JP5871707B2

JP5871707B2 - 局所再生装置

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Publication number: JP5871707B2
Application number: JP2012106749A
Authority: JP
Inventors: 弘章伊藤; 古家　賢一; 賢一古家; 羽田　陽一; 陽一羽田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: JP2013236217A

Description

この発明は、特定の場所（装置近傍）に居る聴取者にのみ音を伝えることができる局所再生装置に関する。

スピーカを用いて音を放射する場合、そのスピーカの指向特性の影響はあるものの、スピーカに対して、ほぼ全方向から再生音を聴取することが可能である。そのため、ある特定の場所にのみ音を再生するような局所再生方式の構築を目指した場合、スピーカなどの拡声装置や再生方式に工夫が必要である。

特定の場所に居る人々にのみ音を伝えることが可能となれば、拡声による通信を行った場合などに再生音が聴取者以外の人々にとって騒音と成らない他に、通信内容が周囲に漏れないという、プライバシーの保護まで可能である。

この局所再生方式を実現する一手段として、急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント（evanescent）波を再生する手法がある（非特許文献１）。これは同心円状に離散配置された複数のスピーカを用いて、各スピーカから再生される信号の位相をある条件に基づいて変化させることで、エバネッセント波を再生するものである。エバネッセント波とは、進行方向と垂直な方向に指数関数的にパワーが減衰する特殊な波である。

図８に、従来技術のエバネッセント波を再生する再生装置９００の機能構成を示す。再生装置９００は、円形アレー状にｘｙ平面上に配置された複数のスピーカから成るスピーカ群９０１と、複数のスピーカにそれぞれ接続される複数のフィルター群９０２とで構成される。

円形スピーカアレーにおいてエバネッセント波を再生するには、スピーカの駆動信号（時間周波数領域）を次式に示すように与えれば良い。

ここでωは入力信号の角周波数、φ_０は円周方向のスピーカの位置、Ｃ（ω）はωによって一意に決まる定数、ｎ_ｅｖａは円周方向の波数、ｊ＝√（−１）は虚数単位、Ｓ（ω）は信号入力端子９０３に入力される入力信号を表す。

図９に、再生装置９００におけるスピーカ用駆動信号の例を示す。図９では、スピーカ群９０１を構成するスピーカそのものの表記は省略している。図中の◎と波形は、ｘｙ平面上に例えば２０個のスピーカが配置されるスピーカ群のそれぞれのスピーカに供給されるスピーカ用駆動信号を表している。横方向が時刻ｔ、縦方向が振幅を表す。

図９では、−ｘ軸上を、円筒座標系の偏角φ＝０度と定義した場合の偏角φ＝４５度〜１３５度の範囲に配置されるスピーカに供給されるスピーカ用駆動信号の一例を示す。スピーカ（ｒ_０，φ_１３５，ｚ_０）に供給されるスピーカ用駆動信号の位相を基準にすると、信号入力端子９０３に入力される入力信号は、例えばπ/２ラジアンずつフィルター群９０２で遅延されて供給される。

伊藤弘章、古家賢一、羽田陽一「円形スピーカアレーを用いたエバネッセント波再生手法について」音響学会講演論文集（秋）、pp.713-714,2011.

従来の局所再生装置９００では、スピーカ用駆動信号の位相変化をフィルターで行っていたため、装置規模が大きくなる課題があった。

この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、上記したフィルター群９０２を必要とせずにエバネッセント波を再生することができる局所再生装置を提供することを目的とする。

この発明の局所再生装置は、スピーカアレーと信号生成部とから成る。スピーカアレーは、再生される信号の位相が１８０度異なる２種類のスピーカ各２個以上を、等間隔かつ半径ｒ_０の円周上で交互になるように配置されて構成される。信号生成部は、音速ｃとした時に、入力信号を、上記スピーカの個数Ｎによって定まるｆ_ｍａｘ＝Ｎｃ/４πｒ_０となるような周波数の信号に変換する。

この発明の局所再生装置によれば、フィルター群を用いずにエバネッセント波の再生を可能にすることができる。

円筒座標系を示す図。本願発明の原理を説明するための図であり、スピーカアレーに供給されるスピーカ用駆動信号を示す図。図２に示すスピーカ用駆動信号のｔ＝０の時点での音圧波形を示す図。本願発明の局所再生装置１００の機能構成例を示す図。本願発明の局所再生装置の音圧分布のシミュレーション結果を示す図。単一スピーカの音圧分布のシミュレーション結果を示す図。図５に示したシミュレーション結果の原点からの距離ｒと音圧との関係を示す図。従来の局所再生装置９００の機能構成例を示す図。局所再生装置９００のスピーカ用駆動信号の例を示す図。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。実施例の説明の前に、この発明の原理について説明する。エバネッセント波の理論については、例えば参考文献（E.G.ウィリアムズ著、吉川茂・西條献児訳、「フーリエ音響学」、シュプリンガー・ジャパン（株））を参照されたい。

