JP4917090B2 - 大知覚音響サイズ及び大知覚音響イメージを有する小型オーディオ再生システム - Google Patents

Description

本発明は、概して、コンパクトなオーディオ再生システムに関し、特に、コンパクトなオーディオ再生システムにおける音源の知覚サイズの改良に関する。

テレビ、シェルフシステム、コンピュータ、携帯用娯楽センター(「ラジカセ」)、卓上ラジオ等のような、従来のコンパクトオーディオ再生システムには、例えば、音が「小さく」知覚されるという主な問題がある。そして、その結果、少なくとも部分的に、そのようなシステムは、満足の行く聴覚体験を提供しない。
もちろん、音源の知覚サイズは、音源の物理的な規模に関連する。さらに、音源の知覚サイズは、多くの心理音響的要素に依存し、その多くが十分には理解されていない。また、見かけの音源サイズは、大きな音源として知覚される放射音源が聴取者を拡散音場で覆う場合のように、「広大さ」又は音響環境に関連することも示されている。例えば、部屋の周りに広く分配された多くの物理的に小さい音源は、多くの方向からの音が結合することによって大きい音源である印象を生じさせるかもしれない。あるいは、部屋の周りに複数の音響イメージが生じることによって大きい音響スタジオにおり且つ室内がより拡散した音場となっている印象を生じさせるかもしれない。
もちろん、大きい音源の印象が生じる、拡散音場の中に聴取者を覆うこの特定の方法は、音源のすべてが互いに極めて接近して位置しているコンパクトオーディオ再生システムにおいては可能ではない。
この問題の追加的な側面は、コンパクトオーディオ再生システムが考え得るほとんど全ての姿勢においても使用され得ること、聴取者が前記システムの位置に対してほとんど全ての場所に存在し得ること、及び、聴いている間に移動され得ることである。

多くの異なる技術は、成功の程度の差はあれども、音源の知覚サイズを増大させるために適用されてきた。２つのスピーカを使用する一般的な技術の１つとして、一方のスピーカへ送られる周波数範囲の一部を意図的に位相ずれさせるものがある。周知のとおり、位相差信号要素は、不十分に局所化されるとともに、音源からの直接的な音を非局所化することにより音源がより大きい印象を生じさせ易い。しかしながら、この技術は、しばしば重要な音響規模(周波数特性)異常をもたらす。また、多くの聴取者が「何れの場所でもあるようでどこの場所でもない」という位相差信号の特性を不快なものとして知覚してしまう。

位相差技術のバリエーションとして、右の経路から左の経路を引くことによって生じるいわゆる差信号Ｌ−Ｒ又はその逆の差信号Ｒ−Ｌの様々な組み合わせが用いられる。一般に、差信号は、比較的大きい量の非相関環境情報を含んでいると考えられている。環境知覚をより大きくするための差信号の使用は、より大きい知覚を生じさせ、より部屋に満ちるような音にするのに有効であるが、しばしば明瞭性が減少する代償として、音が「それほど硬質でない」ように一般的に知覚される。差信号の様々な技術のいくつかは、音源に対する聴取者の位置が知られている場合によく使用され、よく機能している。
そのようなシステムは、例えば、Klaymanの米国特許番号4,748,669、Polkの米国特許番号4,489,432、及びCohenの米国特許番号4,308,423に開示されている。しかしながら、これらの技術は、一般的に、システムの音響放射要素（音源）が互いに非常に近いアプリケーションで、しかもシステムの音響環境及び聴取者の位置が一定しない状況においては、有効ではない。

