JP2010041600A

JP2010041600A - 音制御装置

Info

Publication number: JP2010041600A
Application number: JP2008204592A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Maeda; 俊治前田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-02-18

Abstract

【課題】突発的なノイズを除去でき、音質の劣化を抑止でき、また、複雑な処理を要することなく特定の対象に対して音を追従させることが可能な音制御装置を提供する。
【解決手段】壁材１１と、壁材１１の第１側に配置され、供給される超音波を出力する第１のスピーカ１２と、第１のスピーカ１２およびフィルタ１５に超音波信号を供給する超音波発信器１４と、フィルタ１５を通過した超音波信号を音楽信号で変調する変調部１７と、変調部１７で変調された超音波信号が供給され、この超音波信号を出力する第２のスピーカ１３と、を含む。そして、フィルタ１５は、第１のスピーカ１５から発せされた超音波が壁材１１を通過する際の変化と同じ変化を与える機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズをキャンセルしたり音の指向性を利用して音を制御する音制御装置に関するものである。

外来ノイズをマイクロフォンで受信し、反転信号を作成して、音楽信号などの音声信号に加えることで実現されるノイズキャンセラヘッドフォンが商品化されている（BOSE社のQuiet Comfort 3など）。

また、離れた場所から必要な音のみを届けたい場合、超音波スピーカを複数用意し干渉を利用することで鋭い指向性を持たせるものが、一般的に使われてきた。

また、車載機器で夜間の歩行者の有無や後続車の接近をダッシュボードのディスプレイに表示し警告するものが商品化されている。

これらの技術に関しては、特許文献１〜５等に開示されている。
特開２００６−９６０７０号公報特開平０８−２３３９号公報特開２００４−４６１５０号公報特開２００６−９３７９２号公報特開２００４−１４７３１１号公報

ところが、上記した技術では以下のような不利益がある。

すなわち、ノイズキャンセラヘッドフォンでは、構造上マイクと耳が近いため複雑な信号処理をする時間がとれず、ノイズに応じて信号処理を変えるなどの複雑なことはできなかった。
そのため、一定レベルで持続する騒音については効果があるが、人の話し声などのような突発的に発生するものについては対処が間に合わず充分な効果が得られなかった。

また、上記した超音波スピーカを複数用意し干渉を利用することで鋭い指向性を持たせる技術では、超音波の周波数特性の非線形性などが原因で、周波数レンジが広く取れず独特の再生音になってしまい音楽の再生には向かないという不利益があった。

上記の超音波による超指向性を利用したシステムでは、複数の人間が動き回るような状況において特定の人物にだけ特定の情報を送るためには、人物の把握とそこへ向けての正確な放射などたいへんな処理能力が要求され現在の技術では商品化は現実的ではない。

また、上記車載機器で夜間の歩行者の有無や後続車の接近をダッシュボードのディスプレイに表示し警告する技術では、目線の移動を伴うためかえって危険になる場合がある。音のみで表現すれば目線の移動がなくなるが、目視に比べて表現できることが非常に少なく、ディスプレイの補助用に使われている程度である。たとえば、歩行者を発見すると警告音を鳴らして注意を喚起するなどの技術である。

本発明は、突発的なノイズを除去でき、音質の劣化を抑止でき、また、複雑な処理を要することなく特定の対象に対して音を追従させることが可能な音制御装置を提供することにある。

本発明の第１の観点の音制御装置は、第１側と第２側をしきる壁材と、フィルタと、上記壁材の第１側に配置され、供給される超音波を出力する第１のスピーカと、上記第１のスピーカおよび上記フィルタに超音波信号を供給する超音波発信器と、上記フィルタを通過した超音波信号を音楽信号で変調する変調部と、上記変調部で変調された超音波信号が供給され、当該超音波信号を出力する第２のスピーカと、を含み、上記フィルタは、上記第１のスピーカから発せられた超音波が上記壁材を通過する際の変化と同じ変化を与える機能を有する。

好適には、上記フィルタは、上記第１のスピーカから発せられた超音波が上記壁材を通過する際の周波数特性の変化をシミュレートする。

本発明の第２の観点の音制御装置は、第１側と第２側をしきる壁材と、上記壁材の第１側に配置され、当該第１側の環境音を出力するマイクロフォンと、上記環境音が上記壁材を通過する際の周波数特性の変化を逆補正するフィルタと、状況に応じて上記第２側で発生するノイズ情報があらかじめ格納されている記憶部と、上記第２側の状況を把握するための情報を得るための情報取得部と、上記情報取得部の取得情報を受けて、上記記憶部の格納情報を用いて上記第２側で発生が予想されるノイズを打ち消すキャンセル信号を生成する制御部と、上記フィルタから出力される上記第１側の環境音と上記制御部によるキャンセル信号とを加算する加算部と、上記壁材の第２側に配置され、上記加算部で加算して得られた信号を出力するスピーカとを有する。

好適には、上記壁材は車両の壁材であり、上記第１側は車両外であり、上記第２側は車両の室内である。

本発明の第３の観点の音制御装置は、所定の位置関係をもって配置された複数の音制御ユニットを有し、上記各音制御ユニットは、第１側と第２側をしきる壁材と、コイルとマグネットを含み、上記壁材の上記第１側および第２側にそれぞれ配置された第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサと、位相器と、を含み、上記第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサのいずれか一方がマイクロフォンとして機能し、他方がスピーカとして機能し、上記位相器は、上記マイクロフォンとしてのトランスデューサにより電気信号に変換された音の位相を調整して上記スピーカとしてのトランスデューサに出力する。

好適には、上記各音制御ユニットの位相器は、位相調整量が可変である。

本発明の第４の観点の音制御装置は、音波を送信する送信機と、上記送信機から送信された音波を受信する受信機と、を有し、上記送信機は、音源と、乱数を発生する第１の乱数発生器と、上記音源による音を上記乱数発生器による乱数で変調する変調部と、上記変調部で変調された音波を出力する第１のスピーカと、を含み、上記受信機は、上記送信機のスピーカから発せられた音波に上記送信機の第１の乱数発生器と同じ乱数を空間的または時間的に混合する混合部と、上記混合部により混合された音を出力する第２のスピーカと、を含む。

