(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスピーカユニットを直線状に配置してスピーカアレイを構成するとともに、
このスピーカアレイを部屋の天井ないし天井付近に設置し、
上記スピーカアレイの音量の大きい指向方向がリスナの前方の壁面に向くとともに、上記スピーカアレイの音量の低下する指向方向が上記リスナに向くように、上記複数のスピーカユニットのそれぞれに供給されるオーディオ信号のレベル、位相あるいは遅延時間を補正する
ようにしたスピーカ装置。
【請求項２】
複数のスピーカユニットを平面状に配置してスピーカアレイを構成するとともに、
このスピーカアレイを部屋の天井ないし天井付近に設置し、
上記スピーカアレイの音量の大きい指向方向がリスナの前方の壁面に向くとともに、上記スピーカアレイの音量の低下する指向方向が上記リスナに向くように、上記複数のスピーカユニットのそれぞれに供給されるオーディオ信号のレベル、位相あるいは遅延時間を補正する
ようにしたスピーカ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主として一般家庭において、オーディオ装置やＡＶ装置などの一部として使用されるスピーカ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステレオ再生を目的とするオーディオ装置のスピーカは、通常、リスナの左右前方に適切な間隔をおいて配置される。また、ＡＶ装置におけるスピーカも同様に配置されるが、ＡＶ装置においては、さらに、ディスプレイのスクリーン（画面）の妨げとならないように配置される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、オーディオ装置あるいはＡＶ装置などで使用するスピーカは、なかば常識的に床に置くことが前提とされている。このため、上記のようにスピーカを配置する場合、比較的広い面積を必要としてしまう。特に、ＡＶ装置のディスプレイが投射型プロジェクタの場合には、スピーカはスクリーンの外側に配置されるので、さらに広い面積が必要になってしまう。
【０００４】
この結果、スピーカに対し、必然的に小型化あるいは細長い形状化へとニーズが向いてきている。また、ディスプレイ装置が大画面化しつつ薄型化しているので、この点からもスピーカの占有面積がより小さいことが望まれている。
【０００５】
そこで、天井吊り下げタイプの投射型プロジェクタがまったく床面の占有面積を必要としていないように、スピーカ装置も天井吊り下げタイプとすれば、床面を占有しなくてすむ。
【０００６】
しかし、スピーカを天井付近に設置すると、音像が頭の上に定位してしまい、不自然である。特に、ΑＶ装置では画面と音像とが、まったく異なる方向となり、きわめて不自然である。
【０００７】
この発明は、このような問題点を解決しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
複数のスピーカユニットを直線状に配置してスピーカアレイを構成するとともに、
このスピーカアレイを部屋の天井ないし天井付近に設置し、
上記スピーカアレイの音量の大きい指向方向がリスナの前方の壁面に向くとともに、上記スピーカアレイの音量の低下する指向方向が上記リスナに向くように、上記複数のスピーカユニットのそれぞれに供給されるオーディオ信号のレベル、位相あるいは遅延時間を補正する
ようにしたスピーカ装置
とするものである。
【０００９】
この結果、スピーカ装置が天井にあっても、壁面からの反射音により音像の定位位置が定まり、音像はリスナの前方に定位する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
今、図１１に示すように、２つのスピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2を配置する。すなわち、スピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2の正面軸（中心軸）Ｙ1、Ｙ2が紙面内において並行となるように、かつ、スピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2のコーン（振動板）が正面軸Ｙ1、Ｙ2の方向において等しい位置となるように、配置する。また、このとき、
ａ：正面軸Ｙ1、Ｙ2の間隔
θ：紙面内において、正面軸Ｙ1、Ｙ2から反時計方向への角度（放射角）
とする。
【００１１】
そして、オーディオ信号として例えば正弦波信号を、入力端子Ｔinから遅延回路ＤＬ1、ＤＬ2を通じてスピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2に供給するとともに、このとき、遅延回路ＤＬ1、ＤＬ2において、信号に対して時間Ｄ1、Ｄ2（Ｄ2≧Ｄ1）の遅延を行うようにする。
【００１２】
すると、スピーカユニットＳＰ1から出力される音波と、スピーカユニットＳＰ2から出力される音波とが干渉する。また、このとき、スピーカユニットＳＰ1からの音波と、スピーカユニットＳＰ2からの音波との間には、遅延回路ＤＬ1、ＤＬ2により時間差（Ｄ2−Ｄ1）を生じている。さらに、正面軸Ｙ1、Ｙ2に対して、θ≠０の軸Ｙ11、Ｙ12（破線図示）の軸上においては、両音波には行路差がある。
