JP4027329B2 - 音響出力素子アレイ - Google Patents

Description

本発明は、オーディオ信号を再生する音響機器、通信機器に関わるものであり、特定の方向の人々にのみ音を提供する音響出力素子アレイに関するものである。

近年、ＩＳＤＮ回線やＡＤＳＬ回線、光ネットワークなどを用いて遠隔地同士を結んだ通信会議が頻繁に行われるようになってきた。このような通信会議は、一般的には音響的に閉鎖された会議室などで行われているが、オープンオフィス（ディスクが並んだ大部屋）の片隅においても簡易に通信会議が行われることが望まれている。このような場所での通信会議では、会議に参加していない人々には拡声される音声を聞かせたくないため、ある特定の領域、あるいは特定の方向にのみ音が再生できる技術が望まれている。
これを実現するための音を特定の方向にだけ放射する音響出力素子としては指向性スピーカが知られている。指向性スピーカは、従来からホーンスピーカ、パラメトリックスピーカ、アナログスピーカアレイ、ディジタルフィルタ型スピーカアレイなどが知られている。

ホーンスピーカ（非特許文献１）は、ホーンの幾何学的形状によって指向性を実現するものであり、通常は高域用に限定されており、幅広い周波数範囲で鋭い指向性を得るためには、１ｍを越えるような大きなサイズのホーンが必要となり、あまり一般的な用途には利用できない。パラメトリックスピーカ（特許文献１）は、鋭い指向性を持つ超音波を可聴音のキャリア（搬送波）にすることで、可聴音に対しても鋭い指向性を得ようとする方式であり、音声信号で変調された超音波の空気中の非線形性で元の音声信号が復調される方式である。この方法は鋭い指向性が得られることで知られているが、超音波を放出するための特別なアンプが必要なこと、超音波が人体に与える影響を抑えること、などの課題がある。

これに対し、音響出力素子としてスピーカアレイを用いる方法は、ホーンスピーカに比べて大きさが小さく、なおかつ超音波ではなく、通常の可聴音の音響出力素子（すなわちスピーカ）を用いて指向性を実現しようとするものであり、大きさの問題と超音波受聴の問題のない方法である。スピーカアレイを用いた方式には、単純にスピーカを並列に並べたアナログ方式のスピーカアレイとディジタル方式のスピーカアレイがある。以下では、この２方式について従来技術として詳細に述べる。
図１は、複数の音響出力素子（スピーカ）を直線状に並べた音響出力素子アレイの構成を示す説明図である。この図において、１０は再生したい音響信号を音響出力素子アレイに入力するための音響信号入力端子、１１は各音響出力素子に対して再生する音量を調整する重み付け回路、１２は音を空間に放出する音響出力素子アレイ、１３は受聴者、１４はスピーカアンプである。以下の例では、音響出力素子を間隔１２ｃｍで直線上に１７個配置した場合について述べる。通信会議などで、ＴＶモニターの下などに直線上に配列された直線音響出力素子アレイが設置されることを想定し、全体の横のサイズは１．９２ｍ（１２ｃｍ×（１７−１）＝１９２ｃｍ）とした。このとき、音響出力素子アレイの軸方向に対して垂直の方向に受聴者１３がいることを想定している。

はじめに、簡単な例として、図１の重み付け回路１１の各重み付けを全て１に設定した場合について説明する（非特許文献１）。この場合は、図１の直線音響出力素子アレイの各音響出力素子に対して同位相、同音量の音響信号を入力したことに相当する。このときの、音場での再生音圧、および空間的にインパルス応答がどのように変化しているかを示す空間インパルス応答分布の両者を重ねて表示した様子を図２に示す。図２において、横軸０ｍの位置に縦方向に直線音響出力素子アレイは配置されている。図２において緩やかなカーブは音源信号が５００Ｈｚの正弦波である場合の等音圧分布を表し、５ｄＢ間隔で表示濃淡を変えている。また、図２において、例えば、横軸０．９ｍ、１．６ｍ位置に縦方向に濃く表示されているのは空間インパルス応答であり、音源信号としてインパルス（ここでは、２ｋＨｚまでに帯域制限されたインパルス）を音響信号入力端子に印加した場合に、２．５ｍｓごとに空間で観測される波形音圧をｄＢで示している。空間インパルス応答を見ることにより、音圧分布だけでは分からない波面が平面波になっている様子などをうかがい知ることができる。

