JP2008252625A - 指向性スピーカシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、再生用の制御点をメインローブ方向に設置し、再生音が劣化しないことを設計基準に加えた指向性スピーカアレイを提供する。
【解決手段】 この発明の指向性スピーカシステムは、線状または面状に配列された複数個のスピーカユニットからなるスピーカアレイ２０と、前記複数個のスピーカユニットへの入力信号を調整する信号調整手段３００と、前記信号調整手段３００を制御する制御手段５０とを備える。信号調整手段３００は、境界音場制御原理に基づいてフィルタ係数が設定されるデジタルフィルタ３_１〜３_１０を有し、制御手段５０は、複数の抑圧制御点と再生制御点の関係と境界音場制御の原理に基づきデジタルフィルタ３_１〜３_１０のフィルタ係数を算出し、デジタルフィルタ３_１〜３_１０のフィルタ係数を設定する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、指向性スピーカシステムに係り、特に、音場の局所化技術を応用した指向性スピーカシステムに関するものである。

この数十年間、幾多のスピーカシステムが提案されているが、その多くは再生される信号の品質を高めることを目的としている。勿論、原音を忠実の再現することは重要な課題である。しかしながら、最近では、携帯電話の着信音にまで品質が求められ、様々な音が街中に溢れ返っている。

その一方で、本来の目的であるはずの通話品質は益々劣化し、公共空間で大声を出さなければ通話相手と話をするのも難しい。

さらに、適切な制御がなされていないために拡散し、不明瞭で聞き取ることすら困難なアナウンスや放送が様々な場所で行われ社会的な問題となっている。

このような問題点に鑑みて、特定の限られたエリアにだけ音声・音響信号を出力することを目的とする超指向性スピーカシステムが研究開発されており、視覚障害者の誘導、美術館や博物館のガイダンスシステムに応用されている（非特許文献１参照）。

これら指向性スピーカシステムは、大きく超音波を利用する方法（パラメトリックスピーカ）と音波の干渉を利用したスピーカアレイの２つに分類することができる。特に、パラメトリックスピーカは非常に鋭い指向性を持ち、様々な分野への応用が期待されている。

しかしながら、可聴音として生成される音響信号と比較して非常に大きな音波を放射する必要があり、超音波暴露の問題が懸念されている（非特許文献参照２）。

また、パラメトリックスピーカの場合、壁や床などに反射しても直進性が損なわれることなく新たな音源となるため、屋内などで使用する場合、音の再生エリアを制限する目的では吸音性能の優れた吸音材を周囲に設置する必要性がある。

一方、スピーカアレイは、通常のスピーカユニットを用いて簡単な構成で実現できる。しかしながら、一般に、低域で鋭い指向性を得ようとすると、スピーカユニットの間隔を広げる必要がある。

これまで、本発明者らは境界音場制御の原理に基づく音場の局所化技術を用いた指向性スピーカシステム（局所化スピーカ）の構築方法を提案し、数値計算と実験によりその性能を明らかにしてきた（非特許文献３）。
田中恒雄、古田暁広、"美術館や博物館用のスピーカを開発、アレイ配置で指向性を絞る"日経エレクトロニクス、ｎｏ．５８７，ｐｐ．１５５−１６５，Ａｕｇ．１９９３。 青木健一、鎌倉友男、熊本芳朗、"パラメトリックススピーカ＿応用例"信学論（Ａ）、Ｖｏｌ．Ｊ７６−Ａ，ＰＰ．１１２７−１１３５，Ａｕｇ．１９９３． 榎本成悟、伊勢史郎、"境界音場制御の原理を用いたスピーカシステムの提案"、信学論（Ａ）、Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ａ，ｎｏ．４，ＰＰ．４３１−４３８，Ａｐｒ．２００４．

上記の局所化スピーカは、スピーカアレイと同様に音波の干渉を用いた指向性制御手法の１つとして分類されるが、音響エネルギーの流れを制御することを設計基準とするため、特に、低い周波数帯域において従来のスピーカアレイと比較して容易に指向性を形成することができる。

