JP4120663B2 - スピーカアレイ装置及びスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の音声ビームを放音してサラウンド音声を再生するスピーカアレイ装置に関し、音声ビームの放音方向の設定を容易に行うことができるスピーカアレイ装置に関する。

従来、マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカから成るスピーカアレイ装置を用いて複数の音声ビームを形成することにより、音声信号伝搬の指向性を制御する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

図１は、スピーカアレイ装置から５チャンネルの音声ビームを放音させる様子を示す上面図である。特許文献に記載のスピーカアレイ装置は、聴取者に対して図１に示すように、Ｃｃｈ（チャンネル）の音声ビームを直接放音し、Ｌｃｈ及びＲｃｈの音声ビームを聴取者から見て左右の壁面に反射するように放音し、ＳＬｃｈ及びＳＲｃｈの音声ビームを聴取者から見て左右の壁面及び後方の壁面に２回反射するように放音する。スピーカアレイ装置は、このように各チャンネルの音声ビームを放音する方向を制御することで、聴取者に対してその周囲にあたかもスピーカを配置したかのようなサラウンド感を与えることができる。
ヤマハ株式会社、デジタル・サウンド・プロジェクターＹＳＰ−１、［online］［平成１７年６月２日検索］、インターネット<URL : http://www.yamaha.co.jp/product/av/prd/ysp1/index.html>

従来のスピーカアレイ装置を部屋に設置する際には、聴取者のリスニング位置の情報や、設置環境の形状情報として部屋の形状や広さ、スピーカの設置位置ををスピーカアレイ装置に与えることで、音声ビームの角度を自動計算させて音声ビームを放音する角度を設定することができる。

しかし、この方法では、スピーカアレイ装置を設置する部屋の形状及び設置場所が制限されるという問題があった。つまり、スピーカアレイ装置を設置する部屋が図１に示したような直方体や立方体といった理想的な形状であり、かつ計算可能条件に合致する位置・方向にスピーカアレイ装置を設置しないと音声ビームの正しい放音角度が求められなかった。そのため、特殊な形状の部屋や大型の家具が設置されている部屋では、スピーカアレイ装置の音声ビームの設定を自動で行うことができず、手動でビーム角度の調整を行わなければならないことがあった。しかしながら、音声ビームの調整を手動で行うことは、設定者の主観に依存する部分が多いため、視聴環境に個人差が発生しやすく、また設定操作に知識と慣れも必要であり、聴取者が音声ビームの角度を手動で調整するのは困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、スピーカアレイ装置の設置場所の自由度が高く、音声ビームの放音方向の設定を聴取者が容易に行うことのできるスピーカアレイ装置及びスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１）マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイと、
音声信号を前記スピーカアレイの各スピーカに対して分配し、これらのスピーカから出力する音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイから音声ビームを放音させる信号処理手段と、
聴取位置に設置され、前記スピーカアレイが放音した音声ビームの直接音及び反射音を含む音声を集音するマイクロフォンと、
前記信号処理手段にテスト音声を入力して、前記マイクロフォンの方向において直接テスト音声ビームを垂直方向に旋回させ、
前記マイクロフォンが集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークの旋回角度以下の特定の角度を音声ビームの仰角として設定し、
前記設定された仰角で水平方向にテスト音声ビームを旋回させ、
前記マイクロフォンが集音した音声信号から複数のピークを選択し、選択した複数のピークの旋回角度をマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームの方位角に設定するシステム制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

スピーカアレイは複数の音声ビームを放音することができるが、この音声ビームの音圧分布は円錐状となる。音声ビームはこのような音圧分布であり、スピーカアレイと聴取者の聴取位置（耳の位置）とに高さの差があると、その差に応じて適正な聴取位置が異なる。そのため、スピーカアレイ装置を設置する場合には、スピーカアレイと聴取者の聴取位置との高さの差を考慮して、マルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームを放音する方向を調整する必要がある。この構成おいては、テスト音声ビームをマイクロフォンの方向において垂直方向に旋回させて、マイクロフォンで集音した音声データのピークを検出して音声ビームを放音する仰角として設定する。また、この設定した仰角で水平方向にテスト音声ビームを旋回させて、マイクロフォンで集音した音声データのピークを検出してマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームを放音する方位角を設定する。したがって、マルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームが、聴取者の聴取位置で音圧が高くなるように、各音声ビームを放音する方向を適正な位置に設定することができる。

（２）前記システム制御手段は、
前記設定された各チャンネルの方位角で垂直方向にそれぞれテスト音声ビームを旋回させ、
前記マイクロフォンが集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークに対応する旋回角度をこのチャンネルの音声ビームを放音する仰角に再設定することを特徴とする。

