JP2558445B2

JP2558445B2 - 多チャンネル制御装置

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Publication number: JP2558445B2
Application number: JP60053886A
Authority: JP
Inventors: 正人三好; 寿郎大賀; 豊金田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1985-03-18
Publication date: 1996-11-27
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: JPS61212996A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は有限と見なすことの出来るインパルス応答
を持ち、原理的に多入力多出力である線形系に対し、複
数の出力素子に加えられる入力信号を制御することによ
り、その線形系が有する１つ、または２つ以上の被制御
点における出力信号の伝達特性を所望の特性とする多チ
ヤンネル制御装置に関するものである。

上記線形系の例としては、複数のスピーカ素子と１つ
以上の受音点から成る音響系や、複数の送信用アンテナ
と１つ以上の受信用アンテナとで構成される電波伝搬系
などがある。

上記音響系にこの発明を適用する場合には、上記複数
の出力素子が複数のスピーカ素子に対応し、上記被制御
点が受音点に対応する多チヤンネル制御装置となり、そ
の受音点（以下、被制御点と呼ぶ）において、任意の振
幅周波数特性および位相周波数特性を実現する制御（音
圧制御）を行うものとなる。

以下この明細書では上記音圧制御を例としてこの発明
の説明を行うが、他の系についても上記複数の入力端及
び被制御点との対応関係をこの音響系と同様に定めるこ
とにより、全く同じ説明が出来る。

「従来の技術」近年「音像定位」を対象とする研究から、複数のスピ
ーカ素子を用いて複数個の点における音響信号の音圧お
よび位相を「二乗誤差最小」なる評価尺度に基づいて制
御する装置を構成する手法の概念〔柳田他:J.Acoust.So
c.Jpn（Ｅ）,4,2,107−109（1983）〕が報告されてい
る。ここでは、この方法の概念を「時間軸上」で展開し
て説明を行う。以下第11図に示す簡単なモデルに基づい
て説明する。第11図は説明を簡単にするため、１点で観
測される音響信号の音圧および位相を制御する従来法を
示しているが、２点以上に対する手法も全く同じ原理に
基づいている。

第11図において、室内反射音の存在する音場内に置か
れているマイクロホン素子11₁で受音される仮想スピー
カ素子Ｓ′が放射した音波の音圧および位相を仮想スピ
ーカ素子Ｓ′を用いずに、スピーカ素子1₁を使って再現
することができれば、スピーカ素子1₁が音響信号を放射
しているにもかかわらず、あたかも仮想スピーカ素子
Ｓ′から音響信号が放射されているかのような状況をつ
くり出すことができる。この明細書では、このような状
況をつくり出す為のスピーカ制御を「音圧制御」と呼ぶ
ことにする。上記状況をつくり出す為には、仮想スピー
カ素子Ｓ′とマイクロホン素子11₁との間の信号伝達特
性、即ちインパルス応答と、スピーカ素子1₁及びマイク
ロホン素子11₁間のインパルス応答とが等しくなるよう
に、FIRフィルタ（トランスバーサルフィルタ）21₁の係
数を適切に定め、そのFIRフィルタ21₁を通じて信号をス
ピーカ素子1₁へ供給すればよい。

さて、スピーカ素子Ｓ′とマイクロホン素子11₁との
間のインパルス応答をｒ（ｋ）（ｋ＝1,2,……,n）と
し、スピーカ素子1₁とマイクロホン素子11₁との間のイ
ンパルス応答をｇ（ｋ）（ｋ＝1,2,……,m）とすれば、
次式を満たすフィルタ係数ｈ（ｋ）（ｋ＝1,2,……,L）
をFIRフィルタ21₁に与えることにより所望の音圧制御が
実現される。

但し、は離散的畳み込み演算を表す。

（１）式において、ｒ（ｋ）を〔r₁r₂……r_n〕^T （Ｔは転置を表す）、ｇ（ｋ）を〔g₁g₂……g_m〕^T、
ｈ（ｋ）を〔h₁h₂……h_L〕^Tとそれぞれ離散値で表現さ
れるベクトルで表せば、（１）式はと書き換えられる。ところが（１）′式からフィルタ係
数h₁，h₂，……，h_Lを求める場合、未知数の数Ｌに比べ
て方程式の数ｎの法が多い為、（１）′式は通常不能方
程式となり、この式を満足する解h₁，h₂，……，h_Lを求
めることは不可能である。

そこで従来においては「二乗誤差最小」を評価尺度と
して、で表される二乗誤差を最小とするフィルタ係数（ｋ）
を求め、これを用いて所望のインパルス応答ｒ（ｋ）を
近似的に実現するような音圧制御が行われていた。この
（ｋ）は次式によって求められる。

