特許 6386256 局所音響再生装置およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6386256

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】局所音響再生装置およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/12 20060101AFI20180827BHJP

   H04R 1/40 20060101ALI20180827BHJP

【ＦＩ】

   H04R3/12 Z

   H04R1/40 310

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-115582(P2014-115582)

(22)【出願日】2014年6月4日

(65)【公開番号】特開2015-231087(P2015-231087A)

(43)【公開日】2015年12月21日

【審査請求日】2017年5月1日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 一般社団法人電子情報通信学会 電子情報通信学会技術報告研究信学技報 Ｖｏｌ．１１３ Ｎｏ．３４９ ２０１３年１２月６日発行 （刊行物等） 電子情報通信学会 応用音響研究会 ２０１３年１２月１３日〜１４日開催 （刊行物等） ２０１４ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＩＣＡＳＳＰ）２０１４年５月４日〜９日開催 （刊行物等） ２０１４ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＩＣＡＳＳＰ）予稿集（ＵＳＢ）２０１４年５月４日発行（配布）

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100090181

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 義人

(72)【発明者】

【氏名】岡本 拓磨

【審査官】 須藤 竜也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１０２３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２９５８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５２９７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１４４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２２６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２３６６３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｒ ３／１２

Ｈ０４Ｒ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のスピーカを互いに間隔を隔てて直線状に配置した直線スピーカアレイを用いる局所音響再生装置であって、
再生位置における音圧を任意幅の矩形窓でモデル化して音圧モデルを求めるモデル化手段、
前記音圧モデルに基づいて前記複数のスピーカの各々の空間フィルタ関数を導出する導出手段、および
音源および前記空間フィルタ関数に基づいて前記複数のスピーカのための駆動信号を生成して、各スピーカを駆動する駆動手段を備える、局所音響再生装置。

【請求項2】

前記モデル化手段は位置が異なる複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルを求め、前記導出手段は当該複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルに従って前記空間フィルタ関数を導出する、請求項１記載の局所音響再生装置。

【請求項3】

複数のスピーカを互いに間隔を隔てて直線状に配置した直線スピーカアレイを用いる局所音響再生装置のコンピュータによって実行される局所音響再生プログラムであって、前記局所音響再生プログラムは、前記コンピュータを、
再生位置における音圧を任意幅の矩形窓でモデル化して音圧モデルを求めるモデル化手段、
前記音圧モデルに基づいて前記複数のスピーカの各々の空間フィルタ関数を導出する導出手段、および
音源および前記空間フィルタ関数に基づいて前記複数のスピーカのための駆動信号を生成して、各スピーカを駆動する駆動手段
として機能させる、局所音響再生プログラム。

【請求項4】

前記モデル化手段は位置が異なる複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルを求め、前記導出手段は当該複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルに従って前記空間フィルタ関数を導出する、請求項３記載の局所音響再生プログラム。

【請求項5】

直線状に配置された多数のスピーカから成る直線スピーカアレイを用いて該直線スピーカアレイに対して任意の位置で任意の幅の局所に音響を再生する局所音響再生装置であって、
上記直線スピーカアレイのスピーカの並びに平行に音響が聞こえる幅を規定する幅規定手段と、
上記直線スピーカアレイのスピーカの並びに対して平行な位置で音響が聞こえる位置を規定する位置規定手段と、
上記幅規定手段および位置規定手段によって設定される幅および位置に基づいて空間フィルタ関数を解析的に導出する手段と、
上記空間フィルタ関数と音源とによって駆動信号を生成して上記直線スピーカアレイの各スピーカを駆動するスピーカ駆動手段とを備える、局所音響再生装置。

【請求項6】

上記直線スピーカアレイからの距離を規定する距離規定手段をさらに備え、
上記空間フィルタ関数は、さらに上記距離規定手段によって設定される、請求項５記載の局所音響再生装置。

【請求項7】

直線状に配置された複数のスピーカから成る直線スピーカアレイを用いて該直線スピーカアレイに対して任意の位置で任意の幅の局所に音響を再生する局所音響再生装置のコンピュータによって実行される局所音響再生プログラムであって、前記局所音響再生プログラムは、前記コンピュータを、
上記直線スピーカアレイのスピーカの並びに平行に音響が聞こえる幅を規定する幅規定
手段、
上記直線スピーカアレイのスピーカの並びに対して平行な位置で音響が聞こえる位置を規定する位置規定手段、および
上記幅規定手段および位置規定手段によって設定される幅および位置に基づいて空間フィルタ関数を解析的に導出する手段と、
上記空間フィルタ関数と音源とによって駆動信号を生成して上記直線スピーカアレイの各スピーカを駆動するスピーカ駆動手段として機能させる、局所音響再生プログラム。

