(57)【要約】 【課題】  指向性アレースピーカの集束ビームの焦点を遠距離に設定することによって、スピーカアレー近傍から焦点位置の後方にまで狭く細長い高い指向性を有する音響ビームを形成することができるデジタル音響信号処理装置を提供する。【解決手段】  音源から入力したデジタル音響信号を、２次元デジタルフィルタによって指向特性を制御し、直線の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーによって再生するデジタル音響信号処理装置であって、２次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、空間周波数軸に平行な低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過領域として設定する。【選択図】     図１
2010028591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から入力したデジタル音響信号を、２次元デジタルフィルタによって指向特性を制御し、直線の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーによって再生するデジタル音響信号処理装置であって、
前記２次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置。
【請求項２】
直線の方向に沿って配列された複数のマイクロフォンから成るマイクロフォンアレーから出力された信号を、２次元デジタルフィルタによって指向特性を制御するデジタル音響信号処理装置であって、
前記２次元デジタルフィルタは、時間およびマイクロフォンの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスピーカを配列したアレースピーカによって、特定の方向に高い指向性で音波を放射させることができる音響再生信号を生成するデジタル音響信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
音を特定方向の狭い範囲に放射させる用途が増加しているが、このような超指向性のビーム形成は、超音波による方法以外にはまだ商用されていない（非特許文献１参照）。しかし、スピーカアレーと２次元デジタルフィルタで構成される通常の指向性アレースピーカ（非特許文献２，３）によって非常に狭い指向特性に設計すれば、超指向性ビームを形成することができる。ここで、低域特性をできるだけ向上させようとすれば、スピーカアレーには大きなサイズが要求されるが、低域をそれほど重視しなくてよければスピーカアレーは小形にすることができる。
【０００３】
同様にスピーカアレーを用いて特定の位置、すなわち焦点に集束音響ビームを形成する方法があり、用いる２次元デジタルフィルタに、音の集束のために、方向により異なる直線位相の２次元位相特性が設定される（非特許文献４，５参照）。この方法では、スピーカアレーから近い距離では、位相特性が効果的に働いて、焦点位置に旨く集束する音響ビームが形成される。
【０００４】
【非特許文献１】西川清、「ビームフォーミングの２次元領域解析」、電子通信学会論文誌、社団法人電子情報通信学会、１９９４年９月、第Ｊ７７−Ａ巻、第９号、ｐ．１３０４−１３０６
【非特許文献２】松本康志、西川清、「一定サイドローブ量の指向性アレースピーカの設計法」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００４年１０月、ＥＡ２００４−７４、ｐ．１３−１８
【非特許文献３】西川清、外４名、「広帯域ビーム形成用２次元ＦＩＲファンフィルタの２次元フーリエ級数近似による設計法」、電子通信学会論文誌、社団法人電子情報通信学会、２０００年１２月、第Ｊ８３−Ａ巻、第１２号、ｐ．１３５７−１３６７
