JP5265412B2

JP5265412B2 - 音場制御装置

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Publication number: JP5265412B2
Application number: JP2009042361A
Authority: JP
Inventors: 友彦伊勢
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-08-14
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Description

本発明は、音場制御装置に関わり、特に、入力信号を音響空間に放射する複数のスピーカ、前記複数のスピーカから放射された音声を集音する複数のマイクロホンを備え、各マイクロホンの出力信号に基づいて音場の音圧分布を制御する音場制御装置に関する。

一般に音響空間では、壁などによって反射波や定在波などが発生し、音波が相互干渉することによって、音響伝達特性が複雑に乱れる。特に、ガラスのような音が反射しやすいもので囲まれている車室内のような狭い空間では、反射波や定在波の影響が大きいため、音響伝達特性の乱れが音の聴取に与える影響は大きい。このような音響伝達特性の乱れを補正する技術としては、適応等化システムが知られている。適応等化システムによれば、任意の制御点で所定の音場空間を実現することができる。

図５は、オーディオ装置に適用される適応等化システムのブロック図である(特許文献１参照)。オーディオソース１００は、ラジオチューナやCDプレイヤ等から構成されており、オーディオ信号u(n)を出力する。目標応答設定部１１６は、目標応答特性（インパルスレスポンス）Hが設定されており、オーディオソース１００から出力されるオーディオ信号u(n)が入力されて、これに対応する目標応答信号d₁(n)を出力する。マイクロホン１０６は、車室内音響空間の聴取位置（制御点）に設置されており、この観測点における音を検出して音楽信号d₁′(n)を出力する。演算部１０７は、マイクロホン１０６から出力される音楽信号d₁′(n)と目標応答設定部１１６から出力される目標応答信号d₁(n)との誤差を演算して誤差信号e₁(n)を出力する。適応信号処理装置１０１は、誤差信号e(n)のパワーが最小となるように信号y(n)を発生する。スピーカ１０４は、この適応信号処理装置１０１から出力される信号y(n)に応じた音を車室内音響空間に放射する。

目標応答設定部１１６の目標応答特性Hは、再現したい音場空間に対応する特性が設定されている。例えば、適応フィルタのタップ数の半分程度に相当する遅延時間をtとしたときに、この遅延時間tを有し、全オーディオ周波数帯域でフラットな特性（ゲイン1の特性）が設定されている。なお、この遅延時間tは音響系の逆特性を適応フィルタが精度良く近似するためのものであり、このような目標応答特性を有する目標応答設定部１１６は、FIR（Finite Impulse Response ）型のデジタルフィルタの遅延時間tに対応するタップの係数を１に設定し、それ以外のタップの係数を0に設定することにより実現することができる。

適応信号処理装置１０１は、オーディオ信号u(n)が参照信号として入力されるとともに、上述した演算部１０７から出力される誤差信号e₁(n)が入力されており、誤差信号e₁(n)のパワーが最小となるように適応信号処理を行って信号y(n)を出力する。適応信号処理装置１０１は、LMS（Least Mean Square ）アルゴリズム処理部１２２と、FIR型のデジタルフィルタ構成の適応フィルタ１０２と、オーディオ信号u(n)にスピーカ１０４から聴取位置までの音響伝搬系の伝搬特性（伝達特性）Cを畳み込んで適応信号処理に用いる参照信号を生成する信号処理フィルタ１２０aとを有している。

LMSアルゴリズム処理部１２２は、聴取位置における誤差信号e₁(n)と信号処理フィルタ１２０aから出力される参照信号とが入力されており、これらの信号を用いて聴取位置における音楽信号d₁′(n)が目標応答信号d₁(n)と等しくなるように、LMSアルゴリズムを用いて次式
W(n+1)=W(n)+2μ・u(n)・C・e₁(n)
により適応フィルタ１０２のタップ係数ベクトルWを設定する。適応フィルタ１０２は、設定されたタップ係数ベクトルWを用いてオーディオ信号u(n)に対してデジタルフィルタ処理を施して信号y(n)を出力する。

