(57)【要約】【課題】  出力方向または指向性の鋭さを制御可能であり、音を聴取点に届けるまでの遅延時間を増加させず、大きなサイドローブを発生させることなく十分な強度のメインローブを出力することができる音響再生装置を提供する。【解決手段】  スピーカアレイ１の前方には、サウンドガイド３が設けられている。制御部５は、温度調節部４Ａおよび４Ｂによりサウンドガイド３内の空間に温度勾配を調節することにより、サウンドガイド３内の空間の上下方向に沿った各位置での音速の分布を制御する。これにより、サウンドガイド３における音の出力方向の制御が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーディオ信号を音として放射する音響放射部と、
前記音響放射部から放射される音が伝播する空間内の音速の分布を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする音響再生装置。
【請求項２】
前記音響放射部から放射される音が伝播する空間に臨む少なくとも１個の熱伝導板と、
前記熱伝導板の温度を調節する温度調節部とを具備し、
前記制御手段は、前記温度調節部により前記熱伝導板の温度を調節することにより、前記音響放射部から放射される音が伝播する空間内の温度勾配を制御して、前記音速の分布の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の音響再生装置。
【請求項３】
前記音響放射部から放射される音が伝播する空間を複数の小空間に区切るパーティションと、
前記複数の小空間の各々を挟んで前記音響放射部と各々対向し、各小空間を伝播して到来する音を各々出力する複数の音響出力部と、
を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の音響再生装置。
【請求項４】
前記音響放射部から放射される音が伝播する空間を複数の小空間に区切るパーティションと、
前記複数の小空間の各々を挟んで前記音響放射部と各々対向し、各小空間を伝播して到来する音を各々出力する複数の音響出力部とを具備し、
前記制御手段は、前記複数の小空間内の気体の交換または気圧制御を行うことにより、前記音速の分布の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の音響再生装置。
【請求項５】
前記音響放射部は、複数のスピーカを線状または面状に配置してなるスピーカアレイを具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の音響再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音の出力方向または指向性の鋭さの制御が可能な音響再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカを多数配列したスピーカシステムは“スピーカアレイ”と呼ばれる。スピーカアレイでは、個々のスピーカに供給するオーディオ信号に与える遅延やゲインを制御することにより、スピーカの指向性を鋭く、あるいは音響ビームの方向を制御することができる。なお、この種のスピーカアレイについては例えば特許文献１、２に開示されている。
【特許文献１】特開平５−４１８９７号公報
【特許文献２】特開平５−１０３３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、一般的にスピーカアレイを構成する個々のスピーカは、前方方向の出力強度に比べて横方向の出力強度が低い。このため、音響ビームの出力方向のスピーカアレイの前方方向に対する傾きが大きくなると、音響ビームの主たる方向の成分であるメインローブの強度が弱くなるとともに、メインローブに対して傾いた方角に放射されるサイドローブが強度を増し、適切な音場を得るのが困難になるという問題があった。また、音の出力方向または指向性の鋭さを制御するためには、各スピーカから出力された音波がその出力方向において波面または位相を揃えて進むように、各スピーカに供給するオーディオ信号の遅延制御を行う必要がある。