JP4224634B2 - 音響特性を高める直列型初期反射強化システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部屋または劇場の音響特性を高める直列型初期反射強化システムおよび方法を含む。
【０００２】
【従来の技術】
部屋の音響特性は、聴衆が感じる生演奏の質に大きく影響する。質の主観的印象に関連すると考えられるいくつかの部屋の特性がある。一番最初に測定されたパラメータは、残響時間であった。これは、すべての位置でほぼ同じ値を有する部屋全体の特性である。これは、部屋の容積と部屋表面の吸収率に左右され、また残響の質は、部屋の形によっても左右される。残響時間が長い部屋は、オペラやクラシック音楽などの演奏の楽しみを高める包み込まれる感じを提供することができる。しかしながら、同じ音響特性は、話し言葉の理解し易さを低下させることがあり、そのため講演には適していない。
【０００３】
応答の初期部分の特性と関係する透明性などの他のパラメータが明らかにされた。最近の劇場は、ステージから出る音に対する空間応答の初期部分を強化するために特別に配置された反射板を備えるように設計されている。
【０００４】
様々な演奏を最大限に楽しむためには、部屋の音響特性を意図した演奏と一致させなければならない。そのため、多くの部屋は、音響学的に調整できるように作成されている。残響時間を制御するために、たとえば移動可能なカーテンや回転可能なパネルなどの調整可能な吸収体が使用される。残響をより大きくする必要があるときは、主領域と結合することができる追加の音響空間が構築された。
【０００５】
部屋の音響特性を高めるために、電気音響システムが長年使用されてきた。最も簡単なシステムは、拡声システムや音響強化システムであり、ステージ上の演奏者によって生成された音が、近くのマイクロフォンによって検出され、その音が増幅され、１組または複数のスピーカから放送される。そのような装置の目的は、一般に、残響のない直接的な音を聴衆に放射し、部屋の影響を排除し透明性を高めることである。
【０００６】
最近になって、調整可能な室内音響特性を提供するためのより複雑な形態の音響システムが開発された。さらに、基本的な音響強化システムは、追加の音響反射を作成することができる遅延装置などの音響処理要素を導入することによって開発された。これについては、W. Anhertによる「Complex simulation of acoustic fields by the delta stereophony system (DDS)」J. Audio Eng:Soc、vol.35、no.9、pp643〜652、1987年9月と、米国特許第5,142,586号を参照されたい。Anhertにより説明されているデルタ立体音響システムは、正確な定位を維持するために、直接音よりも遅く到着するように調整された音響反射を提供する。聴者が所定位置にいる場合は、適切な遅延を選択して直接音よりも先行することを回避できるが、聴者の位置が異なる場合には、遅延を変化させなければならない。米国特許第５，１４２，５８６号に記載されたＡＣＳシステムは、波面を作成することによってすべての聴者の位置に適切な時間に反射を提供することを特許請求している。遅延は、ホイヘンスの原理を利用して選択され、積分方程式によるその数学的定量化は、A. J. Berknout、D. de VriesおよびP. Vogelによる「Acoustic control by wave field synthesis」J. Acoust Soc. Am.、vol.93、no.5、pp2764〜2778、1993年5月に記載されている。波面は、スピーカのアレイを使用して生成される。そのような電気音響システムは、受動的反射体を使用して達成するよりも制御が容易な初期反射応答を提供する。
【０００７】
また、ステージ上の音源のより長い残響時間を提供する残響装置が導入された。これについては、たとえば米国特許第５，１０９，４１９号を参照されたい。また、階上席の下のような強い反射と残響を提供するために、より多くのスピーカが利用された。また、マイクロフォンは、直接音を検出することを意図しながらうるさくならないように、演奏者から遠くに配置された。
【０００８】
以上考察したシステムは、ループ利得が高すぎる場合にスピーカからマイクロフォンへの帰還が偏りと不安定さを引き起こすことがあるため、そのような帰還が起こるのを防止している。このため、そのようなシステムは、一般に直列型(in-line)システムまたは非回生的(non-generative)システムと呼ばれることがある。このシステムは、マイクロフォンに近い（すなわち、ステージ上の）音源の残響を大きくすることができるが、室内の他の位置にある音源には効果は小さい。
【０００９】
第２のタイプの強化システムは、スピーカとマイクロフォンの間の帰還を利用して任意の音源位置で生じる残響を全体的に強化しようとする非直列型(non-in-line)システムまたは回生的(regenerative)システムである。これについては、A. Krokstadによる「Electroacoustic means of controlling auditorium acoustics」Applied Acoustics、vol.24、pp275〜288、1998年と、F. KawakamiとY. Shimizuによる「Active field control in auditoria」Applied Acoustics、vol.31、pp47〜75、1990年を参照されたい。自然な支援されていない残響時間は、すべての音源位置でほとんど同じなので、再生システムは、より自然な強化された残響を提供することができる。非直列型システムは、一般に、それぞれ低いループ利得を持つ多数の独立したマイクロフォン−増幅器−スピーカ・チャネルを使用する。各チャネルは、偏る可能性が小さい状態ですべての周波数の残響を少し強化し、すべてのチャネルの複合的な効果により、残響と音量が大幅に増大する。システムがすべての音源をほぼ同じように強化するために、マイクロフォンは、室内のすべての音源からの残響場に位置決めされる。しかしながら、非直列型システムは、一般に、６０〜１２０チャネルを必要とし、したがって高価であった。さらに、マイクロフォンは、すべての音源から離れているため、大きい初期反射を提供するのに直列型システムよりも適していない。
