JP4161906B2 - スピーカ装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数のスピーカエレメントをアレイ状に配列したスピーカアレイを用いて音声信号の指向性を制御するスピーカ装置に関する。

アレイ状に配列された複数のスピーカを用いて、音声信号伝搬の指向性を制御する技術は、従来より提案されている（たとえば特許文献１）。
図１０はこの技術の基本的な原理を説明する図である。この図は、直線状に配列された複数の小型スピーカから音声信号を出力し、この音声信号が焦点Ｆに向かうように制御する場合の例を示している。各スピーカから同じ音声信号を出力するが、その際に各スピーカの音声信号が同時に焦点Ｆに到達するように遅延を与える。このように制御することにより、図１１に示すような音圧分布で一定方向のみに指向性を持つ音声ビームを形成することができる。焦点Ｆを壁面方向に設定することにより、壁面で反射した音声ビームを受聴する視聴者に対し、壁面方向の仮想音源を形成することができる。

上記のような遅延時間制御をするためには、図１０のスピーカアレイに、図１２に示すような音声信号処理部を接続する。音声信号は遅延回路に入力されて遅延され、各スピーカに対応する所定の遅延量のタップＴ(N)，Ｔ(N+1)、・・から音声信号が取り出される。取り出された音声信号は、係数乗算器101(N)，101(N+1)、・・でゲイン係数が乗算され、アンプ１０２(N)，１０２(N+1)、・・で増幅されたのち、各スピーカ１０３(N)，１０３(N+1)、・・から放音される。係数乗算器で乗算されるゲイン係数は、窓関数などである。

図１０のようにスピーカを水平方向にライン状に配列すれば水平方向の任意の方向への指向性制御が可能であり、垂直方向には広指向性（コーンビーム）となる。また、スピーカを水平・垂直マトリクス状に配列すれば水平方向、垂直方向ともに任意の方向への指向性制御が可能である。

上記のようにアレイスピーカを用いて音声の指向性を制御し、スピーカから離れた壁面方向に仮想音源を設定することができるうえ、複数のビームを別々に形成してマルチチャンネルの仮想音源を１台（１セット）のアレイスピーカで形成することができるため、実用化が進んでいる５．１チャンネル等のマルチチャンネルソースを簡略なオーディオ装置の構成で実現する場合に適している。
国際公開 ０１／２３１０４ Ａ２

しかしながら、この方式には以下のような課題がある。
アレイスピーカで指向性を制御できる下限周波数は、アレー全幅で決定される。すなわち、良好な制御を行うためには、波長の数倍の幅が必要であるので、一例として１ｋＨｚでは波長が３０ｃｍであることから、１ｍ程度の幅を確保することが望ましい。

その一方で制御できる上限周波数は、各小型スピーカ（スピーカエレメント）の間隔（ピッチ）で決定される。波長がピッチよりも短くなればグレーティングローブすなわち意図した以外の方向に対してもビームが形成されてしまう。

したがって、スピーカエレメント自体の直径もエレメント間のピッチも可能な限り小さいことが望ましい。しかしながら、ピッチを短くするためにスピーカを小型化すると入力できるパワーが小さく変換効率も悪いため、出力音量が不足してしまうという問題点があった。

また、広い周波数帯域を制御するためスピーカを小さくしてピッチを短くする一方で、アレイ幅を広くするとスピーカの個数を増やさなければならないため、装置が大規模化するという問題点があった。平面状にスピーカを配列して３次元の制御を行おうとすると、さらに装置が大規模化するという問題点があった。

一方、実用的な効果を考えると、水平方向の指向性制御は非常に有用であるが、垂直方向の指向性制御によるメリットは比較的少ない。人間は両耳処理により水平方向の音源認識感度が高く、５．１チャンネル等サラウンド音源も水平面処理が基本となっている。一方、上下方向に狭い指向性のあるビームを形成してしまうと、ユーザが座っているとき、立っているとき、寝ているときでビーム方向を変更しなければならないうえ、複数のユーザが異なる姿勢で聴いているときには、全てのユーザに同じ音質で聴かせることができなかった。さらに、形状の異なる各ユーザの部屋への導入を考慮すると、三次元的なビーム経路を最適に調整することは困難であり、焦点方向の角度だけを調整すればよい水平面制御は実用的である。

そこで、ラインアレイで水平方向のみビーム制御することが考えられるが、ラインアレイにするとスピーカエレメント数が少なくなってしまうため、やはり入力パワーが問題となる。