このような適応処理によって誤差信号e(n)のパワーが最小となるように適応フィルタ１０２のタップ係数ベクトルWが収束すれば、目標応答設定部１１６に設定した目標応答特性Hを有する空間で音楽を聴取した場合と同様の音楽の聴取が可能となる。
ところで、上述した適応等化システムは、制御点においては目標応答特性Hと同様の伝達特性で音楽を聴取することが可能となるが、制御点以外の特性については保証していない。このため、適応等化システムによって音響空間内の多くの位置で理想的な音楽の聴取を行おうとすると、制御点を多く設定し、これに対応して多くのスピーカ、マイクロホンが必要になる。図６は適応等化アルゴリズムにしたがって複数の制御点(多点)の特性を目標応答特性にする多点適応等化システムのブロック図であり、図５と同一部分には同一番号を付し、オーディオソース、スピーカ、マイクロホンなどは省略している。多点制御のため各部は各点に対応する信号を出力するように構成されている。
多点適応等化システムでは、制御音源としてのスピーカやマイクロホンを多く設置する必要があり、しかも適応フィルタ１０２の数も多くなり、回路規模や演算量の増大を招く問題がある。
そこで、少ないスピーカおよび適応フィルタによって音響空間全体にわたって伝達特性を補正することができるモード制御アルゴリズムに従った音場制御装置が提案されている(特許文献２)。この音場制御装置は、音響空間内の所定位置に複数のスピーカと複数のマイクロホンを設置し、各マイクロホンの出力信号に基づいて音圧分布をモード分解し、各モードのモード振幅が所定の値になるように制御する。すなわち、各モードのモード振幅を制御することにより、聴取位置が移動したときに音圧が大きく変化するようなモードの影響を少なくし、あるいは、打ち消すことができるため、特に制御点（聴取位置）を増やすことなく、少ないスピーカや適応フィルタによって音響空間全体にわたって伝達特性を補正し、平坦な音圧分布を実現する。

図７は、モードの振幅状態を示す図であり、（A）は０次モードの振幅状態、（B）は１次モードの振幅状態、(C)は２次モードの振幅状態、(D)は３次モードの振幅状態である。図８においてaで示すように、０次モードでは、音響空間の全体において同位相で振動するため、聴取位置に関係なく同じ音圧レベルでオーディオ音声の聴取が可能となる。しかし、１次モードではb、b′で示すように、その聴取位置によって音圧レベルが大きく変動する。したがって、音響空間に放射される音声内の１次モード成分が大きい場合には、これを小さくしたり、打ち消したりすることにより、聴取位置を移動させた場合であっても音響特性がほぼ均一な音場を実現することができる。また、２次以上の各モードについても同様であり、２次以上の次数成分が大きい場合には、その成分を小さくし、あるいは、打ち消すような制御を行う。なお、図８においてSPKは音源であるスピーカ、STF、STRは前座席、後座席である。

図９はモード制御アルゴリズムによる音場制御の説明図である。
音響空間のモードを制御するためには、音圧分布のモード分解を行う必要がある。図９に示すような内部にM個の音源(スピーカ)2を有する両端が閉じた一次元音場１の波動方程式は、以下に示す(1)式で与えられる。なお、一次元音場とは、音圧が所定の軸方向xのみに応じて変化する音場をいう。

ここで、xはマイクロホンの位置を、ωは角周波数を、p(x，ω)は音圧を、q_mはm番目のスピーカへの入力信号を、l_mはm番目のスピーカの位置を、Mは全スピーカ数を、ξ_n′は第n′モードの壁面での減衰比を、N′は全モード数を、Lは音場の長さを、ω_n′（＝n′πc₀/L）は音場の固有各周波数を、ρ₀は空気密度を、c₀は音速を、δ(n′)はn′＝0の時１でn′≠0の時0となるクロネッカのデルタ関数をそれぞれ示している。

また、(1)式において、

であり、a_n′(ω)は第n′モードの振幅であり、ψ_n′(x)は第n′モードの固有関数を示している。上述した(1)式において、p(x，ω）は一次元音場内におけるマイクロホンの距離xにおける音圧であるから、一次元音場内のK個の点(x₁，x₂，…，x_K)にマイクロホンを設置した場合の各マイクロホンでの音圧p(x，ω)は、以下のマトリクス表記で表される。

