JP4214834B2 - アレースピーカーシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスピーカーユニットが１次元又は２次元のアレー状に配置されるアレースピーカーシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のスピーカーを規則正しく並べて音を出すアレースピーカーシステムが知られている。このようなアレースピーカーシステムにおいては、複数個のスピーカーを使うことによる弊害として、音の周波数が高くなるにつれ、放射特性にビーム化や櫛状化（櫛の歯状に拡散する状態）が現れ、それが周波数によって変動することによって、放射中心以外で高音が聞こえなくなったり、聞く場所によって周波数特性が暴れたりといった現象が起こる。
図１２は、１５個のスピーカーユニットを2.5cm間隔で直線状に縦に並べ、各スピーカーユニットから同位相で音を放射したときの放射特性のシミュレーション結果を示す図である。この図において、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、500Hz，1000Hz，5000Hz，10kHz，15kHzにおける水平断面、垂直断面及びスピーカーシステムの前面から距離２ｍの投影面における放射特性を示している。ここで、図中色の白い部分ほど音圧が高いことを示している。
この図に示すように、数ｋHz以上の周波数において、放射特性のビーム化や櫛状化が顕著となっている。
【０００３】
このような現象を回避する為、規則正しく並んだスピーカー列に第１種ベッセル関数に基づく係数列で重み付けを行うことにより、音の放射特性を球面状にする、ベッセルアレーという手法が知られている。また、特許文献１には、簡略化されたベッセルアレーが開示されている。
【０００４】
図１３は、ベッセルアレーが適用されたアレースピーカーシステムの要部構成を示す図である。この図に示したアレースピーカーシステムは、１５個のスピーカーユニットを有するものとされており、１１−１〜１１−１５は所定の間隔ｄ（例えば、ｄ＝2.5cm）をもって直線状に配列されたスピーカーユニット、１２−１〜１２−１５はそれぞれ対応するスピーカーユニット１１−１〜１１−１５に供給される信号に対して重み係数Ｃ1〜Ｃ15による重みを付加する重み付け手段である。なお、重み付け手段１２−１〜１２−１５とそれぞれ対応するスピーカーユニット１１−１〜１１−１５との間にはそれぞれパワーアンプが挿入されるのが通常であるが、本明細書においては図示を省略することとする。また、前記重み付け手段１２−１〜１２−１５としては、重み係数に対応するゲインを有する増幅器などを用いることができる。
【０００５】
ここで、前記重み係数Ｃ1〜Ｃ15は、次式で定義される第１種ベッセル関数により導き出される。
【数１】
この例のように１５個のスピーカーユニットを使用する場合には、例えば、Ｊ-7(ｘ)〜Ｊ7(ｘ)の値が使用される。ここで、ｘ＝6.0として導き出すとした場合には、Ｃ1＝Ｊ-7(6)＝−0.1296，Ｃ2＝Ｊ-6(6)＝0.2458，Ｃ3＝Ｊ-5(6)＝−0.3621，Ｃ4＝Ｊ-4(6)＝0.3576，Ｃ5＝Ｊ-3(6)＝−0.1148，Ｃ6＝Ｊ-2(6)＝−0.2429，Ｃ7＝Ｊ-1(6)＝0.2767，Ｃ8＝Ｊ0(6)＝0.1506，Ｃ9＝Ｊ1(6)＝−0.2767，Ｃ10＝Ｊ2(6)＝−0.2429，Ｃ11＝Ｊ3(6)＝0.1148，Ｃ12＝Ｊ4(6)＝0.3576，Ｃ13＝Ｊ5(6)＝0.3621，Ｃ14＝Ｊ6(6)＝0.2458，Ｃ15＝Ｊ7(6)＝0.1296である。
【０００６】
図１４は、スピーカーユニット１１−１〜１１−１５を、上記第１種ベッセル関数に基づく重み係数Ｃ1〜Ｃ15による重みを付加して駆動したときの放射特性のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、500Hz，1000Hz，5000Hz，10kHz，15kHzにおける水平断面、垂直断面及びスピーカーシステムの前面から距離２ｍの投影面における放射特性を示している。
図１２と図１４との比較から明らかなように、ベッセルアレーの場合には、放射特性のビーム化や櫛状化は見られず、球面特性になっていることがわかる。このように、各スピーカーユニットをベッセル関数に基づく重み係数で重み付けして駆動することは放射特性のビーム化、櫛状化を防止する上で有効な手法である。
【０００７】
【特許文献１】
特公平１−２５４８０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ベッセルアレーによれば、放射特性のビーム化や櫛状化を防止することができる。
しかし、ベッセル関数に基づく重み係数列（Ｃ1〜Ｃ15）には負の値をとるものも含まれているために、低周波数領域での放射効率が悪くなり、低音再生が働かなくなるという問題点がある。このことは、複数のスピーカーユニットが共通エンクロージャー、あるいはバスレフ形の共通エンクロージャーに取り付けられたアレースピーカーシステムにおいては、特に悪い結果をもたらす。
そこで、本発明は、低周波数領域から高周波数領域まで、放射特性のビーム化や櫛状化を防止しつつ、効率良く音を放射することができるアレースピーカーシステムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアレースピーカーシステムは、複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、全周波数帯域にわたり平坦な振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有するオールパスフィルターを有し、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットに対しては、前記オールパスフィルターを経由した信号にその重み係数の絶対値による重みを付加して駆動し、ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットに対しては、その重み係数による重みを付加して駆動するようにしたものである。
また、本発明の他のアレースピーカーシステムは、複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、全周波数帯域にわたり平坦な振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有するオールパスフィルターと、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットそれぞれに対応して設けられ、前記オールパスフィルターを経由した信号が入力され、高周波数領域の信号に対しその重み係数の絶対値に対応するゲイン特性を付与して、対応するスピーカーユニットを駆動する手段と、ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットそれぞれに対応して設けられ、高周波数領域の信号に対しその重み係数に対応するゲイン特性を付与して、対応するスピーカーユニットを駆動する手段とを有するものである。
さらにまた、本発明のさらに他のアレースピーカーユニットは、複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットに対しては、低周波数領域におけるゲインが０ dB であり、高周波数領域において、そのスピーカーユニットに対応する重み係数の絶対値に対応するゲインとなる振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有する第１の種類のフィルターを介して駆動し、ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットに対しては、低周波数領域におけるゲインが０ dB であり、高周波数領域において、そのスピーカーユニットに対応する重み係数に対応するゲインとなる振幅特性を有し、全周波数帯域において位相回転量が小さい位相特性を有する第２の種類のフィルターを介して駆動するものである。
ここで、前記オールパスフィルター又は前記第１の種類のフィルターは、前記複数のスピーカーユニットの配列の幅に相当する波長に対応する周波数の近傍の周波数において、その位相回転量が９０度となるように設定されているものであるとより良い。
【００１１】
さらにまた、上記各アレースピーカーシステムにおいて、前記複数のスピーカーユニットは、共通エンクロージャー又はバスレフ形の共通エンクロージャーに取り付けられているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のアレースピーカーシステムの基本的な原理について説明する。
