JP4395746B2

JP4395746B2 - 音響システム

Info

Publication number: JP4395746B2
Application number: JP2004296326A
Authority: JP
Inventors: 廉人棚瀬
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2006109339A

Description

本発明は、音声や楽音などを指向性音波として放射し、リスナに受聴させるための技術に関する。

複数のスピーカユニットを列方向或いは面状に配列したスピーカシステムは、一般に、アレイスピーカと呼ばれている。このアレイスピーカでは、各スピーカユニットに供給するオーディオ信号の遅延時間を適切にコントロールすることで、指向性を有する音波（以下、音響ビームという）を所望の方向に放射することができる。つまり、各々のスピーカユニット自体の向きを変えることなく、音響ビームの方向を自在に変えることができる、という点がアレイスピーカの最大の特徴である。この種のアレイスピーカを応用した技術として、例えば特許文献１には、リスナが居る部屋の天井にアレイスピーカを設置しておき、このアレイスピーカから放射される音響ビームを壁面に反射させて音像を定位させるという技術が開示されている。また、特許文献２には、上記のようなアレイスピーカを回転させることで、リスナから見て３６０°のいずれの方向にも音像を定位させることを可能する技術が提案されている。

特許文献１，２に記載された従来技術では、音響ビームをリスナの上方から壁面に放射し、この壁面でリスナが居る方向に音響ビームを反射するようにしている。しかしながら、通常の壁面では鏡面反射しか起こり得ないことや、アレイスピーカの設置位置が天井などのあまり邪魔にならないエリアに制約されてしまうなどといった事情から、従来技術では、音響ビームを到達させることが可能な範囲が限定されてしまうという問題がある。また、アレイスピーカは複数のスピーカユニットによって構成されているので、比較的大型化してしまう傾向にある。従って、このようなアレイスピーカのサイズに見合うだけの設置エリアを音響空間に確保しなければならない。また、例えばレセプションルームやモデルルーム等のデザイン性の高い音響空間においては、そのアレイスピーカの存在感によって、空間全体のデザインの統一性を阻害してしまう虞がある。
特開平９−２３３５９１号公報特開平９−２３３５８８号公報

本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも指向性音波の到達範囲に自由度を持たせるとともに、アレイスピーカ等の放音手段の大型化によって生じる諸問題を解消することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、スリット状の遮蔽物を含む遮蔽手段によって他の空間と隔てられた第１の空間に配置され、放射されてくる音波を受聴エリアに向けて反射する複数の反射手段と、前記遮蔽手段によって他の空間と隔てられた第２の空間に配置され、オーディオ信号に基づいた指向性音波を、前記受聴エリアに向けて直接放射せずに、前記遮蔽物のスリットを通って前記各反射手段に向かう方向に放射する放音手段とを備えた音響システムを提供する。この音響システムによれば、放音手段を、第１の空間とは隔てられた第２の空間に配置しているのにも関わらず、その第１の空間内の受聴エリアに指向性音波を到達させることができる。つまり、指向性音波の到達範囲により自由度を持たせることが可能となる。また、第１の空間には、放音手段の配置エリアを確保する必要がない。この第１の空間はリスナを収容する役割を担うから、この第１の空間から放音手段の配置スペースを省くことができれば便利である。また、第１の空間が仮にデザイン性の高い部屋であったとしても、その空間全体のデザインの統一感を放音手段の存在によって阻害することもない。さらに、受聴エリアのリスナから見れば、自身がいる空間に放音手段が見当たらないのにも関わらず音が聞こえてくることになり、リスナに独特の面白みを知覚させることができる。

本発明において、前記第１の空間の壁面が少なくとも一部の吸音材料によって形成されていることが望ましい。これによって、放音手段によって放射されてくる指向性音波が壁面によって反射されることを回避することができる。

本発明の好ましい態様においては、前記反射手段の反射面の向きを変える反射面駆動手段を備えている。この態様によれば、例えば受聴エリアの位置又は大きさに応じて、反射手段の反射面の向きを変えることが可能となる。

また、本発明の別の好ましい態様においては、前記第１の空間には複数の前記反射手段が配置されており、前記放音手段によって放射される指向性音波の進行方向を、前記複数の反射手段のうちのいずれかの反射手段に向かう方向から、別の反射手段に向かう方向に移動させる音像移動手段を備えている。この態様によれば、所望する反射手段の位置に音像を定位させることができ、例えば映画やＴＶゲームなどでの独特の臨場感或いは特殊音響効果を演出することが可能となる。

