JP2016136656A - 局所音場を生成するスピーカーシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】局所音場を生成するための新規なスピーカーシステムを提供する。【解決手段】本発明によれば、アレイ面に複数のサブスピーカーを分散配置してなるスピーカーアレイを備えるスピーカーシステムであって、各前記サブスピーカーに固有の信号処理部と、入力された音声信号を各前記信号処理部に出力する信号分配部と、主音量を各前記信号処理部に設定する主音量設定部と、を含み、各前記信号処理部は、設定された前記主音量に所定の音量重み係数を乗じてなるサブ音量に応じた増幅率で前記信号分配部から入力される音声信号を増幅するための信号増幅部と、前記信号増幅部が増幅した音声信号の位相を必要に応じて１８０度遅延させる補正を実施するための位相補正部と、を含むスピーカーシステムが提供される。【選択図】図１０

Description

本発明は、スピーカーシステムに関し、より詳細には、局所音場を生成するためのスピーカーシステムに関する。

スピーカから発せられる音声は、それを必要としない人にとっては騒音と感じられる場合がある。例えば、踏切の警報音は、踏切を渡ろうとする人や車にとっては重要な意味を持つ音声情報であるが、踏切の近くに住む住人にとっては耐え難い騒音となる。アパートやマンションなどの共同住宅におけるテレビやオーディオの音もまた然りである。つまり、多くの場合、スピーカーから発せられる音声は、スピーカーから遠く離れた場所になるべく伝播させないようにすることが望ましいのである。

この点に関し、特定のエリア内でのみ音が大きな音圧を維持し、エリアの外では音圧が急峻に減衰する、いわゆる“局所音場”を生成するためのスピーカーシステムについて種々研究がなされている。例えば、非特許文献１は、局所音場を生成する目的で、双指向性スピーカーを平面上に並べたスピーカーアレイを用いて急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント波を再生するスピーカーシステムを開示する。

一方、非特許文献２は、矩形平板を加振した際に発生する振動放射音のキャンセレーション・メカニズムを開示する。

伊藤弘章，古家賢一，羽田陽一，平面スピーカアレーを用いたエバネッセント波再生手法の検討，電子情報通信学会技報，Vol.131(2011),pp29-34 田中信雄，菊島義弘，黒田雅治，振動放射音の制御に関する研究，日本機械学会論文集（Ｃ編），57巻537号(1991-5)，pp94-101

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、局所音場を生成するための新規なスピーカーシステムを提供することを目的とする。

本発明者は、音場を局所化する新たな手法につき鋭意検討する中で、矩形平板に発現する音のキャンセレーション現象（非特許文献２）に着目し、矩形平板の振動モードをスピーカーアレイで模擬すれば、任意周波数の局所音場を生成することができるのではないかという着想を得た。そして、この着想から以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、アレイ面に複数のサブスピーカーを分散配置してなるスピーカーアレイを備えるスピーカーシステムであって、各前記サブスピーカーに固有の信号処理部と、入力された音声信号を各前記信号処理部に出力する信号分配部と、主音量を各前記信号処理部に設定する主音量設定部と、を含み、各前記信号処理部は、前記信号分配部から入力される音声信号を増幅するための信号増幅部と、前記信号増幅部が増幅した音声信号の位相を１８０度遅延させる補正を実施するための位相補正部と、を含み、各前記信号増幅部に、前記アレイ面と同寸法の平板にＶＶＣ分布を励起させた場合における前記サブスピーカーの振動面に対応する該平板の振動領域の振幅の代表値を正規化した値を音量重み係数として設定し、各前記位相補正部に、前記平板に前記ＶＶＣ分布を励起させた場合における前記サブスピーカーの振動面に対応する該平板の振動領域の変位方向に応じて、該ＶＶＣ分布に係る２つのグループのいずれかを設定し、前記信号増幅部は、設定された前記主音量に前記音量重み係数を乗じてなるサブ音量に応じた増幅率で入力された音声信号を増幅し、前記位相補正部は、一方のグループが設定されている場合にのみ音声信号の補正を実施する、スピーカーシステムが提供される。

上述したように、本発明によれば、局所音場を生成するための新規なスピーカーシステムが提供される。

矩形のアルミ平板を加振させた場合の音響放射パワーおよび体積速度と加振周波数の関係を示す図。 矩形のアルミ平板を加振させた場合の振動変位分布と放射音圧分布を示す図。 (1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布における反共振周波数 77 Hzの正弦波音のエネルギーの時間平均流量の数値解析結果を示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの外観図。 スピーカーアレイを使用して局所音場を生成する方法を示すフローチャート。 本実施形態のスピーカーシステムのアレイ面およびこれと同寸法の平板を示す図。 音量重み係数を定義しグループを決定する方法を説明するための概念図。 本実施形態のスピーカーシステムのサブスピーカーについて定義された音量重み係数のヒストグラムを示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの正弦波音（周波数100 Hz）の放射音圧分布を示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの実装構成を示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの正弦波音（周波数400 Hz）の放射音圧分布を示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの正弦波音（周波数400 Hz、600 Hz、800 Hz）の放射音圧分布を示す図。 矩形のアルミ平板に励起する１０種類のＶＶＣ分布の振動変位分布を示す図。 矩形のアルミ平板に励起する１０種類のＶＶＣ分布の音響放射効率の周波数特性を示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの実装構成を示す図。 ３種類のＶＶＣ分布の音響放射パワーの周波数特性を示す図。 本実施形態のスピーカーシステムの実装構成を示す図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

