JP4359208B2 - エリア限定拡声方法、エリア限定拡声装置 - Google Patents

Description

本発明は、室内などの空間の音場特性を変化させる音場制御に関わり、特に特定のエリア内のみに音場を生成するエリア限定拡声方法、エリア限定拡声装置に関する。

拡声装置を用いて音を放射する場合、再生に用いるスピーカの指向特性の影響はあるものの、概ねスピーカに対して全ての方向からその音を聴取する事が可能である。そのため、ある特定のエリアだけに限定して音を再生し、その外側に音が漏れ出ない拡声方法、すなわちエリア限定再生方式の構築を目指した場合、スピーカなどの拡声装置、あるいは再生方法を工夫する必要がある。
ある特定のエリアだけに限定して音を再生することが可能となれば、拡声による通信を行った場合などに、聴取者以外の人にこの音が騒音となることを防げる他に、通信内容が他の人に知られないようにするという、秘守性を向上させることが可能となる。このエリア限定再生方式の一つの実現手段として、主に所望の方向だけに音を放射する指向性スピーカシステムを用いることが考えられる。このようなスピーカシステムとしては、ホーンスピーカを用いる、あるいは反射板の焦点にスピーカユニットを設置するといったように、ホーンあるいは反射板の幾何学的な形状によって指向性を実現する方法、複数のスピーカをアレイ状に設置することで指向性を形成する方法、あるいは、指向性の強い超音波である搬送波を、可聴帯域の信号で振幅変調した音波を放出し、その自己復調により可聴帯域の音を再生する方法などがある。

このうち、幾何学的な形状によって指向性を実現する方法は、特に低い周波数において鋭い指向性を得るために大きな口径のホーン、あるいは大きな面積の反射板を用いる必要があり、大規模なシステムとなる。また、スピーカをアレイ上に設置した方法は、ホーン等を用いたシステムよりも小規模でありながらある程度の指向性が得られるものの、その指向特性は依然良好なものではない。一方、超音波スピーカを用いた方法は、搬送波となる超音波に応じた指向性が得られ、狭い範囲の指向特性を実現することが可能であるが、変調・復調のメカニズムの制約上、低い周波数域において十分な再生音圧を得ることができない。

上述した方法とは別に、Kirchhoff-Helmholtzの積分方程式の性質を利用した音場制御手法（非特許文献１）を応用する方法が考えられる。
このKirchhoff-Helmholtzの積分方程式の性質を利用した音場制御手法は、ある任意の閉空間の境界面上での音圧と音圧傾度を制御することで、別の場所にある同じ形状の閉空間内の原音場を忠実に再現できるという手法である。この制御手法は、ホーンを用いたり反射板の焦点にスピーカユニットを設置すると言った幾何学的な手法、あるいは複数のスピーカをアレイ上に配置することで指向性を形成する方法といった狭い指向特性を有するスピーカを用いてあるエリア内だけに音場を再生する場合に比べ比較的小規模なシステムで実現できるとともに、再生エリアの制御が他の方法に比べて容易であるという利点がある。

しかし、スピーカあるいは境界面上の音圧と音圧傾度を測定するためのマイクロホンの配置は任意ではなく、その配置によって良好な再生特性（所望の領域にのみ音が再生される）が得られる場合と、所望のエリアの外側にも音が漏れ出すような場合とがあり、どのような配置の場合に良好な再生特性が得られるかについての知見はない。
伊勢史郎、日本音響学会誌Vol.53,NO.9,PP.706-713,1997

上述のように、ある特定のエリア内だけに音を再生しようとした場合、Kirchhoff-Helmholtzの積分方程式の性質を利用した音場制御手法を使うことは、システムを小さくできる、あるいは再生エリアの制御が容易であるといった利点が多いが、良好な再生特性を得るためのスピーカ配置とマイクロホン配置は限られている。
本発明の目的は、このスピーカの配置とマイクロホンの配置に指針を与え良好な再生特性を持つエリア限定再生システムを提供することにある。

