(57)【要約】【課題】スピーカの数を制御点の数の増加に伴って増加させることなく、各制御点において、予め設定した許容誤差の精度を有するインパルス応答を持った特性を再現可能な音場制御方法を提供する。【解決手段】 同一の入力信号が供給されるＮ個のフィルタ２０と、Ｎ個のフィルタのそれぞれの出力を印加するＮ個（Ｎ≧２）の出力素子４０を有し、Ｍ個（Ｍ≧Ｎ＋１）の制御点（マイクロホン５０が配置された位置）に対し、あらかじめ定められた所望の信号伝達特性を再現するように前記Ｎ個のフィルタの特性を決定する音場制御方法において、 制御点ごとに設定された誤差の許容範囲に応じた精度を用いてフィルタ特性を決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の入力信号が供給されるＮ個のフィルタと、Ｎ個のフィルタのそれぞれの出力を印加するＮ個（Ｎ≧２）の出力素子を有し、Ｍ個（Ｍ≧Ｎ＋１）の制御点に対し、あらかじめ定められた所望の信号伝達特性を再現するように前記Ｎ個のフィルタの特性を決定する音場制御方法において、
制御点ごとに設定された誤差の許容範囲に応じた精度を用いてフィルタ特性を決定することを特徴とする音場制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の音場制御方法において、
Ｎ個（Ｎ≧２）のフィルタの特性は、その特性を要素とする行列をＷとして、Ｎ個の出力素子とＭ個（Ｍ≧Ｎ＋１）の制御点との間の伝達特性を要素とする行列Ｈと、各制御点についてそれぞれ想定されるＭ個の所望の伝達特性を要素とする行列Ａと、各制御点についてそれぞれ設定される誤差の許容量に応じた値を持つ重み係数を要素とする行列Ｇとを用いて、一般化逆行列を用いた二乗誤差最小という尺度に基づいて、
【数１】
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を演算して求めることを特徴とする音場制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の音場制御方法において、
Ｎ個（Ｎ≧２）のフィルタの特性を一般化逆行列を用いて求める際、逆行列が不安定とならないように、その行列の最大固有値に比べて小さな正の定数δを対角要素とし、その他の要素が０である行列δＩ（ただし、Ｉは単位行列）を加えて次式によって求めることを特徴としたフィルタ特性の音場制御方法。
【数２】
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内などの空間の音場特性を変化させる音場制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間内の任意の点の音圧を自由に制御することが可能になると、例えば前方にのみ置いたスピーカを用いて、あたかも後方から音が鳴っているような音を作り出すことができる、あるいはコンサートホールの響きを、自宅にいながらにして味わうことが可能となる、さらには、ある限られたエリア内のみに音を再生することが可能となるなど、工学的に広く応用が考えられる。この空間内の複数の任意の点の音圧を制御する方法の一つとして、多チャンネル制御装置が提案されている（特許文献１）。この多チャンネル制御装置を用いることで、スピーカの数よりも少なくとも１つ以上少ない点音圧を厳密に制御することができる。しかし、制御する点数が多くなるにしたがってスピーカの数を増やす必要がありシステムが大規模になるため、使用できる場所などに制限が生じることとなる。
一方、制御点より少ない数のスピーカを用いて、制御点における音圧を二乗誤差最小という尺度に基づいて制御する装置を構成する手法の概念が報告されている（非特許文献１）。
【０００３】
図１を用いて、この音場制御手法を説明する。
図１において、Ｎ個（Ｎ≧２）のスピーカ（出力素子）２００i（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）が空間に配置される。またその空間にＭ個の制御点（マイクロホンが配置された位置）が設定される。図１では、各制御点にマイクロホン３００j（ｊ＝１，２，・・・，Ｍ）が設置されている。入力から同一の入力信号がそれぞれＦＩＲフィルタ１００i（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）を通じてスピーカ２００iに印加される。これらＦＩＲフィルタ１００iの各フィルタ係数を制御することによりそれぞれスピーカに印加される信号を個別に制御することができる。
