JP3127066B2 - パーソナル・マルチメディア・スピーカ・システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、全般的に、パーソナル
・コンピュータ上での音声再生に関する。さらに詳細に
は、スピーカ・システムと、スピーカ・システムをマル
チメディア・パーソナル・コンピュータ用に使用して、
付近にいる他の人に迷惑をかけずに、コンピュータ・デ
ィスプレイの近くに座っているユーザに高品質の音声を
提供するスピーカ・システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】パーソナル・コンピュータ用の高品質の
音声再生は、マルチメディアが出現するまで、特に重要
とみなされていなかった。ＩＢＭ社製のパーソナル・コ
ンピュータと互換性のあるパーソナル・コンピュータに
よって提示される視覚画像はたえず改善されているが、
パーソナル・コンピュータの典型的なスピーカ・システ
ムは、システム・ユニットのどこかに埋め込まれた単一
の安価なスピーカである。マルチメディアの潜在能力を
十分に活用するためには、パーソナル・コンピュータの
音声品質を改善する必要がある。

【０００３】マルチメディア・コンピューティングは、
少なくとも２つの異なる市場へと発展している。室内の
いろんな所にいる１群のリスナに対する優れた音声品質
が重要となる「グループ」市場と、付近の他の人には最
低限の迷惑しかかけずに、システムのすぐ近くにいる１
人のリスナに優れた音声品質を提供することが望まれる
「パーソナル」市場である。高品質のオーディオ・シス
テムは何年も前から存在し、「グループ」マルチメディ
ア市場に対する可能な解決策を提供しているが、パーソ
ナル・コンピュータ・マルチメディア・システムの要件
には十分に適合していない。

【０００４】一般に、オーディオ・システムは、音声の
指向性を低下させずに、できるだけ広い領域全体、すな
わち部屋全体に優れた品質の音声を提供するように設計
されている。これに対して、パーソナル・マルチメディ
ア・システムは、それぞれ異なるプログラムを実行する
他の同様なシステムの隣に配置される傾向がある。した
がって、各パーソナル・マルチメディア・システムから
の音声は、できるだけローカルに提供する必要がある。
オーディオ・システムのリスナは、部屋全体に予期でき
ないほど散らばっていることが多いが、マルチメディア
・システムのユーザはディスプレイのすぐ前にいる。パ
ーソナル・マルチメディアと、１群のリスナ用の高品質
オーディオに必要な音声特性は異なる。

【０００５】さらに、デスク空間が重要視されるので、
マルチメディア・パーソナル・コンピュータ・ディスプ
レイ用のスピーカに対するサイズおよび形状面の制限は
ずっと大きい。テレビのスピーカにも同様な空間および
サイズ面の制限があるが、それらのスピーカは画面に近
接した１人のリスナではなく、「グループ」マルチメデ
ィアのニーズを満たすように設計されている。

【０００６】したがって、従来の技術は、マルチメディ
ア・パーソナル・コンピュータ・ディスプレイ用の高品
質音声を生成するための要件を満たしていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一目的は、デ
スクトップ上のマルチメディア・パーソナル・コンピュ
ータ・ディスプレイ用のスピーカ・システムに必要な空
間を最小限に抑えることである。

【０００８】本発明の他の目的は、一様な位相特性をも
つ音声を生成することである。

【０００９】本発明の他の目的は、付近にいる他のユー
ザに迷惑をかけずに、マルチメディア・ディスプレイの
ユーザに高品質の音声を提供することである。

【００１０】本発明の他の目的は、前記の目的を満たす
マルチメディア・スピーカ・システムのコストを最低限
に抑えることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の前記
その他の目的は、非常に薄い形状を有し、コストが適度
であり、明瞭な音声を得るためのインパルス応答および
位相応答が極めて良好であり、付近にいる他の人に迷惑
をかけずにマルチメディア・パーソナル・コンピュータ
・ディスプレイの前にいる１人のリスナが使用できるよ
うに指向性が良好な、スピーカ・システムによって実現
される。このスピーカ・システムの各構成要素は、コン
ピュータ・ディスプレイの右側または左側に取り付ける
ことが好ましい。各構成要素は、薄いスピーカ・キャビ
ネット内に垂直線形アレイに並べられた、背が高くて奥
行きの深い複数の小形スピーカを備えている。垂直線形
アレイは、フェイズド・アレイとして電気的に駆動され
る。好ましい実施例では、各スピーカの背面に、折りた
たみ形の導波管が音響的に結合されている。折りたたみ
導波管は、ディスプレイの側面と同じ高さに取り付けら
れた固有のシート編成であり、高音構成要素中の指向性
ポートと、低音導波管中の折りたたんだ可変インピーダ
ンス・メイズを使用可能にすることが好ましい。このス
ピーカ・システムは、パーソナル・マルチメディア市場
で必要とされる、形状、明瞭さ、およびリスナの孤立化
を提供する。

