JP2011172074A - 局所再生装置とその方法と、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】大部屋でも使用可能な音漏れの少ない局所再生装置を提供する。
【解決手段】この発明の局所再生装置は、２つのスピーカーアレーが向かい合わせに配置され、そのスピーカーアレーを構成するスピーカーにそれぞれ対応する互いに独立なディジタルフィルタを含み、ディジタルフィルタは、各スピーカーから出力される各音響信号を、各スピーカーから各制御点までが自由空間であると近似して各スピーカーから各制御点までの各距離によってそれぞれ定まる関数である各近似伝達関数を畳み込んで各制御点で混合した場合に、その畳み込み混合信号が２つのスピーカーアレーが対向する間に位置する再生領域における再生制御点で否零となり、再生領域を除く複数の抑圧制御点で零となるフィルタ係数が設定されたディジタルフィルタである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば遠隔通信会議等において、特定の場所にいる人々にのみ音響信号を再生する局所再生装置とその方法と、プログラムに関する。

通信網を用いて遠隔地同士を接続した通信会議が頻繁に行われるようになった。このような通信会議は、その内容を会議参加者以外に聞かれないようするため、音響的に閉ざされた会議室で行われるのが一般的である。しかし、例えば、机が並べられた大部屋の一角においても通信会議が利用できるようになれば、通信会議の利便性が向上する。

そのためには、ある特定の領域にのみ音響信号が再生できる技術が必要である。音響信号の再生領域を限定するには、指向性スピーカーを用いる方法がある。指向性スピーカーとしては、ホーンスピーカー、パラメトリックスピーカー、ディジタルフィルタ型スピーカーアレー等が知られている。

例えば、特許文献１に開示された従来のディジタルフィルタを利用した音響出力素子アレイ９００を、図１０に示してその動作を簡単に説明する。音響出力素子アレイ９００は、一直線上に配置された複数のスピーカー１２と、各スピーカー１２を駆動する信号供給部１１０と、を備える。信号供給部１１０は、各スピーカー１２にそれぞれ対応する互いに独立なディジタルフィルタ１１１、アンプ１１２、Ｄ/Ａ変換器１１３、Ａ/Ｄ変換器１１４、から成り、各ディジタルフィルタ１１１を用いて生成した各供給信号を対応する各スピーカーに供給する。

複数のスピーカー１２を中心とする円周上に、音響遮断領域を形成するために音圧を零にする抑圧制御点が配置され、複数のスピーカー１２の放音方向の直線と円周が交差する点に音圧を否零とする再生制御点が配置される。この制御点の条件で、各ディジタルフィルタ１１１のフィルタ係数が設定される。

その結果、複数のスピーカー１２の指向性は、その放音方向に絞られた指向性となる。また、２次元平面や３次元空間にスピーカーアレーを配置して、同様にディジタルフィルタで指向性制御を行って局所再生効果を得る技術が非特許文献１に開示されている。

特開２００９−２１９１０１

橋本泰治、三河正彦、田中和世、"音場の局所再生システムにおける制御音源配置法の検討"音響学会講演論文集、pp.793-794, Sep. 2007.

しかし、従来の方法では、再生制御点の延長方向の音漏れを防ぐことが出来ない。その結果、机の並んでいる大部屋の一角のようなオープンオフィスで、通信会議を利用することが出来なかった。

この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、オープンオフィスの環境でも利用可能な局所再生装置とその方法と、プログラムを提供することを目的とする。

この発明の局所再生装置は、向かい合わせに配置される同一軸上に同じ数のスピーカーが並べられる２つのスピーカーアレーと、そのスピーカーアレーを構成するスピーカーにそれぞれ対応する互いに独立なディジタルフィルタを含み、そのディジタルフィルタを用いて生成した各供給信号を上記各スピーカーに供給する信号供給部とを備える。