また、本発明の別の好ましい態様においては、前記第１の空間は遮蔽物によってさらに複数の空間に隔てられており、これら複数の空間のうち受聴エリアが存在する受聴空間には、放射されてくる音波をその受聴エリアに向けて反射する反射手段が配置され、これら複数の空間のうち受聴エリアが存在しない１又は複数の反射空間には、放射されてくる音波を前記受聴空間に配置された反射手段に向けて反射する反射手段、又は、放射されてくる音波を前記受聴空間により近い反射空間に配置された反射手段に向けて反射する反射手段のいずれかが配置されている。このようにすれば、指向性音波の反射を複数回繰り返すことで、その指向性音波を受聴エリアまで導くことができる。

まず、本実施形態に用いるアレイスピーカの原理について簡単に説明しておく。
図１は、２つのスピーカユニットＳＰ１，ＳＰ２によって構成されたアレイスピーカＡＳＰの電気的構成を示す図である。図１においては、スピーカユニットＳＰ１，ＳＰ２の中心軸Ｙ１，Ｙ２は平行であり、かつ、スピーカユニットＳＰ１，ＳＰ２のコーン（振動板）が中心軸Ｙ１，Ｙ２の方向に等しい位置となるように配置されているものとする。また、中心軸Ｙ１と中心軸Ｙ２との間隔を「ａ」とし、中心軸Ｙ１，Ｙ２から音波の放射方向Ｙ１１，Ｙ２２への角度（以下、放射角という）を「θ」とする。受音点が十分に遠いと仮定すると、スピーカユニットＳＰ１から放射方向Ｙ１１に放射された音波と、スピーカユニットＳＰ２から放射方向Ｙ２２に放射された音波との行路差は、ａ・ｓｉｎθとなる。

オーディオ信号は、入力端子Ｔinから遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２を介してスピーカユニットＳＰ１，ＳＰ２に供給される。なお、本実施形態における「オーディオ信号」とは、例えば人間の音声や楽器の演奏音といった種々の音を示す信号であり、典型的には音の時間軸上の波形を示す信号である。遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２では、オーディオ信号に対して遅延時間Ｄ１，Ｄ２（Ｄ２≧Ｄ１）分の遅延処理が施される。従って、スピーカユニットＳＰ１から放射される音波と、スピーカユニットＳＰ２から放射される音波との間には、時間差（Ｄ２−Ｄ１）が生じることになる。このような両音波の時間差のほかに、放射方向Ｙ１１，Ｙ２２の行路差があるから、受聴エリアの位置に応じて両音波の位相関係が異なることになる。例えば、ある受聴エリアにおいては両音波が同相となって加算され、音量が２倍となる。また、ある受聴エリアにおいては両音波が逆相となって相殺され、音量が０となる。従って、各々の遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２における遅延量を適切にコントロールすれば、アレイスピーカＡＳＰから放射される音波に所望の指向性を持たせることができる。もちろん、スピーカユニットの数がもっと多くなってもその原理は同じである。なお、遅延処理に代えて、オーディオ信号の位相のシフト（移相）やレベルの調整を行っても、音波に指向性を持たせることが可能である。

また、図１では、オーディオ信号のチャネル数を１つとしていたが、チャネル数をもっと多くしてもよい。また、各チャネルのオーディオ信号に対して適切な遅延量で遅延処理を施した後に、これら遅延処理が施されたオーディオ信号を加算して各スピーカユニットから放射すれば、チャネル別の音響ビームをそれぞれ異なる方向に放射することが可能となる。例えば、別々の楽音をそれぞれ異なる音響ビームとして放射したり、別々の言語のスピーチや映画の吹き替え音声をそれぞれ異なる音響ビームとして放射する、といったことを実現することができる。

