JP7439909B2 - スピーカアレイ - Google Patents

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Description

本発明は、スピーカによる音の再生技術に関する。
スピーカを複数用いてスピーカアレイを構成する場合には、スピーカの再生帯域と空間エリアジングの問題が生じ得る。
低い周波数の音を再生するには大きなサイズのスピーカが必要となる。この場合、図９に例示するように、スピーカ間隔d1の最小値はスピーカの直径d2となる。このため、空間エリアジングを生じない最高周波数は、スピーカの直径の２倍の波長の周波数までに限られてしまう。
ここで、空間エリアジングとは、空間方向のサンプリング定理を満たすためには、音源間隔dを最高周波数成分の半波長以下としなければならず、満たさないさない場合は所望の指向性が得られないというものである（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
猿渡洋、小山翔一、"信号処理論特論第5回 (10/25)"、［online］、2016年10月24日、［令和２年３月２７日検索］、インターネット＜URL：http://www.sp.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~saruwatari/SP-Grad2016_04.pdf＞ 浅野太、"2 章 音源分離"、［online］、2016年10月24日、［令和２年３月２７日検索］、電子情報通信学会、『知識の森』2群－6編－2章、インターネット＜URL：http://www.ieice-hbkb.org/files/02/02gun_06hen_02.pdf＞
本発明の目的は、複数スピーカを用いて音の放射特性（指向特性）制御する際に、スピーカサイズの制約により生じる高周波成分に対する空間エリアジングをなくし、高い周波数まで放射特性を制御できるスピーカアレイを提供することである。
この発明の一態様によるスピーカアレイは、第一のスピーカと、第二のスピーカと、局所放音構造体とを含むスピーカアレイであって、局所放音構造体は、第一のスピーカと第二のスピーカを基準として指向制御を行う方向に配置され、局所放音構造体には、第一のスピーカから放射された音響信号を透過する第一透過部と、第二のスピーカから放射された音響信号を透過する第二透過部と、第一のスピーカ及び第二のスピーカから放射された音響信号の透過を妨げる非透過部とが設けられており第一透過部及び第二透過部は、第一のスピーカと第二のスピーカの間隔よりも狭い間隔に配置される音源を生成するために、第一透過部の中心位置と、第二透過部の中心位置との距離が、第一のスピーカの中心位置と第二のスピーカの中心位置との距離よりも小さくなるよう配置され、第一のスピーカと第二のスピーカを基準として指向制御を行う方向と逆の方向(以下背面と記載する)に配置される逆方向局所放音構造体をさらに有し、逆方向局所放音構造体には、第一のスピーカの背面から放射された音響信号を透過する第一背面透過部と、第二のスピーカの背面から放射された音響信号を透過する第二背面透過部と、第一のスピーカ及び第二のスピーカの背面から放射された音響信号の透過を妨げる背面非透過部とが設けられており、第一のスピーカと第二のスピーカの背面から放射される音響信号は、正面から放射される音響信号と逆の位相で放射され、第一のスピーカと第二のスピーカの背面から放射され第一背面透過部若しくは第二背面透過部を通過した音響信号が、指向制御を行う方向に回り込んだ際に、スピーカから所望の距離において指向制御を行う方向に放射された音響信号がキャンセルされないよう、第一背面透過部と第二背面透過部とは設けられる。
複数のスピーカの間隔D2よりも狭い間隔D1の複数の透過部が設けられた局所放音構造体３を用いることで、疑似的にスピーカ間隔を狭くすることができる。これにより、高い周波数まで放射特性を制御することができる。
