JP4400485B2 - 適応型音場支援装置 - Google Patents

Description

既存の室内音響条件をベースに音響効果を増強する音場支援装置に関し、特に設置条件や音場条件が悪い場合でもハウリングの発生を抑制して音響効果を増強できる音場支援装置に関する。

コンサートホール・多目的ホールなどの音響施設では、ロック・ポップス・クラシックなど様々な音楽が演奏される。このような音響施設は、残響感・音量感・拡がり感といった音響効果が良好になるように設計されている。しかし、音響効果は、音響施設の規模や構造、演奏する音楽の種類によって異なっている。そのため、すべての音楽を最適な音響条件で演奏することができるように、音響施設の音響条件を調整することは困難であった。

そこで、従来、建築音響に関わる室内の主要な音響効果を、電気音響の支援により自然に変化させることができる音場制御装置が開示されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
特許第２７３７５９５号公報 特許第２９５６６４２号公報

特許文献１，２に開示された音場制御装置は、ハウリングを抑制するために、マイクロフォン・スピーカの組み合わせを時間的に変える、またはフィルタを時間的に変化させる（ＦＭ変調）などの時変機能を音響帰還系に導入している。しかし、特許文献１，２に開示された音場制御装置は、施工後に具体的なハウリングの発生条件が決まる。そのため、音場制御装置の施工後にハウリングが発生しないようにする調整が不可欠であり、実際に装置から放音される音を測定しながらループゲインの調整やイコライジングしなければならず、調整に多くの手間と時間が必要になるという問題があった。

また、特許文献１，２に開示された音場制御装置は、スピーカから放音された残響音をマイクロフォンで収音してループさせることで残響成分を増幅して、残響感・音量感・拡がり感などの音響効果を増加させる。そのため、上記の音場制御装置では、小空間のようにマイクロフォン・スピーカ間を所定の距離以上確保できない音場条件であると、上記のようにハウリングの抑制機能を備えていても、ハウリングを制御することが難しくなる。また、上記のような小空間においてハウリングの発生を抑制するためには、音場制御装置のループゲインを低下させる必要がある。しかし、音場制御装置のループゲインを低下させると、十分な音響効果が得られないという問題があった。

さらに、特許文献１，２に開示された音場制御装置では、調整時と実際のホール使用時とで音場条件が異なるという問題があった。例えば、調整時はステージ上には何もない状態で行う。しかし、オペラ公演時にはステージ上に大道具を設置した状態となる。また、オーケストラの公演時にはステージ上に複数の演奏者が着席した状態になる。このように、ステージ上の状態が異なると、ホールの音響条件が変化する。さらに、ホール内の温度や湿度が変化しても、ホールの音響条件が変化する。そのため、音場制御装置の調整時にマージンをかなり取る必要がある。しかし、その結果としてシステムの効果を下げることになるという問題があった。

そこで、本発明は、上記の各問題を解決して、小空間や音響条件が変化する室内空間においても、ハウリングの発生を抑制することができ、初期反射音及び後部残響音による音響効果を良好にすることができる音場支援装置を提供することを目的とする。

（１）音響空間に設置され、音源が発した音及び周囲から伝搬する音を収音するマイクロフォンと、
前記音響空間の音響を支援する音を放音するスピーカと、
前記スピーカから前記マイクロフォンへ至る音響帰還路の伝達関数を推定して、前記マイクロフォンの収音信号から、前記スピーカからの帰還音信号を除去する適応フィルタを有するハウリングキャンセル手段と、
前記適応フィルタが推定した伝達関数のインパルス応答から前記音響空間の初期反射音成分と後部残響音成分とを切り出す切り出し手段と、
前記切り出し手段が切り出したインパルス応答の初期反射音成分に、前記収音信号から前記帰還音信号を除去した残差信号を畳み込んだ初期反射音支援信号を生成する初期反射音支援信号生成手段と、
前記切り出し手段が切り出したインパルス応答の後部残響音成分に基づいて、所定の音響条件を決定し、決定した音響条件に基づくインパルス応答に、前記残差信号を畳み込んだ後部残響音支援信号を生成して出力する第１の後部残響音支援信号生成手段と、
前記切り出し手段が切り出したインパルス応答の後部残響音成分を前記後部残響音支援信号に畳み込んだ信号を、前記残差信号に加算する第２の後部残響音支援信号生成手段と、
前記初期反射音支援信号及び前記後部残響音支援信号を増幅して前記スピーカへ出力するアンプと、
を備えたことを特徴とする。

この構成においては、適応型音場支援装置は、スピーカからマイクロフォンへ至る音響帰還路の伝達関数を適応フィルタによって推定して、マイクロフォンの収音信号から、スピーカからマイクロフォンへ至る帰還音信号を除去する。したがって、ハウリングキャンセル手段によって、ハウリングが発生する前の帰還音信号をキャンセルしてハウリングを防止することができるとともに、ハウリングが発生した場合でも、ハウリング音を速やかに減衰させることができる。

また、適応フィルタは、音場の変化によりスピーカからマイクロフォンへ至る帰還音が変化すると、この帰還音を減衰させるように、音響帰還路の伝達関数を更新する。したがって、室内空間の音場の条件が変化しても、その変化に対応してスピーカからマイクロフォンへ至る帰還音信号をマイクロフォンの収音信号から確実に除去してハウリングの発生を抑制できる。

さらに、適応フィルタが推定した伝達関数のインパルス応答は、室の音響条件に応じたものであり、適応型音場支援装置では、適応フィルタが推定した伝達関数のインパルス応答から初期反射音成分と後部残響音成分とを切り出して、これらインパルス応答の各成分に、スピーカからマイクロフォンへ至る帰還音信号を除去したマイクロフォンの収音信号を畳み込んで、室で発生する初期反射音及び後部残響音を模した支援信号を生成する。したがって、初期反射音及び後部残響音の音響効果、すなわち残響感・音量感・拡がり感を室の音響条件及びその変化に応じて増強でき、また、音場の状態やその変化に応じて自然な残響延長を行うことができる。