【００１０】
最近になって、マイクロフォンとスピーカの間に多重チャンネル残響装置を使用して、ループ利得を高くすることなく残響時間を長くする非直列型システムが開発された。これについては、米国特許第５，８６２，２３３号を参照されたい。このシステムによると、見かけの部屋の吸収を減少させ（ループ利得を高めることによって）、見かけの部屋の体積を大きくする（残響装置の残響時間を長くすることによって）ことができる。これについては、M. A. Polettiによる「The performance of a new assisted reverberation system」Acta Acustica、1994年12月2日、pp511〜524を参照されたい。一般に、残響装置を含む非直列型システムのマイクロフォンのいくつかを音源の近くに移動する複合的な室内強化システムを構成することができる。この場合、システムは、直列型システムと非直列型システムの両方の特性を示す。これについては、Acta Acustica vol.84、pp766〜775、1998年に記載されたM. A. Polettiによる「The analysis of a general assisted reverberation system」を参照されたい。
【００１１】
初期反射の強化に単独で使用されるとき、直列型システムは、初期反射をシミュレートするために有限数の遅延出力を提供する。しかしながら、中程度から高い利得で操作されると、システムが不安定になる可能性がある。これは、特に、いくつかの周波数でループ利得を高める新しい遅延／反射が追加される場合に起こり得る。
【００１２】
任意の音響システムにおいて、ステージからの直接音響音が、電気音響信号の前（またはそれと同時）にすべての聴衆に達することが重要である。これは、定位の感じ方が、耳に到達する最初の信号によって左右されるためである（後の信号が過度に大きくないという条件で）。したがって、直列型システムと非直列型システムの両方において、電気音響信号が適切に遅延されるように注意しなければならない。非直列型システムにおいて、これは、マイクロフォンをステージからの適切な距離に維持することによって達成することができる。直列型システムと非直列型システムに遅延を使用して、直接音が先行するのを回避することができる。したがって、マイクロフォンがステージ近くに移動される非直列型システムでは注意が必要である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
広義の１つの態様において、本発明は、
直接音を主に検出するように１つまたは複数の音源の近くに位置決めされた１つまたは複数のマイクロフォンと、
マイクロフォン信号のいくつかの遅延した複製を生成し、パワー利得１を有しそれによりシステムの安定性が遅延の時間と大きさに依存しない初期反射生成ステージと、
前記初期反射エネルギーを室内に放送するように配置されたいくつかのスピーカとを含む直列型初期反射生成システムを含む。
【００１４】
直列型初期反射生成ステージは、クロスカップリング・マトリクスの前または後にいくつかの遅延ラインを含むことができる。
【００１５】
本発明のシステムおよび方法は、デルタ立体音響のような個々の聴者位置の遅延時間を最適化したり、ＡＣＳシステムのように波面を生成したりしない。その代わりに、システムの安定性が最大になるように初期反射が生成される。これは、反射生成回路がユニタリ特性を有するようにすることによって達成される。
【００１６】
本発明のシステムおよび方法において、直列型反射生成システムにユニタリ回路の原理が適用される。任意の初期反射システムでは、室内の残響場を介してスピーカからマイクロフォンへの音の有限レベルの帰還がある。従来技術の初期反射システムおける複数の遅延および振幅加重による複数反射の生成は、そのシステムがない場合に見られるレベルの下と上両方のループ利得の変化を作り出すことによって不安定性の可能性を高める。
【００１７】
しかしながら、システムが、ユニタリの伝達関数マトリクスを有する場合、システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、音響システムの安定性は、初期反射システムの挿入により損なわれない。
【００１８】
初期反射システムを介した伝達関数マトリクスがＸ(f)であると仮定する。ユニタリ特性は、次のように表される。
【００１９】
XHX=I 式１
【００２０】
ここで、上付き文字Ｈは、行列の共役転置を示す。Ｘの各入力に、振幅Ａnと位相φnの単一周波数ｆ0が印加されると仮定する。入力信号ｓin(t)は、次のように記述することができる。
【００２１】
sin(t) = ej2s π f0t u 式２
【００２２】
ここで、ｕは、複素振幅ベクトルである。
【００２３】
u = [A1ej φ 1,A2ej φ 2,...,ANej φ N]T 式３
【００２４】
合計出力パワーは、Ｘがユニタリであるため、次のようになる。
【００２５】
yH(t)y(t) = uHXH(f0)X(f0)u = uHu 式４
【００２６】
したがって、ユニタリ・システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、帰還を含む多重チャンネルのシステムに挿入されたときに安定性に影響を及ぼさない。
【００２７】
米国特許第５，７２９，６１３号には、このユニタリ特性を有する多重チャネル残響装置が記載されている。この装置は、周波数で一定のパワー利得を維持しながら多重チャネルの残響を提供し、米国特許第５，８６２，２３３号に記載されたような残響時間強化のための非直列型システムにおける応用のために設計されている。この装置は、無限に長い減衰応答を生成する多重チャネルの内部帰還と、残響として感じるエコー密度の急激な増大を含む。
【００２８】
本発明において、ユニタリ特性を有する初期反射システムが開示される。そのようなシステムは、内部帰還を含まず無限の減衰応答を生成しない点で上記のユニタリ残響装置と区別される。その代わり、比較的少ない数の個別のエコーからなる有限応答を生成する。したがって、応答は、残響として感じられない。