しかしながら、音響エネルギーの流れを遮りたい方向にのみ仮想的な壁面を設置して、壁面のない方向をメインローブとしており、再生信号の特性は未知である。

この発明は、再生用の制御点をメインローブ方向に設置し、再生音が劣化しないことを設計基準に加えた指向性スピーカアレイを提供することを目的とする。

この発明の指向性スピーカシステムは、線状または面状に配列された複数個のスピーカユニットからなるスピーカアレイと、前記複数個のスピーカユニットへの入力信号を調整する信号調整手段と、前記信号調整手段を制御する制御手段と、を備え、前記信号調整手段は、境界音場制御原理に基づいてフィルタ係数が設定されるデジタルフィルタを有し、前記制御手段は、複数の抑圧制御点と再生制御点の関係と境界音場制御の原理に基づき前記デジタルフィルタのフィルタ係数を算出し、前記デジタルフィルタのフィルタ係数を設定することを特徴とする。

また、前記再生制御点は、境界面の任意の位置に設定できる。そして、前記再生制御点は、抑圧制御点の一部を削除して形成することができる。

さらに、前記制御手段に、方向が異なる再生制御点に対応して算出したフィルタ係数を記憶する記憶手段を有し、設定される再生制御点に基づき、前記記憶手段からフィルタ係数を読出し、前記デジタルフィルタのフィルタ係数を設定するように構成できる。

この発明は、音響エネルギーの流れを制御することを特徴としているので、低域で指向性制御が容易に行える。また、再生制御点は、任意の箇所に設定することができるので、任意の再生制御点で原信号の再現が行うことが可能となる。

さらに、この発明によれば、複数方向にビームフォーミングを行うことができる。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

まず、境界音場制御に基づく３次元音場制御の原理について図面を参照して説明する。境界音場制御の原理は、３次元空間内の任意の領域を囲む境界上の音圧と粒子速度を制御することにより、境界内部の音圧を制御できることを示す原理である。図１に境界音場制御の原理に基づく能動騒音制御システムの概念図、図２に局所的な再生システムの概念図を示す。

図１に示すように、能動騒音制御（ＡＮＣ）システムでは、仮想的な境界面（Notional boundary）４上で観測される１次音源（Primary source）としてのスピーカユニット１０からの音圧と粒子速度がゼロになるように、２次音源（secondary source）のスピーカアレイ２０を駆動することにより、境界４に囲まれた領域内の音圧をゼロにすることができる。

２次音源のスピーカアレイ２０は、複数のスピーカユニット２_１〜２_Ｎで構成される。そして、各スピーカユニット２_１〜２_Ｎの前段には、境界音場制御の原理に基づいて算出された伝達関数（Ｈ_１〜Ｈ_Ｎ）を有するデジタルフィルタ３_１〜３_Ｎが設けられている。入力信号は、スピーカユニット１０と、デジタルフィルタ３_１〜３_Ｎからなるフィルタ群３０に与えられる。フィルタ群３０の各デジタルフィルタ３_１〜３_Ｎで入力信号が各スピーカ２_１〜２_Ｎに対応して調整される。調整された信号に基づき各スピーカ２_１〜２_Ｎが駆動される。

このように、スピーカユニット１０からの音圧と２次音源のスピーカアレイ２０の駆動により、仮想的な境界面４上で観測される音圧と粒子速度がゼロにすることができる。

図２に示すように、局所的な再生システムでは、スピーカ１０と２次元音源のスピーカアレイ２０の周囲を仮想的な境界面４で囲み、ANCシステムの場合と同様に境界面４上の音圧と粒子速度をゼロにすることにより、境界面４よりの遠方の領域の音圧をゼロにできる。

この際、例えば、スピーカユニット１０、２_１〜２_Ｎを直線上に配置し、境界面４をスピーカ１０、２_１〜２_Ｎを囲む半円周上に設置することにより、スピーカユニット１０、２_１〜２_Ｎの周囲の全ての方向の音圧をゼロにすることができる。局所的な再生システムでは、実際には、境界面近傍で音圧と粒子速度が急激にゼロになるわけではなく、スピーカユニット１０、２_１〜２_Ｎから離れるに従い徐々にゼロに近づく。したがって、局所的な再生システムは、一般的なスピーカシステムと比較して急峻な減衰特性を持ち、スピーカユニット１０、２_１〜２_Ｎの近傍だけが再生領域になる。