本発明は音を再生すべき空間の周辺にＭ（Ｍ≧２）個のセンサを配置し、これらＭ個のセンサからの出力に基づいてＮ（Ｎ≧２）個の音源から再生する音の相互間の遅延と、周波数特性を制御することにより、空間内に音を再生し、その再生された音が上記空間外ではエネルギが減少することにより上記空間内のみ音を再生するエリア限定拡声方法において、音源は直線上にそれぞれの空間を不等間隔に設置することを特徴とする。
本発明は更に、直線上に配置された音源のうち、中央に配置された音源の間隔が最も小さく、端に向かうほど音源の間隔が大きくなるように配置したことを特徴とする。

本発明は更に、Ｍ個のセンサのうち、少なくとも一つは音源に近接し、他のセンサはゼロ応答に設定することを特徴とする。
本発明は更に、Ｎ個の音源に接続されるフィルタの特性は、その特性を要素とする行列をＷとして、Ｎ個の音源とＭ個のセンサとの間の伝達特性を要素とする行列Ｈと、各制御点についてそれぞれ想定されるＭ個の所望の伝達特性を要素とする行列Ａを用いて一般化逆行列を用いた二乗誤差最小尺度に基づいてＷ＝（Ｈ^ＴＨ）^−１×Ｈ^ＴＡを演算して設定することを特徴とする。

本発明は更にＮ個のフィルタ特性を一般化逆行列を用いて求める場合、小さめの正の定数を対角要素とし、その他の要素が０である行列δｌを加えてＷ＝（Ｈ^ＴＨ＋δｌ）^−１×Ｈ^ＴＡによって算出することを特徴とする。

本発明によれば、所望の境界から外に音を漏れ出さないように再生することができる。つまり、エリア限定の再生が可能となる。この方法を用いれば拡声による音響再生を行った場合でも、音を聴取したい人以外に騒音になる迷惑をかけることがなくなる、あるいは音による通信の秘守性を向上させることができる。

図１に示したエリア限定拡声装置の構成において、Ａ／Ｄ変換器１０、ＦＩＲフィルタ２０_１〜２０_N、Ｄ／Ａ変換器３０、応答記録器６０、所望応答記録器７０、フィルタ係数決定器８０はコンピュータによって構成する実施形態が最も望ましい実施形態である。
つまり、コンピュータに本発明で提案するエリア限定拡声プログラム或はフィルタ特性設定プログラムをインストールし、コンピュータに備えた中央演算処理装置（ＣＰＵ）に解読させてプログラムを実行することにより本発明のエリア限定拡声方法或はフィルタ特性設定方法が実現される。

この発明が実現されることにより、音源を含む所定の空間内では音場が生成され、所定の空間の外側に音が漏れ出ることを阻止することができる。従って、本発明によるエリア限定拡声方法によれば音を聴取したい人以外に騒音による迷惑をかけることがなくなる。或は音による通信の秘守性を向上させることが可能となる。とする本発明の作用効果を得ることができる。

まず、図１に示す構成を例として、所望の制御点において任意の応答を得る方法について説明する。まず初期化動作として、ＦＩＲフィルタ２０_１〜２０_Nは、全帯域通過特性として、入力信号ｘ（ｔ）としてインパルスを入力する。この入力信号は、Ａ／Ｄ変換器１０で信号Ｘ（ｋ）に離散化され、再びＤ／Ａ変換器３０によりディジタル−アナログ変換が施された後に、音源となるスピーカ４０_１〜４０_Nから出力される。制御点にはセンサとして作用するマイクロホン５０_１〜５０_Ｍを設置しており、それぞれのマイクロホン出力は各スピーカ４０_１〜４０_Nからマイクロホン５０_１〜５０_Ｍまでのインパルス応答となる。このＮ×Ｍ個のインパルス応答ベクトルｈ_ｉｊ（ｉ＝１，２，…，Ｎ，ｊ＝１，２，…，Ｍ）は、応答記録器６０に入力されて記録される。一方、所望応答記録器７０には、制御点ごとに定められている所望のインパルス応答ベクトルａ_ｊ（ｊ＝１，２，…，Ｍ）が記録されており、その出力は、応答記録器６０の出力と共にフィルタ係数決定器８０に入力される。ここでａ_ｊとしてゼロ応答を設定することもできる。フィルタ係数決定器８０では、これらの入力ｈ_ｉｊ，ａ_ｊをそれぞれ要素として持つ行列Ｈ，Ａを用いて（１）式に示される演算を行なうことで各フィルタの係数が決定され、各ＦＩＲフィルタ２０_１，２０_２〜２０_Ｎに設定される。ここでＷはＦＩＲフィルタ２０_１〜２０_Ｎのフィルタ係数を要素とする行列である。また逆行列が不安定とならないように、小さな正の定数δを用いたδｌを加えた上で求める。ここでｌは単位行列である。