【請求項8】

さらに、前記コンピュータを、前記直線スピーカアレイからの距離を規定する距離規定手段として機能させ、
上記導出手段は、さらに距離規定手段によって設定された距離を用いて上記空間フィルタ関数を導出する、請求項７記載の局所音響再生プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は局所音響再生装置およびプログラムに関し、特に直線状に配置された多数のスピーカから成る直線スピーカアレイに対して任意の位置の任意の幅で局所的に音響を再生する、新規な局所音響再生装置およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

多数のスピーカを用いた局所音響再生には大きく分けて２つの方式がある。１つは、スピーカアレイの指向性を制御するビームフォーミングに基づく方法であり、たとえば特許文献１などに開示されている。もう１つが、各スピーカで制御点の音圧を直接制御する多点制御に基づく方法であり、たとえば非特許文献１および非特許文献２などにおいて、近年いくつかの方法が提案されている。ビームフォーミングに基づく方法は、目的方向の指向性を最大にする方法であるのに対し、多点制御に基づく方法は制御点間の音響エネルギ差を最大にする方法となる。そのため、音が聞こえないエリアを形成するようなシステムの場合は後者の方法が性能が高い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2012-147414 [H04R 3/12, 3/00, 1/40, 1/34]

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】J.-W. Choi and Y.-H. Kim, “Generation of an acoustically bright zone with an illuminated region using multiple sources,” J. Acoust.Soc. Am., vol. 111, no. 4, pp. 1695- 1700, Apr. 2002.

【非特許文献2】M. Shin, S. Q. Lee, F. M. Fazi, P. A. Nelson, D. Kim, S. Wang, K. H. Park, and J. Seo, “Maximization of acoustic energy difference between two spaces,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 128, no. 1, pp. 121-131, July 2010.

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

コントラスト最大化法を採用する非特許文献１では、各スピーカと制御点間の空間相関行列の逆行列演算を用いるが、音響逆問題は極めて悪条件であるため、計算により得られた解は不安定となる。この問題を解決するためには、空間相関行列の正則化が必要であるが、適切な正則化パラメータにも限界があり、さらにはパラメータ決定のためには各パラメータ毎の反復計算が必要となる。

【0006】

それに対して、非特許文献２のようなエネルギ差最大化法(Acoustic energy difference maximization: ＥＤＭ)では、空間相関行列の逆行列ではなく、固有ベクトルの計算に基づくため、解の不安定という問題はなく、非特許文献１のものより高い精度で局所音響再生を実現している。

【0007】

しかし、この方法ではチューニング係数を周波数毎に決める必要があるため、正則化問題と同様、適切な係数を決めるための反復計算が必要となる。

【0008】

それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、局所音響再生装置およびプログラムを提供することである。

【0009】

この発明の他の目的は、煩瑣な計算を不要として、精度の高い局所音響再生を可能にする、局所音響再生装置およびプログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号および補足説明等は、本発明の理解を助けるために後述する実施の形態との対応関係を示したものであって、本発明を何ら限定するものではない。

【0011】

第１の発明は、複数のスピーカを互いに間隔を隔てて直線状に配置した直線スピーカアレイを用いる局所音響再生装置であって、再生位置における音圧を任意幅の矩形窓でモデル化して音圧モデルを求めるモデル化手段、音圧モデルに基づいて複数のスピーカの各々の空間フィルタ関数を導出する導出手段、および音源および空間フィルタ関数に基づいて複数のスピーカのための駆動信号を生成して、各スピーカを駆動する駆動手段を備える、局所音響再生装置である。

【0012】

第１の発明では、局所音響再生装置（１０：実施例において相当する部分を例示する参照符号。以下、同様。）は、複数のスピーカ（１４_１、１４_２、…、１４_Ｎ）を互いに間隔（Δｘ）を隔てて直線状に配置した直線スピーカアレイ（１２）を用いる。モデル化手段（１６）は、たとえば、この直線スピーカアレイ（１２）に平行な再生位置（ｙ_ｂ）における音圧（ｐ）を任意幅（ｌ_ｂ）の矩形窓でモデル化して音圧モデル（たとえば、数［９］）を求める。導出手段（１６）は、この音圧モデル（ｐ）に基づいて、たとえば空間フーリエ変換等の手法を用いて、複数のスピーカの各々の空間フィルタ関数（ｆ_ｉ：たとえば数［１２］）を解析的に導出する。そして、駆動手段（１６）は、音源（ｓ）および空間フィルタ関数（ｆ_ｉ）に基づいて複数のスピーカ（１４_ｉ）のための駆動信号（ｄ_ｉ）を生成し、その駆動信号（ｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｎ）で各スピーカ（１４_１、１４_２、…、１４_Ｎ）を駆動する。

