JP2020014079A - 音響システム - Google Patents

Abstract

【課題】受聴者と仮想音源との距離を変化させることが可能な音響システムを提供する。【解決手段】音響システム１００は、マルチチャネル音響用の音響システムであって、ダイナミックスピーカ２０と、パラメトリックスピーカ１０と、制御部３０とを備える。そして、制御部３０は、ダイナミックスピーカ２０から出力される音、および、パラメトリックスピーカ１０から出力される音を、振幅パンニングにより制御することにより、仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、音響システムに関し、特に、マルチチャネル音響用の音響システムに関する。

従来、マルチチャネル音響用の音響システムが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。

上記非特許文献１には、２ｃｈステレオや５．１ｃｈサラウンドなどのマルチチャネル音響用の音響システムが開示されている。また、この非特許文献１では、仮想音源の受聴者からの方位を振幅パンニングにより制御することが開示されている。ここで、振幅パンニングとは、スピーカから出力される音に振幅差をつけることにより、音像定位を変化させることである。また、この非特許文献１には明確に記載されていないものの、音響システムは、複数のダイナミックスピーカにより構成されていると考えられる。ここで、ダイナミックスピーカとは、一般にオーディオ機器として使用されているスピーカで、磁石とコイルなどで駆動されるダイナミック駆動方式のスピーカを指す。

小野一穂、「２章 マルチチャネルオーディオ」、映像情報メディア学会誌、２０１４年、Ｖｏｌ．６８、Ｎｏ．８、ｐ．６０４−６０７

しかしながら、上記非特許文献１に記載される音響システムでは、仮想音源の受聴者からの方位を水平方向に変化させることは可能であるが、仮想音源の受聴者からの距離を変化させることはできない。仮想音源の距離感の手がかり（指標）となるものにインパルス応答の直間比があるが、一般に直間比が低い（直接音が小さい）スピーカでは、受聴者は仮想音源が遠い位置にあると認識し、直間比が大きいスピーカでは、受聴者は仮想音源が近くにあると感じる。ダイナミックスピーカは直間比の小さいスピーカであり、ダイナミックスピーカだけで振幅パンニングを行った場合、受聴者から遠い位置に仮想音源が存在すると認識し、受聴者と仮想音源との距離を変化させることが困難であるという問題点があると考えられる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、受聴者と仮想音源との距離を変化させることが可能な音響システムを提供することである。

この発明の一の局面による音響システムは、マルチチャネル音響用の音響システムであって、ダイナミックスピーカと、超指向性スピーカと、制御部とを備え、制御部は、ダイナミックスピーカから出力される音、および、超指向性スピーカから出力される音を、振幅パンニングにより制御することにより、仮想音源の受聴者からの距離を制御することを特徴とする。

この発明の一の局面による音響システムでは、上記のように、インパルス応答の直間比が低い（直接音が小さい）ダイナミックスピーカと、インパルス応答の直間比が高い（直接音が大きい）超指向性スピーカとを組み合わせて振幅パンニングを行うことにより、インパルス応答の直間比が低いダイナミックスピーカだけで振幅パンニングを行う場合と異なり、仮想音源の距離感の手がかり（指標）となる受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変化させて直間比を精度良く制御することができる。その結果、受聴者の近傍においても仮想音源の受聴者からの距離を精度良く制御することができるので、受聴者と仮想音源との距離を変化させることが可能な音響システムを提供することができる。

上記一の局面による音響システムにおいて、好ましくは、制御部は、ダイナミックスピーカと超指向性スピーカの受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御することを特徴とする。

上記一の局面による音響システムにおいて、好ましくは、制御部は、ダイナミックスピーカの入力信号に対するゲイン係数と、超指向性スピーカの入力信号に対するゲイン係数とを制御して受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御することを特徴とする。

上記一の局面による音響システムにおいて、好ましくは、超指向性スピーカは、パラメトリックスピーカを含む。このように構成すれば、インパルス応答の直間比が低いダイナミックスピーカと、インパルス応答の直間比がより高いパラメトリックスピーカとを組み合わせて振幅パンニングを行うことができるので、仮想音源の距離感の手がかりとなる受聴者位置におけるインパルス応答の直間比をより精度良く制御することができる。