最初に、本発明のスピーカーシステムの基本思想について説明する。

図１（ａ）は、矩形のアルミ平板（0.575 m ×0.945 m ×2 mm、損失係数η=0.001）の周辺を単純支持した状態で中央の一点を加振した際に、当該平板より放射される音響放射パワーおよび当該平板の体積速度（振動速度を板全面で積分した値）と加振周波数の関係（数値解析結果）を示す。図１（ａ）に示すように、平板の振動においては、平板が持つ複数の固有振動数に一致する加振周波数において音響放射パワーのピークが観察されるが、この音響放射パワーの１次と２次のピークの後の加振周波数において音響放射パワーと体積速度が共に極小になっている。

続いて、図１（ｂ）は、上述した平板に(1,1)モードと(1,3)モードのみを励起させた場合の、当該平板より放射される音響放射パワーおよび当該平板の体積速度と加振周波数の関係（数値解析結果）を示す。図１（ｂ）においては、(1,1)モードの共振を示す１次のピークと(1,3)モードの共振を示す２次のピークの後の加振周波数77 Hzにおいて、音響放射パワーと体積速度が共に極小になっていることが見て取れる。このことから、平板の振動において、音響放射パワーと体積速度が共に極小になる現象は、２つの異なる奇数次モードの連成によるものと考えられる。以下においては、この現象を「反共振」と呼び、反共振が発現する平板の加振周波数を「反共振周波数」と呼び、２つの異なる奇数次の振動モードが連成した振動分布を「ＶＶＣ分布（VVC：Volume Velocity Cancelled）」と呼ぶ。

次に、平板にＶＶＣ分布のみを励起させた場合の音の減衰について検討する。

図２（ａ）は、上述した平板に(1,3)モード（固有振動数64 Hz）を励起させた場合の振動変位分布（上段）と正弦波音（周波数77 Hz）の放射音圧分布（下段）の数値解析結果を示し、図２（ｂ）は、上述した平板に(1,1)モードと(1,3)モードのＶＶＣ分布（反共振周波数77 Hz）を励起させた場合の振動変位分布（上段）と正弦波音（反共振周波数77 Hz）の放射音圧分布（下段）の数値解析結果を示す。図２（ａ）の放射音圧分布は、ＶＶＣ分布の放射音圧との比較のため、（1,3）モードのみを使用し、VVC分布が励起される周波数と同じ77Hzで加振したものを示す。なお、以下においては、(1,1)モードと(1,3)モードのＶＶＣ分布を(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布という（他の振動モードの組み合わせについても同様）。

図２（ａ）（ｂ）の上段を見比べると、(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布の振動変位分布は、(1,3)モードのそれに比べて中央ノーダルエリアの振幅が増幅され、体積速度が０になっていることが見て取れる。一方、平板から放射された77 Hzの正弦波音の音圧について、図２（ａ）（ｂ）の下段を見比べると、(1,3)モードでは、平板から0.3 mの観測点で74 dB、1.3 mの観測点で67 dBのレベルを示しており、1 mで7 dBの減衰が生じているのに対し、(1,1)＋(1,3) VVC分布では、平板から0.3 mの観測点で74 dB、1.3 mの観測点で48 dBを示しており、1 mで26 dBの減衰が生じていることが見て取れる。

一方、図３は、(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布における反共振周波数 77 Hzの正弦波音のエネルギーの時間平均流量の数値解析結果を示す。図３から、(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布において、平板の中央部から放射される音のエネルギーが平板の左右の領域において吸い込まれる現象が生じていることが見て取れる。つまり、平板にＶＶＣ分布を励起させた場合、当該ＶＶＣ分布に係る反共振周波数の音は、平板近傍で大幅に減衰して遠距離場まで伝播しない。

これは、ＶＶＣ分布に係る反共振周波数の音について局所音場が生成されることを意味するが、広い周波数に渡って平板にＶＶＣ分布のみを励起させることは通常不可能であり、実際の自然現象では、他の振動モードに係る音の影響で局所音場は生成されない。この点につき、本発明は、スピーカーアレイを使用して所望のＶＶＣ分布を模擬することによって任意周波数の局所音場を生成しようとするものである。なお、ここでは、矩形の平板を例にとってＶＶＣ分布による局所音場の発現原理を説明したが、ＶＶＣ分布による局所音場は、円形、楕円形、多角形など、矩形以外の形状の平板においても発現することに留意されたい。

