JP6670259B2 - 音響再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、実空間内に仮想的な音源・音像を作り出す音響再生技術に関する。

パブリックビューイングやコンサート会場では、上映会場に設置された複数のスピーカから音声や音楽などが再生される。近年、その音源や音像を仮想的に実空間内に作り出すことにより、これまで以上に臨場感のある音響再生を実現する取り組みが行われている。

例えば、特許文献１には、実音源からの音響信号をマイクアレイで収音し、その音響信号について上下左右方向からの到来方向を分析して波面合成法（Wave Field Synthesis）を用いることにより、遠隔地に設置されたスピーカアレイの前面を含む任意の位置に上記実音源に対応する仮想音源を再現する方法が記載されている（特許文献１の段落００２２，図２）。

しかし、特許文献１の場合、スピーカアレイに加えてマイクアレイを伴うため、仮想音源を作り出すために必要な装置の規模が増大してしまう。また、特許文献１は収録音声を忠実に再現することを目的とするため、収音した音響信号に係るコンテンツを編集すること（例えば、特殊効果を追加すること）は困難である。

これに対し、非特許文献１では、想定する仮想音場に吸い込み型音源（acoustic sink）があると仮定し、第１種レイリー積分から導出される駆動信号をスピーカアレイに与えることにより、そのスピーカアレイの前面に仮想音像を作り出す方法を提示している（非特許文献１のＦｉｇ．８）。

特開２０１１−２４４３０６号公報

Sascha Spors、外３名、"Physical and Perceptual Properties of Focused Sources in Wave Field Synthesis"、127th Audio Engineering Society Convention paper 7914、2009年10月

非特許文献１の場合、マイクアレイを用いることなくスピーカアレイの前面に仮想音像を生成することはできる。しかし、理論では無限に長い音源を直線状に配置するのに対し、実際には有限個のスピーカを直線状に配置するため、意図した仮想音像の位置と実際に受聴者が音像を知覚する位置とが一致する領域（スイートスポット）がスピーカアレイの長さに応じて狭くなってしまう。より具体的には、図８に示すように、スピーカアレイ３０により生成されるＸ_ｓの仮想音像が作るスイートスポット５０は、斜線に囲まれたエリアに限定されてしまう。

これは、波面合成法が異なるパワーと位相を入力音響信号に与えて音響信号を生成し、これらを各スピーカから再生することで特定の方向について音響信号を強めたり弱めたりする技術であるからであり、有限個のスピーカでスピーカアレイを構成する場合、端のスピーカから出た音を補正するための音を出力するスピーカが存在しないため、所望の音場を作ることができないことによる。特に、設定する仮想音像の位置がスピーカアレイよりも離れれば離れるほど、また、その仮想音像の位置がスピーカアレイの中央より離れれば離れるほど、その仮想音像によるスイートスポットは狭く限定的となる。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、仮想音像が作るスイートスポットを拡大することを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に係る音響再生装置は、仮想音像を実空間内に生成するための音響信号を生成する音像生成部と、複数の直線を接続してできる曲線に沿って並べられた複数のスピーカから前記音響信号をそれぞれ出力する音響再生部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る音響再生装置は、請求項１に記載の音響再生装置において、前記音響再生部は、前記複数の直線にそれぞれ対応する複数のスピーカをそれぞれ独立なスピーカアレイとしてそれぞれ駆動することを特徴とする。

請求項３に係る音響再生装置は、請求項２に記載の音響再生装置において、前記音像生成部は、前記スピーカアレイのそれぞれに対して、前記実空間内において同一の位置に前記仮想音像を生成するための前記音響信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、仮想音像が作るスイートスポットを拡大できる。

音響再生装置の構成を示す図である。 メインアレイと補助アレイの位置関係を示す図である。 本実施形態によるスイートスポット範囲を示す図である。 メインアレイと補助アレイと仮想音源の位置関係の具体例を示す図である。 シミュレーションに用いる設定パラメータの例を示す図である。 本実施形態による音圧分布を示す図である。 従来方法による音圧分布を示す図である。 従来方法によるスイートスポット範囲を示す図である。

上記課題を解決するため、本発明は、複数のスピーカが直線状に並べられたスピーカアレイを曲げて２以上のスピーカアレイとし、その２つ以上のスピーカアレイから仮想音像をそれぞれ独立に生成する。これにより、曲げられたスピーカアレイに含まれるスピーカが仮想音像に近づくので、設定した仮想音像の位置がスピーカアレイの中央からずれた場合であっても、その仮想音像によるスイートスポットを拡大することができる。以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

一実施の形態に係る音響再生装置の構成を図１に示す。この構成は、残響を利用した音像制御を行う最も基本的な構成例である。音響再生装置１は、図１に示す通り、仮想音像を生成する主音像生成部１１と、仮想音像を補助的に生成する補助音像生成部１２と、主音像生成部１１と補助音像生成部１２から音響信号をそれぞれ受け取り、それぞれの音響信号を別々に再生する音響再生部１３と、を備えて構成される。これらの機能について引き続き詳述する。