前記図１２に示した放射特性からわかるように、全スピーカーユニットから同位相で音を放射したときに、ベッセル関数に基づく重み係数による重みを付与しなくても、低周波数領域（図１２の場合は１kHz以下）では、音のビーム化や櫛状化は見られない。そこで、本発明においては、音のビーム化や櫛状化が問題とならない低周波数領域では、各スピーカーユニットを正相で駆動することにより放射効率の低下を防止し、音のビーム化，櫛状化が発生する高周波数領域については、ベッセル関数に基づく重み係数による重みを付加して駆動する。これにより、低周波数領域から高周波数領域までビーム化、櫛状化を防ぎながら、効率良く音を放射することが出来るようになる。
以下、低周波数領域ではスピーカーユニットを正相で駆動し、高周波数領域においてはベッセル関数に基づく重み係数を付与して駆動するようにした本発明のアレースピーカーシステムの各実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明のアレースピーカーシステムの第１の実施の形態の要部構成を示す図である。なお、以下の説明では、前述と同様に１５個のスピーカーユニットを有するアレースピーカーシステムを例にとって説明することとし、ベッセル関数に基づく重み係数が前述したＣ1〜Ｃ15であるものとして説明するが、本発明は、複数個（例えば、５個以上）のスピーカーユニットを有するアレースピーカーシステムに対して同様に適用することができ、重み係数も他の値であってもかまわない。
この実施の形態は、各スピーカーユニットを低周波数領域では正相で駆動し、高周波数領域ではベッセル関数に基づく重み係数で重み付けして駆動するために、高周波数領域になると位相が１８０°回転するオールパスフィルターを用いるようにしたものである。
【００１４】
図１において、１−１〜１−１５は所定の間隔ｄ（例えば、ｄ＝2.5cm）をもって配列されたスピーカーユニット、２−１〜２−１５はそれぞれ対応するスピーカーユニット１−１〜１−１５に供給される信号に第１種ベッセル関数に基づく重み係数による重みを付加する重み付け手段であり、それぞれ前述の１１−１〜１１−１５及び１２−１〜１２−１５に対応するものである。ただし、この重み付け手段２−１〜２−１５における重み係数は、前記図１３の場合とは異なり、その絶対値とされている。すなわち、前記図１３の場合には、Ｃ1，Ｃ3，Ｃ5，Ｃ6，Ｃ9及びＣ10は負の値であったが、図１における重み付け手段２−１，２−３，２−５，２−６，２−９及び２−１０においては、それぞれの重み係数の絶対値Ｃ1’，Ｃ3’，Ｃ5’，Ｃ6’，Ｃ9’及びＣ10’による重みが付与される。
【００１５】
また、３は、振幅特性が対象となる全周波数帯域にわたり平坦で、位相特性が、低周波数領域では位相回転が０°で高周波数になるにしたがって１８０°回転して逆相になるように設定されたオールパスフィルターである。
図２の（ａ）に前記オールパスフィルター３の一構成例を示し、（ｂ）にその位相特性を示す。この図に示すように、このオールパスフィルター３は、低周波数においては位相回転量が０°であり、周波数が高くなるにつれて位相回転量が徐々に大きくなって約700Hzで位相回転量が９０°となり、10kHzより高い周波数で１８０°となる位相特性を有している。
【００１６】
図１において、信号入力端からの入力信号は、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値である重み付け手段２−２，２−４，２−７，２−８，２−１１，２−１２，２−１３，２−１４及び２−１５に対しては直接に入力され、前記重み付け手段２−１，２−３，２−５，２−６，２−９及び２−１０に対しては、前記オールパスフィルター３を経由した信号が入力されるようになされている。そして、それぞれの重み付け手段２−１〜２−１５において、それぞれ対応する重み係数により重み付けされてスピーカーユニット１−１〜１−１５に出力される。
すなわち、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値であるスピーカーユニット（１−２，１−４，１−７，１−８，１−１１〜１−１５）に対しては、それぞれの重み付け手段で対応する重みが付与された信号が出力される。また、前記ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となるスピーカーユニット（１−１，１−３，１−５，１−６，１−９及び１−１０）に対してそれぞれの重み付け手段で付与される重みは、前記オールパスフィルター３による位相回転量が９０°を超えない低周波数領域の信号に対しては、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値であるスピーカーユニットに付与される重みと同相（同じ符号）となる。一方、前記オールパスフィルター３による位相回転量が９０°を超える高周波数領域においては、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値であるスピーカーユニットに付与される重みとは逆相（逆の符号）となる。
これにより、高周波数領域においては、ベッセル係数に基づく重み係数が負の値となるスピーカーユニットに対し負の重み係数による重みが付与されることとなり、ベッセル関数に基づく重み係数が利用されることとなる。一方、低周波数領域においてはすべてのスピーカーユニットから同相で信号が出力されることとなり、低音が十分に再生出力されることとなる。
【００１７】
図３は、この実施の形態における放射特性のシミュレーション結果を示す図であを示す図であり、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、500Hz，1000Hz，5000Hz，10kHz，15kHzにおける水平断面、垂直断面及びスピーカーシステムの前面から距離２ｍの投影面における放射特性を示している。
この図と前記図１２とを比較すると明らかなように、本実施の形態において、放射特性のビーム化や櫛状化が十分に防止されていることがわかる。
【００１８】
なお、前記オールパスフィルター３は、前記図２に示したようなアナログフィルターに限られることなく、前後にＡ／Ｄコンバーター、Ｄ／Ａコンバーターを有するデジタルフィルターによっても構成することが可能である。
例えば、図２に示したアナログオールパスフィルター３の伝達関数Ｈ(S)＝(1-CRS)／(1+CRS)をS＝2／T*(1-Z-1)／(1+Z-1)と置く双１次変換によってＺ領域へ変換すると、H(Z)＝((T-2CR)+(T+2CR)Z-1)／((T+2CR)+(T-2CR)Z-1)となり、C＝0.047μF、R＝4.7kΩ、サンプリング周波数fs＝48kHzとすると、H(Z)＝(-420*10-1+(460*10-1)Z-1)／(460*10-1+(-420*10-1)Z-1)となる。
このデジタルフィルターは、図４の（ａ）に示すＩＩＲフィルターで構成することができ、図４の（ｂ）に示す位相特性を有する。
【００１９】
さて、上述したベッセル関数に基づく重み係数は各スピーカーユニットで異なっており、例えば上述したＣ1〜Ｃ15の場合、最大値であるＣ3＝−0.3621に対して最小値のＣ5＝−0.1148では約３．１５倍ゲインが異なっている。したがって、ベッセル関数に基づく係数による重み付けが必要無い低周波数領域の音の変換効率も同時に落ちてしまうこととなる。
そこで、このような不都合を防止するようにした本発明の他の実施の形態について、図５〜図７を参照して説明する。
この実施の形態は、前記重み付け手段として、低周波数領域におけるゲインは等しく、高周波数領域になるにつれて前述したベッセル関数に基づく重み係数に対応したゲインを有するようになされたフィルターを用いるものである。すなわち、基準となるスピーカーユニットを定め、この基準となるスピーカーユニットについては、平坦なゲイン特性を与える。そして、他のスピーカーユニットについては、低周波数領域のゲインは該基準となるスピーカーユニットと等しく、高周波数領域については前記基準となるスピーカーユニットの重み係数とそのスピーカーユニットの重み係数との比に対応したゲインとなるゲイン特性を有するフィルターを重み付け手段として使用する。なお、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となるスピーカーユニットに対してはオールパスフィルター３の出力が入力されるようにする点は前述した実施の形態と同様である。
【００２０】
