JP3821228B2 - オーディオ信号の処理方法および処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ホームシアターなどに適用して好適なオーディオ信号の処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホームシアターやＡＶシステムなどに適用して好適なスピーカシステムとして、スピーカアレイがある（例えば、特許文献１参照）。図１４は、そのスピーカアレイ１０の一例を示すもので、このスピーカアレイ１０は、多数のスピーカ（スピーカユニット）ＳＰ0〜ＳＰnが配列されて構成される。この場合、一例として、ｎ＝255、スピーカの口径は数cmであり、したがって、実際には、スピーカＳＰ0〜ＳＰnは平面上に２次元状に配列されることになるが、以下の説明においては、簡単のため、水平方向の直線上に配列されているものとする。
【０００３】
そして、オーディオ信号が、ソースＳＣから遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnに供給されて所定の時間τ0〜τnだけ遅延され、その遅延されたオーディオ信号がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnにそれぞれ供給される。なお、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnについては、後述する。
【０００４】
すると、どの場所においても、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される音波が合成され、その合成結果の音圧が得られることになる。そこで、図１４に示すように、スピーカＳＰ0〜ＳＰnにより形成される音場において、所定のポイントＰtg、Ｐncを、
Ｐtg：周囲よりも音圧を上げたい場所。音圧増強点。
Ｐnc：周囲よりも音圧を下げたい場所。音圧低減点。
とすると、任意の場所を音圧増強点Ｐtgとする方法は、図１５あるいは図１６に示す方法に大別できる。
【０００５】
すなわち、図１５に示す方法の場合には、
Ｌ0〜Ｌn：各スピーカＳＰ0〜ＳＰnから音圧増強点Ｐtgまでの距離
ｓ ：音速
とすると、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを、
τ0＝（Ｌn−Ｌ0）／ｓ
τ1＝（Ｌn−Ｌ1）／ｓ
τ2＝（Ｌn−Ｌ2）／ｓ
・・・・
τn＝（Ｌn−Ｌn）／ｓ＝０
に設定する。
【０００６】
すると、ソースＳＣから出力されるオーディオ信号がスピーカＳＰ0〜ＳＰnにより音波に変換されて出力されるとき、それらの音波は上式で示される時間τ0〜τnだけ遅れて出力されることになる。したがって、それらの音波が音圧増強点Ｐtgに到達するとき、すべて同時に到達することになり、音圧増強点Ｐtgの音圧は周囲よりも大きくなる。
【０００７】
つまり、図１５のシステム場合は、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから音圧増強点Ｐtgまでの行路差により各音波に時間差を生じるが、この時間差を遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにより補償して音圧増強点Ｐtgに音の焦点を結ばせるものである。なお、以下、このタイプのシステムを「焦点型」と呼び、音圧増強点Ｐtgを「焦点」とも呼ぶものとする。
【０００８】
また、図１６に示す方法の場合には、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される進行波（音波）の位相波面が同じになるように、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを設定することにより、音波に指向性を与えるとともに、その指向方向を音圧増強点Ｐtgの方向とするものである。このシステムは、焦点型のシステムにおいて、距離Ｌ0〜Ｌnを無限大にした場合とも考えられる。なお、以下、このタイプのシステムを「指向性型」と呼び、音波の位相波面が揃う音波の方向を「指向方向」と呼ぶものとする。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−２３３５９１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようにスピーカアレイ１０においては、遅延時間τ0〜τnにより焦点あるいは指向性を得て音圧増強点Ｐtgを実現することがメインであり、このとき、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給されるオーディオ信号の振幅は音圧に変化を与えるだけである。
【００１１】
このため、音圧低減点Ｐncにおける音圧を低減する方法として、スピーカアレイ１０の指向性を利用することが考えられる。例えば、音圧増強点Ｐtgの方向に主極（メインローブ）を形成するとともに、副極（サイドローブ）を十分低減させることや、音圧低減点Ｐncの方向がヌル感度となる指向特性とすることなどが考えられる。
【００１２】
しかし、そのようにするには、スピーカＳＰ0〜ＳＰnの個数ｎをきわめて多くしてスピーカアレイ全体の大きさを音波の波長に比べて十分に大きくする必要がある。しかし、この方法は、実用上、実現がきわめて困難である。あるいは焦点や指向性を合わせた音圧増強点Ｐtgにまで、その音圧の変化の影響がおよぶことがある。
【００１３】
さらに、ホームシアターやＡＶシステムなどにおいては、マルチチャンネルステレオを考慮する必要もある。すなわち、ＤＶＤプレーヤなどの普及にしたがって、マルチチャンネルステレオのソースが増えつつあるが、このため、ユーザはそのチャンネル数のスピーカを設置する必要がある。しかし、そのためには、かなりのスペースを必要としてしまう。
【００１４】
この発明は、以上のような問題点を解決しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、例えば、
オーディオ信号を複数のデジタルフィルタにそれぞれ供給し、
上記複数のデジタルフィルタの各出力を、スピーカアレイを構成する複数のスピーカのそれぞれに供給して音場を形成し、
上記複数のデジタルフィルタにそれぞれ所定の遅延時間を設定することにより、上記音場に、周囲よりも音圧の大きい第１のポイントおよび周囲よりも音圧の小さい第２のポイントを形成するとともに、
上記複数のデジタルフィルタの振幅特性を調整することにより、上記第２のポイントにおける上記オーディオ信号の周波数応答にローパスフィルタ特性を与える
ようにしたオーディオ信号の処理方法
とするものである。
したがって、デジタルフィルタの遅延時間の設定により周囲よりも音圧の大きいポイントが設定され、デジタルフィルタの振幅特性により周囲よりも音圧の小さいポイントが設定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
▲１▼ この発明のアウトライン
この発明においては、スピーカアレイの各スピーカの出力が空間で合成されてそれぞれのポインタでの応答となるので、これを擬似的にデジタルフィルタとして解釈する。そして、「なるべく音圧を聞かせたくない場所Ｐnc」における応答信号を予測し、各スピーカに与える遅延を変えずに振幅を変更し、デジタルフィルタを作成する要領で周波数特性を制御する。
【００１７】
この周波数特性の制御により、なるべく音圧を聞かせたくない場所Ｐncにおける音圧を下げるとともに、その低下させることのできる帯域を拡大する。また、このとき、なるべく自然に音圧を減少させる。
【００１８】
▲２▼ スピーカアレイ１０の解析
ここでは、説明を簡単にするため、複数ｎ個のスピーカＳＰ0〜ＳＰnが水平方向に一列に配列されてスピーカアレイ１０が構成され、そのスピーカアレイ１０が図１５に示す焦点型システムに構成されているものとする。
【００１９】
ここで、この焦点型システムの遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnのそれぞれをＦＩＲデジタルフィルタにより実現することを考える。また、図１に示すように、そのＦＩＲデジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnのフィルタ係数が、それぞれＣＦ0〜ＣＦnで示されるとする。
【００２０】
そして、ＦＩＲデジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnにインパルスを入力し、ポイントＰtg、Ｐncで、スピーカアレイ１０の出力音を測定することを考える。なお、この測定は、デジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnを含む再生システムの持つサンプリング周波数あるいはそれ以上のサンプリング周波数で行うものとする。
【００２１】
