(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力オーディオ信号(101)を処理するためのオーディオ信号処理装置(100)であって、
複数のフィルタ(103a〜u)を備え、各フィルタ(103a〜u)は複数のフィルタ処理されたオーディオ信号(105)を取得するために前記入力オーディオ信号(101)をフィルタ処理するように構成され、各フィルタ(103a〜u)は半回転の表面に適用される拡張モードマッチングビームフォーミングに従って設計され、前記表面はスピーカーエンクロージャ形状を部分的に特徴付ける、フィルタユニット(103)と、
スケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号(108)を生成するための複数のスケーリングユニット(107a〜v)であって、各スケーリングユニット(107a〜v)は複数の利得係数を使用して前記複数のフィルタ処理されたオーディオ信号(105)をスケーリングするように構成されている、複数のスケーリングユニット(107a〜v)と、
複数の加算器(109a〜w)であって、各加算器(109a〜w)は前記スケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号(108)を組み合わせ、それによって前記複数の利得係数によって定義されたビーム指向性パターンを有する音場を生成するための出力オーディオ信号(111)を供給するように構成されている、複数の加算器(109a〜w)と
を備え、
前記複数のフィルタ(103a〜u)のうちの第nのフィルタのインパルス応答は、式
【数１】
0006657375.tif 000052
またはその式から導出される式によって定義され、
F-1は逆フーリエ変換を表し、Γnは半径方向距離rおよび周波数ωの関数として前記半回転の前記表面を含む全回転の表面の曲率に適合するトランスデューサアレイ(123a、b、223a、b)の放射極パターンを記述するフーリエ級数のn次係数を特徴付け、前記n次係数は前記スピーカーエンクロージャ形状に依存し、Rn(t)は前記第nのフィルタの前記インパルス応答を時間の関数として表す、オーディオ信号処理装置(100)。
【請求項２】
前記第nのフィルタ(103a〜i)の前記インパルス応答は、式
【数２】
0006657375.tif 000053
またはその式から導出される式によって定義され、
βnは定義可能な正則化パラメータを表す請求項1に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項３】
Γnは、式
Γn=2i-nbn(kR)
またはその式から導出される式によって定義され、iは虚数単位であり、
前記関数bn(kR)は、式
【数３】
0006657375.tif 000054
またはその式から導出される式によって定義され、
ξは積kRを表し、kは波数を表し、Rは前記半回転の前記表面の半径を表し、Hn'はn次のHankel関数の導関数を表す請求項1または2に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項４】
前記トランスデューサアレイ(123a、b、223a、b)の第lのトランスデューサに対する前記出力オーディオ信号(111)は、式
【数４】
0006657375.tif 000055
またはその式から導出される式によって定義され、
zl(t)は前記出力オーディオ信号を時間の関数として表し、Lは前記トランスデューサアレイのトランスデューサの数を表し、x(t)は前記入力オーディオ信号を時間の関数として表し、
【数５】
0006657375.tif 000056
は畳み込み演算子を表し、nは0からNまでの範囲とすることができ、Nは前記ビーム指向性パターンに依存し、Gn,lは前記第lのトランスデューサに対する前記第nの利得係数を表す請求項1から3のいずれか一項に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項５】
前記トランスデューサアレイ(123a、b、223a、b)の前記第lのトランスデューサに対する前記第nの利得係数は、式
【数６】
0006657375.tif 000057
またはその式から導出される式によって定義され、
δnはn=0の場合に1に等しくそれ以外の場合に0に等しいクロネッカーのデルタを表し、Lは前記トランスデューサアレイ(123a、b、223a、b)の前記トランスデューサの数を表し、φlは前記トランスデューサアレイ(123a、b、223a、b)の前記第lのトランスデューサの位置を識別する角座標を表し、fnは所望のビーム指向性パターンを記述する前記フーリエ級数またはフーリエ余弦級数の前記第nの係数を放射角の関数として特徴付ける請求項4に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項６】
前記ビーム指向性パターンは、角度φ0によって定義される方向の単一ビームであり、前記第nの指向性係数fnは、式
【数７】
0006657375.tif 000058
またはその式から導出される式によって定義され、
γ(φ0)は、式
【数８】
0006657375.tif 000059
またはその式から導出される式によって与えられる角度依存係数である請求項5に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項７】
前記ビーム指向性パターンは、角度φjによって定義されるそれぞれの方向の複数のビームによって定義され、前記トランスデューサアレイ(123a、b、223a、b)の前記第lのトランスデューサに対する前記出力オーディオ信号zl(t)は、式
【数９】
0006657375.tif 000060
またはその式から導出される式によって与えられ、
Jは、前記ビーム指向性パターンのビームの総数を表し、τjは第jのビームに対する時間遅延を表し、Kjは前記第jのビームに対する利得を表す請求項4から6のいずれか一項に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項８】
前記フィルタユニット(103)、前記複数のスケーリングユニット(107a〜v)、および前記複数の加算器(109a〜w)は、少なくとも2つのオーディオ入力オーディオ信号(101)を処理するように構成され、それによって、前記複数の利得係数によって定義されている前記ビーム指向性パターンを有するステレオ音場を生成するためのステレオ出力オーディオ信号(111)を発生させる請求項1から7のいずれか一項に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項９】
前記フィルタユニット(103)、前記複数のスケーリングユニット(107a〜v)、および前記複数の加算器(109a〜w)は、半軸対称スピーカーアレイを介して、さらなるビーム指向性パターンが前記複数の利得係数によって定義されるさらなる音場を形成するためのさらなる出力オーディオ信号を供給するようにさらに構成される請求項1から8のいずれか一項に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項１０】
前記オーディオ信号処理装置(100)は、低音増強ユニットをさらに備え、前記低音増強ユニットは、前記フィルタユニット(103)、前記複数のスケーリングユニット(107a〜v)、および前記複数の加算器(109a〜w)の個別に上流にある各オーディオ入力信号(101)を処理するように構成される請求項1から9のいずれか一項に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【請求項１１】
前記入力オーディオ信号(101)を異なる周波数帯域の2つまたはそれ以上の分割入力オーディオ信号に分割し、それによって、少なくとも第1および第2の入力オーディオ信号を供給するためのフィルタネットワークと、
前記第2の入力オーディオ信号を処理し、それによって、前記ビーム指向性パターンが前記複数の利得係数によって定義される前記音場を形成するための第2の出力オーディオ信号を供給するためのさらなるフィルタユニット、さらなる複数のスケーリングユニット、およびさらなる複数の加算器と
をさらに備える請求項1から10のいずれか一項に記載のオーディオ信号処理装置(100)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーディオ信号処理の分野に関する。特に、本発明は、オーディオ信号処理装置およびトランスデューサアレイを備える音響放射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
1つまたは複数のオーディオ信号を出力するためのトランスデューサまたはスピーカーアレイ(loudspeaker array)の異なる構成および形状は、従来技術において知られている。たとえば、WO2011/144499A1では、円筒形本体部上に装着された円形スピーカーアレイを開示している。適当な方式でオーディオ信号を処理することによって、WO2011/144499A1で開示されている円形スピーカーアレイの指向性の制御が可能になる。このプロセスは、通常ビームフォーミングと称される。
【０００３】
大半の事例において、円形および球形スピーカーアレイに対して、ビームフォーミングは、いわゆる「モードマッチング」アプローチに基づく。この目的は、円筒形本体部上に装着された円形スピーカーアレイにより音波ビームを発生させることである。アレイは、同じ高さにある剛体(理想的には無限)円筒の表面上に埋め込まれたL個のスピーカーからなる。スピーカー間の角度間隔は、均一であると想定される。方向φ0の方へ導かれる音波ビームを発生させるために必要な角座標φlのl番目のスピーカーを駆動する信号ql(ω)は、式(周波数領域)