以上、本発明の基本思想について説明してきたが、続いて、本発明のスピーカーシステムを実施形態に基づいて説明する。

図４は、本発明の実施形態であるスピーカーシステム１００の外観を示す。本実施形態のスピーカーシステム１００は、矩形のアレイ面１０２に複数のサブスピーカー１０を分散配置してなるスピーカーアレイと、各サブスピーカーの音量と振幅の位相を独立制御するための機構（図示せず）を備える。図４に示す例の場合、スピーカーシステム１００は、２１個の等価なコーン型のサブスピーカー１０が３×７のマトリックス状にエンクロージャに埋め込まれている。ただし、本発明は、サブスピーカー１０をコーン型に限定するものではなく、振動面が小さく且つ振動面が分割振動しないものであれば、ホーン型、平面型などの他の形式のスピーカーを採用してもよい。また、本発明は、サブスピーカー１０の数および配置態様を限定するものではなく、本発明の目的を達成するのに十分な数のサブスピーカー１０を略均等に分散配置するものであればよい。

以上、本実施形態のスピーカーシステム１００の外観構成を説明したが、続いて、スピーカーアレイを使用して局所音場を生成する方法を図５に示すフローチャートに基づいて説明する。

（ステップ１）
ステップ１では、スピーカーシステム１００のアレイ面１０２と同寸法の平板を定義する。図６（ａ）に示すように、スピーカーシステム１００のアレイ面１０２が0.575 m ×0.945 mの矩形の平面であり、アレイ面１０２に対して半径0.0275 mのサブスピーカー１０が所定の間隔（長辺方向：0.135 m、長辺方向：0.27 m）をおいて配置されている場合、ステップ１では、図６（ｂ）に示すように、アレイ面１０２と同じ面積・形状を有する平板３０を定義する。なお、仮に、アレイ面１０２が矩形以外の形状（円形、楕円形、多角形など）を有する場合は、ステップ１で、その形状を有する平板を定義する。

（ステップ２）
ステップ２では、平板３０を所定の境界条件で加振して所望のＶＶＣ分布のみを励起させた場合における平板３０の振動変位を計算し、平板３０の振動変位分布を求める。以下、境界条件として単純支持を採用した場合を例にとって平板３０の振動変位の計算手順を説明する。なお、境界条件は、単純支持に限定されないことはいうまでもない。

無限大バフルに埋め込まれた単純支持矩形平板に加振力が作用した場合の平板の運動方程式は下記式（１）のように記述することができる。

なお、平板の曲げ剛性Ｄは下記式（２）により求まる。

ここで、外力fが正弦波力として平板の(ξ₁ , η₁)点に作用する時、外力fは下記式（３）として記述することができ、平板変位も同様に変数分離形式で下記式（４）として記述することができる。

次に，上記式（３）および（４）を上記式（１）に代入すると、運動方程式は下記式（５）のようになる。したがって、平板振動変位は、運動方程式の解として下記式（６）として記述することができ、振動速度は下記式（７）となる。

ここで、上記式（６）における、φ_mn，ω_mnは(m，n)次固有関数とその固有角周波数であり、それぞれ、下記式（８）および（９）のように表される。

（ステップ３）
ステップ３では、ステップ２で求めた平板３０の振動変位分布に基づいて各サブスピーカー１０の振動面に対応する平板３０の振動領域の振幅の代表値を算出する。なお、以下では、ステップ２において、平板３０に(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布のみを励起させた場合の振動変位分布を求めた場合について検討する。

図７（ｂ）は、平板３０に(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布のみを励起させた場合の振幅最大時の振動変位分布を示す。ここで、振動変位分布は、Ｚ軸方向に正負の値が定義されており、Ｚ軸の正方向はスピーカーシステム１００の出音方向に相当する。なお、図７（ｂ）に示す振動変位分布は、平板３０の左右領域が負方向に最大限変位し、中央領域が正方向に最大限変位した瞬間の変位分布を表すものであり、この半周期後には、左右領域と中央領域の変位の方向が反転する。

ステップ３では、まず、図７（ａ）において、平板３０上に破線の円で示すように、スピーカーシステム１００の２１個のサブスピーカー１０の振動面に対応する２１個の振動領域を平板３０上に定義する。例えば、スピーカーシステム１００の５番目のサブスピーカー１０の場合、当該サブスピーカー１０の振動面に対応する平板３０の振動領域は、当該サブスピーカー１０のコーンの開口部と同寸法の円形領域Ｒ５がこれに相当する。

次に、定義した各振動領域内の複数の観測点Ｓ（x,y）における振幅（z）を図７（ｂ）に示す振動変位分布から求め、得られた複数の振幅（z）の代表値を算出する。ここで、代表値とは、例えば、得られた複数の振幅（z）の平均値である。

（ステップ４）
ステップ４では、ステップ３で求めた振動領域の変位方向に応じて当該振動領域に対応するサブスピーカー１０を２つのグループに分ける。具体的には、図７（ｂ）に示す振動変位分布に基づいて各振動領域の振幅の代表値を算出した場合、５番目のサブスピーカー１０に対応する振動領域Ｒ５の代表値は負の値を取るので、振動領域Ｒ５の変位方向は負方向であり、１１番目のサブスピーカー１０に対応する振動領域Ｒ１１の代表値は正の値を取るので、振動領域Ｒ１１の変位方向は正方向である。この場合、例えば、１１番目のサブスピーカー１０の帰属を第１のグループとし、５番目のサブスピーカー１０の帰属を第２のグループとする。他のサブスピーカー１０についても、同様の観点から、第１または第２のグループのいずれかに分ける。