（２）前記第１の後部残響音支援信号生成手段は、決定した音響条件に基づくフィルタ係数が設定される第１のＦＩＲフィルタを有し、
前記第２の後部残響音支援信号生成手段は、前記適応フィルタが推定した伝達関数に基づくフィルタ係数が設定される第２のＦＩＲフィルタを有し、
前記第１のＦＩＲフィルタの入力端に前記第２のＦＩＲフィルタの出力が加算された後の前記残差信号が入力され、前記第１のＦＩＲフィルタの出力端から後部残響音支援信号が取り出されて、前記第１のＦＩＲフィルタと前記第２のＦＩＲフィルタとは、ループ状に接続されることを特徴とする。

この構成においては、第１のＦＩＲフィルタと第２のＦＩＲフィルタとをループ状に接続することで、音響ループを人工的に創り出す。また、第２のＦＩＲフィルタには、適応フィルタが推定した伝達関数に基づくフィルタ係数が設定され、適応フィルタは室の音場の状態に基づいて伝達関数を推定する。したがって、第２のＦＩＲフィルタには、室の音響条件及びその変化に応じて、フィルタ係数を変化させることができる。したがって、第１のＦＩＲフィルタと第２のＦＩＲフィルタから成る音響ループにより、適応型音場支援装置を設置する室と、この室に仮想的に連設された第２の室と、の間で、音源から発した音が反響して発生する後部残響音を模した後部残響音支援信号を生成できる。また、第１のＦＩＲフィルタ及び第２のＦＩＲフィルタのフィルタ係数は、任意の値を設定可能なので、後部残響音の残響時間の延長及びレベルの増強を行うことができるとともに、室内空間の音響効果を増強できる。

（３）前記ループ状に接続された第１のＦＩＲフィルタ及び第２のＦＩＲフィルタのループゲインを測定し、このループゲイン、及び初期反射音支援信号生成手段のゲインを予め設定した値に調整するループゲイン調整手段を備えたことを特徴とする。
この構成においては、ループゲイン調整手段によって、ループ状に接続された第１のＦＩＲフィルタ及び第２のＦＩＲフィルタのループゲインと、初期反射音支援信号生成手段のゲインと、が予め設定した値に調整される。したがって、初期反射音支援信号生成手段及び後部残響音支援信号生成手段の動作を安定されることができる。また、音響ループのループゲインを測定し、このループゲインを予め設定した値に調整するので、従来の音場支援装置の設置時に必要であったループゲインの測定やイコライジングといった現場での調整作業を大幅に減らすことができる。
（４）前記切り出し手段が切り出した伝達関数のインパルス応答の後部残響音成分からノイズ成分を除去して、前記第１の後部残響音支援信号生成手段及び前記第２の後部残響音支援信号生成手段へ出力するノイズ補正手段を備えたことを特徴とする。

この構成においては、ノイズ補正手段は、伝達関数のインパルス応答の後部残響音成分からノイズ成分を除去して後部残響音生成手段へ出力する。したがって、後部残響音の終端部がノイズに埋もれることなく、後部残響音の残響時間をさらに延長させることができる。

（５）ハウリングキャンセル手段の調整用テスト音声信号を生成するテスト音声生成手段と、
前記テスト音声生成手段の動作時に、前記スピーカへ前記調整用テスト音声信号のみを出力する切り替え手段と、
を備えたことを特徴とする。

この構成においては、適応型音場支援装置は、テスト音声生成手段で生成したハウリングキャンセル手段の調整用テスト音声信号のみをスピーカから放音させることができる。したがって、適応型音場支援装置の起動時や、ステージ上の大道具の配置が変更された場合などに、テスト音声生成手段で生成したテスト音声信号によりハウリングキャンセル手段を調整しておくことで、音場に応じた最適な初期反射音及び後部残響音を生成して放音することができる。

この発明によれば、スピーカからマイクロフォンへ帰還する帰還音を除去するために音場の状態や変化を推定した伝達関数を、初期反射音及び後部残響音の調整に用いるので、音場の状態や変化に応じて自然な残響延長を行うことができ、安定な状態で室内空間の音響を支援することができる。

また、適応型音場支援装置を設置する室に第２の室を仮想的に併設した状態を創り出すことができるので、例えば、第２の室を適応型音場支援装置を設置する室と同様の条件に設定することも可能であり、所望の音場を設定して好みの残響を生成することも可能である。

さらに、スピーカからマイクロフォンへ帰還する帰還音信号を取り除くことにより、小空間のようにマイクロフォンやスピーカの設置条件が制限される場合でも、既存の室内音響条件をベースに音響効果を増強して音場を支援することができる。

加えて、適応フィルタは、スピーカからマイクロフォンへ至る帰還音が変化すると、この帰還音を減衰させるように、音響帰還路の伝達関数を更新するので、温度・気温により音場が変化する場合や、オペラ公演などのように舞台の条件が変わる場合でも、その変化に応じてハウリング音の発生を抑制することができる。

また、ハウリングの要因となる初期の強い反射音を取り除くことで、音響帰還路のループゲインを最小限にすることができ、十分な制御範囲を確保することができる。

さらに、ＦＩＲフィルタにより音響ループを人工的に創り出すことにより、事前にループゲインを推定することが可能となる。また、音響ループのループゲインを測定し、このループゲインを予め設定した値に調整するので、従来の音場支援装置の設置時に必要であったループゲインの測定やイコライジングといった現場での調整作業を大幅に減らすことができる。

また、伝達関数のインパルス応答の後部残響音成分からノイズ成分を除去して後部残響音生成手段へ出力するので、後部残響音の終端部がノイズに埋もれることなく、後部残響音の残響時間をさらに延長させることができる。