多方向に音を放射することによって知覚される音源サイズを増大させるための多方向の音源を含んだ様々な他の技術が使用されている。これらに関する例には、Olsonの米国特許番号3,104,729やNicholsの米国特許番号3,627,948が含まれる。
他の技術として、Boseの米国特許番号3,727,004のような反射音及び直接音の組み合わせを利用するものや、１９４６年に出版されたCamrasの米国特許番号2,710,662のようなモノラルのシステムにおける知覚イメージを広げる早期の試みがある。
このような技術は、一般的に、単一の音声信号（経路）を再生する個々のスピーカの設計に適用されるものであり、ステレオ再生システム又はサラウンド音響システム等におけるように、それぞれが単一の音声経路を再生し且つ互いに広く離間された複数のスピーカを用いることを意図している。しかしながら、コンパクトオーディオ再生システムにおいては、信号経路毎の個々のスピーカは、お互いが非常に近接しているのが一般的であり、しばしば１フィートも離れていないものである。この場合、従来の複数方向の音響技術は、より拡散している音場を生じさせることによって、より大きい音源の印象を与えるかもしれないが、音源が互いに近接しているため、ステレオイメージの感覚を保持することができない。さらに、そのような小規模で実行されることにより、これらの設計の多くに特有のくし型フィルタ現象の結果として、主観的に容認できないレベルの音色となるかもしれない。
Boseの米国特許番号3,582,553は、図７及び図９に示されるように、単一のスピーカによるステレオ配置を開示している。このステレオ配置は、音の大部分が変更された左及び右の信号をそれぞれ受信する左及び右の後方スピーカによって放射される多方向音を採用している。より少量の音は、中央経路の信号又は変更された合計信号の何れかを受信する前方スピーカによって放射される。このシステムは、差信号、位相差信号に関する問題を避け、直接音に対する間接音の比率を高く維持することにより、くし型フィルタ現象をある程度減少させる。知覚音源サイズを増大させ且つステレオイメージの印象を維持することは、反射音の複雑なパターンに依存する。このようなシステムは、当該システムが予め決められた聴取領域に必要な反射音を届けるために正しく位置付けられることが許容されるような状況ではよく動作するかもしれない。

差信号及び反射音を組み合わせるアプローチは、Shimadaの米国特許番号3,892,624に示されている。そこでは、逆位相における変更された差信号が一対の近接配置されたドライブユニットに適用される。Boseにおける他の態様として、図１７及び図１８に示されるように、対応する前方ドライブユニットと同じ変更された差信号を受信するための近接配置された補助後方ドライブユニットの第２セットが、立体音響効果を高める目的で反射音を発生させるのに使用される。
さらなる態様において、反響効果を生じさせるための補助後方スピーカによって再生される信号にディレイが適用される。しかしながら、すぐに評価されるであろうこととして、位相差信号の使用は、音が「それほど硬質でない」という知覚を与え、同じ信号を生み出す非補償型の補助後方ドライブユニットの使用は、再生音の音色を知覚させることに加えてくし型のフィルタ現象の原因となる。
これらの後方信号へのディレイの導入は、より低い周波数へと音響偏差を単純シフトさせる。
また、Brownの米国特許番号3,153,120は、単一のキャビネットからステレオ再生を供給するために変更された差信号の使用を開示している。一実施形態において、反対方向を向く近接配置された一対のドライブユニットであって、２つの入力信号の変更合計信号を受信する前方を向くドライブユニットによって補完される一対のドライブユニットに差信号が適用されている。このアプローチは、差信号の使用及び位相差技術の双方についての前述した短所を持っている。

また、いわゆる「バーチャルサウンド」の技術は、見かけの音源サイズを拡大するのに用いられている。複雑な音響信号処理を利用するこれらの技術は、一組のスピーカから経験されるようなサラウンドサウンドを生じさせようとするものである。
このようなシステムの例としては、例えば、Mouriの米国特許番号5,799,094、Norrisの米国特許番号6,173,061、及びKlaymenの米国特許番号5,912,976に開示されている。
このような案は、スピーカ及び聴取者の位置の間が特定の関係にあることを頼りにしており、聴取者がある位置に留まることを必要とするとともに、例えば、卓上ラジオのようなコンパクトシステムにとって実用的である以上の距離が個々のスピーカ間に一般的に必要である。