【0013】

第１の発明によれば、空間フィルタ関数を解析的に導出できるので、煩瑣な計算は不要で、しかも高い精度でブライト領域およびダーク領域を設定して、局所音響再生を行うことができる。

【0014】

第２の発明は、第１の発明に従属し、モデル化手段は位置が異なる複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルを求め、導出手段は当該複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルに従って空間フィルタ関数を導出する、局所音響再生装置である。

【0015】

第２の発明では、モデル化手段（１６）は、位置が異なる複数の矩形窓で音圧モデルを求め、導出手段（１６）は、各音圧モデルに従って空間フィルタ関数を解析的に導出する。

【0016】

第２の発明によれば、ブライト領域が異なる、いわゆるマルチ局所音響再生が可能になる。

【0017】

第３の発明は、複数のスピーカを互いに間隔を隔てて直線状に配置した直線スピーカアレイを用いる局所音響再生装置のコンピュータによって実行される局所音響再生プログラムであって、局所音響再生プログラムは、コンピュータを、再生位置における音圧を任意幅の矩形窓でモデル化して音圧モデルを求めるモデル化手段、音圧モデルに基づいて複数のスピーカの各々の空間フィルタ関数（ｆ）を導出する導出手段、および音源および空間フィルタ関数に基づいて複数のスピーカのための駆動信号を生成して、各スピーカを駆動する駆動手段として機能させる、局所音響再生プログラムである。

【0018】

第３の発明においても、第１の発明と同様の効果が期待できる。

【0019】

第４の発明は、第３の発明に従属し、モデル化手段は第１が異なる複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルを求め、導出手段は当該複数の矩形窓でモデル化した音圧モデルに従って空間フィルタ関数を導出する、局所音響再生プログラムである。

【0020】

第４の発明においても、第２の発明と同様の効果が期待できる。

【0021】

第５の発明は、直線状に配置された多数のスピーカから成る直線スピーカアレイを用いて該直線スピーカアレイに対して任意の位置で任意の幅の局所に音響を再生する局所音響再生装置であって、直線スピーカアレイのスピーカの並びに平行に音響が聞こえる幅を規定する幅規定手段と、直線スピーカアレイのスピーカの並びに対して平行な位置で音響が聞こえる位置を規定する位置規定手段と、幅規定手段および位置規定手段によって設定される幅および位置に基づいて空間フィルタ関数を解析的に導出する手段と、空間フィルタ関数と音源とによって駆動信号を生成して直線スピーカアレイの各スピーカを駆動するスピーカ駆動手段と、を備える、局所音響再生装置である。

【0022】

第５の発明では、局所音響再生装置（１０）は、複数のスピーカ（１４１、１４２、…、１４Ｎ）を互いに間隔（Δｘ）を隔てて直線状に配置した直線スピーカアレイ（１２）を用いる。幅規定手段（１６）は、たとえばブライト領域を設定すべき、直線スピーカアレイのスピーカの並び（ｘ方向）に平行に音響が聞こえる幅（ｌｂ）を規定する。そして、位置規定手段（１６）は、たとえばブライト領域を設定すべき、直線スピーカアレイのスピーカの並び（ｘ方向）に平行に音響が聞こえる位置（ｘｂ）を規定する。導出手段は、幅規定手段および位置規定手段によって設定される幅および位置に基づいて空間フィルタ関数を解析的に導出する。スピーカ駆動手段（１６）は、そのようにして導出した空間フィルタ関数（ｆｉ）およびたとえば音源ユニット（１８）から与えられる音源（ｓ）に基づいて駆動信号（ｄｉ）を生成し、その駆動信号で各スピーカを駆動する。

【0023】

第５の発明によれば、幅および位置を規定することによって空間フィルタ関数を解析的に導出できるので、煩瑣な計算は不要で、しかも高い精度でブライト領域およびダーク領域を設定して、局所音響再生を行うことができる。

【0024】

第６の発明は、第５の発明に従属し、直線スピーカアレイからの距離を規定する距離規定手段をさらに備え、空間フィルタ関数はさらに距離規定手段によって設定される、局所音響再生装置である。

