(57)【要約】【課題】高域と低域における指向性の分布形状の差を少なくして、指向性を良好なものとする。【解決手段】入力音響信号はＬＰＦ２とＨＰＦ５により低域信号と高域信号に分離される。低域信号は遅延回路３で各スピーカーユニットごとに所望の焦点位置に対応した遅延を与えられた後、乗算器４−ｎ，４−ｎ＋１で、低域信号用の窓関数Ｌによる重みが付与される。高域信号は遅延回路６で同様の遅延を与えられた後、乗算器７−ｎ，７−ｎ＋１で高域信号用の窓関数Ｈによる重みが付与される。各乗算器の出力は対応する加算器８−ｎ，８−ｎ＋１で加算された後、アンプ９−ｎ，９−ｎ＋１を介して各スピーカーユニット１−ｎ，１−ｎ＋１から出力される。低域用の窓関数Ｌは高域用の窓関数Ｌよりも緩和されたものとなっており、低域の指向性と高域の指向性の差が少なくなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレー状に配置された複数のスピーカーユニットからそれぞれに対応する時間差が付与された信号を出力することにより音響信号の指向性を制御するようになされたアレースピーカーシステムであって、
前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットに対して大きい重みを与え、周辺側に位置するスピーカーユニットに対しては小さい重みを与えるようになされており、
前記音響信号のうちの低域の信号に対しては、前記中央側に位置するスピーカーユニットに与える重みと前記周辺側に位置するスピーカーユニットに与える重みの差が、高域の信号における該重みの差よりも小さくなるようにされていることを特徴とするアレースピーカーシステム。
【請求項２】
アレー状に配置された複数のスピーカーユニットからそれぞれに対応する時間差が付与された信号を出力することにより音響信号の指向性を制御するようになされたアレースピーカーシステムであって、
前記音響信号のうちの高域の信号に対しては、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットに対して大きい重みを与え、周辺側に位置するスピーカーユニットに対しては小さい重みを与えるようになされており、
低域の信号に対しては、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットと周辺側に位置するスピーカーユニットに対して同じ重みを与えるようになされていることを特徴とするアレースピーカーシステム。
【請求項３】
アレー状に配置された複数のスピーカーユニットからそれぞれに対応する時間差が付与された信号を出力することにより音響信号の指向性を制御するようになされたアレースピーカーシステムであって、
前記音響信号を低域、中域、高域の３つの帯域に分割し、
前記高域の信号に対しては、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットに対して大きい重みを与え、周辺側に位置するスピーカーユニットに対しては小さい重みを与えるようになされており、
前記中域の信号に対しては、前記中央側に位置するスピーカーユニットに与える重みと前記周辺側に位置するスピーカーユニットに与える重みの差が、前記高域の信号における該重みの差よりも小さいか、あるいは、同じ重みとされており、
前記低域の信号に対しては、前記各スピーカーユニットに対応する時間差を付与することなく、かつ、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットと周辺側に位置するスピーカーユニットに対して同じ重みとされていることを特徴とするアレースピーカーシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスピーカーユニットがアレー状に配置されたアレースピーカーシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のスピーカーユニットを規則正しく並べて音を出すアレースピーカーを使って音響信号ビーム（指向性）を制御することは知られている（特許文献１，特許文献２）。
アレースピーカーにおける指向性の制御について、図７を参照して説明する。
図７において、ｓｐ−１〜ｓｐ−ｎは所定間隔をもって直線状に配列されたスピーカーユニットである。ここで、図中Ｘで示す焦点に向かう音響信号ビームを生成する場合には、焦点Ｘからの距離がＬである円弧Ｙを考え、該焦点Ｘと各スピーカーユニットｓｐ−１〜ｓｐ−ｎとを結ぶ直線と円弧Ｙとの交点と対応するスピーカーユニットｓｐ−ｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）との間の距離Ｌｉに応じた遅延時間（＝Ｌｉ／音速（３４０ｍ／ｓ））をスピーカーユニットｓｐ−ｉから出力される信号に付与する。これにより、各スピーカーユニットｓｐ−１〜ｓｐ−ｎから出力される音響信号が、焦点Ｘに同時に到達するように制御することができる。