【００１３】
この結果、受音点（リスニング位置）によって両音波の干渉時の位相関係が異なることになり、例えば、ある受音点においては、両音波が同相で加算されてスピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2が１つの場合の２倍の音量となり、ある受音点においては、両音波が逆相となって相殺され、音量が０となる。つまり、スピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2の総合の音量特性は指向性を持つことになる。
【００１４】
図１２は、その音量特性の指向性の一例を示すもので、この例においては、
0003826423.tif 000002
の場合である。また、最大音量を０dBに規格化している。
【００１５】
そして、この図１２によれば、ｆ＝1000Hzの場合、θ≧30°の範囲では、音量はほぼ最大となり、θ＝−45°の位置では、音量はほとんど０である。
【００１６】
しかし、同じ条件で、ｆ＝5000Hzとすると、図１３に示すような指向性となる。そして、この図１３によれば、θ≧45°の部分が主ビームであるが、０≦θ≦45°の範囲に、主ビームと同程度の大きさの副ビーム（グレーティングビーム）を生じている。これは、この副ビームにおいては、両音波の位相差が、波長の整数倍となり、同相で加算されるからである。
【００１７】
そして、他の副ビームについても同様であり、受音点が間隔ａに比べて十分に離れているとすれば、一般に、
ａ／Ｃ・（１−cosθ）＝１／ｆ・ｎ                      ・・・  (1)
ｎ＝０、１、２、…（ｎ＝０は主ビームのとき）
を満足するとき、スピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2からの音波の位相がそろって主ビームと同じ大きさの副ビームを生じる。
【００１８】
逆に、ｆ＝1000Hzのとき、(1)式を満足するのは、ｎ＝０だけであり、したがって、主ビーム以外に、同じ大きさの副ビームは生じることはない。
【００１９】
さらに、ｎ＝１のとき、(1)式を満足する周波数ｆ、すなわち、副ビームを生じる周波数ｆは、(1)式から
ｆ＝Ｃ／（ａ（１−cosθ））
となる。上記の数値例では、ｆ≒1700Hzとなるが、これはスピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2の間隔ａが音波の半波長に等しいときの周波数である。
【００２０】
以上のように、並べて配置したスピーカユニットＳＰ1、ＳＰ2にオーディオ信号を供給するとともに、そのオーディオ信号に時間差を与えると、総合の音量特性に指向性を与えることができる。また、そのときの主ビームの方向あるいはヌル方向は、そのオーディオ信号の時間差によって変更することができる。
【００２１】
この発明は、このような点に着目してスピーカ装置を構成するものである。
【００２２】
図１は、この発明の一形態を示し、符号ＳＡはスピーカアレイである。このスピーカアレイＳＡは、図１の場合、８個のスピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8から構成され、これらスピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8は、それらの正面軸（中心軸）Ｙが紙面内において並行となるように、配列されている。また、このとき、スピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8のコーン（振動板）が正面軸Ｙの方向において等しい位置となるように、間隔ａをもって等間隔に、直線状に配列されている。
【００２３】
そして、オーディオ信号が、入力端子Ｔinから遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8およびレベル制御回路Ｗ1〜Ｗ8を通じてスピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8に供給される。この場合、遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8は、入力されたオーディオ信号の遅延ないし位相のシフト（移相）を行うものであり、レベル制御回路Ｗ1〜Ｗ8は、入力されたオーディオ信号のレベルを減衰ないし増幅するものである。
【００２４】
そして、図１のスピーカアレイＳＡにおいては、図示はしないが、遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8およびレベル制御回路Ｗ1〜Ｗ8は、その特性を外部からの制御信号により電気的に制御できるようにされている。なお、遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8およびレベル制御回路Ｗ1〜Ｗ8は、ＤＳＰにより構成することができ、このとき、端子Ｔinからのオーディオ信号をＡ／Ｄ変換してからＤＳＰに供給し、ＤＳＰからの信号をＤ／Ａ変換してからスピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8に供給することができる。
【００２５】