この構成おいては、マルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの方位角で、テスト音声ビームを垂直方向に旋回させて、マイクロフォンで集音した音声信号のピークを検出し、マルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルについて音声ビームを放音する仰角を再設定する。したがって、スピーカアレイと聴取者の聴取位置とに高さの差がある場合でも、マルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルについて仰角を微調整することで、方位角及び仰角について最適な値に設定することができる。

（３）マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイの各スピーカから放音するテスト音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイから放音するテスト音声ビームをマイクロフォンに向けて垂直方向に旋回させる工程と、
前記スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音をマイクロフォンで集音して、この集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークの旋回角度を音声ビームを放音する仰角に設定する工程と、
前記スピーカアレイの各スピーカから放音するテスト音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイから放音させるテスト音声ビームを、前記設定された仰角で水平方向に旋回させる工程と、
前記スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音及び反射音をマイクロフォンで集音して、この集音した音声信号から複数のピークを選択し、選択した複数のピークの旋回角度をマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームを放音する方位角に設定する工程と、
を含むことを特徴とする。

この構成おいては、請求項１と同様の効果を得ることができる。

（４）前記スピーカアレイの各スピーカから放音するテスト音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイからテスト音声ビームを、前記設定された方位角で垂直方向に旋回させる工程と、
前記スピーカアレイが出力したテスト音声ビームの直接音をマイクロフォンで集音して、この集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークの旋回角度をマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームを放音する仰角に再設定する工程と、
を含むことを特徴とする。

この構成おいては、請求項２と同様の効果を得ることができる。

本発明のスピーカアレイ装置では、室内に設置する際に、聴取者の聴取位置にマイクロフォンを設置して、スピーカアレイからテスト音声を出力して音声ビームを自動的に、マイクロフォン方向において垂直方向に旋回（スイープ）させて、このときにマイクロフォンで音声ビームを集音することで、音声ビームを放音させる仰角を設定する。続いて、音声ビームを設定された仰角で水平方向に旋回させて、このときにマイクロフォンで音声ビームを集音することで、音声ビームを放音させる方位角を設定する。また、各チャンネルの音声ビームを放音させる方位角で垂直方向に旋回させて、このときにマイクロフォンで音声ビームを集音することで、音声ビームを放音させる仰角を再設定する。このように、聴取位置において最適なサラウンド音声を再生させるために、アレイスピーカから出力した音声ビームを部屋の壁のどの位置に反射させるとマルチチャンネル音声信号を最適に再生できるかを短時間で検出して、各チャンネルの音声ビームの放音方向を容易に設定できる。また、ピークを検出した旋回角度をマルチチャンネル音声信号の各チャンネルの音声ビームを出力する角度として設定するので、スピーカアレイ装置を設置する部屋の形状や家具の配置などにかかわらず、スピーカアレイ装置を設置後に、マルチチャンネルサラウンド音声の放音方向の設定を聴取者が簡単に行うことができる。

図２は、本発明の実施形態に係るスピーカアレイ装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、スピーカアレイの配置図であり、（Ａ）はマトリックス状にスピーカを配置した場合、（Ｂ）はライン状にスピーカを３列配置した場合（マトリックス状配置）、（Ｃ）はライン状にスピーカを３列配置し、２列目のスピーカをずらした配置にした場合（ハニカム状配置）である。以下の説明では、スピーカアレイ装置の一例として、５ｃｈサラウンドシステム用のものについて説明する。また、以下の説明では、５ｃｈサラウンドシステムにおいて、フロントの左チャンネルをＬ（Left）ｃｈ、フロントの右チャンネルをＲ（Right ）ｃｈ、センタチャンネルをＣ（Center）ｃｈ、リアの左チャンネルをＳＬ（Surround Left）ｃｈ、リアの右チャンネルをＳＲ（Surround Right ）ｃｈと称する。

スピーカアレイ装置１は、マイクロフォン２、Ａ／Ｄコンバータ３、システム制御部４、操作部６、表示部７、ビーム形成部９、及びスピーカアレイ１０を備えている。また、スピーカアレイ装置１は、５ｃｈサラウンド音声信号の外部入力端子として、Ｌｃｈ端子、Ｒｃｈ端子、ＳＬｃｈ端子、ＳＲｃｈ端子、Ｃｃｈ端子を備えている。さらに、ビーム形成部９は、５つの音声信号をそれぞれ遅延処理する遅延部３１、遅延部３１から出力された５つの音声信号を増幅するパワーアンプ３２−１〜３２−５、及び各パワーアンプ３２−１〜３２−５から出力された信号を加算する加算器３３を備えている。また、ビーム形成部９はｎ個のブロック９−１〜９−ｎから成り、スピーカアレイ１０はｎ個のスピーカ３０から成り、各ビーム形成部９の出力にはスピーカ３０がそれぞれ接続されている。