【０００３】
この焦点Ｘの位置または方向を制御することで、音響ビームの方向、すなわち音の指向性を制御することができる。
図８は、焦点と指向性の関係の一例を示す図である。この図は、単一周波数の信号の音圧レベルの等高線を示しており、Ｘ軸の０ｃｍの位置を中心にＸ軸方向に複数のスピーカーユニットが配置されているものとしている。この図に示すように、焦点の方向に向かう強い指向性をつくり出すことができる。
また、この技術を応用して、異なるコンテンツに異なる指向性を持たせ、部屋の左右で異なるコンテンツを聴くことも提案されている（特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０３−１５９５００号公報
【特許文献２】
特開昭６３−９３００号公報
【特許文献３】
特開平１１−２７６０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
音響信号は、可聴域で２０Ｈｚから２０ｋＨｚの広い範囲にわたる周波数を含んでいる。これは波長の長さでは１７ｍから１．７ｃｍとなる。実用的なアレースピーカーの幅は１ｍ程度、各スピーカーユニットの間隔は３ｃｍ程度であるから、波長との比較では３ｃｍから１ｍは約１０ｋＨｚから約３００Ｈｚに相当する。すなわちアレースピーカーでそれなりに指向性制御が可能なのは数百Ｈｚから数ｋＨｚと考えられる。
前述のように、アレースピーカーにおける指向性制御は、各スピーカーユニットからの出力が焦点で完全に同じ位相の信号となるよう制御するものであるので、焦点のみに着目すると信号の周波数と無関係に位相が揃い、信号が強調される。一方、焦点以外では、周波数により波長が違うのであるから、位相がある程度揃う位置が異なってくる。すなわち、周波数により指向性が異なってくる。
【０００６】
図９及び図１０は、それぞれ出力を１ｋＨｚ、２ｋＨｚの単一周波数とした時の指向性のシミュレーション結果の一例を示す図である。ここで、図９及び図１０における焦点の位置は同一とされている。
図９と図１０とを比較すると明らかなように、同じように焦点制御を行ったとき、周波数の高い帯域ほど指向性が強く（急峻に）なる。
この指向性の違いは、焦点以外の場所では、ソースである音響信号の周波数バランスが崩れてしまうことを意味している。焦点から離れた位置では、低域の音はある程度聞こえるのに対し、高域の音は急速に聞こえなくなる。本来、指向性制御は焦点での音圧エネルギーを強く、それ以外では弱くするものではあるが、現実的なアプリケーションでは、音響信号をあるレベルの品質で鑑賞できるスイートスポットは、適度な広さが必要になる。このため、高域と低域とである程度指向性の分布形状が近くなるのが望ましい。
【０００７】
そこで、本発明は、良好な指向特性を有するアレースピーカーシステムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアレースピーカーシステムは、アレー状に配置された複数のスピーカーユニットからそれぞれに対応する時間差が付与された信号を出力することにより音響信号の指向性を制御するようになされたアレースピーカーシステムであって、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットに対して大きい重みを与え、周辺側に位置するスピーカーユニットに対しては小さい重みを与えるようになされており、前記音響信号のうちの低域の信号に対しては、前記中央側に位置するスピーカーユニットに与える重みと前記周辺側に位置するスピーカーユニットに与える重みの差が、高域の信号における該重みの差よりも小さくなるようにされているものである。
【０００９】
また、本発明の他のアレースピーカーシステムは、アレー状に配置された複数のスピーカーユニットからそれぞれに対応する時間差が付与された信号を出力することにより音響信号の指向性を制御するようになされたアレースピーカーシステムであって、前記音響信号のうちの高域の信号に対しては、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットに対して大きい重みを与え、周辺側に位置するスピーカーユニットに対しては小さい重みを与えるようになされており、低域の信号に対しては、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットと周辺側に位置するスピーカーユニットに対して同じ重みを与えるようになされているものである。
【００１０】