好適には、上記第１の乱数発生器と上記第２の乱数発生器との同期をとる同期装置を有する。

本発明の第５の観点の音制御装置は、ヘッドフォンと、上記ヘッドフォンが装着された頭部の向きを検出するためのマーカーと、上記マーカーを撮像する撮像装置と、上記撮像装置で撮像したマーカーから頭部の向きを検出し、向いた方向に音が追従するように位相制御を行う位相制御装置と、上記撮像装置で撮像したマーカーから頭部の向きを検出し、向いた方向に音を追従させて上記ヘッドフォンに音波を出力する複数の音制御ユニットを含む少なくとも一つの音出力部と、を有し、上記音出力部の上記各音制御ユニットは、第１側と第２側をしきる壁材と、コイルとマグネットを含み、上記壁材の上記第１側および第２側にそれぞれ配置された第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサと、位相器と、上記第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサのいずれか一方がマイクロフォンまたは電気信号を入力する装置として機能し、他方がスピーカとして機能し、上記位相器は、上記マイクロフォンとしてのトランスデューサにより電気信号に変換された音の位相を調整して上記スピーカとしてのトランスデューサに出力し、上記位相制御装置は、上記撮像装置で撮像したマーカーから頭部の向きを検出し、当該検出結果に応じて上記位相器の位相調整量を制御する。

本発明によれば、たとえば第１側であるノイズ側の第１のスピーカより超音波を出力することでノイズに変調をかけ超音波領域にシフトさせる。
また、第２側である室内側にはあらかじめこの超音波で変調した音楽を流す。すると、第１側の第１のスピーカで発生させた超音波により第２側の音は可聴領域に復調される。

本発明によれば、突発的なノイズを除去でき、音質の劣化を抑止でき、また、複雑な処理を要することなく特定の対象に対して音を追従させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。

第１の実施形態に係る音制御装置１０は、図１に示すように、壁材１１、第１のスピーカ１２、第２のスピーカ１３、超音波発信器１４、フィルタ１５、音楽信号発生部１６、および変調部１７を有する。

壁材１１は、ノイズ源のある第１側（図中の左側、たとえば外部側）ＳＤ１１と第２側(図中の右側、たとえば室内側)ＳＤ１２とを仕切るように配置されている。
そして、壁材１１の第１側ＳＤ１１に第１のスピーカ１２が配置され、第２側ＳＤ１２に第２のスピーカ１３が配置されている。

第１のスピーカ１２および第２のスピーカ１３は、コイルＣＬとマグネットＭＧを含むトランスデューサにより形成される。
第１のスピーカ１２は、超音波発信器１４により超音波信号が供給され、その超音波を出力する。
第２のスピーカ１３は、変調部１７で変調された超音波信号が供給され、この超音波信号を出力する(発音する)。

超音波発信器１４は、音声信号より高周波数の超音波信号を発信し、第１のスピーカ１２およびフィルタ１５に供給する。

フィルタ１５は、第１のスピーカ１２から発せられた超音波が壁材１１を通過する際の変化と同じ変化を与える機能を有する。
具体的には、フィルタ１５は、第１のスピーカ１２から発せられた超音波が壁材１１を通過する際の周波数特性の変化をシミュレートし、その結果を変調部１７に出力する。

変調部１７は、フィルタ１５で通過し、上記処理を受けた超音波信号を、音楽信号発生部１６による音楽信号で変調し、変調した超音波信号を第２のスピーカ１３に供給する。
変調部１７は、たとえば乗算器により形成される。

本第１の実施形態においては、壁材１１にコイルとマグネットにより形成される第１および第２のスピーカ１２，１３を直接とりつける構成を例に示している。

本第１の実施形態の音制御装置１０においては、壁材１１の外部側（ノイズ源のある側）である第１側ＳＤ１１と室内側である第２側ＳＤ１２に第１のスピーカ１２および第２のスピーカ１３をそれぞれとりつける。
超音波発信器１４の超音波信号の出力を２分し、一方を外部側の第１のスピーカ１２に入力させる。もう一方の超音波信号は壁材を通過する際の周波数特性の変化をシミュレートするためのフィルタ１５を通った後、変調部１７において室内で試聴する音楽信号で変調され室内側の第２のスピーカ１３より出力する。
これにより、音制御装置１０は、室外のノイズを人間に聞こえない超音波領域へ追い出すことで実現される、いわゆる遮音壁として機能する。

本第１の実施形態の音制御装置１０は、小型化することで、図２に示すように、ノイズキャンセラヘッドフォン２０に応用することもできる。

既存のノイズキャンセラでは、マイクロフォンとフィルタと反転器と音楽信号との加算器とスピーカによって構成される。
これに対して、遮音壁として機能する本第１の実施形態の音制御装置１０は、マイクロフォンは使用しない。壁材１１の両側の装置はどちらもスピーカとして機能する。
ノイズ側（壁の左側）の第１のスピーカ１２より超音波を出力することでノイズに変調をかけ超音波領域にシフトさせる。
また、室内側（壁の右側）にはあらかじめこの超音波で変調した音楽を流す。すると、第１側ＳＤ１１のスピーカで発生させた超音波により第２側ＳＤ１２の音は可聴領域に復調される。
これは、図３に示すように、周波数軸上では、超音波領域の音楽と可聴領域のノイズを交換する形となる。

周波数軸上では、超音波領域の音楽と可聴領域のノイズを交換することができる原理について、図４および図５に関連付けて説明する。

三角関数の積和公式に従って、互いに異なる周波数ｆ１、ｆ２のサイン波同士を掛け算すると、図４に示すように、周波数を足したもの（ｆ１＋ｆ２）と引いたもの（ｆ１−ｆ２）が発生する。