以下の説明では、本発明の適応型音場支援装置を小ホールに設けた場合を一例として説明する。

図１は、適応型音場支援装置の概略の配置図である。音響施設（室）の一例である小ホール７１は、ステージ７５と客席７６を備えている。また、ステージ７５の中央部に楽器とその奏者（以下、音源７７と称する。）が位置し、客席７６の中央部に聴取者７８が着席している。なお、同図には、音源７７を円形で表示している。

図１には、８組の適応型音場支援装置を小ホール７１に設置した場合を示している。すなわち、小ホール７１内を伝搬する音を収音できるように、小ホール７１の天井面７２にマイクロフォン１１−１〜１１−８を所定の間隔で配置する。また、小ホール７１の音響を支援するために、つまり、残響時間の延長やレベル増強などを行った初期反射音及び後部残響音を客席７６に対して放音するために、小ホール７１の側壁面７３にスピーカ５３−１〜５３−４を、側壁面７４に複数のスピーカ５３−５〜５３−８を、それぞれ所定の間隔で配置する。また、適応型音場支援装置の本体は、図外の舞台裏や調整室などに設置する。なお、マイクロフォン及びスピーカの配置並びに使用する適応型音場支援装置の数量は、音響施設の規模や形状によって異なる例えば、スピーカを側壁面だけでなく天井面に設けたりスピーカの放音面を天井に向けたりしたスピーカから初期反射音や後部残響音を支援する音を放音するように配置する場合もある。

図２は、適応型音場支援装置の概略のブロック図である。図３は、適応型音場支援装置が生成する初期反射音及び後部残響音の状態を示す図である。

適応型音場支援装置１は、収音部２、ハウリングキャンセル部３、初期反射音生成部４、後部残響音生成部５、加算器６、放音部７、反射音調整部８、及びテスト音声生成部９を備えている。

収音部２は、マイクロフォン１１、ヘッドアンプ１２、及びＡ／Ｄコンバータ１３を備えている。ハウリングキャンセル部３は、遅延回路２１、フィルタ部２３及び伝達系推定部２４を備えた適応フィルタ２２、並びに加算器２５を備えている。初期反射音生成部４は、ＦＩＲフィルタ３１及びイコライザ３２を備えている。後部残響音生成部５は、残響音生成フィルタ４１、加算器４２、ＦＩＲフィルタ４３、イコライザ４４、ＦＩＲフィルタ４５、イコライザ４６、及び残響音再生フィルタ４７を備えている。放音部７は、Ｄ／Ａコンバータ５１、パワーアンプ５２、及びスピーカ５３を備えている。反射音調整部８は、切り出し部６１、ノイズ調整部６２、残響調整部６３、及びループゲイン調整部６４を備えている。テスト音声生成部９は、オシレータ６６及びスイッチ６７を備えている。

収音部２は、小ホール７１のような室内空間において伝搬する音を収音して、ディジタル信号に変換して出力する。マイクロフォン１１は、周囲から伝搬する音、すなわち音源７７から放音された音（直接音）や、この音が小ホール７１の壁面・ステージ７５上の大道具などで反射して発生する初期反射音及び後部残響音、並びにスピーカ５３から放音された音など、周囲から伝搬する音を収音する。そして、マイクロフォン１１から出力された収音信号は、ヘッドアンプ１２で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ１３でディジタル化されて、ハウリングキャンセル部３の加算器２５に出力される。

ハウリングキャンセル部３は、スピーカ５３からマイクロフォン１１へ至る音響帰還路の伝達関数を推定して、前記マイクロフォンの収音信号から、マイクロフォン１１が収音したスピーカ５３からの帰還音信号を除去する。ここで、適応型音場支援装置１では、ハウリングキャンセル部３を設けていない場合、マイクロフォン１１とスピーカ５３との間が所定の距離以下であると、スピーカ５３から放音された初期反射音をマイクロフォン１１が収音して、１以上のゲインで増幅する動作を繰り返すので、ハウリングが発生する。しかし、適応型音場支援装置１では、ハウリングキャンセル部３によって、マイクロフォン１１の収音信号から、マイクロフォン１１が収音したスピーカ５３からの帰還音信号が除去されるので、ハウリングの発生を抑制することができる。

遅延回路２１は、スピーカ５３からマイクロフォン１１へ帰還する帰還音の時間遅延を推定して、加算器６の出力信号に時間遅延を付与する。そして、遅延回路２１は、適応フィルタ２２のフィルタ部２３及び伝達系推定部２４に信号を出力する。

適応フィルタ２２は、スピーカ５３からマイクロフォン１１に帰還する音響帰還路における音の伝達関数を模擬するフィルタであり、遅延回路２１が遅延した信号をフィルタリングする。そして、適応フィルタ２２は、このフィルタリングした信号を模擬信号として加算器２５へ出力する。

フィルタ部２３は、伝達系推定部２４が推定した音響帰還路の伝達関数に基づいて、遅延回路２１が出力した信号をフィルタリングし、模擬信号として加算器２５へ出力する。

伝達系推定部２４は、遅延回路２１で遅延された過去の音声信号と、加算器２５の出力信号である現在の音声信号と、に基づいて帰還音信号の消去誤差を検出する。そして、伝達系推定部２４は、模擬信号を帰還音信号に一致または近似させるべくフィルタ部２３の伝達関数を推定して自動更新する。伝達系推定部２４は、例えばＬＭＳ（Least Mean Square ）アルゴリズムのような適応アルゴリズムを用いて、伝達関数の更新を行う。また、伝達系推定部２４は、推定した伝達関数を、ＦＩＲフィルタ４５と、残響調整部６３を介してＦＩＲフィルタ４３とに出力する。ここで、伝達系推定部２４が推定した伝達関数は、適応型音場支援装置１を設置した小ホール７１内の音場をシミュレートしたものである。