従って、本発明の目的は、実際の物理的サイズよりはるかに大きい音源として知覚される少なくとも２つの入力信号のための小型オーディオ再生システムを提供することである。

さらなる本発明の目的は、十分なステレオ又は多チャンネルイメージを提供する少なくとも２つの入力信号のためのコンパクトオーディオ再生システムを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、上記目的を達成する性能が様々な音響環境における場所で許容される少なくとも２つの入力信号のためのコンパクトオーディオ再生システムを提供することである。

本発明の付随する目的は、少なくとも２つの入力信号のための小型オーディオ再生システムであって、前記システムに対して任意の位置に位置する聴取者によって、実際の物理的サイズよりも大きな音源として知覚され、且つ、十分なステレオ又は多チャンネルイメージを知覚させ得る小型オーディオ再生システムを提供することである。

本発明によれば、２つの入力信号のための小型オーディオ再生システムにおいて、第１入力信号及び第２入力信号と、第１、第２、第３及び第４スピーカであって、前記第１、第２、第３及び第４スピーカが四角形の第１、第２、第３及び第４の頂点にそれぞれ位置され、前記第１及び第３スピーカが対角線上に配置され且つ前記第２及び第４スピーカが対角線上に配置され、前記第１から第４の全てのスピーカが前記四角形の中心から離間する方向に音を放射するように配置されており、前記第１、第２、第３及び第４のスピーカの何れか２つの間の最大距離が前記第１、第２、第３及び第４のスピーカの何れか２つの間の最小距離の４倍以下である第１、第２、第３及び第４スピーカと、前記第１及び第３スピーカが当該第１及び第３スピーカによって受信された信号に関連した音を再生するように、前記第１及び第３スピーカに前記第１信号を伝達する手段と、前記第１スピーカによって受信される信号をディレイさせる変更手段と、前記第２及び第４スピーカが当該第２及び第４スピーカによって受信された信号に関連した音を再生するように、前記第２及び第４スピーカに前記第２信号を伝達する手段と、前記第２スピーカによって受信される信号をディレイさせる変更手段とを備え、前記第３及び第４スピーカは障害物へ向けられる後方スピーカとして構成され、前記第１及び第２スピーカは前記障害物から離間する方向を向き且つ聴取範囲を向く前方スピーカとして構成され、前記第１及び第２スピーカによって受信される信号は、前記前方スピーカ及び後方スピーカ間の最も短い距離と同一又はそれより大きく且つ前記前方スピーカ及び後方スピーカ間の最も長い距離よりも小さい音距離だけディレイされており、これにより、前記第１、第２、第３及び第４のスピーカによって再生される音は、聴取者に前記四角形の物理的サイズよりも大きい音源があるように知覚されるオーディオ再生システムが提供される。

一形態においては、前記四角形は、一辺が２フィート以下の矩形とされる。
好ましくは、前記矩形は、約９インチの幅及び約６インチの奥行きを有するものとされる。
他形態においては、前記四角形は、一辺が２フィート以下の台形とされる。

好ましくは、本発明に係るオーディオ再生システムは、前記第１及び第２入力信号を変更する信号変更手段と、前記変更された第１及び第２入力信号を前記第３及び第４スピーカに送信する手段とをさらに備え得る。
前記信号変更手段は、４００Ｈｚから２，０００Ｈｚの間に中心が置かれ、１オクターブより大きいバンド幅且つ−４ｄＢを超える減衰を有するバンド除去フィルタを含む周波数応答の均等化を含み得る。

前記音距離は、０．７５ミリ秒に略等しいものとされ得る。

ここに組み込まれ、明細書の一部を形成する添付図面は、詳細な説明とともに本発明を例示し、本発明の本質を説明するとともに当業者が本発明を実施及び使用可能とするために供される。

ここで、同一の参照文字／参照符号が同一又は作用的に類似する構成要素を示している図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。特定の構成及び配置について論じるが、これは例示目的のためだけになされたものと理解されるべきである。当業者は、本発明の趣旨及び範囲を超えない限り他の構成及び配置を使用可能であると認められるだろう。

