JP2009194802A - スピーカアレイおよびスピーカアレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】傾き検出手段が、スピーカアレイの基台をなす筐体の初期位置（初期姿勢）に対する現位置（現姿勢）の傾きを検出し、この傾きに基づき、信号処理手段のパラメータを設定することにより、スピーカアレイの初期姿勢が変化した場合でも、スピーカアレイを初期位置（初期姿勢）に設置した状態の音場状況を提供する。
【解決手段】制御回路６０は、ピッチ角α，ヨー角β，ロール角γのいずれかが変化した場合、パラメータテーブル６３Ａから変化した角に対応する遅延補正パラメータ，増幅補正パラメータを読み出し、このパラメータを信号処理回路６５に出力する。信号処理回路６５は、音源からのオーディオ信号にパラメータに基づいた遅延および増幅の処理を施し、スピーカアレイ１の初期姿勢における音場状況を再現する。
【選択図】図３

Description

本発明は、スピーカユニットを複数有するスピーカアレイおよびスピーカアレイ装置に関する。

スピーカアレイは、複数のスピーカユニットをライン状またはマトリックス状に配置したものである。このスピーカアレイは、各スピーカに与えるオーディオ信号の遅延制御等を行うことにより、指向性を有する音響ビームを放射することが知られている。この特性を利用して、特定エリアに向けて音声を提供するサービスにスピーカアレイを利用する技術が各種提案されている（例えば、特許文献１および２）。
また、空間内の１つの焦点に収束する音響ビームを発生させた場合、その焦点において音圧が局所的に高まるため、焦点の近傍の聴者は、あたかもその焦点の位置に音源があるかのような印象を受ける。この点に着目し、仮想音源を形成する音場再生装置としてスピーカアレイを利用する技術が各種提案されている（例えば非特許文献１）。
特開平１１−２７６０４号公報 特開２００５−１７３１３７号公報 "スピーカアレイを用いた３次元音響再生"、ＮＨＫ放送技術研究所中山靖茂、大久保洋幸、渡辺馨、小宮山摂、ＶＭＡ研究会論文誌第９号１２−１７ページ、２００２年７月１２日発行

ところで、スピーカアレイを設置する際に、設置場所における音響状況等を加味した上で、当該スピーカアレイの初期姿勢や遅延制御等のためのパラメータが設定される。その後における音響ビームの指向制御は、前記パラメータによって行われる。このため、スピーカアレイの姿勢が初期姿勢から何らかの原因で変わってしまった場合には、最適な音場環境を提供することができなくなる可能性がある。

そこで、本発明は、スピーカアレイの姿勢が変わった場合でも、初期姿勢における音場環境を再現することのできるスピーカアレイおよびスピーカアレイ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明が採用するスピーカアレイの構成は、筐体と、前記筐体に固定された複数のスピーカユニットと、前記筐体の傾きを検出する傾き検出手段と、を具備することを特徴とする。

上記スピーカアレイにおいて、前記傾き検出手段は、それぞれ直交する３軸のうち少なくとも１軸に対する傾きを検出することが望ましい。

上述した課題を解決するため、本発明が採用するスピーカアレイ装置の構成は、前記記載のスピーカアレイと、音源から与えられるオーディオ信号に少なくとも遅延処理を含む信号処理をパラメータによって施し、前記各スピーカユニットを駆動する複数の遅延オーディオ信号を生成する信号処理手段と、前記信号処理手段における前記パラメータを、前記傾き検出手段からの出力に応じて設定するパラメータ設定手段と、を備えることを特徴とする。

上記スピーカアレイ装置において、前記傾き検出手段は、スピーカアレイの初期姿勢に対する傾きを検出し、前記パラメータ設定手段は、前記スピーカアレイの前記初期姿勢におけるパラメータを初期パラメータとして記憶する初期パラメータ記憶部と、前記初期姿勢に対する傾きと補正パラメータとの関係を記憶する補正関係記憶部と、前記傾き検出手段によって検出された傾きから前記補正関係記憶部を参照して補正パラメータを算出し、この補正パラメータにより前記初期パラメータを補正したパラメータを前記信号処理手段に出力するパラメータ出力部と、を有することが好ましい。

