JP4292327B2 - Speaker array and microphone array - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a speaker array and a microphone array for improving directivity in the low-pitched sound zone of a speaker array or a microphone array without lengthening array length, and for preventing the increase of the level of a side-lobe. <P>SOLUTION: Filter coefficients set in one-dimensional digital filters connected to each of a plurality of speakers forming a speaker array give amplitude characteristics to a two-dimensional digital filter such that when the frequency characteristics of a two-dimensional digital filter formed of one-dimensional digital filters is represented by a two-dimensional frequency plane, a plurality of ripples are provided in a stop band in a cross-section in the spatial frequency direction and also the amplitude of ripples in a non-physical area out of a plurality of ripples is larger than the amplitude of ripples in a physical area. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、スピーカアレイおよびマイクロホンアレイの指向性を向上させる技術に関し、特に、低音域における指向性を向上させる技術に関する。   The present invention relates to a technique for improving the directivity of a speaker array and a microphone array, and more particularly to a technique for improving the directivity in a low sound range.

スピーカやマイクロホンなどのトランスデューサを所定の間隔で直線状に複数配列して形成されるスピーカアレイやマイクロホンアレイを用いて特定の方向だけに音場を形成したり、特定の方向から到来する音声のみを収音したりする技術が一般に普及している。
ところで、この種のスピーカアレイやマイクロホンアレイにおいては、高音域から低音域までの広い帯域に渡って同一の指向特性を実現できることが望ましい。しかしながら、低音域の指向特性は、スピーカアレイやマイクロホンアレイのアレイ長(トランスデューサの個数にそのトランスデューサの配置間隔を乗算して得られる値)が大きい程向上するため(非特許文献1参照)、低音域で十分な指向性を確保するためにはスピーカアレイやマイクロホンアレイの装置サイズが大きくなってしまうといった問題点があった。
そこで、上記のような問題点を解決するための技術が従来より種々提案されており、その一例としては、非特許文献2に開示された技術が挙げられる。この非特許文献2には、スピーカアレイやマイクロホンアレイを構成する各トランスデューサに接続されているデジタルフィルタの振幅特性について、2次元周波数平面での空間周波数方向の断面が阻止域等リプル特性であるDolph-Chebyshevフィルタの振幅特性(または、その近似特性)となるように各デジタルフィルタのフィルタ係数を設定することによって、同一の指向特性を与え得る帯域を低音域側に拡張する技術が開示されている。
大賀寿郎、山崎芳男、金田豊“音響システムとデジタル信号処理”電子情報通信学会 1993−05 p176〜186 松本康志、西川清“一定サイドローブ量の指向性アレイスピーカの設計方法”電子情報通信学会 信学技報 2004−74 p13〜18
A sound field is formed only in a specific direction by using a speaker array or microphone array formed by arranging a plurality of transducers such as speakers and microphones linearly at a predetermined interval, or only sound coming from a specific direction is received. Techniques for picking up sound are widely used.
By the way, in this kind of speaker array or microphone array, it is desirable that the same directivity characteristic can be realized over a wide band from a high sound range to a low sound range. However, the directivity characteristics in the low sound range improve as the array length of the speaker array or microphone array (the value obtained by multiplying the number of transducers by the arrangement interval of the transducers) increases (see Non-Patent Document 1). In order to ensure sufficient directivity in the sound range, there has been a problem that the apparatus size of the speaker array and microphone array becomes large.
Thus, various techniques for solving the above-described problems have been proposed in the past, and an example thereof is the technique disclosed in Non-Patent Document 2. This Non-Patent Document 2 describes a Dolph whose cross section in the spatial frequency direction in the two-dimensional frequency plane has a ripple characteristic such as a stop band in the amplitude characteristics of a digital filter connected to each transducer constituting a speaker array or a microphone array. -A technology that expands the band that can give the same directivity to the low frequency range by setting the filter coefficient of each digital filter so that it becomes the amplitude characteristic (or its approximate characteristic) of the Chebyshev filter .
Toshiro Oga, Yoshio Yamazaki, Yutaka Kaneda “Acoustic System and Digital Signal Processing” The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 1993-05 p176-186 Matsumoto Yasushi, Nishikawa Kiyoshi "Design Method of Directional Array Speaker with Constant Sidelobe Amount" IEICE Technical Report 2004-74 p13-18

しかしながら、阻止域等リプル特性のリプルは、非物理領域(2次元周波数平面において、|f|>ρ|f|の領域。ただし、ρ=D/cT、T:サンプリング間隔、D:スピーカ間隔、c:音速、f:規格化時間周波数、f:規格化空間周波数)以外の領域にも通常存在するため、低音域における指向性を向上させるために阻止域等リプルに大きな振幅を与えてしまうと、本来不要な指向特性であるサイドローブの振幅レベルが増大してしまうといった問題点があった。
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブの振幅レベルの増大を回避することを可能にする技術を提供することを目的としている。
However, the ripple with the ripple characteristic such as the stop band is a non-physical region (region of | f 2 |> ρ | f 1 | in the two-dimensional frequency plane. However, ρ = D / cT, T: sampling interval, D: speaker Since there is usually also an area other than the interval, c: sound speed, f 1 : normalized time frequency, f 2 : normalized spatial frequency), a large amplitude is generated in the ripple such as the stop area in order to improve directivity in the low sound range. If given, there is a problem that the amplitude level of the side lobe, which is a directional characteristic that is originally unnecessary, increases.
The present invention has been made in view of the above problems, and improves the directivity of the speaker array and microphone array in the low frequency range without increasing the array length and avoids an increase in the amplitude level of the side lobe. The aim is to provide technology that makes it possible.

上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する1次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声信号にデジタル変換を施して得られる音声データを前記各1次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各1次元デジタルフィルタから出力された音声データにアナログ変換を施して得られる音声信号を、対応する前記スピーカへ供給しその音声信号に応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、前記各1次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、前記各1次元デジタルフィルタにより形成される2次元デジタルフィルタの周波数特性を2次元周波数平面で表した場合に、その空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっている振幅特性を前記2次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数であることを特徴とするスピーカアレイを提供する。   In order to solve the above problems, the present invention is provided with a plurality of speakers arranged linearly at a predetermined interval, and corresponding to each of the plurality of speakers, and a predetermined filter coefficient is preset. And a one-dimensional digital filter that performs a filtering process on the input voice data according to the filter coefficient and outputs the same. The voice data obtained by digitally converting the input voice signal A speaker array for supplying audio signals obtained by subjecting audio data output from each one-dimensional digital filter to analog conversion to the corresponding speakers while supplying the digital filters, and outputting audio corresponding to the audio signals The filter coefficients set in the respective one-dimensional digital filters are formed by the respective one-dimensional digital filters. When the frequency characteristics of the two-dimensional digital filter to be expressed are expressed in a two-dimensional frequency plane, the cross section in the spatial frequency direction has a plurality of ripples in the stop band, and within the non-physical region of the plurality of ripples There is provided a loudspeaker array characterized by a filter coefficient that gives the two-dimensional digital filter an amplitude characteristic in which the amplitude of the ripple is larger than the amplitude of the ripple in the physical region.

