JP2010028591A - Digital acoustic signal processing apparatus - Google Patents
Digital acoustic signal processing apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010028591A JP2010028591A JP2008189227A JP2008189227A JP2010028591A JP 2010028591 A JP2010028591 A JP 2010028591A JP 2008189227 A JP2008189227 A JP 2008189227A JP 2008189227 A JP2008189227 A JP 2008189227A JP 2010028591 A JP2010028591 A JP 2010028591A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- acoustic signal
- dimensional
- frequency
- amplitude
- phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
- Obtaining Desirable Characteristics In Audible-Bandwidth Transducers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、複数のスピーカを配列したアレースピーカによって、特定の方向に高い指向性で音波を放射させることができる音響再生信号を生成するデジタル音響信号処理装置に関する。 The present invention relates to a digital acoustic signal processing apparatus that generates an acoustic reproduction signal that can emit sound waves with high directivity in a specific direction by an array speaker in which a plurality of speakers are arranged.
音を特定方向の狭い範囲に放射させる用途が増加しているが、このような超指向性のビーム形成は、超音波による方法以外にはまだ商用されていない(非特許文献1参照)。しかし、スピーカアレーと2次元デジタルフィルタで構成される通常の指向性アレースピーカ(非特許文献2,3)によって非常に狭い指向特性に設計すれば、超指向性ビームを形成することができる。ここで、低域特性をできるだけ向上させようとすれば、スピーカアレーには大きなサイズが要求されるが、低域をそれほど重視しなくてよければスピーカアレーは小形にすることができる。
Applications for radiating sound in a narrow range in a specific direction are increasing, but such super-directional beam forming has not been commercialized yet other than by an ultrasonic method (see Non-Patent Document 1). However, a super-directional beam can be formed by designing a very narrow directional characteristic with a normal directional array speaker (
同様にスピーカアレーを用いて特定の位置、すなわち焦点に集束音響ビームを形成する方法があり、用いる2次元デジタルフィルタに、音の集束のために、方向により異なる直線位相の2次元位相特性が設定される(非特許文献4,5参照)。この方法では、スピーカアレーから近い距離では、位相特性が効果的に働いて、焦点位置に旨く集束する音響ビームが形成される。
Similarly, there is a method of forming a focused acoustic beam at a specific position, that is, at the focal point using a speaker array, and the two-dimensional digital filter used has a two-dimensional phase characteristic of a linear phase that varies depending on the direction for focusing the sound. (See Non-Patent
焦点位置を遠くに設定する狭角ビーム形成の場合には、低域での位相設定の範囲が狭いために、位相特性の効果が出にくく、焦点位置に旨く集束する音響ビームが形成されない。 In the case of narrow-angle beam formation in which the focal position is set far, the phase setting range in the low band is narrow, so that the effect of phase characteristics is difficult to be produced, and an acoustic beam that converges well at the focal position is not formed.
本発明の目的は、指向性アレースピーカの集束ビームの焦点を遠距離に設定することによって、スピーカアレー近傍から焦点位置の後方にまで狭く細長い高い指向性を有する音響ビームを形成することができるデジタル音響信号処理装置を提供することである。 An object of the present invention is to set a focal point of a focused beam of a directional array speaker at a long distance, thereby forming a narrow and narrow acoustic beam having high directivity from the vicinity of the speaker array to the rear of the focal position. An acoustic signal processing apparatus is provided.
本発明は、音源から入力したデジタル音響信号を、2次元デジタルフィルタによって指向特性を制御し、直線の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーによって再生するデジタル音響信号処理装置であって、
前記2次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置である。
The present invention is a digital audio signal processing apparatus that reproduces a digital audio signal input from a sound source by a speaker array composed of a plurality of speakers arranged along a straight line direction with a directional characteristic controlled by a two-dimensional digital filter. And
The two-dimensional digital filter has a low-frequency amplitude characteristic when a spectrum of an acoustic signal obtained by two-dimensional Fourier transform with respect to time and a speaker position is represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis. Is a digital acoustic signal processing device characterized in that a cross section parallel to the spatial frequency axis is set as a unimodal passband extending from the physical region to the non-physical region.
また本発明は、直線の方向に沿って配列された複数のマイクロフォンから成るマイクロフォンアレーから出力された信号を、2次元デジタルフィルタによって指向特性を制御するデジタル音響信号処理装置であって、
前記2次元デジタルフィルタは、時間およびマイクロフォンの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置である。
Further, the present invention is a digital acoustic signal processing apparatus for controlling directivity characteristics of a signal output from a microphone array composed of a plurality of microphones arranged along a straight line direction by a two-dimensional digital filter,
The two-dimensional digital filter has a low-frequency amplitude characteristic when the spectrum of an acoustic signal two-dimensionally Fourier transformed with respect to time and microphone position is represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis. Is a digital acoustic signal processing device characterized in that a cross section parallel to the spatial frequency axis is set as a unimodal passband extending from the physical region to the non-physical region.