この発明は、上記した従来の局所化スピーカの設計基準に加え、メインローブ方向では再生信号を所望の特性に制御できるように、再生制御点を設置した指向性スピーカシステムを提案するものである。

この発明は、従来の局所化スピーカと同様の抑圧制御点に加えてメインローブ方向では再生信号の振幅と位相を制御するための再生制御点を設置して指向性を制御するようにしている。

次に、局所化技術を応用した指向性スピーカシステムの制御の原理について説明する。

図２に示す仮想的な境界面４を構成する抑圧制御点の一部を削除することにより、音響エネルギーの流れが制御点の削除された方向に生じる。後述するように、抑圧制御点には、マイクロフォンを備えて、スピーカユニット２_１〜２_Ｎの前段に設けるＮ個のデジタルフィルタ３_１〜３_Ｎからなるフィルタ群３０のフィルタ係数を計算している。

図３に示すように、この発明における指向性スピーカシステムは、局所化スピーカを構成するスピーカアレイ２０としてのＮ個のスピーカユニット２_１〜２_Ｎとスピーカユニットの前段に設けるデジタルフィルタ３_１〜３_Ｎにより構成される。

スピーカユニット２_１〜２_Ｎの前段に設けるデジタルフィルタ３_１〜３_Ｎのフィルタ係数を境界音場制御の原理に基づき算出する。このデジタルフィルタ３_１〜３_Ｎを設計するための実施形態について、図３を参照して説明する。

Ｎ個のデジタルフィルタ３_１〜３_Ｎの係数を計算する際には、スピーカアレイ２０より離れ、スピーカアレイ２０を囲む半円周上の０度より１８０度の範囲の抑圧制御点にマイクロフォンをＭ個設置する。以下のフィルタ計算のおいては、スピーカユニット２の数は１０個、マイクロフォン５は、０度より１８０度まで１５度毎に分割した１３個のマイクロフォン５_０〜５０_１８０で構成している。

フィルタ係数の計算は以下の通りである。

ｊ番目（ｊ＝１，…，Ｎ）のスピーカユニット２からｉ番目（ｉ＝１，…，Ｍ）のマイクロフォン５までの周波数伝達関数をＧｉｊとする。そして、スピーカユニット２への入力信号をＸとして、スピーカユニットから出力した際に各マイクロフォンの位置で測定される信号をＹとすると、システムの入出力系は下記の（１）式になる。

Ｙ（ω）＝｛[Ｇ（ω）]・Ｈ（ω）｝Ｘ（ω） …（１）
ただし、[Ｇ（ω）]はｊ番目のスピーカユニット２からｉ番目のマイクロフォン５の間の周波数伝達関数Ｇ_ｉｊ（ω）を要素に持つ、Ｍ×Ｎ行列であり、Ｙ（ω）は、各マイクロフォン位置で測定される信号Ｙｉ（ω）を要素に持つ、[Ｙ０（ω），…，Ｙ１８０（ω）]^Ｔとする（Ｔは転置を表す）。

任意の入力信号Ｘに対して所望の指向性を制御するフィルタの係数Ｈ〜（ω）は、下記（２）式を解くことにより求まる。
Ｈ〜（ω）＝[Ｇ（ω）]⁻・Ｄ（ω） …（２）
ただし、Ｄ（ω）＝[Ｄ０（ω），…，Ｄ１８０（ω）]^Ｔとは各マイクロフォンの位置での所望のＭ次元ベクトル（目的ベクトル）であり、[]⁻は一般逆行列を表す。ここで、Ｄｉ（ω）を各制御点の重みを考慮して定めることも可能であるが、この実施形態では、簡単のため再生制御点の応答を１、抑圧制御点の応答を０とする。