また、上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する1次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声信号にデジタル変換を施して得られる音声データを対応する前記1次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各1次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、前記各1次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、前記各1次元デジタルフィルタにより形成される2次元デジタルフィルタの周波数特性を2次元周波数平面で表した場合に、その空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっている振幅特性を前記2次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数であることを特徴とするマイクロホンアレイを提供する。   In order to solve the above-described problem, the present invention provides a plurality of microphones arranged linearly at a predetermined interval and each of the plurality of microphones, and a predetermined filter coefficient is set in advance. And a one-dimensional digital filter that performs output processing on the input audio data according to the filter coefficient, and performs digital conversion on the audio signal output from each of the plurality of microphones. In the microphone array that supplies the obtained audio data to the corresponding one-dimensional digital filter and outputs the sum signal of the audio data output from each one-dimensional digital filter, the microphone data is set to each one-dimensional digital filter. The filter coefficient is the value of the two-dimensional digital filter formed by each one-dimensional digital filter. When the wave number characteristic is represented by a two-dimensional frequency plane, the cross section in the spatial frequency direction has a plurality of ripples in the stop band, and the amplitude of the ripples in the non-physical region among the plurality of ripples is the physical region There is provided a microphone array characterized in that it is a filter coefficient that gives the two-dimensional digital filter an amplitude characteristic that is larger than the amplitude of the ripples therein.

本発明によれば、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になるといった効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to improve the directivity in the low sound range of the speaker array and the microphone array without increasing the array length, and to avoid an increase in the level of the side lobe.

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施する際の最良の形態について説明する。
(A.第1実施形態)
(A−1:構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係るスピーカアレイ100の構成例を示すブロック図である。図1に示すように、このスピーカアレイ100は、所定の間隔(本実施形態では、一定の間隔D)で直線状に配列されたトランスデューサ(本実施形態では、スピーカ)110−1、110−2…110−nと、それらスピーカと同数の1次元デジタルフィルタ120−1、120−2…120−nと、を有している。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(A. First embodiment)
(A-1: Configuration)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a speaker array 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the speaker array 100 includes transducers (speakers in this embodiment) 110-1 and 110-2 that are linearly arranged at predetermined intervals (in this embodiment, a constant interval D). ... 110-n and the same number of one-dimensional digital filters 120-1, 120-2 ... 120-n as the speakers.

図1のスピーカアレイ100においては、外部音源(図示省略)から供給される音声信号(アナログ信号)は、A/D変換器(図示省略)によってデジタルデータ(以下、音声データ)に変換され、その音声データが1次元デジタルフィルタ120−i(i:1〜nの自然数:以下、同じ)の各々へ供給される。
図1の1次元デジタルフィルタ120−iの各々には、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数が予め設定されている。これら1次元デジタルフィルタ120−iの各々は、上記A/D変換器から引渡された音声データにそのフィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する。
そして、1次元デジタルフィルタ120−iの各々から出力された音声データは、D/A変換器(図示省略)によって音声信号へと変換され、その1次元デジタルフィルタ120−iに対応するスピーカ110−iへ供給される。その結果、スピーカ110−iの各々からは、上記D/A変換器から供給された音声信号に対応する音声が放音されることになる。
以上がスピーカアレイ100の構成である。
In the speaker array 100 of FIG. 1, an audio signal (analog signal) supplied from an external sound source (not shown) is converted into digital data (hereinafter referred to as audio data) by an A / D converter (not shown). Audio data is supplied to each of the one-dimensional digital filters 120-i (i: natural numbers of 1 to n: the same applies hereinafter).
In each of the one-dimensional digital filters 120-i in FIG. 1, filter coefficients characteristic of the speaker array according to the present invention are set in advance. Each of these one-dimensional digital filters 120-i performs a filtering process corresponding to the filter coefficient on the audio data delivered from the A / D converter and outputs the result.
The audio data output from each one-dimensional digital filter 120-i is converted into an audio signal by a D / A converter (not shown), and the speaker 110- corresponding to the one-dimensional digital filter 120-i. i. As a result, a sound corresponding to the sound signal supplied from the D / A converter is emitted from each of the speakers 110-i.
The above is the configuration of the speaker array 100.

以上に説明したように、本実施形態に係るスピーカアレイ100のハードウェア構成は、従来のスピーカアレイのハードウェア構成と何ら変わるところはない。しかしながら、本実施形態に係るスピーカアレイ100においては、1次元デジタルフィルタ120−iの各々に、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数が予め設定されているため、それら1次元デジタルフィルタにより形成される2次元デジタルフィルタに本発明に係るスピーカアレイに特徴的な振幅特性が付与され、その振幅特性によって、本発明に係るスピーカアレイに特徴的な指向特性が実現されるようになっている。
以下、上記1次元デジタルフィルタ120−iにより形成される2次元デジタルフィルタの振幅特性およびその振幅特性により実現される指向特性について図面を参照しつつ説明する。なお、以下では、スピーカ110−iの各々は理想的な特性(すなわち、その指向特性が出力音声の周波数に依存しないといった特性)を有しているものとする。また、以下では、スピーカの配置間隔D=0.068[m]、サンプリング周波数f=6087[Hz]、FIRタップ数=61、n(スピーカの個数)=15であるものとする。
As described above, the hardware configuration of the speaker array 100 according to the present embodiment is not different from the hardware configuration of the conventional speaker array. However, in the speaker array 100 according to the present embodiment, filter coefficients characteristic of the speaker array according to the present invention are preset in each of the one-dimensional digital filters 120-i. A characteristic amplitude characteristic of the speaker array according to the present invention is given to the formed two-dimensional digital filter, and a characteristic directivity characteristic of the speaker array according to the present invention is realized by the amplitude characteristic. .
Hereinafter, the amplitude characteristic of the two-dimensional digital filter formed by the one-dimensional digital filter 120-i and the directivity characteristic realized by the amplitude characteristic will be described with reference to the drawings. In the following, it is assumed that each of the speakers 110-i has an ideal characteristic (that is, a characteristic that the directivity characteristic does not depend on the frequency of the output sound). In the following, it is assumed that the speaker arrangement interval D = 0.068 [m], the sampling frequency f s = 6087 [Hz], the number of FIR taps = 61, and n (the number of speakers) = 15.