ここで、Ｎ個のスピーカとＭ個の制御点との間の各インパルス応答はすべて同じ有限の長さｍを持つ離散的時系列で表すことができる。各制御点についてそれぞれ想定されるＭ個の所望のインパルス応答をａj（ｊ＝１，２，・・・，Ｍ）、マイクロホンとスピーカ間のインパルス応答をｈi,j（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ，ｊ＝１，２，・・・，Ｍ）、各フィルタの係数をｗi（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）としたとき、
【数３】
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を満足するｗiを求めれば、各制御点において所望のインパルス応答が得られる。しかし、Ｍ＞Ｎの場合方程式は不能となるので、実際には二乗誤差が最小となるｗiを求めることとなる。
【０００４】
以後、説明を簡単にするために（１）式の左辺をＡ、右辺の行列とベクトルをそれぞれＨ，Ｗと表記する。この場合（１）式は（２）式のように表すことができる。
【数４】
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で求めることができる。ここで「+」は行列の擬似逆行列を表す。
【０００５】
しかしこの手法では、誤差が最小となるようにフィルタ係数を求めるものであり、原理的に誤差を含んでいる。その誤差が、制御点ごとにどの程度含まれていることになるかは分からず、またその誤差の程度を制御することも現時点では不可能である。
【特許文献１】特許第２５５８４４５号（請求項１）
【非特許文献１】柳田  他  J. Acoust. Soc. Jpn(E), Vol.4, No.2, pp.107-109(1983)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
二乗誤差最小という尺度に基づいた音場制御手法では、各制御点においてどのような割合で誤差が配分されることになるか分からない。
本発明の目的は、各制御点において許容される誤差の割合を任意に設定することが可能な音場制御方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、同一の入力信号が供給されるＮ個のフィルタと、Ｎ個のフィルタのそれぞれの出力を印加するＮ個（Ｎ≧２）の出力素子を有し、Ｍ個（Ｍ≧Ｎ＋１）の制御点に対し、あらかじめ定められた所望の信号伝達特性を再現するように前記Ｎ個のフィルタの特性を決定する音場制御方法において、制御点ごとに設定された誤差の許容範囲に応じた精度を用いてフィルタ特性を決定することを特徴とする。すなわち、複数個所（制御点）の音圧が所望のものとなるように制御する音場制御方法において、各制御点の誤差の許容量を設定した重み係数行列を用いた演算を行うことにより、各制御点ごとの許容される誤差の割合を設定できる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、スピーカの数を制御点の数の増加に伴って増加させることなく、各制御点において、あらかじめ設定した許容誤差の精度を有するインパルス応答を持った特性を再現することが可能となる。この方法を用いれば、前方に配置したスピーカを用いて、あたかも後方から音を出す装置の実現が可能となる。コンサートホールのような任意の音場の特性を例えば自宅などといった別の空間で再現することができる、あるいは音場の局所化により精度よく実現可能となるなどのように様々な音場制御に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
制御点毎に誤差の許容量を設定することを考える、
図１に示された構成において、ｊ番目の制御点に対する誤差の許容量を重み係数ｇjとして対角要素がこのｇj、その他の要素が０となる重み係数行列Ｇを用いて次式を構成する。この際重み係数ｇjは、ｊ番目の制御点に対する誤差の許容の割合の逆数となるように設定する。
【数５】
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【００１０】
図２に示す構成を例として具体的に説明する。