したがって、周波数が２０〜２０ｋＨｚの可聴域の音は、たとえば周波数が１００ｋＨｚの超音波と混合することで、図５に示すように、聞こえない領域にシフトする。
この例では、可聴域の音は、超音波と混合することで、８０ｋＨｚ〜９９．９８ｋＨｚ、１００．０２ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚの聞こえない非可聴域にシフトする。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、音制御装置１０は、壁材１１と、壁材１１の第１側に配置され、供給される超音波を出力する第１のスピーカ１２と、第１のスピーカ１２およびフィルタ１５に超音波信号を供給する超音波発信器１４と、含む。
さらに、音制御装置１０は、フィルタ１５を通過した超音波信号を音楽信号で変調する変調部１７と、変調部１７で変調された超音波信号が供給され、この超音波信号を出力する第２のスピーカ１３と、を含む。
そして、フィルタ１５は、第１のスピーカ１５から発せされた超音波が壁材１１を通過する際の変化と同じ変化を与える機能を有する。

したがって、本第１の実施形態によれば、マイクロフォンは不要で、人の話し声などの突発的なノイズも除去することができる。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。

第２の実施形態に係る音制御装置３０は、図６に示すように、壁材３１、マイクロフォン３２、スピーカ３３、フィルタ３４、アンプ３５、記憶部としてのメモリ３６、情報取得部３７、制御装置３８、および加算部３９を有する。

壁材３１は、第１側（図中の左側、たとえば外部側）ＳＤ３１と第２側(図中の右側、たとえば室内側)ＳＤ３２とを仕切るように配置されている。
そして、壁材３１の第１側ＳＤ３１にマイクロフォン３２が配置され、第２側ＳＤ３２にスピーカ３３が配置されている。
たとえば、本音制御装置３０を図７に示すような自動車などの車両４０に適用する場合、壁材３１が車両４０のボディ材４１であり、第１側ＳＤ３１は車両４０の外部であり、第２側ＳＤ３２は車両４０の室内である。

マイクロフォン３２および第２のスピーカ３３は、コイルＣＬとマグネットＭＧを含むトランスデューサにより形成される。
マイクロフォン３２は、第１側ＳＤ３１の外部環境音を収音し、出力する。
スピーカ３３は、加算部３９で加算して得られた信号を出力する(発音する)。

フィルタ３４は、環境音が壁材３１を通過する際の周波数特性の変化を逆補正し、その逆補正した音信号をアンプ３５に出力する。

アンプ３５は、フィルタ３４の出力信号を適当な振幅に増幅する。

メモリ３６には、各種状況に応じて第２側ＳＤ３２である室内側、たとえば車両の室内
で発生するノイズをあらかじめ測定し、その測定結果が記憶されている。
メモリ３６に格納される情報には、たとえば車両４０のエンジン音情報等が含まれる。

情報取得部３７は、第２側ＳＤ３２の状況を把握するためのセンサ情報を得る。
センサ情報は、アクセル開度、車速、ギヤ段数、エンジン回転数等が車内のノイズの要因となることを前提として取得される。
すなわち、本第２の実施形態においては、第２側ＳＤ３２が車両４０の室内である場合であって、車内といった特定の環境下ではエンジンなどで発生するノイズが車速、エンジン回転数、ギヤ段数、アクセル開度などによって予測できることを利用する。

制御装置３８は、センサ情報を受けて、メモリ３６の格納情報を用いて第２側ＳＤ３２で発生が予想されるノイズを打ち消すキャンセル信号Ｓ３９を生成し、キャンセル信号Ｓ３８を加算部３９に出力する。

加算部３９は、フィルタ３４から出力されアンプ３５で増幅作用を受けた第１側ＳＤ３１の環境音と制御装置３８によるキャンセル信号Ｓ３８とを加算し、加算した信号Ｓ３９をスピーカ３３に出力する。

本音制御装置３０においては、壁材３１の第１側ＳＤ３１である外部側にマイクロフォン３２をとりつけ外部環境音を電気信号に変換した後、外部環境音が壁材を通過する際の周波数特性の変化を逆補正するフィルタ３４を通しアンプ３５で適当な振幅に増幅する。一方、各種状況に応じて室内側で発生するノイズをあらかじめ測定しその結果を記憶するメモリ３６を用意し、状況を把握するためのセンサからのセンサ情報を制御装置３８に送る。
制御装置３８は、第２側ＳＤ３２である室内で発生が予想されるノイズをメモリ３６の内容から読み出しあるいは合成し、それを打ち消すような反転信号であるキャンセル信号Ｓ３８を生成する。
そして、前記の外部環境音と、室内ノイズのキャンセル信号を加算部３９で加算し室内側のスピーカ３３から出力する。
これにより、音制御装置３０は、いわゆる音の透明壁として機能する。

本第２の実施形態の音制御装置３０は、自動車などの車内での適応例として説明すると、他車の走行音、自然環境音などの車外の音を取得するのが目的で、ノイズは車内に存在する。車内のノイズとしては、エンジン音、風切り音などをあげることができる。
既存のノイズキャンセラがマイクでノイズを拾うことを特徴にするのに対し、本音制御装置３０ではノイズキャンセラ動作自体にはマイクロフォンは使用しない。
本第２の実施形態においては、車内といった特定の環境下ではエンジンなどで発生するノイズが車速、エンジン回転数、ギヤ段数、アクセル開度などによって予測できることを利用する。

このようなエンジンノイズを決める要素をセンサから取り込み、半導体メモリなどの記憶部にあらかじめ録音された情報から、そのときに予想されるエンジンノイズを合成すれば、かなり正確に再現することができる。
このようにして得た車内ノイズからそれを打ち消すような信号を車内に出力すれば車内が静粛化される。
さらにこの車内ノイズ打消し信号に外部マイクで得た車外の音を加えれば、車体が音的に透明になってあたかも存在しないように外部の音が聞こえるようになる。
これにより、後続車の接近を音で感じ取ることで安全性を向上させたり、森林のドライブで小川のせせらぎを聞き取ることが可能になるなどの臨場感の向上が期待できる。