さらに、本発明のさらに他のアレースピーカーシステムは、アレー状に配置された複数のスピーカーユニットからそれぞれに対応する時間差が付与された信号を出力することにより音響信号の指向性を制御するようになされたアレースピーカーシステムであって、前記音響信号を低域、中域、高域の３つの帯域に分割し、前記高域の信号に対しては、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットに対して大きい重みを与え、周辺側に位置するスピーカーユニットに対しては小さい重みを与えるようになされており、前記中域の信号に対しては、前記中央側に位置するスピーカーユニットに与える重みと前記周辺側に位置するスピーカーユニットに与える重みの差が、前記高域の信号における該重みの差よりも小さいか、あるいは、同じ重みとされており、前記低域の信号に対しては、前記各スピーカーユニットに対応する時間差を付与することなく、かつ、前記アレースピーカーの中央側に位置するスピーカーユニットと周辺側に位置するスピーカーユニットに対して同じ重みとされているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のアレースピーカーシステムにおいて用いられる窓関数について、図４〜図６を参照して説明し、その後に本発明の実施の形態について説明する。
前記図９及び図１０のアレースピーカーの指向性分布をみると、主たる方向以外で、音圧エネルギーの等高線が櫛状に波打っているのがわかる。このような指向性の形状を補正するために、各スピーカーユニットの位置に応じた窓関数（矩形窓を除く。）を導入する方法がある。この窓関数はフーリエ変換などで時間関数からある有限の時間範囲を重み付きで切り出すときに用いられるものと同様のものであり、ギブスの現象を緩和するハミング窓、ハニング窓などを用いることができる。すなわち、アレースピーカーを構成している複数のスピーカーユニットのうち、中央側に位置するスピーカーユニットの重み付け（ゲイン）を大きく、端側に位置するスピーカーユニットの重み付けを小さくすることで、指向性分布の形状を補正することができる。
【００１２】
図４は、窓関数が導入されたアレースピーカー制御回路の一構成例の要部を示す図である。なお、この回路で実行される処理のうち遅延や乗算、加算はディジタル処理するため、本来はＤ／Ａ変換器と、場合によってはＡ／Ｄ変換器も必要であるが、簡略化のため省略した。また、指向性を制御するための遅延値の計算、設定などを行うマイクロコンピュータなどの制御回路も省略した。
図４において、４１−ｎ，４１−ｎ＋１は、アレースピーカーを構成する第ｎ番目と第ｎ＋１番目のスピーカーユニットである。入力音響信号は、複数のタップを有する遅延回路４２に入力され、実現したい指向性（ビームの焦点の位置）に適合する各スピーカーユニットに対応する遅延量のタップから取り出される。遅延回路４２でそれぞれのスピーカーユニットに対応する遅延が付与された音響信号は、乗算器４３−ｎ，４３−ｎ＋１において各スピーカーユニットごとに窓関数に対応する係数が乗算され、さらに、アンプ４４−ｎ，４４−ｎ＋１で増幅されて、各スピーカーユニット４１−ｎ，４１−ｎ＋１から出力される。各スピーカーユニットから出力された音響信号は、空間の任意の１点（焦点）で同位相となり、所望の指向性が形成される。
【００１３】
図５及び図６は、このようにして窓関数が導入された結果の指向性を示す図であり、図５は、前記図９と同じ周波数１ｋＨｚの信号に窓関数を導入した場合、図６は、前記図１０と同じ周波数２ｋＨｚの信号に窓関数を導入した場合の指向性を示している。なお、ここでは、窓関数として、ハミング窓を使用した。
前記図９と図５、前記図１０と図６とを比較すると明らかなように、窓関数を導入することにより、指向性特性は全体になめらかになり、主たる指向性の方向が広がり、等高線の波も緩和されている。
ここで、リスニング位置でのスイートスポットを広げるためには、指向性分布のうち、全体形状よりも主たる指向性の方向の形状（幅）に重みをおくべきである。そこで、図９、図１０、図５及び図６から、１ｋＨｚと２ｋＨｚで主たる指向性方向の指向性形状が似たものを選択すると、図９と図６の組合わせとなる。つまり、１ｋＨｚには窓関数を適用せず、２ｋＨｚに窓関数を適用することで、同じ処理を行った場合より、指向性形状を近づけることができる。
このように、周波数帯域ごとに適用する窓関数を加減することで、周波数特性がフラットに近いスイートスポットを広げることが可能である。
すなわち、本発明のアレースピーカーシステムは、周波数帯域に応じて適用する窓関数の特性を異ならしめることにより、具体的には、周波数が高いほど強い（中央側の重みと周辺側の重みの差が大きい）窓関数を適用し、低い周波数に対しては緩やかな（中央側の重みと周辺側の重みの差が小さい）窓関数を適用することにより、周波数特性が平坦なスイートスポットを広くし、良好な指向性特性を得ることができるようにしたものである。
【００１４】
以下、このような知見に基づいてなされた本発明のアレースピーカーシステムの実施の形態について説明する。
図１は、本発明のアレースピーカーシステムの第１の実施の形態の要部構成を示す図である。この実施の形態は、音響信号を高域と低域の２つの帯域に分割し、それぞれの帯域に対して異なる特性の窓関数を適用するようにしたものである。なお、図１において、前記図４の場合と同様に、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、制御回路などは図示を省略している。
