(57)【要約】  【課題】スピーカから離れた場所でも音声の明瞭度が高く、聞こえてくる方向が定位可能でさらに広範囲の人に音声を伝達することができる音声非常誘導装置を提供する。  【解決手段】音声ビームを形成することができるスピーカアレイ１４を非常口２の上方に設置し、非常時には、「非常口はこちらです」などの音声を音声ビームとして複数の方向に順次出力する。音波がビーム状なので拡散せず遠方まで十分な強度で伝達するとともに、壁面などへ拡散して反響音が形成されることがないため明瞭度が低下することもない。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスピーカエレメントをマトリクス状に配列したスピーカアレイと、
入力された音声信号を各スピーカエレメント毎に設定された遅延量およびゲインで前記音声信号を遅延および増幅して前記各スピーカエレメントに供給する音声信号処理手段と、
前記スピーカアレイから放音された音声信号が所定方向への音声ビームとなるように、前記音声信号処理手段に対して、各スピーカエレメント毎の遅延量およびゲインを設定する制御手段と、
を備えたビームスピーカ装置であって、
前記制御手段は、前記各スピーカエレメント毎の遅延量およびゲインを連続的にまたは段階的に変更することによって、前記スピーカアレイから放音された音声信号が形成する音声ビームの方向を旋回させることを特徴とするビームスピーカ装置。
【請求項２】
前記音声信号処理手段を複数並列に備え、
前記制御手段は、前記複数の音声信号処理手段に対してそれぞれ独立して、各スピーカエレメント毎の遅延量およびゲインを設定および変更することを特徴とする請求項１に記載のビームスピーカ装置。
【請求項３】
前記複数の音声信号処理手段に対して、それぞれ異なる音声信号が入力される請求項２に記載のビームスピーカ装置。
【請求項４】
前記複数の音声信号処理手段に対して、同一の音声信号がそれぞれタイミングをずらせて入力される請求項２に記載のビームスピーカ装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のビームスピーカ装置を用い、
前記制御手段は、非常信号が入力されたとき前記音声信号処理手段に誘導音声を入力させるとともに、各スピーカエレメントへの遅延量およびゲインの設定を開始することを特徴とする音声非常誘導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、音声信号を拡散せずに１方向のみに出力することができるビームスピーカ装置およびこれを用いた音声非常誘導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
劇場など公衆が集まる建物には、火災などの非常時に出口の場所を知らせるために扉の上に「非常口」と記載された非常灯が設置されている。しかし、火災時に煙が室内に充満したときなどは、非常灯が見えなくなることがあり、その建物に不案内な公衆が避難できなくなるという危険性があった。
【０００３】
そこで、出口の近傍にスピーカを設けて「非常口はこちらです」などの音声で、公衆を誘導することも考えられるが、劇場など残響の大きい建物内では、スピーカから少しでも離れた場所では、スピーカの直接音と同じくらいのレベルで周囲からの反響音が聞こえてくるため、音声の明瞭度が低下するうえ、その誘導音声がどの方向から発せられたものか定位できないという問題点がある。
【０００４】
その一方で、複数の小型スピーカをアレイ状に配列し、各スピーカから同じ音声を出力するとともに、その位相を制御することで、音声が拡散せず１方向のみに伝搬する音声ビームを形成することができるスピーカ装置も提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−２３３５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記スピーカ装置を、公共建造物の誘導装置に用いることも考えられるが、音声信号がビームのように１方向にしか伝搬しないため、その方向が少しでもそれると音声が殆ど聞こえなくなり、その場所にいる公衆に広く非常口の場所を告知誘導するという非常誘導装置の目的を達することができない。
【０００６】