【非特許文献４】西川清、横山哲哉、宮岸美貴子、「直線状スピーカアレーと２次元ＦＩＲフィルタを用いた音像移動の方法」、電子情報通信学会論文誌、社団法人電子情報通信学会、２０００年７月、第Ｊ８３−Ａ巻、第７号、ｐ．８３９−８４９
【非特許文献５】西川清、志村智、横山哲哉、宮岸美貴子、「２次元ディジタルフィルタを用いた音像移動と集束ビーム形成」ＡＥＳ東京コンベンション‘９９予稿集、ｐ．１６６−１６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焦点位置を遠くに設定する狭角ビーム形成の場合には、低域での位相設定の範囲が狭いために、位相特性の効果が出にくく、焦点位置に旨く集束する音響ビームが形成されない。
【０００６】
本発明の目的は、指向性アレースピーカの集束ビームの焦点を遠距離に設定することによって、スピーカアレー近傍から焦点位置の後方にまで狭く細長い高い指向性を有する音響ビームを形成することができるデジタル音響信号処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、音源から入力したデジタル音響信号を、２次元デジタルフィルタによって指向特性を制御し、直線の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーによって再生するデジタル音響信号処理装置であって、
前記２次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置である。
【０００８】
また本発明は、直線の方向に沿って配列された複数のマイクロフォンから成るマイクロフォンアレーから出力された信号を、２次元デジタルフィルタによって指向特性を制御するデジタル音響信号処理装置であって、
前記２次元デジタルフィルタは、時間およびマイクロフォンの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大し、空間周波数軸に平行な断面が物理領域から非物理領域にわたる単峰形の通過域として設定されることを特徴とするデジタル音響信号処理装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、音源から入力したデジタル音響信号の指向特性を制御する２次元デジタルフィルタは、時間およびスピーカの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大するので、アレースピーカの集束ビームの焦点を遠距離に設定することによって、スピーカアレー近傍から焦点位置の後方にまで狭く細長い高い指向性を有する音響ビームを形成することができる。
【００１０】
また本発明によれば、マイクロフォンアレーから出力された信号の指向特性を制御する２次元デジタルフィルタは、時間およびマイクロフォンの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域に拡大するので、狭く細長い高い指向性を有するビームを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の実施の一形態の２次元デジタルフィルタ４を備えるデジタル音響信号処理装置の全体の構成を示すブロック図である。本実施の形態のデジタル音響信号処理装置は、複数（本実施の形態では７）のスピーカ２ａ，２ｂ，…，２ｆ，２ｇから成るスピーカアレー２と、スピーカアレー２の各スピーカ２ａ〜２ｇに直列に接続される１次元フィルタ３ａ，３ｂ，…，３ｆ，３ｇから成る２次元デジタルフィルタ４とを含む。２次元デジタルフィルタ４は、たとえば２次元ＦＩＲフィルタによって実現される。
【００１２】
