JP6388907B2 - 所定聴取空間内の特定位置におけるサウンドフィールドを修正する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明はサウンド再生システムに関し、特に、制限された又は半制限された聴取空間内でサウンドフィールドを生成する２つまたはより多くのサウンドソースからの音声信号を修正して、特定の聴取位置間及び聴取位置内で好ましいサウンドフィールド分布を得る方法及びシステムに関する。

通常、音声システムは家庭、自動車、及びその他の環境で用いられている。増幅器及びスピーカ等の音声システムコンポーネント(部品)は高サウンド忠実度のように、望ましい特性を持つものが選択される。しかしながら、音声システムコンポーネントは特定の環境におけるサウンド品質に影響を与える一つの因子に過ぎない。他の因子は、特に、中種環境そのものであり、スピーカの数及び位置、及び聴取者の位置である。

例えば、大抵の部屋は長方形であるが、通常、一方の寸法(長さ又は幅)は他方の寸法より長い。このことは、サウンドは部屋の異なる寸法の部分を横切って広がっていき、異なる時間に異なる壁で反射することを意味している。この効果は形状において完全には長方形ではない部屋でより顕著である。加えて、部屋に開口又はドアがあると、サウンドは反射されるか又は再反射される等の影響を受ける。外部ステージのような半分制限された部屋又は空間では、一つ又は二つの壁だけが設けられており、このことがサウンドの再生に極めて非対称な特性を与える。また、部屋又は聴取空間内に物体又は物理的な特徴を持つものがあったり、同一又は異なる壁面に、異なる形式の表面(窓又は室内装飾用又は柔らかい表面)があると、サウンドはこれらによって影響を受けた状態で、領域内に広がり又は反射する。

聴取領域の特別な特徴に加えて、部屋又は聴取空間内における聴取者の位置が音声聴取体験に影響を与え、聴取者によって体験されたサウンドの品質及び特性を決定してしまう。例えば、一般に、部屋又は他の制限された領域内に、部屋又は空間の長さ又は幅の寸法に応じた波長のモードが存在することが知られている。これらのモードは有効又は破壊的な干渉を生じさせ、部屋又は他の領域のサイズ(又は形状)に関連した特定周波数において、音響的な抑制を生じさせる場合がある。これらのモードは特殊な形状又は物理的な障害物を有する非長方形形状の部屋又は領域では予測することは難しい。スピーカの数又は位置もまた、聴取空間内における特定位置で聴取者が体験することに影響を与える。聴取位置に近いスピーカは離れたところにあるものよりも一般により大きく明瞭に聞こえ、複数のスピーカの総合的な効果は極めて異なっている。ダイポールのようなあるスピーカは方向性を持つコンポーネントであり、スピーカに関する聴取位置の相対的な方向性はある場合には聴取者の体験に影響を及ぼす。

上記した問題は、単一又はそれより多い周波数又は周波数帯域に亘るパワーレベルにおける検出可能な差として、所定の聴取領域内の異なる聴取位置間の違いとして明らかにできるかもしれない。そのようなパワーレベル間に変動があると、特に、最大パワーが全聴取位置の極めて少ない位置で体験できるから、音声システムは不十分又は役に立たないものであると判定されてしまう。

特定の問題となる制限された聴取領域の例は自動車又は他の乗り物であり、聴取位置が予め定められており、且つ、低周波数ドライバに適した位置が制限されている。加えて、聴取位置は座席位置(通常４又は５)に制限されており、これらの座席位置はスピーカ位置に対して非対称的に配置されている。空間は常に車内において特別なものであり、結果として、物理的に都合のよい位置にしばしばおかれる。であるにも拘らず、これら物理的に都合の良い位置はフートウェル又はフロント及びリアサイドドアの底部のような音響的には非常に悪い位置である。

いくつかの機構が自動車音声システム又は他のサウンドシステムに対して提案されている。これらは、単一の聴取位置における上記した課題を部分的に緩和できるが、他の位置においては欠陥となる。例えば、乗務員は左右のスピーカのボリュームを比例的に増加させて、サウンドバランスを手動的に調節できる。ある自動車音声システムは「ドライバモード」ボタンを備え、ドライバにとって最適なサウンドを得ることができる。しかしながら、左右の乗務員及び聴取者にとって異なった聴取軸が存在しているから、聴取領域の一方の側の乗務員(例えば、ドライバ)を満足させるバランス調整は聴取領域の他方の側の乗務員にとってはサウンドを悪くしてしまう。更に、バランス調整は乗務員又は聴取者の一方によって手動調整を必要とし、ユーザの介在を最小限にすることが一般には望ましい。種々のタイプのイコライゼーション(以下、等価)もまた使用されているが、これらは実際には典型的には全範囲(global)に亘るものであり、異なる聴取位置における異なる体験に適切に対処するものではない。加えて、グローバルな、即ち、全範囲に亘る等価はある位置におけるサウンド品質又は体験を改善できるかもしれないが、聴取空間の他の位置におけるサウンドの品質又は体験を悪くしてしまう。

他の技術は最適なスピーカ位置を探すためにスピーカを移動させることである。しかし、これらの技術はスピーカ位置が固定されている場合には効果が無い。

サウンド体験における非対称性及び他の関連する課題が、家庭内の部屋、ホール、アリーナ、及び他の規定された聴取領域のように、部分的に又は全体的に制限された空間においても又生じるかもしれない。ある場合には、聴取位置に関して柔軟性があっても、聴取位置は一般的には固定されている場合が多い。同様に、スピーカ位置が固定されている場合には、スピーカを移動させることは選択できない。

ある場合には、特定の聴取領域の聴取位置において同様なサウンド品質及びレベルを与えると言う目的とは異なり、異なる乗務員又は聴取者に対して異なる聴取体験を与えることが望ましいかもしれない。例えば、一人又はそれ以上の乗務員に対して静寂ゾーンを提供し、残りの乗務員に対して良い音質を維持することが望ましいかもしれない。