この発明は、スピーカから離れた場所でも音声の明瞭度が高く、聞こえてくる方向が定位可能でさらに広範囲の人に音声を伝達することができるビームスピーカ装置および音声非常誘導装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）  複数のスピーカエレメントをマトリクス状に配列したスピーカアレイと、入力された音声信号を各スピーカエレメント毎に設定された遅延量およびゲインで前記音声信号を遅延および増幅して前記各スピーカエレメントに供給する音声信号処理手段と、前記スピーカアレイから放音された音声信号が所定方向への音声ビームとなるように、前記音声信号処理手段に対して、各スピーカエレメント毎の遅延量およびゲインを設定する制御手段と、を備えたビームスピーカ装置であって、
前記制御手段は、前記各スピーカエレメント毎の遅延量およびゲインを連続的にまたは段階的に変更することによって、前記スピーカアレイから放音された音声信号が形成する音声ビームの方向を旋回させることを特徴とする。
【０００８】
（２）  （１）の発明において、前記音声信号処理手段を複数並列に備え、
前記制御手段は、前記複数の音声信号処理手段に対してそれぞれ独立して、各スピーカエレメント毎の遅延量およびゲインを設定および変更することを特徴とする。
【０００９】
（３）  （２）の発明において、前記複数の音声信号処理手段に対して、それぞれ異なる音声信号が入力されることを特徴とする。
【００１０】
（４）  （２）の発明において、前記複数の音声信号処理手段に対して、同一の音声信号がそれぞれタイミングをずらせて入力されることを特徴とする。
【００１１】
（５）  （１）〜（４）のいずれかに記載のビームスピーカ装置を用い、
前記制御手段は、非常信号が入力されたとき前記音声信号処理手段に誘導音声を入力させるとともに、各スピーカエレメントへの遅延量およびゲインの設定を開始することを特徴とする。
【００１２】
＜作用＞
上記発明では、入力された音声信号をスピーカアレイによって音声ビームを形成し、この音声ビームの方向を旋回（パン）させる。音声がビームとして出力されるため、離れた場所まで減衰せずに到達させることができるとともに、壁面等からの拡散音が少ないため、反響音がほとんど生じず、音源方向の特定を容易にすることができる。また、音声ビームをパンさせるようにしたことにより、到達範囲が狭い音声ビームであっても、順次広い範囲にその音声を到達させることができる。
【００１３】
パンは連続的に一定の角速度で滑らかに行ってもよく、段階的にジャンプするように行ってもよい。パンを連続的に行う場合に放音する音は、短時間で分かる音声、たとえばサイレン音などの警告音がよい。また、パンを段階的に行う場合に放音する音は、「非常口はこちらです」などのフレーズにすればよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上のようにこの発明によれば、音声信号供給装置が供給した音声信号を音声ビームとして出力するとともに、この音声ビームをパンするようにしたことにより、離れた場所まで減衰せずに十分な強度で伝達することができるとともに、拡散して壁面で反響することがないため、劇場などの残響の多い室内でも音源方向の特定が容易であり、明瞭度を高く維持することができる。
【００１５】
したがって、このビームスピーカ装置を音声非常誘導装置に適用した場合には、残響の大きい建造物、たとえば劇場や映画館などで的確に避難者を誘導することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、この発明の実施形態であるビームスピーカ装置のブロック図である。図２は、同ビームスピーカ装置のスピーカアレイの設置形態を示す図である。
【００１８】
ビームスピーカ装置１は、出力端にスピーカアレイ１４を有している。スピーカアレイ１４は、ｎ（図２では、１６×１０＝１６０）のスピーカエレメント（小型スピーカ）１４−１〜ｎをアレイ状（直交マトリクス状）に配列したものである。各スピーカエレメントはそれぞれ個別のアンプを有し、独立した駆動が可能である。このビームスピーカ装置１において、スピーカアレイ１４の各スピーカエレメントに同じ音声信号を入力することにより、スピーカアレイ１４から出力された音声（すなわち各スピーカエレメントから出力された音声の合成波形）は、遠方へ伝搬しても拡散しない音声ビームとなる。そして、各スピーカエレメントに入力する音声信号の位相（ディレイ時間）を適当に制御することにより、その音声ビームの方向を種々の方向にパン（揺動）させることができる。