本実施の形態では、周波数と方向のパラメータを用いるのではなく、時間周波数と空間周波数とによって表わされる２次元周波数平面での２次元デジタルファンフィルタを所望の周波数および指向特性に近似して設計する手順について説明する。焦点位置を遠くに設定する狭角ビーム形成の場合、低域での位相設定の範囲が狭く、その効果が出にくいことから、低域での位相設定範囲を拡大し、振幅の設定が行われるすべての領域に、すなわちスペクトルの分布する領域だけでなく、スペクトルの分布しない非物理領域５にも位相設定することによって、高い指向性が得られる２次元デジタルフィルタを備えるデジタル音響信号処理装置について説明する。
【００１３】
指向性アレースピーカ１は、図１に示すように、スピーカアレー２（スピーカ間隔Ｄ，スピーカ個数（Ｎ２＋１））と２次元デジタルフィルタ４とによって構成され、２次元デジタルフィルタ４の振幅特性と位相特性を設定することによって、図１のように、スピーカアレー２の中心点０から角度φ０、距離ｒ０の点Ｐに音響ビームの焦点を仮想音源点として形成することができる。以下に２次元デジタルフィルタ４の設計法の概略について述べる。
【００１４】
図２は、２次元周波数平面における２次元音響信号のスペクトルとファンフィルタ特性との関係を説明するためのグラフであり、横軸は時間周波数ｆ１であり、縦軸は、空間周波数ｆ２である。
【００１５】
２次元周波数平面において、非物理領域５とは、φ＝９０°の直線とφ＝−９０°の直線とを境界としてｆ２とｆ１との比の値の絶対値ｆ２/ｆ１がρより大きい領域であって、音響信号のスペクトルの存在しない領域をいう。また、２次元周波数平面における非物理領域５を除く領域を、物理領域６という。ファンフィルタの低域での振幅特性は、空間周波数ｆ２に平行な断面で、物理領域６から非物理領域５にわたる単峰形の通過域として設定される。
【００１６】
（振幅特性の設定）
スピーカアレー２から、角度φで放射される音響波のスペクトルは、２次元周波数平面では次式の直線上に分布する。
【００１７】
【数１】
2010028591.tif 000003
【００１８】
ただし、ｆ１は時間周波数、ｆ２は空間周波数であり、それぞれ１/Ｔ（Ｔ：サンプリング間隔）と１/Ｄで規格化してある。
【００１９】
ビーム中心をφ＝φ０、ビーム肩幅をφ＝φＰ＋〜φＰ−、ビーム半値幅をφ＝φＣ＋〜φＣ−、ビームの広がりをφ＝φＳ＋〜φＳ−とする指向性音響ビームを形成するために、２次元デジタルフィルタ４の目標振幅特性Ａｄ（ｆ１，ｆ２）として、図２に示すようなくさび型過渡域のファンフィルタ特性を設定して用いる。図２中のψは、通過域の中心とｆ１軸とのなす角、α１，α２とβ１，β２はそれぞれ通過域と過渡域の開き幅を決めるパラメータであり、ψはビーム中心角度φ０との対応により、α１，α２とβ１，β２はそれぞれビームの半値遮断角度φＣ−，φＣ＋とビーム端角度φＳ−，φＳ＋との対応により決定される。このとき、空間エリアシングの影響を入れないために次式が用いられる。
【００２０】
【数２】
2010028591.tif 000004
【００２１】
なお、｜ｆ２｜＞ρ｜ｆ１｜の領域は、スペクトルが存在しないので、非物理領域５と呼ばれている。
【００２２】
φ０＝０°（ψ＝０°）を扱う場合は、φＣ＋＝−φＣ−＝φＣ，φＳ＋＝−φＳ−＝φＳ，α１＝α２＝α、β１＝β２＝βとおく。また、低域では有限次数による振幅劣化の改善のために、ｆ２軸上で幅２Ｗの方形特性を設定している。
【００２３】
図１において、原点０を中心とする円の波面（実線）を点Ｐを中心とする小円の波面（破線）に変形するという設定で、原点からφ方向の両波面間の伝搬遅延差τ（φ）を、波面位置を∞として導出し、これより導いた位相
【００２４】
【数３】
2010028591.tif 000005
【００２５】
を２次元デジタルフィルタ４の位相特性として設定する。ビーム形成を確実にするために、ビーム端角度φＳ＋＝φ０＋φｅ＋，φＳ−＝φ０−φｅ−と置く。ただし、φｅ＋，φｅ−は図１のスピーカアレー２の長さＮ２・Ｄと焦点位置（距離ｒ０，角度φ０）により決まる角度であり、次式で与えられる。
【００２６】
【数４】
2010028591.tif 000006
【００２７】
【数５】