【００１２】

【実施例】本発明は、様々なコンピュータのディスプレ
イに組み込むことができる。プロセッサ・ユニットはた
とえば、パーソナル・コンピュータ、ミニコンピュー
タ、または複数のコンピュータ・ディスプレイを実行す
るメインフレーム・コンピュータとすることができる。
コンピュータは、スタンドアロン型システム、ローカル
・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）や広域ネットワーク
（ＷＡＮ）などのネットワークの一部、あるいはさらに
大規模なテレプロセシング・システムとすることができ
る。しかし、以下で説明する本発明は、ＩＢＭのＰＳ／
２マルチメディア・シリーズなどのスタンドアロン型マ
ルチメディア・パーソナル・コンピュータ上で実施する
ことが最も好ましい。ただし、どのコンピュータを選択
するかは、マルチメディア・プログラミングのメモリお
よびディスク記憶域などの資源要件によってのみ制限さ
れる。ＩＢＭのコンピュータＰＳ／２シリーズに関する
詳細は、Technical Reference Manual Personal System
/2 Model 50, 60 Systems（ＩＢＭ社部品番号68X2224、
資料番号S68X-2224）、およびTechnical Reference Man
ual, Personal System/2 (Model 80)（ＩＢＭ社部品番
号68X22256、資料番号S68X-2256）を参照されたい。

【００１３】図１には、システム・ユニット１１、キー
ボード１２、マウス１３、およびディスプレイ１４を備
えたパーソナル・コンピュータ１０が示されている。ま
た、ディスプレイ１４の左側および右側に取り付けられ
たスピーカ・システム１５Ａおよび１５Ｂも示されてい
る。ディスプレイ１４のスクリーン１６は、視覚構成要
素にマルチメディア・プレゼンテーションを提示するた
めに使用される。スピーカ・システム１５Ａおよび１５
Ｂは、インパルス応答および位相応答が非常に良好であ
り、適切な指向性を備えた高品質の音声を、付近にいる
他の人に迷惑をかけずに１人のリスナに提供する。スピ
ーカ・システムの非常に薄い形状によって、ディスプレ
イ１４自体で通常必要とされるデスク空間以外に必要と
なるデスク空間の量が最小限で済むことに留意された
い。

【００１４】図２は、図１に示すマルチメディア・パー
ソナル・コンピュータの構成要素のブロック図を示して
いる。システム・ユニット１１は、様々な構成要素と結
合され、様々な構成要素間の通信を実現するために使用
される、システム・バスを含む。マイクロプロセッサ２
２は、システム・バス２１に接続されており、やはりシ
ステム・バス２１に接続された読取り専用メモリ（ＲＯ
Ｍ）２３およびランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）
２４によってサポートされる。ＩＢＭマルチメディアＰ
Ｓ／２コンピュータ・シリーズのマイクロプロセッサ
は、８０８８、２８６、３８６、または４８６マイクロ
プロセッサを含むインテル（Intel）・マイクロプロセ
ッサ・ファミリの１つである。しかし、６８０００、６
８０２０、または６８０３０マイクロプロセッサなどの
モトローラ（Motorola）社のマイクロプロセッサ・ファ
ミリや、ＩＢＭ、ヒューレット・パッカード（Hewlett
Packard）社、サン（Sun）、インテル、モトローラなど
製の様々な縮小命令セット・コンピュータ（ＲＩＳＣ）
マイクロプロセッサを含むが、それだけには限定されな
い、他のマイクロプロセッサを特定のコンピュータ中で
使用することも可能である。

【００１５】ＲＯＭ２３は、他のコードと共に、ディス
ク・ドライブやキーボードとの対話などの基本ハードウ
ェア動作を制御する基本入出力システム（ＢＩＯＳ）を
含んでいる。ＲＡＭ２４は、メイン・メモリであり、オ
ペレーティング・システムおよびマルチメディア・アプ
リケーション・プログラムがロードされる。メモリ管理
チップ２５は、システム・バス２１に接続されており、
ＲＡＭ２４と、ハード・ディスク・ドライブ２６および
フロッピィ・ディスク・ドライブ２７の間でのデータの
やり取りを含めて、直接メモリ・アクセス動作を制御す
る。やはりシステム・バス２１に結合されたＣＤ ＲＯ
Ｍ（図示せず）は、マルチメディア・プログラムまたは
プレゼンテーションに存在する大量のデータを記憶する
ために使用される。

【００１６】このシステム・バス２１には、キーボード
・コントローラ２８、マウス・コントローラ２９、ビデ
オ・コントローラ３０、オーディオ・コントローラ３１
などの様々な入出力コントローラも接続されている。キ
ーボード・コントローラ２８はキーボード１２用のハー
ドウェア・インタフェースを提供し、マウス・コントロ
ーラ２９はマウス１３用のハードウェア・インタフェー
スを提供し、ビデオ・コントローラ３０はディスプレイ
１４用のハードウェア・インタフェースであり、オーデ
ィオ・コントローラ３１はスピーカ１５Ａおよび１５Ｂ
用のハードウェア・インタフェースであるということは
自明であろう。最後に、システム・バス２１にはディジ
タル信号プロセッサ３３も結合されている。ディジタル
信号プロセッサ３３は、本発明のスピーカ・システムに
よって生成された信号を補正して、スピーカ要素を補償
するものであり、オーディオ・コントローラ３１に組み
込むことが好ましい。