したがって、上記した一つ又は複数の課題を克服し、且つ、改善されたサウンド品質又は選択されたサウンドフィールド変動を提供できる改善されたサウンドシステムを提案することは有効である。

本発明の一実施形態に係る態様は、制限された、又は、半制限された聴取領域のような規定された聴取領域内におけるサウンド割当技術を含んでいる。サウンド割当技術は異なる聴取領域において周波数応答又は音声レベルの変動を最小化するために使用される一方、選択的に最大出力容量を得るためにも使用される。また、最大パワー出力を選択的に得ながら、望ましいサウンドレベルパターン又はサウンドフィールド変動性を得るためにも使用される。サウンド割当技術は一般的に一様な周波数応答(即ち、伝達関数)、又は、特定の聴取位置における音声レベルの特定ゾーンを得るためにも使用されている。

第１の態様では、予め定められたスピーカ位置を有する音声システムは、聴取位置において最小バリアンス(例えば、選択された許容範囲内で)を有する最大又は最適パワー出力を得るために構成されている。

他の別の態様では、予め定められたスピーカ位置を有する音声システムは、所望のサウンドレベルパターン又はサウンドフィールドバリアンスを生成する際、最大又は最適パワー出力を得るために構成されている。

更に別の態様では、予め定められたスピーカ又は音響出力ソース位置を有する音声システムは、制限された、又は、半制限された聴取領域のような規定された聴取領域内で、一様な周波数応答また音声レベルのゾーンを生成する構成を有している。

記載される一以上の実施例によれば、予め定められた音響出力ソース(例えば、スピーカ)位置を有する音声システムは各スピーカに送られる信号を修正するサウンド割当プロセッサを備え、全サウンドソースのベクトル和が各聴取位置において好ましい応答特性を与えるようにしている。この技術は、方向に関係なく、例えば、モノポール又はダイポールスピーカに一般的に適用できる。

更なる実施例、変形例、及び拡張例も開示される。

本発明の一実施例に係るサウンド割当システムを示す図である。 本発明の一実施例に係るサウンド割当プロセスを説明するフローチャートである。 異なる聴取位置に関連して、聴取領域のサウンド再生特性を決定するサウンド測定位置の例を示す平面図である。 本発明の一又はそれ以上の実施例に係るサウンド割当システムに関連して使用されるサウンド割当プロセッサの実装例を示す図である。 本発明の一実施例において、集合修正されたスピーカ出力が聴取領域内の各聴取位置でどのように結合され、各聴取位置において修正されたサウンドフィールド又は周波数応答を生成するかを示す概念図である。 一組のスピーカを備えた制限された聴取領域と、当該聴取領域内の特定の聴取位置で測定されたサウンド測定結果の例を示すグラフを示している。 図６と同様な聴取領域を示しているが、この例にしたがって与えられたサウンド割当と、修正されたサウンドが種々のスピーカを通して再生された後の各同一聴取位置における修正音声特性又は周波数応答を示すグラフである。

本発明の一又はそれ以上の実施例に係る音声システムは聴取領域内又はその周りに配置された複数の音響出力ソースを備え、サウンド割当プロセッサは音声ソース信号を受信する。サウンド割当プロセッサは複数の音声修正要素を含んでいても良く、各音響出力ソースに対する各音声修正要素は各音響出力ソースの周波数について音声ソース信号のある特性(例えば、ゲイン及び／又は位相)を修正する。これによって、例えば、聴取領域内全体に亘って、或いは聴取領域内の規定されたゾーン内において、一様なサウンドレベルを生成することができる。サウンド割当は、或る環境において、音響出力ソースの出力容量を最大化又は最適化すると共に、選択された許容範囲内で、座席間(inter-seat)応答変動を最小化し、帯域内(in-band)応答を均一にすることができる。

種々の実施例において、音声修正要素は、各音響出力ソースに対して一つ又はそれ以上のカスタムフィルタを含んでいても良く、及び、選択的に各音響出力ソースに対してカスタムゲインステージを含んでいても良い。音声修正要素は、例えば、各スピーカ又はサウンドソースに対して特別に調整された遅延及び／又は非最小位相シフト調整を含んでいても良い。更に、サウンド割当プロセッサは全音響出力ソースに対する音声ソース信号にグローバルイコライゼーション調整を含んでいても良い。

好ましい実施例では、音響出力ソースは低周波ドライブユニットを含み、音声割当プロセッサは音声ソース信号の低周波数に主に影響を与えるように構成される。

他の異なる態様によれば、音声システムにおけるサウンド割当方法が得られる。この割当方法は、音声ソース信号を受信し、複数の音響出力ソースのそれぞれに対して、周波数に対して前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相を独立に修正し、聴取領域全体に亘って又は聴取領域の所定ゾーン内において、実質的に一様なサウンドレベル又は好ましいサウンドフィールド変動を与える。修正された音声ソース信号はその後各音響出力ソースに送られる。

また、更に別の態様によれば、予め定められた聴取領域内又はその周辺において、複数の音響出力ソースを有する音声システムにおけるサウンド修正方法が得られる。この方法は、各音響出力ソースに対するサウンド伝達関数を特徴づけ、アニーリングアルゴリズムを使って、聴取領域内の規定された聴取位置で特定のサウンドレベル変動を与えるパラメータを識別するステップを含んでいる。識別されたパラメータは将来の使用に備えて、音声システム内に継続的に格納されてもよく、また、音声ソース信号を修正するために、音声システムにおいて後で利用し、聴取領域内における特定のサウンドレベルの変動を得ることができる。

