JP4924119B2 - アレイスピーカ装置 - Google Patents

Description

本発明は、フロントバーチャルサラウンド用のアレイスピーカ装置に関する。

近時、５．１ｃｈといった複数チャンネルの音声データを有したコンテンツが増えている。また、ステレオ（２ｃｈ）音声を５．１ｃｈの音声に拡張して再生するマトリクスデコード処理機能を持つ機器も増えている。一方、聴取者の前方に設置した（主に）２本のスピーカから、頭部伝達関数処理した音声信号を出力し、聴感的なサラウンド感が得られるフロントバーチャルサラウンドが普及しつつある（例えば、特許文献１参照。）。

フロントバーチャルサラウンドでは、音声の周波数特性の違いや、両耳間の位相差・音圧差を利用している。

人間は、音像定位（音声の到来方向）を、音声の周波数特性の違いや、音声の両耳間の位相差・音圧差により得ている。音声の周波数特性の違いは、音源からの音声が耳に届く直前の頭部（耳介や鼻等）での回折等の影響によるものであり、同じ音声でもその到来方向により周波数特性が異なるものとなる。この周波数特性の違いは、特に数ｋＨｚ以上で顕著である。そのため、聴取者に対して、フィルタにより周波数特性を加工した音声を聞かせることで、音源の定位を錯覚させることが可能である。

また、音声の両耳間の位相差・音圧差は、音源と両耳との距離差によるものであり、１ｋＨｚ以下で顕著である。そのため、聴取者に対して、ヘッドホンのように両耳へリークの無い状態で、両耳間の位相差・音圧差を設けた音声を提示できれば、特定の定位を錯覚させることが可能である。

図１は、クロストークを説明するための概念図である。フロントバーチャルサラウンドでは、図１に示すように、スピーカからの出力を聴取者の左右の耳に独立に提示できないので、スピーカから出力する音声の逆相の音声信号であるキャンセリング信号を別途出力してリーク分を抑制している（所謂、クロストークキャンセル処理）。
特開２００３−２３０１９９号公報

フロントバーチャルサラウンドは、上記のようにクロストークが存在するため、ヘッドホンに比べてサラウンド効果を得にくいという問題があった。

一方、前記クロストークキャンセル処理は、元々空間座標が２０ｃｍ程度の違いである左右の耳に異なる信号を与えなければならないため制御が難しかった。また、キャンセリングによる逆相感が強く、聴取者に不快感を与えてしまうこともあった。

また、部屋の反響により原信号と位相・周波数特性のずれた信号が耳に到達するため、信号の位相と周波数特性を利用するフロントバーチャルサラウンドの効果が阻害されるという問題があった。

さらに、視聴者が頭部を動かすことで、スピーカとの経路距離が変わるため、効果が変わってしまう。また、顔の水平角が変わった時に音源の定位が不自然な動きとなる等の問題があった。

そこで、本発明は、良好なサラウンド効果の得られるフロントバーチャルサラウンド用のアレイスピーカ装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１）１つの筐体に複数のスピーカユニットが配列されたアレイスピーカと、 左右チャンネルの音声信号に対して、聴取者の聴感上、左右の特定の位置に定位を感じる音声の特性を頭部伝達関数に基づいて付加する定位処理を行って出力する音源定位付与手段と、前記音源定位付与手段が出力した左音声信号を、前記アレイスピーカの全部または一部のスピーカユニットに分配し、各スピーカユニットが音声を放音するタイミングを制御して、前記アレイスピーカから聴取者の左耳に向けて狭指向性の音声ビームを出力させ、前記音源定位付与手段が出力した右音声信号を、前記アレイスピーカの全部または一部のスピーカユニットに分配し、各スピーカユニットが音声を放音するタイミングを制御して、前記アレイスピーカから聴取者の右耳に向けて狭指向性の音声ビームを出力させる放音方向制御手段と、 前記音声ビームの室内反響音をマスクする環境調整音声信号を出力する環境調整音声出力手段と、を備え、前記放音方向制御手段は、前記環境調整音声信号を、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットに対して分配し、これらのスピーカユニットから放音するタイミングを制御して、聴取位置の周囲に放音させることを特徴とする。