【００１７】図３は、本発明の左および右スピーカ・シ
ステム１５Ａおよび１５Ｂを備えたコンピュータ・マル
チメディア・コンピュータ・ディスプレイ１４を示す。
各スピーカ・システムは、ディスプレイ１４のスクリー
ン１６に隣接した表面上に取り付けられており、良好な
インパルス特性および位相特性と、ディスプレイ１４の
前にいる１人のユーザに対する良好な指向性を有するス
テレオ・サウンドを提供する。ユーザが、室内の予期で
きない位置ではなくディスプレイ１４のすぐ前にいるの
で、スピーカ・システムは、このように位置が分かって
いることを利用して、付近にいる他の人に迷惑をかけず
にイヤホン並の品質を提供することができる。右スピー
カ・システム１５Ｂがディスプレイ１４から分離して示
されていることに留意されたい。これは、ユーザまたは
システム・インテグレータがこの特定のパーソナル・コ
ンピュータでマルチメディア機能を実行すると決定した
場合、コンピュータ・ディスプレイ１４に取り付ける離
散ユニットとしてこのスピーカ・システムをパッケージ
できることを示している。スピーカは、両面接着テープ
や、スピーカ・システムと共に提供されたループ・ファ
スナやフック・ファスナなどのその他の手段でモニタの
側面に取り付け、あるいはイヤホンのヘッドバンドと同
様にモニタの上部に乗ったクロスバー１８からぶら下げ
ることができる。また、スピーカ・システムをコンピュ
ータ・ディスプレイのベゼル１７に組み込むこともでき
る。

【００１８】図４および５はそれぞれ、右スピーカ・シ
ステム１５Ｂの詳細な正面図および側面図を示す。この
実施例では、６台の小形スピーカ５０がスピーカ・シス
テムの前面５１に取り付けられているが、スピーカは極
めて小形で、直径約１ないし２インチとする。本発明で
スピーカのサイズが小さい方が好都合な理由はいくつか
ある。第１に、ステレオ音声を得るためにスピーカ・シ
ステム１５Ａ、１５Ｂ中の小形スピーカをマルチメディ
ア・ディスプレイ１４上に取り付けたとき、デスクトッ
プ上のマルチメディア・ディスプレイが必要とする追加
幅が最低限になる。第２に、スピーカのサイズが波長の
半分未満であるため、スピーカ・コーンを横切る定在波
が除去され、位相線形特性が向上すると共に、周波数応
答が円滑になる。低周波数でロール・オフする場合で
も、スピーカ応答の凹凸が少なくなる。ロール・オフは
補正が容易であるが、凹凸の激しい応答は補正がほとん
ど不可能である。第３に、これらのスピーカは、波長が
スピーカ・サイズの約２倍より大きいすべての周波数に
対してより一様な拡散を提供する。拡散が一様であると
は、背面バフルによってスピーカ応答を電気的および音
響的に補正することができ、スピーカの前面で広範囲の
角度にわたって補正が有効となることを意味する。第４
に、スピーカのサイズが小さいため、Ａ．Ｄ．エドガー
（Edgar）他、"Virtual Integrated Mouse"、IBM Techn
ical Disclosure Bulletin、１９８８年３月、３９８な
いし４０１ページに記載された、「ソニック・マウス」
音響レンジング技術が使用可能になる。

【００１９】ソニック・マウスは、画面上のカーソル位
置を制御するための機構である。各アレイ中の少なくと
も１個のスピーカが音声エネルギーを放出する。エネル
ギーを放出するスピーカまたはアレイ中の他の少なくと
も１個のスピーカがマイクロホンとして機能し、ディス
プレイの前にいるユーザの手から反射された音声を受け
取る。スピーカ・システムをサポートする回路が、時間
遅延を測定して、スピーカからユーザの手までの距離を
求める。少なくとも２組の距離を用い、三角測量技術を
使用して、ｘ−ｙ平面における手の位置を求める。第３
のスピーカ／マイクロホン対からの第３の入力を使っ
て、ｚ次元における手の位置を求める。スピーカを相互
に区別するため、各スピーカは固有の周波数を伝送する
か、あるいはインタリーブされた時間に伝送を行う必要
がある。ユーザの手が動くと、カーソルがそれに応じて
移動し、ユーザは選択するグラフィカル・ユーザ・イン
タフェースの項目を指すことができる。また、以下に説
明するように、ソニック・マウスによって、コンピュー
タ・システムが、音響ホログラフィなどの非常に正確な
ステレオ効果を得るためにディスプレイの前にいるユー
ザの位置を特定することも可能になる。

【００２０】ソニック・マウスは、単一の送信機および
複数の受信機と協動することができる。しかし、２台の
送信機を使用すると、時間測定偏差による位置の不正確
さが２倍になる。単一の送信機を使用する場合、インタ
リーブされた送信機対に比べて測定数が２倍になり、平
均化を行ってエラーを削減することができる。また、ス
ピーカ・システム中のすべてのスピーカをソニック・マ
ウス動作に関与させることができる。すなわち、まず１
番上の対からインパルスを送信し、反射された音声を受
信し、次に上から２番目の対からインパルスを送信し、
反射された音声を受信し、以下同様である。したがっ
て、ちょうど飛行中のコウモリのように、様々な空間位
置からの測定を迅速に累計して、測定精度を上げること
ができる。

