(57)【要約】  アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避する。  スピーカアレイを形成する複数のスピーカの各々に接続された１次元デジタルフィルタに、以下の３つの要件を満たすフィルタ係数を設定する。それら１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（ａ）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、（ｂ）複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きいこと、（ｃ）非物理領域内のリプルのうち空間周波数が所定の値よりも小さい領域内のリプルについては、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっていること。
2008041530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声データを前記各１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データを、対応する前記スピーカへ供給しその音声データに応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、
前記各１次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、
前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、空間周波数方向の断面においては、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きく、前記非物理領域内のリプルのうち空間周波数が所定の値よりも小さい領域内のリプルについては、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている振幅特性を前記２次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数であることを特徴とするスピーカアレイ。
【請求項２】
所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声データを、対応する前記１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、
前記各１次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、
前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、空間周波数方向の断面においては、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きく、前記非物理領域内のリプルのうち空間周波数が所定の値よりも小さい領域内のリプルについては、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている振幅特性を前記２次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数であることを特徴とするマイクロホンアレイ。
【請求項３】
所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声データを前記各１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データを、対応する前記スピーカへ供給しその音声信号に応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、
予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、
前記指定手段により指定されたステアリング角度に応じて、前記複数のスピーカの各々から出力される音声に付与するべき遅延量をそのスピーカ毎に特定する特定手段と、
前記特定手段により前記各スピーカ毎に特定された遅延量に応じた遅延を、前記複数の１次元デジタルフィルタの各々から出力される音声データに付与する遅延手段と、
を備え、
前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、
前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、
（１）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、
（２）上記複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっていること、
（３）非物理領域内のうち、前記角度範囲内で最大のステアリング角度で指向主軸のステアリングを行った場合にリプルの一部が物理領域へはみ出さない領域内にのみリプルを形成すること、
を特徴とするスピーカアレイ。
【請求項４】
所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声データを前記各１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データを、対応する前記スピーカへ供給しその音声信号に応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、
予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、
を備え、
前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、
前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、
（１）前記指定手段により指定されたステアリング角度方向に主ローブを形成するように通過域を形成するとともに、物理領域と非物理領域との境界と該通過域との間に第１の阻止域を形成する一方、非物理領域内に第２の阻止域を形成すること、
（２）第１および第２の阻止域に渡って阻止域に複数のリプルを有すること、
（３）第２の阻止域のリプルの振幅が第１の阻止域のリプルの振幅よりも大きくなっていること、
を特徴とするスピーカアレイ。
【請求項５】
所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声データを、対応する前記１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、
予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、
前記指定手段により指定されたステアリング角度に応じて、前記複数のマイクロホンの各々から出力される音声データに付与するべき遅延量をそのマイクロホン毎に特定する特定手段と、
前記特定手段により前記各マイクロホン毎に特定された遅延量に応じた遅延を、前記各マイクロホンから出力される音声データに付与して対応する前記１次元デジタルフィルタへ入力する遅延手段と、
を備え、
前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、
前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、
（１）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、
（２）上記複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっていること、
（３）非物理領域内のうち、前記角度範囲内で最大のステアリング角度で指向主軸のステアリングを行った場合にリプルの一部が物理領域へはみ出さない領域内にのみリプルを形成すること、
を特徴とするマイクロホンアレイ。
【請求項６】
所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声データを、対応する前記１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、
予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、
を備え、
前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、
前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、
（１）前記指定手段により指定されたステアリング角度方向に主ローブを形成するように通過域を形成するとともに、物理領域と非物理領域との境界と該通過域との間に第１の阻止域を形成する一方、非物理領域内に第２の阻止域を形成すること、
（２）第１および第２の阻止域に渡って阻止域に複数のリプルを有すること、
（３）第２の阻止域のリプルの振幅が第１の阻止域のリプルの振幅よりも大きくなっていること、
を特徴とするマイクロホンアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピーカアレイおよびマイクロホンアレイの指向性を向上させる技術に関し、特に、低音域における指向性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカやマイクロホンなどのトランスデューサを所定の間隔で直線状に複数配列して形成されるスピーカアレイやマイクロホンアレイを用いて特定の方向だけに音場を形成したり、特定の方向から到来する音声のみを収音したりする技術が一般に普及している。
ところで、この種のスピーカアレイやマイクロホンアレイにおいては、高音域から低音域までの広い帯域に渡って同一の指向特性を実現できることが望ましい。しかしながら、低音域の指向特性は、スピーカアレイやマイクロホンアレイのアレイ長（トランスデューサの個数にそのトランスデューサの配置間隔を乗算して得られる値）が大きい程向上するため（非特許文献１参照）、低音域で十分な指向性を確保するためにはスピーカアレイやマイクロホンアレイの装置サイズが大きくなってしまうといった問題点があった。
そこで、上記のような問題点を解決するための技術が従来より種々提案されており、その一例としては、非特許文献２に開示された技術が挙げられる。この非特許文献２には、スピーカアレイやマイクロホンアレイを構成する各トランスデューサに接続されているデジタルフィルタの振幅特性について、２次元周波数平面での空間周波数方向の断面が阻止域等リプル特性であるDolph-Chebyshevフィルタの振幅特性（または、その近似特性）となるように各デジタルフィルタのフィルタ係数を設定することによって、同一の指向特性を与え得る帯域を低音域側に拡張する技術が開示されている。
【非特許文献１】大賀寿郎、山崎芳男、金田豊  “音響システムとデジタル信号処理”  電子情報通信学会  １９９３−０５  ｐ１７６〜１８６
【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イスピーカの設計方法”  電子情報通信学会信学技報  ２００４−７４  ｐ１３〜１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、阻止域等リプル特性のリプルは、非物理領域（２次元周波数平面において、規格化空間周波数＞規格化時間周波数である領域）以外の領域にも通常存在するため、低音域における指向性を向上させるために阻止域等リプルに大きな振幅を与えてしまうと、本来不要な指向特性であるサイドローブの振幅レベルが増大してしまうといった問題点があった。また、マイクロホンアレイやスピーカアレイを実際に使用する際には、その指向主軸を任意の方向に向けること（以下、ステアリング）ができれば便利であるが、非特許文献２には、このようなことを可能にする技術については開示されていない。