本発明によれば、音源から入力したデジタル音響信号の指向特性を制御する2次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大するので、アレースピーカの集束ビームの焦点を遠距離に設定することによって、スピーカアレー近傍から焦点位置の後方にまで狭く細長い高い指向性を有する音響ビームを形成することができる。 According to the present invention, the two-dimensional digital filter that controls the directivity characteristics of the digital sound signal input from the sound source has the time frequency axis, the spatial frequency axis, and the spectrum of the sound signal that has been two-dimensional Fourier transformed with respect to time and the position of the speaker. Since the amplitude characteristics in the low frequency range are expanded to the non-physical region when expressed on a two-dimensional frequency plane consisting of: An acoustic beam having a narrow and long high directivity can be formed to the rear.
また本発明によれば、マイクロフォンアレーから出力された信号の指向特性を制御する2次元デジタルフィルタは、時間およびマイクロフォンの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大するので、狭く細長い高い指向性を有するビームを得ることができる。 According to the present invention, the two-dimensional digital filter for controlling the directivity of the signal output from the microphone array includes a time frequency axis and a spatial frequency axis for a spectrum of an acoustic signal obtained by two-dimensional Fourier transform with respect to time and a microphone position. When it is expressed on a two-dimensional frequency plane consisting of the above, the amplitude characteristic in the low band is expanded to the non-physical area, so that a narrow and long beam having high directivity can be obtained.
図1は本発明の実施の一形態の2次元デジタルフィルタ4を備えるデジタル音響信号処理装置の全体の構成を示すブロック図である。本実施の形態のデジタル音響信号処理装置は、複数(本実施の形態では7)のスピーカ2a,2b,…,2f,2gから成るスピーカアレー2と、スピーカアレー2の各スピーカ2a〜2gに直列に接続される1次元フィルタ3a,3b,…,3f,3gから成る2次元デジタルフィルタ4とを含む。2次元デジタルフィルタ4は、たとえば2次元FIRフィルタによって実現される。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a digital acoustic signal processing apparatus including a two-dimensional
本実施の形態では、周波数と方向のパラメータを用いるのではなく、時間周波数と空間周波数とによって表わされる2次元周波数平面での2次元デジタルファンフィルタを所望の周波数および指向特性に近似して設計する手順について説明する。焦点位置を遠くに設定する狭角ビーム形成の場合、低域での位相設定の範囲が狭く、その効果が出にくいことから、低域での位相設定範囲を拡大し、振幅の設定が行われるすべての領域に、すなわちスペクトルの分布する領域だけでなく、スペクトルの分布しない非物理領域5にも位相設定することによって、高い指向性が得られる2次元デジタルフィルタを備えるデジタル音響信号処理装置について説明する。
In this embodiment, instead of using parameters of frequency and direction, a two-dimensional digital fan filter on a two-dimensional frequency plane represented by a time frequency and a spatial frequency is designed to approximate a desired frequency and directivity. The procedure will be described. In the case of narrow-angle beam forming where the focal position is set far, the phase setting range in the low range is narrow and the effect is difficult to produce, so the phase setting range in the low range is expanded and the amplitude is set Describes a digital acoustic signal processing apparatus including a two-dimensional digital filter capable of obtaining high directivity by setting phases in all regions, that is, not only in a region in which a spectrum is distributed but also in a
指向性アレースピーカ1は、図1に示すように、スピーカアレー2(スピーカ間隔D,スピーカ個数(N2+1))と2次元デジタルフィルタ4とによって構成され、2次元デジタルフィルタ4の振幅特性と位相特性を設定することによって、図1のように、スピーカアレー2の中心点0から角度φ0、距離r0の点Pに音響ビームの焦点を仮想音源点として形成することができる。以下に2次元デジタルフィルタ4の設計法の概略について述べる。
As shown in FIG. 1, the
図2は、2次元周波数平面における2次元音響信号のスペクトルとファンフィルタ特性との関係を説明するためのグラフであり、横軸は時間周波数f1であり、縦軸は、空間周波数f2である。 FIG. 2 is a graph for explaining the relationship between the spectrum of the two-dimensional acoustic signal and the fan filter characteristic in the two-dimensional frequency plane, the horizontal axis is the time frequency f1, and the vertical axis is the spatial frequency f2.
2次元周波数平面において、非物理領域5とは、φ=90°の直線とφ=−90°の直線とを境界としてf2とf1との比の値の絶対値f2/f1がρより大きい領域であって、音響信号のスペクトルの存在しない領域をいう。また、2次元周波数平面における非物理領域5を除く領域を、物理領域6という。ファンフィルタの低域での振幅特性は、空間周波数f2に平行な断面で、物理領域6から非物理領域5にわたる単峰形の通過域として設定される。
In the two-dimensional frequency plane, the
(振幅特性の設定)
スピーカアレー2から、角度φで放射される音響波のスペクトルは、2次元周波数平面では次式の直線上に分布する。
(Amplitude characteristics setting)
The spectrum of the acoustic wave radiated from the
ただし、f1は時間周波数、f2は空間周波数であり、それぞれ1/T(T:サンプリング間隔)と1/Dで規格化してある。 However, f 1 is the temporal frequency, f 2 is the spatial frequency, respectively 1 / T: is normalized with (T sampling interval) and 1 / D.
