(57)【要約】      （修正有）【課題】スピーカアレイを用いたときに、それぞれの音の干渉を抑制し、Ｓ／Ｎ比にすぐれた高音圧領域を形成することができる高音圧領域形成方法を提供する。【解決手段】複数のスピーカを直線状又は平面状に配置してなるスピーカアレイの各スピーカからの音声信号の位相及び音量を制御して高音圧領域を形成する方法において、各スピーカの音圧を、高音圧領域に対する各スピーカの距離が遠くなるに従い小さくなるように制御することによりサイドローブを抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスピーカを直線状又は平面状に配置してなるスピーカアレイの各スピーカからの音声信号の位相及び音量を制御して高音圧領域を形成する方法において、各スピーカの音圧を、高音圧領域に対する各スピーカの距離が遠くなるに従い小さくなるように制御することによりサイドローブを抑制することを特徴とする高音圧領域形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスピーカを直線状又は平面状に配置してなるスピーカアレイの各スピーカからの音の位相及び音量を制御して高音圧領域を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スピーカアレイとは、複数のスピーカを直線状又は平面状に並べ、各スピーカからの音の位相、音量を制御し、音に指向性を持たせて出力させるシステムのことをいう。図１に、スピーカアレイの原理を示す。
【０００３】
従来のスピーカアレイは、目的位置から各スピーカまでの距離差から生じる音波の位相差を求めるとともに、音の減衰を考慮して、各スピーカから出力する音の位相、音量を制御して、目的位置でのみ音波の位相・振幅が揃うようにし、目的位置で高音圧領域（以下、焦点とも称する）が形成されるようにしていた。このような焦点形成型のビームフォーミングにより、焦点方向を中心にメインローブと呼ばれる数十度程度の範囲の音圧の高い領域が形成され、擬似的に指向性を持つスピーカの役割がなされていた。
【０００４】
図２は、平面スピーカアレイシステムの構成を模式的に示したものである。このシステムでは、汎用ＰＣの中で実時間ＯＳソフトにより、スピーカごとの遅延を付加した音声信号が作られ、デジタルアンプにより出力電圧が増幅され、スピーカから音声が出力され、焦点位置に向って高音圧ビームが形成されるようになっている。また、図３に１２８ｃｈ平面スピーカアレイシステムの正面及び裏面の写真を示す。
【０００５】
しかしながら、従来のスピーカアレイでは、目的外の方向にもサイドローブと呼ばれる音圧の高い領域が形成され、Ｓ／Ｎ比の低下を招いてしまうという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題を解決し、スピーカアレイを用いたときに、サイドローブを抑制し、Ｓ／Ｎ比にすぐれた高音圧領域を形成することができる高音圧領域形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、複数のスピーカを直線状又は平面状に配置してなるスピーカアレイの各スピーカからの音声信号の位相及び音量を制御して高音圧領域を形成する方法において、各スピーカの音圧を、高音圧領域に対する各スピーカの距離が遠くなるに従い小さくなるように制御することによりサイドローブを抑制することを特徴とする高音圧領域形成方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上記手法を採用したので、スピーカアレイを用いたときに、サイドローブを抑制し、Ｓ／Ｎ比にすぐれた高音圧領域を形成すること可能となる。本発明は、美術館案内用スピーカシステムや街頭広告用スピーカシステム、ロボット用音声インタフェースなどに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】スピーカアレイの原理を示す図である。
【図２】平面スピーカアレイシステムの構成を模式的に示した図である。
【図３】１２８ｃｈ平面スピーカアレイシステムの正面及び裏面の写真である。
【図４】スピーカアレイから出力される信号の説明図である。
【図５】遅延和ビームフォーミングによる方位と正規化音圧の関係を示す図である。
【図６】周波数ｆ、スピーカ間隔ｄ、スピーカの数ｍを変化させたときのメインローブ、サイドローブの様子を示す図である。
【図７】人間の声の周波数特性を示す図である。
【図８】ハミング窓をかけたときのサイドローブの抑制の様子を示す図である。
【図９】適切な窓関数の選択手法の一例の説明図である。
【図１０】シミュレーションに用いたスピーカアレイの外観を示す図である。