一般的な３ｃｍ以下のフルレンジスピーカの入力パワーは、２Ｗ程度であり、ラインアレイとして２０個配列すると、合計で４０Ｗにしかならない。通常のテレビスピーカとしては問題ないが、マルチチャンネルオーディオ用スピーカの合計パワーとしては不足である。また、ビームを形成する場合には、窓関数などを乗算するために、全てのスピーカをフルパワーで動作させることはあり得ない。

この発明は、実用上効果的なラインアレイスピーカの構成を維持しつつ最適なパワーと規模となるスピーカ装置を提供することを目的とする。

（１） この発明は、複数のスピーカエレメントを水平の列状に配列したスピーカ列を複数段積み重ねるとともに、上下に積み重ねられたスピーカ列の各スピーカエレメントがジグザグに配列されるように配置したスピーカアレイと、音声信号を複数の周波数帯域に分割し、そのうちの高音域の信号を２段以上のスピーカ列の中央から左右に分けて構成される複数のスピーカブロックにそれぞれ入力し、低音域の信号を１段のスピーカ列の全部幅で構成されるスピーカブロックに入力する音声信号処理部と、を備え、前記音声信号処理部は、各スピーカブロックのスピーカ出力が、それぞれのスピーカブロックの中央部から端部にかけて小さくなるように制御することを特徴とする。

スピーカアレイによって音声ビームを形成する場合、スピーカエレメントのピッチ（間隔）によって上限周波数が規定され、スピーカ列の全幅によって下限周波数が規定される。高音域の信号をジグザグに配列された複数段のスピーカ列から出力することにより、スピーカエレメントのピッチ（間隔）を実質的に狭くすることができ、高音域の指向性制御特性を良好にすることができる。また、低音域の信号を高音域よりも幅の広いスピーカ列全体を用いて出力することにより、音声ビームの指向性を良くすることができる。これにより、周波数帯による指向性のずれを緩和することができる。
また、低音域のスピーカブロックは、スピーカアレイの全幅を使用しているためスピーカアレイの中央部で窓関数の値が最大となる。一方、高音域のスピーカブロックは、スピーカアレイの中央で左右に分割して形成されているため、スピーカアレイの中央がスピーカブロックの端部となり、窓関数の値が最小となる。これらの信号を合成した場合、窓関数の値の分布が分散されて中央部にパワーが集中しないため、スピーカアレイの全体にパワーを分散して総合的に大出力を得ることが可能になる。
（２） この発明は、前記各スピーカブロックがそれぞれ別体のスピーカユニットとして構成され、このスピーカユニットを積み上げて前記スピーカアレイが構成されていることを特徴とする。
ユニットとして積み上げによりシステムを構成することで、一つのユニットの設計製造でシステムの用途に応じたフレキシブルなシステムの構築や豊富なラインアップが可能となる。また、ユニットに分割できることで、製造・運搬・解析などのメンテナンスを効率的に行うことができる。

この発明によれば、複数系統の音声信号を複数のスピーカブロックに振り分けて出力するようにしたことにより、各スピーカエレメントに入力される音声パワーが分散され、小型のスピーカエレメントからなるスピーカアレイであっても総合的に十分なパワーで音響を出力することができる。
また、スピーカブロックを水平列状のラインアレイで構成したことにより、実用上効率的なラインアレイスピーカの特長を持ったまま、システムに最適なパワーと規模を持つスピーカ装置を構成することができる。

図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態において、スピーカエレメントは個別のスピーカの意であり、スピーカアレイは複数のスピーカエレメントを配列して構成されたものを意味する。また、スピーカブロックはスピーカアレイの一部または全部からなる区画であり、各チャンネルまたは各周波数帯域の音声信号が入力されるものである。

図１はこの発明の第１の実施形態であるスピーカ装置を示す図である。スピーカ装置は、スピーカアレイ１および音声信号処理部からなるが、この図ではスピーカアレイ１、および、音声信号処理部によってスピーカアレイ１上に割り当てられるスピーカブロックを示す。スピーカアレイ１は、５段のスピーカ列２（２−１，２−２，２−３，２−４，２−５）からなっている。各スピーカ列には、マルチチャンネルオーディオソースの各チャンネルが割り当てられている。すなわち、各スピーカ列がそれぞれスピーカブロックとなっている。１段目（最上段）のスピーカ列２−１にはセンタチャンネルＣが割り当てられ、２段目のスピーカ列２−２にはフロント左チャンネルＦＬが割り当てられ、３段目のスピーカ列２−３にはフロント右チャンネルＦＲが割り当てられ、４段目のスピーカ列２−４にはリア左チャンネルＲＬが割り当てられ、５段目（最下段）のスピーカ列２−５にはリア右チャンネルＲＲが割り当てられている。