次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２は、実施形態に係る音響システムの構成を示す平面図である。図２に示すように、音響空間Ｓは、遮蔽物Ｂによって、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２に隔てられている。第２の空間Ｓ２には、放音手段としてのアレイスピーカＡＳＰが設けられている。一方、第１の空間Ｓ１には、アレイスピーカＡＳＰから放射されてくる音響ビームをリスナ（受聴エリア）Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に向けて反射する手段として、ビーム反射装置が複数個（図２ではビーム反射装置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の３個）設けられている。第１の空間Ｓ１の内壁面は吸音材料によって形成されている。遮蔽物Ｂは、空間を隔てる役割を担うものであればよく、例えば壁材とかシャッター等の建築部材や、遮音性カーテンなどの内装部材や、間仕切りパネルや観葉植物などの各種の設置物などである。ただし、図２を見て分かるように、遮蔽物Ｂは第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とを完全に隔てるのではなく、両空間を隔てていない空間部分（図２の斜線部分ｈ）を少なくとも一箇所は確保しておく必要がある。なぜなら、この空間部分（斜線部分ｈ）は、アレイスピーカＡＳＰからビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３に向けて放射される音響ビームの行路となるからである。

アレイスピーカＡＳＰは、水平方向に一列に配列された８個のスピーカユニットＳＰ１〜ＳＰ８によって構成されている。図３は、アレイスピーカＡＳＰとその周辺装置の電気的構成を示すブロック図である。オーディオ信号は、メイン制御部ＣＵから入力端子Ｔin、遅延回路ＤＬ１〜ＤＬ８およびレベル制御回路Ｗ１〜Ｗ８を通じてスピーカユニットＳＰ１〜ＳＰ８に供給される。遅延回路ＤＬ１〜ＤＬ８は、入力されたオーディオ信号の遅延ないし位相のシフト（移相）を行う。レベル制御回路Ｗ１〜Ｗ８は、入力されたオーディオ信号のレベルを減衰ないし増幅する。遅延回路ＤＬ１〜ＤＬ８およびレベル制御回路Ｗ１〜Ｗ８の動作パラメータは、メイン制御部ＣＵから供給される制御信号によって設定される。制御部ＣＵは、ＣＰＵや各種メモリを備えており、操作部ＵＩに接続されている。音響システムのオペレータは、操作部ＵＩを操作することにより、遅延回路ＤＬ１〜ＤＬ８およびレベル制御回路Ｗ１〜Ｗ８に設定すべき動作パラメータを指定することができる。例えば遅延回路ＤＬ１〜ＤＬ８による遅延時問を適切に設定すれば、アレイスピーカＡＳＰから任意の放射角θで音響ビームを放射させることができる。

アレイスピーカＡＳＰの設置位置と、各々のビーム反射装置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の設置位置との関係から、アレイスピーカＡＳＰからどの程度の放射角で音響ビームを放射すれば、その音響ビームをビーム反射装置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各々にあてることができるかを特定しておくことができる。図２の例では、アレイスピーカＡＳＰから放射角θ１で音響ビームを放射すればビーム反射装置Ｐ１にあてることができ、アレイスピーカＡＳＰから放射角θ２で音響ビームを放射すればビーム反射装置Ｐ２にあてることができ、アレイスピーカＡＳＰから放射角θ３で音響ビームを放射すればビーム反射装置Ｐ３にあてることができることを示している。

各ビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３は、図４の斜視図に示すように、例えばパラボラ形状や半円形状の反射体１０と、この反射体１０の下部から鉛直下方に伸びるシャフト２０と、シャフト２０を支持する基部３０とを有している。基部３０にはモータ４０が内蔵されており、このモータ４０の回転によってシャフト２０が矢印ｂ方向に回動させられる。シャフト２０と反射体１０は固定されているので、このシャフト２０の回動に伴って、反射体１０もシャフト２０の軸方向を中心として、矢印ｃ方向に首を振るように回動する。つまり、モータ４０は、反射体（反射面）の向きを変える反射面駆動手段として機能する。反射体１０の回動量を適切に調整すれば、その反射体１０がちょうどリスナの方向に向くようにすることができる。反射体１０の回動量は、例えば、ビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３に設けられた操作つまみを操作して指定してもよいし、各ビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３に通信ケーブルを介して接続された操作盤を操作して指定してもよい。この操作に応じて、モータ４０は指定された量でシャフトを回動する。例えばリスナが移動した場合には、そのリスナの位置に応じて反射体１０を回動させ、その反射面の向きをリスナの方向に向くように調整すればよい。