（ステップ５）
ステップ５では、ステップ３で求めた２１個の振動領域の振幅の代表値を適切な方法で正規化してサブスピーカー１０の音量重み係数αを定義する。具体的には、各振動領域の代表値から正負の符号を取って絶対値とし、例えば、各絶対値を２１個の絶対値の中の最大値で割って正規化し、その正規化した値を当該振動領域に対応するサブスピーカー１０の音量重み係数αとする。

（ステップ６）
ステップ６では、スピーカーシステム１００に設定された主音量に各サブスピーカー１０の音量重み係数αを乗じた値を当該サブスピーカー１０の音量として決定する。例えば、スピーカーシステム１００の主音量が「1」に設定された場合、音量重み係数αが「0.5」に定義されたサブスピーカー１０の音量は、「1×0.5=0.5」に設定される。なお、以下においては、サブスピーカー１０の音量を「サブ音量」という。

（ステップ７）
最後に、ステップ７では、ステップ６で設定した音量でサブスピーカー１０から音声を出力する。このとき、第１のグループに属するサブスピーカー１０への入力音声信号と第２のグループに属するサブスピーカー１０への入力音声信号の位相が１８０度ずれるように制御して各サブスピーカー１０から音声を出力する。

図８は、スピーカーシステム１００のスピーカーアレイを構成する２１個のサブスピーカー１０について定義された音量重み係数αのヒストグラムを示す。なお、図８は、スピーカーシステム１００の主音量が「1」に設定された場合に２１個のサブスピーカー１０の音量に設定されるサブ音量のヒストグラムとして見ることもできる。なお、図８においては、棒グラフがゼロ平面の上下に伸びているが、これは、第１のグループ（Ｇ１）に属する９個のサブスピーカー１０（符号７〜１２）への入力音声信号と第２のグループ（Ｇ２）に属する１２個のサブスピーカー１０（符号１〜６、符号１６〜２１）の振動の位相が１８０度ずれていることを表している。

図９は、図６（ａ）に示すスピーカーシステム１００を上述した方法で制御した場合の周波数100 Hzの正弦波音の放射音圧分布の数値解析結果を示す。なお、図９に示す●はサブスピーカー１０の配置位置に対応している（後の図１１、１２において同様）。図９に示すように、スピーカーシステム１００のアレイ面から放射された周波数100 Hzの正弦波音の音圧がアレイ面から0.3 mの観測点で67 dB、1.3 m離れた観測点では43 dBまで減衰しており、局所音場が生成されていることが見て取れる。ここで、留意すべきは、スピーカーシステム１００の場合、(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布に係る反共振周波数77 Hzから外れた周波数100 Hzの音について局所音場が生成されている点である。

以上、本実施形態のスピーカーシステム１００を使用して局所音場を生成する方法について説明してきたが、続いて、上述した方法を実現するための第１の実装形態について説明する。

図１０は、スピーカーシステム１００の第１の実装構成を示す。図１０に示すように、スピーカーシステム１００は、主音量設定部１１０と信号分配部１２０を備えている。さらに、スピーカーシステム１００は、２１個のサブスピーカー１０のそれぞれの前段に固有の信号処理部２０を備えており、各信号処理部２０は、信号増幅部２２、位相補正部２４およびパワーアンプ２６を備えている。

ここで、本実施形態においては、各サブスピーカー１０に対応する信号処理部２０の信号増幅部２２に当該サブスピーカー１０について定義された音量重み係数αを設定しておく。また、本実施形態においては、各サブスピーカー１０に対応する信号処理部２０の位相補正部２４に当該サブスピーカー１０が属するグループの識別子（以下、グループ識別子という）を設定しておく。

図１０に示す例では、サブスピーカー１０ａに対応する信号処理部２０の信号増幅部２２ａに音量重み係数αとして[0.1]が設定され、位相補正部２４ａにグループ識別子として[2]が設定されている。同様に、サブスピーカー１０ｂに対応する信号処理部２０の信号増幅部２２ｂに音量重み係数αとして[1.0]が設定され、位相補正部２４ｂにグループ識別子として[1]が設定されており、サブスピーカー１０ｃに対応する信号処理部２０の信号増幅部２２ｃに音量重み係数αとして[0.5]が設定され、位相補正部２４ｃにグループ識別子として[2]が設定されている。

スピーカーシステム１００の主音量が設定されると、これを受けて、主音量設定部１１０は、その設定量を２１個の信号処理部２０に対して一斉に設定する。一方、スピーカーシステム１００に音声信号が入力されると、これを受けて、信号分配部１２０は、その音声信号を２１個の信号処理部２０に対して同一信号を一斉に出力する。

各信号処理部２０に主音量設定部１１０から主音量が設定されると、信号増幅部２２は、設定された主音量に音量重み係数αを乗じた値をサブ音量として決定する。そして、信号増幅部２２は、信号分配部１２０から入力される音声信号を決定したサブ音量に応じた増幅率で増幅し、増幅した音声信号を後段の位相補正部２４に出力する。