【０００４】
【数１】
0006657375.tif 000002
【０００５】
によって与えられる。
ここで、X(ω)は音波ビームに関連付けられているモノラルオーディオ入力信号であり、Nはビームの幅を制御するパラメータであり、iは虚数単位であり、Cn(ω)は円筒の半径およびスピーカーの特性に依存する周波数依存関数である。係数Cn(ω)は、一般的に、無限および剛体円筒バッフル上の矩形ピストンによって放射される音場の解析的式から得られる(M. Kolundzija、C. Faller、およびM. Vetterli、「Design of a Compact Cylindrical Loudspeaker Array for Spatial Sound Reproduction」、AES 130th Conv.、2011、M. Moller、M. Olsen、F. Agerkvist、J. Dyreby、およびG. Munch、「Circular loudspeaker array with controllable directivity」、in Audio Engineering Society Convention 128、2010)。剛体円筒の有限の高さについても考慮したより高度な、ただし類似の式が導出された(H. TeutschおよびW. Kellermann、「Acoustic source detection and localization based on wavefield decomposition using circular microphone arrays」、Journal of the Acoustical Society of America、第120巻、2724〜2736頁、2006年11月)。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、革新的な音響放射装置に適合する革新的なオーディオ信号処理装置を実現することである。
【０００７】
前述の、および他の目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる実装形態は、従属請求項、説明、および図から明らかである。
【０００８】
第1の態様によれば、入力オーディオ信号を処理するためのオーディオ信号処理装置が実現され、これは、複数のフィルタを備え、各フィルタは複数のフィルタ処理されたオーディオ信号を取得するために入力オーディオ信号をフィルタ処理するように構成され、各フィルタは半回転の表面に適用される拡張モードマッチングビームフォーミング(extended mode matching beamforming)に従って設計され、表面はスピーカーエンクロージャ形状を部分的に特徴付ける、フィルタユニットと、複数のスケーリングユニットであって、各スケーリングユニットは複数の利得係数を使用して複数のフィルタ処理されたオーディオ信号をスケーリングして、スケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号を取得するように構成されている、複数のスケーリングユニットと、複数の加算器であって、各加算器はスケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号を組み合わせ、それによって複数の利得係数によって定義されたビーム指向性パターンを有する音場を生成するための出力オーディオ信号を供給するように構成されている、複数の加算器とを備える。半回転の表面は、母線の平面内の直線、すなわち軸の周りに180°だけ母線を回転させることによって定義される。直線が軸に平行に走る形態の母線の場合、半回転の表面は、半円筒の外面である。ここで拡張モードマッチングビームフォーミングは、半回転のそのような表面への従来のモードマッチングビームフォーミングの拡張として定義される。
【０００９】
こうして、革新的なオーディオ信号処理装置が実現される。
【００１０】
第1の態様によるオーディオ信号処理装置の第1の可能な実装形態において、複数のフィルタのうちの第nのフィルタのインパルス応答は、式
【００１１】
【数２】
0006657375.tif 000003
【００１２】
またはその式から導出される式によって定義され、
F-1は逆フーリエ変換を表し、Γnは半径方向距離rおよび周波数ωの関数として半回転の表面を含む全回転の表面の曲率に適合するトランスデューサアレイの放射極パターンを記述するフーリエ級数のn次係数を特徴付け、n次係数はスピーカーエンクロージャ形状に依存し、Rn(t)は第nのフィルタのインパルス応答を時間の関数として表す。
【００１３】
第1の実装形態によるオーディオ信号処理装置の第2の可能な実装形態において、第nのフィルタのインパルス応答は、式
【００１４】
【数３】
0006657375.tif 000004
【００１５】
またはその式から導出される式によって定義され、
βnは定義可能な正則化パラメータ(一般的に周波数依存である)を表す。
【００１６】
本発明の第1の態様の第1または第2の実装形態によるオーディオ信号処理装置の第3の可能な実装形態において、Γnは、式
Γn=2i-nbn(kR)
またはその式から導出される式によって定義され、
関数bn(kR)は、式
【００１７】
【数４】
0006657375.tif 000005
【００１８】
またはその式から導出される式によって定義され、
ξは積kRを表し、kは波数を表し、Rは半回転の表面の半径を表し、Hn'はn次のHankel関数の導関数を表す。
【００１９】
本発明の第1の態様の第1から第3の実装形態のうちのいずれか1つによるオーディオ信号処理装置の第4の可能な実装形態において、トランスデューサアレイの第lのトランスデューサに対する出力オーディオ信号は、式
【００２０】
【数５】
0006657375.tif 000006
【００２１】
またはその式から導出される式によって定義され、
zl(t)は出力信号を時間の関数として表し、x(t)は入力オーディオ信号を時間の関数として表し、
【００２２】
【数６】
0006657375.tif 000007
【００２３】
は畳み込み演算子を表し、nは0からNまでの範囲とすることができ、Nはビーム指向性パターンに依存し、Gn,lは第lのトランスデューサに対する第nの利得係数を表す。
【００２４】
第1の態様の第4の実装形態によるオーディオ信号処理装置の第5の可能な実装形態において、トランスデューサアレイの第lのトランスデューサに対する第nの利得係数は、式
【００２５】
【数７】
0006657375.tif 000008
【００２６】
またはその式から導出される式によって定義され、
δnはn=0の場合に1に等しくそれ以外の場合に0に等しいクロネッカーのデルタを表し、Lはトランスデューサアレイのトランスデューサの数を表し、φlはトランスデューサアレイの第lのトランスデューサの位置を識別する角座標を表し、fnは所望のビーム指向性パターンを記述するフーリエ級数またはフーリエ余弦級数の第nの係数を放射角の関数として特徴付ける。
【００２７】
本発明の第1の態様の第5の実装形態によるオーディオ信号処理装置の第6の可能な実装形態において、ビーム指向性パターンは、角度φ0によって定義される方向の単一ビームであり、第nの指向性係数fnは、式
【００２８】
【数８】
0006657375.tif 000009
【００２９】
またはその式から導出される式によって定義され、
γ(φ0)は、式
【００３０】
【数９】
0006657375.tif 000010
【００３１】
またはその式から導出される式によって与えられる角度依存係数である。
【００３２】
本発明の第1の態様の第4から第6の実装形態のうちのいずれか1つによるオーディオ信号処理装置の第7の可能な実装形態において、ビーム指向性パターンは、それぞれの角度φjによって定義されるそれぞれの方向の複数のビームによって定義され、トランスデューサアレイの第lのトランスデューサに対する出力オーディオ信号zl(t)は、式
【００３３】
【数１０】
0006657375.tif 000011
【００３４】
またはその式から導出される式によって与えられ、
Jは、ビーム指向性パターンのビームの総数を表し、τjは第jのビームに対する時間遅延を表し、Kjは第jのビームに対する利得を表す。
【００３５】
そのようなものとしての第1の態様による、または前記実装形態のいずれか1つによる、オーディオ信号処理装置の第8の可能な実装形態において、フィルタユニット、複数のスケーリングユニット、および複数の加算器は、少なくとも2つのオーディオ入力オーディオ信号を処理するように構成され、それによって、複数の利得係数によって定義されているビーム指向性パターンを有するステレオ音場を生成するためのステレオ出力オーディオ信号を発生させる。
【００３６】
そのようなものとしての第1の態様による、または前記実装形態のいずれか1つによる、オーディオ信号処理装置の第9の可能な実装形態において、フィルタユニット、複数のスケーリングユニット、および複数の加算器は、半軸対称スピーカーアレイを介して、さらなるビーム指向性パターンが複数の利得係数によって定義されるさらなる音場を形成するためのさらなる出力オーディオ信号を供給するようにさらに構成される。
【００３７】