【００２１】多数の小形スピーカを線形アレイとして整
列し、同じ電気信号で駆動することによって、線形アレ
イはフェイズド・アレイとなり、アレイに垂直な選択さ
れた平面内に音声を集中し、同時に他の方向にはそれよ
りも少ない音声を送る。アレイを垂直に向けると、音声
は、リスナが動く際に中心となる水平角に拡散され、同
時に、ユーザがディスプレイを使用中に動く可能性が少
ない上下方向には集中されない。たとえば、ディスプレ
イの下にあるハード・デスク、床、または天井から反射
される音声は少ないので、通常、音声を濁らせるエコー
が減少する。小さな事務所で通常のスピーカのすぐ近く
にいる場合でも、室内の残響によって半分を超える量の
音声エネルギーが耳に入る。本発明のスピーカ・システ
ムではリスナの水平平面内に音声を集中するので、音声
がイヤホンのように明瞭に聞こえ、同時にリスナの上下
に放出されるエネルギーが削減されるので、室内の他の
人に与える迷惑は少なくなる。近距離にある線放射体の
エネルギーは、点音源の場合のように距離の平方に反比
例するのではなく単に距離に反比例して減少するので、
ディスプレイの近くで作業するとき、単一の大形スピー
カではなく多数の小形スピーカを使用する方が距離に対
するボリューム・コンシスタンシが向上する。

【００２２】さらに、このスピーカ・システムで利用可
能な出力には利点がある。各要素が同じ信号を受け取る
フェイズド・アレイで利用可能な出力は、駆動機構の数
の平方に比例する。すなわち、スピーカの数を６倍にす
ると、出力は３６倍になる。これによって、小形スピー
カを使用することによる出力制限が解消され、さらにそ
れらのスピーカの利点を利用することができる。この出
力ブーストは、小形スピーカではブーストが必要な低音
周波数を含めて、すべてのスピーカがリスナから４分の
１波長の範囲内で等距離となる周波数で動作する。とい
うのは、各スピーカからの音圧は、同位相である場合に
は加算され、出力は音圧の平方に比例するからである。
低周波数では、各スピーカが他のスピーカの圧力に対抗
して移動するときエネルギーが保存されるので、大気中
への機械エネルギーのインピーダンス結合がより効率的
になる。高周波数では、音声をリスナに集中し、他の方
向には分散しないようになるので、聴取位置における出
力利得が発生する。

【００２３】図５に示すように、スピーカ・システム１
５Ｂの側面には、スピーカ・システムの指向性を向上さ
せるために複数のポート５２がある。スピーカの前面か
ら出た正の波があらゆる方向に伝搬するとき、その背面
に移動する部分は、スピーカの背面から発生し、導波管
を介して伝搬する負の波と平行に進む。ポートによっ
て、２つの平行な波が混合され、導波管の全長にわたっ
て近傍の移動波が打ち消される。図４および５は、６個
のスピーカと、スピーカ・システムの７つのスロットを
示しているが、この数は可変であり、特定のスピーカ・
システム用の設計基準に合わせたものである。

【００２４】このシステムから得られる総音響出力は、
総スピーカ表面積の平方に比例する。したがって、通
常、できるだけ多くのスピーカを直線状に取り付けるこ
とが好ましい。すべてのスピーカを直列または並列に接
続すると電気インピーダンスの問題が発生するおそれが
あるので、スピーカの数を非素数にすれば、インピーダ
ンス接続がより柔軟になると同時に、同じ信号ですべて
のスピーカを駆動することができる。また、スピーカ・
アレイは、フェイズド・アレイを得るために少なくとも
４個のスピーカを有する必要がある。スピーカが４個よ
り少ない場合は、線放射体が適切に作成されず、したが
って本発明によって教示される優れた音声特性が大幅に
低下する。

【００２５】スピーカ・キャビネットおよび導波管用に
選択する材料は、オーディオ音声に振動が加わらないよ
うに高剛性なものにする必要がある。内部ストラットを
使用して、スピーカ・キャビネットの剛性を維持する助
けとすることができる。

【００２６】モニタの側面にうまくはめ込む上で好まし
いスピーカ・システムの高さおよび奥行きは約１１ない
し１４インチである。ただし、異なる寸法のモニタを使
用すれば、適宜これよりも大きなスピーカ・システムま
たは小さなスピーカ・システムを収納することが可能で
ある。さらに、スピーカ・アレイの高さとディスプレイ
の高さが厳密に一致する必要はない。１１インチのアレ
イ・キャビネットの場合、１インチ・スピーカなら１０
個、１．２５インチ・スピーカなら８個、１．７５イン
チ・スピーカなら６個入る。１４インチのアレイ・キャ
ビネットの場合、１インチ・スピーカなら１４個、２イ
ンチ・スピーカなら６個入る。スピーカ・キャビネット
の幅は、スピーカ・サイズを収納する最小幅に調整する
ことになる。

【００２７】線形位相によって、インパルスの保全性が
維持される。というのは、線形位相では、インパルスの
すべての部分の群遅延が等しいので、あらゆる周波数の
音声の「明瞭性」が維持されるからである。インパルス
がきれいであると、インパルスの時間応答が不鮮明なこ
とによって生じる音声の「濁り」が避けられ、良質なイ
ヤホンの音声と同等の明瞭な音声が得られる。小形の駆
動機構では、一様な周波数拡散、したがってある聴取角
度範囲にわたる補正可能性を与えることによってそれを
可能にする。インパルス応答を補正すると、線形位相と
平坦な周波数応答の両方が得られる。周波数応答を補正
しただけでは、スピーカ・システムの音は依然として濁
りあるいは耳障りとなる可能性がある。

