(57)【要約】【課題】受聴者の耳介・耳甲介腔の形状の個人差をなくし、原音場空間の臨場感と同一な知覚を得るためのイヤホンシステムを実現する。【解決手段】実音源2のある空間（原音場空間1）で外耳道入口4をほぼ中心とした位置に籠ドーム6を設置し、実音源2からの放射された音波による籠ドーム6の複数の格子点7における音圧信号を観測する。別途異なる場所（再生音場空間8）において、それと同じ音圧信号の音波を籠ドーム6の1以上の格子点7から外耳道入口4もしくは耳甲介腔5に放射する。【選択図】図1
2010263354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受聴者の耳介もしくは耳甲介腔を取り囲む境界を設け、
その内側（外耳道入口側）に向けて境界にｎ個のスピーカを取り付け、
原音場空間における音源から受聴者Aもしくはダミーヘッドの耳介への到達音を、
再生音場空間において受聴者Bに装着した前記境界のスピーカから同じ音圧で放音することを特徴とするイヤホン。
【請求項２】
受聴者の耳介もしくは耳甲介腔を取り囲む境界を設け、
その外側（音源側）に向けて境界にｎ個のマイクを取り付けた第1の境界と、
その内側（外耳道入口側）に向けて境界にｎ個のスピーカを取り付けた第2の境界と、
前記マイクとスピーカを１対1に接続して収音音圧を増幅する増幅器と、
で構成し、
前記第1の境界を原音場空間にいる受聴者Aもしくはダミーヘッドに、
前記第2の境界を再生音場空間にいる受聴者Bに、
それぞれ装着し、
前記マイクで採取した音源から境界への到達音を同じ音圧に増幅して前記スピーカから放音することを特徴とするイヤホンシステム。
【請求項３】
前記境界を籠ドームとし、
前記スピーカをその格子点に取り付けることを特徴とする請求項1記載のイヤホン。
【請求項４】
前記境界を籠ドームとし、
前記マイクとスピーカをその格子点に取り付けることを特徴とする請求項2記載のイヤホンシステム。
【請求項５】
前記境界は耳介および顔側面からの反射で音波面に影響しない大きさと形状を有することを特徴とする請求項1、2記載のイヤホンおよびイヤホンシステム。
【請求項６】
前記境界は受聴者の左右両耳に装着して両耳間時間差・レベル差を補正することを特徴とする請求項1、2記載のイヤホンおよびイヤホンシステム。
【請求項７】
前記境界は外耳道入口を中心に受聴者の耳介もしくは耳甲介腔を半球状に取り囲む形状であることを特徴とする請求項1、2記載のイヤホンおよびイヤホンシステム。
【請求項８】
前記マイクとスピーカの数ｎは原音場空間の音圧波面と再生音場空間の合成音圧波面とが一致する数であることを特徴とする請求項2記載のイヤホンシステム。
【請求項９】
前記ｎ個のマイクは対応するｎ個のスピーカと境界上の同位置に配置されることを特徴とする請求項2記載のイヤホンシステム。
【請求項１０】
前記受聴者Aと受聴者Bは、同一人、もしくは頭部形状がよく似た受聴者であることを特徴とする請求項2記載のイヤホンシステム。
【請求項１１】
前記増幅器はマイク・スピーカ特性の補償回路を含むことを特徴とする請求項2記載のイヤホンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耳介および顔側面からの反射で音波面に影響しない大きさと形状を有しており、1以上の格子点毎に超小型のスピーカを籠の内側（外耳道入口側）方向に取り付けた籠ドーム超小型スピーカ群で受聴者の耳介もしくは耳甲介腔を覆い、原音場空間において音源から放射された籠ドームの複数の格子点における到来音波の音圧を、再生音場空間における籠ドーム超小型スピーカ群の複数のスピーカから放射される音圧と同じにすることによって、原音場空間と同じ音圧波面を籠ドーム内に再生することを特徴としているので、原音場空間と同等の臨場感を再生音場空間の籠ドーム内で知覚でき、かつ、籠ドームで頭部と耳介を分離しているので外耳道や耳介形状の違いによる個人差の特性を除去でき、そのため音源方向の検出〈知覚〉に有効であり、基本的なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のダミーヘッド録音システムには、人間の頭部、耳介と胴体を模擬したダミーヘッドが用いられている。