JP5024792B2 - 全方位周波数指向性音響装置 - Google Patents

Description

この発明は、放射指向性をもった発音体からの音を入力し、入力時の音場を正確に再生する為の全方位周波数指向性音響装置に関する。

実際の発音体、例えばヴァイオリンの放射指向性の周波数依存性を図１に示すように、様々な周波数の音を様々な方向へ異なった強度で放射している。図１からわかるように、例えば、水平面において、３００Ｈｚと３５０Ｈｚの放射指向性が全く異なることがわかる。また、上下に関しても、同様に放射指向性が異なることがわかる。他の楽器の場合も同様であって、その発音源は点源ではなく、しかも等方性ではない。これまでのステレオ方式、及び無指向性スピーカ技術では、等方性点音源としているため、周波数放射指向性を備えることで、より自然で存在感のある音響を提供することができない。臨場感のある音響を提供するためには、それぞれの発音体の周波数ごとの放射指向性を全方向に対して再現する必要がある。

従来のステレオ方式や多チャンネル方式の音響装置は、一定の固定された放射指向性しか持たないラウドスピーカを用いたものであり、音を特定方向に対してのみ放射するので、点音源と見做せる聴取位置の鑑賞者に対して固定した音像を提供することは可能であるが、周波数毎の指向性については、再生できなかった。

また、特許文献１には、無指向性を持った良好な点音源が得られる電気音響変換器が開示されている。これは、全方向に音響信号を放射する無指向性スピーカ装置で呼吸球方式に属する電気音響変換器で、球状の波面の音を発生することができる。しかし、これは、無指向性を目的とした技術であるので、上記の周波数指向性を提供することはできない。

一方、多くのスピーカを用いたスピーカアレイ装置と、波面合成法や逆フィルタ等の音響処理を行い臨場感のある音響を提供することを目的とした技術も開発されている。しかし、それら全ての技術は放射指向性を有しておらず、かつ、狭い聴取位置にいる特定の鑑賞者に対してのみ正確な音像を与えることが可能であり、異なる周波数放射特性を実現し、理想的には最適聴取領域を有せずにより臨場感を提供する本発明の目的とは根本的に処理が異なっている。

例えば、特許文献２には、複数のラウドスピーカにより再生するために録音するか、又は複数のラウドスピーカにより再生するために音を処理する方法を用いた録音及び再生システムが開示されている。これは、２つ（またはそれ以上）のラウドスピーカを介して再生するための録音手段を提供することを目的に、ラウドスピーカにより録音を再生すると聴取者の意図された位置で再生される信号と、意図された位置での所望の信号との間の誤差を最少にするための技術を用いたものである。

特許文献２では、特定の鑑賞者に音像中心を提供するために頭部伝達関数を用いた逆フィルタ計算を行っている。一方、本発明では頭部伝達関数を用いずに、スピーカの指向特性係数を用いる伝達関数を用いることが大きな違いとなる。

また，特許文献３には、音源から発せられる音の指向性を再現できる記録再生装置が開示されている。これは、記録時には、マルチトラックレコーダが複数のマイクロフォンから出力される各波形信号を記録し、再生時にはマイクロフォンの配置位置に対応して配設される複数のスピーカから発音するものである。

この場合は、マイクロホン位置ごとのスピーカが必要となり、例えば、ピアノ等大型の音源の場合、スピーカも大型となってしまい汎用的に使用しにくいことが問題となる。また、特許文献３では、ホイヘンスの原理をそのまま適用しているが、本発明では、スピーカへの畳み込み逆演算を行なって、大型楽器の音の再生の場合でも、スピーカシステムのサイズを小さくできる点が異なっている。
特開２００６−３３３４４１号公報 特表平１０−５０９５６５号公報 特開平５−２７６５９２号公報

本発明は、異なる周波数放射指向性を有するように複数のスピーカを持ったスピーカ装置で、再生すべき音響信号を算出することで、それぞれのスピーカの大きさや全体の形状に合わせた音響信号を生成し、鑑賞者の位置によらず臨場感ある音響を提供することを目的とする。

この発明によれば、楽器が放出する異なる周波数放射指向性をもつ音響信号を放射することができるので、発音体本来の音響を提供できるので、誰にでも、より自然で存在感のある音響を提供できる。また、用いるスピーカ数、及び、スピーカ全体を任意の形状にすることができる。