しかしこの手法では、（ａ）誤差が最小になるようにするものであり、（１）
式を満足させることができないことによる誤差を原理的
に含んでいる。

（ｂ）（ａ）の誤差は、各スピーカ素子、各被制御点及
び周囲環境の位置関係に大きく影響される。

という欠点があった。

この発明の目的は、音響系を対象とした場合で述べる
と、任意の３次元空間内に設定された１つあるいはそれ
以上の数の被制御点において、各被制御点ごとに定めら
れる任意の信号伝達特性、即ち、インパルス応答を、上
記従来法のような近似誤差を伴わずに実現することによ
り、各制御点毎に所望の振幅および位相周波数特性を持
った音響信号（所望の音圧分布）を正確につくり出すこ
とができる多チヤンネル制御装置を提供することにあ
る。

「問題点を解決するための手段」この発明は、音響系を例として述べると、空間の複数
の点にスピーカ素子が配置され、これらスピーカ素子に
それぞれ個別のフィルタを通じて同一入力信号が供給さ
れ、これらスピーカ素子と同一空間に、そのスピーカ素
子数より少なくとも１つは少ない数の点（以後、被制御
点と呼ぶ）についてそれぞれ定められた所望の信号伝達
特性と、上記各スピーカ素子及び上記各被制御点間の信
号伝達特性とを用いて上記各フィルタの係数が算出さ
れ、その係数を対応するフィルタに設定することによ
り、上記入力信号が、上記各被制御点において、その被
制御点に与えられた上記所望の信号伝達特性を満足する
ように制御される。従来においてはスピーカ素子数と被
制御点とが同数又は後者が大とされたが、この発明では
被制御点の数がスピーカ素子数より必ず小とされる。

発明の原理まず第１図を用いてこの発明の原理を説明する。第１
図において、Ｓ個（Ｓ≧２）の出力素子であるスピーカ
素子1₁，1₂，……，1_Sが空間に配される。またその空間
のＮ個の被制御点11₁，……，11_Nが設けられる。第１図
では被制御点11₁，……，11_Nにそれぞれマイクロホン素
子が配された場合でこれら被制御点11₁，……11_Nをマイ
クロホン素子と呼ぶこともある。ＮはＮ≦Ｓ−１とされ
る。入力端子12から同一の入力信号がそれぞれFIRフィ
ルタ21₁，21₂，……，21_Sを通じてスピーカ素子1₁，
1₂，……1_Sに印加される。これらFIRフィルタ21₁，2
1₂，……21_Sの各フィルタ係数を制御することによりそ
れぞれスピーカ素子1₁，1₂，……1_Sに印加される入力信
号を各別に制御することができる。

はじめに次の条件を仮定する。これは、通常の音響的
環境ではおおむね満たされるものである。

（条件−１）Ｓ個のスピーカ素子1₁，1₂，……，1_SとＮ個の被制御
点11₁，……，11_Nとの間の各インパルス応答はすべて、
同じ有限長さｍを持つ離散的時系列（以下、このような
離散的時系列をベクトルと呼ぶ）で表すことができる。

（条件−２）（条件−１）で述べた各インパルス応答をＺ変換して
得られる伝達関数は互いに同じ零点を持たない。

さて、各被制御点11₁，……，11_Nについてそれぞれ設
定されるＮ個の所望のインパルス応答をr_j（ｋ）（ｊ＝
1,2,……Ｎ）とし、Ｓ個のスピーカ素子1₁，……，1_S及
びＮ個のマイクロホン素子11₁，……11_N間のＳ・Ｎ個の
インパルス応答をg_ij（ｋ）（ｉ＝1,2,……S;j＝1,2,…
…,N）とし、Ｓ個のスピーカ素子のそれぞれの前段に設
置するフィルタ21₁，……，21_Sの各フィルタ係数をh
_i（ｋ）（ｉ＝1,2,……,S）としたとき、を満足するフィルタ係数h_i（ｋ）を、正確に求めること
ができれば、従来技術の欠点を解消することができる。
ここで、r_j1（ｋ），g_ij（ｋ），h_i（ｋ）をそれぞれ
〔r_j1r_j2……r_jn〕^T，〔g_ij1g_ij2……g_ijm〕^T，〔h_i1h
_i2……h_jL〕^T（ｉ＝1,2,……,S;j＝1,2,……,N）なるベ
クトルで表すことにすれば（４）式は、となる。以後の説明を容易にする為（４）′式の左辺を右辺の行列を右辺のベクトルをとおけば、（４）′式は（４）″式となる。

（４）″式右辺のに着目して、列の数が行の数より多くなる条件、つまり
未知数が方程式の数と同一又はこれより多くなり、解が
得られる条件、Ｓ・Ｌ≧Ｎ・ｎ＝Ｎ・（ｍ＋Ｌ−１） ∴Ｌ≧Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）…… （５）を満たすようなフィルタ長Ｌを定めれば、（条件−２）
によって、の階数がＮ・（ｍ＋Ｌ−１）となる。従って（４）″式
は（ａ）Ｌ＝Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のとき正規方程
式（ｂ）Ｌ＞Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のとき不定方程
式とすることができ、次のように解くことができる。