図１０に示す例では、サブスピーカー１０ａの信号増幅部２２ａは、主音量設定部１１０から入力された主音量[5.0]に音量重み係数α[0.1]を乗じた値[0.5]をサブスピーカー１０ａのサブ音量として決定している。そして、信号増幅部２２ａは、信号分配部１２０から入力された音声信号を決定したサブ音量[0.5]に応じた増幅率で増幅し、増幅した音声信号を位相補正部２４ａに出力している。同様に、サブスピーカー１０ｂの信号増幅部２２ｂは、主音量[5.0]に音量重み係数α[1.0]を乗じた値[5.0]をサブスピーカー１０ｂのサブ音量として決定し、入力された音声信号をサブ音量[5.0]に応じた増幅率で増幅して位相補正部２４ｂに出力しており、サブスピーカー１０ｃの信号増幅部２２ａは、主音量[5.0]に音量重み係数α[0.5]を乗じた値[2.5]をサブスピーカー１０ｃのサブ音量として決定し、入力された音声信号をサブ音量[2.5]に応じた増幅率で増幅して位相補正部２４ｃに出力している。

一方、各信号処理部２０の位相補正部２４は、自身に設定されたグループ識別子に基づき、必要に応じて、信号増幅部２２から入力された音声信号の位相を遅延させる補正を行った後、当該音声信号を後段のパワーアンプ２６に出力する。これを受けて、パワーアンプ２６は、入力された音声信号を電流増幅してサブスピーカー１０に入力し、サブスピーカー１０は、入力された音声信号に基づいて音声を出力する。

図１０に示す例では、グループ識別子Ｇとして[2]が設定されている位相補正部２４ａおよび位相補正部２４ｃが入力された音声信号の位相を１８０度遅延させる補正を実施した後、補正後の音声信号をパワーアンプ２６ａおよびパワーアンプ２６ｃに出力する。一方、グループ識別子Ｇとして[1]が設定されている位相補正部２４ｂは、補正を実施せず、入力された音声信号をそのままパワーアンプ２６ｂに出力する。その結果、第１のグループ（Ｇ１）に属するサブスピーカー１０ｂへの入力音声信号と、第２のグループ（Ｇ２）に属するサブスピーカー１０ａおよび１０ｃへの入力音声信号の位相が１８０度ずれるようになる。

なお、同じ目的を達成するために、別法として、位相補正部２４ａおよび位相補正部２４ｃが補正を実施せず、位相補正部２４ｂが補正を実施するようにしてもよいことはいうまでもない。要するに、本実施形態においては、２つのグループ識別子のうち、いずれか一方のグループ識別子が設定された位相補正部２４のみが補正を実施し、他方のグループ識別子が設定された位相補正部２４は補正を実施しないようにすればよい。さらなる別法として、補正を実施しない方のグループ識別子が設定される位相補正部２４をそもそも最初から設けないようにしてもよい。

以上、スピーカーシステム１００の第１の実装形態を示す説明してきたが、続いて、第２の実装形態について説明する。

図１１は、図６（ａ）に示すスピーカーアレイを使用して反共振周波数77 Hzの(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布を模擬した場合の周波数400 Hzの正弦波音の放射音圧分布の数値解析結果を示す。図１１に示すように、スピーカーシステム１００のアレイ面から放射された周波数400 Hzの正弦波音の音圧がアレイ面から0.3ｍの観測点で71 dB、1.3 m離れた観測点で50 dBを示しており、図９に示した周波数100 Hzの正弦波音に係る結果（１ｍで26 dBの減衰）と比較して減衰作用が低下していることが見て取れる。このような減衰作用の低下は、模擬する(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布の曲げ波の波長に対して音の波長が短くなることで指向性が強くなることが原因と考えられる。

一方、図１２は、図６（ａ）に示すスピーカーアレイを使用して反共振周波数470 Hzの(1,5)＋(1,7) ＶＶＣ分布を模擬した場合の３種類の正弦波音（周波数400 Hz、600 Hz、800 Hz）の放射音圧分布の数値解析結果を示す。図１２に示す結果は、(1,5)＋(1,7) ＶＶＣ分布を模擬することで高周波数帯域（400 Hz 〜 800 Hz）の局所音場が生成されることを意味する。

一方、図１３は、図６（ｂ）に示す平板３０に１０種類の異なるＶＶＣ分布を励起させた場合の振動変位分布を示し、図１４は、各ＶＶＣ分布の音響放射効率の周波数特性を示す。図１４に示すように、連成する奇数次モードがより高次になるほど、音響放射効率がより高周波数側でノッチを打っている。

このことは、模擬するＶＶＣ分布の種類によって異なる周波数帯域の局所音場が生成されることを意味し、さらに、そこから、２以上のＶＶＣ分布を同時的に模擬すれば、より広い周波数帯域の局所音場が生成されることが導出される。

この点につき、以下では、２以上のＶＶＣ分布を同時的に模擬するためのスピーカーシステム１００の実装形態について説明する。

図１５は、低周波数帯域に対応する第１のＶＶＣ分布（例えば、反共振周波数77 Hzの(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布）と高周波数帯域に対応する第２のＶＶＣ分布（例えば、反共振周波数470 Hzの(1,5)＋(1,7) ＶＶＣ分布）を同時的に模擬するためのスピーカーシステム１００の実装形態を示す。なお、以下においては、図１０に示した要素と共通する内容については、適宜、その説明を省略する。