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブの振幅レベルの増大を回避することを可能にし、さらに、その指向主軸のステアリングを可能にする技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声データを前記各１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データを、対応する前記スピーカへ供給しその音声データに応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、前記各１次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、空間周波数方向の断面においては、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きく、前記非物理領域内のリプルのうち空間周波数が所定の値よりも小さい領域内のリプルについては、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている振幅特性を前記２次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数であることを特徴とするスピーカアレイ、を提供する。【０００５】
また、上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、所定のフィルタ係数が予め設定されているとともに、入力された音声データに前記フィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声データを、対応する前記１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、前記各１次元デジタルフィルタに設定されているフィルタ係数は、前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、空間周波数方向の断面においては、阻止域に複数のリプルを有し、かつ、該複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きく、前記非物理領域内のリプルのうち空間周波数が所定の値よりも小さい領域内のリプルについては、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている振幅特性を前記２次元デジタルフィルタに与えるフィルタ係数であることを特徴とするマイクロホンアレイ、を提供する。【０００６】
また、上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声データを前記各１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データを、対応する前記スピーカへ供給しその音声信号に応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、前記指定手段により指定されたステアリング角度に応じて、前記複数のスピーカの各々から出力される音声に付与するべき遅延量をそのスピーカ毎に特定する特定手段と、前記特定手段により前記各スピーカ毎に特定された遅延量に応じた遅延を、前記複数の１次元デジタルフィルタの各々から出力される音声データに付与する遅延手段と、を備え、前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（１）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、（２）上記複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっていること、（３）非物理領域内のうち、前記角度範囲内で最大のステアリング角度で指向主軸のステアリングを行った場合にリプルの一部が物理領域へはみ出さない領域内にのみリプルを形成すること、を特徴とするスピーカアレイを提供する。【０００７】
また、上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のスピーカと、前記複数のスピーカの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、入力された音声データを前記各１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データを、対応する前記スピーカへ供給しその音声信号に応じた音声を出力させるスピーカアレイにおいて、予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、を備え、前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（１）前記指定手段により指定されたステアリング角度方向に主ローブを形成するように通過域を形成するとともに、物理領域と非物理領域との境界と該通過域との間に第１の阻止域を形成する一方、非物理領域内に第２の阻止域を形成すること、（２）第１および第２の阻止域に渡って阻止域に複数のリプルを有すること、（３）第２の阻止域のリプルの振幅が第１の阻止域のリプルの振幅よりも大きくなっていること、を特徴とするスピーカアレイを提供する。【０００８】
また、上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声データを、対応する前記１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、前記指定手段により指定されたステアリング角度に応じて、前記複数のマイクロホンの各々から出力される音声データに付与するべき遅延量をそのマイクロホン毎に特定する特定手段と、前記特定手段により前記各マイクロホン毎に特定された遅延量に応じた遅延を、前記各マイクロホンから出力される音声データに付与して対応する前記１次元デジタルフィルタへ入力する遅延手段と、を備え、前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（１）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、（２）上記複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっていること、（３）非物理領域内のうち、前記角度範囲内で最大のステアリング角度で指向主軸のステアリングを行った場合にリプルの一部が物理領域へはみ出さない領域内にのみリプルを形成すること、を特徴とするマイクロホンアレイを提供する。【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明は、所定の間隔で直線状に配列された複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンの各々に対応して設けられ、入力された音声データに所定のフィルタ処理を施して出力する１次元デジタルフィルタと、を備え、前記複数のマイクロホンの各々から出力された音声データを、対応する前記１次元デジタルフィルタへ供給する一方、前記各１次元デジタルフィルタから出力された音声データの和信号を出力するマイクロホンアレイにおいて、予め定められた角度範囲内で指向主軸のステアリング角度を指定する指定手段と、を備え、前記各１次元デジタルフィルタのフィルタ係数は、前記各１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタの周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（１）前記指定手段により指定されたステアリング角度方向に主ローブを形成するように通過域を形成するとともに、物理領域と非物理領域との境界と該通過域との間に第１の阻止域を形成する一方、非物理領域内に第２の阻止域を形成すること、（２）第１および第２の阻止域に渡って阻止域に複数のリプルを有すること、（３）第２の阻止域のリプルの振幅が第１の阻止域のリプルの振幅よりも大きくなっていること、を特徴とするマイクロホンアレイを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になり、さらに、その指向主軸のステアリングが可能になるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピーカアレイ１００の電気的な構成を表すブロック図である。
【図２】同スピーカアレイ１００の２次元デジタルフィルタの振幅特性の一例を２次元周波数平面を用いて表した図である。
【図３】同振幅特性の一部を等振幅特性図で示した図である。
【図４】同スピーカアレイ１００の振幅特性を所定の角度毎にプロットした図である。
【図５】同スピーカアレイ１００の指向特性を所定の周波数毎にプロットした図である。
【図６】同スピーカアレイ１００から出力される音響ビームの周波数とその音響ビームの主ローブ幅との関係を示した図である。
【図７】ｆ１≧ｆｌでの断面特性について非特許文献２に開示されている設計方法を説明するための図である。
【図８】ｆ１＜ｆｌでの断面特性について非特許文献２に開示されている設計方法を説明するための図である。
【図９】本実施形態に係る断面特性の設計方法を説明するための図である。
【図１０】Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計プログラムによる１次元フィルタの設計結果の特性を示すための図である。
【図１１】Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計プログラムによる１次元フィルタの設計例とDolph-Chebyshev特性の１次元フィルタの設計例とを示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係るマイクロホンアレイ２００の電気的な構成を示す図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係るスピーカアレイ５００の電気的な構成を表すブロック図である。
【図１４】同スピーカアレイ５００の振幅特性および指向特性を示した図である。
【図１５】非物理領域に利用制限を設けていないスピーカアレイの振幅特性および指向特性を示した図である。
【図１６】ｆ１≧ｆｌでの断面特性について非特許文献２に開示されている設計方法を説明するための図である。
【図１７】ｆ１＜ｆｌでの断面特性について非特許文献２に開示されている設計方法を説明するための図である。
【図１８】本実施形態に係る断面特性の設計方法を説明するための図である。
【図１９】Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計プログラムによる１次元フィルタの設計結果の特性を示すための図である。