ディジタルフィルタは、各スピーカーから出力される各音響信号を、各スピーカーから各制御点までが自由空間であると近似して各スピーカーから各制御点までの各距離によってそれぞれ定まる関数である各近似伝達関数を畳み込んで各制御点で混合した場合に、その畳み込み混合信号が２つのスピーカーアレーが対向する間に位置する再生領域における再生制御点で否零となり、当該再生領域を除く複数の抑圧制御点で零となるフィルタ係数が設定されたディジタルフィルタである。

この発明の局所再生装置によれば、音響信号の再生領域が、向かい合わせに配置される２つのスピーカーアレーの間に設定され、各スピーカーアレーの放音方向の延長線上には抑圧制御点が設けられるので、音響信号の再生領域を局所内に限定して設定することが可能である。よって、オープンオフィスの環境でも利用可能な局所再生装置を提供することができる。

この発明の局所再生装置１００の構成を示す図。 実施例１の制御点の配置例を示す図。 実施例２の制御点の配置例を示す図。 図３の制御点の配置をより細かく示した図。 図３の再生領域γを四角形とした例を示す図。 実施例３の制御点の配置例を示す図。 減衰項f(x)の一例を示す図。 確認実験の実験結果（実施例１）を示す図。 確認実験の実験結果（実施例２）を示す図。 特許文献１に開示された音響出力素子アレイ９００の構成を示す図。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには
同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

図１に、この発明の局所再生装置１００の構成を示す。局所再生装置１００は、スピーカーアレー２０と３０、信号供給部４０と５０、を備える。スピーカーアレー２０と３０は同じものである。この実施例では、４個のスピーカー２０ａ〜２０ｄが、放音方向を同じにして一直線上に配置されている。そして、スピーカーアレー２０と３０は、対向して配置され、その間に受聴者７０が位置する。

信号供給部４０と５０は、従来技術で説明した信号供給部１１０と同じものである。入力端子６０に入力されるアナログ音響信号を入力とするＡ/Ｄ変換器４１、Ａ/Ｄ変換器４１の出力をフィルタリングするディジタルフィルタ４２、ディジタルフィルタ４２のディジタル出力をアナログ信号に変換するＤ/Ａ変換器４３、Ｄ/Ａ変換器４３の出力信号を増幅するアンプ４４とを備える。信号供給部４０は、Ａ/Ｄ変換器４１〜アンプ４４の構成を一系列として、各スピーカーに対応した数を備える。この例では、スピーカーが４個（ａ〜ｄ）なので、それぞれに対応した４系列を備える。信号供給部５０も信号供給部４０と同じ構成である。

このように、各スピーカーアレー４０，５０を構成するスピーカーは、互いに独立なディジタルフィルタ４２ａ〜４２ｄと５２ａ〜５２ｄを介したアナログ音響信号で駆動される。ディジタルフィルタ４２ａ〜４２ｄと５２ａ〜５２ｄの各フィルタ係数は、音響信号を、再生したい領域に設定する再生制御点αと音響信号の音圧を下げたい領域に設定する抑圧制御点βの各制御点と、各スピーカー２０a〜２０ｄ，３０ａ〜３０ｄとの間の伝達関数によって設定される。

その伝達関数には、式（１）に示す自由空間における理想的な近似伝達関数Ｇ_m,n(ω）を用いる。

ここでr_m,nは各スピーカー２０，３０から制御点までの距離であり、ｃは音速である。１/４πr_m,nは、音波が球面状に伝達する距離減衰項である。

〔制御点の配置例〕
図２に制御点の配置例を示す。局所再生装置１００は、図１で説明したものと同じものである。放音方向を対向させて同軸上（ｙ軸）に配置された２つのスピーカーアレー２０と３０との中間点を原点とし、それぞれのスピーカーユニット２０，３０は原点からＲ₁の距離離して配置される。そして、再生制御点αをその原点の位置とし、抑圧制御点βを原点から半径Ｒ_２の同心円の円周上にｍ＝２，…，ｍ＝Ｍまで配置する。