この場合において、音の周波数が高くなるほど、波長が短くなるため、各スピーカに供給するオーディオ信号の遅延制御を高い分解能で行う必要がある。しかしながら、この遅延制御の分解能を高めるにしても限度がある。また、高い周波数まで指向性を制御するためにスピーカアレイを構成する個々のスピーカの大きさを小さくするのにも限界がある。このため、従来のスピーカレイを用いた音響再生装置は、この遅延制御の分解能またはスピーカアレイを構成する個々のスピーカの大きさの限界により、出力方向または指向性の鋭さの制御が可能な音の周波数の上限値が制約を受けるという問題があった。さらに従来のスピーカアレイを用いた音響再生装置は、スピーカに供給するオーディオ信号に遅延を与えることにより音の出力方向または指向性の鋭さの制御を行うため、再生対象であるオーディオ信号が音響再生装置内に発生してから聴取位置に音が届くまでの遅延時間が長くなるという問題があった。
【０００４】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、出力方向または指向性の鋭さを制御可能であり、音を聴取点に届けるまでの遅延時間を増加させず、大きなサイドローブを発生させることなく十分な強度のメインローブを出力することができる音響再生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】
【０００５】
この発明は、オーディオ信号を音として放射する音響放射部と、前記音響放射部から放射される音が伝播する空間内の音速の分布を制御する制御手段とを具備することを特徴とする音響再生装置を提供する。
かかる音響再生装置によれば、音響放射部から放射される音が伝播する空間内の音速の分布が制御されることにより、当該空間を伝播して進む音の出力方向または指向性の鋭さが制御される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態である音響再生装置の構成を示す図である。この音響再生装置において、スピーカアレイ１は、複数のスピーカＳＰを行列状に配置してなる装置であり、オーディオ信号を音として放射する音響放射部としての役割を果たす。信号処理部２は、図示しない音源から供給されるオーディオ信号に遅延処理等を含む信号処理を施し、スピーカアレイ１の各スピーカＳＰを駆動する複数の駆動信号を発生する装置である。従来のスピーカアレイシステムでは、スピーカアレイを構成する各スピーカに供給する各信号に適用する遅延を制御して、スピーカアレイにおける音の出力方向の制御を行っていた。これに対し、本実施形態では、スピーカアレイ１自体は、常に前方方向に平面波である音波を放射する。信号処理部２は、スピーカアレイ１にこのような前方方向の平面波を出力させるための駆動信号を音源からのオーディオ信号に基づいて生成する。
【０００７】
スピーカアレイ１の音の放射面の前方には、直方体形状のサウンドガイト３が配置されている。このサウンドガイド３は、図２に示すように、音が放射されるスピーカアレイ１前方の空間を上下から挟む熱伝導板３１および３２と、同空間を左右から挟む断熱板３３および３４とを有している。サウンドガイド３において、スピーカアレイ１の前面と対面している部分およびその反対側の部分は開口している。また、サウンドガイド３には、その内部の空間を上下方向に並んだ複数の小空間に区切る膜状のパーティション３５が設けられている。これらのパーティション３５は、サウンドガイド３内の上下方向の空気の移動を防止する役割を果たす。
【０００８】
図１に示すように、音響再生装置には、サウンドガイド３における上部の熱伝導板３１の温度を設定温度に保つ温度調節部４Ａと、サウンドガイド３における下部の熱伝導板３２の温度を設定温度に保つ温度調節部４Ｂが設けられている。これらの温度調節部４Ａおよび４Ｂは、スピーカアレイ１の前方の空間に温度勾配を生じさせる手段を構成している。
【０００９】
制御部５は、上位の装置からの指令に従い、この音響再生装置の各部を制御する。上位装置から与えられる指令には、音の出力方向を指定する指令が含まれる。制御部５は、この音の出力方向を指定する指令が与えられた場合、温度調節部４Ａおよび４Ｂにより、サウンドガイド３の前方の空間内に熱伝導板３１から熱伝導板３２にかけて温度勾配を生じさせ、サウンドガイド３から出力される音の出力方向を制御する。