そのようなものとしての第1の態様による、または前記実装形態のいずれか1つによる、オーディオ信号処理装置の第10の可能な実装形態において、オーディオ信号処理装置は、低音増強ユニットをさらに備え、低音増強ユニットは、フィルタユニット、複数のスケーリングユニット、および複数の加算器の個別に上流にある各オーディオ入力信号を処理するように構成される。
【００３８】
そのようなものとしての第1の態様による、または前記実装形態のいずれか1つによる、オーディオ信号処理装置の第11の可能な実装形態において、オーディオ信号処理装置は、入力オーディオ信号を異なる周波数帯域の2つまたはそれ以上の分割入力オーディオ信号に分割し、それによって、少なくとも第1および第2の入力オーディオ信号を供給するためのフィルタネットワークと、第2の入力オーディオ信号を処理し、それによって、ビーム指向性パターンが複数の利得係数によって定義される音場を形成するための第2の出力オーディオ信号を供給するためのさらなるフィルタユニット、さらなる複数のスケーリングユニット、およびさらなる複数の加算器とをさらに備える。
【００３９】
第2の態様によれば、音響放射装置が実現され、これは、音響放射セクションおよび後部セクションを備えるスピーカーエンクロージャであって、音響放射セクションは後部セクションに結合されるか、または一体であり、音響放射セクションは一般的にスピーカーエンクロージャの長さに沿って延在する軸の周りの半回転の表面を画成する、スピーカーエンクロージャと、スピーカーエンクロージャの音響放射セクション上に装着されている少なくとも1つのトランスデューサアレイであって、トランスデューサアレイを通過する平面は軸に直交しており、少なくとも1つのトランスデューサアレイは少なくとも1つのトランスデューサアレイが半回転の表面の曲率に適合するように湾曲している、少なくとも1つのトランスデューサアレイとを備える。代替的に、音響放射装置は、音響放射セクションおよび後部セクションを備えるスピーカーエンクロージャであって、音響放射セクションは後部セクションに結合されるか、または一体であり、音響放射セクションは一般的にスピーカーエンクロージャの長さに沿って延在する軸の周りの半回転の表面を画成する、スピーカーエンクロージャと、スピーカーエンクロージャ内に装着され、スピーカーエンクロージャの音響放射セクション内の音響放射ポートのアレイを画成する導波路のアレイに接続されている少なくとも1つのトランスデューサアレイであって、音響放射ポートのアレイを通過する平面は軸に直交しており、音響放射ポートのアレイは音響放射ポートのアレイが半回転の表面の曲率に適合するように湾曲している、少なくとも1つのトランスデューサアレイとを備える。
【００４０】
こうして、革新的な音響放射装置が実現される。
【００４１】
本発明の第2の態様による音響放射装置の第1の可能な実装形態において、少なくとも1つのトランスデューサアレイは、実質的に、音響放射セクションの幅にわたる。
【００４２】
そのようなものとしての本発明の第2の態様による、またはその第1の実装形態による音響放射装置の第2の可能な実装形態において、音響放射セクションは、少なくとも1つのトランスデューサアレイを装着するための開口を画成する。
【００４３】
そのようなものとしての本発明の第2の態様による、またはその第1または第2の実装形態による音響放射装置の第3の可能な実装形態において、スピーカーエンクロージャは、一般的に半軸対称形状を画成する。
【００４４】
そのようなものとしての本発明の第2の態様による、またはその第1から第3の実装形態のうちのいずれか1つによる音響放射装置の第4の可能な実装形態において、スピーカーエンクロージャは、一般的に反転円筒形状または半円錐形状のうちの一方を画成する。
【００４５】
本発明の第2の態様の第3または第4の実装形態による音響放射装置の第5の可能な実装形態において、音響放射装置は、一般的に半軸対称形状を画成するさらなるスピーカーエンクロージャであって、音響放射セクションと後部セクションとを備え、音響放射セクションは後部セクションに結合されるか、または一体であり、音響放射セクションは一般的にさらなるスピーカーエンクロージャの長さに沿って延在するさらなる軸の周りの半回転のさらなる表面を画成する、さらなるスピーカーエンクロージャと、さらなるスピーカーエンクロージャの音響放射セクション上に装着されている少なくとも1つのさらなるトランスデューサアレイであって、さらなるトランスデューサアレイを通過するさらなる平面は、さらなる軸に直交しており、少なくとも1つのさらなるトランスデューサアレイは少なくとも1つのさらなるトランスデューサアレイが半回転のさらなる表面の曲率に適合するように湾曲しており、さらなるスピーカーエンクロージャの後部セクションは、スピーカーエンクロージャの後部セクションに結合されるように構成され、それによって、一般的に軸対称形状を画成する、少なくとも1つのさらなるトランスデューサアレイ、またはさらなるスピーカーエンクロージャ内に装着され、さらなるスピーカーエンクロージャの音響放射セクション内の音響放射ポートのさらなるアレイを画成する導波路のさらなるアレイに接続されている少なくとも1つのさらなるトランスデューサアレイであって、音響放射ポートのさらなるアレイを通過するさらなる平面は、さらなる軸に直交しており、音響放射ポートのさらなるアレイは音響放射ポートのさらなるアレイが半回転のさらなる表面の曲率に適合するように湾曲している、少なくとも1つのさらなるトランスデューサアレイとを備える。
【００４６】
そのようなものとしての本発明の第2の態様による、またはその第1から第5の実装形態のうちのいずれか1つによる音響放射装置の第6の可能な実装形態において、少なくとも1つのトランスデューサアレイは、第1のトランスデューサアレイと第2のトランスデューサアレイとを備え、第1のトランスデューサアレイを通過する第1の平面は、軸に直交しており、第2のトランスデューサアレイを通過する第2の平面は、軸に直交しており、第1および第2の平面は、互いに平行である。
【００４７】
本発明の第2の態様の第6の実装形態による音響放射装置の第7の可能な実装形態において、第1のトランスデューサアレイのトランスデューサの位置は、第2のトランスデューサアレイのトランスデューサの位置に関して角度オフセットを有する。
【００４８】
本発明の第2の態様の第7の実装形態による音響放射装置の第8の可能な実装形態において、角度オフセットは、第1のトランスデューサアレイの隣接するトランスデューサの間の角度間隔の約半分である。
【００４９】
そのようなものとしての本発明の第2の態様による、またはその第1から第8の実装形態のうちのいずれか1つによる音響放射装置の第9の可能な実装形態において、音響放射装置は、そのようなものとしての本発明の第1の態様による、またはその第1から第11の実装形態のいずれか1つによる、オーディオ信号処理装置をさらに備える。
【００５０】
次の図に関して、本発明のさらなる実施形態についてさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】一実施形態によるオーディオ信号処理装置および一実施形態による音響放射装置を例示する概略図である。
【図２】第1の構成および第2の構成における一実施形態による音響放射装置の斜視図である。
【図３】第2の構成における一実施形態による音響放射装置の斜視図である。
【図４】第1の構成における一実施形態による音響放射装置の斜視図である。
【図５】第1の構成における一実施形態による音響放射装置の斜視図である。
【図６】第1の構成における一実施形態による音響放射装置のための実装シナリオの概略上面図である。
【図７】第2の構成における一実施形態による音響放射装置のための実装シナリオの概略上面図である。
【図８】第2の構成における一実施形態による音響放射装置のための実装シナリオの概略上面図である。
【図９】第1の構成および第2の構成における一実施形態による音響放射装置の概略上面図である。
【図１０】一実施形態によるオーディオ信号処理装置を例示する概略図である。
【図１１】一実施形態によるオーディオ信号処理装置を例示する概略図である。
【図１２】一実施形態によるオーディオ信号処理装置を例示する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
異なる図でも、可能な限り、同一のまたは少なくとも機能的に等価な特徴に対して同一の参照記号が使用されている。
【００５３】
以下の詳細な説明では、開示の一部をなす、本発明が実践され得る特定の態様が、図解を用いて示されている、添付図面が参照される。他の態様が利用され得ることと、および本発明の範囲から逸脱することなく構造的または論理的変更が加えられ得ることは理解される。したがって、次の詳細な説明は、本開示の範囲が付属の請求項により画定されるので、限定的な意味で解釈すべきではない。たとえば、本明細書で説明されている様々な例示的な態様の特徴は、特に断りのない限り、互いに組み合わされ得ることは理解される。
【００５４】
図1は、一実施形態によるオーディオ信号処理装置100の概略を示している。
【００５５】
オーディオ信号処理装置100は、入力オーディオ信号101を処理するように構成される。図1に示されているように、入力オーディオ信号101は、複数の入力オーディオ信号またはチャネル、たとえば、ステレオ入力オーディオ信号の左チャネルおよび右チャネルを備えることができる。
【００５６】