再び図２に戻り、アレイスピーカＡＳＰから例えば放射角θ１で放射された音響ビームは、リスナＬ１の前方に位置するビーム反射装置Ｐ１の方向に進み、そのビーム反射装置Ｐ１で反射してからリスナＬ１に到達する。従って、リスナＬ１は、自らの前方にあるビーム反射装置Ｐ１から反射されてくる音を聞くことになり、音像が自らの前方に定位しているように感じる。アレイスピーカＡＳＰから放射角θ２，θ３で放射された音響ビームについても同様に、それぞれビーム反射装置Ｐ２，Ｐ３で反射してからリスナＬ２，Ｌ３に到達する。従って、リスナＬ２，Ｌ３も、自らの前方にあるビーム反射装置Ｐ２，Ｐ３から反射されてくる音を聞くことになり、音像が自らの前方に定位しているように感じることになる。また、各々のリスナＬ１，Ｌ２，Ｌ３に到達した後の指向性音波は、第１の空間Ｓ１の内壁面の吸音部材によって吸収されるので、再反射によって引き起こされる問題を懸念する必要はない。

なお、アレイスピーカＡＳＰから放射される音響ビームは極めて指向性が強いとはいっても、多少のサイドローブ（漏れ音）が発生する。ただし、このサイドローブは遮蔽物Ｂによって遮られるので、リスナＬ１〜Ｌ３には届きにくい。よって、遮蔽物ＢはこのサイドローブをリスナＬ１〜Ｌ３に到達させにくいような位置に配置されていることが望ましい。また、仮に多少のサイドローブがリスナＬ１〜Ｌ３に届いたとしても、その音量よりもビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３で反射した音響ビームの音量のほうがはるかに大きいので、このサイドローブによって重大な問題が引き起こされる可能性は低い。また、ビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３の背後に吸音部材を設置し、この吸音部材によってサイドローブを吸音するようにしてもよい。この場合、第１の空間Ｓ１の壁面全体を吸音部材によって構成しなくても、ビーム反射装置Ｐ１〜Ｐ３の背後のような壁面の一部を吸音部材によって構成すればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、アレイスピーカＡＳＰをリスナが居る第１の空間Ｓ１と隔てられた第２の空間に設置しているので、第１の空間においては、アレイスピーカを設置するためのスペースを必要としない。この第１の空間はリスナを収容する役割を担うから、アレイスピーカの設置エリアを省くことができれば、収容能力の観点からは好都合である。また、第１の空間が仮にデザイン性の高い部屋であったとしても、そのデザイン性の統一感をアレイスピーカＡＳＰの存在感によって阻害することもない。さらに、リスナから見れば、自身が居る空間（第１の空間Ｓ１）にスピーカが見当たらないのにも関わらず音が聞こえてくるので、リスナに独特の面白みを感じさせる効果も期待できる。

以上に述べた実施形態は次のように変形してもよい。
遮蔽物によって音響空間を遮る方法には幾つかある。例えば図５に示すように、複数の遮蔽物Ｂ１，Ｂ２によって、第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とを隔てるようにしてもよい。さらに音響ビームと音響ビームとの間に充分な距離があれば、スリット状の遮蔽物Ｂ３を設けるようにしてもよい。遮蔽物による遮蔽度合いが高ければ高いほど、前述したようなサイドローブの回り込みを防止することができる。また、リスナから見れば、遮蔽度が高くて空間の閉塞感が大きいのにも関わらず、どこからか音が聞こえてくるので、独特の面白みを感じられるという効果がより顕著になる。

また、図６に示すように、第１の空間Ｓ１を遮蔽物によってさらに複数の空間に隔てるようにしてもよい。これら複数の空間のうち、受聴エリア（リスナＬ）が存在する空間Ｓ1-1を受聴空間と呼び、受聴エリア（リスナＬ）が存在しない空間Ｓ1-2,1-3を反射空間と呼ぶ。受聴空間Ｓ1-1には、放射されてくる音波を受聴エリアに向けて反射するビーム反射装置Ｐ1-1を設置しておく。また、この受聴空間Ｓ1-1に距離的に近いほうの反射空間Ｓ1-2には、放射されてくる音波を受聴空間Ｓ1-1に設置されたビーム反射装置Ｐ1-1に向けて反射するビーム反射装置Ｐ1-2を設置する。そして、受聴空間Ｓ1-1から距離的に遠い方の反射空間Ｓ1-3には、放射されてくる音波を、反射空間Ｓ1-2に設置されたビーム反射装置Ｐ1-2に向けて反射するビーム反射装置Ｐ1-3を設置する。このようにすれば、アレイスピーカＡＳＰから放射された音響ビームの反射を複数回繰り返すことで、その音響ビームを受聴エリアまで到達させることができる。もちろん、反射空間の数がさらに増えても上記の仕組みは同じである。このような技術は、ホールのような大空間にも適用可能である。例えば、ステージ上にビーム反射装置を設置し、ステージ袖にアレイスピーカを設置して、アレイスピーカから放射された音響ビームをビーム反射装置で反射するようにすれば、客席の観客に音像定位効果を与えることが可能となる。