すると、ポイントＰtg、Ｐncにおいて測定される応答信号は、すべてのスピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される音が空間伝播して音響的に加算された和信号となる。そして、このとき、説明を容易にするため、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される信号は、デジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnによって遅延の与えられたインパルス信号であるとする。なお、以下においては、この空間伝播を経て加算された応答信号を「空間合成インパルス応答」と呼ぶものとする。
【００２２】
そして、ポイントＰtgは、ここに焦点を作る目的でデジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnの遅延成分を設定しているので、ポイントＰtgで測定される空間合成インパルス応答Ｉtgは、図１に示すように、１つの大きなインパルスとなる。また、空間合成インパルス応答Ｉtgの周波数応答（振幅部）Ｆtgは、時間波形がインパルス状なので、図１にも示すように、全周波数帯域で平坦となる。したがって、ポイントＰtgは、音圧増強点となる。
【００２３】
なお、実際には、各スピーカＳＰ0〜ＳＰnの周波数特性、空間伝播時の周波数特性変化、行路途中の壁の反射特性、サンプリング周波数によって規定される時間軸のずれなどにより、空間合成インパルス応答Ｉtgは正確なインパルスとはならないが、ここでは簡単のため、理想的なモデルで記している。
【００２４】
一方、ポイントＰncで測定される空間合成インパルス応答Ｉncは、それぞれ時間軸情報を持つインパルスの合成と考えられ、図１に示すように、ある程度の幅を持ってインパルスが分散している信号であることがわかる。なお、図１においては、ポイントＰncでのインパルス応答Ｉncが等間隔で並ぶパルス列となっているが、一般にはそのパルス列の間隔はランダムなものとなる。
【００２５】
そして、このとき、ポイントＰncの位置に関係する情報を、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnに盛り込んでいないとともに、もとのフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnはすベて正方向のインパルスに基づいているので、空間合成インパルス応答Ｉncの周波数応答Ｆncもすべて正方向のインパルスの合成となる。
【００２６】
この結果、ＦＩＲデジタルフィルタの設計原理からも明らかなように、周波数応答Ｆncは、図１にも示すように、低域では平坦で、高い周波数ほど減衰する傾向の特性、すなわち、ローパスフィルタに近い特性をもつことになる。また、このとき、音圧増強点Ｐtgにおける空間合成インパルス応答Ｉtgは１つの大きなインパルスとなっているが、ポイントＰncにおける空間合成インパルス応答Ｉncは、インパルスが分散しているので、ポイントＰncにおける周波数応答Ｆncのレベルは、ポイントＰtgにおける周波数応答Ｆtgのレベルよりも小さくなる。したがって、ポイントＰncは音圧低減点となる。
【００２７】
そして、このとき、空間合成インパルス応答Ｉncを、１つの空間的なＦＩＲデジタルフィルタであると考えると、このＦＩＲデジタルフィルタＩncは、もともとフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnにおける時間要因を含めたインパルスの振幅値の和により構成されているので、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnの内容（振幅、位相など）を変更すれば、周波数応答Ｆncが変化する。つまり、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnを変更することにより、音圧低減点Ｐncにおける音圧の周波数応答Ｆncを変化させることができる。
【００２８】
以上のことから、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnをＦＩＲデジタルフィルタにより構成するとともに、それらのフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnを選定すれば、音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncを音場の必要とする場所に設定することができる。
【００２９】
▲３▼ 閉じた空間でのスピーカアレイ
図１４〜図１６の場合には、音場が開放空間であるが、一般には、図２に示すように、音場は壁ＷＬなどにより音響的に閉じた空間ないし部屋ＲＭとなる。そして、この部屋ＲＭにおいては、スピーカアレイ１０の焦点位置Ｐtgあるいは指向方向を選択することにより、スピーカアレイ１０から出力された音Ａtgが、リスナLSNRの周囲の壁面ＷＬで反射してからリスナLSNRに焦点を結ぶようにすることができる。
【００３０】
すると、この場合には、スピーカアレイ１０がリスナLSNRの前方にあるにもかかわらず、後方から音が聞こえることになる。ただし、この場合には、後方からの音Ａtgは目的とする音なので、なるべく大きく聞こえるように設定し、前方からの音Ａncは、意図していない「漏れ音」なので、なるべく小さくなるように、設定する必要がある。
【００３１】
このためには、図３に示すように、音Ａtgの反射回数から部屋全体の虚像を考える。すると、この虚像は、図１５あるいは図１６の開放空間と等価と考えることができるので、リスナLSNRの虚像の位置に、音圧増強点Ｐtgに対応する虚像の位置Ｐtg'を設定し、ここにスピーカアレイ１０の焦点あるいは指向方向を設定する。また、実際のリスナLSNRの位置に、音圧低減点Ｐncを設定する。
【００３２】
以上の構成とすることにより、スピーカをリスナLSNRの後方や側方に配置しなくても、マルチチャンネルステレオにおける後方や側方に仮想のスピーカを配置することができ、サラウンドのステレオ再生が可能となる。
【００３３】
なお、このように焦点型により仮想スピーカを実現する場合、焦点Ｐtgの位置は、目的、用途あるいはソースの内容などにより、リスナLSNRの位置ではなく、壁面ＷＬに設定したり、それ以外の個所に設定することもできる。また、「どこから聞こえるか」という定位感は、厳密には音圧差だけでは評価できないが、ここでは音圧を上げることが重要と考える。
【００３４】
▲４▼ ポイントＰncにおける音圧の低減方法
図２および図３に示す部屋（閉空間）ＲＭにおいて、リスナLSNRの位置が決まれば、音圧増強点Ｐtgの位置が決まり、その結果、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnにより設定される遅延時間が決まる。また、リスナLSNRの位置が決まれば、音圧低減点Ｐncの位置も決まり、図４Ａにも示すように、その音圧低減点Ｐncにおける空間合成インパルス応答Ｉncのパルスの立つ位置が決まる（図４Ａは、図１の空間合成インパルス応答Ｉncと同じ）。また、デジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnにおけるパルスの振幅値Ａ0〜Ａnを変えることにより、制御可能なサンプル幅（パルスの数）が、図４Ａにおけるサンプル幅ＣNとなる。
【００３５】
したがって、振幅Ａ0〜Ａnを変更することにより、図４Ａに示す（サンプル幅ＣNにおける）パルスを、例えば図４Ｂのようなレベル分布のパルス（空間合成インパルス応答）Ｉnc'に変更することができ、図４Ｃに示すように、その周波数応答を周波数応答Ｆncから周波数応答Ｆnc'に変えることができる。
【００３６】
つまり、図４Ｃおいて斜線を付けた部分の帯域分だけ音圧低減点Ｐncにおける音圧が低下することになる。したがって、図２の場合には、目的とする後方音Ａtgに対し、前方からの漏れ音Ａncが少なくなり、後方からの音が良く聞こえることになる。
【００３７】
このとき重要なことは、振幅Ａ0〜Ａnを変更して空間合成インパルス応答Ｉnc'のようなパルス列にしても、音圧増強点Ｐtgの空間合成インパルス応答Ｉtgおよび周波数応答Ｆtgは振幅値のみしか変化しないことであり、均一な周波数特性を保持できることである。そこで、この発明は、振幅Ａ0〜Ａnを変更して音圧低減点Ｐncに周波数応答Ｆnc'を得る。
【００３８】
▲５▼ 空間合成インパルス応答Ｉnc'の求め方
ここでは、空間合成インパルス応答Ｉncから必要な空間合成インパルス応答Ｉnc'を求める方法について説明する。
【００３９】
一般に、ＦＩＲデジタルフィルタによりローパスフィルタを構成する場合、Hamming、Hanning、Kaiser、Blackmanなどの窓関数を用いた設計法が有名であり、これらの方法で設計したフィルタの周波数応答は比較的急峻なカットオフ特性の得られることが知られている。ただし、この場合、振幅Ａ0〜Ａnにより制御できるパルス幅はＣNサンプルと決まっているので、この範囲で、窓関数を用いて設計をする。そして、窓関数の形状およびＣNサンプルの数が決まれば、周波数応答Ｆnc'のカットオフ周波数が決まることになる。
【００４０】