(A−2:2次元デジタルフィルタの振幅特性および指向特性)
図2から図6は、スピーカアレイ100の2次元デジタルフィルタの振幅特性およびその振幅特性により実現される指向特性を表す図である。
図2は、1次元デジタルフィルタ120−iにより形成される2次元デジタルフィルタの振幅特性を2次元周波数平面で示した図であり、図3は、図2に示す振幅特性の一部(具体的には、規格化時間周波数fが0〜0.5の範囲で、かつ、規格化空間周波数fが0〜0.5の範囲)を等振幅特性図で表した図である。なお、規格化時間周波数とは、時間周波数を時間サンプリング間隔の逆数で規格化して得られる値であり、規格化空間周波数とは、空間周波数をスピーカの配置間隔Dの逆数で規格化して得られる値である。
図2および図3を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ100では、阻止域の規格化時間周波数fが低い領域(例えば、fが0〜0.1である領域)に複数のリプルが設けられているとともに、その複数のリプルのうち非物理領域内のリプルには、大きな振幅(本実施形態では、“1”)が与えられており、物理領域内のリプルについては、その振幅が非物理領域内のリプルよりも低く抑えられている。なお、図2および図3を参照すれば明らかなように、非物理領域内のリプルについては振幅が略等しい等リプルであるため、図2および図3に示す振幅特性を阻止域2段等リプル特性と呼ぶ。
(A-2: Amplitude characteristics and directivity characteristics of a two-dimensional digital filter)
2 to 6 are diagrams showing the amplitude characteristics of the two-dimensional digital filter of the speaker array 100 and the directivity characteristics realized by the amplitude characteristics.
FIG. 2 is a diagram showing the amplitude characteristics of the two-dimensional digital filter formed by the one-dimensional digital filter 120-i on a two-dimensional frequency plane. FIG. 3 shows a part of the amplitude characteristics shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing an equiamplitude characteristic diagram in which the normalized time frequency f 1 is in the range of 0 to 0.5 and the normalized spatial frequency f 2 is in the range of 0 to 0.5. The normalized time frequency is a value obtained by normalizing the time frequency by the reciprocal of the time sampling interval, and the normalized spatial frequency is obtained by normalizing the spatial frequency by the reciprocal of the speaker arrangement interval D. Value.
As is apparent from reference to FIGS. 2 and 3, in the speaker array 100 according to the present embodiment, the normalized time-frequency f 1 is lower region of the stop band (e.g., f 1 is 0 to 0.1 area ) Is provided with a plurality of ripples, and a ripple in the non-physical area among the plurality of ripples is given a large amplitude (in this embodiment, “1”). Is suppressed to be lower than the ripple in the non-physical region. As is clear from FIG. 2 and FIG. 3, since ripples in the non-physical region are equal ripples having substantially the same amplitude, the amplitude characteristics shown in FIG. 2 and FIG. Called a characteristic.

図4は、図2に示す振幅特性を、各スピーカ110−iとスピーカアレイ100から出力される音声の観測点とを含む平面内でスピーカ110−iの配列方向と直角方向を0度とした場合にスピーカ配列の中央から見た観測点の方向の角度(図1の角度φ)についての周波数特性として示した図である。なお、図4では、φ=0°、24°、40°、70°および90°についての周波数特性が示されている。
図4を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ100から出力される音響ビームの振幅レベルは、その周波数が一定の値よりも高い場合には、φ=24°の方向については、φ=0°方向に比較して振幅レベルが約6[dB]低下し、φ=40°、70°および90°方向については、φ=0°方向に比較して振幅レベルが約20[dB]低下していることが判る。
図5は、図2に示す振幅特性を、いくつかの周波数(202.10742Hz、404.21484Hz、499.32422Hz、998.64844Hz、1997.2969Hzおよび2995.9453Hz)での指向特性として示した図である。
図4および図5を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ100によれば、一定の値以上の周波数について、音響ビームの主ローブ幅を一定に保ちつつ、サイドローブのレベルを略一定(この場合−20dB)に保つことが可能になっていることが判る。
FIG. 4 shows the amplitude characteristics shown in FIG. 2 in the plane including each speaker 110-i and the observation point of the sound output from the speaker array 100, and the direction perpendicular to the arrangement direction of the speakers 110-i is 0 degree. It is the figure shown as a frequency characteristic about the angle (angle (phi) of FIG. 1) of the observation point direction seen from the center of the speaker arrangement | sequence in the case. FIG. 4 shows frequency characteristics for φ = 0 °, 24 °, 40 °, 70 °, and 90 °.
As is apparent from FIG. 4, the amplitude level of the acoustic beam output from the speaker array 100 according to the present embodiment is about φ = 24 ° when the frequency is higher than a certain value. Is approximately 6 [dB] lower than the φ = 0 ° direction, and the φ = 40 °, 70 °, and 90 ° directions have an amplitude level of about 20 compared to the φ = 0 ° direction. [DB] It turns out that it has fallen.
FIG. 5 is a diagram showing the amplitude characteristics shown in FIG. 2 as directional characteristics at several frequencies (202.10742 Hz, 404.214484 Hz, 499.32422 Hz, 998.664844 Hz, 1997.2969 Hz and 2995.9453 Hz). is there.
As apparent from FIGS. 4 and 5, according to the speaker array 100 of the present embodiment, the side lobe level is maintained while keeping the main lobe width of the acoustic beam constant for frequencies above a certain value. It can be seen that it can be kept substantially constant (-20 dB in this case).

図6は、本実施形態に係るスピーカアレイ100と従来の矩形同相駆動(矩形の窓処理を施した信号による同相駆動)のスピーカアレイとについて、主ローブ幅(φ=0°方向に比較して音響ビームの振幅が6[dB]低下する領域の幅を表す角度)を周波数毎にプロットした図である。図6を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ100によれば、従来の矩形同相駆動のスピーカアレイに比較して低音域での主ローブ幅を狭くすることが可能になっていることが判る。
また、図6を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ100では、例えば、主ローブ幅としてある値(例えば、80°)が定められている場合に、その主ローブ幅での出力が可能な音響ビームの周波数の下限(すなわち、指向性スピーカアレイの帯域下端f:詳細については、非特許文献2参照)が、従来の矩形同相駆動を行った場合に比較して低減していることが判る。より詳細に説明すると、非物理領域のリプルの振幅を“1”に設定した場合(図6:gain1)には、従来の矩形同相駆動を行った場合に比較してスピーカアレイの帯域下端が20.8%低減し、非物理領域のリプルの振幅を“2”に設定した場合(図6:gain2)には、32.8%低減している。つまり、本実施形態に係るスピーカアレイ100によれば、従来の矩形同相駆動のスピーカアレイに比較して帯域下端を低減させること(すなわち、低音域の指向性を向上させること)が可能になっている。
FIG. 6 shows a comparison between the main lobe width (φ = 0 ° direction) of the speaker array 100 according to the present embodiment and a conventional rectangular in-phase driving (in-phase driving by a signal subjected to rectangular window processing). It is the figure which plotted the angle which represents the width | variety of the area | region where the amplitude of an acoustic beam falls 6 [dB] for every frequency. As apparent from FIG. 6, according to the speaker array 100 of the present embodiment, the main lobe width in the low sound range can be made narrower than the conventional rectangular in-phase drive speaker array. You can see that
Further, as apparent from FIG. 6, in the speaker array 100 according to the present embodiment, for example, when a certain value (for example, 80 °) is defined as the main lobe width, the main lobe width is used. The lower limit of the frequency of the acoustic beam that can be output (that is, the lower end band f L of the directional speaker array: see Non-Patent Document 2 for details) is reduced as compared with the case where conventional rectangular in-phase driving is performed. You can see that More specifically, when the ripple amplitude of the non-physical region is set to “1” (FIG. 6: gain 1), the lower end of the band of the speaker array is 20 in comparison with the conventional rectangular in-phase drive. When the ripple amplitude of the non-physical region is set to “2” (FIG. 6: gain 2), the frequency is reduced by 32.8%. That is, according to the speaker array 100 according to the present embodiment, it is possible to reduce the lower end of the band (that is, to improve the directivity in the low sound range) as compared with the conventional rectangular in-phase driving speaker array. Yes.