ビーム中心をφ=φ0、ビーム肩幅をφ=φP+〜φP−、ビーム半値幅をφ=φC+〜φC−、ビームの広がりをφ=φS+〜φS−とする指向性音響ビームを形成するために、2次元デジタルフィルタ4の目標振幅特性Ad(f1,f2)として、図2に示すようなくさび型過渡域のファンフィルタ特性を設定して用いる。図2中のψは、通過域の中心とf1軸とのなす角、α1,α2とβ1,β2はそれぞれ通過域と過渡域の開き幅を決めるパラメータであり、ψはビーム中心角度φ0との対応により、α1,α2とβ1,β2はそれぞれビームの半値遮断角度φC−,φC+とビーム端角度φS−,φS+との対応により決定される。このとき、空間エリアシングの影響を入れないために次式が用いられる。
Directional sound with φ = φ 0 as beam center, φ = φ P + to φ P− as beam shoulder width, φ = φ C + to φ C− as beam half width, and φ = φ S + to φ S− as beam spread. In order to form a beam, the fan filter characteristic of a wedge-shaped transient region is set and used as the target amplitude characteristic A d (f 1 , f 2 ) of the two-dimensional
なお、|f2|>ρ|f1|の領域は、スペクトルが存在しないので、非物理領域5と呼ばれている。
The region of | f 2 |> ρ | f 1 | is called a
φ0=0°(ψ=0°)を扱う場合は、φC+=−φC−=φC,φS+=−φS−=φS,α1=α2=α、β1=β2=βとおく。また、低域では有限次数による振幅劣化の改善のために、f2軸上で幅2Wの方形特性を設定している。
When handling φ 0 = 0 ° (ψ = 0 °), φ C + = −φ C− = φ C , φ S + = −φ S− = φ S , α 1 = α 2 = α, β 1 = β Let 2 = β. Further, in the low range for improved amplitude deterioration by finite order, and set a square characteristic of the
図1において、原点0を中心とする円の波面(実線)を点Pを中心とする小円の波面(破線)に変形するという設定で、原点からφ方向の両波面間の伝搬遅延差τ(φ)を、波面位置を∞として導出し、これより導いた位相
In FIG. 1, the propagation delay difference τ between both wavefronts in the φ direction from the origin is set by transforming the wavefront (solid line) centered at the
を2次元デジタルフィルタ4の位相特性として設定する。ビーム形成を確実にするために、ビーム端角度φS+=φ0+φe+,φS−=φ0−φe−と置く。ただし、φe+,φe−は図1のスピーカアレー2の長さN2・Dと焦点位置(距離r0,角度φ0)により決まる角度であり、次式で与えられる。
Is set as the phase characteristic of the two-dimensional
なお、式(3)による位相はρsinφS−・f1<f2<ρsinφS+・f1において有効に設定される。 Note that the phase according to the equation (3) is effectively set as ρ sinφ S− · f 1 <f 2 <ρ sinφ S + · f 1 .
2次元デジタルフィルタ4の目標特性Hd(f1,f2)を振幅Ad(f1,f2)と位相θd(f1,f2)を用いて次式のように表す。
The target characteristic H d (f 1 , f 2 ) of the two-dimensional
次数を(N1,N2)とすると、2次元離散フーリエ級数近似によって得られる2次元デジタルフィルタの伝達関数H(z1,z2)は次式となる。 When the order is (N 1 , N 2 ), the transfer function H (z 1 , z 2 ) of the two-dimensional digital filter obtained by the two-dimensional discrete Fourier series approximation is
ただし、M1,M2の値はN1,N2の10倍程度以上で2のべき乗の値に選ぶ。
図3は、φ0=0°の場合の振幅および位相の設定領域を示す図である。図3(a)は、振幅設定域を示す図であり、図3(b)は、位相設定域を示す図である。本研究では、ビーム中心φ0=0°とし、焦点位置r0を遠くに設定してビーム端角度φSの小さい超指向性(狭指向性)ビームの形成方法を検討する。φSが小さいと、図3(b)から分かるように、低域から中域にかけての広い範囲で、式(3)による位相の変化が現れるほどの設定とはならず、そのために、焦点形成への寄与も小さく集束不十分なビーム形成となる。そこで、焦点形成を高めるために、非物理領域5を含む低域での位相特性の設定法についての検討を行う。なお、図3(a)に示したf1=fLは、同一指向特性を与える帯域の下端であり、幅2Wの方形振幅が設定される低域の上端とほぼ一致し、次式で与えられる。
However, the values of M 1 and M 2 are selected to be values of powers of 2 that are about 10 times greater than N 1 and N 2 .