本発明によれば、傾き検出手段が、スピーカアレイの基台をなす筐体の初期姿勢に対する現姿勢の傾きを検出し、この傾きに基づき、信号処理手段のパラメータを設定することにより、スピーカアレイの姿勢が変化した場合でも、スピーカアレイを初期姿勢に設置した状態の音場状況を提供することができる。

次に、図面を参照しつつ、本発明に係る実施形態について説明する。
＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係るスピーカアレイ１の外観図である。
実施形態に係るスピーカアレイ１は、第１バッフル１１に固定されて第１スピーカユニット群を形成する１２個の第１スピーカユニット１０と、第２バッフル２１に固定されて第２スピーカユニット群を形成する２４個の第２スピーカユニット２０とを有している。以下、第１スピーカユニット１０を区別する場合には、第１スピーカユニット１０−１〜１０−１２、第２スピーカユニット２０を区別する場合いは、第２スピーカユニット２０−１〜２０−２４という。

また、このスピーカアレイ１は、スピーカユニットへ供給するオーディオ信号が入力される入力端子、電源スイッチおよび電源ソケット、入力端子に入力されたオーディオ信号に信号処理を施す信号処理回路、信号処理回路で信号処理された信号を増幅して各スピーカユニットへ供給するアンプ回路、信号処理回路やアンプ回路を駆動する電力を各回路へ供給する電源回路などを有するプリント基板４０を内部に有している。
スピーカアレイ１においては、各スピーカユニットは前面側に配置され、プリント基板４０はスピーカアレイ１の前後方向において中央より背面側に配置されており、大別すると、スピーカアレイ１は、スピーカユニットが配置される発音部と、プリント基板４０が配置される回路部とに分けることができる。

（スピーカユニットの構成）
第１スピーカユニット１０は、低音域から高音域までの音を再生するフルレンジのスピーカユニットであり、第１バッフル１１にネジ止めによって固定されている。また、第２スピーカユニット２０は、中音域から高音域までの音を再生するツィータのスピーカユニットであり、第２バッフル２１にネジ止めによって固定されている。第１バッフル１１と第２バッフル２１との間には、振動吸収部材２２が配置される。なお、本実施形態においては、第２スピーカユニット２０の口径は、第１スピーカユニット１０の口径より小となっている。

（筐体の構成）
次に、スピーカアレイ１の筐体３０について説明する。図２は、スピーカアレイ１の縦断面図である。同図に示したようにスピーカアレイ１の筐体３０は、天板３１、底板３２、側板３３，３３、枠材３４で構成されている。枠材３４には仕切板３５が固定される。枠材３４と第１バッフル１１は、その周囲が天板３１、底板３２、側板３３に形成された凹溝に嵌合される。
また、筐体３０の天板３１，側板３３には取付フック３６，３６，…が設けられ、ワイヤやブラケット（図示せず）を介して所定位置に設置される。

（回路部の構成）
次に、回路部は、仕切板３５上に設けられた電子部品４０Ａを実装するプリント基板４０およびカバー４１によって構成される。このプリント基板４０は、仕切板３５にスペーサ４２を介して固定される。
これにより、スピーカアレイ１の内部は、仕切板３５により仕切られ、この仕切板３５および第１バッフル１１、第２バッフル２１、天板３１、底板３２、側板３３により密閉空間が画成される。この結果、各スピーカユニット１０，２０の背面側は密閉された空間となるので、スピーカアレイ１は低域の音を良好に再生することができる。
電子部品４０Ａは、入力端子、電源回路（いずれも図示せず）、および後述する制御回路６０、信号処理回路６５（遅延回路およびアンプ回路）などである。また、プリント基板４０には、各スピーカユニットへオーディオ信号を供給するスピーカケーブルが接続される信号供給端子（図示せず）も実装されている。

（本発明の特徴）
以上がスピーカアレイ１の構成であるが、次に本発明の特徴について説明する。本発明の特徴は、スピーカアレイ１の筐体３０に、この筐体３０の傾きを検出する傾きセンサを設け、スピーカアレイ１の各スピーカユニット１０，２０からの音響ビームの指向制御を行うことにある。
図３に回路ブロック図を示す。筐体３０には、３個の傾きセンサ５１，５２，５３が所定位置に設けられる。傾きセンサ５１〜５３には、膜スプリング容量式或いは液封入容量式の傾斜角センサ、またはジャイロ機能によって加速度を検出し、この加速度を積分することで変位量を検出するジャイロ式センサ等、種々のセンサが適応可能である。さらに、１個のパッケージに３軸方向の傾きを検出する素子を内蔵するセンサであってもよい。
例えば、液封入容量式の傾斜角センサは、検出軸方向に離間した２対の平行平板と、この各平板に浸る液とからなり、センサが検出軸回りに傾いた際に、各平板における静電容量の変化にから傾きを検出する構成のものである。