９０度方向にスピーカアレイ２０のメインローブを生成する場合には、０、１５、３０、４５、９０、１３５、１５０、１６５、１８０度に設置したマイクロフォン５を使用する。９０度方向にメインローブを生成するので、再生制御点は９０度になる。そのため、ベクトルＤ（ω）には、[０，０，０，０，１，０，０，０，０]が与えられ、各デジタルフィルタ３_１〜３_Ｎの係数が算出される。

また、４５度方向にスピーカアレイ２０のメインローブを生成する場合には、０、４５、９０、１０５、１２０、１３５、１５０、１６５、１８０度に設置したマイクロフォン５を使用する。４０度方向にメインローブを生成するので、再生制御点は４５度になる。そのため、ベクトルＤ（ω）には、[０，１，０，０，０，０，０，０，０]が与えられ、各デジタルフィルタ３_１〜３_Ｎの係数が算出される。

なお、使用するマイクロフォンについては、ベクトルＤ（ω）の要素について、目標とする指向性の方向に対応して適切なものを用いるように選択する。

指向性スピーカシステムにおいて、再生時にその都度、フィルタ係数を算出するように構成しても良いが、システムにマイクロフォンが必要となり、システム構成が複雑になる。そこで、事前にメインローブの方向毎にフィルタ係数を算出し、その算出結果をメモリなどに格納しておき、フィルタ係数を切り替えることにより、指向性の向きを切り替えるように構成できる。

次に、上記した手法により、算出したフィルタ係数を用いたこの発明の第１の実施形態にかかる指向性スピーカシステムを図４に従い説明する。図４は、この発明の第１の実施形態にかかる指向性スピーカシステムを示すブロック図である。

図４に示すように、局所化スピーカを構成するスピーカアレイ２０として、この実施形態においては、１０個のスピーカユニット２_１〜２_１０を備える。これらスピーカユニット２_１〜２_１０は、直線状に配列されている。スピーカアレイ２０の前段には、スピーカユニット２_１〜２_１０への入力信号を調整する信号調整手段３００が設けられている。

この信号調整手段３００は、前述した境界音場制御の原理に基づいて算出されたフィルタ係数が設定されるデジタルフィルタ３_１〜３_１０で構成されたフィルタ群３０と、このフィルタかを経たデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換回路７と、アンプ８とで構成される。

デジタルフィルタ３_１〜３_１０での各フィルタ係数は、制御装置５０により、境界音場制御の原理に基づいて算出されたフィルタ係数（伝達関数）が設定される。前述した図３に従い、事前にメインビームの方向毎にフィルタ係数が算出され、その算出結果が不揮発性メモリなどからなる記憶手段５１に格納されている。

境界面４はスピーカユニット２_１〜２_１０を囲む半円周上に設置され、この半円周上に再生制御点または抑圧制御点となる制御ポイント６_０〜６_１８０が所定の角度毎に設定されている。この制御ポイント６_０〜６_１８０の中から入力手段５２により、再生制御点を設定する。再生制御点と設定されたところがメインビームの方向となる。再生制御点以外の制御点は抑圧制御点となる。再生制御点は、制御ポイント６_０〜６_１８０の中から任意の点が設定できる。

上記した記憶手段５１には、メインビームの方向毎に計算したフィルタ係数が格納されており、制御装置５０は、入力手段５２にて、設定された再生制御点、即ち、メインビームの方向に従い、記憶手段５１から該当するフィルタ係数を読み出す。この読み出されたフィルタ係数に従い各デジタルフィルタ３_１〜３_１０のフィルタ係数が設定される。

入力信号源６０からの入力信号はアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路６１でデジタル信号に変換され、デジタルフィルタ３_１〜３_１０に与えられる。このデジタルフィルタ３_１〜３_１０により、各デジタル信号がフィルタ係数に応じて制御されて、Ｄ／Ａ変換回路７に与えられる。そして、Ｄ／Ａ変換回路７でアナログ信号に変換され、アンプ８で増幅されて各スピーカユニット２_１〜２_１０に入力される。そして、各スピーカユニット２_１〜２_１０からそれぞれの音が出力されることにより、設定された再生制御点に向かった指向性ある出力が得られることになる。