ここで、

である。(4)式を、モード固有関数Ψを用いて書き直すと、

となる。(6)式の両辺に固有マトリクス（モード固有関数）の逆行列（逆モード固有関数）Ψ^-1を左からかけることにより、以下の(7)式が得られる。

(7)式より、各マイクロホンでの音圧p(x_k,ω)から各モードの振幅a_n′(ω）を求めることができる。以上の手順によって音圧分布のモード分解が行われる。

図１０は、モード分解手法を適用して構成したモード分解部の構成図である。同図に示すモード分解部１０は、M個のスピーカ２、K個のマイクロホン４、マイクロホン４の音圧からN個のモード振幅を導出するモード分解フィルタ６を備えている。M個のスピーカ２に信号q₁〜q_Mが入力されて、音響系Cの一次元音場に音が放射された場合の各マイクロホン４における音圧p₁〜p_Kは、それぞれ(4)式で与えられる。モード分解フィルタ６は、これらの音圧p₁〜p_Kが入力され、(7)式によってモード0からモードN−1のモード振幅a₀〜a_N-1を算出して出力する。以上では、一次元音場の場合のモード制御について説明したが、２次元音場、３次元音場の場合も同様に考えることができる。

図１１はモード制御アルゴリズムによる音場制御装置の概略構成図であり、音場制御装置はモード分解フィルタを備え、かつ、時間領域で動作するLMSアルゴリズムによって制御される適応フィルタを備えている。すなわち、音場制御装置は、タップ数がIのM個の適応フィルタを含む制御用フィルタ１０２と、M個のスピーカ１０４と、K個のマイクロホン１０６と、マイクロホン１０６の各音圧pからN′個のモード振幅を導出するモード分解手段としてのモード分割フィルタ１０８と、目標とするモード振幅に対する各モード振幅の誤差を算出するＮ′個の演算部１１０と、各モードの誤差に重み付けを行うＮ′個のモード領域誤差重み付け部１１２と、モード領域の誤差を時間領域の誤差に変換する領域変換フィルタ１１４とを備えている。
m番目の制御用フィルタ１０２の出力信号y_m(n)は、入力信号u(n)と制御用フィルタ１０２の係数ｗ_mとの畳み込みとして、以下の(8)式のように表される。

この出力信号y_m(n)がm番目のスピーカ１０４に入力されて、音響系Cの一次元音場に音が放射され、各マイクロホン１０６に取り込まれる。k番目のマイクロホン１０６における音圧p_k(n)は、次式で与えられる。

ここで、c_km（j）はm番目のスピーカ１０４からk番目のマイクロホン１０６までの音響系Ｃのjタップ目の係数を、w_m(i)はm番目の制御用フィルタ１０２のiタップ目の係数をそれぞれ示している。(9)式を行列表現で書き直すと、

となる。モード振幅a(n)は、(10)式で得られたマイクロホン１０６における音圧p(n)に対して、(7)式と同様の手法でモード分解を行うことにより求めることができる。すなわち、モード分割フィルタ１０８は、

で与えられる演算によってモード振幅ａ(n)を導出する。

一方、目標応答設定部（後述する）から出力されるk番目の目標インパルス応答の出力d_k(n)は、以下の（12）式で与えられる。

ここで、ｈ_k（ｓ）はｋ番目の目標インパルス応答のｓタップ目の係数を示している。（12）式を行列表現で書き直すと、

目標応答のモード振幅d′(n)は、(13)式で得られた目標応答信号d(n)に対して(7)式と同様の手法でモード分解を行うことにより求めることができる。したがって、目標応答のモード振幅d′(n)は、

モード領域における誤差e′(n)は、(14)式で与えられる目標応答のモード振幅d′(n)から(11)式で与えられるモード振幅a(n)を引くことによって求めることができる。したがって、演算部１１０は、