窓関数およびＣNサンプルから、振幅Ａ0〜Ａnの具体的な値を求める方法であるが、例えば図５に示すように、あらかじめ空間合成インパルス応答Ｉncのうち「ＣN幅内のサンプルに影響を与えた係数」を特定しておくことにより、振幅Ａ0〜Ａnを特定して逆算することができる。この場合、空間合成インパルス応答Ｉnc内の１つのパルスに対して複数の係数が影響を与えることもあり、また、対応する係数の数（＝スピーカＳＰ0〜ＳＰnの数）が少なければ、図５に例示するように、該当する係数がない場合もある。
【００４１】
なお、窓関数の窓の幅はＣNサンプルの分布幅にほぼ等しくすることが好ましい。また、空間合成インパルス応答Ｉnc内の１つのパルスに対して、複数の係数が影響を与える場合には、これを分配すればよい。この分配方法は、ここでは規定しないが、空間合成インパルス応答Ｉtgに対して影響が少なく、空間合成インパルス応答Ｉnc'に対して影響が大きい振幅を優先的に調整の対象とすることが好ましい。
【００４２】
さらに、図６に示すように、音圧低減点Ｐncとして複数のポイントＰnc1〜Ｐncmを設定し、これを満たすような振幅Ａ0〜Ａnを連立方程式により求めることもできる。この連立方程式が満たされない場合、あるいは図５のように空間合成インパルス応答Ｉncの特定パルスに対して影響を与える振幅Ａ0〜Ａnが該当しない場合には、目標とする窓関数のカーブに近くなるように、最小二乗法などにより振幅Ａ0〜Ａnを求めることができる。
【００４３】
また、例えばフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦ2は、ポイントＰnc1に対応させ、フィルタ係数ＣＦ3〜ＣＦ5は、ポイントＰnc2に対応させ、フィルタ係数ＣＦ6〜ＣＦ8は、ポイントＰnc3に対応させ、・・・などとしたり、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnと、ポイントＰnc1〜Ｐncmとの関係を入れ子にしたりすることもできる。
【００４４】
さらに、サンプリング周波数、スピーカのユニット数、および空間配置を工夫することにより、空間合成インパルス応答Ｉncの各パルスに対して、影響を与える係数が確率的になるべく存在するような設計にすることが可能である。また、測定時の離散化のときと同様、空間合成インパルス応答ＩncはスピーカＳＰ0〜ＳＰnから放射された音が連続系列である空間を介しているので、厳密にはパルスごとに影響を与えた係数は１つに特定されることはないが、ここでは便宜上、計算時の目安になりやすいよう、そのように扱っている。このようにしても、実用上問題のないことが実験で確かめられている。
【００４５】
▲６▼ 実施例
▲６▼−１ 第１の実施例
図７はこの発明による処理システムの一例を示し、図７においては、１チャンネル分のオーディオ信号ラインを示す。すなわち、ソースＳＣからデジタルオーディオ信号が取り出され、このオーディオ信号が可変ハイパスフィルタ１１を通じてＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに供給され、そのフィルタ出力がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００４６】
この場合、制御可能な空間合成インパルス応答Ｉncのサンプル幅ＣNから周波数応答Ｆnc'のカットオフ周波数を推測できるので、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数が、その周波数応答Ｆnc'のカットオフ周波数に連動して制御される。この制御により、周波数応答Ｆtgが周波数応答Ｆnc'に対して優位である帯域のみ、オーディオ信号を通過させることができる。例えば図２の場合、周波数応答Ｆnc'の低域部分が、周波数応答Ｆtgの低域部分と変わらないレベルのとき、ソースの有効帯域を制御し、その低域部分を使わないことにより、後ろから聞こえるときに効果のある帯域だけを出力することができる。
【００４７】
また、デジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnは、上述の遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnを構成するものである。さらに、パワーアンプＰＡ0〜ＰＡnにおいて、これに供給されたデジタルオーディオ信号は、Ｄ／Ａ変換されてからパワー増幅され、あるいはＤ級増幅され、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００４８】
そして、この場合、制御回路１２において例えば図８に示すルーチン１００が実行され、ハイパスフィルタ１１およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの特性が上述にしたがって設定される。すなわち、制御回路１２にポイントＰtg、Ｐncを入力すると、制御回路１２の処理がルーチン１００のステップ１０１からスタートし、次にステップ１０２において、デジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにおける遅延時間τ0〜τnが計算され、続いてステップ１０３において、音圧低減点Ｐncにおける空間合成インパルス応答Ｉncがシミュレートされ、制御の可能なサンプル数ＣNが予測される。
【００４９】
そして、ステップ１０４において、窓関数をベースとして作成可能なローパスフィルタのカットオフ周波数が算出され、次にステップ１０５において、空間合成インパルス応答Ｉncのパルス列の各サンプルに対応する振幅Ａ0〜Ａnのうち、どの振幅が有効であるかをリストアップして振幅Ａ0〜Ａnを求める。そして、ステップ１０６において、以上の結果にしたがって、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間τ0〜τnが設定され、その後、ステップ１０７によりルーチン１００を終了する。
【００５０】
以上により音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncを得ることができる。
【００５１】
▲６▼−２ 第２の実施例
図９に示すシステムにおいては、複数のポイントＰtg、Ｐncについて、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間τ0〜τnのデータが算出され、このデータが、制御回路１２の記憶装置１３にデータベースとして蓄えられている場合である。
【００５２】
そして、この再生システムの使用時に、ポイントＰtg、Ｐncのデータを記憶装置１２に入力すると、記憶装置１３から対応するデータが取り出され、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間τ0〜τnが設定される。
【００５３】
▲６▼−３ 第３の実施例
図１０に示すシステムにおいては、ソースＳＣからのデジタルオーディオ信号が、可変ハイパスフィルタ１１およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにより例えば▲６▼−１（第１の実施例）において説明したように処理され、その処理結果の信号がデジタル加算回路１４およびパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてにスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００５４】
さらに、ソースＳＣから出力されるデジタルオーディオ信号と、可変ハイパスフィルタ１１のフィルタ出力とが、デジタル減算回路１５に供給されて中低域成分（図４Ｃにおける平坦部分の成分）のデジタルオーディオ信号が取り出される。そして、この中低域成分のデジタルオーディオ信号が、処理回路１６を通じてデジタル加算回路１４に供給される。
【００５５】
したがって、音圧低減点Ｐncにおける漏れ音を処理回路１６の処理に対応して制御することができる。
【００５６】
▲６▼−４ 第４の実施例
図１１は、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの処理内容を等価的に示すもので、ソースＳＣからにデジタルオーディオ信号が、固定のデジタルハイパスフィルタ１７を通じて本来のＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに供給され、そのフィルタ出力が、デジタル加算回路１４に供給される。さらに、ソースＳＣからにデジタルオーディオ信号が、デジタルローパスフィルタ１８を通じて処理回路１６に供給される。
【００５７】
したがって、処理回路１６の処理をデジタルフィルタにより実現できるときには、その処理をデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにより実行できる。
【００５８】
▲６▼−５ 第５の実施例
図１２および図１３は、１つのスピーカアレイ１０により、リスナLSNRの左前方、右前方、左後方、右後方に、仮想のスピーカＳＰLF、ＳＰRF、ＳＰLB、ＳＰRBを実現して４チャンネルのサラウンドステレオ音場を形成する場合である。
【００５９】
