JP2010172000A - 音場合成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスピーカによって音場を合成し、しかも仮想点音源を受聴領域に近づけることによって音が飛び出すように聞こえるようにする場合において、音場の設計および制御の精度が良くなり、所望の音場を容易かつ確実に実現できるようにする。
【解決手段】
スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍの前方のスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置に制御ラインＳ４を設定し、その制御ラインＳ４上に複数の制御点を設定するとともに、その制御ラインＳ４のスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側とは反対側に仮想点音源１０を設定し、その仮想点音源１０の点を含む、制御ラインＳ４に平行なラインを受聴側境界Ｓ５として、この受聴側境界Ｓ５のリスナー７側の領域を、音場を合成する領域とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のスピーカによって音場を合成して音響を再生する装置に関する。

ステレオ再生などのマルチチャンネル再生とは別に、複数のスピーカによって音場を合成して音響を再生することが考えられている。

例えば、特許文献１（特開２００４−１７２７８６号公報）には、スピーカアレイによって音場を形成する場合に、適切な音像定位が得られる範囲を拡大するために、それぞれオーディオ信号が供給される複数のデジタルフィルタの出力を、スピーカアレイを構成する複数のスピーカに供給し、それぞれのデジタルフィルタに所定の遅延時間を設定することによって、閉空間内に音場を形成するとともに、複数のスピーカから出力された音を、閉空間の壁面で反射させてから音場内のリスナー（受聴者）の位置にフォーカスさせることが示されている。

３次元空間の音場を制御する方法としては、例えば、非特許文献１（早稲田大学理工学総合研究センター、音響情報処理研究室、山崎芳男、“Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ積分方程式に基づく３次元バーチャルリアリティに関する研究”）に示されているように、以下のようなキルヒホッフ（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ）の積分公式を用いる方法がある。

すなわち、図８に示すような、音源を含まない閉曲面Ｓを想定した場合、その閉曲面Ｓ内の音場は、キルヒホッフの積分公式によって表現することができる。図８において、ｐ（ｒｉ）は閉曲面Ｓ内の点ｒｉの音圧、ｐ（ｒｊ）は閉曲面Ｓ上の点ｒｊの音圧、ｎは点ｒｊにおける法線、ｕｎ（ｒｊ）は法線ｎの方向の粒子速度、｜ｒｉ−ｒｊ｜は点ｒｉと点ｒｊとの間の距離である。

キルヒホッフの積分公式は、図９の式（１）で表され、閉曲面Ｓ上の音圧ｐ（ｒｊ）と法線ｎの方向の粒子速度ｕｎ（ｒｊ）を完全に制御できれば、閉曲面Ｓ内の音場を完全に再現できることを意味する。

なお、式（１）中のωは、音声周波数をｆとするとき、ω＝２πｆで表される角周波数であり、ρは空気の密度であり、Ｇｉｊは図９の式（２）で表されるものである。

式（１）は定常音場についてのものであるが、音圧ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）の瞬時値を制御することによって、過渡音場についても同じことが言える。

このように、キルヒホッフの積分公式による音場設計では、仮想的な閉曲面Ｓ上の音圧ｐ（ｒｊ）と粒子速度ｕｎ（ｒｊ）を再現できればよいが、実際上、閉曲面Ｓ上の全ての連続的な点での音圧ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）を制御することは不可能であるため、閉曲面Ｓの微小要素内では音圧ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）が一定であることを前提として、閉曲面Ｓを離散化する。

閉曲面ＳをＮ個の点で離散化すると、図９の式（１）は同図の式（３）で表されるものとなり、閉曲面Ｓ上のＮ点の音圧ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）を再現することによって、閉曲面Ｓ内の音場を完全に再現することができる。

Ｎ点の音圧ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）をＭ個の音源によって再現するためのシステムとしては、図１０に示すようなシステムが考えられている。