【0025】

第６の発明では、距離規定手段（１６）は、直線スピーカアレイに直交する方向での直線スピーカアレイからの距離（ｙ_ｂ）を規定する。そして、空間フィルタ関数はさらにその距離規定手段によって設定され、駆動信号は、その空間フィルタ関数と音源とによって生成される。

【0026】

第６の発明によれば、距離規定手段によって距離を規定するので、精度がより高くなる。

【0027】

第７の発明は、直線状に配置された複数のスピーカから成る直線スピーカアレイを用いて該直線スピーカアレイに対して任意の位置で任意の幅の局所に音響を再生する局所音響再生装置のコンピュータによって実行される局所音響再生プログラムであって、局所音響再生プログラムは、コンピュータを、直線スピーカアレイのスピーカの並びに平行に音響が聞こえる幅を規定する幅規定手段、直線スピーカアレイのスピーカの並びに対して平行な位置で音響が聞こえる位置を規定する位置規定手段、および幅規定手段および位置規定手段によって設定される幅および位置に基づいて空間フィルタ関数を解析的に導出する手段と、空間フィルタ関数と音源とによって駆動信号を生成して直線スピーカアレイの各スピーカを駆動するスピーカ駆動手段として機能させる、局所音響再生プログラムである。

【0028】

第７の発明においても、第５の発明と同様の効果が期待できる。

【0029】

第８の発明は、第７の発明に従属し、さらに、コンピュータを、直線スピーカアレイからの距離を規定する距離規定手段として機能させ、導出手段は、さらに距離規定手段によって設定された距離を用いて上記空間フィルタ関数を導出する、局所音響再生プログラムである。

【0030】

第８の発明においても、第６の発明と同様の効果が期待できる。

【発明の効果】

【0031】

この発明によれば、空間フィルタ関数を解析的に導出できるので、煩瑣な計算なしに、精度の高い局所音響再生が行える。

【0032】

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う。以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１はこの発明の一実施例の局所音響再生装置の構成を示す概略図である。

【図2】図２はスペクトル除算法（ＳＤＭ：Spectrum Division Method）に基づく無限直線二次音源を用いた音場再現の状態を示す概略図である。

【図3】図３は波数領域空間フィルタリングによる無限直線二次音源を用いた局所音響再生を示す概略図である。

【図4】図４はこの発明の他の実施例の局所音響再生装置の構成を示す概略図である。

【図5】図５は有限個の直線スピーカアレイを用いる場合の駆動信号を計算するための矩形窓を示す概略図である。

【図6】図６はＥＤＭにおけるスピーカと局所音響再生制御(ブライト領域とダーク領域)の配置を示す概略図である。

【図7】図７は計算機シミュレーションでの時空間平均音圧レベルの結果をＥＤＭとの比較で示すグラフである。

【図8】図８は計算機シミュレーションでのＢＤＲの結果をＥＤＭとの比較で示すグラフであり、上から順に５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚの結果を示し、いずれも左側がＥＤＭで、右側が実施例のものである。

【図9】図９は計算機シミュレーションでの時間平均音圧レベルの結果をＥＤＭとの比較で示すグラフであり、上から順に３ｋＨｚ、４ｋＨｚ、５ｋＨｚの結果を示し、いずれも左側がＥＤＭで、右側が実施例のものである。

【発明を実施するための最良の形態】

【0034】

図１はこの発明の一実施例の局所音響再生装置を示す概略図である。この実施例の局所音響再生装置１０は、直線状にスピーカを多数配置した直線スピーカアレイ１２を用いる。直線スピーカアレイ１２は、複数（実施例では、Ｎ=６４個）のスピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎを所定間隔、たとえば５ｃｍ毎に直線状に配置したものであり、各スピーカ１４は一例として１インチ（２．５ｃｍ）の口径を有する。ただし、これらの数値は適宜変更可能である。

【0035】

たとえばコンピュータからなる駆動装置(コンピュータ)１６は、適宜の記憶媒体（メモリ、ＨＤＤ、光ディスクやネットワークなどの音源ユニット１８から与えられる音源ｓ（ω）に基づく駆動信号ｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｎを作成し、これらの駆動信号によって、各スピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎが駆動される。