【００２８】図６および７はそれぞれ、スピーカ・シス
テムの側部および上部の断面図を示す。図６および７
は、導波管が方向性スロットであるポート５２を有する
高音シート６０と、混合領域５６においてスピーカの背
面に結合されポート５７で終わる可変インピーダンス導
波管５５を含む低音シート６５という２つのセクション
に分かれていることを示している。剛性のより大きな小
形スピーカの方が大形スピーカよりもこの小形導波管に
適合する。可変インピーダンス導波管５５のサイズを変
えると、そのインピーダンスが変わる。スピーカの背面
から"Ｄ"の距離における断面積を小さくすると、寸法の
遷移点で正の波が反射される。断面積を大きくすると、
逆の効果が得られる。音波は、遷移まで１方向に進む時
１フィート当たり２ミリ秒をやや上回る速度で、かつ元
のインパルス方向を打ち消す位相でスピーカに戻ってく
る。この技術を使用して、スピーカのインパルス応答に
おける遅延スパイクを打ち消すことができる。可変イン
ピーダンス導波管５５の全長にわたって幅を適切に設定
すると、スピーカの周波数応答の凹凸の多くを音響機械
的に補正することができる。メイズの最適形状は実験に
よって繰り返し求めることができるが、近似値はスピー
カ・インパルス応答から求めることができる。音声は約
２ミリ秒で１フィートのメイズ長を進むので、導波管の
断面積は、初期の所望の音声インパルスに従ったスピー
カ・インパルス応答の負数の積分に比例するようにな
る。したがって、インパルス応答が時間＝２ミリ秒で正
のスパイクをもつ場合、距離＝１フィートの所で、断面
積を階段関数に従って突然小さくする必要がある。すな
わち、好ましくないスパイクの負数の積分に比例させる
必要がある。面積が小さいところでは、前面駆動スピー
カの背面からの負の圧力が反射される。この負の圧力
は、スピーカを引き戻すのに丁度の時間にスピーカ・コ
ーンに戻り、前面からの正のスパイクを打ち消す。

【００２９】妥当な低音応答を保存するために、導波管
は、ポート５７で大気に開放する前に少なくとも５ミリ
秒間音声を保持する必要がある。これによって、約１０
０Ｈｚのピークが得られる。可変インピーダンス導波管
５５がもっと長くても、折りたたんで任意の所望のメイ
ズにすることが可能である。可変インピーダンス導波管
５５は、必ずしも図６に示すように５フィートの折りた
たんだ直線セグメントとして構成する必要はない。

【００３０】大部分の拡声器では、実際のところ、スピ
ーカのある聴取角度について信号の位相および振幅を正
確に補正すると、位相応答がまったく異なる隣接位置で
は音声が劣化する。本発明では、ライン・アレイ中の小
形スピーカの聴取平面における一様な水平拡散により、
スピーカ応答の電子的補正が可能である。

【００３１】前述の音響補正と共に、またはそれとは別
個に、スピーカ・インパルス応答も電子的に補正するこ
とが可能である。コンピュータのディジタル信号プロセ
ッサで補正を実行することによって、この補正を、コン
ピュータが実行中の他の音声処理とインタリーブするこ
とができる。すなわち、小形スピーカを使用することに
よって、未補正応答が良好になるばかりでなく、広い聴
取角度にわたって位相線形度が同じになるので、信号が
スピーカに達する前に外乱を電子的に補正しておくこと
が可能である。

【００３２】図８は、本発明のスピーカで生成される音
波のディジタル信号プロセッサによる補正を示す。ステ
ップ６０で、時間的に単一のスパイクであるインパルス
応答でスピーカを励起して、未補正スピーカ・システム
の応答を測定する。スピーカの測定は、可動の精密マイ
クロホンおよび関連回路のコストの節約のために工場で
実施するが、再較正はいつでも実施することができる。
補正済みマイクロホンで時間の関数として測定した実音
圧が、スピーカ・システムの測定インパルス応答であ
る。この値は、一定の初期時間が経過するまで０であ
り、その後は変動する。この変動は時間が経過するにつ
れて小さくなり、ある任意の最終時間を過ぎると、無視
できるようになる。測定インパルス応答をボックス６２
に示す。

【００３３】従来のスピーカ・システムでは、聴取位置
のわずかな変化にもこのインパルス応答が変わるので、
実際には補正不能である。非常に小形のスピーカを使用
すると、本発明のスピーカ・システムの線形のフェイズ
ド・アレイの形状とあいまって、スピーカ効率が低下す
ることなく、角度に対するインパルス応答の依存性が弱
まる。本発明では、角度によるインパルス応答の変化が
ないことが、電子補正を可能にする上で重大である。次
のステップ６４で、フーリエ変換を適用することによっ
て、このインパルス応答の周波数応答を求める。周波数
応答は、周波数の関数としての振幅および位相角として
表すことができる。周波数応答をボックス６６に示す。

【００３４】ステップ６８で、スピーカ・システムの効
果を有効に打ち消す、本質的にシステム周波数応答と逆
の逆周波数応答を求める。Ｍ＝周波数応答の振幅、Ａ＝
周波数応答角度とすると、Ｍ'＝１／ＭおよびＡ'＝−Ａ
である。ここで、Ｍ'およびＡ'は、逆周波数応答の振幅
および位相角度である。結果を改善するため、Ｍ'の利
得を制限して、Ｍが０に近づく際の雑音およびひずみを
防止する。逆周波数応答をボックス７０に示す。ステッ
プ７２で、この逆周波数応答の逆フーリエ変換を行っ
て、補正インパルス応答を生成する。このインパルスの
幅は通常、両方向に無限に広がるが、特定の点で切り取
り、それより先は無視することができる。ディジタル信
号処理の分野では、切り取られない応答の範囲を「ウィ
ンドウ幅」と呼んでいる。