Ｗ＝（Ｈ^ＴＨ＋δｌ）^−１×Ｈ^ＴＡ （１）
（１）式を用いてフィルタ係数を算出する際、入力信号ｘ（ｔ）として時間引き延ばしパルスを用いて、特許第２７２５８３８号明細書に記載のインパルス応答の測定方法によってＮ×Ｍ個のインパルス応答ベクトルｈ_ｉｊを求めることもできる。
初期動作の終了後、各フィルタ２０_１〜２０_Ｎにはフィルタ係数が設定されていることとなる。この状態で入力信号ｘ（ｔ）が、入力端子からＡ／Ｄ変換器１０に供給され、Ａ／Ｄ変換器１０によって、入力信号ｘ（ｔ）が離散化された信号Ｘ（ｋ）がＮ個のＦＩＲフィルタ２０_１〜２０_Ｎ（ｉ＝１，２，…，N）にそれぞれ入力される。ここでフィルタリングされた信号はＤ／Ａ変換器３０によりディジタル−アナログ変換が施された後に、スピーカ４０_１〜４０_Ｎから出力される。これにより、Ｍ個の制御点５０_１〜５０_Ｍにおいて所望の応答を得ることができる。

次に、上述した制御方法を用いたエリア限定再生の方法について説明する。図２に、４個の音源としてスピーカを用いた場合のスピーカの配置と、制御点（センサ）（図中に□と△で表示）の配置を示す。ここで、図中に□で示した制御点５０_１〜５０_Ｍ−１はゼロ制御点として作用し、所望応答記録器７０に設けられる各制御点５０_１〜５０_Ｍ−１のそれぞれに対応する記録部には所望の応答としてａ_ｊとしてゼロ応答を設定した。これに対し、図中に△で表示した制御点５０_Ｍは応答制御点として作用し、この制御点５０_Ｍに対応する所望応答記録器７０内の記録部には図４に示すスピーカ１のみを用いた際の、このスピーカからこの応答制御点５０_Ｍまでのインパルス応答を所望の応答として設定した。また、応答制御点５０_Ｍとスピーカとの距離は、ゼロ制御点５０_１〜５０_Ｍ−１とスピーカの距離よりも小さくなるように設置している。一方スピーカは、４個のスピーカ４０_１〜４０_４を用いた場合を示す。これら４個のスピーカ４０_１〜４０_４の各々の間隔はそれぞれ４０_１と４０_２の間が１６．５ｃｍ、４０_２と４０_３の間が５．４ｃｍ、４０_３と４０_４の間が１３．８ｃｍとなるように設置した場合を示す。すなわち、中央の２個のスピーカ４０_２と４０_３の間隔が、その両側のスピーカ４０_１と４０_４との間隔よりも狭くなるように設置している。この条件で、周波数が１０００Ｈｚの場合の音圧分析についてシミュレーションを行った結果を図３に示す。図４には、比較のために１個のスピーカを用いた場合の音圧分布を示す。図３及び４から明らかなように、本発明によるエリア限定拡声方法を用いて音を再生した場合、ゼロ応答制御点５０_１〜５０_Ｍ−１の外側では、制御を行わずに音を再生した場合に比べて明らかに音圧が小さくなっており、この外側に音が漏れ出していないことがわかる。一方、１個のスピーカのみの応答を所望応答とした制御点５０_Ｍでは、両者ともほぼ同じ音圧で音が再生されていることがわかる。