【0036】

なお、この発明が向けられる局所音響再生において、「音響」とは、音声、音楽その他、音に関する音信号を意味しており、上述の音源１８から音信号を駆動装置１６に与える。

【0037】

ただし、この実施例では、直線スピーカアレイ１２の前に存在する聴取者Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…のうち、一例として、聴取者Ｐ２にのみ音源ｓを聞かせ、他の聴取者には聞かせない、という局所音響再生を行う。ここで、音源ｓを聞かせる領域を図１では「Bright（ブライト）」と表現し、聞かせない領域を「Dark（ダーク）」と表現する。ブライト領域では、その領域に存在する聴取者は、１人でも複数人でも、すべての聴取者が音源を聴取できる。

【0038】

このようなブライト領域およびダーク領域を形成するために、この実施例では、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、後に説明するように、スピーカ１４毎の空間フィルタ関数Ｆ_ｉを計算し、その空間フィルタ関数と音源ｓ（ω）とを乗算することによって、各スピーカのための駆動信号ｄ_ｉを生成する。そして、生成した各スピーカ用の駆動信号ｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｎで各スピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎを駆動する。

【0039】

図２は、図１実施例の前提としてのＳＤＭによる音場再現を示す概略図である。ただし、図１実施例は有限個のスピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎからなる直線スピーカアレイ１２を用いるが、以下の説明では、計算のために、無限に連続した直線スピーカ（無限直線二次音源）を想定して音場再現を考える。

【0040】

ただし、ＳＤＭについては、参考文献１（J. Ahrens, and S. Spors,“Sound field reproduction using planar and linear arrays of loudspeakers,”IEEE Trans. Audio, Speech, Lang. Process., vol. 18, no. 8, pp. 2038-2050, Nov. 2010.）に詳しい。

【0041】

無限直線二次音源はｘ軸上（ｙ＝０）にあると仮定し、ｚ軸は省略する。周波数をｆとし、角周波数をω＝２πｆとし、無限直線二次音源の位置ｘ_０＝［ｘ，０］^Ｔにおける駆動信号をｄ（ｘ０，ω）とすると，位置ｘ＝［ｘ，ｙ］^Ｔでの音圧ｐ（ｘ，ω）は、数［１］で与えられる。

【0042】

なお、以下の各式において、フーリエ変換前の関数をアルファベットの小文字で表現し、フーリエ変換後の関数を、「^(ハット)」を用いる代わりに、大文字で表現する。

【0043】

【数1】

【0044】

ここで、

【0045】

【数2】

【0046】

は、無限直線二次音源からの音声を伝達する特性を示す３次元グリーン関数であり、ｊ＝√−１であり、ｋ＝ω／ｃは波数を示し、ｃは音速を示す。ただし、ここでは、反射などは考慮していない。

【0047】

数［１］は、無限直線二次音源の前方の受音位置ｙ_ｒｅｆにおける各スピーカからの音圧を合計した音圧ｐを示し、この数［１］をｘ軸方向に空間フーリエ変換すると、畳み込みの定理より、数３が得られる。

【0048】

【数4】

【0049】

ここで、ｋ_ｘはｘ軸方向の空間周波数、Ｄ(ｋ_ｘ,ω)は駆動信号のフーリエ変換、Ｇ（ｋ_ｘ，ｙ，ω）は３次元グリーン関数ｇ_３Ｄ（ｘ−ｘ０，ω）の空間フーリエ変換であり、数［４］で表わされる。

【0050】

ただし、空間フーリエ変換については、たとえば、参考文献２（E. G. Williams, Fourier Acoustics: Sound Radiation and Nearfield Acoustic Holography, London: Academic Press, 1999.）を参照されたい。

【0051】

空間フーリエ変換することによって、受音位置における各方向からの波の成分量が得られる。

【0052】

【数4】

【0053】

Ｈ_０^（２）およびｋ_０はそれぞれ０次の第２種ハンケル関数および０次の変形ベッセル関数を示す。

【0054】

したがって、図２に示すようにｘ軸と平行に連続した受音位置（ｙ＝ｙ_ｒｅｆ）における音圧の空間フーリエ変換をＰ（ｋ_ｘ，ｙ_ｒｅｆ，ω）とすると、ＳＤＭでは、波数領域における無限直線二次音源の駆動信号Ｄ（ｋ_ｘ，ω）は、数［３］より、数［５］として解析的に求めることができる。つまり、受音位置ｙ_ｒｅｆにおけるＳＤＭに基づく無限直線二次音源からの音場が数［５］で求められる。つまり、ＳＤＭにおいて、数［５］のように、音圧ｐおよび伝達関数ｇをフーリエ変換することによって、駆動信号Ｄが求まることは既に、上記した参考文献１において公知である。

