JP2008134421A - カラオケ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低音から高音まで音質を確保しながらも歌唱音声に指向性を持たせることを可能としたカラオケ装置を提供する。
【解決手段】スピーカアレイ５は、高音用のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ、中音用のスピーカユニット５１Ｍ、５２Ｍ、低音用のスピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌ、およびフルレンジ用のスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆからなる。スピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈをユニット間距離ｄ４＝ｖ／（２＊ｆ４）で規定し、スピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍをｄ３＝ｖ／（２＊ｆ３）で規定し、スピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌをｄ２＝ｖ／（２＊ｆ２）で規定し、スピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆをｄ１＝ｖ／（２＊ｆ１）で規定する。歌唱音声はスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ、５１Ｍ，５２Ｍ，５１Ｌ，５２Ｌ，５１Ｆ，５２Ｆでビーム制御して出力し、それ以外の音声はスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆから出力する。
【選択図】図２

Description

この発明は、歌唱音声の指向性を制御できるカラオケ装置に関する。

カラオケ装置は、１室を単一のグループが占有する場所（カラオケボックスなど）に設置されるほか、不特定の顧客が集まる場所（スナック店舗等の飲食店など）に設置される場合も多い。

従来のカラオケ装置は、ステレオスピーカを用いて、店内に伴奏音および歌唱音声を拡声していた。したがって、上記不特定の顧客が集まる店舗に設置された場合、誰が歌唱した歌唱音声でも、店内の全てに聞こえるようになっていた。

スナック等の飲食店では、他人（他のグループ）の歌唱は必ずしも聴きたいものではなく、場合によっては耳障りなものである。しかし、上記従来のカラオケ装置では、歌唱者の歌唱音声が店舗全体に放音されるため、全ての顧客がカラオケ歌唱を聞かなければならないという問題点があった。

そこで、スピーカアレイを用いることで、歌唱者の居るグループにだけ歌唱音声を聴かせるように放音に指向性を持たせる装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１７３１３７号公報

特許文献１に示した装置において、スピーカアレイの幅を大きくすると指向特性が鋭くなり、目的の方向に音声ビームを集中することができる。音声ビームのビーム幅θは以下の数式１で決められる（ただし、ｖは音速、ｄはスピーカユニットの間隔、ｎはスピーカユニット数、ｆは周波数を表す）。
θ＝ｓｉｎ^−１（ｖ／ｆｄｎ） ・・・ 数式１
指向特性を鋭くするためには、すなわちスピーカアレイの幅を大きくするためには、スピーカユニットの数ｎを増やすか、または、同数で実施するには間隔ｄを大きくする。しかし、間隔ｄを大きくすると、空間的折り返し現象により、目的とする方向以外にも別の音声ビーム（サイドローブと言う。）が生じるという問題が発生する。サイドローブを生じさせないためには、以下の数式２の条件を満たすようにスピーカユニット間の距離ｄを設定しなければならない。
ｄ＜ｖ／２ｆ ・・・ 数式２
ｄを小さくするためには小口径のスピーカユニットを用いる必要がある。つまり、スピーカユニットを重ねて配列することはできず、スピーカユニットを近接して配置するためには小口径のスピーカユニットを用いる必要がある。しかし、小口径のスピーカユニットを用いた場合、十分な音質（特に低音の音質）を得ることができなくなるという問題が有った。

この発明は、低音から高音まで音質を確保しながらも歌唱音声に指向性を持たせることを可能としたカラオケ装置を提供することを目的とする。

この発明のカラオケ装置は、カラオケ曲の伴奏音を発生するための曲データを記憶した記憶手段と、歌唱音声を入力するマイクと、複数の口径の異なるスピーカユニットを配列し、配列端部にフルレンジ用のスピーカユニットを備えたスピーカアレイと、前記歌唱音声を各スピーカユニットに遅延入力して放音に指向性を持たせる放音処理部と、前記伴奏音を前記フルレンジ用のスピーカユニットに入力するとともに、前記放音処理部に対して、前記歌唱音声を特定の方向へ指向性を持たせて出力するように制御する制御手段と、を備え、前記スピーカアレイは、配列の最も内側である配列原点から所定数等間隔に同じ口径のスピーカユニットを配列した高音域用配列区間と、前記高音域用配列区間よりも外側で、前記高音域用配列区間に配列したスピーカユニットよりも大きい口径のスピーカユニットを前記高音域用配列区間よりも広い間隔で配列した中低音域用配列区間と、を有し、前記高音域用配列区間、および中低音域用配列区間において、各スピーカユニットの間隔ｄを、それぞれ指向性を持たせる上限周波数ｆと音速ｖからｄ＝ｖ／２ｆの数式で与えられる間隔で配列したことを特徴とする。