（正規方程式の場合）の逆行列が存在するから（６）式を演算すればよい。

（不定方程式の場合）の逆行列をそのまま求めることはできない。また
（４）″式を満足するは唯一ではないが、例えば「ノルム最小型一般逆行列」
（柳井他：“射影行列，一般逆行列，特異値分解",東大
出版会,65−68（1983））を用いて、なる解を求めることができる。

即ちこの発明の最も主要な特徴は、被制御点の数Ｎよ
り多い数の出力素子（この場合はスピーカ素子）及びフ
イルタを用いることにより、出力制御の為の基本式
（４）式または（４）′式を満足するフイルタ係数が求
められ、その結果各被制御点それぞれについて定められ
るインパルス応答を、Ｓ個の出力素子からの信号によっ
て近似ではなく正確に再現できることである。従ってこ
の発明は、原理的には、「各被制御点において近似的な
インパルス応答しか再現できない」従来法の欠点を解消
するものである。

以上の説明から明らかなように、この発明の構成は多
入力多出力である線形系にＳ個（Ｓは２以上の整数）の
出力素子が接続され、これらＳ個の出力素子に同一の入
力信号がＳ個のフィルタを通してそれぞれ供給され、こ
れら各フィルタの各Ｌ次元ベクトルで表わされた係数の
すべてをＳ・Ｌ行１列のマトリクスとし、線形系に接続するＳ個の出力素子未満のＮ個の素
子（以後、被制御点と呼ぶ）のそれぞれと各出力素子と
の間の各ｍ次元ベクトルで表わされた信号伝達特性（イ
ンパルス応答）のすべてをＮ・ｎ行Ｓ・Ｌ列（但しｎ＝
ｍ＋Ｌ−１）のマトリクスとし、各被制御点のそれぞれに定められるｎ次元ベクト
ルで表わされた所望の信号伝達特性（インパルス応答）
のすべてをＮ・ｎ行１列のマトリクスなる関係とし、かつＬ≧Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）と
し、Ｌ＝Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のときを演算して、Ｌ＞Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のときノ
ルム最小型一般逆行列を用いて（Ｔは転置を表す）を演算して各フィルタの係数を算出
して対応する各フィルタに設定する手段が設けられる。

「実施例−１」第２図はこの発明の実施例を示し、全系をディジタル
信号処理系で構成した例である。第２図において、多チ
ャンネル制御装置（この発明の装置）への入力信号Ｕ
（ｔ）は、入力端子12よりA/D変換器30に供給され、A/D
変換器30は入力信号Ｕ（ｔ）を離散化した信号Ｕ（ｋ）
を出力し、これらはＳ個の同じ信号U_i（ｋ）（ｉ＝1,2,
……,S）に分岐してＳ個のFIRフィルタ21₁，21₂，…
…，21_Sにそれぞれ供給され、これらフィルタ21₁，2
1₂，……，21_Sの出力はそれぞれD/A変換器50₁，50₂，…
…，50_Sを通じてＳ個の出力素子としてのスピーカ素子1
₁，1₂，……1_S（Ｓ≧２）に供給される。

１つ又はそれ以上の数Ｎ個（Ｎ≦Ｓ−１）の被制御点
11₁，……，11_Nとして、この例ではＮ個のマイクロホン
素子を用いており、これらマイクロホン素子11₁，……1
1_Nの出力はそれぞれ開閉器200を経て、Ｓ個のスピーカ
素子1₁，1₂，……，1_SとＮ個の被制御点11₁，……，11_N
との間のＳ・Ｎ個のインパルス応答（ｉ＝1,2,……,S;j＝1,2,……,N）を記憶する波形記録
器60に供給される。

波形記録器60の出力と、各被制御点11₁，……，11_Nご
とに定められる所望のＮ個のインパルス応答ベクトル
（以後、目標インパルス応答ベクトルと呼ぶ）を記憶す
る波形記録器61の出力とは、それぞれ波形操作器70に供
給される。波形操作器70の出力は、演算設定器80に供給
される。演算設定器80の出力はフィルタ係数決定器100
に供給され、この出力はＳ個のFIRフィルタ21₁，21₂，
……，21_Sの対応する設定入力側に供給される。

次にこの実施例の動作を説明する。この実施例におい
て、Ｓ個のFIRフィルタ21₁，21₂，……，21_Sは、最初入
力信号U_i（ｋ）（ｉ＝1,2,……,S）を未処理のまま直ち
に出力するような状態に設定されているものとする。波
形記録器60には、スピーカ素子1₁，1₂，……，1_Sと被制
御点11₁，……，11_Nとの間のインパルス応答ベクトル
（以後、室内インパルス応答ベクトルと呼ぶ）が、必要
に応じて開閉器200を閉じることにより記憶され、又波
形記録器61には各被制御点11₁，……，11_Nごとに定めら
れるＮ個の目標インパルス応答ベクトルが、あらかじめ
記憶されているものとする。

さて波形操作器70は、波形器記録60及び61にそれぞれ
記憶されている室内インパルス応答ベクトル及び目標イ
ンパルス応答ベクトルを用いて、以下に述べる［１］〜
［４］の処理を行う。