FIG. 3 is a diagram showing a setting region of amplitude and phase when φ 0 = 0 °. FIG. 3A is a diagram illustrating an amplitude setting area, and FIG. 3B is a diagram illustrating a phase setting area. In this study, a method of forming a super-directivity (narrow directivity) beam with a small beam end angle φ S is examined by setting the beam center φ 0 = 0 ° and setting the focal position r 0 far. When phi S is small, as can be seen from FIG. 3 (b), a wide range of over the midrange low-frequency, not the set enough change in phase according to equation (3) appears, for which the focus formation As a result, the beam formation is insufficiently focused. Therefore, in order to enhance the focus formation, a method for setting the phase characteristic in the low frequency region including the
図4は、位相設定域の拡大(1)を示す図である。最初に、図3(b)の位相設定域を超えてそれより広い図3(a)の振幅設定域にまで位相を設定する方法として、2通りを考える。図4(a)は、ρsinφS|f1|<|f2|<Wの領域に、境界φ=φSでの位相と同一の値をf2方向に推移して設定し、図4(b)ではρsinφS|f1|<|f2|<ρ|f1|(|f2|<W)の領域に式(3)による位相を、ρ|f1|<|f2|<Wの領域には境界φ=90°での位相と同一の値をf2方向に推移して設定するものであり、それぞれをw−1−s,w−1−90と呼ぶことにする。 FIG. 4 is a diagram showing enlargement (1) of the phase setting area. First, two methods are considered as a method of setting the phase beyond the phase setting range of FIG. 3B to the amplitude setting range of FIG. 3A wider than that. In FIG. 4A, the same value as the phase at the boundary φ = φ S is set in the region of ρ sin φ S | f 1 | <| f 2 | <W while changing in the f 2 direction. b), the phase according to Equation (3) is applied to the region of ρsinφ S | f 1 | <| f 2 | <ρ | f 1 | (| f 2 | <W), and ρ | f 1 | <| f 2 | < the W region of is for setting remained the same value as the phase at the boundary phi = 90 ° in the f 2 direction, will be referred to respectively w-1-s, and w-1-90.
低域で方形の断面振幅に設定された2次元フィルタ4は2次元離散フーリエ級数近似の結果、低域でのf2方向の断面振幅特性はsinc関数に似た形状となり、主振幅の範囲(メインローブ域)は約2倍の1.89Wに広がる。そこで、低域での位相設定範囲を拡大するために、低域での目標振幅特性として方形振幅特性をf2方向にフーリエ級数近似した結果の振幅特性を用い、位相設定範囲は|f2|<1.89Wとする。
As a result of the two-dimensional discrete Fourier series approximation, the two-
図5は、位相設定域の拡大(2)を示す図である。図5(a)は、w−2−sについてのものであり、図5(b)は、w−2−90についてのものである。 FIG. 5 is a diagram showing expansion (2) of the phase setting area. FIG. 5A is for w-2-s, and FIG. 5B is for w-2-90.
スピーカアレー長N2D=1.26m、スピーカ間隔D=0.07m、フィルタ次数(N1,N2)=(30,18)、焦点距離r0=5.0mとして、上記の4タイプの超指向性ビームの設計を行う。このとき、ビーム端角度φS=7.18°、ビーム半値角度φC=5.71°、サンプリング周波数fS=8635Hzである。しかし、本文でのサンプリング周波数については、図を拡大表示するために、便宜上fS=5550Hzとした。 Speaker array length N 2 D = 1.26 m, speaker spacing D = 0.07 m, filter order (N 1 , N 2 ) = (30, 18), focal length r 0 = 5.0 m Design a super directional beam. At this time, the beam end angle φ S = 7.18 °, the beam half-value angle φ C = 5.71 °, and the sampling frequency f S = 8635 Hz. However, the sampling frequency in the text is set to f S = 5550 Hz for convenience in order to enlarge the figure.