この構成においては、アレイスピーカ装置は、定位処理した左右音声を、聴取者の耳に向けて狭指向性の音声ビームとして出力させる。したがって、単一筐体でのシステム構成が可能となり、配線や配置が容易である。また、狭指向性の音声ビームを出力するので、音声の指向性が強くリークが減るので、ヘッドホンのように、サラウンド効果を得やすい。さらに、指向性が強いため、指向中心以外へ放出される音響エネルギーを低くできるので、壁からの反響といった環境要因を軽減できる。加えて、指向性の変更が容易であり、聴取する環境の変化に対応できる。また、この構成においては、環境調整音声信号を生成して、特定の指向性で放音させる。したがって、複数の音声信号の反響音が発生しても、環境調整音声信号によりマスクされるので、反響音による各音声信号の定位感の低下を防ぐことができる。

（２）前記音源定位付加手段は、前記アレイスピーカから聴取者の左耳に向けて放音した音声が前記聴取者の左耳のみに聞こえ、前記アレイスピーカから聴取者の右耳に向けて放音した音声が前記聴取者の右耳のみに聞こえるように、それぞれ反対側の耳に聞こえる音声を打ち消す音声信号を生成して出力するクロストーク補正手段を備えたことを特徴とする。

頭部伝達関数に基づいて仮想定位を付加された左右のチャンネルの音声信号は、ビーム化されており、セパレーションの良い信号である。この結果、左右の耳に提示する信号の、左右のセパレーションが良く、リーク分が小さい。この構成においては、クロストーク補正手段で、クロストークキャンセル処理を行うが、上記のように、ビーム化された音声のリーク分が減少する分、キャンセリング信号の音圧も減らすことができる。したがって、聴取者に逆相感・不快感を与えずに、サラウンド効果を改善することができる。

（３）聴取者の頭部または両耳の位置を検出する位置検出手段を備え、前記放音方向制御手段は、前記位置情報検出手段が出力した位置情報に基づいて、各スピーカユニットが音声を放音するタイミングを制御することを特徴とする。

この構成においては、聴取者の両耳の動き情報や位置情報を取得し、それに応じて、サウンドビームの放音タイミングを制御する。したがって、聴取者の頭部の動きに応じて、常にその耳に対してサウンドビームを出力することが可能となり、聴取者が頭部を動かした時に音像が消えたり、不自然に動いたりするのを改善できる。

本発明のアレイスピーカ装置は、単一筐体でのシステム構成が可能となり、配線や配置が容易である。また、狭指向性の音声ビームを出力するので、音声の指向性が強くリークが減るので、ヘッドホンのように、サラウンド効果を得やすい。さらに、指向性が強いため、指向中心以外へ放出される音響エネルギーを低くできるので、壁からの反響といった環境要因を軽減できる。加えて、指向性の変更が容易であり、聴取する環境の変化に対応できる。

まず、本発明の概略について説明する。本発明では、遅延アレイ方式のアレイスピーカにより狭指向性のサウンドビームを生成し、聴取者の耳の方向に出力する。また、このサウンドビームとして出力する音声に、頭部伝達関数に基づいて聴取者の聴感上、チャンネル毎に異なる特定の方向から聞こえる仮想定位を付加する。そして、左のフロント・リアチャンネルの音声によるサウンドビームを左耳の方向に出力し、右のフロント・リアチャンネルの音声によるサウンドビームを右耳の方向に出力する。これにより、従来問題であったクロストークが小さく、各チャンネルの音声の定位感を向上させることができる。

図２は、アレイスピーカを用いた遅延アレイ方式の原理説明図、及び遅延アレイ方式のアレイスピーカの指向性分布の一例を示す図である。

アレイスピーカ装置１は、遅延アレイ方式で音声を放音する。図２（Ａ）に示すように、線状や面状に配した複数のスピーカユニットＳＰａ〜ＳＰｅに、スピーカユニットＳＰａ’〜ＳＰｅ’から同時に音声を放音したように、同じ音響信号を少しずつ異なる遅延時間を与えて入力することで、音声が空間上のある一点Ｆを焦点として同時に到達し、また、焦点周辺の音響エネルギーが同相加算により強められて、焦点方向への強い指向性を有するサウンドビームを作り出すことができる。この技術を遅延アレイと称する。

