腕輪型ハンズフリーフォン向け指向性スピーカアレーの研究
Investigation of circular loudspeaker array for wrist-mounted communication devices

腕に常時装着するという観点から、脈拍等の生体信号を読み取り健康管理に利用されるなど活用方法は多様であり、今後の発展も期待されている。一方で、以前より腕時計型のハンズフリーフォンの商品化や検討が進んでいるが、一般に普及しているとは言えない。ハンズフリー通話は便利ではあるが、周囲に人がいるような環境では、通話音声が外部に漏れるという課題がある。これを防ぐためには音を耳

羽田 陽一 (博士（情報科学）、 Ph. D.)

元の方向にのみ強く放射する指向性スピーカの利

電気通信大学 大学院情報学専攻 教授

用が考えられる。一般に指向性スピーカとしては、(Professor、 The University of Electro-Communications)

超音波を用いたパラメトリックスピーカ*1 方式が知日本音響学会 IEEE、 AES 他
受賞：電気通信普及財団賞（2015 年）、日本音響学会技術開発賞（2007 年）、電子情報通信学会論文賞（2002 年）、日本音響学会佐藤論文賞（2002 年)、電子情報通信学会業績賞（1998 年）他
著書：音響学入門ペディア コロナ社 (2017 年）
研究専門分野：音響信号処理られているが[1]、指向性を形成するためには平面上に超音波素子を並べるための面積が必要であり、小型化はできない。
そこで、本研究においては、腕に装着することを念頭におきながら、10mm 角程度の小型の可聴域スピ

あらましーカを複数用いて円形スピーカアレー*2 を構成し、本研究は、複数のスピーカを円周上に等間隔に並べこれを用いて指向性スピーカを実現することを検討する。

た円形スピーカアレーを用いて、ある方向には音を強く放射し、ある方向では音の放射を弱める、いわゆる２．研究の背景指向性スピーカに関する研究を行ったものである。特に腕に装着することを想定し、半径 5 cm の円形アレ

指向性スピーカに関する研究は、超音波を用いたーと、その円形アレーを 3 段積層したタイプの 2 つにパラメトリックスピーカ方式と、通常のスピーカをついて指向性形成を検討した。従来技術では、指向性複数個利用するスピーカアレー方式の２つに大きを形成しようとすると、音が歪む、3 次元的な指向性く分類できる。パラメトリックスピーカに関する研究は、現在も国内外で盛んに研究がなされており、が形成しづらい、といった課題があったが、本研究で指向性再生のみならず、２つのパラメトリックスピは、円形アレーの基本的な鳴動パターンによって外部ーカを用いたステレオ再生の研究など臨場感再生に形成される指向性とそのときに必要な放射効率に着に関連する研究も数多く行われている[2][3]。

目し、指向性と音の歪みのトレードオフを制御しやす一方、通常のスピーカを複数用いるスピーカアレーくする方法を考案した。基本鳴動パターンは、正負のの研究は、本研究と同様に特定の方向に音を強く放射単純な並びであり、これを円の周方向のみならず、縦するための指向性再生の研究と、あたかもその場に話方向にも応用した。提案手法の有効性は、3D プリンタ者がいるような感覚を与える高臨場感再生に向けた波で作成した試作機により確認し、音の歪みが少ない 3面合成法*3 の研究が主流となっている[4]。波面合成法

次元指向特性が形成できることがわかった。

は、近年、空間フーリエ変換*4[5][6]に基づく解析的な手法の研究が進み、高精度な音場再現が可能となってきている[7]。また、指向性再生でも同様に、スピーカ

１．研究の目的

素子を直線や球面上に等間隔で並べ、空間フーリエ変

近年、Apple Watch に代表されるような腕時計型換を施すことで、空間波数領域で処理する方法が研究の携帯端末が発展してきている。これらの端末は、1されている。特に、球面アレーや円形アレーに対してTELECOM FRONTIER No.105 2019 AUTUMN

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は、球面調和関数展開やヘリカル波展開*5 などを用いり大きな音をスピーカに与えないと遠くまで音が届かた理論的かつ解析的な研究が進んでいる。一方、国内ないようなフィルタ設計を行っているからである。までは、指向性スピーカアレーに関する研究は少ない。

た、通常、円形アレーは 2 次元平面内に配置されるた

また、これまでの研究においては、用いるスピーカのめ、指向性も同じ 2 次元平面内で評価されることが多数は、16 個以上と規模が大きい場合が多い。本研究でい。しかしながら、音は 3 次元的に広がってしまうたは、最終的に腕に装着することを念頭に、4 個から 8め、たとえ 2 次元アレーであったとしても評価および個程度の比較的少ないスピーカ数で効果的な指向性形制御は 3 次元で行う必要がある。