本発明は、発音体の発する音響をその周波数ごとの指向性を含めて、複数のスピーカを用いたスピーカ群で再生する全方位周波数指向性音響装置で、
発音体の周りの異なった方向から該発音体に向けられたＭ個のマイクロホンを含むマイクロホン群と、予め決められた演算処理方法を用いて該マイクロホン群から入力したそれぞれの音響信号の演算処理を離散周波数毎に行なう音響処理部と、演算処理されたそれぞれの音響信号を合成した音響に変換するＮ（＜Ｍ）個のスピーカを含むスピーカ群と、を備え、上記予め決められた演算処理方法は、上記音響信号を、上記離散周波数ごとに伝達関数を用いて処理する方法である。

より詳しくは、本発明は、異なった方向から発音体に向けられたＭ個のマイクロホン群と、それぞれ異なった方向に放射指向性をもったＮ個のスピーカ群と、上記マイクロホン群のＭ系統の出力信号から上記スピーカ群用のＮ系統のスピーカ駆動信号を作成する音響処理部を有し、
行列として得られるＮ個のスピーカ群の上記離散周波数毎の伝達関数Ｇについて、上記伝達関数Ｇの測定値から上記マイクロホン群の位置での上記離散周波数毎の逆行列Ｈを見出し、
上記音響処理部で、上記マイクロホン群から入力した音響信号を上記離散周波数毎に上記逆行列Ｈを用いて演算処理したのちＮ系統の音響信号にして出力し、上記の上記音響処理部のＮ系統の出力を上記スピーカ群のそれぞれのスピーカに印加して音響を放射するものである。

上記スピーカは、増幅器と、増幅された電気信号を機械的振動に変換するトランスデューサと、機械的振動を音響に変換する振動板とを備え、上記トランスデューサと上記振動板の数は、それぞれ３以上であり、上記振動板の少なくとも１つは異なる方向に音響を放射するものである。これは、スピーカから放射される音響の波面は、平面に近くない方が望ましいためである。

ωを上記離散周波数毎の角周波数、上記マイクロホン群のｉ番目のマイクロホンで収録した音響信号をＸ_i（ω）、上記スピーカ群のｊ番のスピーカで再生する音響信号をＹ_j（ω）とし、
また、上記逆行列の要素をＨ_ij（ω）とするとき、音響信号Ｙ_j（ω）を次の式；

に従って求めるものである。

さらに、入力音響信号が１つの場合で、予め求められた上記逆行列がある場合、上記の数１に従って、スピーカ群から放射する音響信号を算出するものである。

上記音響処理部での処理時間が長いことから、録音は、音響処理部の出力以降で行うことが望ましい。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
まず、図２に、その実施例のシステム概略を示す。音源１の周りに立体的に配置されたＭ個のマイクロホン２−１から２−Ｍと、前記マイクロホンからの音響電気信号を入力する音響入力部３と、入力した前記音響電気信号を演算処理する音響処理部４と、演算した音響信号を出力する音響出力部４と、音響出力部４からの信号を録音するレコーダ５と、音響出力部４あるいはレコーダ５の出力を音響信号に変換するスピーカ６−１から６−Ｎ、と、それぞれのスピーカを駆動するそれぞれのスピーカで構成される。

スピーカへ供給する信号は、次の様に得ることができる。Ｍ個のマイクのｉ番のマイクロホンで収録した音響信号Ｘ_i（ω）とする。ここで、一般にωは、時間、位置、および周波数からなるベクトルであるが、添え字によって、用いるマイクロホンを特定しているので、周波数の関数とみることができる。このとき、Ｎ個設置されたスピーカのｊ番のスピーカで再生すべき音響電気信号Ｙ_j（ω）を、スピーカの指向性係数とインパルス応答から得られる逆フィルタＨ_ij（ω）により、上記の数１による畳み込み演算により得ることができる。

数１の演算を実施するため、Ｍ個のマイクロホンで収録した音響電気信号を、

とし、Ｎ個のスピーカを用いて再生音響、

を提供するためのフィルタを、

とすると、スピーカ指向特性とインパルス応答から得られる伝達関数として、

を用いる逆フィルタ設計方法を適用する。これにより、提供される音響Ｘ′（ω）は、

で表すことができる。ここで、入力信号と再生音響を一致させる、つまり、Ｘ′（ω）＝Ｘ（ω）とするためには、Ｇ（ω）の逆行列を求めれば、Ｈ（ω）が得られることになる。

