(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個の多重信号入力端子と、Ｎ個の櫛形フィルタ回路網と、交差結合回路網と、Ｎ個の多重信号出力端子とを備える多重チャンネル残響システムであって、
各多重信号入力端子は、各入力チャンネルに割り当てられていると共に、入力信号を櫛形フィルタ回路網に供給し、
各櫛型フィルタ回路網は、可聴周波数帯域においてほぼ一定の多重チャンネル電力利得を供給するフィードフォワード部を含むと共に、その出力信号を各多重信号出力端子に供給し、
交差結合回路網は、Ｎ個の櫛形フィルタ回路網の出力信号を利得マトリックスＧを経由することにより交差結合してＮ個の信号を生成し、各櫛型フィルタ回路網の入力に帰還し、
各多重信号出力端子は、各出力チャンネルに割り当てられている
多重チャンネル残響装置。
【請求項２】
請求項１記載の多重チャンネル残響装置を含む非インライン残響補助システム。
【請求項３】
請求項１記載の多重チャンネル残響装置を含む拡声装置システム。
【請求項４】
請求項１記載の多重チャンネル残響装置を含む音声補強システム。
【発明の詳細な説明】
技術的分野
本発明は、残響補助システムと、拡声装置システムまたは残響装置を利用する音声補強システムとに関するものである。
背景技術
拡声装置システムと音声補強システムは音声信号を増幅しそして放送するために用いられる。これらのシステムにおいては、幾つかのマイクロホンが出演者に近接して配置されており、そしてこれらのマイクロホンの信号は、増幅され、処理されそして放送のために増幅器と拡声器に送られる。このようなシステムでは、拡声器の信号がマイクロホンに帰還して結合するが、利得が大き過ぎると、システムが不安定になる恐れがある。こうした拡声器とマイクロホンとのフィードバックは、指向性マイクロホンを用いるとともに、信号レベルを最大とするためにマイクロホンを出演者に近接させることによって最小となる。
コンサートホール（会堂）の音響効果を改善しかつ制御するために、残響補助システムが用いられる。これには２種類の基本タイプがある。その第１はインラインシステムで、このシステムでは出演者によってステージ上で生成された直接音がマイクロホンにとらえられ、遅延回路とフィルタと残響装置を通してこれを送ることによって処理され、そしてホールの前面または壁面と天井に配置されている幾つかの拡声器から会堂に放送される。インラインシステムでは、拡声器とマイクロホン間の（会堂を経由した）音響フィードバックはこのシステムを作動させるのに不必要である（したがってインラインと呼ばれる）。上述の拡声装置システムと音声補強システムはインラインシステムの簡単な例である。
残響補助システムの第２のタイプは非インラインシステムで、このシステムでは数多くのマイクロホンが会堂内の反響音をとらえ、そしてフィルタと増幅器と拡声器とを経由して（またこのシステムのある種の変形では、下記のように遅延回路と残響装置も経由して）会堂内に送り返す。再放送された音は会堂内の原音に加えられ、そしてその結果生じた音はマイクロホンによってとらえられ、更に再放送され、このようにしてこれが繰り返される。非インラインシステムではこのようにその作動は拡声器とマイクロホン間の音響フィードバックに依存している（したがって非インラインという用語が用いられる）。
一方、非インラインの残響補助システムには２種類の基本タイプがある。その第１は狭周波数帯域システムで、このシステムではマイクロホンと拡声器との間のフィルタは狭周波数帯域幅を有している。これは、このチャンネルがフィルタの周波数帯域幅内の狭周波数帯域に対してのみ会堂における残響を補助するということを意味している。狭周波数帯域システムの例は、パーキンとモーガンにより開発され〔１〕そしてロンドンのロイヤルフェスティバルホールで用いられている共鳴補助システムである。このようなシステムの利点は、不安定による障害を起こさずにループ利得を比較的に大きくすることができるということである。欠点は、補助が要求される周波数帯域ごとに分離したチャンネルを必要とすることである。