で与えられる演算によって、モード領域における誤差e′(n)を導出する。
次に、モード領域誤差重み付け部１１２は、制御するモードを選択するためにモード領域の誤差e′(n)(e′₀（ｎ）〜ｅ′_N-1（ｎ））に対して、重み付け係数B(b₀〜ｂ_N′-1）による重み付けを行う。領域変換フィルタ１１４は、この重み付けされたモード領域の誤差にモード固有関数Ψをかけて時間領域の誤差e(n)を算出する。モード領域の誤差e′(n)に対する重み付けと、重み付けされたモード領域の誤差から時間領域の誤差への変換は、

ここで、時間領域における誤差ベクトルe(n)の瞬時パワーe(n)^T e(n)をフィルタ係数wで偏微分することによって誤差特性曲面の勾配ベクトルの瞬時推定値を求めると、

となる。したがって、制御用フィルタ１０２の係数の更新は、次式によって行われる。

ここで、μはLMSアルゴリズムのステップサイズパラメータである。

図１２は、第１の音場制御装置の全体構成を示す図である。同図に示すように、音場制御装置１００は、タップ数Iの個の適応フィルタを含む制御用フィルタ１０２、M個のスピーカ１０４、K個のマイクロホン１０６、モード分割フィルタ１０８、N′個の演算部１１０、N′個のモード領域誤差重み付け部１１２、領域変換フィルタ１１４、目標応答設定部１１６、モード分割フィルタ１１８、フィルタードx部１２０、LMSアルゴリズム処理部１２２を備えている。制御用フィルタ１０２、スピーカ１０４、マイクロホン１０６、モード分割フィルタ１０８、演算部１１０、モード領域誤差重み付け部１１２、領域変換フィルタ１１４は、それぞれ図１１で説明した動作を行う。
目標応答設定部１１６は、再現したい音場空間に対応する特性(目標応答特性H)、例えば制御用フィルタ１０２を構成するフィルタのタップ数の半分程度の遅延時間を有する特性が設定されている。モード分割フィルタ１１８は、目標応答設定部１１６から出力される目標応答信号からN′個のモード振幅を導出して、演算部１１０に出力する。
フィルタードx部１２０は、入力信号u(n)から参照信号を作成するためのフィルタである。具体的には、フィルタードx部１２０は、上述したC、Ψ⁻¹、B、Ψの各特性を有するフィルタ１２０a〜１２０ｄを直列接続して構成されている。LMSアルゴリズム処理部１２２は、領域変換フィルタ１１４から出力される時間領域の誤差信号e(n)及びフィルタードx部１２０から出力される参照信号に基づいて、上述した(18)式にしたがって制御用フィルタ１０２を構成する適応フィルタのフィルタ係数を調整する。図１３は図１２の簡略表現図である。
以上のように音圧分布をモード分解して、振幅の大きいモード、すなわち音響空間の伝達特性に悪影響を与えるモードを制御することにより、音響空間全体の伝達特性を補正することが可能となる。なお、以上は一般的にN′個のモードを対象とした例であるが、対象モードを0次と1次のようにN′=2とすれば、Ψは2×2のマトリックスになる。低次になるほどモード振幅が大きくなるから、低次のモードのみを制御することによってほぼ目的とする音響特性を実現することができ、しかも処理量を減らすことができる。