なお、スピーカアレイ装置１のマイクロフォン２を除いた部分を本体１ｈと称する。

マイクロフォン２は、無指向性のマイクロフォンであり、Ａ／Ｄコンバータ３に接続されている。マイクロフォン２は、スピーカアレイ１０から放音されたテスト音声信号を集音するためのものである。

Ａ／Ｄコンバータ３は、マイクロフォン２が集音したアナログ音声信号をディジタル音声信号に変換（サンプリング）して、システム制御部４へ出力する。

システム制御部４は、ユーザＩ／Ｆ処理部１１、ビーム制御処理部１２、及び測定データ分析処理部１３を備えている。

ユーザＩ／Ｆ処理部１１は、操作部６で受け付けた操作に応じて、制御信号をスピーカアレイ装置１の各部へ出力する。また、ユーザＩ／Ｆ処理部１１は、装置の状況に応じて聴取者に報知すべき内容を表示部７へ表示させる。

ビーム制御処理部１２は、スピーカアレイ装置１の設置時などに各チャンネルの音声ビームを出力する角度を設定する音声ビーム設定モードの実行時に、ビーム形成部９ヘテスト音声信号を出力して、スピーカアレイ１０から出力させるテスト音声の音声ビームをスイープ（旋回）させる。

測定データ分析処理部１３は、音声ビーム設定モード実行時に、スピーカアレイ１０から出力されてマイクロフォン２で集音したテスト音声信号を記憶させる。また、測定データ分析処理部１３は、音声信号の収集が完了すると、記憶部５に記憶させた音声信号を読み出して音声信号のピークを検出し、各ピークに基づいてＣｃｈ、Ｌｃｈ、Ｒｃｈ、ＳＬｃｈ、ＳＲｃｈの各チャンネルの音声を出力する角度を設定し、その結果をビーム制御処理部１２へ出力する。

ビーム制御処理部１２は、測定データ分析処理部１３から出力された分析結果に基づいて各チャンネルの角度設定を行うための角度設定信号をビーム形成部９へ出力する。

なお、システム制御部４は、測定精度を上げるように設定された場合には、スイープを複数回実行させて、音声信号の積算・平均化処理などを実行するようにスピーカアレイ装置１の各部を制御する。

記憶部５は、Ａ／Ｄコンバータ３からシステム制御部４を介して出力されたディジタル音声信号を記憶する。

操作部６は、スピーカアレイ装置１の設置時などに、聴取者からの各種の設定入力を受け付けてシステム制御部４へ入力に応じた信号を出力する。

表示部７は、システム制御部４から出力された制御信号に基づいて聴取者に伝達する内容を表示する。

ビーム形成部９は、システム制御部４から出力された各チャンネルの角度設定信号に基づいて各チャンネルの音声ビームを形成して、スピーカアレイ１０へ音声信号を出力する。また、ビーム形成部９は、システム制御部４からスイープ信号が出力された場合には、スピーカアレイ１０から出力する音声ビームをスイープさせるように音声信号を処理して、スピーカアレイ１０へ音声信号を出力する。

スピーカアレイ１０は、ビーム形成部９から出力された音声信号に基づいて、各チャンネルの音声ビームを出力する。

ここで、図３に示すようにスピーカアレイ１０は、複数（ｎ個）のスピーカ３０が１つのパネルにおいてライン状に所定の配列で配置したものであり、各スピーカからサラウンド音声を出力するタイミングをチャンネル毎に調整してビーム状に放射し、音声ビームが壁面など任意の位置で焦点を結ぶように遅延制御する。そして、各チャンネルの音声をスピーカアレイ装置１が設置された部屋の壁に反射させることで、任意の点に音源を作り出し、マルチチャンネルの音場を形成して、サラウンド音声を再生する。

次に、スピーカアレイ装置１の動作について説明する。図４は、スピーカアレイ装置を設置する部屋の上面図であり、スピーカアレイ装置が音声ビームをスイープする動作、及びマイクロフォンが音声ビームを集音する動作を説明するための図である。ここで、図４には、本発明を容易に理解できるように、スピーカアレイ装置１を設置する部屋４０が理想的な形状である直方体であり、スピーカアレイ装置１の本体１ｈを部屋４０の前壁４１の中央付近における壁際に設置した場合について説明する。

スピーカアレイ装置１を部屋４０に設置する場合には、図４（Ａ）に示すようにスピーカアレイ装置１の本体１ｈを、聴取者の所望の位置である前壁４１の中央部における壁際に、スピーカアレイ１０の前面が前壁４１と平行となり、後壁４３に対向させて室内に向けて音声を出力するように設置する。また、スピーカアレイ装置１のＡ／Ｄコンバータ３に接続されたマイクロフォン２を、聴取者のリスニングポジション（聴取位置）に設置する。このとき、マイクロフォン２の高さは、聴取者の耳の位置に合わせると良い。図４（Ａ）には、聴取位置を部屋４０の中心よりも後壁４３に近い位置とした場合を示している。