非インライン残響補助システムの第２の形態は広帯域システムで、このシステムでは各チャンネルが可聴周波数帯域の全てまたはほとんど全てを含む動作周波数帯域を有している。このようなシステムでは、高ループ利得のある広帯域システムの安定性は維持しがたいので、ループ利得は低くなければならない。このようなシステムの例はフィリップスのMCR（残響の多重チャンネル増幅）システム〔2,3〕で、これはアイントホーヴェンのPOC会議センターのような世界中の幾つかのコンサートホールに設置されている。このMCRシステムによる電力利得は下記の式によって得られる。
0003558636.tif 000002
この式で、αMCRはループ利得、そしてＮはマイクロホンチャンネルと拡声器チャンネルの数である。残響時間は同じ因子によって増大される。
PCT特許出願NZ93/00041〔４〜６〕には、改良された広帯域非インライン残響補助システムが記載されている。このシステム（図１）においては、Ｎ個のマイクロホンは一次室で音をとらえ、そしてマイクロホンの信号は二次室に送られ、それから反響させられそして一次室に送り返される前にループ利得によって増大される。実際は、この二次室は残響マトリックスに置き換えられる。この改良システムは一次室内の見掛けの音量を見掛けの吸収とは独立とすることができる。この改良システムは以後、VRA（可変室内音響）システムと呼ぶことにする。このシステムに導入される電力利得は下記の式により得られる。
0003558636.tif 000003
この式において、αVRAはループ利得である。この式には、MCRシステムにおけるＮと比較されるチャンネル数Ｎの２乗が含まれる。これは、一次室と二次室はＮ個の有効電力利得を有するということに依っている。両システムはこのようにして下記の式によって表される同一の平均電力利得を有することになる。
0003558636.tif 000004
フィリップスのシステムでは、電力利得に等しい残響時間増加量が得られる。その結果、残響の増加は不安定になる前に達成可能な最大電力利得によって制限される。しかし、VRAシステムでは、（その利得を一定に保ちながら）二次室の残響時間を制御することによって、電力利得を超えて残響時間を増大させることができる。VRAシステムでは下記の式により残響時間の増大量が得られる。すなわち、
0003558636.tif 000005
この式で、Tassは補助されている残響時間、T1は一次室における補助されていない残響時間であり、そしてβは一次室の残響時間に対する二次室の残響時間の比である。室温における利得はβ＝０のときの電力利得（式２）に等しく（MCRシステムの場合と等価になる）、これはβが増加するにつれて単調に増大する。
非インラインシステムにおける主要な障害は、マイクロホンと拡声器間のフィードバックによって、これらのシステムが不安定になる恐れがあるということである。この問題は、多数のチャンネルを使用し、そして各チャンネルごとのループ利得を低くすることによって最小に抑えられる。例えば、フィリップスのシステムでは一般的に60〜100チャンネルを用いる。しかし、多数のチャンネルと低いループ利得でも、ホール内の音に「音色の偏り」が生じることがある。自然な室内では、その室内の任意の場所における音の減衰は、無限の数の室内共鳴モードの総和からなる。一般的に、これらの室内共鳴モードは全て同一または同様な減衰率を有し、そしてその結果としてdB単位の減衰は線形である〔７〕。非インライン残響補助システムでは、こうした減衰の相似性は減少する。その結果、幾つかの室内共鳴モードはより長い減衰率を有することになり、そしてある時間が過ぎると、最も長い減衰時間を持つこうした室内共鳴モードが減衰音を支配する。こうした減衰は１つ以上の「ベル音」と含むように、または「音色の偏り」があるように聞こえる。ベル音を生成するこうしたモードは、このシステムによるループ利得が高く、かつ、位相が２πの倍数である周波数において発生する。したがって、このような周波数におけるフィードバックは正である。
インライシステムは拡声器とマイクロホンとの間のフィードバックを最小限に抑えようと意図するものであるが、問題は完全に解決されてはいない。このように、インラインシステムでは音色の偏りの問題も起こる。