このため、図１２に示すように、部屋ＲＭにおいて、リスナLSNRの正面前方にスピーカアレイ１０が配置される。また、図１３に示すように、左前方チャンネルについては、ソースＳＣから左前方のデジタルオーディオ信号ＤLFが取り出され、この信号ＤLFが、可変ハイパスフィルタ１２LFを通じてＦＩＲデジタルフィルタＤＦLF0〜ＤＦLFnに供給され、そのフィルタ出力が、デジタル加算回路ＡＤ0〜ＡＤnおよびパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００６０】
また、右前方チャンネルについては、ソースＳＣから右前方のデジタルオーディオ信号ＤRFが取り出され、この信号ＤRFが、可変ハイパスフィルタ１２RFを通じてＦＩＲデジタルフィルタＤＦRF0〜ＤＦRFnに供給され、そのフィルタ出力が、デジタル加算回路ＡＤ0〜ＡＤnおよびパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００６１】
さらに、左後方チャンネルおよび右後方チャンネルについても、左前方チャンネルおよび右前方チャンネルと同様に構成されるもので、参照符号における記号LF、RFを記号LB、RBに変えて説明は省略する。
【００６２】
そして、各チャンネルについて、図７および図８により説明したように、それぞれの値が設定され、左前方チャンネルおよび右前方チャンネルについては、例えば図１４により説明したシステムにより仮想スピーカＳＰLF、ＳＰRFが実現され、左後方チャンネルおよび右後方チャンネルについては、例えば図２により説明したシステムにより仮想スピーカＳＰLB、ＳＰRBが実現される。したがって、これら仮想スピーカＳＰLF〜ＳＰRBにより、４チャンネルサラウンドステレオ音場が形成される。
【００６３】
そして、上述のシステムによれば、１つのスピーカアレイ１０によってサラウンドのマルチチャンネルステレオを実現することができ、スピーカを設置するために多くのスペースを必要とすることがない。また、チャンネル数を増やす場合も、デジタルフィルタを追加するだけでよく、スピーカの増設の必要がない。
【００６４】
▲７▼ その他
上述においては、空間合成インパルス応答Ｉnc'の設計指針として窓関数を使用し、比較的急峻なローパスフィルタ特性を形成したが、窓関数以外の関数により係数の振幅を調整して希望する特性を得てもよい。
【００６５】
また、上述においては、フィルタ係数の振幅をすべて正方向のパルス列とすることにより、空間合成インパルス応答もすべて正の値の振幅のパルス列としたが、音圧増強点Ｐtgに焦点を向けるための遅延特性を保持しながら、各フィルタ係数中のパルス振幅を正方向あるいは負方向に設定することにより、音圧低減点Ｐncの特性を規定してもよい。
【００６６】
さらに、上述においては、遅延を付加する要素としてインパルスを基本としているが、これは説明を容易にするためであり、この基本遅延要素を特定の周波数応答を持つ複数のサンプルのタップとし、同様の作用を得ることもできる。例えば、擬似的なオーバーサンプリングの効果が得られる擬似パルス系列を基本とすることができる。この場合には、振幅方向の負の成分も係数の中に持つことになるが、目的とする効果および実行手段としては、同様のものであるといえる。
【００６７】
また、上述においては、デジタルオーディオ信号に対する遅延をデジタルフィルタの係数で表現したが、遅延部とデジタルフィルタ部とに分けてシステムを構成する場合も、同様とすることができる。さらに、振幅Ａ0〜Ａnの組み合わせを１組あるいは複数組用意しておき、これを対象とする音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncの少なくとも一方に設定することができる。また、スピーカアレイ１０が、例えば図３に示す仮想の後方スピーカを実現する場合のように、用途が固定されていて一般的な反射位置や聴取位置などが想定できる場合、フィルタ係数はあらかじめ想定される音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncに対応する固定的なフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnとすることもできる。
【００６８】
さらに、上述においては、空間合成インパルス応答Ｉnc'に対応するフィルタ係数の振幅Ａ0〜Ａnを決定するとき、音波の伝搬時の空気による減衰の影響や、反射物による位相変化などのパラメータを盛り込んで、シミュレーション計算することもできる。また、何らかの測定手段により、それぞれのパラメータを測定して、より適切な振幅Ａ0〜Ａnを決定し、より正確なシミュレーションを行うこともできる。
【００６９】
また、上述においては、スピーカアレイ１０は、スピーカＳＰ0〜ＳＰnが水平直線上に配列されている場合であるが、平面上に配列されていてもよく、あるいは奥行きを持って配列されていてもよく、さらに、必ずしも整然と配列されている必要もない。また、上述においては、焦点型システムを中心にして説明したが、指向性型システムの場合も、同様なプロセスを実行することができる。
【００７０】
〔この明細書で使用している略語の一覧〕
ＡＶ ：Audio and Visual
Ｄ／Ａ：Digital to Analog
ＦＩＲ：Finite Impulse Response
【００７１】
【発明の効果】
この発明によれば、スピーカアレイにより音響再生を行う場合、目的とする場所の音圧を増強するとともに、特定の場所の音圧を低減することができるが、この場合、音圧を低減させたい位置や方向に対するインパルス応答に空間的な窓関数をかけて合成するようにしたので、音波の到来方向感（定位感）が知覚されやすい中高音域の応答を特に低減することができる。そして、このとき、必要なスピーカアレイの規模を大きくする必要がなく、実用生が高い。
【００７２】
また、マルチチャンネルステレオを構成する場合にも、１つのスピーカアレイによってサラウンドのマルチチャンネルステレオを実現することができ、スピーカを設置するために多くのスペースを必要とすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を説明するための図である。
【図２】この発明を説明するための図である。
【図３】この発明を説明するための図である。
【図４】この発明を説明するための図である。
【図５】この発明を説明するための図である。
【図６】この発明を説明するための図である。
【図７】この発明の一形態を示す系統図である。
【図８】この発明を説明するための図である。
【図９】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１０】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１１】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１２】この発明を説明するための図である。
【図１３】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１４】この発明を説明するための図である。
【図１５】この発明を説明するための図である。
【図１６】この発明を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…スピーカアレイ、ＤＦ0〜ＤＦn…デジタルフィルタ、ＤＬ0〜ＤＬn…遅延回路、LSNR…リスナ、ＰＡ0〜ＰＡn…パワーアンプ、Ｐnc…音圧低減点、Ｐtg…音圧増強点、ＲＭ…部屋（閉空間）、ＳＣ…ソース、ＳＰ0〜ＳＰn…スピーカ（スピーカユニット）、ＷＬ…壁
【発明の属する技術分野】
この発明は、ホームシアターなどに適用して好適なオーディオ信号の処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホームシアターやＡＶシステムなどに適用して好適なスピーカシステムとして、スピーカアレイがある（例えば、特許文献１参照）。図１４は、そのスピーカアレイ１０の一例を示すもので、このスピーカアレイ１０は、多数のスピーカ（スピーカユニット）ＳＰ0〜ＳＰnが配列されて構成される。この場合、一例として、ｎ＝255、スピーカの口径は数cmであり、したがって、実際には、スピーカＳＰ0〜ＳＰnは平面上に２次元状に配列されることになるが、以下の説明においては、簡単のため、水平方向の直線上に配列されているものとする。
【０００３】
そして、オーディオ信号が、ソースＳＣから遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnに供給されて所定の時間τ0〜τnだけ遅延され、その遅延されたオーディオ信号がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnにそれぞれ供給される。なお、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnについては、後述する。
【０００４】
すると、どの場所においても、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される音波が合成され、その合成結果の音圧が得られることになる。そこで、図１４に示すように、スピーカＳＰ0〜ＳＰnにより形成される音場において、所定のポイントＰtg、Ｐncを、
Ｐtg：周囲よりも音圧を上げたい場所。音圧増強点。
Ｐnc：周囲よりも音圧を下げたい場所。音圧低減点。
とすると、任意の場所を音圧増強点Ｐtgとする方法は、図１５あるいは図１６に示す方法に大別できる。
【０００５】
すなわち、図１５に示す方法の場合には、
Ｌ0〜Ｌn：各スピーカＳＰ0〜ＳＰnから音圧増強点Ｐtgまでの距離
ｓ ：音速
とすると、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを、
τ0＝（Ｌn−Ｌ0）／ｓ
τ1＝（Ｌn−Ｌ1）／ｓ
τ2＝（Ｌn−Ｌ2）／ｓ
・・・・
τn＝（Ｌn−Ｌn）／ｓ＝０
に設定する。
【０００６】
すると、ソースＳＣから出力されるオーディオ信号がスピーカＳＰ0〜ＳＰnにより音波に変換されて出力されるとき、それらの音波は上式で示される時間τ0〜τnだけ遅れて出力されることになる。したがって、それらの音波が音圧増強点Ｐtgに到達するとき、すべて同時に到達することになり、音圧増強点Ｐtgの音圧は周囲よりも大きくなる。
【０００７】
つまり、図１５のシステム場合は、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから音圧増強点Ｐtgまでの行路差により各音波に時間差を生じるが、この時間差を遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにより補償して音圧増強点Ｐtgに音の焦点を結ばせるものである。なお、以下、このタイプのシステムを「焦点型」と呼び、音圧増強点Ｐtgを「焦点」とも呼ぶものとする。
【０００８】
また、図１６に示す方法の場合には、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される進行波（音波）の位相波面が同じになるように、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを設定することにより、音波に指向性を与えるとともに、その指向方向を音圧増強点Ｐtgの方向とするものである。このシステムは、焦点型のシステムにおいて、距離Ｌ0〜Ｌnを無限大にした場合とも考えられる。なお、以下、このタイプのシステムを「指向性型」と呼び、音波の位相波面が揃う音波の方向を「指向方向」と呼ぶものとする。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−２３３５９１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようにスピーカアレイ１０においては、遅延時間τ0〜τnにより焦点あるいは指向性を得て音圧増強点Ｐtgを実現することがメインであり、このとき、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給されるオーディオ信号の振幅は音圧に変化を与えるだけである。
【００１１】
このため、音圧低減点Ｐncにおける音圧を低減する方法として、スピーカアレイ１０の指向性を利用することが考えられる。例えば、音圧増強点Ｐtgの方向に主極（メインローブ）を形成するとともに、副極（サイドローブ）を十分低減させることや、音圧低減点Ｐncの方向がヌル感度となる指向特性とすることなどが考えられる。
【００１２】
しかし、そのようにするには、スピーカＳＰ0〜ＳＰnの個数ｎをきわめて多くしてスピーカアレイ全体の大きさを音波の波長に比べて十分に大きくする必要がある。しかし、この方法は、実用上、実現がきわめて困難である。あるいは焦点や指向性を合わせた音圧増強点Ｐtgにまで、その音圧の変化の影響がおよぶことがある。
【００１３】
さらに、ホームシアターやＡＶシステムなどにおいては、マルチチャンネルステレオを考慮する必要もある。すなわち、ＤＶＤプレーヤなどの普及にしたがって、マルチチャンネルステレオのソースが増えつつあるが、このため、ユーザはそのチャンネル数のスピーカを設置する必要がある。しかし、そのためには、かなりのスペースを必要としてしまう。
【００１４】
この発明は、以上のような問題点を解決しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、例えば、
オーディオ信号を複数のデジタルフィルタにそれぞれ供給し、
上記複数のデジタルフィルタの各出力を、スピーカアレイを構成する複数のスピーカのそれぞれに供給して音場を形成し、
上記複数のデジタルフィルタにそれぞれ所定の遅延時間を設定することにより、上記音場に、周囲よりも音圧の大きい第１のポイントおよび周囲よりも音圧の小さい第２のポイントを形成するとともに、
上記複数のデジタルフィルタの振幅特性を調整することにより、上記第２のポイントにおける上記オーディオ信号の周波数応答にローパスフィルタ特性を与える
ようにしたオーディオ信号の処理方法
とするものである。
したがって、デジタルフィルタの遅延時間の設定により周囲よりも音圧の大きいポイントが設定され、デジタルフィルタの振幅特性により周囲よりも音圧の小さいポイントが設定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
▲１▼ この発明のアウトライン
この発明においては、スピーカアレイの各スピーカの出力が空間で合成されてそれぞれのポインタでの応答となるので、これを擬似的にデジタルフィルタとして解釈する。そして、「なるべく音圧を聞かせたくない場所Ｐnc」における応答信号を予測し、各スピーカに与える遅延を変えずに振幅を変更し、デジタルフィルタを作成する要領で周波数特性を制御する。
【００１７】
この周波数特性の制御により、なるべく音圧を聞かせたくない場所Ｐncにおける音圧を下げるとともに、その低下させることのできる帯域を拡大する。また、このとき、なるべく自然に音圧を減少させる。
【００１８】
▲２▼ スピーカアレイ１０の解析
ここでは、説明を簡単にするため、複数ｎ個のスピーカＳＰ0〜ＳＰnが水平方向に一列に配列されてスピーカアレイ１０が構成され、そのスピーカアレイ１０が図１５に示す焦点型システムに構成されているものとする。
【００１９】
ここで、この焦点型システムの遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnのそれぞれをＦＩＲデジタルフィルタにより実現することを考える。また、図１に示すように、そのＦＩＲデジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnのフィルタ係数が、それぞれＣＦ0〜ＣＦnで示されるとする。
【００２０】
そして、ＦＩＲデジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnにインパルスを入力し、ポイントＰtg、Ｐncで、スピーカアレイ１０の出力音を測定することを考える。なお、この測定は、デジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnを含む再生システムの持つサンプリング周波数あるいはそれ以上のサンプリング周波数で行うものとする。
【００２１】
すると、ポイントＰtg、Ｐncにおいて測定される応答信号は、すべてのスピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される音が空間伝播して音響的に加算された和信号となる。そして、このとき、説明を容易にするため、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される信号は、デジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnによって遅延の与えられたインパルス信号であるとする。なお、以下においては、この空間伝播を経て加算された応答信号を「空間合成インパルス応答」と呼ぶものとする。
【００２２】
そして、ポイントＰtgは、ここに焦点を作る目的でデジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnの遅延成分を設定しているので、ポイントＰtgで測定される空間合成インパルス応答Ｉtgは、図１に示すように、１つの大きなインパルスとなる。また、空間合成インパルス応答Ｉtgの周波数応答（振幅部）Ｆtgは、時間波形がインパルス状なので、図１にも示すように、全周波数帯域で平坦となる。したがって、ポイントＰtgは、音圧増強点となる。
【００２３】
なお、実際には、各スピーカＳＰ0〜ＳＰnの周波数特性、空間伝播時の周波数特性変化、行路途中の壁の反射特性、サンプリング周波数によって規定される時間軸のずれなどにより、空間合成インパルス応答Ｉtgは正確なインパルスとはならないが、ここでは簡単のため、理想的なモデルで記している。
【００２４】