【００２９】
本発明のユニタリ初期反射システムにおいて、反射システム内に繰り返しがないこと、すなわち遅延ラインの出力が遅延ラインの入力に帰還しないことに注意されたい。したがって、残響装置とは対照的に、残響システムの反応は有限であり、インパルスに対する応答は、エコーの短いバーストとなり、その後は静かなものとなる。また、エコーの密度は、残響装置のエコー密度に達することはない。一般に、本発明のシステムは、わずか８０ｍｓ程度の応答時間を有し、エコー密度は、残響装置のエコー密度に達することはない。
【００３０】
本発明は、例であり制限するものではない添付図面を参照して詳しく説明される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の初期反射システムの配置を示す。いくつかのマイクロフォンｍ1〜ｍNが、ステージ上の音源の近くに位置決めされる。マイクロフォン信号は、Ｎのマイクロフォン信号のいくつかの調整され遅延された複製を生成するプロセッサに送られ、プロセッサの出力は、室内に配置された増幅器およびスピーカＬ1〜ＬKに送られる。プロセッサの伝達関数マトリクスは、Ｘ(f)で示される。
【００３２】
マイクロフォンは、一般に指向性があり、すなわち軸上に配置された音源に敏感であり、軸の外に配置された音源（および反射および残響）を抑制する傾向がある。これは、直接音の収集を最大にし、スピーカからの帰還の可能性を小さくする。しかしながら、有限レベルの帰還が存在することもあり、システムのループ利得が高すぎる場合にシステムが不安定になる。スピーカからマイクロフォンまでの伝達関数マトリクスはＨ(f)であり、したがってループの伝達関数マトリクスは、Ｈ(f)Ｘ(f)である。Ｈ(f)Ｘ(f)の任意の固有関数の軌跡が点（１+j0）を囲む場合に、システムが不安定になる。
【００３３】
システムの安定性は、たとえば増幅器またはマイクロフォン前置増幅器の利得を低く維持してループ利得を低くすることによって維持することができる。しかしながら、増幅器の利得が所定の設定値の場合、システムの安定性は、プロセッサにおける特定の遅延時間と遅延レベルに依存する。したがって、増幅器の利得が設定された後は、システムの安定性を保証することができない。しかしながら、Ｘ(f)がユニタリ特性を有する場合は、そのパワー利得はすべての周波数で１である。その場合、安定性は、遅延の時間とレベルに依存しない。
【００３４】
本発明のユニタリ初期反射システムは、非クロスカップリング遅延ラインと正規直交クロスカップリング・マトリクスを使って構成することができる。図２に示したように、最も単純なＮのチャネル・システムは、Ｎ個のマイクロフォン信号とＮ個のスピーカに接続するＮ本の遅延ラインを含む。このシステムは、それぞれの入力に印加される信号の各出力に信号遅延を生成する。伝達関数マトリクスは、次の通りである。
【００３５】
【式１】
【００３６】
これは、クロスカップリングがないため、対角形式を有する。ＤHＤ＝Ｉであるためシステムはユニタリである。
【００３７】
図３は、本発明によるさらに複雑なシステムにおける正規直交クロスカップリング・マトリクスの使用法を示す。１つの入力に印加された信号がすべての遅延ラインに結合されるように、遅延ラインＴ1〜ＴNの前に正規直交マトリクスＭ1が配置され、その結果すべての出力に単一の調整され遅延された信号の複製が得られる。伝達関数マトリクスは次の通りである。
【００３８】
X=DM1 式６
【００３９】
このシステムは、Ｍ1とＤの両方がユニタリであるためユニタリであり、ユニタリ行列の積はユニタリである。
【００４０】
図４は、遅延ラインＴ1〜ＴNの前と後両方の正規直交マトリクス列Ｍ1とＭ2の使用法を示す。入力のうちの１つに印加された単一のインパルスは、Ｎすべての遅延ライン入力に印加され、時間τn後に遅延出力に現れる。次に、遅延されたＮ個のインパルスは、すべての出力にクロス結合される。したがって、１つの印加されたインパルスの各出力にＮの出力遅延が生成される。したがって、回路は、入力を拡散し、入力に最大数の出力を提供する特性を有する。回路のマトリクス伝達関数は、各セクションの伝達関数マトリクスの積である。
【００４１】
X=M2DM1 式７
【００４２】
図５は、図４の形態のカスケード接続された複数のシステムを示す。このシステムは、すべての出力に、１つの入力に印加された信号のＮ2の調整され遅延された複製を生成する。したがって、遅延密度は、遅延段の数とともに急激に増大する。
【００４３】
本発明の初期反射強化システムは、また、米国特許第５，８６２，２３３号に記載されたタイプの、全体の残響時間を制御する非直列型支援残響システムと組み合わせて、残響時間が室内のすべての音源位置でほとんど同じになるようにすることができる。そのようなシステムは、室内のほとんどの残響音を収集するように位置決めされた複数のマイクロフォンと、室内に音を放送する複数のスピーカと、密度が時間の経過と共に増大するいくつかのエコーからなるインパルス応答を有する残響装置を介して各マイクロフォンからの類似帯域幅の信号をスピーカに接続する残響マトリクスとを含む。残響マトリクスは、各マイクロフォンからの類似帯域幅の信号を１つまたは複数の残響装置を介して複数の個別のスピーカに接続することができ、それぞれ１つまたは複数の反射したマイクロフォン信号を含む信号を受け取る。図６は、広帯域のＮ個のマイクロフォンとＫ個のスピーカの非直列型システムを示す。各マイクロフォンｍ1、ｍ2およびｍ3は、劇場の残響音を収集する。各マイクロフォン信号は、Ｋ個の独立したパスに分割され、マイクロフォン信号のそれぞれの「コピー」が、残響装置を介して送られる（残響装置は一般に類似の残響時間を有するが、異なる残響時間を有することがある）。各マイクロフォン信号は、残響装置を介してＫ個のスピーカのそれぞれに接続され、各マイクロフォンからの１つの残響装置出力は、図示したように増幅器Ａ1〜Ａ3のそれぞれとスピーカＬ1〜Ｌ3に接続され、すなわち各マイクロフォンからの１つの残響装置信号は各スピーカに接続され、各スピーカには、残響装置を介して各マイクロフォンからの信号が接続される。マイクロフォンとスピーカの間には、合計Ｎ・Ｋ個の接続がある。