本発明は限定されたエリア内のみに音を再生することができるから、拡声通話システム或は音声会議システム等の分野で活用される。

本発明によるエリア限定拡声装置の一実施例を説明するためのブロック図。 本発明の効果を説明するためのスピーカと制御点の配置の一例を説明するための配置図。 図２に示した配置で得られる音圧分布を説明するためのグラフ。 スピーカを１個とした場合の音圧分布を説明するためのグラフ。

符号の説明

１０ Ａ／Ｄ変換器 ６０ 応答記録器
２０_１〜２０_N ＦＩＲフィルタ ７０ 所望応答記録器
３０_１〜３０_N Ｄ／Ａ変換器 ８０ フィルタ係数決定器
４０_１〜４０_N スピーカ
５０_１〜５０_Ｍ マイクロホン

Claims (4)

1. 音を再生すべきと再生すべきでない空間にＭ（Ｍ≧２）個のセンサを配置し、これらＭ個のセンサからの出力に基づいてＮ（Ｎ≧２）個の音源から出力する音の相互間の遅延と、周波数特性を制御することにより、上記空間内に音を出力し、その出力された音が上記再生すべきでない空間はエネルギが減少することにより上記再生すべき空間内のみに音を再生するエリア限定拡声方法において、
   上記音源は直線上にそれぞれの間隔を不等間隔に配置し、
   直線上に配置された音源のうち、中央に配置された音源の間隔が最も小さく、端に向うほど上記音源の間隔が大きくなるように配置し、
   上記Ｍ個のセンサのうち、少なくとも一つは音源からのインパルス応答を所望の応答として音源に近接して設置し、他のセンサはゼロ応答とすることを特徴とするエリア限定拡声方法。
2. 請求項１に記載のエリア限定拡声方法において、上記Ｎ個の音源に接続されているフィルタの特性は、その特性を要素とする行列をＷとして、Ｎ個の音源とＭ個のセンサとの間の伝達特性を要素とする行列Ｈと、各制御点についてそれぞれ想定されるＭ個の所望の伝達特性を要素とする行列Ａを用いて、一般化逆行列を用いた二乗誤差最小尺度に基づいてＷ＝（Ｈ^ＴＨ）^−１×Ｈ^ＴＡを演算して設定することを特徴とするエリア限定拡声方法。
3. 請求項２記載のエリア限定拡声方法において、上記Ｎ個のフイルタの特性を一般化逆行列を用いて求める場合、小さな正の定数を対数要素とし、その他の要素が０である行列δｌ（ｌは単位行列）を加えてＷ＝（Ｈ^ＴＨ＋δｌ）^−１×Ｈ^ＴＡによって算出することを特徴とするエリア限定拡声方法。
4. 入力信号を複数の信号に分岐し、分岐された複数の信号の周波数特性を制御する複数のフィルタと、
   直線上に不等間隔に配置され、上記複数のフィルタによってろ波された複数の信号を音として放音する複数の音源と、
   この音源から放音する音の音場を取囲んで配置された複数のセンサと、
   この複数のセンサが検出するインパルス応答ベクトルと所望応答記録器に記録した応答ベクトルとを用いて上記複数のフィルタの周波数特性を設定するフィルタ係数決定手段と、
   を備え、
   上記音源は直線上にそれぞれの間隔を不等間隔に配置し、
   直線上に配置された音源のうち、中央に配置された音源の間隔が最も小さく、端に向うほど上記音源の間隔が大きくなるように配置し、
   上記複数のセンサのうち、少なくとも一つは音源からのインパルス応答を所望の応答ベクトルとして音源に近接して設置し、他のセンサはゼロ応答を所望の応答ベクトルとすることを特徴とするエリア限定拡声装置。

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