図５において、１−１〜１−１５は前述したスピーカーユニット、３は前述したオールパスフィルター、４−１〜４−１５は、各スピーカーユニット１−１〜１−１５に対して重みを付加するための回路である。ここで、この例では、スピーカーユニット１−１（係数Ｃ1’＝0.1296）を基準となるスピーカーユニットとしている。係数Ｃ15＝Ｃ1’であるため、スピーカーユニット１−１５も基準となる。したがって、４−１と４−１５は、それぞれ基準となるスピーカーユニット１−１及び１−１５に信号を供給する周波数特性が平坦なアンプである。
また、スピーカーユニット１−２〜１−４，１−６〜１−１０，１−１２〜１−１４に対応する重み係数の絶対値は、前記基準となるスピーカーユニットの重み係数の絶対値0.1296よりも大きい値であるため、４−２，４−３，４−４，４−６，４−７，４−８，４−９，４−１０，４−１２，４−１３及び４−１４はゲイン特性が低周波数領域では平坦であり、高周波数領域では前記基準となる係数Ｃ1（Ｃ15）とのその係数との比に対応してゲインが上昇するシェルビングタイプのハイパスフィルターである。
さらに、スピーカーユニット１−５と１−１１に対応する重み係数の絶対値はいずれも0.1148であり、前記基準となる重み係数0.1296よりも小さいため、４−５及び４−１１はゲイン特性が低周波数領域では平坦であり、高周波数領域ではその重み係数と前記基準となる係数Ｃ1との比に対応する分だけ減少するシェルビングタイプのハイカットフィルターである。
【００２１】
図６の（ａ）は前記アンプ４−１及び４−１５の構成例を示す図、図６の（ｂ）は前記ハイパスフィルター４−２，４−３，４−４，４−６，４−７，４−８，４−９，４−１０，４−１２，４−１３及び４−１４の構成例を示す図、図６の（ｃ）は前記ハイカットフィルター４−５及び４−１１の構成例を示す図である。
（ａ）〜（ｃ）に示す各回路において、直流ゲイン（すなわち、低周波数領域におけるゲイン）は抵抗Ｒ２とＲ１の比（Ｒ２／Ｒ１）により決定され、前記各回路４−１〜４−１５において、抵抗Ｒ１として同じ値のものが使用されており、また、抵抗Ｒ２も同じの値のものとされている。したがって、各スピーカーユニット１−１〜１−１５に供給される信号の低周波数領域のゲインは同一となる。具体例を挙げれば、Ｒ1＝33kΩ，Ｒ2＝47kΩとされており、直流ゲインは、20log(47/33)＝3.07dBとなる。
【００２２】
また、（ｂ）ハイパスフィルター及び（ｃ）ハイカットフィルターにおける高周波数領域のゲインは、それぞれにおいて対応する重み係数の絶対値と前記基準とされている重み係数値（0.1296）との比に対応したゲインとなるよう、抵抗Ｒ３とコンデンサＣの値が選択される。
例えば、ハイパスフィルター４−２については、重み係数Ｃ2＝0.2458であるため、高周波数領域のゲインが前記基準となるアンプ４−１に対して20log(0.2458/0.1296)＝5.56dBだけ高い値（3.07＋5.56＝8.63dB）となるように、抵抗Ｒ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pFと決定される。同様に、ハイパスフィルター４−３については、高周波数のゲインが20log(0.3621/0.1296)＋3.07＝12.0dBとなるように、Ｒ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pFとされる。また、４−４については、ゲインが20log(0.3576/0.1296)＋3.07＝11.9dBとなり４−３とほぼ等しいため、４−３と同じ値、Ｒ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pFとされる。以下、同様に、４−６についてはＲ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pF、４−７についてはＲ3＝30kΩ，Ｃ＝3900pF、４−８についてはＲ3＝220kΩ，Ｃ＝1000pF、４−９についてはＲ3＝30kΩ，Ｃ＝3900pF、４−１０についてはＲ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pF、４−１２についてはＲ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pF、４−１３についてはＲ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pF、４−１４についてはＲ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pFとされる。
さらに、ハイカットフィルター４−５と４−１１については、重み係数の絶対値がともに0.1148であり、高周波数領域のゲインが前記基準となるアンプ４−１に対して20log(0.1148/0.1296)＝-1.05dBの差を有する3.07−1.05＝2.02dBとなるように、図６（ｃ）における抵抗Ｒ3とコンデンサＣの値がＲ3＝360kΩ，Ｃ＝470pFと決定される。
【００２３】
図７は、このようにして決定された前記４−１〜４−１５の各回路のゲイン特性を示す図である。この図に示すように、低周波数領域では４−１〜４−１５の全ての回路におけるゲインが等しくかつ平坦であり、高周波数領域でそれぞれの重み係数に対応するゲインとなっていることがわかる。
このように、この実施の形態によれば、放射特性のビーム化や櫛状化が問題とならない低周波数領域においては、各スピーカーユニットに同相で、かつ等しいゲインの信号が供給され、周波数が高くなるにしたがってベッセル関数に基づく重みが付与された信号が供給される。したがって、低音の放射効率が低下することを完全に防止することができるとともに、放射特性のビーム化や櫛状化を防止することができる。
なお、上記においては、スピーカーユニット１−１を基準となるものと選択したが、これに限られることはなく、任意のスピーカーユニットを基準に選択することができる。また、ハイパスフィルターやハイカットフィルターをデジタルフィルターにより構成することもできる。
【００２４】
次に、上記図５〜図７に示した実施の形態と同様に、低周波数領域のゲインを等しくし、高周波数領域においてベッセル関数に基づく係数で重み付けをするようにした本発明のさらに他の実施の形態について、図８〜図１０を参照して説明する。
この実施の形態は、例えば、前記図２に示したオールパスフィルター３において、オペアンプの出力端と反転入力との間に接続されている帰還抵抗を他の抵抗と異なる値に設定することにより、ゲインに周波数特性を持たせるようにする。そして、このフィルターを前記ベッセル関数に基づく重み係数が負の値をとるスピーカーユニットに対する重み付け回路として用いることにより、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値をとるスピーカーユニットに共通に設けられたオールパスフィルター３を省略するものである。
【００２５】
このようなフィルターの回路を図８の（ａ）に示す。
例えば、上述の重み係数Ｃ1〜Ｃ15の場合、その絶対値が最大値0.3621となるＣ3，Ｃ13を基準として選択してこれを「１」に正規化する。このとき、例えば、Ｃ5＝−0.1148は、その絶対値が1／3.15（＝0.1148/0.3621）となるので、スピーカーユニット１−５に対する信号は、そのゲインがスピーカーユニット１−３に対して20log(1/3.15)＝−9.97dBとなるように調整すれば良い。
図８の（ａ）に示したフィルターの伝達関数は、Ｈ(S)＝(1−CR2S)／(1＋CR1S)となり、Ｃ＝0.1μF、Ｒ1＝4.7kΩ、Ｒ2＝1.5kΩとすることにより、図８の（ｂ）に示すゲイン特性及び（ｃ）に示す位相特性となる。すなわち、直流ゲインが0dBであり、高周波数において−9.97dBとなるゲイン特性と、低周波数において位相回転が０°であり、高周波数になるにしたがって１８０°位相が回転する位相特性を有する。
なお、その他の重み係数についても、同様にしてそれぞれのゲイン特性に対応した回路定数を決定することができる。
【００２６】
また、重み係数が正となるスピーカーユニットについては、その重み係数と前記基準となる重み係数との比に応じたゲイン特性を有するフィルターを用いればよく、このフィルターは、図９の（ａ）に示す回路を用いて実現することができる。