この実施例の場合、スピーカ群を構成する個々のスピーカのインパルス応答を行列Ｓとするとき、その要素である周波数特性Ｓ_ji（ω）と、ｊ番のスピーカのスピーカ指向特性をＤ_j（ω）とすると、

を得ることができ、Ｇ（ω）の逆演算を求めることにより、スピーカの位置と数を限定せずに異なる周波数放射指向性が提供可能となる。

上記のＸ′（ω）とＸ（ω）との一致は、全空間で実現することが望ましいが、それは不可能であるので、本発明では、マイクロホンの位置で、入力信号と再生音響を一致させる。つまり、マイクロホンの位置でＸ′（ω）＝Ｘ（ω）とすることによって、近似的に全空間で一致させるものである。このように位置を定めることによって、Ｇ（ω）あるいはＨ（ω）における、ωは、周波数の関数になり、位置座標を持たない。

また、Ｘ′（ω）＝Ｘ（ω）なる条件のもとでのＧ（ω）は、次のように求める事が出来る。
１） 図９（ａ）のＸ（ω）を入力するマイクロホン群と図９（ｂ）のＧ（ω）の測定を行うマイクロホン群とが配置も含めて同じ場合には、得られたＧ（ω）をそのまま用いることができる。
２） また、図１０（ａ）のＸ（ω）を入力するマイクロホン群と図９（ｂ）のＧ（ω）の測定を行うマイクロホン群とが異なる場合には、まず、一般的なＧ（ω）の関数形を求めて、それからＸ（ω）を入力するマイクロホン群のそれぞれのマイクロホン位置におけるＧ（ω）の要素の値を求める事が出来る。この際、Ｇ（ω）の関数形を正確なものとするため、用いるマイクロホンは、Ｘ（ω）を入力するマイクロホン群より多数となることが望ましい。但し、この場合は、それぞれのマイクロホンの周波数特性で補正することが必要である。

また、Ｇ（ω）の周波数特性を実際に求める方法は、既によく知られており、
１）音源に階段波状の信号を印加し、スピーカ群からのその出力をマイクロホンで入力して、周波数分析を行なうことで求めることができる。
２）音源に種々の周波数の信号を印加して、その出力強度をマイクロホンで検出して、周波数ごとの入出力特性を得ることによって求めることもできる。

図３は最も簡易な本発明の実施例である実施例１のスピーカ装置の俯瞰図である。鑑賞者の位置はスピーカの配置してある方向のみとなるが、異なる周波数放射指向性の実現により、従来型より存在感のある音響を提供することが可能である。実施例１のスピーカ装置を用いる場合は、裏面からの回折を考えなくて良いので、Ｇ_ji（ω）は一般的な逆フィルタ設計で実施し、その逆行列計算は、十分大きな離散周波数上の離散フーリエ変換周波数領域にて最小二乗法を用いて実施することができる。

ここで、上記スピーカは、増幅器と、増幅された電気信号を機械的振動に変換するトランスデューサと、機械的振動を音響に変換する振動板とを備えたものであり、例えば、通常のラウドスピーカでよい。また、複数の振動板を備えたスピーカを使用することができる。この場合は、上記トランスデューサと上記振動板の数は、それぞれ３以上であり、上記振動板の少なくとも１つは異なる方向に音響を放射するものである。これは、スピーカから放射される音響の波面は、平面に近くない方が望ましいためである。

図４は実施例２のスピーカ装置の俯瞰図である。実施例２のスピーカ装置を用いる場合は、スピーカ装置の回折を考慮したスピーカ指向特性Ｄ_j（ω）の設計を行う必要があるが、実施例２においては、スピーカ装置の周囲に十分な数の計測ポイントをそのスピーカ装置取り囲むように設けることで、回折、及びスピーカ指向性の全てを含むＧ_ji（ω）を設計した。Ｇ_ji（ω）の逆行列計算は、実施例１の逆行列計算と同じ計算法で実施する。