一方、ポイントＰncで測定される空間合成インパルス応答Ｉncは、それぞれ時間軸情報を持つインパルスの合成と考えられ、図１に示すように、ある程度の幅を持ってインパルスが分散している信号であることがわかる。なお、図１においては、ポイントＰncでのインパルス応答Ｉncが等間隔で並ぶパルス列となっているが、一般にはそのパルス列の間隔はランダムなものとなる。
【００２５】
そして、このとき、ポイントＰncの位置に関係する情報を、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnに盛り込んでいないとともに、もとのフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnはすベて正方向のインパルスに基づいているので、空間合成インパルス応答Ｉncの周波数応答Ｆncもすべて正方向のインパルスの合成となる。
【００２６】
この結果、ＦＩＲデジタルフィルタの設計原理からも明らかなように、周波数応答Ｆncは、図１にも示すように、低域では平坦で、高い周波数ほど減衰する傾向の特性、すなわち、ローパスフィルタに近い特性をもつことになる。また、このとき、音圧増強点Ｐtgにおける空間合成インパルス応答Ｉtgは１つの大きなインパルスとなっているが、ポイントＰncにおける空間合成インパルス応答Ｉncは、インパルスが分散しているので、ポイントＰncにおける周波数応答Ｆncのレベルは、ポイントＰtgにおける周波数応答Ｆtgのレベルよりも小さくなる。したがって、ポイントＰncは音圧低減点となる。
【００２７】
そして、このとき、空間合成インパルス応答Ｉncを、１つの空間的なＦＩＲデジタルフィルタであると考えると、このＦＩＲデジタルフィルタＩncは、もともとフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnにおける時間要因を含めたインパルスの振幅値の和により構成されているので、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnの内容（振幅、位相など）を変更すれば、周波数応答Ｆncが変化する。つまり、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnを変更することにより、音圧低減点Ｐncにおける音圧の周波数応答Ｆncを変化させることができる。
【００２８】
以上のことから、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnをＦＩＲデジタルフィルタにより構成するとともに、それらのフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnを選定すれば、音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncを音場の必要とする場所に設定することができる。
【００２９】
▲３▼ 閉じた空間でのスピーカアレイ
図１４〜図１６の場合には、音場が開放空間であるが、一般には、図２に示すように、音場は壁ＷＬなどにより音響的に閉じた空間ないし部屋ＲＭとなる。そして、この部屋ＲＭにおいては、スピーカアレイ１０の焦点位置Ｐtgあるいは指向方向を選択することにより、スピーカアレイ１０から出力された音Ａtgが、リスナLSNRの周囲の壁面ＷＬで反射してからリスナLSNRに焦点を結ぶようにすることができる。
【００３０】
すると、この場合には、スピーカアレイ１０がリスナLSNRの前方にあるにもかかわらず、後方から音が聞こえることになる。ただし、この場合には、後方からの音Ａtgは目的とする音なので、なるべく大きく聞こえるように設定し、前方からの音Ａncは、意図していない「漏れ音」なので、なるべく小さくなるように、設定する必要がある。
【００３１】
このためには、図３に示すように、音Ａtgの反射回数から部屋全体の虚像を考える。すると、この虚像は、図１５あるいは図１６の開放空間と等価と考えることができるので、リスナLSNRの虚像の位置に、音圧増強点Ｐtgに対応する虚像の位置Ｐtg'を設定し、ここにスピーカアレイ１０の焦点あるいは指向方向を設定する。また、実際のリスナLSNRの位置に、音圧低減点Ｐncを設定する。
【００３２】
以上の構成とすることにより、スピーカをリスナLSNRの後方や側方に配置しなくても、マルチチャンネルステレオにおける後方や側方に仮想のスピーカを配置することができ、サラウンドのステレオ再生が可能となる。
【００３３】
なお、このように焦点型により仮想スピーカを実現する場合、焦点Ｐtgの位置は、目的、用途あるいはソースの内容などにより、リスナLSNRの位置ではなく、壁面ＷＬに設定したり、それ以外の個所に設定することもできる。また、「どこから聞こえるか」という定位感は、厳密には音圧差だけでは評価できないが、ここでは音圧を上げることが重要と考える。
【００３４】
▲４▼ ポイントＰncにおける音圧の低減方法
図２および図３に示す部屋（閉空間）ＲＭにおいて、リスナLSNRの位置が決まれば、音圧増強点Ｐtgの位置が決まり、その結果、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnにより設定される遅延時間が決まる。また、リスナLSNRの位置が決まれば、音圧低減点Ｐncの位置も決まり、図４Ａにも示すように、その音圧低減点Ｐncにおける空間合成インパルス応答Ｉncのパルスの立つ位置が決まる（図４Ａは、図１の空間合成インパルス応答Ｉncと同じ）。また、デジタルフィルタＤＬ0〜ＤＬnにおけるパルスの振幅値Ａ0〜Ａnを変えることにより、制御可能なサンプル幅（パルスの数）が、図４Ａにおけるサンプル幅ＣNとなる。
【００３５】
したがって、振幅Ａ0〜Ａnを変更することにより、図４Ａに示す（サンプル幅ＣNにおける）パルスを、例えば図４Ｂのようなレベル分布のパルス（空間合成インパルス応答）Ｉnc'に変更することができ、図４Ｃに示すように、その周波数応答を周波数応答Ｆncから周波数応答Ｆnc'に変えることができる。
【００３６】
つまり、図４Ｃおいて斜線を付けた部分の帯域分だけ音圧低減点Ｐncにおける音圧が低下することになる。したがって、図２の場合には、目的とする後方音Ａtgに対し、前方からの漏れ音Ａncが少なくなり、後方からの音が良く聞こえることになる。
【００３７】
このとき重要なことは、振幅Ａ0〜Ａnを変更して空間合成インパルス応答Ｉnc'のようなパルス列にしても、音圧増強点Ｐtgの空間合成インパルス応答Ｉtgおよび周波数応答Ｆtgは振幅値のみしか変化しないことであり、均一な周波数特性を保持できることである。そこで、この発明は、振幅Ａ0〜Ａnを変更して音圧低減点Ｐncに周波数応答Ｆnc'を得る。
【００３８】
▲５▼ 空間合成インパルス応答Ｉnc'の求め方
ここでは、空間合成インパルス応答Ｉncから必要な空間合成インパルス応答Ｉnc'を求める方法について説明する。
【００３９】
一般に、ＦＩＲデジタルフィルタによりローパスフィルタを構成する場合、Hamming、Hanning、Kaiser、Blackmanなどの窓関数を用いた設計法が有名であり、これらの方法で設計したフィルタの周波数応答は比較的急峻なカットオフ特性の得られることが知られている。ただし、この場合、振幅Ａ0〜Ａnにより制御できるパルス幅はＣNサンプルと決まっているので、この範囲で、窓関数を用いて設計をする。そして、窓関数の形状およびＣNサンプルの数が決まれば、周波数応答Ｆnc'のカットオフ周波数が決まることになる。
【００４０】
窓関数およびＣNサンプルから、振幅Ａ0〜Ａnの具体的な値を求める方法であるが、例えば図５に示すように、あらかじめ空間合成インパルス応答Ｉncのうち「ＣN幅内のサンプルに影響を与えた係数」を特定しておくことにより、振幅Ａ0〜Ａnを特定して逆算することができる。この場合、空間合成インパルス応答Ｉnc内の１つのパルスに対して複数の係数が影響を与えることもあり、また、対応する係数の数（＝スピーカＳＰ0〜ＳＰnの数）が少なければ、図５に例示するように、該当する係数がない場合もある。
【００４１】
なお、窓関数の窓の幅はＣNサンプルの分布幅にほぼ等しくすることが好ましい。また、空間合成インパルス応答Ｉnc内の１つのパルスに対して、複数の係数が影響を与える場合には、これを分配すればよい。この分配方法は、ここでは規定しないが、空間合成インパルス応答Ｉtgに対して影響が少なく、空間合成インパルス応答Ｉnc'に対して影響が大きい振幅を優先的に調整の対象とすることが好ましい。
【００４２】
さらに、図６に示すように、音圧低減点Ｐncとして複数のポイントＰnc1〜Ｐncmを設定し、これを満たすような振幅Ａ0〜Ａnを連立方程式により求めることもできる。この連立方程式が満たされない場合、あるいは図５のように空間合成インパルス応答Ｉncの特定パルスに対して影響を与える振幅Ａ0〜Ａnが該当しない場合には、目標とする窓関数のカーブに近くなるように、最小二乗法などにより振幅Ａ0〜Ａnを求めることができる。
【００４３】
また、例えばフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦ2は、ポイントＰnc1に対応させ、フィルタ係数ＣＦ3〜ＣＦ5は、ポイントＰnc2に対応させ、フィルタ係数ＣＦ6〜ＣＦ8は、ポイントＰnc3に対応させ、・・・などとしたり、フィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnと、ポイントＰnc1〜Ｐncmとの関係を入れ子にしたりすることもできる。