図6〜図9に結果の振幅と位相の周波数特性を示す。図6は、設計結果の周波数特性(w−1−s)を示す図である。図6(a)は、振幅の周波数特性を示し、図6(b)は、位相の周波数特性を示す。図7は、設計結果の周波数特性(w−1−90)を示す図である。図7(a)は、振幅の周波数特性を示し、図7(b)は、位相の周波数特性を示す。図8は、設計結果の周波数特性(w−2−s)を示す図である。図8(a)は、振幅の周波数特性を示し、図8(b)は、位相の周波数特性を示す。図9は、設計結果の周波数特性(w−2−90)を示す図である。図9(a)は、振幅の周波数特性を示し、図9(b)は、位相の周波数特性を示す。これらの振幅特性の図において、φ=φSでの振幅がφ=0°の振幅の−6dBとなる周波数を見ると、いずれも式(9)からのfL=0.247(1370Hz)よりやや小さく、w−2−90の特性が最も小さい値を示している。また、位相特性については、w−2−sとw−2−90とが、より低域から方向φによる位相推移の違いを見せ、位相の設定範囲拡大の効果を示している。さらに、w−1−90とw−2−90は低域での周波数に比例するように振幅の低下を示し、それに対応して位相の落差が生じている。 6 to 9 show the frequency characteristics of the resulting amplitude and phase. FIG. 6 is a diagram showing the frequency characteristics (w-1-s) of the design result. FIG. 6A shows the frequency characteristic of the amplitude, and FIG. 6B shows the frequency characteristic of the phase. FIG. 7 is a diagram showing the frequency characteristics (w-1-90) of the design result. FIG. 7A shows the frequency characteristic of the amplitude, and FIG. 7B shows the frequency characteristic of the phase. FIG. 8 is a diagram illustrating the frequency characteristics (w-2-s) of the design result. FIG. 8A shows the frequency characteristic of the amplitude, and FIG. 8B shows the frequency characteristic of the phase. FIG. 9 is a diagram illustrating the frequency characteristics (w-2-90) of the design result. FIG. 9A shows the frequency characteristic of amplitude, and FIG. 9B shows the frequency characteristic of phase. In view of these amplitude characteristics, phi = the amplitude of at phi S sees frequencies of -6dB amplitude of φ = 0 °, than f L = 0.247 from either equation (9) (1370Hz) It is a little smaller, and the value of w-2-90 has the smallest value. As for the phase characteristics, w-2-s and w-2-90 show the difference in the phase transition depending on the direction φ from the lower range, and show the effect of expanding the phase setting range. Furthermore, w-1-90 and w-2-90 show a decrease in amplitude so as to be proportional to the frequency in the low frequency range, and a phase drop occurs correspondingly.
図10は、2次元デジタルフィルタ4の振幅および位相特性(w−2−90)を示す図である。図10(a)は、振幅特性を示す図であり、図10(b)は、位相特性を示す図である。図11は、w−2−90の指向特性を示す図である。4タイプの設計結果の中で位相設定効果の大きいw−2−90について、2次元デジタルフィルタ4の振幅、位相特性および振幅の指向特性をそれぞれ図10および図11に示す。
FIG. 10 is a diagram illustrating the amplitude and phase characteristics (w-2-90) of the two-dimensional
図4および図5に示す位相設定について、非物理領域5|f2|>ρ|f1|に位相を置かない、すなわち、位相0とした場合も特性を求めて効果を調べたが、いずれも置いた場合に比べてその効果はわずかに低かった。
Regarding the phase setting shown in FIG. 4 and FIG. 5, even when the phase is not placed in the
超指向性ビームについて、空間応答を求めて低域位相拡大設定の効果を比較考察する。図12は、インパルス列応答の空間分布を示す図である。図12(a)は、w−2−sについて求めた図であり、図12(b)は、w−2−90について求めた図である。ただし、各応答は、x→∞で振幅1となるように大きさを補正した上で、振幅0.5以上の部分を表示してある。また、参考のために、スピーカアレー配置(左側)、φ=±φS,±φCの放射ラインおよび焦点を中心とする同心円を重ねて示す。両応答とも焦点位置で集束する様子には見えず、原点から距離とともに成長するくさび形ビームのように形成されているが、w−2−90の方がわずかに焦点位置でのy方向に測った幅が狭い。 For the super-directional beam, the spatial response is obtained and the effect of the low-frequency phase expansion setting is compared. FIG. 12 is a diagram illustrating a spatial distribution of impulse train responses. FIG. 12A is a diagram obtained for w-2-s, and FIG. 12B is a diagram obtained for w-2-90. However, each response is corrected in magnitude so that the amplitude becomes 1 when x → ∞, and a portion having an amplitude of 0.5 or more is displayed. For reference, a speaker array arrangement (left side), φ = ± φ S , ± φ C radiation lines, and concentric circles centered on the focal point are shown superimposed. Both responses do not appear to converge at the focal position and are shaped like a wedge beam that grows with distance from the origin, but w-2-90 is slightly measured in the y direction at the focal position. Narrow width.