抑圧制御点βは、スピーカーアレー２０，３０の指向特性が、軸（ｙ）に対して軸対称であると仮定してｘ軸方向の半円部分のみに設定するものとする。このように反射波の影響を考慮しない。

〔フィルタ係数設定方法〕
制御点を図２に示すように設定した例におけるフィルタ係数の設定方法を説明する。原点から最も遠い位置にあるスピーカーユニット２０のスピーカー２０ｄをn＝1として順番に付番し、もう一方のスピーカーアレー３０の最も原点から遠いスピーカー３０ｄをＮとする。つまり、スピーカーアレー２０の原点に最も近いスピーカー２０ａがＮ/２であり、スピーカーアレー３０の原点に最も近いスピーカー３０ａがＮ/２＋１である。

そして、再生制御点αをm＝１、スピーカーアレー２０側のｙ軸上の抑圧制御点mをm＝２とし、以降、順番に時計回りにm＝Ｍまで抑圧制御点を設定する。このとき各スピーカーnから各制御点mまでの近似伝達関数をＧ_m,n(ω）、フィルタ係数をＨ_n(ω）とすると、式（２）に示す方程式が得られる。フィルタ係数Ｈ_n(ω）は一般化逆行列を用いて最小自乗解として求める。

ここで、式（２）の一番上の行の要素は再生制御点m＝１に対応する要素であり、上から２〜Ｍ番目の要素は各抑圧制御点m＝２〜Ｍに対応する要素である。すなわち、式（２）は、各スピーカーｎからそれぞれ出力される各音響信号Ｈ_m（ω）を、各近似伝達関数Ｇ_m,nで畳み込んで各制御点でそれぞれ混合した場合に、その畳み込み混合信号が、再生制御点 m＝１で否零となり、抑圧制御点m＝２〜Ｍで零となることを示している。

このような関係を満たすフィルタ係数を各周波数毎に求め、その周波数領域のフィルタ係数を逆フーリエ変換した値を、ディジタルフィルタ４２ｄ〜５２ｄに設定すれば再生領域γのみに音が再生される局所再生効果を実現することができる。

なお、抑圧制御点m＝２〜Ｍを原点を中心とした円周上の半分にだけ設定した例で説明を行ったが、抑圧制御点をその円周の全周に設けてもよい。また、スピーカーアレー２０，３０の各スピーカーの間隔については任意の距離でよい。各スピーカーの間隔が大きいと低周波数に対して頑健であり、小さいと高周波に対して頑健となる。また、その間隔は一定で無くとも良く、向かい合う２つのスピーカーアレー２０，３０の中心点（原点）から点対称になるように配置されていればよい。

図３に、スピーカーアレー２０，３０から、それぞれ平面波が放射されるようにした実施例２を示す。同一軸上に対向して配置された２つのスピーカーアレー２０と３０の間隔を所定間隔Δで分割した位置に再生制御点α₁を設定し、また、その位置からｘ軸と並行な方向に１つ以上の再生制御点を所定の間隔を空けて設定して、合計Ｐ個の再生制御点α_Pを設定する。抑圧制御点βは、各スピーカーアレー２０，３０のそれぞれの中心から半径Ｒ₃の同心円上に設定する。

図４に再生制御点α₁〜α_Pを詳しく示す。スピーカーアレー２０と３０の間に設けた三角形状の再生領域γ内に格子状に再生制御点を設定する。Ｎ/２番目のスピーカーに近い列をｄ＝１、最も遠い列をＤ列とし、列の間隔は所定の間隔Δとする。そして、各列はｘ方向に延長されその延長線上に更に再生制御点が所定の間隔を空けて設定され、真ん中の列（Ｄ＋１）/２列目を頂点とする三角形が再生制御点で形成されている。