ダミーヘッドは人体形状に類似した構造物であって、頭部、胴体部から構成されており、特に耳介部分は人間の皮膚の柔らかさに近いシリコンゴムを使用している。一般にダミーヘッドと呼ばれるものの中には、Knowles Electronics社製のKEMAR、B&K社製のHATSが有名であり、日本では高研社製のSAMRAIがある。また、これらの製品はそれぞれアメリカ人の平均値、世界中の人種の平均値、日本人の平均値の大きさであって、現在でも有効に活用されている。ダミーヘッドの詳細については、たとえば、過去の文献で、非特許文献１がある。
【０００３】
図4はダミーヘッド録音システムを模擬した図であり、図4(a)は頭部上部からの図、図4(b)は頭部側面からの図である。図4において21は原音場空間、22は音源、23はダミーヘッド、24は耳介、25は外耳道、26は鼓膜、27はマイク、28は増幅器、29は再生音場空間、30は受聴者、31はステレオイヤホンである。
音源22から放射された音波はダミーヘッド23の左右の耳介24に到達し、外耳道25を介して鼓膜26に達する。この鼓膜26位置にマイク27が組み込まれており、このマイク27の出力信号を増幅器28で大きくし、離れた再生音場空間29の受聴者30の両耳にステレオイヤホン31を装着して、増幅器28で増幅した信号をステレオイヤホン31で聴くことになる。通常、鼓膜26位置での収音は人間では出来ないので受聴者30の代わりにダミーヘッド23が用いられる。
【０００４】
このダミーヘッド23を原音場空間21、すなわち、コンサートホールや演劇場に持ち込み、マイク27で収音した信号を録音したのがダミーヘッド録音と呼ばれるものである。原音場空間21での収音は音源22からの方向定位と音質等（以下、ここではまとめて臨場感と呼称する）を含めダミーヘッド23に設置されているマイク27によって行われる。受聴者30は原音場空間21でのダミーヘッド23で聞いた鼓膜26位置での音の信号を聞かせられることになる。
【０００５】
このマイク27の出力信号をステレオイヤホン31(もしくはヘッドホン)で聞くと、音像は頭外に定位するが前方には定位し難くなる。これは個人毎の頭部形状、耳介の大きさ、耳甲介腔の窪みの形状、外耳道の形状等の違いに因るものであり、過去から現在にいたるまで、未だに盛んに議論されている。
特に頭部中心を縦に切る平面、いわゆる正中面での方向知覚は難しく、前後誤判定現象が起こる(非特許文献２参照)。この理由は、上昇・下降角の方向知覚では音源22から両耳までの幾何学的位置が対称であるので左右両耳間の伝達関数がほぼ同じ、すなわち、両耳間時間差、両耳間レベル差がほとんどないので、前後の誤判定が生じるとされている。
【０００６】
また、前記非特許文献２（p.18）から鼓膜26位置までの伝達関数は、通常頭部伝達関数HRTF(Head Related Transfer Function)と呼ばれ、音源22から頭部が存在しない頭部中心位置までの伝達関数を基準とした、音源22から鼓膜26位置までの伝達関数との比で表されている。
HRTFを以下、図を用いて説明する。
【０００７】
図5は頭部伝達関数(HRTF)の説明図であり、HRTFを図式化したものである。図5(a)は頭部上部からの図、図5(b)は頭部側面からの図である。
図5において、32は頭部中心位置、33は耳甲介腔、34は外耳道入口である。
音源22から、放射された音波は頭部へ伝播し、音源22からの直接波と頭部による回折波が両耳の耳介24に達する。HRTFの定義を式で表すと式(1)となる。
【数１】
2010263354.tif 000003
(1)
ここで、式(1)の分母の頭部中心位置32とは耳軸上にあって左右外耳道入口34の中心位置であり、自由空間音圧とは反射のない部屋で計測された音圧である。すなわち、式(1)の分母は音源から頭部中心位置32までの音波の伝播時間遅延のみの関数となる。耳介24では耳甲介腔33による窪みで音源22からの到来方向によって反射・回折が生じ、音波は外耳道入口34に達する。さらに音波は外耳道入口34から鼓膜26に達する。添え字のＲ，Ｌは右耳側、左耳側を表す。