〔この発明の原理〕
本願発明では、円形状にスピーカが配置された円形スピーカアレーの隣り合うスピーカに、位相反転させたスピーカ用駆動信号を供給することでエバネッセント波を再生する。

なお、以降の実施例の説明では、スピーカ配置を円筒座標系を用いて表現する。図１に、円筒座標系を示す。円筒座標系は、原点からの半径ｒと偏角φによってｘｙ平面上の座標を表現し、それにｚ軸を加えてｘｙｚ空間を表現するものである。

図２に、本願発明に係るスピーカアレーに供給されるスピーカ用駆動信号を示す。図２に示す＋（図は丸の中に＋表記）は、その位置に配置されるスピーカから再生される出力信号の位相を表す。同様に−（図は丸の中に−表記）は、その位置に配置されるスピーカから再生される出力信号の位相が、１８０度異なることを示している。

なお、図２に示す円形スピーカアレーは、スピーカの総数ＮをＮ＝８、アレー半径をｒ_０とした例である。図２では、−ｘ軸上を偏角φ＝０度とした場合に、（ｒ_０，φ_２２５，ｚ_０），（ｒ_０，φ_２７０，ｚ_０），（ｒ_０，φ_３１５，ｚ_０）の座標に配置される３個のスピーカの出力信号の表記は省略している。

図２に示す例では、円周方向に存在する音波の波長は、円周をＮ等分した長さになる（式（２））。

円周方向の波数ｎ_ｅｖａは、円周上に波長λｒの波がいくつ存在するかを表すので、波数ｎ_ｅｖａは式（３）で表せる。

エバネッセント波を再生するには、円周方向の波数を次式に示す条件にする必要がある。

ここでｋは入力信号の端数、ｒは原点から観測点までの距離である。ｒ＝ｒ_０でも構わない。

音速をｃ、入力信号の周波数をｆとすると、入力信号の波数ｋは式（５）で表せる。

したがって、円周方向の波数ｎ_ｅｖａは次式の関係を満たす必要がある。

式（６）の条件を満たす周波数帯域ｆ_ｍａｘは、式（７）となる。

図３に、スピーカの総数Ｎ＝８のスピーカアレーに、上記した条件に合致したスピーカ用駆動信号を入力した場合の時刻ｔ＝０における音圧分布を、一点鎖線で表記する。円周方向の波数ｎ_ｅｖａが４であることが分かる。このような音圧分布を実現することでエバネッセント波を再生することができる。

式（２）〜式（７）は、円形スピーカアレーのスピーカの総数Ｎ、円形スピーカアレーのアレーの半径ｒ_０、音速ｃ、とした時に、円周上にＮ個のスピーカを等間隔に配置し、そのＮ個のスピーカから出力される出力信号の位相を１８０度、交互に異ならせることで、周波数帯ｆ_ｍａｘ以下の周波数の音波はエバネッセント波となることを表している。

つまり、本願発明は、上記した条件で音波を再生することで、従来技術で必要であったフィルター群を用いずにエバネッセント波の再生を可能にする。

図４に、この発明の局所再生装置１００の機能構成例を示す。局所再生装置１００は、スピーカアレー４０と信号生成部５０とから成る。スピーカアレー４０は、再生される信号の位相が１８０度異なる２種類のスピーカ各２個以上を、等間隔かつ半径ｒ_０の円周上で交互になるように配置されて構成される。信号生成部５０は、音速ｃとした時に、信号入力端子６０に入力される入力信号Ｓ（ω）を、上記スピーカの個数Ｎによって定まるｆ_ｍａｘ＝Ｎｃ/４πｒ_０（式（７））となるような周波数の信号に変換する。信号生成部５０は、例えば、ディジタルフィルターのローパスフィルターで容易に実現することができる。