［１］室内インパルス応答ベクトルとする）のそれぞれについて、あらかじめ決められた基
準値Ｖ（Ｖ≧０）と室内インパルス応答の構成要素とを先頭から比較して、 g_ijp＞Ｖ（Ｐ＝1,2,……） ……（７）を満たす値g_ijpが最初にでるまでを雑音と見做し、先頭
からＰ−１までの要素を０と置き換えるとともに、この
間を群遅延D_ijとして D_ij＝Ｐ−１ ……（８）にセットする。

［２］目標インパルス応答ベクトルとする）のそれぞれについて、［１］と同じ処理を行
い、群遅延Ｄ′_jを求める。目標インパルス応答ベクト
ルはあらかじめ計算で与えられる場合のみならず、例え
ばある音源からの音響信号を打消したい場合にその音源
からの各被制御点との間のインパルス応答が目標インパ
ルス応答ベクトルとなる。

［３］［１］で求めた群遅延D_ijについて（９）式の処
理を行う。

D_j＝MIN（D_1j，D_2j，……，D_Sj） ……（９） MIN（a₁，a₂，……，a_q）；a_q（ｑ＝1,2,……，）の
うち最小値となるa_qを選び出す関数［４］第ｊ（ｊ＝1,2,……,N）番目の被制御点に定めら
れている目標インパルス応答について、それぞれのインパルス応答ベクトルの先頭か
らD_j個の要素を削除する。つまり各インパルス応答ベク
トルについて共通となる同一の遅延量を除去する。但
し、Ｄ′_j≧D_jを満たしていなければ、後述する制御に
おいて正確な目標インパルス応答の再現はできない。そ
れは「時間的に遅れた信号でこれより進んだ信号を制御
する」ことはできないという物理的な理由による。

以上に述べた［１］〜［４］の処理は、前述した
（４）″式の階数がの行数で決まるようにする為の工夫である。

次に波形操作器70は、演算設定器80に上記［１］〜
［４］の処理を受けた目標インパルス応答ベクトル及び
室内インパルス応答ベクトルを出力する。

ここで室内インパルス応答は、前に述べた２つの条件（条件−１）室内インパルス応答はすべて、長さｍのベクトルで表
すことができる。

（条件−２）室内インパルス応答をＺ変換して得られる伝達関数
は、互いに同じ零点を持たない。

を満たしているものとする。

演算設定器80は、波形操作器70からの入力を用いて、
次の［５］〜［８］の処理を行う。

［５］あらかじめ定められている室内インパルス応答ベ
クトルの長さm,目標インパルス応答ベクトルの長さn,ス
ピーカ素子の数S,被制御点の数Ｎを用い、以下の処理に
従って、FIRフィルタ21₁，21₂，……，21_Sの必要タップ
長Ｌを決める。

Ｌ≧Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ） ……（10）ｎ＝ｍ＋Ｌ−１ ……（11）を同時に満足するタップ長Ｌを求める。但し、（10）式
において、ｎ＜ｍ＋Ｌ−１ ……（11）″ となるＬしか求められない場合には、目標インパルス応
答ベクトルに適当な零づめを行い（11）式を満足するよ
うな長さのベクトルにつくり変え、改めてこれを目標イ
ンパルス応答ベクトルとする。

［６］Ｎ個の目標インパルス応答ベクトルを用いて、
（４）′式左辺に示されているようなＮ・（ｍ＋Ｌ−
１）の長さを持つ目標インパルス応答ベクトルをつくる。

［７］Ｓ・Ｎ個の室内インパルス応答ベクトルを用い
て、（４）′式右辺にしめされているような（Ｎ・（ｍ
＋Ｌ−１）,S・Ｌ）のをつくる。

［８］［５］で定めたＬについて、（Ｌ＝Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のとき）（Ｎ・（ｍ＋Ｌ−１）,N・（ｍ＋Ｌ−１））の単位行列IIをつくる。

（Ｌ＞Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のとき）をつくる。

以上［５］〜［８］の処理を行った後、演算設定器80
は、（又はII）をフィルタ係数決定器100に出力する。

フィルタ係数決定器100は第３図に示すように、３つ
の行列乗算器101,102,103と、１つの逆行列演算器110
と、係数分配器120とで構成されている。以下、第３図
を参照してフィルタ係数決定器100の動作を説明する。

［９］行列乗算器101の入力端子101−１に 102−２に（又はII）が入力され、これらの積が計算されてが出力される。

［10］逆行列演算器110により、行列乗算器101の出力か
らが得られ、行列乗算器102へ出力される。

［11］行列乗算器102の入力端子102−１に（又はII）が入力され、出力としてがえられ、これは行列乗算器103へ出力される。

［12］行列乗算器103の入力端子103−１にが入力され、その結果次のようなフィルタ係数が求められる。

［13］係数分配器120が、Ｓ個のフィルタ21₁，21₂，…
…，21_Sに対して（12）式で求めたフィルタ係数を分配する。

以上述べた［１］〜［13］の処理を行うことにより、
FIRフィルタ21₁，21₂，……，21_Sの設定終了後、この装
置の入力端子12に入力信号Ｕ（ｔ）を加えれば、スピー
カ素子1₁，1₂，……，1_Sから放射される音響信号は、Ｎ
個の被制御点11₁，……，11_Nにおいて、これらの点に対
して定められた目標インパルス応答の持つ特性を完全に
再現するものとなる。