図１は、本発明に係る第１実施形態を示している。
スピーカＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４は、矩形Ｒ１のほぼ頂点に位置され、前記矩形の中心から離間する方向に音を放射するように向けられている。前記第１入力信号Ｌは、互いに対角線上に配置されたスピーカＬ１及びＬ３に接続されている。第２入力信号Ｒは、互いに対角線上に配置されたスピーカＬ２及びＬ４に接続されている。スピーカＬ１及びＬ４間の辺Ｓ１の長さは、スピーカＬ２及びＬ３間の辺の長さと略同じである。同様に、スピーカＬ３及びＬ４間の辺Ｓ２の長さは、スピーカＬ１及びＬ２間の長さと略同じである。当業者にはよく知られているように、聴取者の２つの耳における相関両耳間差は、音像定位の原因となる一方、非相関両耳間差は、音源サイズの知覚の原因となると信じられている。図１のシステムの周りの任意の位置に位置される聴取者に対し、この配置は聴取者の２つの耳における相関及び非相関の両方に関し十分な両耳間差を提供し、音源が前記システムの物理的な規模より大きいという知覚を与え、且つ、十分なステレオセパレーション及びステレオイメージを提供することが実験上で確認された。

図１を再度参照すると、スピーカＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４の配置により決定される矩形Ｒ１において最も大きい寸法Ｓ２は、約２フィートを超えたり、約４インチを下回るべきではなく、最も長い辺の長さと最も短い辺の長さとの比を用いて計算される矩形Ｒ１の縦横比が４対１を超えるべきではないことが実験上で確認された。この寸法範囲が本システムの音響性能に有害なものとして知覚されるような周波数範囲におけるくし型フィルタ現象を減少させることは、実験により示された。また、この寸法範囲がより大きいイメージサイズの知覚及び所定のステレオイメージの知覚に寄与することが実験上で示された。
これは、約６．７５インチの両耳間距離に対するこれらの寸法の関係の結果であると思われる。
本発明に係る詳細な実施形態において、矩形Ｒ１の最も長い辺及び最も短い辺の寸法は、それぞれ９インチ及び６インチである。

図２は、本発明の第２実施形態を示している。
本実施形態は、スピーカが任意の形状の四角形Ｑの頂点に位置されていることを除いて前記第１実施形態と同様に作用するものである。本実施形態においては台形が図示されているが、何れか２つのスピーカ間の最長距離が何れか２つのスピーカ間の最短距離の１／４以下である限り、スピーカＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４の許容される配置として他の異なる形状の四角形が適用され得る。

図３は、本発明に係る第３実施形態を示している。
本実施形態は、第１及び第２実施形態と同様に機能する。この第３実施形態において、スピーカＬ１及びＬ２は、前方スピーカとして設計され、スピーカＬ３及びＬ４は、後方スピーカとして設計される。後方スピーカＬ３及びＬ４は、前記第１及び第２入力信号Ｌ及びＲの変更信号を個別に受信する。変更手段ＥＱＬ及びＥＱＲは、例示でありこれに限定されるものではないが、くし型フィルタ現象を減少させ、装置が壁のような障害物の近くに位置する場合の知覚音響性能を改善させるために、前記入力信号の周波数応答の均等化を含んでいてもよい。変更入力信号を受信するスピーカＬ３，Ｌ４は、通常、実質的に前記障害物へ向けられ、前記スピーカＬ１，Ｌ２は、通常、実質的に前記障害物から離間する方向へ向けられる。

この第３実施形態の一実施例において、前記変更手段ＥＱＬ及びＥＱＲは、バンド除去フィルタを含んでいる。
特定の実施例において、そのようなバンド除去フィルタは、約４００Ｈｚから２，０００Ｈｚの間に中心が置かれ、約１から３オクターブの間のバンド幅及び約−４ｄＢから−１０ｄＢの間のゲインを有している。
この第３実施形態の他の実施例において、前記信号変更手段ＥＱＬ及びＥＱＲは、高周波ロールオフを含んでいる。特定の実施例において、前記高周波ロールオフは、略２ｋＨｚ−１０ｋＨｚ間の周波数において略−６ｄＢのゲインを供給する。変更手段ＥＱＬ及びＥＱＲの他の例は、アナログ又はデジタル回路の何れかで実現されるハイパス及びローパスフィルタ、バンド強調又は除去フィルタ及びハイ又はローシェルビングフィルタの組み合わせを含んでもよい。