以上に説明したように、本実施形態に係るスピーカアレイ100においては、その2次元デジタルフィルタに、その周波数特性を2次元周波数平面で表した場合に、その空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、それら複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっている振幅特性(本実施形態では、図2に示す阻止域2段等リプル特性)を設定することによって、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になっている。
次いで、図2に示すような阻止域2段等リプル特性を実現するための2次元デジタルフィルタの設計(すなわち、各1次元デジタルフィルタ120−iへ設定するべきフィルタ係数の算出)について説明する。
As described above, in the loudspeaker array 100 according to the present embodiment, when the frequency characteristics are represented in the two-dimensional frequency plane in the two-dimensional digital filter, in the cross section in the spatial frequency direction, Amplitude characteristics having a plurality of ripples, and the amplitude of the ripples in the non-physical region among the plurality of ripples is larger than the amplitude of the ripples in the physical region (in this embodiment, the blocking characteristic shown in FIG. 2) (Ripple characteristics such as 2 stages), it is possible to improve the directivity in the low frequency range of the speaker array and microphone array without increasing the array length, and to avoid an increase in the level of the side lobe. It has become.
Next, a description will be given of the design of a two-dimensional digital filter (that is, calculation of filter coefficients to be set for each one-dimensional digital filter 120-i) for realizing a two-step stopband equal ripple characteristic as shown in FIG.

(A−3:2次元デジタルフィルタの設計)
さて、前述した非特許文献2には、各スピーカに接続されている1次元デジタルフィルタ群により形成される2次元デジタルフィルタの振幅特性を2次元周波数平面で見た場合、スピーカアレイの出力を十分遠方の観測点で観測した場合の周波数特性は、2次元周波数平面において以下の数1で表される直線上に分布する振幅特性であることが開示されている。
(数1) f=f・D・sin(φ)/(c・T)
但し、数1において、fは規格化時間周波数、fは規格化空間周波数、Dはトランスデューサ間隔、Tは時間サンプリング周期、cは音速である。
(A-3: Two-dimensional digital filter design)
In Non-Patent Document 2 described above, when the amplitude characteristics of a two-dimensional digital filter formed by a group of one-dimensional digital filters connected to each speaker are viewed on a two-dimensional frequency plane, the output of the speaker array is sufficient. It is disclosed that the frequency characteristic when observed at a distant observation point is an amplitude characteristic distributed on a straight line represented by the following Equation 1 in a two-dimensional frequency plane.
(Expression 1) f 2 = f 1 · D · sin (φ) / (c · T)
In Equation 1, f 1 is a normalized time frequency, f 2 is a normalized spatial frequency, D is a transducer interval, T is a time sampling period, and c is a sound velocity.

したがって、ある非規格化時間周波数fにおけるスピーカアレイの指向特性は、2次元周波数平面では、その非規格化時間周波数fに対応する規格化時間周波数f=f・Tで規定される直線上に、以下の数2で示される関係で分布しているといえる。
(数2) φ=sin-1{(f・c・T)/(f・D)}
Therefore, the directivity characteristic of the speaker array at a certain non-standardized time frequency f is on a straight line defined by the standardized time frequency f 1 = f · T corresponding to the non-standardized time frequency f in the two-dimensional frequency plane. It can be said that they are distributed according to the relationship represented by the following formula 2.
(Expression 2) φ = sin −1 {(f 2 · c · T) / (f 1 · D)}

すなわち、各非規格化時間周波数fにおける所望の指向特性が、直線f=f・T上に上記数2で示される関係で分布するように2次元デジタルフィルタを設計することができれば、結果として所望の指向特性が得られることになる。非特許文献2には、上記のように2次元周波数平面の規格化空間周波数方向(すなわち、f方向)の断面に1次元のフィルタ特性を並べて2次元デジタルフィルタの目標特性を設定し、その目標特性に対して2次元フーリエ級数近似を施すことによって、FIRフィルタ係数を得る方法が開示されている。 That is, if the two-dimensional digital filter can be designed so that the desired directivity at each non-standardized time frequency f is distributed on the straight line f 1 = f · T in the relationship shown by the above equation 2, A desired directivity characteristic can be obtained. Non-Patent Document 2, the normalized spatial frequency direction of the two-dimensional frequency plane as described above (i.e., f 2 direction) side by side one-dimensional filter characteristic section of setting the target characteristic of the two-dimensional digital filter, its A method for obtaining FIR filter coefficients by applying a two-dimensional Fourier series approximation to a target characteristic is disclosed.

より詳細に説明すると、非特許文献2には、(N+1)個のスピーカで形成されるスピーカアレイの設計条件として、音響ビーム中心φとビーム端角度(φs+、φs−)および等リプルサイドローブの大きさ(振幅)δが与えられている場合の2次元デジタルフィルタの設計手順が開示されている。なお、以下では、φ=0°、φs+=φ、φs−=−φである(すなわち、音響ビームがその中心(φ=0°)軸に対して対称である)とする。 More specifically, Non-Patent Document 2 describes, as design conditions for a speaker array formed of (N 2 +1) speakers, an acoustic beam center φ 0 and beam end angles (φ s + , φ s− ) and A design procedure for a two-dimensional digital filter in the case where a size (amplitude) δ of an equal ripple side lobe is given is disclosed. In the following, φ 0 = 0 °, φ s + = φ s , φ s− = −φ s (that is, the acoustic beam is symmetric with respect to its center (φ 0 = 0 °) axis). To do.

非特許文献2に開示されている設計手順では、まず、図7(b)に示すように、f=−0.5〜0.5の範囲で2次元周波数平面をM(本実施形態では、Mは偶数であるとする)分割し、各周波数f=k/M(k=−M/2〜M/2の整数)での断面にDolph-Chebyshev特性を設計して以下の手順で並置することで目標ファンフィルタ特性とする。なお、以下はf≧0の領域を前提とした説明である。 In the design procedure disclosed in Non-Patent Document 2, first, as shown in FIG. 7B, a two-dimensional frequency plane is represented by M 1 (this embodiment) in the range of f 1 = −0.5 to 0.5. in, M 1 is assumed to be an even number) is divided, the Dolph-Chebyshev characteristic cross-section at each frequency f 1 = k 1 / M 1 (k 1 = -M 1 / 2~M 1/2 integer) Design and target fan filter characteristics by juxtaposing them in the following procedure. The following description is based on the premise of a region where f 1 ≧ 0.

