JP2011182067A

JP2011182067A - スピーカアレイ

Info

Publication number: JP2011182067A
Application number: JP2010042280A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Horiuchi; 俊治堀内
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】少ないスピーカで効率よく空間エイリアシングを防止することができるスピーカアレイを提供する。
【解決手段】空間的または平面的に配置された３個以上のスピーカを有するスピーカアレイであって、隣接するいずれか２つのスピーカの間隔が、他の隣接するいずれか２つのスピーカの間隔と異なる。また、各スピーカは、最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されている。また、各スピーカは、複数の前記最短Ｇｏｌｏｍｂ定規が組み合わされ、各最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のスピーカで構成されたスピーカアレイに関する。

従来から、音響信号処理技術の需要は、ディジタル信号処理技術の発展にともない益々高まっている。特に、サラウンドオーディオ分野の発展はめざましい。３次元音響技術という用語がコンシューマベースのオーディオ機器においても頻繁に登場してきていることは、この技術が大きく着目されていることを示している。一方、３次元音響技術は、リスニングルームやシアターなどにおけるエンターテイメントを目的としたものだけでなく、テレコミュニケーション、バーチャルリアリティ、視覚障害者の支援など、ヒューマンコンピュータインターフェースあるいは人と人とのコミュニケーションのツールとしての応用が盛んに試みられている。今後、コミュニケーションのためのインターフェースあるいはツールとしての３次元音響技術の重要性は益々高まると予想される。

このような３次元音響技術は、その再生方式により、スピーカを用いるものとヘッドホンを用いるものに大きく分類することができる。更に、スピーカを用いるもののうち、複数のスピーカを、聴取者を取り囲むように離散配置したものと、直線状あるいは円弧上に密集配置したものに大別できる。前者は、一般にステレオやサラウンドと呼ばれているステレオフォニック再生方式で、後者は、スピーカアレイ再生方式である。

スピーカアレイは、複数のスピーカで構成され（例えば、特許文献１、特許文献２）、各々のスピーカに与える音響信号の振幅や位相を適宜調整することで、任意の波面を生成することが可能な装置である。具体的には、指向性を持たせる、あるいはスピーカアレイにより生成される音場において、ある位置の音圧を高めたり、低めたりすることが可能である。

特許公開２００９−２３１９８０号公報特許公開２００９−２００５７５号公報

しかしながら、従来のスピーカアレイでは、任意の波面を生成する際、空間エイリアシングの問題が生じる。この空間エイリアシングとは、各スピーカの配置間隔で決定するスペクトルの折り返し歪みのことである。空間サンプリング定理によれば、スペクトルの折り返し歪みが生じ始める下限の周波数fは、スピーカの配置間隔をxとすれば、式（１）で求められる。
f = c / (2x) [Hz] …（１）
ここで、cは音速である。

すなわち、空間エイリアシングを生じさせないようにするには、出来るだけスピーカの配置間隔を狭くする必要がある。

一方、スピーカの配置間隔を狭くすると、特に数百Hz程度の低周波数帯域において、スピーカアレイの指向性が緩くなる、すなわち、主ローブ幅が広くなってしまう。一般に、空間エイリアシングを生じさせない周波数と主ローブ幅はトレードオフの関係が成り立つため、これらを両立させることは難しい。このため、スピーカの配置間隔を出来るだけ狭く設定した上で、出来るだけ多数のスピーカを配置する必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、少ないスピーカで効率よく空間エイリアシングを防止することができるスピーカアレイを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明のスピーカアレイは、空間的または平面的に配置された３個以上のスピーカを有するスピーカアレイであって、隣接するいずれか２つのスピーカの間隔が、他の隣接するいずれか２つのスピーカの間隔と異なることを特徴とする。

このように、隣接するいずれか２つのスピーカの間隔が、他の隣接するいずれか２つのスピーカの間隔と異なるので、少ないスピーカで効率よく空間エイリアシングを防止することが可能となる。

（２）また、本発明のスピーカアレイにおいて、前記各スピーカは、最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されていることを特徴とする。

このように、各スピーカは、最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されているので、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

（３）また、本発明のスピーカアレイにおいて、前記各スピーカは、複数の前記最短Ｇｏｌｏｍｂ定規が組み合わされ、各最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されていることを特徴とする。

このように、各スピーカは、複数の前記最短Ｇｏｌｏｍｂ定規が組み合わされ、各最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されているので、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

（４）また、本発明のスピーカアレイは、異なる次数の複数の最短Ｇｏｌｏｍｂ定規を組み合わせたことを特徴とする。

このように、異なる次数の複数の最短Ｇｏｌｏｍｂ定規を組み合わせたので、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

（５）また、本発明のスピーカアレイは、３つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対２であることを特徴とする。

このように、３つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対２であるので、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

（６）また、本発明のスピーカアレイは、４つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対３対２であることを特徴とする。

このように、４つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対３対２であるので、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