なお、本クレームでは、あらかじめ用意された情報をベースにノイズキャンセラ動作を行うため、複雑な信号処理は必要なく処理時間が問題になることは少ない。

本第２の実施形態によれば、音制御装置３０は、壁材３１の第１側ＳＤ３１に配置され、第１側ＳＤ３１の環境音を出力するマイクロフォン３２と、環境音が壁材３１を通過する際の周波数特性の変化を逆補正するフィルタ３４と、を有する。
音制御装置３０は、さらに、状況に応じて第２側ＳＤ３２で発生するノイズ情報があらかじめ格納されている記憶部としてのメモリ３６と、第２側の状況を把握するための情報を得るための情報取得部３７と、を含む。
さらに、音制御装置３０は、情報取得部３７の取得情報を受けて、メモリ３６の格納情報を用いて第２側で発生が予想されるノイズを打ち消すキャンセル信号Ｓ３８を生成する制御装置３８を有する。
そして、音制御装置３０は、フィルタ３４から出力される第１側の環境音と制御装置３８によるキャンセル信号とを加算する加算部３９と、壁材３１の第２側に配置され、加算部３９で加算して得られた信号を出力するスピーカ３３と、を有する。

したがって、本第２の実施形態によれば、車内が静粛になるだけでなく外部音が聞こえることで安全性やエンターテイメント性が向上する。車内ノイズ情報のメモリ容量を増やすことで、複雑な信号処理はより少なくてすむ。

＜第３実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。

第３の実施形態に係る音制御装置５０は、図８に示すように、所定の位置関係をもって配置された複数ｎの音制御ユニット５０−１，・・５０−ｎを有する。図８の例ではｎ＝２である。
図８の例において、音制御ユニット５０−１，５０−２が図中の縦方向に所定間隔をあけて一直線上になるような所定の位置関係をもって配置されている。より具体的には、音制御ユニット５０−１，５０−２は、構成要素として含む壁材が一直線上になるように所定の位置関係をもって配置されている。

音制御ユニット５０−１，５０−２は、図８に示すように、壁材５１、第１のトランスデューサ５２、第２のトランスデューサ５３、および位相器５４を有する。

壁材５１は、第１側（図中の左側、たとえば外側）ＳＤ５１と第２側(図中の右側、たとえば内側)ＳＤ５２とを仕切るように配置されている。
そして、壁材５１の第１側ＳＤ３５に第１のトランスデューサ５２が配置され、第２側ＳＤ５２に第２のトランスデューサ５３が配置されている。

第１のトランスデューサ５２および第２のトランスデューサ５３は、コイルＣＬとマグネットＭＧを含む。第１のトランスデューサ５２および第２のトランスデューサ５３のいずれか一方がマイクロフォンとして機能し、他方がスピーカとして機能する。
本実施形態においては、たとえば第１のトランスデューサ５２がマイクロフォンとして機能し、第２のトランスデューサ５３がスピーカとして機能する。

位相器５４は、マイクロフォンとして機能する第１のトランスデューサ５２とスピーカとしての機能する第２のトランスデューサ５３との間に接続されている。
位相器５４は、マイクロフォンとしての第１のトランスデューサ５２により電気信号に変換された音の位相を調整してスピーカとしての第２のトランスデューサ５３に出力する。
位相器５４は、位相調整量が可変である。
この位相器５４は、たとえばアンプにより構成される。

本第３の実施形態に係る音制御装置５０は、壁材５１の第１側（外部側）ＳＤ５１と第２側（内部側）ＳＤ５２にコイルＣＬとマグネットＭＧからなるトランスデューサ５２，５３を配置し、一方をマイクロフォンとし、他方をスピーカとして機能させる。
そして、マイクロフォンによって電気信号に変換された音の位相を調整する位相器５４を経てスピーカに入力する。
図９に示すように、このような構成の音制御ユニット５０−１，５０−２、・・、５０−ｎを複数用意することで、いわゆる音のレンズが実現される。
音制御装置５０においては、音の方向を変化させることもでき、位相器５４を付け換えることで、音の角度だけでなく入出力方向を変えることも可能である。

より具体的には、音制御装置５０において、マイクロフォンとスピーカの役割とそれらをつなぐアンプを瞬時に変えることで音の方向を入れ替えることができる。
また、このセットを複数用いることで、音の方向を曲げたり、レンズのように収束させることができる。これらはマイクロフォンとスピーカの間に設けたアンプで位相（遅延）を調整することで行われる。
たとえば、光学レンズではその材質（ガラスなど）によって光が屈折することを利用して集光させているが、これはガラス中で光速が低下することによる位相合成と同じことになる。

図１０（Ａ），（Ｂ）は、第３の実施形態に係る音制御装置による音の方向を制御する例を示す図である。

図１０（Ａ）に示すように、音制御ユニット５０−１，５０−２の位相器５４の位相調整量を同じにして同位相とすることで音を直進させることができる。
図１０（Ｂ）に示すように、音制御ユニット５０−１，５０−２の位相器５４の位相調整量を異ならせて異位相とすることで音の方向を所定角度曲げることができる。

本第３の実施形態によれば、音制御装置５０は、所定の位置関係をもって配置された複数の音制御ユニット５０−１〜５０−ｎを有する。
各音制御ユニット５０−１〜５０−ｎは、コイルとマグネットを含み、壁材５１の第１側ＳＤ５１および第２側ＳＤ５２にそれぞれ配置された第１のトランスデューサ５２および第２のトランスデューサ５３と、位相器５４と、を含む。
そして、第１のトランスデューサ５２および第２のトランスデューサ５３のいずれか一方がマイクロフォンとして機能し、他方がスピーカとして機能する。位相器５４は、マイクロフォンとしてのトランスデューサにより電気信号に変換された音の位相を調整してスピーカとしてのトランスデューサに出力する。

したがって、本第３の実施形態によれば、超音波の指向性を利用したものに比べ音質の劣化が少なくてすむ。電気的制御なので音の方向を一瞬にして変更できる。

＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。
図１２は、図１１の受信機の構成例を示す図である。

第４の実施形態に係る音制御装置６０は、図１１に示すように、音波を送信する送信機６１と、送信機から送信された音波を受信する受信機６２と、を有する。
受信機６２は、たとえばヘッドフォンにより形成される。