この構成では、口径の異なるスピーカユニットを配列したスピーカアレイを有する。配列端部にはフルレンジ用の（例えば２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの放音能力を有した）スピーカユニットを配置する。このスピーカアレイを用いて歌唱音声を特定の方向へ指向性を持たせて出力する。また、カラオケ伴奏音声は、端部のフルレンジ用のスピーカユニットから放音する。口径の異なるスピーカユニットを用いることで低音から高音までの音質を確保する。
配列中央付近には、等間隔で同じ口径のスピーカユニットを配置し、外側では口径の大きいスピーカユニットを広い間隔で配置する。各スピーカユニットの配列間隔は指向性を持たせる上限周波数ｆを用いてｄ＝ｖ／２ｆで規定する。高音域用配列区間（すなわち上限周波数ｆを高くする区間）では、口径の小さいスピーカユニットを等間隔で配列し、間隔ｄを小さくとる。中低音域用配列区間では口径の大きいスピーカユニットを高音域用配列区間よりも間隔ｄを大きくとる。外側にむかって徐々に口径の大きいスピーカユニットを配置して配列間隔を広げ、外側ほど低音の指向性を確保すればよい。なお、中低音域用配列区間においても同じ口径のスピーカを複数等間隔で配列してもよい。

また、この発明は、さらに、前記歌唱音声について、上限周波数ｆ以上の帯域を制限して各スピーカユニットに入力するフィルタを備えたことを特徴とする。

この構成では、上限周波数ｆ以上の帯域をカットし、周波数ｆ以上でのサイドローブ発生をさらに抑制する。

また、この発明は、さらに、各スピーカユニットに入力する音声について、前記複数のスピーカユニット間の位相特性の差分を補正する位相補償フィルタを備えたことを特徴とする。

この構成では、口径の異なるスピーカユニットでは位相特性が異なり、位相干渉が発生することが考えられるが、歌唱音声、および伴奏音声についてスピーカユニット間の位相差分を補償するフィルタで補正してからスピーカユニットに入力する。

また、この発明は、さらに、前記マイクの位置を検出するマイク位置検出部を備え、前記制御手段は、前記歌唱音声を前記マイクの位置を含む方向へ指向性を持たせて出力するように前記放音処理部を制御することを特徴とする。

この構成では、マイクの位置を検出し、このマイクの位置を含む方向に音声ビームが出力されるように設定する。歌唱音声は、歌唱者とその周囲（グループ）の方向に放音されれば十分であるため、マイク位置を含む方向に限定した指向性で出力するようにすればよい。

この発明によれば、低音から高音まで音質を確保しながらも歌唱音声に指向性を持たせることが可能となる。

図面を参照してこの発明の実施形態であるカラオケ装置について説明する。図１はカラオケ装置のブロック図、図２は同カラオケ装置において用いられるスピーカアレイの外観図である。

カラオケ装置１は、マイク２Ａ、マイク２Ｂ、ドライバアンプ３、音声信号処理部４、スピーカアレイ５、ＡＤＣ６Ａ、ＡＤＣ６Ｂ、マイク位置検出部７、制御部８、伴奏再生部９、および記憶部１０を備えている。

カラオケ装置１は、カラオケ曲のリクエストを受け付けて、その曲の曲データを読み出してカラオケ演奏を行うとともに、そのカラオケ曲の歌詞をモニタ（図示せず）に表示する。カラオケ演奏時には、カラオケ曲の伴奏音（カラオケ演奏音）を発生する。また、ガイドボーカル音声を再生する。カラオケ演奏音、ガイドボーカル音声はドライバアンプ３によって増幅されスピーカアレイ５から放音される。

スピーカアレイ５は、図２（Ａ）に示すように、スピーカユニットを直線状に配列して構成されたものである。図２において、紙面右側をＸ方向、左側を−Ｘ方向とする。

スピーカアレイ５は、高音域用（例えば４ｋＨｚ以上）のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ、中音域用（例えば４００Ｈｚ〜４ｋＨｚ）のスピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍ、低音域用（例えば４００Ｈｚ以下）のスピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌ、およびフルレンジ用（スピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌよりも低音域の放音能力が高い、例えば２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）のスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆからなる。同図の例では高音域用のスピーカユニットを８個、中音域用のスピーカユニットを２個、低音域用のスピーカユニットを２個、フルレンジ用のスピーカユニットを２個配列した例を示す。

８つのスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈは配列の最も内側である配列原点から左右対称に、ユニット間距離ｄ４で配列されている。この８つのスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈが配列されている区間よりも外側（−Ｘ側）に配置されているスピーカユニット５１Ｍは、スピーカユニット５１Ｈとユニット間距離ｄ３で配列されている。同様に、スピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈが配列されている区間よりも外側（Ｘ側）に配置されているスピーカユニット５２Ｍは、スピーカユニット５８Ｈとユニット間距離ｄ３で配列されている。

また、スピーカユニット５１Ｍの外側（−Ｘ側）に配置されているスピーカユニット５１Ｌは、スピーカユニット５１Ｍとユニット間距離ｄ２で配列されている。同様に、スピーカユニット５２Ｍの外側（Ｘ側）に配置されているスピーカユニット５２Ｌは、スピーカユニット５２Ｍとユニット間距離ｄ２で配列されている。