【００１０】
以下、この動作について説明する。なお、以下では、水平面から下方に向かう音の出力方向の角度θを正の角度、水平面から上方に向かう音の出力方向の角度θを負の角度とする。
まず、空気の気圧が１気圧であり、温度がＴである場合、この空気中の音の伝播速度Ｃは次式（１）により与えられる。
Ｃ＝３３１．５＋０．６１×Ｔ  （ｍ／ｓｅｃ）    ……（１）
ここで、熱伝導板３１および３２のスピーカアレイ１前方方向の長さがＷ、熱伝導板３１の温度がＴ２、熱伝導板３２の温度がＴ２より低いＴ１（この例では大気の温度）であるとする。この場合において、温度Ｔ１における音速をＣ１、熱伝導板３２近傍の長さＷの行程を音が横断する所要時間をｔ１とすると、次式が成り立つ。
Ｗ＝Ｃ１×ｔ１
＝（３３１．５＋０．６１×Ｔ１）×ｔ１            ……（２）
一方、温度Ｔ２における音速をＣ２、熱伝導板３１の近傍の長さＷの行程を音が横断する時間をｔ２とすると、次式が成立する。
Ｗ＝Ｃ２×ｔ２
＝（３３１．５＋０．６１×Ｔ２）×ｔ２            ……（３）
【００１１】
ここで、Ｔ２＞Ｔ１であるから、ｔ１＞ｔ２となる。従って、熱伝導板３１近傍の長さＷの行程を横断し終えた音は、その後、熱伝導板３２近傍の長さＷの行程を横断中の音がサウンドガイド３の出口に到達するまでの期間（すなわち、時間長ｔ１−ｔ２の期間）、サウンドガイド３の出口からさらに前方へ距離ｄだけ進む。ここで、サウンドガイド３の出口を出たところの温度がＴ１であり、熱伝導板３２近傍の長さＷの行程を横断し終えた音が音速Ｃ１で距離ｄの行路を伝播するものとすると、次式が成立する。
ｔ１＝ｔ２＋（ｄ／Ｃ１）                            ……（４）
この式をｄについて解くと次のようになる。
ｄ＝Ｃ１×（ｔ１−ｔ２）
＝Ｃ１×（（Ｗ／Ｃ１）−（Ｗ／Ｃ２））
＝Ｗ×（１−（Ｃ１／Ｃ２））
＝Ｗ×（Ｃ２−Ｃ１）／Ｃ２
＝Ｗ×０．６１×（Ｔ２−Ｔ１）／（３３１．５＋０．６１×Ｔ２）
……（５）
また、距離ｄの得られる温度Ｔ２を式（５）から求めると次のようになる。
Ｔ２＝（３３１．５×ｄ＋０．６１×Ｗ×Ｔ１）／（０．６１×（Ｗ−ｄ））
……（６）
【００１２】
このように、熱伝導板３１および３２間に温度差があり、両熱伝導板に挟まれた空間内に温度勾配があると、スピーカアレイ１の各スピーカＳＰから同じ位相の音が出力されたとしても、サウンドガイド３の出口では、熱伝導板３１近傍の行路を経た音の位相は熱伝導板３２近傍の行路を経た音よりも位相が進む。そして、サウンドガイド３を出た各音は、各音の波面（位相）が揃う方向への指向性が強まり、図１に示すように、水平面に対して角度θだけ傾いた方向に進む。ここで、サウンドガイド３の上下方向の長さをＬとすると、角度θは次式により与えられる。
θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｌ）                            ……（７）
【００１３】
本実施形態では、以上のことを利用し、サウンドガイド３を介して出力される音の方向の制御を行う。すなわち、制御部５は、この音の出力方向、より具体的には上記角度θを指定する指令が与えられた場合、次式に従い、角度θを得るために必要な行路差ｄを算出する。
ｄ＝Ｌ×ｔａｎθ                                    ……（８）
【００１４】
次に、制御部５は、例えば低温側の温度Ｔ１を適当な温度（例えば大気の温度）に設定して、前掲式（６）により行路差ｄが得られる温度Ｔ２を求める。そして、制御部５は、このようにして得られた温度Ｔ２およびＴ１を設定温度として温度調節部４Ａおよび４Ｂに指示する。温度調節部４Ａおよび４Ｂは、指示された設定温度Ｔ２およびＴ１が保たれるように、熱伝導板３１および３２の各温度を調節する。これにより熱伝導板３１および３２間に、上に向かうほど音速が早くなるような音速分布を生じさせる温度勾配が形成され、サウンドガイド３を介して出力される音は、水平面に対して下方に角度θだけ曲がった方向に出力される。