【図２０】Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計プログラムによる１次元フィルタの設計例とDolph-Chebyshev特性の１次元フィルタの設計例とを示す図である。
【図２１】本発明の第４実施形態に係るマイクロホンアレイ２００の電気的な構成を示す図である。
【図２２】本発明の第５実施形態に係るスピーカアレイ３００の電気的な構成を示す図である。
【図２３】本発明の第６実施形態に係るスピーカアレイ４００の電気的な構成を示す図である。
【図２４】２次元周波数平面と断面の関係を示す図である。
【図２５】断面設計結果の一例を示す図である。
【図２６】スピーカアレイ４００の２次元デジタルフィルタの振幅特性の一例を２次元周波数平面で表した図である。
【図２７】同振幅特性の等振幅特性図である。
【図２８】同スピーカ４００の指向特性を表す図である。
【図２９】変形例（３），（６）に係る周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００１２】
１００，３００，４００，５００…スピーカアレイ、１１０−ｉ（ｉ：１〜ｎの自然数）…スピーカ、１２０−ｉ…１次元デジタルフィルタ、１３０−ｉ…遅延回路、１４０…Ｕ／Ｉ部、１５０…制御部、１６０…記憶部、２００…マイクロホンアレイ、２１０−ｉ…マイクロホン
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明を実施する際の最良の形態について説明する。
（Ａ．第１実施形態）
（Ａ−１：構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係るスピーカアレイ１００の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、このスピーカアレイ１００は、所定の間隔（本実施形態では、一定の間隔Ｄ）で直線状に配列されたトランスデューサ（本実施形態では、スピーカ）１１０−１、１１０−２…１１０−ｎと、それらスピーカと同数の１次元デジタルフィルタ１２０−１、１２０−２…１２０−ｎと、を有している。【００１４】
図１のスピーカアレイ１００においては、外部音源（図示省略）から供給される音声信号（アナログ信号）は、Ａ／Ｄ変換器（図示省略）によってデジタルデータ（以下、音声データ）に変換され、その音声データが１次元デジタルフィルタ１２０−ｉ（ｉ：１〜ｎの自然数：以下、同じ）の各々へ供給される。なお、本実施形態では、アナログ形式の音声信号が外部音源からスピーカアレイ１００へ供給される場合について説明するが、デジタル形式の音声データが外部音源からスピーカアレイ１００へ供給されるとしても勿論良く、このように、デジタル形式の音声データが外部音源から供給される場合には、スピーカアレイ１００に上記Ａ／Ｄ変換器を設けておく必要がないことは言うまでもない。
図１の１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々には、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数が予め設定されている。これら１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々は、上記Ａ／Ｄ変換器から引渡された音声データにそのフィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して出力する。
そして、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々から出力された音声データは、Ｄ／Ａ変換器（図示省略）によって音声信号へと変換され、その１次元デジタルフィルタ１２０−ｉに対応するスピーカ１１０−ｉへ供給される。その結果、スピーカ１１０−ｉの各々からは、上記Ｄ／Ａ変換器から供給された音声信号に対応する音声が放音されることになる。なお、本実施形態では、スピーカ１１０−ｉがアナログ形式の音声信号に応じた音を放音する場合について説明するが、スピーカ１１０−ｉがデジタル形式の音声データに応じた音を放音する場合には、上記Ｄ／Ａ変換器を設ける必要がないことは言うまでもない。
以上がスピーカアレイ１００の構成である。【００１５】
以上に説明したように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００のハードウェア構成は、従来のスピーカアレイのハードウェア構成と何ら変わるところはない。しかしながら、本実施形態に係るスピーカアレイ１００においては、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々に、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数が予め設定されているため、それら１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタに本発明に係るスピーカアレイに特徴的な振幅特性が付与され、その振幅特性によって、本発明に係るスピーカアレイに特徴的な指向特性が実現されるようになっている。
以下、上記１次元デジタルフィルタ１２０−ｉにより形成される２次元デジタルフィルタの振幅特性およびその振幅特性により実現される指向特性について図面を参照しつつ説明する。なお、以下では、スピーカ１１０−ｉの各々は理想的な特性（すなわち、その指向特性が出力音声の周波数に依存しないといった特性）を有しているものする。また、以下では、スピーカの配置間隔Ｄ＝０．０６８［ｍ］、サンプリング周波数ｆｓ＝７４５１［Ｈｚ］、ＦＩＲタップ数＝２４１、ｎ（スピーカの個数）＝１５であるものとする。【００１６】
（Ａ−２：２次元デジタルフィルタの振幅特性および指向特性）
図２から図６は、スピーカアレイ１００の２次元デジタルフィルタの振幅特性およびその振幅特性により実現される指向特性を表す図である。
図２は、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉにより形成される２次元デジタルフィルタの振幅特性を２次元周波数平面で示した図であり、図３は、図２に示す振幅特性の一部（具体的には、規格化時間周波数ｆ１が０〜０．５の範囲で、かつ、規格化空間周波数ｆ２が０〜０．５の範囲）を等振幅特性図で表した図である。なお、規格化時間周波数とは、時間周波数を時間サンプリング間隔の逆数で規格化して得られる値であり、規格化空間周波数とは、空間周波数をスピーカの配置間隔Ｄの逆数で規格化して得られる値である。
図２および図３を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００では、規格化時間周波数ｆ１が低い領域（例えば、ｆ１が０〜０．１である領域）に複数のリプルが設けられているとともに、非物理領域内のリプルには、大きな振幅（本実施形態では、“１”）が与えられており、物理領域内のリプルについては、その振幅が非物理領域内のリプルよりも低く抑えられている。なお、図２および図３を参照すれば明らかなように、非物理領域内のリプルについては振幅が略等しい等リプルであるため、図２および図３に示す振幅特性を阻止域２段等リプル特性と呼ぶ。【００１７】
加えて、非物理領域内のリプルについては、規格化空間周波数ｆ２が所定の値以上である領域（図３では、ｆ２≧０．２５である領域）のリプルについては、規格化時間周波数方向の帯域幅が略一定である一方、規格化空間周波数ｆ２が上記所定の値未満である領域のリプルについては、規格化空間周波数ｆ２の値が小さくなるほど規格化時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている。このように、規格化空間周波数ｆ２が上記所定の値未満である領域のリプルについては、規格化空間周波数ｆ２の値が小さくなるほど規格化時間周波数方向の帯域幅を狭くしている理由は、以下の通りである。
主ローブの幅は非物理領域内のリプルの個数やその振幅に依存すること（例えば、阻止域のリプルの総数の中に占める非物理領域のリプルの数が多いほど通過帯域を狭め主ローブ幅を狭くできること）が一般に知られている（非特許文献２参照）。上記のように規格化空間周波数ｆ２が上記所定の値未満である領域のリプルについては、規格化空間周波数ｆ２の値が小さくなるほど規格化時間周波数方向の帯域幅を狭くすることによって、その帯域幅を一定に保つ場合に比較して、規格化時間周波数ｆ１が低い領域（例えば、ｆ１が０〜０．１である領域）で利用可能な非物理領域内のリプルの数が増加し、より主ローブ幅を狭めることが可能になると期待されるからである。なお、本実施形態では、規格化空間周波数ｆ２についての所定の値（非物理領域を区分けする規格化空間周波数の値）が０．２５である場合について説明するが、係る値は０．２５に限定されるものではなく、スピーカアレイ１００に対して要求される指向特性（すなわち、その指向特性を実現する振幅特性）に応じて適宜定めるようにすれば良い。【００１８】
図４は、図２に示す振幅特性を、各スピーカ１１０−ｉとスピーカアレイ１００から出力される音声の観測点とを含む平面内でスピーカ１１０−ｉの配列方向と直角方向を０度とした場合にスピーカ配列の中央から見た観測点の方向の角度（図１の角度φ）についての周波数特性として示した図である。なお、図４では、φ＝０°、１２．５°、２０°、６０°および９０°についての周波数特性が示されている。
図４を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００から出力される音響ビームの振幅レベルは、その周波数が一定の値よりも高い場合には、φ＝１２．５°の方向については、φ＝０°方向に比較して振幅レベルが約６［ｄＢ］低下し、φ＝２０°、６０°および９０°方向については、φ＝０°方向に比較して振幅レベルが約２０［ｄＢ］低下していることが判る。
図５は、図２に示す振幅特性を、いくつかの周波数（３７１．０９４７３Ｈｚ、７４５．８２７６４Ｈｚ、１４９１．６５５３Ｈｚ、２２３３．８４４７Ｈｚおよび３３５４．４０５３Ｈｚ）での指向特性として示した図である。
図４および図５を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００によれば、一定の値以上の周波数について、音響ビームの主ローブ幅を一定に保ちつつ、サイドローブのレベルを略一定（この場合−２０ｄB）に保つことが可能になっていることが判る。【００１９】
図６は、本実施形態に係るスピーカアレイ１００を含む複数種のスピーカアレイについて、主ローブ幅（φ＝０°方向に比較して音響ビームの振幅が６［ｄＢ］低下する領域の幅を表す角度）を周波数毎にプロットした図である。
具体的には、図６のグラフＬ１、Ｌ２およびＬ３は、本実施形態に係るスピーカアレイ１００の主ローブ幅を周波数毎にプロットした図であり、グラフＬ１は、φｓ＝２０°かつ非物理領域のリプルの振幅を１に設定した場合、グラフＬ２は、φｓ＝２０°かつ非物理領域のリプルの振幅を２に設定した場合、グラフＬ３は、φｓ＝４０°かつ非物理領域のリプルの振幅を１に設定した場合、のスピーカアレイ１００の主ローブ幅を周波数毎にプロットしたグラフである。
図６のグラフＬ４は、矩形同相駆動の場合の主ローブ幅をプロットしたグラフであり、グラフＬ５は、非特許文献２に開示された設計手法により設計されたスピーカアレイの主ローブ幅をプロットしたグラフである。
そして、図６のグラフＬ６、Ｌ７およびＬ８は、阻止域２段等リプルかつ、非物理領域内のリプルの規格化時間周波数方向の帯域幅が略一定である振幅特性が２次元デジタルフィルタに設定されたスピーカアレイの主ローブ幅を周波数毎にプロットした図であり、グラフＬ６は、φｓ＝４０°かつ非物理領域のリプルの振幅を１に設定した場合、グラフＬ７は、φｓ＝２０°かつ非物理領域のリプルの振幅を２に設定した場合、グラフＬ８は、φｓ＝２０°かつ非物理領域のリプルの振幅を１に設定した場合の主ローブ幅を周波数毎にプロットしたグラフである。【００２０】