さらに、スピーカユニット５１Ｌの外側（−Ｘ側）に配置されているスピーカユニット５１Ｆは、スピーカユニット５１Ｌとユニット間距離ｄ１で配列されている。同様に、スピーカユニット５２Ｌの外側（Ｘ側）に配置されているスピーカユニット５２Ｆは、スピーカユニット５２Ｌとユニット間距離ｄ１で配列されている。
ユニット間距離ｄ１〜ｄ４の関係については後に詳しく述べる。

なお、スピーカユニットの配列個数、および配列態様はこの例に限るものではない。例えば、図２（Ｂ）に示すような配置にしてもよい。図２（Ｂ）に示す例は、高音域用のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈを直線状に並行に２列で配列し、その外側に中音域用のスピーカユニット５１Ｍ、５２Ｍを配列し、さらに外側に低音域用スピーカユニット５１Ｌ、５２Ｌを配列し、最も外側にフルレンジ用のスピーカユニット５１Ｆ、５２Ｆを配置したものである。このように配列することでコンパクトな筐体でスピーカアレイを構成することもできる。
なお、同図の例では、高音域用のスピーカユニットよりもさらに高音（例えば１０ｋＨｚ以上）を放音するツイータ５１Ｔ、およびツイータ５２Ｔを配置し、音質を向上させているが、本発明においてツイータは必須ではない。

この構成（例えば図２（Ａ）の構成）のスピーカアレイ５の各スピーカユニットに、音声信号を遅延制御して入力することにより、音声ビームを形成して放音指向性を持たせることができる。なお、無指向性で出力することも可能である。

ここで、図３を参照してビーム制御について説明する。図３は、音声ビームの形成原理を説明するための図である。同図（Ａ）は、一列に並んでいる複数のスピーカユニットＳＰに音声信号を同時に入力した場合を示している。この場合には、各スピーカユニットＳＰから同時に音声が放音される。個別のスピーカユニットＳＰから出力された音波は放射状（円形）に伝搬してゆく。ここで、各スピーカユニットＳＰから出力された音波の合成波形は、前方へ伝搬する成分は合成されて強められる。一方で、前方以外の方向へ伝搬する成分は、各スピーカユニットＳＰから出力された信号成分が干渉しあうことによって打ち消される。したがって、前方に向かう成分のみが合成によって強められて音声ビームとなる。

同図（Ｂ）は、同図（Ａ）で示す複数のスピーカユニットＳＰから音声ビームを斜めに形成する場合のディレイ時間制御について示した図である。この図では、音声ビームを正面から右方向のθの角度に形成している。この場合、ビームの向きと反対側の端部（同図左端）のスピーカユニットＳＰから最初に音声を出力し、この後時間τが経過する毎に順次ビーム向きに隣接する（同図では右側に隣接する）スピーカユニットＳＰに音声を出力する。この傾斜角度θは、音速をｖとすると、θ＝ｓｉｎ^−１（ｖτ／ｄ）の関係になる。したがって、τを制御することによって音声ビームの角度θを制御できることになる。

次に、制御部８は、ＣＰＵを含み、歌唱者によりリクエストされたカラオケ曲の曲データを記憶部１０から読み出して伴奏再生部９に入力する。カラオケ曲のリクエストは、図示しないリモコンなどを用いて行われる。また、制御部８は、記憶部１０から、スピーカアレイの音声ビームを制御するためのビーム制御データ（各スピーカユニットに入力する音声信号の遅延量を規定したデータ）を読み出し、音声信号処理部４の制御を行う。

伴奏再生部９は、楽音を生成する音源のほかガイドボーカル再生部を含み、カラオケ演奏音を出力するとともに、オーディオデータであるガイドボーカル音声を出力する。ガイドボーカルデータは、各カラオケ曲の曲データに含まれている。伴奏再生部９が出力したカラオケ演奏音、およびガイドボーカル音声は、音声信号処理部４に入力される。また、マイク２Ａ，２Ｂから入力された歌唱音声信号は、ＡＤＣ６Ａ，６Ｂでデジタル信号化されたのち音声信号処理部４に入力される。

マイク位置検出部７は、マイク２Ａ、およびマイク２Ｂの位置を検出する。マイク２Ａ，およびマイク２Ｂの位置検出手法はどのようなものを用いてもよいが、例えば図４に示すような手法で行う。
図４は、マイク位置測定を示す概念図である。マイク位置検出部７は、音声信号処理部４（図１においてビーム制御部４１Ａ、またはビーム制御部４１Ｂ）を介してスピーカアレイ５における一方の最端のスピーカユニット５１Ｆと、他方の最端のスピーカユニット５２Ｆに対して、同じ検査用音声信号（例えば可聴限界に近い高周波数音声）を順に入力する。マイク位置検出部７は、マイク２Ａ（マイク２Ｂ）から検査用音声信号を収音した場合に、この収音タイミングを検知する。

