音場を再現するものである。同一の聴空間を共有することにより、密なコミュニケーションを実現することが出来るものである。

図１に示すように、この実施形態においては、外部からのノイズ等を遮断するために、３次元音場再生装置を設置する音場再現室として防音室１００を用いている。この防音室１００内には、ドア１０１から内部に入り、ドア１０１を閉めることで、外部とは遮断された防音室１００となる。

この実施形態では、内部に吸音処理が施した簡易型組み立て式防音室が用いられる。簡易型組み立て式防音室としては、例えば、ヤマハ株式会社製のウッディボックスを用いた。この防音室１００の内寸法は、高さ２１６４ｍｍ、幅１２７９ｍｍ、奥行き１７２２ｍｍである。壁面には、厚さ約３８ｍｍの吸音パネルが設置されている。また、天井面にも吸音処理が施されている。

この防音室１００の中央部にリフト装置１０２が設けられ、このリフト装置１０２上に受聴者が座る椅子１０３が取り付けられている。リフト装置１０２は、音場再現領域の高さまで受聴者の頭部を移動させるために上昇する。また、椅子１０３は回転可能であり、頭部が再現領域内部で回転出来るように構成されている。

なお、図示はしないが、内部に映像投影用のスクリーン及びプロジェクタが設置され、映像を音とともに再生し、バーチャルリアリティを体験出来るように構成されている。

図２に示すように、この防音室の内部に、この発明の実施形態である３次元音場再生装置１が設置される。この発明の３次元音場再生装置１は、空間を制御し、再現する装置である。この装置は、再現領域内の音圧信号を正確に再現するために、スピーカと再現領域を囲むマイクロホンとの間の他入力、他出力の音響系の逆システムを組み込んだものである。なお、音場再現時にはマイクロホンアレイは設置されない。

この発明においては、基本的には、境界音場制御（ＢＳＣ）の原理による音場再現を行っている。境界音場制御の原理によると、３次元空間内の任意の領域を囲む閉曲面上の音圧と音圧勾配を制御することが出来れば、領域内部の任意の点の音圧を制御することが可能となる。境界音場制御（ＢＳＣ）の原理につき説明する。

境界音場制御（ＢＳＣ）の原理は、図６に示すように、原音場内の領域Ｖの音場を、再生音場内の領域Ｖ’において、再現するシステムを考えている。ただし、領域Ｖと領域Ｖ’を囲む境界ＳとＳ’上の収録点（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）ｒ、制御点（ｃｏｎｔｏｒｏｌ ｐｏｉｎｔ）ｒ’と領域内部の点Ｓ、Ｓ’の相対位置は等しいとしている。このことから、下記（１）式が成立する。

このとき内部に音源を含まない領域内の音圧ｐ（ｓ）、ｐ（ｓ’）は、Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ積分方程式により、下記（２）になる。

ただし、ωは角周波数、ρは媒質の密度、ｐ（ｒ）、∂ｐ（ｒ／ｓ）／∂ｎはそれぞれ境界上の点ｒにおける音圧と法線ｎ方向の音圧勾配、Ｇ（ｒ／ｓ）はグリーン関数とする。ここで式（２）の関係より、下記式（３）が成立する。したがって、下記式（４）が得られる。

式（４）より、原音場で収音された境界面上の音圧と音圧勾配を再現音場においてそれぞれ等しくなるように制御すれば、領域Ｖ内の音場が領域Ｖ’において再現されることがわかる。

ここで、音圧勾配境界上の点ｒｉ（添え字ｉは離散化した境界Ｓの微少要素の１つを表す）において、境界を挟む２点に設置したマイクロホンで測定した音圧の差により求めることが出来る。しかしながら、境界値問題における解の一意性から、固有周波数を制御すれば、音圧勾配を制御することが出来、境界内部の音圧も制御できる。

再生音場の制御点において、原音場の収録点で収録された信号を再現するためには、再生音場の全ての２次音源（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｏｕｒｃｅ）と全ての制御点の間の伝達特性と空間ストロークを打ち消す逆フィルタを必要とする。

図７に示す関係から逆フィルタマトリクスを求めることが出来る。逆システムの入力信号をｘ、伝達関数マトリクスを［Ｇ］、制御点における出力信号をｘ’すると、逆フィルタマトリクスについて以下の式が成り立つ。