スピーカアレイ装置１は、スピーカアレイ装置１の本体１ｈ及びマイクロフォン２の設置が完了して、音声ビーム設定モードが設定されると、スピーカアレイ１０を部屋４０の上方から見てスピーカアレイ１０の前面と平行な一方の方向（以下、０度方向と称する。）から、スピーカアレイ１０の前面と平行な他方の方向（以下、１８０度方向と称する。）までの間において、テスト用の音声ビームをスイープ（旋回）させる。なお、スピーカアレイ装置１を設置する部屋の形状やスピーカアレイ装置１の設置位置によっては、音声ビームのスイープ角θを０゜≦θ≦１８０°以外の値に設定することも可能である。

このように、テスト用の音声ビームをスイープさせると、スピーカアレイ１０から出力した音声ビームのスイープ角θに応じて、部屋４０の左壁４２・後壁４３・右壁４４に音声ビームが反射する。このとき、マイクロフォン２で音声ビームの直接音や各壁で反射した間接音を集音して、音声ビームを出力する最適な角度（方位角）を求める。

例えば、図４（Ｂ）に示すように、スイープ角θ＝θ１の場合、音声ビーム３４ａは左壁４２及び右壁４４で反射してからマイクロフォン２に到達するので、Ｌチャンネルの音声ビームを出力する角度としては不適である。また、スイープ角θ＝θ２の場合、音声ビーム３４ｂは左壁４２で反射してからマイクロフォン２に到達するので、音声ビームを出力する角度としては適当な角度であり、Ｌｃｈの音声ビームの出力角度に設定することができる。さらに、スイープ角θ＝θ３の場合、音声ビーム３４ｃは左壁４２及び後壁４３で反射してからマイクロフォン２に到達するので、ＳＬｃｈの音声ビームを出力する角度としては適当であり、ＳＬｃｈの音声ビームの出力角度に設定することができる。加えて、スイープ角θ＝θ４の場合、音声ビーム３４ｄは直接マイクロフォン２に到達するので、音声ビームを出力する角度としては適当であり、Ｃｃｈの音声ビームの出力角度に設定することができる。

音声ビーム設定モードのときにスピーカアレイ１０から出力させる音声ビームは、相関性がなく、スピーカアレイ装置１の形状とスピーカアレイ１０の各スピーカの配置によって決まるビーム角度をコントロール可能な帯域に制限された音声信号を出力するようにシステム制御部４に設定されている。テスト音声信号としては、例えば、４ｋＨｚを中心とする周期性のない音波やホワイトノイズのように周期性のない音波などが好適である。

また、スピーカアレイ装置１は、その設置位置や高さに応じて、スピーカアレイ１０の前面から出力する音声ビームの仰角を任意の角度に設定することができる。

次に、スピーカアレイ装置１を設置した際における音声ビームの出力角度の具体的な設定動作について説明する。図５は、スピーカアレイ装置の設置時の動作を説明するための図であり、（Ａ）は直方体型の部屋における前壁中央の壁際に設置したときの音声ビームの測定動作を示す上面図、（Ｂ）は測定データを示すグラフ、（Ｃ）はスピーカアレイ装置を設置後における直方体型の部屋の上面図である。

図５に示すように、理想的な形状の部屋である直方体型の部屋５０においてスピーカアレイ装置１の本体１ｈを前壁５１の中央部の壁際に設置した場合、聴取者Ｕがマイクロフォン２をサラウンド音声の聴取位置に設置して、音声ビーム設定モードを設定すると、テスト用の音声ビームのスイープが開始される。すなわち、スピーカアレイ装置１は、スピーカアレイ１０の前面の０度方向から１８０度方向までの間において、音声ビームをスイープさせながら、マイクロフォン２で集音して、音声データを記憶部５に格納する。音声ビームのスイープが終了すると、システム制御部４は記憶部５からデータを読み出して分析を行う。その結果、図５（Ｂ）に示すような結果が得られた。ここで、図５（Ｂ）には、ノイズを除去したデータを示しているが、実際にはノイズなどにより測定データの波形は歪んだり細かく波形が変化したりする。また、図５（Ｂ）に示すグラフの横軸をビーム角度、縦幅をマイクロフォン２で集音した音声データのゲインに設定している。音声データから複数のピークを容易に検出するために、壁に反射した回数が２回までの音声ビームのみを検出できるレベルに閾値を設定する。さらに、これ以降に説明する角度−ゲインのグラフはすべて図５（Ｂ）と同様に表示する。

