(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、音が重なる領域における予め定めた閾値以下の強度のスペクトラムを周波数帯域選択法によりカットすることにより音の干渉を抑制する。【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、音が重なる領域における予め定めた閾値以下の強度のスペクトラムを周波数帯域選択法によりカットすることにより音の干渉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、複数の高音圧領域を形成した場合、それぞれの音が互いに干渉し合い、目的位置以外で高音圧領域が形成され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、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、音が重なる領域における予め定めた閾値以下の強度のスペクトラムを周波数帯域選択法によりカットすることにより音の干渉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、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】背景雑音とスレッシュホルドの関連性を示す図である。
【図５】男性の声と女性の声のＦＦＴ分解能を変化させたときの重なり率を表した図である。
【図６】本発明法による高音圧領域形成例を示す図である。
【図７】従来法による高音圧領域形成例を示す図である。
【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、この場合においても、マイクの数、すなわち音源数が増加すると、取り出した音源以外の音が混じり、音源定位、音源分離の精度が低下することを経験した。これに対して、大規模なマイクアレイシステムを構築し、Ｓ／Ｎ比を上げることも考えられるが、装置の小型化の要請や応用面との関係で限界がある。そこで、本発明では、音声のスパース性に注目し、周波数帯域選択（Frequency Band Selection、以下ＦＢＳとも称する）法を用いて、この問題に対応する。
【００１２】
すなわち、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、音が重なる領域における予め定めた閾値以下の強度のスペクトラムを周波数帯域選択法によりカットすることにより音の干渉を抑制することを特徴とするものである。
【００１３】
複数の音源をスピーカアレイから出力する場合、互いの音が干渉しあい、焦点以外の場所において高音圧領域を形成するという現象が起きていた。その原因は、それぞれの音源が「周波数−パワー」領域において、同周波数もしくはそれに近い周波数で、パワースペクトラムが重なるからであると考えられる。互いの音の周波数がずれていれば位相差により音は打ち消しあうが、同周波数もしくはそれに近い周波数では、位相が重なる地点があり、その地点で目的以外の高音圧領域が形成されるものと考えられる。
【００１４】
本発明では、ある音源の音声信号を離散フーリエ変換（ＤＦＴ）し、同周波数で重なる音があればパワーの強い音のみを残し、弱い音をカットし、同周波数による音の干渉を抑制し、Ｓ／Ｎ比を向上させる。
【００１５】
例えば、２音声時の同周波数帯における音の重なりについて考察してみる。スピーカアレイから出力される音声が２つのときに音の重なりは次の手順で調べることができる。
【００１６】
１．音声ｓａ（ｎ），ｓｂ（ｎ）を離散フーリエ変換し、Ｓａ（ｆ），Ｓｂ（ｆ）とする。
【００１７】
２．閾値を定め、強いスペクトラムのみをとりだす。
【００１８】
３．音がどのくらいの強さで重なっているのかを次式で表す。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
４．音源の最初から最後なで、上式の値がどのように分布しているのか調べるためにヒストグラムを作成する。ヒストグラムのとり方は、例えば次のようにする。
【００２１】
（ａ）−１０＜OverLap≦０
（ｂ）−２０＜OverLap≦−１０
（ｃ）−３０＜OverLap≦−２０
（ｄ）OverLap≦−３０