成を目指す。

そこで本研究では、音割れが生じずに安定したフィルタ係数を求める手法として、円形アレーである性質３．2 次元円形アレーによる 3 次元指向性制御を活かし、円調和展開領域でフィルタを設計する手法

本研究においては、腕に装着可能なサイズ（半径を検討した。ここで、円調和展開領域とは、円形アレ5cm）の円周上に８個のスピーカ素子を等間隔（等角ーの８個のスピーカを、例えば（１）8 個とも同じ音度間隔）に並べた円形スピーカアレーを想定し、計算を出す、（２）最初の４つのスピーカは同じ音を出して、機シミュレーション、および 3D プリンタを用いて作後の４つはそれとは逆符号（逆位相）の音にして出す、成した試作機を用い、指向性形成の検討を行った。

（３）2 個ずつ交互に逆位相の音を出す、（４）1 個ずつ交互に逆位相の音を出す、といった基本的なパターンを組み合わせて音を出すことに相当する。8 個のスピーカの位相を＋と－で表すとすると、（１）は＋＋＋＋＋＋＋＋、（２）＋＋＋＋― ― ― ―、（３）＋＋――＋＋― ―、（４）＋－＋－＋－＋－、のパターンに相当する。本手法では、まず周波数ごとにこれらの基本的な鳴動パターンが、3 次元空間にどのように音を放射し、かつ、どれくらいの音の大きさで周囲に音が到達するのかを実験的に調べる。次に、この結果に基づき、あらかじめ設定した利得の中で目的とする指向特性に近い特性を生成する、というものである。
この手法の有効性について、試作したスピーカアレ
ーの指向特性の測定を行った。測定は、無響室におい図１に円形アレーの配置図を示す。まず、通常の代表て行い、アレーから半径 50cm 離れた点にマイクロホ的なアルゴリズムである最小 2 乗法およびマイクロホンを設置し、水平方向と垂直方向の指向特性を計測しンアレーなどでよく用いられる最小分散法（MV 法）た。その結果を図 2 に示す。

を用いて指向性を形成してみたところ、計算機シミュレーション上では良好な指向特性が形成されたが、3Dプリンタを用いて作成した試作機を用いて指向性再生を行うと、ビリビリといった音割れが生じ、指向性が崩れることが確認された。この音割れ（歪み）の原因は、指向性を無理に形成しようとしたため、特に低域でフィルタの大きさが上昇し、スピーカに負荷がかかったためであると考えられる。フィルタが大きくなる
原因は、スピーカアレー全体の放射効率が悪い、つま2TELECOM FRONTIER No.105 2019 AUTUMN

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図 2 において、左は水平面内の指向特性であり、円本制御方式では垂直方向において上下対称である形アレーと同じ面上の特性である。右は垂直方向の指パターンしか制御が行えず、上下を区別して制御す向性である。比較は、提案手法および 2 次元制御であることはできない。そこで、本節では、円形アレーる最小 2 乗法と MV 法を用いた。どの手法においてもを 3 段に積層することで上下を区別しながら 3 次元指向性の向きは、水平方向 180 度方向、垂直方向 90の指向特性を形成する手法の検討を行った。本手法

度方向に音を強く放射し、その他の方向の音は小さくは、1 段ごとの円形アレーは前節で示した方法をそなるように制御している。図の半径方向の大きさは、のまま適用することとし、縦に積層したアレーに関音の強さを表しており、円の中心から最大の円までのする制御方式としては、3 つの円形アレーをそれぞ差が 30dB になるように表示している。この結果かられ一つの放射体とみなし、(1)中央のスピーカのみ分かるように、提案手法は、水平方向および垂直方向、＋ で鳴らす、(2)上下の２つをそれぞれ ＋ と －すなわち 3 次元空間において良好な指向性を形成できの符号をつけて鳴らす、（３）上から、＋１、－２、ていることが分かる。一方で、図 3 に再生音の歪みに＋１を信号に掛け算して鳴らす、の 3 つを基本パタついて示す。

ーンとして、これらを組み合わせてスピーカアレーを鳴動させることを提案する。
提案手法を評価するため、３Ｄプリンタを用いて8 個のスピーカ素子を有する 8ch 円形スピーカアレーを 3 段積層した合計 24 個のスピーカを用いた試作機を作成し、指向特性の評価を行った。図 4 に 3段積層したアレーのイメージを示す。

図 3 では、音声信号をスピーカから流した際に、指向性が向いた 180 度方向で音を聴取した際の周波数振幅特性を示している。図から、提案手法以外では、高調波歪みが発生していることが明らかとなった。以上述べたように、提案手法は、再生音の歪みをなくし、かつ良好な指向性を形成できることが分かった。
４．円筒形アレーへの拡張

