(57)【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の指向特性を、２次元デジタルフィルタによって制御し、一直線に沿って配置され、かつ前記一直線に直交する方向に並列に音を出力する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、ビームの過渡域幅が角度１０°以下に設定されるように構成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】
前記２次元デジタルフィルタは、前記一直線上で前記複数のスピーカの中心を通り、かつスピーカの出力面に直交する第２の直線に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点を形成する第１の２次元デジタルフィルタおよび音響ビームの第２の焦点を形成する第２の２次元デジタルフィルタを含み、
前記音源は、ステレオ音源であり、ステレオ音源からの左デジタル音響信号が第１の２次元デジタルフィルタに入力され、ステレオ音源からの右デジタル音響信号が第２の２次元デジタルフィルタに入力されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル音響信号処理装置。
【請求項３】
前記第１の焦点と前記第２の焦点との距離は、前記複数のスピーカのうち第２の直線から最も遠い位置にある両端のスピーカの前記一直線上のそれぞれの中心を結ぶ線分の長さの半分未満の長さに設定されることを特徴とする請求項２に記載のデジタル音響信号処理装置。
【請求項４】
前記２次元デジタルフィルタは、前記一直線上で前記複数のスピーカの中心を通り、かつスピーカの出力面に直交する第２の直線に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点を形成する第１の２次元デジタルフィルタおよび音響ビームの第２の焦点を形成する第２の２次元デジタルフィルタ、ならびに前記第２の直線に対して前記平面上で、前記複数のスピーカの前記直線方向の中心からの距離が第１，２の焦点と同じで、かつ第１，２の焦点の位置よりも前記第２の直線に近い対称な位置に、第２の直線に対して第１の焦点と同じ側に、音響ビームの第３の焦点を形成する第３の２次元デジタルフィルタ、および第２の直線に対して第２の焦点と同じ側に、音響ビームの第４の焦点を形成する第４の２次元デジタルフィルタを含み、
前記音源は、第１のステレオ音源および第２のステレオ音源を含み、第１のステレオ音源からの第１の左デジタル音響信号が第１の２次元デジタルフィルタに入力され、第１のステレオ音源からの第１の右デジタル音響信号が第３の２次元デジタルフィルタに入力され、第２のステレオ音源からの第２の左デジタル音響信号が第４の２次元デジタルフィルタに入力され、第２のステレオ音源からの第２の右デジタル音響信号が第２の２次元デジタルフィルタに入力されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル音響信号処理装置。
【請求項５】
前記第１〜第４の２次元デジタルフィルタは、前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離が予め定める距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度である第１の設定値、前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも大きい角度である第２の設定値、または前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が前記予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも小さい角度である第３の設定値に設定されることを特徴とする請求項４に記載のデジタル音響信号処理装置。
【請求項６】
前記２次元デジタルフィルタの音響信号のスペクトルを前記２次元周波数平面上で表したとき、ビーム中心の両側に形成される前記ビームの過渡域幅は、ビーム中心に対して非対称に設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の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スピーカアレーによって、特定の方向に強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、低い周波数から高い周波数に渡って同一指向特性の音響ビーム形成は、超音波による方法以外にはまだ商用されていない。しかし、スピーカアレーおよび２次元デジタルフィルタで構成される指向性アレースピーカ（非特許文献１，２参照）によって所望の指向特性に設計すれば、広角度から狭角度までの指向性ビームを形成することができる。
【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する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３，４参照）。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】
マルチメディア社会の進展に伴い、大画面映像を提供する地上デジタル放送やデジタルバーサタイルディスクやブルーレイディスクなどの光記録媒体を用いた高画質な映像を提供することができるシステムが普及してきている。特に、オーディオビジュアルシステムでは、高い臨場感を実現するため、ステレオ音響再生の役割が非常に重要になってきている。
【０００５】
集束型の指向性アレースピーカは、スピーカアレーと２次元デジタルフィルタとを用いて焦点を形成することができ（非特許文献３，４参照）、この焦点付近では、非常に高い音圧レベルであることに着目して、この高音圧の焦点を利用したステレオ再生システムも提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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、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４】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、指向性アレースピーカを用いて複数の焦点を形成することによってステレオシステムあるいはマルチステレオシステムを形成しようとする場合、複数の音響ビームが互いに影響しあい焦点位置後方でのステレオ効果を十分発揮させることができないという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、指向性アレースピーカの音響ビームの焦点先鋭度を高く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】
【０００９】
本発明は、音源から入力したデジタル音響信号の指向特性を、２次元デジタルフィルタによって制御し、一直線に沿って配置され、かつ前記一直線に直交する方向に並列に音を出力する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、ビームの過渡域幅が角度１０°以下に設定されるように構成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。