加算器２５は、収音部２が出力した収音信号から適応フィルタ２２の出力信号を差し引いて出力する。つまり、加算器２５は、マイクロフォン１１の収音信号から、スピーカ５３からマイクロフォン１１へ帰還する帰還音信号を差し引いて出力する。加算器２５は、伝達系推定部２４、初期反射音生成部４のＦＩＲフィルタ３１、及び後部残響音生成部５の残響音生成フィルタ４１へ信号を出力する。

初期反射音生成部４は、音源７７から放音された音が小ホール７１の壁面などで反射して発生する初期反射音を模した初期反射音支援信号を生成する。また、初期反射音生成部４は、既存の室内音響条件をベースに、残響時間の延長やレベル増強を行って、音響効果を増強（改善）する。

ＦＩＲフィルタ３１は、切り出し部６１によって、小ホール７１の音響条件に基づくフィルタ係数が設定される。ＦＩＲフィルタ３１は、切り出し部６１が切り出したインパルス応答の初期反射音成分に、スピーカ５３からマイクロフォン１１への帰還音信号が除去されたマイクロフォン１１の収音信号を畳み込み、音源７７が発した音に応じて小ホール７１で発生する初期反射音を模した初期反射音支援信号を生成する。また、ＦＩＲフィルタ３１は、既存の室内音響条件、つまり小ホール７１の音響条件に基づいて初期反射音のレベル増強や残響時間の延長を行う。したがって、小ホール７１内の空間が拡張されたように聞こえる初期反射音がスピーカ５３から放音される。

イコライザ３２は、適応型音場支援装置１の設置時などに初期反射音の周波数特性やゲイン、各タップの時間間隔などを調整するためのものである。

後部残響音生成部５は、音源７７から放音される音の後部残響音を模した後部残響音支援信号を生成する。また、後部残響音生成部５は、既存の室内音響条件をベースに残響時間の延長やレベル増強を行って、音響効果を増強（改善）する。

ここで、以下の説明におけるクリティカルディスタンスとは、音源７７から放音される直接音と、その後部残響音と、のエネルギーバランスが等しくなる距離のことである。ステージ７５とマイクロフォン１１との距離がクリティカルディスタンス以下であると、音源７７から放音される直接音の方がその後部残響音よりもエネルギーが大きくなる。このときには、マイクロフォン１１で音源７７の後部残響音を十分に収音することができない。また、スピーカ５３と客席７６との距離がクリティカルディスタンス以下であると、スピーカ５３から放音される直接音の方がその後部残響音よりもエネルギーが大きくなる。このときには、客席７６が設置された空間に対してスピーカ５３から残響音を十分に放音することができない。

ここで、ＦＩＲフィルタ４３、イコライザ４４、ＦＩＲフィルタ４５、イコライザ４６、及び加算器４２によって構成される音響ループを、残響音生成ループ５０と称する。

残響音生成フィルタ４１は、小ホール７１の音響条件に基づくフィルタ係数が設定されている。すなわち、適応型音場支援装置１を設置する小ホール７１の音場をシミュレートしたインパルス応答、または小ホール７１において実測したインパルス応答を用いる。

残響音生成フィルタ４１は、小ホール７１の音響条件に基づくフィルタ係数が設定されている。残響音生成フィルタ４１は、スピーカ５３からマイクロフォン１１へ帰還する帰還音信号が除去されたマイクロフォン１１の収音信号を畳み込んで、小ホール７１内で発生する後部残響音を模した疑似信号を生成する。例えば、残響音生成フィルタ４１は、マイクロフォン１１とステージ７５上の音源７７との距離がクリティカルディスタンス以下となり、マイクロフォン１１が収音した収音信号に残響音がほとんど含まれていない場合に、後部残響音の疑似信号を生成して付加する。一方、マイクロフォン１１とステージ７５との距離がクリティカルディスタンスを超えている場合には、音源７７から放音される音の後部残響音の方が直接音よりもエネルギーが大きくなる。この場合には、マイクロフォン１１は、音源７７から放音される音の後部残響音を収音できるので、残響音生成フィルタ４１の機能をオフにしておき、加算器２５が出力した信号が残響音生成フィルタ４１を通過するように設定する。

加算器４２は、残響音生成フィルタ４１から出力された信号と、ＦＩＲフィルタ４５からイコライザ４６を介して出力された信号と、を加算して、ＦＩＲフィルタ４３へ信号を出力する。

ＦＩＲフィルタ４３は、小ホール７１に仮想的に併設した所定の大きさのカップルドルーム（Coupled Room）８１の音響条件に基づくフィルタ係数が設定されている。また、ＦＩＲフィルタ４３は、残響調整部６３によってフィルタ係数が設定・変更される。ＦＩＲフィルタ４３は、イコライザ４４を介してＦＩＲフィルタ４５及び残響音再生フィルタ４７へ信号を出力する。

イコライザ４４は、適応型音場支援装置１の設置時などに後部残響音の周波数特性やゲイン、各タップの時間間隔などを調整するためのものである。

ＦＩＲフィルタ４５は、切り出し部６１によって、小ホール７１の音響条件に基づくフィルタ係数が設定される。ＦＩＲフィルタ４５は、切り出し部６１が切り出したインパルス応答の後部残響音成分に、スピーカ５３からマイクロフォン１１への帰還音信号が除去されたマイクロフォン１１の収音信号を畳み込み、音源７７が発した音に応じて小ホール７１で発生する後部残響音を模した後部残響音支援信号を生成する。また、ＦＩＲフィルタ４５は、既存の室内音響条件、つまり小ホール７１の音響条件に基づいて後部残響音のレベル増強や残響時間の延長を行う。ＦＩＲフィルタ４５は、イコライザ４６を介して加算器４２へ信号を出力する。

