図2は、本発明の実施形態に係るスピーカアレイ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、スピーカアレイ装置は、一例として、5chサラウンドシステムとして、5chの音声ビームを放音させることができるものとする。5ch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、及びリアの右チャンネルをSR(Surround Right)chと称する。
スピーカアレイ装置1は、信号入力部51、音声処理部55と遅延処理部57からなる音声信号処理部(音声信号処理手段)53、D/Aコンバータ61−1〜61−N、パワーアンプ63−1〜63−N、スピーカユニット66−1〜66−Nから成るスピーカアレイ65、赤外線受信部67、リモートコントローラ((以下、リモコンと称する。)68、操作部69、記憶部71、設置方向センサ73、及び制御部75を備えている。
信号入力部51は、スピーカアレイ装置1の外部に接続された音声信号出力機器2から出力された音声信号の入力を受け付けるインタフェースである。入力された信号は音声処理部55へ出力される。なお、音声信号出力機器2としては、CDプレーヤやDVDプレーヤやテレビモニタ(テレビ受像機)などの音声信号を出力する機器が好適である。
音声処理部55は、信号入力部51から入力された音声信号をデコードしたり、ユーザHが選択した音響効果を付加したりして遅延処理部57に出力する。
遅延処理部57は、制御部75から指示があった場合、音声処理部55から送られてきた音声信号に対して、その指示された時間分、音声信号を出力するタイミングを遅延させて、各スピーカユニット66−1〜66−Nに音声信号を分配する。これにより、スピーカアレイ65から音声ビームを放音させる。また、遅延処理部57は、制御部75から遅延の指示が無い場合には遅延処理を行わずにそのまま音声信号を各スピーカユニット66−1〜66−Nに分配する。
スピーカアレイ65から出力された複数の音声ビームがユーザHの視聴位置Lに到達するまでの経路長は、チャンネル毎に異なる。例えば、センタチャンネルは、視聴位置Lに直接到達するので経路長は短い。一方、リアチャンネル(SLch、SRch)は、部屋の壁に2回反射してから視聴位置Lに到達するので、経路長は長くなる。そこで、遅延処理部57では、チャンネル毎に遅延時間を設定して、スピーカアレイ65から出力する複数の音声ビームが同時に視聴位置Lへ到達するように出力タイミングを調整している。また、遅延処理部57は、スピーカアレイ65から複数の音声ビームが出力されるように、チャンネル毎・スピーカユニット毎に音声の放音タイミングを調整して出力する。
D/Aコンバータ61−1〜61−Nは、遅延処理部57が出力したデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換して出力する。
パワーアンプ63−1〜63−Nは、D/Aコンバータ61−1〜61−Nが出力したアナログ音声信号を増幅して出力する。
スピーカアレイ65は、スピーカユニット66−1〜66−Nを1つのパネルに、マトリックス状・ライン状・ハニカム状など所定の配列で配置したものである。スピーカユニット66−1〜66−Nは、パワーアンプ63−1〜63−Nが増幅した音声信号を音声に変換して放音する。なお、スピーカユニット66−1〜66−Nの総称やスピーカユニット単体の呼称をスピーカユニット66と称する。
赤外線受信部67は、ユーザの操作に応じてリモコン68から出力された赤外線信号を受信し、その赤外線信号を電気信号に変換して制御部75に出力する。
リモコン68は、ユーザがスピーカアレイ装置1に対して所望の設定操作を行うための入力装置である。リモコン68は、ユーザからのスピーカアレイ装置1に対する設定操作等を受け付けて、その操作に応じた赤外線信号を赤外線受信部67へ出力する。
操作部69は、ユーザからのスピーカアレイ装置1に対する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45に出力する。
記憶部(記憶手段)71は、スピーカユニットの設定パターン等を記憶している。制御部75はリモコン68や操作部69で受け付けた操作に応じたデータを記憶部71から読み出す。また、記憶部71は、音声の遅延時間情報(パラメータ)を記憶する。記憶部71が記憶するパラメータは、各スピーカユニットの放音タイミングを制御するための情報である。すなわち、パラメータとは、スピーカアレイ65から音声ビームを放音させるために、各スピーカユニットの放音タイミングを決定するための値である。具体的には、スピーカアレイ65の設置状態に応じて変化する値である、水平方向と垂直方向におけるスピーカユニットの間隔(距離)やスピーカユニットの個数やスピーカアレイの幅などである。