【００３５】ステップ７６で、その結果得られる補正イ
ンパルス応答（ボックス７４）を、ＤＳＰ中の有限イン
パルス応答（ＦＩＲ）フィルタ・アルゴリズムにロード
する。ＤＳＰは、このフィルタを、スピーカ・システム
に適用する前に、ステップ７８で信号に適用して、スピ
ーカ・システムにおける周波数ひずみの事前補正を行
う。

【００３６】フーリエ変換、ウィンドウ、およびＦＩＲ
フィルタ・アルゴリズムを含むディジタル信号処理に関
する詳細は、アラン Ｖ．オッペンハイム（Alan V. Op
penheim）およびＷ．シェーファー（Schafer）著、Digi
tal Signal Processing、Prentice Hall、（1975年）に
記載されている。

【００３７】実際の音声は固定位置にある拡声器から出
るにもかかわらず、オーディオ信号の主観的空間位置に
影響を及ぼすステレオ技術が、当技術分野で知られてい
る。音源の方向または入射角の識別に使用される２つの
主要な手がかりは、音声間強度差および内部時間遅延で
ある。音声間強度差とは、左チャネルと右チャネルの音
の大きさの差である。内部時間遅延とは、左チャネルと
右チャネルの、特定の事象が生成される時間の差であ
る。スペクトル要素も、音声方向の重要な基準を提供す
る。耳介（外耳）の回旋、肩、および上半身からの音声
の反射によって、ソース信号のスペクトルに方向情報が
加えられる。オーディオ信号にスペクトル情報を付加し
て方向情報を追加することが提案されている。以下で音
波ホログラフィについて説明する。

【００３８】前述の既存のステレオ技術は通常、比較的
小さな領域または「スィート・スポット」で最もよく機
能する。音波ホログラフィなどの精密技術では、リスナ
の耳をほぼ正確に位置決めする必要がある。好ましい実
施例では、本発明は、高品質の音声を得るために、リス
ナの位置がディスプレイに近接しているという既知の事
実を利用している。しかし、スピーカ・システムはソニ
ック・マウス・モードで動作できるので、リスナの厳密
な位置をコンピュータで決定することができる。ソニッ
ク・マウス・モードでは、ユーザの手の位置を測定する
代わりに、スピーカ・システムが、オーディオ信号を修
正するために、ユーザの頭の位置を決定することができ
る。したがって、ユーザがディスプレイ付近でわずかに
動いた場合、あるいは室内の他の場所に移動した場合で
も、音声間遅延および強度差を補正することができる。

【００３９】ユーザの位置を測定することによって、リ
スナが横に動くとき、２つのアレイを各耳に対して完全
に時間遅延することができる。これによって、中央チャ
ネルは常に完全に、画面の中央に集中される。時間遅延
された逆音波によって反対側の耳の信号を無効にしよう
とする音波ホログラフィのオーディオ・イメージング技
術が存在する。この場合、右耳には右チャネルだけが聞
こえ、左耳には左チャネルだけが聞こえる。ソニック・
マウスを使用すると、リスナがどこにいようとも、コン
ピュータが反対側の耳を無効にすることができる。この
ようにして、音声が天井からまたはテーブルの下から来
るように思わせる機能などの、興味深い両耳機能が可能
になる。

【００４０】図９は、スピーカ応答を補正するためのデ
ィジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３３を含むオーディ
オ・コントローラ・カードを示す。可能なオーディオ・
コントローラの１つに、ＩＢＭ社が１９９０年９月１８
日に発表し出荷を開始したＭオーディオ・キャプチャ・
アンド・プレイバック・アダプタがある。図９を参照す
ると、入出力バスは、マイクロチャネルまたはＰＣ入出
力バス１００であり、パーソナル・コンピュータがこの
入出力バス１００を介してオーディオ・コントローラに
情報を転送できるようにする。オーディオ・コントロー
ラ・カード上には、コマンド・レジスタ１０２、状況レ
ジスタ１０４、アドレス・ハイ・バイト・カウンタ１０
６およびアドレス・ロー・バイト・カウンタ１０７、デ
ータ・ハイ・バイト両方向ラッチ１０８、データ・ロー
両方向ラッチ１１０も含まれる。レジスタは、パーソナ
ル・コンピュータが、コマンドを発行しオーディオ・コ
ントローラ・カードの状況を監視するために使用する。
アドレス・ラッチおよびデータ・ラッチは、パーソナル
・コンピュータが、共用メモリ１１２にアクセスするた
めに使用する。共用メモリ１１２は、オーディオ・コン
トローラ・カード上の８Ｋビット×１６ビットのスタテ
ィックＲＡＭである。共用メモリ１１２はまた、パーソ
ナル・コンピュータとディジタル信号プロセッサ３３の
間の通信手段を提供する。

【００４１】制御論理機構１１４の一部であるメモリ・
アービタは、パーソナル・コンピュータおよびＤＳＰ３
３が同時に共用メモリ１１２にアクセスするのを防止す
る。共用メモリ１１２を分割して、記憶された情報の一
部がディジタル信号プロセッサ３３の制御に使用される
ようにすることができる。ディジタル信号プロセッサ３
３は、コマンドを発行するため、およびオーディオ・コ
ントローラ・カードの他の部分の状況を監視するため
に、それ自体の制御レジスタ１１６および状況レジスタ
１１８を有する。

