JP5851674B2 - 指向性音響発生装置及びそれを備えた指向性スピーカーアレイ - Google Patents

Description

本発明は、指向性音響発生技術に係り、より詳細には、特定地域（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｓｏｕｎｄ ｚｏｎｅ）にのみ音を集中して出力する指向性音響発生装置及びそれを備えた指向性スピーカーアレイに関する。

一般的なラウドスピーカ（ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ）などの音響発生装置は、音響出力において指向性がないため、音響発生装置からの放射音は全体領域に均一に広がって行く。すなわち、聴取者の位置によって音圧レベルが多少変わることはあるが、音響発生装置の周辺に音が広く広がって行く。したがって、聴取を所望しない人にも一方的に音が伝達されるため騷音被害を与える。もちろん、ヘッドホンやイヤホンを使えば、特定聴取者にのみ音を伝達することができて便利だが、着用時に行動が不便で聴覚健康においても良くない。

これにより、イヤホンやヘッドセットのような別途の装置なしに特定聴取者や一定領域（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｓｏｕｎｄ ｚｏｎｅ）にのみ音を伝達する技術が研究されている。一例として、相異なる位相の音響を出力する多数の音源を一列に配置して、放射される音の指向性を向上させるか、音源の後方に剛体壁面を設置することで指向性を向上させる技術が開示されている。

しかし、このような方法は、周波数領域によって音響の歪曲がひどく、全周波数領域で一定の指向性性能を得るためには、周波数特性によって信号特性を追加的に補償するか、音響発生装置の体積が大きくなりうる。

本発明の一態様によれば、より簡単な構造の指向性音響発生装置及びこれら指向性音響発生装置を備えた指向性スピーカーアレイを提供する。

本発明の一態様による指向性音響発生装置は、前方及び後方に互いに逆位相の音波を出力する音響トランスデューサーと、前記音響トランスデューサーの後方に位置した反射板と、前記音響トランスデューサーの前面部と背面部とを分離させ、前記音響トランスデューサーからの前面放射音と背面放射音との干渉距離を増加させる第１遮断板と、を含む。

前記指向性音響発生装置は、前記反射板と連結され、前記音響トランスデューサーの上下側を覆うように形成されて、前記音響トランスデューサーから出力される音波の上下方向の指向性を低める第２遮断板をさらに含みうる。そして、前記反射板または前記第１遮断板には、吸音材がさらに付着されることができる。

また、本発明の他の態様による指向性スピーカーアレイは、前方及び後方に互いに逆位相の音波を出力する音響トランスデューサーと；前記音響トランスデューサーの後方に位置した反射板と；前記音響トランスデューサーの前面部と背面部とを分離させ、前記音響トランスデューサーからの前面放射音と背面放射音との干渉距離を増加させる第１遮断板と；を含む多数の指向性音響発生部と、前記指向性音響発生部を通じて出力される音波の低周波成分と高周波成分とに分離して補償する前処理部と、前記前処理された信号を前記多数の指向性音響発生部に供給する制御部と、を含む。

本発明の一実施形態によれば、全周波数領域で均一な音圧レベルを有しながらも音の指向性を向上させうる。特に、長いアレイサイズが必要な低周波領域でアレイサイズを増加させずとも、高指向性を獲得することができて、特定サウンド領域以外に位置した他人に及ぶ影響を最小化することができる。

そして、簡単な構造を採用しながらも、音響トランスデューサーの前、背面の有効距離を増加させ、高放射効率が得られる。また、水平方向の指向性は維持しながら垂直方向の指向性は除去することで聴取者の身長や姿勢または指向性音響発生装置の設置位置に無関係に一定の指向性性能が得られる。

追加的に吸音材をさらに付着する場合、高周波数領域で発生することができる不均一な指向性及び周波数応答を改善して、一つのアレイ構造に全周波数帯域で使用可能な指向性発生装置を構成することができる。また、低周波数領域と高周波数領域とを分離して、各帯域別に他の前処理を遂行することで音の歪曲を減少させうる。