図13は、w−2−90に対して求めた正弦波音圧分布を示す図である。図13(a)は、f1=0.1(555Hz)について示す図である。図13(b)は、f1=0.2(1110Hz)について示す図である。図13(c)は、f1=0.3(1665Hz)について示す図である。図13(d)は、f1=0.45(2498Hz)について示す図である。これも振幅0.5以上の部分を表示してある。高い周波数では、図12に示すインパルス列応答の成長に対応する形で狭いビーム、すなわち、超指向性のビームが形成されており、周波数が低くなるにつれてビーム幅は広くなる。
FIG. 13 is a diagram showing a sinusoidal sound pressure distribution obtained for w-2-90. FIG. 13A is a diagram illustrating f 1 = 0.1 (555 Hz). FIG. 13B is a diagram illustrating f 1 = 0.2 (1110 Hz). FIG. 13C is a diagram illustrating f 1 = 0.3 (1665 Hz). Figure 13 (d) is a
図14は、w−2−sに対して求めた正弦波音圧分布を示す図である。図14(a)は、f1=0.1(555Hz)について示す図である。図14(b)は、f1=0.2(1110Hz)について示す図である。w−2−sに対して求めた図14に示す正弦波音圧分布と比べると、中・高周波数ではほとんど差はないが、低い周波数ではw−2−90の方がビーム幅は狭い。 FIG. 14 is a diagram showing a sinusoidal sound pressure distribution obtained for w-2-s. FIG. 14A is a diagram illustrating f 1 = 0.1 (555 Hz). FIG. 14B is a diagram illustrating f 1 = 0.2 (1110 Hz). Compared to the sinusoidal sound pressure distribution shown in FIG. 14 obtained for w-2-s, there is almost no difference at medium and high frequencies, but the beam width of w-2-90 is narrower at low frequencies.
次に、各位相設定の違いによる超指向性ビームの良否を焦点形成の度合いと結びつけて評価する。そこで、インパルス列応答の結果を用いて定量評価を行う。対象とする応答として、図12に示されたインパルス列応答中の第1番目,第3番目および第9番目(距離はそれぞれ2m,5m,14m)に注目して、それぞれについてピーク値(H2,H5,H14)とy軸方向に測った振幅0.5の場所の幅(W2,W5,W14)および焦点の先鋭度H5/W5を求める。実際には、比較のため図3の設定によるもの(これをw−0とする)と位相設定なしの場合(これをphase−0とする)も含めて計6タイプについてピーク値、幅、焦点先鋭度を求めた。 Next, the quality of the super directional beam due to the difference in each phase setting is evaluated in connection with the degree of focus formation. Therefore, quantitative evaluation is performed using the result of the impulse train response. Focusing on the first, third and ninth (distances are 2 m, 5 m and 14 m, respectively) in the impulse train response shown in FIG. H5, H14), the width (W2, W5, W14) of the location of amplitude 0.5 measured in the y-axis direction and the sharpness H5 / W5 of the focal point. Actually, for comparison, the peak value, width, and focus for a total of six types including the case of setting according to FIG. 3 (this is set to w-0) and the case of no phase setting (this is set to phase-0). The sharpness was determined.
表1および表2にそれらを示す。表1および表2から分かるように、ピーク値H5についてはw−2−sとw−2−90とが特に大きく、幅W5についてはw−1−90とw−2−90とが特に小さくなっている。結果の焦点先鋭度H5/W5については、焦点形成をしないよりする方が高く、また、位相設定の範囲も通常の設定より広げてできるだけ振幅設定に合わせて広い範囲で設定する方が高くでき、w−2−90が最大となった。 They are shown in Tables 1 and 2. As can be seen from Tables 1 and 2, w-2-s and w-2-90 are particularly large for the peak value H5, and w-1-90 and w-2-90 are particularly small for the width W5. It has become. The resulting focus sharpness H5 / W5 is higher than not forming the focus, and the phase setting range can be expanded from the normal setting and set in a wide range as much as possible according to the amplitude setting. w-2-90 was the maximum.
図15は、アレー正面方向の超指向性ビームを基に焦点位置変更法を用いてビーム中心をφ0=60°に傾けた超指向性ビームのインパルス列応答の空間分布を示す図である。図15(a)は、w−1−90について示したものであり、図15(b)は、w−2−90について示したものである。正面方向のビームと比べていずれも2倍以上のビーム幅に劣化するが、この中ではw−2−90が最も幅の狭いビームとして形成されている。 FIG. 15 is a diagram showing the spatial distribution of the impulse train response of a super-directional beam whose beam center is tilted to φ 0 = 60 ° using the focal position changing method based on the super-directional beam in the front direction of the array. FIG. 15A shows w-1-90, and FIG. 15B shows w-2-90. Although the beam width deteriorates to twice or more compared to the beam in the front direction, w-2-90 is formed as the narrowest beam among them.