図２の例を見て分かるように、同位相、同音量で音響出力素子アレイを駆動した場合には、きれいな平面波ができているが、音圧分布から指向特性はあまりよくなく、周辺に音を漏らしている様子が分かる。
周辺への音の漏れを少なくする方式として、コサイン重み付け法が知られている。この方法は、図１における重み付け回路１１の重みをスピーカの個数をＭ、音響出力素子アレイの中心となる音響出力素子の番号をｃｎｔ（ｃｎｔ＝Ｍ／２）としたとき、
ａ_ｉ＝ｃｏｓ（π／２^＊（ｉ−ｃｎｔ）／Ｍ）
とする方法である（非特許文献１）。これは、中心の音響出力素子の重みを１に設定し、端に行くほど重み係数を小さくすることにより、端の音響出力素子の音再生による周辺への音漏れを防止するものである。図３にこの方法によって駆動された音響出力素子アレイの再生音圧分布と空間インパルス応答分布を重ねて表示した図を示す。図２に比べ、再生音圧分布が元の音響出力素子アレイの範囲に収まり、概ね良好な指向特性が得られていることが分かる。

このとき、音響出力素子のサイズを小さくすると、逆に指向特性が悪くなる傾向にある。これは、最低である１個のスピーカを鳴らした場合には、無指向性スピーカになることからも理解できる。つまり、指向性スピーカを実現するためにはある程度の音響出力素子の個数と大きさが必要であると言える。
さて、以上の特性評価は理想的に音響出力素子が無指向性スピーカである場合を想定しており、実際に出来上がる指向特性は一般にここで示したものより広がっていると考えられる。
そこで、音響出力素子アレイの大きさは同じであっても、周囲への音漏れをより少なくする方式が望まれており、近年ディジタル信号処理回路を用いたスピーカ制御方式の開発がなされている。

この方式は、音響出力素子アレイにディジタルフィルタを接続することで、周波数ごとに位相と振幅をコントロールすることで、よりきめ細かい処理が可能となる。図４にこのディジタル信号処理方式を用いた音響出力素子アレイの構成図を示す。４１はディジタルフィルタであり、通常ＦＩＲフィルタによって構成される。また、Ｂ_ｉ（ｚ）はフィルタの特性を表し、ＦＩＲフィルタ係数ｂ_ｉ（ｎ）とは以下の関係で結ばれている。

ここで、Ｌはフィルタタップ数、ｚはｚ変換を表す。４２はフィルタ係数を決定する際に空間に放出された音を観測するための受音器（マイクロホン）であり、その位置は制御点と呼ばれる。その他の構成要素は図１と同一である。また、４６はＡ／Ｄ変換器、４７はＤ／Ａ変換器である。

ディジタル信号処理でフィルタ係数を決定する方法としては、音場の制御位置に配置された受音器４２により観測された信号が、所望の指向特性になるようにフィルタ係数にフィードバックをかける方法が知られている。従来知られている音場制御の手法は、各制御点での音圧を制御する手法（特許文献２）であるが、制御点を連続的に配置することで、指向特性制御なども可能になることも知られている。５０はこのディジタルフィルタ４１のフィルタ係数を受音器４２の検出信号に従って制御する制御器を示す。