具体的には、まず、次数N、阻止域リプルの大きさδのDolph-Chebyshevフィルタの特性を設計し、その阻止域端周波数fstがφ=φの直線(すなわち、f=f・D・sin(φ)/(c・T)で表される直線)に一致するときの周波数fを求める。次いで、f≧fの断面位置では、f=fでの断面特性を、図7(a)に示すように、阻止域端がφ=φの直線上に位置するようにf方向に拡大して配置する。
一方、f<fの断面位置に対しては、図8(a)に示すように、阻止域リプルを、その振幅をδから所定の許容値δまで少しずつ大きくしたDolph-Chebyshevフィルタ特性(f2=−0.5〜0.5)を置く。但し、どの断面においても阻止域端fstがφ=φの直線上に位置するように阻止域リプルを定める。そして、図8(b)に示されているように、阻止域リプルδの特性が最初に置かれる周波数fの値をfとして、f<fではf=fの断面特性と同一の特性を置く。なお、図8(b)のfは、スピーカアレイの帯域下端であり、以下の数3により定まる値である。
(数3) f=c・T・f/(Dsin(φ))
但し、数3においてfは、図8(a)に示されている阻止域リプルδLのDolph-Chebyshevフィルタ特性の振幅半値周波数である。
以降、このようにして設定されたファンフィルタの目標振幅特性に対して2次元逆離散フーリエ変換を施すことにより、各1次元デジタルフィルタに設定するべきフィルタ係数が算出される。
Specifically, first, the characteristics of a Dolph-Chebyshev filter of order N 2 and stop band ripple size δ are designed, and the stop band end frequency f st is a straight line with φ = φ s (ie, f 2 = f 1 · D · sin (φ s ) / (c · T)), the frequency f 1 is obtained. Next, at the cross-sectional position of f 1 ≧ f l, the cross-sectional characteristics at f 1 = f l are shown in FIG. 7A so that the stop band edge is positioned on the straight line of φ = φ s. Arranged in two directions.
On the other hand, for the cross-sectional position of f 1 <f 1 , as shown in FIG. 8A, a Dolph-Chebyshev filter in which the stop band ripple is gradually increased from δ to a predetermined allowable value δ L as shown in FIG. Put the characteristic (f2 = −0.5 to 0.5). However, the stop band ripple is determined so that the stop band end f st is located on the straight line φ = φ s in any cross section. Then, as shown in FIG. 8 (b), the value of the frequency f 1 the characteristics of the stop band ripple [delta] L is first placed as f u, the cross section of the f 1 <f u in f 1 = f u Put the same property as the property. Note that f L in FIG. 8B is the lower end of the band of the speaker array, and is a value determined by the following Equation 3.
(Number 3) f L = c · T · f c / (Dsin (φ s))
However, f c in Equation 3, the amplitude half the frequency of the Dolph-Chebyshev filter characteristic of the stop band ripple δL shown in Figure 8 (a).
Thereafter, a filter coefficient to be set for each one-dimensional digital filter is calculated by performing a two-dimensional inverse discrete Fourier transform on the target amplitude characteristic of the fan filter set in this way.

これに対して、本実施形態に係るスピーカアレイ100の2次元デジタルフィルタの設計では、図9(b)に示すようにM分割された2次元周波数平面において、f≧fでは阻止域の全域でリプルの小さい1次元フィルタを断面特性としておく一方、f<fでは非物理領域(図中の斜線部)にだけ大きなリプルの1次元フィルタを断面に置く。図9(a)に示す2つの振幅特性はそれぞれの断面に置く1次元フィルタの振幅特性である。この2つの振幅特性の比較から判るように、非物理領域でリプルを大きくしたことで、そのリプルが占める周波数域が広くなり、逆に通過域が狭くなっている。そこで、本実施形態に係る2次元デジタルフィルタの設計では、非物理領域でのリプルの振幅が所定の最大値に達するまで、より低音域の時間周波数の断面位置に置く。 In contrast, in the two-dimensional digital filter design of the speaker array 100 according to this embodiment, the M 1 divided 2-dimensional frequency plane, as shown in FIG. 9 (b), f 1 ≧ f l in the stopband place one-dimensional filter having a small ripple across the while keep the cross-sectional characteristics, only a one-dimensional filter of a large ripple in cross section f 1 <f l in the non-physical area (hatched portion in the figure). Two amplitude characteristics shown in FIG. 9A are amplitude characteristics of a one-dimensional filter placed on each cross section. As can be seen from the comparison of the two amplitude characteristics, by increasing the ripple in the non-physical region, the frequency range occupied by the ripple is widened, and conversely the passband is narrowed. Therefore, in the design of the two-dimensional digital filter according to the present embodiment, it is placed at the cross-sectional position of the time frequency in the lower sound range until the ripple amplitude in the non-physical region reaches a predetermined maximum value.

本実施形態では、図9(a)に示すような阻止域2段等リプル特性の1次元フィルタを設計するために、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムにしたがってフィルタ設計を行うプログラムを利用している。ここで、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムとは、Remez交換アルゴリズムと重み付きChebyshev 近似理論を用いて、希望する周波数応答と実際の周波数応答が最適になるようにフィルタを設計するアルゴリズムである。このアルゴリズムに従って設計されたフィルタは、希望する周波数応答と実際の周波数応答との間の最大誤差を最小にするという点で最適であるため、ミニマックスフィルタとも呼ばれることもある。また、このアルゴリズムに従って設計されたフィルタは、その周波数応答において等リプルを示すため、等リプルフィルタとしても知られている。なお、本実施形態では、阻止域2段等リプル特性の1次元フィルタの設計に、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムを用いる場合について説明するが、他のFIR フィルタ設計アルゴリズムを用いても良いことは勿論である。   In this embodiment, in order to design a one-dimensional filter having two-step stopband equiripple characteristics as shown in FIG. 9A, a program for designing a filter according to the Parks & McClellan equiripple filter design algorithm is used. . Here, the equiripple filter design algorithm of Parks & McClellan is an algorithm for designing a filter so that a desired frequency response and an actual frequency response are optimized by using a Remez exchange algorithm and a weighted Chebyshev approximation theory. A filter designed according to this algorithm is sometimes referred to as a minimax filter because it is optimal in minimizing the maximum error between the desired frequency response and the actual frequency response. A filter designed according to this algorithm is also known as an equiripple filter because it exhibits equiripple in its frequency response. In this embodiment, the case where the Parks & McClellan equiripple filter design algorithm is used for the design of a one-dimensional filter with two-step stopband equiripple characteristics will be described. However, other FIR filter design algorithms may be used. Of course.