イコライザ４６は、適応型音場支援装置１の設置時などに後部残響音の周波数特性やゲイン、各タップの時間間隔などを調整するためのものである。

ここで、本発明では、ＦＩＲフィルタ４３とＦＩＲフィルタ４５をループ状に並列に接続してＦＩＲフィルタ４３の入力側から加算器２５が出力した信号が入力され、ＦＩＲフィルタ４３の出力側から信号が取り出されるように構成することで、ＦＩＲフィルタ４３とＦＩＲフィルタ４５との間で後部残響音を模した信号を循環させながら出力させることができる。これにより、図３に示すように、オリジナル空間である小ホール７１とカップルドルーム８１との間で後部残響音を反響しながら、後部残響音が客席の聴取者に届いている状態をシミュレートしたものとなる。したがって、音源７７が発した音が、小ホール７１に連設されたカップルドルーム８１と小ホール７１との間で反響して発生する後部残響音を模した音をスピーカ５３から放音させることができる。また、ＦＩＲフィルタ４５において、後部残響音のレベル増強や残響時間の延長を行うようにフィルタ係数を設定することで、小ホール７１内の空間が拡張されたように聞こえる後部残響音をスピーカ５３から放音させることができる。また、ＦＩＲフィルタ４３には任意のフィルタ係数を設定可能なので、フィルタ係数に応じてカップルドルーム８１の音場を自由に設定することができ、小ホール７１のカップルドルームとして任意の音場を設定できる。

残響音再生フィルタ４７は、小ホール７１の音響条件に基づくフィルタ係数が設定されている。すなわち、適応型音場支援装置１を設置する小ホール７１の音場をシミュレートしたインパルス応答、または小ホール７１において実測したインパルス応答を用いる。残響音再生フィルタ４７は、スピーカ５３と客席７６との距離がクリティカルディスタンス以下となり、残響音を客席７６に対して十分に放音することができない場合などに、ＦＩＲフィルタ４３から出力された信号を畳み込んで、小ホール７１で発生する後部残響音を模した信号を生成して出力する。一方、スピーカ５３と客席７６との距離がクリティカルディスタンスを超えている場合には、音源７７から放音される音の後部残響音の方が直接音よりもエネルギーが大きくなる。この場合には、音源７７から放音される音の後部残響音を模した音をスピーカ５３から放音できるので、残響音再生フィルタ４７の機能をオフにしておき、後部残響音を模した信号が残響音再生フィルタ４７を通過するように設定する。

反射音調整部８は、音源７７から放音された音の初期反射音及び後部残響音が自然な響きとなってスピーカ５３から放音されるように、適応フィルタ２２の伝達系推定部２４が推定した伝達関数に基づいて初期反射音生成部４及び残響音生成ループ５０の調整を行う。

切り出し部６１は、適応フィルタ２２の伝達系推定部２４が推定した伝達関数のインパルス応答から初期反射音成分と後部残響音成分とを切り出す。そして、切り出し部６１は、インパルス応答の初期反射音成分をＦＩＲフィルタ３１へ出力し、インパルス応答の後部残響音成分をノイズ調整部６２へ出力する。

ノイズ調整部６２は、インパルス応答の後部残響音成分からノイズ成分を除去して、残響調整部６３へ出力する。

ここで、切り出し部６１及びノイズ調整部６２の動作の詳細について説明する。図４は、伝達関数の残響減衰カーブを示すグラフである。図４には、伝達関数の残響減衰カーブにおけるＲＭＳ（Root Mean Square）波形から求めた回帰直線を示している。一般的に、初期反射音と後部残響音とはエネルギーが異なっており、初期反射音と後部残響音とでは、残響減衰カーブの回帰直線の傾きが大きく異なっている。そのため、この回帰直線を用いて残響時間を計算し、残響減衰カーブの傾きが大きく変化する点を後部残響音の開始点とする。例えば、図４に示すように、回帰直線の傾きは点Ａにおいて大きく変化するので、この点を後部残響音の開始点とする。また、初期反射音の強い音場では、残響減衰カーブは初期の部分で落ち込みがあり、そこから後部残響音の減衰が始まるため、この変曲点位置を後部残響音の始まる点とすることもできる。

また、図４に示すように、適応フィルタ２２が推定した伝達関数の後部残響音成分は通常、終端部がノイズ成分によって埋もれてしまう。そのため、適応型音場支援装置１では、この問題を解消するために、ノイズ調整部６２によって、以下に説明するように後部残響音のノイズレベルの補正を行う。

図４に示すようにノイズレベルはほぼ一定であるため、ノイズ調整部６２は、後部残響音の残響減衰カーブにおける変曲点をノイズの開始点とする。そして、後部残響音の残響減衰カーブの延長線と、ノイズレベルと、の差から係数を算出する。さらに、ノイズ調整部６２は、この係数をノイズレベルにかけることで、残響減衰カーブがノイズに埋もれることなく引き続き減衰させる。なお、残響減衰カーブは、ほぼ一定であるノイズレベルよりも１０ｄＢ高い点においても、ノイズの影響を受けている。そのため、ノイズレベルよりも１０ｄＢ高い点を基点としてそれ以降の値に係数をかけて補正を行う。これにより、ノイズレベルの補正を確実に行うことができる。

次に、残響調整部６３は、ノイズ調整部６２によってノイズが除去されたたインパルス応答の後部残響音成分に基づいて、カップルドルーム８１の音響条件を決定し、この音響条件に基づいてＦＩＲフィルタ４３のフィルタ係数を設定・変更する。これにより、小ホール７１に仮想的に併設したカップルドルーム８１の音場を変化させる。図５は、ＦＩＲフィルタによる音響効果の改善の状態を示すグラフである。例えば、図５（Ａ）に示すように、伝達系推定部２４が推定した伝達関数に対して、時間軸で指数関数ファクタをかける。これにより、ＦＩＲフィルタ４３のインパルス応答特性において、残響減衰カーブの傾斜が変化するので、カップルドルームの平均吸音率を変更したように後部残響音の音響効果を変化させることができる。また、図５（Ｂ）に示すように、伝達系推定部２４が推定した伝達関数に対して、サンプリング周期を変更する。これにより、ＦＩＲフィルタ４３のインパルス応答特性は、時間軸で伸縮するので、カップルドルームのルームサイズを変更したように後部残響音の音響効果を変化させることができる。