このシステムでは、信号源１からの音声信号を、それぞれフィルタ２を通じて、それぞれスピーカ３に供給し、制御領域４の境界面上のＮ点で音圧を測定する。法線方向の粒子速度ｕｎ（ｒｊ）は、２マイクロホン法によって音圧信号から近似的に求める。

このとき、Ｎ点の音圧ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）を再現するためには、２Ｎ点の音圧が原音場と等しくなればよい。これは、フィルタ２の伝達関数Ｈｉ（ｉ＝１〜Ｍ）として、２Ｎ点の音圧が原音場に最も近くなるような値を求める問題に帰着する。

そこで、再生音場における音源ｉ（ｉ＝１〜Ｍ）と受音点ｊ（ｊ＝１〜２Ｎ）との間の伝達関数をＣｉｊとし、音源ｉの前段のフィルタの伝達関数をＨｉとし、原音場における音源と受音点ｊとの間の伝達関数をＰｊとして、図９の式（４）で表されるような、再生音場と原音場との差を最小にするための評価関数Ｊを考える。

式（４）で表される評価関数Ｊが最小となるような伝達関数Ｈｉを求めるには、図９の式（５）を解けばよい。

さらに、キルヒホッフの積分公式の半空間への拡張として、図１１に示すように、境界面Ｓ１の片側（図の左側）の空間に音源５を配置し、反対側（図の右側）の空間に音源を含まない受聴領域６を想定して、キルヒホッフの積分公式によって、境界面Ｓ１上の全ての点または上記のような離散的な各点での音圧および粒子速度を制御すれば、音源を含まない受聴領域６内に所望の音場を実現することができる。

具体的には、図１２に示すように、ある有限長の制御ライン（境界ライン）Ｓ２の左側（片側）に複数のスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍを配置し、制御ラインＳ２上に複数の制御点Ｃ１，Ｃ２‥‥Ｃｋを設定して、各制御点Ｃ１，Ｃ２‥‥Ｃｋでの音圧（振幅）および位相を制御することによって、制御ラインＳ２の右側（スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側とは反対側）の受聴領域において、リスナー７がスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍからの音を制御ラインＳ２の左側（スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側）の仮想点音源８からの音として受聴できるようにする。

特開２００４−１７２７８６号公報

早稲田大学理工学総合研究センター、音響情報処理研究室、山崎芳男、"Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ積分方程式に基づく３次元バーチャルリアリティに関する研究"、［online］、平成９年４月、［平成１６年８月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http:www.acoust.rise.waseda.ac.jp/publications/happyou/1997-h9.html＞

しかし、仮想点音源を、図１２の仮想点音源８のような、制御ラインＳ２の左側（スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側）の、リスナー７から遠い位置ではなく、図１３に仮想点音源９として示すように、制御ラインＳ２の右側（スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側とは反対側）の、リスナー７に近い位置に設定して、音がリスナー７の近傍から飛び出すように聞こえるようにしたい場合がある。

しかし、そうすると、受聴領域内に音源を含むことになって、キルヒホッフの積分公式で音場を表現することができなくなる。

この場合、仮想点音源９からの音Ａｂ，Ａｆについて考えると、図１４に示すような、仮想点音源９から制御ラインＳ２側に伝播する音Ａｂは、スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍからの音Ａｓと伝播方向が異なるため表現できないとともに、必要な音でもない。これに対して、図１５に示すような、仮想点音源９からリスナー７側に伝播する音Ａｆは、必要な音である。

しかし、図１５のように制御ラインＳ２が仮想点音源９の左側（スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側）に位置し、受聴領域内に音源を含むと、上記のようにキルヒホッフの積分公式で音場を表現することができなくなる。

そこで、図１６に示すように、スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから大きく離れた位置、すなわちリスナー７に接近した位置に、各制御点Ｃ１，Ｃ２‥‥Ｃｋを設定する制御ラインＳ３を配置し、その制御ラインＳ３の左側（スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側）に仮想点音源９を設定し、制御ラインＳ３の右側（リスナー７側）を受聴領域とすることが考えられる。