まず、初期化動作として、ＦＩＲフィルタ２０iは、全帯域通過特性として、入力信号ｘ(t)としてインパルスを入力する。この入力信号はＡ／Ｄ変換器１０で信号Ｘ(k)に離散化され、再びＤ／Ａ変換器３０によりディジタル／アナログ変換が施された後に、スピーカ４０iから出力される。制御点にはマイクロホンを設置しており、それぞれのマイクロホン出力は各スピーカからマイクロホンまでのインパルス応答となる。このＮ×Ｍ個のインパルス応答ベクトルｈi,j（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ、ｊ＝１，２，・・・，Ｍ）は、応答記録器６０に記録される。一方、所望応答記録器７０には、制御点ごとに定められている所望のインパルス応答ベクトルａj（ｊ＝１，２，・・・，Ｍ）が記憶されており、その出力は、応答記録器６０の出力とともにフィルタ係数決定器９０に入力される。ここで、ａjとしてゼロ応答を設定することもできる。重み記録器８０には各制御点の重み係数ｇj（ｊ＝１，２，・・・，Ｍ）が保持されており、これもフィルタ係数決定器９０に入力される。フィルタ係数決定器９０では、これらの入力ｈi,j，ａj，ｇjを用いて（７）式に示される演算を行うことで各フィルタの係数が決定され、各ＦＩＲフィルタ２１1，２１2，・・・，２１Nに設定される。この際、入力信号ｘ(t)として時間引き延ばしパルスを用いて、インパルス応答の測定方法（特許第２７２５８３８号）によってＮ×Ｍ個のインパルス応答ベクトルｈi,jを求めることもできる。
初期化動作の終了後、各フィルタにはフィルタ係数が設定されていることとなる。この状態で入力信号ｘ(t)が、入力端子からＡ／Ｄ変換器１０に供給され、Ａ／Ｄ変換器１０によって、入力信号ｘ(t)が離散化された信号Ｘ(k)がＮ個のＦＩＲフィルタ２０i（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）にそれぞれ入力される。ここでフィルタリングされた信号はＤ／Ａ変換器３０によりディジタル／アナログ変換が施された後に、スピーカ４０iから出力される。これにより、Ｍ個の制御点において許容誤差に応じた精度のインパルス応答を持つ特性が再現される。
【００１１】
本発明による音場制御のシミュレーション結果の一例を示す。図３にシミュレーションの条件として設定したスピーカの配置と制御点（マイクロホンが配置された位置）の配置を示す。図中の○はスピーカの位置を示し、×および＊は制御点を示す。制御点は、×の点で音圧が常に０となるように設定し、＊は、中央のスピーカから単独で音が出ている場合のインパルス応答となるように設定した。この配置は、ある特定のエリアの中だけに音を再生するという局所再生を実現するためのスピーカ及び制御点配置となっている。重みは、＊が０．１、×が１とし、周波数１０００Hzの場合の音圧分布（図４）と、従来の方法、すなわち重み付けを行わずに（５）式を演算することで求めた音圧分布（図５）を示す。各々の図の曲線は等音圧曲線を示し、濃淡は音圧強度に対応し、「・」は制御点の位置を示している。従来の方法で求めた音圧分布は音圧が０とした点「・」で必ずしも音圧が０となっておらず（図５：中央「・」参照）、結果として局所再生が実現できていない。これに対して本発明による重み付け制御を行った場合には、「・」の制御点の音圧が小さくなっており、局所再生が実現できていることがわかる（図４：「・」参照）
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】音場制御方法の原理を説明するための図。
【図２】本発明の音場制御方法を説明するための音場制御装置の構成例を示すブロック図。
【図３】本発明の効果を示すためのシミュレーション条件となるスピーカと制御点の配置を示す図。
【図４】本発明の音場制御方法を用いた場合の音圧分布の例を示す図。
【図５】従来の音場制御方法を用いた場合の音圧分布の例を示す図。
【符号の説明】
【００１３】
２０・・・ＦＩＲフィルタ、３０・・・Ｄ／Ａ変換器、４０・・・スピーカ、５０・・・マイクロホン、６０・・・応答記録器、７０・・・所望応答記録器、８０・・・重み記録器、９０・・・フィルタ係数決定器
【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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