ループゲイン調整部６４は、残響音生成ループ５０の入力信号レベルと出力信号レベルとに基づいて、残響音生成ループ５０のループゲインを測定する。そして、ループゲイン調整部６４は、後部残響音生成部５のループゲインが予め設定した値となるように、イコライザ４４とイコライザ４６を調整する。また、ループゲイン調整部６４は、イコライザ４４とイコライザ４６を調整した際に、後部残響音の模擬信号のレベルと初期反射音の模擬信号のレベルとが所定の比率となるように、初期反射音生成部４のイコライザ３２を調整する。

加算器６は、初期反射音生成部４の出力信号である初期反射音支援信号及び後部残響音生成部５の出力信号である後部残響音支援信号を加算する。そして、加算器６は、放音部７及びハウリングキャンセル部３へ両信号を出力する。

加算器６から放音部７へ出力されたディジタル信号は、Ｄ／Ａコンバータ５１でアナログ信号に変換される。そして、パワーアンプ５２は、初期反射音を模した初期反射音支援信号及び後部残響音を模した後部残響音支援信号を増幅して、スピーカ５３へ両信号を出力する。スピーカ５３は、音源７７から放音された音の初期反射音及び後部残響音を模した音を放音する。

テスト音声生成部９は、ハウリングキャンセル部３を調整するためのテスト音声信号を生成して、このテスト音声のみを出力させる。

オシレータ６６は、ハウリングキャンセル部３の調整用テスト音声信号を生成する。オシレータ６６に生成させるテスト音声としては、周波数帯域の広い音が好適である。例えば、ドラムの音やオーケストラが演奏する楽曲などが良い。

スイッチ６７は、加算器６の後段に接続され、初期反射音生成部４及び後部残響音生成部５と、テスト音声生成部９と、の接続を切り替える。スイッチ６７のＣ（コモン）端子は遅延回路２１及び放音部７のＤ／Ａコンバータ５１に接続され、ＮＣ（ノーマルクローズ）端子は加算器６に接続され、ＮＯ（ノーマルオープン）端子はテスト音声生成部９に接続されている。

スイッチ６７をＮＯ端子側に切り替えることで、加算器６が回路から切り離される。このとき、放音部７のスピーカ５３からは、初期反射音及び後部残響音を模した音を放音しなくなり、オシレータ６６が生成したテスト音声のみが放音される。例えば、適応型音場支援装置の起動時や、ステージ上の大道具の配置が変更された場合などに、テスト音声を放音するようにスイッチ６７を切り替えることで、ハウリングキャンセル部３を、小ホール７１の音場の状態に応じて調整することができる。したがって、適応型音場支援装置１は、ステージ上の大道具の配置が変更されたりして音場の状態が変化しても、音源７７から音が放音されると、ハウリングが発生することなく、直ちに音源７７から放音された音の初期反射音及び後部残響音をスピーカ５３から放音させることができる。

なお、テスト音声生成部９は、上記の構成に限るものではなく、他の構成であっても良い。例えば、オシレータ６６をハウリングキャンセル部３と加算器６との間に直接接続し、スイッチ６７をハウリングキャンセル部３と初期反射音生成部４との間に設けると良い。オシレータ６６を動作させる場合には、スイッチ６７を開放させることで、収音部２で収音した音声信号が初期反射音生成部４及び後部残響音生成部５に出力されないので、放音部７のスピーカ５３からは、オシレータ６６で生成したテスト音声のみを放音させることができる。

次に、本発明の適応型音場支援装置１を設置時の調整動作について説明する。小ホール７１に適応型音場支援装置１を設置した際に、マイクロフォン１１とステージ７５との距離がクリティカルディスタンス以下となる場合には、前記のように、マイクロフォン１１で音源７７の後部残響音を十分に収音することができない。この場合には、残響音生成フィルタ４１の機能をオンにしておき、マイクロフォン１１の収音信号から、音源７７から放音された音の後部残響音の模擬信号を生成するように設定する。これにより、小ホール７１とカップルドルーム８１との間で反響して残響時間が延長され、レベルが増強された後部残響音を生成することができる。

一方、マイクロフォン１１とステージ７５との距離がクリティカルディスタンスを超えている場合には、音源７７から放音される音の後部残響音の方が直接音よりもエネルギーが大きくなる。この場合には、音源７７から放音される音の後部残響音をマイクロフォン１１で収音できるので、残響音生成フィルタ４１をオフにしておき、信号が残響音生成フィルタ４１を通過するように設定する。これにより、マイクロフォン１１で収音した後部残響音が、さらにカップルドルーム８１で反響した状態、及びカップルドルーム８１と小ホール７１との間で反響した状態を模した後部残響音をスピーカ５３から放音させることができる。

また、小ホール７１に適応型音場支援装置１を設置した際に、スピーカ５３と客席７６の聴取者７８との距離がクリティカルディスタンス以下となる場合には、前記のように、スピーカ５３から後部残響音を十分に放音することができない。この場合には、残響音再生フィルタ４７の機能をオンにしておき、ステージ７５上の音源７７から放音された音の後部残響音の模擬信号を生成して出力するように設定する。これにより、小ホール７１及びカップルドルーム８１で反響し、最終的に小ホール７１で反響して客席７６に伝搬する後部残響音を生成してスピーカ５３から放音させることができる。