例えば、Ｃ11＝0.1148に対するフィルターを例にとると、図９（ａ）の左側のフィルターの伝達関数は、Ｈ(S)＝−1*R2／R1*(1＋CR3S)／(1＋(CR2+CR3)S)となり、Ｒ1＝4.7kΩ、Ｒ2＝4.7kΩ、Ｒ3＝2.7kΩ、Ｃ＝0.1μFと設定すると、図９の（ｂ）示すゲイン特性及び（ｃ）に示す位相特性となる。すなわち、直流ゲインが0dBであり、周波数が高くなるにつれ−9.97dBとなるゲイン特性となる。ここで、（ｃ）の位相特性に示すように、位相は最大で約３０度ほど回転するが全体の特性としては問題のないレベルである。
また、他の正の重み係数に対応するフィルターについても同様に回路定数を決定することができる。
【００２７】
図１０は、前記図８に示したフィルターと前記図９に示したフィルターを用いて構成した実施の形態の一構成例を示す図である。この実施の形態ではベッセル関数に基づく重み係数のうち最も絶対値が大きいＣ3とＣ13を基準とし、重み係数が負の値であるスピーカーユニット１−３に対しては前記図２に示したような高周波数領域で位相が反転するオールパスフィルター５−３を介して信号を供給し、重み係数が正の値であるスピーカーユニット１−１３に対してはゲインが１であるアンプ５−１３を介して（あるいはアンプ５−１３を設けることなく）信号を供給する。
そして、その他のスピーカーユニットのうち、重み係数が負の値となるスピーカーユニット（１−１，１−５，１−６，１−９及び１−１０）に対しては、前記基準となる係数の絶対値（＝0.3621）とそのスピーカーユニットに対して付与すべき重みの係数の絶対値との比に対応した高周波数領域のゲインを有する前記図８に示したフィルターを介して信号を供給する。
一方、その他のスピーカーユニットのうち、重み係数が正の値となるスピーカーユニット（１−２，１−４，１−７，１−８，１−１１，１−１２，１−１４及び１−１５）に対しては、前記基準となる係数の絶対値とそのスピーカーユニットに対して付与すべき重みの係数との比に対応した高周波数領域のゲインを有する前記図９に示したフィルターを介して信号を供給する。
【００２８】
このように、この実施の形態によっても、放射特性のビーム化や櫛状化が問題とならない低周波数領域においては、各スピーカーユニットに同相で、かつ等しいゲインの信号が供給され、周波数が高くなるにしたがってベッセル関数に基づく重みが付与された信号が供給される。したがって、低音の放射効率が低下することを完全に防止することができるとともに、放射特性のビーム化や櫛状化を防止することができる。また、オールパスフィルターを省略することができる。
なお、上記においては、アナログフィルターを用いるものとして説明したが、アナログフィルターに限った話ではなく、前記図４の場合と同様に、ＳＺ変換（例えば双１次変換）等で変換されたディジタルフィルターで実現することもできる。また、基準とするスピーカーユニットも任意に選択することができる。
【００２９】
ここで、前記オールパスフィルターや前記図８に示したフィルターにおける、位相回転の中心周波数（位相回転量が９０°となる周波数）について検討する。
例えば、上述したシミュレーションに関して言えば、各スピーカーユニット間の間隔ｄは、ｄ＝2.5cmとされ、１５個のスピーカーユニットを並べたものであった。したがって、１５個のスピーカーユニットからなるスピーカー列の幅は、35cm（＝2.5×14）になる。音速を340m/secでシミュレーションすると、スピーカー幅35cmが１波長となる周波数は、34000／35＝971Hzとなる。
【００３０】
図１１は、１５個のスピーカーユニットをその重み付けを全て‘１’として出力したシミュレーション結果を示す図である。この図において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、900Hz、1000Hz、1200Hz及び1500Hzにおける放射特性を示す。
この図から、ほぼ、スピーカーユニット列の幅の波長を有する周波数（1000Hz程度）から音のビーム化が顕著になっていることがわかる。そこで、前記オールパスフィルターあるいは前記図８に示したフィルターの位相回転の中心周波数（位相が９０度回転する周波数）をスピーカーユニット列の幅の波長に持って来るとその周波数以上でベッセル関数に基づく重み係数での重み付けが効果を表し始め、良い結果を生むことが期待できる。
このように、オールパスフィルターの位相回転の中心周波数（９０°）を、アレースピーカーシステムのスピーカーユニット列の幅の波長を持つ周波数付近に設定するのが好適である。
【００３３】
なお、以上の説明においては、１５個のスピーカーユニットを用いる場合を例にとって説明したが、本発明は、５個以上のスピーカーユニットを有するアレースピーカーシステムに対して全く同様に適用することができる。また、ベッセル関数に基づく重み係数の値についても、上述した例に限られることはない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアレースピーカーシステムによれば、低周波数領域では各スピーカーユニットを正相で駆動しているため、ベッセル関数に基づく重み係数の負の値による逆相成分により放射効率の低下を防止することができるとともに、高周波数領域ではベッセル関数に基づく重み係数より重み付けをして駆動するようにしているため音のビーム化や櫛状化を防止することができる。したがって、低周波数領域から高周波数領域まで、放射特性のビーム化や櫛状化を防止しつつ、効率良く音を球面状に放射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のアレースピーカーシステムの一実施の形態の要部構成を示す図である。
【図２】 （ａ）は前記オールパスフィルター３の構成例を示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。
【図３】 図１の実施の形態における放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】 （ａ）はＩＩＲフィルターの構成例を示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。
【図５】 本発明のアレースピーカーシステムの他の実施の形態の要部構成を示す図である。
【図６】 図５における各構成要素の具体的な構成例を示す図であり、（ａ）はアンプ、（ｂ）はハイパスフィルター、（ｃ）はハイカットフィルターの構成例を示す図である。
【図７】 図５における各回路のゲイン特性を示す図である。
【図８】 本発明のアレースピーカーシステムのさらに他の実施の形態に用いられるフィルターを示す図であり、（ａ）は構成、（ｂ）はゲイン特性、（ｃ）は位相特性を示す図である。
【図９】 本発明のアレースピーカーシステムのさらに他の実施の形態に用いられる他のフィルターを示す図であり、（ａ）は構成、（ｂ）はゲイン特性、（ｃ）は位相特性を示す図である。
【図１０】 図８及び図９のフィルターを用いる本発明のアレースピーカーシステムのさらに他の実施の形態の構成を示す図である。
【図１１】 各スピーカーユニットから重み付けを’１’として出力したときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】 各スピーカーユニットから重み付けを’１’として出力したときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】 ベッセルアレーが適用されたアレースピーカーシステムの要部構成を示す図である。
【図１４】 ベッセルアレーの放射特性を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスピーカーユニットが１次元又は２次元のアレー状に配置されるアレースピーカーシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のスピーカーを規則正しく並べて音を出すアレースピーカーシステムが知られている。このようなアレースピーカーシステムにおいては、複数個のスピーカーを使うことによる弊害として、音の周波数が高くなるにつれ、放射特性にビーム化や櫛状化（櫛の歯状に拡散する状態）が現れ、それが周波数によって変動することによって、放射中心以外で高音が聞こえなくなったり、聞く場所によって周波数特性が暴れたりといった現象が起こる。
図１２は、１５個のスピーカーユニットを2.5cm間隔で直線状に縦に並べ、各スピーカーユニットから同位相で音を放射したときの放射特性のシミュレーション結果を示す図である。この図において、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、500Hz，1000Hz，5000Hz，10kHz，15kHzにおける水平断面、垂直断面及びスピーカーシステムの前面から距離２ｍの投影面における放射特性を示している。ここで、図中色の白い部分ほど音圧が高いことを示している。