設置方向センサ(検出手段)73は、スピーカアレイ装置1(スピーカアレイ65)の設置方向(設置面)を検出するセンサであり、スピーカアレイ65の設置方向(設置面)に応じて異なる信号を制御部75に出力する。設置方向センサ73としては、例えばジャイロセンサが好適である。
制御部75は、スピーカアレイ装置1の各部を制御したり演算を行ったりする。
図3は、スピーカアレイにおけるスピーカユニットの配置を示す図であり、(A)はマトリックス状にスピーカを配置した一例、(B)はハニカム状にスピーカユニットを4列配置した一例、(C)はハニカム状にスピーカユニットを3列配置した一例である。図4は、スピーカアレイによる音声ビームの放音原理を説明するための図である。
スピーカアレイ65は、図3に示すように、1つのパネルにおいて複数の小型スピーカユニット66をマトリックス状・ハニカム状・ライン状といった所定の配列で配置した構成である。
このようなスピーカアレイ65において、図4に示すように、各スピーカユニットに同じ音声信号を入力し、各スピーカユニットSPa〜SPeが放音した音声が空間上に設定した焦点Fに到達する時刻が一致するように、各スピーカユニットの音声の放音タイミングを調整する。これにより、各スピーカユニットSPa〜SPeを、あたかもスピーカユニットSPa’・SPb’・SPc’・SPd’・SPeを、焦点Fを中心とする円周上に所定の間隔で配置して、同時に同じ音声信号を放音したかのように、重ね合わせの原理によってその焦点方向に強い指向性を有する音声ビームを放音することができる。
次に、本発明のスピーカアレイ装置の特徴について説明する。図5は、直方体型のスピーカアレイを縦置きした場合、及び横置きした場合を説明するための図である。図5(A)は、スピーカアレイを横置きした状態の正面図、図5(B)は、スピーカアレイを縦置きした状態の正面図である。図5(C)は、図5(A)において点線円で囲んだ部分の拡大図である。図5(D)は、図5(B)において点線円で囲んだ部分の拡大図である。図5(E)は、縦置きと横置きの遅延量の差を示す図である。
ここで、図5を用いて説明したように、スピーカアレイ65はn個のスピーカユニット66から成るが、説明及び図を簡略化するために、図5にはスピーカユニット66の個数を18個に限定した形態を示している。
本発明のスピーカアレイ装置は、床や台の上に設置する際に、下方に向ける設置面(この場合は底面)として、複数の面を選択することが可能であり、スピーカアレイの設置方向を変更することができる。例えば、図5に示したような直方体型のスピーカアレイ装置1の場合、スピーカアレイ65の各スピーカユニット66を設けた面65Aの周囲の2面65Bまたは65Cを底面として下方に向けて設置することができる。
図5(A)に示すように、スピーカアレイ65を水平方向が長手方向となるように、面65Bを底面として横置きした場合には、各スピーカユニット66はマトリックス状(行列状)に縦3個・横6個が配列された状態になる。このとき、スピーカユニット66の中心の間隔(ピッチ)は、縦方向(垂直方向)が距離aであり、横方向(水平方向)が距離bである。
また、図5(B)に示すように、スピーカアレイ65を垂直方向が長手方向となるように縦置きした場合には、スピーカユニット66はマトリックス状に縦6個・横3個が配列された状態になる。このとき、スピーカユニット66の間隔(ピッチ)は、縦方向(垂直方向)が距離bであり、横方向(水平方向)が距離aである。
このように、図5に示したスピーカアレイ装置1では、スピーカアレイ65の各スピーカユニット66の個数と間隔が縦方向(垂直方向)と横方向(水平方向)で異なる。すなわち、スピーカアレイ65の幅や高さが置き方により異なる。そのため、スピーカアレイ装置1では、スピーカアレイ65から音声ビームを放音させる際には、横置きの場合と縦置きの場合とで、それぞれ異なるパラメータを用いて、各スピーカユニットの放音タイミングを制御している。
例えば、図5(C),(D)に示すように、スピーカアレイ65の右端のスピーカユニットの中心を基準点Oとして、その基準点Oとの関係が同じである座標P(f,e)が焦点となるように音声ビームを放音させる。この場合、隣接するスピーカユニットの遅延量は、図5(E)に示すように、スピーカアレイ65の置き方に応じて変化する。すなわち、図5(C)の場合は遅延量gであるが、図5(D)の場合は遅延量hである。