PCT特許出願NZ93/00041に記載されている改良された非インラインVRAシステムにおいては、同一のループ利得に対して以前のシステムを超える残響時間の増加が得られる。しかし、このシステムにおけるループ利得は、二次室のマトリックスの周波数応答のゆらぎのために、より複雑になる。その結果として、この改良システムはMCRシステムに比べて、同一のループ利得に対して音色の偏り度がより大きくなるであろう（式３）。したがって、その周波数応答において小さいゆらぎ度を有する残響マトリックスを設計することが望ましいであろう。
同様に、残響装置を用いるインラインシステムは、この残響装置が、ある周波数では残響装置のないループ利得よりも高く、ゆらいでいるループ利得を生成するので、不安定になる傾向がより大きい。また、その周波数応答において、よりゆらぎ度の低い残響装置はこの問題を軽減させるであろう。
単一のマイクロホン、残響装置および拡声器の場合においては、低いゆらぎ度は、残響装置があらゆる周波数において常に一定の振幅を有すること、すなわち全帯域通過であることが必要なことは明らかである。しかし、ほとんどの残響装置の構造は、櫛形フィルタの並列接続から成るため、このような応答を生成しない〔８〕。反響密度を増すために上記の櫛形フィルタの並列接続に続いて、全帯域櫛形フィルタ部が用いられることもしばしばある〔８、９〕。しかし、全帯域櫛形フィルタの直列接続だけでは、この構造は室内に発生するような減衰していく指数関数的モードの単純総和をシミュレートしないので、妥当な残響を生成するのは難しいであろう。
多次元の場合、残響マトリックスはN2の伝達関数を含み、そして各出力はＮ次の伝達関数を通して伝送されるＮ個の入力信号の総和であるため、「低いゆらぎ」の定義はより複雑になる。
本発明の開示
本発明は、多次元方向において低いゆらぎ度を生成する一種の多重チャンネル残響装置を提供する。この種の残響装置によって、VRAシステムは同一の電力利得に対してMCRシステムと同等か、または少なくともこれに相似の音色の偏り処理能力を発揮することができる。この装置はまた、インラインシステムと拡声装置システムおよび／または音声補強システムにおける音色の偏りを減少させることができる。
本発明は、広義にいうと、
各入力チャンネルに対して１つずつある多重信号入力端子と、
各信号入力端子に１つずつ接続されている多数の櫛形フィルタ回路網であって、この各櫛形フィルタ回路網には１つのフィードフォワード部が含まれている多数の櫛形フィルタ回路網と、
反響密度を増大させるために櫛形フィルタを交差結合させる交差結合回路網と、そして、
各出力チャンネルに対して１つずつある多重信号出力端子とから成る。
【図面の簡単な説明】
本発明は添付の図面を参照しながら以下に説明されるが、これはあくまでも１つの例証であって、本発明はこれに限定されるものではない。各図面において、
図１は、VRA残響補助システムを示し、
図２は、従来の多くのデジタル残響装置の基本要素である単一チャンネル櫛形フィルタを示し、
図３は、本発明の残響システムの基本要素である単一チャンネル全帯域櫛形フィルタを示し、
図４は、従来の多重チャンネル残響装置の共通構造を示し、そして
図５は、本発明の全帯域ベクトル櫛形フィルタ残響システムの構造を示す。
詳細な説明
〔多重チャンネル線形システムにおける電力利得〕
全ての入力においてBHzの帯域に限定されている単位平均電力のホワイトノイズにより励起されるＮチャンネルのシステムＸ（ω）を考える。もし入力信号が全て相関のないものどうしであるとすれば、平均電力出力は下記に示す式によって得られる。
0003558636.tif 000006
この式で、被積分関数は、周波数ωにおける伝達関数の行列の（フロベニウス）ノルムの２乗である。このようにして、電力利得POUT/Nは２乗されたノルムの平均値によって支配される。任意の１つの周波数における本システムの電力利得を研究するために、全てのＮ個の入力における単位電力の複合正弦曲線からなるベクトル信号、すなわち、
ｓ（ｔ）＝exp（ｊω0t）ｕ
でこのシステムを励起させることを考える。この式において、ｕは下記の式により示される。
0003558636.tif 000007
正弦曲線の位相が、位相ランダム変数の独立している以下の確率分布、ｐ（φ1,φ2,・・・φＮ）からのサンプルであるならば、Ｎ個の出力における分散量の総和は下記の式により表わすことができる。
σ２＝‖Ｘ（ω０）‖２                    （７）