【００１０】
また本発明は、前記２次元デジタルフィルタは、前記一直線上で前記複数のスピーカの中心を通り、かつスピーカの出力面に直交する第２の直線に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点を形成する第１の２次元デジタルフィルタおよび音響ビームの第２の焦点を形成する第２の２次元デジタルフィルタを含み、
前記音源は、ステレオ音源であり、ステレオ音源からの左デジタル音響信号が第１の２次元デジタルフィルタに入力され、ステレオ音源からの右デジタル音響信号が第２の２次元デジタルフィルタに入力されることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、前記第１の焦点と前記第２の焦点との距離は、前記複数のスピーカのうち第２の直線から最も遠い位置にある両端のスピーカの前記一直線上のそれぞれの中心を結ぶ線分の長さの半分未満の長さに設定されることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記２次元デジタルフィルタは、前記一直線上で前記複数のスピーカの中心を通り、かつスピーカの出力面に直交する第２の直線に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点を形成する第１の２次元デジタルフィルタおよび音響ビームの第２の焦点を形成する第２の２次元デジタルフィルタ、ならびに前記第２の直線に対して前記平面上で、前記複数のスピーカの前記直線方向の中心からの距離が第１，２の焦点と同じで、かつ第１，２の焦点の位置よりも前記第２の直線に近い対称な位置に、第２の直線に対して第１の焦点と同じ側に、音響ビームの第３の焦点を形成する第３の２次元デジタルフィルタ、および第２の直線に対して第２の焦点と同じ側に、音響ビームの第４の焦点を形成する第４の２次元デジタルフィルタを含み、
前記音源は、第１のステレオ音源および第２のステレオ音源を含み、第１のステレオ音源からの第１の左デジタル音響信号が第１の２次元デジタルフィルタに入力され、第１のステレオ音源からの第１の右デジタル音響信号が第３の２次元デジタルフィルタに入力され、第２のステレオ音源からの第２の左デジタル音響信号が第４の２次元デジタルフィルタに入力され、第２のステレオ音源からの第２の右デジタル音響信号が第２の２次元デジタルフィルタに入力されることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記第１〜第４の２次元デジタルフィルタは、前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離が予め定める距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度である第１の設定値、前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも大きい角度である第２の設定値、または前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が前記予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも小さい角度である第３の設定値に設定されることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記２次元デジタルフィルタの音響信号のスペクトルを前記２次元周波数平面上で表したとき、ビーム中心の両側に形成される前記ビームの過渡域幅は、ビーム中心に対して非対称に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
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、ビームの過渡域幅が角度１０°以下に設定されるように構成される。したがって、デジタル音響信号処理装置、たとえば指向性アレースピーカの音響ビームの焦点先鋭度を高くすることができる。
【００１６】
また本発明によれば、前記２次元デジタルフィルタは、前記一直線上で前記複数のスピーカの中心を通り、かつスピーカの出力面に直交する第２の直線に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点を形成する第１の２次元デジタルフィルタおよび音響ビームの第２の焦点を形成する第２の２次元デジタルフィルタを含み、前記音源であるステレオ音源からの左デジタル音響信号が第１の２次元デジタルフィルタに入力され、ステレオ音源からの右デジタル音響信号が第２の２次元デジタルフィルタに入力される。すなわち、ステレオ音源の左右の音響ビームの焦点先鋭度をそれぞれ高くすることができるので、他の音響ビームとの境界を明確にすることができ、左右音源を際立たせ、ステレオ効果を高めることができる。
【００１７】
また本発明によれば、前記第１の焦点と前記第２の焦点との距離は、前記複数のスピーカのうち第２の直線から最も遠い位置にある両端のスピーカの前記一直線上のそれぞれの中心を結ぶ線分の長さの半分未満の長さに設定されるので、受聴位置で、音圧が高く、かつステレオ効果が高く、そして臨場感のある音を形成することができる。
【００１８】
また本発明によれば、前記２次元デジタルフィルタは、前記一直線上で前記複数のスピーカの中心を通り、かつスピーカの出力面に直交する第２の直線に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点を形成する第１の２次元デジタルフィルタおよび音響ビームの第２の焦点を形成する第２の２次元デジタルフィルタ、ならびに前記第２の直線に対して前記平面上で、前記複数のスピーカの前記直線方向の中心からの距離が第１，２の焦点と同じで、かつ第１，２の焦点の位置よりも前記第２の直線に近い対称な位置に、第２の直線に対して第１の焦点と同じ側に、音響ビームの第３の焦点を形成する第３の２次元デジタルフィルタ、および第２の直線に対して第２の焦点と同じ側に、音響ビームの第４の焦点を形成する第４の２次元デジタルフィルタを含み、前記音源は、第１のステレオ音源および第２のステレオ音源を含む。そして、第１のステレオ音源からの第１の左デジタル音響信号が第１の２次元デジタルフィルタに入力され、第１のステレオ音源からの第１の右デジタル音響信号が第３の２次元デジタルフィルタに入力され、第２のステレオ音源からの第２の左デジタル音響信号が第４の２次元デジタルフィルタに入力され、第２のステレオ音源からの第２の右デジタル音響信号が第２の２次元デジタルフィルタに入力される。すなわち、２つのステレオ音源のそれぞれの左右の音響ビームの焦点先鋭度を個々に高くすることができるので、他の音響ビームとの境界を明確にすることができ、それぞれのステレオ音源を際立たせ、それぞれステレオ効果を高めることができる。
【００１９】