【０００８】
近年、その正中面上での方向知覚は、放射波面が耳介24に達したとき、耳甲介腔33の窪みによって、周波数スペクトル形状が音源の上昇角に依存して変化するため、損われることが再三数多く発表されている。たとえば、過去の文献では、非特許文献３がある。その内容は周波数スペクトル上のディップ（鋭い谷の特性）周波数が音源の上昇角度によって異なるからだという理由である。従って、頭部と耳介24形状に影響されない方向知覚の実現には、頭部と耳介24を分離し、その個人差を測定して音圧特性を補償する必要がある。また、前記非特許文献３によれば、片耳だけの耳介24で近傍、または周辺の音像定位知覚が可能であることも述べている。
【０００９】
さらに、ダミーヘッド（擬似頭）23を用いて、耳介24を削ぎ落とした場合の頭部の回折効果と、耳介24だけの収音効果を切り分ける文献、たとえば、非特許文献４がある。この文献によれば、HRTFは以下のように分解できる。
【数２】
2010263354.tif 000004
(2)
【００１０】
式(2)のように、第1項目は頭部の耳介24の有無であり耳介24による収音効果を、第2項目は外耳道25の有無であり外耳道25の効果を、第3項目は耳介24無しの到来音波の方向を表す頭部の回折波の効果を表し、それぞれ別々に計測することによって、個人差や伝達関数の特徴を得ることが可能であることを明らかにしている。また、方向定位知覚では左右両耳間のHRTFの比が重要となる。
【００１１】
一方、外耳道25に関する情報としては、前記非特許文献２（pp.20-29）に、外耳道25が1次音響管モデルでも十分であることを記述している。その理由は20kHz(人間の可聴周波数限界)以下では波長がほぼ1.7cm以上であり、その波長は外耳道25の断面の直径より十分大きいので、音波は外耳道25内で平面波になるからである。それ故にわざわざ鼓膜26位置まで超小型マイク27を設置しなくても(危険なことをしなくても)、外耳道入口34で左右の両耳間時間差・レベル差を観測すれば、十分であることが記述されている。近年の研究の多くは被験者の外耳道入口34で超小型マイク27を用いて測定している。
【００１２】
このように、HRTFは複数の要因を含んだ関数であり、それぞれの要因が個人ごとによって異なる。また、前記文献を含む過去の文献の多くは、ダミーヘッド23によるもので、人間の実耳ではない。人間の実耳によるデータは一部あるが、自分の耳介24をシリコンゴムで、頭部を石膏で模擬したレプリカで構成し、その鼓膜26位置で収音したものである。わざわざレプリカを作成する必要がある。
【００１３】
そこで、HRTFの汎用化を試みるために、これまで多くの研究発表があり、たとえば、あらかじめ多数の受聴者30の伝達関数から主成分分析法（非特許文献５参照）やクラスタリング手法（非特許文献６参照)を用いて、代表的な伝達関数を選択する方法などがある。
しかしながら、やはり、代表的な伝達関数であるので、多くの受聴者30に対して有効なステレオイヤホン31受聴による頭外音像定位の実現や、ロボットでの正確な音源方向の検出までに至っていない。
【００１４】
本発明は、耳介・耳甲介腔・外耳道の形状における個人差を解消して正確な音像定位を実現し、原音場空間と同等の臨場感の知覚を再生音場空間で再現するためのイヤホンに関する基本的なシステムである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】岡部馨：ダミーヘッドの現状、JAS Journal, pp.5-9, 1988年11月
【非特許文献２】イエンス・フ゛ラゥルト,森本政之,後藤敏幸：空間音響、鹿島出版、ISBN4-306-04197-2, pp.197-201, 1986
【非特許文献３】米沢義道、伊東一典：“パルス音の耳介による反射、散乱特性”、電子情報通信学会論文誌A, Vol.J70-A, No.8, pp.1186-1194,1987年8月