この図に示すように、数ｋHz以上の周波数において、放射特性のビーム化や櫛状化が顕著となっている。
【０００３】
このような現象を回避する為、規則正しく並んだスピーカー列に第１種ベッセル関数に基づく係数列で重み付けを行うことにより、音の放射特性を球面状にする、ベッセルアレーという手法が知られている。また、特許文献１には、簡略化されたベッセルアレーが開示されている。
【０００４】
図１３は、ベッセルアレーが適用されたアレースピーカーシステムの要部構成を示す図である。この図に示したアレースピーカーシステムは、１５個のスピーカーユニットを有するものとされており、１１−１〜１１−１５は所定の間隔ｄ（例えば、ｄ＝2.5cm）をもって直線状に配列されたスピーカーユニット、１２−１〜１２−１５はそれぞれ対応するスピーカーユニット１１−１〜１１−１５に供給される信号に対して重み係数Ｃ1〜Ｃ15による重みを付加する重み付け手段である。なお、重み付け手段１２−１〜１２−１５とそれぞれ対応するスピーカーユニット１１−１〜１１−１５との間にはそれぞれパワーアンプが挿入されるのが通常であるが、本明細書においては図示を省略することとする。また、前記重み付け手段１２−１〜１２−１５としては、重み係数に対応するゲインを有する増幅器などを用いることができる。
【０００５】
ここで、前記重み係数Ｃ1〜Ｃ15は、次式で定義される第１種ベッセル関数により導き出される。
【数１】
【０００６】
図１４は、スピーカーユニット１１−１〜１１−１５を、上記第１種ベッセル関数に基づく重み係数Ｃ1〜Ｃ15による重みを付加して駆動したときの放射特性のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、500Hz，1000Hz，5000Hz，10kHz，15kHzにおける水平断面、垂直断面及びスピーカーシステムの前面から距離２ｍの投影面における放射特性を示している。
図１２と図１４との比較から明らかなように、ベッセルアレーの場合には、放射特性のビーム化や櫛状化は見られず、球面特性になっていることがわかる。このように、各スピーカーユニットをベッセル関数に基づく重み係数で重み付けして駆動することは放射特性のビーム化、櫛状化を防止する上で有効な手法である。
【０００７】
【特許文献１】
特公平１−２５４８０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ベッセルアレーによれば、放射特性のビーム化や櫛状化を防止することができる。
しかし、ベッセル関数に基づく重み係数列（Ｃ1〜Ｃ15）には負の値をとるものも含まれているために、低周波数領域での放射効率が悪くなり、低音再生が働かなくなるという問題点がある。このことは、複数のスピーカーユニットが共通エンクロージャー、あるいはバスレフ形の共通エンクロージャーに取り付けられたアレースピーカーシステムにおいては、特に悪い結果をもたらす。
そこで、本発明は、低周波数領域から高周波数領域まで、放射特性のビーム化や櫛状化を防止しつつ、効率良く音を放射することができるアレースピーカーシステムを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアレースピーカーシステムは、複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、全周波数帯域にわたり平坦な振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有するオールパスフィルターを有し、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットに対しては、前記オールパスフィルターを経由した信号にその重み係数の絶対値による重みを付加して駆動し、ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットに対しては、その重み係数による重みを付加して駆動するようにしたものである。
また、本発明の他のアレースピーカーシステムは、複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、全周波数帯域にわたり平坦な振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有するオールパスフィルターと、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットそれぞれに対応して設けられ、前記オールパスフィルターを経由した信号が入力され、高周波数領域の信号に対しその重み係数の絶対値に対応するゲイン特性を付与して、対応するスピーカーユニットを駆動する手段と、ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットそれぞれに対応して設けられ、高周波数領域の信号に対しその重み係数に対応するゲイン特性を付与して、対応するスピーカーユニットを駆動する手段とを有するものである。
さらにまた、本発明のさらに他のアレースピーカーユニットは、複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットに対しては、低周波数領域におけるゲインが０ dB であり、高周波数領域において、そのスピーカーユニットに対応する重み係数の絶対値に対応するゲインとなる振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有する第１の種類のフィルターを介して駆動し、ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットに対しては、低周波数領域におけるゲインが０ dB であり、高周波数領域において、そのスピーカーユニットに対応する重み係数に対応するゲインとなる振幅特性を有し、全周波数帯域において位相回転量が小さい位相特性を有する第２の種類のフィルターを介して駆動するものである。
ここで、前記オールパスフィルター又は前記第１の種類のフィルターは、前記複数のスピーカーユニットの配列の幅に相当する波長に対応する周波数の近傍の周波数において、その位相回転量が９０度となるように設定されているものであるとより良い。
【００１１】
さらにまた、上記各アレースピーカーシステムにおいて、前記複数のスピーカーユニットは、共通エンクロージャー又はバスレフ形の共通エンクロージャーに取り付けられているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のアレースピーカーシステムの基本的な原理について説明する。
前記図１２に示した放射特性からわかるように、全スピーカーユニットから同位相で音を放射したときに、ベッセル関数に基づく重み係数による重みを付与しなくても、低周波数領域（図１２の場合は１kHz以下）では、音のビーム化や櫛状化は見られない。そこで、本発明においては、音のビーム化や櫛状化が問題とならない低周波数領域では、各スピーカーユニットを正相で駆動することにより放射効率の低下を防止し、音のビーム化，櫛状化が発生する高周波数領域については、ベッセル関数に基づく重み係数による重みを付加して駆動する。これにより、低周波数領域から高周波数領域までビーム化、櫛状化を防ぎながら、効率良く音を放射することが出来るようになる。
以下、低周波数領域ではスピーカーユニットを正相で駆動し、高周波数領域においてはベッセル関数に基づく重み係数を付与して駆動するようにした本発明のアレースピーカーシステムの各実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明のアレースピーカーシステムの第１の実施の形態の要部構成を示す図である。なお、以下の説明では、前述と同様に１５個のスピーカーユニットを有するアレースピーカーシステムを例にとって説明することとし、ベッセル関数に基づく重み係数が前述したＣ1〜Ｃ15であるものとして説明するが、本発明は、複数個（例えば、５個以上）のスピーカーユニットを有するアレースピーカーシステムに対して同様に適用することができ、重み係数も他の値であってもかまわない。
この実施の形態は、各スピーカーユニットを低周波数領域では正相で駆動し、高周波数領域ではベッセル関数に基づく重み係数で重み付けして駆動するために、高周波数領域になると位相が１８０°回転するオールパスフィルターを用いるようにしたものである。
【００１４】
