JP2014045472A - 音場支援装置および音場支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカの音像の定位感の不自然さをなくし、かつスピーカへの煩雑な配線が不要である音場支援装置を提供する。
【解決手段】平面スピーカ１３の振動膜と同一面上（あるいはその近傍）に聴取位置１００が配置されている。音源であるメインスピーカ５１から放射されたオーディオ音は、音場支援装置１のマイク１１で収音され、ＤＳＰ１２で生成された間接音成分の信号に応じた音波として平面スピーカ１３から出力される。平面スピーカ１３から聴取位置１００に直接到達する音（すなわち直接音）はほとんどなく、主に室内の壁面や天井等で反射した反射音が聴取位置１００に到達することになる。したがって、聴取位置に存在するユーザは、平面スピーカ１３自体の定位を感じることがなく、主に壁面で反射した間接音成分を聴くことになり、間接音成分が室内全体で響くような音場を提供することができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、聴取空間における音場を支援する装置に関する。

従来、マイクで収音した音声に応じた音声信号を入力し、当該音声信号をＦＩＲフィルタ等に供給して残響信号を生成してスピーカから出力し、再びマイクで収音することを繰り返すことにより、小空間の室内においてもホール等の大空間にいるような音場感を創出することができる音場支援装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、オーディオ信号を入力し、当該オーディオ信号に基づいて効果音信号を生成して聴取位置の周囲に設置された複数のスピーカから出力することで、仮想音源が生成されたような音場を実現する音場支援装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−０６９２８０号公報 特開２０１１−２１７０６８号公報

しかし、従来の音場支援装置では、スピーカからの直接音が聴取者に到達するため、当該スピーカの位置に音像が定位することにより、不自然さが生じることがあった。また、特許文献２の装置のような方式では、再生機器等から複数のスピーカのそれぞれに対して、オーディオ信号を入力するために煩雑な配線を施す必要があった。

そこで、本発明は、スピーカの音像の定位感の不自然さをなくし、かつスピーカへの煩雑な配線が不要である音場支援装置を提供することを目的とする。

この発明の音場支援装置は、所定方向に音波が出力されないように指向特性が制限されたスピーカと、前記指向特性が制限された方向に配置されたマイクと、前記マイクで収音した音声を表す音声信号を入力し、当該入力した音声信号に基づく間接音成分を表す信号を生成して、前記スピーカから出力させる処理を行う信号処理部と、を備えたことを特徴とする。

このように、本発明の音場支援装置は、所定方向に音波が出力されないように指向特性が制限されたスピーカを用いるため、当該スピーカからの直接音を聴取位置にほとんど到達させないように配置することができる。この場合、当該スピーカへの音像の定位による不自然さがなく、部屋全体で間接音成分（初期反射音および残響音）が響くような音場を提供することができる。また、マイクで収音した音声に基づく間接音成分を表す信号を生成し、スピーカから出力するため、再生機器等からオーディオ信号を入力する必要がなく、再生機器等を接続する配線が不要になる。

上記指向特性が制限されたスピーカは、例えば、平面状の音波を出力する平面スピーカや、円筒状の音波を出力する線音源スピーカが考えられる。平面スピーカである場合、当該平面スピーカの振動膜と同一平面内にマイクを配置すると、平面スピーカから出力された音をマイクで収音することがほとんどないため、ハウリングを劇的に抑制することができる。また、線音源スピーカである場合、当該円筒状の音波が出力される中心軸の方向にマイクを配置すると、線音源スピーカから出力された音をマイクで収音することがほとんどないため、ハウリングを劇的に抑制することができる。

また、マイクは、指向性マイクであることが好ましい。当該指向性マイクを音源に向けることで、高いＳＮ比で当該音源の音を収音することができ、より効果的に音場支援を行うことができる。

なお、スピーカの音声出力方向に壁面が配置されるように構成することで、スピーカから出力された間接音成分が壁面に反射して聴取位置に到達するため、より効率的に音場を提供することができる。

この発明によれば、スピーカの定位感がなく、部屋全体で響くような音場を提供することができる。また、再生装置等からオーディオ信号を供給する必要がなく、再生機器等を接続する配線が不要になる。

音場支援システムを設置した室内の概略図である。 音場支援装置の外観図である。 音場支援装置の構成を示すブロック図である。 音源および音場支援装置から出力された音声の経路を示した概略図である。 線音源スピーカの外観図である。 変形例１に係る音場支援装置の外観図およびブロック図である。 変形例２に係る音場支援装置のブロック図である。 図８（Ａ）は、変形例３に係る音場支援装置のブロック図であり、図８（Ｂ）は、変形例４に係る音場支援装置のブロック図である。 演奏者の周囲に音場支援システムを設置した場合の概略図である。