図１は、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２並びに局所放音構造体３の例を説明するための図である。 図２は、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２の前面に局所放音構造体３が配置された状態のスピーカアレイの正面図の例である。 図３は、透過部の形状の他の例を説明するための図である。 図４は、透過部の形状の他の例を説明するための図である。 図５は、スピーカの背面背孔の例を説明するための図である。 図６は、フィルタリング処理の例を説明するための図である。 図７は、スピーカの数が３個の場合のスピーカアレイの例を説明するための図である。 図８は、スピーカの数が３個の場合のスピーカアレイの例を説明するための図である。 図９は、背景技術を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面中において同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
図１に例示するように、スピーカアレイは、複数のスピーカと、局所放音構造体３とを備えている。図１の例では、複数のスピーカは、２個のスピーカ（第一のスピーカ１、第二のスピーカ２）である。以下、複数のスピーカが、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２である場合を例に挙げて説明する。なお、後述するように、複数のスピーカは３個以上であってもよい。
なお、図１は、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２並びに局所放音構造体３の例を説明するための図である。
局所放音構造体３は、第一のスピーカ１と第二のスピーカ２を基準として指向制御を行う方向に配置される。例えば、図２に示すように、局所放音構造体３は、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２の前面に配置される。図２は、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２の前面に局所放音構造体３が配置された状態のスピーカアレイの正面図の例である。
局所放音構造体３の材質は、音響信号の透過を妨げることができれば何でもよい。局所放音構造体３の材質の例は、プラスチック、金属、木材である。
局所放音構造体３には、第一のスピーカ１から放射された音響信号を透過する第一透過部３１１と、第二のスピーカ２から放射された音響信号を透過する第二透過部３１２と、第一のスピーカ１及び前記第二のスピーカ２から放音された音響信号の透過を妨げる非透過部３２とが設けられている。
図１の例では、第一透過部３１１及び第二透過部３１２は円形状である。また、第一透過部３１１及び第二透過部３１２の直径は、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２の直径よりも小さい。
第一透過部３１１及び第二透過部３１２は、第一のスピーカ１と第二のスピーカ２の間隔よりも狭い間隔に配置される音源を生成するために、第一透過部３１１の中心位置と第二透過部３１２の中心位置との距離D1が、第一のスピーカ１の中心位置と第二のスピーカ２の中心位置との距離D2よりも小さくなるよう配置される。
第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２から放射される音響信号は、それぞれ第一透過部３１１及び第二透過部３１２から放出される。このため、音源としての中心位置は、第一透過部３１１及び第二透過部３１２である孔の中心となる。
第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２の直径を低い周波数を再生するのに十分大きいサイズとすることができるので、低周波域の音の再生も可能である。
このように、複数のスピーカの間隔D2よりも狭い間隔D1の複数の透過部が設けられた局所放音構造体３を用いることで、疑似的にスピーカ間隔を狭くすることができる。言い換えれば、利用周波数帯域内で空間サンプリング定理を満たすように疑似的に音源の間隔を狭くすることができる。これにより、高い周波数まで放射特性を制御することができる。
通常は、スピーカの直径がスピーカ間隔の最小値となり、スピーカの中心が球面波の中心がスピーカの中心となり、これに対して、局所放音構造体３と透過部を用いると、球面波の中心が透過部の中心となり、スピーカの直径よりも狭い間隔の音源を疑似的に作ることができる。
なお、第一透過部３１１及び第二透過部３１２の形状は、円ではなく、図３及び図４に例示するように、半円、長方形等の他の形状であってもよい。