マイク位置検出部７は、スピーカユニット５１Ｆが測定用音声を出力したタイミングから上記収音タイミングまでの時間ｔ１を計時する。また、スピーカユニット５２Ｆが測定用音声を出力したタイミングから収音タイミングまでの時間ｔ２を計時する。マイク位置検出部７は、この時間ｔ１及び時間ｔ２を用いてマイク位置を算出する。すなわち、マイク位置検出部７は、時間ｔ１、ｔ２と音速の関係から、スピーカユニット５１Ｆとマイク２Ａの距離、およびスピーカユニット５２Ｆとマイク２Ａ（マイク２Ｂ）の距離を測定することができ、スピーカユニット５１Ｆとスピーカユニット５２Ｆ間の距離情報を有していれば、三角測量によりマイク２Ａ（マイク２Ｂ）の位置を測定することができる。マイク２Ａ（マイク２Ｂ）の位置は、図４に示すように、スピーカ筐体の（上面から見た）中心位置からの距離ｒ、および筐体中心位置から正面方向（スピーカ放音面、すなわちアレイ長軸方向に直交する方向）の軸（これを角度０ｄｅｇとする）とのずれ角φで表される。

マイク位置検出部７は、上記のようにして検出したマイク位置の情報を制御部８に入力する。制御部８は、入力されたマイク位置の情報に基づいて、記憶部１０からスピーカアレイ５の音声ビームを制御するためのビーム制御データを読み出し、音声信号処理部４の制御を行う。詳細は図５を用いて後述する。

マイク２Ａに入力された歌唱音声信号は、ＡＤＣ６Ａでデジタル信号化されたのち音声信号処理部４のビーム制御部４１Ａに入力される。また、マイク２Ｂに入力された歌唱音声信号は、ＡＤＣ６Ｂでデジタル信号化されたのち音声信号処理部４のビーム制御部４１Ｂに入力される、一方で伴奏再生部９から出力されたカラオケ演奏音、およびガイドボーカル音声は、ミキサ４３１、およびミキサ４３２に入力される。

ビーム制御部４１Ａは、歌唱音声信号がスピーカアレイ５において音声ビームとして出力されるように各スピーカユニット毎の遅延時間を制御する。同様に、ビーム制御部４１Ｂは、歌唱音声信号がスピーカアレイ５において音声ビームとして出力されるように各スピーカユニット毎の遅延時間を制御する。

制御部８は、音声信号処理部４の上記各ビーム制御部に対してそれぞれ別々のビーム制御データをセットすることにより、歌唱音声をその歌唱者およびグループがいる方向のみにビーム出力するように制御する。

ビーム制御部４１Ａで指向性を制御された音声信号（歌唱音声）はミキサ４２，ミキサ４３１，ミキサ４３２に入力される。同様に、ビーム制御部４１Ｂで指向性を制御された音声信号（歌唱音声）はミキサ４２，ミキサ４３１，ミキサ４３２に入力される。

ミキサ４２ではマイク２Ａで収音した歌唱音声とマイク２Ｂで収音した歌唱音声が各スピーカユニット別に合成される。合成された歌唱音声は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ毎にＤＡＣ４５Ｈでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３に入力される。ドライバアンプ３は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈに対応する個数のオーディオアンプ３１Ｈ〜３８Ｈを備えており、入力された各スピーカユニット毎の音声信号を増幅してスピーカアレイ５（スピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ）に出力する。

また、ミキサ４２で合成された歌唱音声は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５１Ｍに対応するＤＡＣ４６Ｍでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３のオーディオアンプ３１Ｍに入力され、増幅されてスピーカアレイ５（スピーカユニット５１Ｍ）に出力される。同様に、ミキサ４２で合成された歌唱音声は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５２Ｍに対応するＤＡＣ４７Ｍでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３のオーディオアンプ３２Ｍに入力され、増幅されてスピーカアレイ５（スピーカユニット５２Ｍ）に出力される。

また、ミキサ４２で合成された歌唱音声は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５１Ｌに対応するＤＡＣ４６Ｌでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３のオーディオアンプ３１Ｌに入力され、増幅されてスピーカアレイ５（スピーカユニット５１Ｌ）に出力される。同様に、ミキサ４２で合成された歌唱音声は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５２Ｌに対応するＤＡＣ４７Ｌでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３のオーディオアンプ３２Ｌに入力され、増幅されてスピーカアレイ５（スピーカユニット５２Ｌ）に出力される。

ミキサ４３１ではマイク２Ａで収音した歌唱音声、マイク２Ｂで収音した歌唱音声、および伴奏再生部９で生成された音声信号（カラオケ伴奏音、ガイドボーカル音声）が合成される。合成された音声信号は、ＤＡＣ４６Ｆでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３のオーディオアンプ３１Ｆに入力され、増幅されてスピーカアレイ５（スピーカユニット５１Ｆ）に出力される。