また本発明によれば、前記第１〜第４の２次元デジタルフィルタは、前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離が予め定める距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度である第１の設定値、前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも大きい角度である第２の設定値、または前記第１の焦点と前記第３の焦点との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、前記第１の焦点の通過域のビーム中心の角度が前記予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ前記第３の焦点の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも小さい角度である第３の設定値に設定される。したがって、受聴領域の広さを受聴する人数に応じた２次元デジタルフィルタとすることができる。
【００２０】
また本発明によれば、前記２次元デジタルフィルタの音響信号のスペクトルを前記２次元周波数平面上で表したとき、ビーム中心の両側に形成される前記ビームの過渡域幅は、ビーム中心に対して非対称に設定されるので、音響ビームの両側のうち、片側の音圧の減衰を緩慢にし、他の片側の音圧の減衰を急峻にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態である指向性アレースピーカ１の構成を示すブロック図である。
【図２】２次元デジタルフィルタ４の機能の構成を示す図である。
【図３】１次元デジタルフィルタ３の論理構成を示す図である。
【図４】２次元デジタルフィルタ４Ｌを１次元デジタルフィルタの伝達関数で表したブロック図である。
【図５】２次元デジタルフィルタ４Ｌによって形成される左焦点ＰＬの位置を示す図である。
【図６】２次元デジタルフィルタ４Ｌの目標振幅特性を示す図である。
【図７】インパルス列応答におけるピーク値Ｈｐおよび幅Ｗｐを説明するための図である。
【図８】２次元デジタルフィルタ４Ｌによる指向性アレースピーカ１のインパルス列応答の空間分布を示す図である。
【図９】２次元デジタルフィルタ４Ｌによる指向性アレースピーカ１のインパルス列応答の空間分布の断面特性を示す図である。
【図１０】ビーム過渡域幅を２０°としたときのインパルス列応答の空間分布を示す図である。
【図１１】ビーム過渡域幅を２０°としたときのインパルス列応答の空間分布の断面特性を示す図である。
【図１２】指向性アレースピーカ１の２つの焦点の位置を示す図である。
【図１３】第１の比較例である指向性アレースピーカ９１の２つの焦点の位置を示す図である。
【図１４】第２の比較例である指向性アレースピーカ９２の２つの焦点の位置を示す図である。
【図１５】指向性アレースピーカ１の２次元デジタルフィルタ４Ｌによる受聴位置での指向特性およびインパルス列応答を示す図である。
【図１６】指向性アレースピーカ９１の２次元デジタルフィルタ４Ｌによる受聴位置での指向特性およびインパルス列応答を示す図である。
【図１７】指向性アレースピーカ９２の２次元デジタルフィルタ４Ｌによる受聴位置での指向特性およびインパルス列応答を示す図である。
【図１８】本発明の他の実施形態である指向性アレースピーカ１０１の構成を示すブロック図である。
【図１９】指向性アレースピーカ１０１の第１の設計例の４つの焦点の位置とステレオ領域との位置関係を示す図である。
【図２０】指向性アレースピーカ１０１の第２の設計例の４つの焦点の位置とステレオ領域との位置関係を示す図である。
【００２２】
【図２１】指向性アレースピーカ１０１の第３の設計例の４つの焦点の位置とステレオ領域との位置関係を示す図である。
【図２２】第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｌ１の指向特性およびインパルス列応答の空間分布を示す図である。
【図２３】第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｒ１の指向特性およびインパルス列応答の空間分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態である指向性アレースピーカ１の構成を示すブロック図である。デジタル音響信号処理装置である指向性アレースピーカ１は、スピーカアレー２、２次元デジタルフィルタ４、アナログデジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ」という）７Ｌ，７Ｒ、デジタルアナログ変換器（以下「Ｄ／Ａ」という）８ａ〜８ｇ、および増幅器（以下「Ａｍｐ」という）９ａ〜９ｇ、および入力端子１１，１２を含んで構成される。
【００２４】
指向性アレースピーカ１は、ステレオ効果を発揮することができる装置であり、音源、たとえばステレオ音源からのアナログ信号である左音響信号が入力端子１１に入力され、ステレオ音源からのアナログ信号である右音響信号が入力端子１２に入力される。ステレオ音源は、たとえばラジオやテレビジョンなどの放送を受信する受信装置であってもよいし、ビデオ機器などの再生装置であってもよいし、マイクロフォンなどの入力装置であってもよい。
【００２５】
Ａ／Ｄ７Ｌは、入力端子１１から入力される左音響信号を、予め定めるサンプリング間隔でサンプリングして、左デジタル音響信号に変換するアナログデジタル変換器であり、Ａ／Ｄ７Ｒは、入力端子１２から入力される右音響信号を、予め定めるサンプリング間隔でサンプリングして、右デジタル音響信号に変換するアナログデジタル変換器である。Ａ／Ｄ７Ｌ，７Ｒは、それぞれ変換したデジタル音響信号を２次元デジタルフィルタ４に送る。
【００２６】
２次元デジタルフィルタ４は、たとえばデジタルシグナルプロセッサ（以下「ＤＳＰ」という）および半導体メモリなどの記憶装置を含んで構成される。ＤＳＰは、たとえば周波数１６０ＭＨｚのクロックで動作し、Ａ／Ｄ７Ｌから受け取る左デジタル音響信号およびＡ／Ｄ７Ｒから受け取る右デジタル音響信号を、スピーカアレー２から出力するためのデジタル音響信号に変換し、変換したデジタル音響信号をＤ／Ａ８ａ〜８ｇに出力する。ＤＳＰは、たとえば記憶装置に記憶するフィルタ係数を用いて、後述する２次元有限インパルス応答（以下「ＦＩＲ」という）フィルタとしての演算を行って、デジタル音響信号への変換を行う。
【００２７】
スピーカアレー２は、（Ｎ２＋１）個のスピーカ２ａ〜２ｇから構成され、各スピーカ２ａ〜２ｇには、Ｄ／Ａ８ａ〜８ｇおよびＡｍｐ９ａ〜９ｇがそれぞれ縦続に接続される。Ｎ２は、正の偶数である。スピーカの個数は、増減可能であり、スピーカの個数に合わせてＤ／ＡおよびＡｍｐの個数も増減する。Ｄ／Ａ８ａ〜８ｇは、それぞれ入力されるデジタル音響信号をアナログ音響信号に変換し、変換したアナログ音響信号を、それぞれの後段に接続されるＡｍｐ９ａ〜９ｇに送る。Ａｍｐ９ａ〜９ｇは、Ｄ／Ａ８ａ〜８ｇから受け取るアナログ音響信号を増幅して、それぞれのスピーカ２ａ〜２ｇに送り、音を出力させる。
【００２８】
図２は、２次元デジタルフィルタ４の機能の構成を示す図である。２次元デジタルフィルタ４は、２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒおよび加算器Ｋａ〜Ｋｇを含んで構成される。２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒおよび加算器Ｋａ〜Ｋｇは、２次元デジタルフィルタ４を構成するＤＳＰによって実現される機能である。２次元デジタルフィルタ４Ｌは、左デジタル音響信号用の２次元ＦＩＲフィルタであり、２次元デジタルフィルタ４Ｒは、右デジタル音響信号用の２次元ＦＩＲフィルタである。２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒは、それぞれ第１，第２の２次元デジタルフィルタである。