ビーム反射装置は、反射体１０の凹面を反射面として利用するだけではなく、その裏面（凸面）を反射面として利用することもできる。音響ビームを凹面で反射した場合には、図２に模式的に示したように、音響ビームは収束しながら受聴エリアに向かって進行する。これに対し、凸面で反射した場合には、凹面とは逆に、反射後の音響ビームが空間内を拡散しながら進行する。このような拡散反射方式は、例えばパーティ会場などで多数のリスナが動き回っていて各リスナの位置を特定し得ないような場合に便利である。また、上記のような反射面を有するビーム反射装置に代えて、円柱形状や角柱形状或いはハニカム形状の空洞を多数連ねてなる再放射体を、本発明の反射手段として利用してもよい。

また、ビーム反射装置が複数個設置されているにもかかわらず、リスナが１人しか居ない場合（つまり受聴エリアが１つの場合）には、次のような態様を採り得る。例えば、複数のビーム反射装置のうち、そのリスナの方向を向いているビーム反射装置のみに対して、アレイスピーカＡＳＰから１束の音響ビームのみを放射するようにしてもよい。また、全てのビーム反射装置の反射面をそのリスナの方向に向けておき、アレイスピーカＡＳＰから複数束の音響ビームを各ビーム反射装置に対して放射するようにしてもよい。この場合には、メイン制御部ＣＵからの制御信号でオーディオ信号の遅延時間を調整し、アレイスピーカＡＳＰによって放射される音響ビームの進行方向を、複数のビーム反射装置のうちのいずれかのビーム反射装置に向かう方向から、別のビーム反射装置に向かう方向に連続的に移動させるようにしてもよい。このようにすれば、リスナから見て音像を例えば左から右へと変化させることができ、映画やＴＶゲームなどでの独特の臨場感或いは特殊音響効果を演出することが可能となる。

また、実施形態では放音手段としてアレイスピーカを用いていたが、放射角θを事前に決定し得るのであれば、このアレイスピーカに代えて、指向性音波を放射することが可能な指向性スピーカを用いてもよい。ただし、音像を移動させるような場合には（つまり、放射角θを柔軟に変化させるような場合には）、放射角を適宜変更し得るアレイスピーカを用いることが望ましい。なお、アレイスピーカにおいて、遅延回路ＤＬ１〜ＤＬ８およびレベル制御回路Ｗ１〜Ｗ８は、ＤＳＰにより構成することができる。この場合は、端子Ｔinからのオーディオ信号をＡ／Ｄ変換してからＤＳＰに供給し、ＤＳＰからの信号をＤ／Ａ変換してからスピーカユニットＳＰ１〜ＳＰ８に供給すればよい。

アレイスピーカが音響ビームを放射するための原理を説明する図である。本発明の一実施形態に係る音響システムの全体構成を示す模式図である。同システムにおけるアレイスピーカとその周辺装置の電気的構成を示すブロック図である。同システムにおけるビーム反射装置の外観構成を示す斜視図である。同システムの変形例を示す図である。同システムの変形例を示す図である。

符号の説明

Ｓ・・・音響空間、Ｓ１・・・第１の空間、Ｓ２・・・第２の空間、ＡＳＰ・・・アレイスピーカ、ＳＰ１〜ＳＰ８・・・スピーカユニット、Ｗ１〜Ｗ８・・・レベル制御回路、ＤＬ１〜ＤＬ８・・・遅延回路、ＣＵ・・・メイン制御部、ＵＩ・・・操作部、Ｐ１〜Ｐ３・・・ビーム反射装置、Ｂ・・・遮蔽物、Ｌ１〜Ｌ３・・・リスナ。

Claims

スリット状の遮蔽物を含む遮蔽手段によって他の空間と隔てられた第１の空間に配置され、放射されてくる音波を受聴エリアに向けて反射する複数の反射手段と、
前記遮蔽手段によって他の空間と隔てられた第２の空間に配置され、オーディオ信号に基づいた指向性音波を、前記受聴エリアに向けて直接放射せずに、前記遮蔽物のスリットを通って前記各反射手段に向かう方向に放射する放音手段と
を備えた音響システム。