図６を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００によれば、矩形同相駆動に係るスピーカアレイや非特許文献２に開示され設計手法に係るスピーカアレイなどの従来のスピーカアレイや、阻止域２段等リプルかつ非物理領域内のリプルの規格化時間周波数方向の帯域幅が略一定である振幅特性が２次元デジタルフィルタに設定されたスピーカアレイに比較して低音域での主ローブ幅を狭くすることが可能になっていることが判る。
また、図６を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００では、例えば、主ローブ幅としてある値（例えば、８０°）が定められている場合に、その主ローブ幅での出力が可能な音響ビームの周波数の下限（すなわち、指向性スピーカアレイの帯域下端ｆＬ：詳細については、非特許文献２参照）が、矩形同相駆動を行った場合に比較して低減していることが判る。【００２１】
具体的には、φｓ＝２０°（すなわち、主ローブ幅が２０°）かつ非物理領域のリプルの振幅を１に設定した場合（図６：グラフＬ１）には、矩形同相駆動を行った場合に比較してスピーカアレイの帯域下端が１４．３％低減している。φｓ＝２０°かつ非物理領域のリプルの振幅を２に設定した場合（図６：グラフＬ２）には、１９．１％低減している、そして、φｓ＝４０°（すなわち、主ローブ幅が４０°）かつ非物理領域のリプルの振幅を１に設定した場合（図６：グラフＬ３）には、４０．５８％低減している。つまり、本実施形態に係るスピーカアレイ１００によれば、従来の矩形同相駆動のスピーカアレイに比較して帯域下端を低減させること（すなわち、低音域の指向性を向上させること）が可能になっている。【００２２】
以上に説明したように、本実施形態に係るスピーカアレイ１００においては、その２次元デジタルフィルタに、図２に示すような振幅特性（すなわち、以下に述べる３つの要件を満たす振幅特性）を設定することによって、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になっている。
なお、上記３つの要件とは、
その周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、
（ａ）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、
（ｂ）上記複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっていること、
（ｃ）非物理領域内のリプルのうち規格化空間周波数が所定の値よりも小さい領域内のリプルについては、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっていること、
である。
次いで、上記３つの要件を満たす２次元デジタルフィルタの設計（すなわち、各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉへ設定するべきフィルタ係数の算出）について説明する。【００２３】
（Ａ−３：２次元デジタルフィルタの設計）
さて、前述した非特許文献２には、各スピーカに接続されている１次元デジタルフィルタ群により形成される２次元デジタルフィルタの振幅特性を２次元周波数平面で見た場合、スピーカアレイの出力を十分遠方の観測点で観測した場合の周波数特性は、２次元周波数平面において以下の数１で表される直線上に分布する振幅特性であることが開示されている。
（数１）ｆ２＝ｆ１・Ｄ・sin（φ）／（ｃ・Ｔ）
但し、数１において、ｆ１は規格化時間周波数、ｆ２は規格化空間周波数、Ｄはトランスデューサ間隔、Ｔは時間サンプリング周期、ｃは音速である。【００２４】
したがって、ある非規格化時間周波数ｆにおけるスピーカアレイの指向特性は、２次元周波数平面では、その非規格化時間周波数ｆに対応する規格化時間周波数ｆ１＝ｆ・Ｔで規定される直線上に、以下の数２で示される関係で分布しているといえる。
（数２）φ＝sin-1{(ｆ２・ｃ・Ｔ）／（ｆ１・Ｄ）}  【００２５】
すなわち、各非規格化時間周波数ｆにおける所望の指向特性が、直線ｆ１＝ｆ・Ｔ上に上記数２で示される関係で分布するように２次元デジタルフィルタを設計することができれば、結果として所望の指向特性が得られることになる。非特許文献２には、上記のように２次元周波数平面の規格化空間周波数方向（すなわち、ｆ２方向）の断面に１次元のフィルタ特性を並べて２次元デジタルフィルタの目標特性を設定し、その目標特性に対して２次元フーリエ級数近似を施すことによって、ＦＩＲフィルタ係数を得る方法が開示されている。【００２６】
より詳細に説明すると、非特許文献２には、（Ｎ２＋１）個のスピーカで形成されるスピーカアレイの設計条件として、音響ビーム中心φ０とビーム端角度（φｓ＋、φｓ−）および等リプルサイドローブの大きさ（振幅）δが与えられている場合の２次元デジタルフィルタの設計手順が開示されている。なお、以下では、φ０＝０°、φｓ＋＝φｓ、φｓ−＝−φｓである（すなわち、音響ビームがその中心（φ０＝０°）軸に対して対称である）とする。【００２７】
非特許文献２に開示されている設計手順では、まず、図７（ｂ）に示すように、ｆ１＝−０．５〜０．５の範囲で２次元周波数平面をＭ１（本実施形態では、Ｍ１は偶数であるとする）分割し、各周波数ｆ１＝ｋ１／Ｍ１（ｋ１＝−Ｍ１／２〜Ｍ１／２の整数）での断面にDolph-Chebyshev特性を設計して以下の手順で並置することで目標ファンフィルタ特性とする。【００２８】
具体的には、まず、次数Ｎ２、阻止域リプルの大きさδのDolph-Chebyshevフィルタの特性を設計し、その阻止域端周波数ｆｓｔがφ＝φｓの直線（すなわち、ｆ２＝ｆ１・Ｄ・sin（φｓ）／（ｃ・Ｔ）で表される直線）に一致するときの周波数ｆｌを求める。次いで、ｆ１≧ｆｌの断面位置では、ｆ１＝ｆｌでの断面特性を、図７（ａ）に示すように、阻止域端がφ＝φｓの直線上に位置するようにｆ２方向に拡大して配置する。
一方、ｆ１＜ｆｌの断面位置に対しては、図８（ａ）に示すように、阻止域リプルを、その振幅をδから所定の許容値δＬまで少しずつ大きくしたDolph-Chebyshevフィルタ特性（ｆ２＝−０．５〜０．５）を置く。但し、どの断面においても阻止域端ｆｓｔがφ＝φｓの直線上に位置するように阻止域リプルを定める。そして、図８（ｂ）に示されているように、阻止域リプルδＬの特性が最初に置かれる周波数ｆ１の値をｆｕとして、ｆ１＜ｆｕではｆ１＝ｆｕの断面特性と同一の特性を置く。なお、図８（ｂ）のｆＬは、スピーカアレイの帯域下端であり、以下の数３により定まる値である。
（数３）  ｆＬ＝ｃ・Ｔ・ｆｃ／ｓｉｎ（φｓ）
但し、数３においてｆｃは、図８（ａ）に示されている阻止域リプルδＬの特性の半値周波数である。
以降、このようにして設定されたファンフィルタの目標振幅特性に対して２次元逆離散フーリエ変換を施すことにより、各１次元デジタルフィルタに設定するべきフィルタ係数が算出される。【００２９】
これに対して、本実施形態に係るスピーカアレイ１００の２次元デジタルフィルタの設計では、図９（ｂ）に示すようにＭ１分割された２次元周波数平面において、ｆ１≧ｆｌでは阻止域の全域でリプルの小さい１次元フィルタを断面特性としておく一方、ｆ１＜ｆｌでは非物理領域にだけ大きなリプルの１次元フィルタを断面に置く。図９（ａ）に示す２つの振幅特性はそれぞれの断面に置く１次元フィルタの振幅特性である。この２つの振幅特性の比較から判るように、非物理領域でリプルを大きくしたことで、そのリプルが占める周波数域が広くなり、逆に通過域が狭くなっている。
そこで、本実施形態に係る２次元デジタルフィルタの設計では、非物理領域でのリプルの振幅が所定の最大値に達するまで、より低音域の時間周波数の断面位置に置き、該所定の最大値に達した場合には、それよりも低い周波数の各ｆ１において、所定の最大振幅（または、それ以下の振幅）のリプルで非物理領域が満たされるような設計を繰り返し、各ｆ１における断面特性として設定する。なお、このような設計は、ｆ１＜ｆｕとなる領域ではｆ２（＝ｆｓｔ）をｆ１・Ｄ・sin（φ）／（ｃ・Ｔ）より大きな値にすることによって実現される。【００３０】
本実施形態では、図９（ａ）に示すような阻止域２段等リプル特性の１次元フィルタを設計するために、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムにしたがってフィルタ設計を行うプログラムを利用している。ここで、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムとは、Remez交換アルゴリズムと重み付きChebyshev 近似理論を用いて、希望する周波数応答と実際の周波数応答が最適になるようにフィルタを設計するアルゴリズムである。このアルゴリズムに従って設計されたフィルタは、希望する周波数応答と実際の周波数応答との間の最大誤差を最小にするという点で最適であるため、ミニマックスフィルタとも呼ばれることもある。また、このアルゴリズムに従って設計されたフィルタは、その周波数応答において等リプルを示すため、等リプルフィルタとしても知られている。なお、本実施形態では、阻止域２段等リプル特性の１次元フィルタの設計に、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムを用いる場合について説明するが、他のFIR フィルタ設計アルゴリズムを用いても良いことは勿論である。【００３１】
図１０は、上記プログラムへ与えるパラメータと、その設計結果の特性を示す図である。図１０に示すように、本実施形態では、３つの近似帯域（通過域、阻止域１，阻止域２）を設定し、各近似帯域を規定するパラメータとして、各近似帯域の目標振幅（それぞれ１，０，０）、誤差リプル（それぞれδ1≒０、δ2=δ、δ3=δn）および重み（それぞれw1、w2、w3）を定め、δ1w1=δ2w2=δ3w3の条件の下で繰り返し近似を行ってフィルタ係数を定めることにより、１次元フィルタの設計を行っている。【００３２】
図１１は、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムにしたがって設計された１次元フィルタと、Dolph-Chebyshev特性の１次元フィルタの設計例とを併記した図である。図１１を参照すれば明らかなように、前者の１次元フィルタでは、阻止域２のリプルを大きくしたことによって、通過域の幅が後者に比較して狭くなっていることが判る。このように通過域の幅を狭めるといった効果は、阻止域内のリプルの総数に占める非物理領域内のリプルの数が多い特性ほど顕著になる。なお、理論的には非物理領域のリプルについては、その振幅をいくらでも大きく設定することが可能であるが、実用的にはその上限値を適切に設定する必要があり、例えば、その上限値として“１”（すなわち、通過域の振幅に等しい値）や“２”（通過域の振幅の２倍の値）などを設定するようにすれば良い。
このようにして設計した２次元デジタルフィルタの目標振幅特性に対して２次元逆離散フーリエ変換を施すことによって、その２次元デジタルフィルタを形成する１次元デジタルフィルタの各々に設定するべきフィルタ係数が算出される。このようにして算出されたフィルタ係数を各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉに設定することによって、それら１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタに図２に示す振幅特性が付与されることになる。【００３３】