オーディオ信号処理装置100は、複数のフィルタ103a〜uを有するフィルタユニット103を備える。フィルタユニット103のフィルタ103a〜uは、複数のフィルタ処理されたオーディオ信号105を取得するために入力オーディオ信号101をフィルタ処理するように構成され、半回転の表面に適用される拡張モードマッチングビームフォーミングに従って設計され、表面は、図1に示されているスピーカーエンクロージャ121などの、スピーカーエンクロージャの形状を部分的に特徴付ける。半回転の表面は、母線の平面内の直線、すなわち軸の周りに180°だけ母線を回転させることによって定義される。直線が軸に平行に走る形態の母線の場合、半回転の表面は、半円筒の外面である。ここで拡張モードマッチングビームフォーミングは、半回転のそのような表面への従来のモードマッチングビームフォーミングの拡張として定義される。
【００５７】
オーディオ信号処理装置100は、複数のスケーリングユニット107a〜vをさらに備え、各スケーリングユニット107a〜vは、複数の利得係数を使用して複数のフィルタ処理されたオーディオ信号105(フィルタユニット103によって供給される)をスケーリングして、スケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号108を取得するように構成される。
【００５８】
オーディオ信号処理装置100は、複数の加算器109a〜wをさらに備え、各加算器109a〜wは、スケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号108を組み合わせ、それによって複数の利得係数によって定義されたビーム指向性パターンを有する音場を生成するための出力オーディオ信号111を供給するように構成される。図1に示されているように、出力オーディオ信号111は、一般的に、複数の出力オーディオ信号を含む。一実施形態において、各加算器109a〜wは、スケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号108を加算するように構成され得る。一実施形態において、各加算器109a〜wは、トランスデューサアレイのトランスデューサ、たとえば、図1に示されているトランスデューサアレイ123にそれぞれの出力信号111を供給するためにスケーリングされた複数のフィルタ処理されたオーディオ信号108を組み合わせるように構成され得る。一般的に、トランスデューサの個数は、加算器109a〜wの個数に対応する。
【００５９】
図1は、さらに、オーディオ信号処理装置100と通信する音響放射装置120の概略を示している。図1には別々のコンポーネントとして示されているが、一実施形態では、オーディオ信号処理装置100は、音響放射装置120の一部であってよい。
【００６０】
音響放射装置120は、音響放射セクション121aおよび後部セクション121bを有するスピーカーエンクロージャ121を備え、音響放射セクション121aは、後部セクション121bに結合されるか、または一体である。一般的に、音響放射セクション121aは、スピーカーエンクロージャ121の長さに沿って延在する軸の周りの半回転の表面を画成する。図1の概略図では、この軸は図1によって定義された平面の法線方向に走る。
【００６１】
さらに、音響放射装置120は、スピーカーエンクロージャ121の音響放射セクション121a上に装着され得る複数のトランスデューサまたはスピーカーを備える少なくとも1つのトランスデューサアレイ123aを具備し、トランスデューサアレイ123aを通過する平面は、軸に直交している。図1の概略図において、トランスデューサアレイ123aを通過する平面は、図1によって定義される平面と一致する。図1に示されているように、トランスデューサアレイ123aは、トランスデューサアレイ123aが半回転の表面の曲率に適合するように湾曲している。
【００６２】
一実施形態において、トランスデューサアレイ123aのトランスデューサは、スピーカーエンクロージャ121の音響放射セクション121aの表面上に埋め込まれる。この目的のために、一実施形態では、トランスデューサアレイ123aを収容するためにスピーカーエンクロージャ121の音響放射セクション121a内に1つまたは複数の開口が設けられるものとしてよい。音響放射装置120の一実施形態において、スピーカーエンクロージャ121内にさらなる開口を設け、たとえばアコースティックベントを形成することができる。
【００６３】
一実施形態において、トランスデューサアレイ123aのトランスデューサは、音響放射装置120内に一体化された導波路を組み合わされ得る。この実施形態では、トランスデューサアレイ123aのトランスデューサは、スピーカーエンクロージャ121の内部に装着されてよく、導波路は、各トランスデューサのダイアフラムを音響放射セクション121a上の音響放射ポート、すなわち、音響放射装置120の外部と接続することができる。
【００６４】
次のさらなる実装形態において、オーディオ信号処理装置100および音響放射装置120の実施形態および態様が説明される。
【００６５】
図2は、第1の構成および第2の構成における一実施形態による音響放射装置120の斜視図を示している。図1に示されている音響放射装置120と比較して、図2に示されている音響放射装置120は、スピーカーエンクロージャ121に加えて、さらなるトランスデューサアレイ223aを備えるさらなるスピーカーエンクロージャ221を備える。
【００６６】
一実施形態において、一般的に半軸対称形状を有することができるさらなるスピーカーエンクロージャ221は、音響放射セクション221aと後部セクション221bとを備える。一実施形態において、音響放射セクション221aは、後部セクション221bに結合されるか、または一体であり、一般的にさらなるスピーカーエンクロージャ221の長さに沿って延在するさらなる軸の周りの半回転のさらなる表面を画成する。一実施形態において、さらなるトランスデューサアレイ223aは、さらなるスピーカーエンクロージャ221の音響放射セクション221a上に装着され、さらなるトランスデューサアレイ223aを通過するさらなる平面は、さらなる軸に直交している。一実施形態において、さらなるトランスデューサアレイ223aは、さらなるトランスデューサアレイ223aが半回転のさらなる表面の曲率に適合するように湾曲している。一代替的実施形態において、さらなるトランスデューサアレイは、さらなるスピーカーエンクロージャ221内に装着され、さらなるスピーカーエンクロージャ221の音響放射セクション221a内の音響放射ポートのさらなるアレイを画成する導波路のさらなるアレイに接続され、音響放射ポートのさらなるアレイを通過するさらなる平面は、さらなる軸に直交しており、音響放射ポートのさらなるアレイは音響放射ポートのさらなるアレイが半回転のさらなる表面の曲率に適合するように湾曲している。
【００６７】
一実施形態において、さらなるスピーカーエンクロージャ221の後部セクション221bは、スピーカーエンクロージャ121の後部セクション121bに結合されるように構成され、それによって、一般的に軸対称形状を画成する。これは、図2の左手側に示されており、さらなるスピーカーエンクロージャ221の後部セクション221bは、スピーカーエンクロージャ121の後部セクション121bに結合され、それによって、音響放射装置120の第1の構成を画成する。図2の右手側では、トランスデューサアレイ123aを収容するスピーカーエンクロージャ121およびさらなるトランスデューサアレイ223aを収容するさらなるスピーカーエンクロージャ221は、互いに分離され、それによって、音響放射装置120の第2の構成を画成する。
【００６８】
図2に例示されているように、一実施形態において、トランスデューサアレイ123aは、スピーカーエンクロージャ121の音響放射セクション121aの幅に実質的にわたっており、さらなるトランスデューサアレイ223aは、さらなるスピーカーエンクロージャ221の音響放射セクション221aの幅に実質的にわたっている。
【００６９】
図2からわかるように、スピーカーエンクロージャ121およびさらなるスピーカーエンクロージャ221は半円筒の形状を有する。一般的に、スピーカーエンクロージャ121およびさらなるスピーカーエンクロージャ221は、軸対称形状の片側半分、すなわち、回転の表面または回転体の片側半分、たとえば、円錐の片側半分を画成することができる。
【００７０】
一実施形態において、第1のトランスデューサアレイ123aは、さらなるスピーカーエンクロージャ221の音響放射セクション221a上のさらなるトランスデューサアレイ223aと同じ高さでスピーカーエンクロージャ121の音響放射セクション121a上に配置構成され得る。一実施形態において、トランスデューサアレイ123aの隣接するトランスデューサとさらなるトランスデューサアレイ223aとの間の角度間隔Δφは均一であり得る。これは、トランスデューサアレイ123aおよびさらなるトランスデューサアレイ223aが一実施形態において2L個のトランスデューサを備える場合であることを意味し、隣接するトランスデューサの間の角度間隔Δφは、式
【００７１】
【数１１】
0006657375.tif 000012
【００７２】
で与えられる。
【００７３】
図2の左側に示されている音響放射装置120の第1の構成について、スピーカーエンクロージャ121の後部セクション121bは、さらなるスピーカーエンクロージャ221の後部セクションに結合され、第lのトランスデューサの位置を識別する角座標φlは、式
φl=lΔφ, l=0,1,_,2L-1 (3)
によって与えられる。
【００７４】
図2の右側に示されている音響放射装置120の第2の構成について、所与のトランスデューサアレイに対する第lのトランスデューサの角座標は、式
【００７５】
【数１２】
0006657375.tif 000013
【００７６】