2010028591.tif 000007
【００２８】
なお、式（３）による位相はρｓｉｎφＳ−・ｆ１＜ｆ２＜ρｓｉｎφＳ＋・ｆ１において有効に設定される。
【００２９】
２次元デジタルフィルタ４の目標特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）を振幅Ａｄ（ｆ１，ｆ２）と位相θｄ（ｆ１，ｆ２）を用いて次式のように表す。
【００３０】
【数６】
2010028591.tif 000008
【００３１】
次数を（Ｎ１，Ｎ２）とすると、２次元離散フーリエ級数近似によって得られる２次元デジタルフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ１，ｚ２）は次式となる。
【００３２】
【数７】
2010028591.tif 000009
【００３３】
【数８】
2010028591.tif 000010
【００３４】
ただし、Ｍ１，Ｍ２の値はＮ１，Ｎ２の１０倍程度以上で２のべき乗の値に選ぶ。
図３は、φ０＝０°の場合の振幅および位相の設定領域を示す図である。図３（ａ）は、振幅設定域を示す図であり、図３（ｂ）は、位相設定域を示す図である。本研究では、ビーム中心φ０＝０°とし、焦点位置ｒ０を遠くに設定してビーム端角度φＳの小さい超指向性（狭指向性）ビームの形成方法を検討する。φＳが小さいと、図３（ｂ）から分かるように、低域から中域にかけての広い範囲で、式（３）による位相の変化が現れるほどの設定とはならず、そのために、焦点形成への寄与も小さく集束不十分なビーム形成となる。そこで、焦点形成を高めるために、非物理領域５を含む低域での位相特性の設定法についての検討を行う。なお、図３（ａ）に示したｆ１＝ｆＬは、同一指向特性を与える帯域の下端であり、幅２Ｗの方形振幅が設定される低域の上端とほぼ一致し、次式で与えられる。
【００３５】
【数９】
2010028591.tif 000011
【００３６】
図４は、位相設定域の拡大（１）を示す図である。最初に、図３（ｂ）の位相設定域を超えてそれより広い図３（ａ）の振幅設定域にまで位相を設定する方法として、２通りを考える。図４（ａ）は、ρｓｉｎφＳ｜ｆ１｜＜｜ｆ２｜＜Ｗの領域に、境界φ＝φＳでの位相と同一の値をｆ２方向に推移して設定し、図４（ｂ）ではρｓｉｎφＳ｜ｆ１｜＜｜ｆ２｜＜ρ｜ｆ１｜（｜ｆ２｜＜Ｗ）の領域に式（３）による位相を、ρ｜ｆ１｜＜｜ｆ２｜＜Ｗの領域には境界φ＝９０°での位相と同一の値をｆ２方向に推移して設定するものであり、それぞれをｗ−１−ｓ，ｗ−１−９０と呼ぶことにする。
【００３７】
低域で方形の断面振幅に設定された２次元フィルタ４は２次元離散フーリエ級数近似の結果、低域でのｆ２方向の断面振幅特性はｓｉｎｃ関数に似た形状となり、主振幅の範囲（メインローブ域）は約２倍の１．８９Ｗに広がる。そこで、低域での位相設定範囲を拡大するために、低域での目標振幅特性として方形振幅特性をｆ２方向にフーリエ級数近似した結果の振幅特性を用い、位相設定範囲は｜ｆ２｜＜１．８９Ｗとする。
【００３８】
図５は、位相設定域の拡大（２）を示す図である。図５（ａ）は、ｗ−２−ｓについてのものであり、図５（ｂ）は、ｗ−２−９０についてのものである。
【００３９】
スピーカアレー長Ｎ２Ｄ＝１．２６ｍ、スピーカ間隔Ｄ＝０．０７ｍ、フィルタ次数（Ｎ１，Ｎ２）＝（３０，１８）、焦点距離ｒ０＝５．０ｍとして、上記の４タイプの超指向性ビームの設計を行う。このとき、ビーム端角度φＳ＝７．１８°、ビーム半値角度φＣ＝５．７１°、サンプリング周波数ｆＳ＝８６３５Ｈｚである。しかし、本文でのサンプリング周波数については、図を拡大表示するために、便宜上ｆＳ＝５５５０Ｈｚとした。
【００４０】