特開１１−１６７３８３号公報特許３５３９８５５号

モード制御アルゴリズムによる音場制御システムは、原理的に制御用マイクロホンの数だけの音響空間モード（定在波）を制御することができる。しかし、システム構成を小型化及び処理量を減少するために少ない数のマイクロホンを使用する。このように、マイクロホンの使用本数が少ない場合において、オーディオ信号の周波数によってマイクロホンの数より多い音響空間モード（定在波）が存在すると、該音響空間モード（定在波）を抑制することが不可能になり制御性能が悪化する問題が発生する。
例えば、車室内の音圧特性は、複数の音響空間モードのうち１次空間モードが支配的であるため、マイクロホン数を２としてこれら0次空間モードと１次空間モードを制御するようにしている。図１４は、マイクロホン数を２とした場合においてモード制御を実現する車室内音響空間の説明図であり、車両CARの車室内に２つのスピーカSPKi(i=1,2)、２つのマイクロホンMICi(i=1,2)が設けられている。前後方向の長さ2.048m(メートル)を16等分して分割点に番号１、２、３、・・・１７を割り振ったとき、マイクロホンMIC1は分割点４の所定高さの聴取点位置に配置され、マイクロホンMIC2は分割点１４の所定高さの聴取点位置に配置されている。SPK１は車両前方に設けられ、SPK2は車両後方に設けられている。FGLはフロントガラス、RGLはリアガラス、STFは前座席、STRは後座席である。
かかる車室内音響空間においてモード制御システムの場合、周波数75Hzのオーディオ信号が入力すると、モード制御後の音圧分布特性は図１５の実線で示すようになり、周波数153Hzのオーディオ信号が入力すると、図１６の実線で示すようになる。なお、一点差線はモード制御の場合と同一のスピーカ、マイクロホン配置において多点適応制御したときの特性であり、点線は何らの音場制御をしないときの特性である。
これらの図を参照すると、75Hzのような1次のみの音響空間モードの強い周波数では、モード制御により該1次の音響空間モードを抑制することができる。このため、音圧分布が、何らの制御しない場合や多点適応制御(multi point control)の場合と比べて、より平坦になり改善効果が見られる。多点適応制御の特性は、何らの制御しない場合の特性が右方向にシフトしただけで改善は見られない。
一方，153Hzのような1次と2次の音響空間モードの両方が同程度あるような周波数になると、2次の音響空間モードを抑制できなくなり、結果的に音圧分布はフラットにならず、多点適応制御の場合に比べて悪くなる。すなわち、マイクロホンが2本しかないシステムでは2つのモード（0次と1次）しか制御できず、2次の音響空間モードを抑制することは不可能であり、このため、2次の音響空間モードが残り、結果的に音圧分布はフラットにならない。なお、多点適応制御の場合には、モード制御の場合に比べて良好な特性が得られている。
以上より、従来のモード制御アルゴリズムによる音場制御システムは、制御用のマイクロホンが少ないと、周波数により音圧分布特性が良い場合と悪い場合があり、トータル的にフラットな良好な音場を形成することができない問題があった。
以上から本発明の目的は、制御用のマイクロホンが少ない場合であっても、モード制御アルゴリズムのみによる場合に比べて良好な音場を形成できるようにすることである。

本発明は、入力信号を音響空間に放射する複数のスピーカ、前記複数のスピーカから放射された音声を集音する複数のマイクロホンを備え、各マイクロホンの出力信号に基づいて音場の音圧分布を制御する音場制御装置であり、周波数領域においてモード制御アルゴリズムにしたがって、音場の音圧分布をモード分解し、各モードのモード振幅が所定の値になるように制御するモード制御アルゴリズム実行部、周波数領域において適応等化アルゴリズムにしたがって、各マイクロホン位置において目標応答特性を有する空間と同等の音場を形成するよう制御する適応等化アルゴリズム実行部、離散的な周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムのどちらのアルゴリズムにより制御したほうが良好な音場を形成できるかの情報を保存する保存部、該情報に基づいて周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムの処理結果を選択する選択部、周波数領域の処理結果を時間領域に変換してスピーカに入力する変換部を備えている。

本発明によれば、離散的な周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムのどちらのアルゴリズムにより制御したほうが良好な音場を形成できるかの情報を保存しておき、この情報に基づいて周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムの処理結果を選択し、周波数毎の各アルゴリズムの処理結果を時間領域に変換してスピーカに入力するようにしたから、制御用のマイクロホンが少ない場合であっても、モード制御アルゴリズムのみによる場合に比べて良好な音場を形成することができる。