同様に、ミキサ４３２ではマイク２Ａで収音した歌唱音声、マイク２Ｂで収音した歌唱音声、および伴奏再生部９で生成された音声信号（カラオケ伴奏音、ガイドボーカル音声）が合成される。合成された音声信号は、ＤＡＣ４７Ｆでアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３のオーディオアンプ３２Ｆに入力され、増幅されてスピーカアレイ５（スピーカユニット５２Ｆ）に出力される。

以上のようにして音声信号が入力されることで、スピーカアレイ５（スピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ、スピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍ、スピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌ、およびスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆ）から歌唱音声（マイク２Ａ，２Ｂで収音した音声）が音声ビームとして出力される。また、カラオケ伴奏音、ガイドボーカル音声はビーム制御されずに、フルレンジ用のスピーカユニット５１Ｆ、５２Ｆから出力される。ここで、制御部８は、マイク位置検出部７から入力したマイク位置の情報に基づいて、そのマイク位置（角度）に歌唱音声の音声ビームが向けられるように各スピーカユニット別の遅延量を設定する。これにより、歌唱者およびグループがいる方向のみに歌唱音声をビーム出力する。

図５を参照して実際のカラオケ店舗におけるビーム制御について説明する。同図において、カラオケ装置１は、店舗の室内６１のすみに設置されている。室内６１の内部には４つのテーブル７１〜７４が設置されている。この図は、テーブル７１の客がカラオケ曲を歌唱する場合に形成する音声ビームを示している。スピーカアレイ５からは、カラオケ伴奏音（およびガイドボーカル音声）がビーム制御されずに無指向性で室内６１の全体に放音されている（不図示）。また、歌唱者のテーブル７１の方向には、スピーカアレイ５から音声ビーム８１で歌唱音声が放音されている。

このように各音声信号を放音することにより、カラオケ曲の伴奏は、室内６１全体で聴こえ、歌唱者の歌唱音声は、その歌唱者のテーブル７１のみで聴こえるようになる。他のテーブル７２〜７４には、伴奏音、ガイドボーカルが聴こえるため、他のグループの歌唱者の歌唱を聴く必要がない。歌唱者が移動した場合、例えばテーブル７２のグループで歌唱が行われる場合、スピーカアレイ５から音声ビーム８２で歌唱音声が放音される。マイク位置検出部７は、定期的に（またはリモコンで指示されたとき）マイク２Ａ（マイク２Ｂ）の位置を測定し、制御部８にマイク位置の情報を入力する。したがって、歌唱者の居る方向（グループ）に歌唱音声が放音されることとなる。

次に、図２に示したスピーカアレイ５の各スピーカユニット間の距離ｄ１〜ｄ４の関係について説明する。まず、図６は、音声ビーム制御角度の例を示した図である。同図（Ａ）に示すグラフの横軸はθ、縦軸はスピーカアレイのゲイン（Ｇとする）を表す。同図（Ａ）は、一例としてスピーカユニットの数ｎ＝１６、スピーカユニットの間隔ｄ＝４．５ｃｍ、スピーカアレイの幅Ｌ＝６７．５ｃｍの場合について、角度θとゲインＧの関係を示す。

同図（Ａ）において、θ＝０を目的の音声ビーム方向とし、ゲインＧは、θ＝０で最大となる。θ＝０から離れるにつれて、各スピーカユニットから出力された音声が干渉してゲインＧは低下し、θ＝±θ１でゼロとなる。目的の音声ビーム方向θ＝０を挟んでゲインＧが零になるまでの幅をビーム幅とする。このゲインＧが零となるθ１、つまり音声ビームの幅は、周波数をｆ（同図（Ａ）の例では１ｋＨｚ）とすると、上述した数式より、θ１＝ｓｉｎ^−１（ｖ／ｆｄｎ）で決定される。つまり、ビーム幅θ１は、スピーカユニットの間隔ｄ、スピーカユニットの数ｎ、および目的とする周波数ｆによって決定される。

同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の条件において、スピーカユニットの間隔ｄを４倍とした場合の角度θとゲインＧの関係を示した図である。同図（Ｂ）に示すグラフにおいても横軸はθ、縦軸はゲインを表す。同図（Ｂ）においてビーム幅は、同図（Ａ）に示したビーム幅よりも目的の方向に鋭い指向特性を有している。また、ｓｉｎθ１＝ｖ／ｆｄｎの関係から、目的とする周波数ｆを４倍としても同図（Ｂ）に示すようなビーム幅が得られる。

同図（Ｃ）は、同図（Ａ）の条件において、周波数ｆを１／４であるｆ＝２５０Ｈｚとした場合の角度θとゲインＧの関係を示した図である。同図（Ｃ）に示すグラフにおいても横軸はθ、縦軸はゲインを表す。同図（Ｃ）においては、ゲインＧがゼロとなるθ１が存在せず、音声ビームが生じない。なお、同図（Ｃ）の条件において、スピーカユニットの間隔ｄを４倍とした場合、同図（Ａ）に示すようなビーム幅が得られることになる。