図１５に示すように、スピーカーシステム１００は、主音量設定部１１０、信号分配部１２０に加え、帯域分離部１３０を備えている。さらに、各信号処理部２０は、信号増幅部２２、位相補正部２４、パワーアンプ２６に加え、信号重畳部２８を備えている。

帯域分離部１３０は、スピーカーシステム１００に入力される音声信号を第１のＶＶＣ分布に対応する低周波数帯域成分と第２のＶＶＣ分布に対応する高周波数帯域成分に分離して信号分配部１２０に出力する。これを受けて、信号分配部１２０は、低周波数帯域成分および高周波数帯域成分を２１個の信号処理部２０に一斉に出力する。

ここで、各信号処理部２０は、２種類のＶＶＣ分布（すなわち、２種類の周波数帯域成分）に対応する２つの信号増幅部２２を備えており、第１の信号増幅部２２には、第１のＶＶＣ分布に係る振動変位分布に基づいて定義された音量重み係数αが設定され、第２の信号増幅部２２には、第２のＶＶＣ分布に係る振動変位分布に基づいて定義された音量重み係数αが設定される。

また、各信号処理部２０は、２つのＶＶＣ分布（すなわち、２種類の周波数帯域成分）に対応する２つの位相補正部２４を備えており、第１の位相補正部２４には、第１のＶＶＣ分布に係る振動変位分布に基づいて決定されたグループの識別子が設定され、第２の位相補正部２４には、第１のＶＶＣ分布に係る振動変位分布に基づいて決定されたグループの識別子が設定される。

図１５に示す例では、サブスピーカー１０ａに関し、第１の信号増幅部２２ａ−１に音量重み係数αとして[1.0]が設定され、第１の位相補正部２４ａ−１にグループ識別子として[1]が設定され、第２の信号増幅部２２ａ−２に音量重み係数αとして[0.5]が設定され、第２の位相補正部２４ａ−２にグループ識別子として[3]が設定されている。同様に、サブスピーカー１０ｂに関し、第１の信号増幅部２２ｂ−１に音量重み係数αとして[0.5]が設定され、第１の位相補正部２４ｂ−１にグループ識別子として[2]が設定され、第２の信号増幅部２２ｂ−２に音量重み係数αとして[1.0]が設定され、第２の位相補正部２４ｂ−２にグループ識別子として[4]が設定されている。

スピーカーシステム１００の主音量が設定されると、これを受けて、主音量設定部１１０は、その設定量を２１個の信号処理部２０に一斉に設定する。各信号処理部２０の２つの信号増幅部２２は、主音量設定部１１０から入力された主音量に基づいてサブ音量を決定する。

そして、第１および第２の信号増幅部２２は、それぞれ、入力された音声信号を決定したサブ音量に応じた増幅率で増幅し、増幅した音声信号を後段の位相補正部２４に出力する。

図１５に示す例では、サブスピーカー１０ａに係る第１の信号増幅部２２ａ−１は、主音量[5.0]に予め設定された音量重み係数α[1.0]を乗じた値[5.0]を低周波数帯域のサブ音量として決定し、信号分配部１２０から入力された低周波数帯域の音声信号を決定したサブ音量[5.0]に応じた増幅率で増幅して第１の位相補正部２４ａ−１に出力している。一方、サブスピーカー１０ａに係る第２の信号増幅部２２ａ−２は、主音量[5.0]に予め設定された音量重み係数α[0.1]を乗じた値[0.5]を高周波数帯域のサブ音量として決定し、信号分配部１２０から入力された高周波数帯域の音声信号を決定したサブ音量[0.5]に応じた増幅率で増幅して第２の位相補正部２４ａ−２に出力している。

同様に、サブスピーカー１０ｂに係る第１の信号増幅部２２ｂ−１は、主音量[5.0]に予め設定された音量重み係数α[0.1]を乗じた値[0.5]を低周波数帯域成分のサブ音量として決定し、信号分配部１２０から入力された低周波数帯域の音声信号を決定したサブ音量[0.5]に応じた増幅率で増幅して第１の位相補正部２４ｂ−１に出力している。一方、サブスピーカー１０ｂに係る第２の信号増幅部２２ｂ−２は、主音量[5.0]に予め設定された音量重み係数α[1.0]を乗じた値[5.0]を高周波数帯域成分のサブ音量として決定し、信号分配部１２０から入力された高周波数帯域の音声信号を決定したサブ音量[5.0]に応じた増幅率で増幅して第２の位相補正部２４ａ−２に出力している。

一方、各信号処理部２０の第１および第２の位相補正部２４は、それぞれ、第１および第２の信号増幅部２２から増幅後の音声信号が入力されると、自身に設定されたグループ識別子に基づき、必要に応じて、入力された音声信号の位相を遅延させる補正を実施した後、当該音声信号を後段の信号重畳部２８に出力する。

図１５に示す例では、グループ識別子Ｇとして[2]が設定されている位相補正部２４ａ−２および位相補正部２４ｂ−１が入力された音声信号の位相を１８０度遅延させる補正を実施する一方で、グループ識別子Ｇとして[1]が設定されている位相補正部２４ａ−１および位相補正部２４ｂ−２は、補正を実施せず、入力された音声信号をそのまま信号重畳部２８ａおよび２８ｂに出力する。