送信機６１は、図１１に示すように、音源６１１、第１の乱数発生器６１２、変調部６１３、および第１のスピーカ６１４を含む。
第１の乱数発生器６１２は乱数１を発生し、変調部６１３に出力する。
変調部６１３は、音源６１１による音を乱数発生器６１２による乱数１で変調し、変調した音波を第１のスピーカ６１４に出力する。
第１のスピーカ６１４は、変調部６１３で変調された音波を出力する。
変調部６１３は、たとえば乗算器により形成される。

受信機６２は、マイクロフォン（ＭＩＣ）６２１、アンプ６２２、第２の乱数発生器６２３、混合器６２４、アンプ６２５、第２のスピーカ６２６、およびスケルチ回路６２７を含む。
マイクロフォン６２１は、送信機６１のスピーカ６１４から発せられた音波を収音し、アンプ６２２に出力する。
アンプ６２２は、マイクロフォン６２１の出力を所定の振幅に増幅し混合器６２４に出力する。
第２の乱数発生器６２３は、同期信号ＳＹＮＣに同期して送信機６１の第１の乱数発生器６１２と同じ乱数１を発生可能であり、発生した乱数を混合器６２４に出力する。
混合器６２４は、アンプ６２２を介したマイクロフォン６２１で収音した音波に第２の乱数発生器６２３による乱数を混合し、アンプ６２５に出力する。
アンプ６２５は、混合器６２４の出力を所定の振幅に増幅し第２のスピーカ６２６に出力する。
第２のスピーカ６２６は、アンプ６２５を介した混合器６２４により混合された音を出力する。

なお、たとえば受信機６２がヘッドフォンで形成される場合、第２のスピーカ６２３が両耳用に１対、すなわち２個設けられる。この場合、マイクロフォン６２１、第２の乱数発生器６２３等は共用することが可能である。

なお、後述するように、音制御装置６０は、送信機６１側の第１の乱数発生器６１２と受信機６２側の第２の乱数発生器６２３との同期をとる同期装置を有する。

このように、第４の実施形態に係る音制御装置６０は、音源をある特定の乱数で変調しスピーカより出力する送信機６１と、それぞれ別個の乱数発生器６１２，６２３と、送信機６１の第１の乱数発生器６１２と同期をとる同期装置を含んで構成される。
送信機６１より送られた音波をマイクロフォン６２１で受け、第２の乱数発生器６２３による乱数との乗算を行う混合器６２４、あるいは乱数を発生させ空間上で混合を行うスピーカを持つヘッドフォンからなるワイヤレスヘッドホンシステムが実現される。

この音制御装置６０においては、受信機６２で乱数系列が送信機６１と同じヘッドフォンのみ元の音源の音が正しく再生される。

ここで、上述したようなワイヤレスヘッドフォンについて説明する。

前述した実施形態のように、壁材とスピーカのセットを壁で分離すればワイヤレスヘッドフォンになる。
本実施形態では、超音波をキャリアとして使うものではない。すなわち、本実施形態においては、単純な超音波ではなく乱数を使う。
音声信号より高い周波数（=超音波領域）の乱数で音声信号を変調することでそのままでは聞こえない状態で空気中に放出し、受け側のヘッドフォンでは送り側と同じ乱数を発生させたスピーカを用意して復調を行う。
こうすると同じ乱数系列をもつヘッドフォンのみが音声信号を再生することになる。

図１３（Ａ），（Ｂ）は、受信機で送信機と同じ乱数を用いる場合と異なる乱数を用いる場合の再生状態を説明するための図である。
また、図１４は、受信機で送信機と同じ乱数を用いる場合と異なる乱数を用いる場合の再生状態を説明するための波形図である。

図１３（Ａ）に示すように、受信機６２側で送信機６１側と同じ乱数１を用いて復調すると、受信機６２で乱数系列が送信機６１と同じヘッドフォンのみ元の音源の音が正しく再生される。
これに対して、図１３（Ｂ）に示すように、受信機６２側で送信機６１側と異なる乱数２を用いて復調すると、ノイズのみ聞こえるようになる。
このノイズがヘッドフォン装着時に不快感を与える場合は、図１２に示すように、一定レベル以下の信号をノイズとみなしてスピーカ音量を下げるスケルチ回路を挿入してもよい。

さらに詳細に説明すると次のようになる。
図１４（ａ）に示すような原音に、図１４（ｂ）に示すような乱数１を掛けると、図１４（ｃ）に示すように変調波１が生成される。そして、図１４（ｄ）に示すように、同じ乱数１をもう一度掛けると、図１４（ｅ）に示すように、復調波１は原音と同じになる。

一方、図１４（Ａ）に示すような原音に、図１４（Ｂ）に示すように乱数２を掛けてつくった図１４（Ｃ）に示すような変調波２に、図１４（Ｄ）に示すような乱数１を掛けても図１４（Ｅ）に示すように復調波２は原音と同じにならない。

上述したように、乱数は同期している必要があるが、これには、光など別の信号経路を利用する方法、送信側である長さの固定の乱数を周期的に使いそれを検出する方法などを採用することが可能である。

図１５は、光を用いた同期装置を有する音制御装置の一例を示す図である。
図１６は、図１５の音制御装置のタイミングチャートを示す図である。

この例では、送信機６１において第１の乱数発生器６１２に発光ダイオード６１５が接続され、受信機６２において第２の乱数発生器６２３にフォトトランジスタ６２７が接続されている。

この場合、たとえば図１６に示すように、送信機６１側において発光ダイオード６１５を乱数の先頭で発光される。
この光が受信機６２側のフォトトランジスタ６２７で受光され、これを同期信号ＳＹＮＣとして第２の乱数発生器６２３が乱数の発生を開始する。
原理的には、１回同期がとれればよいが、実際には同期に失敗したり、長時間立つと同期がずれてしまう可能性があることから、あらかじめ決められた間隔で繰り返し同期をとることになる。