（Ａ−４：第１実施形態の効果）
以上に説明したように、物理領域の特性は指向特性に直接影響を与える一方、非物理領域における特性は指向特性に直接的には影響を与えないことから、本実施形態に係るスピーカアレイ１００においては、阻止域２段等リプル特性の１次元フィルタを用いることにより、最終的なフィルタ係数の特性として、特に低域においてサイドローブのレベルを低く保ったまま、主ローブの幅を低減することが可能である。【００３４】
また、本実施形態によれば、ｆ１に応じて上記１次元フィルタを最適に調整することにより、従来より低い帯域においてもサイドローブの影響を低く保ったまま主ローブの幅を一定とすることが可能になる。前述したように、主ローブの幅は非物理領域内のリプルの個数やその振幅に依存するため、ｆ１に応じて必要な指向特性が得られるように非物理領域のリプルに設定する振幅とその個数を調整することによって、従来よりも低い帯域で主ローブの幅を一定とすることが可能になる。【００３５】
また、時間周波数が比較的高い領域（例えば、非特許文献２においてｆｌ≦ｆ１で規定される領域）については、非物理領域のリプルの振幅を大きくしなくても主ローブの幅を十分狭くすることが可能であるため、阻止域２段等リプル特性に替えて、例えば非特許文献２に開示されているDolph-Chebyshev特性を用いるようにしても良い。また、このような領域について、非特許文献２に開示されているように主ローブの幅を時間周波数に依存しないように設定すれば、本実施形態による低域での特性改善と合わせて、従来より広い帯域で時間周波数に依存しない指向特性を得ることが可能になる。【００３６】
（Ｂ．第２実施形態）
次いで、本発明の第２実施形態に係るマイクロホンアレイ２００について説明する。
図１２は、本発明の第２実施形態に係るマイクロホンアレイ２００の構成例を示す図である。図１２と図１とを比較すれば明らかなように、マイクロホンアレイ２００の構成が、スピーカアレイ１００の構成と異なっている点は、スピーカ１１０−ｉ（ｉ：１〜ｎの自然数）に替えて、収音した音声に対応する音声信号を出力するマイクロホン２１０−ｉ（ｉ：１〜ｎの自然数）を設けた点である。
このマイクロホンアレイ２００においては、マイクロホン２１０−ｉから出力された音声信号は、図示せぬＡ／Ｄ変換器によって音声データへと変換され、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉへ入力される。そして、各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉによって前述したフィルタ処理が施され、各１次元デジタルフィルタから出力されたフィルタ処理済みの音声データが図示せぬ加算器によって足し合わせ、その加算結果である和信号が出力される。なお、本第２実施形態においても、マイクロホン２１０−ｉからデジタル形式の音声データが出力される場合には、上記Ａ／Ｄ変換器が不要であることは言うまでもない。【００３７】
さて、マイクロホンアレイにおいては、図１２に示す角度φ方向から到来する平面波の時間周波数特性は、そのマイクロホンアレイを構成する各マイクロホン（本実施形態では、マイクロホン２１０−ｉ）に接続されている１次元デジタルフィルタ群の振幅特性を２次元周波数平面で見た場合に、前述した数２で示される直線上に分布することが一般に知られている。このため、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々に、前述した第１実施形態にて説明したフィルタ係数を設定しておくことによって、マイクロホンアレイ２００の指向特性について前述した第１実施形態と同一の効果（すなわち、アレイ長を長くすることなく、マイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避するといった効果）を得ることが可能になる。【００３８】
（Ｃ．第３実施形態）
（Ｃ−１：構成）
図１３は、本発明の第３実施形態に係るスピーカアレイ５００の構成例を示すブロック図である。図１３に示すスピーカアレイ５００の構成は、図１に示すスピーカアレイ１００の構成に加えて、スピーカ１１０−１、１１０−２…１１０−ｎと同数の遅延回路１３０−１、１３０−２…１３０−ｎと、ユーザインタフェイス（以下、「Ｕ／Ｉ」）部１４０と、制御部１５０と、をさらに有している。図１３に示すように、本実施形態では、スピーカ１１０−ｉ（ｉ：１〜ｎ）を、所定の間隔Ｄで直線状に配列することによってスピーカアレイ５００のアレイ面が形成されている。以下では、上記アレイ面の中心位置を“Ｃ”と呼ぶ（図１３参照）。なお、図１３において、図１の構成要件と同一の構成要件については同じ参照符号を付すと共に、その説明を省略する。【００３９】
図１３の１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々には、図１３に示す点Ｃを通りアレイ面に垂直な方向（すなわち、ステアリング角度が０度の方向）に指向主軸を有する周波数特性をスピーカアレイ５００に与えるフィルタ係数が予め設定されている。これら１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々は、上記Ａ／Ｄ変換器から引渡された音声データにそのフィルタ係数に応じたフィルタ処理を施して、その１次元デジタルフィルタ１２０−ｉに対応する遅延回路１３０−ｉへ出力する。【００４０】
遅延回路１３０−ｉは、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉから入力された音声データを、後述する制御部１５０によって設定される遅延量分だけ遅延させて出力する。この遅延回路１３０−ｉは、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉから入力された音声データに上記遅延を付与することによって、指向主軸のステアリングを実現するためのものである。なお、このような遅延処理を施すことによって指向主軸のステアリングを実現できることについては、「西川  清、“遅延処理と２次元デジタルフィルタによる広帯域マルチビーム形成法”、電子情報通信学会論文誌、A  Vol.J87-A No.12 pp.1480-1490 2004年12月」（以下、「参考文献」と呼ぶ）に詳細に説明されている。
ここで、遅延回路１３０−ｉにおける遅延量としては、サンプリング間隔単位の遅延量であっても良いし、また、それより細かい単位（すなわち、サンプリング間隔未満の単位）の遅延量であっても良い（なお、サンプリング間隔未満の単位の遅延を実現する手法については、非特許文献１や上記参考文献に詳細に説明されている）。本実施形態では、サンプリング間隔単位に限定されない遅延処理を実現するために、遅延回路１３０−ｉの各々はＦＩＲフィルタで構成されている。なお、本実施形態では、遅延回路１３０−ｉをＦＩＲフィルタで構成する場合について説明するが、ＩＩＲフィルタで構成するとしても勿論良い。
この遅延回路１３０−ｉの各々から出力された音声データは、Ｄ／Ａ変換器（図示省略）によって音声信号へと変換され、その１次元デジタルフィルタ１２０−ｉおよび遅延回路１３０−ｉに対応するスピーカ１１０−ｉへ供給される。
その結果、スピーカ１１０−ｉの各々からは、上記Ｄ／Ａ変換器から供給された音声信号に対応する音声が放音されることになる。なお、本実施形態では、スピーカ１１０−ｉがアナログ形式の音声信号に応じた音を放音する場合について説明するが、スピーカ１１０−ｉがデジタル形式の音声データに応じた音を放音する場合には、上記Ｄ／Ａ変換器を設ける必要がないことは言うまでもない。【００４１】
Ｕ／Ｉ部１４０は、例えば液晶パネルとその駆動回路とで構成された表示手段と、テンキーなど複数の操作子で構成された操作手段とを有している。
このＵ／Ｉ部１４０は、制御部１５０による制御下で、スピーカアレイ５００の指向主軸のステアリング角度を所定の角度範囲（図１３：―φｍ度〜φｍ度）内で、所定の角度単位でユーザに指定させるための画面を上記表示手段へ表示させる一方、その画面を視認したユーザが上記操作子を適宜操作することにより入力したステアリング角度を示すデータを制御部１５０へ引渡すものである。つまり、このＵ／Ｉ部１４０は、指向主軸のステアリング角度をユーザに指定させるための指定手段として機能する。【００４２】
制御部１５０は、Ｕ／Ｉ部１４０から伝達されたステアリング角度に応じた遅延量を上記遅延回路１３０−ｉ毎に特定して、各遅延回路１３０−ｉへ設定するためのものである。より詳細に説明すると、制御部１５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでおり（何れも図示省略）、このＲＯＭには、遅延量管理テーブルと制御プログラムとが格納されている。
遅延量管理テーブルには、上記所定の角度範囲（すなわち、―φｍ度〜φｍ度の角度範囲）内の上記所定の角度単位の角度の各々に対応付けて、そのステアリング角度方向にスピーカアレイ５００の指向主軸をステアリングする際に遅延回路１３０−ｉの各々へ設定するべき遅延量が書き込まれている。この遅延量管理テーブルに格納されている遅延量は、隣り合う遅延回路間での遅延量の差が以下の数１に示すτになるように、その値が設定されている。なお、以下の数１において、ρ＝Ｄ／（ｃ・Ｔ）：Ｄはトランスデューサ間隔、Ｔは時間サンプリング周期、ｃは音速であり、φ０はステアリング角度である。
（数１）  τ＝ρ・ｓｉｎ（φ０）
一方、上記ＲＯＭに格納されている制御プログラムは、上記ＲＡＭをワークエリアとしてその制御プログラムを上記ＣＰＵに実行させることによって、Ｕ／Ｉ部１４０から引渡されたデータと遅延量管理テーブルの格納内容とを比較し、そのデータの表すステアリング角度に応じた遅延量を遅延回路１３０−ｉの各々へ設定する処理を上記ＣＰＵに実行させるためのものである。
以上がスピーカアレイ５００の構成である。【００４３】
以上に説明したように、本実施形態に係るスピーカアレイ５００のハードウェア構成は、従来のスピーカアレイのハードウェア構成と何ら変わるところはない。
しかしながら、本実施形態に係るスピーカアレイ５００においては、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々に、ステアリング角度が０度の方向に指向主軸を有する周波数特性を実現するとともに本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数が予め設定されているため、それら１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタに本発明に係るスピーカアレイに特徴的な振幅特性が付与され、その振幅特性によって、本発明に係るスピーカアレイに特徴的な指向特性が実現されるようになっている。【００４４】
以下、上記１次元デジタルフィルタ１２０−ｉにより形成される２次元デジタルフィルタの振幅特性およびその振幅特性により実現される指向特性について図面を参照しつつ説明する。なお、以下では、スピーカ１１０−ｉの各々は理想的な特性（すなわち、その指向特性が出力音声の周波数に依存しないといった特性）を有しているものする。また、以下では、スピーカの配置間隔Ｄ＝０．０６８［ｍ］、サンプリング周波数ｆｓ（＝１／Ｔ）＝７４５１［Ｈｚ］、ＦＩＲタップ数＝２４１、ｎ（スピーカの個数）＝１５であるものとする。【００４５】