【非特許文献４】K.Sugiyama:“Sound collection effect of a pinna of an artificial head”,Acoust. Sci. & Tech. 24, 5 2003
【非特許文献５】D.Kistler,F.Wightman, “A model of head-related transfer functions based on principal components analysis and minimum-phase reconstruction”, J.Acoust.Soc.Am.,vol.91, No.3,pp.1638−1647, 1992
【非特許文献６】S.Shimada, N.Hayashi, S.Hayashi:“A Clustering Method for Sound Localization Transfer Functions”, J.Audio.Eng.Soc., Vol.42, No.7/8,pp.577-584,1994
【非特許文献７】Berkhortらの著書：Direct sound enhancement by wave field synthesis, Delft University of Technology, ISBN 90-9010708-8,1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述のごとく、HRTFは音源入力信号から外耳道入口（もしくは鼓膜）に設置した超小型マイクの出力信号までの伝達関数を測定し、音圧を算出しているので、頭部と耳介・耳甲介腔の個人差の双方を含んだ伝達関数であり、頭部による回折波の影響と、耳介・耳甲介腔の窪みによる音波の反射・回折の影響をうけた結合特性であることがわかる。
従って、正確な音像定位をステレオイヤホン受聴により実現する場合や、音源方向推定をロボットで行う場合では、実体と同じ耳介・耳甲介腔のレプリカと頭部形状のレプリカを用意しなければならない。
【００１７】
本発明は、レプリカを作成することなく、頭部形状による伝達関数と耳介・耳甲介腔構造による伝達関数を分離するために、受聴者の頭部と耳介・耳甲介腔を隔てる籠ドーム超小型スピーカ群を用い、原音場空間における音源からの音波が受聴者Aもしくはダミーヘッドの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドームの格子点位置に達した音圧と同じ値を再生音場における受聴者Bの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドーム超小型スピーカ群から放射することによって、正確な音源方向の検出と、再生音場空間で、原音場空間と同じ臨場感で知覚再現するためのイヤホンに関する基本的なシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、前述の課題を解決するため次の構成を採用する。
〈構成1>
【００１９】
耳介および顔側面からの反射で音波面に影響しない大きさと形状を有しており、1以上の格子点毎に超小型のスピーカを籠の内側方向に取り付けた籠ドーム超小型スピーカ群で構成し、原音場空間における任意の位置にある音源からの音波が原音場空間にいる受聴者Aもしくはダミーヘッドの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドームの複数の格子点位置に達した音圧と同じ値を再生音場における受聴者Bの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドーム超小型スピーカ群から放射することを特徴とする。
〈構成2>
【００２０】