そのため、スピーカアレイ装置1では、スピーカアレイ65の置き方(下方に向ける設置面)に応じたパラメータの値を読み出す。続いて、初期設定時にマイクをユーザの聴取位置に設置して検出したユーザ位置情報や、ユーザにより入力されたユーザ位置情報と、前記のパラメータと、を用いて、ユーザに音声ビームが放音されるように音声ビームの放音方向や焦点位置を決定する。そして、各スピーカユニットに分配する音声信号に基づく音声の放音タイミングを調整する。
このように、スピーカアレイ装置1では、設置面に応じたパラメータを記憶部71で記憶しておく。例えば、上記のように2面を設置面として用いることが可能な場合には、設置面に応じた少なくとも2種類のパラメータを記憶部71で、記憶しておき、設置面に応じたパラメータが選択されるように構成すると良い。
図6は、設置状態に応じた音声ビームの経路を説明するための図である。図6には、スピーカアレイから放音したLchの音声ビームが壁面で反射してユーザHの左耳ELに到達する状態を示している。
次に、本発明のスピーカアレイ装置1は、選択した面を設置面として特定の方向を向くように設置後に、別の面を設置面として選択して設置した場合には、設置面の変更前後で、音声ビームの経路を保持するように設定することが可能である。
例えば、スピーカアレイ装置1のスピーカアレイ65が直方体型で、図6(A)に示す横置きの状態から、図6(B)に示す縦置きの状態に変更した場合に、リモコン68や操作部69からの入力により、音声ビームの経路を保持するように設定されていると、スピーカアレイ装置1の制御部75は、音声ビームの経路を保持するように、各スピーカユニットに対する遅延量を設定する。
図6(A),(B)に示したように、スピーカアレイ65の幅(スピーカユニット66の数及びピッチ)は、置き方により異なる。そのため、音声ビームが同じ経路を通過するように設定された場合には、音声ビームの中心のベクトルを保持するように、各スピーカユニットに対する遅延量を設定すると良い。このとき、ユーザHの聴取位置Lにおいて、音声ビームの放音範囲(幅)が変更前後で同様になるように、焦点位置を変更しても良い。なお、図6には、壁面を焦点としている。
次に、スピーカアレイ装置1では、設置面の変更前後で、音声ビームの焦点の座標を保持するように設定することも可能である。この場合には、図6に示したスピーカアレイ65のように、縦と横の長さやスピーカユニット数等が異なるので、スピーカアレイ65から放音される音声ビーム幅は、設置状態(設置面)により異なる。そのため、ユーザHの聴取位置Lでは、音声ビームの幅が設置面の変更前後で異なる。しかし、音声ビームのベクトル方向はほぼ同様になるため、音声ビームの幅の違いを無視すると、変更前後でほぼ同様の音響効果が得られる。したがって、上記のように焦点位置を固定することで、設置状態を変更しても、同じ状態を簡易的に実現できる。
このように、縦置きを横置きに変える等、設置面を変更した場合、ビームの中心で回転させるのは難しいので、多少中心のずれによるオフセットが生じる可能性は有る。しかし、このオフセットを無視すると、ほぼ中心で回転したものとみなすことができ、変更前後で同様のビーム経路となる。そのため、変更前後でほぼ同様の音響効果を得ることができる。
ここで、スピーカアレイ装置1では、置き方を変更した際に、上記のように経路や焦点座標を維持して音声ビームを放音するための計算に用いる座標としては、絶対空間座標系と相対空間座標系の2つのいずれかを用いることが可能である。図7は、座標系を説明するための図である。
スピーカアレイ装置1では、図7(A)に示すように、設置状態を変更しても、スピーカアレイ装置の持つ座標軸を変更することで、音声ビームの焦点の絶対空間座標を保持するように設定することができる。
また、図7(B)に示すように、スピーカアレイの持つ座標軸をそのままにしても良い。例えば、横置きの場合には、スピーカアレイ装置1の長手方向をX軸、短手方向をY軸、スピーカユニット66の設置面の前後の方向をZ軸とする。そして、スピーカアレイ装置1を90度回転させて縦置きに変更した場合でも、スピーカアレイ装置1の長手方向をX軸、短手方向をY軸、スピーカユニット66の設置面の前後の方向をZ軸とする。このように、座標軸を保持することでスピーカアレイを基準にした相対座標の値は変わらないようにする。
この場合、図7(C)に示すように、スピーカアレイ装置1の座標軸はそのままにして、焦点座標の位置をP(x1,y1)→ P’(y1,x1)のように、変換することで焦点の相対空間座標を保持することができる。
スピーカアレイ装置1では、図2に基づいて説明したように設置方向センサ73を備えているので、このセンサで自動的に設置状態(いずれの面が設置面として下方を向いているか)を検出して、記憶部71からパラメータを読み出すように構成すると良い。この場合には、自動的に設定されるので、ユーザが設定を忘れたために所望の音声ビームが放音されないということがない。