図１において、１−１〜１−１５は所定の間隔ｄ（例えば、ｄ＝2.5cm）をもって配列されたスピーカーユニット、２−１〜２−１５はそれぞれ対応するスピーカーユニット１−１〜１−１５に供給される信号に第１種ベッセル関数に基づく重み係数による重みを付加する重み付け手段であり、それぞれ前述の１１−１〜１１−１５及び１２−１〜１２−１５に対応するものである。ただし、この重み付け手段２−１〜２−１５における重み係数は、前記図１３の場合とは異なり、その絶対値とされている。すなわち、前記図１３の場合には、Ｃ1，Ｃ3，Ｃ5，Ｃ6，Ｃ9及びＣ10は負の値であったが、図１における重み付け手段２−１，２−３，２−５，２−６，２−９及び２−１０においては、それぞれの重み係数の絶対値Ｃ1’，Ｃ3’，Ｃ5’，Ｃ6’，Ｃ9’及びＣ10’による重みが付与される。
【００１５】
また、３は、振幅特性が対象となる全周波数帯域にわたり平坦で、位相特性が、低周波数領域では位相回転が０°で高周波数になるにしたがって１８０°回転して逆相になるように設定されたオールパスフィルターである。
図２の（ａ）に前記オールパスフィルター３の一構成例を示し、（ｂ）にその位相特性を示す。この図に示すように、このオールパスフィルター３は、低周波数においては位相回転量が０°であり、周波数が高くなるにつれて位相回転量が徐々に大きくなって約700Hzで位相回転量が９０°となり、10kHzより高い周波数で１８０°となる位相特性を有している。
【００１６】
図１において、信号入力端からの入力信号は、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値である重み付け手段２−２，２−４，２−７，２−８，２−１１，２−１２，２−１３，２−１４及び２−１５に対しては直接に入力され、前記重み付け手段２−１，２−３，２−５，２−６，２−９及び２−１０に対しては、前記オールパスフィルター３を経由した信号が入力されるようになされている。そして、それぞれの重み付け手段２−１〜２−１５において、それぞれ対応する重み係数により重み付けされてスピーカーユニット１−１〜１−１５に出力される。
すなわち、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値であるスピーカーユニット（１−２，１−４，１−７，１−８，１−１１〜１−１５）に対しては、それぞれの重み付け手段で対応する重みが付与された信号が出力される。また、前記ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となるスピーカーユニット（１−１，１−３，１−５，１−６，１−９及び１−１０）に対してそれぞれの重み付け手段で付与される重みは、前記オールパスフィルター３による位相回転量が９０°を超えない低周波数領域の信号に対しては、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値であるスピーカーユニットに付与される重みと同相（同じ符号）となる。一方、前記オールパスフィルター３による位相回転量が９０°を超える高周波数領域においては、前記ベッセル関数に基づく重み係数が正の値であるスピーカーユニットに付与される重みとは逆相（逆の符号）となる。
これにより、高周波数領域においては、ベッセル係数に基づく重み係数が負の値となるスピーカーユニットに対し負の重み係数による重みが付与されることとなり、ベッセル関数に基づく重み係数が利用されることとなる。一方、低周波数領域においてはすべてのスピーカーユニットから同相で信号が出力されることとなり、低音が十分に再生出力されることとなる。
【００１７】
図３は、この実施の形態における放射特性のシミュレーション結果を示す図であを示す図であり、（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、500Hz，1000Hz，5000Hz，10kHz，15kHzにおける水平断面、垂直断面及びスピーカーシステムの前面から距離２ｍの投影面における放射特性を示している。
この図と前記図１２とを比較すると明らかなように、本実施の形態において、放射特性のビーム化や櫛状化が十分に防止されていることがわかる。
【００１８】
なお、前記オールパスフィルター３は、前記図２に示したようなアナログフィルターに限られることなく、前後にＡ／Ｄコンバーター、Ｄ／Ａコンバーターを有するデジタルフィルターによっても構成することが可能である。
例えば、図２に示したアナログオールパスフィルター３の伝達関数Ｈ(S)＝(1-CRS)／(1+CRS)をS＝2／T*(1-Z-1)／(1+Z-1)と置く双１次変換によってＺ領域へ変換すると、H(Z)＝((T-2CR)+(T+2CR)Z-1)／((T+2CR)+(T-2CR)Z-1)となり、C＝0.047μF、R＝4.7kΩ、サンプリング周波数fs＝48kHzとすると、H(Z)＝(-420*10-1+(460*10-1)Z-1)／(460*10-1+(-420*10-1)Z-1)となる。
このデジタルフィルターは、図４の（ａ）に示すＩＩＲフィルターで構成することができ、図４の（ｂ）に示す位相特性を有する。
【００１９】
さて、上述したベッセル関数に基づく重み係数は各スピーカーユニットで異なっており、例えば上述したＣ1〜Ｃ15の場合、最大値であるＣ3＝−0.3621に対して最小値のＣ5＝−0.1148では約３．１５倍ゲインが異なっている。したがって、ベッセル関数に基づく係数による重み付けが必要無い低周波数領域の音の変換効率も同時に落ちてしまうこととなる。
そこで、このような不都合を防止するようにした本発明の他の実施の形態について、図５〜図７を参照して説明する。
この実施の形態は、前記重み付け手段として、低周波数領域におけるゲインは等しく、高周波数領域になるにつれて前述したベッセル関数に基づく重み係数に対応したゲインを有するようになされたフィルターを用いるものである。すなわち、基準となるスピーカーユニットを定め、この基準となるスピーカーユニットについては、平坦なゲイン特性を与える。そして、他のスピーカーユニットについては、低周波数領域のゲインは該基準となるスピーカーユニットと等しく、高周波数領域については前記基準となるスピーカーユニットの重み係数とそのスピーカーユニットの重み係数との比に対応したゲインとなるゲイン特性を有するフィルターを重み付け手段として使用する。なお、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となるスピーカーユニットに対してはオールパスフィルター３の出力が入力されるようにする点は前述した実施の形態と同様である。
【００２０】
図５において、１−１〜１−１５は前述したスピーカーユニット、３は前述したオールパスフィルター、４−１〜４−１５は、各スピーカーユニット１−１〜１−１５に対して重みを付加するための回路である。ここで、この例では、スピーカーユニット１−１（係数Ｃ1’＝0.1296）を基準となるスピーカーユニットとしている。係数Ｃ15＝Ｃ1’であるため、スピーカーユニット１−１５も基準となる。したがって、４−１と４−１５は、それぞれ基準となるスピーカーユニット１−１及び１−１５に信号を供給する周波数特性が平坦なアンプである。
また、スピーカーユニット１−２〜１−４，１−６〜１−１０，１−１２〜１−１４に対応する重み係数の絶対値は、前記基準となるスピーカーユニットの重み係数の絶対値0.1296よりも大きい値であるため、４−２，４−３，４−４，４−６，４−７，４−８，４−９，４−１０，４−１２，４−１３及び４−１４はゲイン特性が低周波数領域では平坦であり、高周波数領域では前記基準となる係数Ｃ1（Ｃ15）とのその係数との比に対応してゲインが上昇するシェルビングタイプのハイパスフィルターである。
さらに、スピーカーユニット１−５と１−１１に対応する重み係数の絶対値はいずれも0.1148であり、前記基準となる重み係数0.1296よりも小さいため、４−５及び４−１１はゲイン特性が低周波数領域では平坦であり、高周波数領域ではその重み係数と前記基準となる係数Ｃ1との比に対応する分だけ減少するシェルビングタイプのハイカットフィルターである。
【００２１】
図６の（ａ）は前記アンプ４−１及び４−１５の構成例を示す図、図６の（ｂ）は前記ハイパスフィルター４−２，４−３，４−４，４−６，４−７，４−８，４−９，４−１０，４−１２，４−１３及び４−１４の構成例を示す図、図６の（ｃ）は前記ハイカットフィルター４−５及び４−１１の構成例を示す図である。
（ａ）〜（ｃ）に示す各回路において、直流ゲイン（すなわち、低周波数領域におけるゲイン）は抵抗Ｒ２とＲ１の比（Ｒ２／Ｒ１）により決定され、前記各回路４−１〜４−１５において、抵抗Ｒ１として同じ値のものが使用されており、また、抵抗Ｒ２も同じの値のものとされている。したがって、各スピーカーユニット１−１〜１−１５に供給される信号の低周波数領域のゲインは同一となる。具体例を挙げれば、Ｒ1＝33kΩ，Ｒ2＝47kΩとされており、直流ゲインは、20log(47/33)＝3.07dBとなる。