そして、図２は、図１のスピーカ装置とリスナとの位置関係を略線的に示す縦方向の断面図である。すなわち、リスナＬは、壁面ＫＢに向かって着席しているとともに、その天井ＴＪには、図１のスピーカアレイＳＡが設けられている。なお、この場合、スピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8の配列方向（図における右方向）が、壁面ＫＢの方向とされる。
【００２６】
また、壁面ＫＢは、投射型プロジェクタのスクリーンとすることもでき、あるいは壁面ＫＢの前面にスクリーンを設置することもできる。さらに、通常は、上記したスピーカアレイＳＡおよび図１の信号ラインが２組設けられ、ステレオの左チャンネルおよび右チャンネルに使用される。
【００２７】
このような構成において、レベル制御回路Ｗ1〜Ｗ8における重みとして、例えぼ０次の第１種ベッセル関数を適用し、主ビームがθ＝60゜の方向を向くように遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8による遅延時問を設定すると、ａ＝10ｃｍ、ｆ＝1000Hzの場合、図３に示すような指向性を得ることができる。
【００２８】
したがって、図２において、スピーカアレイＳＡから音波が出力されると、これは、約30°（＝90°−θ）の俯角で、リスナＬの前方の壁面ＫＢの方向に放射され、その壁面ＫＢで反射してからリスナＬに到達する。そして、このとき、スピーカアレイＳＡからリスナＬに直接音も届くが、図３に示すように、その音量は小さく、壁面ＫＢで反射した主ビームの音波のほうが、はるかに優勢なので、リスナＬには直接音は聴こえない。
【００２９】
ちなみに、通常の視聴環境においては、上記の反射音と直接音との行路差は数ｍ以内であるから、その時問差は15ｍ秒以内であると考えられる。そして、Ｈaasらの研究によれぼ、反射音が直接音よりおよそ20dB以上のレベルであれば、直接音は聴こえない。
【００３０】
したがって、リスナＬにとって、端子Ｔinのオーディオ信号による音像は、リスナＬの前方に定位しているように感じる。
【００３１】
こうして、上述のスピーカ装置によれば、スピーカ装置は天井ＴＪないし天井付近に設けることができるので、その設置に床面の占有面積をまったく必要としない。しかも、スピーカ装置が天井ＴＪないし天井付近にあっても、音像はリスナＬの前方に定位し、自然である。特に、ΑＶ装置では画面と音像とが、同じ方向となり、きわめて自然である。
【００３２】
また、遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8およびレベル制御回路Ｗ1〜Ｗ8の特性を変更することにより、指向性を変更できるので、音像を例えば前方下方から前方上方へと変化させることもでき、これによりΑＶ装置やＴＶゲームなどでの特殊音響効果を出すこともできる。
【００３３】
ところで、上述の目的にかなう指向性を得るためには、いくつかの注意が必要である。すなわち、スピーカアレイの基本的なパラメータであるスピーカユニットの数と、その間隔ａについてである。
【００３４】
デジタルフィルタにおける単位遅延素子の遅延量が、正常に処理できる上限周波数を決定するように、スピーカアレイにおけるスピーカユニットの間隔ａは、１つの主ビームを適切に制御できる上限周波数をほぼ決定する。定性的には、音波の半波長がスピーカユニットの間隔ａより長い周波数では、主ビームを１つにすることはできるが、それより高い周波数では、主ビームに匹敵する大きさの副ビームが発生する。
【００３５】
一例として、図１のスピーカアレイＳＡにおいて、ｆ＝3000Hzの場合の指向性を図４に示す。上記のように、スピーカアレイ（線形アレイスピーカ）においては、音波の干渉により指向性を生じ、主ビームの方向では、各スピーカユニットから放射された音波の位相がそろうように遅延回路ＤＬ1〜ＤＬ8の遅延時間Ｄ1〜Ｄ8を調整する。
【００３６】
このように、信号の周波数が高くなると、主ビーム以外の方向でも、音波の位相がそろう方向を生じるようになる。すなわち、直接音のレベルが無視できなくなってしまう。
【００３７】
このことに対する対策は、大別して２つある。その第１の方法は、オーディオ信号を帯域分割し、高域用にはスピーカユニットの間隔ａの狭いスピーカアレイを用意する方法である。
【００３８】
すなわち、例えば、８個のスピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8について、ａ＝10ｃｍとしたスピーカアレイにおける指向周波数特性は、図５に示すようになるが、ａ＝４ｃｍとすると、図６に示すようになり、指向性の周波数特性が変化している。さらに、図７は、ａ＝４ｃｍでｆ＝3000Hzの場合の指向性であり、図４の指向性と比べると、指向性が改善されている。さらに、図８は、ａ＝４ｃｍでｆ＝5000Hzの場合の指向性である。
【００３９】
このように、スピーカユニットの間隔ａを変更することにより、指向性を変更することができ、必要な指向性を得ることができる。
【００４０】
さらに、直接音のレベルが無視できるようにする第２の方法は、スピーカユニットそのものの指向性を利用する方法である。すなわち、通常のスピーカユニットは円形をしているとともに、特に高域では指向性を示す。したがって、例えば図９に示すように、スピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8の正面を、スピーカアレイＳＡの主ビームの方向あるいは反射させる壁面ＫＢの方向に向けることで、リスナＬの方向への直接音を、かなり小さくすることができる。