以上、音の出力方向を水平面に対して角度θだけ下方に曲げる場合を例に説明したが、本実施形態では、音の出力方向を水平面に対して角度θだけ上方に曲げることも勿論可能である。この場合、熱伝導板３１を低温とし、熱伝導板３２を高温とすればよい。また、以上の例では、音の出力方向を上下方向に変化させるようにしたが、サウンドガイド３、熱伝導板３１および３２を９０度回転させ、スピーカアレイ１の前方の空間において左右方向に温度が変化するような温度勾配を形成する構成とすれば、音の出力方向を左右方向に制御することが可能である。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態によれば、音の出力方向を制御するに当たって、スピーカアレイ１におけるメインローブの出力方向を変化させないので、メインローブの強度を十分に保ち、サイドローブを抑えることができる。また、本実施形態では、スピーカアレイ１の各スピーカＳＰに供給するオーディオ信号の遅延制御が不要であるので、音の出力方向の制御が可能な周波数範囲の上限がスピーカＳＰの間隔の制約を受けるという問題も生じない。また、本実施形態では、音の出力方向を制御するに当たって、各スピーカＳＰに供給するオーディオ信号に遅延を与える必要がないため、聴取位置に音を届かせるまでの遅延時間を短く抑えることができる。
【００１６】
＜第２実施形態＞
図３（ａ）は、この発明の第２実施形態において用いられるサウンドガイド６の構成を示す斜視図、図３（ｂ）は同サウンドガイド６の縦断面図である。本実施形態は、上記第１実施形態におけるサウンドガイト３をこのサウンドガイド６に置き換えたものである。このサウンドガイド６は、熱伝導板６１からなる側壁によって囲まれた中空円筒状のサウンドガイドであり、その内部は、同心円筒状のパーティション６５によって区切られている。温度調節部７は、熱伝導板６１の温度を設定温度に保つ装置である。
【００１７】
本実施形態において、制御部５（図１参照）は、温度調節部７を介して熱伝導板６１の温度を制御し、外周から中心に向かって高温から低温に変化する温度勾配をサウンドガイド６の出口付近の空間に形成する。このような温度勾配を形成することにより、サウンドガイド６の出口付近の空間内の音速分布は、サウンドガイド６の中心から離れて周囲に進むに従い、音速が高くなるような分布となる。このため、サウンドガイド６から出力される音は、図３（ｂ）に示すように、前方の焦点（図示略）に向かって収束する音響ビームとなる。ここで、熱伝導板６１の温度を高くすると、サウンドガイド６の中心から周囲にかけて生じる温度勾配は急になり、サウンドガイド６の中心から周囲にかけて生じる音速の勾配も急になる。このため、音響ビームの指向性も鋭くなる。本実施形態における制御部５（図１参照）は、上位装置から与えられる指向性の鋭さを指定する情報に従い、熱伝導板６１の温度を制御することにより、指定された指向性の鋭さを持った音響ビームをサウンドガイド６から出力させる。
【００１８】
本実施形態によれば、指向性の鋭さを制御するに当たって、スピーカアレイ１の各スピーカＳＰ（図１参照）に供給するオーディオ信号の遅延制御が不要であるので、音の指向性の制御が可能な周波数範囲の上限がスピーカＳＰの間隔または大きさの制約を受けるという問題が生じない。また、本実施形態では、音の指向性の鋭さを制御するに当たって、各スピーカＳＰに供給するオーディオ信号に遅延を与える必要がないため、聴取位置に音を届かせるまでの遅延時間を短く抑えることができる。
【００１９】
＜第３実施形態＞
次にこの発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、上記第１実施形態におけるサウンドガイト３および温度調節部４Ａ、４Ｂに代えて、図４に示すサウンドガイド８および気圧調節部９が用いられる。図４において、サウンドガイド８は、直方体形状の筐体であり、その内部の空間は上下方向に並んだパーティション８１により複数の扁平な小空間に区切られている。サウンドガイド８の入り口は、スピーカアレイ１の前面によって塞がれており、サウンドガイド８の出口は、スピーカＳＰ’を行列状に配列した壁によって塞がれている。図５は、サウンドガイド８においてパーティション８１によって区切られた１個の小空間に関連した構成を示している。図５に示すように、サウンドガイド８内の１個の小空間には、スピーカアレイ１の前面に設けられた一行分のスピーカＳＰが音を放射する。そして、サウンドガイド８の出口に設けられた一行分のスピーカＳＰ’は、この小空間を伝播して到来する音を電気信号に変換し、この電気信号を再び音として、サウンドガイド８の外部へと出力する。図４における気圧調節部９は、サウンドガイド８内の各小空間の気圧を調節する装置である。