主音像生成部１１と補助音像生成部１２は、音響信号と音像位置情報を受け取り、その音像位置情報に含まれる指定位置（ユーザにより設定された実空間内の位置）に仮想音像を生成するための音響信号を生成する。なお、主音像生成部１１と補助音像生成部１２は、特許請求の範囲に記載された「音像生成部」である。

音響再生部１３は、複数のスピーカが等間隔で直線状に並べられた２つのアレイを備え、その２つのアレイのうち、メインアレイのスピーカ群は主音像生成部１１に接続され、補助アレイのスピーカ群は補助音像生成部１２に接続される。そして、音響再生部１３は、主音像生成部１１からの音響信号をメインアレイのスピーカ群から出力して再生し、補助音像生成部１２からの音響信号を補助アレイのスピーカ群から出力して再生する。

本実施の形態では、図２に示すようにメインアレイ３０ａと補助アレイ３０ｂを角度α傾けて設置・構築する。つまり、２つの直線を接続してできる曲線に沿ってメインアレイ３０ａと補助アレイ３０ｂを直線ごとにそれぞれ形成し、その２つのアレイ（一の直線に対応するメインアレイ３０ａのスピーカ群と他の直線に対応する補助アレイ３０ｂのスピーカ群）をそれぞれ独立して駆動する。これにより、補助アレイ３０ｂが仮想音像の位置Ｘ_ｓに近づくので、図３に示すように該仮想音像によるスイートスポット５０を拡大することができる。

次に、音響再生装置１の動作について説明する。

まず、主音像生成部１１の動作について説明する。主音像生成部１１は、仮想音像の位置Ｘ_ｓ＝（ｘ_ｓ，ｙ_ｓ）と、メインアレイ３０ａにおいて対象となるｉ番目のスピーカの位置Ｘ_ｉ＝（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）から、式（１）に従い周波数領域のフィルタ係数を生成する（ステップＳ１）。

ここで、ｊ＝√（−１）、ｋは波数（ｋ＝ω／ｃ）、ωは角周波数（ω＝２πｆ）、ｆは周波数、ｃは音速、ｇ_０＝√（２π｜ｙ_ｒｅｆ−ｙ_０｜）、｜ｙ_ｒｅｆ−ｙ_０｜は仮想音像からスピーカアレイまでの距離、Ｈ_１ ^（１）は１次の第１種ハンケル関数である。式（１）を、事前に決めた周波数範囲（例えば、１００Ｈｚ≦ｆ＜２０００Ｈｚ）について算出する。なお、周波数の範囲はこれに限定されない。

次に、主音像生成部１１は、上記周波数領域のフィルタ係数を逆フーリエ変換することにより、時間領域のフィルタ係数を算出する（ステップＳ２）。

次に、主音像生成部１１は、上記時間領域のフィルタ係数を、入力した音響信号に畳み込むことにより、音響再生部１３を駆動するための駆動信号を得る（ステップＳ３）。

上記処理を音響再生部１３のうち主音像生成部１１に接続されているメインアレイ３０ａのスピーカ群に適用することで、その全てのスピーカから出力される音響信号を全て算出できる。

続いて、補助音像生成部１２の動作について説明する。

まず、補助音像生成部１２は、仮想音像の相対位置Ｘ_ｒｅｌ＝（ｘ_ｒｅｌ，ｙ_ｒｅｌ）を式（２）に従い算出する（ステップＳ４）。この相対位置Ｘ_ｒｅｌは、補助アレイ３０ｂから見た場合における仮想音像の位置を表す。

次に、補助音像生成部１２は、仮想音像の相対位置Ｘ_ｒｅｌ＝（ｘ_ｒｅｌ，ｙ_ｒｅｌ）と、補助アレイ３０ｂにおいて対象となるｍ番目のスピーカの位置Ｘ_ｍ＝（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ）から、式（３）に従い周波数領域のフィルタ係数を生成する（ステップＳ５）。

式（３）の変数の定義は式（１）と同じである。式（３）を、事前に決めた周波数範囲（例えば、１００Ｈｚ≦ｆ＜２０００Ｈｚ）について算出する。

次に、補助音像生成部１２は、上記周波数領域のフィルタ係数を逆フーリエ変換することにより、時間領域のフィルタ係数を算出する（ステップＳ６）。

次に、補助音像生成部１２は、上記時間領域のフィルタ係数を、入力した音響信号に畳み込むことにより、音響再生部１３を駆動するための駆動信号を得る（ステップＳ７）。

上記処理を音響再生部１３のうち補助音像生成部１２に接続されている補助アレイ３０ｂのスピーカ群に適用することで、その全てのスピーカから出力される音響信号を全て算出できる。