同図（Ｄ）は、同図（Ａ）の条件において、スピーカユニットの間隔ｄを８倍とした場合の角度θとゲインＧの関係を示した図である。同図（Ｄ）に示すグラフにおいても横軸はθ、縦軸はゲインを表す。同図（Ｄ）においては、θ＝０以外の方向にも音声ビーム（サイドローブ）が生じている。これはいわゆる空間の折り返し現象と呼ばれるものであり、ｄ≧ｖ／２ｆとなる場合において同図（Ｄ）に示すような現象が発生する。このように、スピーカユニットの間隔ｄにより、指向性を持たせる（サイドローブを生じさせない）上限周波数が決まる。

高い周波数でサイドローブを生じさせないためにはスピーカユニットの間隔ｄを小さくする必要があり、逆に低い周波数では音声ビームを生じさせるためにスピーカユニットの間隔ｄを大きくする必要がある。したがって、本実施形態のスピーカアレイ５は、高音域用（指向性を持たせる上限周波数ｆ＝ｆ４）の８つのスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈをユニット間距離ｄ４で配列する。ここで、ｄ４は目的の周波数ｆ４からｄ４＝ｖ／（２＊ｆ４）で規定する。ただし、８つのスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈに入力される音声信号（歌唱音声）は、ｆ４以上の周波数がローパスフィルタ（ビーム制御部４１Ａ，４１Ｂ）にてカットされている。ビーム制御部４１Ａ（ビーム制御部４１Ｂ）は、スピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈに入力する音声信号についてｆ４以上の周波数をカットする。これにより、８つのスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈにより出力される音声ビームはｆ４以上の周波数でサイドローブを生じない。

中音域用（指向性を持たせる上限周波数ｆ＝ｆ３、ただしｆ３はｆ４よりも低周波数）のスピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍをｄ３＝ｖ／（２＊ｆ３）で規定されるユニット間距離ｄ３で配列する。ここでも、スピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍに入力される音声信号（歌唱音声）は、ｆ３以上の周波数がビーム制御部４１Ａ（ビーム制御部４１Ｂ）でカットされている。したがって、スピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍ（およびその内側のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈ）により出力される音声ビームはｆ３以上の周波数でサイドローブを生じない。

同様に、低音域用（指向性を持たせる上限周波数ｆ＝ｆ２、ただしｆ２はｆ３よりも低周波数）のスピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌをｄ２＝ｖ／（２＊ｆ２）で規定されるユニット間距離ｄ２で配列する。ここでも、スピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌに入力される音声信号（歌唱音声）は、ｆ２以上の周波数がビーム制御部４１Ａ（ビーム制御部４１Ｂ）にてカットされている。したがって、スピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌ（およびその内側のスピーカユニット）により出力される音声ビームはｆ２以上の周波数でサイドローブを生じない。

さらに、フルレンジ用（指向性を持たせる上限周波数ｆ＝ｆ１、ただし、ｆ１はｆ２よりも低周波数）のスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆをｄ１＝ｖ／（２＊ｆ１）で規定されるユニット間距離ｄ１で配列する。ここでも、スピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆに入力される音声信号（歌唱音声）は、ｆ１以上の周波数がビーム制御部４１Ａ（ビーム制御部４１Ｂ）にてカットされている。したがって、スピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆ（およびその内側のスピーカユニット）により出力される音声ビームはｆ１以上の周波数でサイドローブを生じない。

一方、伴奏音声、ガイドボーカル音声は周波数成分がカットされずにフルレンジ用のスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆに入力され、無指向性で放音される。

以上のようにして、口径の異なるスピーカユニットを配列したスピーカアレイにより、低音から高音までの音質を確保しながら、ビーム制御を行う周波数帯域でサイドローブを生じないようにスピーカユニット間の距離を規定し、さらにはローパスフィルタにて帯域制限を行うことで、歌唱音声をビーム制御することが可能となる。

なお、高音域用のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈに入力する音声信号についてはビーム制御部４１Ａ（ビーム制御部４１Ｂ）でローパスフィルタをかけないようにしてもよい。これにより高周波数帯域の制限が無くなり音質がさらに向上することが期待できる。なお、ｆ４以上の周波数帯域でサイドローブが生じる可能性が有るが、スピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈから放音される音声は、歌唱音声であるため、人の声の主帯域よりも高いｆ４以上の周波数の放音レベルは小さく、目的外の方向には殆ど聞こえない。

なお、図５において、音声の指向性が完全でなく他のテーブル７２〜７４にも歌唱音声が若干漏れて聴こえてくる可能性が有るが、この場所には同じメロディを歌唱するガイドボーカル音声が、音声ビームによる歌唱音声の漏れレベルよりも高いレベルで放音されているため、マスキング効果により、このテーブルの顧客には歌唱音声が殆ど聞こえない。