（Ｃ−２：２次元デジタルフィルタの振幅特性および指向特性）
図１４は、スピーカアレイ５００の振幅特性およびその振幅特性により実現される指向特性を表す図である。なお、図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、Ｕ／Ｉ部１４０を介して指定されたステアリング角度が０度である場合の振幅特性および指向特性（すなわち、２次元デジタルフィルタにより実現される振幅特性および指向特性そのもの）を示す図であり、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は、同ステアリング角度がφ０度である場合の振幅特性および指向特性を示す図である。【００４６】
より詳細に説明すると、図１４（ａ）は、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉにより形成される２次元デジタルフィルタの振幅特性の要部（具体的には、規格化時間周波数ｆ１が０〜０．５の範囲で、かつ、規格化空間周波数ｆ２が０〜０．５の範囲）を等振幅特性図で表した図である。なお、規格化時間周波数とは、時間周波数を時間サンプリング間隔の逆数で規格化して得られる値であり、規格化空間周波数とは、空間周波数をスピーカの配置間隔Ｄの逆数で規格化して得られる値である。【００４７】
図１４（ａ）を参照すれば明らかなように、本実施形態に係るスピーカアレイ５００では、規格化時間周波数ｆ１が低い領域（例えば、ｆ１が０〜０．１である領域）に複数のリプルが設けられている。これら複数のリプルのうち、非物理領域内のリプルには、大きな振幅（本実施形態では、“１”）が与えられている一方、物理領域内のリプルについては、その振幅が非物理領域内のリプルよりも低く抑えられている。なお、図１４（ａ）を参照すれば明らかなように、非物理領域内のリプルは、振幅が略等しい等リプルであるため、図１４（ａ）に示す振幅特性を阻止域２段等リプル特性と呼ぶ。【００４８】
加えて、非物理領域内については、規格化空間周波数ｆ２が、最大のステアリング角度φｍに応じて定まる所定の値（図１４（ａ）では、０．２５）以上である領域についてのみリプルが設けられている。その理由は以下の通りである。【００４９】
主ローブの幅は、非物理領域内のリプルの個数やその振幅に依存すること（例えば、阻止域のリプルの総数の中に占める非物理領域のリプルの数が多いほど通過帯域を狭め主ローブ幅を狭くできること）が一般に知られている（非特許文献２参照）。このため、規格化空間周波数の値が所定の値未満の領域にはリプルを設けないといった制約を課さずに、例えば、図１５（ａ）に示すようにリプルを設ける方が、利用可能な非物理領域内のリプルの数が増加し、より主ローブ幅を狭めることが可能になると期待される。【００５０】
しかしながら、上記制限を課すことなく図１５（ａ）に示すようにリプルを設けてしまうと、指向主軸のステアリングを行った場合に、図１５（ａ）にて非物理領域内に設けられていたリプルが、図１５（ｃ）に示すように、物理領域へはみ出してしまう場合がある。これは、詳細については上記参考文献に説明されているが、図１５（ａ）に示す振幅特性図において、直線ｆ２＝ｆ１・ρ・sin（φ）上にあった特性（非特許文献２参照）が、ステアリング角度φ０のステアリングを行った後には、直線ｆ２＝ｆ１・ρ・（sin（φ）―sin（φ０））上に移動するため、物理領域と非物理領域の境界である直線ｆ２＝±ｆ１・ρと直線ｆ２＝±ｆ１・ρ・（sin（φ）＋sin（φ０））との間にあったリプルが、φ０の符号によって、ｆ２＞０側若しくはｆ２＜０側のどちらかでは、物理領域に出てきてしまうことに起因している。このような事象が発生してしまうと、図１５（ｄ）に示すように９０度方向に振幅特性の乱れが生じてしまう。【００５１】
これに対して、本実施形態に係るスピーカアレイ５００においては、非物理領域のうち規格化空間周波数ｆ２が上記所定の値以上である領域についてのみリプルを設けるという制約が課されているため、指向主軸のステアリングを行っても、非物理領域内のリプルが物理領域へはみ出すことはなく（図１４（ｃ）参照）、図１５（ｄ）にて現れた９０度方向の振幅特性の乱れが生じることもない（図１４（ｄ）参照）。なお、本実施形態では、非物理領域について、規格化空間周波数ｆ２が、最大ステアリング角度に応じて定まる所定の値以上である領域についてのみリプルを設けるという制約を課す場合について説明したが、要は、非物理領域内のリプルが、最大ステアリング角度でステアリングを行った場合に、物理領域へはみ出さない領域内のみに設けられている態様であれば良い。【００５２】
以上に説明したように、本実施形態に係るスピーカアレイ５００においては、その２次元デジタルフィルタに、図１４（ａ）に示すような振幅特性（すなわち、以下に述べる３つの要件を満たす振幅特性）を実現するフィルタ係数を設定しておくことによって、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避し、さらに、振幅特性に乱れを生じさせることなく指向主軸をステアリングさせることが可能になっている。なお、上記３つの要件とは、以下の通りである。
周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（ａ−１）空間周波数方向の断面において、阻止域に複数のリプルを有すること、（ａ−２）上記複数のリプルのうち非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっていること、（ａ−３）非物理領域内のうち、最大ステアリング角度で指向主軸のステアリングを行った場合にリプルの一部が物理領域へはみ出さない領域内にのみリプルを形成すること、である。
次いで、上記３つの要件を満たす２次元デジタルフィルタの設計（すなわち、各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉへ設定するべきフィルタ係数の算出）について説明する。【００５３】
（Ｃ−３：２次元デジタルフィルタの設計）
さて、前述した非特許文献２には、各スピーカに接続されている１次元デジタルフィルタ群により形成される２次元デジタルフィルタの振幅特性を２次元周波数平面で見た場合、スピーカアレイの出力を十分遠方の観測点で観測した場合の周波数特性は、２次元周波数平面において以下の数２で表される直線上に分布する振幅特性であることが開示されている。
（数２）ｆ２＝ｆ１・Ｄ・sin（φ）／（ｃ・Ｔ）
但し、数２において、ｆ１は規格化時間周波数、ｆ２は規格化空間周波数、Ｄはトランスデューサ間隔、Ｔは時間サンプリング周期、ｃは音速である。【００５４】
したがって、ある非規格化時間周波数ｆにおけるスピーカアレイの指向特性は、２次元周波数平面では、その非規格化時間周波数ｆに対応する規格化時間周波数ｆ１＝ｆ・Ｔで規定される直線上に、以下の数３で示される関係で分布しているといえる。
（数３）φ＝sin-1{(ｆ２・ｃ・Ｔ）／（ｆ１・Ｄ）}  【００５５】
すなわち、各非規格化時間周波数ｆにおける所望の指向特性が、直線ｆ１＝ｆ・Ｔ上に上記数３で示される関係で分布するように２次元デジタルフィルタを設計することができれば、結果として所望の指向特性が得られることになる。非特許文献２には、上記のように２次元周波数平面の規格化空間周波数方向（すなわち、ｆ２方向）の断面に１次元のフィルタ特性を並べて２次元デジタルフィルタの目標特性を設定し、その目標特性に対して２次元フーリエ級数近似を施すことによって、ＦＩＲフィルタ係数を得る方法が開示されている。【００５６】
より詳細に説明すると、非特許文献２には、（Ｎ２＋１）個のスピーカで形成されるスピーカアレイの設計条件として、音響ビーム中心φ０とビーム端角度（φｓ＋、φｓ−）および等リプルサイドローブの大きさ（振幅）δが与えられている場合の２次元デジタルフィルタの設計手順が開示されている。なお、以下では、φ０＝０°、φｓ＋＝φｓ、φｓ−＝−φｓである（すなわち、音響ビームがその中心（φ０＝０°）軸に対して対称である）とする。【００５７】
非特許文献２に開示されている設計手順では、まず、図１６（ｂ）に示すように、ｆ１＝−０．５〜０．５の範囲で２次元周波数平面をＭ１（本実施形態では、Ｍ１は偶数であるとする）分割し、各周波数ｆ１＝ｋ１／Ｍ１（ｋ１＝−Ｍ１／２〜Ｍ１／２の整数）での断面にDolph-Chebyshev特性を設計して以下の手順で並置することで目標ファンフィルタ特性とする。【００５８】
具体的には、まず、次数Ｎ２、阻止域リプルの大きさδのDolph-Chebyshevフィルタの特性を設計し、その阻止域端周波数ｆｓｔがφ＝φｓの直線（すなわち、ｆ２＝ｆ１・Ｄ・sin（φｓ）／（ｃ・Ｔ）で表される直線）に一致するときの周波数ｆｌを求める。次いで、ｆ１≧ｆｌの断面位置では、ｆ１＝ｆｌでの断面特性を、図１６（ａ）に示すように、阻止域端がφ＝φｓの直線上に位置するようにｆ２方向に拡大して配置する。
一方、ｆ１＜ｆｌの断面位置に対しては、図１７（ａ）に示すように、阻止域リプルを、その振幅をδから所定の許容値δＬまで少しずつ大きくしたDolph-Chebyshevフィルタ特性（ｆ２＝−０．５〜０．５）を置く。但し、どの断面においても阻止域端ｆｓｔがφ＝φｓの直線上に位置するように阻止域リプルを定める。そして、図１７（ｂ）に示されているように、阻止域リプルδＬの特性が最初に置かれる周波数ｆ１の値をｆｕとして、ｆ１＜ｆｕではｆ１＝ｆｕの断面特性と同一の特性を置く。なお、図１７（ｂ）のｆＬは、スピーカアレイの帯域下端であり、以下の数４により定まる値である。
（数４）  ｆＬ＝ｃ・Ｔ・ｆｃ／ｓｉｎ（φｓ）
但し、数４においてｆｃは、図１７（ａ）に示されている阻止域リプルδＬの特性の半値周波数である。
以降、このようにして設定されたファンフィルタの目標振幅特性に対して２次元逆離散フーリエ変換を施すことにより、各１次元デジタルフィルタに設定するべきフィルタ係数が算出される。【００５９】
これに対して、本実施形態に係るスピーカアレイ５００の２次元デジタルフィルタの設計では、上記３つの要件のうち要件（ａ−１）および（ａ−２）を満たすために、図１８（ｂ）に示すようにＭ１分割された２次元周波数平面において、ｆ１≧ｆｌでは阻止域の全域でリプルの小さい１次元フィルタを断面特性としておく一方、ｆ１＜ｆｌでは非物理領域にだけ大きなリプルの１次元フィルタを断面に置く。図１８（ａ）に示す２つの振幅特性はそれぞれの断面に置く１次元フィルタの振幅特性である。この２つの振幅特性の比較から判るように、非物理領域でリプルを大きくしたことで、そのリプルが占める周波数域が広くなり、逆に通過域が狭くなっている。【００６０】
本実施形態では、図１８（ａ）に示すような阻止域２段等リプル特性の１次元フィルタを設計するために、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムにしたがってフィルタ設計を行うプログラムを利用している。ここで、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムとは、Remez交換アルゴリズムと重み付きChebyshev 近似理論を用いて、希望する周波数応答と実際の周波数応答が最適になるようにフィルタを設計するアルゴリズムである。このアルゴリズムにしたがって設計されたフィルタは、希望する周波数応答と実際の周波数応答との間の最大誤差を最小にするという点で最適であるため、ミニマックスフィルタとも呼ばれることもある。また、このアルゴリズムにしたがって設計されたフィルタは、その周波数応答において等リプルを示すため、等リプルフィルタとしても知られている。なお、本実施形態では、阻止域２段等リプル特性の１次元フィルタの設計に、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムを用いる場合について説明するが、他のＦＩＲフィルタ設計アルゴリズムを用いても良いことは勿論である。【００６１】