そして、傾きセンサ５１〜５３は、図４に示すように、筐体３０（スピーカアレイ１）の傾きを検出する。Ｘ軸傾きセンサ５１は、Ｘ軸回りの傾きつまりピッチ角αを検出し、Ｙ軸傾きセンサ５２は、Ｙ軸回りの傾きつまりヨー角βを検出し、Ｚ軸傾きセンサ５３は、Ｚ軸回りの傾きつまりロール角γを検出するようになっている。

制御回路６０は、マイクロコンピュータによって構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、ＲＯＭ（Read Only Memory）６３および入出力制御回路６４を具備しており、ＣＰＵ６１はＲＯＭ６３から読出した制御プログラムを実行することにより、後述する種々の処理を行う。ＲＡＭ６２は、各種制御プログラムを実行するためのワークエリアとして用いられる。入出力制御回路６４の入力側には傾きセンサ５１〜５３が接続され、出力側には信号処理回路６５が接続される。

ＲＯＭ６３には、後述する指向制御処理プログラム、この処理に用いられるパラメータ（遅延パラメータと増幅パラメータ）を設定するパラメータ設定処理プログラムを格納されると共に、パラメータ設定処理プログラムに用いられる補正パラメータのパラメータテーブル６３Ａが記憶されている。このパラメータテーブル６３Ａは、図５に示すように、ピッチ角α、ヨー角β、ロール角γに対する各スピーカユニット１０（２０）のパラメータを補正するための補正パラメータ（遅延補正パラメータと増幅補正パラメータ）のデータ（…ａ０００〜ｂ２３６…；数値）が記憶される。
具体的には、パラメータテーブル６３Ａには、ピッチ角αごとに第１スピーカユニット１０−１〜１０−１２，第２スピーカユニット２０−１〜２０−２４の遅延補正パラメータａと増幅補正パラメータｂの値、ヨー角βごとに第１スピーカユニット１０−１〜１０−１２，第２スピーカユニット２０−１〜２０−２４の遅延補正パラメータａと増幅補正パラメータｂの値、ロール角γごとに第１スピーカユニット１０−１〜１０−１２，第２スピーカユニット２０−１〜２０−２４の遅延補正パラメータａと増幅補正パラメータｂの値が、計（３６×３×２）個設定される。そして、スピーカユニット１０−１〜１０−１２，２０−１〜２０−２４毎に各傾きにおける遅延パラメータの値にピッチ角α、ヨー角β、ロール角γに対応した遅延補正パラメータを加算（補正）して３６個の遅延パラメータを算出し、スピーカユニット１０−１〜１０−１２，２０−１〜２０−２４毎に各傾きにおける増幅パラメータの値ににピッチ角α、ヨー角β、ロール角γに対応した増幅補正パラメータを加算（補正）して３６個の増幅パラメータを算出する。

また、信号処理回路６５は、スピーカユニット１０，２０の個数（この場合、３６個）の遅延回路と増幅回路とを備える。遅延回路は、個々のスピーカユニット毎に設定される遅延補正パラメータａによって音源からのオーディオ信号を遅延させ、増幅回路は、個々のスピーカユニット毎に設定される増幅補正パラメータｂによって音源からのオーディオ信号を増幅させる。これにより、信号処理回路６５は、音源からのオーディオ信号に遅延および増幅の処理を施し、スピーカユニット１０，２０から発声する音の音響ビームに対し、所定の方向に向けた指向性を持たせる。