【００１５】
図１は、アレースピーカーシステムに含まれる複数のスピーカーユニットのうち第ｎ番目のスピーカーユニット１−ｎと第ｎ＋１番目のスピーカーユニット１−ｎ＋１に関する部分のみを示しているが、他のスピーカーユニットについても同様に構成することができる。図中、２は入力音響信号の低域成分を取りだす低域通過フィルター（ＬＰＦ）、５は同じく高域成分を取りだす高域通過フィルター（ＨＰＦ）であり、これらにより、ソースである音響信号を低域と高域の２つの帯域に分割する。
前記ＬＰＦ２を通過した音響信号の低域成分は、遅延回路３に入力されて各スピーカーユニットごとに実現したい指向性（ビーム方向）に適合する遅延量を有するタップから取り出され、各スピーカーユニットに対応して設けられた乗算器４−ｎ，４−ｎ＋１に入力され、そこで、低域成分に適用される窓関数Ｌに対応したそのスピーカーユニットの係数が乗算される。
一方、前記ＨＰＦ５を通過した音響信号の高域成分は、遅延回路６に入力され、各スピーカーユニットに対応する遅延を付与されて、それぞれ対応する乗算器７−ｎ，７−ｎ＋１に入力され、そこで、高域成分に適用される窓関数Ｈに対応したそのスピーカーユニットの係数が乗算される。なお、各スピーカーユニットに対する、前記遅延回路３と前記遅延回路６とにおける遅延量は全く同じ量とされる。
前記乗算器４−ｎ，４−ｎ＋１からの低域成分の信号と、前記乗算器７−ｎ，７−ｎ＋１からの高域成分の信号は、それぞれ、加算器８−ｎ，８−ｎ＋１で加算され、それぞれ、対応する増幅器９−ｎ，９−ｎ＋１で増幅された後、対応するスピーカーユニット１−ｎ，１−ｎ＋１から出力される。
【００１６】
ここで、前述のように、高域成分用の窓関数Ｈとしては、いわゆるハミング窓関数などをそのままを用い（強い窓関数）、低域成分用の窓関数Ｌとしては、中心側のスピーカーユニットの重み係数と周辺側のスピーカーユニットの重み係数との差を小さくした（緩和した）窓関数を用いたり、あるいは、窓関数を用いない（係数が全て”１”）ようにする。
これにより、高域側の指向性におけるエネルギーの集中が緩和されて、低域側の指向性に近づいた形状となり、その結果、周波数特性のフラットに近いスイートスポットを広げることができる。
【００１７】
図２に、前記高域成分用の窓関数Ｈと低域成分用の窓関数Ｌの一例を示す。図２の（ａ）は、高域成分用の窓関数Ｈの例であり、ハミング窓を示している。この例では、１−１〜１−８の８個のスピーカーユニットによりアレースピーカーが構成されている場合を示しており、各スピーカーユニットに対する重み係数は、１−１から順に、０．０８００，０．２５３２，０．６４２４，０．９５４４，０．９５４４，０．６４２４，０．２５３２，０．０８００とされている。
図２の（ｂ）は、低域成分用の窓関数Ｌの例であり、前記ハミング窓に対しオフセットを与え、中心側のスピーカーユニットの重み係数と周辺側のスピーカーユニットの重み係数の差を小さくしたものである（重み係数の最大値は１とされている）。図示した例は、オフセットの値が０．５とされた場合を示しており、各スピーカーユニットに与える重み係数は、１−１から順に、０．５８００，０．７５３２，１，１，１，１，０．７５３２，０．５８００とされている。
【００１８】
また、低域成分用の緩和された窓関数Ｌは、上述の例に限らず、種々の方法で作成されたものを使用することができる。
例えば、前記ハミング窓の値の平方根をとり、１−１から順に、０．５８００，０．７５３２，１，１，１，１，０．７５３２，０．５８００としてもよい。
あるいは、前記ハミング窓の値と”１”との平均値をとって、１−１から順に、０．５４００，０．６２６６，０．８２１２，０．９７７２，０．９７７２，０．８２１２，０．６２６６，０．５４００としてもよい。
このような単純な方法で中心側のスピーカーユニットに与える重みと周辺側のスピーカーユニットに与える重みの傾斜を緩めることで、例えば図１０（窓関数なし）に示した特性と、前記図６（ハミング窓関数）に示した特性の中間的な指向性を実現することができる。
【００１９】
なお、上述した実施の形態においては、ＬＰＦ２とＨＰＦ５により音響信号を低域と高域の２つの帯域に分割していたが、これに限られることはなく、さらに帯域通過フィルター（ＢＰＦ）などを用いて３つ以上の帯域に分割し、それぞれの帯域の信号に対して異なる窓関数による重みを付与するようにしてもよい。
また、窓関数としてハミング窓を使用する場合を示したが、ハニング窓などの他の窓関数も当然に採用することができる。
【００２０】
さらに、音響信号の周波数帯域のうち、数百Ｈｚ以下の低域は、スピーカーの大きさと波長の関係で現実的には指向性制御が難しい。そこで、この帯域は別途分離して、指向性制御の対象からはずしたり、むしろ積極的に無指向としたうえで、上記スイートスポットでのエネルギーバランスが良くなるようにゲイン調整するのが良い。