特許文献２によれば、任意の音圧制御は、制御音源の数よりも１つ以上制御点の数が少なければ正確に行える。従って、ここでは音場制御の手法を用いた指向性制御の例として、音響出力素子の数を１７個、制御点の数を１２個として、図５に示すような指向特性の設計を考える。ここで、４３で示した×印は制御点を表し、受音器４２が置かれることによってその点の音圧が観測される。また、斜線で示した領域４４は指向特性の目標となる音再生領域、４５は主音源スピーカを示している。また、この図５においては、アンプ、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器は省略した。このような条件下で所望の指向特性を得ようとする場合には、音響出力素子アレイのうちの１個を主音源スピーカ４５とし、その主音源スピーカ４５のフィルタ特性はスルー（フィルタを無くす）とすることで、まず空間に音を放出し、図中×印で示した制御点４３での音圧を０にするように、残りの音響出力素子に音響信号を印加するディジタルフィルタのフィルタ係数を設定することで、全体として所望の指向特性が得られる。４４は音再生領域を示す。

具体的には、×印の制御点４３で音圧を０に制御するためには、主音源スピーカ４５から到達した音とその他の音響出力素子から到達した音の全ての和が０になっていればよい。今、例えば入力端子１０にインパルス信号が印加された場合に、ｊ番目の制御点で観測される音圧Ｐ_ｊ（ｚ）は以下のように記述できる。
P_j(z)＝G_0j(z)+B₁(z)G_1j(z)+B₂(z)G_2j(z)+…＋B_M(z)G_Mj(z)
ここで、Ｇ_０ｊは、主音源スピーカから制御点ｊまでの伝達関数、Ｇ_ｉｊは、音響出力素子アレイの音響出力素子ｉ＝１〜Ｍから各制御点ｊ＝１〜Ｎまでの伝達特性である。この例においては、Ｍは主音源スピーカを抜かした数なので１６、Ｎは制御点の数なので１２である。

さて、この式が０となることで、ｊ番目の制御点の音圧を０にすることができるので、Ｐ_ｊ（ｚ）＝０とすると、以下の式が成り立つ。
B₁(z)G_1j(z)+B₂(z)G_2j(z) +…＋B_M(z)G_Mj(z)＝−G_0j(z)
これを全てのｊに対して展開して行列表現すると、以下のように記述できる。ただし、ｚは共通なので省略した。

今、この行列式をＧ・Ｂ＝Ｒとすると、Ｂは、
Ｂ＝Ｇ^Ｔ・（Ｇ・Ｇ^Ｔ）^−１・Ｒ
により、求められる。この内容は特許文献２に記載された実施例２と同様の処理である。

図６に上記、従来技術の処理により求められた音圧分布と空間インパルス応答分布を重ねた図を示す。図の見方は図２及び図３と同じである。
この図６から、指向特性を絞るために、制御点４３の配列を絞ることで、制御点４３で形成した絞り部分の近傍では指向特性が絞られているが、その後、絞りの部分から離れるに従って広がってしまっている様子が分かる。ここで、図７のように制御点４３を増やして絞りを狭めて、広がりを押さえようとすると、結果として音響出力素子アレイから音が出ないという結果になってしまい、制御できないことが分かった。
特開２００３−１５３３６９号公報 特許第２５５８４４５号明細書 音響工学、三井田惇郎著 p.１０１（昭晃堂：１９９３年） 音響工学、三井田惇郎著 p.６６〜６８（昭晃堂：１９９３年）

以上、述べたように従来技術であるアナログ方式の音響出力素子アレイでは、ビーム幅がアレイの大きさに依存して小さくできないこと、また、ディジタル方式においても制御点４３で形成した絞り部分の近傍ではビーム幅を狭くできるが、絞り部分を外れるとビーム幅が広がるという問題点があることが分かった。また、ビーム幅を狭くするために制御点の数を増やすと結果として音響出力素子アレイから音が出ないという問題点があった。
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、音響出力素子アレイのサイズよりも幅の狭い指向性が得られる音響出力素子アレイを実現することを目的とする。

この発明の請求項１では複数の音響出力素子が空間に配置された音響出力素子アレイにおいて、各音響出力素子はそれぞれが独立したフィルタを通じて音響信号が印加され、フィルタは同一空間内に配置された複数の制御点での観測信号が予め設定された音再生方向では所望の平面波となり、予め設定された音遮断領域では観測信号が零となるフィルタ係数に設定され、音再生方向領域において、平面波の進行方向と直交する向きに複数の制御点を配置して構成した制御点列を平面波の進行方向に複数列配置することによって、上記平面波が平面波であることを確認する手段を設けたことを特徴とする音響出力素子アレイを提案する。