図６〜図９に結果の振幅と位相の周波数特性を示す。図６は、設計結果の周波数特性（ｗ−１−ｓ）を示す図である。図６（ａ）は、振幅の周波数特性を示し、図６（ｂ）は、位相の周波数特性を示す。図７は、設計結果の周波数特性（ｗ−１−９０）を示す図である。図７（ａ）は、振幅の周波数特性を示し、図７（ｂ）は、位相の周波数特性を示す。図８は、設計結果の周波数特性（ｗ−２−ｓ）を示す図である。図８（ａ）は、振幅の周波数特性を示し、図８（ｂ）は、位相の周波数特性を示す。図９は、設計結果の周波数特性（ｗ−２−９０）を示す図である。図９（ａ）は、振幅の周波数特性を示し、図９（ｂ）は、位相の周波数特性を示す。これらの振幅特性の図において、φ＝φＳでの振幅がφ＝０°の振幅の−６ｄＢとなる周波数を見ると、いずれも式（９）からのｆＬ＝０．２４７（１３７０Ｈｚ）よりやや小さく、ｗ−２−９０の特性が最も小さい値を示している。また、位相特性については、ｗ−２−ｓとｗ−２−９０とが、より低域から方向φによる位相推移の違いを見せ、位相の設定範囲拡大の効果を示している。さらに、ｗ−１−９０とｗ−２−９０は低域での周波数に比例するように振幅の低下を示し、それに対応して位相の落差が生じている。
【００４１】
図１０は、２次元デジタルフィルタ４の振幅および位相特性（ｗ−２−９０）を示す図である。図１０（ａ）は、振幅特性を示す図であり、図１０（ｂ）は、位相特性を示す図である。図１１は、ｗ−２−９０の指向特性を示す図である。４タイプの設計結果の中で位相設定効果の大きいｗ−２−９０について、２次元デジタルフィルタ４の振幅、位相特性および振幅の指向特性をそれぞれ図１０および図１１に示す。
【００４２】
図４および図５に示す位相設定について、非物理領域５｜ｆ２｜＞ρ｜ｆ１｜に位相を置かない、すなわち、位相０とした場合も特性を求めて効果を調べたが、いずれも置いた場合に比べてその効果はわずかに低かった。
【００４３】
超指向性ビームについて、空間応答を求めて低域位相拡大設定の効果を比較考察する。図１２は、インパルス列応答の空間分布を示す図である。図１２（ａ）は、ｗ−２−ｓについて求めた図であり、図１２（ｂ）は、ｗ−２−９０について求めた図である。ただし、各応答は、ｘ→∞で振幅１となるように大きさを補正した上で、振幅０．５以上の部分を表示してある。また、参考のために、スピーカアレー配置（左側）、φ＝±φＳ，±φＣの放射ラインおよび焦点を中心とする同心円を重ねて示す。両応答とも焦点位置で集束する様子には見えず、原点から距離とともに成長するくさび形ビームのように形成されているが、ｗ−２−９０の方がわずかに焦点位置でのｙ方向に測った幅が狭い。
【００４４】
図１３は、ｗ−２−９０に対して求めた正弦波音圧分布を示す図である。図１３（ａ）は、ｆ１＝０．１（５５５Ｈｚ）について示す図である。図１３（ｂ）は、ｆ１＝０．２（１１１０Ｈｚ）について示す図である。図１３（ｃ）は、ｆ１＝０．３（１６６５Ｈｚ）について示す図である。図１３（ｄ）は、ｆ１＝０．４５（２４９８Ｈｚ）について示す図である。これも振幅０．５以上の部分を表示してある。高い周波数では、図１２に示すインパルス列応答の成長に対応する形で狭いビーム、すなわち、超指向性のビームが形成されており、周波数が低くなるにつれてビーム幅は広くなる。
【００４５】
図１４は、ｗ−２−ｓに対して求めた正弦波音圧分布を示す図である。図１４（ａ）は、ｆ１＝０．１（５５５Ｈｚ）について示す図である。図１４（ｂ）は、ｆ１＝０．２（１１１０Ｈｚ）について示す図である。ｗ−２−ｓに対して求めた図１４に示す正弦波音圧分布と比べると、中・高周波数ではほとんど差はないが、低い周波数ではｗ−２−９０の方がビーム幅は狭い。
【００４６】
次に、各位相設定の違いによる超指向性ビームの良否を焦点形成の度合いと結びつけて評価する。そこで、インパルス列応答の結果を用いて定量評価を行う。対象とする応答として、図１２に示されたインパルス列応答中の第１番目，第３番目および第９番目（距離はそれぞれ２ｍ，５ｍ，１４ｍ）に注目して、それぞれについてピーク値（Ｈ２，Ｈ５，Ｈ１４）とｙ軸方向に測った振幅０．５の場所の幅（Ｗ２，Ｗ５，Ｗ１４）および焦点の先鋭度Ｈ５/Ｗ５を求める。実際には、比較のため図３の設定によるもの（これをｗ−０とする）と位相設定なしの場合（これをｐｈａｓｅ−０とする）も含めて計６タイプについてピーク値、幅、焦点先鋭度を求めた。