ところでフィルタ係数の演算には、前述した［１］〜
［13］の処理による以外に、種々の逐次近似法を用いる
こともできる。逐次近似法を用いる場合には、アルゴリ
ズムの収束性などに注意する必要もあるが、上述したよ
うな逆行列あるいは、ノルム最小型一般逆行列［（12）
式で得られるを直接求める方法に比べて、計算量やメモリ量などの面
で有利となる。

逐次近似法による場合は、第２図におけるフィルタ係
数決定器100を、第４図に示すような逐次型フィルタ係
数決定器130に取り換えればよい。この逐次型フィルタ
係数決定器130は、逐次計算を受け持つ逐次演算回路131
と係数分配器120とより構成されている。逐次演算回路1
31では、例えば、次のような最急降下アルゴリズムで
〔ファジェーエフ他：線形代数の計算法，産業図書，
（1976）〕フィルタ係数を求めることができる。

（正規方程式又は、不定方程式の場合） ξ；アルゴリズムの繰り返し回数を表すパラメータ β（ξ）；収束係数（正規方程式となる場合） α（ξ）；収束係数更にこの逐次型フィルタ係数決定器としては、第５図
に示すような、Ｓ個の逐次型フィルタ係数決定回路14
1₁，141₂，……，141_Sと誤差演算回路150とで構成する
ことも可能である。誤差演算回路150は次式に従って誤
差ベクトルを算出する。

ξ；アルゴリズムの繰り返し回数を表パラメータｉ番目のスピーカとＮ個の制御点との間のインパルス応
答ベクトルを用いて作る次のような行列。

第ｉ番目のスピーカ素子に接続されているFIRフィルタ
の係数ベクトルそして、Ｓ個の逐次型フィルタ係数決定
回路141₁，……，141_Sは、次のようなアルゴリズムでフ
ィルタ係数を求める。

（正規方程式，不定方程式の場合）（正規方程式の場合に用いる。）（14）式で求められるをと表せば、Ｎ・（ｍ＋Ｌ−１）＝Ｓ・Ｌであるから、を先頭からＬ個づつ区切ることができる。

これをとすれば、はこのベクトルの第ｉ番目の要素ベクトルである。

この方法は、Ｓ個の演算回路141₁，……，141_Sが並列
に計算を行う為、フィルタ係数の決定に要する計算量
が、前記（13），（13）′式を計算する場合に比べて、
見かけ上1/Sとなる。従って、フィルタ係数の算出に要
する時間を大幅に短縮するこができる。

〔実施例−２〕既述した実施例−１は、Ｓ個（Ｓ≧２）のスピーカ素
子から放射される音響信号を、Ｎ個（Ｎ≦Ｓ−１）の被
制御点において、それぞれの被制御点ごとに定められた
任意の信号伝達特性（目標インパルス応答）を満足する
ように制御することにより、任意の音圧分布を実現する
ものであった。

しかし「Ｎ個の被制御点すべての音圧を零にする」と
いう制御を行う場合には、（12）式のが零ベクトルとなることからも分かるように、Ｓ個のFI
Rフィルタ21₁，……，21_Sのタップ係数がすべて零とな
る、実用上無意味な制御をすることになる。

ところが、Ｎ個の被制御点の音圧はすべて零に保ち、
かつ被制御点以外の場所では音響信号が存在するような
制御は、特に、拡声会議システム等において、スピーカ
素子とマイクロホン素子との音響結合により引き起こさ
れる「ハウリング」を防止する為の手段として、極めて
要求の高いものである。

そこで、実施例−１に示した装置に若干の改良を加え
ることによって上記の制御を可能にするようなこの発明
の別の構成例を第６図に示す。第６図において第２図と
対応する箇所には同一の番号を付けて重複説明を省略す
る。第６図において、入力端子12からの入力信号Ｕ
（ｔ）は、遅延回路160にも供給され、その出力はスピ
ーカ素子９に供給されている。

遅延回路160は、スピーカ素子９からＮ個の被制御点1
1₁，……，11_Nにそれぞれ放射される音響信号が、Ｓ個
のスピーカ素子1₁，1₂，……，1_Sから各被制御点11₁，
……，11_Nにそれぞれ放射される音響信号のいずれより
も、遅れて到達するように適切な遅延量を与える為のも
のである。これは言い換えれば、スピーカ素子９とＮ個
の被制御点11₁，……，11_Nとの距離が、スピーカ素子
1₁，1₂，……，1_Sと各被制御点11₁，……，11_Nとの各距
離より遠くなるように設置してあれば遅延回路160は不
要であることを意味する。遅延回路160を使用するの
は、「時間的に遅れた信号で、これより進んだ信号を制
御する」というような矛盾した状況を避ける為である。