なお、この５段のスピーカ列は、スピーカアレイ１として一体に構成してもよく、１列のスピーカ列からなるラインアレイスピーカユニットを５段積み重ねて構成してもよい。

この実施形態では、各段のスピーカ列（ラインアレイスピーカユニット）が、それぞれ別々のオーディオチャンネルに対応しているため、音声信号処理装置は、各チャンネル（スピーカ列）毎に図１２に示した音声信号処理回路を設けて水平方向のみに指向性を持たせる。このようにすると、各スピーカブロックは、ラインアレイ状であり、且つ、チャンネル毎の出力パワーは十分に大きくすることができる。

各チャンネルを別々のスピーカ列に重なり合わないように割り当てたことにより、混変調ひずみや逆位相信号の加算による消失といった問題が起こらない。また、境界条件による指向特性のあばれを緩和するため窓関数をかけて端部になるほどスピーカ出力が小さくなるように制御するが、ここではスピーカブロックがライン状であるため、垂直方向の窓関数が不要になり、全体として入力可能なパワーを大きくすることができる。

各チャンネルの指向性を適切に制御することにより、図２に示すように各チャンネル毎に壁面方向に仮想スピーカを形成することができ、１つのスピーカアレイでマルチチャンネルのサラウンド音声を出力することが可能になる。なお、各チャンネルが水平ライン状のスピーカブロックから出力されるため、各チャンネルの音声は垂直方向には無指向性であり、リスナーの姿勢によって音質に変化が生じることがない。

図３〜図７は、それぞれスピーカ装置の他の実施形態を示す図である。
図３は、スピーカアレイを２段のスピーカ列で構成した例を示す図である。このスピーカアレイには、同図（Ｂ）に示すように、スピーカアレイ全体を区画とするスピーカブロックＢ０１、上のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ０２、および下のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ０３が、音声信号処理部によって形成される。スピーカブロックＢ０１にはセンタチャンネルＣが、スピーカブロックＢ０２にはフロント左チャンネルＦＬおよびリア左チャンネルＲＬが、スピーカブロックＢ０３にはフロント右チャンネルＦＲおよびリア右チャンネルＲＲがそれぞれ割り当てられている。

図４は、スピーカアレイを３段のスピーカ列で構成した例を示す図である。このスピーカアレイには、同図（Ｂ）に示すように、２段目（中央）のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ１１、１段目（上段）のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ１２、３段目（下段）のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ１３、１・２段目の２段のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ１４、および、２・３段目の２段のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ１５が、音声信号処理部によって形成される。スピーカブロックＢ１１にはセンタチャンネルＣが、スピーカブロックＢ１２にはフロント左チャンネルＦＬが、スピーカブロックＢ１３にはフロント右チャンネルＦＲが、スピーカブロックＢ１４にはリア左チャンネルＲＬが、スピーカブロックＢ１５にはリア右チャンネルＲＲがそれぞれ割り当てられている。

リア左チャンネルＲＬは、全パワーのうち１段目に７０パーセント、２段目に３０パーセントのパワーを入力し、リア右チャンネルＲＲは、全パワーのうち３段目に７０パーセント、２段目に３０パーセントのパワーを入力するようにしている。これにより、各段のパワー配分を均等化している。

図５は、スピーカアレイを３段のスピーカ列で構成し、２段目のスピーカ列を上下のスピーカ列とずらせて、１段目と２段目および２段目と３段目のスピーカがジグザグになるように配置した例を示す図である。これにより１段目・２段目のスピーカ列（または２段目・３段目のスピーカ列）を一緒に使用することで水平方向のスピーカの間隔（ピッチ）を１列のみの場合の１／２にすることができ、高音域の指向性制御特性を改善することができる。

同図（Ｂ）は、このスピーカアレイに設定されるスピーカブロックと各スピーカブロックに割り当てられたチャンネルを説明する図である。この実施形態では、音声信号処理部により、センタチャンネルＣ、フロント左チャンネルＦＬおよびフロント右チャンネルＦＲのためのスピーカブロックが設定される。センタチャンネルＣのためのスピーカブロックＢ２１は、左半分は１段目（上段）および２段目のスピーカ列を区画とし、右半分は２段目および３段目（下段）のスピーカ列を区画としている。フロント左チャンネルＦＬのためのスピーカブロックＢ２２は、１段目および２段目のスピーカ列を区画としている。フロント右チャンネルＦＲのためのスピーカブロックＢ２３は、２段目および３段目のスピーカ列を区画としている。いずれのスピーカブロックも２段目を含む２段のスピーカ列を用いているため、スピーカエレメントののジグザグ配列により、水平方向のピッチが半分になっているため、高音域の指向性制御特性が向上しいる。