図４は、本発明に係る第４実施形態を示している。
本実施形態は、前記第１及び第２実施形態と同様に機能し、前記第３実施形態と同様に、スピーカＬ１及びＬ２が前方スピーカとして構成され、スピーカＬ３及びＬ４が後方スピーカとして構成される。
この第４実施形態において、前方スピーカＬ１及びＬ２は、前記第１及び第２入力信号Ｌ及びＲの変更信号を個別に受信する。ここで、変更手段ｄＴＬ及びｄＴＲは、ディレイを含んでいる。アナログ回路を用いて短時間のディレイを実現することは可能であるが、容易なことではない。ディレイは、一般に、様々な形式のデジタル信号処理で実行され、また、様々な形式の周波数特性変更に組み込まれてもよい。一般に、ディレイ入力信号を受信するスピーカＬ１及びＬ２は、何れの障害物からも離間する方向を向き、且つ聴取範囲の大部分に向けられている。前方スピーカ及び後方スピーカ間の最も短い距離より大きく、且つ、前方スピーカ及び後方スピーカ間の最も長い距離よりも短い音距離に略一致するディレイが、装置の周りの任意の位置にいる聴取者によって知覚されるくし型フィルタ現象を減少させ、さらに、ステレオセパレーション及びステレオイメージの知覚を増大させることが実験的に究明された。

この第４実施形態の一実施例において、左及び右前方ディレイｄＴＬ及びｄＴＲは、前方スピーカＬ１及び最も近い後方スピーカＬ４間の音距離と略等しい。この第４実施形態の特定の実施例において、前方スピーカＬ１及びＬ２と後方スピーカＬ４及びＬ３との間イの音距離Ｓ１は、それぞれ、約６インチであり、左及び右前方ディレイｄＴＬ及びｄＴＲは、０．７５ミリ秒に略等しい。

図５は、本発明に係る第５実施形態を示している。左及び右前方スピーカＬ１及びＬ２は、左及び右後方スピーカＬ４及びＬ３からそれぞれ第１距離Ｓ１離れた位置に位置している。左及び右前方スピーカＬ１及びＬ２は、互いに第２距離Ｓ２離れた位置に位置している。左及び右後方スピーカＬ４及びＬ３は、互いに第３距離Ｓ３離れた位置に位置している。図５に示されるように、４つのスピーカのすべてが同じ単一の物理構造に搭載されている。左及び右入力信号Ｌ及びＲは、それぞれ左及び右前方スピーカによって再生されるべく左及び右前方スピーカＬ１及びＬ２に接続されている。また、左及び右入力信号Ｌ及びＲは、それぞれ右及び左後方スピーカによって再生されるべく右及び左後方スピーカＬ３及びＬ４に接続されている。この第５実施形態の特定の実施例において、第１、第２及び第３距離Ｓ１，Ｓ２及びＳ３は、略以下の値を有している。
即ち、
Ｓ１−６インチ
Ｓ２−８．５インチ
Ｓ３−９．５インチ
である。

この第５実施形態の他の実施例においては、前記左及び右後方スピーカＬ４及びＬ３によって再生されるべく該左及び右後方スピーカＬ４及びＬ３に接続された信号を個別に均等化する信号補正手段ＥＱＲ及びＥＱＬが備えられている。

この第５実施形態のさらに他の実施例においては、前記左及び右前方スピーカＬ１及びＬ２によって再生されるべく該左及び右前方スピーカＬ１及びＬ２に接続される信号をディレイさせるための手段が備えられている。この第５実施形態の本側面に関する特定の実施例において、前記ディレイは、０．７５ミリ秒に略等しい。