【００４７】
表１および表２にそれらを示す。表１および表２から分かるように、ピーク値Ｈ５についてはｗ−２−ｓとｗ−２−９０とが特に大きく、幅Ｗ５についてはｗ−１−９０とｗ−２−９０とが特に小さくなっている。結果の焦点先鋭度Ｈ５/Ｗ５については、焦点形成をしないよりする方が高く、また、位相設定の範囲も通常の設定より広げてできるだけ振幅設定に合わせて広い範囲で設定する方が高くでき、ｗ−２−９０が最大となった。
【００４８】
【表１】
2010028591.tif 000012
【００４９】
【表２】
2010028591.tif 000013
【００５０】
図１５は、アレー正面方向の超指向性ビームを基に焦点位置変更法を用いてビーム中心をφ０＝６０°に傾けた超指向性ビームのインパルス列応答の空間分布を示す図である。図１５（ａ）は、ｗ−１−９０について示したものであり、図１５（ｂ）は、ｗ−２−９０について示したものである。正面方向のビームと比べていずれも２倍以上のビーム幅に劣化するが、この中ではｗ−２−９０が最も幅の狭いビームとして形成されている。
【００５１】
超指向性ビームの広帯域設計を試みる。そのために、前述の２次元ファンフィルタの振幅特性に代えて、阻止領域リプル近似の１次元フィルタを２次元周波数平面の非物理領域５においてのみ大きなリプル振幅となるように設計して空間周波数方向の断面に敷き詰めて合成した振幅特性を用いる。図１６は、広帯域超指向性ビーム形成のための断面振幅および位相の設定法を示す図である。集束ビームに形成するために、位相設定域は図５（ｂ）のｗ−２−９０とほぼ同一のものとするが、実際には図１６に示すように振幅０のラインＡで囲まれたメインローブ域とする。
【００５２】
超指向性ビームの設計において示した仕様に、非物理領域振幅を加えて超指向性ビームの設計を行った。図１７は、２次元デジタルフィルタ４の振幅特性を示す図である。図１８は、超指向性ビームの指向特性を示す図である。図１９は、振幅と位相の周波数特性を示す図である。図１９（ａ）は、振幅を示し、図１９（ｂ）は、位相を示す。非物理領域５を利用した本実施例では、帯域下端周波数ｆＬ＝０．２１４（１１８８Ｈｚ）であり、このことから、図１９（ａ）と図９（ａ）の振幅特性を比べて分かるように、同一指向性を与える帯域は本設計法の方がより低域に広くなっている。また、図１８および図１９（ａ）によって、ほぼ一定のサイドローブ量を与えていることも分かる。さらに、位相特性についても本実施例の方がより低域から方向φによる位相の変化が大きく現れている。
【００５３】
そこで、本実施例についてもインパルス列応答の空間分布を求め、それより算出した焦点先鋭度Ｈ５/Ｗ５は０．９２６であった。したがって、広帯域化と位相の広域設定の効果がこの数値に反映されている。
【００５４】
位相の設定方法として、このほかにφ＝９０°までの物理領域全域に広げて設定する場合も設計した。結果の振幅特性はサイドローブが幾らか低下したが、メインローブがわずかに広がり、位相特性も中・高周波数で位相の変化が幾らか減少した。その結果、インパルス列応答から求めた焦点先鋭度は０．８４５と低下したものとなった。
【００５５】
本実施例では、集束形ビーム形成の方法を用いて、より特性の向上した超指向性ビームを形成する方法を提案した。焦点形成の効果を高めるために低域での位相設定範囲の拡大を検討し、振幅が設定される２次元周波数領域のすべて、すなわち、スペクトルの分布する物理領域６だけでなく非物理領域５にも位相設定するとよい結果を与えることが分かり、広帯域設計への適用例も示した。
【００５６】