本発明の音場制御装置の概略説明図である。本発明の音場制御装置のブロック構成図である。良好なアルゴリズムの決定方法の説明図である。周波数毎の良好なアルゴリズム決定装置の構成図である。オーディオ装置に適用される適応等化システムの構成を示す図である。適応等化アルゴリズムにしたがって複数の制御点(多点)の特性を目標応答特性にする多点適応等化システムのブロック図である。モード説明図である。車室内におけるモードの振幅状態を示す図である。モード制御アルゴリズムによる音場制御の説明図である。モード分解手法を適用して構成したモード分解部の構成図である。モード制御アルゴリズムによる音場制御装置の概略構成図である。モード制御アルゴリズムによる音場制御装置の全体構成を示す図である。図１２の簡略表現図である。モード制御を実現する車室内音響空間の説明図である。周波数75Hzのオーディオ信号が入力したときのモード制御後の音圧分布特性である。周波数153Hz のオーディオ信号が入力したときのモード制御後の音圧分布特性である。

（A）本発明の音場制御装置の概略
図１は本発明の音場制御装置の概略説明図である。
FFT部１１は時間領域のオーディオ信号u(t)を周波数領域のオーディオ信号u(f)に変換してモード制御アルゴリズム実行部１２と適応等化アルゴリズム実行部１３に入力する。

モード制御アルゴリズム実行部１２は、図１３に示す時間領域の音場制御装置を周波数領域で実行できるように変形した構成を備えており、周波数領域においてモード制御アルゴリズムにしたがって各モードのモード振幅が所定の値になるように制御する。なお、周波数領域におけるモード制御アルゴリズムでは次式

にしたがってLMSにより制御用フィルタの係数を制御する。なお、(19)式は(18）式の時間領域に応じた係数更新アルゴリズムであり、fは、f₀，f₁，f₂，・・・・、f_N-1であり、それぞれの周波数毎に制御用フィルタ係数を計算する。

適応等化アルゴリズム実行部１３は、図６に示す時間領域の多点適応等化システムを周波数領域で実行できるように変形した構成を備えており、周波数領域において適応等化アルゴリズムを実行し、各マイクロホン位置において目標応答特性を有する空間と同等の音場を形成するよう制御する。なお、周波数領域における適応等化アルゴリズムでは次式

にしたがってLMSにより制御用フィルタの係数を制御する。なお、fは、f₀，f₁，f₂，・・・・、f_N-1であり、それぞれの周波数毎に制御用フィルタ係数を計算する。

保存部１４は、前もって、離散的な周波数毎に、モード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムのどちらで制御したほうが良好な音場、すなわちフラットな音場を形成できるか調べ、周波数毎に良好な特性を示すアルゴリズムを選択するためのデータを保存している。
選択部１５は保存部１４に保存されている保存情報に基づいて周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムの一方の処理結果を選択してIFFT部１６に入力し、IFFT部１６は入力された周波数領域のオーディオ信号を時間領域のオーディオ信号に変換してスピーカ１７に入力する。
以上のように、本発明によれば、モード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムを併用して周波数毎に良好なアルゴリズムの処理結果を選択して周波数領域のオーディオ信号を時間領域のオーディオ信号に変換してスピーカに入力するようにしたからモード制御アルゴリズムのみによる場合に比べて良好な音場を形成することができる。

（B）実施例
図２は本発明の音場制御装置の実施例ブロック構成図であり、図１と同一部分には同一符号を付している。なお、車室内音響空間は図１４に示すように車両CARの車室内に２つのスピーカSPKi(i=1,2)、２つのマイクロホンMICi(i=1,2)が設けられているものとする。
音場制御装置は、図１で説明したFFT部１１、モード制御アルゴリズム実行部１２、適応等化アルゴリズム実行部１３、保存部１４、選択部１５、IFFT部１６を備え、その他にFFT部１１の出力信号の複素共役を演算して出力する複素共役演算部２１、マイクロホン(図示せず)の出力信号を周波数領域に変換するFFT部２２を備えている。
選択部１５は、２つのスイッチ部１５a、１５bを備え、保存部１４の保存情報を用いて周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムの一方の処理結果を選択してLMSアルゴリズム処理部１２２に入力する。LMSアルゴリズム処理部１２２は同様に保存情報に基づいて周波数毎に(19)式あるいは(20)式の演算を行なって制御フィルタ１０２の係数を決定し、制御フィルタ１０２は周波数領域のオーディオ信号u(f)に該決定されたフィルタ係数を乗算し、乗算結果をIFFT部１６に入力する。IFFT部１６は入力された周波数領域のオーディオ信号を時間領域のオーディオ信号に変換してスピーカSPKi(i=1,2)(図１４)に入力する。
モード制御アルゴリズム実行部１２および適応等化アルゴリズム実行部１３は、図６および図１３に示す構成要素のうち共通化可能な部分を共通化して構成されており、適応フィルタ(制御フィルタ)１０２、目標応答設定部１１６、信号処理フィルタ１２０a、LMSアルゴリズム処理部１２２が共通化されている。なお、図２において、図６および図１３と同一部分には同一符号を付している。スイッチ部１５a、１５bが所定周波数について端子B側の信号を選択することにより、図２の音場制御装置は該周波数についてモード制御アルゴリズム実行部１２として動作し、端子A側の信号を選択することにより、該周波数について適応等化アルゴリズム実行部１３として動作する。