一方、スピーカ５３と客席７６の聴取者７８との距離がクリティカルディスタンスを超えている場合には、音源７７から放音される音の後部残響音の方が直接音よりもエネルギーが大きくなる。この場合には、音源７７から放音される音の後部残響音をスピーカ５３から放音できるので、残響音再生フィルタ４７をオフにしておき、音声信号が残響音再生フィルタ４７を通過するように設定する。これにより、小ホール７１及びカップルドルーム８１で反響した後部残響音をスピーカ５３から放音させて、この音を最終的に小ホール７１で反響させて客席７６に伝搬させることができる。

次に、ＦＩＲフィルタ３１、ＦＩＲフィルタ４３、及びＦＩＲフィルタ４５の周波数特性などの調整は、イコライザ３２，イコライザ４４、及びイコライザ４６のイコライジングにより行う。このとき、音源７７から放音された音、及び周囲から伝搬した残響音をマイクロフォン１１で収音させて、スピーカ５３から放音された初期反射音及び後部残響音を確認しながら、所望の音響効果が得られるように調整を行う。

適応型音場支援装置１は、既存の室内音響条件をベースに音響効果を増強する（音場を支援する）。すなわち、ＦＩＲフィルタ３１、ＦＩＲフィルタ４３、及びＦＩＲフィルタ４５に設定するインパルス応答特性を変更・調整して、図５（Ａ）に示すようにインパルス応答の各タップにおける残響減衰カーブの傾きを変更することで、室内空間における平均吸音率を変更したような音響効果が得られる。また、図５（Ｂ）に示すようにインパルス応答の各タップの間隔を変更することで、ルームサイズを変更したような音響効果が得られる。

例えば、ＦＩＲフィルタ４３には、カップルドルーム８１に相当するインパルス応答を設定するので、ＦＩＲフィルタ４３に設定するインパルス応答特性を変えることで、音場を変化させることができ、後部残響音の音響特性を変化させることができる。また、ＦＩＲフィルタに実測したインパルス応答を用いることで、より自然な音を創り出すことができる。さらに、ＦＩＲフィルタ４３及びＦＩＲフィルタ４５によって音響ループを人工的に創り出すことで、事前にループゲインを推定することが可能となる。したがって、従来の音場支援装置では調整に時間が必要であったループゲインの測定やイコライジングといった現場での調整作業を大幅に減らすことができる。

以上のように適応型音場支援装置１の調整を行うことで、適応型音場支援装置１を設置した小ホール７１の音響特性を保ちながら、音響効果に関わる重要な項目、すなわち、残響感・音量感・拡がり感を改善していくことができる。また、小ホール７１にカップルドルームを併設した場合と同様に、後部残響音の音響特性を変化させることができる。さらに、適応型音場支援装置１の設置後においても、残響調整部６３を操作することで、後部残響音の音響効果を変更することができる。

また、適応型音場支援装置１の起動時や、ステージ上の大道具の配置が変更された場合などには、テスト音声生成部９を動作させて、ハウリングキャンセル部３を調整する。すなわち、スイッチ６７をＮＯ端子側に切り替えて、加算器６が回路から切り離し、オシレータ６６を放音部７に接続する。そして、オシレータ６６を動作させて、オシレータ６６からテスト音声を数秒から十数秒間出力させる。そして、スイッチ６７をＮＣ端子側に切り替えて、加算器６を回路に接続する。

このようにすることで、ハウリングキャンセル部３を、小ホール７１の音場の状態に応じて調整することができ、ステージ７５で演奏が開始されると、直ちにハウリングの発生を抑制できる。

次に、適応型音場支援装置１の動作について説明する。適応型音場支援装置１は、ステージ７５上の音源７７から放音された音、周囲から伝搬した音、及びスピーカ５３から放音された音（音源７７から放音された音の初期反射音及び後部残響音を模した音）をマイクロフォン１１で収音する。ハウリングキャンセル部３は、スピーカ５３からマイクロフォン１１へ至る音響帰還路の伝達関数を推定して、マイクロフォン１１が収音したスピーカ５３からの帰還音信号を取り除くための模擬信号を生成する。加算器２５は、マイクロフォン１１の収音信号から、マイクロフォン１１が収音した帰還信号を取り除いて、初期反射音生成部４及び後部残響音生成部５へ音声信号を出力する。

反射音調整部８は、適応フィルタ２２の伝達系推定部２４が推定した伝達関数のインパルス応答から初期反射音成分を切り出して初期反射音生成部４へ出力する。また、反射音調整部８は、適応フィルタ２２の伝達系推定部２４が推定した伝達関数のインパルス応答から後部残響音成分を切り出して後部残響音生成部５へ出力する。初期反射音生成部４は、伝達系推定部２４から出力された伝達関数のインパルス応答における初期反射音成分に基づき、小ホール７１の音場の変化に応じて、音源７７の初期反射音の模擬信号を生成して、加算器６へ出力する。また、後部残響音生成部５は、伝達系推定部２４から出力された伝達関数に基づき、小ホール７１の音場の変化に応じて、音源７７の後部残響音の模擬信号を生成して加算器６へ出力する。加算器６は、音源７７の初期反射音及び後部残響音を模した音声信号をスピーカ５３へ出力する。スピーカ５３からは、音源７７の初期反射音及び後部残響音を模した音が出力される。

以上のように、本発明の適応型音場支援装置１は、適応フィルタ２２の伝達系推定部２４が推定した伝達関数に基づいて初期反射音及び後部残響音を模した音を生成するので、室内空間の音場の変化に応じて後部残響音を模した音を変化させることができる。したがって、適応型音場支援装置の設置時に行う調整作業を大幅に削減できる。また、小ホール７１の音響条件が変化しても、自動的に後部残響音や初期反射音の音響効果を変更することができるので、装置の調整時にマージンを取る必要がなく、システムの効果を向上させることができる。