図３は、数百Ｈｚ以下の帯域は無指向性とした本発明の他の実施の形態におけるアレースピーカー制御回路の一構成例の要部を示す図である。前記図１の場合と同様に、この図においても、スピーカーユニット１１−ｎと１１−ｎ＋１に関する部分のみを図示している。
【００２１】
この図において、１２はカットオフ周波数が数百ＨｚとされたＬＰＦ、１３−ｎ，１３−ｎ＋１はＬＰＦ１２を通過した数百Ｈｚ以下の周波数の信号に対し、各スピーカーユニット対応にゲインを乗算する乗算器である。このゲインは、他の周波数帯域の信号とのバランスを考慮して定められる。また、１４は中域（例えば、前記数百Ｈｚ〜千数百Ｈｚ）の信号を通過させるＢＰＦ、１５は該中域の信号に対して各スピーカーユニットごとに実現したい指向性（ビーム方向）に適合する遅延を与える遅延回路、１６−ｎ，１６−ｎ＋１は、該遅延回路１５によりそれぞれ対応する遅延が付与された中域の信号に対して前述と同様の緩和された窓関数Ｌによる重みを付与するための乗算器である。さらに、１７は高域の信号を通過させるＨＰＦ、１８は前記遅延回路１５と同様の遅延回路、１９−ｎ，１９−ｎ＋１は、前記遅延回路１８によりそれぞれ対応する遅延を付与された各スピーカーユニットごとの高域の信号に対して窓関数Ｈによる重みを付与する乗算器である。なお、前記中域の信号に対して全ての重みを”１”として窓関数を掛けないようにしてもよい。
そして、前記乗算器１３−ｎ，１３−ｎ＋１、乗算器１６−ｎ，１６−ｎ＋１、乗算器１９−ｎ，１９−ｎ＋１からの各信号は、それぞれ対応する加算器２０−ｎ，２０−ｎ＋１で加算された後、それぞれ、アンプ２１−ｎ，２１−ｎ＋１で増幅されて対応するスピーカーユニット１１−ｎ，１１−ｎ＋１から出力されることとなる。
【００２２】
このように、この実施の形態においては、前記ＬＰＦ１２により取り出された数百Ｈｚ以下の信号は、指向性（ビーム方向）を制御する遅延を付与されておらず、ゲイン調整のみされて出力されている。
この場合にも、低域から高域までエネルギーバランスのとれたスイートスポットを広くとることができる。
【００２３】
なお、以上の説明においては、複数のスピーカーユニットが一列に配置されている１次元アレーであるとして説明したが、複数のスピーカーユニットが行列状に配置されている２次元アレーの場合にも同様に適用することができる。この場合には、行方向及び列方向の各１次元アレーに分割して考え、それぞれの１次元アレーにおける重み係数を乗算した値を各スピーカーユニットに対する重みとして付与すればよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアレースピーカーシステムによれば、スピーカーから出力する音波信号を、いくつかの帯域に分割し、高域ほど強い窓関数を掛け、低域ほど窓関数を緩くする（又は窓関数を掛けない）ことで、広い周波数帯域に渡って似た形の指向性を得ることができ、ソースとなる音響信号の周波数特性のバランスが乱れることなく鑑賞可能なスイートスポットを広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアレースピーカーシステムの一実施の形態におけるアレースピーカー制御回路の要部構成を示す図である。
【図２】窓関数の例を示す図であり、（ａ）はハミング窓、（ｂ）はハミング窓を中央部と周辺部の重みの差が少なくなるように変形した窓関数の例である。
【図３】本発明のアレースピーカーシステムの他の実施の形態におけるアレースピーカー制御回路の要部構成を示す図である。
【図４】窓関数が導入されたアレースピーカー制御回路の一例を示す図である。
【図５】窓関数が導入された場合の周波数１ｋＨｚの信号の指向性のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】窓関数が導入された場合の周波数２ｋＨｚの信号の指向性のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】アレースピーカーシステムにおける指向性制御について説明するための図である。
【図８】アレースピーカーシステムにおける指向性の一例を示す図である。
【図９】周波数１ｋＨｚの信号の指向性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】周波数２ｋＨｚの信号の指向性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１，１１：スピーカーユニット、２，１２：ＬＰＦ、３，６，１５，１８：遅延回路、４，７，１３，１６，１９：乗算器、５，１７：ＨＰＦ、８，２０：加算器、９，２１：アンプ、１４：ＢＰＦ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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