本発明の最も汎用的な実施例２では、スピーカ装置におけるスピーカの数は多い方が有効であることが考えられるが、生産性と普及性を考慮し、最小の実施例として図４に示すとおり、球形上の筐体に２６個のラウドスピーカを搭載したスピーカ装置である。これらの配置は３つのスピーカの中心が全て同じ距離になるように配置されている。

マイクから入力した信号を、（１）音響入力部から音響処理部に伝達し、（２）音響処理部では音響特性を適合させる処理を行い、（３）音響出力部に信号を伝達し、（４）音響伝達部からの各音響信号はアンプで増幅され、（５）上記の２６個それぞれのスピーカで音響を再生する。マイクから入力した信号を録音する時には、放射特性が顕著な方向に関して多くのマイクロホンを配置し収録信号の精度をあげることが望ましい。このとき、３０本のマイクロホンで収録した音響信号は、上記の様に、マイクロホンの位置やスピーカ装置の指向特性情報を取り入れた数１を用いた演算を行った後、上記の２６個の各スピーカに分配する。

例えば、１番目のマイクロホンの収録信号を２６個のスピーカに分配し、１番目のマイクロホン位置で２６個全てのスピーカで音響を合成する。これを３０本のマイクロホン全てに関して行い、最終的に収録した状態と同じ音響を合成する。

図５はアコースティックギターを再生した時の水平面における周波数音圧分布を測定した図である。０度が１番目のスピーカとし、４５度が８番目のスピーカ位置となっている。図５から分かるように、再現されている音響の周波数ごとの音圧分布は一様でなく、周波数によって指向特性を持つことがわかる。

図６は実施例３のスピーカ装置の俯瞰図である。この例の配置は、直線状の軸上に鑑賞者の方に向けたスピーカを設け、その軸の両端に外向きのスピーカを配置したものを基本として、さらにその軸の周りに、種々の方角を向いたスピーカを６個配置したものである。実施例３のスピーカ装置を用いる場合も、実施例２と同様に十分な数の計測ポイントをそのスピーカ装置を取り囲むように設置し、Ｇ_ji（ω）の設計と逆行列計算を実施する。実施例３は、ヴァイオリンを再生するのに適した配置を示してあるが、個別のスピーカ駆動装置を任意に配置し、配置ごとにＧ_ji（ω）を求めれば、より多彩な音響を提供することが可能となる。ただし、スピーカの間隔をあけすぎると演算に誤差が生じ、音像がぼけてしまうので、無限に配置できるわけではない。通常は、波面の相関をとるためにスピーカ間隔を５０ｃｍ以内にすることが望ましい。

上記の様に複数のマイクロホンを用いた録音が実質的にできない場合でも、一つの録音情報から音響処理により臨場感あふれる音を発生させることができる。これは、周波数音圧分布が、楽器ごとに固有の者となるためである。つまり、単一のマイクロホンを用いた録音についても、楽器からみたマイク位置の方向と距離が定まれば、他の方向についての音響は、録音をもとに再現することができる。また、上記の楽器からみたマイク位置の方向と距離についても、録音のスペクトルを解析することによって、特定することができる事は明らかである。

このため、周波数音圧分布が明らかな楽器の音響の単一のマイクロホンを用いた録音で、臨場感のある再生を行なうためには、次の手順に従ってすすめればよい。
（１）スペクトル解析を行なって、楽器とマイクロホンとの位置関係を推定する。
この位置関係が予め明らかである場合には、この手順を省くことができる。
（２）上記の楽器を立体的に取り囲むように、複数のマイクロホンの位置を設定する。
（３）上記周波数音圧分布に従って、上記の録音から、上記の複数のマイクロホンの位置における音響信号に変換する。
（４）上記の録音および変換した音響信号を上記の実施例１から３のどれかに適用する。

楽器の持つ周波数音圧分布の例として、図７、図８に、ヴァイオリンの周波数指向特性を示す。図７はヴァイオリンの水平面音圧分布を、図８は垂直面音圧分布を示している。この図から、それぞれの方向のスペクトル分布には特徴があり、楽器とマイクロホンとの位置関係を推定するために用いることができる事が分かる。図７、図８は、３種類の周波数についての分布であるが、さらに詳細な周波数区分での分布を用いることでより、自然な音響信号になることは明らかである。