各信号処理部２０の信号重畳部２８は、第１の位相補正部２４から入力された低周波数帯域の音声信号と第２の位相補正部２４から入力された高周波数帯域の音声信号を重畳し、重畳した音声信号をパワーアンプ２６に出力する。

図１５に示す例では、信号重畳部２８ａは、第１の位相補正部２４ａ−１から入力された低周波数帯域の音声信号と第２の位相補正部２４ａ−２から入力された高周波数帯域の音声信号を重畳し、パワーアンプ２６ａに出力する。これを受けて、パワーアンプ２６ａは、入力された音声信号を電流増幅してサブスピーカー１０ａに入力し、サブスピーカー１０ａは、入力された音声信号に基づいて音声を出力する。同様に、信号重畳部２８ｂは、第１の位相補正部２４ｂ−１から入力された低周波数帯域の音声信号と第２の位相補正部２４ｂ−２から入力された高周波数帯域の音声信号を重畳し、パワーアンプ２６ｂに出力する。これを受けて、パワーアンプ２６ｂは、入力された音声信号を電流増幅してサブスピーカー１０ｂに入力し、サブスピーカー１０ｂは、入力された音声信号に基づいて音声を出力する。

その結果、第１のグループ（Ｇ１）に属するサブスピーカー１０ａへの入力音声信号の低周波数成分と、第２のグループ（Ｇ２）に属するサブスピーカー１０ｂへの入力音声信号の低周波数成分の位相が１８０度ずれるようになる。同じく、第１のグループ（Ｇ１）に属するサブスピーカー１０ｂへの入力音声信号の高周波数成分と、第２のグループ（Ｇ２）に属するサブスピーカー１０ａへの入力音声信号の高周波数成分の位相が１８０度ずれるようになる。

なお、図１０について説明したように、上述した態様に限らず、いずれか一方のグループ識別子が設定された位相補正部２４のみが補正を実施するようにすればよく、補正を実施しない方のグループ識別子が設定される位相補正部２４をそもそも最初から設けないようにしてもよい。

また、図１５は、紙面の都合上、帯域分離部１３０が音声信号を２つの周波数帯域に分離する態様を示したが、帯域分離部１３０が音声信号をＮ個（Ｎは２以上の整数）の周波数帯域成分に分離する場合は、各信号処理部２０に、Ｎ個の周波数帯域成分のそれぞれを増幅するためのＮ個の信号増幅部２２と、Ｎ個の信号増幅部が増幅した周波数帯域成分のそれぞれの位相を１８０度遅延させる補正を実施するためのＮ個の位相補正部２４が用意されることになる。なお、その場合の信号処理の内容については、当業者であれば、上述した説明内容から演繹的に理解するところであるので、これ以上の説明を省略する。

以上、スピーカーシステム１００の第２の実装形態について説明してきたが、次に、第３の実装形態について説明する。

図１６は、上述したスピーカーアレイでＶＶＣ分布を模擬した際の音響放射パワーの周波数特性を示し、図１６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、(1,1)＋(1,3) ＶＶＣ分布、(1,3)＋(1,5) ＶＶＣ分布および(1,5)＋(1,7) ＶＶＣ分布を模擬した場合の結果を示す。図１６に示すように、スピーカアレイでＶＶＣ分布を模擬した際の音響放射パワーは周波数が高くなるほど大きくなっており、周波数が高くなるほど音の減衰作用が小さくなることが見て取れる。

この点につき、以下では、模擬するＶＶＣ分布に係る音響放射パワーの周波数特性に応じて出力信号を平準化するためのスピーカーシステム１００の実装形態について説明する。

図１７は、スピーカーシステム１００の第３の実装形態を示す。なお、以下においては、図１５に示した要素と共通する内容については、適宜、その説明を省略する。

図１５において上述したように、各信号処理部２０は、２つのＶＶＣ分布（すなわち、２種類の周波数帯域成分）に対応する２つの信号増幅部２２を備えているところ、本実装形態においては、各信号増幅部２２の前段に平準化部２９が設けられる。ここで、平準化部２９は、周波数成分ごとに音の減衰作用がばらつくのを抑えるための機能部であり、信号分配部１２０から入力される入力信号に対して、模擬するＶＶＣ分布に係る音響放射パワーの周波数特性の逆数を乗算するフィルタとして機能する。

例えば、低周波数帯域（50〜400 Hz）の局所音場を(1,1)+(1,3) ＶＶＣ分布の模擬で実現する場合、平準化部２９ａ−１および平準化部２９ｂ−１は、図１６（ａ）に示す音響放射パワーの値を400 Hzの値（最大値）で除算した値の逆数を信号分配部１２０から入力される入力信号に掛け合わせる。例えば、高周波数帯域（400〜800 Hz）の局所音場を(1,5)+(1,7) ＶＶＣ分布の模擬で実現する場合、平準化部２９ａ−２および平準化部２９ｂ−２は、図１６（ｃ）に示す音響放射パワーの値を800 Hzの値（最大値）で除算した値の逆数を信号分配部１２０から入力される入力信号に掛け合わせる。