図10は、上記プログラムへ与えるパラメータと、その設計結果の特性を示す図である。図10に示すように、本実施形態では、3つの近似帯域(通過域、阻止域1,阻止域2)を設定し、各近似帯域を規定するパラメータとして、各近似帯域の目標振幅(それぞれ1,0,0)、誤差リプル(それぞれδ1≒0、δ2=δ、δ3=δn)および重み(それぞれw1、w2、w3)を定め、δ1w1=δ2w2=δ3w3の条件の下で繰り返し近似を行ってフィルタ係数を定めることにより、1次元フィルタの設計を行っている。   FIG. 10 is a diagram showing parameters given to the program and characteristics of the design results. As shown in FIG. 10, in the present embodiment, three approximate bands (pass band, stop band 1, stop band 2) are set, and the target amplitude (1 for each approximate band) is set as a parameter for defining each approximate band. , 0, 0), error ripple (respectively δ1≈0, δ2 = δ, δ3 = δn) and weight (respectively w1, w2, w3), and repeated approximation under the condition of δ1w1 = δ2w2 = δ3w3 By defining the filter coefficient, a one-dimensional filter is designed.

図11は、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムにしたがって設計された1次元フィルタと、Dolph-Chebyshev特性の1次元フィルタの設計例とを併記した図である。図11を参照すれば明らかなように、前者の1次元フィルタでは、阻止域2のリプルを大きくしたことによって、通過域の幅が後者に比較して狭くなっていることが判る。このように通過域の幅を狭めるといった効果は、阻止域内のリプルの総数に占める非物理領域内のリプルの数が多い特性ほど顕著になる。なお、理論的には非物理領域のリプルについては、その振幅をいくらでも大きく設定することが可能であるが、実用的にはその上限値を適切に設定する必要があり、例えば、その上限値として“1”(すなわち、通過域の振幅に等しい値)や“2”(通過域の振幅の2倍の値)などを設定するようにすれば良い。
このようにして設計した2次元デジタルフィルタの目標振幅特性に対して2次元逆離散フーリエ変換を施すことによって、その2次元デジタルフィルタを形成する1次元デジタルフィルタの各々に設定するべきフィルタ係数が算出される。このようにして算出されたフィルタ係数を各1次元デジタルフィルタ120−iに設定することによって、それら1次元デジタルフィルタにより形成される2次元デジタルフィルタに図2に示す振幅特性が付与されることになる。
FIG. 11 is a diagram in which a one-dimensional filter designed in accordance with Parks &McClellan's equiripple filter design algorithm and a design example of a one-dimensional filter having a Dolph-Chebyshev characteristic are shown. As is apparent from FIG. 11, in the former one-dimensional filter, it is understood that the width of the pass band is narrower than that of the latter by increasing the ripple in the stop band 2. Thus, the effect of narrowing the width of the pass band becomes more remarkable as the number of ripples in the non-physical area occupies the total number of ripples in the stop area. Theoretically, for ripples in the non-physical region, it is possible to set the amplitude as much as possible, but in practice it is necessary to set the upper limit appropriately, for example, as the upper limit “1” (that is, a value equal to the amplitude of the pass band), “2” (a value twice the amplitude of the pass band), or the like may be set.
By performing a two-dimensional inverse discrete Fourier transform on the target amplitude characteristic of the two-dimensional digital filter designed in this way, a filter coefficient to be set for each of the one-dimensional digital filters forming the two-dimensional digital filter is calculated. Is done. By setting the filter coefficient thus calculated in each one-dimensional digital filter 120-i, the amplitude characteristics shown in FIG. 2 are given to the two-dimensional digital filter formed by the one-dimensional digital filter. Become.

(A−4:第1実施形態の効果)
以上に説明したように、物理領域の特性は指向特性に直接影響を与える一方、非物理領域における特性は指向特性に直接的には影響を与えないことから、本実施形態に係るスピーカアレイ100においては、阻止域2段等リプル特性の1次元フィルタを用いることにより、最終的なフィルタ係数の特性として、特に低域においてサイドローブのレベルを低く保ったまま、主ローブの幅を低減することが可能である。
(A-4: Effects of the first embodiment)
As described above, the characteristics in the physical region directly affect the directivity, while the characteristics in the non-physical region do not directly affect the directivity. Therefore, in the speaker array 100 according to the present embodiment, By using a one-dimensional filter having a two-stage stopband ripple characteristic, the width of the main lobe can be reduced as the final filter coefficient characteristic while keeping the sidelobe level low particularly in the low band. Is possible.

また、本実施形態によれば、fに応じて上記1次元フィルタを最適に調整することにより、従来より低い帯域においてもサイドローブの影響を低く保ったまま主ローブの幅を一定とすることが可能になる。前述したように、主ローブの幅は非物理領域内のリプルの個数やその振幅に依存するため、fに応じて必要な指向特性が得られるように非物理領域のリプルに設定する振幅とその個数を調整することによって、従来よりも低い帯域で主ローブの幅を一定とすることが可能になる。 In addition, according to the present embodiment, by adjusting the one-dimensional filter optimally according to f 1 , the width of the main lobe is kept constant while keeping the influence of the side lobe low even in a band lower than the conventional band. Is possible. As described above, since the width of the main lobe depends on the number of ripples in the non-physical region and the amplitude thereof, the amplitude set for the ripple in the non-physical region so that the necessary directivity can be obtained according to f 1. By adjusting the number, it becomes possible to make the width of the main lobe constant in a lower band than in the prior art.

また、時間周波数が比較的高い領域(例えば、非特許文献2においてf≦fで規定される領域)については、非物理領域のリプルの振幅を大きくしなくても主ローブの幅を十分狭くすることが可能であるため、阻止域2段等リプル特性に替えて、例えば非特許文献2に開示されているDolph-Chebyshev特性を用いるようにしても良い。また、このような領域について、非特許文献2に開示されているように主ローブの幅を時間周波数に依存しないように設定すれば、本実施形態による低域での特性改善と合わせて、従来より広い帯域で時間周波数に依存しない指向特性を得ることが可能になる。 Moreover, a relatively high region time-frequency (e.g., the region in the non-patent document 2 defined by f l ≦ f 1) for, without increasing the amplitude of the ripples in the non-physical area the width of the main lobe sufficient Since it can be narrowed, for example, the Dolph-Chebyshev characteristic disclosed in Non-Patent Document 2 may be used in place of the ripple characteristic of two stages of the stop band. In addition, for such a region, if the width of the main lobe is set so as not to depend on the time frequency as disclosed in Non-Patent Document 2, the conventional method is combined with the improvement in characteristics in the low region according to the present embodiment. It becomes possible to obtain directivity characteristics that do not depend on time frequency in a wider band.