又波形記録器62が追加されており、波形記録器61とと
もに減算器170に接続され、減算器170の出力は波形操作
器70に供給される。

次にこの実施例の動作説明をする。この実施例におい
て、波形記録器62には、既にスピーカ素子９と各被制御
点11₁，……，11_Nとの間のＮ個のインパルス応答が記憶されているものとする。又他の部分は実施例−１
と同様に初期設定されているものとする。

まず、波形記録器61,62に記憶されているインパルス
応答は減算器170により、の操作をうけ、目標インパルス応答ベクトルとして、が波形操作器70に入力される。（16）式において、がすべて零ベクトルであるとすれば、目標インパルス応
答ベクトルは、となり、これはちょうどスピーカ素子９から各被制御点
11₁，……，11_NまでのＮ個のインパルス応答の位相を逆転したものとなっている。つまりこの処理に
よりインパルス応答の位相を逆転したものを得る。

これ以後は実施例−１に述べた［１］〜［13］とまっ
たく同じ処理を行って、Ｓ個のFIRフィルタ21₁，……，
21_Sの係数を決定すればよい。

FIRフィルタ21₁，……，21_Sに対するフィルタ係数の
設定が完了した後、スピーカ素子1₁，1₂，……，1_Sに入
力端子12より入力信号を与えれば、Ｎ個の被制御点1
1₁，……，11_Nにおける音響信号は（17）式で与えられ
る目標インパルス応答を満足し、ちょうど、スピーカ素
子1₁，……，1_Sがスピーカ素子９に対し逆相で鳴ってい
るかのような状況がつくりだされる。従ってスピーカ素
子９とスピーカ素子1₁，1₂，……，1_Sに同じ入力信号を
与えれば、Ｎ個の被制御点11₁，……，11_Nにおける音圧
は、ことごとく零となり、かつ、被制御点11₁，……，1
1_N以外の場所には音響信号が存在することになる。

即ち実施例−１で述べた装置に常時有限振幅の音響信
号を放射できるように構成されたスピーカ素子を１つ又
はそれ以上つけ加えることにより、音場内のＮ個の被制
御点11₁，……，11_Nの音圧だけを零にし、他の点では十
分な音量の音響信号を放射するような制御が可能とな
る。このことは、この発明装置がハウリングを防止する
手段の１つとしても利用できることを示している。

〔実施例−３〕実施例−２では常時、有限振幅の音響信号を放射する
ように構成されたスピーカ素子９を１つ以上加えること
により、この発明装置がハウリングを防止する１手法と
して有効であることを説明した。

実施例−３では、Ｎ個の被制御点に設置する各マイク
ロホン素子の出力信号を零にすることにより、ハウリン
グを抑圧するこの発明の他の実施例を説明する。第７図
にこの実施例を示す。第７図において、第２図と対応す
る箇所には同一の番号を付けてある。

第７図では、新たに目標インパルス応答畳み込み回路
180がつけ加えられている。この回路180は、Ｎ個の被制
御点、即ちマイクロホン素子ごとに与えられる目標イン
パルス応答ベクトルをFIRフィルタ等を用いて表したも
のであり、実時間で時系列との畳み込み演算を実行する
ものである。又目標インパルス応答畳み込み回路180の
入力側には入力信号Ｕ（ｋ）が供給されるようになって
おり、その出力は各マイクロホン11₁，……，11_Nの出力
とともに減算器190に供給されている。

次にこの実施例の動作説明を行う。まず、実施例−１
に示した［１］〜［13］の処理を行いＳ個のFIRフィル
タ21₁，……，21_Sに対するフィルタ係数の設定がなされ
ているものとする。このとき目標インパルス応答畳み込
み回路180と、スピーカ素子1₁，1₂，……，1_Sとに同じ
入力信号を加えれば、各マイクロホン素子11₁，……，1
1_Nの出力信号は、目標インパルス応答を再現するものと
なり、減算器190には全く同じ信号が入力されることに
なる。従って、減算器190の出力信号は零となり、実施
例−２で述べた発明装置と同様にハウリングを抑圧する
効果が得られることになる。

加えてこの実施例は、Ｎ個の被制御点11₁，……，11_N
における音圧を零にする必要は全くないから、空間内
（被制御点11₁，……，11_N）にいる人に対してはスピー
カ素子1₁，……，1_Sからの音響信号を十分な明瞭性を確
保して与え、即ち人の聞きよい環境となるように各被制
御点11₁，……，11_Nを制御しながらハウリングをも抑圧
できるという極めて優れた特徴を有するものである。こ
のことは、この発明を用いた装置でなくてはできない大
きな長所である。