（７）また、本発明のスピーカアレイは、５つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対３対５対２、または２対５対１対３であることを特徴とする。

このように、５つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対３対５対２、または２対５対１対３であるので、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

本発明によれば、少数のスピーカであっても、多数のスピーカを用いた場合に相当するスピーカの配置間隔を得ることが可能となる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能となる。

次数４の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を設定した例を示す図である。等間隔にスピーカの配置間隔を設定した例を示す図である。次数３の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を設定した例を示す図である。次数５の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を設定した例を示す図である。次数５の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を設定した例を示す図である。次数４の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を円弧状に設定した例を示す図である。次数４の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を立体状に設定した例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、少数のスピーカでも効率よく空間エイリアシングを生じさせないスピーカアレイを実現するため、最短Golomb定規の目盛間隔を、スピーカの配置間隔に用いる。このGolomb定規とは、想像上の定規の上で一連の整数位置に目盛を配置し、任意の目盛の対の距離がどれをとっても等しくならないものをいう。また、同一次数（目盛の数）で最短のGolomb定規を最短Golomb定規という。

次数３の最短Golomb定規は｛０−１−３｝で自明である。次数４の最短Golomb定規は｛０−１−４−６｝である。次数５の最短Golomb定規は｛０−１−４−９−１１｝｛０−２−７−８−１１｝である。

ここで、例えば、次数４の最短Golomb定規では、その間隔の種類は｛１、２、３、４、５、６｝の６種類となる。一方、等間隔は｛０−２−４−６｝であり、その間隔の種類は｛２、４、６｝の３種類となる。このとき、空間エイリアジングが生じ始める下限の周波数fは音速cを334[m/s]とすると、次数４の最短Golomb定規の間隔配置では16．7[kHz]で、等間隔の間隔配置では8．35[kHz]となる。すなわち、空間エイリアジングが生じない有効な周波数帯域が２倍になる。一方、取りうる最大のスピーカの配置間隔は同じであるので、スピーカアレイの指向性、すなわち主ローブ幅は同じである。

すなわち、スピーカの配置間隔を等間隔ではなく、最短Golomb定規の目盛間隔に設定することによって、少数のスピーカであっても、多数のスピーカの配置間隔を得ることが可能になる。その結果、周波数毎に空間エイリアシングを生じさせないスピーカの配置間隔を選択することが可能になる。

本実施形態では、次数４の最短Golomb定規の目盛間隔にスピーカの配置間隔を設定した場合を述べたが、次数３の場合については図３に示し、次数５の場合は図４および図５に示す。また、次数６以上の場合も同様に適用することができる。

なお、上記の説明では、スピーカアレイの各スピーカは直線状に配置されていたが、図６に示すように円弧状に配置されていても良い。この場合も、各スピーカ同士の間隔は、最短Golomb定規の目盛同士の間隔に比例している。また、上記の説明では、スピーカアレイの各スピーカは直線状に配置されているが、図７に示すように、立体状に配置されていても良い。

本実施形態では、スピーカアレイの各スピーカは最短Golomb定規の配置間隔で順方向に配置されているが、逆方向に配置されていても良い。また、本実施形態では、スピーカアレイの各スピーカは最短Golomb定規の配置間隔で配置され、スピーカアレイのスピーカ数は最短Golomb定規の次数であるが、最短Golomb定規の配置間隔で順方向に繰り返し配置されていても良いし、あるいは逆方向に繰り返し配置されていても良いし、あるいは順方向、逆方向に組み合わせて配置しても良い。

また、本実施形態では、スピーカアレイの各スピーカはある最短Golomb定規の配置間隔で配置されているが、異なる次数の最短Golomb定規の配置間隔を組み合わせて配置しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、少数のスピーカでも効率よく空間エイリアシングを生じさせないスピーカアレイを実現することが可能となる。

Ａ〜Ｆ最短Golomb定規の目盛に比例する目盛
１０立体的スピーカアレイ

Claims

空間的または平面的に配置された３個以上のスピーカを有するスピーカアレイであって、
隣接するいずれか２つのスピーカの間隔が、他の隣接するいずれか２つのスピーカの間隔と異なることを特徴とするスピーカアレイ。
前記各スピーカは、最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されていることを特徴とする請求項１記載のスピーカアレイ。
前記各スピーカは、複数の前記最短Ｇｏｌｏｍｂ定規が組み合わされ、各最短Ｇｏｌｏｍｂ定規の目盛間隔に比例した間隔に配置されていることを特徴とする請求項１記載のスピーカアレイ。
異なる次数の複数の最短Ｇｏｌｏｍｂ定規を組み合わせたことを特徴とする請求項３記載のスピーカアレイ。
３つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対２であることを特徴とする請求項１記載のスピーカアレイ。
４つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対３対２であることを特徴とする請求項１記載のスピーカアレイ。
５つのスピーカを有し、各スピーカの配置間隔が、１対３対５対２、または２対５対１対３であることを特徴とする請求項１記載のスピーカアレイ。