によって与えられる。
【００７７】
図3は、第2の構成、すなわち、トランスデューサアレイ123aを備えるスピーカーエンクロージャ121およびトランスデューサアレイ223aを備えるスピーカーエンクロージャ221が、他方から物理的に分離される構成の一実施形態による音響放射装置120の斜視図を示している。図3に示されている例示的な実施形態において、トランスデューサアレイ123aを備えるスピーカーエンクロージャ121およびトランスデューサアレイ223aを備えるスピーカーエンクロージャ221は、それぞれの後部セクションとともに壁340上に装着される。一実施形態において、音響放射装置120は、図3に示されている例示的な実施形態において、トランスデューサアレイ123aを備えるスピーカーエンクロージャ121とトランスデューサアレイ223aを備えるスピーカーエンクロージャ221との間に配置構成される、ディスプレイ330とともに使用され得る。
【００７８】
図4は、第1の構成、すなわち、トランスデューサアレイ123aを備えるスピーカーエンクロージャ121およびトランスデューサアレイ223aを備えるスピーカーエンクロージャ221が、それぞれの後部セクションを用いて一緒に結合される構成の一実施形態による音響放射装置120の斜視図を示している。図4に示されている音響放射装置120は、もっぱら2つの態様において図2および図3に示されている音響放射装置120と異なる。最初に、スピーカーエンクロージャ121および図4に示されている音響放射装置120のスピーカーエンクロージャ221は、一緒に、図2に示されている実施形態の場合と同様に、円筒の形状を画成しないが、軸対称のボトル状の形状を画成する。第2に、スピーカーエンクロージャ121および図4に示されている音響放射装置120のスピーカーエンクロージャ221は、各々、異なる高さの2つのトランスデューサアレイ、すなわち、トランスデューサアレイ123aおよび123bさらにはトランスデューサアレイ223aおよび223bを収容する。一実施形態において、第1のトランスデューサアレイ123a、223aを通過する第1の平面は、音響放射装置120の対称軸に直交しており、第2のトランスデューサアレイ123b、223bを通過する第2の平面も、対称軸に直交しており、それにより、第1および第2の平面は、互いに平行である。
【００７９】
一実施形態において、トランスデューサアレイ123a、223aおよびトランスデューサアレイ123b、223bは、異なる音波ビームを生成するために独立して使用され得るか、または同じ1つまたは複数のビームを生成するために組み合わせて使用され得る。たとえば、異なるトランスデューサアレイ(異なるトランスデューサ特性または配置構成を有する)を使用して、生成されるべき1つまたは複数の音波ビームのスペクトル成分の異なる周波数部分を再現することが可能である。
【００８０】
理想的な構成は、無限個数の円形トランスデューサアレイを含み、半径r(ω)のトランスデューサアレイの各組合せは、単一周波数ωに使用される。半径は、積ω・r(ω)が一定に保たれるように選択される。この理想的な場合において、フィルタRnのインパルス応答は一定であることが示され得る。しかしながら、そのような理想的な構成は明らかに実用的でなく、実際、一般的に、有限個数のトランスデューサアレイが選択されるべきである。たとえば、図4に示されている実施形態では、第1のトランスデューサアレイ123aおよび223aは、半径r1を有する第1の円を定義し、第2のトランスデューサアレイ123bおよび223bは、より大きい半径r2を有する第2の円を定義する。一実施形態において、音響放射装置120は、おおよそ角周波数ω1の付近の第1の周波数範囲を有する第1の帯域制限されたオーディオ信号を供給し、おおよそ角周波数ω2の付近の第2の周波数範囲を有する第2の帯域制限されたオーディオ信号を供給するように構成され、角周波数ω1およびω2は、式
【００８１】
【数１３】
0006657375.tif 000014
【００８２】
またはその式から導出される式によって与えられ、
インデックスαは値1または2を取ることができ、cは音速を表し、Δφaは第1および第2のトランスデューサアレイのトランスデューサの分離角を表す。
【００８３】
したがって、本発明を用いることで、異なる周波数範囲に対して最適化された異なるトランスデューサアレイを設計することが可能である。この場合、所与のビームへの入力信号は、多数の周波数帯域に分離されるものとしてよく(たとえば、マルチバンドクロスオーバーネットワークを使用して)、その各々はトランスデューサアレイの所与の組合せへの入力信号に対応する。したがって、オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、オーディオ信号処理装置100は、入力オーディオ信号101を異なる周波数帯域の2つまたはそれ以上の分割入力オーディオ信号に分割し、それによって、少なくとも第1および第2の入力オーディオ信号を供給するためのフィルタネットワークと、第2の入力オーディオ信号を処理し、それによって、ビーム指向性パターンが複数の利得係数によって定義される音場を形成するための第2の出力オーディオ信号を供給するためのさらなるフィルタユニット、さらなる複数のスケーリングユニット、およびさらなる複数の加算器とをさらに備える。
【００８４】
図5は、第1の構成、すなわち、トランスデューサアレイ123aを備えるスピーカーエンクロージャ121およびトランスデューサアレイ223aを備えるスピーカーエンクロージャ221が、それぞれの後部セクションを用いて一緒に結合される構成の一実施形態による音響放射装置120の斜視図を示している。図5に示されている音響放射装置120は、前の図に示されている音響放射装置120と、もっぱら、第1のトランスデューサアレイ123aおよび223aが、図5に示されている実施形態では第1のトランスデューサアレイ123aおよび223aの真下に配置構成されている第2のトランスデューサアレイ123bおよび223bに関する角度オフセットを有するという点で異なる。言い替えれば、第1のトランスデューサアレイ123aおよび223aのトランスデューサの位置は、第2のトランスデューサアレイ123bおよび223bのトランスデューサの位置に関して角度オフセットを有する。音響放射装置120の一実施形態において、角度オフセットは、第1のトランスデューサアレイ123aおよび223aの隣接するトランスデューサの間の角度間隔の約半分であり得る。このアプローチでは、ビーム指向性パターンが空間エイリアシングによって破損してしまう限界である周波数限界を高めることによって音響放射装置120の動作周波数範囲を高めることができる。
【００８５】
一実施形態において、オーディオ信号処理装置100およびそれの以下で説明されているさらなる実施形態では、1つまたは複数の指向性音波ビームを生成するために音響放射装置120のトランスデューサアレイ123a、b、223a、bのトランスデューサに対する入力信号を生成する信号処理戦略を実装する。図6から図8は、音響放射装置120の例示的な実装シナリオを示しており、これは、以下でさらに詳しく説明されるように、オーディオ信号処理装置100内に実装される異なる信号処理戦略によって達成され得る。
【００８６】
図6は、第1の構成における音響放射装置120の一実施形態を示しており、オーディオ信号処理装置100は、音響放射装置120が第1の聴取者によって定められる第1の方向の第1の音波ビームおよび第2の聴取者によって定められる第2の方向の第2の音波ビームを放射するように構成される。
【００８７】
図7は、第2の構成における音響放射装置120の一実施形態を示しており、オーディオ信号処理装置100は、音響放射装置120の一方のトランスデューサアレイが左チャネル音波ビームを第1の方向に放射し、音響放射装置120の他方のトランスデューサアレイが右チャネル音波ビームを第2の方向に放射し、第1および第2方向は聴取者の位置によって定められるように構成される。
【００８８】
図8は、第2の構成における音響放射装置120の一実施形態を示しており、オーディオ信号処理装置100は、音響放射装置120の一方のトランスデューサアレイが第1の左チャネル音波ビームを第1の方向に、第2の左チャネル音波ビームを第2の方向に放射し、音響放射装置120の他方のトランスデューサアレイが第1の右チャネル音波ビームを第1の方向に、第2の右チャネル音波ビームを第2の方向に放射するように構成される。これは、たとえばマルチポートステレオを実現するために使用することが可能である。
【００８９】
次に、オーディオ信号処理装置100の実施形態が上で説明されている音響放射装置120の実施形態のトランスデューサアレイ123a、b、223a、bのトランスデューサに対する入力信号を生成するように構成され得るという理解の下でトランスデューサアレイ123aをもっぱら参照する。
【００９０】
典型的には、音波ビームは、所与の指向性パターンf(r,φ,ω)によって特徴付けられ、これは、中心がトランスデューサアレイ123aの中心と一致し得る、また赤道面上に置かれるものとしてよい、所与の半径rを有する円の周上で音響放射装置120のトランスデューサアレイ123aによって生成される音圧を定義する。放射パターンは、角度φ(周上の所与の点を識別する)および再現されるべき音の周波数ωの関数である。また、第lのトランスデューサは角度位置φlに配置されている、トランスデューサアレイ123aの各トランスデューサは、音波ビームの指向性パターンと同じ方式で定義される、所与の指向性パターンGNF(r,φl,φ,ω)に関連付けられる。
【００９１】