図２（Ｂ）は、スピーカユニットを５ｃｍ間隔で直線状に２１個配置（総幅１００ｃｍ）し、Ｆを焦点としたアレイスピーカの２ｋＨｚ正弦波の指向性分布である。

遅延アレイ方式によれば、各ユニットに与える遅延値を変更するだけで、任意の主指向角を実現できる。また、ユニット毎に、任意の遅延値を与えられた複数のチャンネルの信号を重畳（加算）することで、略独立した複数のサウンドビームを生成できる。これは空間やスピーカが略線形系であるためである。

次に、アレイスピーカ装置１の構成について説明する、図３は、本発明の実施形態に係るアレイスピーカ装置の概略構成を示すブロック図である。以下の説明では、アレイスピーカ装置の一例として、５．１ｃｈサラウンドシステム用のものについて説明する。また、以下の説明では、５．１ｃｈサラウンドシステムにおいて、フロントの左チャンネルをＬ（Left）ｃｈ、フロントの右チャンネルをＲ（Right）ｃｈ、センタ（中央）チャンネルをＣ（Center）ｃｈ、リアの左チャンネルをＳＬ（Surround Left）ｃｈ、リアの右チャンネルをＳＲ（Surround Right）ｃｈ、サブウーハをＬＦＥ（Low Frequency Effects）ｃｈと称する。なお、５．１ｃｈサラウンドシステムにおいて、ＬＦＥｃｈは、他の５ｃｈと帯域が異なり、処理が特殊であるため、以下の説明ではＬＦＥｃｈの音声信号の処理については説明を省略する。

アレイスピーカ装置１は、入力端子１１、デコーダ１３、頭部伝達関数処理部（以下、ＨＲＴＦと称する。）１５、環境調整信号生成部１６、方向制御部（図３にはＤｉｒＣと表記。）１７Ａ〜１７Ｃ、方向制御部１８、加算器１９−１〜１９−Ｎ、Ｄ／Ａコンバータ２１−１〜２１−Ｎ、パワーアンプ２３−１〜２３−Ｎ、アレイスピーカ２５を構成するスピーカユニット２５−１〜２５−Ｎ、操作部２７、表示部２９、記憶部３１、撮影部３５、及び制御部３７を備えている。

入力端子１１は、不図示の外部オーディオ機器と接続され、外部オーディオ機器が出力した（デジタル）オーディオ信号が入力される。

デコーダ１３は、入力端子１１から入力された（デジタル）オーディオ信号をデコードして、ＳＬｃｈ、Ｌｃｈ、Ｒｃｈ、及びＳＲｃｈのオーディオ信号をＨＲＴＦ１５に、Ｃｃｈのオーディオ信号を方向制御部１７Ｃに出力する。

ＨＲＴＦ１５は、制御部３７の設定に従い、各々のチャンネルのオーディオ信号に対して適した方向（例えば、ＩＴＵ−Ｒ ＢＳ．７７５−１準拠）に定位を感じる聴感特性を、頭部伝達関数に基づいて付加する。

方向制御部１７Ａ〜１７Ｃは、制御部３７の設定に従い、各チャンネルのオーディオ信号を適切に遅延させた信号を生成し、スピーカユニット２５−１〜２５−Ｎの全部または一部に分配する。方向制御部１７Ａ〜１７Ｃにより付加される遅延により、各々のチャンネルの音声信号のサウンドビーム化が可能である。

環境調整信号生成部１６は、制御部３７の設定に従い、マスキング信号を生成して、方向制御部１８に出力する。

方向制御部１８は、制御部３７の設定に従い、マスキング信号を適切に遅延させた信号を生成し、スピーカユニット２５−１〜２５−Ｎの１つまた複数に分配する。方向制御部１８により付加される遅延により、マスキング信号に特定の指向特性を付与できる。

加算器１９−１〜１９−Ｎは、それぞれ方向制御部１７Ａ〜１７Ｃ及び１８から出力されたオーディオ信号を加算して出力する。

Ｄ／Ａコンバータ２１−１〜２１−Ｎは、加算器１９−１〜１９−Ｎが出力したデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換して出力する。