【0055】

【数5】

【0056】

以上を前提にして、次に、図１実施例のように、駆動装置すなわちコンピュータ１６によって、ブライト領域およびダーク領域を形成するための手法について、説明する。

【0057】

図２に示す無限直線二次音源を用いて、或る領域にのみ音源ｓ（ω）を再現するための各スピーカのフィルタをｆ（ｘ_０，ω）とすると、無限直線二次音源の駆動信号ｄ（ｘ_０，ω）は、数［６］として記述できる。

【0058】

【数6】

【0059】

ただし、図１に示す音源ユニット１８から供給される音源ｓは任意の音源であってよく、モノラル音源を想定している。

【0060】

この実施例では、数［６］において最適なフィルタf（x_０,ω）を設計することにより、音源ｓ（ω）の図１実施例のような局所音響再生を実現する。

【0061】

フィルタは音源に依存しないため，ｓ（ω）＝１とする。よって、フィルタｆ（ｘ_０，ω）による受音位置ｙ＝ｙ_ｒｅｆにおける音場の空間フーリエ変換は，数［３］により、数［７］となる。

【0062】

【数7】

【0063】

したがって、数［５］と同様に、波数領域の空間フィルタＦ（ｋ_ｘ，ω）は、数［８］となる。この数［８］で示す空間フィルタＦは、スピーカ毎のフィルタ関数ｆを空間フーリエ変換した結果を示す。

【0064】

【数8】

【0065】

多点制御法において局所音響再生するためには、音の聞こえる場所の音圧を「１」とし、聞こえない場所を「０」としている。そこで、この実施例では、図３に示すように、ｘ＝０を中心にｙ＝ｙ_ｂの距離に幅ｌ_ｂの局所音響再生を実現するために、ｙ＝ｙ_ｂにおける音圧ｐ（ｘ，ｙ_ｙ）を聞こえるところを「１」、聞こえないところを「０」とする音圧分布の矩形窓で以下のようにモデル化し、コンピュータ１６は、数［９］に示す音圧モデルを求める。その意味で、数［９］に応じて音圧モデルを計算するコンピュータ１６は、モデル化手段として機能しているということができる。

【0066】

【数9】

【0067】

この矩形窓は周波数に依存しないためωは省略できる。

【0068】

そして、矩形窓ｐ（ｘ，ｙ_ｂ）のｘ軸方向の空間フーリエ変換（参考文献２参照）は、数［１０］の通りである。

【0069】

【数10】

【0070】

さらに、局所音響再生を任意の位置ｘ_ｂで実現するためには、シフトの定理（参考文献２参照）により、数［１０］は、数［１１］となる。

【0071】

【数11】

【0072】

したがって、数［１１］を数［８］に代入すると、波数領域における無限直線二次音源による局所再生フィルタＦ（ｋ_ｘ，ω）は、数［１２］として解析的に導出できる。

【0073】

【数12】

【0074】

この空間フィルタリングにより、無限直線二次音源を用いて任意の位置［ｘ_ｂ，ｙ_ｂ］^Ｔに任意の幅ｌ_ｂの領域の局所音響再生を実現できる。このように、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、無限直線二次音源の方向（実施例では、直線スピーカアレイ１２のスピーカ１４の並び方向）における位置ｘ_ｂと窓幅ｌ_ｂを設定することによって、空間フィルタを導出する。したがって、コンピュータ１６は、位置規定手段および幅規定手段として機能しているということができる。さらに、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、直線スピーカアレイ１２からの距離（ｙ_ｂ）を用いて、空間フィルタを導出する。したがって、コンピュータ１６は、距離規定手段としても機能する。

【0075】

上記数［７］の前提として音源ｓ＝１としたが、実際に図１の各スピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎを駆動するためには、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、数［１２］で導出した空間フィルタ関数ｆと音源ｓとによって数［１３］に従って駆動信号ｄを生成する。
［数１３］
ｄ_ｉ＝ｓ_ｉｆ_ｉ
そして、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、数［１３］で各スピーカ毎に生成した駆動信号ｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｎによって、スピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎを駆動する。したがって、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、駆動手段として機能している。

【0076】

数［１２］までは計算のために無限直線二次音源を想定したが、数［１２］を用いた局所音響再生を図１に示すように、有限個Ｎ（実施例では６４個）のスピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎを直線上に配置した直線スピーカアレイ１２を用いて実現する。そのためには数［１２］を離散化し、有限長で打ち切る必要がある。

【0077】

ここで、直線スピーカアレイ１２のチャネル数（スピーカの個数）をＮとし、素子間隔をΔｘとすると、アレイ長はＬ＝（Ｎ-1）Δｘとなる．数［１２］の離散逆フーリエ変換（ＩＤＦＴ）は、数［１４］で得られる。