次に、上記した第１の実施形態における制御動作について、図５の動作フロー図に従いさらに説明する。

入力手段５１にて制御点６_０〜６_１８０の中から再生制御点を選択されると、制御装置５０は、選択された制御点を再生制御点として設定する（ステップＳ１）。そして、制御装置５０は、設定した再生制御点に基づき、記憶手段５１より対応するフィルタ係数を読み出す（ステップＳ２）。

その後、制御装置５０は、記憶手段５１より読み出したフィルタ係数を対応するフィルタ３_１〜３_１０に設定する（ステップＳ４）。

続いて、入力信号源６０からの入力信号をＡ／Ｄ変換回路６１でデジタル信号に変換し、デジタルフィルタ３_１〜３_１０に与える。デジタルフィルタ３_１〜３_１０により、各デジタル信号がフィルタ係数に応じて制御し、その信号をＤ／Ａ変換回路７でアナログ信号に変換し、アンプ８に与える。アンプ８で増幅されて各スピーカユニット２_１〜２_１０から出力される（ステップＳ４）。

出力の終了が指示されるまで、ステップＳ４に戻り、出力が続けられ、出力の終了が指示されると、動作を終了する（ステップＳ５）。

次に、この発明の第２の実施形態にかかる指向性スピーカシステムを図６に従い説明する。図６は、この発明の第２の実施形態にかかる指向性スピーカシステムを示すブロック図である。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、ここでは、その説明を割愛する。

図６において、スピーカアレイ２０、制御装置５０、記憶手段５１、入力手段５２及び信号調整手段３００は、上記した第１の実施形態と同様である。この実施形態２においては、再生制御点を受聴者の位置を検出して設定するように構成している。このため、境界面４に沿って、検出装置８０_１〜８０_Ｍが設置されている。

検出装置は、例えば、赤外線源と受信装置とで構成される。検出装置８０_１〜８０_Ｍからの出力に基づき、検出手段８１が受聴者の存在の有無を検出する。赤外線源と受信装置の間に受聴者が位置すると、赤外線が遮られる。赤外線が遮られたときの出力により検出手段８１は、検出手段８１が受聴者の存在を検知する。各検出手段８１からの出力が制御装置５０に与えられ、制御装置５０は、検出手段８１からの出力に基づき、どの制御点に受聴者が存在するかを判断し、その制御点を再生制御点として設定する。

そして、設定された再生制御点、即ち、メインビームの方向に従い、記憶手段５１から該当するフィルタ係数を読み出す。この読み出されたフィルタ係数に従い各デジタルフィルタ３_１〜３_１０のフィルタ係数が設定される。

次に、上記した第２の実施形態における制御動作について、図７の動作フロー図に従いさらに説明する。

検出装置８０_１〜８０_Ｍからの信号出力に応じた検出手段８１からの信号が制御装置５０に入力される（Ｓ１１）。制御装置５０は検出手段８１の出力に基づき再生制御点を検出し、再生制御点を設定する（ステップＳ１２）。そして、制御装置５０は、検出した再生制御点に基づき記憶手段５１より対応するフィルタ係数を読み出す（ステップＳ１３）。

その後、制御装置５０は、記憶手段５１より読み出したフィルタ係数を対応するデジタルフィルタ３_１〜３_１０に設定する（ステップＳ１４）。

続いて、入力信号源６０からの入力信号をＡ／Ｄ変換回路６１でデジタル信号に変換し、デジタルフィルタ３_１〜３_１０に与える。デジタルフィルタ３_１〜３_１０により、各デジタル信号がフィルタ係数に応じて制御し、その信号をＤ／Ａ変換回路７でアナログ信号に変換し、アンプ８に与える。アンプ８で増幅されて各スピーカユニット２_１〜２_１０から出力される（ステップＳ１５）。