この実施例では、再生領域γ内における音波が、平面波で進行するように制御量を決定する。つまり、ｄ列目とｄ＋１列目の間の間隔Δを音速ｃで除算した時間差分だけ位相遅延を考慮した制御量Ｋ₂（ｄ）を導入する（式（３））。

同列内の再生制御点には同じ制御量を与える。

この実施例のフィルタ係数は式（４）の方程式を満たすものである。

式（４）の一番上の行からＧ_Q,1(ω)までの行は、Ｑ個設けられた抑圧制御点に対応する。

その下の行のＧ_Q+1,1(ω)〜Ｇ_Q+Ｐ,1(ω)の行は再生制御点に対応する。

実施例２は、進行方向（ｙ軸方向）の減衰率は小さいが進行方向と垂直な方向（ｘ軸方向）の減衰率は大きいという平面波の特徴に着目した局所再生方法であり、再生領域γのｘ軸方向の音漏れを低減させる効果が期待できる。

なお、再生領域γを三角形の形の例で説明したが、実施例２における再生領域γの形状は三角形に限定されない。その形状は、正方形等であっても良い。図５に再生制御点を四角形状に設定した例を示す。この例のように各列の再生制御点αの数を同数にしても良い。

図６に、実施例３の制御点を示す。スピーカーアレー２０と３０の配置は図１と同じである。再生制御点αと抑圧制御点βの設定が実施例１と異なる。再生制御点αは、２つのスピーカーアレー２０，３０が対向する間隔の中間点から直交する方向にＲ₄離れた位置に再生制御点m＝１が設定され、上記中間点から遠ざかるに従いＰ個（m＝Ｐ）の再生制御点が任意の間隔を空けて設定される。抑圧制御点βは、上記中間点を中心として半径Ｒ₂の円周上の再生制御点αが設定される方向以外のその円周上にＱ個の抑圧制御点βが設定される。

実施例３は、中心点から遠ざかるに従い音圧が減衰する減衰項を、再生制御点の振幅に乗算することで、急峻な音圧の距離減衰効果を得るようにしたものである。その減衰項f(x)としては、例えば式（５）に示すようなものが考えられる。

ここで、ｓは任意の正数である。図７にｓを可変した場合の減衰特性を示す。横軸はＲ₄＋Δの距離[ｍ]であり、縦軸は距離Ｒ₄の振幅を１とした減衰量を表す。

再生制御点αの位置に応じた減衰項f(x)を、その再生制御点の振幅に乗算することで、急峻な音圧の距離減衰効果を得ることができる（式（６））。

実施例３のフィルタ係数は式（７）の方程式を満たすものである。

式（７）の一番上の行からＧ_Q,1(ω)までの行は、Ｑ個設けられた抑圧制御点に対応する。

Ｇ_Q+1,1(ω)〜Ｇ_Q+P,1(ω)の行は、再生制御点に対応する。

この実施例３の考えは、平面波を用いた実施例２と組み合わせて用いてもよい。

〔確認実験〕
この発明の局所再生装置１００の局所再生性能を確認する目的でコンピュータシュミレーションを行った。シミュレーションは実施例１と２の場合で行った。

図８に実施例１の場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの条件は、Ｒ₂＝２ｍ、Ｒ₁＝０．５ｍ、スピーカーの間隔は４.８ｃｍ、周波数＝１KHzとした。図８はｘ軸方向の音圧の減衰量を示す。

図９に実施例２の場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーション条件は、Δ＝２２.５ｃｍ、スピーカーアレー間隔＝１ｍ、周波数＝１KHz、ｘ軸方向の再生制御点の間隔を１５ｃｍとした。通常のスピーカーでは球面波が伝搬するため、距離が遠ざかるにつれて点線で示すような減衰を示す。シミュレーション結果から、実施例１及び２では通常のスピーカーよりも減衰量が多いため、距離が遠ざかって行った場合に、より音が聞こえるエリアを絞ることができる。

このように、この発明の局所再生装置１００によれば音響信号の再生領域を局所内に限定することが可能である。

なお、局所再生装置１００は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、ＣＰＵがそのプログラムを実行することで実現されるように構成してもよい。