本発明によれば、上記のように、受聴者と仮想音源との距離を変化させることが可能な音響システムを提供することができる。
また、バーチャルリアリティの分野において本音響システムを用いると、バーチャルな話者が存在する位置に仮想音源を設定することができるので、バーチャルな話者の位置から音声が出てくるように設定すると、いかにも話者が話しているかのように聞こえる。従来のスピーカの設置場所から話者の音声が出てくるのとは違って、より現実感が得られる。さらに、一般にいわれる遠隔臨場感（Telexistence）の分野でも大いに使用可能である。

本発明の一実施形態による音響システムを示した図である。 本発明の一実施形態による音響システムの仮想音源の受聴者からの距離の制御を説明するための図である。 客観評価実験におけるマイク、スピーカ、仮想音源の配置条件を示す図である。 客観評価実験におけるマイク、スピーカ（実音源）の配置条件を示す図である。 主観評価実験における受聴者、スピーカ、仮想音源の配置条件を示す図である。 主観評価実験における受聴者、スピーカ（実音源）の配置条件を示す図である。 主観評価実験において得られた実音源における距離に関する回答の頻度分布を示すグラフである。 主観評価実験において得られた仮想音源における距離に関する回答の頻度分布を示すグラフである。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２を参照して、本発明の一実施形態による音響システム１００の構成について説明する。

（音響システムの構成）
一実施形態による音響システム１００は、マルチチャネル音響用の音響システムである。音響システム１００は、１つのパラメトリックスピーカ１０と、複数（４つ）のダイナミックスピーカ２０と、制御部３０とを備える。なお、パラメトリックスピーカ１０は、特許請求の範囲の「超指向性スピーカ」の一例である。

パラメトリックスピーカ１０は、超音波をキャリア波として利用したスピーカである。パラメトリックスピーカ１０は、受聴者Ｏに対して正面に配置されている。ダイナミックスピーカ２０は、永久磁石および可動コイルを利用したスピーカである。４つのダイナミックスピーカ２０は、それぞれ、受聴者Ｏに対して、前方左側、前方右側、後方左側、および、後方右側に配置されている。

制御部３０は、ＣＰＵなどのプロセッサ（図示せず）と、ＲＯＭおよびＲＡＭなどの記憶部（図示せず）とを含む制御回路である。制御部３０は、音声信号である入力信号Ｓに基づいて、入力信号Ｓに対応する音を出力するように、パラメトリックスピーカ１０および４つのダイナミックスピーカ２０を制御する。

ここで、本実施形態では、制御部３０は、ダイナミックスピーカ２０から出力される音、および、パラメトリックスピーカ１０から出力される音を、振幅パンニングにより制御することにより、仮想音源Ｐ（図２参照）の受聴者Ｏ（受聴者位置）からの距離を制御するように構成されている。仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離を制御することにより、受聴者に最適な音環境を実現可能である。また、本実施形態では、制御部３０は、受聴者位置におけるインパルス応答の直間比を制御することにより、仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離を制御するように構成されている。以下、図２を参照して、パラメトリックスピーカ１０、前方左側のダイナミックスピーカ２０、および、前方右側のダイナミックスピーカ２０により、仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離制御を行う例について説明する。

図２に示すように、ベクトル合成に基づく振幅パンニング（VBAP（Vector Base Amplitude Panning））では、再生空間を、３つのスピーカからなる三角領域で分割する。図２では、前方左側のダイナミックスピーカ２０の音響重心をＬとし、前方右側のダイナミックスピーカ２０の音響重心をＲとし、パラメトリックスピーカ１０の音響重心をＯとしている。なお、パラメトリックスピーカ１０の音響重心Ｏは、受聴者位置としている。パラメトリックスピーカ１０は、インパルス応答の直間比が高いため、受聴者Ｏは受聴者Ｏの直近において仮想音源を知覚するためである。また、図２では、音響重心Ｌと仮想音源Ｐとを通る直線の線分ＯＲとの交点をＬａとし、音響重心Ｒと仮想音源Ｐとを通る直線の線分ＯＬとの交点をＲａとし、音響重心Ｏと仮想音源Ｐとを通る直線の線分ＬＲとの交点をＯａとしている。