【００２９】
２次元デジタルフィルタ４Ｌは、スピーカアレー２が（Ｎ２＋１）個のスピーカによって構成されるので、（Ｎ２＋１）個の１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇによって構成される。スピーカの個数を増減する場合、１次元デジタルフィルタの個数も同じ個数になるように増減させる。１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇは、Ａ／Ｄ７Ｌから受け取る左デジタル音響信号を、それぞれの１次元ＦＩＲフィルタによって変換し、変換したデジタル音響信号をそれぞれの加算器Ｋａ〜Ｋｇに送る。
【００３０】
２次元デジタルフィルタ４Ｒは、２次元デジタルフィルタ４Ｌと同じ構成である。２次元デジタルフィルタ４Ｒを構成する１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇは、Ａ／Ｄ７Ｒから受け取る右デジタル音響信号を、それぞれの１次元ＦＩＲフィルタによって変換し、変換したデジタル信号をそれぞれの加算器Ｋａ〜Ｋｇに送る。
【００３１】
加算器Ｋａ〜Ｋｇは、２次元デジタルフィルタ４Ｌの１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇから受け取るデジタル信号と、２次元デジタルフィルタ４Ｒの１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇから受け取るデジタル信号とをそれぞれ加算し、対応するＤ／Ａ８ａ〜８ｇに送る。たとえば、加算器Ｋａは、２次元デジタルフィルタ４Ｌの１次元デジタルフィルタ３ａからのデジタル信号と、２次元デジタルフィルタ４Ｒの１次元デジタルフィルタ３ａからのデジタル信号を加算して、Ｄ／Ａ８ａに送る。
【００３２】
図３は、１次元デジタルフィルタ３の論理構成を示す図である。１次元デジタルフィルタ３は、１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇのうちの１つであることを示し、いずれも入力端子３１、遅延器Ｃ１〜ＣＮ１、乗算器Ｊ０〜ＪＮ１、加算器Ｋおよび出力端子３２を含んで構成される。遅延器Ｃ１〜ＣＮ１は、デジタル信号を予め定める時間遅延して出力する。
【００３３】
入力端子３１は、たとえば左デジタル音響信号あるいは右デジタル音響信号が入力される。入力端子３１に入力されるデジタル音響信号は、遅延器Ｃ１および乗算器Ｊ０に送られる。遅延器Ｃ１は、入力端子３１からのデジタル音響信号を予め定める時間遅延して遅延器Ｃ２および乗算器Ｊ１に送る。以下、各遅延器Ｃ２〜Ｃ（Ｎ１−１）は、それぞれ予め定める時間遅延して遅延器Ｃ３〜ＣＮ１および乗算器Ｊ２〜Ｊ（Ｎ１−１）に送る。遅延器ＣＮ１は、予め定める時間遅延して乗算器ＪＮ１に送る。
【００３４】
乗算器Ｊ０〜ＪＮ１は、それぞれに入力されるデジタル音響信号に対して各乗算器のフィルタ係数を乗算し、乗算結果を加算器Ｋに送る。各乗算器のフィルタ係数は、図４で説明するフィルタ係数ｈ（ｎ１，ｎ２）である。加算器Ｋは、乗算器Ｊ０〜ＪＮ１のそれぞれの乗算結果を加算し、加算した乗算結果をデジタル音響信号として出力する。
【００３５】
図４は、２次元デジタルフィルタ４Ｌを１次元デジタルフィルタの伝達関数で表したブロック図である。（Ｎ２＋１）個の１次元デジタルフィルタ３のうち第ｎ２番目の１次元デジタルフィルタの伝達関数を伝達関数Ｈｎ２（ｚ１）とすると、伝達関数Ｈｎ２（ｚ１）は、式（１）で表わされる。
【００３６】
【数１】
0005540374.tif 000002
【００３７】
ここに、Ｎ１は、フィルタ次数であり、たとえば「６０」である。ｈ（ｎ１，ｎ２）は、第ｎ２番目の１次元デジタルフィルタの第ｎ１番目の乗算器のフィルタ係数である。ｎ１は、「０」〜「Ｎ１」までの自然数であり、ｎ２は、−Ｎ２／２〜Ｎ２／２の整数である。
【００３８】
２次元デジタルフィルタの伝達関数をＨ（ｚ１，ｚ２）とすると、伝達関数Ｈ（ｚ１，ｚ２）は、式（２）で表わされる。
【００３９】
【数２】
0005540374.tif 000003
これを変形すると、式（３）となる。
【００４０】
【数３】
0005540374.tif 000004
【００４１】
すなわち、２次元デジタルフィルタの伝達関数Ｈ（ｚ１，ｚ２）は、１次元デジタルフィルタの伝達関数Ｈｎ２（ｚ１）の和で表わされる。
【００４２】
図５は、２次元デジタルフィルタ４Ｌによって形成される左焦点ＰＬの位置を示す図である。指向性アレースピーカ１は、２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒを含んで構成されるが、フィルタ係数を設計することを説明するために２次元デジタルフィルタ４Ｌに着目して説明する。図５には、指向性アレースピーカ１を構成する２次元デジタルフィルタ４Ｌおよびスピーカアレー２のみを示しており、他の構成要素は省略している。２次元デジタルフィルタ４Ｒも同様にフィルタ係数を設計することができる。
【００４３】
スピーカアレー２は、スピーカ間隔Ｄおよびスピーカ個数（Ｎ２＋１）のスピーカ２ａ〜２ｇによって構成され、２次元デジタルフィルタ４Ｌは、（Ｎ２＋１）個の１次元デジタルフィルタ３ａ〜３ｇによって構成される。スピーカ２ａ〜２ｇは、スピーカアレー２の中心Ｏ、つまりスピーカ２ｄの中心Ｏを原点とするＸＹ座標のＹ軸に沿って一直線上に等間隔で並列に配置される。Ｘ軸方向は、スピーカ２ｄの出力面に直交する方向である。スピーカ２ａ〜２ｇのいずれの出力面もＸ軸方向となるように配置される。図５に示したスピーカアレー２は、水平方向に配置され、鉛直方向の上側から見た図であるが、鉛直方向に配置することも可能である。
【００４４】
本実施の形態では、周波数および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次元デジタルフィルタを所望の周波数および指向特性に近似して、２次元デジタルファンフィルタとして設計する手順について説明する。
【００４５】
指向性アレースピーカ１は、２次元デジタルフィルタ４Ｌの振幅特性および位相特性を設定することによって、スピーカアレー２の中心Ｏから角度φ０、距離ｒ０の左焦点ＰＬに音響ビームの焦点を仮想音源点として形成する。以下に２次元デジタルフィルタ４Ｌの設計法の概略について述べる。２次元デジタルフィルタ４Ｌの振幅特性および位相特性の設定は、２次元デジタルフィルタ４Ｌのフィルタ係数を設計することによって行う。
【００４６】
図６は、２次元デジタルフィルタ４Ｌの目標振幅特性を示す図である。横軸が時間周波数ｆ１であり、縦軸が空間周波数ｆ２である。２次元周波数平面において、非物理領域５は、φ＝９０°の直線とφ＝−９０°の直線とを境界として、空間周波数ｆ２と時間周波数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、物理領域６は、２次元周波数平面における非物理領域５を除く領域をいう。
【００４７】
まず、振幅特性の設定について説明する。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式（４）の直線上に分布する。角度φは、スピーカアレー２の中心Ｏ（以下「原点Ｏ」ともいう）を中心とし、Ｘ軸に対する角度である。