図６においては、各マイクロフォン信号が、Ｋ個の残響装置を介してＫ個の別々のパスに分割され、その結果Ｋ個の増幅器とスピーカにＮ・Ｋ個の接続が生じているが、マイクロフォン信号は、Ｋ個未満のパスに分割され、Ｋ個未満の残響装置に結合され、すなわち各スピーカは、残響装置を介してそれぞれ少なくとも２つのマイクロフォンからの信号が接続され、合計数よりも少ないマイクロフォンとクロス結合されることがある。たとえば、図２のシステムでは、残響装置マトリクスは、マイクロフォンｍ1、ｍ2およびｍ3のそれぞれからの信号を分割して３つではなく２つの残響装置に送り、マイクロフォンｍ1からの残響装置出力は、スピーカＬ1およびＬ3に接続され、マイクロフォンｍ2からの残響装置出力は、スピーカＬ3およびＬ2に接続され、マイクロフォンｍ3からの残響装置出力は、スピーカＬ2およびＬ3に接続される。システムの性能は、ＮとＫの最小値によって決定され、したがって本発明のシステムは、Ｎ＝Ｋであることが好ましいことが分かる。図６においては、Ｌ1、Ｌ2およびＬ3で示された各スピーカは、事実上、劇場のまわりに配置された一群の複数のスピーカからなることがある。図６において、マイクロフォンからの信号は、残響装置の前に分割されているが、各マイクロフォンからの供給を各マイクロフォンにつき１つの残響装置に通し、次に反射したマイクロフォン信号をスピーカに分割することによっても同じシステムを実現することができる。
【００４４】
システムは、双方向音響結合なしに主劇場の回りの帰還ループに補助空間を入れることをシミュレートする。このシステムにより、見かけの部屋体積を変化させることによって定常状態の密度と関係なく室内の残響時間を制御することができる。
【００４５】
以上、本発明をその好ましい形態を含めて説明した。当業者に明らかな修正と改良は、本発明の意図の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の初期反射システムの配置を示す図である。
【図２】 初期反射生成ステージとしてユニタリ・チャネル遅延ラインシステムを示す図である。
【図３】 初期反射生成ステージとして、遅延ラインの前に正規直交マトリクスを含むユニタリ・クロスカップリングｎチャネル遅延システムを示す図である。
【図４】 初期反射生成ステージとして、遅延ラインの前と後両方に正規直交マトリクスを使用するユニタリ二重クロスカップリングｎチャネル遅延システムを示す図である。
【図５】 初期反射生成ステージとして、カスケード接続された正規直交マトリクスとそれぞれ２つのマトリクスの間に遅延ラインを有する二段のユニタリ２重クロスカップリングｎチャネル遅延システムを示す図である。
【図６】 本発明の直列型初期反射システムを組み合わせることができる部屋または劇場全体の残響時間を制御するための非直列型支援残響システムを示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、部屋または劇場の音響特性を高める直列型初期反射強化システムおよび方法を含む。
【０００２】
【従来の技術】
部屋の音響特性は、聴衆が感じる生演奏の質に大きく影響する。質の主観的印象に関連すると考えられるいくつかの部屋の特性がある。一番最初に測定されたパラメータは、残響時間であった。これは、すべての位置でほぼ同じ値を有する部屋全体の特性である。これは、部屋の容積と部屋表面の吸収率に左右され、また残響の質は、部屋の形によっても左右される。残響時間が長い部屋は、オペラやクラシック音楽などの演奏の楽しみを高める包み込まれる感じを提供することができる。しかしながら、同じ音響特性は、話し言葉の理解し易さを低下させることがあり、そのため講演には適していない。
【０００３】
応答の初期部分の特性と関係する透明性などの他のパラメータが明らかにされた。最近の劇場は、ステージから出る音に対する空間応答の初期部分を強化するために特別に配置された反射板を備えるように設計されている。
【０００４】
様々な演奏を最大限に楽しむためには、部屋の音響特性を意図した演奏と一致させなければならない。そのため、多くの部屋は、音響学的に調整できるように作成されている。残響時間を制御するために、たとえば移動可能なカーテンや回転可能なパネルなどの調整可能な吸収体が使用される。残響をより大きくする必要があるときは、主領域と結合することができる追加の音響空間が構築された。
【０００５】
部屋の音響特性を高めるために、電気音響システムが長年使用されてきた。最も簡単なシステムは、拡声システムや音響強化システムであり、ステージ上の演奏者によって生成された音が、近くのマイクロフォンによって検出され、その音が増幅され、１組または複数のスピーカから放送される。そのような装置の目的は、一般に、残響のない直接的な音を聴衆に放射し、部屋の影響を排除し透明性を高めることである。
【０００６】
最近になって、調整可能な室内音響特性を提供するためのより複雑な形態の音響システムが開発された。さらに、基本的な音響強化システムは、追加の音響反射を作成することができる遅延装置などの音響処理要素を導入することによって開発された。これについては、W. Anhertによる「Complex simulation of acoustic fields by the delta stereophony system (DDS)」J. Audio Eng:Soc、vol.35、no.9、pp643〜652、1987年9月と、米国特許第5,142,586号を参照されたい。Anhertにより説明されているデルタ立体音響システムは、正確な定位を維持するために、直接音よりも遅く到着するように調整された音響反射を提供する。聴者が所定位置にいる場合は、適切な遅延を選択して直接音よりも先行することを回避できるが、聴者の位置が異なる場合には、遅延を変化させなければならない。米国特許第５，１４２，５８６号に記載されたＡＣＳシステムは、波面を作成することによってすべての聴者の位置に適切な時間に反射を提供することを特許請求している。遅延は、ホイヘンスの原理を利用して選択され、積分方程式によるその数学的定量化は、A. J. Berknout、D. de VriesおよびP. Vogelによる「Acoustic control by wave field synthesis」J. Acoust Soc. Am.、vol.93、no.5、pp2764〜2778、1993年5月に記載されている。波面は、スピーカのアレイを使用して生成される。そのような電気音響システムは、受動的反射体を使用して達成するよりも制御が容易な初期反射応答を提供する。