【0078】

【数14】

【0079】

ここで、ｘ＝ｎΔｘであり、ｋ_ｘ＝２πｍ=／ＮΔｘであり、−Ｎ／２≦ｎ≦Ｎ／２−１である。

【0080】

近接音響ホログラフィ（参考文献２）では、アレイの開口長の打ち切りによる誤差を低減するために、音圧収録面の開口長の両端に仮想的に「０」を挿入し、開口長の２倍以上の長さの面を用いて２Ｎ以上の点を用いてＤＦＴを計算する。この方法と同様に、図１実施例においても、図５に示すように、音圧分布の矩形窓の長さをアレイ長の２倍である２Ｌとし、２Ｎ点を用いたＩＤＦＴにより数［１４］を計算する。

【0081】

そして、得られた２Ｎチャネルの駆動信号のうち、中心のＮチャネル分を実際の駆動信号として用いる。図１実施例でいえば、１２８チャネルの駆動信号のうちの中心の６４チャネル分を駆動信号ｄとする。このようにして、数［１２］を離散逆フーリエ変換することによって、実際の駆動信号ｄを計算する。

【0082】

図１の実施例では、直線スピーカアレイ１２からの音を聴取者Ｐ２（の領域）にのみ再生し、他の聴取者では聞き取れないようにした。つまり、聴取者Ｐ２のための１つのブライト領域を形成した。これによって、１つの音源を聴取者Ｐ２にのみ再生できる。

【0083】

これに対して、図４の実施例では、２つの音源ユニット１８１および１８２を設け、各音源ユニット１８１および１８２から２つの音源ｓ_１（ω）および音源ｓ_２（ω）を駆動装置すなわちコンピュータ１６に与える。他方、以下に説明する方法に従って、聴取者Ｐ２に対する第１のブライト領域と、聴取者Ｐ１に対する第２のブライト領域を設定する。そして、第１のブライト領域ではたとえば英語の音源ｓ_１（ω）を再生し、第２のブライト領域ではたとえば日本語の音源ｓ_２（ω）を再生する。したがって、この実施例は、先の図１の実施例と同様に、たとえばパーソナルオーディオシステム、美術館やオリンピックなどでの多言語同時ガイド、その他バーチャルリアリティ技術などに応用可能である。

【0084】

また、特急列車や普通列車が共通に停車する駅のプラットホームにおいて、特急列車乗車予定者が並ぶ位置と普通列車のそれとが異なる場合が多々あるが、このような場合に、図４に示す実施例を応用して、たとえば特急列車に乗る人Ｐ１に対して第１ブライト領域を設定して特急列車向けのアナウンス（音源ｓ_１）を流し、それと同時に普通列車に乗る人Ｐ２に対して第２のブライト領域を設定して普通列車向けのアナウンス（音源ｓ_２）を流すことによって、それぞれの乗車予定者が誤乗車することなく正しい列車に乗車することが可能となる。

【0085】

このように、Ｍ個の音源ｓ_ｉ（ω）をＭ箇所別々のブライト領域で再生するマルチ局所音響再生を実現するためには、図２のように、数［１２］で導出された各局所音響再生位置でのフィルタｆ_ｉと、対応する音源ｓ_ｉの組み合わせｓ_ｉ（ω）ｆ_ｉ（ｘ_０，ω）の重ね合わせにより、駆動信号を数［１５］で得る。つまり、図４の実施例では、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、受音位置ｙ＝ｙ_ｂにおいて、スピーカ１４の配列方向すなわちｘ方向において異なる２つの位置において、矩形窓を設定し、それぞれの矩形窓について数［１２］で導出した空間フィルタ関数と、音源ユニット１８１および１８２からの音源ｓ_１およびｓ_２とで駆動信号ｄ_ｉを生成する。

【0086】

【数15】

【0087】

つまり、数［１５］に従って、図４に示す実施例において、駆動装置すなわちコンピュータ１６は、音源ｓ_ｉと各スピーカ１４_ｉの空間フィルタｆ_ｉによって各スピーカ１４_１、１４_２、…、１４_Ｎのための駆動信号ｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｎを生成して、各スピーカを駆動する。

【0088】

ただし、先の説明では、複数の音源を複数のブライト領域で局所的に再生するようにしたが、１つの音源を複数のブライト領域で局所的に再生する場合でも、図４に示す実施例を利用可能であることは勿論である。つまり、図４に示す実施例は、複数のブライト領域を個別に設定する実施例である。