【００４８】
【数４】
0005540374.tif 000005
【００４９】
ここに、ｆ１は時間周波数、ｆ２は空間周波数、φ１＝φ、ρ＝Ｄ／（ｃＴ）、Ｔはサンプリング間隔、Ｄはスピーカ間隔、そして、ｃは音速である。時間周波数ｆ１および空間周波数ｆ２は、それぞれ１/Ｔおよび１/Ｄで規格化してある。
【００５０】
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−、ビーム過渡域幅をφ＝φＳ＋〜φＣ＋、φ＝φＣ−〜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４Ｌの目標振幅特性Ａｄ（ｆ１，ｆ２）として、図６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。以下、ビーム肩幅φ＝φＰ＋〜φＰ−に対応する２次元周波数平面の領域を通過域といい、角度φ＝φＰ＋〜φＳ＋および角度φ＝φＰ−〜φＳ−に対応する領域を過渡域という。
【００５１】
図６中のψは、通過域の中心とｆ１軸とのなす角、α１，α２および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との対応により決定され、α１，α２および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式（５）を用いる。
【００５２】
【数５】
0005540374.tif 000006
【００５３】
なお、｜ｆ２｜＞ρ｜ｆ１｜の領域は、スペクトルが存在しない非物理領域５である。
φ０＝０°、すなわちψ＝０°として設定する場合は、φＣ＋＝−φＣ−＝φＣ，φＳ＋＝−φＳ−＝φＳ，α１＝α２＝α、β１＝β２＝βとする。
【００５４】
図５において、原点Ｏを中心とする円の波面（図５では実線で示す円弧）を、左焦点ＰＬを中心とする小円の波面（図５では破線で示す円弧）に変形するという設定で、原点Ｏから角度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θｄ（ｆ１，ｆ２）を２次元デジタルフィルタ４Ｌの位相特性として設定する。位相θｄ（ｆ１，ｆ２）は、式（６）で表わされる。
【００５５】
【数６】
0005540374.tif 000007
【００５６】
音響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−とする。ただし、φｅ＋，φｅ−は、スピーカアレー２の長さＮ２・Ｄと、焦点位置、つまり距離ｒ０および角度φ０で特定される位置によって決まる角度であり、それぞれ式（７），（８）で与えられる。
【００５７】
【数７】
0005540374.tif 000008
【００５８】
【数８】
0005540374.tif 000009
【００５９】
なお、式（６）による位相は、ρｓｉｎφＳ−・ｆ１＜ｆ２＜ρｓｉｎφＳ＋・ｆ１において有効に設定される。
【００６０】
２次元デジタルフィルタ４Ｌの目標特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）は、目標振幅特性Ａｄ（ｆ１，ｆ２）と位相θｄ（ｆ１，ｆ２）とを用いて式（９）によって表わされる。
【００６１】
【数９】
0005540374.tif 000010
【００６２】
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）は式（１０）によって表される。
【００６３】
【数１０】
0005540374.tif 000011
【００６４】
ここに、ｈ（ｎ１，ｎ２）は、式（３）に用いた２次元デジタルフィルタ４Ｌのフィルタ係数であり、式（１１）によって表される。
【００６５】
【数１１】
0005540374.tif 000012
【００６６】
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。
さらに、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。幅２Ｗでは、振幅特性が１となる。そのとき、帯域幅下端周波数ｆＬは、式（１２）で表わされる。
【００６７】
【数１２】
0005540374.tif 000013
【００６８】
図７は、インパルス列応答におけるピーク値Ｈｐおよび幅Ｗｐを説明するための図である。図７（ａ）は、インパルス列応答の空間分布の角度φ０＝０°方向の断面特性を示す図であり、横軸は距離（ｍ）、縦軸は振幅で、各応答は距離∞においてほぼ振幅１に収束する。距離は、焦点位置を０とする距離である。スピーカアレー２は、−１．５ｍの位置である。ピーク値Ｈｐは、焦点位置での振幅の最大値である。
【００６９】
図７（ｂ）は、インパルス列応答の空間分布を示す図であり、横軸はＸ軸方向の原点Ｏからの距離（ｍ）、縦軸はＹ軸方向の原点Ｏからの距離（ｍ）を示し、振幅が０．５の位置をプロットしたものである。幅Ｗｐは、焦点において、音響ビーム方向、つまりＸ軸方向に直交する方向、つまりＹ軸方向で、振幅０．５のプロットされた位置の最大の幅である。
【００７０】
焦点先鋭度Ｓは、Ｓ＝Ｈｐ／Ｗｐで表され、ピーク値Ｈｐが高く、かつ幅Ｗｐが狭いほど、焦点先鋭度Ｓは高くなる。
【００７１】
２次元デジタルフィルタ４Ｌについての指向性アレースピーカ１の設計値の一例を表１に示す。
【００７２】
【表１】
0005540374.tif 000014
【００７３】
図８は、２次元デジタルフィルタ４Ｌによる指向性アレースピーカ１のインパルス列応答の空間分布を示す図である。図９は、２次元デジタルフィルタ４Ｌによる指向性アレースピーカ１のインパルス列応答の空間分布の断面特性を示す図である。図１０は、ビーム過渡域幅を２０°としたときのインパルス列応答の空間分布を示す図である。図１１は、ビーム過渡域幅を２０°としたときのインパルス列応答の空間分布の断面特性を示す図である。
【００７４】
図９（ａ），図１１（ａ）は、φ＝０方向における断面特性であり、  図９（ｂ），図１１（ｂ）は、φ＝φｃ方向における断面特性であり、図９（ｃ），図１１（ｃ）は、φ＝φｓ方向における断面特性である。図８，図１０で、実線は、ビーム端角度±φｓであり、破線は、ビーム半値角度±φｃである。
【００７５】
ビーム過渡域幅の違いによる焦点先鋭度Ｓの違いを表２に示す。補正係数は、インパルス列応答の振幅を距離∞で１に揃えるための係数である。
【００７６】
【表２】
0005540374.tif 000015
【００７７】
ビーム過渡域幅を２０°とし、ビーム半値角度φｃで振幅が０．５となる設計では、図１１（ｃ）に示すように、ビーム端角度φｓでの振幅が０．２まで下がっている。指向性アレースピーカ１は、図９（ｃ）に示すように、焦点距離の２〜３倍までの距離ではビーム端角度φｓでの振幅が０．５以上となるように、ビーム過渡域幅を１０°と狭くしているので、焦点先鋭度Ｓを高くし、ステレオ効果が発揮される受聴領域の範囲を明確にすることができる。
【００７８】
図１２は、指向性アレースピーカ１の２つの焦点の位置を示す図である。スピーカ２ａの中心点Ｂ、スピーカ２ｇの中心点Ａ、およびＸ軸上の点Ｃは正三角形の頂点である。距離ＡＢは、スピーカ間隔ＤにＮ２を乗算した値である。指向性アレースピーカ１では、点Ｃを正三角形の頂点としているが、正三角形に限定されるものではなく、辺ＡＢを底辺とする三角形の頂点であればよい。