【０００７】
また、ステージ上の音源のより長い残響時間を提供する残響装置が導入された。これについては、たとえば米国特許第５，１０９，４１９号を参照されたい。また、階上席の下のような強い反射と残響を提供するために、より多くのスピーカが利用された。また、マイクロフォンは、直接音を検出することを意図しながらうるさくならないように、演奏者から遠くに配置された。
【０００８】
以上考察したシステムは、ループ利得が高すぎる場合にスピーカからマイクロフォンへの帰還が偏りと不安定さを引き起こすことがあるため、そのような帰還が起こるのを防止している。このため、そのようなシステムは、一般に直列型(in-line)システムまたは非回生的(non-generative)システムと呼ばれることがある。このシステムは、マイクロフォンに近い（すなわち、ステージ上の）音源の残響を大きくすることができるが、室内の他の位置にある音源には効果は小さい。
【０００９】
第２のタイプの強化システムは、スピーカとマイクロフォンの間の帰還を利用して任意の音源位置で生じる残響を全体的に強化しようとする非直列型(non-in-line)システムまたは回生的(regenerative)システムである。これについては、A. Krokstadによる「Electroacoustic means of controlling auditorium acoustics」Applied Acoustics、vol.24、pp275〜288、1998年と、F. KawakamiとY. Shimizuによる「Active field control in auditoria」Applied Acoustics、vol.31、pp47〜75、1990年を参照されたい。自然な支援されていない残響時間は、すべての音源位置でほとんど同じなので、再生システムは、より自然な強化された残響を提供することができる。非直列型システムは、一般に、それぞれ低いループ利得を持つ多数の独立したマイクロフォン−増幅器−スピーカ・チャネルを使用する。各チャネルは、偏る可能性が小さい状態ですべての周波数の残響を少し強化し、すべてのチャネルの複合的な効果により、残響と音量が大幅に増大する。システムがすべての音源をほぼ同じように強化するために、マイクロフォンは、室内のすべての音源からの残響場に位置決めされる。しかしながら、非直列型システムは、一般に、６０〜１２０チャネルを必要とし、したがって高価であった。さらに、マイクロフォンは、すべての音源から離れているため、大きい初期反射を提供するのに直列型システムよりも適していない。
【００１０】
最近になって、マイクロフォンとスピーカの間に多重チャンネル残響装置を使用して、ループ利得を高くすることなく残響時間を長くする非直列型システムが開発された。これについては、米国特許第５，８６２，２３３号を参照されたい。このシステムによると、見かけの部屋の吸収を減少させ（ループ利得を高めることによって）、見かけの部屋の体積を大きくする（残響装置の残響時間を長くすることによって）ことができる。これについては、M. A. Polettiによる「The performance of a new assisted reverberation system」Acta Acustica、1994年12月2日、pp511〜524を参照されたい。一般に、残響装置を含む非直列型システムのマイクロフォンのいくつかを音源の近くに移動する複合的な室内強化システムを構成することができる。この場合、システムは、直列型システムと非直列型システムの両方の特性を示す。これについては、Acta Acustica vol.84、pp766〜775、1998年に記載されたM. A. Polettiによる「The analysis of a general assisted reverberation system」を参照されたい。
【００１１】
初期反射の強化に単独で使用されるとき、直列型システムは、初期反射をシミュレートするために有限数の遅延出力を提供する。しかしながら、中程度から高い利得で操作されると、システムが不安定になる可能性がある。これは、特に、いくつかの周波数でループ利得を高める新しい遅延／反射が追加される場合に起こり得る。
【００１２】
任意の音響システムにおいて、ステージからの直接音響音が、電気音響信号の前（またはそれと同時）にすべての聴衆に達することが重要である。これは、定位の感じ方が、耳に到達する最初の信号によって左右されるためである（後の信号が過度に大きくないという条件で）。したがって、直列型システムと非直列型システムの両方において、電気音響信号が適切に遅延されるように注意しなければならない。非直列型システムにおいて、これは、マイクロフォンをステージからの適切な距離に維持することによって達成することができる。直列型システムと非直列型システムに遅延を使用して、直接音が先行するのを回避することができる。したがって、マイクロフォンがステージ近くに移動される非直列型システムでは注意が必要である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
広義の１つの態様において、本発明は、
直接音を主に検出するように１つまたは複数の音源の近くに位置決めされた１つまたは複数のマイクロフォンと、
マイクロフォン信号のいくつかの遅延した複製を生成し、パワー利得１を有しそれによりシステムの安定性が遅延の時間と大きさに依存しない初期反射生成ステージと、
前記初期反射エネルギーを室内に放送するように配置されたいくつかのスピーカとを含む直列型初期反射生成システムを含む。
【００１４】
直列型初期反射生成ステージは、クロスカップリング・マトリクスの前または後にいくつかの遅延ラインを含むことができる。
【００１５】