これによれば、仮想点音源９がリスナー７に近い位置にあるので、音が飛び出すように聞こえるようになるとともに、受聴領域内に音源を含まないため、キルヒホッフの積分公式で音場を表現することが可能となる。

しかし、図１６のようにスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから大きく離れた位置に制御ラインＳ３を設定する場合には、図１２のようにスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置に制御ラインＳ２を設定する場合に比べて、音場の設計および制御の精度が悪化し、所望の音場を容易かつ確実に実現することが困難となる。

すなわち、図１２のようにスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置に制御ラインＳ２を設定する場合には、図１７に各スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから制御点Ｃ１に達する音波を矢印で示すように、各スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから制御ラインＳ２上の同一の制御点に達する音波の間に大きな音圧差および位相差が存在するため、音場の設計および制御の精度が良くなり、所望の音場を容易かつ確実に実現することができる。

これに対して、図１６のようにスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから大きく離れた位置に制御ラインＳ３を設定する場合には、図１８に各スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから制御点Ｃ１に達する音波を矢印で示すように、各スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍから制御ラインＳ３上の同一の制御点に達する音波の間の音圧差および位相差が小さくなるため、音場の設計および制御の精度が悪化し、所望の音場を容易かつ確実に実現することが困難となる。

そこで、この発明は、仮想点音源を受聴領域に近づけることによって音が飛び出すように聞こえるようにする場合において、音場の設計および制御の精度が良くなり、所望の音場を容易かつ確実に実現することができるようにしたものである。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数のスピーカからなるスピーカアレイと、前記各スピーカの前段に設けられた、同一の音声信号が供給される複数のフィルタと、を備える、音場合成装置が提供される。また、前記各フィルタの伝達関数は、前記各スピーカの前方位置において当該各スピーカから近い位置に制御ラインを設定し、前記制御ライン上に複数の制御点を設定するとともに、前記制御ラインの前記スピーカ側とは反対側に仮想点音源を設定し、前記仮想点音源を含み、かつ、前記制御ラインに平行なラインを受聴側境界として、前記受聴側境界の前記制御ライン側とは反対側の領域を、音場を合成する領域とする第１の音場を実現する伝達関数と、前記各スピーカの前方位置において当該各スピーカから近い位置に制御ラインを設定し、前記制御ライン上に複数の制御点を設定するとともに、前記制御ラインの前記スピーカ側に仮想点音源を設定して、第２の音場を実現する伝達関数と、から選択される。

以上のように、この発明によれば、仮想点音源を受聴領域に近づけることによって音が飛び出すように聞こえるようにする場合において、音場の設計および制御の精度が良くなり、所望の音場を容易かつ確実に実現することができる。

この発明の音場合成装置の一例を示す図である。 この発明の音場設計方法の説明に供する図である。 この発明の音場設計方法の説明に供する図である。 この発明の音場設計方法の説明に供する図である。 この発明の音場設計方法の説明に供する図である。 シミュレーションのモデルを示す図である。 シミュレーション結果の音紋を示す図である。 音源を含まない仮想的な閉曲面内の音場を示す図である。 キルヒホッフの積分公式を示す図である。 Ｎ点の音圧および粒子速度をＭ個の音源によって再現するシステムを示す図である。 キルヒホッフの積分公式の半空間への拡張の原理を示す図である。 キルヒホッフの積分公式の半空間への拡張の具体例を示す図である。 制御ラインのスピーカ側とは反対側に仮想点音源を設定する場合を示す図である。 仮想点音源から制御ライン側に伝播する音を示す図である。 仮想点音源からリスナー側に伝播する音を示す図である。 リスナーに近い位置に制御点を設定する場合を示す図である。 スピーカに近い位置に制御点を設定する場合の各スピーカから制御点に達する音波を示す図である。 スピーカから大きく離れた位置に制御点を設定する場合の各スピーカから制御点に達する音波を示す図である。