ｘ’＝［Ｇ］［Ｈ］ｘ

ここで、逆フィルタマトリクス［Ｈ］は以下のように書くことが出来る。

［Ｈ］＝［Ｇ］^-

ただし、［Ｇ］^-は［Ｇ］の一般逆行列である。また、［Ｇ］、［Ｈ］、ｘ、ｘ’は次の通りとする。

上記した境界音場制御（ＢＳＣ）の原理に基づいて、マイクロンホンアレイで収音したデータに基づき、スピーカシステムを配置する。

この実施形態においては、図５に示す３次元音場収録用マイクロンホンアレイに基づいた収録音を再現する。この実施形態において、マイクロンホンアレイは、空間をほぼ均等に区分けするための形状として、Ｃ８０フラーレンの一部を利用している。システムの利用者（聴取者）２０の頭部全体を覆うことが出来る程度のＣ８０フラーレンからなるフレーム３０を作成する。この実施形態におけるＣ８０フラーレンは、８０個のノードから頭部をフレーム内部に入れるための１０個のノードを除いた７０個のノードで構成する。７０個のノードの位置は、６角形と５角形の組み合わせにより構成されている。マイクロホンは、７０個のノードの位置に１個ずつの７０個を用いた。このマイクロンホンにて、原音場の任意の位置の閉空間を囲む境界上の音圧と粒子速度を測定し、その測定結果に基づき、スピーカと耳の間の音響系の逆システムに基づいたフィルタ処理を行い各スピーカから音を出力し、音場を再現するものである。

７０個のマイクロンホンで収録した原音を再生するためには、マイクロホンの数以上のスピーカを用いることが望ましい。これは、フィルタ設計の演算において、マイクロホンの数以上のスピーカであれば、近似解にならず、行列演算によりフィルタ特性が得られるからである。勿論、マイクロホンの数より少ないスピーカを用いて、スピーカシステムを構成することもできる。この場合には、フィルタ演算は、近似解を用いることになる。

この実施形態においては、７０個のマイクロンホンに対して、７０個のスピーカを用い、音場再現を行っている。

ところで、人間は定位により、弁別限が異なる。特に、正中面と直交する水平面が異なると弁別限が異なる。この発明は、受聴者２０である人間の弁別限の大きさを考慮し、スピーカの配置する位置、個数を適切に調整したものである。

この発明においては、受聴者２０を中心とする３次元軸上の正負の位置に複数のスピーカ群１０〜１４を配置し、スピーカは受聴者の定位の弁別限の小さな方向に多く配置している。

図２ないし図４に示すように、受聴者２０を取り囲むように、スピーカの取り付け部材２が配置され、受聴者２０の上方の取り付け部材２はアーチ状に曲げられている。受聴者２０の頭部が位置する場所はドーム状に形成されている。

すなわち、受聴者２０の頭部より下方には、４隅に直線状の取り付け部材２…が設けられ、この取り付け部材２…の直線部分に、それぞれ２つずつのスピーカ１５…が取り付けられている。従って、受聴者２０の頭部より下方には、計８個のスピーカ１５…が取り付けられている。受聴者２０の頭部より下方部に位置する８個のスピーカは、特に中低音を中心とした音が十分に再生できるスピーカを用いている。

頭部より上方に位置する部分には、アーチ状に曲げられた取り付け部材２に、正中面に対する角度が異なる位置の水平面に対して、第２の取り付け部材３が取り付けられている。この第２の取り付け部材３に、それぞれ複数個のフルレンジのスピーカ１１〜１４が取り付けられている。

そして、人間の定位の弁別限の小さな方向に数多くのスピーカを配置している。このため、受聴者２０の両耳が位置する水平面近傍に最大個数のスピーカを配置している。この実施形態においては、図４に示すように、受聴者２０の正中面方向の４つの角度に位置する水平面箇所にそれぞれスピーカを受聴者を取り囲むように、６２個のスピーカ１１〜１４を配置した。

このようにスピーカ１１〜１４を配置する場合、受聴者の両耳が位置する水平面より正中面方向に上方８．５度の角度に位置する水平面が弁別限が最も小さい。この位置の第１のスピーカ群１１として、２４個のスピーカ１１_１〜１１_２４を配置した。この位置より上または下に離れるに従いスピーカの個数を削減している。

すなわち、受聴者２０の両耳が位置する水平面より正中面方向に下方１６度の角度に位置する水平面に対しては、第２のスピーカ群１２として、１６個のスピーカ１２_１〜１２_１６配置した。第１のスピーカ群１１と第２のスピーカ群１２との間の角度は２４．５度である。

そして、受聴者２０の両耳が位置する水平面より正中面方向に上方３１度の角度に位置する水平面に対しては、第３のスピーカ群１３として、１６個のスピーカ１３_１〜１３_１６配置した。第１のスピーカ群１１と第３のスピーカ群１３との間の角度は２２．５度である。

さらに、受聴者２０の両耳が位置する水平面より正中面方向に上方５２度の角度に位置する水平面に対しては、第４のスピーカ群１４として６個のスピーカ１４_１〜１４_６配置した。第３のスピーカ群１３と第４のスピーカ群１４との間の角度は２１度、天頂部から第４１４のスピーカ群までの角度は３８度である。