図１は、音場支援システムを設置した室内の概略図である。音場支援システムは、聴取位置の周囲に設置された音場支援装置１からなる。

図１において、聴取位置１００の前方には、コンテンツを視聴するためのディスプレイ５０およびメインスピーカ５１が設置されている。この例では、ディスプレイ５０の左右に２つのメインスピーカ５１を設置し、それぞれのメインスピーカ５１に、左チャンネルおよび右チャンネルの音声を出力させる例を示すが、センタチャンネルスピーカやサラウンドスピーカを設置し、さらに多数チャンネルの音声を出力させる態様も可能である。

聴取位置１００の左右には、音場支援装置１が設置されている。音場支援装置１は、図２に示すように、外観上、底面が床に接する平板状のスタンド２１と、スタンド２１の上面から鉛直上向きに延びる支柱２２と、当該支柱２２に取り付けられたマイク１１と、支柱２２により側面が支持される平板フレーム２３と、平板フレーム２３の中央部に設けられた平面スピーカ１３と、からなる。

平板フレーム２３は、薄い板形状であり、中央部が開口している。この開口部分に平面スピーカ１３が設けられている。平面スピーカ１３は、シート状の振動膜を２つの固定電極板の間に挟みこんだ構造になっている。平面スピーカ１３は、振動膜および固定電極板に電圧を印可しておき、固定電極板への印可電圧を変化させることで静電力を変化させる。この静電力の変化により振動膜を振動させ、音を出力する。

平面スピーカ１３は、所定方向に音波が出力されないように指向特性が制限されたスピーカである。平面スピーカ１３は、振動膜全体が振動するため、出力される音波が平面状の音波となる。したがって、平面スピーカ１３は、正面方向および背面方向（すなわち振動膜の法線方向）には、強い指向性を有する音波を出力し、正面方向および背面方向から離れるに従って急激に音圧レベルが低下し、振動膜と同一平面上（ただし振動膜の面上は除く。）にはほとんど音波が出力されない。したがって、振動膜と同一面上（ただし振動膜の面上は除く。）に配置されているマイク１１には、平面スピーカ１３から出力された音波がほとんど入射することがない。

なお、平面スピーカ１３の正面および背面方向には、それぞれ逆位相の音が出力されるため、指向性の弱い周波数帯域、特に低周波数帯域の音波がマイク１１に回り込んだとしても、振動膜と同一面上に存在するマイク１１の位置では、平面スピーカ１３の正面方向および背面方向に出力された音波が、互いに打ち消し合うことになる。このため、平面スピーカ１３からマイク１１に直接入射する音波はほとんどない。

なお、マイク１１の設置位置は、図２に示す位置に限らず、支柱２２のどの位置に設置されていてもよい。また、平板フレーム２３またはスタンド２１に設置する態様であってもよい。すなわち、平面スピーカ１３の振動膜と同一平面上に配置されればよい。

次に、図３は、音場支援装置１の構成を示すブロック図である。音場支援装置１は、上記マイク１１および平面スピーカ１３に加えて、ＤＳＰ１２および制御部１４を備えている。ＤＳＰ１２および制御部１４は、たとえばスタンド２１の筐体内に内蔵されている。なお、本実施形態においては、Ｄ／ＡコンバータやＡ／Ｄコンバータ等は省略し、音場支援装置１内を伝送する信号は、特に記載がない限り、すべてデジタル信号であるものとして説明する。

制御部１４は、音場支援装置１を統括的に制御する機能部であり、ＲＯＭ（不図示）等の媒体に記憶されたプログラムをＲＡＭ（不図示）に展開することで種々の動作を行う。

ＤＳＰ１２は、本発明の信号処理部に相当し、マイク１１で収音された音声を表す音声信号を入力し、当該入力された音声信号に基づく間接音成分（初期反射音および残響音）を表す信号を生成する。例えば、ＤＳＰ１２は、入力された音声信号に反射音信号を畳み込み処理して出力することにより、初期反射音および残響音を生成する。このような処理は、例えば、ＦＩＲフィルタによって実現される。反射音信号の遅延時間、レベル、およびタップ数等のパラメータは、制御部１４によって設定される。

ＤＳＰ１２で生成された間接音成分の信号は、平面スピーカ１３から音波として出力される。このようにして、ＤＳＰ１２は、メインスピーカ５１から出力した音を含む空間内の音をマイク１１で収音して出力した音声信号を入力し、当該入力した音声信号に基づく間接音成分を表す音声信号を生成して、平面スピーカ１３から当該空間内に出力させる処理を行う。図４は、音源（メインスピーカ５１）および音場支援装置１から出力された音波が伝搬する様子を、図１に示した室内の上方から模式的に示した図である。