図１は、この発明の音場合成装置の一例を示し、後述の音場設計方法によって設計された音場を形成して音響を再生するものである。

デジタル音声信号源１００は、コンパクトディスクやハードディスクなどの記録媒体から、非圧縮のＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）音声データを読み出し、またはＡＴＲＡＣ（登録商標であり、Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｃｏｄｉｎｇの略である）やＭＰ３（ＭＰＥＧ−１ Ａｕｄｉｏ Ｌａｙｅｒ−３）などによって圧縮された音声データを読み出して伸長し、あるいは、放送信号やネットワークなどによって、非圧縮のＰＣＭ音声データを受信し、またはＡＴＲＡＣ（登録商標）やＭＰ３などによって圧縮された音声データを受信して伸長するものである。

このデジタル音声信号源１００からの音声データは、複数のデジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍに供給される。デジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍの伝達関数は、後述の音場設計方法によって算出され、決定されるものである。

デジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍの出力の音声データは、ＤＡコンバータ３０１，３０２‥‥３０ｍでアナログ音声信号に変換され、その変換後の音声信号が、それぞれ音声増幅回路４０１，４０２‥‥４０ｍで増幅されてスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに供給される。スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍは、スピーカアレイとして構成される。

演算処理部５００は、図では省略したがＣＰＵ，ＲＯＭおよびＲＡＭを備えるコンピュータ部として構成され、デジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍのフィルタ係数を設定するものである。

さらに、この例では、演算処理部５００は、後述の音場設計方法による音場設計のためにも用いられる。そのために、演算処理部５００には、記憶装置部６００およびキー入力部７００が接続される。記憶装置部６００は、音場設計の結果のデータとしての、デジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍのフィルタ係数を記憶させておくものであり、キー入力部７００は、音場設計の条件を入力するなど、必要な操作を行うものである。

この発明の音場設計方法では、図１に示すように、スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍの前方（手前）のスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置に制御ラインＳ４を設定し、その制御ラインＳ４上に複数の制御点を設定するとともに、その制御ラインＳ４のスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側とは反対側（図では右側）に仮想点音源１０を設定し、その仮想点音源１０の点を含む、制御ラインＳ４に平行なラインを受聴側境界Ｓ５として、この受聴側境界Ｓ５のリスナー７側（図では右側）の領域を、音場を合成する領域とする。

すなわち、スピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置の制御ラインＳ４とリスナー７との間に仮想点音源１０を設定することによって、図２に示すように、制御ラインＳ４の右側（リスナー７側）の領域Ｅｃを、音場を合成する領域とすることができる。

しかし、この場合、図３に示すように、仮想点音源の点ｘ０を含む、制御ラインＳ４に平行なラインを受聴側境界Ｓ５として、この受聴側境界Ｓ５の右側（リスナー７側）の領域Ｅｚを、実際上の音場を合成する領域とする。

図２の合成音場も、図３の合成音場も、リスナー７からは同じに見えるが、図３のように設定することによってキルヒホッフの積分公式の条件を満たし、キルヒホッフの積分公式により制御ラインＳ４上の各制御点ｘ１，ｘ２，ｘ３‥‥での音圧および位相を制御することによって、制御ラインＳ４の右側（リスナー７側）の点ｘ０における仮想点音源による音場を、点ｘ０を含む受聴側境界Ｓ５の右側（リスナー７側）で実現することができる。

この場合、図３の矢印で示すような、仮想点音源の点ｘ０から右側（リスナー７側）に伝播する音を、仮想点音源の点ｘ０の左側（スピーカ側）で記述することができる。

具体的に、点ｘ０での音は、制御ラインＳ４上の各制御点ｘ１，ｘ２，ｘ３‥‥での音圧（振幅）および位相としては、例えば、図４に示すように、音圧としては制御点ｘ２での信号Ｓ（ｘ２）が制御点ｘ１，ｘ３での信号Ｓ（ｘ１），Ｓ（ｘ３）より大きく、位相としては制御点ｘ１，ｘ３での信号Ｓ（ｘ１），Ｓ（ｘ３）が制御点ｘ２での信号Ｓ（ｘ２）より進んだものとして表現される。