ある実施例では、識別されたパラメータは各音響出力ソースに対して独立に、異なるスペクトラム成分のゲイン及び／又は位相を調節するために適用される。各音響出力ソースに対するカスタムゲインと共に一つ又はそれ以上のカスタムフィルタが、音響出力ソースに対する音声ソース信号を独立に修正するために使用されても良い。識別されたパラメータは各スピーカ又はサウンドソースに対して独立に適用されるためスピーカ特有の遅延及び／又は非最小位相シフトを含んでいても良い。

好ましい実施例では、ここでより詳細に説明されるように、アニーリングアルゴリズムは各音響出力ソースに対するサウンド修正パラメータ候補を選択し、サウンド修正パラメータを適用して聴取領域内の規定された聴取位置におけるサウンド出力レベルを決定して、異なる聴取位置間のサウンド出力レベルのバリアンスを決定している。サウンド出力におけるバリアンスが特定の許容範囲内にある場合、候補サウンド修正パラメータは許容されても良い。サウンド修正パラメータは各音響出力ソースに関連した選択されたゲイン及び／又は各音響出力ソースに関連した異なるスペクトラム成分(components)に対する選択された位相を含んでいても良い。例えば、選択された位相調整は、非最小位相シフトを与える成分を使って、周波数に依存する位相パターンを含んでいても良い。

いくつかの実施例によれば、音声システムにおける出力容量を最大化又は最適化できるサウンド割当技術が提案されている。サウンド割当技術は、例えば、更に、又は、代替的に、選択された許容範囲内で、異なる聴取位置間のサウンド変動を最小化するか、望ましいサウンドレベルパターン又はサウンドフィールド変化を生成しても良い。サウンド割当技術は、「相対的に静寂なスポット」又は「相対的に静寂なゾーン」を形成するために使用されても良く、及び／又は予め定められた聴取空間内で一様な周波数応答又は音声レベルを得るために使用されても良い。これらの静寂なゾーンは、予め定められた聴取空間の他の領域に比較して特定のサウンドレベル低下を持っていても良い。逆に、サウンド割当プロセッサは聴取空間の他の領域に比較して、特定のサウンドレベル増加を伴う相対的に高いサウンド又はボリュームレベルを有するゾーンを生成するために使用されても良い。

サウンド割当技術及びその関連する実施例は、処理を受ける対象の最大周波数の波長が聴取空間の最大寸法の１/１０より大きい聴取空間において非常に有効に利用できることが判明した。例えば、聴取領域としての自動車内部では、大まかに５-６フィート(約１．５−１．８メートル)の範囲の波長に対応する２００Hzの近傍帯域内又は以下の周波数における前述したサウンド処理を実行することが望ましい。通常サイズの居住部屋のような他の実施例では、サウンド処理は４００Hz以下、２５０Hz又は１５０Hz以下のようなある選択された閾値以下の低周波数帯域で主に実行されれば良い。逆に、例えば電話ボックスのようなより狭い閉鎖空間では、サウンド処理は、例えば１kHz又は２kHzのようなより大きな又はより高い周波数帯域で実行されればよい。

レベル割当が音声システムによって適用される実施例では、閉鎖空間内の予め定められた位置に、４つの低周波数ドライブユニットのセットに処理された音声信号が与えられる。これは、閉鎖空間内における異なる聴取位置において、周波数に亘ってほぼ一定のサウンドレベルを与えるか、或いは望ましいサウンドフィールド変動を与えるためである。

４つの低周波数ドライブユニットを有する一つ又はそれ以上の好ましい実施例が記載されるが、この構成は単なる例示である。スピーカの数が望ましいサウンドレベルパターン又はサウンドフィールド変動を生成するのに十分であれば、本発明の実施例では、より少ない数(例えば、２又は３)の低周波数ドライブユニット、又はより多くの数の低周波数ドライブユニット、又は、モノポール、ダイポール、又はこれらの組み合わせの特性を有する他の形式のサウンドソースが適用できる。サウンド割当は好ましくは２００Hz以下の周波数帯域のような無方向性周波数帯域で実行され; スピーカ又は他のサウンドソースは任意的でしかし低周波数ドライブユニットである必要はない。

図１は、本発明の開示の態様に従うサウンド割当システム１００の実施例を示している。図１において、音声ソース１２１は音声サウンド割当プロセッサ１２５に対して音声信号１２２を与えている。音声サウンド割当プロセッサ１２５は以下で詳細に説明するように、制限された又は閉鎖聴取領域１０１内おいて複数のスピーカのそれぞれに対して個別にサウンドを修正する。音声ソース１２１は例えば、通常のラジオ(FM,AM又はサテライトラジオ)、CDプレイヤ、MP3プレイヤ又はソース、DVDサウンドトラック、又は音声コンテンツの他のソースのような音声コンテンツのソースであればよい。音声ソース１２１は増幅器又はプリアンプ、イコライザ、フィルタ等、他の音声コンポーネントを含んでいても良い。

図１に示されているように、一組のスピーカ１０５Ａ−１０５Ｄ(ここでは、４つの場合を例示しているが、２又はそれ以上の任意の数のスピーカ又は他の音響出力ソースが使用されても良い)が制限された又は閉鎖された領域１０１の周りに間隔を置いて配置されている。ここで、スピーカ１０５Ａ−１０５Ｄはモノポール又はダイポールソース、又はこれらの組み合わせであっても良い。この実施例では、スピーカ１０５Ａ−１０５Ｄは制限された領域１０１の周辺に対称的に間隔を置いて配置されているが、この構成は必須の要件ではない。音声入力信号１０２は音声サウンド割当プロセッサ１２５に供給されている。以下でより詳細に説明するように、音声サウンド割当プロセッサ１２５は音声入力信号１０２の位相及び／又は振幅に個別に修正を加える。これは、選択された聴取位置において、よりバランスがよく、且つ、均一なサウンドを与え、或いは、それ以外に、選択された範囲又は周波数帯域に亘って特定形状又は特性のサウンドフィールドを与えるためである。音声サウンド割当プロセッサ１２５は音声修正要素１３１−１３４を含み、これらは、各スピーカ１０５Ａ−１０５Ｄに対してそれぞれ音声入力信号１０２の位相及び／又は振幅を調節する。スピーカ１０５Ａ−１０５Ｄには、音声修正要素１３１−１３４によって出力されている音声信号１０７Ａ−１０７Ｄがそれぞれ供給されている。音声修正要素１３１−１３４の性質が図示された例を参照して説明される。