また、ジャイロセンサ等の設置状態を検出するセンサを設けずに、操作部69に切替えスイッチを設けて、ユーザが設置状態に応じた設定ボタンを手動で選択し、スピーカアレイ装置1が、この選択に応じたパラメータを設定するように構成しても良い。この場合には、センサが不要であるため、部品代を抑制できる。
図8は、立方体型のスピーカアレイ装置の概観図である。次に、図8に示すように、スピーカアレイ装置において、スピーカアレイ65を設けた面が正方形で、各スピーカユニットの縦横の数とピッチが等しい場合を説明する。この構成のスピーカアレイ装置を90度回転させて置き方を変更する場合には、スピーカアレイ65を設けた面の辺の方向をX軸及びY軸とすると、絶対焦点座標はそのままで各スピーカユニットの遅延量を入れ替えると良い。
図8に示すスピーカアレイ65は、面65Aにおいて9個のスピーカユニットSP1〜SP9が、ピッチaで、縦方向(Y方向)に3個ずつ、横方向(X方向)に3個ずつ配置された構成である。図8(A)に示すように、スピーカアレイ65の面65Bを設置面としたときには、面65Aに配置された各スピーカユニットは、左上から右下にかけて、SP1,SP2、SP3、SP4、SP5、SP6、SP7、SP8、SP9の順に並んでいるものとする。また、このときの各スピーカユニットの遅延量を、図8(C)に示す遅延量テーブル(行列)のように設定する。すなわち、各スピーカユニットSP1〜SP9の遅延量をt1〜t9とする。
この状態から、スピーカアレイ65を時計回りに90度回転させると、図8(B)に示すように面65Cが設置面となる。このとき、各スピーカユニットは、面65Aの左上から右下にかけて、SP7、SP4、SP1、SP8、SP5、SP2、SP9、SP6、SP3の順に並ぶ。
このように、スピーカアレイ65を図8(A)の状態から図8(B)に回転させた場合、スピーカユニットSP1がスピーカユニットSP7に置き換わることになる。同様に、SP2がSP4に、SP3がSP1に、SP4がSP8に、SP5がSP5に、SP6がSP2に、SP7がSP9に、SP8がSP6に、SP9がSP3にそれぞれ置き換わることになる。そのため、図8(D)に示すように、スピーカユニットSP7に、スピーカユニットSP1に割り当てていた遅延量t1を割り当てる。同様に、SP4にt2を、SP1にt3を、SP8にt4を、SP5にはそのままt5を、SP2にt6を、SP9にt7を、SP6にt8を、SP3にt9をそれぞれ割り当てる。
したがって、図8(B)に示したようにスピーカアレイ65を時計回りに90度回転させたときの遅延量テーブルは、図8(D)に示す行列のようになる。すなわち、図8(C)に示した行列の各要素を反時計回りに90度回転させた配列となるように、各スピーカユニットの遅延量を入れ替えたものになる。
また、前記の図5に基づいた説明では、スピーカアレイ65の設置面が面65Bと面65Cの2面の場合について説明したが、さらに面65Dと面65Eを選択可能な設置面としても良い。このように設置面が4面の場合には、各設置面に応じたパラメータを記憶部71で記憶するようにしても良いが、以下のようにすることも可能である。すなわち、スピーカアレイ装置1が図5に示したような線対称の形状の場合には、以下のようにすることも可能である。図5(A)に示す面65Dを底面として設置した場合には、面65Bに対して天地を逆にして設置したことになるので、面65Bを底面として設置するときのパラメータを読み出して、焦点位置の座標の極性を入れ替えると良い。同様に、スピーカアレイ65の面65Eを底面として設置した場合には、面65Cを底面として設置するときのパラメータを読み出して、焦点位置の座標の極性を入れ替えると良い。例えば、焦点位置が(X1,Y1)の場合には、焦点位置を(−X1,−Y1)とすると良い。
このようにすることで、記憶部71に記憶させるパラメータを抑制することができる。
図9は、ステレオ音声を放音させるスピーカアレイの正面図である。次に、スピーカアレイ装置1では、スピーカアレイ65のスピーカユニット66毎に音声信号のチャンネルソースを変えるように制御することで、スピーカアレイ65からステレオ音声を放音させることができる。この場合には、図9に示すように、スピーカアレイ65の中央部分の区分線Kで、複数のスピーカユニット66をほぼ同数になるように、2つブロックに分割する。そして、向かって左側のスピーカユニット66のブロックからLchの音声を放音させ、向かって右側のスピーカユニット66のブロックからRchの音声を放音させる。