【００４２】オーディオ・コントローラ・カードは、サ
ンプル・メモリ１２０と呼ばれる別のＲＡＭブロックを
含んでいる。サンプル・メモリ１２０は２Ｋビット×１
６ビットのスタティックＲＡＭであり、ＤＳＰ３３はこ
のメモリを使用して、スピーカ・システム上で再生され
る発信オーディオ信号を記憶し、あるいはディジタル化
された着信オーディオ信号を記憶する。スピーカ・シス
テムのソニック・マウス・モード用の音声インパルス
は、発信、着信の別を問わず、記憶を目的としてパーソ
ナル・コンピュータに転送するためにサンプル・メモリ
１２０に一時的に記憶される。ディジタル・アナログ変
換器（ＤＡＣ）１２２およびアナログ・ディジタル変換
器（ＡＤＣ）１２４は、コンピュータのディジタル環境
と、スピーカによって生成されまたは受け取られるアナ
ログ音声との間でオーディオ信号の変換を行う。ＤＡＣ
１２２はサンプル・メモリ１２０からディジタル・サン
プルを受け取り、サンプルをアナログ信号に変換し、こ
れらの信号をアナログ出力セクション１２６に送る。ア
ナログ出力セクション１２６は、パーソナル・コンピュ
ータから供給されるディジタル信号を条件付けし、スピ
ーカ・システムを介して伝送するために出力コネクタに
送る。ＤＡＣ１２２は多重化されているので、左右の両
方のスピーカ構成要素に連続ステレオ動作を提供するこ
とができる。

【００４３】ＡＤＣ１２４は、ＤＡＣ１２２と逆の機能
を実行する。ＡＤＣ１２４はアナログ入力セクション１
２８からアナログ信号を受け取る。アナログ入力セクシ
ョン１２８は、マイクロホンとして機能するスピーカ・
システム、またはテープ・プレーヤなどの他のオーディ
オ入力装置から信号を受け取る。ＡＤＣ１２４は、アナ
ログ信号をディジタルに変換し、それらをサンプリング
してサンプル・メモリ１２０に記憶する。制御論理機構
１１４は、ＤＳＰ３３が割込み要求を発行した後、パー
ソナル・コンピュータに割込みを発行する。

【００４４】スピーカ・システムへのステレオ・オーデ
ィオ信号の提供は、以下のように動作する。パーソナル
・コンピュータは、オーディオ・コントローラがディジ
タル化音声データの特定のサンプルを再生すべきことを
ＤＳＰ３３に通知する。本発明では、パーソナル・コン
ピュータが、そのメモリまたはディスク記憶域からディ
ジタル・オーディオ・サンプルを取り出し、それらを入
出力バス１００を介して共用メモリ１１２に転送する。
ＤＳＰ３３はサンプルを取り出し、それをスケーリング
済みの値に変換し、サンプル・メモリ１２０に格納す
る。ＤＳＰ３３は次に、ディジタル化サンプルをオーデ
ィオ信号に変換するＤＡＣ１２２を活動化し、オーディ
オ出力セクション１２６は、オーディオ信号を条件付け
し、それを出力コネクタに置く。

【００４５】ソニック・マウス・モードで動作するに
は、次の手順に従う。まず、パーソナル・コンピュータ
は、ユーザの位置を特定するのに使用されるインパルス
を、エミュレータとして機能するスピーカ・システム中
のスピーカに送るため共用メモリ１１２およびＤＳＰ３
３に送る。次に、パーソナル・コンピュータは、入出力
バス１００を介してディジタル信号プロセッサ３３に、
オーディオ・コントローラ・カードがユーザの体から反
射された音声をディジタル化すべきことを通知する。Ｄ
ＳＰ３３は、その制御レジスタ１１６を使用して、ＡＤ
Ｃ１２４を使用可能にする。ＡＤＣ１２４は、着信オー
ディオ信号をディジタル化し、サンプルをサンプル・メ
モリ１２０に入れる。ＤＳＰ３３はサンプル・メモリ１
２０から信号を受け取り、それを共用メモリ１１２に転
送する。ＤＳＰ３３は次に、入出力バス１００を介して
パーソナル・コンピュータに、ディジタル・サンプルが
パーソナル・コンピュータ・プロセッサが読み取れる状
態にあると通知する。パーソナル・コンピュータは、入
出力バス１００を介してサンプルを取り出し、それをパ
ーソナル・コンピュータ自体のＲＡＭまたはディスク記
憶域に格納する。音声インパルスが放射されてから音声
が反響するまでの時間差によって、ディスプレイに対す
るユーザの距離および位置が確定される。ソニック・マ
ウスに使用する音声を人間の可聴範囲外にして、マルチ
メディア・プレゼンテーションのオーディオ部分をソニ
ック・マウス機能とインタリーブできるようにすること
が好ましい。そのユーザに対する効果は、音声とカーソ
ルの位置決めが同時にできることである。ステレオ音声
とソニック・マウスをインタリーブすると、ユーザの位
置に応じてスピーカ・システムへのオーディオ信号を修
正する場合に特に有用である。

【００４６】なお、ソニック・マウスが動作する周波数
は、人間の可聴範囲よりもはるかに高いものとすること
ができる。たとえば、ディジタル・オーディオ信号は、
ナイキスト限界で突然終了する。ナイキスト限界は、オ
ーディオＣＤでは２２ｋＨｚである。したがって、ディ
ジタル信号プロセッサによってオーディオ信号にソニッ
ク・マウス・インパルスを付加すると、ソニック・マウ
スと、スピーカ・システムによる音声生成を同時に使用
することが可能になる。