なお上述の各例において、被制御点11₁，……，11_Nと
スピーカ素子1₁，……，1_Sとの間の各インパルス応答は
１度測定しておけば、これらの配置関係，周囲の音響環
境に変化がなければ、必ずしもマイクロホン素子を設置
しておくことなく、被制御点に所望のインパルス応答特
性を持つ音響信号を得ることができる。

実験結果次にこの発明装置の有効性を確認する為、第８図に示
すようなスピーカ素子とマイクロホン素子の配置の下に
行った実験の結果を述べる。実験は、（実験諸元）スピーカ素子；直径10cmのフルレンジスピーカ３個，
スピーカ間隔;11cm,マイクロホン素子;1個，スピーカ素
子〜マイクロホン素子間最短距離;90cm,室容積;12.2
m³，室内平均吸音率;0.8,残響時間;75msec,目標インパ
ルス応答ベクトル長;400点，室内インパルス応答ベクト
ル長;400点，インパルス応答測定方法;1000回の同期加
算，周波数帯域;31.5〜3150Hz,サンプリング周期;8KHz,
使用アルゴリズム；（15）式200回繰り返しFIRフィル
タ;399タップ。

このような状況下でスピーカ素子９から放射された音
をスピーカ素子1₁，1₂を用いて消去するというものであ
る。従来のこの種の装置では音を消す為に用いるスピー
カ素子、即ち、音圧制御用のスピーカ素子は１つ用いる
のが一般的であったが、この実験では１点の音圧制御の
為に２つの制御用スピーカ素子1₁，1₂を用いている。こ
れは（５）式を満たすような装置を構成する為であり、
この発明の実施例として必要な事項である。又第９図
に、スピーカ素子1₁及びマイクロホン素子11間，スピー
カ素子1₂及びマイクロホン素子11間，スピーカ素子９及
びマイクロホン素子11間のそれぞれのインパルス応答の
周波数特性をそれぞれ曲線A,B,Cで示す。ここでは、ス
ピーカ素子９とマイクロホン素子11との間のインパルス
応答（曲線Ｃ）を目標インパルス応答とした。

第10図の周波数特性は、スピーカ素子1₁とスピーカ素
子1₂とを用いて合成したインパルス応答と目標インパル
ス応答との違いを表す誤差波形（曲線E₁₂）を、目標イ
ンパルス応答の周波数特性（曲線Ｃ）を基準に描いたも
のである。又この図には、（２）式に示した従来の手法
をスピーカ素子1₁，スピーカ素子1₂につきそれぞれ用い
た実験で得た誤差波形の周波数特性（それぞれ1000タッ
プのFIRフィルタを用いた。）も曲線E₁，E₂として同時
に描いてある。それぞれの誤差波形のパワーは目標イン
パルス応答のパワーに対し、従来法を用いた場合には、
−11dB（E₁），−19dB（E₂）、この発明の装置を用いた
場合は−25dB（E₁₂）であった。

以上の結果よりこの発明装置によれば、マイクロホン
素子位置に対する音圧制御が従来法を上回る十分なパフ
ォーマンス（性能）を持って実現されることが実験によ
っても確認された。特に第10図はそのままハウリングマ
ージンをも示しており、この装置をハウリング防止に適
用することができ、かつ極めて大きなハウリングマージ
ンを得ることができることも明らかになった。又（15）
式のアルゴリズムが確認されたことによりフィルタ係数
算出にかかる計算量が、フィルタ係数決定器を並列に働
かせる方法により見かけ上の計算量を節約できることも
確認された。

「発明の効果」以上説明したようにこの発明装置は、多入力多出力線
形系の複数の出力素子（即ち実施例におけるスピーカ素
子）のそれぞれの入力信号に対して、各出力素子とその
出力素子数未満の被制御点各々との間のインパルス応答
（信号伝達特性）を用いた演算により適切な制御を行う
フィルタの係数を厳密に求め、被制御点からの出力信号
の伝達特性、例えば音圧を与える場合、音響信号の振幅
および位相特性を任意の目標値に設定することを可能と
するものであり、この装置が実用上十分な性能を発揮す
ることも音圧制御を行う実験によつて確認された。又こ
の発明装置は、目標インパルス応答にあたる信号を自由
に設定できる為、特に音圧制御系に用いる場合には、（１）この装置の設置されている三次元空間内にある他
の音響装置による音圧分布以外に、その空間とは異なっ
た空間（例えば他の部屋）における音圧分布も再現でき
る、（２）全く新しい音圧分布を創造できる、（３）この装置と同一空間にあり、目標インパルス応答
を与えるスピーカ素子に供給する信号をこの装置の入力
信号とは逆相の信号とすることにより、任意の３次元空
間に設定する１つ以上のマイクロホン素子の音圧をほぼ
零に保つことができる。従って、有効にハウリングを防
止する一手法を提供することができる、という特徴を有するものである。