各音波ビームは、これ以降所与のビームの「入力信号」と称される、所与の単一チャネルオーディオ信号x(t)に関連付けられる。各ビームは、「ステアリング角」(またはビーム方向)φ0に関連付けられ、これはそのビームに関連付けられている放射パターンの絶対値の最大値に対応する角座標を識別する。
【００９２】
次の数式の導出について、スピーカーエンクロージャ121およびトランスデューサアレイ123aは、図9の右側に示されているように、平坦な(および理想的には無限の)音響反射壁340上に配置構成されていると仮定される。φlに配置されている第lのトランスデューサの指向性パターンは、式
【００９３】
【数１４】
0006657375.tif 000015
【００９４】
を使用して表現されるものとしてよく、
δnはn=0の場合に1に等しくそれ以外の場合に0に等しいクロネッカーのデルタを表し、係数Γn(r,ω)は、もっぱらトランスデューサアレイ123aの幾何学的形状に依存する。係数Γn(r,ω)に対する解析的式は、トランスデューサアレイ123aのトランスデューサが剛体半円筒として構成されている、音響放射セクション121aの表面上に埋め込まれる場合についてさらに以下の数学的付録において導出される。
【００９５】
音波ビームの指向性パターン(ビーム指向性パターンとも称される)は、式
【００９６】
【数１５】
0006657375.tif 000016
【００９７】
を使用して表現されるものとしてよい。
【００９８】
典型的には、指向性係数fnは、ビームのステアリング方向および特性に依存する。一実施形態において、指向性係数fnは、周波数ωに無関係であるものとしてよい。一実施形態において、指向性係数fnは、周波数依存となるように選択できる。
【００９９】
オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、ビーム指向性パターンは、角度φ0(ステアリング角度とも称される)によって定義される方向の単一ビームであり、第nの指向性係数fnは、式
【０１００】
【数１６】
0006657375.tif 000017
【０１０１】
またはその式から導出される式によって定義され、
γ(φ0)は、式
【０１０２】
【数１７】
0006657375.tif 000018
【０１０３】
またはその式から導出される式によって与えられる角度依存係数である。
【０１０４】
角度依存係数γ(φ0)は、有利には、ステアリング方向の圧力レベルがステアリング角度φ0の関数として変化しないことを保証する。パラメータNは、ビームの幅を制御する(Nが大きければ大きいほどビーム指向性は高くなる)。指向性係数fnに対する式(8)以外の選択も可能である。
【０１０５】
上記の式(7)および(8)は、対称的指向性パターンのフーリエ級数表現である。実際、剛体壁上に装着された音響放射装置120によって放射される音は、完全軸対称アレイによって放射される音として解釈することができ、φlおよび-φlに配置されているトランスデューサの各対は、それぞれ、同じ入力信号で駆動される(したがって、剛体壁に関する指向性パターンの対称性)。
【０１０６】
指向性パターンは(音響放射装置の第1の構成に対する円周とは反対に)半円周上で定義されるので、上記のすべての式における角座標φは、0からπラジアンまで変化することに留意されたい。また、トランスデューサアレイ123aのトランスデューサは、半円周上に配置構成される。これは、円形アレイに対する従来のビームフォーミング方法がこの場合に適用できないことを意味する。
【０１０７】
本発明によって提案されている新しいアプローチの数式の導出は、以下でさらに数学的付録において詳しく説明されており、トランスデューサの半円形配置構成について特に導出されるモードマッチングアプローチの再定式化とみなせる。以下から明らかなように、この導出は、上記の式(1)のようにフーリエ級数をもはや伴うことはないが、式(A.23)で定義されているような離散的コサイン変換を伴う。
【０１０８】
円形アレイの場合と反対に、音波ビーム指向性パターンは、回転不変でないことも強調されるべきである。これは、指向性パターンの形状がステアリング角度φ0に依存することを意味する。これは、反射壁340の存在によって引き起こされる。このような理由から、φ0での指向性パターンの値が1であることを保証するために、係数γ(φ0)を含むことは有利である。
【０１０９】
信号処理方式は、Green関数GNF(r,φl,φ,ω)が予めわかっていることに基づく(すでに上で指向性パターンと称されている)。一実施形態において、Green関数GNF(r,φl,φ,ω)は、数値法または測定を用いて計算され得る。トランスデューサアレイ123sのトランスデューサが音響放射セクション121aの表面上に埋め込まれ、解析的導出については無限および剛体半円筒の表面の形状を有することを仮定され、装置120それ自体は無限剛体壁上に装着されている、実施形態に対するGreen関数GNF(r,φl,φ,ω)の解析的式は、さらに以下の数学的付録において開示されている。
【０１１０】
単一のトランスデューサアレイにより単一のビームを生成するためのオーディオ信号処理装置100の一実施形態において実装される信号処理方式の概略図は、図10に示されている。一実施形態において、音波ビームは、式(8)によって与えられる指向性パターンを有する。信号x(t)は、N個のフィルタのフィルタユニットまたはフィルタバンク103に入力される。わかりやすくするため、それらのN個のフィルタのうちの2つのみが、図10の参照記号によって識別されている、すなわち、フィルタ103aおよびフィルタ103uである。
【０１１１】
信号処理方式は、Green関数GNF(r,φl,φ,ω)が予めわかっていることに基づく(すでに上で指向性パターンと称されている)。一実施形態において、Green関数GNF(r,φl,φ,ω)は、数値法または測定を用いて計算され得る。トランスデューサアレイ123aのトランスデューサが音響放射セクション121aの表面上に埋め込まれ、解析的導出については無限および剛体半円筒の表面の形状を有することを仮定され、装置120それ自体は無限剛体壁上に装着されている、実施形態に対するGreen関数GNF(r,φl,φ,ω)の解析的式は、さらに以下の数学的付録において開示されている。
【０１１２】
【数１８】
0006657375.tif 000019
【０１１３】
またはその式から導出される式によって定義され、
F-1は逆フーリエ変換を表し、Γnは半径方向距離rおよび周波数ωの関数として半回転の表面を含む全回転の表面の曲率に適合するトランスデューサアレイ123aの放射極パターンを記述するフーリエ級数のn次係数を特徴付け、n次係数はスピーカーエンクロージャ121の音響放射領域121aの形状に依存し、Rn(t)はフィルタユニット103の第nのフィルタのインパルス応答を時間の関数として表す。当業者であれば理解するように、式(10)は、
【０１１４】
【数１９】
0006657375.tif 000020
【０１１５】
の簡素化されたバージョンであり、
*は複素共役を表す。
【０１１６】
さらなる実施形態において、フィルタユニット103のフィルタのうちの第nのフィルタのインパルス応答は、定義可能な正則化パラメータβn(一般的に周波数依存である)を含み得る。したがって、オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、フィルタユニット103のうちの第nのフィルタのインパルス応答は、式
【０１１７】
【数２０】
0006657375.tif 000021
【０１１８】
またはその式から導出される式によって定義される。
【０１１９】
以下でさらに数学的付録においてより詳しく説明されるように、オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、Γnは、式
Γn=2i-nbn(kR)
またはその式から導出される式によって定義され、
関数bn(kR)は、式
【０１２０】
【数２１】
0006657375.tif 000022
【０１２１】
またはその式から導出される式によって定義され、
ξは積kRを表し、kは波数を表し、Rは半回転の表面の半径を表し、Hn'はn次のHankel関数の導関数を表す。
【０１２２】
フィルタ処理されたオーディオ信号yn(t)は、インパルス応答Rn(t)を有するフィルタの出力として定義される。信号yn(t)、n=0,1,…,Nは、利得またはスケーリングユニットのL個のバンク(サブアレイの各ソースに対して利得の1つのバンク)に入力される。わかりやすくするため、2つのスケーリングユニットまたは利得のみが、図10の参照記号によって識別されている、すなわち、スケーリングユニット107aおよびスケーリングユニット107vである。スケーリングユニットの各バンクは、N個のスケーリングユニットを含み、その各々が利得係数を対応する信号のフィルタ処理されたオーディオ信号yn(t)に適用する。
【０１２３】
一実施形態において、トランスデューサアレイ123aの第lのトランスデューサに対する第nの利得係数、すなわち、第nのスケーリングユニットによって供給される利得係数は、式
【０１２４】
【数２２】
0006657375.tif 000023
【０１２５】
またはその式から導出される式によって定義され、