【００７９】
指向性アレースピーカ１は、左デジタル音響信号の仮想音源を左焦点ＰＬの位置に形成し、右デジタル音響信号の仮想音源を右焦点ＰＲの位置に形成する。左焦点ＰＬは、辺ＡＣ上に形成され、右焦点ＰＲは、辺ＢＣ上に形成される。左焦点ＰＬは、原点Ｏから距離ｒ０で角度φ０の位置であり、右焦点ＰＲは、原点Ｏから距離ｒ０で角度−φ０の位置である。左焦点ＰＬと右焦点ＰＲとの距離ＬＲは、２０ｃｍである。指向性アレースピーカ１の２次元デジタルフィルタ４Ｌの設計値を表３に示す。２次元デジタルフィルタ４Ｒの設計値は、Ｘ軸に対して対称である。
【００８０】
【表３】
0005540374.tif 000016
【００８１】
図１３は、第１の比較例である指向性アレースピーカ９１の２つの焦点の位置を示す図である。指向性アレースピーカ９１の左焦点ＰＬおよび右焦点ＰＲは、スピーカ２ｄからの距離が、指向性アレースピーカ１よりも近い位置に形成される。左焦点ＰＬおよび右焦点ＰＲとの距離ＬＲは、８０ｃｍである。指向性アレースピーカ９１の２次元デジタルフィルタ４Ｌの設計値を表４に示す。２次元デジタルフィルタ４Ｒの設計値は、Ｘ軸に対して対称である。
【００８２】
【表４】
0005540374.tif 000017
【００８３】
図１４は、第２の比較例である指向性アレースピーカ９２の２つの焦点の位置を示
す図である。指向性アレースピーカ９２の左焦点ＰＬおよび右焦点ＰＲは、スピーカ２ｄからの距離が、指向性アレースピーカ９１よりもさらに近い位置に形成される。左焦点ＰＬおよび右焦点ＰＲとの距離ＬＲは、１４０ｃｍである。指向性アレースピーカ９２の２次元デジタルフィルタ４Ｌの設計値を表５に示す。２次元デジタルフィルタ４Ｒの設計値は、Ｘ軸に対して対称である。
【００８４】
【表５】
0005540374.tif 000018
【００８５】
図１５は、指向性アレースピーカ１の２次元デジタルフィルタ４Ｌによる受聴位置での指向特性およびインパルス列応答を示す図である。図１６は、指向性アレースピーカ９１の２次元デジタルフィルタ４Ｌによる受聴位置での指向特性およびインパルス列応答を示す図である。図１７は、指向性アレースピーカ９２の２次元デジタルフィルタ４Ｌによる受聴位置での指向特性およびインパルス列応答を示す図である。図１５（ａ），図１６（ａ），図１７（ａ）は、受聴位置での指向特性であり、図１５（ｂ），図１６（ｂ），図１７（ｂ）は、インパルス列応答の空間分布である。受聴位置は、角度φ＝０°の方向で、スピーカアレー２からの距離が２．００ｍの位置である。
【００８６】
指向性アレースピーカ１，９１，９２の焦点先鋭度Ｓおよびステレオ角度を表６に示す。ここに、Ｈｐは、図７（ａ）に示したインパルス列応答におけるピーク値であり、Ｗｐは、図７（ｂ）に示したインパルス列応答の空間分布の断面特性における幅である。
【００８７】
【表６】
0005540374.tif 000019
【００８８】
焦点の位置は、距離ＬＲが１４０ｃｍの場合の方が、距離ＬＲが２０ｃｍの場合よりも、スピーカアレー２に近い。焦点先鋭度Ｓは、焦点の位置がスピーカアレー２に近いほど高く、受聴者からのステレオ角度も大きくなる。しかしながら、焦点の位置がスピーカアレー２に近いほど焦点ＰＬ，ＰＲのビーム中心から離れた位置で受聴することになるため、受聴位置での音圧は小さくなる。
【００８９】
図１５（ａ），図１６（ａ），図１７（ａ）の受聴位置での指向特性を比較すると、受聴位置での音圧と、ビーム中心φ０での音圧との差は、距離ＬＲ＝２０ｃｍでは、図１５（ａ）から−２ｄＢである。これに対し、距離ＬＲ＝１４０ｃｍでは、図１７（ａ）から−６ｄＢと大きい値である。距離ＬＲ＝８０ｃｍでは、図１６（ａ）から−６ｄＢと大きく、また受聴位置での音圧も距離ＬＲ＝２０ｃｍより−６ｄＢと大きい値である。
【００９０】
実際の受聴実験では、距離ＬＲ＝１４０ｃｍでは、焦点形成の効果によってステレオの広がりを感じることができたが、左右の焦点のビーム中心が外側に向き過ぎている印象がある。距離ＬＲ＝８０ｃｍでは、距離ＬＲ＝１４０ｃｍの場合と比較して、受聴位置での音圧が高くなっていることを確認することができた。距離ＬＲ＝２０ｃｍでは、距離ＬＲ＝８０ｃｍの場合よりもさらに受聴位置での音圧が高く、臨場感のある音を確認することができた。すなわち、距離ＬＲ＝２０ｃｍとした指向性アレースピーカ１は、指向性アレースピーカ９１，９２よりも、ステレオ効果が高いことを確認することができた。
【００９１】
図１８は、本発明の他の実施形態である指向性アレースピーカ１０１の構成を示すブロック図である。デジタル音響信号処理装置である指向性アレースピーカ１０１は、スピーカアレー２、２次元デジタルフィルタ４ａ、Ａ／Ｄ７Ｌ１，７Ｒ１，７Ｌ２，７Ｒ２、Ｄ／Ａ８ａ〜８ｇ、およびＡｍｐ９ａ〜９ｇを含んで構成される。指向性アレースピーカ１０１の構成要素のうち図１に示した指向性アレースピーカ１の構成要素と同じものについては、同じ参照符を付して説明を省略する。
【００９２】
指向性アレースピーカ１０１は、２種類のステレオ音源に対応する２種類の仮想ステレオ音源を形成することができるマルチステレオシステムであり、第１のステレオ音源のうちの第１の左音響信号が入力端子１３に入力され、第１のステレオ音源のうちの第１の右音響信号が入力端子１４に入力され、第２のステレオ音源のうちの第２の左音響信号が入力端子１５に入力され、第２のステレオ音源のうちの第２の右音響信号が入力端子１６に入力される。ステレオ音源は、たとえばラジオやテレビジョンなどの放送を受信する受信装置で有ってもよいし、ビデオ機器などの再生装置であってもよいし、マイクロフォンなどの入力装置であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。
【００９３】
Ａ／Ｄ７Ｌ１，７Ｒ１，７Ｌ２，７Ｒ２は、アナログデジタル変換器であり、Ａ／Ｄ７Ｌ１は、入力端子１３から入力されるアナログ信号の第１左音響信号を、Ａ／Ｄ７Ｒ１は、入力端子１４から入力されるアナログ信号の第１右音響信号を、Ａ／Ｄ７Ｌ２は、入力端子１５から入力されるアナログ信号の第２左音響信号を、Ａ／Ｄ７Ｒ２は、入力端子１６から入力されるアナログ信号の第２右音響信号を、それぞれデジタル音響信号に変換して、２次元デジタルフィルタ４ａに送る。
【００９４】
２次元デジタルフィルタ４ａは、図１に示した２次元デジタルフィルタ４と同様に、ＤＳＰおよび記憶装置を含んで構成される。ＤＳＰは、記憶装置に記憶されるフィルタ係数を用いて、２次元ＦＩＲフィルタとしての演算を行って、４つの２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１，４Ｌ２，４Ｒ２、および加算器Ｋａ〜Ｋｇを実現する。２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１，４Ｌ２，４Ｒ２は、それぞれ第１〜第４の２次元デジタルフィルタである。
【００９５】
２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１、および２次元デジタルフィルタ４Ｌ２，４Ｒ２は、いずれも図１に示した２次元デジタルフィルタ４に含まれる２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒに相当する。第１の組である２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１は、第１のステレオ音源のための２次元デジタルフィルタであり、第２の組である２次元デジタルフィルタ４Ｌ２，４Ｒ２は、第２のステレオ音源のための２次元デジタルフィルタである。