(B.第2実施形態)
次いで、本発明の第2実施形態に係るマイクロホンアレイ200について説明する。
図12は、本発明の第2実施形態に係るマイクロホンアレイ200の構成例を示す図である。図12と図1とを比較すれば明らかなように、マイクロホンアレイ200の構成が、スピーカアレイ100の構成と異なっている点は、スピーカ110−i(i:1〜nの自然数)に替えて、収音した音声に対応する音声信号を出力するマイクロホン210−i(i:1〜nの自然数)を設けた点である。
このマイクロホンアレイ200においては、マイクロホン210−iから出力された音声信号は、図示せぬA/D変換器によって音声データへと変換され、1次元デジタルフィルタ120−iへ入力される。そして、各1次元デジタルフィルタ120−iによって前述したフィルタ処理が施され、各1次元デジタルフィルタから出力されたフィルタ処理済みの音声データが図示せぬ加算器によって足し合わせ、その加算結果である和信号が出力される。
(B. Second Embodiment)
Next, a microphone array 200 according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a microphone array 200 according to the second embodiment of the present invention. As apparent from a comparison between FIG. 12 and FIG. 1, the configuration of the microphone array 200 is different from the configuration of the speaker array 100 in that the speaker 110-i (i: natural number of 1 to n) is replaced. The microphone 210-i (i: a natural number from 1 to n) that outputs an audio signal corresponding to the collected audio is provided.
In the microphone array 200, the audio signal output from the microphone 210-i is converted into audio data by an A / D converter (not shown) and input to the one-dimensional digital filter 120-i. Then, the filter processing described above is performed by each one-dimensional digital filter 120-i, and the filtered audio data output from each one-dimensional digital filter is added by an adder (not shown), and a sum as a result of the addition is added. A signal is output.

さて、マイクロホンアレイにおいては、図12に示す角度φ方向から到来する平面波の時間周波数特性は、そのマイクロホンアレイを構成する各マイクロホン(本実施形態では、マイクロホン210−i)に接続されている1次元デジタルフィルタ群の振幅特性を2次元周波数平面で見た場合に、前述した数2で示される直線上に分布することが一般に知られている。このため、1次元デジタルフィルタ120−iの各々に、前述した第1実施形態にて説明したフィルタ係数を設定しておくことによって、マイクロホンアレイ200の指向特性について前述した第1実施形態と同一の効果(すなわち、アレイ長を長くすることなく、マイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避するといった効果)を得ることが可能になる。   Now, in the microphone array, the time-frequency characteristic of the plane wave arriving from the angle φ direction shown in FIG. 12 is one-dimensionally connected to each microphone (microphone 210-i in the present embodiment) constituting the microphone array. When the amplitude characteristics of the digital filter group are viewed on a two-dimensional frequency plane, it is generally known that the digital filter group is distributed on the straight line represented by Equation 2 described above. Therefore, by setting the filter coefficient described in the first embodiment to each of the one-dimensional digital filters 120-i, the directivity characteristics of the microphone array 200 are the same as those in the first embodiment. It is possible to obtain an effect (that is, an effect of improving the directivity in the low sound range of the microphone array and avoiding an increase in the sidelobe level without increasing the array length).

(C.変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態に以下に説明するような変形を加えても良いことは勿論である。
(1)上述した実施形態では、通過域の中心軸に対して対称な音響ビームを形成する場合について説明したが、上記対称軸に対して非対称な音響ビームを形成することも可能である。
(C. Modification)
Although the embodiment of the present invention has been described above, it is needless to say that the embodiment described above may be modified as described below.
(1) In the above-described embodiment, the case where an acoustic beam symmetric with respect to the central axis of the passband is described, but an asymmetric acoustic beam with respect to the symmetric axis can also be formed.

(2)上述した実施形態では、スピーカ110−iやマイクロホン210−iが理想的な特性を有している場合について説明した。しかしながら、スピーカやマイクロホンなどトランスデューサは、周波数別指向特性を有していることが一般的であるから、2次元デジタルフィルタに付与すべき振幅特性(すなわち、各1次元デジタルフィルタ120−iに設定すべきフィルタ係数)を、トランスデューサの周波数別指向特性を加味して決定するようにしても良い。このようなことは、例えば、「西川清、大崎貴也“2次元デジタルフィルタを用いた指向性アレイスピーカ”(1995)」に開示された方法と同様の方法を適用することにより可能である。 (2) In the above-described embodiment, the case where the speaker 110-i and the microphone 210-i have ideal characteristics has been described. However, since transducers such as speakers and microphones generally have directivity characteristics according to frequency, amplitude characteristics to be applied to the two-dimensional digital filter (that is, set to each one-dimensional digital filter 120-i). The power filter coefficient) may be determined in consideration of the directivity characteristics for each frequency of the transducer. This can be achieved by applying a method similar to the method disclosed in “Kiyoshi Nishikawa, Takaya Osaki“ Directive Array Speaker Using Two-Dimensional Digital Filter ”(1995)”, for example.

(3)上述した実施形態では、阻止域のうち非物理領域に振幅の大きな等リプルを設け、物理領域には、非物理領域内のリプルよりも小さい振幅(上述した実施形態では、“δ=0.1”)を有するリプルを設ける阻止域2段等リプル特性の振幅特性を2次元デジタルフィルタに与える場合について説明した。しかしながら、非物理領域内のリプルについては、必ずしも等リプルである必要はない。例えば、図13に示すように、非物理領域内の阻止域(図13の阻止域2)に、通過域よりも大きな振幅を有するリプルと、そのリプルよりも振幅が小さく、かつ、物理領域内の阻止域(図13の阻止域1)のリプルよりも大きな振幅を有するリプルとを設ける阻止域多段等リプル特性であっても良い。要は、本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイの2次元デジタルフィルタの周波数特性は、阻止域に複数のリプルを設けるとともに、非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっている周波数特性であれば良い。 (3) In the above-described embodiment, an equal ripple having a large amplitude is provided in the non-physical region in the stop band, and the physical region has an amplitude smaller than the ripple in the non-physical region (in the above-described embodiment, “δ = A case has been described in which a two-dimensional digital filter is provided with a ripple characteristic having a ripple characteristic such as a two-step stopband in which a ripple having 0.1 ″) is provided. However, the ripples in the non-physical area are not necessarily equal ripples. For example, as shown in FIG. 13, a ripple having a larger amplitude than the passband in the stopband (stopband 2 in FIG. 13) in the non-physical region, the amplitude smaller than the ripple, and in the physical region The stop band multi-stage ripple characteristic may be provided, which has a ripple having a larger amplitude than the ripple in the stop band (stop band 1 in FIG. 13). In short, the frequency characteristics of the two-dimensional digital filter of the speaker array or the microphone array according to the present invention are that a plurality of ripples are provided in the stop band, and the amplitude of the ripple in the non-physical region is larger than the amplitude of the ripple in the physical region. Any frequency characteristic that is increasing may be used.