図１９は、上記プログラムへ与えるパラメータと、その設計結果の特性を示す図である。図１９に示すように、本実施形態では、３つの近似帯域（通過域、阻止域１，阻止域２）を設定し、各近似帯域を規定するパラメータとして、各近似帯域の目標振幅（それぞれ１，０，０）、誤差リプル（それぞれδ1≒０、δ2=δ、δ3=δn）および重み（それぞれw1、w2、w3）を定め、δ1w1=δ2w2=δ3w3の条件の下で繰り返し近似を行ってフィルタ係数を定めることにより、１次元フィルタの設計を行っている。【００６２】
図２０は、Parks&McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムにしたがって設計された１次元フィルタと、Dolph-Chebyshev特性の１次元フィルタの設計例とを併記した図である。図２０を参照すれば明らかなように、前者の１次元フィルタでは、阻止域２のリプルを大きくしたことによって、通過域の幅が後者に比較して狭くなっていることが判る。このように通過域の幅を狭めるといった効果は、阻止域内のリプルの総数に占める非物理領域内のリプルの数が多い特性ほど顕著になる。なお、理論的には非物理領域のリプルについては、その振幅をいくらでも大きく設定することが可能であるが、実用的にはその上限値を適切に設定する必要があり、例えば、その上限値として“１”（すなわち、通過域の振幅に等しい値）や“２”（通過域の振幅の２倍の値）などを設定するようにすれば良い。【００６３】
以上にようにして、要件（ａ−１）および（ａ−２）を満たすフィルタ係数（すなわち、阻止域２段等リプル特性を実現するフィルタ係数）が算出されるのであるが、本実施形態では、さらに、要件（ａー３）を満たす必要があるため、各ｆ１毎に阻止域１の条件であるｆｓｔを仕様で決まる値から調整（大きく）することでそのような設計を実現している。なお、ｆｅの値が仕様通りであり、ｆ１が小さくなるほどその値を小さくする設計である。
このようにして設計した２次元デジタルフィルタの目標振幅特性に対して２次元逆離散フーリエ変換を施すことによって、その２次元デジタルフィルタを形成する１次元デジタルフィルタの各々に設定するべきフィルタ係数が算出される。このようにして算出されたフィルタ係数を各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉに設定することによって、それら１次元デジタルフィルタにより形成される２次元デジタルフィルタに図１４（ａ）に示す振幅特性が付与されることになる。【００６４】
（Ｃ−４：第３実施形態の効果）
以上に説明したように、物理領域の特性は指向特性に直接影響を与える一方、非物理領域における特性は指向特性に直接的には影響を与えないことから、本実施形態に係るスピーカアレイ５００においては、阻止域２段等リプル特性の１次元フィルタを用いることにより、最終的なフィルタ係数の特性として、特に低域においてサイドローブのレベルを低く保ったまま、主ローブの幅を低減することが可能である。【００６５】
加えて、本実施形態によれば、最大ステアリング角度に応じて定まる利用制限を非物理領域に課した振幅特性を２次元デジタルフィルタに設定しているため、その最大ステアリング角度よりも小さいステアリング角度でステアリングを行っても、９０度方向に振幅特性の乱れが生じることはない。つまり、本実施形態に係るスピーカアレイ５００によれば、上記最大ステアリング角度に応じて定まる角度範囲内で任意の方向に指向主軸をステアリングすることが可能になる。【００６６】
なお、時間周波数が比較的高い領域（例えば、非特許文献２においてｆｌ≦ｆ１で規定される領域）については、非物理領域のリプルの振幅を大きくしなくても主ローブの幅を十分狭くすることが可能であるため、阻止域２段等リプル特性に替えて、例えば非特許文献２に開示されているDolph-Chebyshev特性を用いるようにしても良い。また、このような領域について、非特許文献２に開示されているように主ローブの幅を時間周波数に依存しないように設定すれば、本実施形態による低域での特性改善と合わせて、従来より広い帯域で時間周波数に依存しない指向特性を得ることが可能になる。【００６７】
（Ｄ．第４実施形態）
次いで、本発明の第４実施形態に係るマイクロホンアレイ２００について説明する。
図２１は、本発明の第４実施形態に係るマイクロホンアレイ２００の構成例を示す図である。図２１と図１３とを比較すれば明らかなように、マイクロホンアレイ２００の構成が、スピーカアレイ５００の構成と異なっている点は、スピーカ１１０−ｉに替えて、収音した音声に対応する音声信号を出力するマイクロホン２１０−ｉを設けた点である。【００６８】
このマイクロホンアレイ２００においては、マイクロホン２１０−ｉから出力された音声信号は、図示せぬＡ／Ｄ変換器によって音声データへと変換され、遅延回路１３０−ｉによってステアリング角度に応じた遅延を付与されて１次元デジタルフィルタ１２０−ｉへ入力される。そして、各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉによって前述したフィルタ処理が施され、各１次元デジタルフィルタから出力されたフィルタ処理済みの音声データが図示せぬ加算器によって足し合わせ、その加算結果である和信号が出力される。なお、本第４実施形態においても、マイクロホン２１０−ｉからデジタル形式の音声データが出力される場合には、上記Ａ／Ｄ変換器が不要であることは言うまでもない。【００６９】
さて、マイクロホンアレイにおいては、図２１に示す角度φ方向から到来する平面波の時間周波数特性は、そのマイクロホンアレイを構成する各マイクロホン（本実施形態では、マイクロホン２１０−ｉ）に接続されている１次元デジタルフィルタ群の振幅特性を２次元周波数平面で見た場合に、前述した数３で示される直線上に分布することが一般に知られている。【００７０】
このため、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々に、前述した第３実施形態にて説明したフィルタ係数（すなわち、前述した３つの要件を満たすフィルタ係数）を設定しておくことによって、マイクロホンアレイ２００の指向特性について前述した第３実施形態と同様に、アレイ長を長くすることなく、マイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になるといった効果を奏する。【００７１】
加えて、本実施形態に係るマイクロホンアレイ２００においては、Ｕ／Ｉ部１４０を介して入力されたステアリング角度に応じた遅延量を各遅延回路１３０−ｉへ設定することによって、指向主軸のステアリングを行うことが可能になるとともに、このようなステアリングを行ったとしても、２次元デジタルフィルタの振幅特性に前述した要件（ａ−３）の制約が課されているため９０度方向の振幅特性に乱れが生じることはない。【００７２】
（Ｅ．第５実施形態）
次いで、本発明の第５実施形態に係るスピーカアレイ３００について説明する。
図２２は、本発明の第５実施形態に係るスピーカアレイ３００の構成例を示す図である。図２２と図１３とを比較すれば明らかなように、スピーカアレイ３００の構成が、スピーカアレイ５００の構成と異なっている点は、遅延回路１３０−ｉ（ｉ：１〜ｎの自然数）を有していない点である。【００７３】
このスピーカアレイ３００においては、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉのフィルタ係数として、前述した３つの要件を満たすフィルタ係数がステアリング角度が０度である場合のフィルタ係数として予め設定されている。そして、制御部１５０は、Ｕ／Ｉ部１４０を介してステアリング角度が入力されると、そのステアリング角度に応じた遅延量を算出し、その遅延量に応じて以下の３つの要件を満たすフィルタ係数を算出して、その算出結果で１次元デジタルフィルタ１２０−ｉのフィルタ係数を書き換えることによって、指向主軸のステアリングを実現している。
周波数特性を２次元周波数平面で表した場合に、（ｂ−１）指定されたステアリング角度方向に主ローブを形成するように通過域を形成するとともに、物理領域と非物理領域との境界と該通過域との間に第１の阻止域を形成する一方、非物理領域内に第２の阻止域を形成すること、（ｂ−２）第１および第２の阻止域に渡って阻止域に複数のリプルを有すること、（ｂ−３）第２の阻止域のリプルの振幅が第１の阻止域のリプルの振幅よりも大きくなっているとともに、第１の阻止域内および第２の阻止域内の各々で等リプルであること、である。
なお、上記３つの要件を満たすフィルタ係数の算出手法については後に詳細に説明する。【００７４】
このように、本第５実施形態に係るスピーカアレイ３００は、スピーカ１１０−ｉの各々へ供給する音声信号にステアリング角度に応じた遅延を付与する遅延回路１３０−ｉを有していない点でスピーカアレイ５００と異なっているものの、スピーカアレイ３００の１次元デジタルフィルタ１２０−ｉは、スピーカアレイ５００の１次元デジタルフィルタの機能と遅延回路１３０−ｉの機能の両者を担っているため、このスピーカアレイ３００は、スピーカアレイ５００と同一の作用効果を奏することができる。【００７５】
以上が、本発明の第５実施形態に係るスピーカアレイ３００の構成である。なお、前述したスピーカアレイ５００に対するマイクロホンアレイ２００のように、スピーカアレイ３００の各スピーカ１１０−ｉをマイクロホン２１０−ｉに置き換えてマイクロホンアレイを構成するようにしても勿論良い。このようにして構成されたマイクロホンアレイによれば、前述したマイクロホンアレイ２００と同様の作用効果が得られる。【００７６】
（Ｆ．第６実施形態）
次いで、本発明の第６実施形態に係るスピーカアレイ４００について説明する。
図２３は、本発明の第６実施形態に係るスピーカアレイ４００の構成例を示す図である。図２３と図２２とを比較すれば明らかなように、スピーカアレイ４００の構成が、スピーカアレイ３００の構成と異なっている点は、記憶部１６０を有している点である。【００７７】
記憶部１６０は、例えば、ハードディスクであり、所定のステアリング範囲内の予め定められた角度単位の複数の角度の各々に対応付けて、その角度に指向主軸をステアリングした場合に１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々へ設定するべきフィルタ係数（前述した要件（ｂ−１）、（ｂ−２）および（ｂ−３）を満たすフィルタ係数）が格納されている。つまり、記憶部１６０には、所定のステアリング範囲内の予め定められた複数の角度の各々に対応付けてその角度に指向主軸をステアリングした仕様で設計されたフィルタ係数が格納されている。【００７８】
そして、スピーカアレイ４００においては、Ｕ／Ｉ部１４０を介してステアリング角度が入力されると、制御部１５０は、そのステアリング角度に応じたフィルタ係数を記憶部１６０から読み出し、１次元デジタルフィルタ１２０−ｉの各々へ設定する。これにより、指向主軸のステアリングが実現される。【００７９】
次いで、記憶部１６０に格納されるフィルタ係数の設計手法について説明する。
本実施形態に係るスピーカアレイ４００のフィルタ係数の設計では、非物理領域と物理領域の境界線であるφ＝±９０度の直線に沿って非物理領域を使用しながら、ステアリングした主ローブを形成することで、非物理領域の利用制限による指向性の広がりを回避している。