本発明の一実施形態による指向性音響発生装置の側面図である。 図１の指向性音響発生装置に吸音材をさらに備えた場合の側面図である。 本発明の一実施形態による指向性音響発生装置の正面図及び斜視図である。 本発明の一実施形態による指向性音響発生装置の正面図及び斜視図である。 本発明の他の実施形態による指向性音響発生装置の側面図である。 バッフルとループとを備えた指向性音響発生装置に吸音材をさらに備えた場合の指向性音響発生装置の側面図である。 本発明の一実施形態による指向性音響発生装置でのサウンドゾーンを示した一例である。 本発明の指向性音響発生装置のエンクロージャーの多様な形態を示した図である。 本発明の指向性音響発生装置のエンクロージャーの多様な形態を示した図である。 本発明の指向性音響発生装置のエンクロージャーの多様な形態を示した図である。 バッフル板及びループを使った場合の低周波領域の周波数応答特性及び高周波領域で吸音材を使った場合の周波数応答特性を示したグラフである。 前処理部をさらに備えた指向性音響発生装置の周波数応答特性を示したグラフである。 本発明の一実施形態による指向性スピーカーアレイのブロック図である。 図１０の指向性スピーカーアレイの詳細ブロック図である。 本発明の一実施形態による指向性スピーカーアレイの斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい実施形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態による指向性音響発生装置の側面図である。音響トランスデューサー１１０は、ラウドスピーカのように音（音響、ｓｏｕｎｄ）を発生させる装置である。音響トランスデューサー１１０から出力される音は、前方または後方に放射されうる。すなわち、音響トランスデューサー１１０は、前方及び後方に互いに逆位相の音響を出力する。

音響トランスデューサー１１０の後方には、反射板１３０が存在して音響トランスデューサー１１０の後方に放射される音を反射させる。

第１遮断板としてバッフル（ｂａｆｆｌｅ）１２０は、音響トランスデューサー１１０の前面部と背面部とを分離させ、音響トランスデューサー１１０からの前面放射音と背面放射音との干渉距離を増加させる。言い換えれば、放射音の音圧レベルは、音の波長によって、そして、音響トランスデューサー１１０と反射板１３０との距離ｄ１及び音響トランスデューサー１１０の前面放射音と背面放射音との間の干渉長さｄ２によって影響を受ける。すなわち、ｄ１及びｄ２は、一定の距離を維持しなければならないが、特に、低周波数領域では、音の波長が長くなるので、ｄ１、ｄ２も大きくならなければならない。これにより、バッフル１２０を設置せず音響トランスデューサー１１０を開放状態で使う場合、ｄ１を増加させなければならないので、音響発生装置、すなわち、指向性スピーカーエンクロージャー（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）が大きくなる。この際、バッフル１２０は、音響トランスデューサー１１０での前面放射音と背面放射音との間の相殺干渉を発生させ、音の指向性を有するために音波が進行しなければならない距離ｄ２を仮想的に増やす効果があって、低周波数領域で高放射効率が得られる。

図２は、図１の指向性音響発生装置に吸音材をさらに備えた場合の側面図である。図２を参照するに、反射板１３０の前面またはバッフル１２０の背面に吸音材２１０を付着して、音響トランスデューサー１１０から出力される音響の高周波数成分を吸収する。高周波数領域で単純剛体を反射板１３０として使うか、堅いバッフル面をそのまま使う場合、音響の高周波数領域では、干渉現象が複雑な形態で発生する。高周波数領域での複雑な干渉形態は、図８を参照して後述する。

一方、高周波数領域では、反射板１３０のような指向性を得るための別途の構成要素がなくても、十分な指向性が得られる。したがって、吸音材２１０を付着して高周波領域の成分を吸収することによって、反射板１３０やバッフル１２０での干渉効果を減少させることが望ましい。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態による指向性音響発生装置の正面図及び斜視図である。図１、図３Ａ及び図３Ｂを参照するに、バッフル１２０は、一種の板状に構成されて、音響トランスデューサー１１０から出力される音波の進行方向と垂直な方向に形成されながら反射板１３０の上下及び左右幅より狭く形成されて、音響トランスデューサー１１０の前面と背面とを分離させることが分かる。バッフル１２０のサイズは、指向性音響発生装置のエンクロージャーサイズと周波数特性とによって変わりうる。より具体的に、バッフル１２０のサイズが音の波長と類似しているか大きい場合には、複雑な干渉パターンが発生するので、バッフル１２０の幅は、音の低周波数領域の最高周波数での波長に比べて小さく設計されることが望ましい。