【００１９】
この実施形態のビームスピーカ装置１は、図２に示すように、火事などの非常時に避難誘導音声を発生する音声非常誘導装置として、屋内の扉２および非常灯３の上方に設置されており、非常事態のアラームが入力されると、スピーカアレイ１４から避難誘導音声が出力されるようになっている。
【００２０】
図１において、音源機器１１は、スピーカアレイ１４から出力すべき音声を発生する。音声非常誘導装置であるこの実施形態では、音源機器１１として、「非常口はこちらです」などの避難誘導音声の音声データを記憶し、外部からの再生指示に応じてこれを再生する装置を用いればよい。
【００２１】
この音源機器１１が発生した音声信号は、レベルディレイマトリクス回路（ＬＤマトリクス回路：ＬＤ−ＭＴＸ）１２に入力される。
図３（Ａ）にその基本的な構成を示すように、ＬＤマトリクス回路１２は、音源機器１１から入力された音声信号を入力してディレイおよび増幅を行うｎのＬＤ回路群２０−１〜ｎからなっており、各ＬＤ回路２０−１〜ｎが、それぞれスピーカエレメント１４−１〜ｎに対応している。これにより、各スピーカエレメント毎に個別にディレイ制御およびゲイン制御された音声信号が入力される。
【００２２】
なお、図１には複数チャンネル（１〜ｍ）のＬＤマトリクス回路１２（１２−１〜１２−ｍ）が並列に接続されているが、以下は、１つのＬＤマトリクス回路について説明する。なお、このＬＤマトリクス回路１２がこの発明の音声信号処理手段に対応する。
【００２３】
各ＬＤ回路２０−１〜ｎにおいて、ディレイ回路２１のディレイ時間およびアンプ２２のゲインは、制御部１０（図１参照）によって設定される。制御部１０は、スピーカアレイ１４から出力する音声ビームをどの方向に向けるかによって、各ＬＤ回路２０−１〜ｎのディレイ時間を決定する。また、各ＬＤ回路２０−１〜ｎのアンプ２２には、サイドローブを抑制するための窓関数値がゲインとして入力される。
【００２４】
制御部１０には、非常検知装置５が接続されており、非常検知装置５から非常警報信号が入力されたとき、音源機器１１に音声信号（避難誘導音声）の出力を指示するとともに、ＬＤマトリクス回路１２（ＬＤ回路２０）に対するディレイ時間τおよびゲインαの設定を開始する。
【００２５】
上記構成において、各ＬＤ回路２０−１〜ｎには同じ信号が入力されるため、ディレイ回路を共通にして構成を簡略化することも可能である。すなわち、同図（Ｂ）のように、１つの長いディレイ回路を設け、このディレイ回路の任意の位置にタップを設けて信号を取り出せるようにし、各ＬＤ回路のディレイ時間に対応した位置から信号を取り出して、そのＬＤ回路に対応するゲインが設定されたアンプに入力するようにすればよい。これにより、各ＬＤ回路にそれぞれ別個の長いディレイを設けなくても、１本の長いディレイにｎ個のタップを設けるのみでよくなり、これによって、アナログ・デジタルいずれでも大がかりなものとなる長時間のディレイ回路を１つですませることができるようになる。
【００２６】
図４を参照して音声ビーム形成の原理を説明する。この図では、スピーカエレメントを直線状に配列して平面上にビームを形成する場合について説明するが、スピーカエレメントをマトリクス状に配列して空間にビームを形成する場合も同様である。
同図（Ａ）は、全てのスピーカエレメントに同じ位相の音声信号を同時に入力した場合を示している。全てのスピーカエレメントに同位相の信号を同時に入力すると、各スピーカエレメントからは同時に同じ位相の信号が出力される。個別のスピーカエレメントから出力された信号波形は放射状（円形）に伝搬してゆくが、全てのスピーカエレメントから出力された信号の合成波形は、同図に示すように、平行で前方のみに伝搬するもの、すなわち音声ビームになっている。これ以外の方向へ伝搬する成分は、各スピーカエレメントから出力された信号成分が合成されることによって（干渉しあうことによって）打ち消され、前方に向かう成分のみが合成によって強められて音声ビームとして残っている。
【００２７】