（初期位置への設定動作）
まず、スピーカアレイ１を初期位置に設定する場合について述べる。
スピーカアレイ１の取付フック３６にワイヤ或いはクランプを用いてスピーカアレイ１を設置し、この設置位置を初期位置（初期姿勢）とする。この際、スピーカアレイ１の各軸に対する傾きを調整しつつ、音響ビームが所定の方向を向くようにし、この際、この時の遅延補正パラメータａ，増幅補正パラメータｂを初期パラメータａ０，ｂ０としてＲＡＭ６２に記憶する。また、傾きセンサ５１〜５３が検出する傾きα，β，γを０度としてＲＡＭ６２に記憶する。

次に、傾きα，β，γが変化した場合のパラメータの設定処理について、図６の流れ図を参照しつつ説明する。なお、説明の都合上、１個のスピーカユニットに対するパラメータの設定について述べるが、個々のスピーカユニットに対して同様の処理を行っている。
まず、制御回路６０は、傾きセンサ５１，５２，５３からの検出信号を読み出し（ステップＳ１）、ＲＡＭ６２に記憶した傾きが変化しているか否かを判定する（ステップＳ２）。

傾きが変化していない場合（ステップＳ２；ＮＯ）には、ＲＡＭ６２に予め記憶された初期パラメータａ０，ｂ０を信号処理回路６５に出力し（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻る。

一方、制御回路６０は、傾きが変化していた場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）には、ＲＯＭ６３のパラメータテーブル６３Ａからピッチ角αに対応する遅延補正パラメータａα，増幅補正パラメータｂαを読み出し、ＲＡＭ６２に一時的に記憶し（ステップＳ４）、ＲＯＭ６３のパラメータテーブル６３Ａからヨー角βに対応する遅延補正パラメータａβ，増幅補正パラメータｂβを読み出し、ＲＡＭ６２に一時的に記憶し（ステップＳ５）、ＲＯＭ６３のパラメータテーブル６３Ａからロール角γに対応する遅延補正パラメータａγ，増幅補正パラメータｂγを読み出し、ＲＡＭ６２に一時的に記憶する（ステップＳ６）。

さらに、制御回路６０は、初期パラメータａ０に読み出した遅延補正パラメータａα，ａβ，ａγを加算して遅延補正パラメータａを算出し（ステップＳ７）、初期パラメータｂ０に読み出した増幅補正パラメータｂα，ｂβ，ｂγを加算して増幅補正パラメータｂを算出する（ステップＳ８）。そして、算出された補正パラメータａ，ｂを信号処理回路６５に出力し（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。

これにより、スピーカアレイ１が初期位置の初期姿勢から変化した場合でも、遅延補正パラメータａ，増幅補正パラメータｂを再設定することにより、音響ビームが所定の方向を向くように指向を補正することが可能となる。
この結果、スピーカアレイ１の姿勢が初期姿勢が何らかの原因で変わってしまった場合であっても、スピーカアレイ１からは最適な音場環境を提供することができる。

＜＜変形例＞＞
（１）
なお、本実施形態によるスピーカアレイ１では、信号処理のための回路は筐体３０内に実装するものとして述べたが、本発明はこれに限らず、筐体３０外に設けるようにしてもよい。

（２）
前記実施形態によるスピーカアレイ１では、第１スピーカユニット１０と第２スピーカユニット２０とに分割する構成とし、さらに仕切板３５によってスピーカユニット１０，２０のための密閉空間とプリント基板４０のための空間とに仕切られた構成としたが、本発明に用いられるスピーカアレイはこれに限るものではなく、スピーカアレイは、１枚のバッフルに複数個のスピーカを設ける構成、仕切板をなくしてスピーカのための密閉空間にプリント基板を配置する構成、或いはプリント基板を装備しない構成等であってもよい。

（３）
前記実施形態では、スピーカアレイ１のスピーカユニットは、１２個のフルレンジのスピーカユニット１０と２４個のツィータのスピーカユニット２０から構成するものとして述べたが、本発明はこれに限らず、同型のスピーカユニットを平面上にマトリックス（行列）的配置するもの、１軸上に配置するものであってもよい。

（４）
前記実施形態では、直交する３軸に対して傾きを検出するようにしたが、本発明はこれに限らず、Ｚ軸回りのロール角γについては、スピーカアレイ１から出力される音響ビームの指向性に大きな影響を与えないために、省略してもよい。