【００２２】
また、（ｂ）ハイパスフィルター及び（ｃ）ハイカットフィルターにおける高周波数領域のゲインは、それぞれにおいて対応する重み係数の絶対値と前記基準とされている重み係数値（0.1296）との比に対応したゲインとなるよう、抵抗Ｒ３とコンデンサＣの値が選択される。
例えば、ハイパスフィルター４−２については、重み係数Ｃ2＝0.2458であるため、高周波数領域のゲインが前記基準となるアンプ４−１に対して20log(0.2458/0.1296)＝5.56dBだけ高い値（3.07＋5.56＝8.63dB）となるように、抵抗Ｒ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pFと決定される。同様に、ハイパスフィルター４−３については、高周波数のゲインが20log(0.3621/0.1296)＋3.07＝12.0dBとなるように、Ｒ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pFとされる。また、４−４については、ゲインが20log(0.3576/0.1296)＋3.07＝11.9dBとなり４−３とほぼ等しいため、４−３と同じ値、Ｒ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pFとされる。以下、同様に、４−６についてはＲ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pF、４−７についてはＲ3＝30kΩ，Ｃ＝3900pF、４−８についてはＲ3＝220kΩ，Ｃ＝1000pF、４−９についてはＲ3＝30kΩ，Ｃ＝3900pF、４−１０についてはＲ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pF、４−１２についてはＲ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pF、４−１３についてはＲ3＝18kΩ，Ｃ＝5600pF、４−１４についてはＲ3＝36kΩ，Ｃ＝3300pFとされる。
さらに、ハイカットフィルター４−５と４−１１については、重み係数の絶対値がともに0.1148であり、高周波数領域のゲインが前記基準となるアンプ４−１に対して20log(0.1148/0.1296)＝-1.05dBの差を有する3.07−1.05＝2.02dBとなるように、図６（ｃ）における抵抗Ｒ3とコンデンサＣの値がＲ3＝360kΩ，Ｃ＝470pFと決定される。
【００２３】
図７は、このようにして決定された前記４−１〜４−１５の各回路のゲイン特性を示す図である。この図に示すように、低周波数領域では４−１〜４−１５の全ての回路におけるゲインが等しくかつ平坦であり、高周波数領域でそれぞれの重み係数に対応するゲインとなっていることがわかる。
このように、この実施の形態によれば、放射特性のビーム化や櫛状化が問題とならない低周波数領域においては、各スピーカーユニットに同相で、かつ等しいゲインの信号が供給され、周波数が高くなるにしたがってベッセル関数に基づく重みが付与された信号が供給される。したがって、低音の放射効率が低下することを完全に防止することができるとともに、放射特性のビーム化や櫛状化を防止することができる。
なお、上記においては、スピーカーユニット１−１を基準となるものと選択したが、これに限られることはなく、任意のスピーカーユニットを基準に選択することができる。また、ハイパスフィルターやハイカットフィルターをデジタルフィルターにより構成することもできる。
【００２４】
次に、上記図５〜図７に示した実施の形態と同様に、低周波数領域のゲインを等しくし、高周波数領域においてベッセル関数に基づく係数で重み付けをするようにした本発明のさらに他の実施の形態について、図８〜図１０を参照して説明する。
この実施の形態は、例えば、前記図２に示したオールパスフィルター３において、オペアンプの出力端と反転入力との間に接続されている帰還抵抗を他の抵抗と異なる値に設定することにより、ゲインに周波数特性を持たせるようにする。そして、このフィルターを前記ベッセル関数に基づく重み係数が負の値をとるスピーカーユニットに対する重み付け回路として用いることにより、ベッセル関数に基づく重み係数が負の値をとるスピーカーユニットに共通に設けられたオールパスフィルター３を省略するものである。
【００２５】
このようなフィルターの回路を図８の（ａ）に示す。
例えば、上述の重み係数Ｃ1〜Ｃ15の場合、その絶対値が最大値0.3621となるＣ3，Ｃ13を基準として選択してこれを「１」に正規化する。このとき、例えば、Ｃ5＝−0.1148は、その絶対値が1／3.15（＝0.1148/0.3621）となるので、スピーカーユニット１−５に対する信号は、そのゲインがスピーカーユニット１−３に対して20log(1/3.15)＝−9.97dBとなるように調整すれば良い。
図８の（ａ）に示したフィルターの伝達関数は、Ｈ(S)＝(1−CR2S)／(1＋CR1S)となり、Ｃ＝0.1μF、Ｒ1＝4.7kΩ、Ｒ2＝1.5kΩとすることにより、図８の（ｂ）に示すゲイン特性及び（ｃ）に示す位相特性となる。すなわち、直流ゲインが0dBであり、高周波数において−9.97dBとなるゲイン特性と、低周波数において位相回転が０°であり、高周波数になるにしたがって１８０°位相が回転する位相特性を有する。
なお、その他の重み係数についても、同様にしてそれぞれのゲイン特性に対応した回路定数を決定することができる。
【００２６】
また、重み係数が正となるスピーカーユニットについては、その重み係数と前記基準となる重み係数との比に応じたゲイン特性を有するフィルターを用いればよく、このフィルターは、図９の（ａ）に示す回路を用いて実現することができる。
例えば、Ｃ11＝0.1148に対するフィルターを例にとると、図９（ａ）の左側のフィルターの伝達関数は、Ｈ(S)＝−1*R2／R1*(1＋CR3S)／(1＋(CR2+CR3)S)となり、Ｒ1＝4.7kΩ、Ｒ2＝4.7kΩ、Ｒ3＝2.7kΩ、Ｃ＝0.1μFと設定すると、図９の（ｂ）示すゲイン特性及び（ｃ）に示す位相特性となる。すなわち、直流ゲインが0dBであり、周波数が高くなるにつれ−9.97dBとなるゲイン特性となる。ここで、（ｃ）の位相特性に示すように、位相は最大で約３０度ほど回転するが全体の特性としては問題のないレベルである。
また、他の正の重み係数に対応するフィルターについても同様に回路定数を決定することができる。
【００２７】
図１０は、前記図８に示したフィルターと前記図９に示したフィルターを用いて構成した実施の形態の一構成例を示す図である。この実施の形態ではベッセル関数に基づく重み係数のうち最も絶対値が大きいＣ3とＣ13を基準とし、重み係数が負の値であるスピーカーユニット１−３に対しては前記図２に示したような高周波数領域で位相が反転するオールパスフィルター５−３を介して信号を供給し、重み係数が正の値であるスピーカーユニット１−１３に対してはゲインが１であるアンプ５−１３を介して（あるいはアンプ５−１３を設けることなく）信号を供給する。
そして、その他のスピーカーユニットのうち、重み係数が負の値となるスピーカーユニット（１−１，１−５，１−６，１−９及び１−１０）に対しては、前記基準となる係数の絶対値（＝0.3621）とそのスピーカーユニットに対して付与すべき重みの係数の絶対値との比に対応した高周波数領域のゲインを有する前記図８に示したフィルターを介して信号を供給する。
一方、その他のスピーカーユニットのうち、重み係数が正の値となるスピーカーユニット（１−２，１−４，１−７，１−８，１−１１，１−１２，１−１４及び１−１５）に対しては、前記基準となる係数の絶対値とそのスピーカーユニットに対して付与すべき重みの係数との比に対応した高周波数領域のゲインを有する前記図９に示したフィルターを介して信号を供給する。
【００２８】
このように、この実施の形態によっても、放射特性のビーム化や櫛状化が問題とならない低周波数領域においては、各スピーカーユニットに同相で、かつ等しいゲインの信号が供給され、周波数が高くなるにしたがってベッセル関数に基づく重みが付与された信号が供給される。したがって、低音の放射効率が低下することを完全に防止することができるとともに、放射特性のビーム化や櫛状化を防止することができる。また、オールパスフィルターを省略することができる。