その場合、その処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）/ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ−ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

また、各装置の機能構成部は、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより構成することにしてもよいし、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしても良い。

Claims (6)

1. 向かい合わせに配置される同一軸上に同じ数のスピーカーが並べられる２つのスピーカーアレーと、
   上記スピーカーアレーを構成するスピーカーに、それぞれ対応する互いに独立なディジタルフィルタを含み、そのディジタルフィルタを用いて生成した各供給信号を上記各スピーカーに供給する信号供給部と、を備え、
   上記ディジタルフィルタは、上記各スピーカーから出力される各音響信号を、各スピーカーから各制御点までが自由空間であると近似して、各スピーカーから各制御点までの各距離によってそれぞれ定まる関数である各近似伝達関数を畳み込んで各制御点で混合した場合に、その畳み込み混合信号が、上記２つのスピーカーが対向する間に位置する再生領域における再生制御点で否零となり、当該再生領域を除く音響遮断領域の抑圧制御点で零となるフィルタ係数が設定されたディジタルフィルタである、
   ことを特徴とする局所再生装置。
2. 請求項１に記載した局所再生装置において、
   上記ディジタルフィルタのフィルタ係数は、
   同一軸上に対応して配置された上記２つのスピーカーアレー同士の間隔の中間点を上記再生制御点とし、その再生制御点を中心とする円周上に抑圧制御点を配置した場合のフィルタ係数値に設定されたものであることを特徴とする局所再生装置。
3. 請求項１に記載した局所再生装置において、
   上記ディジタルフィルタのフィルタ係数は、
   同一軸上に対応して配置された上記２つのスピーカーアレー同士の間隔を所定間隔で分割した位置と、その位置と直交する方向に所定間隔を空けて１つ以上の再生制御点が設定され、
   各スピーカーアレーの同一軸上の中心を中心とした円周上に、それぞれのスピーカーアレーの抑圧制御点が設定され、
   上記２つのスピーカーアレー間の再生制御点の振幅はお互いに逆位相の関係とされ、且つ２つのスピーカーアレー間隔の中間点で振幅が零になる制御量が設定され場合のフィルタ係数であり、
   各スピーカーアレーから放射される音波が平面波になるようにしたことを特徴とする局所再生装置。
4. 請求項１に記載した局所再生装置において、
   上記ディジタルフィルタのフィルタ係数は、
   同一軸上に対応して配置された上記２つのスピーカーアレー同士の間隔の中間点から直交する方向に複数の再生制御点が設定され、
   上記中間点を中心とする円周上の上記再生制御点が設定される方向以外のその円周上に複数の抑圧制御点が設定され、
   上記中間点から遠ざかるに従い振幅が減少する減衰項を各再生制御点の振幅に乗じた場合のフィルタ係数に設定されることを特徴とする局所再生装置。
5. 向かい合わせに配置される同一軸上に同じ数のスピーカーが並べられる２つのスピーカーアレーと、
   上記スピーカーアレーを構成するスピーカーに、それぞれ対応する互いに独立なディジタルフィルタを含み、そのディジタルフィルタを用いて生成した各供給信号を上記各スピーカーに供給する信号供給部と、を具備した局所再生装置の局所再生方法であって、
   上記ディジタルフィルタのフィルタ係数に、上記各スピーカーから出力される各音響信号を、各スピーカーから各制御点までが自由空間であると近似して、各スピーカーから各制御点までの各距離によってそれぞれ定まる各近似伝達関数を畳み込んで各制御点で混合した場合に、その畳み込み混合信号が、上記２つのスピーカーが対向する間に位置する再生領域における再生制御点で否零となり、当該再生領域を除く音響遮断領域の抑圧制御点で零となるフィルタ係数値が設定される局所再生方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載した局所再生装置としてコンピュータを機能させるための装置プログラム。
   

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