【００２０】
本実施形態において、制御部（図１参照）は、気圧調節部９によりサウンドガイド８内の各小空間の気圧を調節し、音の出力方向または指向性の鋭さの制御を行う。音の出力方向を下方に曲げる場合、下方から上方に向かうに従って気圧が高くなるようにサウンドガイド８内の各小空間の気圧を調節する。このように気圧を調節することにより、気圧の低い下方の小空間では音速が低くなり、気圧の高い上方の空間では音速が高くなるため、サウンドガイド８から出力される音の方向は下方に曲がることとなる。音の出力方向を上方に曲げる場合には、下方から上方に向かうに従って気圧が低くなるようにサウンドガイド８内の各小空間の気圧を調節すればよい。また、サウンドガイド８の前方の焦点に収束する指向性の鋭い音響ビームを得る場合には、サウンドガイド８の最上部および最下部において最も気圧が高く、そこから中心部に向かうに従って気圧が低くなるように各小空間の気圧調節を行えばよい。このような気圧調節を行うと、サウンドガイド８の最上部および最下部において音速が最も高く、そこから中心部に向かうに従って音速が低くなるため、サウンドガイド８から出力される音は前方の焦点に収束する指向性の鋭い音響ビームとなる。逆に発散性の音を出力する場合には、サウンドガイド８の最上部および最下部において最も気圧が低く、そこから中心部に向かうに従って気圧が高くなるように各小空間の気圧調節を行えばよい。
【００２１】
なお、音速は、媒質である気体の温度、気圧の他、気体の種類にも依存するので、上記のように気圧を制御する代わりに、サウンドガイド８内の各小空間を満たす気体を各種のものに交換する手段を設け、これにより音の出力方向の制御、音の指向性の鋭さの制御を行うようにしてもよい。因みに、音速を高くしたければ、例えば０℃、１気圧の条件で１原子気体である水素を採用することにより音速を約１２７０ｍ／ｓｅｃとすることができ、２原子気体である二酸化炭素を採用することにより音速を約２５８ｍ／ｓｅｃとすることができる（「音と音波」小林豊著、昭和５０年１月発行、（株）裳華房、Ｐ７６参照）。
【００２２】
＜第４実施形態＞
次にこの発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、上記第１実施形態におけるサウンドガイト３に代えて、図６に示すサウンドガイド１０が用いられる。このサウンドガイド１０は、断熱材からなる円筒部に複数のサウンドチューブ１１を埋め込んだものである。各サウンドチューブ１１は、サウンドガイド１０の入口から出口まで延びている。サウンドガイド１０の入口は、スピーカアレイ１（図１参照）の前面により塞がれている。図７は、１本のサウンドチューブ１１の縦断面図である。図７に示すように、サウンドチューブ１１は、熱伝導材からなる側壁１１ａにより囲まれた中空円筒形の部材である。このサウンドチューブ１１には、スピーカアレイ１の前面に設けられた１個のスピーカＳＰ（図１参照）が音を放射する。サウンドチューブ１１の出口には、スピーカＳＰ’が設けられている。このスピーカＳＰ’は、サウンドチューブ１１内を伝播して到来する音を電気信号に変換し、この電気信号を再び音として、サウンドガイド１０の外部へと出力する。
【００２３】
サウンドガイド１０内には、各サウンドチューブ１１の側壁１１ａの温度を調節する手段が埋め込まれている。制御部５（図１参照）は、この手段により各サウンドチューブ１１の温度を調節して各サウンドチューブ１１内の空間の音速を制御し、これによりサウンドガイド１０から出力する音の出力方向の制御および指向性の鋭さの制御を行う。本実施形態においても上記各実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態は、各サウンドチューブ１１の音速の制御の自由度が高いので、音の出力方向および指向性の鋭さの制御の自由度が高いという利点がある。