超指向性ビームの広帯域設計を試みる。そのために、前述の2次元ファンフィルタの振幅特性に代えて、阻止領域リプル近似の1次元フィルタを2次元周波数平面の非物理領域5においてのみ大きなリプル振幅となるように設計して空間周波数方向の断面に敷き詰めて合成した振幅特性を用いる。図16は、広帯域超指向性ビーム形成のための断面振幅および位相の設定法を示す図である。集束ビームに形成するために、位相設定域は図5(b)のw−2−90とほぼ同一のものとするが、実際には図16に示すように振幅0のラインAで囲まれたメインローブ域とする。
Attempt wideband design of super directional beam. For this purpose, instead of the amplitude characteristics of the two-dimensional fan filter described above, a one-dimensional filter of the blocking region ripple approximation is designed so as to have a large ripple amplitude only in the
超指向性ビームの設計において示した仕様に、非物理領域振幅を加えて超指向性ビームの設計を行った。図17は、2次元デジタルフィルタ4の振幅特性を示す図である。図18は、超指向性ビームの指向特性を示す図である。図19は、振幅と位相の周波数特性を示す図である。図19(a)は、振幅を示し、図19(b)は、位相を示す。非物理領域5を利用した本実施例では、帯域下端周波数fL=0.214(1188Hz)であり、このことから、図19(a)と図9(a)の振幅特性を比べて分かるように、同一指向性を与える帯域は本設計法の方がより低域に広くなっている。また、図18および図19(a)によって、ほぼ一定のサイドローブ量を与えていることも分かる。さらに、位相特性についても本実施例の方がより低域から方向φによる位相の変化が大きく現れている。
The superdirective beam was designed by adding the non-physical region amplitude to the specifications shown in the design of the superdirective beam. FIG. 17 is a diagram illustrating amplitude characteristics of the two-dimensional
そこで、本実施例についてもインパルス列応答の空間分布を求め、それより算出した焦点先鋭度H5/W5は0.926であった。したがって、広帯域化と位相の広域設定の効果がこの数値に反映されている。 Therefore, the spatial distribution of the impulse train response was also obtained for this example, and the focal sharpness H5 / W5 calculated from the spatial distribution was 0.926. Therefore, the effect of wide band and wide phase setting is reflected in this numerical value.
位相の設定方法として、このほかにφ=90°までの物理領域全域に広げて設定する場合も設計した。結果の振幅特性はサイドローブが幾らか低下したが、メインローブがわずかに広がり、位相特性も中・高周波数で位相の変化が幾らか減少した。その結果、インパルス列応答から求めた焦点先鋭度は0.845と低下したものとなった。 In addition to this, as a method for setting the phase, a case was also designed in which the phase is set over the entire physical region up to φ = 90 °. The resulting amplitude characteristics showed some reduction in side lobes, but the main lobe was slightly widened, and the phase characteristics were somewhat reduced in phase change at medium and high frequencies. As a result, the focal sharpness obtained from the impulse train response was reduced to 0.845.
本実施例では、集束形ビーム形成の方法を用いて、より特性の向上した超指向性ビームを形成する方法を提案した。焦点形成の効果を高めるために低域での位相設定範囲の拡大を検討し、振幅が設定される2次元周波数領域のすべて、すなわち、スペクトルの分布する物理領域6だけでなく非物理領域5にも位相設定するとよい結果を与えることが分かり、広帯域設計への適用例も示した。
In the present embodiment, a method of forming a super-directional beam with improved characteristics using a focused beam forming method was proposed. In order to enhance the focus formation effect, the expansion of the phase setting range in the low frequency range is examined, and not only in the two-dimensional frequency range where the amplitude is set, that is, not only in the
実際にアレースピーカシステムを使って超指向性音響ビームの形成を確認した。提案法による超指向性ビームは、図1からも分かるように、スピーカアレー軸(y軸)に関して回転対称性を有するので、超音波の方法のようなスポット照射ではなく帯状領域への照射となる。また、ビーム方向の電子的可変も容易という特長もある。図20は、超指向性音響ビームの横断歩道への適用例を示す図である。横断歩道の斜め上方に設けたスピーカアレー2によって、横断歩道の幅を持った超指向性ビームが横断歩道の全体に照射される。横断歩道を渡ろうとし、または横断している歩行者には必要な情報のアナウンスが聴こえる。図21は、超指向性音響ビームの危険回避するためのアナウンスへの適用例を示す図である。後進する自動車の後方を横切ろうとする歩行者に注意を促すために超指向性ビームが照射される。
We actually confirmed the formation of superdirective acoustic beams using an array speaker system. As can be seen from FIG. 1, the super-directional beam by the proposed method is rotationally symmetric with respect to the speaker array axis (y-axis). . In addition, there is a feature that the electronic change of the beam direction is easy. FIG. 20 is a diagram illustrating an application example of a superdirective acoustic beam to a pedestrian crossing. A super-directional beam having the width of the pedestrian crossing is irradiated to the entire pedestrian crossing by the
図22は指向性アレーマイクロフォン8において2次元デジタルフィルタ4の構成を示すブロック図である。本実施の形態において、指向性アレースピーカ1について説明してきたが、他の実施の形態である指向性アレーマイクロフォン8について説明する。指向性アレーマイクロフォン8を構成するマイクロフォンアレー7からの出力は、2次元デジタルフィルタ4に入力される。2次元デジタルフィルタ4は、時間およびマイクロフォンの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域5に拡大するので、狭く細長い高い指向性を有するビームを得ることができる。2次元デジタルフィルタ4から出力された信号は、スピーカから出力することができ、あるいは音声記録媒体に記録させることができる。
FIG. 22 is a block diagram showing the configuration of the two-dimensional
1 指向性アレースピーカ
2 スピーカアレー
3 1次元デジタルフィルタ
4 2次元デジタルフィルタ
5 非物理領域
6 物理領域
7 マイクロフォンアレー
8 指向性アレーマイクロフォン
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記2次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置。 A digital acoustic signal processing device for controlling a directivity characteristic by a two-dimensional digital filter and reproducing a digital acoustic signal input from a sound source by a speaker array including a plurality of speakers arranged along a linear direction,
The two-dimensional digital filter has a low-frequency amplitude characteristic when a spectrum of an acoustic signal obtained by two-dimensional Fourier transform with respect to time and a speaker position is represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis. A digital acoustic signal processing device characterized in that a cross section parallel to the spatial frequency axis is set as a single-peak passband extending from the physical region to the non-physical region.