【図１１】シミュレーション結果により求めたスピーカ出力の音量を示す図である。
【図１２】１焦点形成時のシミュレーション結果を示す図で、左側が従来法、右側が本発明法である。
【図１３】シミュレーション結果により求めたスピーカ出力の音量を示す図である。
【図１４】２焦点形成時のシミュレーション結果を示す図で、左側が従来法、右側が本発明法である。
【図１５】周波数を変えたときのシミュレーション結果を示す図で、左側が従来法、右側が本発明法である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明について詳述する。
【００１１】
本発明者らは、遅延和法（Delay and Sum Beam Forming；以下ＤＳＢＦとも称する）を用いる研究を行ってきたが、目的の方向にメインローブが形成される他、目的外の方向にサイドローブが形成され、Ｓ／Ｎ比が低減することを経験した。このサイドローブの主な発生原因は、スピーカ間隔が、出力する音源に含まれる波長より短くなることから生じる。
【００１２】
そこで、本発明は、各スピーカの音圧を、高音圧領域に対する各スピーカの距離が遠くなるに従い小さくなるように制御することによりサイドローブを抑制することを特徴とするものである。
【００１３】
音源として最も単純なものは球面波を出力する音源であり、このような音源を点音源（point source）と称する。点音源による音場の音圧は次式（数１）で表される。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
ここで、ρは媒質の密度、ｃは音速、ｒは点音源からの距離、Ｑは音源の体積速度、ω＝２π／Ｔ（Ｔは周期）、ｋ＝ω／ｃ＝２π／λは波数である。上式より音は無指向性であることがわかる。スピーカアレイでは、スピーカを多数配置することにより、音に指向性を持たせる。基準となるスピーカの複素振幅Ｘ１は次式（数２）で表される。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
距離軸でなく時間軸でみると次式（数３）で表される。
【００１８】
【数３】
2011151558.tif 000005
【００１９】
図４を用いてスピーカアレイから出力される信号について述べる。ｉ番目のスピーカは、θｓをスピーカアレイが目的とする方向（高音圧領域を形成した方向）、Ｖを音速、ｄをスピーカ間隔とすると、次式（数４）で表される遅延Ｄｉを減じて出力される。
【００２０】
【数４】
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【００２１】
このとき、遅延和アレイの指向特性は任意の方向をθとすると次式（数５）で表される。
【００２２】
【数５】
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【００２３】
スピーカアレイの出力ｙ（ｔ）はＭ個の遅延減算信号として次式（数６）に展開できる。
【数６】
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【００２４】
スピーカアレイ出力ｙ（ｔ）と各スピーカからの信号ｘｉ（ｔ）の信号比Ｇは指向特性と称される。
【００２５】
【数７】
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【００２６】
式（数６）に式（数７）と式（数５のτ）を代入すると指向特性は
【００２７】
【数８】
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【００２８】
として
【００２９】
【数９】
2011151558.tif 000011
【００３０】
のように求められる。更に整理すると次式（数１０）となる。
【００３１】
【数１０】
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【００３２】
指向特性（Ｇ）は、スピーカアレイ処理を行わないときの音圧を基準とした相対音圧レベルの指向特性である。
【００３３】
図５に、θｓ＝０，｜Ｇ（０）｜で正規化した時の例を示す。Ｇ（θ）はθ＝０の時最大ゲインを持ち、θの値が変化するについてＧ（θ）は減少する。そして、θ＝３０゜付近で０となる。目的方向のθからゼロまでのビームはメインローブと称され、それ以外のローブはサイドローブと称される。スピーカアレイシステムにおいてＳ／Ｎ比を向上させるためにはサイドローブを減少させればよいことが図５よりわかる。
【００３４】
サイドローブを減少させるには、周波数ｆ、スピーカ間隔ｄ、スピーカの数ｍを大きくすればよい。ｆ、ｄ、ｍの値を変化させたときの様子を図６に示す。ただし周波数ｆは波長をλとするとｆ＝１／λであるので波長λを用いて表す。