(4)上述した実施形態では、2次元デジタルフィルタを形成する各1次元デジタルフィルタに、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておく場合について説明したが、本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイを使用する度に、上記フィルタ係数を逐次算出して設定するようにしても良い。このようにすると、例えばコンサートホールなどの音響空間に本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイを設置して使用する場合に、その音響空間の広さや形状などその音響空間の音響特性に応じた指向特性を適切に設定することが可能になる。
また、上記各1次元デジタルフィルタに設定するフィルタ係数を、スピーカアレイやマイクロホンアレイの外部から与えるようにしても良い。具体的には、スピーカアレイやマイクロホンアレイに、例えばNIC(Network Interface Card)などの通信手段と、その通信手段を用いて通信網経由で取得したフィルタ係数を上記各1次元デジタルフィルタに設定するフィルタ係数設定手段とを設けるようにしても良く、また、例えばCD−ROM(Compact Disk - Read Only Memory)などのコンピュータ装置読取り可能な記録媒体からデータを読取る読取り手段を上記通信手段に替えて設けるとともに、上記記録媒体に上記フィルタ係数を書き込んで配布し、上記読取り手段によって読取ったフィルタ係数を上記フィルタ係数設定手段によって各1次元デジタルフィルタに設定するようにしても勿論良い。
(4) In the above-described embodiment, a case has been described in which filter coefficients characteristic of the speaker array according to the present invention are preset in each one-dimensional digital filter forming the two-dimensional digital filter. The filter coefficient may be sequentially calculated and set each time such a speaker array or microphone array is used. In this way, for example, when the speaker array or the microphone array according to the present invention is installed and used in an acoustic space such as a concert hall, the directivity characteristics according to the acoustic characteristics of the acoustic space such as the size and shape of the acoustic space. Can be set appropriately.
Further, the filter coefficient set for each one-dimensional digital filter may be given from the outside of the speaker array or the microphone array. Specifically, a filter that sets a communication means such as a NIC (Network Interface Card) in the speaker array or the microphone array and a filter coefficient acquired via the communication network using the communication means in each one-dimensional digital filter. Coefficient setting means may be provided, and for example, reading means for reading data from a computer-readable recording medium such as a CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory) is provided instead of the communication means. Of course, the filter coefficient may be written and distributed on the recording medium, and the filter coefficient read by the reading means may be set in each one-dimensional digital filter by the filter coefficient setting means.

本発明の第1実施形態に係るスピーカアレイ100の電気的な構成を表すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an electrical configuration of a speaker array 100 according to a first embodiment of the present invention. 同スピーカアレイ100の2次元デジタルフィルタの振幅特性の一例を2次元周波数平面を用いて表した図である。3 is a diagram illustrating an example of amplitude characteristics of a two-dimensional digital filter of the speaker array 100 using a two-dimensional frequency plane. FIG. 同振幅特性の一部を等振幅特性図で示した図である。It is the figure which showed a part of the same amplitude characteristic with the equal amplitude characteristic figure. 同スピーカアレイ100の振幅特性を所定の角度毎にプロットした図である。It is the figure which plotted the amplitude characteristic of the speaker array 100 for every predetermined angle. 同スピーカアレイ100の指向特性を所定の周波数毎にプロットした図である。It is the figure which plotted the directional characteristic of the speaker array 100 for every predetermined frequency. 同スピーカアレイ100から出力される音響ビームの周波数とその音響ビームの主ローブ幅との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the frequency of the acoustic beam output from the speaker array 100, and the main lobe width of the acoustic beam. ≧fでの断面特性について非特許文献2に開示されている設計方法を説明するための図である。design method sectional characteristic at f 1 ≧ f l is disclosed in Non-Patent Document 2 is a diagram for explaining the. <fでの断面特性について非特許文献2に開示されている設計方法を説明するための図である。f 1 <is a diagram for explaining a method of designing the cross-sectional characteristics at f l is disclosed in Non-Patent Document 2. 本実施形態に係る断面特性の設計方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the design method of the cross-sectional characteristic which concerns on this embodiment. Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計プログラムによる1次元フィルタの設計結果の特性を示すための図である。It is a figure for showing the characteristic of the design result of the one-dimensional filter by the equiripple filter design program of Parks & McClellan. Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計プログラムによる1次元フィルタの設計例とDolph-Chebyshev特性の1次元フィルタの設計例とを示す図である。It is a figure which shows the design example of the one-dimensional filter by the equiripple filter design program of Parks & McClellan, and the design example of the one-dimensional filter of Dolph-Chebyshev characteristic. 本発明の第2実施形態に係るマイクロホンアレイ200の電気的な構成を示す図である。It is a figure which shows the electrical structure of the microphone array 200 which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 変形例(3)に係る周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic concerning a modification (3).

符号の説明Explanation of symbols

100…スピーカアレイ、110−i(i:1〜nの自然数)…スピーカ、120−i…1次元デジタルフィルタ、200…マイクロホンアレイ、210−i…マイクロホン。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Speaker array, 110-i (i: Natural number of 1-n) ... Speaker, 120-i ... One-dimensional digital filter, 200 ... Microphone array, 210-i ... Microphone.

Claims (2)

所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する1次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声信号にデジタル変換を施して得られる音声データを前記各1次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各1次元デジタルフィルタから出力された音声データにアナログ変換を施して得られる音声信号を、対応する前記スピーカへ供給しその音声信号に応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、
前記各1次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、
前記各1次元デジタルフィルタにより形成される2次元デジタルフィルタの周波数特性を2次元周波数平面で表した場合に、その空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっている振幅特性を前記2次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数である
ことを特徴とするスピーカアレイ。
A plurality of speakers arranged in a straight line at a predetermined interval, and provided corresponding to each of the plurality of speakers, a predetermined filter coefficient is set in advance, and the input voice data includes the filter coefficient. A one-dimensional digital filter that performs a corresponding filtering process and outputs the audio data obtained by subjecting the input audio signal to digital conversion to each one-dimensional digital filter, In a speaker array that supplies an audio signal obtained by subjecting audio data output from a filter to analog conversion to the corresponding speaker and outputs audio corresponding to the audio signal,
The filter coefficient set for each one-dimensional digital filter is:
When the frequency characteristics of the two-dimensional digital filter formed by each of the one-dimensional digital filters are represented by a two-dimensional frequency plane, the cross section in the spatial frequency direction has a plurality of ripples in the stop band, and the plurality The speaker array, wherein the two-dimensional digital filter has an amplitude characteristic in which the amplitude of the ripple in the non-physical region is larger than the amplitude of the ripple in the physical region.
所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する1次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声信号にデジタル変換を施して得られる音声データを対応する前記1次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各1次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、
前記各1次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、
前記各1次元デジタルフィルタにより形成される2次元デジタルフィルタの周波数特性を2次元周波数平面で表した場合に、その空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっている振幅特性を前記2次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数である
ことを特徴とするマイクロホンアレイ。
A plurality of microphones arranged in a straight line at a predetermined interval and a plurality of microphones are provided corresponding to each of the plurality of microphones, and a predetermined filter coefficient is set in advance. A one-dimensional digital filter that performs a corresponding filtering process and outputs the result, and supplies audio data obtained by performing digital conversion on the audio signal output from each of the plurality of microphones to the corresponding one-dimensional digital filter On the other hand, in the microphone array that outputs the sum signal of the audio data output from each one-dimensional digital filter,
The filter coefficient set for each one-dimensional digital filter is:
When the frequency characteristics of the two-dimensional digital filter formed by each of the one-dimensional digital filters are represented by a two-dimensional frequency plane, the cross section in the spatial frequency direction has a plurality of ripples in the stop band, and the plurality The microphone array, wherein the two-dimensional digital filter has an amplitude characteristic in which the amplitude of the ripple in the non-physical region is larger than the amplitude of the ripple in the physical region.
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