【0089】

また、図４では、２つのブライト領域が直線スピーカアレイ１２から異なる聴取位置に設定されているように描かれているが、これは単に図解のためであり、実際には２つのブライト領域は同じ距離ｙ＝ｙ_ｂ上に設定されるものであることに留意されたい。

【0090】

ここで、コンピュータシミュレーションによって、この発明の有効性を検証する。局所音響再生精度を従来法の１つであるＥＤＭと比較する。

【0091】

ＥＤＭではＮチャネルのスピーカを用いてＫチャネルの制御点を制御する。各スピーカ位置をｘ_ｓｐとし、制御点位置をｘ_ｃｏとすると、各スピーカと制御点間の空間相関行列は、

【0092】

【数16】

【0093】

として計算される。ここで、

【0094】

【数17】

【0095】

である。

【0096】

ＥＤＭでは、各スピーカと局所音響再生領域の制御点との空間相関行列をｒ_ｂ（ω）、各スピーカと無音領域の制御点との空間相関行列をｒ_ｄ（ω）とし、各スピーカのフィルタｆ（ω）は、

【0097】

【数18】

【0098】

の最大固有値に対応する固有ベクトルとして計算される。ここで、αはチューニング係数であり、角周波数ω毎に設定する。

【0099】

コンピュータシミュレーションによって、３次元自由音場を仮定した局所音響再生の精度を評価する。各スピーカは無指向性の点音源を仮定する。シミュレーション条件およびスピーカと局所音響再生制御ライン配置をそれぞれ表１および図６に示す。スピーカアレイはｘ軸上にｘ＝０を中心に配置される。ｘ＜０をブライト領域(ｘ_ｂ， p＝１)とし、ｘ＞０をダーク領域(ｘ_ｄ，p＝０)とする。ＥＤＭでは、制御点をｙ＝ｙ_ｂ（＝２ｍ）上にスピーカと平行して設置し、ｘ＜０の領域の３２チャネルを局所音響再生の制御点ｘ_ｂとし、残り半分の３２チャネルを無音制御領域の制御点ｘ_ｄとして数［１７］を計算する。

【0100】

チューニング係数は予備検討により、ｘ_ｂ領域とｘ_ｄ領域間でエネルギ差が最大となるように設定した。直線スピーカアレイを用いた場合、周波数に依存せず、α＝０.９９９９で最大となった。

【0101】

【表1】

【0102】

たとえば図１実施例の方法では、数［１２］の窓関数の長さを２Ｌとし、２Ｎ＝１２８点のＩＤＦＴにより数［１４］を計算する。得られた１２８チャネルのｄ（ｘ_０，ω）のうち、中心の６４チャネルを実際の駆動信号として用いる。

【0103】

局所音響再生の位置による精度を評価するため、位置ｘにおける音圧レベルＰＳＰＬ（ｘ）を、数［１９］のように定義する。

【0104】

【数19】

【0105】

ここで、ｐ（ｘ，ω）は位置ｘ、角周波数ωの音圧である。

【0106】

また、局所音響再生領域ｘ_ｂと無音制御領域ｘ_ｄ間の音圧レベルを評価するために、ブライト領域対ダーク領域比（Bright to dark ratio：ＢＤＲ)を、数［２０］のように定義する。

【0107】

【数20】

【0108】

それぞれの領域は図５に示すようにｙ＝ｙ_ｂを中心とし、幅０．４ｍ、長さはＬ／２＝１.６ｍとして計算した。

【0109】

シミュレーション結果である音圧レベルの結果を図７に示し、ＢＤＲの結果を図８および図９に示す。これらの結果より、特に１０００Ｈｚ以上では実施例の方がＥＤＭよりも精度よく局所音響再生を実現できることがわかる。また、図８および図９の結果より、ＥＤＭでは周波数が高くなるにつれて局所音響再生の幅が狭くなるのに対して、実施例では周波数に依存せず、設定した幅の局所音響再生を実現できることが確認できる。

【0110】

以上より、実施例に従った空間フィルタリングにより、設定した局所音響再生位置を効果的に制御することができる。

【0111】

なお、上で挙げた寸法などの具体的数値は、いずれも単なる一例であり、製品の仕様などの必要に応じて適宜変更可能である。

【符号の説明】

【0112】

１０ …局所音響再生装置
１２ …直線スピーカアレイ
１４_１、１４_２、…、１４_Ｎ …スピーカ
１６ …駆動装置（コンピュータ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】