本発明のシステムおよび方法は、デルタ立体音響のような個々の聴者位置の遅延時間を最適化したり、ＡＣＳシステムのように波面を生成したりしない。その代わりに、システムの安定性が最大になるように初期反射が生成される。これは、反射生成回路がユニタリ特性を有するようにすることによって達成される。
【００１６】
本発明のシステムおよび方法において、直列型反射生成システムにユニタリ回路の原理が適用される。任意の初期反射システムでは、室内の残響場を介してスピーカからマイクロフォンへの音の有限レベルの帰還がある。従来技術の初期反射システムおける複数の遅延および振幅加重による複数反射の生成は、そのシステムがない場合に見られるレベルの下と上両方のループ利得の変化を作り出すことによって不安定性の可能性を高める。
【００１７】
しかしながら、システムが、ユニタリの伝達関数マトリクスを有する場合、システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、音響システムの安定性は、初期反射システムの挿入により損なわれない。
【００１８】
初期反射システムを介した伝達関数マトリクスがＸ(f)であると仮定する。ユニタリ特性は、次のように表される。
【００１９】
XHX=I 式１
【００２０】
ここで、上付き文字Ｈは、行列の共役転置を示す。Ｘの各入力に、振幅Ａnと位相φnの単一周波数ｆ0が印加されると仮定する。入力信号ｓin(t)は、次のように記述することができる。
【００２１】
sin(t) = ej2s π f0t u 式２
【００２２】
ここで、ｕは、複素振幅ベクトルである。
【００２３】
u = [A1ej φ 1,A2ej φ 2,...,ANej φ N]T 式３
【００２４】
合計出力パワーは、Ｘがユニタリであるため、次のようになる。
【００２５】
yH(t)y(t) = uHXH(f0)X(f0)u = uHu 式４
【００２６】
したがって、ユニタリ・システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、帰還を含む多重チャンネルのシステムに挿入されたときに安定性に影響を及ぼさない。
【００２７】
米国特許第５，７２９，６１３号には、このユニタリ特性を有する多重チャネル残響装置が記載されている。この装置は、周波数で一定のパワー利得を維持しながら多重チャネルの残響を提供し、米国特許第５，８６２，２３３号に記載されたような残響時間強化のための非直列型システムにおける応用のために設計されている。この装置は、無限に長い減衰応答を生成する多重チャネルの内部帰還と、残響として感じるエコー密度の急激な増大を含む。
【００２８】
本発明において、ユニタリ特性を有する初期反射システムが開示される。そのようなシステムは、内部帰還を含まず無限の減衰応答を生成しない点で上記のユニタリ残響装置と区別される。その代わり、比較的少ない数の個別のエコーからなる有限応答を生成する。したがって、応答は、残響として感じられない。
【００２９】
本発明のユニタリ初期反射システムにおいて、反射システム内に繰り返しがないこと、すなわち遅延ラインの出力が遅延ラインの入力に帰還しないことに注意されたい。したがって、残響装置とは対照的に、残響システムの反応は有限であり、インパルスに対する応答は、エコーの短いバーストとなり、その後は静かなものとなる。また、エコーの密度は、残響装置のエコー密度に達することはない。一般に、本発明のシステムは、わずか８０ｍｓ程度の応答時間を有し、エコー密度は、残響装置のエコー密度に達することはない。
【００３０】
本発明は、例であり制限するものではない添付図面を参照して詳しく説明される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の初期反射システムの配置を示す。いくつかのマイクロフォンｍ1〜ｍNが、ステージ上の音源の近くに位置決めされる。マイクロフォン信号は、Ｎのマイクロフォン信号のいくつかの調整され遅延された複製を生成するプロセッサに送られ、プロセッサの出力は、室内に配置された増幅器およびスピーカＬ1〜ＬKに送られる。プロセッサの伝達関数マトリクスは、Ｘ(f)で示される。
【００３２】
マイクロフォンは、一般に指向性があり、すなわち軸上に配置された音源に敏感であり、軸の外に配置された音源（および反射および残響）を抑制する傾向がある。これは、直接音の収集を最大にし、スピーカからの帰還の可能性を小さくする。しかしながら、有限レベルの帰還が存在することもあり、システムのループ利得が高すぎる場合にシステムが不安定になる。スピーカからマイクロフォンまでの伝達関数マトリクスはＨ(f)であり、したがってループの伝達関数マトリクスは、Ｈ(f)Ｘ(f)である。Ｈ(f)Ｘ(f)の任意の固有関数の軌跡が点（１+j0）を囲む場合に、システムが不安定になる。
【００３３】
システムの安定性は、たとえば増幅器またはマイクロフォン前置増幅器の利得を低く維持してループ利得を低くすることによって維持することができる。しかしながら、増幅器の利得が所定の設定値の場合、システムの安定性は、プロセッサにおける特定の遅延時間と遅延レベルに依存する。したがって、増幅器の利得が設定された後は、システムの安定性を保証することができない。しかしながら、Ｘ(f)がユニタリ特性を有する場合は、そのパワー利得はすべての周波数で１である。その場合、安定性は、遅延の時間とレベルに依存しない。
【００３４】
本発明のユニタリ初期反射システムは、非クロスカップリング遅延ラインと正規直交クロスカップリング・マトリクスを使って構成することができる。図２に示したように、最も単純なＮのチャネル・システムは、Ｎ個のマイクロフォン信号とＮ個のスピーカに接続するＮ本の遅延ラインを含む。このシステムは、それぞれの入力に印加される信号の各出力に信号遅延を生成する。伝達関数マトリクスは、次の通りである。
【００３５】
【式１】
これは、クロスカップリングがないため、対角形式を有する。ＤHＤ＝Ｉであるためシステムはユニタリである。
【００３７】
図３は、本発明によるさらに複雑なシステムにおける正規直交クロスカップリング・マトリクスの使用法を示す。１つの入力に印加された信号がすべての遅延ラインに結合されるように、遅延ラインＴ1〜ＴNの前に正規直交マトリクスＭ1が配置され、その結果すべての出力に単一の調整され遅延された信号の複製が得られる。伝達関数マトリクスは次の通りである。