システム制御部４は、妥当な範囲にあり一定幅以上である最もゲインレベルの高いピーク５７のスイープ角θａ３をＣｃｈの音声ビームを出力する角度（方位角）に設定する。Ｃｃｈに設定する音声は、音声ビームの直接音を測定しているため、最も高いレベルとなる。

続いて、システム制御部４は、Ｃｃｈに設定したピークを挟んで両側（時間的に前後、角度的に左右）の領域に、ゲインの閾値を超えたピークが幾つ存在するか、Ｃｃｈに設定したピーク５７に近すぎるピークや仮想スピーカの設置角度として常識的に有り得ない角度であるピークを除外して、選定・検出する。システム制御部４は、Ｃｃｈに設定したピーク５７に近い方からサラウンドチャンネル、フロントチャンネルという順に割り当てて、その角度を割り出す。すなわち、システム制御部４は、スイープ角θａ１をＬｃｈの出力角（方位角）に、スイープ角θａ２をＳＬｃｈの出力角（方位角）に、スイープ角θａ３を前記のようにＣｃｈの出力角（方位角）に、スイープ角θａ４をＳＲｃｈの出力角（方位角）に、スイープ角θａ５をＲｃｈの出力角（方位角）に、それぞれ設定する。

スピーカアレイ装置１は、外部からオーディオ音声などが入力されると、図６（Ｃ）に示すように、聴取者Ｕに対して、Ｃｃｈの音声を直接音として出力し、Ｌｃｈの音声を左壁５２で１回反射する反射音として出力し、ＳＬｃｈの音声を左壁５２及び後壁５３で２回反射する反射音として出力し、ＳＲｃｈの音声を右壁５４及び後壁５３で２回反射する反射音として出力し、Ｒｃｈの音声を右壁５４で１回反射する反射音として出力する。したがって、聴取者Ｕは、聴取位置において理想的なサラウンド音声を楽しむことができる。

ここで、スピーカアレイにおいて、複数のスピーカがライン状に並んだ構成であるラインが１列だけであると垂直方向に音声をビームを制御することは不可能であるが、ラインを複数列を有する図３に示したような構成のスピーカアレイの場合には、指向性はやや弱いものの特に高音域に関して垂直方向に指向性を制御することが可能である。

そこで、本発明のスピーカアレイ装置では、上記のようにスピーカアレイ１０から放音する音声ビームを水平方向にスイープさせて、各チャンネルの音声ビームを出力する角度を設定する際には、その直前に、音声ビームをマイクロフォンの方向において垂直方向にスイープさせて、音圧（ゲインレベル）の最も高くなる角度を検出し、この仰角で上記の処理を行うようにする。

なお、周知のように、音声ビームを放音する仰角が負の値の場合には俯角となるが、本明細書では用語を統一するために仰角のみを使用する。

図６は、ライン状のスピーカアレイ装置から放音した音声ビームにおける音圧を分布を示す図であり、（Ａ）は（Ｃ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（Ｂ）は（Ｃ）における矢印Ａの方向から見た音声ビームのイメージ図、（Ｃ）はスピーカアレイ装置を設置した部屋の上面透視図である。図７は、マイクロフォンとスピーカアレイとの高さずれによる各チャンネルの音声ビームの検出角度の相違を示す図であり、（Ａ）は、スピーカアレイ装置を設置した部屋の上面透視図であり、（Ｂ）はスピーカアレイから放音された音の垂直方向のレベルを示すグラフであり、（Ｃ）はスピーカアレイから放音された音の水平方向のレベルを示すグラフである。

図３に示したような複数列のラインを有するスピーカアレイ１０から音声ビームを放音すると、図６（Ａ）に示すように、理想的には中空の円錐形状となる。また、音圧分布は、図６（Ｂ）に示すように、スピーカアレイ１０の中心線付近が最も音圧が高くなり、中心線から離れるにつれて音圧が徐々に低くなる。また、上記のように、音声ビームは中空の円錐形状であるため、等音圧線は三日月形となる。そのため、スピーカアレイ１０の中心とマイクロフォン２の集音部とに高さの差があると、その差に応じて各チャンネルの音声ビームを出力する最適な角度の検出位置が異なることがある。

図７（Ａ）に示すように、スピーカアレイ装置１に対する聴取者Ｕの聴取位置の高さが異なると、例えばＣｃｈの音声ビームのレベルは、スピーカアレイ１０の中心と聴取者Ｕの聴取位置とが同じ高さのときには、図７（Ｂ）の［１］に示すように、仰角が０度のときに信号レベルが最も大きくなる。一方、スピーカアレイ１０の中心と、聴取者Ｕの聴取位置とに高さの差がある場合には、図７（Ｂ）の［２］に示すように、仰角が２０度のときに信号レベルが最も大きくなる。