【００９６】
加算器Ｋａ〜Ｋｇは、図１に示した２次元デジタルフィルタ４に含まれる加算器Ｋａ〜Ｋｇに相当する。図に示した加算器Ｋａ〜Ｋｇは、２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒから各スピーカ２ａ〜２ｇに送られる２つのデジタル音響信号をそれぞれ加算して、Ｄ／Ａ８ａ〜８ｇに送っているが、２次元デジタルフィルタ４ａの各加算器Ｋａ〜Ｋｇは、２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１，４Ｌ２，４Ｒ２から各スピーカ２ａ〜２ｇに送られる４つのデジタル音響信号をそれぞれ加算して、Ｄ／Ａ８ａ〜８ｇに送る。
【００９７】
図１９は、指向性アレースピーカ１０１の第１の設計例の４つの焦点の位置とステレオ領域との位置関係を示す図である。スピーカ２ａの中心点の位置をＢ、スピーカ２ｇの中心点の位置をＡ、およびスピーカ２ｄの中心点の位置をＯ、第１のステレオ音源の左焦点の位置をＰＬ１、第１のステレオ音源の右焦点の位置をＰＲ１、第２のステレオ音源の左焦点の位置をＰＬ２、第２のステレオ音源の右焦点の位置をＰＲ２とする。そして、中心点Ａおよび左焦点ＰＬ１を結ぶ直線と、中心点Ｂおよび右焦点ＰＲ１を結ぶ直線との交点をＣ１とし、中心点Ａおよび左焦点ＰＬ２を結ぶ直線と、中心点Ｂおよび右焦点ＰＲ２を結ぶ直線との交点をＣ２とする。左焦点ＰＬ１は、原点Ｏから距離ｒ０、Ｘ軸から角度φＬ０の位置であり、右焦点ＰＲ１は、原点Ｏから距離ｒ０、Ｘ軸から角度φＲ０の位置である。左焦点ＰＬ２および右焦点ＰＲ２は、Ｘ軸に対してそれぞれ右焦点ＰＲ１および左焦点ＰＬ１と対称の位置にある。
【００９８】
ステレオ領域ＳＴ１は、第１のステレオ音源の左焦点ＰＬ１からの音響ビームと第１のステレオ音源の右焦点ＰＲ１からの音響ビームとが重なる領域のうち、第２のステレオ音源の左焦点ＰＬ２からの音響ビームが重ならない領域であり、ステレオ領域ＳＴ２は、第２のステレオ音源の左焦点ＰＬ２からの音響ビームと第２のステレオ音源の右焦点ＰＲ２からの音響ビームとが重なる領域のうち、第１のステレオ音源の右焦点ＰＲ１からの音響ビームが重ならない領域である。
【００９９】
すなわち、ステレオ領域ＳＴ１は、左焦点ＰＬ１からの音響ビームのビーム端角度φＳ−からφＳ＋までの領域と、右焦点ＰＲ１からの音響ビームのビーム端角度φＳ−からφＳ＋までの領域とが重なる領域のうち、左焦点ＰＬ２からの音響ビームのビーム端角度φＳ−からφＳ＋までの領域が重ならない領域である。ステレオ領域ＳＴ２は、左焦点ＰＬ２からの音響ビームのビーム端角度φＳ−からφＳ＋までの領域と、右焦点ＰＲ２からの音響ビームのビーム端角度φＳ−からφＳ＋までの領域とが重なる領域のうち、右焦点ＰＲ１からの音響ビームのビーム端角度φＳ−からφＳ＋までの領域が重ならない領域である。ステレオ領域ＳＴ１,ＳＴ２は、受聴領域である。
【０１００】
第１の設計例は、内側の焦点、つまり第１のステレオ音源の右焦点ＰＲ１および第２のステレオ音源の左焦点ＰＬ２のビーム端角度がお互いに相手のステレオ領域に大きく偏っているので、ステレオ領域ＳＴ１,ＳＴ２が狭い。
【０１０１】
図２０は、指向性アレースピーカ１０１の第２の設計例の４つの焦点の位置とステレオ領域との位置関係を示す図である。第２の設計例は、第１の設計例よりも各焦点の位置をＸ軸より外側に大きく傾けた構成である。すなわち、第２の設計例の角度φＬ０および角度φＲ０を第１の設計例よりも大きくした構成である。
【０１０２】
第２の設計例は、ステレオ領域ＳＴ１，ＳＴ２が第１の設計例よりも外側に大きく広がっている。
【０１０３】
図２１は、指向性アレースピーカ１０１の第３の設計例の４つの焦点の位置とステレオ領域との位置関係を示す図である。第３の設計例は、第１の設計例よりも、各ステレオ音源の左右の焦点の間隔を狭くした構成である。すなわち、第３の設計例の角度φＬ０は第１の設計例よりも小さくし、第３の設計例の角度φＲ０は第１の設計例よりも大きくした構成である。
【０１０４】
第３の設計例は、各ステレオ音源の左右の焦点の間隔を狭くした分だけ、音響ビームをビーム中心よりに配置することができ、ステレオ領域ＳＴ１，ＳＴ２が奥深くなって広がっている。第３の設計例は、各ステレオ音源の左右の焦点の間隔が狭いので、第１および第２の設計例に比べて受聴域での音圧が高く、したがって、ステレオ効果が高い。第１〜第３の設計例の特徴を表７に示す。
【０１０５】
【表７】
0005540374.tif 000020
【０１０６】
第１の設計例は、受聴域での音圧は高いが受聴域が狭いので少人数の場合に適している。第２の設計例は、受聴域での音圧は高く、受聴域が広いので、多人数の場合に適している。第３の設計例は、受聴域での音圧がより高く、かつ受聴域も広いので、多人数の場合に適している。したがって、指向性アレースピーカ１０１は、フィルタ係数の設計値を変更して、第１，第２のステレオ音源の左右の焦点の位置を変えることによって、受聴域の広さと受聴域で受聴する人数に応じた構成とすることができる。
【０１０７】
第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１の設計値をそれぞれ表８，９に示す。第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｌ２の設計値は、２次元デジタルフィルタ４Ｒ１の設計値を、Ｘ軸に対して焦点の位置が対象となるように変換した値であり、第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｒ２の設計値は、２次元デジタルフィルタ４Ｌ１の設計値を、Ｘ軸に対して焦点の位置が対象となるように変換した値である。
【０１０８】
【表８】
0005540374.tif 000021
【０１０９】
【表９】
0005540374.tif 000022
【０１１０】
第３の設計例では、２次元デジタルフィルタ４Ｌ１の焦点と２次元デジタルフィルタ４Ｒ１の焦点の間の距離は、予め定める距離であり、２５ｃｍである。２次元デジタルフィルタ４Ｌ１のビーム中心φ０は、予め定める第１の角度であり、２９．１°である。２次元デジタルフィルタ４Ｒ１のビーム中心φ０は、予め定める第２の角度であり、２２．３°である。第１，第２の設計例は、第３の設計例の設計値を変更することによって設計することができる。第３の設計例の設計値は、第１の設定値であり、第１，第２の設計例の設計値は、第２，第３の設定値である。
【０１１１】
図２２は、第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｌ１の指向特性およびインパルス列応答の空間分布を示す図である。図２３は、第３の設計例の２次元デジタルフィルタ４Ｒ１の指向特性およびインパルス列応答の空間分布を示す図である。図２２（ａ），図２３（ａ）は、各２次元デジタルフィルタの受聴位置での指向特性であり、図２２（ｂ），図２３（ｂ）は、各２次元デジタルフィルタの受聴位置でのインパルス列応答の空間分布である。
【０１１２】
２次元デジタルフィルタ４ａを設計する際、受聴位置が、各焦点のビーム中心上ではなく、左右の焦点間の中心を直交して通る直線上であるため、各メインローブのピーク値よりもやや小さい位置で受聴することになることに留意する必要がある。