また、図9(B)に示すように、スピーカアレイ65を横置きした場合には、同様に、中央部分の区分線で、複数のスピーカユニット66をほぼ同数になるように、2つのブロックに分割する。そして、向かって左側のスピーカユニット66のブロックからLchの音声を放音させ、向かって右側のスピーカユニット66のブロックからRchの音声を放音させる。
このように、スピーカアレイ装置1においてステレオ音声を放音させる場合には、設置方向により、各スピーカユニット66に入力するチャンネルの音声が異なる。そのため、音声信号処理部53の遅延処理部57では、スピーカアレイ65の設置状態(設置面)に応じて、チャンネル毎に音声信号を出力するスピーカユニットを切り替える。なお、スピーカユニットを切り替えるためのパラメータは、記憶部71に記憶させておき、必要に応じて読み出すようにすると良い。
図10は、スピーカアレイから音声ビームを放音させる状態を示すイメージ図である。次に、スピーカアレイ装置1では、図10に示すように、置き方によって音声ビームの放音方向を変えることができる。すなわち、図10(A)に示すように、水平方向が長手方向になるように横置きした場合には、視聴位置に音声ビームが到達するように、従来と同様に、部屋の壁に音声ビームを反射させるように設定することができる。また、図10(B)に示すように、垂直方向が長手方向となるように縦置きした場合には、視聴位置に音声ビームが到達するように、天井や床に音声ビームを反射させるように設定することができる。いずれの場合も、記憶部71にパラメータを予め記憶させておき、設置状態(設置面)に応じたパラメータを読み出して、各スピーカユニット66に対して遅延量を設定して、スピーカアレイ65から音声ビームを放音させるように設定すると良い。
次に、スピーカアレイ装置1をモニタと一体的に構成した例を説明する。図11は、モニタとスピーカアレイが一体化した装置の概観図である。図11に示すように、スピーカアレイ装置1’をモニタ3’と一体的に構成することも可能である。この構成では、装置の回転中心がモニタ3’側にあり、スピーカアレイ装置1’の中心からは距離が離れており、装置全体を回転させて、例えば図11(A)の状態から図11(B)の状態に置き方を変更すると、変更前後で、スピーカアレイ装置1’の中心座標が大きく異なる。そのため、この場合には、置き方を変更する際の回転中心Oと、スピーカアレイ65の中心Sとの距離(オフセット値)Mを記憶部71に記憶させておく。そして、モニタ一体型のスピーカアレイ装置の置き方を変えた場合には、その設置状態(設置面)に応じて、座標をオフセットさせるように構成すると良い。
次に、スピーカアレイ装置の置き方(設置面)を変更したときの処理動作を説明する。図12は、スピーカアレイ装置の処理を説明するためのフローチャートである。以下の説明では、スピーカアレイ装置1が初期設置面の設定を終了し音声を放音している状態で、また設置方向センサ73を備えている場合について説明する。
スピーカアレイ装置1の制御部75は、一定の間隔で設置面の変更が有るか否かを確認する。設置面の変更が無い場合には(s1:N)、次に、音声信号の入力が有るか否かを確認する。入力が有る場合には(s5:Y)、ユーザの視聴位置に対して音声ビームを放音(出射)する(s6)。そして、音声信号の入力が終了すると(s7:Y)、ステップs1の処理を行う。
一方、音声信号の入力が無い場合には、ステップs1の処理を行う。
また、制御部75は、センサ73から信号が出力されて設置面が変更されたことを検出すると(s1:Y)、変更後の設置面に対応するパラメータ(設定値)を記憶部71から読み出す(s2)。続いて、制御部75は、このパラメータと、事前に入力されているユーザの視聴位置情報と、に基づいて、音声ビームの放音方向や焦点位置を決定する(s3)。そして、制御部75は、各スピーカユニット66に対して遅延量(放音タイミング)を設定する(s4)。そして、ステップs5以降の処理を行う。
なお、以上の説明では、直方体型のスピーカアレイ装置1を例に挙げて説明したが、スピーカアレイ装置1は、例えば、多角柱形状や円柱形状などであっても良い。このような形状の場合にも、センサで設置状態(設置面)を検出して、その設置面に応じたパラメータを記憶部71から読み出すように構成すると良い。これにより、置き方を変更しても、適正に音声ビームを放音させることができる。さらにこの場合、設置面変更は90度に限ることはない。
また、以上の説明では、スピーカアレイ装置1を床や台の上に置く場合を説明したが、これに限らず、例えば、スピーカアレイ装置1を天井に取り付けるようにしても良い。この場合には、部屋のいずれかの方向、例えば部屋の出入り口の方向に向けて設置する面を設置面として、スピーカアレイ装置を天井に取り付けると良い。