前記2次元デジタルフィルタは、時間およびマイクロフォンの位置について2次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る2次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置。 A digital acoustic signal processing apparatus for controlling directivity characteristics of a signal output from a microphone array composed of a plurality of microphones arranged along a straight line direction by a two-dimensional digital filter,
The two-dimensional digital filter has a low-frequency amplitude characteristic when the spectrum of an acoustic signal two-dimensionally Fourier transformed with respect to time and microphone position is represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis. A digital acoustic signal processing device characterized in that a cross section parallel to the spatial frequency axis is set as a single-peak passband extending from the physical region to the non-physical region.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008189227A JP5030174B2 (en) | 2008-07-22 | 2008-07-22 | Digital acoustic signal processing device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008189227A JP5030174B2 (en) | 2008-07-22 | 2008-07-22 | Digital acoustic signal processing device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010028591A true JP2010028591A (en) | 2010-02-04 |
JP5030174B2 JP5030174B2 (en) | 2012-09-19 |
Family
ID=41733971
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008189227A Expired - Fee Related JP5030174B2 (en) | 2008-07-22 | 2008-07-22 | Digital acoustic signal processing device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5030174B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012054670A (en) * | 2010-08-31 | 2012-03-15 | Kanazawa Univ | Speaker array system |
US9313600B2 (en) | 2010-09-02 | 2016-04-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus of adjusting distribution of spatial sound energy |
JP2016177782A (en) * | 2015-03-19 | 2016-10-06 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Wearable device and translation system |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007135199A (en) * | 2005-10-12 | 2007-05-31 | Kanazawa Univ | Speaker array and microphone array |
-
2008
- 2008-07-22 JP JP2008189227A patent/JP5030174B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007135199A (en) * | 2005-10-12 | 2007-05-31 | Kanazawa Univ | Speaker array and microphone array |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012054670A (en) * | 2010-08-31 | 2012-03-15 | Kanazawa Univ | Speaker array system |
US9313600B2 (en) | 2010-09-02 | 2016-04-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus of adjusting distribution of spatial sound energy |
JP2016177782A (en) * | 2015-03-19 | 2016-10-06 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Wearable device and translation system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5030174B2 (en) | 2012-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11381906B2 (en) | Conference system with a microphone array system and a method of speech acquisition in a conference system | |
KR101782050B1 (en) | Apparatus and method for enhancing audio quality using non-uniform configuration of microphones | |
KR100930835B1 (en) | Sound playback device | |
Kreuzer et al. | Fast multipole boundary element method to calculate head-related transfer functions for a wide frequency range | |
Poletti et al. | An approach to generating two zones of silence with application to personal sound systems | |
US20140006017A1 (en) | Systems, methods, apparatus, and computer-readable media for generating obfuscated speech signal | |
KR20120006710A (en) | Method and apparatus for simultaneous controlling near and far sound field | |
US10405089B2 (en) | Audio signal processing apparatus and a sound emission apparatus | |
JPS6081999A (en) | Horn loudspeaker | |
Yang et al. | Acoustic beamforming of a parametric speaker comprising ultrasonic transducers | |
JP2008048294A (en) | Directional array microphone and directional array speaker | |
Padois et al. | On the use of modified phase transform weighting functions for acoustic imaging with the generalized cross correlation | |
JP5030174B2 (en) | Digital acoustic signal processing device | |
US20160205474A1 (en) | Method for operating an arrangement of sound transducers according to the wave field synthesis principle | |
Chang et al. | Scattering effect on the sound focused personal audio system | |
US9313600B2 (en) | Method and apparatus of adjusting distribution of spatial sound energy | |
Kaizuka | Controlling a distance from linear loudspeaker arrays to a listening point by using tangent line method | |
Choi et al. | Sound field reproduction of a virtual source inside a loudspeaker array with minimal external radiation | |
Wang et al. | Spherical harmonic representation of the observed directional wave front in the time domain | |
JP2011151559A (en) | High sound pressure area forming method | |
JP5938457B2 (en) | Sound equipment | |
JP2005236636A (en) | Sound output element array | |
JP5540374B2 (en) | Digital acoustic signal processing device | |
JP2012054670A (en) | Speaker array system | |
KR101207274B1 (en) | sound reproducing apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110414 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120530 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120612 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120621 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150706 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |