(57)【要約】【課題】  再生中に新たな指向性音響ビームが必要となった場合であっても、容易に新たな指向性音響ビームを形成することが可能な、フィルタ係数を効率良く設定することができる指向性音響ビームの設計方法およびスピーカアレーシステムを提供する。【解決手段】  音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムにより形成される指向性音響ビームの設計方法であって、前記指向性音響ビームの過渡域幅と焦点位置のパラメータを設定するパラメータ設定ステップ（Ｓ１０）と、２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性と目標位相特性を設定する２次元特性設定ステップ（Ｓ２０、Ｓ３０）と、２次元離散フーリエ級数近似により２次元ディジタルフィルタ係数を導出するフィルタ係数導出ステップ（Ｓ４０）とを含んでいる。【選択図】  図５
2012156899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムにより形成される指向性音響ビームの設計方法であって、
前記指向性音響ビームの過渡域幅と焦点位置のパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、
２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性と目標位相特性を設定する２次元特性設定ステップと、
２次元離散フーリエ級数近似により２次元ディジタルフィルタ係数を導出するフィルタ係数導出ステップとを含んでいることを特徴とする指向性音響ビームの設計方法。
【請求項２】
前記スピーカアレーシステムが、ステレオビームを形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の指向性音響ビームの設計方法。
【請求項３】
前記スピーカアレーシステムの２次元ディジタルフィルタ係数を導出する前記フィルタ係数導出ステップが、前記スピーカアレーシステムによる音響の再生中になされるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の指向性音響ビームの設計方法。
【請求項４】
請求項１に記載の前記フィルタ係数導出ステップにより導出された２次元ディジタルフィルタ係数を用いて、音響信号を２次元ディジタル処理して得られた情報を記憶する記憶ステップと、
前記記憶ステップにおいて記憶された前記情報を用いて指向性音響ビームを再生する再生ステップとを備えていることを特徴とする指向性音響ビームの設計方法。
【請求項５】
音源に並列接続され、予め設定されたフィルタ係数に応じたディジタル処理を行う複数の２次元ディジタルフィルタと、前記複数の２次元ディジタルフィルタに接続されたスピーカアレーからなり、前記スピーカアレーはｎ個（２≦ｎ）のスピーカユニットを有し、前記スピーカアレーから指向性音響ビームを照射するスピーカアレーシステムにおいて、
前記複数の２次元ディジタルフィルタはそれぞれｎ個の出力を有し、それぞれの前記２次元ディジタルフィルタのｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の出力は、並列加算されて前記スピーカアレーの対応するｉ番目のスピーカユニットに出力されていることを特徴とするスピーカアレーシステム。
【請求項６】
複数の前記２次元ディジタルフィルタのそれぞれのフィルタ係数は、請求項１に記載の前記指向性音響ビームの設計方法により設計されることを特徴とする請求項５に記載のスピーカアレーシステム。
【請求項７】
複数の２次元ディジタルフィルタを隣接する２個ずつ順次動作させることを特徴とする請求項５または６に記載のスピーカアレーシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の前記フィルタ係数導出ステップにより導出された２次元ディジタルフィルタ係数を用いて、1以上の音響信号を２次元ディジタル処理して得られた情報を予め記録した1以上の記録領域と、前記記録領域に接続されたスピーカアレーからなり、前記スピーカアレーはｎ個（２≦ｎ）のスピーカユニットを有し、前記スピーカアレーから指向性音響ビームを照射するスピーカアレーシステムにおいて、
前記記録領域はそれぞれｎ個の出力を有し、それぞれの前記記録領域のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の出力は、前記スピーカアレーの対応するｉ番目のスピーカユニットに出力されていることを特徴とするスピーカアレーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に強い指向性で音波を放射する指向性音響ビームの設計方法およびスピーカアレーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のスピーカを配列したスピーカアレーを備えた指向性を有するスピーカアレーシステムは、横断歩道を渡る人への案内放送、駅のホームでの通過列車などの案内放送、駐車場内部や出口などでの車注意の案内放送、エスカレータの乗降注意の案内放送、展示場などでの展示物の説明放送、限定された空間での音楽・ＴＶ視聴、銀行ＡＴＭ・券売機・自動販売機等の案内放送、追尾する様に違反者に警告音を発生させるパトカー、臨場感溢れるアミューズメント機器等への応用が考えられ、実用化が望まれているものである。
このようなスピーカアレーシステムの指向性を制御する方法として、種々の方法が提案されている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−２３９７９８号公報
【特許文献２】特開平５−４１８９７号公報
【特許文献３】特開２００８−２５２６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、低域から中高域まで周波数毎に指向性を制御することができ、しかも、その指向性パターンにある程度の任意性をもたせることができる指向性制御型スピーカシステムを提供することを目的として、有限インパルス応答フィルタのフィルタ特性として非線形最適化手法を用いて求めたフィルタ特性を設定した指向性制御型スピーカシステムが記載されている。
また、特許文献２には、２次元方向の指向性のみならず３次元方向の指向性をも電気的信号処理により任意に可変制御しうるスピーカ装置および指向性制御方法を提供することを目的として、複数のスピーカユニットからの音響放射の目標指向性パターンに応じた各ディジタルフィルタのフィルタ係数を非直線最適化手法により演算する過程と、算出された各フィルタ係数をそれぞれ対応するディジタルフィルタに設定する過程と、を含むスピーカ装置の指向性制御方法が記載されている。
しかし、上記特許文献１、２に記載された非線形（非直線）最適化手法を用いた場合、スピーカアレーシステムの指向性を設計するために多大の時間を要する。このため、再生中に新たな指向性音響ビームが必要となった場合に、その新たな指向性を素早く設計することは困難であった。
【０００５】
特許文献３には、再生用の制御点をメインローブ方向に設置し、再生音が劣化しないことを設計基準に加えた指向性スピーカシステムを提供することを目的として、複数の抑圧制御点と再生制御点の関係と境界音場制御の原理に基づきディジタルフィルタのフィルタ係数を算出し、フィルタ係数を設定する指向性スピーカシステムが記載されている。
しかし、引用文献３に記載された指向性スピーカシステムは、フィルタ係数を算出するために、観測点における出力音を測定するものであるから、観測点の数と同数の多数のマイクロホンが必要となる。このため、再生中に新たな指向性音響ビームが必要となった場合に、その新たな指向性を設計する方法として実際的なものではない。
そこで、本発明は、再生中に新たな指向性音響ビームが必要となった場合でも容易に新たな指向性音響ビームを形成することが可能な、フィルタ係数を効率良く設定することができる指向性音響ビームの設計方法およびスピーカアレーシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の本発明の指向性音響ビームの設計方法は、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムにより形成される指向性音響ビームの設計方法であって、前記指向性音響ビームの過渡域幅と焦点位置のパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性と目標位相特性を設定する２次元特性設定ステップと、２次元離散フーリエ級数近似により２次元ディジタルフィルタ係数を導出するフィルタ係数導出ステップとを含んでいることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の指向性音響ビームの設計方法において、前記スピーカアレーシステムが、ステレオビームを形成するものであることを特徴とする。
なお、ここで「ステレオビーム」とは、互いに関連する２つの音響信号に基づいて、２つの焦点位置に同時に形成される指向性音響ビームをいう。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の指向性音響ビームの設計方法において、前記スピーカアレーシステムの２次元ディジタルフィルタ係数を導出する前記フィルタ係数導出ステップが、前記スピーカアレーシステムによる音響の再生中になされるものであることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の前記フィルタ係数導出ステップにより導出された２次元ディジタルフィルタ係数を用いて、音響信号を２次元ディジタル処理して得られた情報を記憶する記憶ステップと、前記記憶ステップにおいて記憶された前記情報を用いて指向性音響ビームを再生する再生ステップとを備えていることを特徴とする。
請求項５記載の本発明のスピーカアレーシステムは、音源に並列接続され、予め設定されたフィルタ係数に応じたディジタル処理を行う複数の２次元ディジタルフィルタと、前記複数の２次元ディジタルフィルタに接続されたスピーカアレーからなり、前記スピーカアレーはｎ個（２≦ｎ）のスピーカユニットを有し、前記スピーカアレーから指向性音響ビームを照射するスピーカアレーシステムにおいて、前記複数の２次元ディジタルフィルタはそれぞれｎ個の出力を有し、それぞれの前記２次元ディジタルフィルタのｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の出力は、並列加算されて前記スピーカアレーの対応するｉ番目のスピーカユニットに出力されていることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のスピーカアレーシステムにおいて、複数の前記２次元ディジタルフィルタのそれぞれのフィルタ係数は、請求項１に記載の前記指向性音響ビームの設計方法により設計されることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項５または６に記載のスピーカアレーシステムにおいて、複数の２次元ディジタルフィルタを隣接する２個ずつ順次動作させることを特徴とする。
請求項８記載の本発明のスピーカアレーシステムは、請求項１に記載の前記フィルタ係数導出ステップにより導出された２次元ディジタルフィルタ係数を用いて、1以上の音響信号を２次元ディジタル処理して得られた情報を予め記録した1以上の記録領域と、前記記録領域に接続されたスピーカアレーからなり、前記スピーカアレーはｎ個（２≦ｎ）のスピーカユニットを有し、前記スピーカアレーから指向性音響ビームを照射するスピーカアレーシステムにおいて、前記記録領域はそれぞれｎ個の出力を有し、それぞれの前記記録領域のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の出力は、前記スピーカアレーの対応するｉ番目のスピーカユニットに出力されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の指向性音響ビームの設計方法は、パラメータ設定ステップと、２次元特性設定ステップと、フィルタ係数導出ステップによりフィルタ係数を導出するものである。これにより、フィルタ係数を短時間で導出することができるから、スピーカアレーシステムの指向性を効率良く設計することができる。このように、本発明によれば、スピーカアレーシステムの指向性を素早く設計することができる。したがって、再生中の指向性音響ビームとは異なる別の指向性音響ビームを形成することが必要となった場合であっても、迅速にフィルタ係数を導出して、別の指向性音響ビームを新たに形成することが可能となる。
また、本発明のスピーカアレーシステムは、複数の２次元フィルタと、これに接続されたスピーカアレーからなり、複数の２次元フィルタはそれぞれｎ個（２≦ｎ）の出力を有し、それぞれの２次元フィルタのｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の出力は、並列加算されて前記スピーカアレーの対応するｉ番目のスピーカユニットに出力されているものである。これにより、スピーカアレーから照射される指向性音響ビームを切り替えて、再生音の焦点を移動させる制御などを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムを示すブロック図
【図２】図１に示す回路システムから、Ｎ２個の１次元ディジタルフィルタからなる２次元ディジタルフィルタとそれに対応するスピーカアレー部のみを取り出して示すブロック図
【図３】２次元ディジタルフィルタを構成する各１次元ディジタルフィルタの構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムにより、仮想音源点としての焦点Ｐに指向性音響ビームの焦点を形成する構成を説明する模式図
【図５】本発明の実施の形態１の指向性音響ビームの設計方法の実施の形態を示すフローチャート
【図６】設計対象となる指向性音響ビームのタイプを示しており、（ａ）指向性ビームの模式図、（ｂ）スピーカアレー後方に焦点を有する集束ビーム（ｒ０＜０）の模式図
【図７】設計目標とする指向性音響ビームの指向特性を示すグラフ
【図８】時間周波数ｆ１と空間周波数ｆ２による２次元周波数平面における２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性を示すグラフ
【図９】低域（ｆ＜ｆＬ）での振幅低下特性の設定方法を説明するグラフ
【図１０】位相の指向特性を示すグラフ
【図１１】２次元離散フーリエ級数近似により、２次元ディジタルフィルタの目標複素振幅特性Ｈｄ（ｋ１／Ｍ１、ｋ２／Ｍ２）から２次元インパルス応答係数ｈ--ｄ（ｎ１、ｎ２）を導出することを示す模式図
【図１２】本発明の実施の形態２の指向性音響ビームの設計方法の実施の形態を示すフローチャート
【図１３】本発明の実施の形態２のスピーカアレーシステムの基本的な回路システムを示すブロック図
【図１４】本発明の実施の形態３の複数の指向性音響ビームを用いて音像移動を行わせるための構成を示すブロック図
【図１５】本発明の実施の形態３の複数の指向性音響ビームを切り替えるための時間窓の形状を示しており、（ａ）直線のロールオフの時間窓の形状、（ｂ）コサインロールオフの時間窓の形状
【図１６】本発明の実施の形態３の複数の指向性音響ビームに対する動作プログラムにより、音像を移動させる様子および受聴エリアを示す模式図
【図１７】本発明の実施の形態３の２つの指向性音響ビームの設計方法を用いて高音圧のステレオ再生を行わせるための構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
〔実施の形態１〕
本発明の指向性音響ビームの設計方法に用いられる本発明のスピーカアレーシステムの実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。
〔２次元ディジタルフィルタの基本的な回路システム〕
２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムは図１に示す通りである。同図に示すように、まず、音源ソース１がフィルタ部（Low Pass Filter、LPF）２を介して、ＡＤＣ部３でディジタル信号に変換され、この後、２次元ディジタルフィルタ４にて、スピーカアレー８から指向性音響ビームを放出するための演算処理が行われる。ディジタル信号は２次元ディジタルフィルタ４による演算後、ＤＡＣ部５でアナログ信号に変換されて出力信号となる。その出力信号はフィルタ部６を介して、アンプ部７で所定の電力増幅がなされ、スピーカアレー部８から指向性音響ビームとして放射されるものである。
【００１０】
図２は、説明の便宜上、Ｎ２個（Ｎ２は２以上の整数）の１次元ディジタルフィルタＨ１（ｚ１）〜ＨＮ２（ｚ１）からなる２次元ディジタルフィルタ４とそれに対応するスピーカアレー部８のみを、図１に示す回路システムから取り出したものである。図２に示すスピーカアレーシステムにおいては、音響ビームに指向性を付与するスピーカアレーシステム１００のスピーカアレー８は、スピーカ１０（１）〜スピーカ１０（Ｎ２）が仕切られることなく、等しい間隔Ｄでの配置により構成されている。
ここで、各１次元ディジタルフィルタＨ１（ｚ１）〜ＨＮ２（ｚ１）は、図３に示すようになっており、同図はＮ２個のうちのｎ２番目の１次元ディジタルフィルタＨｎ２（ｚ１）を示している。同図において、ｚ１−１は、ｚ１＝ｅｘｐ（ｊω１Ｔ）なる関係があり（ω１：時間角周波数、Ｔ：サンプリング間隔）、遅延回路の一要素を表している。
従って、ｎ２番目の１次元ディジタルフィルタは次の様に示される。
【数１】
2012156899.tif 000003
このため、２次元ディジタルフィルタ４は次の様に示される。
【数２】
2012156899.tif 000004
ここで、ｚ２は、ｚ２＝ｅｘｐ（ｊω２Ｄ）なる関係があり（ω２：空間角周波数、Ｄ：スピーカユニット間隔）、図２において、各スピーカと隣接スピーカとの位置関係を表している。
【００１１】
〔２次元ディジタルフィルタ〕
図１および図２に示したスピーカアレー８を構成するスピーカ１０は、それぞれ１次元ディジタルフィルタ２０に接続されている。そして、外部音源であるソース１からアナログ信号として供給された音声信号が、ＡＤＣ部３によりディジタルデータに変換されて、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに供給される。
１次元ディジタルフィルタ２０は、スピーカアレーシステム１００に特徴的な構成要素である遅延要素ｚ１−１と各フィルタ係数ｈ（ｎ１、ｎ２）（図３参照）とが予め設定されている。そして、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれが、供給されたディジタルデータに応じたフィルタ処理を行って出力する。出力される１次元ディジタルフィルタ２０からのフィルタ処理後の出力は、ＤＡＣ部５により音声信号へと変換されて、フィルタ部６およびアンプ部７を介してスピーカアレー８のスピーカ１０に供給される。
以上のように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００では、スピーカアレー８を構成するスピーカ１０に接続されている１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておくことにより、スピーカアレー８に特徴的な振幅特性を付与することができる。より具体的には、スピーカアレー８と２次元ディジタルフィルタ４とによって構成されたスピーカアレーシステム１００に２次元ディジタルフィルタ４の振幅特性と位相特性とを設定することにより、図４に示すように、スピーカアレー８の中心点０から、スピーカアレー８の正面方向（スピーカアレー８におけるスピーカ１０の配列方向と直交する方向）との角度φ０、距離ｒ０の焦点Ｐに音響ビームの焦点を形成することができる。
【００１２】
〔指向性音響ビームの設計方法〕
本発明の指向性音響ビームの設計方法は、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムにより形成される指向性音響ビームの設計に関するものである。
図５は本発明の指向性音響ビームの設計方法の実施形態を示すフローチャートである。同図に示すように、本実施形態の指向性音響ビームの設計方法は、指向性音響ビームのパラメータの設定を行うパラメータ設定ステップ（Ｓ１０）、２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性の設定（Ｓ２０）および目標位相特性の設定（Ｓ３０）を行う２次元特性設定ステップ、２次元離散フーリエ級数近似による２次元ディジタルフィルタ係数の導出を行うフィルタ係数導出ステップ（Ｓ４０）、２次元ディジタルフィルタ係数の出力（Ｓ５０）の各ステップを備えている。そして、指向性音響ビームの設計方法により得られた２次元ディジタルフィルタを用いて得られた各種振幅、位相特性を表示し（Ｓ６０）、結果の空間応答（インパルス列応答、正弦波応答）のシミュレーションによる指向性音響ビーム特性の確認（Ｓ７０）を行う。以下、各ステップについて説明する。
【００１３】
〔指向性音響ビームのパラメータの設定（Ｓ１０）〕
指向性音響ビームのパラメータの設定は、指向性音響ビームのタイプと目標指向特性を設定するパラメータ設定ステップである。
設計対象とする指向性音響ビームは図６のいずれかのタイプである。すなわち、指向性ビームタイプまたは集束ビームタイプのうちのいずれかであり、パラメータ設定ステップにおいて、これらのうち何れを選ぶかが設定される。この設定は、キーボードなどの入力装置等を介して操作者がパラメータを入力することにより行われる。
図６は、設計対象となる指向性音響ビームのタイプを示しており、（ａ）指向性ビームの模式図であり、（ｂ）スピーカアレー後方に焦点を有する集束ビーム（ｒ０＜０）の模式図である。設計対象として図６（ｂ）に示した集束ビームを選ぶ場合は、スピーカアレー８の中心点０から焦点Ｐまでの距離ｒ０も設定する。
図７は設計目標とする指向性音響ビームの指向特性を示すグラフである。目標指向特性は図７のように設定する。図７において、φＳ＋およびφＳ−は指向性音響ビームのビーム端角度を、φＣ＋およびφＣ−は指向性音響ビームの音圧レベルがφ＝φ０の半分となる半値遮断角度を、φＰ＋およびφＰ−は指向性音響ビームの音圧レベルがφ＝φ０と同じレベルである範囲の両端の角度をそれぞれ示している。φＳ＋からφＳ−の角度幅をビーム裾幅、φＣ＋からφＣ−の角度幅をビーム幅、φＰ＋からφＰ−の角度幅をビーム肩幅と呼ぶ。また、φｐｓ＋およびφｐｓ−はビームの過渡域幅を示し、それぞれφｐｓ＋＝φＳ＋−φＰ＋、φｐｓ−＝φＰ−−φＳ−である。なお、φ０＝０の場合は、φＳ＋＝φＳ、φＳ−＝−φＳ、φＣ＋＝φＣ、φＣ−＝−φＣ、φＰ＋＝φＰ、φＰ−＝−φＰとおく。
さらに、このステップにおいては、スピーカアレー８を構成するスピーカ１０の間隔Ｄとアレー長Ｌ（＝Ｎ２Ｄ）を決める（図２参照）。間隔Ｄとアレー長Ｌを設定することは、スピーカアレー８により形成する同一指向特性の周波数帯域（ｆ＝ｆＬ：帯域下端〜ｆＨ：帯域上端）を決めることでもある。
【数３】
2012156899.tif 000005
なお、ｆＳは状況により十分大きな値に設定することも可能である。
【００１４】
図４は、本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステム１００により、仮想音源点としての焦点Ｐに音響ビームの焦点を形成する構成を説明する模式図を示している。同図に示すように、スピーカアレー８の中心点０から焦点Ｐまでの距離ｒ０およびスピーカアレー８の正面方向を示すｘ軸と直線０Ｐとが作るビーム中心角度φ０により指向性音響ビームの焦点Ｐの位置を決める。このようにして焦点Ｐの位置を決めることにより、ビームエリア（図４に斜線を用いて示した領域）を決めることができる。なお、同図中にφＳ＋、φＳ−を用いて示しているのはビーム端角度である。
ビーム端角度φＳ＋、φＳ−は、前記のビーム中心角度φ０、焦点Ｓから遠い方の一端のスピーカ１０＋の中心と焦点Ｓとを結ぶ直線およびスピーカアレー８の中心点０と焦点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ＋、ならびに、焦点Ｐに近い方の他端のスピーカ１０−の中心と焦点Ｐとを結ぶ直線およびスピーカアレー８の中心点０と焦点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ−を用いて、下記の式により表される。
【数４】
2012156899.tif 000006
焦点距離ｒ０＜０とした場合、図６（ｂ）に示すように、スピーカアレー８の後方への音像移動を可能とするビームを形成することができる。一方、図６（ａ）に示すような、焦点を持たない指向性ビームは〔数４〕に依らないで、ビーム端角度φＳ＋、φＳ−を任意に設定することができる。
なお、集束ビームの形成において、焦点Ｐのピーク値（焦点Ｐにおける振幅）を焦点の幅（焦点Ｐにおける指向性音響ビームの幅）で除して得られる焦点先鋭度（＝焦点Ｐのピーク値／焦点Ｐにおける指向性音響ビームの幅）は、指向性音響ビームの過渡域幅φｐｓ＋、φｐｓ−（図７参照）で制御することが可能である。焦点先鋭度はビーム過渡域幅φｐｓ＋、φｐｓ−を小さく設定することにより大きくすることができる。ただし、ビーム過渡域幅φｐｓ＋、φｐｓ−を小さくし過ぎると、指向性音響ビーム域外のレベルを大きくしてしまう。指向性音響ビーム域外のレベルを大きくしないために、目安として、距離｜ｒ０｜≒アレー長Ｌの場合にビーム過渡域幅φｐｓ＋、φｐｓ−を１０°程度に設定するのがよく、｜ｒ０｜＞Ｌでは１０°より小、｜ｒ０｜＜Ｌでは１０°より大に設定すればよい。
【００１５】
〔２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性の設定（Ｓ２０）〕
図４に示した、等間隔Ｄで直線状に配置されたスピーカアレー８から角度φで放射される音響波のスペクトルは、２次元周波数平面では、下記の式で表される直線上に分布する。
【数５】
2012156899.tif 000007
ただし、上記の式中ｆ１は時間周波数を示しており、ｆ２は空間周波数を示している。
図７に示したような、ビーム中心がφ＝φ０である、台形の指向特性の指向性音響ビームを形成するための２次元ディジタルフィルタ４の目標振幅特性として、図８に示すようなくさび形過渡域の特性を用いる（西川清、大野広祥、唐新華、金森丈郎、直野博之、「広帯域ビーム形成用２次元ＦＩＲファンフィルタの２次元フーリエ級数近似による設計法」、電子通信学会論文誌、vol.J83-A、No.12、pp.1357-1367、2000年12月 参照）。
【００１６】
図８は設計目標とする指向性音響ビームの指向特性を示しており、時間周波数ｆ１と空間周波数ｆ２による２次元周波数平面における２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性Ａｄ（ｆ１、ｆ２）を示すグラフである。本実施形態の指向性音響ビームの設計方法では、図８に示す目標振幅特性が、図７に示す台形の指向特性となるように振幅特性を設定する。ここで、図７は図８中にＡ−Ａ’線で示した部分の音圧レベルを示すグラフである。
【００１７】
〔低域（ｆ１＜ｆＬ）での振幅特性の設定方法〕
本実施形態の指向性音響ビームの設計方法は、周波数帯域ｆ１＝ｆＬ〜ｆＨで同一指向特性といえるようにするために、低域（ｆ１＜ｆＬ）での振幅特性を、以下のようにして設定している。
まず、図８に示すように、ｆ１＝０〜ｆＬで振幅を１とするために、ｆ２方向に幅２Ｗの方形振幅を設定する。次に、ｆ１＝０〜ｆＬ’、ｆＬ’≦ｆＬにおける振幅特性を修正するために、図９に示すような振幅低下特性を図８の振幅特性に掛けて修正する。通常は、図９に示す振幅の下限値Ａｌは、０．２５（ｆｌ＝１０〜１００Ｈｚ相当）程度とすれば良い。ただし、場合により、Ａｌ＞０．２５として低域における音量を増すことも可能である。
【００１８】
〔２次元ディジタルフィルタの目標位相特性の設定（Ｓ３０）〕
２次元ディジタルフィルタ４の位相特性の設定について、以下に説明する。
２次元ディジタルフィルタ４は、図４に細い実線で示したスピーカアレー８の中心点０を中心とする音波を示す円の波面を、より小さい同図中に太い実線で示した仮想音源点である焦点Ｐを中心とする音波を示す円の波面に変形するものである。なお、細い実線で示した円と太い実線で示した円とは、中心点０と焦点Ｐとを結ぶ直線との交点において接している。具体的には、図４に太い実線で示した焦点Ｐを中心とする波面形状になるように、下記の式で示される伝搬遅延τ（φ）すなわち角度φ方向の伝搬時間差を設定する（西川清、志村智、横山哲哉、宮岸美貴子、「２次元ディジタルフィルタを用いた音像移動と指向性音響ビーム形成」ＡＥＳ東京コンベンション  ’９９予稿集、ｐｐ．１６６−１６９、１９９９−０７  参照）。
【数６】
2012156899.tif 000008
また、２次元ディジタルフィルタ４の位相特性θｄ（ｆ１，ｆ２）は、τ（φ）より導かれ、下記の式で表される。
【数７】
2012156899.tif 000009
図１０は位相の指向特性を示すグラフである。同図に示すように、指向性音響ビームの位相は各φ方向では直線位相である。
位相特性を設定する周波数領域は、実際には、図８に示した振幅＞０の範囲となる。
【００１９】
〔２次元離散フーリエ級数近似による２次元ディジタルフィルタ係数の導出（Ｓ４０）〕
上述したように、時間周波数ｆ１と空間周波数ｆ２とによって表わされる２次元周波数平面における２次元ディジタルフィルタ４の所望の振幅特性Ａｄ（ｆ１，ｆ２）および位相特性θｄ（ｆ１，ｆ２）が設定された。そこで、複素振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）＝Ａｄ（ｆ１，ｆ２）ｅｘｐ｛ｊθｄ（ｆ１，ｆ２）｝に対して２次元離散フーリエ級数近似を行って２次元インパルス応答係数ｈｄ（ｎ１，ｎ２）を求める。ただし、ここでは、ｆ１とｆ２とをそれぞれ１／Ｔと１／Ｄで規格化した、規格化時間周波数ｆ１＾、規格化空間周波数ｆ２＾により表す。これにより(数５)は、下記の式に書き直される。
【数８】
2012156899.tif 000010
２次元ディジタルフィルタのインパルス応答係数ｈｄ（ｎ１，ｎ２）の導出は、目標複素振幅特性Ｈｄ（ｆ１＾，ｆ２＾）を離散化して２次元離散フーリエ逆変換（Inverse Distance Fourier Transform, IDFT）を用いて行う。従って、インパルス応答係数ｈｄ（ｎ１，ｎ２）は次の式で表される。
【数９】
2012156899.tif 000011
上式の２次元離散フーリエ逆変換の様子は図１１に模式的に示される。
図１１（ａ）、（ｂ）はＨｄ（ｋ１／Ｍ１，ｋ２／Ｍ２）の振幅特性を示し、それぞれ（ａ）Ｎ２が奇数の場合、（ｂ）Ｎ２が偶数の場合を示す。ただし、Ｎ２が偶数の場合、図１１(ｂ)の振幅特性はｋ２＝±Ｍ２／４に関して奇対称とする。すなわち、｜ｋ２｜≦Ｍ２／４において振幅特性は正であるが、｜ｋ２｜＞Ｍ２／４における振幅特性は負である。図１１(ｃ)は変換結果のｈｄ（ｎ１，ｎ２）を示す。この２次元離散フーリエ逆変換を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform, FFT）で実行するために、Ｍ１、Ｍ２の値をそれぞれＮ１、Ｎ２の１０倍程度以上で２のべき乗（累乗）の値に選ぶ。上記のｈｄ（ｎ１，ｎ２）より、２次元ディジタルフィルタの伝達関数の係数ｈ（ｎ１，ｎ２）は、Ｎ２が奇数の場合はｈ（ｎ１，ｎ２）＝ｈｄ（ｎ１―１−（Ｎ１―１）／２、ｎ２―１−（Ｎ２―１）／２）、ｎ１＝１〜Ｎ１、ｎ２＝１〜Ｎ２  により、Ｎ２が偶数の場合はｈ（ｎ１、ｎ２）＝ｈｄ（ｎ１―１−（Ｎ１―１）／２、２（ｎ２―１）−（Ｎ２―１））、ｎ１＝１〜Ｎ１、ｎ２＝１〜Ｎ２  により決定することができる。
２次元ディジタルフィルタの目標振幅特性の設定、目標位相特性の設定および２次元離散フーリエ級数近似による２次元ディジタルフィルタ係数の導出は、Ｓ１０において設定された各パラメータに基づいて行われる。ここで、２次元離散フーリエ級数近似を用いることにより、２次元ディジタルフィルタ係数を非常に速く導出することが可能となるから、２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの指向性の設計を素早く実現することができる。
【００２０】
上述のようにして得られた２次元ディジタルフィルタ係数を用いて、各種振幅、位相特性を表示（Ｓ６０）、結果の空間応答（インパルス列応答、正弦波応答）のシミュレーションによる指向性音響ビーム特性の確認（Ｓ７０）を行う。また、この２次元ディジタルフィルタ係数は、図１のスピーカアレーシステムに渡されて（Ｓ５０）、所望の指向性音響ビームを形成するための動作をすることになる。
本実施形態の指向性音響ビームの設計方法によれば、スピーカアレーシステムにより、互いに関連する２つの音響信号に基づいて、２つの焦点位置に同時に形成される指向性音響ビームであるステレオビームの設計を容易に行うことが可能となる。
また、パラメータ設定ステップ、２次元特性設定ステップ及びフィルタ係数導出ステップをスピーカアレーシステムによる音響の再生中に行うこととすれば、指向性音響ビームの設計変更を迅速に行うことが可能となる。
【００２１】
〔実施の形態２〕
本実施の形態では、従来に比べて簡単な構成でスピーカアレーシステムを実現することができ、大幅なコストダウンが可能である指向性音響ビームの設計方法について説明する。
図１２は、本実施形態の指向性音響ビームの設計方法の実施形態を示すフローチャートである。同図に示すように、本実施形態の指向性音響ビームの設計方法は、記憶ステップ（Ｓ８０）及び再生ステップ（Ｓ９０）を備えている。
記憶ステップ（Ｓ８０）は、実施の形態１において説明したフィルタ係数導出ステップ（Ｓ４０、図５参照）により導出された２次元ディジタルフィルタ係数を用いて、音響信号を２次元ディジタル処理して得られた情報を記憶するものである。２次元ディジタルフィルタ係数を用いて音響信号を２次元ディジタル処理することにより、指向性を有する指向性音響ビームの情報を得ることができる。記憶ステップにおいて情報を記憶するために用いられる記憶手段（記録領域）としては一般に用いられている手段を用いることができ、特に限定されるものではない。
再生ステップ（Ｓ９０）は、記憶ステップにおいて記憶された情報を用いて指向性音響ビームを再生するものである。例えば、記憶ステップにおいて、ブザー音の音響信号を２次元ディジタル処理した結果得られた情報を記憶しておけば、再生ステップにおいて、指向性を有するブザー音を再生することができる。
このように、フィルタ係数導出ステップにより２次元ディジタルフィルタ係数を導出しておけば、記憶ステップ及び再生ステップにより、所望の指向性音響ビームを再生することができる。
また、この方法によれば、非常に簡単な構成により、スピーカアレーシステムを実現することができる。図１３は、本実施の形態に用いられる記憶手段としてのＲＯＭ（Read Only Memory）を用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムを示すブロック図である。本実施形態の方法によれば、同図に示すように、音源ソース１、フィルタ部２、ＡＤＣ部３及び２次元ディジタルフィルタ４をＲＯＭ９で代替することができる（図１参照）。このため、従来よりも簡単な構成でスピーカアレーシステムを実現できるから、大幅なコストダウンが可能となる。また、ＲＯＭ９を交換可能な構成とすれば、ＲＯＭ９を交換することにより再生される音響信号やその指向性を容易に変化させることができる。
【００２２】
〔実施の形態３〕
本発明の指向性音響ビームの設計プログラムおよびスピーカアレーシステムによれば、目的とするビームタイプや指向特性の指向性音響ビームは、設計プログラムにより前もって指向性音響ビームを設計し、スピーカアレーシステム内のデータ領域に記憶しておいた複数の２次元ディジタルフィルタ係数より選定して動作させることができる。新たな指向性音響ビームが必要になった場合でも、動作中に設計プログラムを実行してフィルタ係数を導出し、この係数に切り替えることで対応することも可能である。
また、本発明によれば、複数の集束ビームを用いることにより、音像の移動や、高音圧のステレオ再生を行わせることができる。次に、複数の集束ビームを用いて行う音像移動と高音圧ステレオ再生の方法について説明する。なお、実施の形態１において説明した部材には同じ番号を付し、本実施の形態では説明を省略する。
【００２３】
図１４は、それらＫ個の集束ビームを形成するための、Ｋ個（２≦Ｋ、Ｋは２以上の整数）の２次元ディジタルフィルタ４（フィルタ係数はｈ１（ｎ１、ｎ２）、……ｈＫ（ｎ１、ｎ２））を接続したスピーカアレーシステム１０１の模式図である。同図に示すように、スピーカアレーシステム１０１は、音源３０に並列接続され、予め設定されたフィルタ係数に応じたディジタル処理を行う複数の２次元ディジタルフィルタ４と、複数の２次元ディジタルフィルタ４に接続されたスピーカアレー８からなり、スピーカアレー８はＮ２個（Ｎ２は２以上の整数）のスピーカ１０（スピーカユニット）を有し、スピーカアレー８から指向性音響ビームを照射するスピーカアレーシステムである。