【０１１３】
第１〜３の設計例などの複数の設計例のそれぞれの係数を記憶装置に記憶し、たとえば図示しない操作部によっていずれか１つの設計例を選択可能にしておくことによって、利用者が受聴する人数に応じて、操作部を操作して最適な設計例を選択可能にしてもよい。
【０１１４】
また、２次元デジタルフィルタ４，４ａの音響信号のスペクトルを２次元周波数平面上で表したとき、各２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒ，４Ｌ１，４Ｒ１，４Ｌ２，４Ｒ２のビーム中心の両側に形成されるビームの過渡域幅、つまりビーム過渡域幅を、ビーム中心に対して非対称に設定してもよい。非対称に設定された２次元デジタルフィルタは、音響ビームの両側のうち、片側の音圧の減衰を緩慢にし、他の片側の音圧の減衰を急峻にすることができる。
【０１１５】
また、上述した実施形態では、２次元デジタルフィルタ４，４ａを１つのＤＳＰによって構成したが，２次元デジタルフィルタ４Ｌ，４Ｒ，４Ｌ１，４Ｒ１，４Ｌ２，４Ｒ２をそれぞれ個別のＤＳＰを用いて構成してもよい。
【０１１６】
このように、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４，４ａ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、ビーム過渡域幅が角度１０°以下に設定されるように構成される。したがって、デジタル音響信号処理装置、たとえば指向性アレースピーカ１の音響ビームの焦点先鋭度Ｓを高くすることができる。
【０１１７】
さらに、２次元デジタルフィルタ４は、前記一直線上、つまりＹ軸上で複数のスピーカ２ａ〜２ｇの中心Ｏを通り、かつスピーカ２ｄの出力面に直交する第２の直線、つまりＸ軸に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点である左焦点ＰＬを形成する２次元デジタルフィルタ４Ｌおよび音響ビームの第２の焦点である右焦点ＰＲを形成する２次元デジタルフィルタ４Ｒを含み、前記音源であるステレオ音源からの左デジタル音響信号が２次元デジタルフィルタ４Ｌに入力され、ステレオ音源からの右デジタル音響信号が２次元デジタルフィルタ４Ｒに入力される。すなわち、ステレオ音源の左右の音響ビームの焦点先鋭度Ｓをそれぞれ高くすることができるので、他の音響ビームとの境界を明確にすることができ、左右音源を際立たせ、ステレオ効果を高めることができる。
【０１１８】
さらに、左焦点ＰＬと右焦点ＰＲとの距離ＬＲは、複数のスピーカ２ａ〜２ｇのうち第２の直線から最も遠い位置にある両端のスピーカ２ａ，２ｇの前記一直線上のそれぞれの中心点Ａ，Ｂを結ぶ線分の長さの半分未満の長さに設定されるので、受聴位置で、音圧が高く、かつステレオ効果が高く、そして臨場感のある音を形成することができる。
【０１１９】
さらに、２次元デジタルフィルタ４ａは、前記一直線上で複数のスピーカ２ａ〜２ｇの中心Ｏを通り、かつスピーカ２ｄの出力面に直交する第２の直線つまりＸ軸に対して、前記一直線および第２の直線を含む平面上で対称な位置に、音響ビームの第１の焦点である左焦点ＰＬ１を形成する２次元デジタルフィルタ４Ｌ１および音響ビームの第２の焦点である右焦点ＰＲ２を形成する２次元デジタルフィルタ４Ｒ２、ならびに前記第２の直線に対して前記平面上で、複数のスピーカ２ａ〜２ｇの前記直線方向の中心からの距離が左焦点ＰＬ１，右焦点ＰＲ２と同じで、かつ左焦点ＰＬ１，右焦点ＰＲ２の位置よりも前記第２の直線に近い対称な位置に、第２の直線に対して左焦点ＰＬ１と同じ側に、音響ビームの第３の焦点である右焦点ＰＲ１を形成する２次元デジタルフィルタ４Ｒ１、および第２の直線に対して右焦点ＰＲ２と同じ側に、音響ビームの第４の焦点である左焦点ＰＬ２を形成する２次元デジタルフィルタ４Ｌ２を含み、前記音源は、第１のステレオ音源および第２のステレオ音源を含む。そして、第１のステレオ音源からの第１の左デジタル音響信号が２次元デジタルフィルタ４Ｌ１に入力され、第１のステレオ音源からの第１の右デジタル音響信号が２次元デジタルフィルタ４Ｒ１に入力され、第２のステレオ音源からの第２の左デジタル音響信号が２次元デジタルフィルタ４Ｌ１に入力され、第２のステレオ音源からの第２の右デジタル音響信号が２次元デジタルフィルタ４Ｒ２に入力される。すなわち、２つのステレオ音源のそれぞれの左右の音響ビームの焦点先鋭度Ｓを個々に高くすることができるので、他の音響ビームとの境界を明確にすることができ、それぞれのステレオ音源を際立たせ、それぞれステレオ効果を高めることができる。
【０１２０】
さらに、２次元デジタルフィルタ４Ｌ１，４Ｒ１，４Ｌ２，４Ｒ２は、左焦点ＰＬ１と右焦点ＰＲ１との距離が予め定める距離であり、左焦点ＰＬ１の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度であり、かつ右焦点ＰＲ１の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度である第１の設定値、つまり第３の設計例の設計値、左焦点ＰＬ１と右焦点ＰＲ１との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、左焦点ＰＬ１の通過域のビーム中心の角度が予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ右焦点ＰＲ１の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも大きい角度である第２の設定値、つまり第１の設計例の設計値、または左焦点ＰＬ１と右焦点ＰＲ１との距離を前記予め定める第１の距離よりも短い距離であり、左焦点ＰＬ１の通過域のビーム中心の角度が前記予め定める第１の角度よりも大きい角度であり、かつ右焦点ＰＲ１の通過域のビーム中心の角度が予め定める第２の角度よりも小さい角度である第３の設定値、つまり第２の設計例の設計値に設定される。したがって、受聴領域の広さを受聴する人数に応じた２次元デジタルフィルタとすることができる。
【０１２１】
さらに、２次元デジタルフィルタの音響信号のスペクトルを２次元周波数平面上で表したとき、ビーム中心の両側に形成されるビームの過渡域幅は、ビーム中心に対して非対称に設定されるので、音響ビームの両側のうち、片側の音圧の減衰を緩慢にし、他の片側の音圧の減衰を急峻にすることができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１，９１，９２，１０１  指向性アレースピーカ
２  スピーカアレー
２ａ〜２ｇ  スピーカ
３ａ〜３ｇ  １次元デジタルフィルタ
４，４ａ，４Ｌ，４Ｒ  ２次元デジタルフィルタ
５  非物理領域
６  物理領域
７Ｌ，７Ｒ，７Ｌ１，７Ｒ１，７Ｌ２，７Ｒ２  Ａ／Ｄ
８ａ〜８ｇ  Ｄ／Ａ
９ａ〜９ｇ  Ａｍｐ
１１〜１６，３１  入力端子
３２  出力端子
Ｃ１〜ＣＮ１  遅延器
Ｊ０〜ＪＮ１  乗算器
Ｋ，Ｋａ〜Ｋｇ  加算器
ＰＬ，ＰＲ，ＰＬ１，ＰＲ１，ＰＬ２，ＰＲ２  焦点
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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