また、第一透過部３１１及び第二透過部３１２等の透過部の大きさは、スピーカの直径よりも小さければよい。
なお、スピーカの背面から出力される、正面とは逆相の音響信号を活用する場合は、スピーカの背面にも遮音板を装着し、正面とバランスの取れた音波となるようにしてもよい。
正面とは逆相の音響信号を活用する場合の例について以下に示す。スピーカの背面からはスピーカの正面と逆相となる音響信号が放音される。通常は、この逆相となる放音信号が正面に回り込み、正面から放音された音響信号をキャンセルされてしまうことを防ぐためスピーカボックスなどを設置する。しかしながら、回り込むまでの時間差を利用して、スピーカにごく近い距離のみキャンセルされないような構成とする場合がある。このように逆相の音響信号を利用しようとする場合、スピーカの正面に配置された透過部を経過した後の音響信号が当該透過部から近い距離ではキャンセルされず、当該透過部から離れた領域ではキャンセルされるようにスピーカの背面から放音された音響信号が回析するよう、スピーカの背面にも遮音板若しくは遮音板と透過部とを配置してもよい。
言い換えれば、スピーカアレイは、第一のスピーカ１と第二のスピーカ２を基準として指向制御を行う方向と逆の方向(以下背面と記載する)に配置される逆方向局所放音構造体をさらに備えていてもよい。逆方向局所放音構造体には、第一のスピーカ１の背面から放射された音響信号を透過する第一背面透過部と、第二のスピーカ２の背面から放射された音響信号を透過する第二背面透過部と、第一のスピーカ１及び第二のスピーカ２の背面から放射された音響信号の透過を妨げる背面非透過部とが設けられている。第一のスピーカ１と第二のスピーカ２の背面から放射される音響信号は、正面から放射される音響信号と逆の位相で放射され、第一のスピーカ１と第二のスピーカ２の背面から放射され第一背面透過部若しくは第二背面透過部を通過した音響信号が、指向制御を行う方向に回り込んだ際に、スピーカから所望の距離において指向制御を行う方向に放射された音響信号がキャンセルされないよう、第一背面透過部と第二背面透過部とは設けられる。
また、例えば、スピーカの背面音孔の少なくとも１つを遮音板で覆ってもよい。
スピーカ２の背面音孔２４とは、図５に例示するように、スピーカ２のコーンを支えるために、スピーカ２の背面の中央部２１からコーンの外周部２２に伸びる複数の腕部２３の隙間である。なお、図５では、遮音板については図示していない。図５は、スピーカ２を用いて、背面音孔の例について説明しているが、スピーカ１の背面音孔についても同様である。
スピーカ１の背面の透過部の中心位置と、スピーカ２の背面の透過部の中心位置の間の距離は、スピーカ前面の第一透過部の中心位置と第二透過部の中心位置と同等であることが望ましい。
なお、スピーカに入力する信号に対し、FIRフィルタなどでフィルタリングを行う場合に、フィルタ設計で用いる音源の位置情報は、複数のスピーカのそれぞれの中心位置ではなく、複数の透過部のそれぞれの中心位置を用いる。
すなわち、FIRフィルタ設計部４が、複数の透過部のそれぞれの中心位置から受聴位置までの伝達特性と、複数の透過部のそれぞれの中心位置から抑圧位置までの伝達特性とを用いてFIRフィルタを設計してもよい。
この場合、図６に例示するように、FIRフィルタ設計部４で設計されたFIRフィルタは、FIRフィルタ適用部５に入力される。FIRフィルタ適用部５は、入力されたFIRフィルタを音響信号に適用することで、フィルタリング後音響信号を生成する。フィルタリング後音響信号は、スピーカアレイに印加される。そして、スピーカアレイは、フィルタリング後音響信号に基づく音響信号を放射する。
このように、複数のスピーカ（例えば、第一のスピーカ１と第二のスピーカ２）は、透過部（例えば、第一透過部３１１及び第二透過部３１２）を透過した音響信号を基準として設計されたフィルタによりフィルタリングされた音響信号を放射してもよい。
また、フィルタ設計で用いる伝達特性を実測またはシミュレーションで求める際は、局所放音構造体３を取り付けた状態で実測またはシミュレーションを行う。
[変形例]
以上、本発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計の変更等があっても、本発明に含まれることはいうまでもない。
例えば、上記の例では、スピーカアレイには２個のスピーカが設けられていたが、３個以上のスピーカが設けられていてもよい。すなわち、スピーカアレイには、複数のスピーカが設けられていればよい。