δnはn=0の場合に1に等しくそれ以外の場合に0に等しいクロネッカーのデルタを表し、Lはトランスデューサアレイ123aのトランスデューサの数を表し、fnは所望のビーム指向性パターンを記述するフーリエ級数またはフーリエ余弦級数の第nの係数を放射角の関数として特徴付ける。当業者であれば理解するように、利得係数は、所望のビーム指向性パターンのパラメータ、インデックスn、および所与のトランスデューサの角座標に依存する。スケーリングユニットの単一バンクの出力信号は、加算器、たとえば、図10において識別されている加算器109aおよび109wによって総和され、それにより、トランスデューサアレイ123aの第lのトランスデューサへの入力である出力オーディオ信号zl(t)を生成する。
【０１２６】
したがって、オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、トランスデューサアレイ123aの第lのトランスデューサに対する出力オーディオ信号zl(t)は、式
【０１２７】
【数２３】
0006657375.tif 000024
【０１２８】
またはその式から導出される式によって定義され、
zl(t)は出力信号を時間の関数として表し、x(t)は入力オーディオ信号を時間の関数として表し、
【０１２９】
【数２４】
0006657375.tif 000025
【０１３０】
は畳み込み演算子を表し、nは0からNまでの範囲とすることができ、Nはビーム指向性パターンに依存し、Gn,l(φ0)はトランスデューサアレイ123aの第lのトランスデューサに対する第nの利得係数を表す。
【０１３１】
一実施形態において、オーディオ信号処理装置100を備える音響放射装置120は、単一のトランスデューサアレイのみ、たとえば、トランスデューサアレイ123aを使用して複数の音波ビームを発生させることもできる。この目的のために、一実施形態では、線形重ね合わせ原理が適用され得る。ビームの数に等しい数の入力信号が供給されるべきである。図10の文脈において説明されている信号処理戦略を使用してこれらの信号の各々が処理され、信号zl(t)は、トランスデューサに供給される前に総和される。一実施形態において、同じ入力信号x(t)に関連付けられているが、異なる方向に導かれる(またはより一般的に異なる特性を有する)複数のビームを発生させることが可能である。この場合に、図11に示されているように、フィルタ103aおよびフィルタ103uなどの、インパルス応答Rn(t)を有する複数のフィルタを備えるフィルタユニット103が1つだけあれば十分である。
【０１３２】
したがって、オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、ビーム指向性パターンは、それぞれの角度φjによって定義されるそれぞれの方向の複数のビームによって定義され、トランスデューサアレイ123aの第lのトランスデューサに対する出力オーディオ信号zl(t)は、式
【０１３３】
【数２５】
0006657375.tif 000026
【０１３４】
またはその式から導出される式によって与えられ、
Jは、ビーム指向性パターンのビームの総数を表し、τjは第jのビームに対する時間遅延を表し、Kjは第jのビームに対する利得を表す。
【０１３５】
図12は、2つのトランスデューサアレイ、たとえば、トランスデューサアレイ123aおよびトランスデューサアレイ223aが使用される場合の一実施形態を示している。一実施形態において、各トランスデューサアレイ123a、223aは、任意の数のビームを発生させることができ、その各々は、図8に例示されているように、所与のターゲット位置、たとえば聴取者によって占有される空間の領域に向けられ得る。上ですでに説明されているように、図7は、単一の聴取者の方へ向けられた2つのビームの場合を表し、各ビームは、1つのトランスデューサアレイ123a、223aによって生成される。2つのビームの入力信号は、たとえば、ステレオ信号の左チャネルおよび右チャネルとすることができる。図12に示されている2つのトランスデューサアレイ123a、223aが同じ入力信号を用いてビームを発生させる場合、図12で識別されているフィルタ103aおよび103uなどの、複数のフィルタを備える1つのフィルタユニット103を有することで十分である。
【０１３６】
図12に示されている実施形態に対する使用事例が図7に示されている、すなわち、左トランスデューサアレイ123aが2つ(またはそれ以上)の異なるステレオ信号の左チャネルに関連付けられ、2人(またはそれ以上)の聴取者の方へ導かれる2つ(またはそれ以上)のビームを発生させ、右トランスデューサアレイ223aは同じことを行うが、ただし、考えられているステレオ信号の右チャネルに対してである場合である。図8にも示されている、図12に示されている実施形態に対する別の使用事例は、同じステレオまたはバイノーラル信号が2つの異なる位置に配置されている2人の聴取者に送られることによるものである。この場合、各トランスデューサアレイ123a、223aは、同じ信号(ステレオ信号の左または右チャネル)に関連付けられているが異なる方向へ導かれる2つのビームを発生する。
【０１３７】
低い周波数での音波ビームの指向性は、一般的に、トランスデューサアレイの物理的サイズによって制限される。たとえば、小さいトランスデューサアレイによる高指向性低周波ビームの発生は、これが理想的状態から逸脱するときに音響放射装置120の性能を低下させ得る振幅が非常に大きい信号によって駆動されることを必要とする。したがって、オーディオ信号処理装置100の一実施形態において、オーディオ信号処理装置100は、低音増強ユニットをさらに備え、低音増強ユニットは、フィルタユニット103、複数のスケーリングユニット107a〜v、および複数の加算器109a〜wの個別に上流にある各オーディオ入力信号101を処理するように構成される。上で説明されている信号処理戦略と組み合わせた心理音響的低音増強ユニットは、聴取者が、音響放射装置100が信号スペクトルの低い部分を物理的に再現する(またはその周波数範囲内でわずかなエネルギーを発生する)ことなく、所与のオーディオ信号の低周波成分を知覚することを可能にする。このアプローチでは、トランスデューサアレイは、帯域制限されている(すなわち、低い周波数がない)が、高指向性のビームを発生することができるが、音波ビームのスイートスポットにいる聴取者は(理想的には)フルレンジのオーディオ信号を知覚する。一実施形態において、低音増強ユニットによる処理は、各入力信号に個別に適用される。
【０１３８】
次の数学的付録において、上で使用されている式のいくつかが導出され、および/またはより詳しく説明される。最初に、解析的式は、図9の右側に示されているように、剛体無限壁上に配置構成されている無限剛体半円筒の表面上に埋め込まれた理想的無指向性トランスデューサまたはスピーカー(理想的モノポール)の放射パターンについて導出される。その目的のために、等価散乱アプローチが使用される。より具体的には、半円筒上の位置φ,zの剛体半円筒上の点源によって生成される場の方向φq、θqの遠視野近似は、半円筒によって、および硬質壁によって散乱され、位置φ,zの半円筒の表面上で測定される、方向φq,θqから衝突する平面波によって生成される音場と同一である。
【０１３９】
注目する音場は、y>0の半空間において定義され、xz平面上の剛体壁によって制約されると仮定される。これは、場にノイマン境界条件
【０１４０】
【数２６】
0006657375.tif 000027
【０１４１】
を課す。
【０１４２】
場は平面波が角度φq、θqから衝突し、φ=0,πに配置されている剛体壁(これは平面y=0上の壁に対応する)によって反射されることによるものである。これは、0≦φ≦πによって定義される半空間内で、それぞれ、φq、θqから、および-φq、θqからの2つの平面波の線形総和によって与えられる。極座標では、z=0に対して、これは
【０１４３】
【数２７】
0006657375.tif 000028
【０１４４】
によって与えられ、
Jn(ξ)は次数nのBessel関数であり、ヤコビ-アンガーの展開式が使用されており、これは、たとえば、D. L. ColtonおよびR. Kress、「Inverse Acoustic and Electromagnetic Scattering Theory」、Applied Mathematical Sciences、Springer、Berlin、1992年において開示されている。Bessel関数の関係式J-n(ξ)=(-1)nJn(ξ)を考えると、
einφi-nJn(krr)+e-inφinJ-n(krr)=2cos(nφ)i-nJn(krr)  (A.3)
が成り立つ。
【０１４５】
これは、場が壁によって画成される平面に関して対称的であることを意味する。したがって、式(A.2)の中のフーリエ級数は、余弦級数
【０１４６】
【数２８】
0006657375.tif 000029
【０１４７】
で置き換えることができ、
ここで、
【０１４８】
【数２９】
0006657375.tif 000030
【０１４９】
である。
【０１５０】
より一般的には、方向0≦φ≦πから衝突する(および半空間y>0内の同次ヘルムホルツ方程式を満たす)波による音場および剛体平面y=0の存在下の対応する散乱および全場は、
【０１５１】
【数３０】
0006657375.tif 000031
【０１５２】
として表すことができ、
ここで、
Dn(kz)=・n[Cn(kz)+(-1)nC-n(kz)]  (A.9)
である。
【０１５３】
φq、θqから衝突する平面波については、これは
【０１５４】
【数３１】
0006657375.tif 000032
【０１５５】
によって与えられる。
【０１５６】