図４の例では、音源であるメインスピーカ５１から放射されたオーディオ音は、音場支援装置１のマイク１１で収音され、ＤＳＰ１２で生成された間接音成分の信号に応じた音波として平面スピーカ１３から出力される。上述のように、平面スピーカ１３は、正面方向および背面方向へ強い指向性を有する音波を出力するため、振動膜と同一平面上には、ほとんど音波を出力しない。したがって、図４に示すように、平面スピーカ１３の振動膜と同一面上（あるいはその近傍）に聴取位置１００が配置されている場合、平面スピーカ１３から聴取位置１００に直接到達する音（すなわち直接音）はほとんどなく、主に室内の壁面や天井等で反射した反射音が聴取位置１００に到達することになる。

したがって、聴取位置に存在するユーザは、主に室内の壁面や天井等で反射した反射音（すなわち、音場支援装置１が生成した間接音成分の反射音）を聴くことになる。このため、ユーザは、平面スピーカ１３自体の定位を感じることがなく、音場支援装置１が生成した間接音成分が室内全体で響いているように知覚することになる。以上より、小空間の室内においても、部屋全体が大空間のホールのように響く音場を実現することができる。

また、音場支援装置１は、マイク１１が平面スピーカ１３の振動膜と同一平面内に配置されているため、平面スピーカ１３の出力音波がマイク１１に回り込むことがなく、ハウリングを抑制することができる。なお、マイク１１は、無指向性マイクであってもよいが、指向性マイクであることが好ましい。指向性マイクである場合、当該指向性マイクの感度が最大となる方向を音源であるメインスピーカ５１の方向に向けることで、高いＳＮ比で音源の音声を収音することができ、さらに効果的に音場支援を行うことができる。

また、音場支援装置１は、マイク１１で収音した音声に基づく間接音成分（初期反射音および残響音）を生成し、平面スピーカ１３から出力する構成であるため、再生機器等からオーディオ信号を入力する必要がなく、再生機器等を接続する配線が不要になる。

また、楽器や人の声等を音源として間接音成分を生成することも可能であるため、ユーザは、図９に示すように、楽器の演奏者や聴取位置の周囲に音場支援装置１を置くだけで、演奏者本人または他の演奏者が演奏する楽器の演奏音や歌唱音を、大ホールに居るかのような音場で知覚することができる。

なお、図１および図４に示した例では、２つの音場支援装置１を、ユーザの聴取位置１００を挟んで対にして設置する例を示したが、さらに多数設置する態様も可能であるし、１つだけ設置する態様も可能である。

また、図１乃至図４においては、所定方向に音波が出力されないように指向特性が制限されたスピーカとして、平面スピーカを用いる例を示したが、他の方式のスピーカを用いることも可能である。例えば、図５に示すような線音源スピーカを用いることも可能である。

図５は、線音源スピーカ５の外観図である。図２に示した平面スピーカ１３と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す線音源スピーカ５から出ている９本の矢印付きの線は、線音源スピーカ５から放射される音波の伝搬方向を表す。

線音源スピーカ５は、２枚の長方形状の振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂの一辺同士を所定の面で合わせて接合し、振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂが接合された側とは反対側の他方の辺をそれぞれ剛体壁で支持して、２枚の振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂが、図中上下方向に放射形状に開いた形状に配置したものである。２枚の振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂを接合した面にはボイスコイル５４が配置され、当該ボイスコイル５４を磁石（不図示）で挟み込むことで磁気回路が形成される。そして、当該ボイスコイル５４に音声信号を入力することで振動板５３が振動し、線音源スピーカ５から音波が放射される。このような線音源スピーカ５は、例えばリッフェル型スピーカと呼ばれるものである。

この場合、振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂの図５における上下方向には１８０度近い広い指向性の音波を放射する一方、振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂ同士が接合されている軸方向（図５における左右方向）には振動板５３Ａおよび振動板５３Ｂの左右方向の幅程度に制限された狭い指向性の円筒状の音波を放射する。したがって、線音源スピーカ５は、図５における左右方向に所定の長さを持つ線音源とみなせる。

したがって、線音源スピーカ５を、聴取位置１００の左右に配置し、円筒状の音波が出力される中心軸の方向を聴取位置１００に向けて設置すれば、図１乃至図４に示した例と同様に、聴取位置１００には、線音源スピーカ５からの直接音（オーディオ音の間接音成分）がほとんど到達することはなく、主に室内の壁面や天井等で反射した反射音が聴取位置１００に到達することになる。