この場合、局所放音構造体３は、複数のスピーカを基準として指向制御を行う方向に配置される。
また、局所放音構造体には、複数のスピーカから放射された音響信号をそれぞれ透過する複数の透過部と、複数のスピーカから放射された音響信号の透過を妨げる非透過部とが設けられる。
さらに、複数の透過部は、複数のスピーカの間隔よりも狭い間隔に配置される音源を生成するために、複数の透過部の間隔が複数のスピーカの間隔よりも狭くなるように配置される。
図７に、直線状に３個のスピーカ１，２，６を配置した場合のスピーカアレイ及び局所放音構造体３の例を示す。この場合、局所放音構造体３には、３個のスピーカ１，２，６から放射された音響信号をそれぞれ透過する３個の透過部３１１，３１２，３１６が設けられている。３個の透過部３１１，３１２，３１６は、３個のスピーカ１，２，６の間隔よりも狭い間隔に配置される音源を生成するために、３個の透過部３１１，３１２，３１６の間隔D1が複数のスピーカ１，２，６の間隔D2よりも狭くなるように配置される。
なお、３個以上のスピーカは必ずしも直線状に配置される必要はない。例えば、図８に例示するように、３個以上のスピーカは平面上に配置されてもよい。図８の例では、３個のスピーカ１，２，６が、辺の長さD2の正三角形の頂点に配置されている。これにより、３個のスピーカ１，２，６の間隔はD2となる。この場合、局所放音構造体３には、３個のスピーカ１，２，６から放射された音響信号をそれぞれ透過する３個の透過部３１１，３１２，３１６が設けられる。３個の透過部３１１，３１２，３１６は、辺の長さD1の正三角形の頂点に配置されている。ここで、D1<D2である。

Claims (3)

  1. 第一のスピーカと、第二のスピーカと、局所放音構造体とを含むスピーカアレイであって、
    前記局所放音構造体は、前記第一のスピーカと前記第二のスピーカを基準として指向制御を行う方向に配置され、
    前記局所放音構造体には、前記第一のスピーカから放射された音響信号を透過する第一透過部と、前記第二のスピーカから放射された音響信号を透過する第二透過部と、前記第一のスピーカ及び前記第二のスピーカから放射された音響信号の透過を妨げる非透過部とが設けられており
    前記第一透過部及び前記第二透過部は、高い周波数まで放射特性を制御するため、前記第一のスピーカと前記第二のスピーカの間隔よりも狭い間隔に配置される音源を生成するために、前記第一透過部の中心位置と、前記第二透過部の中心位置との距離が、前記第一のスピーカの中心位置と前記第二のスピーカの中心位置との距離よりも小さくなるよう配置され、
    前記第一のスピーカと前記第二のスピーカを基準として指向制御を行う方向と逆の方向(以下背面と記載する)に配置される逆方向局所放音構造体をさらに有し、
    前記逆方向局所放音構造体には、前記第一のスピーカの背面から放射された音響信号を透過する第一背面透過部と、前記第二のスピーカの背面から放射された音響信号を透過する第二背面透過部と、前記第一のスピーカ及び前記第二のスピーカの背面から放射された音響信号の透過を妨げる背面非透過部とが設けられており、
    前記第一のスピーカと前記第二のスピーカの背面から放射される音響信号は、正面から放射される音響信号と逆の位相で放射され、
    前記第一のスピーカと前記第二のスピーカの背面から放射され前記第一背面透過部若しくは前記第二背面透過部を通過した音響信号が、指向制御を行う方向に回り込んだ際に、前記スピーカから所望の距離において前記指向制御を行う方向に放射された音響信号がキャンセルされないよう、前記第一背面透過部と前記第二背面透過部とは設けられる、
    スピーカアレイ。
  2. 請求項１に記載のスピーカアレイであって、
    前記透過部の中心位置の距離は、最高周波数成分の半波長以下を満たすよう疑似的にスピーカの間隔を短くするよう設計される、
    スピーカアレイ。
  3. 請求項１又は２に記載のスピーカアレイであって、
    前記第一のスピーカと前記第二のスピーカは、前記第一透過部及び前記第二透過部を透過した音響信号を基準として設計されたフィルタによりフィルタリングされた音響信号を放射する、
    スピーカアレイ。
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