図４は、本発明の他の実施形態による指向性音響発生装置の側面図である。図４を参照するに、図１の指向性音響発生装置に第２遮断板としてループ４１０をさらに備えることが分かる。反射板１３０は、反射効果を極大化するために無限なサイズを有するか、波長に比べて非常に大きくすることが理想的である。しかし、無限なサイズの反射板は不可能なため、指向性音響発生装置の設置位置に関係なく所望の性能を得るためには、反射板１３０は有限なサイズを有しながらも指向性を得なければならない。

しかし、一般的に指向性による特定サウンド領域の形成において、水平方向への移動による音圧変化を発生させなければならない。言い換えれば、垂直方向への距離変化、例えば、聴取者の身長や姿勢などの高低によっては音圧レベルの変化がなく、左右方向の距離変化によって音圧レベルの変化を発生させ、所望の特定サウンド領域を形成しなければならない。

このために、上下方向には相殺干渉が発生しないように上下が閉まって、左右方向には開放形態のループ４１０がさらに備えられる。すなわち、ループ４１０は反射板１３０と連結され、音響トランスデューサー１１０の上下側を覆うように形成されて、音響トランスデューサー１１０から出力される音波の上下方向の指向性を低める。これを通じて背面反射板１３０のサイズや音響トランスデューサー１１０の体積を減少させうる。また、垂直方向への相殺干渉を防止することで放射音圧レベルを増加させる。

一方、ループ４１０は、反射板１３０と音響トランスデューサー１１０との間の全体を遮断するか、一部を遮断するように設計されることができる。ループ４１０の多様な形態については、図７Ａないし図７Ｃを参照して後述する。

図５は、バッフルとループとを備えた指向性音響発生装置に吸音材２１０をさらに備えた場合の指向性音響発生装置の側面図である。図５を参照するに、図２を参照して前述したように、吸音材２１０をさらに備えて高周波数成分を吸収することによって、高周波数区間で発生する複雑な形態の干渉現象を防止できることが分かる。

図６は、本発明の一実施形態による指向性音響発生装置でのサウンドゾーンを示した一例である。

バッフル１２０、反射板１３０及びループ４１０を備えた指向性音響発生装置６００を使えば、左右方向の指向性は付加させて上下方向の指向性は減少させ、図６に示したような特定サウンド領域６１０を形成させることができる。これにより、指向性音響発生装置６００の設置高さや聴取者の身長、姿勢などに関係なく、一定領域のサウンド領域を形成することができる。

図７Ａないし図７Ｃは、本発明の指向性音響発生装置のエンクロージャーの多様な形態を示した図である。図７Ａないし図７Ｃを参照するに、バッフル１２０やループ４１０の形態を多様に具現できることが分かる。図７Ａは、ループ４１０を備えずにバッフル１２０のみ備えた場合の指向性音響発生装置のエンクロージャーの例であり、図７Ｂ及び図７Ｃは、ループ４１０をさらに備えた場合の音響発生装置のエンクロージャーの例である。

一方、ループ４１０は、図７Ｂに示したように、反射板１３０と音響トランスデューサー１１０との間の一部を遮断するように具現されることもあり、図７Ｃに示したように、全体を遮断するように具現されることもある。

図８は、バッフル板及びループを使った場合の低周波領域の周波数応答特性及び高周波領域で吸音材を使った場合の周波数応答特性を示したグラフである。図８を参照するに、高周波数領域の成分を吸音材２１０を通じて吸収することで高周波数領域の複雑な干渉現象を除去できることが分かる。すなわち、前述したように、高周波数領域では、指向性を得るための別途の構成要素がなくても、十分な指向性が得られるため吸音材２１０を付着して反射板１３０やバッフル１２０での干渉効果を減少させることが望ましい。