このようにして、Ｘ（ω）のノルムの２乗をＮで除した値が「位相平均」電力利得である。この関数によって、Ｎチャンネルシステムの応答の「低いゆらぎ」を定めることができる。非インライン残響補助システムに使用するのに理想的な残響装置はあらゆる周波数に対して一定のノルムを持つことになろう。多重チャンネルの場合、このような残響装置は大まかに全帯域と呼んでもよい。
〔ユニタリシステム〕
下記の式で表される、ユニタリである行列Ｘを例えば考える。
X+X＝Ｉ                                   （８）
この式で＋は共役転置を示す。このようにしてＸの行（および列）は正規直交ベクトルである。Ｘのノルムの２乗は下記の式で表される。
0003558636.tif 000008
したがって、ユニタリ行列はいずれも行列の次元に等しい２乗されたノルムを有する。広帯域または位相平均の電力利得はこのようにして１に等しくなる。ユニタリの場合の電力利得もまた、あらゆる入力に適用される１つの周波数における一定の正弦曲線に対して１である。入力ベクトルｓ（ｔ）に対するベクトルの応答ｙ（ｔ）は、
ｙ（ｔ）＝exp（ｊω0t）Xu（式６参照）
という式によって得られ、そしてその出力における全電力は下記の式によって示される。
ｙ（ｔ）+y（ｔ）＝u+X+Xu＝u+u＝Ｎ         （10）
この場合、時間依存性は消去される。このようにして、出力電力は一定の正弦曲線の励起に対してＮに等しく、そして、入力位相から独立している。したがって、電力利得は全ての周波数において１である。よって、線形の多重チャンネルシステムは、その伝達関数があらゆる周波数において１であれば、ユニタリと呼んでよい。ユニタリシステムはあらゆる周波数に対して一定のノルムと単位電力利得とを有する。
ユニタリシステムは、全ての周波数に対して同一の電力利得を有し、そのうえ音色の偏りを増大させないので、VRAシステムに使用するのに理想的である。このシステムは、また、ループ利得を変更することなくMCRシステムに挿入することもできる。ユニタリ残響装置を備えたVRAシステムの電力利得は下記の式によって得られる。
0003558636.tif 000009
これは、αVRA＝αMCRのときのPMCRに等しい。ほとんどのデジタル残響装置は、図２に示されている櫛形フィルタに基づいている〔８〜10〕。この回路は、遅延時間γ＝L/f1（ただし、f1はサンプリング速度）の倍数において発生するデルタ関数の指数関数的に減衰する行列であるインパルス応答を生成する。出力は、加算器または遅延回路または乗算器の出力から取ることができる。遅延出力から取られた出力を有する櫛形フィルタのための伝達関数は、下記の式で表される。
0003558636.tif 000010
単一チャンネルの櫛形フィルタは、フィードフォワード部を挿入することによって、周波数応答に対して一定の大きさを有するように（全帯域応答と呼ばれる）作ることができる。全帯域形態の有効な１つの乗算器の形態が図３に示されている〔８、９〕。
伝達関数は下記の式によって得られる。
0003558636.tif 000011
ｚ＝exp（ｊθ）のときの大きさの２乗は下記の式によって得られる。
0003558636.tif 000012
これは要求通りに１である。
残響装置の初期の形態は多数の櫛形フィルタを並列に用いて構成されており、反響密度を増大させるために加算された出力は多くの全帯域通過部に送られていた〔８〕。多重チャンネル残響装置のためのより最近の構造は、図４に示されている〔９、10〕。この構造は、交差結合マトリックスＧを経由して多数の単一チャンネル櫛形フィルタを交差結合させることによって高い反響密度を達成する、単一チャンネル櫛形フィルタの拡張である。後続の全帯域通過部は必要としない。ベクトル櫛形フィルタの応答は、入力がベクトルスペクトルを有する離散信号ui（ｎ）のベクトルであると仮定すると下記の式によって決定することができる。
Ｕ（ｚ）＝［U1（ｚ）,U2（ｚ）,...,UN（ｚ）］Ｔ                                          （15）
加算器の出力におけるベクトルスペクトルは下記の式によって得られる。
Ｖ（ｚ）＝Ｄ（ｚ）［Ｉ＝μGD（ｚ）］-1U（ｚ）（18）
この式で、Ｄ（ｚ）は下記の式で表される対角遅延マトリックスである。
0003558636.tif 000013