図１に示された例にしたがって実装された一実施例によれば、音声サウンド割当プロセッサ１２５は音声スピーカ出力に関連した複素スペクトルの位相及び／又は振幅を修正する。これは、全音声出力を最大にすることを求めながら、種々の聴取位置において実質的に均一な音声レベルを得るため、又は、所望の特性のサウンドフィールド変動パターンを得るためである。この例では、音声サウンド割当プロセッサ１２５は、６つの主要聴取位置１４０Ａ−１４０Ｆにおける実質的に均一な音声レベル又はサウンドフィールドパターンを与えるために構成されている。尚、聴取位置の数は任意の数であっても良い。

図１に示された例にしたがって実装された他の実施例によれば、音声サウンド割当プロセッサ１２５は、制限された又は半制限された聴取空間１０１内における異なる周波数に亘るサウンドレベルを再配分するため又は再調整するために、音声スピーカ出力に関連した複素スペクトラムの位相及び／又は振幅を修正する。この実施例では、音声サウンド割当プロセッサ１２５は異なる聴取位置において異なる体験を与える。例えば、全体のサウンドフィールド内の主要聴取位置１４０Ａ−１４０Ｆの一つ又はそれ以上の位置に、「ホール」又は「デッドゾーン」即ち、相対的に静寂なゾーンを生成する。このタイプの動作は例えば、一人又はそれ以上の聴取者が音声コンテンツを聴きたくない場合に有効である。

各実施例において、記載された音声修正は継続的に行われても良いし、或いは、特定の状況において動的に行われても良い。

サウンドレベル割当技術の一例が図２のフローチャートに示されている。図２は図１に示された４つのスピーカ１０５Ａ−１０５Ｄを含む音声システム１００を参照して説明している。しかしながら、先にも述べた通り、このプロセスは聴取領域を適切に有効化するのに十分な数の任意の数のスピーカを用いた場合に動作する。図２に示しているように、プロセス２００は閉鎖された又は制限された聴取空間(例えば、図１に示された領域１０１)内の一組の聴取位置を選択する第１ステップによって開始する(図２にブロック２０５によって示されている)。一例として、６つの聴取位置１４０Ａ−１４０Ｆが選択されている。この例では６つの聴取位置１４０Ａ−１４０Ｆが選択されているが、聴取位置の数は選択できる。次に、ここで述べられている音声処理を行わない場合における未修整サウンドフィールドを特徴付けるために、サウンド測定が行われる。サウンド測定は、複素伝達関数の形式で特徴づけられる、各測定位置におけるスピーカ出力のスペクトラムプロファイルを得、サウンドソースと受信機間の複素伝達関数を測定する公知の方法を用いて行われる。サウンド測定はスピーカ毎に独立して行われ、聴取位置においてのみ行われても良いが、例えば、図３に示すように、位置３１０Ａ−Ｃ，３１５Ａ−Ｃ，３２０Ａ−Ｃ，３２５Ａ−Ｃ，３３０Ａ−Ｃ，と３３５Ａ−Ｃのような別の位置で測定されても良い。

この例(即ち、図３のサウンド測定パターンを有する)において各スピーカ１０５Ａ−１０５Ｄについてサウンド測定が一旦行われると、与えられた聴取位置又は他のサウンド測定位置におけるサウンド測定結果が、各サウンド測定位置においてベクトル的に加算される。好ましくは各サウンド測定位置における複素伝達関数の形に特徴付けられて、加算される。

図２に次のステップで示されているように、サウンド割当アルゴリズムが複合サウンドプロファイル(composite sound profile)上で実行され、音声電子装置で使用されるパラメータを発生し、ある好ましい特性に従う修正サウンドフィールドまたはサウンドレベルパターンを生成する。この例では、サウンド割当アルゴリズムの初期状態として(ステップ２３５で示されているように)、dB、パーセント、又は他の値で示される許容値が選択され、この許容値によって、種々の聴取位置或いは他のサウンド測定位置におけるサウンドレベルが比較される。選択された許容値は候補ソリューション(解決策)が生成されるかどうかに影響を与え、候補ソリューションの有意義なセットが与えられるように設定される。

次のステップ２４０において、ソリューションの候補セットを識別するためにサーチが実行され、与えられた周波数範囲における望ましいサウンドレベル割当を得る。望ましいサウンドレベルパターンは、例えば、異なる聴取位置に亘ってできるだけ平坦又は一様であるようなパターンである。一方、望ましいサウンドレベルパターン又はサウンドフィールド変動は、或る聴取位置のサウンドレベルが低下しているか、又は実質的に静寂であるようなパターンである。多変数(multivariate)アルゴリズムが、各スピーカに対して異なる位相及び／又は振幅調整値を選択するために使用されても良い。この場合、各聴取位置又はサウンド測定位置において予測出力を決定するために複合伝達関数が使用される。このプロセス中、余りにも多くの候補ソリューションが得られると、可能性のあるソリューションの数を減少させるために厳しい許容値が与えられても良い。