なお、ガイドボーカル音声については図１においてビーム制御部４１Ａ，４１Ｂとは別の図示しない音声ビーム制御部（ガイドボーカル音声専用のビーム制御部）に入力するようにしてもよい。そして、その他のテーブル７２〜７４の方向には、スピーカアレイから弱指向性のビーム８２，８３，８４でガイドボーカル音声がそれぞれ放音されるようにしてもよい。なお、伴奏音声、およびガイドボーカル音声を歌唱者およびグループがいる方向のみにビーム出力するようにしてもよい。この場合、伴奏音声もビーム制御部４１Ａ，４１Ｂとは別の図示しない音声ビーム制御部（ガイドボーカル音声専用のビーム制御部）に入力する。

次に、上記のように口径の異なるスピーカユニットを近接して設置すると、スピーカユニット間の位相特性（位相の周波数特性）が問題となる可能性も有る。すなわち、口径の異なるスピーカユニットを近接して設置したため、各スピーカユニットの放音が位相干渉し、指向性の制御に影響を与える可能性が有る。したがって、以下のように、スピーカユニット間の位相特性の差（位相差分と言う）を補償するためにミキサ４２、ミキサ４３１、およびミキサ４３２のそれぞれ後段に位相差分補償フィルタ（図示せず）を設置し、各音声信号を補正するようにしてもよい。位相差分補償フィルタは、ＦＩＲフィルタ、または２次ＩＩＲフィルタにより実現されるオールパスフィルタからなり、入力された音声信号の位相特性を補正する。位相差分補償フィルタのフィルタ係数は制御部８により設定される。制御部８は、記憶部１０に記憶されている位相差分補償フィルタの設定パラメータを読み出し、これに基づいてフィルタ係数を設定する。

図７は、位相差分と位相補償の概念を示した図である。同図（Ａ）は、低音用スピーカユニットの位相特性と中音用スピーカユニットの位相特性を示した図である。同図（Ａ）に示すグラフの横軸は周波数を表し、縦軸は位相を表す。なお、同図に示した位相特性は説明を容易にするために模式的に表した特性であり、実際のスピーカユニットの位相特性を表すものではない。

同図（Ａ）に示すように、中音用スピーカにおいて周波数ｆ５に対する位相はｒａ１となる。一方、低音用スピーカにおいて周波数ｆ５に対する位相はｒａ２となる。したがって、周波数ｆ５において中音用スピーカと低音用スピーカの位相差分はｒａ１−ｒａ２となる。

同図（Ｂ）は、位相差分補償フィルタの特性を示した図である。同図（Ｂ）に示すグラフの横軸は周波数を表し、縦軸は補償位相を表す。補償位相の特性は、同図（Ａ）に示した位相差分をゼロとするように規定される。この例においては中音用スピーカを基準として位相差分がゼロとなるように補償を行うので、周波数ｆ５における補償位相はｒａ１−ｒａ２となる。このような補償位相を持つフィルタ係数を、低音用スピーカの前段に設置した位相差分補償フィルタに設定する。

なお、上述のように、図７はスピーカユニットの位相特性の一例を表すものであって、実際の測定結果ではない。実際にはスピーカアレイ５の各スピーカユニットの位相特性を測定し、その位相差分を補償するように予めフィルタ係数を演算しておき、これを記憶部１０に記憶しておく。制御部８は、この演算されたフィルタ係数を読み出して位相差分補償フィルタに設定する。位相差分補償フィルタとしてＦＩＲフィルタを用いる場合には、人の声の主帯域が含まれる中音用のスピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍを基準とし、他のスピーカユニットに対応する位相差分補償フィルタにおいて位相差分を補償すればよい。フィルタ係数は、位相差分を逆フーリエ変換することにより求められる。なお、ＦＩＲフィルタのタップ数が長くなるにつれて信号に遅延が生じるため、基準となるスピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍに対応する位相差分補償フィルタにおいて同様の遅延を付与する。なお、高音用のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈを基準としてもよいし、低音用のスピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌを基準としてもよい。無論、フルレンジ用のスピーカユニット５１Ｆ，５２Ｆを基準としてもよい。

また、位相差分補償フィルタとして２次ＩＩＲフィルタを用いる場合には、以下のようにしてフィルタ係数を規定する。図８は、２次ＩＩＲフィルタを用いる場合の位相差分補償フィルタの特性を示した図である。同図に示すグラフの横軸は周波数を表し、縦軸は位相を表す。同図（Ａ）は、中音用、および低音用のスピーカユニットの位相特性を示し、同図（Ｂ）は、フィルタの特性を示し、同図（Ｃ）は、位相補償後のスピーカユニットの位相特性を示したものである。なお、同図に示す特性についても、説明を容易にするために模式的に表したものであり、実際のスピーカユニット、フィルタの特性を示すものではない。