また、スピーカアレイ１０の中心と聴取者Ｕの聴取位置とに高さの差がある場合と差がない場合では、水平方向においても各チャンネルの音声ビームのレベルや、ピークの位置（方位角）が変化する。例えば、スピーカアレイ１０の中心と聴取者Ｕの聴取位置とに高さの差がない場合には、図７（Ｃ）の［１］に示すように、Ｃｃｈの信号レベルが最も大きくなり、他のチャンネルについても信号レベルが高い角度を検出して、これらを放音角度に設定することができる。一方、スピーカアレイ１０の中心と聴取者Ｕの聴取位置とに高さの差がある場合には、図７（Ｃ）の［２］に示すように、センタチャンネルのレベルが他のチャンネルと同様となるか、または他のチャンネルよりもレベルが小さくなる。また、他のチャンネルの検出角度が、水平の場合とは異なる値となる。

また、音声ビームにおける音圧分布は音声ビームの出射角度と経路距離により異なる。図８は、音声ビームにおける角度と経路距離による音圧分布の違いを示す図である。図８（Ａ）に示すように、（１）Ｌｃｈ用の音声ビーム、（２）ＳＬｃｈ用の音声ビーム、（３）Ｃｃｈ用の音声ビームを、それぞれ図８（Ｂ）に示すように水平方向に０°を中心として放音する。この場合には、図８（Ａ）におけるＣ−Ｃ’断面は図８（Ｃ）に示すようになる。すなわち、スピーカアレイ１０の前面に対する角度が小さいほど、またスピーカアレイ１０からの経路距離が長くなるほど、音圧分布線の曲率が小さくなるため、スピーカアレイ１０の中心とマイクロフォン２との高さずれ（仰角）の影響を受けにくくなる。したがって、水平方向に音声ビームをスイープする前に設定する仰角は、高さずれの影響を最も受けるスピーカアレイ１０の中心からマイクロフォン２の設置位置までの経路距離が短いチャンネル（通常はＣｃｈとなる。）に合わせて設定するのがよい。

図９は、垂直方向及び水平方向のスイープ時の動作を示す図である。スピーカアレイ１０の中心とマイクロフォン２との高さの差、つまりスピーカアレイ１０の中心からマイクロフォン２への仰角を測定する際には、まず、マイクロフォン２とスピーカアレイ１０の中心との距離を検出する。続いて、図９（Ａ）に示すように、マイクロフォンに向かって垂直方向にテスト用の音声ビームをスイープさせて、スピーカアレイ１０の中心からマイクロフォン２が集音した音声信号のレベルを測定する。続いて、マイクロフォン２が集音した音声の信号レベルが最も高くなる角度を、マイクロフォン２とスピーカアレイ１０との仰角とする。

そして、音声ビームを放音させる角度をこの仰角以下の角度、すなわちこの仰角と０度（水平方向）との間の特定の角度（例えば１／２の角度）に設定して、図９（Ｂ）に示すように、この角度においてテスト用の音声ビームの水平方向のスイープを行う。このような方法で各チャンネルの音声ビームの放音角度を設定することで、スピーカアレイ１０の中心とマイクロフォン２との間に高さずれがあったとしても、Ｃｃｈの角度が正しく検出され、各チャンネルの音声ビームを放音する方向を適正な方向に設定することができる。

なお、音声ビームを放音させる角度を仰角と０度（水平方向）との間の特定の角度（例えば１／２の角度）に設定するのは、センターピークを正しく検出できる上、次に経路距離の短い例えばフロントｃｈ（１回反射）の検出水平角度を最適な仰角に近い状態で検出できるためである。換言すると、最適な仰角に近い垂直角度でスイープすることによって、曲率による検出水平角度ずれを小さくすることができるからである。

図１０は、スピーカアレイに対するマイクロフォンの仰角の設定方法を説明するための図であり、（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は斜視図である。スピーカアレイ１０の中心に対するマイクロフォン２の仰角は、図１０（Ａ）に示すように、マイクロフォン２の設置位置がスピーカアレイ１０の正面付近であれば、ビーム焦点をマイクロフォン２の設置位置よりも短めに設定する。そして、測定の最初に、水平正面（９０度）において、垂直方向に音声ビームをスイープさせて、マイクロフォン２により音声を集音させて、測定を行うことで、９０度から多少角度がずれていても、音声ビームを放音する垂直方向の最良の角度を検出することができる。

一方、図１０（Ｂ）に示すように、マイクロフォン２がスピーカアレイ１０の正面から水平方向に大きくずれた位置に設置されている場合には、スピーカアレイ１０の中心に対するマイクロフォン２の水平方向の距離、垂直方向の距離（高さの差）、及びスピーカアレイ１０の前面に平行な方向におけるスピーカアレイ１０の中心とマイクロフォン２の距離を聴取者により手動で入力設定することで、音声ビームを放音する垂直方向の最良の角度を算出できる。