このように、音声ビームは、干渉によって強められた拡散しない１方向への波動であるため、伝搬距離による減衰も少なく、１次元にスピーカを配列したときは１メートルあたり−３ｄＢ程度である。なお、通常の拡散する音声では−６ｄＢ／ｍ程度である。
【００２８】
同図（Ｂ）は、音声ビームを斜めに形成する場合のディレイ時間制御について説明した図である。この図では、音声ビームを、正面から右方向のθの角度に形成している。この場合ビームを向きと反対側の端部（左端）のスピーカエレメントから最初に音声を出力し、こののち時間τが経過するごとに順次右隣のスピーカエレメントから音声を出力する。この遅延時間は、各スピーカエレメントに接続されているＬＤ回路中のディレイ回路によって制御される。このように、一列に並んでいるスピーカエレメントから出力する音声を一端から他端に向けて順次ディレイすることにより、合成波面は、図示のようにそのディレイ時間に応じて傾斜し、音声ビームを斜め方向に向けることができる。
【００２９】
この傾斜角度θは、スピーカの間隔をｄ、音速をｖとすると、ｓｉｎθ＝ｖτ／ｄの関係になる。したがって、その場所の気温に基づいて音速ｖが算出されていれば、τを制御することによってによって音声ビームの角度θを制御できることになる。
【００３０】
また、スピーカをマトリクス（二次元）に配列したスピーカアレイ１４を有するこの実施形態のビームスピーカ装置においては、水平方向および垂直方向で上記制御を行うことにより、空間の任意の角度に音声ビームを形成することができる。２次元配列の場合は、理想的には音波は減衰しないので遠くまで音声を伝達することができる。
【００３１】
図５を参照して、スピーカアレイ１４から出力する誘導音声をパン（揺動）させる場合の制御について説明する。
同図（Ａ）は、音声ビームの方向を停止させず連続的に（一定の角速度で）常時パンさせる場合の方式を示す図である。パンの方式としては、同図（Ａ）に示すように、一方向にパンを繰り返す（１）の方式、および、音声ビームを左右に往復させる（２）の方式（２）がある。いずれの方式の場合でも、スピーカアレイ１４の各スピーカエレメント１４−１〜ｎに接続されているＬＤマトリクス回路１２の各ＬＤ回路２０−１〜ｎのディレイ時間およびゲインを順次連続して切り換えてゆくことにより、上記のようなパンを実現することができる。
【００３２】
同図（Ｂ）は、音声ビームの角度に対応する各ＬＤ回路のディレイ時間τのテーブルを示す図である。制御部１０は、このテーブルを記憶しており、ビーム角度ｄｅｇに応じて所定の欄のディレイ時間τdegを読み出してＬＤマトリクス回路１２に設定する。
【００３３】
この図では、真左方向を０度、真右方向を１８０度とし、正面の角度を９０度としている。このテーブルでは、ビーム角度３０度〜１５０度までが設定されており、このテーブルのディレイ時間τでパンをした場合、３０度〜５０度の１２０度の角度でパンをすることができる。
【００３４】
ここで、図４（Ｂ）に示したように、正面（９０度）以外の方向に音声ビームを向ける場合には、ビーム角度に応じて音声信号をディレイさせるが、そのディレイ時間は、左（右）から右（左）へ０、τdeg、２τdeg、３τdeg、４τdeg、・・・となり、隣接するスピーカエレメント間のディレイ時間の差は、それぞれ同じ（τdeg ）である。
【００３５】
なお、非常用の音声誘導装置の場合、誘導音声を種々の方向に音声を明瞭に伝達するためには水平方向に広くパンする必要があるが、垂直方向は、音声ビームの幅程度の広がりがあれば十分であるため、ビームを所定角度で固定しておくようにしてもよい。
【００３６】
なお、図２では、スピーカアレイ１４を垂直に設置しているが、これを斜め下向きに設置してもよい。このようにすることにより、音声ビームの垂直方向の角度は、スピーカアレイ１４の正面方向に固定することができ、高効率で音声ビームを形成することが可能になる。
【００３７】
図５（Ａ）に示したパン方式は、音声ビームを連続的に旋回させる方式であったが、避難誘導音声として「非常口はこちらです」などの文言を再生する場合は、この文言が１回再生されるまでは音声ビームを固定しておき、１回再生するごとに段階的に音声ビームの方向をパンするようすることが望ましい。その例を図６に示す。図６の例では、ビームの角度をｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５の５つ設定し、「非常口はこちらです」などの誘導音声の再生の１サイクルに同期して順次角度を変更してゆく。ｄ１〜ｄ５は、図５（Ｂ）に示すように、それぞれ３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度である。