【００３８】
X=DM1 式６
【００３９】
このシステムは、Ｍ1とＤの両方がユニタリであるためユニタリであり、ユニタリ行列の積はユニタリである。
【００４０】
図４は、遅延ラインＴ1〜ＴNの前と後両方の正規直交マトリクス列Ｍ1とＭ2の使用法を示す。入力のうちの１つに印加された単一のインパルスは、Ｎすべての遅延ライン入力に印加され、時間τn後に遅延出力に現れる。次に、遅延されたＮ個のインパルスは、すべての出力にクロス結合される。したがって、１つの印加されたインパルスの各出力にＮの出力遅延が生成される。したがって、回路は、入力を拡散し、入力に最大数の出力を提供する特性を有する。回路のマトリクス伝達関数は、各セクションの伝達関数マトリクスの積である。
【００４１】
X=M2DM1 式７
【００４２】
図５は、図４の形態のカスケード接続された複数のシステムを示す。このシステムは、すべての出力に、１つの入力に印加された信号のＮ2の調整され遅延された複製を生成する。したがって、遅延密度は、遅延段の数とともに急激に増大する。
【００４３】
本発明の初期反射強化システムは、また、米国特許第５，８６２，２３３号に記載されたタイプの、全体の残響時間を制御する非直列型支援残響システムと組み合わせて、残響時間が室内のすべての音源位置でほとんど同じになるようにすることができる。そのようなシステムは、室内のほとんどの残響音を収集するように位置決めされた複数のマイクロフォンと、室内に音を放送する複数のスピーカと、密度が時間の経過と共に増大するいくつかのエコーからなるインパルス応答を有する残響装置を介して各マイクロフォンからの類似帯域幅の信号をスピーカに接続する残響マトリクスとを含む。残響マトリクスは、各マイクロフォンからの類似帯域幅の信号を１つまたは複数の残響装置を介して複数の個別のスピーカに接続することができ、それぞれ１つまたは複数の反射したマイクロフォン信号を含む信号を受け取る。図６は、広帯域のＮ個のマイクロフォンとＫ個のスピーカの非直列型システムを示す。各マイクロフォンｍ1、ｍ2およびｍ3は、劇場の残響音を収集する。各マイクロフォン信号は、Ｋ個の独立したパスに分割され、マイクロフォン信号のそれぞれの「コピー」が、残響装置を介して送られる（残響装置は一般に類似の残響時間を有するが、異なる残響時間を有することがある）。各マイクロフォン信号は、残響装置を介してＫ個のスピーカのそれぞれに接続され、各マイクロフォンからの１つの残響装置出力は、図示したように増幅器Ａ1〜Ａ3のそれぞれとスピーカＬ1〜Ｌ3に接続され、すなわち各マイクロフォンからの１つの残響装置信号は各スピーカに接続され、各スピーカには、残響装置を介して各マイクロフォンからの信号が接続される。マイクロフォンとスピーカの間には、合計Ｎ・Ｋ個の接続がある。図６においては、各マイクロフォン信号が、Ｋ個の残響装置を介してＫ個の別々のパスに分割され、その結果Ｋ個の増幅器とスピーカにＮ・Ｋ個の接続が生じているが、マイクロフォン信号は、Ｋ個未満のパスに分割され、Ｋ個未満の残響装置に結合され、すなわち各スピーカは、残響装置を介してそれぞれ少なくとも２つのマイクロフォンからの信号が接続され、合計数よりも少ないマイクロフォンとクロス結合されることがある。たとえば、図２のシステムでは、残響装置マトリクスは、マイクロフォンｍ1、ｍ2およびｍ3のそれぞれからの信号を分割して３つではなく２つの残響装置に送り、マイクロフォンｍ1からの残響装置出力は、スピーカＬ1およびＬ3に接続され、マイクロフォンｍ2からの残響装置出力は、スピーカＬ3およびＬ2に接続され、マイクロフォンｍ3からの残響装置出力は、スピーカＬ2およびＬ3に接続される。システムの性能は、ＮとＫの最小値によって決定され、したがって本発明のシステムは、Ｎ＝Ｋであることが好ましいことが分かる。図６においては、Ｌ1、Ｌ2およびＬ3で示された各スピーカは、事実上、劇場のまわりに配置された一群の複数のスピーカからなることがある。図６において、マイクロフォンからの信号は、残響装置の前に分割されているが、各マイクロフォンからの供給を各マイクロフォンにつき１つの残響装置に通し、次に反射したマイクロフォン信号をスピーカに分割することによっても同じシステムを実現することができる。
【００４４】
システムは、双方向音響結合なしに主劇場の回りの帰還ループに補助空間を入れることをシミュレートする。このシステムにより、見かけの部屋体積を変化させることによって定常状態の密度と関係なく室内の残響時間を制御することができる。
【００４５】
以上、本発明をその好ましい形態を含めて説明した。当業者に明らかな修正と改良は、本発明の意図の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の初期反射システムの配置を示す図である。
【図２】 初期反射生成ステージとしてユニタリ・チャネル遅延ラインシステムを示す図である。
【図３】 初期反射生成ステージとして、遅延ラインの前に正規直交マトリクスを含むユニタリ・クロスカップリングｎチャネル遅延システムを示す図である。
【図４】 初期反射生成ステージとして、遅延ラインの前と後両方に正規直交マトリクスを使用するユニタリ二重クロスカップリングｎチャネル遅延システムを示す図である。
【図５】 初期反射生成ステージとして、カスケード接続された正規直交マトリクスとそれぞれ２つのマトリクスの間に遅延ラインを有する二段のユニタリ２重クロスカップリングｎチャネル遅延システムを示す図である。
【図６】 本発明の直列型初期反射システムを組み合わせることができる部屋または劇場全体の残響時間を制御するための非直列型支援残響システムを示す図である。
Claims (12)
- スピーカからマイクロフォンへの帰還を防止した直列型として、初期反射を強化することで音響特性を高める直列型初期反射強化システムであって、
室内または他の場所における直接音を主に検出するために１つまたは複数の音源の近くに位置決めされた１つまたは複数のマイクロフォンからの入力信号を受信する複数の入力部と、正規直交マトリクスである少なくとも１つのクロスカップリング・マトリクスを有し、入力信号のいくつかの遅延した複製を生成する初期反射生成ステージと、室内または他の場所に放送するように配置されたいくつかのスピーカに入力信号の遅延した複製を出力する出力部とを含んでおり、