尚、この発明の装置を音圧制御に用いる場合に、スピ
ーカ素子として複数のスピーカユニット（例えば、ウー
ハーとツイータ）を用いること、被制御点として用いる
マイクロホン素子として、複数のマイクロホンユニット
の組み合わせ（例えば、指向性マイクロホン）を用いる
ことは、この発明の装置の性能向上に有用であると考え
られる。

又、この発明の信号処理系は、以上に述べた構成に基
づく演算，遅延手順などを行うDSPあるいは、マイクロ
プロセッサ等で構成することも可能である。加えてこの
明細書では、フィルタとしてFIRフィルタを用いること
を前提として説明したが、FIRフィルタに替えてIIRフィ
ルタ等を用いることも十分に可能である。

この明細書では、音圧制御を例にこの発明の説明を行
つた。この発明は有限と見なすことの出来るインパルス
応答を有し、原理的に多入力多出力である線形系を制御
する為のものであり、既に説明した音圧制御系において
は複数の出力素子が複数のスピーカ素子で、さらに１つ
以上の被制御点が受音素子として具現化されていた。従
つてこれと同様の他の多入力多出力線形系についても、
出力素子及び被制御点を適当に具体化することにより、
音圧制御系について述べた事柄と全く同様の説明が出来
る。即ちこの発明によれば上記線形系に対して、出力素
子未満の被制御点における信号の特性を、任意にかつ厳
密に制御することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置の原理を説明するための図、第
２図はこの発明装置の一実施例を示すブロック図、第３
図はフィルタ係数決定器100の一実施例を示すブロック
図、第４図は逐次近似法でフィルタ係数を計算する系の
一実施例を示すブロック図、第５図は複数のフィルタ係
数決定回路によって構成することにより、第４図のフィ
ルタ係数決定器より見かけ上の計算量を減らした、逐次
近似法でフィルタ係数を算出する系の一実施例を示すブ
ロック図、第６図は被制御点の音圧をすべて零とし、か
つ被制御点以外の場所には十分な音量の音響信号を放射
するようにしたこの発明装置の一実施例を示すブロック
図、第７図は被制御点におかれた受音素子の出力信号は
すべて零にし、被制御点の位置に対しては任意の音圧分
布を与えることを可能としたこの発明の一実施例を示す
ブロック図、第８図は実験におけるスピーカ素子とマイ
クロホン素子との位置関係を示す図、第９図は実験に用
いた各スピーカ素子とマイクロホン素子との間のインパ
ルス応答の周波数特性を示す図、第10図はこの発明に属
する装置及び従来技術を用いた場合の音圧制御性能の周
波数特性を表す実験結果の図、第11図は従来の音圧制御
装置の原理を説明するための図である。 1₁，1₂，……，1_S:2つ以上のスピーカ素子、9:有限振幅
信号を放射するように構成されたスピーカ素子、11₁，
……，11_N:1つ又は複数個の被制御点、21₁，21₂，…
…，21_S:FIRフィルタ、30:A/D変換器、50:D/A変換器、6
0,61,62,:波形記録器、70:波形操作器、80:演算設定
器、100:フィルタ係数決定器、101,102,103:行列乗算
器、110:逆行列演算器、120:係数分配器、130:逐次型演
算回路、131:逐次演算回路、141₁，141₂，……，141_S：
逐次型フィルタ係数決定回路、150:誤差演算回路、160:
遅延回路、170,190:減算器、180:目標インパルス応答畳
に込み回路、200:開閉器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭52−145201（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−10274（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−201499（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−22801（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多入力多出力である線形系に接続するＳ個
（Ｓは３以上の整数）の出力素子と、これら出力素子のそれぞれに出力を印加し、同一の入力
信号が供給されるＳ個のフイルタと、上記各フィルタの各Ｌ次元ベクトルで表わされた係数の
すべてをＳ・Ｌ行１列のマトリクスとし、上記線形系に接続する上記Ｓ個の出力素子数未満のＮ個
の素子（以後、被制御点と呼ぶ）のそれぞれと上記各出
力素子との間の各ｍ次元ベクトルで表わされた信号伝達
特性（インパルス応答）のすべてをＮ・ｎ行Ｓ・Ｌ列
（但しｎ＝ｍ＋Ｌ−１）のマトリクスとし、上記被制御点のそれぞれに定められるｎ次元ベク
トルで表された所望の信号伝達特性（インパルス応答）
のすべてをＮ・ｎ行１列のマトリクスなる関係とし、かつＬ≧Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）と
し、Ｌ＝Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のときを演算して、Ｌ＞Ｎ・（ｍ−１）／（Ｓ−Ｎ）のときノ
ルム最小型一般逆行列を用いて（Ｔは転置を表す）を演算して上記各フイルタの係数を
算出して対応する各フイルタに設定する手段とを備える
多チャンネル制御装置。
【請求項２】上記各フイルタはＬ個のタップを持つ離散
形FIRフイルタにより構成されていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の多チャンネル制御装置。
【請求項３】上記出力素子はスピーカ素子であり、これ
らスピーカ素子とＮ個の被制御点から成る音響系を制御
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多チ
ャンネル制御装置。