この場合、振幅パンニングでは、３つのスピーカの入力信号Ｓに対するゲイン係数は、それぞれ、以下の式（１）〜（３）により表される。

ここで、
α_Ｌ：前方左側のダイナミックスピーカのゲイン係数
α_Ｒ：前方左側のダイナミックスピーカのゲイン係数
α_Ｏ：パラメトリックスピーカのゲイン係数
ＰＬａ：線分ＰＬａの長さ
ＬＬａ：線分ＬＬａの長さ
ＰＲａ：線分ＰＲａの長さ
ＲＲａ：線分ＲＲａの長さ
ＰＯａ：線分ＰＯａの長さ
ＯＯａ：線分ＯＯａの長さ
である。

また、入力信号Ｓ（仮想音源Ｐ）が複数ある場合、入力信号Ｓ（仮想音源Ｐ）毎に個別にゲイン係数が計算される。３つのスピーカのｉ番目の入力信号Ｓに対するゲイン係数は、それぞれ、以下の式（４）〜（６）により表される。

なお、式（６）のγは、インパルス応答の直間比を補正するための補正係数である。γは、予め測定された受聴者位置におけるインパルス応答の直間比に基づいて取得される。また、α_Ｌｉ、α_Ｒｉおよびα_Ｏｉは、それぞれ、ｉ番目の入力信号Ｓに対するα_Ｌ、α_Ｒおよびα_Ｏである。また、Ｐ_ｉ、Ｌ_ｉ、Ｒ_ｉ、Ｌａ_ｉ、Ｒａ_ｉおよびＯａ_ｉは、それぞれ、ｉ番目の入力信号Ｓに対するＰ、Ｌ、Ｒ、Ｌａ、ＲａおよびＯａの位置である。

また、振幅パンニングでは、３つのスピーカの出力信号Ｘは、それぞれ、以下の式（７）〜（９）により表される。

ここで、
ｘ_Ｌ（ｔ）：前方左側のダイナミックスピーカの出力信号
ｘ_Ｒ（ｔ）：前方右側のダイナミックスピーカの出力信号
ｘ_Ｏ（ｔ）：パラメトリックスピーカの出力信号
Ｓ_ｉ（ｔ）：ｉ番目の入力信号
β：パラメトリックスピーカとダイナミックスピーカとの音圧レベルを正規化するための係数
ｃ（ｔ）：パラメトリックスピーカのキャリア波の信号
である。

以上のように、まず、制御部３０は、ダイナミックスピーカ２０の音響重心を実際の位置に設定し、パラメトリックスピーカ１０の音響重心を受聴者位置と仮定して設定した状態で、設定された音響重心に基づいて、パラメトリックスピーカ１０の入力信号Ｓに対するゲイン係数と、ダイナミックスピーカ２０の入力信号Ｓに対するゲイン係数とを取得する。入力信号Ｓが複数ある場合、制御部３０は、入力信号Ｓ毎に個別に、パラメトリックスピーカ１０の入力信号Ｓに対するゲイン係数と、ダイナミックスピーカ２０の入力信号Ｓに対するゲイン係数とを取得する。この際、制御部３０は、パラメトリックスピーカ１０のゲイン係数を、インパルス応答の直間比を補正するための補正係数γにより補正して取得する。