なお、線音源スピーカ５が設置される高さは、聴取位置１００と同じ程度に限らず、例えば天井や床に近い高さであってもよい。線音源スピーカ５は、上下方向には１８０度近い広い指向性の音波を放射するため、聴取位置周囲の天井や床に近づけると、天井や床への音の放射が増えるため、天井や床からの反射音がより多くなる。その結果、より効率的に間接音成分（初期反射音および残響音）が響くような音場を提供することができる。

また、この例では、マイク５５は、円筒状の音波が出力される中心軸上に配置されているため、当該線音源スピーカ５から出力されてマイク５５に回り込む音は非常に少なく、ハウリングを抑制することができる。

また、この例では、上下方向に広く音波を放射するため、天井や床面方向からの反射音（すなわち、オーディオ音の間接音成分が天井や床面で反射した反射音）がより多く含まれることになり、部屋全体で響くような音場を提供できる。

また、線音源スピーカ５の背面同士を向かい合わせて２台設置すると、正面方向および背面方向に音を出力することになり、図１乃至図４に示した例と同様に、室内全体から間接音成分がより多く響くような音場を提供することができる。

次に、図６（Ａ）は、変形例１に係る音場支援装置１Ｂの外観図であり、図６（Ｂ）は、変形例１に係る音場支援装置１Ｂのブロック図である。変形例１に係る音場支援装置１Ｂは、複数のマイク（マイク１１Ａ、マイク１１Ｂおよびマイク１１Ｃ）が支柱２２に設置されている。マイク１１Ａ、マイク１１Ｂおよびマイク１１Ｃは、すべて平面スピーカ１３の振動膜と同一平面内に配置されている。また、図６（Ｂ）に示すように、各マイクは、スイッチ１６に接続され、収音した音声に基づく音声信号をスイッチ１６に出力する。スイッチ１６の出力信号は、ＤＳＰ１２に入力される。その他の構成は、図２および図３で示した音場支援装置と同様である。

この場合、制御部１４は、スイッチ１６を制御し、ＤＳＰ１２に音声信号を入力するマイクを周期的に切り替える。スイッチ１６は、制御部１４から指示された一のマイクが収音した音声に基づく音声信号をＤＳＰ１２に出力する。これにより、音響的には、マイクの位置が周期的に移動したことと等価になり、周波数特性が平均化されるため、ハウリングをさらに抑制することができる。

次に、図７は、変形例２に係る音場支援装置１Ｃのブロック図である。変形例２に係る音場支援装置１Ｃは、ＤＳＰ１２が、機能的にイコライザ１２１および間接音生成部１２２を備えている。その他の構成は、図３で示した音場支援装置１と同様である。

間接音生成部１２２は、上述のように、入力された音声信号を遅延して出力することにより、間接音成分を生成する。イコライザ１２１は、入力された音声信号の周波数特性を変更するフィルタであり、ここでは、所定周波数帯域のゲインを抑制する処理を行う。抑制する所定周波数帯域は、音場支援装置の設置時に設定される。例えば、制御部１４は、スピーカ１３からホワイトノイズ等のテスト用音声を出力させ、マイク１１で収音した音声の周波数特性を測定する。そして、最もループゲインが高い周波数帯域のゲインを抑制するようにイコライザ１２１の特性を設定する。

このように、変形例２に係る音場支援装置は、入力した音声の周波数特性を制御し、特定の周波数帯域（ループゲインの高い帯域）のゲインを抑制することで、より効率的にハウリングを抑制することができる。

次に、図８（Ａ）は、変形例３に係る音場支援装置１Ｄのブロック図である。変形例３に係る音場支援装置１Ｄは、ユーザＩ／Ｆ１４１およびパラメータ記憶部１４２を備えている。その他の構成は、図３で示した音場支援装置１と同様である。

パラメータ記憶部１４２は、ＤＳＰ１２のパラメータ（遅延時間、レベル、およびタップ数等）を複数種類、記憶している。例えば、反射音の遅延時間が長く、レベルが高く、かつタップ数が多い設定（第１の音場効果の設定）、反射音の遅延時間が短く、レベルが低く、かつタップ数が少ない設定（第２の音場効果の設定）、およびその中間の設定（第
３の音場効果の設定）の３種類のパラメータが記憶されている。