出力の終了が指示されるまで、ステップＳ１５に戻り、出力が続けられ、出力の終了が指示されると、動作を終了する（ステップＳ１６）。

なお、第２の実施形態において、検出装置に赤外線源とその受信装置を用いた場合について説明したが、検出装置としてはこれに限られるものではない。例えば、監視カメラ、超音波センサを検出装置として用いることもできる。

次に、この発明の実施形態の指向性スピーカシステムの特性を具体的実施例に基づき説明する。基本的なスピーカアレイ２０等の配置は図３に示すものである。この例では、スピーカアレイ２０は，スピーカユニットの数１０、スピーカユニット間隔１７ｃｍの等間隔直線アレイとした。また、仮想的な境界面４を構成するマイクロフォンはスピーカアレイ２０の中心から半径２ｍの半円周上に１５度毎に配置する。但し、メインローブの方向により使用するマイクロフォンは異なる。計算は２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚの各周波数で行った。即ち、スピーカユニット間隔に対してそれぞれの波長が１／８倍、１／４倍、１／２倍、１倍となる。

まず、メインローブが１方向の特性について説明する。

この例では、メインローブ方向を９０度に設定した場合の指向特性を図８に示す。９０度方向をメインローブに設定する場合には、０度から６０度、１２０度から１８０度までの１５度毎の１０点を抑圧制御点とし、９０度を再生制御点とした。図８の縦軸は，スピーカアレイ２０の中心から２ｍの距離におけるゲインである。従って、この条件では、制御点の設置された半円周上での指向特性となる。指向特性を表すゲインは各周波数毎に最大値が１になるように正規化を行っている。横軸は角度である。

また、図中の実施線、波線、一点鎖線、点線は２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚの場合の指向特性である。

図８より、２５０Ｈｚから１ｋＨｚまでビームの幅は少しずつ狭くはなっているが，ほぼ等しいメインローブが形成されていることが判る。また、周波数が２ｋＨｚとなった場合には、９０度方向にメインローブが形成されずそれ以外の方向に音が放射されている。

メインローブの方向を６０度に設定した場合の指向特性を図９に示す。６０度方向をメインローブに設定する場合には、０度から３０度、９０度から１８０度までの１０点を抑圧制御点とし、６０度方向を再生制御点とした。図９より９０度方向をメインローブとした場合と同様に、１ｋＨｚまではメインローブが目標方向に形成されていることが判る。しかしながら、周波数が高くなるにつれて、メインローブの方向が９０度方向にずれている。

メインローブの方向を３０度に設定した場合の指向特性を図１０に示す。３０度方向をメインローブに設定する場合には、０度、６０度から１８０度までの１０点を抑圧制御点とし、３０度方向を再生制御点とした。図１０より９０度方向、６０度方向をメインローブとした場合と同様に、１ｋＨｚまではメインローブが目標方向に形成されていることが判る。しかしながら、１ｋＨｚの場合には、メインローブの方向は設定した３０度方向よりも９０度方向に大きくずれ、約４５度となっている。また,サイドローブのゲインも他の条件と比較して大きくなっている。

この発明では、スピーカユニットの配置や制御点の配置の影響を強く受けるが、再生制御点と抑圧制御点の組み合わせやフィルタを計算する際の各制御点の重み付けにより、原理的には任意の形状のメインローブを形成することが考えられる。そこで、一例として、６０度と１０５度方向、６０度と１２０度方向をメインローブに設定した場合の指向特性をそれぞれ図１１、図１２に示す。指向特性は、２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚの周波数について、前述と同様に、スピーカアレイ２０の中心から２ｍの半円周上で計算した。図中の実施線、波線、一点鎖線、点線は２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚの場合の指向特性である。

６０度と１０５度方向をメインローブに設定する場合は、０度から３０度まで、１３５度から１８０度までの１５度毎および、７５度、９０度の９点を抑圧点制御点とし、６０度、１０５度を再生制御点とした。