修正されたサウンドレベルパターンが異なる聴取位置に亘って比較的平坦であるかどうかを決定するために、候補ソリューションが試験される。即ち、予測されたサウンド出力が、ステップ２５０に示されているように、望ましい周波数範囲内で、異なる聴取位置に亘って選択された許容値の範囲内にあるかどうかを決定する(目標が、聴取領域においてサウンドレベルを平坦にすることであることを目的した場合である)。サウンドフィールドの全体的又は選択されたサウンドゾーン内で平滑度又は均一性が、例えば、各聴取位置又はサウンド測定点における結合されたサウンド出力の標準偏差を参照することによって評価される。サウンド出力が選択された許容値内にある場合、上記プロセスは各異なる聴取位置又はサウンド測定点における予測サウンド出力を他の位置等におけるものと互いに比較することによって行われる。サウンド出力が選択された許容値内にない場合、候補ソリューションは廃棄される(ステップ２５１)。そうでなければ、候補ソリューションはステップ２５５に示されているように、予測サウンド出力が所望の周波数範囲内において相対的に平滑かどうかが試験される。平滑でなければその候補ソリューションは廃棄されても良い(ステップ２５１)。一方、ステップ２５０及び２５５は、次のようなステップによって置き換えられても良い。即ち、候補ソリューションが所望形状のサウンドレベルパターン又はサウンドフィールド変動を与えるものであるかどうかを試験し、所望形状から選択された許容値以上逸脱している場合にはこれを廃棄するようなステップであっても良い。

上記プロセスによって、候補ソリューションが得られない場合、許容値が余りにも厳しいものであった可能性がある。このような場合、許容値が増加され、候補ソリューションを識別するために他の試みがなされる。

規定された聴取領域内の特定位置において、「相対的に静寂なゾーン」を生成するために、ゾーン内のサウンド出力を低下させるために、静寂ゾーン領域内の測定点に対してエラー重み関数を適用することが可能である。例えば、エラー重み関数は、静寂ゾーンに対して、集合的なサウンドソースによって生成されるサウンドが、同一周波数応答及び座席毎の変動を維持しながら、領域内で例えば、１０dB又は２０dBだけ抑制されるように、適用されても良い。上記候補ソリューションを実行している点では、重み関数の逆数(即ち、+10dB又は20dB)が、サウンド測定点において測定値に加えられても良い。その場合、候補ソリューションが予測されたサウンド出力を決定するために試験され、「相対的に静寂なゾーン」中における実際のサウンド出力がエラー重み関数の値だけ事実上低くなるようにする。

一実施例では、測定された伝達関数を用いて、問題となる周波数に亘って、各スピーカに対して個別に位相及び／又は振幅を変動させ、異なるサウンド測定位置におけるサウンド出力を予測することによって、候補ソリューションを識別するために、収束アルゴリズムが使用されても良い。特に、アニーリング関数が、候補ソリューションを識別し、最適の候補に収束するために使用されても良い。アニーリング関数は、極小値を避けることができる利点を有し、代わりに、全体的に最小バリアンスを得るソリューションを識別することができる。アニーリング関数は、一般に知られており、例えば、航空機の雑音を低下させるために使用されている。

ステップ２６０に示されているように、ソリューション候補セットから最適結果が識別される。これは、候補ソリューションを識別するために使用されている収束アルゴリズムとは別のステップとして実行されても良いし、収束アルゴリズムの一部として実行されても良い。最適候補は、追加されたグローバルイコライゼーション中、サウンドレベル及び特性の最適パターンを得るのに適したものであって良い。サウンドレベルパターン又はサウンドフィールド形状及び構造は、一般的に又は実質的に一様であって、組み合わさった場合に、破壊的及び建設的な干渉の双方を利用して部分的に生成される周波数応答を有する所望のゾーンを含んでいる。ある場合には、ソリューションの候補セットから得られる最適結果は、破壊的な干渉による損失を緩和し、全スピーカ又は他のサウンドソース上で多くの負荷を均一にするもの及び／又は目標となる聴取領域内の局部ゾーン又はその全体において、ピーク及び凹みを減少させるものである。

次のステップ２７０において適切なソリューションが決定されたと仮定すると、各スピーカに対して音声修正要素実装が選択される。ここで、図１の例では、実装は、スビーカ１０５Ａ−１０５Ｄに音声信号を供給する音声修正要素１３１−１３４に対して選択される。このために、種々の異なるタイプの電子部品又はフィルタが利用できる。例えば、要求されたイコライゼーション(等価)は、特定のスピーカに適用可能で且つ任意な遅延素子及び／又はゲイン調整に関連して、最小位相又は非最小位相を有する有限応答フィルタ(FIR)、無限応答フィルタ(IIR)、又は他の形式のフィルタの組み合わせを用いて、実装できる。各音声修正要素１３１−１３４は最適結果として決定された位相及び／又は振幅調整を、以前に実行されたサーチアルゴリズムにしたがって所望のサウンドフィールドを与えるために適用する。ある実施例では、振幅調整だけが行われても良いし、位相調整だけが用いられても良い。

次のステップ２８０において、グローバルイコライゼーション(global equalization)特性が音声サウンド割当プロセッサ１２５に対して選択される。グローバルイコライゼーションはスピーカ１０５Ａ−１０５Ｄに供給される全ての信号を集合的に調節し、実際のサウンドレベルパターン又はサウンドフィールドが所望のサウンドパターン又はフィールドに、よりよく整合するようにする。各聴取位置におけるサウンドレベルは与えられた許容値内で、実質的に一致するように前のプロセスにおいて選択されている。これは、異なる聴取位置において周波数応答又は音声レベルにおいて異なる例とは違い、一般的に一様で平坦な周波数応答又は音声レベルを有するサウンドゾーン又は領域が好ましいとの仮定に基づいている。この場合、グローバルイコライゼーションでは、相対的なサウンドレベルが各聴取位置においてほぼ一定でなければならないと言う事実を変更してはならない。グローバルイコライゼーション特性は音声サウンド割当プロセッサ１２５内の分離したコンポーネント(部品)として実装されても良い。