初期反射生成ステージがユニタリの伝達関数マトリクスを有することにより、システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、マイクロフォンからの複数の入力信号のいくつかの遅延した複製に関してのシステムの安定性が初期反射生成ステージにおける遅延の時間と大きさに依存しないことを特徴とする直列型初期反射強化システム。 - 初期反射生成ステージが、２つのマトリクスの間に位置決めされた１組の遅延ラインを備えた直列接続の複数のクロスカップリング・マトリクスを含む請求項１に記載の直列型初期反射強化システム。
- 前記クロスカップリング・マトリクスが、正規直交マトリクスである請求項１に記載の直列型初期反射システム。
- 見かけの部屋の体積を大きくする広帯域非直列型支援残響システムと組み合わされ、音を室内に放送する複数のスピーカと、各マイクロフォンからの類似帯域幅信号を、密度が時間の経過と共に増大するいくつかのエコーからなるインパルス応答を有する１つまたは複数の残響装置を介して１つまたは複数のスピーカに接続する残響マトリクスとを含む請求項１から３のいずれかに記載の直列型初期反射強化システム。
- 前記広帯域非直列型支援残響システムにおいて、残響マトリクスが、各マイクロフォンからの類似帯域信号を、１つまたは複数の残響装置を介して、少なくとも２つの反射マイクロフォン信号の和を含む信号を受け取る少なくとも２つのスピーカに接続する請求項４に記載の直列型初期反射強化システム。
- １つまたは複数のマイクロフォンと、初期反射生成ステージと、部屋または劇場に放送するように配置されたいくつかのスピーカとを含み、スピーカからマイクロフォンへの帰還を防止した直列型の音響システムにおいて、その初期反射を強化することで音響特性を高める方法であって、
１つまたは複数の音源の近くに位置決めされた１つまたは複数のマイクロフォンにより主に直接音を検出して複数の入力信号を生成する段階と、正規直交マトリクスである少なくとも１つのクロスカップリングマトリックスを有する初期反射生成ステージにおいて、入力信号のいくつかの遅延した複製を生成する段階と、入力信号の遅延した複製を室内に放送するために、いくつかのスピーカに入力信号の遅延した複製を出力する段階とを含んでおり、
初期反射生成ステージがユニタリの伝達関数マトリクスを有することにより、システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、マイクロフォンからの複数の入力信号のいくつかの遅延した複製に関してのシステムの安定性が初期反射生成ステージにおける遅延の時間と大きさに依存しないことを特徴とする部屋または劇場の音響特性を高める方法。 - 初期反射生成ステージが、２つのマトリクス間に位置する１組の遅延ラインを有する直列接続の複数のクロスカップリング・マトリクスを含む請求項６に記載の方法。
- 前記クロスカップリング・マトリクスが、正規直交マトリクスである請求項７に記載の方法。
- スピーカからマイクロフォンへの帰還を防止した直列型として、初期反射を強化することで音響特性を高める直列型初期反射強化システムであって、
室内または他の場所における直接音を主に検出するために１つまたは複数の音源の近くに位置決めされた１つまたは複数のマイクロフォンからの入力信号を受信する複数の入力 部と、２つのマトリクス間に位置する１組の遅延ラインを有する直列接続の複数の正規直交マトリクスであるクロスカップリング・マトリクスを有し、入力信号のいくつかの遅延した複製を生成する初期反射生成ステージと、室内または他の場所に放送するように配置されたいくつかのスピーカに入力信号の遅延した複製を出力する出力部とを含んでおり、
初期反射生成ステージがユニタリの伝達関数マトリクスを有することにより、システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、マイクロフォンからの複数の入力信号のいくつかの遅延した複製に関してのシステムの安定性が初期反射生成ステージにおける遅延の時間と大きさに依存しないことを特徴とする直列型初期反射強化システム。 - 見かけの部屋の体積を大きくする広帯域非直列型支援残響システムと組み合わされ、音を室内に放送する複数のスピーカと、各マイクロフォンからの類似帯域幅信号を、密度が時間の経過と共に増大するいくつかのエコーからなるインパルス応答を有する１つまたは複数の残響装置を介して１つまたは複数のスピーカに接続する残響マトリクスとを含む請求項９に記載の直列型初期反射強化システム。
- 前記広帯域非直列型支援残響システムにおいて、残響マトリクスが、各マイクロフォンからの類似帯域信号を、１つまたは複数の残響装置を介して、少なくとも２つの反射マイクロフォン信号の和を含む信号を受け取る少なくとも２つのスピーカに接続する請求項１０に記載の直列型初期反射強化システム。
- １つまたは複数のマイクロフォンと、初期反射生成ステージと、部屋または劇場に放送するように配置されたいくつかのスピーカとを含み、スピーカからマイクロフォンへの帰還を防止した直列型の音響システムにおいて、その初期反射を強化することで音響特性を高める方法であって、
１つまたは複数の音源の近くに位置決めされた１つまたは複数のマイクロフォンにより主に直接音を検出して複数の入力信号を生成する段階と、２つのマトリクス間に位置する１組の遅延ラインを有する直列接続の複数の正規直交マトリクスであるクロスカップリング・マトリクスを有する初期反射生成ステージにおいて、入力信号のいくつかの遅延した複製を生成する段階と、入力信号の遅延した複製を室内に放送するために、いくつかのスピーカに入力信号の遅延した複製を出力する段階とを含んでおり、
初期反射生成ステージがユニタリの伝達関数マトリクスを有することにより、システムのパワー利得は、すべての周波数で１であり、マイクロフォンからの複数の入力信号のいくつかの遅延した複製に関してのシステムの安定性が初期反射生成ステージにおける遅延の時間と大きさに依存しないことを特徴とする部屋または劇場の音響特性を高める方法。
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