・動作
図２の音場制御装置において、スイッチ１５a、１５bは保存部１４の保存情報に基づいて周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムの一方の処理結果を選択して出力するように切り替えられている。
FFT部１１は時間領域のオーディオ信号u(t)を周波数領域のオーディオ信号u(f)に変換して出力する。FFT部１１以降の図２の音場制御装置は、スイッチ１５a、１５bによりモード制御アルゴリズムの処理結果(入力端子B側信号)が選択された周波数については、モード制御アルゴリズム実行部１２として動作し、適応等化アルゴリズムの処理結果(入力端子A側信号)が選択された周波数については、適応等化アルゴリズム実行部１２として動作する。
このため、制御フィルタ１０２は、スイッチ１５a、１５bによりモード制御アルゴリズムの処理結果が選択された周波数については、モード制御アルゴリズムの処理結果であるオーディオ信号を出力し、スイッチ１５a、１５bにより適応等化アルゴリズムの処理結果が選択された周波数については、適応等化アルゴリズムの処理結果であるオーディオ信号を出力する。
IFFT部１６は、入力された周波数領域のオーディオ信号を時間領域のオーディオ信号に変換してスピーカSPKi(i=1,2)に入力して車室内に音を出力する。車室内の適所に配置されたマイクロホンMICi(i=1,2) (図１４)による検出信号はFFT ２２に入力され、ここで周波数領域の検出信号に変換される。
以後、モード制御アルゴリズムあるいは適応等化アルゴリズムにしたがった処理が行われ、スイッチ１５a、１５ｂに各処理結果が入力され、該スイッチ１５a、１５ｂにより所定の処理結果が選択されて上記制御が繰り返される。
以上より、周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムのうち良好な音場を形成できるアルゴリズムの処理結果を選択するようにしたから、一方のアルゴリズム単独で音場を形成する場合に比べて良好な音場を形成することが可能となった。

（C）良好なアルゴリズムの決定方法
車室内の実際の音圧分布と、モード空間周波数を用いて模擬した車室内の音響空間における音圧分布との差（誤差パワー）e²はモード空間周波数により調整することができる。この場合、実際の音圧分布において一次モードが他のモードのレベルより大きければ、図３(A)に示すように、一次モードのモード空間周波数F_n1においてのみ誤差パワーが小さくなる。しかし、実際の音圧分布において一次モードに加えて他のモード(例えば２次モード)のレベルが大きいと、図３（B）に示すように該一次モードのモード空間周波数F_n1および２次モードのモード空間周波数F_n2において誤差パワーが小さくなる。
モード制御アルゴリズムではマイクロホンが２つの場合、０次モードと１次モードを制御できるが、２次モードを抑制制御することができない。したがって、図３(A)に示すように、最小ピーク点が１つの場合には、モード制御アルゴリズムにより良好な音場を形成できるが、最小ピーク点が２つ以上の場合には、良好な音場を形成できず、適応等化アルゴリズムの方が良好な音場を形成することができる。そこで、最小ピーク点が１つの場合には、モード制御アルゴリズムを選択し、最小ピーク点が２つ以上の場合には、適応等化アルゴリズムを選択する。