【００３５】
図６より、ｍｄ／λの値が大きくなると、メインローブの幅が大きくなり、サイドローブの数は増加しているものの幅と高さは減少し、面積全体としても減少している。サイドローブの幅は指向性に関係している。つまり、鋭い指向性を得るためには、スピーカの数を多くし、スピーカ間隔を大きくすればよい。しかし、スピーカ間隔を大きくしすぎると、メインローブと同じ大きさを持ったローブが形成されてしまう（この現象は空間折り返し現象と称される）ので、結局スピーカの数を増やすしかなく、指向性を向上させるにはシステムを大きくするか、あるいは高周波成分だけ出力しなければならないという問題が生じる。システムを大きくすると各スピーカ間の同期の問題も生じる。また、人の声のメイン周波数域は図７に示すように１０００Ｈｚから４０００Ｈｚくらいまでであり、高周波成分だけを取り出すにも限度がある。
【００３６】
本発明では、上記した問題を生じさせることなく、ｍｄ／λの値を固定した状態でサイドローブを抑制する。
【００３７】
指向特性の式（数９）はΩを角周波数とみなしたとき、長さＭの方形窓をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルの形状をしていることがわかる。このことよりサイドローブを抑制するためには、各信号にハミング窓などの荷重係数をかける、つまりスピーカの出力を変化させればよいことがわかる。このときのサイドローブの抑制の様子を図８に示す。図８より、ハミング窓をかけたときのサイドローブは、何もかけていないときと比較して抑制されていることがわかる。また、サイドローブの抑制のみならず、メインローブの太さが太くなっていることがわかる。
【００３８】
荷重係数として使用できる窓関数としては、ハミング窓、ハニング窓等の種々のものを用いることができる。窓関数は元の信号に対しての影響が少なくなるように選択することが好ましい。
【００３９】
適切な窓関数の選択法の一例を図９により述べる。シミュレーションに用いたスピーカアレイの外観を図１０に示す。
【００４０】
１．メインローブの太さを決める。ここでは人の頭がすっぽりと入り、多少動かしただけではスポットから出ないサイズである４０ｃｍ（５メッシュ、１メッシュは８ｃｍ）とした。
【００４１】
２．サウンドビーム（高音圧領域）とその他の場所とを切り分ける。そのとき焦点での音圧と、その他の場所との音圧差ε１を決める。ここではε１＝１５ｄＢとした。
【００４２】
３．上記で定めたε１より大きくなるようにスピーカの音量を変化させる。
【００４３】
４．次に、サウンドビームとそれ以外の場所との境界音圧差ε２を求める。
【００４４】
５．上記で定めたε２より大きくなるようにスピーカの音量を変化させる。
【００４５】
６．上記５で求めたスピーカの出力からε１、ε２が最大となるスピーカの出力を取り出す。
【００４６】
７．焦点が複数のときも同様の手段でスピーカの出力を変化させる。
【００４７】
シミュレーション結果より求めたスピーカ出力の音量を図１１に示す。図１１の右側が音量分布である。Ｘ軸、Ｚ軸は左側の座標軸と同じである。音量分布は、焦点付近で大きくなり、焦点からの距離が大きくなるにつれ弱くなっているのがわかる。図１２の左側が従来法を用いたときのシミュレーション結果、右側が本発明法を用いたときのシミュレーション結果である。本発明法によれば、サイドローブが抑制されていることがわかる。
【００４８】
図１３は２焦点形成時のシミュレーション結果より求めたスピーカ出力の音量を示す図である。図１４の左側が従来法を用いたときのシミュレーション結果、右側が本発明法を用いたときのシミュレーション結果である。本発明法によれば、サウンドビームとサウンドビームの間にある高音圧領域が抑制され、なくなっているのがわかる。図１５は周波数を変えたときのシミュレーション結果で左側が従来法、右側が本発明法である。
【図１】
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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２】
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【図３】
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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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