実際にアレースピーカシステムを使って超指向性音響ビームの形成を確認した。提案法による超指向性ビームは、図１からも分かるように、スピーカアレー軸（ｙ軸）に関して回転対称性を有するので、超音波の方法のようなスポット照射ではなく帯状領域への照射となる。また、ビーム方向の電子的可変も容易という特長もある。図２０は、超指向性音響ビームの横断歩道への適用例を示す図である。横断歩道の斜め上方に設けたスピーカアレー２によって、横断歩道の幅を持った超指向性ビームが横断歩道の全体に照射される。横断歩道を渡ろうとし、または横断している歩行者には必要な情報のアナウンスが聴こえる。図２１は、超指向性音響ビームの危険回避するためのアナウンスへの適用例を示す図である。後進する自動車の後方を横切ろうとする歩行者に注意を促すために超指向性ビームが照射される。
【００５７】
図２２は指向性アレーマイクロフォン８において２次元デジタルフィルタ４の構成を示すブロック図である。本実施の形態において、指向性アレースピーカ１について説明してきたが、他の実施の形態である指向性アレーマイクロフォン８について説明する。指向性アレーマイクロフォン８を構成するマイクロフォンアレー７からの出力は、２次元デジタルフィルタ４に入力される。２次元デジタルフィルタ４は、時間およびマイクロフォンの位置について２次元フーリエ変換した音響信号のスペクトルを、時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、低域での振幅特性を非物理領域５に拡大するので、狭く細長い高い指向性を有するビームを得ることができる。２次元デジタルフィルタ４から出力された信号は、スピーカから出力することができ、あるいは音声記録媒体に記録させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】指向性アレースピーカ１の焦点形成を示す図である。
【図２】２次元周波数平面における２次元音響信号のスペクトルとファンフィルタ特性との関係を説明するためのグラフである。
【図３】φ０＝０°の場合の振幅および位相の設定領域を示す図である。
【図４】位相設定域の拡大（１）を示す図である。
【図５】位相設定域の拡大（２）を示す図である。
【図６】設計結果の周波数特性（ｗ−１−ｓ）を示す図である。
【図７】設計結果の周波数特性（ｗ−１−９０）を示す図である。
【図８】設計結果の周波数特性（ｗ−２−ｓ）を示す図である。
【図９】設計結果の周波数特性（ｗ−２−９０）を示す図である。
【図１０】２次元デジタルフィルタ４の振幅および位相特性（ｗ−２−９０）を示す図である。
【図１１】ｗ−２−９０の指向特性を示す図である。
【図１２】インパルス列応答の空間分布を示す図である。
【図１３】ｗ−２−９０に対して求めた正弦波音圧分布を示す図である。
【図１４】ｗ−２−ｓに対して求めた正弦波音圧分布を示す図である。
【図１５】φ０＝６０°に傾けた超指向性ビームのインパルス列応答の空間分布を示す図である。
【図１６】広帯域超指向性ビーム形成のための断面振幅および位相の設定法を示す図である。
【図１７】２次元デジタルフィルタ４の振幅特性を示す図である。
【図１８】超指向性ビームの指向特性を示す図である。
【図１９】振幅と位相の周波数特性を示す図である。
【図２０】超指向性音響ビームの横断歩道への適用例を示す図である。
【００５９】
【図２１】超指向性音響ビームの危険回避するためのアナウンスへの適用例を示す図である。
【図２２】指向性アレーマイクロフォン８において２次元デジタルフィルタ４の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  指向性アレースピーカ
２  スピーカアレー
３  １次元デジタルフィルタ
４  ２次元デジタルフィルタ
５  非物理領域
６  物理領域
７  マイクロフォンアレー
８  指向性アレーマイクロフォン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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