上記のように、この発明によれば、任意の再生制御点に対して、指向性を有する出力が得られる。

尚、スピーカユニットの間隔とスピーカアレイとの制御点の距離は，それぞれ制御する帯域の上限周波数と下限周波数から定める必要がある。スピーカユニット間隔が波長の１／２倍となった場合には、特に、０度や１８０度に近い方向で、メインローブ方向を設定した再生制御点の方向から９０度方向にずれる傾向があった。従って、可能であれば、スピーカユニット間隔は制御する帯域の上限周波数の波長の１／４倍以下に設定することが望ましい。

また、上記した実施形態においては、スピーカアレイをスピーカユニットを線状に配列した場合について説明したが、スピーカユニットを面状に配列してスピーカアレイを構成し場合にもこの発明は適用することができる。

一般的に、低い周波数まで再生することが可能なスピーカユニットの口径は大きく、結果としてスピーカユニット間隔を大きくする必要がある。また、密閉型のスピーカシステムとして実現する場合には、背後に十分な大きさを持つエンクロージャーが必要となるため指向性スピーカアレイのシステム構成は重要な課題となる。そこで、この実施例では、比較的低域まで出力することが可能であり、口径の小さなスピーカユニットとしてＡＵＲＡ ＳＯＵＮＤ ＮＳ３−１９３−８Ａ（再生周波数帯域Ｆ_０（＝８０Ｈｚ）−１５ｋＨｚ、口径７０ｍｍ）を選択し、その背後に高さと幅が約１１ｃｍ、奥行き１ｍのエンクロージャーを持つスピーカシステムを試作した。従って、隙間無くスピーカユニットを並べた場合、このスピーカアレイ２０のスピーカユニット間隔は約１１ｃｍとなる。スピーカシステムは、複数のユニットに対して共通のエンクロージャーで構成することや形状を薄型にすることなども可能であるが、この実施例では、（１）各ユニットを独立にすること、（２）スピーカアレイの形状を自由に変更できることを目的としてこの形状とした。

（実験条件）
試作したスピーカシステムの性能を確認するために、無響室においてスピーカシステムの持つ空間的な音圧分布を測定した。音圧分布は、スピーカシステムと制御点を含む同一平面内で測定した。スピーカアレイ２０のユニット数は４である。本実験では、まず、最初に、スピーカアレイ２０の中心からの距離が２ｍの半円周上の０度から１８０度までの１５度毎のインパルス応答を測定し、式（２）に従い周波数領域でフィルタＨ_ｊ（ω）を計算した。ただし、アレイの正面を９０度とし、右方向を０度、左方向を１８０度とした。次に、スピーカアレイ２０の前面の３．６ｍ×２．６ｍの領域を６０ｃｍ×６５ｃｍに分割した格子点上でインパルス応答を測定し、計算したフィルタ係数と畳み込むことによりスピーカシステムの空間的な音圧分布を求めた。サンプリング周波数は４８ｋＨｚ、量子化ビット数は２４ｂｉｔである。実験システムの概要を図１３に示す。

（実験結果）
メインローブを９０度方向に設定した場合のスピーカシステムの音圧分布を図１４から図１６に示す。図１４はこの発明の指向性（局所化）スピーカシステムの音圧分布を示す。また、比較のため、図１５に従来のスピーカアレイ（遅延和アレイ）の音圧分布、図１６に図１３に示すスピーカアレイ２０の中から１つのスピーカユニット（スピーカ♯３）だけ出力した時の音圧分布を示す。

音圧分布は３５０Ｈｚから１．５ｋＨｚの帯域の平均値であり、最大値が０ｄＢとなるように正規化している。この発明の指向性スピーカシステムでは、０度から６０度、１２０度から１８０度の１５度毎の１０点を抑圧制御点とし、９０度を再生制御点とした。図１５より、試作したスピーカシステムは、従来のアレイ処理を行った場合でも鋭い指向性を形成していることがわかる。しかしながら、図１４に示すように、この発明の指向性（局所化）スピーカシステムは従来のアレイ処理よりもさらに鋭い指向性を形成していることがわかる。