籠ドームは耳介および顔側面からの反射で音波面に影響しない大きさのものを用意し、その籠ドームの1以上の格子点毎に超小型のマイクを籠の外側方向に取り付けた籠ドーム超小型マイク群と、籠ドーム超小型マイク群の複数の出力信号を増幅し、マイク・スピーカ特性の補償も含んだ増幅器群と、構成1に記載の籠ドーム超小型スピーカ群とで構成し、原音場空間における音源から放射された音波を受聴者Aもしくはダミーヘッドの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドーム超小型マイク群で収音し、収音したマイク出力信号を増幅器群で増幅し、増幅した信号を籠ドームの格子点に対応した位置にある再生音場空間における受聴者Bの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドーム超小型スピーカ群のスピーカに入力することを特徴とする。
〈構成3>
【００２１】
原音場空間にいる受聴者Aもしくはダミーヘッドの前記籠ドーム超小型マイク群と、再生音場空間にいる受聴者Bの籠ドーム超小型スピーカ群を、左右両耳に対応して、それぞれ装着することを特徴とする。
〈構成4>
【００２２】
籠ドーム超小型マイク群および籠ドーム超小型スピーカ群において、耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドームを半球状としたことを特徴とする。
〈構成5〉
【００２３】
籠ドーム超小型マイク群の格子点ごとのマイク位置と数は、籠ドーム超小型スピーカ群の格子点ごとのスピーカ位置と数とそれぞれ対応し、臨場感に有効な格子点位置と数を有することを特徴とする。
〈構成6〉
【００２４】
受聴者Aと受聴者Bは、同一人、もしくは頭部形状がよく似た受聴者であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、原音場空間における音源から受聴者Aもしくはダミーヘッドの耳介に達した音圧信号を、同じ音圧で再生音場における受聴者Bの耳介もしくは耳甲介腔を覆う籠ドーム超小型スピーカ群から放射する。音圧信号は原音場空間と同じ音圧波面に合成され、耳介・耳甲介腔を介して外耳道入口に到達する。これにより受聴者Bは原音場空間における音源と同じ方位に仮想音源を知覚する。
従って、頭部と耳介・耳甲介腔を隔てる籠ドーム超小型スピーカ群により外耳・耳甲介腔・外耳道の違いによる個人差が解消され、波面合成と相俟って正確な方向定位が可能になり、波面合成により原音場空間と同等の臨場感が再生音場空間において再現される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の音響空間再生イヤホンシステムの原理図である。
【図２】本発明の１実施例の模式図である。
【図３】本発明の音響空間再生イヤホンの概観図である。
【図４】従来例のダミーヘッド録音システムの説明図である。
【図５】頭部伝達関数(HRTF)の説明図である。
【図６】ホイヘンスの原理図である。
【図７】キルヒホッフ・ヘルムホルツの原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
《具体例》
<構成〉
図1は、本発明のイヤホンの原理図であり、図1(a)は頭部正面から見た左耳の概観図、図1(b)は頭部側面から見た左耳の概観図である。
図1において、1は原音場空間、2は実音源、3は受聴者の耳介、4は受聴者の外耳道入口、5は受聴者の耳甲介腔、6は籠ドーム、7は籠ドーム6の１格子点、8は再生音場空間、9は仮想音源である。
図1は耳介3を覆う例を示したものである。耳甲介腔5だけを覆う場合も耳介3を覆うことと等価であるので、本特許明細書では、以降、説明を省略した。
図1のｒは実音源2から籠ドーム6の1格子点7までの距離、ｒＲは実音源2から外耳道入口4までの距離、およびΔｒは籠ドーム6の１格子点7から外耳道入口4までの距離である。
図1において、籠ドーム6は複数の格子点7を有するが、図面が煩雑になり、理解を容易にするために、格子点7を1つとして示してある。
【００２９】
図2は、本発明のイヤホンシステムの模式図であって、図2(a)は頭部上部からの図、図2(b)は頭部側面からの図、図2(c)は頭部正面からの図である。
図2において、10は受聴者Aもしくはダミーヘッド、11は籠ドーム超小型マイク群、12は増幅器群、13は受聴者B、14は籠ドーム超小型スピーカ群である。