パワーアンプ２３−１〜２３−Ｎは、Ｄ／Ａコンバータ２１−１〜２１−Ｎが出力したアナログオーディオ信号を増幅して出力する。

スピーカユニット２５−１〜２５−Ｎは、パワーアンプ２３−１〜２３−Ｎが増幅したオーディオ信号を音声に変換して放音する。

操作部２７は、アレイスピーカ装置１に対するスピーカの設定操作等を受け付けて、その操作に応じた信号を制御部３７に出力する。

表示部２９は、制御部３７から出力された制御信号に基づいてユーザに伝達する情報を表示する。

記憶部３１は、スピーカの設定パターン等を記憶しており、操作部２７で受け付けた操作に応じて、制御部３７からデータが読み出される。

撮影部３５は、聴取者を含む領域を撮影して、その映像データを制御部３７に出力する。

制御部３７は、アレイスピーカ装置１の各部を制御する。また、制御部３７は、撮影部３５が出力した映像データを解析して、聴取者の耳介の位置等を算出する。

図４は、ＨＲＴＦの構成の一例を示すブロック図である。ＨＲＴＦ１５は、定位付加部４３Ａ〜４３Ｄ、加算器４５Ａ〜４５Ｂ、クロストーク補正部４７Ａ〜４７Ｂ、及び加算器４９Ａ〜４９Ｂを備えている。

ＳＬｃｈ定位付加部４３Ａは、ＦＩＲフィルタ４３ＡＬ及びＦＩＲフィルタ４３ＡＲを備えている。ＦＩＲフィルタ４３ＡＬには、聴取者左後方に定位する音像から聴取者の左耳までの伝達関数に基づいたフィルタ係数が設定され、ＦＩＲフィルタ４３ＡＲには、前記音像から聴取者の右耳までの伝達関数に基づいたフィルタ係数が設定される。聴取者の左耳にＦＩＲフィルタ４３ＡＬの出力を、右耳にＦＩＲフィルタ４３ＡＲの出力を提示することで、ＳＬｃｈのオーディオ信号に仮想定位を付加することができる。

Ｌｃｈ定位付加部４３Ｂ、Ｒｃｈ定位付加部４３Ｃ、及びＳＲｃｈ定位付加部４３Ｄは、ＳＬｃｈ定位付加部４３Ａと同様に、それぞれ、聴取者左前方、右前方、右後方に定位する音像から聴取者左右耳までの伝達関数に基づいたＦＩＲフィルタを備えており、Ｌｃｈ、Ｒｃｈ、ＳＲｃｈのオーディオ信号に仮想定位を付加することかできる。

加算器４５Ａは、ＦＩＲフィルタ４３ＡＬ、４３ＢＬ、４３ＣＬ、及び４３ＤＬが出力したオーディオ信号を加算する。

加算器４５Ｂは、ＦＩＲフィルタ４３ＡＲ、４３ＢＲ、４３ＣＲ、及び４３ＤＲが出力したオーディオ信号を加算する。

クロストーク補正部４７Ａには、左音声信号サウンドビームの聴取者の右耳への頭部伝達関数の逆関数に対応するフィルタ係数が設定される。

クロストーク補正部４７Ｂには、右音声信号サウンドビームの聴取者の左耳への頭部伝達関数の逆関数に対応するフィルタ係数が設定される。

加算器４９Ａは、加算器４５Ａが出力する音声信号と、クロストーク補正部４７Ｂが出力する音声信号と、を加算して方向制御部１７Ａに出力する。この操作により、加算器４５Ａからの出力の聴取者左耳へのクロストークをキャンセルする。

加算器４９Ｂは、加算器４５Ｂが出力する音声信号と、クロストーク補正部４７Ａが出力する音声信号と、を加算して方向制御部１７Ｂに出力する。この操作により、加算器４５Ｂからの出力の聴取者左耳へのクロストークをキャンセルする。

図５は、アレイスピーカ装置が出力するサウンドビームにより、マルチチャンネルサラウンドサウンドの各チャンネルの音源が聴取者の周囲に定位する様子を示すイメージ図、及びマスキング信号を出力した状態のイメージ図である。