スピーカシステムと並行に８０ｃｍと１．４５ｍ離れた軸上での音圧分布を図１６、図１７に示す。この例のスピーカアレイ２０のユニット数は４である。図の直線、破線、点線がそれぞれこの発明の局所化スピーカ（Ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）、遅延和スピーカアレイ（Ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｓｕｍ ａｒｒａｙ）、単一スピーカ（Ｓｉｎｇｌｅ ｓｐｅａｋｅｒ）の音圧分布である。図１７、図１８は、スピーカアレイの中心を通るアレイに垂直な軸を０ｍとし、最大値が０ｄＢになるように正規化している。８０ｃｍ、１．４５ｍの場合ともに遅延和スピーカアレイよりも鋭い指向性が得られていることがわかる。

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。この発明の範囲は、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。

視覚障害者の誘導、美術館や博物館のガイダンスシステム等に適用できる。

境界音場制御の原理に基づく能動騒音制御システムの概念図である。 境界音場制御の原理に基づく局所的な再生システムの概念図である。 この発明における指向性スピーカシステムの原理を示す概念図である。 この発明の第１の実施形態にかかる指向性スピーカシステムを示すブロック図である。 この発明の第１の実施形態にかかる指向性スピーカシステムの制御動作を示すフロー図である。 この発明の第２の実施形態にかかる指向性スピーカシステムを示すブロック図である。 この発明の第２の実施形態にかかる指向性スピーカシステムの制御動作を示すフロー図である。 この発明の指向性スピーカシステムにおいて、メインローブ方向を９０度に設定した場合の指向特性を示す図である。 この発明の指向性スピーカシステムにおいて、メインローブ方向を６０度に設定した場合の指向特性を示す図である。 この発明の指向性スピーカシステムにおいて、メインローブ方向を３０度に設定した場合の指向特性を示す図である。 この発明の指向性スピーカシステムにおいて、メインローブ方向を６０度と１０５度に設定した場合の指向特性を示す図である。 この発明の指向性スピーカシステムにおいて、メインローブ方向を６０度と１２０度に設定した場合の指向特性を示す図である。 この発明の指向性スピーカシステムの実験システムを示す概略図である。 この発明の指向性スピーカシステムにおいて、メインローブを９０度方向に設定した場合の音圧分布を示す図である。 従来のスピーカアレイ（遅延和アレイ）の音圧分布を示す図である。 スピーカアレイの中から１つのスピーカユニット（スピーカ♯３）だけ出力した時の音圧分布を示す図である。 スピーカアレイの中心を通るアレイに垂直な軸を０ｍとし、最大値が０ｄＢになるように正規化した音圧分布を示す図である。 スピーカアレイの中心を通るアレイに垂直な軸を０ｍとし、最大値が０ｄＢになるように正規化した音圧分布を示す図である。

符号の説明

２、２_１〜２_１０ スピーカユニット、３_１〜３_１０ デジタルフィルタ、２０ スピーカアレイ、５０ 制御装置、５１ 記憶手段、３００ 信号調整手段。

Claims (4)

1. 線状または面状に配列された複数個のスピーカユニットからなるスピーカアレイと、前記複数個のスピーカユニットへの入力信号を調整する信号調整手段と、前記信号調整手段を制御する制御手段と、を備え、前記信号調整手段は、境界音場制御の原理に基づいてフィルタ係数が設定されるデジタルフィルタを有し、前記制御手段は、複数の抑圧制御点と再生制御点の関係と境界音場制御の原理に基づき前記デジタルフィルタのフィルタ係数を算出し、前記デジタルフィルタのフィルタ係数を設定することを特徴とする指向性スピーカシステム。
2. 前記再生制御点を、境界面の任意の位置に設定することを特徴とする請求項１に記載の指向性スピーカシステム。
3. 前記再生制御点は、抑圧制御点の一部を削除して形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の指向性スピーカシステム。
4. 前記制御手段に、方向が異なる再生制御点に対応して算出したフィルタ係数を記憶する記憶手段を有し、設定される再生制御点に基づき、前記記憶手段からフィルタ係数を読出し、前記デジタルフィルタのフィルタ係数を設定することを特徴とする請求項１に記載の指向性スピーカシステム。