図3は、本発明のイヤホンの概観図であり、図3(a)は、図2における本発明の原音場空間1で装着する籠ドーム超小型マイク群11、また図3(b)は、再生音場空間8で装着する籠ドーム超小型スピーカ群14の詳細を示す図で、15は超小型マイク、16は超小型スピーカである。
【００３０】
原音場空間1の受聴者Aもしくはダミーヘッド10に装着される籠ドーム6は、耳介3および顔側面からの反射で音波面に影響しない大きさと形状を有しており、その格子点7には収音方向が外側（音源側）に向けられた1個の超小型マイク15が取り付けられており、籠ドーム6の半球状の外側から籠ドーム6の内側に伝播する音波のみを収音する。
また、超小型マイク15の数（格子点7数）は、原音場空間1の籠ドーム6内の音場と再生音場空間2の籠ドーム6内の合成音場とが、ほぼ同等となる、すべての方位から到来する音波を収音するのに有効な数だけで十分である。図2では原音場空間１の籠ドーム6を籠ドーム超小型マイク群11とし、また再生音場空間8の受聴者Bに取り付けられる籠ドーム6を籠ドーム超小型スピーカ群14としている。また増幅器群12は籠ドーム超小型マイク群11の1個の超小型マイク15の出力信号と籠ドーム超小型スピーカ群14の超小型スピーカ16の入力信号を接続するものであって、マイク・スピーカの周波数特性を補償し、かつ、信号を増幅させるものである。従って、増幅器群12には、籠ドーム6内の音響空間を等価にするだけの個数が必要となる。図2における結線図は説明を簡単かつ明確にするために、多数の結線を太線で表している。
【００３１】
超小型マイク15の収音方向は前述のごとく籠ドーム6の外側に向いており、耳介3および顔側面からの反射の影響のない距離や方向が工夫されている。また超小型スピーカ15の放射方向は内側すなわち外耳道入口4方向に集中する構造となっている。
【００３２】
〈動作〉
以下、図を用いて本発明の具体例を詳細に説明する。
先ず、本発明の前提となる波面合成に関するホイヘンスの原理とキルヒホッフ・ヘルムホルツの原理を知っておく必要がある。
図６はホイヘンスの原理を示したものである。101は第１次点音源S１、102は第2次点音源S２群、103は第1次球波面Ｗ１(t)、104は第2次球波面Ｗ２(t＋Δt)である。
図６においてホイヘンスの原理(1690年)によると、第1次点音源S１101は均質の媒質中にあり、時刻ｔ＝0でインパルスを放射する。第1次球波面Ｗ１(t)103は時刻tで第1次点音源S１101によって引き起こされた半径ct(cは音速)の球波面である。第1次球波面Ｗ１(t)103上の各第2次点音源S２102は新しい第2次球波面Ｗ２(t＋Δt)104のための音源として考えることができる。その結果、第2次球波面Ｗ２(t＋Δt)104の包絡面が半径c(t＋Δt)で新しい波面の合成を形成している。すなわち、波面の各ポイント（空気の粒子）が新しい球波面の新しい中心であり、その元の波面上の粒子が球波面振動して、音圧が発生し、波面合成され、新たな包絡波面が合成されると考えられている。
【００３３】
従って、初期の第1次点音源S１101を無視しても、もし第2次点音源S２102で音を収音できるなら、第1次球波面Ｗ１(t)103上に音源(例えば、スピーカ)を置くことによって、第2次球波面Ｗ２(t＋Δt)104の外側の音場を再生させることができるように直感的に思える。
直感的ではあるが、ホイヘンスの原理は正しく音場の伝播の実際の物理学を記述していない。この原理を実際に適用するためには、さらなる数学的証明を必要とした。
【００３４】
近年、この現象を数学的に解明したKirchhoff-Helmholz integral（キルヒホッフ・ヘルムホルツ積分）を用いた非特許文献７がある。数学開始点はグリーンの第二の定理から導出されている。
図７は、キルヒホッフ・ヘルムホルツの原理を示した図であり、105は音響閉空間である。
図７は第1次点音源S１101と、音響閉空間105の内部のひとつの音場Ｒと、音響閉空間105の表面積Ｆ上の第2次点音源S２102との関係を示したものである。
ここで第1次点音源S１101はモノポール音源：放射方向が球面波を有する音源、第2次点音源S２102はダイポール音源：均質の媒質（たとえば空気）中にあって、キャビネットを有しない単一スピーカの振動板のように左右方向に振動し、+,-の音源が存在するようなモデル化が可能な音源である。