スピーカアレー４０は、スピーカの総数Ｎ＝８とした例であり、半径ｒ_０の円周上を等間隔に８分割した座標（ｒ_０，φ_０，ｚ_０），（ｒ_０，φ_４５，ｚ_０），（ｒ_０，φ₉₀，ｚ_０），…，（ｒ_０，φ_３１５，ｚ_０）上に、スピーカ４１〜４８がそれぞれ配置される。信号生成部５０は、信号入力端子６０に入力される入力信号Ｓ（ω）を、上記した式（７）となるような周波数帯域信号ｆ_ｍａｘに変換する。周波数帯域信号ｆ_ｍａｘは、位相が１８０度異なる２種類のスピーカに入力される。その具体例としては、スピーカとアンプとの結線を正のものと、その逆にしたもの、にすることで実現できる。

図４では、各スピーカをそれぞれ駆動するスピーカの数に対応したアンプ７０（７１〜７８）の出力極性とスピーカの入力端子の極性との関係を交互に反転させることで行っている。座標（ｒ_０，φ_１８０，ｚ_０）上に配置されるスピーカ４５の入力端子の＋極にはアンプ７５の＋出力端子、スピーカ４５の入力端子の−極にはアンプ７５の−出力端子が接続される。時計方向に隣接するスピーカ４４の入力端子の＋極にはアンプ７４の−出力端子、スピーカ４４の入力端子の−極にはアンプ７４の＋出力端子が接続される。隣り合うスピーカ間で同様な極性の反転が行われて局所再生装置１００が構成される。

式（７）から明らかなように半径ｒ_０が大きいほど、スピーカの総数Ｎが多いほど、周波数帯域ｆ_ｍａｘを大きくすることが可能である。

〔シミュレーション結果〕
この発明の効果を確認する目的で、スピーカの総数Ｎ＝２４、半径ｒ_０＝０．３ｍ、音速ｃ＝３４６．１６ｍ/ｓとし、入力信号の周波数を５００Ｈｚの条件でシミュレーション実験を行った。

図５に、その条件におけるｘｙ平面上（ｚ＝ｚ_０）の音圧分布を示す。ｒ＝１ｍの音圧は−６０ｄＢと大きく減衰していることが分かる。原点（ｘ＝0，ｙ＝0）からｒ_０＝０．３ｍの範囲の音圧は計算していない。図６に、参考に１個のスピーカの場合の音圧分布を示す。原点（ｘ＝0，ｙ＝0）からｒ_０＝１.０ｍ離れても、音圧は−１０ｄＢ以下に減衰しない様子が分かる。

図７に、上記条件で構成した局所再生装置の原点からの距離ｒと音圧との関係を示す。図７の横軸は原点からの距離ｒ、縦軸は音圧[ｄＢ]である。本願発明の局所再生装置の音圧は、ｒ＝０.６ｍで約−２０ｄＢ、ｒ＝０.８ｍで約−５７ｄＢ、ｒ＝０.９２ｍで約−６０ｄＢ、の急激な減衰特性を示す。単一スピーカの場合の音圧の減衰特性を破線で示す。ｒ＝０.９ｍでも−５ｄＢ程度の減衰量でしかない。

このように本願発明の局所再生装置によれば、フィルター群を用いずにエバネッセント波の再生を可能にする。

なお、上記した実施例では、信号生成部５０をディジタルフィルターのローパスフィルターで構成する例で説明したが、ディジタルフィルターである必要はない。オペアンプによる能動素子と抵抗ＲとコンデンサＣによる受動素子との組み合わせで構成するフィルターで信号生成部５０を構成するようにしても良い。

また、アンプ７０を、それぞれのスピーカ４１〜４８にそれぞれ対応する８個のアンプで構成される例で説明を行ったが、アンプの数は１〜８個の範囲で任意の数でも良い。このように本願発明の局所再生装置は、上記した実施例に限定されるものではない。また、スピーカアレーは、再生される信号の位相が１８０度異なる２種類のスピーカ各２個以上、つまり最低４個のスピーカで構成され、それ以上の数であれば本願発明の局所再生装置を構成することができる。

以上述べた局所再生装置は、従来技術で必要としたフィルター群（各フィルター係数を乗算する部分）を用いずに、局所再生を可能にする。したがって、局所再生装置の装置規模を削減し簡単化することができる。

Claims

再生される信号の位相が１８０度異なる２種類のスピーカ各２個以上を、等間隔かつ半径ｒ０の円周上で交互になるように配置したスピーカアレーと、
音速ｃとした時に、入力信号を、上記スピーカの個数Ｎによって定まる次式により得られる周波数帯ｆ _ｍａｘ以下の周波数の信号に変換してスピーカ用駆動信号とする信号生成部と、

からなり、
前記スピーカ用駆動信号が前記スピーカアレーに供給され再生される局所再生装置。