以上の実施形態では、マルチチャンネルのオーディオソースを各チャンネル毎にスピーカブロックを分けるようにしているが、以下１つのチャンネルを周波数帯域に分割し、各周波数帯域についてもスピーカブロックを分けるようにした例について説明する。

図６は、２段のジグザグに配列されたスピーカ列でスピーカアレイを構成した例を示している。同図（Ｂ）に示すように、このスピーカアレイには以下のようなスピーカブロックが音声信号処理部によって設定され、それぞれ別々のチャンネル・周波数帯域の信号が割り当てられている。スピーカアレイ全体を区画とするスピーカブロックＢ４１には、センタチャンネルＣが割り当てられている。スピーカアレイの左半分（２列）を区画とするスピーカブロックＢ４２には、左チャンネルの高音域Ｌｈが割り当てられている。上のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ４３には、左チャンネルの低音域Ｌｌが割り当てられている。スピーカアレイの右半分（２列）を区画とするスピーカブロックＢ４４には、右チャンネルの高音域Ｒｈが割り当てられている。下のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ４５には、右チャンネルの低音域Ｒｌが割り当てられている。

このように、低音域の信号に対しては１列のスピーカ列全体を区画とするスピーカブロックを割り当て、高音域の音声信号に対しては２列のスピーカ列の半分を区画とするスピーカブロックを割り当てたことにより、低音域の信号を長いアレイ幅・広いピッチ（スピーカ間隔）のスピーカブロックから出力し、高音域の信号を短いアレイ幅・（２列を用いた）短いピッチのスピーカブロックから出力することができる。これにより、高音域のグレーティングローブを解消するとともに、高音域と低音域の指向特性の違いを緩和することができる。

また、スピーカアレイ（スピーカブロック）を用いて音声ビームを形成する場合、指向特性のあばれを緩和するため、中心から端部にむけてパワーが減少するような窓関数（ハニング窓，ハミング窓等）をかける必要がある。

この図の例では、低音域およびセンタチャンネルのスピーカブロックは、スピーカアレイの全幅を使用しているためスピーカアレイの中央部で窓関数の値が最大となる。一方、高音域のスピーカブロックは、スピーカアレイの中央で左右に分割して形成されているため、スピーカアレイの中央がスピーカブロックの端部となり、窓関数の値が最小となる。これらの信号を合成した場合、窓関数の値の分布が分散されて中央部にパワーが集中しないため、スピーカアレイの全体にパワーを分散して総合的に大出力を得ることが可能になる。

また、図７は、スピーカアレイを図５と同様の３段のジグザグ配列にした例を示している。このスピーカアレイには、同図（Ｂ）に示すように、２段目（中央）のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ５１、１・２段目の２段のスピーカ列の左半分を区画とするスピーカブロックＢ５２、１段目（上段）のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ５３、２・３段目の２段のスピーカ列の右半分を区画とするスピーカブロックＢ５４、および、３段目（下段）のスピーカ列を区画とするスピーカブロックＢ５５が、音声信号処理部によって形成される。スピーカブロックＢ５１にはセンタチャンネルＣが、スピーカブロックＢ５２には左チャンネルの高音域Ｌｈが、スピーカブロックＢ３３には左チャンネルの低音域Ｌｌが、スピーカブロックＢ５４には右チャンネルの高音域Ｒｈが、スピーカブロックＢ５５には右チャンネルの低音域Ｒｌがそれぞれ割り当てられている。この構成によれば、図６に示した２段の構成の約１．５倍の出力パワーを達成することができる。

以上の例のように、スピーカブロックを列状として、その組み合わせでアレイスピーカを構成することで、実用上効率的なラインアレイの特長を持ったまま、任意の最適な出力パワーを達成することができる。

これらの例に限らず、本発明の構成は、スピーカブロックを横長の列状とすること、各列の出力音圧がなるべく均等になるようにスピーカブロックを構成すること、各スピーカエレメントに割り当てられるチャンネル数がなるべく少なくなるように構成することにより構成される。