周波数軸上で考えた場合、理想的な点音源の場合には、各制御点での音圧（振幅）および位相は、仮想点音源から当該の制御点までの距離ｒと音声信号の周波数ｆとの関数として、図５の式（７）で求めることができ、上記のように仮想点音源１０を制御ラインＳ４の右側（リスナー側）とする場合には、この式（７）のＲ（ｒ，ｆ）の複素共役を取り、時間軸を逆転させればよい。あるいは、時間軸上で直接、時間軸の正負を逆転させ、過去と未来を逆にしてもよい。

以上のような音場設計方法による音場設計（音場形成）のコンピュータ・シミュレーションを行った。図６に、そのモデルを示す。

このシミュレーションモデルでは、ｘｙ平面（ｘｙ座標の数値はメートルである）のｘ軸上に、スピーカＳＰを、白丸で示すように、原点（０，０）の位置を中心に、０．１ｍ（１０ｃｍ）の間隔で、左右に１４個ずつ、合計２８個配置し、スピーカＳＰの手前（リスナー側）のｙ＝−０．１ｍの位置に、制御ラインＳ４を、スピーカＳＰの配列と同じ２．７ｍの長さに渡って設定し、制御ラインＳ４上に多数の制御点を設定した。仮想点音源１０は、ｘ＝０ｍ，ｙ＝−１ｍの位置に設定した。音声信号は１ｋＨｚの正弦波とした。

図７は、以上のようなモデルでのシミュレーション結果を示し、図６の斜線で囲った領域における音波の波紋を示したものである。これから明らかなように、上述した音場設計方法によって、仮想点音源１０より手前（リスナー側）の領域に所望の音場を形成することができる。

図１に示した音場合成装置としては、あらかじめ、上述した方法によって、図１および図３に示したように、制御ラインＳ４をスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置に設定し、かつ仮想点音源１０をリスナー７に近い位置に設定した場合の音場を形成するフィルタ係数（伝達関数）と、図１２に示したように、制御ラインＳ２をスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍに近い位置に設定し、かつ仮想点音源８をスピーカＳＰ１，ＳＰ２‥‥ＳＰｍ側に設定した場合の音場を形成するフィルタ係数（伝達関数）とを用意して、記憶装置部６００に書き込んでおき、ユーザがキー入力部７００での操作により、いずれかのモードを選択することによって、その選択されたモードに対応するフィルタ係数（伝達関数）がデジタルフィルタ２０１，２０２‥‥２０ｍにロードされるように構成することができる。

これによれば、ユーザは、場合に応じて、音がユーザの近傍から飛び出すように聞こえるモードと、スピーカ近傍の点からの音として聞く通常のモードとの、いずれかを選択して、音響を再生し、受聴することができる。

主要部については図中に全て記述したので、ここでは省略する。

Claims (1)

1. 複数のスピーカからなるスピーカアレイと、
   前記各スピーカの前段に設けられた、同一の音声信号が供給される複数のフィルタと、
   を備え、
   前記各フィルタの伝達関数は、
   前記各スピーカの前方位置において当該各スピーカから近い位置に制御ラインを設定し、前記制御ライン上に複数の制御点を設定するとともに、前記制御ラインの前記スピーカ側とは反対側に仮想点音源を設定し、前記仮想点音源を含み、かつ、前記制御ラインに平行なラインを受聴側境界として、前記受聴側境界の前記制御ライン側とは反対側の領域を、音場を合成する領域とする第１の音場を実現する伝達関数と、
   前記各スピーカの前方位置において当該各スピーカから近い位置に制御ラインを設定し、前記制御ライン上に複数の制御点を設定するとともに、前記制御ラインの前記スピーカ側に仮想点音源を設定して、第２の音場を実現する伝達関数と、
   から選択される、音場合成装置。