【００４４】
さらに、サンプリング周波数、スピーカのユニット数、および空間配置を工夫することにより、空間合成インパルス応答Ｉncの各パルスに対して、影響を与える係数が確率的になるべく存在するような設計にすることが可能である。また、測定時の離散化のときと同様、空間合成インパルス応答ＩncはスピーカＳＰ0〜ＳＰnから放射された音が連続系列である空間を介しているので、厳密にはパルスごとに影響を与えた係数は１つに特定されることはないが、ここでは便宜上、計算時の目安になりやすいよう、そのように扱っている。このようにしても、実用上問題のないことが実験で確かめられている。
【００４５】
▲６▼ 実施例
▲６▼−１ 第１の実施例
図７はこの発明による処理システムの一例を示し、図７においては、１チャンネル分のオーディオ信号ラインを示す。すなわち、ソースＳＣからデジタルオーディオ信号が取り出され、このオーディオ信号が可変ハイパスフィルタ１１を通じてＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに供給され、そのフィルタ出力がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００４６】
この場合、制御可能な空間合成インパルス応答Ｉncのサンプル幅ＣNから周波数応答Ｆnc'のカットオフ周波数を推測できるので、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数が、その周波数応答Ｆnc'のカットオフ周波数に連動して制御される。この制御により、周波数応答Ｆtgが周波数応答Ｆnc'に対して優位である帯域のみ、オーディオ信号を通過させることができる。例えば図２の場合、周波数応答Ｆnc'の低域部分が、周波数応答Ｆtgの低域部分と変わらないレベルのとき、ソースの有効帯域を制御し、その低域部分を使わないことにより、後ろから聞こえるときに効果のある帯域だけを出力することができる。
【００４７】
また、デジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnは、上述の遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnを構成するものである。さらに、パワーアンプＰＡ0〜ＰＡnにおいて、これに供給されたデジタルオーディオ信号は、Ｄ／Ａ変換されてからパワー増幅され、あるいはＤ級増幅され、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００４８】
そして、この場合、制御回路１２において例えば図８に示すルーチン１００が実行され、ハイパスフィルタ１１およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの特性が上述にしたがって設定される。すなわち、制御回路１２にポイントＰtg、Ｐncを入力すると、制御回路１２の処理がルーチン１００のステップ１０１からスタートし、次にステップ１０２において、デジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにおける遅延時間τ0〜τnが計算され、続いてステップ１０３において、音圧低減点Ｐncにおける空間合成インパルス応答Ｉncがシミュレートされ、制御の可能なサンプル数ＣNが予測される。
【００４９】
そして、ステップ１０４において、窓関数をベースとして作成可能なローパスフィルタのカットオフ周波数が算出され、次にステップ１０５において、空間合成インパルス応答Ｉncのパルス列の各サンプルに対応する振幅Ａ0〜Ａnのうち、どの振幅が有効であるかをリストアップして振幅Ａ0〜Ａnを求める。そして、ステップ１０６において、以上の結果にしたがって、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間τ0〜τnが設定され、その後、ステップ１０７によりルーチン１００を終了する。
【００５０】
以上により音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncを得ることができる。
【００５１】
▲６▼−２ 第２の実施例
図９に示すシステムにおいては、複数のポイントＰtg、Ｐncについて、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間τ0〜τnのデータが算出され、このデータが、制御回路１２の記憶装置１３にデータベースとして蓄えられている場合である。
【００５２】
そして、この再生システムの使用時に、ポイントＰtg、Ｐncのデータを記憶装置１２に入力すると、記憶装置１３から対応するデータが取り出され、可変ハイパスフィルタ１１のカットオフ周波数およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間τ0〜τnが設定される。
【００５３】
▲６▼−３ 第３の実施例
図１０に示すシステムにおいては、ソースＳＣからのデジタルオーディオ信号が、可変ハイパスフィルタ１１およびデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにより例えば▲６▼−１（第１の実施例）において説明したように処理され、その処理結果の信号がデジタル加算回路１４およびパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてにスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００５４】
さらに、ソースＳＣから出力されるデジタルオーディオ信号と、可変ハイパスフィルタ１１のフィルタ出力とが、デジタル減算回路１５に供給されて中低域成分（図４Ｃにおける平坦部分の成分）のデジタルオーディオ信号が取り出される。そして、この中低域成分のデジタルオーディオ信号が、処理回路１６を通じてデジタル加算回路１４に供給される。
【００５５】
したがって、音圧低減点Ｐncにおける漏れ音を処理回路１６の処理に対応して制御することができる。
【００５６】
▲６▼−４ 第４の実施例
図１１は、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの処理内容を等価的に示すもので、ソースＳＣからにデジタルオーディオ信号が、固定のデジタルハイパスフィルタ１７を通じて本来のＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに供給され、そのフィルタ出力が、デジタル加算回路１４に供給される。さらに、ソースＳＣからにデジタルオーディオ信号が、デジタルローパスフィルタ１８を通じて処理回路１６に供給される。
【００５７】
したがって、処理回路１６の処理をデジタルフィルタにより実現できるときには、その処理をデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにより実行できる。
【００５８】
▲６▼−５ 第５の実施例
図１２および図１３は、１つのスピーカアレイ１０により、リスナLSNRの左前方、右前方、左後方、右後方に、仮想のスピーカＳＰLF、ＳＰRF、ＳＰLB、ＳＰRBを実現して４チャンネルのサラウンドステレオ音場を形成する場合である。
【００５９】
このため、図１２に示すように、部屋ＲＭにおいて、リスナLSNRの正面前方にスピーカアレイ１０が配置される。また、図１３に示すように、左前方チャンネルについては、ソースＳＣから左前方のデジタルオーディオ信号ＤLFが取り出され、この信号ＤLFが、可変ハイパスフィルタ１２LFを通じてＦＩＲデジタルフィルタＤＦLF0〜ＤＦLFnに供給され、そのフィルタ出力が、デジタル加算回路ＡＤ0〜ＡＤnおよびパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００６０】
また、右前方チャンネルについては、ソースＳＣから右前方のデジタルオーディオ信号ＤRFが取り出され、この信号ＤRFが、可変ハイパスフィルタ１２RFを通じてＦＩＲデジタルフィルタＤＦRF0〜ＤＦRFnに供給され、そのフィルタ出力が、デジタル加算回路ＡＤ0〜ＡＤnおよびパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００６１】
さらに、左後方チャンネルおよび右後方チャンネルについても、左前方チャンネルおよび右前方チャンネルと同様に構成されるもので、参照符号における記号LF、RFを記号LB、RBに変えて説明は省略する。
【００６２】
そして、各チャンネルについて、図７および図８により説明したように、それぞれの値が設定され、左前方チャンネルおよび右前方チャンネルについては、例えば図１４により説明したシステムにより仮想スピーカＳＰLF、ＳＰRFが実現され、左後方チャンネルおよび右後方チャンネルについては、例えば図２により説明したシステムにより仮想スピーカＳＰLB、ＳＰRBが実現される。したがって、これら仮想スピーカＳＰLF〜ＳＰRBにより、４チャンネルサラウンドステレオ音場が形成される。