【００２４】
なお、サウンドチューブ１１の温度を調節する手段の代わりに、サウンドチューブ１１内の気圧を調節する手段または気体を交換する手段を設け、これにより音の出力方向や指向性の鋭さを制御するようにしてもよい。
【００２５】
＜第５実施形態＞
次に図８を参照し、この発明の第５実施形態について説明する。上記各実施形態では、音の伝播する空間の温度、気圧、気体媒質を制御することにより空間内の音速の分布を制御し、音の出力方向や指向性の鋭さの制御を行った。これに対し、本実施形態は、この発明に係る音響再生装置を異常監視装置として実現したものであり、音の出力方向の変化を検知して、その原因となっている事象の発生を検知する。図８において高温配管１０１は、本実施形態における監視対象である。サウンドガイド１０２は、図示しない音源によって発生される音が入口に与えられる。サウンドガイド１０２は、この入口に与えられる音を出口から出力する中空円筒状のガイドであり、その一側部を高温配管１０１に当接させ、反対側の側部をヒートシンク１０３に当接させている。サウンドガイド１０２の出口には、ラッパ状の収音チューブ１０４が収音部を対向させている。また、サウンドガイド１０２の出口を斜め下方から見上げるような姿勢で、収音チューブ１０４と同様な収音チューブ１０５が収音部を対向させている。
【００２６】
以上の構成において、高温配管１０１の温度が正常である場合には、音源によって発生された音はサウンドガイド１０２を通過して収音チューブ１０４に到達する。このため、収音チューブ１０４の出口において、音源によって発生された音を聴取することができる。これに対し、高温配管１０１の温度が異常に高くなると、サウンドガイド１０２の上方から下方にかけて温度勾配が高くなるため、サウンドガイド１０２を通過した音は、その出力方向が下方に曲がり、収音チューブ１０５に到達する。このため、収音チューブ１０５の出口において、音源によって発生された音が聴取され、これにより高温配管１０１の温度が異常に高くなっていることが検知される。このように本実施形態によれば、音の出力方向の変化に基づいて監視対象の温度を検知することができる。
【００２７】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の実施形態を各種説明したが、本発明にはこれ以外にも他の実施形態があり得る。例えば、上記第１〜第４実施形態では、オーディオ信号を音として放射する音響放射部としてスピーカアレイを用いたが、音響放射部は、１個の大口径のスピーカであってもよい。また、音響放射部として、平板を前後方向に振動させることにより音を放射する平面スピーカを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の第１実施形態である音響再生装置の構成を示す図である。
【図２】同実施形態におけるサウンドガイドの構成を示す斜視図である。
【図３】この発明の第２実施形態において用いられるサウンドガイドおよび温度調節部を示す図である。
【図４】この発明の第３実施形態において用いられるサウンドガイドおよび気圧調節部を示す図である。
【図５】同実施形態におけるサウンドガイド内の１個の小空間に関連した部分の構成を示す図である。
【図６】この発明の第４実施形態において用いられるサウンドガイドの構成を示す斜視図である。
【図７】同実施形態におけるサウンドガイド内の１個のサウンドチューブに関連した部分の構成を示す図である。
【図８】この発明の第５実施形態である異常監視装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…スピーカアレイ、ＳＰ，ＳＰ’…スピーカ、３，６，８，１０…サウンドガイド、４Ａ，４Ｂ，７…温度調節部、９…気圧調節部、５…制御部。
【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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