具体的には、図２４に示すように、まず、５つの近似帯域（阻止域２´、阻止域１´、通過域、阻止域１、阻止域２）を設定する。なお、各近似帯域は、図２５に示すように、以下の３種類のパラメータで規定される。すなわち、各近似帯域の目標振幅（それぞれ０、０、１、０、０）、誤差リプル（それぞれδ３＝δｎ、δ２＝δ、δ１≒０、δ２＝δ、δ３＝δｎ）および重み（それぞれｗ3、ｗ２、ｗ１、ｗ２、ｗ３）である。そして、各近似帯域について誤差リプルと重みの積が一定になる条件（すなわち、δ１ｗ１＝δ2ｗ2=δ３ｗ３の条件）下で所定のフィルタ係数設計アルゴリズムによる近似を繰り返し実行してフィルタ係数を定めることにより、1次元フィルタの設計を行っている。なお、フィルタ係数の設計アルゴリズムとしては、前述したParks＆McClellanの等リプルフィルタ設計アルゴリズムを使用している。【００８０】
なお、本実施形態では、低い周波数の各ｆ１において、非物理領域が指定の最大振幅かそれ以下の振幅のリプルで満たされるような設計を繰り返し、各ｆ１における断面特性として設定することで、低い周波数における主ローブ幅の増大を少なくする設計を行っている。具体的には、各ｆ１毎に阻止域１および阻止域１´の条件であるfstおよびfst’の値を仕様で決まる値から適宜調整する（大きくする）ことで、このような設計を実現している。（fe, fe’ は仕様通りの値で、f1が小さくなるほど小さくなる設計）。【００８１】
図２６は、上記のようにして設計したフィルタ係数により実現される振幅特性を２次元周波数平面で示した図であり、図２７は、図２６に示す振幅特性の一部（具体的には、規格化時間周波数ｆ１が−０．５〜０．５であり、規格化空間周波数ｆ２が−０．５〜０．５である範囲）を等振幅特性図で表した図である。そして、図２８は、図２６に示す振幅特性を、いくつかの周波数（３７１．０９４７３Ｈｚ、７４５．８２７６４Ｈｚ、１４９１．６５５３Ｈｚ、２２３３．８４４７Ｈｚおよび３３５４．４０５３Ｈｚ）での指向特性として示した図である。図２８を参照すれば明らかなように、指向主軸が３３０〜３４０度（すなわち、−３０〜―２０度方向）にステアリングしていることが判る。なお、ステアリングによってグレーティングの発生する周波数が下がるため、図２８に示す指向特性では、グレーティングローブが現れているが、通常はグレーティングが生じない帯域だけを用いるようにすれば良く、実用上特段の問題が生じることはない。【００８２】
以上が、本発明の第６実施形態に係るスピーカアレイ４００の構成である。なお、前述したスピーカアレイ５００に対するマイクロホンアレイ２００のように、スピーカアレイ３００の各スピーカ１１０−ｉをマイクロホン２１０−ｉに置き換えて、任意の方向に指向主軸をステアリングすることが可能なマイクロホンアレイを構成するようにしても勿論良い。このようにして構成されたマイクロホンアレイによれば、指向主軸を任意の方向にステアリングさせることが可能であることは勿論、前述したマイクロホンアレイ２００と同様に、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させることが可能になるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になる、といった顕著な効果を奏する。【００８３】
（Ｃ．変形）
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態に以下に説明するような変形を加えても良いことは勿論である。
（１）上述した実施形態では、通過域の中心軸に対して対称な音響ビームを形成する場合について説明したが、上記対称軸に対して非対称な音響ビームを形成することも可能である。【００８４】
（２）上述した実施形態では、スピーカ１１０−ｉやマイクロホン２１０−ｉが理想的な特性を有している場合について説明した。しかしながら、スピーカやマイクロホンなどトランスデューサは、周波数別指向特性を有していることが一般的であるから、２次元デジタルフィルタに付与すべき振幅特性（すなわち、各１次元デジタルフィルタ１２０−ｉに設定すべきフィルタ係数）を、トランスデューサの周波数別指向特性を加味して決定するようにしても良い。このようなことは、例えば、「西川清、大崎貴也“２次元デジタルフィルタを用いた指向性アレイスピーカ”（１９９５）」に開示された方法と同様の方法を適用することにより可能である。【００８５】
（３）上述した実施形態では、阻止域のうち非物理領域については、通過域の振幅と等しいか、または、それよりも大きい振幅の等リプルを設け、物理領域には、非物理領域内のリプルよりも小さい振幅（上述した実施形態では、“δ＝０．１”）を有するリプルを設ける阻止域２段等リプル特性であって、非物理領域内のリプルは、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている振幅特性を２次元デジタルフィルタに与える場合について説明した。しかしながら、非物理領域内のリプルについては、必ずしも等リプルである必要はない。例えば、図２９に示すように、非物理領域内の阻止域（図２９の阻止域２）に、通過域よりも大きな振幅を有するリプルと、そのリプルよりも振幅が小さく、かつ、物理領域内の阻止域（図２９の阻止域１）のリプルよりも大きな振幅を有するリプルとを設ける阻止域多段等リプル特性であっても良い。要は、本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイの２次元デジタルフィルタの周波数特性は、阻止域に複数のリプルを設けるとともに、非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっており、かつ、非物理領域内のリプルは、そのリプルに対応する空間周波数が小さいほど、そのリプルの時間周波数方向の帯域幅が狭くなっている周波数特性であれば良い。【００８６】
（４）上述した実施形態では、２次元デジタルフィルタを形成する各１次元デジタルフィルタに、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておく場合について説明したが、本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイを使用する度に、上記フィルタ係数を逐次算出して設定するようにしても良い。このようにすると、例えばコンサートホールなどの音響空間に本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイを設置して使用する場合に、その音響空間の広さや形状などその音響空間の音響特性に応じた指向特性を適切に設定することが可能になる。
また、上記各１次元デジタルフィルタに設定するフィルタ係数を、スピーカアレイやマイクロホンアレイの外部から与えるようにしても良い。具体的には、スピーカアレイやマイクロホンアレイに、例えばＮＩＣ（Network Interface Card）などの通信手段と、その通信手段を用いて通信網経由で取得したフィルタ係数を上記各１次元デジタルフィルタに設定するフィルタ係数設定手段とを設けるようにしても良く、また、例えばＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk - Read Only Memory）などのコンピュータ装置読取り可能な記録媒体からデータを読取る読取り手段を上記通信手段に替えて設けるとともに、上記記録媒体に上記フィルタ係数を書き込んで配布し、上記読取り手段によって読取ったフィルタ係数を上記フィルタ係数設定手段によって各１次元デジタルフィルタに設定するようにしても勿論良い。【００８７】
（５）上述した実施形態では、ステアリング角度が０度の場合に通過域の中心軸に対して対称な音響ビームを形成する態様について説明したが、上記中心軸に対して非対称な音響ビームを形成することも可能である。【００８８】
（６）上述した実施形態では、阻止域のうち非物理領域には、通過域の振幅と等しいか、または、それよりも大きい振幅の等リプルを設け、物理領域には、非物理領域内のリプルよりも小さい振幅（上述した実施形態では、“δ＝０．１”）を有するリプルを設ける阻止域２段等リプル特性であって、さらに、ステアリング角度に応じた制約（前述した要件（ａー３）または（ｂ−１））を非物理領域に介しておく場合について説明した。
しかしながら、非物理領域内のリプルについては、必ずしも等リプルである必要はない。例えば、図２９に示すように、非物理領域内の阻止域（図２９の阻止域２）に、通過域よりも大きな振幅を有するリプルと、そのリプルよりも振幅が小さく、かつ、物理領域内の阻止域（図２９の阻止域１）のリプルよりも大きな振幅を有するリプルとを設ける阻止域多段等リプル特性であっても良い。要は、本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイの２次元デジタルフィルタの周波数特性は、阻止域に複数のリプルを設けるとともに、非物理領域内のリプルの振幅が物理領域内のリプルの振幅よりも大きくなっており、かつ、非物理領域内のリプルが、指向主軸のステアリングを行った際に、物理領域へはみ出すことがないように配置されている周波数特性であれば良い。【００８９】
（７）上述した実施形態では、２次元デジタルフィルタを形成する各１次元デジタルフィルタに、本発明に係るスピーカアレイに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておく場合について説明したが、本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイを使用する度に、上記フィルタ係数を逐次算出して設定するようにしても良い。このようにすると、例えばコンサートホールなどの音響空間に本発明に係るスピーカアレイやマイクロホンアレイを設置して使用する場合に、その音響空間の広さや形状などその音響空間の音響特性に応じた指向特性を適切に設定することが可能になる。
また、上記各１次元デジタルフィルタに設定するフィルタ係数を、スピーカアレイやマイクロホンアレイの外部から与えるようにしても良い。具体的には、スピーカアレイやマイクロホンアレイに、例えばＮＩＣ（Network Interface Card）などの通信手段と、その通信手段を用いて通信網経由で取得したフィルタ係数を上記各１次元デジタルフィルタに設定するフィルタ係数設定手段とを設けるようにしても良く、また、例えばＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk - Read Only Memory）などのコンピュータ装置読取り可能な記録媒体からデータを読取る読取り手段を上記通信手段に替えて設けるとともに、上記記録媒体に上記フィルタ係数を書き込んで配布し、上記読取り手段によって読取ったフィルタ係数を上記フィルタ係数設定手段によって各１次元デジタルフィルタに設定するようにしても勿論良い。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明によれば、アレイ長を長くすることなく、スピーカアレイやマイクロホンアレイの低音域での指向性を向上させるとともに、サイドローブのレベルの増大を回避することが可能になり、さらに、その指向主軸のステアリングが可能になるといった効果を奏する。
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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