図４は周波数毎の良好なアルゴリズムを決定する装置の構成図である。なお、マイクロホン、スピーカは図１４に示すように配置されているものとする。かかる車室内における伝達特性を測定するために、各スピーカSPK1,SPK2により同時に所定周波数の測定音を発生する。インパルス応答測定部３１は各マイクロホンMIC1,MIC2の検出信号よりインパルス応答IR_k(k＝1，2)を測定する。伝達特性生成部３２は各測定インパルス応答をフーリエ変換して伝達特性H_k(x_k、fc)(k＝1，2)を得る。x_k(k=1,2)はマイクロホン位置座標である。

各マイクロホンにおける伝達特性が求まれば、音圧分布算出部３３は次式に従い、モード空間周波数f_cでの音圧分布 p(x_k,f_c) を計算する。Re( )は複素数の実部を意味し、Im( )は虚部を意味する。

但し、モード中心周波数fcは、ユーザーのリスニングポイントの高さでの水平断面の前後寸法をL₁、制御したい音響空間モードの前後方向の次数n_１(n_１=1)とすれば、次式

により与えられる。
すなわち、音圧分布算出部３３は振幅制御すべきモードのモード中心周波数fcにおける前記伝達関数の実数部分及び虚数部分を計算し、該実数部分が正であれば、前記実数部分と虚数部分の二乗の和の平方根を正の音圧として出力し、負であれば前記平方根を負の音圧として出力する

音圧分布模擬部３４は、モード空間周波数、その正弦関数及び余弦関数の振幅をパラメータとして一般調和解析により車室内の音響空間における音圧分布を模擬する。すなわち、車室内には図７で説明したように複数の音響空間モード（定在波）が存在し、それらが合成して車室内の所定観測点における音圧となる。このため、車室内の音響特性はモード空間周波数及びその正弦関数、余弦関数を用いて一般調和解析により表現でき、xの位置の音圧p′(x,ω)は一般的に次式

により表現できる。ただし、K はマイクロホン数、x_kは各マイクロホン位置、Nは音響空間モード数、F_nは音響空間モードnのモード空間周波数である。
ついで、誤差パワー調整部３５は (22a)式で模擬する音圧分布が前記測定した音圧分布p(x_k,f_c)と同等となるようにモード空間周波数を調整する。すなわち、次式

が最小となるように空間モード周波数F_nを調整する。換言すれば、誤差音圧パワー調整部３５は、各マイクロホン位置における実際の音圧と模擬した音圧の差の二乗が最小ピーク値を示す空間モード周波数F_n を求め、最小ピーク点が１つの場合には、モード制御アルゴリズムを選択し、最小ピーク点が２つ以上の場合には、適応等化アルゴリズムを選択するようアルゴリズム選択情報を決定して保存部１４に保存する。以後、周波数毎に上記制御を繰り返して離散的周波数毎にアルゴリズム選択情報を保存部１４に格納する。
以上本発明によれば、制御用のマイクロホンが少ない場合であっても、モード制御アルゴリズムのみによる場合に比べて良好な音場を形成することができる。

１１ FFT部
１２モード制御アルゴリズム実行部
１３適応等化アルゴリズム実行部
１４保存部
１５選択部
１６ IFFT部
１７スピーカ

Claims

入力信号を音響空間に放射する複数のスピーカ、前記複数のスピーカから放射された音声を集音する複数のマイクロホンを備え、各マイクロホンの出力信号に基づいて音場の音圧分布を制御する音場制御装置において、
周波数領域においてモード制御アルゴリズムにしたがって、音場の音圧分布をモード分解し、各モードのモード振幅が所定の値になるように制御するモード制御アルゴリズム実行部、
周波数領域において適応等化アルゴリズムにしたがって、各マイクロホン位置において目標応答特性を有する空間と同等の音場を形成するよう制御する適応等化アルゴリズム実行部、
離散的な周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムのどちらのアルゴリズムにより制御したほうが良好な音場を形成できるかの情報を保存する保存部、
該情報に基づいて周波数毎にモード制御アルゴリズムと適応等化アルゴリズムの処理結果を選択する選択部、
周波数領域の処理結果を時間領域に変換してスピーカに入力する変換部、
を備えたことを特徴とする音場制御装置。