ユーザＩ／Ｆ１４１は、切り替えスイッチ等であり、ユーザの切り替え操作に応じた操作信号を制御部１４に出力する。制御部１４は、ユーザＩ／Ｆ１４から切り替え操作に係る操作信号を入力した場合、パラメータ記憶部１４２に記憶されているＤＳＰ１２のパラメータを読み出し、ＤＳＰ１２の設定を切り替える。例えば、ユーザＩ／Ｆ１４から切り替え操作に係る操作信号を入力する度に、第１の音場効果の設定となっている場合は第２の音場効果の設定に切り替え、第２の音場効果の設定となっている場合は第３の音場効果の設定に切り替え、第３の音場効果の設定になっている場合は第１の音場効果の設定に切り替え、順次音場効果が変化するように切り替える。

音場効果の設定としては、例えば以下の方法がある。すなわち、音源が人の声を主体とする場合には、遅延時間を短く、レベルを低く、またはタップ数を少なく設定することにより、間接音成分が過度に強調されないようにするが好ましい。他方、音源が演奏音を主体とする場合には、遅延時間を長く、レベルを高く、またはタップ数を多く設定することにより、豊富な間接音成分を付与することが好ましい。遅延時間は、反射音の密度に対応するため、遅延時間を変更すると、ユーザは、空間の大きさが変更されたように知覚する。レベルは、室内の壁面等の吸音率に対応するため、レベルを変更すると、ユーザは、室内の建築材料が変更されたように知覚する。タップ数は、長い残響音の長さに対応するため、タップ数を変更すると残響時間が変更されることになる。

このようにして、変形例３に係る音場支援装置１Ｄでは、間接音成分の音響特性を切り替えることにより、使用環境や使用目的、あるいはユーザの好み等に合わせた適切な音場を提供することができる。

次に、図８（Ｂ）は、変形例４に係る音場支援装置１Ｅのブロック図である。変形例４に係る音場支援装置１Ｅは、パラメータ記憶部１４２を備え、その他の構成は、図３で示した音場支援装置１と同様である。

変形例４に係る制御部１４は、マイク１１で収音した音声を分析し、自動的にＤＳＰ１２の設定を切り替える動作を行う。例えば、コンテンツの音声において、人の聴感上聞こえ難い帯域、すなわち可聴周波数の上限付近の帯域（例えば１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ付近の帯域）にＤＳＰ１２のパラメータを指定する情報（識別情報ＩＤ）に対応する信号を重畳しておき、制御部１４が当該識別情報ＩＤを検出した場合、当該識別情報ＩＤに応じたパラメータをパラメータ記憶部１４２から読み出して、ＤＳＰ１２に設定する。あるいは、制御部１４は、特定の周波数帯域の音、例えばピアノやギター等の楽器に特有の信号成分（倍音成分等）を抽出した場合に、その楽器に適した音場を実現するためのパラメータを読み出して、ＤＳＰ１２に設定する。

これにより、例えばコンテンツが洞窟の映像シーンであれば洞窟の音場を再現する設定を行う等、コンテンツの映像シーンに合わせて、適切な音場を提供することができる。

なお、この例では、制御部１４がソフトウェア処理で音声信号の分析を行う例を示したが、別途、分析を行うためのハードウェア（ＤＳＰ）を用意してもよい。

なお、変形例１乃至変形例４は、複数の例を組み合わせて実施することも可能である。無論、全てを組み合わせて実施することも可能である。

また、変形例１乃至変形例４は、図５に示した線音源スピーカにも適用可能である。

１…音場支援装置
１１…マイク
１２…ＤＳＰ
１３…平面スピーカ
１４…制御部
１６…スイッチ
２１…スタンド
２２…支柱
２３…平板フレーム
５０…ディスプレイ
５１…メインスピーカ

Claims (6)

1. 所定方向に音波が出力されないように指向特性が制限されたスピーカと、
   前記指向特性が制限された方向に配置されたマイクと、
   前記マイクで収音した音声を表す音声信号を入力し、当該入力した音声信号に基づく間接音成分を表す信号を生成して、前記スピーカから出力させる処理を行う信号処理部と、
   を備えた音場支援装置。
2. 前記スピーカは、平面状の音波を出力する平面スピーカであり、
   前記マイクは、前記平面スピーカの振動膜と同一平面内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の音場支援装置。
3. 前記スピーカは、円筒状の音波を出力する線音源スピーカであり、
   前記マイクは、前記線音源スピーカの前記円筒状の音波が出力される中心軸と同一軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の音場支援装置。
4. 前記マイクは、指向性マイクであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の音場支援装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の音場支援装置を聴取位置の周囲に設置してなる音場支援システムであって、
   前記スピーカの音声出力方向に壁面が配置されるように構成されたことを特徴とする音場支援システム。
6. 前記スピーカの指向特性が制限された位置に聴取位置が配置されるように構成されたことを特徴とする請求項５に記載の音場支援システム。

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