アレイスピーカ装置１では、マルチチャンネルサラウンドサウンドのうち、Ｃｃｈを除く全てのチャンネル（つまり、Ｌｃｈ，Ｒｃｈ，ＳＬｃｈ，ＳＲｃｈ）の音声について、ＨＲＴＦ１５によりそれぞれ頭部伝達関数に基づいて仮想的に定位を付与し、ＬｃｈとＳＬｃｈの音声信号によるサウンドビームＳｂ１を方向制御部１７Ａにより、ＲｃｈとＳＲｃｈの音声信号によるサウンドビームＳｂ２を方向制御部１７Ｂにより生成して、聴取者の左右の耳の方向に（例えば、左右の耳が焦点となるよう）出力する。また、Ｃｃｈは方向制御部１７Ｃにより、例えば点音源から放音したように音波面を合成させる。

これにより、図５（Ａ）に示すように、アレイスピーカ２５からサウンドビームＳｂ１・Ｓｂ２が出力され、聴取者Ｈは、自分の周囲にＬｃｈ，Ｒｃｈ，ＳＬｃｈ，ＳＲｃｈの仮想音源が定位したように感じる。

頭部伝達関数に基づいて仮想定位を付加された左右のチャンネルの音声信号は、ビーム化されており、セパレーションの良い信号である。この結果、左右の耳に提示する信号の、左右のセパレーションが良く、リーク分が小さい。また、聴取者以外の方向へ向かうエネルギーを抑制できる。左右セパレーション向上によって、仮想音源定位効果が向上する。リーク分が減少する分、キャンセリングも減らすことができるので、逆相の音声信号による不快感を軽減できる。また、周囲へのエネルギー減少により、環境（反響）要因を軽減できる。

また、Ｃｃｈの音声については、アレイスピーカ２５から独立して出力（放音）される。５．１ｃｈコンテンツやマトリクスデコード実施時には、聴感上最も重要なチャンネルは、Ｃｃｈである。アレイスピーカ装置１では、Ｃｃｈを独立にすることにより、良好な定位と音質を実現できる。

次に、アレイスピーカ装置１は、マスキング信号を出力することによりサラウンド効果の阻害要因である反響音をマスキングすることができる。

制御部３７の設定に従い、環境調整信号生成部１６はマスキング信号を生成する。このときのマスキング信号の内容は、例えば、左右音声信号と無相関な白色や有色雑音であっても良いし、左右音声信号を元に生成する相関信号であっても良い。生成したマスキング信号は、方向制御部１８に出力する。また、制御部３７は、方向制御部１８に制御信号を出力する。この制御信号に基づいて、方向制御部１８は、マスキング信号に特定の指向性を付与する。例としては、図５（Ｂ）に示すように、聴取者Ｈの周囲には、サウンドビームＳｂ３によるマスキング信号が出力されて反響音がマスクされるので、サウンドビームＳｂ１・Ｓｂ２によるマルチチャンネルサラウンドサウンドの定位感がより向上する。

また、外来ノイズや反響音について予めわかっている音場においては、任意の空間座標にピンポイントでマスキング信号をサウンドビームとして出力することで、聴取者の聴感を改善できる。

図６は、聴取者の頭部の動きを認識し、サウンドビームの指向性を追随させる機構を説明するための図である。遅延アレイ方式によりアレイスピーカから狭指向性のサウンドビームを左右の耳に向けて出力する場合、ピンポイントとなり、必然的にスイートスポットが狭く、聴取者が頭部を動かすと、効果が半減してしまう可能性がある。そのため、アレイスピーカ装置１では、聴取者の頭部の動きを認識し、これに出力信号（サウンドビーム）の指向性を追随させる機構を備えている。

すなわち、アレイスピーカ装置１は、撮影部３５であるカメラ３５Ａにより聴取者及び聴取者の周囲の空間を撮影する。制御部３７は、カメラ３５Ａが撮影した映像解析により聴取者Ｈの頭部の動き、または左右の耳介の位置を検出する。そして、制御部３７は、頭部や耳介の形・大きさ・向き等の情報に基づくカメラ３５Ａ（アレイスピーカ２５）から聴取者の耳介までの距離情報を算出して、方向制御部１７Ａ〜１７Ｂに制御信号を出力する。これにより、サウンドビームＳｂ１・Ｓｂ２の出力方向や焦点の位置を変更して、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、聴取者Ｈが頭部を動かしても、サウンドビームを常に耳の方向に出力できる。