【００３５】
図７において、任意の空間内に第1次点音源S１101があり、その空間内の第1次点音源S１101を含まない場所に音響閉空間105が存在し、その表面積がＦで、その容積をＶとした場合、容積Ｖを包んでいる表面積Ｆが判るならば、音響閉空間105の内部のひとつの音場Ｒを式(3)で記述することができると言う数学的証明をBerkhoutが行った。
【数３】
2010263354.tif 000005
(3)
ここで、
Ｐ(rＲ,k)は第1次点音源S１101から放射された音波の音響閉空間105内の任意の観測場所Ｒにおける音圧、
Ｐ(r,k)は第1次点音源S１101から放射された音波の音響閉空間105上の表面積Ｆ上の任意の場所S２における音圧、かつ第2次点音源S２、
ｋは波数であり、音波の角周波数ωを音速ｃで割った値（ω／ｃ）、
φは音響閉空間105の表面上の第2次点音源S２102の表面に直交する垂線（法線）と、第2次点音源S２102と音響閉空間105内の任意の場所Ｒとを結ぶ直線とのなす角度を示す。
【００３６】
すなわち、式(3)が意味することは、音響閉空間105で囲まれた容積Ｖの外側に第1次点音源S１101が存在し、音波が放射されている容積Ｖの内側の音場は、第1次点音源S１101を除いた第2次点音源S２102の連続的な音圧分布を用いて面積分すれば、音源S１がなくても再現が可能で、第1次点音源S１101が仮想音源9になるように波面合成され、音響閉空間105内にいる受聴者30は、あたかも第1次点音源S１101の位置に仮想音源9が存在するかのように音響を知覚する。また、第2次点音源S２が観測場所Ｒに影響を与える表面のみを考慮すれば、式(3)は十分に満足すると言われている。この波面合成法をWFS(Wave Field Synthesis)と呼んでいる。現在、原音場に配置したマイクロホンアレイで収録した音を、再生音場に配置したスピーカアレイを用いて再生する室内での波面合成法に関する研究が行なわれている。
【００３７】
波面合成法では音響閉空間105の境界上の音圧を制御することによって音響閉空間105全体を制御するので頭部や耳介・耳甲介腔形状による伝達関数の個人差の影響を受けることなく音響閉空間105内に所望の音場を再現できる。
本発明は、この原理を適用し前述した式(2)の第1項目の耳介による収音効果と第2項目の外耳道の効果をなくし、第3項目の頭部の回折波の効果だけとするために、頭部と耳介・耳甲介腔を隔てる籠ドームによる音響的閉空間を設けて音響空間を分離し、その境界上の音圧を制御することによって外耳道や耳介形状の違いによる個人差の特性を除去したものである。
【００３８】
以下、説明を容易にするために籠ドーム6を半球とする。
図1において、実音源2から放射された音波は直接波として、また間接波として、すなわち受聴者30の頭部および耳介3の耳甲介腔5で回折と反射を繰り返して、受聴者30の耳介3の外耳道入口4に入力される。本発明においては、実音源2のある空間（原音場空間1）で外耳道入口4をほぼ中心とした位置に籠ドーム6を設置し、実音源2からの放射された音波による籠ドーム6の複数の格子点7における音圧信号を観測する。別途異なる場所（再生音場空間8）において、それと同じ音圧信号の音波を籠ドーム6の1以上の格子点7から外耳道入口4もしくは耳甲介腔5に放射する。このような原理構成となっているので、式(3)で示したように実音源2から放射された音波は、距離rＲ隔たった外耳道入口4に音圧Ｐ(rＲ,k)で、また距離ｒ隔たった籠ドーム6の1格子点7に音圧Ｐ(r,k)で到達する。式(3)が意味することは複数の音圧Ｐ(r,k)が籠ドーム6内に発生し、合成された波面による外耳道入口4での音圧がＰ(rＲ,k)と等価となることである。
【００３９】
本発明では、説明のために籠ドーム6を半球としているので、1格子点7から外耳道入口4までの距離Δｒは、外耳道入口4が半球の中心点であるから、各格子点7で同じになり、かつ各格子点7から外耳道入口4までの角度φは0度となり、式(3)においてcosφ＝１となる。