より正確な解を求め、高品質な音響を提供するために、入力信号Ｘ′（ω）を実施例３の計算法を用いる。また、離散フーリエ変換での音響処理には、ケプストラム法を用いた解析手法、あるいは、複雑系フーリエ変換を用いれば、より自然で存在感のある音響を提供することができる。

本発明の実施形態において説明においては、通常のラウドスピーカユニットを用いたが、それ以外のスピーカユニットを用いることができる事は明らかである。例えばフラットパネルスピーカ等で構成しても同様の効果を得ることができる。

ヴァイオリンの放射指向性の周波数依存性の例を示す図である。 本発明の全方位周波数指向性音響装置の概略を示す図である。 実施例１のスピーカ装置の俯瞰図を示す図である。 実施例２のスピーカ装置の俯瞰図を示す図である。 アコースティックギターを再生した時の水平面における周波数音圧分布を測定した図である。 実施例３のスピーカ装置の俯瞰図を示す図である。 ヴァイオリンの水平面音圧分布を示す図である。 ヴァイオリンの垂直面音圧分布を示す図である。 （ａ）Ｘ（ω）を入力するマイクロホン群と、（ｂ）Ｇ（ω）の測定を行うマイクロホンとが配置が同じ場合を示す図である。 （ａ）Ｘ（ω）を入力するマイクロホン群と、（ｂ）Ｇ（ω）の測定を行うマイクロホンとが配置が異なる場合を示す図である。

符号の説明

１ マイクロホン群
２ スピーカ群
３ 音響処理部

Claims (6)

1. 発音体の周りの異なった方向から該発音体に向けられたＭ個のマイクロホンを含むマイクロホン群と、予め決められた演算処理方法を用いて該マイクロホン群から入力したそれぞれの音響信号の演算処理を離散周波数毎に行なう音響処理部と、演算処理されたそれぞれの音響信号を合成した音響に変換するＮ（＜Ｍ）個のスピーカを含むスピーカ群と、を備え、
   上記予め決められた演算処理方法は、上記音響信号を、上記離散周波数ごとに伝達関数を用いて処理する方法であり、
   上記発音体の発する音響の周波数ごとの指向性を、上記スピーカ群で再生することを特徴とする全方位周波数指向性音響装置。
2. 異なった方向から発音体に向けられたＭ個のマイクロホン群と、それぞれ異なった方向に放射指向性をもったＮ個のスピーカ群と、上記マイクロホン群のＭ系統の出力信号から上記スピーカ群用のＮ系統のスピーカ駆動信号を作成する音響処理部を有し、
   行列として得られるＮ個のスピーカ群の上記離散周波数毎の伝達関数Ｇについて、上記伝達関数Ｇの測定値から上記マイクロホン群の位置での上記離散周波数毎の逆行列Ｈを見出し、
   上記音響処理部で、上記マイクロホン群から入力した音響信号を上記離散周波数毎に上記逆行列Ｈを用いて演算処理したのちＮ系統の音響信号にして出力し、上記の上記音響処理部のＮ系統の出力を上記スピーカ群のそれぞれのスピーカに印加して音響を放射することを特徴とする請求項１に記載の全方位周波数指向性音響装置。
3. 上記スピーカは、増幅器と、増幅された電気信号を機械的振動に変換するトランスデューサと、機械的振動を音響に変換する振動板とを備え、
   上記トランスデューサと上記振動板の数は、それぞれ３以上であり、上記振動板の少なくとも１つは異なる方向に音響を放射することを特徴とする請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の全方位周波数指向性音響装置。
4. ωを上記離散周波数毎の角周波数、上記マイクロホン群のｉ番目のマイクロホンで収録した音響信号をＸ_i（ω）、上記スピーカ群のｊ番のスピーカで再生する音響信号をＹ_j（ω）とし、
   また、上記逆行列の要素をＨ_ij（ω）とするとき、音響信号Ｙ_j（ω）を次の式；
   

   

   に従って求める事を特長とする請求項２に記載の全方位周波数指向性音響装置。
5. 入力音響信号が１つの場合で、予め求められた上記逆行列がある場合、上記の数１に従って、スピーカ群から放射する音響信号を算出することを特徴とする請求項４に記載の全方位周波数指向性音響装置。
6. 録音は、音響処理部の出力以降で行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか1つに記載の全方位周波数指向性音響装置。

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