また、本発明の適応型音場支援装置１では、適応フィルタ２２を用いたハウリングキャンセル部３を備えているので、気温の変化や音場の変化が発生したり、ステージ７５上に設置する大道具などの条件が変わったりしても、ハウリングの発生を防止できる。また、本発明の適応型音場支援装置１では、ハウリングキャンセル部３により、スピーカ５３からマイクロフォン１１への帰還信号を取り除くことができるので、マイクロフォンとスピーカとの距離がクリティカルディスタンス以下となる小空間であっても、ハウリングが発生することなく、既存の室内音響条件をベースに残響音の響きを豊かにすることができる。

なお、室の音響条件は、公演の開演直前や開幕時には確定する。そのため、伝達系推定部２４が推定した伝達関数に基づくＦＩＲフィルタ４５の調整、及び残響調整部６３によるＦＩＲフィルタ４３の調整は、公演の開演直前や幕が開いた時に一回だけ実施するように構成すると良い。

また、以上の説明では、本発明の適応型音場支援装置を小ホールに設けた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく室内空間であれば良い。例えば、本発明の適応型音場支援装置を大ホールや中ホールに設けた場合でも、わずかな調整で、初期反射音及び後部残響音の響きを豊かにすることができる。

また、以上の説明では、初期反射音生成部４及び後部残響音生成部５にＦＩＲフィルタを用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく他のフィルタを用いても良い。例えば、ＩＩＲフィルタなどを用いることが可能である。

適応型音場支援装置の概略の配置図である。 適応型音場支援装置の概略構成を示すブロック図である。 適応型音場支援装置が生成する初期反射音及び後部残響音の状態を示す図である。 伝達関数の残響減衰カーブを示すグラフである。 ＦＩＲフィルタによる音響効果の改善の状態を示すグラフである。

符号の説明

１−適応型音場支援装置 ２−収音部 ３−ハウリングキャンセル部
４−初期反射音生成部 ５−後部残響音生成部 ６−加算器
７−放音部 ８−反射音調整部 ９−テスト音声生成部
１１−マイクロフォン １２−ヘッドアンプ １３−Ａ／Ｄコンバータ
２１−遅延回路 ２２−適応フィルタ ２３−フィルタ部
２４−伝達系推定部 ２５−加算器 ３１，４３，４５−ＦＩＲフィルタ
３２，４４，４６−イコライザ ４１−残響音生成フィルタ ４２−加算器
４７−残響音再生フィルタ ５０−残響音生成ループ
５１−Ｄ／Ａコンバータ ５２−パワーアンプ ５３−スピーカ
６１−切り出し部 ６２−ノイズ調整部 ６３−残響調整部
６４−ループゲイン調整部 ６６−オシレータ ６７−スイッチ
７１−小ホール ７５−ステージ ７６−客席 ７７−音源
７８−聴取者 ８１−カップルドルーム

Claims (5)

1. 音響空間に設置され、音源が発した音及び周囲から伝搬する音を収音するマイクロフォンと、
   前記音響空間の音響を支援する音を放音するスピーカと、
   前記スピーカから前記マイクロフォンへ至る音響帰還路の伝達関数を推定して、前記マイクロフォンの収音信号から、前記スピーカからの帰還音信号を除去する適応フィルタを有するハウリングキャンセル手段と、
   前記適応フィルタが推定した伝達関数のインパルス応答から前記音響空間の初期反射音成分と後部残響音成分とを切り出す切り出し手段と、
   前記切り出し手段が切り出したインパルス応答の初期反射音成分に、前記収音信号から前記帰還音信号を除去した残差信号を畳み込んだ初期反射音支援信号を生成する初期反射音支援信号生成手段と、
   前記切り出し手段が切り出したインパルス応答の後部残響音成分に基づいて、所定の音響条件を決定し、決定した音響条件に基づくインパルス応答に、前記残差信号を畳み込んだ後部残響音支援信号を生成して出力する第１の後部残響音支援信号生成手段と、
   前記切り出し手段が切り出したインパルス応答の後部残響音成分を前記後部残響音支援信号に畳み込んだ信号を、前記残差信号に加算する第２の後部残響音支援信号生成手段と、
   前記初期反射音支援信号及び前記後部残響音支援信号を増幅して前記スピーカへ出力するアンプと、
   を備えたことを特徴とする適応型音場支援装置。
2. 前記第１の後部残響音支援信号生成手段は、決定した音響条件に基づくフィルタ係数が設定される第１のＦＩＲフィルタを有し、
   前記第２の後部残響音支援信号生成手段は、前記適応フィルタが推定した伝達関数に基づくフィルタ係数が設定される第２のＦＩＲフィルタを有し、
   前記第１のＦＩＲフィルタの入力端に前記第２のＦＩＲフィルタの出力が加算された後の前記残差信号が入力され、前記第１のＦＩＲフィルタの出力端から後部残響音支援信号が取り出されて、前記第１のＦＩＲフィルタと前記第２のＦＩＲフィルタとは、ループ状に接続される請求項１に記載の適応型音場支援装置。
3. 前記ループ状に接続された第１のＦＩＲフィルタ及び第２のＦＩＲフィルタのループゲインを測定し、このループゲイン、及び初期反射音支援信号生成手段のゲインを予め設定した値に調整するループゲイン調整手段を備えた請求項２に記載の適応型音場支援装置。
4. 前記切り出し手段が切り出した伝達関数のインパルス応答の後部残響音成分からノイズ成分を除去して、前記第１の後部残響音支援信号生成手段及び前記第２の後部残響音支援信号生成手段へ出力するノイズ補正手段を備えた請求項１乃至３のいずれかに記載の適応型音場支援装置。
5. ハウリングキャンセル手段の調整用テスト音声信号を生成するテスト音声生成手段と、
   前記テスト音声生成手段の動作時に、前記スピーカへ前記調整用テスト音声信号のみを出力する切り替え手段と、
   を備えた請求項１乃至４のいずれかに記載の適応型音場支援装置。

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