【００４７】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、付
近の他のユーザに迷惑をかけることなく当該マルチメデ
ィア・ディスプレイの前にいるユーザにのみ高品質な音
声を与えることが可能なスピーカ・システムを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】システム・ユニット、キーボード、マウス、お
よび本発明のスピーカ・システムを備えたマルチメディ
ア・ディスプレイ装置を含む、マルチメディア・パーソ
ナル・コンピュータ・システムを表す図である。

【図２】本発明の好ましい実施例のマルチメディア・コ
ンピュータ・システム構成要素のブロック図である。

【図３】本発明のスピーカ・システムを備えたコンピュ
ータ・ディスプレイの正面図である。

【図４】本発明のスピーカ・システムの正面図である。

【図５】本発明のスピーカ・システムの側面図である。

【図６】本発明のスピーカ・システムの側面断面図であ
る。

【図７】本発明のスピーカ・システムの上面断面図であ
る。

【図８】低周波数用の位相ロール・オフセットに対する
ディジタル・プロセッサ補正を示す図である。

【図９】本発明のスピーカの制御に使用できるオーディ
オ・コントローラ・カードを示す図である。

【符号の説明】

１０ パーソナル・コンピュータ １１ システム・ユニット １２ キーボード １３ マウス １４ ディスプレイ １５ スピーカ・システム ２１ システム・バス ２２ マイクロプロセッサ ２３ 読取り専用メモリ（ＲＯＭ） ２４ ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ） ２８ キーボード・コントローラ ２９ マウス・コントローラ ３０ ビデオ・コントローラ ３１ オーディオ・コントローラ ３３ ディジタル信号プロセッサ ５０ 小形スピーカ ５２ ポート ６０ 高音シート ５５ 可変インピーダンス導波管 ６５ 低音シート

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−202298（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−170299（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−66891（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭41−7281（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 1/02 H04R 1/20 - 1/40

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンピュータ・ディスプレイの左右に配置
   されるスピーカ・システムであって、 それぞれが垂直線形アレイに並べられ、同じ電気信号で
   駆動されるように結合されてフェイズド・アレイを形成
   する少なくとも４個の小形スピーカと、 前記少なくとも４個の小形スピーカを収納するスピーカ
   ・キャビネットとを備え、 前記スピーカ・キャビネットが、 前記少なくとも４個の小形スピーカの背面に音響的に結
   合され、受け入れ可能な低音応答を生成するのに十分な
   長さをもつ低音用折りたたみ導波管と、 前記低音用折りたたみ導波管の側面に位置し、スピーカ
   ・システムからの音声の指向性を高めるための複数のポ
   ートを有する高音シートと、 を備える、コンピュータ・ディスプレイ用のスピーカ・
   システム。
2. 【請求項２】スピーカ・システム付きのコンピュータ・
   ディスプレイであって、 ディスプレイ本体と、 前記ディスプレイ本体の左側に取り付けられ、垂直線形
   アレイに並べられた少なくとも４個の小形スピーカを備
   え、各スピーカが同じ電気信号で駆動されるように結合
   されてフェイズド・アレイを形成する左スピーカ・シス
   テムと、 前記ディスプレイ本体の右側に取り付けられ、垂直線形
   アレイに並べられた少なくとも４個の小形スピーカを備
   え、各スピーカが同じ電気信号で駆動されるように結合
   されてフェイズド・アレイを形成する右スピーカ・シス
   テムとを備え、前記左スピーカ・システムおよび前記右
   スピーカ・システムのそれぞれが、 各スピーカの背面に音響的に結合されて、受け入れ可能
   な低音応答を生成するのに十分な長さをもつ低音用折り
   たたみ導波管と、 前記低音用折りたたみ導波管の側面に位置し、当該スピ
   ーカ・システムからの音声の指向性を高めるための複数
   のポートを有する高音シートと、 を備える、コンピュータ・ディスプレイ。
3. 【請求項３】スピーカ・システムを備えたパーソナル・
   コンピュータであって、 システム・バスと、 前記システム・バスに接続され、複数の命令を記憶する
   メモリと、 前記システム・バスに接続され、前記メモリに記憶され
   ている命令を実行するプロセッサと、 前記システム・バスに接続されたディスプレイと、 前記ディスプレイの左側に取り付けられ、垂直線形アレ
   イに並べられた少なくとも４個の小形スピーカを備え、
   各スピーカが同じ電気信号で駆動されるように結合され
   てフェイズド・アレイを形成する左スピーカ・システム
   と、 前記ディスプレイの右側に取り付けられ、垂直線形アレ
   イに並べられた少なくとも４個の小形スピーカを備え、
   各スピーカが同じ電気信号で駆動されるように結合され
   てフェイズド・アレイを形成する右スピーカ・システム
   とを備え、 前記左スピーカ・システムおよび前記右スピーカ・シス
   テムのそれぞれが、 各スピーカの背面に音響的に結合されて、受け入れ可能
   な低音応答を生成するのに十分な長さをもつ低音用折り
   たたみ導波管と、 前記低音用折りたたみ導波管の側面に位置し、当該スピ
   ーカ・システムからの音声の指向性を高めるための複数
   のポートを有する高音シートと、 を備える、パーソナル・コンピュータ。