【００３８】
図６（Ｂ）は、１つの誘導音声を順次複数の方向にアナウンスする場合の、パンの順序を説明する図である。誘導音声の１回再生ごとに角度を偏らないように（ｄ３→ｄ１→ｄ４→ｄ２→ｄ５→ｄ３）変更しながら、音声ビームをパンする。これにより、速やかに広い範囲の人に誘導音声をアナウンスすることが可能になる。
【００３９】
また、図１に示した構成例のように、複数チャンネルのＬＤマトリクス回路１２を並列に接続している場合には、各ＬＤマトリクス回路１２に異なる誘導音声を入力して、それぞれ異なる方向に出力することもでき、同じ誘導音声を複数方向に出力することもできる。そして、複数の音声ビームを同時に形成しても各ビームは狭い角度で伝送されるため壁面などに到達して反響する割合が少ないために、明瞭度が損なわれず、定位も明確である。
【００４０】
同図（Ｃ）に、３チャンネルのＬＤマトリクス回路を用い、同じ誘導音声を複数方向に出力する場合の音声ビームの角度切り換え（パン）方式の例を示す。音声信号を複数チャンネルのＬＤマトリクス回路１２−１〜ｎからスピーカアレイ１４に入力した場合でも、スピーカアレイ１４は、それぞれの音声信号をＬＤマトリクス回路１２が指示した方向にビームとして出力する。ただし、同じ誘導音声を同じタイミングで複数チャンネルから入力した場合には、相互に干渉してビーム形成ができないため、同図に示すように、各チャンネル毎にタイミングをずらせてスピーカアレイ１４に入力するようにしている。このずれ時間は、たとえば１〜２秒程度であり、ビーム角度決定のためのディレイ時間τに比べて十分に長いものである。
【００４１】
また、各チャンネル毎にビーム角度の変更タイミングが異なるが、ビーム角度を変更したときに他のチャンネルと角度が重なり合わないようなパンニングパターンに設定されている。同じ角度に複数の音声ビームを形成することは可能であるが、そのようにすると、複数の音声が同じ方向に伝達されて明瞭度が低下するため、そのようにしないようにしている。
【００４２】
また、各チャンネル（ＬＤマトリクス回路１２）毎に、異なる避難誘導音声を入力するようにしてもよい。たとえば、「火災警報です」、「非常口はこちらです」、「落ち着いて避難してください」などの複数の文言を複数の角度に順次出力するようにしてもよい。この場合において、図６（Ｃ）のように各チャンネル毎にタイミングをずらしてもよく、それぞれ同時に出力を開始するようにしてもよい。各チャンネルで同時に出力しても別々の音声信号であるため、干渉をおこさない。
【００４３】
また、上記連続的にサイレン音をパンするとともに、避難誘導用の文言を段階的にパン出力するようにしてもよい。
【００４４】
また、上記各チャンネルのパンニングパターンは、予め決められているが、各チャンネルがランダムな角度に音声を出力し、角度を変更するとき、その都度他のチャンネルの角度と重ならない角度を選択して次のビーム決定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の実施形態であるビームスピーカ装置のブロック図
【図２】同ビームスピーカ装置を音声誘導装置に適用した場合のスピーカアレイの設置形態を示す図
【図３】同ビームスピーカ装置のＬＤマトリクス回路を構成するＬＤ回路の構成を示す図
【図４】同ビームスピーカ装置において音声ビームを形成する原理を説明する図
【図５】同ビームスピーカ装置におけるパン方式を説明する図
【図６】同ビームスピーカ装置におけるパンニングパターンの例を示す図
【符号の説明】
【００４６】
１…ビームスピーカ装置、２…扉、３…非常灯、４…天井、５…非常検知装置、１０…制御部、１１…音源機器、１２…ＬＤマトリクス回路、１３…アンプ、１４…スピーカアレイ、２０…ＬＤ回路、２１…ディレイ回路、２２…ゲインコントロールアンプ
【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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