従って、籠ドーム6内では原音場空間1の音圧波面と再生音場空間8の合成音圧波面とが一致するように格子点7数を決定すればよい。また、図1の籠ドーム6は耳介3を覆う図となっているが、耳甲介腔5での音圧波面を合成すればよいので、その場合は耳甲介腔5だけを覆う籠ドーム6となり、その形状は、格子点7ごとのＰ(r,k)とΔｒとcosφを変化させればよいことは容易にわかる。さらに、籠ドーム6は空間の見えない音響透明カーテンでもあり、開放型音響空間や密閉型音響空間でも同じように合成波面を構成すればよいことは明白である。この原理は、籠ドーム6の複数の格子点7で受音した実音源2から放射された音波の音圧信号を、それぞれの格子点7から放射することによって耳介3、耳甲介腔5を介して、外耳道入口4に原音場と同じ音圧を与えることにある。本発明は、従来方法の外耳道入口4もしくはダミーヘッド10の鼓膜26位置での収音を行い、ただひとつのイヤホンの振動板で音圧信号を発生するダミーヘッド録音とは本質的かつ根本的に異なる。本発明の原理は、原音場と同じ波面を耳介3もしくは耳甲介腔5の空間内に合成することである。
【００４０】
図2は図1の原理図を実施する一例について記載している。すなわち、図1の籠ドーム6の格子点7での音圧信号の収音と再生方法を具体的に説明している。
原音場空間1には、まず受聴者Aもしくはダミーヘッド10があり、その耳介3に各格子点7に1個の超小型マイク15を設置した籠ドーム超小型マイク群11が装着されており、前述のごとく実音源2から放射された音波の音圧を信号として収音する。各超小型マイク15で収音された信号は増幅器群12によって、信号が増幅されるとともに、マイクとスピーカ特性が補償され、再生音場空間8の受聴者B13の耳介3に装着された籠ドーム超小型スピーカ群14の各超小型スピーカ16に伝達される。各超小型スピーカ16から放射された音波は合成されて、外耳道入口4に伝達され、実音源2と同じ方位に仮想音源9を知覚することが出来る。
【００４１】
図3は図2の籠ドーム超小型マイク群11と籠ドーム超小型スピーカ群14の詳細な図面であって、籠ドーム超小型マイク群11には超小型マイク15を、籠ドーム超小型スピーカ群14には超小型スピーカ16を設置した例を示している。
超小型マイク15や超小型スピーカ16は音波の波長を考えると1cm以下の間隔で設置する必要があり、従来実現不可能であったが、携帯電話の普及に伴い、超小型マイク15の大きさが3mmφの製品が、また超小型スピーカ16の大きさが10mmφの製品が市場に出回っており、その性能も時代とともに向上し、十分な音圧と音質を有している。本発明はこのような時代背景であるから、可能となったものである。また、将来、さらに超小型のマイク、スピーカ製品が開発されると期待できる。
【符号の説明】
【００４２】
1    原音場空間
2    実音源
3    耳介
4    外耳道入口
5    耳甲介腔
6    籠ドーム
7    籠ドームの１格子点
8    再生音場空間
9    仮想音源
10    受聴者Aもしくはダミーヘッド
11    籠ドーム超小型マイク群
12    増幅器群
13    受聴者B
14    籠ドーム超小型スピーカ群
15    超小型マイク
16    超小型スピーカ
21    原音場空間
22    音源
23    ダミーヘッド
24    耳介
25    外耳道
26    鼓膜
27    マイク
28    増幅器
29    再生音場空間
30    受聴者
31    ステレオイヤホン
32    頭部中心位置
33    耳甲介腔
34    外耳道入口
101    第１次点音源S１
102    第2次点音源S２群
103    第1次球波面Ｗ１(t)
104    第2次球波面Ｗ２(t＋Δt)
105    音響閉空間
【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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