図４は、ここで述べられている一実施例に従って構成されたサウンド割当システム４００の好ましい実装例を示している。図４の実施例は４つのスピーカ４０４Ａ−４０４Ｄを使用している点では図１と同様であるが、２つ又はそれ以上の任意の数のスピーカが使用されても良い。この例のサウンド割当システム４００は、図４に示すように、図１を参照して前に述べられた音声ソース１２１と同様に、音声ソース４２１を含み、当該音声ソース４２１には音声サウンド割当プロセッサ４２５を有している。音声ソース４２１は、音声信号をイコライザ(等価器)４１５に与え、イコライザは、最終的に修正された形で各スピーカ４０５Ａ‐４０５Ｄに与えられる音声信号４２２に対して、グローバルイコライゼーションを施す。

イコライザ(等価器)４１５の出力は遅延要素４３１−４３４に供給され、遅延要素４３１−４３４は各スピーカ４０５Ａ−４０５Ｄに対して個々に遅延調整を適用する。遅延ステージ４３１−４３４の出力はフィルタステージ４４１−４４４にそれぞれ与えられる。各フィルタステージ４４１−４４４はスピーカ４０５Ａ−４０５Ｄに対して一組の修正された音声信号４８４−４８４の一つを出力する。フィルタステージ４４１−４４４は、一般に一つ又はそれ以上の低域通過フィルタ、高帯域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ、シェルフフィルタ、非最小位相要素、又は他の形式のフィルタ又は要素を含んでいても良いが、非最小位相シフト調整要素を含んでいることが望ましい。フィルタステージ４４１−４４４は例えば、FIR又はIIR、又は他の形式として実装されても良い。

最小位相シフトフィルタと非最小位相シフトフィルタとの差異は以下の通りである。最小位相シフトフィルタは一般的に以下の伝達関数によってあらわされ、
Ｇ（ｓ）＝Ｎ（ｓ）／Ｄ（ｓ）
右半分(s)の面中にゼロ点を有していない。他方、フィルタの伝達関数が右半分(s)の面中にゼロ点を有している場合、そのフィルタは非最小位相動作を行う。非最小位相シフトフィルタの位相応答の係数(modulus)は、同じ振幅応答を有する最小位相動作を行うフィルタの係数よりも大きい。

各スピーカ４０５Ａ−４０５Ｄは各フィルタステージ４４１−４４４から出力を受け、所望のサウンドレベルパターン又はサウンドフィールドを構成するために、位相及び/又はゲインについて修正された音声信号を受信する。図５は、この例において、聴取領域内の各聴取位置M1-M4で、統合された修正スピーカ出力がどのように結合され、各聴取位置における修正されたサウンドフィールド又は周波数応答を生成するかを示している。例えば、聴取位置M1においてスピーカ４０５Ａ-４０５Ｄからの出力は、統合出力が全スピーカのベクトル和にしたがって聴取位置M1において結合された伝達関数を形成するように結合される。同様な効果が聴取位置M2,M3, M4においても生じるが、各場合における効果は、特定の聴取位置において求められるような各スピーカ出力の相対的音声レベル及び特性に依存している。

開示されている本発明は図４に示されている特定の構成に限定されないことは勿論であり、当業者によって理解できるようにより多くの他の実装例が可能である。

一又はそれ以上の実施例において、スピーカ１０５Ａ-１０５Ｄは低周波数ドライブユニットであっても良く、サウンド割当プロセッサによって与えられる調節又は修正は複数の聴取位置に亘って均一な低音応答を実現できる。

スピーカ１０５Ａ-１０５Ｄが自動車内にあるような場合には、聴取者は手動調節を行い、例えば、フェード制御(前方及び後方スピーカ間の相対的ボリュームを調節する)又はバランス制御(右及び左スピーカ間の相対的ボリュームを調節する)を行うことによって、スピーカ中の相対的なボリュームレベルを調節できる。フェード制御又はバランス制御によって、相対的スピーカボリュームレベルを手動調節した場合、サウンド割当プロセッサによって与えられるサウンド割当は影響を受ける。相対的なボリュームの変化を調整するために、フェード及び／又はバランスの異なるレベルに対して音声修正要素１３１−１３４に異なるパラメータを準備しておくことも可能である。例えば、異なるフィルタパラメータが離散フェード及び／又はバランスレベルで用意されていても良い。そのようなパラメータは、例えば、サウンド割当プロセッサ１２５内のルックアップテーブル内に格納され、手動フェード及び／又はバランス調整が行われる場合、リアルタイムに音声修正要素１３１−１３４に負荷されても良い。異なるフェードレベルに対して一つのルックアップテーブル、異なるバランスレベルに対して一つのルックアップテーブルが設けられても良いし、又は、パラメータはフェード及びバランスレベルの双方に使用でき、選択入力にしたがって選択される単一の２次元ルックアップテーブルに結合されていても良い。

特定の聴取領域に適用されたサウンド割当プロセスの一例が図６及び図７を参照して説明される。図６は、指定された聴取位置６４０Ａ―６４０Ｄ(M1-M4としても示されている)と、聴取領域６０１のコーナー近くの特定位置に設けられたスピーカ６０５Ａ−６０５Ｄを有する制限された聴取領域６０１の平面図を示している。この例では、低周波数ドライバ又はサブウーハであっても良い一組のスピーカ６０５Ａ−６０５Ｄは聴取領域６０１の種々の固定位置に設けられている。全スピーカ６０５Ａ−Ｄは均一に駆動される。即ち、各スピーカは単一又は複数の増幅器から同じ音声ソース信号を受信する。聴取位置６４０Ａ−Ｄは図では対称的に配置されているが、室内に対称的に配置される必要はない。これは設計及び実装の際における選択される事項に過ぎない。図６に示されているように、グラフ６５０、６６０、６７０、６８０は各位置M1-M4における各周波数応答曲線を示している。各曲線は全ての位置の平均応答に対する各位置における応答の差を示している。例えば、略４５Hzにおいて４つの位置おける応答には１５dBまでの変化がみられる。これは、聴取位置に関係なく、一様な聴取体験を与える点では好ましくない。