上述した第３の実装形態によれば、信号増幅部２２から出力される出力信号が平準化されるので、周波数成分ごとに音の減衰作用がばらつくことが抑制される。なお、図１７においては、平準化部２９を信号増幅部２２の前段に設ける構成を例示的に示したが、平準化部２９は、信号増幅部２２の後段に設けるようにしてもよいし、位相補正部２４の後段に設けるようにしてもよい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、スピーカーアレイを使用して任意周波数の局所音場を生成することができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…サブスピーカー
２０…信号処理部
２２…信号増幅部
２４…位相補正部
２６…パワーアンプ
２８…信号重畳部
２９…平準化部
３０…平板
１００…スピーカーシステム
１０２…アレイ面
１１０…主音量設定部
１２０…信号分配部
１３０…帯域分離部

Claims (8)

1. アレイ面に複数のサブスピーカーを分散配置してなるスピーカーアレイを備えるスピーカーシステムであって、
   各前記サブスピーカーに固有の信号処理部と、
   入力された音声信号を各前記信号処理部に出力する信号分配部と、
   主音量を各前記信号処理部に設定する主音量設定部と、
   を含み、
   各前記信号処理部は、
   前記信号分配部から入力される音声信号を増幅するための信号増幅部と、
   前記信号増幅部が増幅した音声信号の位相を１８０度遅延させる補正を実施するための位相補正部と、
   を含み、
   各前記信号増幅部に、前記アレイ面と同寸法の平板にＶＶＣ分布を励起させた場合における前記サブスピーカーの振動面に対応する該平板の振動領域の振幅の代表値を正規化した値を音量重み係数として設定し、
   各前記位相補正部に、前記平板に前記ＶＶＣ分布を励起させた場合における前記サブスピーカーの振動面に対応する該平板の振動領域の変位方向に応じて、該ＶＶＣ分布に係る２つのグループのいずれかを設定し、
   前記信号増幅部は、
   設定された前記主音量に前記音量重み係数を乗じてなるサブ音量に応じた増幅率で入力された音声信号を増幅し、
   前記位相補正部は、
   一方のグループが設定されている場合にのみ音声信号の補正を実施する、
   スピーカーシステム。
2. 前記ＶＶＣ分布は、２つの奇数次の振動モードの連成により体積速度がゼロになる振動分布である、請求項１に記載のスピーカーシステム。
3. 入力された音声信号をＮ個（Ｎは２以上の整数。以下同様。）の周波数帯域成分に分離して前記信号分配部に入力する帯域分離部をさらに含み、
   各前記信号処理部は、
   前記信号分配部から入力される前記Ｎ個の周波数帯域成分のそれぞれを増幅するためのＮ個の前記信号増幅部と、
   Ｎ個の前記信号増幅部が増幅した周波数帯域成分のそれぞれの位相を１８０度遅延させる補正を実施するためのＮ個の前記位相補正部と、
   Ｎ個の前記位相補正部が補正したＮ個の周波数帯域成分を重畳して出力する信号重畳部と、
   を含み、
   各前記信号増幅部には、入力される前記周波数帯域成分に対応する所定の前記ＶＶＣ分布を前記平板に励起させた場合における前記サブスピーカーの振動面に対応する該平板の前記振動領域の振幅の代表値を正規化した値が前記音量重み係数として設定され、
   各前記位相補正部には、前記平板に前記周波数帯域成分に対応する前記所定の前記ＶＶＣ分布を励起させた場合における前記サブスピーカーの振動面に対応する該平板の振動領域の変位方向に応じて、該ＶＶＣ分布に係る２つのグループのいずれかが設定される、
   請求項１または２に記載のスピーカーシステム。
4. 前記位相補正部に他方のグループが設定される場合に該位相補正部を設けない、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピーカーシステム。
5. 前記アレイ面は矩形である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピーカーシステム。
6. 前記複数のサブスピーカーはマトリックス状に配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピーカーシステム。
7. アレイ面に複数のサブスピーカーを分散配置してなるスピーカーアレイを使用して局所音場を生成する方法であって、
   前記アレイ面と同寸法の平板を定義することと、
   前記平板にＶＶＣ分布を励起させた場合の振動変位分布を求めることと、
   各前記サブスピーカーの振動面に対応する前記平板の振動領域の振幅の代表値を算出することと、
   前記振動領域の変位方向に応じて、該振動領域に対応する前記サブスピーカーを２つのグループに分けることと、
   各前記サブスピーカーに対応する前記振動領域の前記代表値を正規化して該サブスピーカーの音量重み係数を定義することと、
   主音量に各前記サブスピーカーに設定された前記音量重み係数を乗じた値を該サブスピーカーのサブ音量として決定することと、
   第１のグループに属する前記サブスピーカーへの入力音声信号と第２のグループに属する前記サブスピーカーへの入力音声信号の位相が１８０度ずれるようにして各前記サブスピーカーから音声を出力することと、
   を含む方法。
8. 前記ＶＶＣ分布は、２つの奇数次の振動モードの連成により体積速度がゼロになる振動分布である、請求項７に記載の方法。