最後に、音響再生部１３は、主音像生成部１１及び補助音像生成部１２から受け取ったそれぞれの駆動信号をメインアレイ３０ａと補助アレイ３０ｂからそれぞれ出力する（ステップＳ８）。

これにより、メインアレイ３０ａと補助アレイ３０ｂは、実空間内において仮想音像を同一の位置にそれぞれ作り出すことができる。また、補助アレイ３０ｂが仮想音像の位置に近づけて配置されているので、その仮想音像によるスイートスポットを拡大することができる。

上記音響再生装置１による効果を確認するため、単一周波数の正弦波を用いた計算機シミュレーションの結果を行った。このシミュレーションでは、メインアレイと補助アレイを各々一つずつ用いた。このシミュレーションにおけるメインアレイ３０ａと補助アレイ３０ｂと仮想音像の位置関係を図４に示し、そのシミュレーションのパラメータを図５に示す。

このシミュレーションによる音圧分布を図６に示す。図７に示した従来手法のシミュレーション結果と比較すると、本実施の形態による手法の方が設定した仮想音像の位置に点音源がある場合にできる同心円状の音場を高精度で広範囲に再現できていることが分かる。例えば、ｙ＝３ｍの位置において、図７では明瞭な音場範囲（ｘ軸方向の幅）は２〜３ｍであるが、図６に示されたその音場範囲は６〜７ｍにまで拡大されている。

以上より、本実施の形態によれば、仮想音像を実空間内に生成するための音響信号を生成する主音像生成部１１及び補助音像生成部１２と、２つの直線を接続してできる曲線に沿って並べられた複数のスピーカから該音響信号をそれぞれ出力する音響再生部１３と、を備えるので、仮想音像が作るスイートスポットを拡大できる。

最後に、本実施の形態で説明した音響再生装置１は、上記機能を備える回路やコンピュータなどで実現可能である。また、本実施の形態では２つのアレイを用いた場合を例に説明したが、３つ以上の直線を接続してできる曲線に沿って３つ以上のアレイを形成しても構わない。

１…音響再生装置
１１…主音像生成部
１２…補助音像生成部
１３…音響再生部
３０…スピーカアレイ
３０ａ…メインアレイ
３０ｂ…補助アレイ
５０…スイートスポット

Claims (3)

1. 仮想音像を実空間内に生成するための音響信号を生成する音像生成部と、
   複数の直線を接続してできる曲線に沿って並べられた複数のスピーカであって、直線状に配置された第１のスピーカアレイと、前記第１のスピーカアレイと所定の角度αで直線状に配置された第２のスピーカアレイと、から前記音響信号をそれぞれ出力する音響再生部と、を備え、
   前記音像生成部は、
   前記仮想音像の位置をＸ _ｓ ＝（ｘ _ｓ ，ｙ _ｓ ）、前記第１のスピーカアレイに含まれるｉ番目のスピーカの位置をＸ _ｉ ＝（ｘ _ｉ ，ｙ _ｉ ）、ｊを√（−１）、ｋ（＝ω／ｃ）を波数、ω（＝２πｆ）を角周波数、ｆを所定の周波数、ｃを音速、ｇ _０ を√（２π｜ｙ _ｒｅｆ −ｙ _０ ｜）、｜ｙ _ｒｅｆ −ｙ _０ ｜を前記仮想音像から前記第１のスピーカアレイまでの距離、Ｈ _１ ^（１） を１次の第１種ハンケル関数としたとき、
   に示すフィルタ係数Ｄ _２．５Ｄ （Ｘ _ｉ ，ω）の算出式を用いて前記仮想音像を生成するための第１の音響信号を生成する主音像生成部と、
   前記第２のスピーカアレイからの前記仮想音像の位置をＸ _ｒｅｌ ＝（ｘ _ｒｅｌ ，ｙ _ｒｅｌ ）、前記第２のスピーカアレイに含まれるｍ番目のスピーカの位置をＸ _ｍ ＝（ｘ _ｍ ，ｙ _ｍ ）としたとき、
   に示すフィルタ係数Ｄ _２．５Ｄ （Ｘ _ｍ ，ω）の算出式を用いて前記仮想音像を補助的に生成するための第２の音響信号を生成する補助音像生成部と、を備え、
   前記音響再生部は、
   前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とを、前記第１のスピーカアレイと前記第２のスピーカアレイとからそれぞれ出力することを特徴とする音響再生装置。
2. 前記音響再生部は、
   前記複数の直線にそれぞれ対応する複数のスピーカをそれぞれ独立な前記第１のスピーカアレイと前記第２のスピーカアレイとしてそれぞれに対して前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とを入力させることを特徴とする請求項１に記載の音響再生装置。
3. 前記音像生成部は、
   前記第１のスピーカアレイと前記第２のスピーカアレイとのそれぞれに対して、前記実空間内において同一の位置に前記仮想音像を生成するための前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とを出力することを特徴とする請求項２に記載の音響再生装置。