図７は聴取領域６０１、スピーカ及び聴取位置において同じ配置を示しているが、前述した技術を利用したサウンド割当プロセッサ７２５によってスピーカ６０５Ａ−Ｄが駆動される点で異なっている。より具体的に述べると、サーチアルゴリズム又は関連する技術を使ってサウンド割当プロセッサ７２５に対する適切なパラメータが得られた後、注目する周波数領域(この例の場合100Hertz以下)に亘って各スピーカを独立にゲイン及び／又は位相調整するために、サウンド割当プロセッサ７２５が用いられる。サウンド割当プロセッサ７２５は音声信号ソース７２１から音声信号を受信し、音声修正コンポーネント(部品)７３１−７３４を使って、各スピーカ６０４Ａ−Ｄに対して個別に音声ソース信号のスペクトラム特性を修正する。この場合、例えば、各スピーカ６０５Ａ−Ｄに対して個々に音声ソース信号のゲイン及び／又は位相が調整される。前述したように、サウンド割当プロセッサ７２５はスピーカ６０５Ａ−Ｄ全体に対してグローバルイコライゼーション調整７１５を適用しても良い。図示されたグラフ７５０、７６０、７７０、７８０は図６に示されたグラフ６５０、６６０、６７０、６８０にそれぞれ対応しており、平均応答からの偏差がサウンド割当プロセッサ７２５の作用によって著しく小さくなっていることを示している。このように、上記した原理にしたがうサウンド割当プロセッサ７２５の動作は、音声処理の手段によって、スピーカ位置を変化させる必要なく、異なる聴取位置にわたって、実質的に一様なサウンドレベルを与えるために動作する。

前述した一つ又はそれ以上の態様に係るサウンド割当システムは、制限された又は半制限された聴取領域の周りに配置された複数のスピーカ、サウンド割当プロセッサに結合された音声ソースと、を備え、前記音声割当プロセッサは各スピーカに対して個別にサウンド修正コンポーネントを有している。サウンド修正コンポーネントは各スピーカに対して個別に伝達関数を調整して、特定の周波数範囲又は注目する帯域について、前記聴取領域内で所望のサウンドレベル又はサウンドフィールドを得る。一つ又はそれ以上の実施例では、選択された許容値内で且つ、所望の周波数領域に亘って、複数の聴取位置にそれぞれにおいて、サウンドレベルが実質的に同じになるように、サウンド修正コンポ―ネントが選択されている。他の実施例では、サウンド修正コンポーネントはサウンドレベルが複数の聴取位置に亘って所望の周波数帯域に亘って、所望の不均一サウンド割当パターンに整合するように選択されている。

或る態様に係る音声システムは、所望の周波数範囲に亘って複数の聴取位置において、最小の検出可能な分散を有する最大又は最適なパワー出力を得る予め定められたスピーカ位置を備えている。他の別の態様に係る音声システムは所望の周波数範囲に亘って、聴取領域において所望の不均一サウンドレベルパターン又はサウンドフィールド変化を生成しながら、最大又は最適なパワー出力を得る予め定められたスピーカ位置を有している。

本発明の好ましい実施例が説明されたが、本発明の概念及び範囲内で種々の変形が可能である。そのような変形は本明細書及び図面を参照することによって、当業者には明らかである。このため、本発明は請求の範囲の精神及び範囲以外によって制限されない。

関連出願情報
本出願は２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願第61/800566の利益を享受するものであり、参照することによってここに取り込まれるものとする。

Claims (34)