２次元ディジタルフィルタ４は、それぞれＮ２個の出力４０を有し、それぞれの２次元ディジタルフィルタ４のｎ２番目（１≦ｎ２≦Ｎ２）の出力４０（ｎ２）は、並列加算されて前記スピーカアレー８の対応するｎ２番目のスピーカ１０（ｎ２）に出力されている。すなわち、２次元ディジタルフィルタ４はそれぞれ、スピーカアレー８の備えているスピーカ１０と同数の出力４０を備えており、各出力４０が加算器５０を介してスピーカアレー８を構成するスピーカ１０に接続されている。２次元ディジタルフィルタ４のｎ２番目（１≦ｎ２≦Ｎ２）の出力４０（ｎ２）は、図１４に示すように、ｎ２番目の加算器５０（ｎ２）において並列加算され、ｎ２番目のスピーカ１０（ｎ２）に入力される。
【００２４】
音像移動すなわちスピーカアレー８から出力される音響の焦点Ｐの移動は、Ｋ個の２次元ディジタルフィルタ４の出力４０を次々と切替えて動作させることで実現する。出力４０を次々と切替えて動作させることにより音像移動が可能となる。ここで、滑らかな音像移動のためには、隣接するすなわち時間的に連続して使用される２つの２次元ディジタルフィルタ４の出力に対して、図１５に示すような時間窓を掛けることが好ましい。これにより、隣接する２次元ディジタルフィルタ４の一方の出力を徐々に小さくするとき、他方の出力はそれと相補う大きさに徐々に大きくして加算した値をスピーカアレー８に出力することができる。このように、複数の２次元ディジタルフィルタ４のうちの隣接する２個ずつを順次動作させることにより、スピーカアレー８により再生される音像移動を滑らかなものにすることができる。
図１５は、複数の指向性音響ビームを切り替えるための時間窓の形状を示す図であり、（ａ）は直線のロールオフ、（ｂ）はコサインロールオフの形状を示す。同図の縦軸ｇ（ｔ）は大きさを示しており、横軸ｔは時間を示している。ここで、直線のロールオフとは、隣接する２次元ディジタルフィルタ４の出力の切替において、式：１−（ｔ／ＴＲ）に基づいて一方の出力をｔ＝０〜ＴＲにおいて徐々に小さくすると共に、式：ｔ／ＴＲに基づいて他方の出力を徐々に大きくすることをいう。また、コサインロールオフとは、隣接する２次元ディジタルフィルタ４の出力の切替において、式：（１／２）〔１＋cos[（π/ＴＲ）ｔ]〕に基づいて一方の出力を徐々に小さくすると共に、式：（１／２）〔１−cos[（π/ＴＲ）ｔ]〕に基づいて他方の出力を徐々に大きくすることをいう。ここではＴＷを窓幅と呼び、ＴＷの大きさは音像移動の早さを決める。一方、ロールオフ区間ＴＲの大きさは音像移動様式を決めることになる。ＴＲの大きさをＴＷに等しくすると音像の移動は滑らかにでき、ＴＲを小さくすると音像の移動は飛び跳ねる状態となる。
【００２５】
図１６は、Ｋ個の焦点Ｐｋ、ｋ＝１〜Ｋを形成する集束ビームを用いて、音像を初期の焦点Ｐ１から移動させる様子を示したものであり、斜線部Ａは音像移動を観測できる受聴エリアを示す。ここで、図１６（ａ）はスピーカアレー８の前方での音像移動を、（ｂ）はスピーカアレー８の後方およびその付近での音像移動を示しており、（ｂ）の方が音像移動を観測できる受聴エリアが広い。図１６（ａ）、（ｂ）の焦点を組み合わせて、スピーカアレー８前方から後方へ、あるいは後方から前方へと音像移動させることもできる。
音像移動に用いられる２次元ディジタルフィルタ４のそれぞれのフィルタ係数は、実施の形態１において説明した指向性音響ビームの設計方法により設計されたものを用いることができる。この設計方法によればフィルタ係数を効率良く設定することができるから、前記スピーカアレーシステムによる音響の再生中であっても、新たな指向性音響ビームを設計することが可能である。
【００２６】
図１７は、２つの集束ビームを用いて高音圧のステレオ再生を行わせる実施形態を示している。同図に示すように、スピーカアレー８の前方の点ＰＬ、ＰＲを焦点とする２つの集束ビームをスピーカアレーシステム１０２から放射させ、それらの集束ビームをステレオのＬ、Ｒチャンネルに対応させることにより高音圧のステレオ再生を行わせることができる。焦点ＰＬ・ＰＲの間隔ｖは受聴者Ｂの顔幅より広めになるように設定され、スピーカアレーシステム１０２には２つの２次元ディジタルフィルタ４（フィルタ係数はｈＬ（ｎ１，ｎ２）、ｈＲ（ｎ１，ｎ２））が接続される。良好な高音圧ステレオ再生が実現できる受聴エリアは、スピーカアレーから正面方向の距離ｒ０〜３ｒ０の位置である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向特性で音波を放射させることができるスピーカアレーシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
４  ２次元ディジタルフィルタ
８  スピーカアレー
９  ＲＯＭ（記録領域）
１０  スピーカ（スピーカユニット）
２０  １次元ディジタルフィルタ
３０  音源
４０  出力
１００、１０１、１０２  スピーカアレーシステム
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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