OverLap の値が（ａ）の時、２つの音は同周波数で強く干渉しあっている。一方、（ｃ）、（ｄ）の時は同周波数で強いパワースペクトラムと弱いパワースペクトラムが干渉しあっている。スピーカアレイを用いた高音圧領域作成において問題になっているのは、強いパワースペクトラムと強いパワースペクトラムの干渉による焦点以外の高音圧領域形成であるので、上記（ａ）の時の音の重なりをＦＢＳ法でカットすれば同周波数もしくはそれに近い周波数帯での音の干渉を抑制し、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、弱いパワースペクトラム同士が干渉しあっても弱い音圧領域しか形成されず、あまり問題とならない。さらに、上式では、弱いパワースペクトラムと強いパワースペクトラムの比較ができない。そのため、弱いパワースペクトラムをカットすればこの問題を解決することができる。
【００２３】
スレッシュホルド作成を次の手順で行う。
【００２４】
１．音源から背景雑音を取り出し、背景雑音のパワーを求める。
【００２５】
２．背景雑音＋αｄＢ以内に音があるのかを調べる。
【００２６】
３．干渉しあう高パワースペクトラムを取り出す。
【００２７】
図４に、背景雑音とスレッシュホルドの関連性を示す。同図の横軸は音源の番号を表す。横軸の１は音源１を、５は音源５を、１０は音源１０を表す。縦軸は音源の存在率を表す。例を挙げると、音源１０は背景雑音以上の音が全体の８０％以上あり、背景雑音＋４０ｄＢ以上の音は５％くらいしかない。なお、同図の音源は男性、女性それぞれ５人ずつに、原稿を３０秒間読んでもらったものである。男性の音声は奇数番号、女性の音声は偶数番号で表してある。
【００２８】
同図からは、音源１、音源２・・・音源１０と全ての音源のパワースペクトラムと、背景雑音との関係をみると、背景雑音＋４０ｄＢ以上の時、全ての音声において与えられた条件を満たす音源はほとんどない（５％以下）ということがわかる。ここで取り出す音は経験則に基づいて背景雑音＋３０ｄＢ以上の音とする。過去のスピーカアレイの音場測定の実験結果より、焦点の音圧とそれ以外の場所における平均の音圧との差はおよそ１５ｄＢ程度であることがわかっている。従って、焦点音圧から焦点音圧−１５ｄＢの音までが焦点以外の場所で高音圧領域を形成する。背景雑音＋３０ｄＢ以上の音であれば、同じ周波数で同じ音圧のものがあれば重なりあい、上記の領域に影響を及ぼすぎりぎりの範囲である。よって、ここでスレッシュホルドによって取り出す音源は背景雑音＋３０ｄＢ以上の音とする。
【００２９】
ＦＢＳを行うとき、ＦＦＴ分解能が粗いと、逆ＦＦＴが行われ、「周波数−スペクトラム領域」から元の「時間−振幅」領域に戻したときに問題が生じる。例えば、ＦＦＴ分解能１７２Ｈｚのとき、ＦＢＳによって音源のうち弱いスペクトラムをカットすると１７２Ｈｚの幅分の音がなくなってしまう。これでは、原音からかけはなれた音になる可能性がある。一方、ＦＦＴ分解能を上げすぎると音のスパース性が成立し、音が「周波数−パワースペクトラム領域」においてそれぞれのスペクトラムが独立するという問題が生じる。以上より、ＦＢＳを行うときには、最適な分解能を用いることが重要であることがわかる。ＦＢＳを行う場合、最適なＦＦＴ分解能は周波数領域での音の重なり率を元に決定する。
【００３０】
図５は、男性の声と女性の声のＦＦＴ分解能を変化させたときの重なり率を表したものである。高パワースペクトラム同士が重なりあっている０〜−１０ｄＢの部分をみると、ＦＦＴ分解能が３４５Ｈｚから１０．８Ｈｚまで変化させたときは音の重なり率はほとんど変化していない。しかし、ＦＦＴ分解能が５．４Ｈｚのときは音の重なり率が極端に減少している。この現象は−１０〜−２０ｄＢ、−２０〜―３０ｄＢの部分においても同様となっている。一方、−３０ｄＢ以上の場合は、ＦＦＴ分解能が５．４Ｈｚのときに重なり率が一番高く、それ以外のときはほぼ同じとなっている。これは、ＦＦＴ分解能が５．４Ｈｚのときはスパース性が成立しているためである。以上のことから、同図のデータからはＦＦＴ分解能は１０．８Ｈｚが最適であるといえる。
【００３１】
ここで、本発明法による高音圧領域形成例を図６に、従来法（ＦＢＳを用いない）による高音圧領域形成例を図７に示す。この例では、本発明法による場合は、従来法による場合に比べ、Ｓ／Ｎ比の１．６倍の向上がみられた。
【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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