【００６３】
そして、上述のシステムによれば、１つのスピーカアレイ１０によってサラウンドのマルチチャンネルステレオを実現することができ、スピーカを設置するために多くのスペースを必要とすることがない。また、チャンネル数を増やす場合も、デジタルフィルタを追加するだけでよく、スピーカの増設の必要がない。
【００６４】
▲７▼ その他
上述においては、空間合成インパルス応答Ｉnc'の設計指針として窓関数を使用し、比較的急峻なローパスフィルタ特性を形成したが、窓関数以外の関数により係数の振幅を調整して希望する特性を得てもよい。
【００６５】
また、上述においては、フィルタ係数の振幅をすべて正方向のパルス列とすることにより、空間合成インパルス応答もすべて正の値の振幅のパルス列としたが、音圧増強点Ｐtgに焦点を向けるための遅延特性を保持しながら、各フィルタ係数中のパルス振幅を正方向あるいは負方向に設定することにより、音圧低減点Ｐncの特性を規定してもよい。
【００６６】
さらに、上述においては、遅延を付加する要素としてインパルスを基本としているが、これは説明を容易にするためであり、この基本遅延要素を特定の周波数応答を持つ複数のサンプルのタップとし、同様の作用を得ることもできる。例えば、擬似的なオーバーサンプリングの効果が得られる擬似パルス系列を基本とすることができる。この場合には、振幅方向の負の成分も係数の中に持つことになるが、目的とする効果および実行手段としては、同様のものであるといえる。
【００６７】
また、上述においては、デジタルオーディオ信号に対する遅延をデジタルフィルタの係数で表現したが、遅延部とデジタルフィルタ部とに分けてシステムを構成する場合も、同様とすることができる。さらに、振幅Ａ0〜Ａnの組み合わせを１組あるいは複数組用意しておき、これを対象とする音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncの少なくとも一方に設定することができる。また、スピーカアレイ１０が、例えば図３に示す仮想の後方スピーカを実現する場合のように、用途が固定されていて一般的な反射位置や聴取位置などが想定できる場合、フィルタ係数はあらかじめ想定される音圧増強点Ｐtgおよび音圧低減点Ｐncに対応する固定的なフィルタ係数ＣＦ0〜ＣＦnとすることもできる。
【００６８】
さらに、上述においては、空間合成インパルス応答Ｉnc'に対応するフィルタ係数の振幅Ａ0〜Ａnを決定するとき、音波の伝搬時の空気による減衰の影響や、反射物による位相変化などのパラメータを盛り込んで、シミュレーション計算することもできる。また、何らかの測定手段により、それぞれのパラメータを測定して、より適切な振幅Ａ0〜Ａnを決定し、より正確なシミュレーションを行うこともできる。
【００６９】
また、上述においては、スピーカアレイ１０は、スピーカＳＰ0〜ＳＰnが水平直線上に配列されている場合であるが、平面上に配列されていてもよく、あるいは奥行きを持って配列されていてもよく、さらに、必ずしも整然と配列されている必要もない。また、上述においては、焦点型システムを中心にして説明したが、指向性型システムの場合も、同様なプロセスを実行することができる。
【００７０】
〔この明細書で使用している略語の一覧〕
ＡＶ ：Audio and Visual
Ｄ／Ａ：Digital to Analog
ＦＩＲ：Finite Impulse Response
【００７１】
【発明の効果】
この発明によれば、スピーカアレイにより音響再生を行う場合、目的とする場所の音圧を増強するとともに、特定の場所の音圧を低減することができるが、この場合、音圧を低減させたい位置や方向に対するインパルス応答に空間的な窓関数をかけて合成するようにしたので、音波の到来方向感（定位感）が知覚されやすい中高音域の応答を特に低減することができる。そして、このとき、必要なスピーカアレイの規模を大きくする必要がなく、実用生が高い。
【００７２】
また、マルチチャンネルステレオを構成する場合にも、１つのスピーカアレイによってサラウンドのマルチチャンネルステレオを実現することができ、スピーカを設置するために多くのスペースを必要とすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を説明するための図である。
【図２】この発明を説明するための図である。
【図３】この発明を説明するための図である。
【図４】この発明を説明するための図である。
【図５】この発明を説明するための図である。
【図６】この発明を説明するための図である。
【図７】この発明の一形態を示す系統図である。
【図８】この発明を説明するための図である。
【図９】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１０】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１１】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１２】この発明を説明するための図である。
【図１３】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図１４】この発明を説明するための図である。
【図１５】この発明を説明するための図である。
【図１６】この発明を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…スピーカアレイ、ＤＦ0〜ＤＦn…デジタルフィルタ、ＤＬ0〜ＤＬn…遅延回路、LSNR…リスナ、ＰＡ0〜ＰＡn…パワーアンプ、Ｐnc…音圧低減点、Ｐtg…音圧増強点、ＲＭ…部屋（閉空間）、ＳＣ…ソース、ＳＰ0〜ＳＰn…スピーカ（スピーカユニット）、ＷＬ…壁
Claims (8)
- オーディオ信号を複数のデジタルフィルタにそれぞれ供給し、
上記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のそれぞれに供給して音場を形成し、
上記オーディオ信号がそれぞれのデジタルフィルタおよびそれぞれのスピーカを介して上記音場内の第１のポイントに到達するそれぞれの伝搬遅延時間が一致するように、上記複数のデジタルフィルタにそれぞれ所定の遅延時間を設定し、
上記音場内の第２のポイントにおける上記オーディオ信号の合成応答にローパスフィルタ特性を与えるように、上記複数のデジタルフィルタの振幅特性を調整するオーディオ信号の処理方法。 - 請求項１に記載のオーディオ信号の処理方法において、
上記スピーカアレイから出力させる音波を壁面で反射させてから上記第１のポイントあるいは上記第２のポイントの少なくとも一方のポイントに到達させる
ようにしたオーディオ信号の処理方法。 - 請求項１あるいは請求項２に記載のオーディオ信号の処理方法において、
上記音場に上記第１のポイントおよび上記第２のポイントを形成するとき、上記複数のデジタルフィルタのフィルタ係数を演算により求めて上記複数のデジタルフィルタのそれぞれに設定する
ようにしたオーディオ信号の処理方法。 - 請求項１あるいは請求項２に記載のオーディオ信号の処理方法において、
上記音場に上記第１のポイントおよび上記第２のポイントを形成するとき、上記複数のデジタルフィルタのフィルタ係数をデータベースから取り出して上記複数のデジタルフィルタのそれぞれに設定する
ようにしたオーディオ信号の処理方法。 - オーディオ信号がそれぞれ供給される複数のデジタルフィルタを備え、
上記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のそれぞれに供給して音場を形成し、
上記オーディオ信号がそれぞれのデジタルフィルタおよびそれぞれのスピーカを介して上記音場内の第１のポイントに到達するそれぞれの伝搬遅延時間が一致するように、上記複数のデジタルフィルタにそれぞれ所定の遅延時間を設定し、
上記音場内の第２のポイントにおける上記オーディオ信号の合成応答にローパスフィルタ特性を与えるように、上記複数のデジタルフィルタの振幅特性を調整するオーディオ信号の処理装置。 - 請求項５に記載のオーディオ信号の処理装置において、
上記スピーカアレイから出力させる音波を壁面で反射させてから上記第１のポイントあるいは上記第２のポイントの少なくとも一方のポイントに到達させる
ようにしたオーディオ信号の処理装置。 - 請求項５あるいは請求項６に記載のオーディオ信号の処理装置において、
上記音場に上記第１のポイントおよび上記第２のポイントを形成するとき、上記複数のデジタルフィルタのフィルタ係数を演算により求めて上記複数のデジタルフィルタのそれぞれに設定する
ようにしたオーディオ信号の処理装置。 - 請求項５あるいは請求項６に記載のオーディオ信号の処理装置において、
上記音場に上記第１のポイントおよび上記第２のポイントを形成するとき、上記複数のデジタルフィルタのフィルタ係数をデータベースから取り出して上記複数のデジタルフィルタのそれぞれに設定する
ようにしたオーディオ信号の処理装置。
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