次に、波が方向0≦φ≦πから衝突することにより生じる場の散乱の問題は、図9のように剛体壁上に置かれる半剛体無限円筒について研究されている。その目的のために、修正されたGreen関数が使用される。ノイマン境界条件(A.1)を満たすヘルムホルツ方程式のGreen関数は、自由場のGreen関数にそのイメージソースを加えることによって与えられる。すなわち
【０１５７】
【数３２】
0006657375.tif 000033
【０１５８】
であり、
ここで、
【０１５９】
【数３３】
0006657375.tif 000034
【０１６０】
は反射係数(αは吸収係数)であり、これ以降1である(完全反射壁)であると仮定され、
【０１６１】
【数３４】
0006657375.tif 000035
【０１６２】
である。
【０１６３】
境界Sを有する散乱体の存在下で、散乱場は、修正された単層ポテンシャル
pS(r)=∫SGW(r,r')u(r')dS(r')  (A.13)
によって表されるものとしてよく、
ただし、
【０１６４】
【数３５】
0006657375.tif 000036
【０１６５】
である。
【０１６６】
考察中の場合についてはS={r:|r|=R,0≦φ≦π}、すなわち、剛体半円筒の表面である。この場合、散乱体は、平面y=0に関して対称的な振動パターンを有する放射円筒によって生成される場とみなすことができ、したがって、余弦級数およびHankel関数
【０１６７】
【数３６】
0006657375.tif 000037
【０１６８】
を用いて表すことができる。
【０１６９】
剛体半円筒の表面にノイマン境界条件を適用することで、
【０１７０】
【数３７】
0006657375.tif 000038
【０１７１】
が得られ、
その結果
【０１７２】
【数３８】
0006657375.tif 000039
【０１７３】
となる。
【０１７４】
場が散乱体の境界上で、すなわち、r=Rのところで、評価される場合、ロンスキアンの関係式Hn'(ξ)Jn(ξ)-Hn(ξ)Jn'(ξ)=i2/(πξ)が使用されるものとしてよく、それにより、全(入射+散乱)場に対し
【０１７５】
【数３９】
0006657375.tif 000040
【０１７６】
が得られる。
【０１７７】
関数bn(ξ)は
【０１７８】
【数４０】
0006657375.tif 000041
【０１７９】
のように定義される。
【０１８０】
φq,θqから衝突する平面波については、上記の結果を式(A.10)と組み合わせることで最終的結果
【０１８１】
【数４１】
0006657375.tif 000042
【０１８２】
が得られる。
【０１８３】
これは、位置R,φ,zで剛体半円筒上に配置されているトランスデューサの放射パターンである。この結果をz=0(すなわち、θq=π/2)について評価し、式(7)と比較することで、
Γn=2i-nbn(kR)  (A.21)
が得られる。
【０１８４】
第2に、L個の均一な間隔で並ぶトランスデューサのサブアレイとともに式(8)によって与えられるような、遠視野放射パターンf(φ)を合成するための信号処理ブロックを定義する数式が導出される。
【０１８５】
ターゲット放射パターンの空間スペクトルは、周波数独立となり、次数N=L-1に制限されるように選択される。式
【０１８６】
【数４２】
0006657375.tif 000043
【０１８７】
であることに注意して、
【０１８８】
【数４３】
0006657375.tif 000044
【０１８９】
が得られ、
ql(ω)は周波数領域内で表され、単位入力信号、すなわち、x(t)=δ(t)に対する第lのトランスデューサの信号であり、Qn(ω)は離散コサイン変換の係数である。関係式
【０１９０】
【数４４】
0006657375.tif 000045
【０１９１】
が成り立つ。
【０１９２】
式(A.22)の両辺は、om'cos(mφ)/πを掛けられて、0からπまで積分され、それにより、
【０１９３】
【数４５】
0006657375.tif 000046
【０１９４】
が得られ、
その結果
fm=Γm(ω)Qm(ω), m<L  (A.25)
および
【０１９５】
【数４６】
0006657375.tif 000047
【０１９６】
となる。
【０１９７】
このアプローチは、式(7)中の次数
【０１９８】
【数４７】
0006657375.tif 000048
【０１９９】
の寄与分が無視できるくらい小さい場合にのみ正確な結果をもたらす。そうでなければ、再現される放射パターンは、空間エイリアシングの影響を受ける。式(A.26)の正則化バージョンは、式(15)を使用して計算され、
【０２００】
【数４８】
0006657375.tif 000049
【０２０１】
によって与えられる。
【０２０２】
逆フーリエ変換をこの結果に適用し、それとx(t)との畳み込みを実行することにより、式(16)が得られる。放射パターンに対する可能な選択は、式(8)および(9)によって与えられる。このパターンは、次数切り捨て空間ディラックデルタ関数に対応する。定数γ(φ0)は、f(φ0)=1となるように選択されるものとしてよく、したがって式(10)によって与えられる。上記のすべての結果を組み合わせて、
【０２０３】
【数４９】
0006657375.tif 000050
【０２０４】
が得られ、
その逆フーリエ変換およびx(t)による畳み込みから、式が得られ、これは
【０２０５】
【数５０】
0006657375.tif 000051
【０２０６】
と書き換えることができる。
【０２０７】
これは、図10から図12に例示されている信号処理方式の数学的表現である。
【０２０８】
本開示の特定の特徴または態様がいくつかの実装または実施形態のうちの1つのみに関して開示されている場合があるが、そのような特徴または態様は、所与のもしくは特定の用途に望ましく、有利であり得るように他の実装または実施形態の1つもしくは複数の他の特徴または態様と組み合わされ得る。さらに、「含む、備える(include)」、「有する(have)」、「有する、備える(with)」、という言い回し、またはこれらの他の変形が詳細な説明または請求項内で使用されている範囲において、このような言い回しは、「含む、備える(comprise)」という言い回しと同様に包含的であることが意図されている。また、「例示的な(exemplary)」、「たとえば(for example、e.g.)」という言い回しは、最良のものまたは最適なものではなく、単に一例を意味している。「結合される」および「接続される」という言い回しは、派生語とともに、使用されている場合がある。これらの言い回しは、2つの要素が直接的物理的もしくは電気的に接触しているかどうか、または互いに直接接触していないかに関係なく、互いに連携するか、または相互作用していることを指示するために使用されている場合がある。
【０２０９】
本明細書では特定の態様が例示され説明されていたが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく図示され説明されている特定の態様の代わりに様々な代替的なおよび/または等価な実装が置き換えられ得ることを理解するであろう。本出願は、本明細書で説明されている特定の態様の適応または変更を対象とすることを意図されている。
【０２１０】
次の請求項における要素は、対応するラベル付けとともに特定の順序で記載されているが、請求項における記載がそれらの要素のうちのいくつか、またはすべてを実装するための特定の順序を他の何らかの形で意味していない限り、それらの要素は、必ずしも、その特定の順序で実装されることに限定されることを意図されていない。
【０２１１】
多くの代替的形態、修正形態、および変更形態は、上記の教示に照らせば当業者にとって明白なものとなる。もちろん、当業者は、本明細書で説明されている内容を超える本発明の用途が多数あることを容易に認識する。本発明は、1つまたは複数の特定の実施形態を参照しつつ説明されているが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更が加えられ得ることを理解する。したがって、付属の請求項およびその等価な内容の範囲内で、本発明は本明細書で説明されている以外の方法でも実施され得ることは理解されるであろう。
【符号の説明】
【０２１２】
100  オーディオ信号処理装置
101  入力オーディオ信号
103  フィルタユニット
103a〜u  フィルタ
105  フィルタ処理されたオーディオ信号
107a〜v  スケーリングユニット
108  フィルタ処理されたオーディオ信号
109a〜w  加算器
111  出力オーディオ信号
120  音響放射装置
121  スピーカーエンクロージャ
121a  音響放射セクション
121b  後部セクション
123  トランスデューサアレイ
123a、123b  トランスデューサアレイ
221  スピーカーエンクロージャ
221a  音響放射セクション
221b  後部セクション
223a、223b  トランスデューサアレイ
340  壁
【図１】
0006657375.tif 000061
【図２】
0006657375.tif 000062
【図３】
0006657375.tif 000063
【図４】
0006657375.tif 000064
【図５】
0006657375.tif 000065
【図６】
0006657375.tif 000066
【図７】
0006657375.tif 000067
【図８】
0006657375.tif 000068
【図９】
0006657375.tif 000069
【図１０】
0006657375.tif 000070
【図１１】
0006657375.tif 000071
【図１２】
0006657375.tif 000072