次に、スピーカアレイ装置１が音声ビーム設定モードを実行する際の動作についてフローチャートに基づいて説明する。図１１は、スピーカアレイ装置が音声ビーム設定モードを実行する際の動作を説明するためのフローチャートである。

聴取者Ｕは、スピーカアレイ装置１の本体１ｈを部屋の所望の位置に設置するとともに、マイクロフォン２を聴取位置に設置する。そして、本体１ｈの操作部６を操作して、室内におけるスピーカアレイ装置１の設置位置（コーナまたは壁沿い）を入力後に、音声ビーム設定モードを開始させる。

スピーカアレイ装置１のシステム制御部４は、操作部６が操作されて、スピーカアレイ装置１の設置位置の入力後に、音声ビーム設定モードの開始入力が行われたことを検出すると（ｓ１）、システム制御部４は、音声ビームの仰角を自動設定するか、またはマイクロフォン２とスピーカアレイ１０との距離を入力して計算により設定するか選択するように促す内容を表示部７に表示させる（ｓ２）。なお、入力すべき距離は、スピーカアレイ１０の中心からマイクロフォン２までの水平方向の距離、垂直方向の距離（高さの差）、及びスピーカアレイ１０の前面に平行な方向におけるスピーカアレイ１０の中心とマイクロフォン２の距離の３つであり、ユーザが測定する必要がある。

システム制御部４は、操作部６において自動設定を行う旨の入力がなされたことを検出すると（ｓ３）、スイープ信号を形成して、ビーム形成部９へ出力して、ビーム形成部９で形成したビーム信号をスピーカアレイ１０へ出力して、水平方向を０度としたときに垂直方向において例えば−４５度方向から＋４５度方向までの間においてテスト音声ビームをスイープ（旋回）させる。そして、スピーカアレイ１０から出力された直接音をマイクロフォン２で集音して、集音した音声データをＡ／Ｄコンバータ３でディジタル音声信号に変換し、音声データを旋回角度と対応付けて記憶部５に蓄積させる（ｓ４）。

システム制御部４は、スイープ動作が終了すると、信号を出力して、システム制御部４に音声信号の分析を開始させる。すなわち、システム制御部４は、記憶部５から音声データを読み出して分析を行い、妥当な範囲にある最もゲインレベルの高いピーク値の旋回角度をＣｃｈの仰角に設定する（ｓ５）。

一方、ステップｓ３において、自動設定が選択されずに、３つの距離の入力が操作部６において行われた場合には、システム制御部４は、３つの距離が操作部６から入力されたことを検出すると（ｓ６）、これらのデータに基づいてＣｃｈの仰角及びスピーカアレイ１０に対するＣｃｈの角度を算出する（ｓ７）。

続いて、システム制御部４は、スイープ信号を形成して、ビーム形成部９へ出力して、ビーム形成部９で形成したビーム信号をスピーカアレイ１０へ出力して、テスト音声ビームを、ステップｓ５またはステップｓ７で取得した仰角で、スピーカアレイ１０の前面における０度方向から１８０度方向までの間においてスイープさせる。そして、部屋の壁に反射した音声またはスピーカアレイ１０から出力された直接音をマイクロフォン２で集音して、集音した音声データをＡ／Ｄコンバータ３でディジタル音声信号に変換して、旋回角度と対応付けて記憶部５に蓄積させる（ｓ８）。

システム制御部４は、スイープ動作が終了すると、音声信号の分析を開始する。すなわち、システム制御部４は、記憶部５から音声データを読み出して分析を行い、妥当な範囲にあるゲインレベルの高いピーク値のスイープ角度をＬｃｈ、Ｒｃｈ、ＳＬｃｈ、及びＳＲｃｈの音声ビームを放音する方位角に設定する（ｓ９）。

続いて、システム制御部４は、ステップｓ９において設定したＬｃｈ、Ｒｃｈ、ＳＬｃｈ、及びＳＲｃｈの各チャンネルの方位角において、最適な仰角の検出を行う（ｓ１０）。すなわち、システム制御部４は、スイープ信号を形成して、ビーム形成部９へ出力して、ビーム形成部９で形成したビーム信号をスピーカアレイ１０へ出力して、水平方向を０度としたときに垂直方向において例えば−４５度方向から＋４５度方向までの間においてテスト音声ビームをスイープさせる。そして、スピーカアレイ１０から出力された直接音をマイクロフォン２で集音して、集音した音声データをＡ／Ｄコンバータ３でディジタル音声信号に変換して、記憶部５に蓄積させる。

システム制御部４は、スイープ動作が終了すると、音声信号の分析を開始する。すなわち、システム制御部４は、記憶部５から音声データを読み出して分析を行い、妥当な範囲にある最もゲインレベルの高いピーク値のスイープ角度をそのｃｈの仰角に再設定する（ｓ１１）。