そして、制御部３０は、取得したゲイン係数により入力信号Ｓをパラメトリックスピーカ１０とダイナミックスピーカ２０とに分配して、パラメトリックスピーカ１０の出力信号Ｘとダイナミックスピーカ２０の出力信号Ｘとを取得する。この際、制御部３０は、パラメトリックスピーカ１０の出力信号Ｘを、音圧レベルを正規化するための係数βにより補正して取得する。そして、制御部３０は、取得した各出力信号Ｘに基づいて、入力信号Ｓに対応する音を出力するように、パラメトリックスピーカ１０およびダイナミックスピーカ２０を制御する。これにより、振幅パンニングが行われて、仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離が制御される。このように、制御部３０は、ダイナミックスピーカ２０の入力信号Ｓに対するゲイン係数と、パラメトリックスピーカ１０の入力信号Ｓに対するゲイン係数とを制御して仮想音源Ｐの位置を設定することにより、仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離を制御するように構成されている。この際、制御部３０は、ダイナミックスピーカ２０とパラメトリックスピーカ１０の受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御する。具体的には、制御部３０は、ダイナミックスピーカ２０の入力信号に対するゲイン係数と、パラメトリックスピーカ１０の入力信号に対するゲイン係数とを制御して受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御する。

（客観評価実験）
次に、図３、図４および表１〜表４を参照して、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御について行った客観評価実験について説明する。

図３に示すように、客観評価実験では、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御により、仮想音源Ｐの位置を、Ｒ０．３、Ｒ１．０、Ｒ２．０、Ｃ０．３、Ｃ１．０、Ｃ１．７、Ｌ０．３、Ｌ１．０、Ｌ２．０の各位置に制御し、受聴者位置に配置したマイクロフォンによりインパルス応答を計測した。γは、１とし、βは、実測した音圧レベルを用いて実験的に調整した。

なお、「Ｒ」、「Ｌ」および「Ｃ」の文字は、受聴者位置に対する方向を示している。具体的には、「Ｒ」は、受聴者位置に対して右側方向（３０度の方向）であることを示し、「Ｃ」は、受聴者位置の正面方向であることを示し、「Ｌ」は、受聴者位置に対して左側方向（−３０度の方向）であることを示している。また、「０．３」、「１．０」、「１．７」および「２．０」の数字は、受聴者位置に対する距離を示している。

また、仮想音源Ｐのインパルス応答の計測結果と比較するために、図４に示すように、実音源（ダイナミックスピーカ）を、Ｒ０．３、Ｒ１．０、Ｒ２．０、Ｃ０．３、Ｃ１．０、Ｃ１．７、Ｌ０．３、Ｌ１．０、Ｌ２．０の各位置に配置し、受聴者位置に配置したマイクロフォンによりインパルス応答を計測した。

また、計測したインパルス応答に基づいて、以下の式（１０）により、インパルス応答の直間比を求めた。

ここで、
ＤＲＲ：インパルス応答の直間比
Ｏ_ｅ（ｎ）：計測したインパルス応答
Ｔｄ：直接波の信号長
Ｔ’：インパルス応答の信号長
である。

なお、Ｔｄは、７ｍｓとした。また、インパルス応答は、ＴＳＰ（Time-stretched pulse）法を用いて計測した。また、音源は、ＴＳＰ信号（信号長：２^１９、周波数幅：０〜８ｋＨｚ）を用いた。また、以下の表１に客観性評価実験における実験機材を、以下の表２に客観性評価実験における実験条件を、以下の表３に客観性評価実験におけるパラメトリックスピーカ１０の実験条件をそれぞれ示している。また、以下の表４に、客観性評価実験において得られたインパルス応答の直間比を示している。

表４に示すように、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御によるインパルス応答の直間比と、実音源によるインパルス応答の直間比とには、非常に高い相関があり、その誤差は大きくても２〜３ｄＢ程度であることがわかる。このことから、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御により、距離感に対して重要な物理指標であるインパルス応答の直間比を高い精度で制御できていることがわかった。

（主観評価実験）
次に、図５〜図８および表５を参照して、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御について行った主観評価実験について説明する。

図５に示すように、主観評価実験では、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御により、仮想音源Ｐの位置を、Ｒ０．３、Ｒ１．０、Ｒ２．０、Ｃ０．３、Ｃ１．０、Ｃ１．７、Ｌ０．３、Ｌ１．０、Ｌ２．０の各位置に制御し、受聴者位置に位置した被験者に受聴させた。