図１７は、乱数に目印をつけて同期をとる同期装置を有する音制御装置の一例を示す図である。
図１８は、図１７の音制御装置のタイミングチャートを示す図である。
図１９は、受信機側に設けられる相関器の構成例を示す図である。
図２０は、図１９の相関器のタイミングチャートである。

この音制御装置６０Ｂは、送信機６１において乱数１の先頭部分を目印ＭＫとしてあらかじめ決めておいたパターンとして生成される。
受信機６２において、マイクロフォン６２１と第２の乱数発生器６２３との間に相関器６２８が接続されている。
受信機６２において、（１）目印発見処理（探索処理）、（２）乱数１発生、（３）目印確認処理が行われる。
この場合、図１９に示すように、あらかじめ規定された時間ごとに相関器６２８の出力パルスが出力されていれば同期がとれている。相関器６２８の出力パルスが出力されていなければ、目印ＭＫの発見処理から繰り返す。

相関器６２８は、図１９に示すように、乗算器６２８１、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６２８２、レベルメータ６２８３、および判定器６２８４を有する。
相関器６２８において、マイクロフォン６２１の出力に対して乗算器６２８１で目印ＭＫが掛け合わされる。
ここで目印が一致しない場合には、高域成分が残ってしまう。図２０に示すように、これをＨＰＦ６２８２で高域成分の抽出処理が行われ、そのレベルがレベルメータで検出され、このレベルが判定器６２８４で判定される。判定器６２８４で目印が一致したと判定された場合に同期がとれているものとして同期信号ＳＹＮＣが第２の乱数発生器６２３に出力される。

本第４の実施形態によれば、音制御装置６０は、音波を送信する送信機６１、および送信機６１から送信された音波を受信する受信機６２、を有する。
送信機６１は、音源６１１と、乱数を発生する第１の乱数発生器６１２と、記音源による音を第１の乱数発生器による乱数で変調する変調部６１３と、変調部６１３で変調された音波を出力する第１のスピーカ６１４と、を含む。
受信機６２は、送信機６１のスピーカから発せられた音波を収音するマイクロフォン６２１と、送信機の第１の乱数発生器６１２と同じ乱数を発生可能な第２の乱数発生器６２３と、を含む。更に、受信機６２は、マイクロフォン６２１で収音した音波に第２の乱数発生器６２３による乱数を混合する混合器６２４と、混合器６２４により混合された音を出力する第２のスピーカ６２６と、を含む。

したがって、第４の実施形態によれば、複数人がそれぞれ任意の方向に移動しているようなケースでも、特定の人のみに音を聞かせることができる。左右のスピーカの乱数系列を変えればステレオで送ることもできる。

＜第５実施形態＞
図２１は、本発明の第５の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。

第５の実施形態に係る音制御装置７０は、図２１に示すように、ヘッドフォン７１、ヘッドフォン７１が装着された頭部ＨＤの向きを検出するためのマーカー７２、マーカー７２を撮像する撮像装置７３、位相制御装置７４、および音出力部７５−１，７５−２を有する。

撮像装置７３は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を用いたカメラにより構成される。

位相制御装置７４３は、撮像装置７３で撮像したマーカー７２から頭部ＨＤ、たとえば顔の向きを検出し、向いた方向に音が追従するように音出力部７５−１，７５−２を構成する音制御ユニット７５１〜７５ｎの位相器の位相を制御する。

音出力部７５−１，７５−２は、位相制御装置７４の位相制御に基づいて、撮像装置７３で撮像したマーカー７２から頭部ＨＤ、たとえば顔が向いた方向に音を追従させてヘッドフォン７１に音波を出力する。

各音制御ユニット７５１〜７５ｎは、第３の実施形態で説明した音制御装置の音制御ユニットと同様の構成を有する。

すなわち、音制御ユニット７５１〜７５ｎは、理解を容易にするために、図８および図９に関連付けて説明すると、以下の構成を有する。

音制御ユニット７５１〜７５ｎは、図８に示すように、壁材５１、第１のトランスデューサ５２、第２のトランスデューサ５３、および位相器５４を有する。

位相器５４は、マイクロフォンとして機能する第１のトランスデューサ５２とスピーカとしての機能する第２のトランスデューサ５３との間に接続されている。
位相器５４は、マイクロフォンとしての第１のトランスデューサ５２により電気信号に変換された音の位相を調整してスピーカとしての第２のトランスデューサ５３に出力する。
位相器５４は、位相制御装置７４の制御により位相調整量が可変である。
この位相器５４は、たとえばアンプにより構成される。

このような構成の音制御ユニット７５１〜７５ｎを複数有する音出力部７５−１，７５−２を用意することで、いわゆる音のレンズが実現され、音の方向を変化させることもでき、位相器５４を付け換えることで、音の角度だけでなく入出力方向を変えることも可能である。

このように、第５の実施形態の音制御装置７０は、装着した人の顔の向きが検出できるようにあらかじめマーカー７２をつけたヘッドフォン７１と、そのマーカー７２を検出するカメラ７３を用意し、第３の実施形態で説明した音のレンズを用いて人間の耳の位置に向けて音信号を供給する装置として構成されている。

ここで、第５の実施形態の音制御装置７０におけるビームフォーカスについて説明する。
人間が移動したり、首を振った場合にそれに追従して音源を移動あるいは固定させるためには、人間の位置や顔の向きを知ることと、耳に向けて正確に音を送り込む必要がある。
これには人間の顔面認識を行う必要があるが、もっと簡便に耳の位置がわかるようなマーカーをつけたヘッドフォンを装着してもらい、カメラでそれを検出することでも可能となる。
耳に音を送る方法としては、超音波スピーカの超指向性を利用する方法の他に、本実施形態のように第３の実施形態で説明した音のレンズを使用しても良い。その場合、ヘッドフォンはマーカーだけでよく、専用のイヤリングといったものでも代用できる。

本第５の実施形態によれば、車内の運転者やゲームプレイヤーなど、顔の向きが刻々と変わるような状況下でも、顔の真正面に常に音を追従させたり、逆に音源が常に同じ位置にあるように聞こえさせるなど、目的に応じて自由に設定することができる。