3 節で述べた 2 次元円形アレーにおける指向性制
御は、3 次元空間において円形アレーが放射する基本的なパターンをあらかじめ収集し、これを用いて安定したフィルタを求めるものである。これにより
2 次元アレーでも 3 次元指向特性を形成できるが、3TELECOM FRONTIER No.105 2019 AUTUMN

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図 5 には、測定した指向特性を示す。

効率を事前に実験的に求めている。これは、実際の応用においてはネックになることが考えられるが、一度測定すればあとは使いまわすことができるため、大きな欠点ではない。ただし、形状の変更等に容易に対応するためには解析的に求める方法についても今後検討が必要であると考える。また、本研究では、指向性と音の歪みという観点での最適化を行ったが、スピーカ再生においては聴取点における音質（周波数振幅特性）も重要な要素となるため、今後は、指向性、音の歪み、周波数特性の 3 つを最適化するような方法を確立したい。

図 5 において、左側は水平方向の指向特性であり、用語解説右側は垂直方向の図である。図において、水平方向*1 パラメトリックスピーカ：人には聞こえない超音の目的放射方向は 0 度であり、垂直方向の目的放射波を空気中で歪ませて人に聞こえる音を作り出す

方向は、0 度、45 度、90 度の 3 方向に変化させて評スピーカ。超音波の直進性を利用してある特定の方価を行った。図から、これまで上下方向に独立に形向にだけ音を届ける。

成できていなかった指向性ビームを自由に変更で*2 スピーカアレー：ふつうのスピーカを 2 個以上並きることが分かった。また、前節と同様に音が歪まべて、各スピーカから出る音の大きさとタイミングないような安定したフィルタを求められており、比を周波数ごとに細かく制御することで、指向性や波較的容易にフィルタを設計できることが分かった。

面を作り出すスピーカ。
*3 波面合成法：複数のスピーカを用いて、音波をある表面で再現することで、音場全体を再現する方法。

おわりに*4 空間フーリエ変換：空間を流れる音波を周期の異本研究は、円形スピーカアレーを基礎として 3 次元なるサインやコサインと呼ばれる三角関数で表そ空間において音をある方向には強く放射し、ある方向うとすること。

では音を弱める、いわゆる指向性スピーカに関する研*5 球面調和関数展開とヘリカル波展開：球面調和関究を行ったものである。特に腕に装着することを想定数は難しいのでここでの説明は省く。ヘリカル波は、し、半径 5 cm の円形アレーと、その円形アレーを 3 段

床屋の前のサインポールの動きの波であり、大きさや積層したタイプの 2 つについての指向性形成を検討し赤青の斜め具合の異なるサインポールで空間に漂う音た。従来技術では、指向性を形成しようとすると、音波を表そうとすること。*4 のサインとこのサインは意が歪む、3 次元的な指向性が形成しづらい、といった味が異なる。

課題があったが、本研究では、円形アレーの基本的な鳴動パターンによって外部に形成される指向性とその参考文献

ときに必要な放射効率に着目し、指向性形成と音の歪[1] 鎌倉 友男、非線形音響、コロナ社、2014

みのトレードオフを制御しやすくする方法を考案した。

[2] 桐山明奈、 奈良一輝、 網江睦巳、 安藤輝、 青木

鳴動パターンは、円の周方向のみならず、縦への積層茂明、“2 台のパラメトリックスピーカの配置によ方向にも応用したものとなっている。本研究では、基る音像定位の検討、”日本音響学会秋季研究発表会

本的な鳴動パターンが作る基本的な指向性とその放射講演論文集 (2017)

4TELECOM FRONTIER No.105 2019 AUTUMN

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Investigation of circular loudspeaker array for wrist-mounted communication devices[3] 小森 慎也、 大上 佳範、 中山 雅人、 西浦 敬信、Reproduction System Using Two End-Fire“マルチパラメトリックアレースピーカを用いたArrays，" Audio Engineering Society 142nd

音像ホログラムの構築、”Convention 142， 9768- (2017/05/11)

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& Tech.， vol. 39， no. 3， 243-251 (2018)[3] K. Sato， Y. Haneda， "3D Directivity Controlof a Finite Cylindrical Loudspeaker Array withCylindrical Harmonics，" 2017 IEEE 6th Global
Conference on Consumer Electronics (GCCE)(2017/10/26)[4] K. Sato， Y. Haneda， "Filter Design of a
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Reproduced by Circular Harmonic Modes， "Audio Engineering Society 142nd Convention
142，9767- (2017/05/11)[5] K. Imaizumi， Y. Haneda， "Wearable Sound
5TELECOM FRONTIER No.105 2019 AUTUMN