Ｖφ（ｚ）について解けば、出力ベクトルスペクトルＶ（ｚ）が下記のように見なされる。
Ｖ（ｚ）＝Ｄ（ｚ）［Ｉ＋μGD（ｚ）］-1U（ｚ）（18）
利得マトリックスＧが正規直交、すなわち、GTG＝１であるならば、このとき本システムはμ＜１のとき安定である。このシステムの極は、１より小さい半径を有する円の周囲のｚ面に配分される。
１次元の場合のように、フィードフォワード部が回路に挿入されれば、多重チャンネル残響装置は全帯域通過特性を有するように作ることができる。単一ベクトル利得素子（μ）と単一の交差結合マトリックスＧとを備えた有効な形態は、図５に示されている。出力ベクトルスペクトルは、下記の式によって得られる。
0003558636.tif 000014
利得マトリックスおよび遅延マトリックスの順序は、回路の全帯域通過特性を変更せずに逆転することができる。式19における伝達関数マトリックスは、以下のように全周波数においてユニタリであることが確認できる。
任意の周波数ωにおいて、マトリックス伝達関数は下記の表現形式を有する。
Ｘ＝［μＩ＋GD］［Ｉ＋μGD］1-            （20）
この式で、
0003558636.tif 000015
である。
ところで、積GDは下記式の故にユニタリマトリックスである。
（GD）＋（GD）＝D+GTGD＝Ｉ                （21）
したがって、GDの固有値の分解は下記の式で表される。
GD＝ＱΛQ+                                （22）
この式でＱはユニタリマトリックスであり、そしてΛは固有値の対角行列である。GDはユニタリであるから、固有値は下記の単位大きさを有する。
0003558636.tif 000016
ところで、Ｘは下記の式で表すことができる。
0003558636.tif 000017
この式でＡは下記の対角全帯域通過形式を有する。
0003558636.tif 000018
ここで、下記の式が導き出される。
0003558636.tif 000019
したがって、伝達関数マトリックスＸは全ての周波数においてユニタリである。このユニタリシステムは、前結合マトリックスQ+（ω）と後結合マトリックスＱ（ω）とを有するＮ個からなる一組の独立した１次元全帯域フィルタにより形成されている。
上述は、その好ましい形態を含む本発明を説明したものである。当該技術に熟達している専門家には明らかであるように、本発明の範囲内である限り変更および修正も本発明に含まれていると解すべきである。
参考文献
１）P.H.パーキンおよびK.モーガン共著『ロイヤルフェスティバルホールにおける共鳴補助』アメリカ音響学会機関誌、第48巻1025〜1035頁、1970年。
２）デクーニング、S.H.著『MCRシステム−残響の多重チャンネル増幅』フィリップス技術部誌、第41巻12〜23頁、1983/84年。
３）A.クロクスタッド著『会堂の音響効果を制御する電気音響手段』応用音響学誌、第24巻275〜288頁、1988年。
４）PCT特許出願NZ93/00041『広帯域残響補助システム』インダストリアルリサーチ社、1993年５月20日提出。
５）M.A.ポレッティ著『残響補助システムにおける見掛けの吸収と音量の制御について』、アクースティカ誌、第78巻61〜73頁、1993年。
６）M.A.ポレッティ著『改良残響補助システム』ニュージーランド音響学会の第12回隔年会議会報、1993年９月２日〜３日、107〜115頁。
７）H.カットラッフ著『室内音響効果』応用科学出版、1973年。
８）M.R.シュレーダー著、『自然音響の人工的残響』オーディオエンジニアリング協会会報、第10巻３号、219〜223頁、1962年７月。
９）J.ジョト著『人工的残響を設計するためのデジタル遅延回路網』オーディオエンジニアリング協会第90回年次総会、1991年２月19〜22日パリ、リプリント3030号。
10）J.ストートナーおよびパケット著『多重チャンネル残響装置』コンピュータミュージック誌第６巻第１号52〜65頁、1982年。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
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