同図（Ａ）に示すように、中音用スピーカユニットと低音用スピーカユニットは位相特性が異なる。したがって、同図（Ａ）の紙面下に示すグラフのように、所定の位相差分を生じる。この位相差分を中音用のスピーカユニットに設けるフィルタ（中音用のフィルタ）と低音用のスピーカユニットに設けるフィルタ（低音用のフィルタ）により補償する。同図（Ｂ）に示すように、中音用のフィルタと低音用のフィルタは、同図（Ａ）に示した位相差分を補償するようなフィルタ特性の差分を有する。したがって、中音用スピーカユニットと低音用スピーカユニットは、同図（Ｃ）の紙面下に示すグラフのように、位相差分が低減される。このように、各スピーカユニット（スピーカアレイ）の前段に２次ＩＩＲフィルタを設けることで位相差分を補償するオールパスフィルタを実現することができる。なお、同図に示した特性は実際の測定結果ではない。無論、実際に用いるフィルタは図８に示したように１組とは限らない。

なお、位相補償を行う周波数帯域を限定してもよい。すなわち、各スピーカユニットの放音能力が重なる帯域のみ位相補償を行う。例えば低音域用のスピーカユニット５１Ｌ，５２Ｌの放音能力が５０Ｈｚ〜４５０Ｈｚであり、中音域用のスピーカユニット５１Ｍ，５２Ｍの放音能力が４００Ｈｚ〜４ｋＨｚであれば、放音能力が重なる４００Ｈｚ〜４５０Ｈｚの帯域のみ位相補償を行う。また、フルレンジ用のスピーカユニットを基準とする場合は、各スピーカユニットの放音能力の帯域について位相補償を行う。

さらに、本実施形態では、ビーム制御部４１Ａ，４１Ｂで各スピーカユニットに供給する音声信号について、配列中心から外側にかけて音量が低下するような窓関数をかけ、サイドローブをさらに低減するようにしてもよい。窓関数としては、例えば、ハニング窓やハミング窓を用いる。

以上のようにして、口径の異なるスピーカユニットを配列したスピーカアレイを設置することで低音から高音までの音質を確保しながら、歌唱音声に指向性を持たせることが可能となる。

なお、本実施形態ではマイク２Ａ（マイク２Ｂ）の位置をマイク位置検出部７で測定し、検出したマイク位置に応じてビーム制御を行う例を示したが、本発明においてマイク位置検出、およびマイク位置に応じたビーム制御を行う構成は必須ではない。

カラオケ装置の構成を示すブロック図である。 スピーカアレイの外観図である。 音声ビームの形成原理を説明するための図である。 マイク位置測定を示す概念図である。 実際のカラオケ店舗におけるビーム制御について説明する図である。 音声ビーム制御角度の例を示した図である。 位相差分と位相補償の概念を示した図である。 ２次ＩＩＲフィルタを用いる場合の位相差分補償フィルタの特性を示した図である。

符号の説明

１−カラオケ装置
２Ａ，２Ｂ−マイク
３−ドライバアンプ
４−音声信号処理部
５−スピーカアレイ
６Ａ，６Ｂ−ＡＤＣ
７−マイク位置検出部
８−制御部
９−伴奏再生部
１０−記憶部

Claims (4)

1. カラオケ曲の伴奏音を発生するための曲データを記憶した記憶手段と、
   歌唱音声を入力するマイクと、
   複数の口径の異なるスピーカユニットを配列し、配列端部にフルレンジ用のスピーカユニットを備えたスピーカアレイと、
   前記歌唱音声を各スピーカユニットに遅延入力して放音に指向性を持たせる放音処理部と、
   前記伴奏音を前記フルレンジ用のスピーカユニットに入力するとともに、前記放音処理部に対して、前記歌唱音声を特定の方向へ指向性を持たせて出力するように制御する制御手段と、
   を備え、
   前記スピーカアレイは、配列の最も内側である配列原点から所定数等間隔に同じ口径のスピーカユニットを配列した高音域用配列区間と、
   前記高音域用配列区間よりも外側で、前記高音域用配列区間に配列したスピーカユニットよりも大きい口径のスピーカユニットを前記高音域用配列区間よりも広い間隔で配列した中低音域用配列区間と、を有し、
   前記高音域用配列区間、および中低音域用配列区間において、各スピーカユニットの間隔ｄを、それぞれ指向性を持たせる上限周波数ｆと音速ｖからｄ＝ｖ／２ｆの数式で与えられる間隔で配列したことを特徴とするカラオケ装置。
2. 前記歌唱音声について、上限周波数ｆ以上の帯域を制限して各スピーカユニットに入力するフィルタを備えた請求項１に記載のカラオケ装置。
3. 各スピーカユニットに入力する音声について、前記複数のスピーカユニット間の位相特性の差分を補正する位相補償フィルタを備えた請求項１、または請求項２に記載のカラオケ装置。
4. 前記マイクの位置を検出するマイク位置検出部を備え、
   前記制御手段は、前記歌唱音声を前記マイクの位置を含む方向へ指向性を持たせて出力するように前記放音処理部を制御する請求項１、請求項２、または請求項３に記載のカラオケ装置。

Images