なお、上記においては、アナログフィルターを用いるものとして説明したが、アナログフィルターに限った話ではなく、前記図４の場合と同様に、ＳＺ変換（例えば双１次変換）等で変換されたディジタルフィルターで実現することもできる。また、基準とするスピーカーユニットも任意に選択することができる。
【００２９】
ここで、前記オールパスフィルターや前記図８に示したフィルターにおける、位相回転の中心周波数（位相回転量が９０°となる周波数）について検討する。
例えば、上述したシミュレーションに関して言えば、各スピーカーユニット間の間隔ｄは、ｄ＝2.5cmとされ、１５個のスピーカーユニットを並べたものであった。したがって、１５個のスピーカーユニットからなるスピーカー列の幅は、35cm（＝2.5×14）になる。音速を340m/secでシミュレーションすると、スピーカー幅35cmが１波長となる周波数は、34000／35＝971Hzとなる。
【００３０】
図１１は、１５個のスピーカーユニットをその重み付けを全て‘１’として出力したシミュレーション結果を示す図である。この図において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、900Hz、1000Hz、1200Hz及び1500Hzにおける放射特性を示す。
この図から、ほぼ、スピーカーユニット列の幅の波長を有する周波数（1000Hz程度）から音のビーム化が顕著になっていることがわかる。そこで、前記オールパスフィルターあるいは前記図８に示したフィルターの位相回転の中心周波数（位相が９０度回転する周波数）をスピーカーユニット列の幅の波長に持って来るとその周波数以上でベッセル関数に基づく重み係数での重み付けが効果を表し始め、良い結果を生むことが期待できる。
このように、オールパスフィルターの位相回転の中心周波数（９０°）を、アレースピーカーシステムのスピーカーユニット列の幅の波長を持つ周波数付近に設定するのが好適である。
【００３３】
なお、以上の説明においては、１５個のスピーカーユニットを用いる場合を例にとって説明したが、本発明は、５個以上のスピーカーユニットを有するアレースピーカーシステムに対して全く同様に適用することができる。また、ベッセル関数に基づく重み係数の値についても、上述した例に限られることはない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアレースピーカーシステムによれば、低周波数領域では各スピーカーユニットを正相で駆動しているため、ベッセル関数に基づく重み係数の負の値による逆相成分により放射効率の低下を防止することができるとともに、高周波数領域ではベッセル関数に基づく重み係数より重み付けをして駆動するようにしているため音のビーム化や櫛状化を防止することができる。したがって、低周波数領域から高周波数領域まで、放射特性のビーム化や櫛状化を防止しつつ、効率良く音を球面状に放射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のアレースピーカーシステムの一実施の形態の要部構成を示す図である。
【図２】 （ａ）は前記オールパスフィルター３の構成例を示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。
【図３】 図１の実施の形態における放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】 （ａ）はＩＩＲフィルターの構成例を示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。
【図５】 本発明のアレースピーカーシステムの他の実施の形態の要部構成を示す図である。
【図６】 図５における各構成要素の具体的な構成例を示す図であり、（ａ）はアンプ、（ｂ）はハイパスフィルター、（ｃ）はハイカットフィルターの構成例を示す図である。
【図７】 図５における各回路のゲイン特性を示す図である。
【図８】 本発明のアレースピーカーシステムのさらに他の実施の形態に用いられるフィルターを示す図であり、（ａ）は構成、（ｂ）はゲイン特性、（ｃ）は位相特性を示す図である。
【図９】 本発明のアレースピーカーシステムのさらに他の実施の形態に用いられる他のフィルターを示す図であり、（ａ）は構成、（ｂ）はゲイン特性、（ｃ）は位相特性を示す図である。
【図１０】 図８及び図９のフィルターを用いる本発明のアレースピーカーシステムのさらに他の実施の形態の構成を示す図である。
【図１１】 各スピーカーユニットから重み付けを’１’として出力したときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】 各スピーカーユニットから重み付けを’１’として出力したときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】 ベッセルアレーが適用されたアレースピーカーシステムの要部構成を示す図である。
【図１４】 ベッセルアレーの放射特性を示す図である。
Claims (6)
- 複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、
全周波数帯域にわたり平坦な振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有するオールパスフィルターを有し、
ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットに対しては、前記オールパスフィルターを経由した信号にその重み係数の絶対値による重みを付加して駆動し、
ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットに対しては、その重み係数による重みを付加して駆動するようにしたことを特徴とするアレースピーカーシステム。 - 複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、
全周波数帯域にわたり平坦な振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有するオールパスフィルターと、
ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットそれぞれに対応して設けられ、前記オールパスフィルターを経由した信号が入力され、高周波数領域の信号に対しその重み係数の絶対値に対応するゲイン特性を付与して、対応するスピーカーユニットを駆動する手段と、
ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットそれぞれに対応して設けられ、高周波数領域の信号に対しその重み係数に対応するゲイン特性を付与して、対応するスピーカーユニットを駆動する手段と
を有することを特徴とするアレースピーカーシステム。 - 複数のスピーカーユニットが配列されたアレースピーカーシステムであって、
ベッセル関数に基づく重み係数が負の値となる前記スピーカーユニットに対しては、低周波数領域におけるゲインが０ dB であり、高周波数領域においてそのスピーカーユニットに対応する重み係数の絶対値に対応するゲインとなる振幅特性を有し、低周波数領域における位相回転量が０度であり、周波数が高くなるに従い位相回転量が増加して、高周波数領域における位相回転量が１８０度となる位相特性を有する第１の種類のフィルターを介して駆動し、
ベッセル関数に基づく重み係数が正の値となる前記スピーカーユニットに対しては、低周波数領域におけるゲインが０ dB であり、高周波数領域においてそのスピーカーユニットに対応する重み係数に対応するゲインとなる振幅特性を有し、全周波数帯域において位相回転量が小さい位相特性を有する第２の種類のフィルターを介して駆動する
ことを特徴とするアレースピーカーシステム。 - 前記オールパスフィルター又は前記第１の種類のフィルターは、前記複数のスピーカーユニットの配列の幅に相当する波長に対応する周波数の近傍の周波数において、その位相回転量が９０度となるように設定されているものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアレースピーカーシステム。
- 前記複数のスピーカーユニットは、共通エンクロージャーに取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアレースピーカーシステム。
- 前記複数のスピーカーユニットは、バスレフ形の共通エンクロージャーに取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアレースピーカーシステム。
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