（５）
前記実施形態におけるパラメータ設定処理では、初期姿勢時の３軸の傾きを０度としてパラメータを補正するようにしたが、本発明はこれに限らず、パラメータを算出する手段をさらに備え、初期設定時のスピーカアレイ１の傾きα，β，γを初期傾きとして記憶し、姿勢が変化した際には、検出した傾きをこの初期傾きに加算した傾き（現姿勢の傾き）に応じて音響ビームの指向制御のパラメータを算出するようにしてもよい。この場合、パラメータテーブル６３Ａは不要となる。
また、傾きに対する各パラメータを、関係式として予め記憶することにより、パラメータテーブル６３Ａは不要となる。さらに、信号処理回路６５は、遅延回路および増幅回路の構成のみでなく、遅延回路を含む種々の回路構成であってもよい。

（６）
前記実施形態では、遅延パラメータおよび増幅パラメータを補正することによって、音響ビームの指向性制御を行う場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、ＦＩＲ（Finite Impulse Response:有限インパルス応答）フィルタを用いて制御するようにしてもよい。この場合、傾きに応じて複数のＦＩＲフィルタ係数を記憶しておき、現姿勢の傾きに応じてＦＩＲフィルタ係数を読み出して、各スピーカに対してフィルタリング処理を行えばよい。

（７）
前記実施形態では、スピーカアレイ１は筐体３０に設けられた取付フック３６によって所定位置に設置されるものとして述べたが、本発明はこれに限らず、筐体３０の側板３３を両側から挟む、略「コ」字状の固定ブラケットによって壁等にスピーカアレイ１を設置してもよく、要は、スピーカアレイ１が固定的に設置される構造であればよい。

（８）
前記実施形態では、スピーカアレイ１の傾きを初期姿勢に対する傾きとして検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、方角や水平のように絶対値に対する傾きを検出することで、音響ビームの指向性制御を行うようにしてもよい。この際、傾きセンサには、方角センサや水平センサ等を用いればよい。
このように、絶対値を基準にして傾きを検出することにより、初期姿勢が不正確に設置された場合であっても、この姿勢に対して音響ビームの指向性を補正するため、正確な音場環境を提供することが可能となる。

実施形態によるスピーカアレイを示す斜視図である。 スピーカアレイの縦断面を示す図である。 スピーカアレイに実装された制御系を示す回路ブロック図である。 スピーカアレイの検出対象となる傾きを模式的に示す斜視図である。 パラメータテーブルを模式的に示す図である。 パラメータ設定処理を示す流れ図である。

符号の説明

１…スピーカアレイ、１０，２０…スピーカユニット、３０…筐体、５１…Ｘ軸傾きセンサ、５２…Ｙ軸傾きセンサ、５３…Ｚ軸傾きセンサ、６０…制御回路、６５…信号処理回路。

Claims (4)

1. 筐体と、
   前記筐体に固定された複数のスピーカユニットと、
   前記筐体の傾きを検出する傾き検出手段と、を具備する
   ことを特徴とするスピーカアレイ。
2. 請求項１記載のスピーカアレイにおいて、
   前記傾き検出手段は、それぞれ直交する３軸のうち少なくとも１軸に対する傾きを検出する
   ことを特徴とするスピーカアレイ。
3. 請求項１または２記載のスピーカアレイと、
   音源から与えられるオーディオ信号に少なくとも遅延処理を含む信号処理をパラメータによって施し、前記各スピーカユニットを駆動する複数の遅延オーディオ信号を生成する信号処理手段と、
   前記信号処理手段における前記パラメータを、前記傾き検出手段からの出力に応じて設定するパラメータ設定手段と、を備える
   ことを特徴とするスピーカアレイ装置。
4. 請求項３記載のスピーカアレイ装置において、
   前記傾き検出手段は、スピーカアレイの初期姿勢に対する傾きを検出し、
   前記パラメータ設定手段は、前記スピーカアレイの前記初期姿勢におけるパラメータを初期パラメータとして記憶する初期パラメータ記憶部と、
   前記初期姿勢に対する傾きと補正パラメータとの関係を記憶する補正関係記憶部と、
   前記傾き検出手段によって検出された傾きから前記補正関係記憶部を参照して補正パラメータを算出し、この補正パラメータにより前記初期パラメータを補正したパラメータを前記信号処理手段に出力するパラメータ出力部と、を有する
   ことを特徴とするスピーカアレイ装置。

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