このように、正中面内では約２０度毎にスピーカを配置し、弁別限の小さい位置には，スピーカの個数を多くし、定位が曖昧になる頭頂部付近はスピーカ数を削減している。

また、同じ水平面内おいても、正面と側面とは定位の弁別限が異なる。そこで、同じ水平面においても、スピーカ間隔を弁別限の定位を考慮して配置すると良い。

上記した実施形態においては、７０個のスピーカを用いたが、スピーカの個数はこれに限るものではない。また、ドーム状にスピーカを配置しているが、ドーム状に限らず、単に円筒状や，四角柱状のスピーカ配置でもよく、それぞれのスピーカ配置に従い、予測・逆システムの演算を行い，フィルタ特性を設定すればよい。

次に、この発明の３次元音場再生装置の制御装置の一例を図８のブロック図に従い説明する。尚、図８においては、便宜上聴取者２０の正面部分にスピーカを配置したように記載しているが、実際には聴取者２０を取り囲むように７０個のスピーカが配置されている。

デジタル音声信号源５０は、前述したマイクロホンアレイシステムで収録した音響データが格納された記録媒体から音響データを読み出し、出力する。

このデジタル音声信号源５０からの音響データは、複数のデジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍに供給される。デジタルフィルタ５１_１，５１_２‥‥５１_ｍの伝達関数は、前述したの音場設計方法によって算出され、決定されるものである。

デジタルフィルタ５１_１，５１_２‥‥５１_ｍの出力の音響データは、ＤＡコンバータ６１_１，６１_２‥‥６１_ｍでアナログ音声信号に変換され、その変換後の音声信号が、それぞれ音声増幅回路７１_１，７１_２‥‥７１_ｍで増幅されてスピーカ１１_１〜１４_６に供給される。スピーカスピーカ１１_１〜１４_６は、前述したスピーカの配置状態で構成される。

演算処理部８０は、図では省略したがＣＰＵ，ＲＯＭおよびＲＡＭを備えるコンピュータ部として構成され、デジタルフィルタ５１_１，５１_２‥‥５１_ｍのフィルタ係数を設定するものである。

さらに、この例では、演算処理部８０は、前述の音場設計方法による音場設計のためにも用いられる。そのために、演算処理部８０には、記憶装置部６００接続される。記憶装置部６００は、音場設計の結果のデータとしての、デジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍのフィルタ係数を記憶させておくものである。

上記した手法により、図１ないし図４に示すスピーカシステムより、音響データを再生することにより、リアリティ音場を再現することができる。

なお、役者位置における音場再現用収録デバイスは、役者の頭部の周囲にマイクロンホン設置する形態となる。音場再現時には、このマイクロホンで収録された音響データに適切な逆システムを畳み込み出力すればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、バーチャルリアルティ装置や臨場感あふれる映画観賞装置などに適用することができる。

この発明の３次元音場再生装置を設置した音場再現室を示す斜視図である。 この発明の３次元音場再生装置を設置した音場再現室の外側の壁面を除いて、スピーカシステムの配置状態を示す斜視図である。 この発明の３次元音場再生装置を設置した音場再現室におけるスピーカシステムを下方から見た図である。 この発明の３次元音場再生装置のスピーカ配置を正中面から見た説明図である。 マイクロアレイの状態を示す模式図である。 境界音場制御の原理を説明するための模式図である。 逆フィルタマトリクスの関係示す説明図である。 この発明の３次元音場再生装置の制御装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１００ 防音室、１０１ ドア、１０２ リフト装置、１０３ 椅子、１ ３次元音場再生装置、２、３ 取り付け部材、１１、１２、１３、１４、１５ スピーカ群。

Claims (5)

1. 複数のスピーカによって音場を再生する３次元音場再生装置において、受聴者を中心とする３次元軸上の正負の位置に複数のスピーカが配置され、前記スピーカは受聴者の定位の弁別限の小さな方向に多く配置されていることを特徴とする３次元音場再生装置。
2. 前記受聴者の両耳が位置する水平面近傍に最大個数のスピーカを配置し、この水平面より正中面に方向に対して上または下に離れるに従いスピーカの個数を削減したことを特徴とする請求項１に記載の３次元音場再生装置。
3. 前記スピーカはドーム状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元音場再生装置。
4. 前記受聴者の両耳が位置する水平面から正中面に方向に対して上方に１０度未満の角度の位置に最大個数のスピーカを配置したことを特徴とする請求項２または３に記載の３次元音場再生装置。
5. 前記スピーカは正中面内では２０度から２５度の範囲毎に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の３次元音場再生装置。