この発明の請求項２では請求項１記載の音響出力素子アレイにおいて、平面波の進行方向と直交する向きに配置した複数の制御点は音強調制御点とされ、音響出力素子アレイに近い側の１列目は音響出力素子アレイから放出された音を全ての音強調制御点において、ほぼ同一音圧で受音し、２列目では全ての音強調制御点において、第１列目と第２列目の距離差を音速で割った時間差分だけ位相遅れを考慮した音圧を受音するようにフィルタの特性を制御することを特徴とする音響出力素子アレイを提案する。
この発明の請求項３では請求項１又は２記載の音響出力素子アレイの何れかにおいて、音遮断領域は、音再生方向領域との境界線上に複数の制御点を設定し、これら複数の制御点で音圧を零とするようにフィルタのフィルタ係数を制御して音遮断領域の設定の確認をする手段としたことを特徴とする音響出力素子アレイを提案する。

本発明によれば制御点を増やし、ビーム幅を狭くしても、音強調制御点を設けたことにより音響出力素子アレイから音を発生させることができる。つまり、音響出力素子アレイのサイズよりも広がりが押さえられた平面波を実現することができ、指向性の強い平面波を得ることができる。

音響出力素子アレイを構成する各音響出力素子はそれぞれ独立のディジタルフィルタに接続される。このディジタルフィルタの特性は、同一空間内に配置された複数の制御点での観測信号が、あらかじめ設定された音再生方向では所望の平面波となり、また同時にあらかじめ設定された音遮断領域では観測信号が零となることを満たすように設定される。さらに、音再生方向領域内において、所望の平面波の進行方向と直交する向きに複数の制御点を複数列配置することによって、平面波であることを確認する手段を構成することによって音再生領域内での音が平面波になるようにフィルタ特性を調整し、さらに、音遮断領域は、音再生方向領域との境界線上に制御点を設定し、境界線上の制御点での音圧が零となることで音遮断領域に設定の確認をする手段を含むことによって、指向特性のある音響出力素子アレイとなるようにフィルタ特性を調整する。

図８に本発明の詳細な実施例を説明するための図を示す。図８において、８１は音強調制御点の第１列目、８２は音強調制御点の第２列目、８３は本発明で用いるディジタルフィルタ、Ｈ_ｉ（ｚ）は各フィルタ特性を示す。他の記号は前述と同一である。従来技術を示した図７と比較した場合、全ての音響出力素子１２にディジタルフィルタ８３が備えられ、また音強調制御点８１と８２が増えている点が特徴である。従って、制御器５０には各制御点４３からの検出信号と音強調制御点８１と８２からの検出信号が入力され、以下の制御が行われる。

この実施例では、平面波であることを確認するため、音の進行方向に対して、垂直に音強調制御点８１を配置し、さらに進行した音波が平面波を保っていることを保証するために、第２の音強調制御点８２を配置している。ここで、○で示した音強調制御点では、音響出力素子アレイから放出された音が第一列目では、全ての音強調制御点８１で１、第２列目では全ての音強調制御点８２において、第一列目と第二列目の距離差を音速で割った時間差分だけ位相遅れを考慮した音圧を再現する値に制御される。また、×印の制御点においては、従来技術と同様に音圧が０になるように制御する。このような条件を満たすフィルタ特性は以下のように記述することができる。

ここで、Ｇ_ｉｊは、ｉ番目のスピーカからｊ番目の制御点までの伝達特性である。この式においては、制御点は、ｌからｊ−１が音圧を零とする制御点、ｊ〜ｋ−１は第一列目の音強調制御点、ｋ〜Ｎは第二列目の音強調制御点を表わしている。また、Δは前列（制御点ｊ〜ｋ−１）と後列（制御点ｋ〜Ｎ）の距離差を音速で割った遅延時間であり、ωは周波数である。