1. 制限された、又は、半制限された聴取領域内又はその近傍に配置された複数の音響出力ソースと、
   音声ソース信号を受信するサウンド割当プロセッサを含み、
   前記サウンド割当プロセッサは複数の音声修正要素を含み、前記各音響出力ソースに対して単一の前記音声修正要素が各音響出力ソースに対して調整された少なくとも非最小位相シフト調整を適用することによって、各音響出力ソースに対する音声ソース信号を修正するために動作し、前記聴取領域内又は前記聴取領域内の規定されたゾーン内で、規定された周波数範囲に亘って変動するサウンドフィールドパターンを有するサウンドフィールドを生成し、異なる聴取位置に亘る前記音響出力ソースからの音声応答が意図的に不均一に変動する音声システム。
2. 前記各音声修正要素は一つ又は複数のフィルタを有する請求項１の音声システム。
3. 前記各音声修正要素は前記音響出力ソースに対してカスタマイズされた遅延を有している請求項１の音声システム。
4. 前記音声修正要素の一つ又は複数は前記音響出力ソースに対してカスタマイズされたゲインを有している請求項１の音声システム。
5. 更に、前記音響出力ソース全てに対して全体的に与えられる前記音声ソース信号に対するコモンイコライゼーションを含んでいる請求項４の音声システム。
6. 前記サウンド割当プロセッサは、前記音響出力ソースから出力されるサウンド波の破壊的干渉によって生じるパワー損失を緩和する請求項２の音声システム。
7. 前記音響出力ソースは低周波ドライブユニットを含んでいる請求項１の音声システム。
8. 前記音声修正要素は前記音声ソース信号の低周波領域に亘って主に動作するように構成されている請求項１の音声システム。
9. 前記各音響出力ソースに対して調整された少なくとも非最小位相シフト調整に従って、前記各音響出力ソースの前記音声ソース信号を修正することによって、前記サウンド割当プロセッサは前記聴取領域内に少なくとも一つの相対的に静かなゾーンを生成する請求項１の音声システム。
10. 前記相対的に静かなゾーンは前記聴取領域の他の部分に対して、相対的に特定のボリューム低下を有している請求項９の音声システム。
11. 前記各音響出力ソースに対して調整された少なくとも非最小位相シフト調整に従って、前記各音響出力ソースの前記音声ソース信号を修正することによって、前記サウンド割当プロセッサは前記聴取領域内に複数の相対的に静かなゾーンを生成する請求項１の音声システム。
12. 前記各音響出力ソースに対して調整された少なくとも非最小位相シフト調整に従って、前記各音響出力ソースの前記音声ソース信号を修正することによって、前記サウンド割当プロセッサは、前記聴取領域の他の部分におけるサウンドボリュームに対して、特定のボリューム増加を有するゾーンを前記聴取領域内に生成する請求項１の音声システム。
13. 音声ソース信号を受信し、
    各音響出力ソースに対して、調整された少なくとも非最小位相シフト調整を適用することによって、規定された周波数範囲に亘って前記音声ソース信号を独立に修正して、前記聴取領域内又は聴取領域内の限定されたゾーン内に規定された周波数範囲に亘って、変動するサウンドフィールドパターンを有するサウンドフィールドを生成し、それによって、異なる聴取位置に亘って前記音響出力ソースからの音声応答を意図的に不均一に変化させ、
    前記修正された音声ソース信号を各音響出力ソースに搬送することを含む、音声システムにおけるサウンド割当方法。
14. 前記音声ソース信号は各音響出力ソースに対してカスタマイズされた一つ又は複数のフィルタを使用して修正される請求項１３の方法。
15. 前記音声ソース信号は前記各音響出力ソースに対してカスタマイズされた遅延を用いて修正される請求項１３の方法。
16. 前記音声ソース信号は一つ又は複数の前記音響出力ソースに対してカスタマイズされたゲインレベルに調整されている請求項１４の方法。
17. 更に、前記音響出力ソースの全てに全体的に与えられる前記音声ソース信号に、コモンイコライゼーション調整を適用する請求項１６の方法。
18. 前記各音響出力ソースに対する前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相の独立修正は前記音響出力ソースから出力されるサウンド波の破壊的干渉によって生じるパワー損失を緩和する請求項１３の方法。
19. 前記音響出力ソースは低周波ドライブユニットを含んでいる請求項１３の方法。
20. 前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相の修正は前記音声ソース信号の低周波において主に行われる請求項１３の方法。
21. 前記各音響出力ソースに対する前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相の独立的な修正は前記聴取領域内に少なくとも一つの相対的に静かなゾーンをもたらす請求項１３の方法。
22. 前記相対的に静かなゾーンは前記聴取領域の他の部分のサウンドボリュームに比較して特定のボリューム低下を有している請求項２１の方法。
23. 前記各音響出力ソースに対する前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相の独立修正は前記聴取領域内に、相対的に静かなゾーンを複数生成する請求項１３の方法。
24. 前記各音響出力ソース対する前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相の独立修正は前記聴取領域の他の部分におけるサウンドボリュームに対して特定のボリューム増加を有するゾーンを前記聴取領域内に生成する請求項１３の方法。
25. 規定された聴取領域内または近傍に複数の音響出力ソースを有する音声システムにおけるサウンド修正方法であって、
    予め定められた複数の聴取位置において、前記各音響出力ソースに対してサウンド伝達関数を特徴づけ、各聴取位置における集合的な伝達関数を生成し、
    アニーリングアルゴリズムを使用して、規定された周波数範囲に亘って、前記聴取領域内の前記予め定められた位置に亘って、特定の不均一なサウンドレベル変動を生成するために使用されるパラメータを与え、
    前記音声システム内の前記識別されたパラメータを将来の使用のために継続的に格納しておく方法。
26. 更に、前記音声システムにおける前記識別されたパラメータを利用して、音声ソース信号を修正し、前記聴取領域内で特定のサウンドレベル変動を得る請求項２５の方法。
27. 前記識別されたパラメータは、前記各音響出力ソースに対して独立に前記音声ソース信号のゲイン及び／又は位相を調節するために適用される請求項２６の方法。
28. 更に、前記音響出力ソースに対する前記音声ソース信号を独立的に修正するために各音響出力ソースに対して一つ又は複数のカスタムフィルタを含む請求項２７の方法。
29. 前記アニーリングアルゴリズムは、
    各音響出力ソースに対するサウンド修正パラメータの候補を選択し、
    前記サウンド修正パラメータを適用して、前記聴取領域内の規定された聴取位置におけるサウンド出力レベルを決定し、
    異なる聴取位置間のサウンド出力レベルの変動を決定する請求項２５の方法。
30. サウンド出力の変動が特定の許容範囲にあるか否かを決定する請求項２９の方法。
31. 前記サウンド修正パラメータは各音響出力ソースに関連したカスタムゲインを含む請求項２９の方法。
32. 前記サウンド修正パラメータは各音響出力ソースに関連したカスタム遅延及び非最小位相シフトを含む請求項２９の方法。
33. 前記聴取領域内の前記特定のサウンドレベル変動は前記聴取領域内に一つ又はそれ以上の相対的に静かなゾーンを生成する請求項２５記載の方法。
34. 前記静かなゾーンの聴取位置においてサウンド伝達関数が特徴付けられている場合、前記静かなゾーンの聴取位置において、エラー重み関数を適用し、更に、前記サウンド修正パラメータの候補を適用して、前記聴取領域内の前記予め定められた位置におけるサウンド出力レベルを決定する場合、前記静かなゾーン内の前記聴取位置の前記エラー重み関数の逆数を加えることによって、前記一つ又はそれ以上の相対的に静かなゾーンが生成される請求項３３記載の方法。

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