ここに開示された方法のさらなるアプリケーションは、当業者にとって明らかであるだろう。一例として、これに限定されるものではないが、上述した第３及び第４実施形態における後方スピーカに対する均等化及び前方スピーカに対するディレイを、他の実施形態で述べられた前記前方及び後方スピーカの幾何学的配置の何れにも適用することができる。また、これらの実施例は、本発明の範囲内にあるものと考慮される。追加の実施形態は、請求の範囲内に含まれる。

図１は、本発明に係る一実施形態において矩形配置の４個のスピーカを用いた場合の平面図を示す。 図２は、本発明に係る一実施形態において任意の四角形に位置された４個のスピーカを用いた場合の平面図を示す。 図３は、本発明に係る一実施形態において後方スピーカを均等に分離した場合の平面図を示す。 図４は、本発明に係る一実施形態において前方スピーカのために別々にディレイ信号を用いた場合の平面図を示す。 図５は、本発明の詳細例の図面を示す。

Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ スピーカ
Ｌ 第１入力信号
Ｒ 第２入力信号
Ｑ 四角形
Ｒ１ 矩形
Ｓ１ 奥行き
Ｓ２，Ｓ３ 幅
ＥＱＬ，ＥＱＲ 信号変更手段（バンド除去フィルタ）
ｄＴＬ，ｄＴＲ 信号変更手段（ディレイ）

Claims (7)

1. 第１入力信号及び第２入力信号と、
   第１、第２、第３及び第４スピーカであって、前記第１、第２、第３及び第４スピーカが四角形の第１、第２、第３及び第４の頂点にそれぞれ位置され、前記第１及び第３スピーカが対角線上に配置され且つ前記第２及び第４スピーカが対角線上に配置され、前記第１から第４の全てのスピーカが前記四角形の中心から離間する方向に音を放射するように配置されており、前記第１、第２、第３及び第４のスピーカの何れか２つの間の最大距離が前記第１、第２、第３及び第４のスピーカの何れか２つの間の最小距離の４倍以下である第１、第２、第３及び第４スピーカと、
   前記第１及び第３スピーカが当該第１及び第３スピーカによって受信された信号に関連した音を再生するように、前記第１及び第３スピーカに前記第１信号を伝達する手段と、
   前記第１スピーカによって受信される信号をディレイさせる変更手段と、
   前記第２及び第４スピーカが当該第２及び第４スピーカによって受信された信号に関連した音を再生するように、前記第２及び第４スピーカに前記第２信号を伝達する手段と、
   前記第２スピーカによって受信される信号をディレイさせる変更手段とを備え、
   前記第３及び第４スピーカは障害物へ向けられる後方スピーカとして構成され、前記第１及び第２スピーカは前記障害物から離間する方向を向き且つ聴取範囲を向く前方スピーカとして構成され、
   前記第１及び第２スピーカによって受信される信号は、前記前方スピーカ及び後方スピーカ間の最も短い距離と同一又はそれより大きく且つ前記前方スピーカ及び後方スピーカ間の最も長い距離よりも小さい音距離だけディレイされており、これにより、前記第１、第２、第３及び第４のスピーカによって再生される音は、聴取者に前記四角形の物理的サイズよりも大きい音源があるように知覚されることを特徴とするオーディオ再生システム。
2. 前記四角形は、一辺が２フィート以下の矩形であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記矩形は、約９インチの幅及び約６インチの奥行きを有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記四角形は、一辺が２フィート以下の台形であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１及び第２入力信号を変更する信号変更手段と、前記変更された第１及び第２入力信号を前記第３及び第４スピーカに送信する手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記信号変更手段は、４００Ｈｚから２，０００Ｈｚの間に中心が置かれ、１オクターブより大きいバンド幅且つ−４ｄＢを超える減衰を有するバンド除去フィルタを含む周波数応答の均等化を含んでいることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記音距離は、０．７５ミリ秒に略等しいことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のシステム。

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