また、仮想音源Ｐの被験者による受聴結果と比較するために、図６に示すように、実音源（ダイナミックスピーカ）を、Ｒ０．３、Ｒ１．０、Ｒ２．０、Ｃ０．３、Ｃ１．０、Ｃ１．７、Ｌ０．３、Ｌ１．０、Ｌ２．０の各位置に配置し、受聴者位置に位置した被験者に受聴させた。

被験者は、７名であり、それぞれの位置につき２回の音を受聴させ、距離を回答させた。また、受聴させる音は、ランダムで提示した。また、音源は、白色雑音（周波数幅：０〜８ｋＨｚ）を用いた。

図７および図８に示すように、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御による距離の提示性能と、実音源による距離の提示性能とは、ほぼ同等であることがわかる。また、以下の表５に示すように、距離の正答率からもその傾向がわかる。以上より、本実施形態の仮想音源Ｐの距離制御は、高い距離の提示性能を実現していることがわかった。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、インパルス応答の直間比が低い（直接音が小さい）ダイナミックスピーカ２０と、インパルス応答の直間比が高い（直接音が大きい）パラメトリックスピーカ１０とを組み合わせて振幅パンニングを行うことにより、インパルス応答の直間比が低いダイナミックスピーカ２０だけで振幅パンニングを行う場合と異なり、仮想音源Ｐの距離感の手がかり（指標）となる受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変化させて直間比を精度良く制御することができる。その結果、受聴者Ｏの近傍においても仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離を精度良く制御することができるので、受聴者Ｏと仮想音源Ｐとの距離を自在に制御することが可能な音響システム１００を提供することができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３０を、ダイナミックスピーカ２０とパラメトリックスピーカ１０の受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御することにより、仮想音源Ｐの受聴者Ｏからの距離を制御するように構成する。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３０を、ダイナミックスピーカ２０の入力信号に対するゲイン係数と、パラメトリックスピーカ１０の入力信号に対するゲイン係数とを制御して受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御するように構成する。

また、本実施形態では、上記のように、超指向性スピーカを、パラメトリックスピーカ１０を含むように構成する。これにより、インパルス応答の直間比が低いダイナミックスピーカ２０と、インパルス応答の直間比がより高いパラメトリックスピーカ１０とを組み合わせて振幅パンニングを行うことができるので、仮想音源Ｐの距離感の手がかりとなる受聴者位置におけるインパルス応答の直間比をより精度良く制御することができる。

[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、音響システムを、１つのパラメトリックスピーカ（超指向性スピーカ）を備えるように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、音響システムを、複数の超指向性スピーカを備えるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、音響システムを、４つのダイナミックスピーカを備えるように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、音響システムを、１つまたは４つ以外の複数のダイナミックスピーカを備えるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、本発明の超指向性スピーカを、パラメトリックスピーカにより構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、超指向性スピーカを、アレイスピーカや曲面反射板型スピーカにより構成してもよい。

また、上記実施形態では、パラメトリックスピーカ（超指向性スピーカ）を、受聴者に対して正面に配置する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、超指向性スピーカを、受聴者に対して正面以外に配置してもよい。たとえば、超指向性スピーカを、受聴者に対して、右側に配置してもよいし、左側に配置してもよいし、背面側に配置してもよい。

１０ パラメトリックスピーカ（超指向性スピーカ）
２０ ダイナミックスピーカ
３０ 制御部
１００ 音響システム

Claims (4)

1. マルチチャネル音響用の音響システムであって、
   ダイナミックスピーカと、
   超指向性スピーカと、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、前記ダイナミックスピーカから出力される音、および、前記超指向性スピーカから出力される音を、振幅パンニングにより制御することにより、仮想音源の受聴者からの距離を制御することを特徴とする、音響システム。
2. 前記制御部は、前記ダイナミックスピーカと前記超指向性スピーカの受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御することを特徴とする、請求項１に記載の音響システム。
3. 前記制御部は、前記ダイナミックスピーカの入力信号に対するゲイン係数と、前記超指向性スピーカの入力信号に対するゲイン係数とを制御して受聴者位置におけるインパルス応答の合成比を変えることで直間比を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の音響システム。
4. 前記超指向性スピーカは、パラメトリックスピーカを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の音響システム。

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