アレイスピーカ装置１は、記憶部３１に頭部伝達関数を複数保持しておき、聴取者の頭部の動きに応じて、制御部３７がＨＲＴＦ１５の係数を変更することで、聴取者が頭部を動かした時に音像が消えたり、不自然に動いたりするのを改善できる。

また、アレイスピーカ装置１では、上記のようにカメラにより聴取者の動きを監視する方法の他に、例えば、聴取者の頭部に地磁気センサを取り付けたり、耳介とアレイスピーカに一対の発信器・受信器を取り付けたりする、等の方法でも位置情報検出は可能である。

いずれの方法を用いる場合でも、取得した聴取者頭部の動き情報や位置情報を制御部３７が取得し、それに応じて方向制御部１７Ａ〜１７Ｂを制御して、サウンドビームの軌跡（焦点位置）を調整すれば良い。

クロストークを説明するための概念図である。 アレイスピーカを用いた遅延アレイ方式の原理説明図、及び遅延アレイ方式のアレイスピーカの指向性分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るアレイスピーカ装置の概略構成を示すブロック図である。 ＨＲＴＦの構成の一例を示すブロック図である。 アレイスピーカ装置が出力するサウンドビームにより、マルチチャンネルサラウンドサウンドの各チャンネルの音源が聴取者の周囲に定位する様子を示すイメージ図、及びマスキング信号を出力した状態のイメージ図である。 聴取者の頭部の動きを認識し、サウンドビームの指向性を追随させる機構を説明するための図である。

符号の説明

１…アレイスピーカ装置 ３…モニタ
１１…入力端子 １３…デコーダ １５…ＨＲＴＦ １６…環境調整信号生成部
１７Ａ〜１７Ｃ，１８…方向制御部 １９…加算器
２１…Ｄ／Ａコンバータ ２３…パワーアンプ ２５…アレイスピーカ
２７…操作部 ２９…表示部 ３１…記憶部 ３５…撮影部 ３７…制御部

Claims (3)

1. 左右チャンネルの音声信号に対して、聴取者の聴感上、左右の特定の位置に定位を感じる音声の特性を頭部伝達関数に基づいて付加する定位処理を行って出力する音源定位付与手段と、
   前記音源定位付与手段が出力した左音声信号を、前記アレイスピーカの全部または一部のスピーカユニットに分配し、各スピーカユニットが音声を放音するタイミングを制御して、前記アレイスピーカから聴取者の左耳に向けて狭指向性の音声ビームを出力させ、
   前記音源定位付与手段が出力した右音声信号を、前記アレイスピーカの全部または一部のスピーカユニットに分配し、各スピーカユニットが音声を放音するタイミングを制御して、前記アレイスピーカから聴取者の右耳に向けて狭指向性の音声ビームを出力させる放音方向制御手段と、
   前記音声ビームの室内反響音をマスクする環境調整音声信号を出力する環境調整音声出力手段と、
   を備え、
   前記放音方向制御手段は、前記環境調整音声信号を、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットに対して分配し、これらのスピーカユニットから放音するタイミングを制御して、聴取位置の周囲に放音させるアレイスピーカ装置。
2. 前記音源定位付加手段は、前記アレイスピーカから聴取者の左耳に向けて放音した音声が前記聴取者の左耳のみに聞こえ、前記アレイスピーカから聴取者の右耳に向けて放音した音声が前記聴取者の右耳のみに聞こえるように、それぞれ反対側の耳に聞こえる音声を打ち消す音声信号を生成して出力するクロストーク補正手段を備えた請求項１に記載のアレイスピーカ装置。
3. 聴取者の頭部または両耳の位置を検出する位置検出手段を備え、
   前記放音方向制御手段は、前記位置情報検出手段が出力した位置情報に基づいて、各スピーカユニットが音声を放音するタイミングを制御する請求項１または２に記載のアレイスピーカ装置。

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