＜第６実施形態＞
本第６の実施形態においては、各種センサからの情報を、音の位相差（ｘ軸方向を表現）、音程（ｙ軸方向を表現）、音量（色に相当するものを表現）によって表現し、頭の中で２次元ディスプレイを思い浮かべることで情報を得る音のスクリーンを形成するシステムについて説明する。

ここでは、音スクリーンについて説明する。
たとえばカーナビゲーション（以下、カーナビという）のような走行中に運転者に色々な情報を伝達する装置としては液晶ディスプレイが代表的なものである。
ただし、前方の景色とディスプレイの視線移動は危険発見の遅れの原因となることもありできるだけないほうが良い。そこで、戦闘機などで用いられる HUD（Head Up Display）を使ってフロントガラスに情報を投影する方法があるが高価なためほとんど普及していない。
本第６の実施形態においては、音によってより多くの情報を表現する手段を提供するものである。音の位相差（左右つまりX軸を表現する）、音程（高低つまりY軸を表現する）、音量（視覚の色に相当する表現を行う）の３つのパラメータを用いて情報の表現を行う。非常に画素の荒い白黒テレビを音で表現しようとするようなものである。

図２２は、第６の実施形態に適用可能な音制御装置の構成例を示す図である。

この音制御装置８０は、制御装置８１、第１の音源８２、第２の音源８３、第１のスピーカ８４、および第２のスピーカ８５を有する。

たとえば、１ｋＨｚのサイン波を左右のスピーカから出力する。その際、左右の位相差なし、周波数は中くらい（中心をあらわす）から、右のスピーカ側の音の位相を早くし（遅延を少なくする）、周波数を高くすれば、自分の真正面から右上に線が引かれるように聞こえる。
これを自車の上方からの図が描かれた液晶ディスプレイで、中心から右上に矢印が引かれたと考えれば、自車の右前方に何かあるというサインとなる。このようにして、図２３に示すように、○や△などの簡単な図形や、線が表現できる。また、音量を変えることで重要度表現することもできる。

一般的に、危険の接近やカーナビの右左折のポイントを実際の方向から音が聞こえてくることで指示するものは知られているが、本第６の実施形態に係る音制御装置８０は、頭の中でいったん画像として認識させることを目的としている。
本構成を実現するにあたり、運転者の耳を狙って音を送り込む必要がある。有線のヘッドフォンを使用するのが一番簡単である。
したし、第５の実施形態で説明したビームフォーカスを利用すると無線化できる。
また、第４の実施形態で説明したワイヤレスヘッドフォンを応用すれば、マーカーや顔認識は必要ない。
つまり、運転者が装着するヘッドフォンの右スピーカと左スピーカの乱数系列を変えておけば、運転者の頭の向きに関係なく左右の音が耳に届くことになる。

以上説明した音制御装置のうち、第１の実施形態に係る音制御装置は遮音壁として機能し、第２〜第６の実施形態で構成される車載システムの２つに大きく分けて説明した。
第１の実施形態においては、比較的ノイズの少ない高周波数領域と交換することで環境ノイズを削減するものであり、フィードバックがないことから人の話し声などの突発的なノイズに対しても有効である。
第２〜第６の実施形態に関する発明を、マイクロフォンを使わないメモリ式ノイズキャンセラで車内を静粛にし、音の透明壁でとらえた外部音と、カーステレオなどの車内音楽と、音スクリーンによる情報表示を組み合わせることも可能である。
また、マーカーか顔面検出で得た顔の向きにあわせて、超音波による指向性スピーカか、音のレンズ、あるいはワイヤレスヘッドフォンで特定の情報を特定の者にだけ聞かせるシステムを実現している。

ここで、第１〜第６の実施形態による効果をまとめると以下のようになる。

第１の実施形態によれば、マイクロフォンは不要で、人の話し声などの突発的なノイズも除去できる。
第２の実施形態によれば、車内が静粛になるだけでなく外部音が聞こえることで安全性やエンターテイメント性が向上する。車内ノイズ情報のメモリ容量を増やすことで、複雑な信号処理はより少なくてすむ。
第３の実施形態によれば、超音波の指向性を利用したものに比べ音質の劣化が少なくてすむ。電気的制御なので音の方向を一瞬にして変更できる。
第４の実施形態によれば、複数人がそれぞれ任意の方向に移動しているようなケースでも、特定の人のみに音を聞かせることができる。左右のスピーカの乱数系列を変えればステレオで送ることもできる。
第５の実施形態によれば、車内の運転者やゲームプレイヤーなど、顔の向きが刻々と変わるような状況下でも、顔の真正面に常に音を追従させたり、逆に音源が常に同じ位置にあるように聞こえさせるなど、目的に応じて自由に設定することができる。
第６の実施形態によれば、運転中の視線移動がなくなる。３次元（位相差、音程、音量）で表現することで簡単な図形を頭の中で描画できるなど、単なる警告音より高度な表現ができる。

本発明の第１の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。図１の音制御装置の適用例としてのノイズキャンセルヘッドフォンを示す図である。第１の実施形態において、周波数軸上で超音波領域の音楽と可聴領域のノイズを交換する形となることを示す図である。互いに異なる周波数のサイン波同士を掛け算すると周波数を足したものと引いたものが発生することを説明するための図である。可聴域の音は、超音波と混合することで非可聴域にシフトすることを説明するための図である。本発明の第２の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。本実施形態に係る音制御装置が適用される車両の一例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。第３の実施形態において音のレンズを形成する好適な例を示す図である。第３の実施形態に係る音制御装置による音の方向を制御する例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。図１１の受信機の構成例を示す図である。受信機で送信機と同じ乱数を用いる場合と異なる乱数を用いる場合の再生状態を説明するための図である。受信機で送信機と同じ乱数を用いる場合と異なる乱数を用いる場合の再生状態を説明するための波形図である。光を用いた同期装置を有する音制御装置の一例を示す図である。図１５の音制御装置のタイミングチャートを示す図である。乱数に目印つけて同期をとる同期装置を有する音制御装置の一例を示す図である。図１７の音制御装置のタイミングチャートを示す図である。受信機側に設けられる相関器の構成例を示す図である。図１９の相関器のタイミングチャートである。本発明の第５の実施形態に係る音制御装置の構成例を示す図である。第６の実施形態に適用可能な音制御装置の構成例を示す図である。第６の実施形態においてカーナビの方向指示や危険の表示などのイメージを示す図である。