【００４１】
さらに、第１の方法にせよ、第２の方法にせよ、リスナＬへの直接音のレベルを、壁面ＫＢからの反射音のレベルよりも、十分に小さくすることが要点であるが、主ビームは光線とは異なり、多少、ビームの方向を変化させても、その音量はほとんど変化しないので、主ビームの方向の制御よりも、リスナＬへの直接音が低レベルになるように指向性を制御することもできる。
【００４２】
また、スピーカアレイＳＡの全長が、音波の波長と同程度あるいはそれ以下の周波数、つまり、低い周波数では、十分鋭い指向性は実現できない。例えば、ａ＝10ｃｍ、ｆ＝300Hzの場合、その指向性は、図１０に示すようになる。これは、各スピーカユニットＳＰ1〜ＳＰ8から放射された音波が十分に干渉できないためである。
【００４３】
このような周波数帯域でも、この発明の効果を維持する方法として、主ビームの方向を斜め下方よりむしろ水平に近く設定することが考えられるが、いわゆる双指向性あるいは正負二重音源（ダブレット音源）とし、スピーカアレイＳＡの鉛直方向（リスナＬの方向）に、大きな指向性のヌルを形成すればよい。また、一般に、150Hz程度以下の低音については、方向を検知できないと言われているので、このような点を考慮すると、より効果的である。
【００４４】
さらに、スピーカユニットを、縦横に広がりのある面状あるいはマトリックス状に配列したスピーカアレイとすることもでき、そのようにすれば、リスナＬから見て、左右方向への広がりを制御することもできる。例えば、左右の定位感をよりシャープにしたり、中央からずれたリスニング位置でも、適切な定位感を得るようにすることもできる。すなわち、スピーカ装置を物理的に動かさなくても、指向性を制御することができる。
【００４５】
また、平面状、例えば格子状配列のスピーカアレイでは、リスナの前方に主ビームを設定するだけでなく、左右や前後に切り換えたり、移動させたりすることもできる。つまり、プロジェクタを使用しているような場合、通常は前面のスクリーンに音像を定位させ、場面に応じて側面のスクリーンに音像を移動させるというような音響効果も可能となる。さらに、マルチスクリーンを駆使した映像にも、画面ごとに音像定位を変えることができる。
【００４６】
そして、以上のような音像の定位位置の変更は、基本的には、各スピーカユニットに供給されるオーディオ信号のレベル、位相あるいは遅延時間を変化させることにより実現しているので、その制御は容易であり、この制御をリスナＬが自分で再生音を聴きながら、リモコン（遠隔操作）により行うこともできる。
【００４７】
あるいはあらかじめ用意された複数の制御値群（プリセットデータ）から最適なものを選ぶようにしたり、この制御をプログラムあるいはシステムコントロールから行うようにすれば、画像に合わせて定位感を変えることもできる。そして、これはＡＶ装置やゲーム機などで有効である。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、通常の使用において床などに置くスピーカ装置を天井ないし天井付近に設置できるので、居住空間や展示空間などをより広く使うことができる。しかも、リスナの前方にスピーカがなくても、前方に音像を定位させることができるので、自然な音場とすることができる。
【００４９】
また、音像を前方以外の位置にも定位させることができ、表現力がきわめて増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一形態を示す図である。
【図２】この発明の一形態の使用状態を示す図である。
【図３】この発明を説明するための特性図である。
【図４】この発明を説明するための特性図である。
【図５】この発明を説明するための特性図である。
【図６】この発明を説明するための特性図である。
【図７】この発明を説明するための特性図である。
【図８】この発明を説明するための特性図である。
【図９】この発明の他の形態の一部を示す図である。
【図１０】この発明を説明するための特性図である。
【図１１】この発明を説明するための図である。
【図１２】この発明を説明するための特性図である。
【図１３】この発明を説明するための特性図である。
【符号の説明】
ＤＬ1〜ＤＬ8＝遅延回路、ＫＢ＝壁面、Ｌ＝リスナ、ＳＡ＝スピーカアレイ、ＳＰ1〜ＳＰ8＝スピーカユニット、Ｔin＝入力端子、ＴＪ＝天井、Ｗ1〜Ｗ8＝レベル制御回路
【図１】
0003826423.tif 000003
【図２】
0003826423.tif 000004
【図３】
0003826423.tif 000005
【図４】
0003826423.tif 000006
【図５】
0003826423.tif 000007
【図６】
0003826423.tif 000008
【図７】
0003826423.tif 000009
【図８】
0003826423.tif 000010
【図９】
0003826423.tif 000011
【図１０】
0003826423.tif 000012
【図１１】
0003826423.tif 000013
【図１２】
0003826423.tif 000014
【図１３】
0003826423.tif 000015