さて、上記式をＧＨ＝Ｒとおくと、音響出力素子アレイに接続されたディジタルフィルタの特性は、
Ｈ＝Ｇ^Ｔ・（Ｇ・Ｇ^Ｔ）^−１・Ｒ
で求められる。また、逆行列が不安定にならないように、Ｇ・Ｇ^Ｔの最大固有値に比べて小さな正の定数をδとしたとき、以下の式で代用してＨを求めても良い。
Ｈ＝Ｇ^Ｔ・（Ｇ・Ｇ^Ｔ＋δＩ）^−１・Ｒ
ただし、Ｉは単位行列である。

図９に本発明による音響出力素子アレイの音圧分布と空間インパルス応答の分布を示す。図の見方は図２及び図３と同一である。この図から、従来技術に比べ、音響出力素子アレイのサイズよりも広がりが押さえられた平面波が実現できていることが分かる。

本発明の活用例としてはオープンオフィスに設置される通信会議装置に適用することができる。

従来のアナログ方式の音響出力素子アレイの構成を説明するためのブロック図。 従来のアナログ方式の音響出力素子アレイの音圧分布と空間インパルス応答分布例を示す図。 従来のアナログ方式の音響出力素子アレイにおいて、コサイン荷重を付加した場合の音圧分布と空間インパルス応答分布例を示す図。 従来のディジタル方式の音響出力素子アレイの構成を説明するためのブロック図。 従来のディジタル方式の音響出力素子アレイでの所望指向特性と、これを実現するための制御点配置の例を示す配置図。 従来のディジタル方式の音響出力素子アレイの音圧分布と空間インパルス応答分布の例を示す図。 従来のディジタル方式の音響出力素子アレイにおいて、広がりを抑えた所望指向特性と、これを実現するための制御点配置の例を示す配置図。 本発明の音響出力アレイにおいて、広がりを抑えた平面波の所望指向特性と、それを実現するための制御点と音強調制御点配置の例を説明するための配置図。 本発明の音響出力アレイの音圧分布と空間インパルス応答分布の例を示す図。

符号の説明

１０ 入力端子 ５０ 制御器
１２ 音響出力素子アレイ ８１、８２ 音強調制御点
４３ 制御点 ８３ ディジタルフィルタ
４４ 音再生領域

Claims (3)

1. 複数の音響出力素子が空間に配置された音響出力素子アレイにおいて、
   前記各音響出力素子はそれぞれが独立したフィルタを通じて音響信号が印加され、
   前記フィルタは、同一空間内に配置された少なくとも指向特性を絞るための上記音響出力素子の数よりも１つ以上少ない制御点を含む複数の制御点での観測信号が、予め設定された音再生方向領域の制御点では所望の平面波となり、予め設定された音遮断領域の制御点では零となるフィルタ係数に設定され、
   音再生方向領域において、前記平面波の進行方向と直交する向に複数の制御点を配置して構成した制御点列を前記平面波の進行方向に複数列配置することによって、上記平面波が平面波であることを確認する手段を設けたことを特徴とする音響出力素子アレイ。
2. 請求項１記載の音響出力素子アレイにおいて、
   前記平面波の進行方向と直交する向に配置した複数の制御点は音強調制御点とされ、前記音響出力素子アレイに近い側の１列目は前記音響出力素子アレイから放出された音を全ての音強調制御点において、ほぼ同一音圧で受音し、２列目では全ての音強調制御点において、第１列目と第２列目の距離差を音速で割った時間差分だけ位相遅れを考慮した音圧を受音するように前記フィルタの特性を制御することを特徴とする音響出力素子アレイ。
3. 請求項１又は２記載の音響出力素子アレイの何れかにおいて、
   前記音遮断領域は、音再生方向領域との境界線上に複数の制御点を設定し、これら複数の制御点で音圧を零とするように前記フィルタのフィルタ係数を制御して前記音遮断領域の設定の確認をする手段としたことを特徴とする音響出力素子アレイ。

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