図８および図９を参照して、スピーカ装置の音声信号処理部について説明する。これらの図では、説明を簡略化するために、４個のスピーカエレメントからなるスピーカ列を２段積み重ねたスピーカアレイを用いて、左チャンネルＬ、右チャンネルＲおよびセンタチャンネルＣ（図８のみ）の音声信号の指向性を制御する音声信号処理部について説明する。

図８において、上記センタチャンネルＣ、左チャンネルＬおよび右チャンネルＲの音声信号の指向性を制御するために、各チャンネル毎に指向性制御回路２０（２０Ｃ，２０Ｌ，２０Ｒ）が設けられている。各指向性制御回路２０は、図１２に示すような構成をしており、入力された音声信号を所定の遅延・所定のゲインでスピーカブロック内の各スピーカエレメントに出力する回路である。各指向性制御回路２０Ｃ，２０Ｌ，２０Ｒで遅延およびゲイン制御された音声信号は、各チャンネルに割り当てられたスピーカエレメントに対応する加算器２１に入力されて加算される。加算された音声信号はアンプ２２で増幅されたのちスピーカエレメントｓｐ１〜８から出力される。

同図（Ｂ）に示すような（または図１〜図７に示したような）スピーカブロックの割り当ては固定的であってもよく、ユーザの設定または自動的に変更可能なものであってもよい。

図９において、左チャンネルＬ、右チャンネルＲの信号は、それぞれハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２５Ｌ，Ｒ、および、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６Ｌ，Ｒに入力される。ハイパスフィルタ２５Ｌは、左チャンネルの信号の高音域のみを選別して、この左チャンネルの高音域の信号を指向性制御回路２７Ｌｈに入力する。ローパスフィルタ２６Ｌは、左チャンネルの信号の低音域のみを選別して、この左チャンネルの低音域の信号を指向性制御回路２７Ｌｌに入力する。ハイパスフィルタ２５Ｒは、右チャンネルの信号の高音域のみを選別して、この右チャンネルの高音域の信号を指向性制御回路２７Ｒｈに入力する。ローパスフィルタ２６Ｒは、右チャンネルの信号の低音域のみを選別して、この右チャンネルの低音域の信号を指向性制御回路２７Ｒｌに入力する。

各指向性制御回路２７は、図１２に示すような構成であり、入力された音声信号を同図（Ｂ）に示すスピーカブロックから出力して音声ビームを形成し指向性が制御されるように遅延およびゲインを制御する。

各指向性制御回路２７で遅延およびゲイン制御された音声信号は、各チャンネルに割り当てられたスピーカエレメントに対応する加算器２８に入力されて加算される。加算された音声信号はアンプ２９で増幅されたのちスピーカエレメントｓｐ１〜８から出力される。

この発明の実施形態であるスピーカ装置のスピーカアレイの構成を説明する図 同スピーカ装置で形成される音声信号ビームの指向性を説明する図 スピーカアレイの他の実施形態を説明する図 スピーカアレイの他の実施形態を説明する図 スピーカアレイの他の実施形態を説明する図 スピーカアレイの他の実施形態を説明する図 スピーカアレイの他の実施形態を説明する図 音声信号処理部の実施形態を説明する図 音声信号処理部の他の実施形態を説明する図 スピーカアレイによるビーム制御の原理を説明する図 スピーカアレイによって形成されるビームの音圧分布を示す図 スピーカアレイを駆動するための音声信号処理部の例を示す図

符号の説明

１…スピーカエレメント
２…スピーカ列（スピーカユニット）
３…スピーカアレイ
Ｂ０１〜Ｂ５５…スピーカブロック
２０，２７…指向性制御回路
２６…ハイパスフィルタ
２７…ローパスフィルタ

Claims (2)

1. 複数のスピーカエレメントを水平の列状に配列したスピーカ列を複数段積み重ねるとともに、上下に積み重ねられたスピーカ列の各スピーカエレメントがジグザグに配列されるように配置したスピーカアレイと、
   音声信号を複数の周波数帯域に分割し、そのうちの高音域の信号を２段以上のスピーカ列の中央から左右に分けて構成される複数のスピーカブロックにそれぞれ入力し、低音域の信号を１段のスピーカ列の全部幅で構成されるスピーカブロックに入力する音声信号処理部と、
   を備え、
   前記音声信号処理部は、各スピーカブロックのスピーカ出力が、それぞれのスピーカブロックの中央部から端部にかけて小さくなるように制御するスピーカ装置。
2. 前記各スピーカブロックがそれぞれ別体のスピーカユニットとして構成され、このスピーカユニットを積み上げて前記スピーカアレイが構成されている請求項１に記載のスピーカ装置。

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