システム制御部４は、各チャンネルの仰角及び方位角について設定が終わると、各チャンネルの音声ビームを設定した仰角及び方位角で放音するように、記憶部５において各値を記憶して（ｓ１２）、処理を終了する。

以上のように、本発明では、スピーカアレイ装置において従来困難であった音声ビームの設定が容易かつ素早く行うことができる。また、従来技術である自動レベル、音質、距離補正技術との親和性が良く、本発明により一連の音声ビーム設定を自動測定によって行うことができる。

なお、以上の説明では、５ｃｈのサラウンドサウンドを放音するスピーカアレイ装置１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、複数チャンネルの音声ビームを放音するマルチチャンネルサラウンドサウンドシステム全般に適用できる。

スピーカアレイ装置から５チャンネルの音声ビームを放音させる様子を示す上面図である。 本発明の実施形態に係るスピーカアレイ装置の概略構成を示すブロック図である。 スピーカアレイの配置図である。 スピーカアレイ装置を設置する部屋の上面図であり、スピーカアレイ装置が音声ビームをスイープする動作、及びマイクロフォンが音声ビームを集音する動作を説明するための図である。 スピーカアレイ装置の設置時の動作を説明するための図である。 ライン状のスピーカアレイ装置から放音した音声ビームにおける音圧を分布を示す図である。 マイクロフォンとスピーカアレイとの高さずれによる各チャンネルの音声ビームの検出角度の相違を示す図である。 音声ビームにおける角度と経路距離による音圧分布の違いを示す図である。 垂直方向及び水平方向のスイープ時の動作を示す図である。 スピーカアレイに対するマイクロフォンの仰角の設定方法を説明するための図である。 スピーカアレイ装置が音声ビーム設定モードを実行する際の動作を説明するためのフローチャートである。

ある。

符号の説明

１−スピーカアレイ装置 ２−マイクロフォン ３−Ａ／Ｄコンバータ
４−システム制御部 ５−記憶部 ６−操作部 ７−表示部
８−ファントム形成部 ９−ビーム形成部 １０−スピーカアレイ
１１−Ｉ／Ｆ処理部 １２−ビーム制御処理部１３−測定データ分析処理部
１４−音源位置補正処理部

Claims (4)

1. マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイと、
   音声信号を前記スピーカアレイの各スピーカに対して分配し、これらのスピーカから出力する音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイから音声ビームを放音させる信号処理手段と、
   聴取位置に設置され、前記スピーカアレイが放音した音声ビームの直接音及び反射音を含む音声を集音するマイクロフォンと、
   前記信号処理手段にテスト音声を入力して、前記マイクロフォンの方向において直接テスト音声ビームを垂直方向に旋回させ、
   前記マイクロフォンが集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークの旋回角度以下の特定の角度を音声ビームの仰角として設定し、
   前記設定された仰角で水平方向にテスト音声ビームを旋回させ、
   前記マイクロフォンが集音した音声信号から複数のピークを選択し、選択した複数のピークの旋回角度をマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームの方位角に設定するシステム制御手段と、
   を備えたことを特徴とするスピーカアレイ装置。
2. 前記システム制御手段は、
   前記設定された各チャンネルの方位角で垂直方向にそれぞれテスト音声ビームを旋回させ、
   前記マイクロフォンが集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークに対応する旋回角度をこのチャンネルの音声ビームを放音する仰角に再設定することを特徴とする請求項１に記載のスピーカアレイ装置。
3. マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイの各スピーカから放音するテスト音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイから放音するテスト音声ビームをマイクロフォンに向けて垂直方向に旋回させる工程と、
   前記スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音をマイクロフォンで集音して、この集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークの旋回角度を音声ビームを放音する仰角に設定する工程と、
   前記スピーカアレイの各スピーカから放音するテスト音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイから放音させるテスト音声ビームを、前記設定された仰角で水平方向に旋回させる工程と、
   前記スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音及び反射音をマイクロフォンで集音して、この集音した音声信号から複数のピークを選択し、選択した複数のピークの旋回角度をマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームを放音する方位角に設定する工程と、
   を含むスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法。
4. 前記スピーカアレイの各スピーカから放音するテスト音声の出力タイミングを制御して、前記スピーカアレイからテスト音声ビームを、前記設定された方位角で垂直方向に旋回させる工程と、
   前記スピーカアレイが出力したテスト音声ビームの直接音をマイクロフォンで集音して、この集音した音声信号からピークを選択し、選択したピークの旋回角度をマルチチャンネルサラウンド音声の各チャンネルの音声ビームを放音する仰角に再設定する工程と、
   を含む請求項３に記載のスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法。

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