符号の説明

１０，３０，５０，６０，７０，８０・・・音制御装置、１１・・壁材、１２・・・第１のスピーカ、１３・・・第２のスピーカ、１４・・・超音波発信器、１５・・・フィルタ、１６・・・音楽信号発生部、１７・・・変調部、３１・・・壁材、３２・・・マイクロフォン、３３・・・スピーカ、３４・・・フィルタ、３５・・・アンプ、３６・・・記憶部としてのメモリ、３７・・・情報取得部、３８・・・制御部、３９・・・加算部、音制御ユニット５０−１〜５０−ｎ・・・音制御ユニット、５１・・・壁材、５２・・・第１のトランスデューサ、５３・・・第２のトランスデューサ、５４・・・位相器、６１・・・送信機、６２・・・受信機、６１１・・・音源、６１２・・・第１の乱数発生器、６１３・・・変調部、６１４・・・第１のスピーカ６１４、６２１・・・マイクロフォン（ＭＩＣ）、６２２・・・アンプ、６２３・・・第２の乱数発生器、６２４・・・混合器、６２５・・・アンプ、６２６・・・第２のスピーカ、７１・・・ヘッドフォント、７２・・・マーカー、７３・・・撮像装置、７４・・・位相制御装置、７５−１，７５−２・・・音出力部。

Claims

第１側と第２側をしきる壁材と、
フィルタと、
上記壁材の第１側に配置され、供給される超音波を出力する第１のスピーカと、
上記第１のスピーカおよび上記フィルタに超音波信号を供給する超音波発信器と、
上記フィルタを通過した超音波信号を音楽信号で変調する変調部と、
上記変調部で変調された超音波信号が供給され、当該超音波信号を出力する第２のスピーカと、を含み、
上記フィルタは、
上記第１のスピーカから発せられた超音波が上記壁材を通過する際の変化と同じ変化を与える機能を有する
音制御装置。
上記フィルタは、
上記第１のスピーカから発せられた超音波が上記壁材を通過する際の周波数特性の変化をシミュレートする
請求項１記載の音制御装置。
第１側と第２側をしきる壁材と、
上記壁材の第１側に配置され、当該第１側の環境音を出力するマイクロフォンと、
上記環境音が上記壁材を通過する際の周波数特性の変化を逆補正するフィルタと、
状況に応じて上記第２側で発生するノイズ情報があらかじめ格納されている記憶部と、
上記第２側の状況を把握するための情報を得るための情報取得部と、
上記情報取得部の取得情報を受けて、上記記憶部の格納情報を用いて上記第２側で発生が予想されるノイズを打ち消すキャンセル信号を生成する制御部と、
上記フィルタから出力される上記第１側の環境音と上記制御部によるキャンセル信号とを加算する加算部と、
上記壁材の第２側に配置され、上記加算部で加算して得られた信号を出力するスピーカと
を有する音制御装置。
上記壁材は車両の壁材であり、
上記第１側は車両外であり、
上記第２側は車両の室内である
請求項３記載の音制御装置。
所定の位置関係をもって配置された複数の音制御ユニットを有し、
上記各音制御ユニットは、
第１側と第２側をしきる壁材と、
コイルとマグネットを含み、上記壁材の上記第１側および第２側にそれぞれ配置された第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサと、
位相器と、を含み、
上記第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサのいずれか一方がマイクロフォンとして機能し、他方がスピーカとして機能し、
上記位相器は、
上記マイクロフォンとしてのトランスデューサにより電気信号に変換された音の位相を調整して上記スピーカとしてのトランスデューサに出力する
音制御装置。
上記各音制御ユニットの位相器は、
位相調整量が可変である
請求項５記載の音制御装置。
音波を送信する送信機と、
上記送信機から送信された音波を受信する受信機と、を有し、
上記送信機は、
音源と、
乱数を発生する第１の乱数発生器と、
上記音源による音を上記乱数発生器による乱数で変調する変調部と、
上記変調部で変調された音波を出力する第１のスピーカと、を含み、
上記受信機は、
上記送信機のスピーカから発せられた音波に上記送信機の第１の乱数発生器と同じ乱数を空間的または時間的に混合する混合部と、
上記混合部により混合された音を出力する第２のスピーカと、を含む
音制御装置。
上記第１の乱数発生器と上記第２の乱数発生器との同期をとる同期装置を有する
請求項７記載の音制御装置。
ヘッドフォンと、
上記ヘッドフォンが装着された頭部の向きを検出するためのマーカーと、
上記マーカーを撮像する撮像装置と、
上記撮像装置で撮像したマーカーから頭部の向きを検出し、向いた方向に音が追従するように位相制御を行う位相制御装置と、
上記撮像装置で撮像したマーカーから頭部の向きを検出し、向いた方向に音を追従させて上記ヘッドフォンに音波を出力する複数の音制御ユニットを含む少なくとも一つの音出力部と、を有し、
上記音出力部の上記各音制御ユニットは、
第１側と第２側をしきる壁材と、
コイルとマグネットを含み、上記壁材の上記第１側および第２側にそれぞれ配置された第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサと、
位相器と、
上記第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサのいずれか一方がマイクロフォンまたは電気信号を入力する装置として機能し、他方がスピーカとして機能し、
上記位相器は、
上記マイクロフォンとしてのトランスデューサにより電気信号に変換された音の位相を調整して上記スピーカとしてのトランスデューサに出力し、
上記位相制御装置は、
上記撮像装置で撮像したマーカーから頭部の向きを検出し、当該検出結果に応じて上記位相器の位相調整量を制御する
音制御装置。