より詳細に説明すれば、低周波数領域では、バッフル１２０とループ４１０とを備えて音圧が上昇され、高周波数領域では、吸音材２１０の影響で音圧の変動が少なくなったことが分かる。すなわち、低周波数領域での音圧上昇は、吸音材２１０の付着の効果ではなく、バッフル１２０とループ４１０との装着の効果であり、高周波数領域での音圧特性均一化は、吸音材２１０の付着の効果である。

図９は、前処理部をさらに備えた指向性音響発生装置の周波数応答特性を示したグラフである。

本発明の一実施形態による指向性音響発生装置は、低周波数領域と高周波数領域とが相異なる応答特性を示す。より詳細には、低周波数領域では、均一な応答特性を示すが、低周波数であるほど音圧レベルが低くなる形態で線形的に変化し、高周波数領域では、音圧レベルが高くはあるが、周波数応答特性が不均一である。

したがって、音響トランスデューサーの周波数応答特性を参照して、音響トランスデューサーから出力される音の低周波成分と高周波成分とを分離して、線形的に補正するか補償する前処理部をさらに備えることができる。

前処理部は、低周波数領域では応答特性を線形的に補正し、高周波数領域では不均一な応答特性を補正する。このために、低周波数通過フィルター（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、ＬＰＦ）や高周波数通過フィルター（ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、ＨＰＦ）を使って周波数領域別に分離し、増幅フィルターや逆フィルター（ｉｎｖｅｒｓｅ ｆｉｌｔｅｒ）を使って周波数領域別に音響信号を分離して処理する。

図９を参照するに、低周波数通過フィルターを使って低周波数領域の音響信号を分離した後、線形的な変化を補正して応答特性を改善したことが分かる。この際、低周波数領域での補正は、一括的な単純増幅ではなく、周波数別にその増幅レベルを異にして補正する。そして、高周波数通過フィルターを使って高周波数成分を分離した後、不均一な応答特性と反対となる特性を有する逆フィルターを使って高周波数成分の応答特性を改善したことが分かる。一方、低周波数領域と高周波数領域との応答特性はあらかじめ測定するために、その応答特性を参照して、フィルターを選定することができる。

図１０は、本発明の一実施形態による指向性スピーカーアレイのブロック図である。

前述したような指向性音響発生装置を複数個使ってアレイを具現することができる。すなわち、指向性音響発生装置をいくつか使えば、指向性を向上させて放射効率を高めうる。

図１０を参照するに、指向性スピーカーアレイは、前処理部１０１０、制御部１０２０及び音響発生部１０３０を含む。音響発生部１０３０は、図１ないし図９を参照して、前述したような指向性音響発生装置である。前処理部１０１０は、低周波数領域では応答特性を周波数帯別に補正し、高周波数領域では不均一な応答特性を補償する。このために、低周波数通過フィルターや逆フィルターを使って周波数領域別に音響信号を分離して処理する。制御部１０２０は、前処理部１０１０で加工された音響信号を音響発生部１０３０に供給することを制御する。すなわち、周波数領域別に分離されて補正されるか補償された音響信号を加工して、それぞれの音響発生部１０３０に供給する。

図１１は、図１０の指向性スピーカーアレイの詳細ブロック図である。前処理部１１１０は、低周波数通過フィルター（ＬＰＦ）１１１１、高周波数通過フィルター（ＨＰＦ）１１１２、補償部１１１３及び逆フィルター１１１４を含む。前処理部１１１０に入力された音響信号は、低周波数通過フィルター１１１１で低周波数領域が分離されて補償部１１１３で周波数帯域別に増幅される。高周波数領域の信号は、高周波数通過フィルター１１１２で分離されて逆フィルター１１１４で補償される。逆フィルター１１１４は、指向性音響発生部１１３０の高周波応答特性と反対となる応答特性を有するフィルターである。これにより、高周波数応答特性を均一に補償することができる。

制御部１１２０は、低周波数領域処理部１１２１、高周波数領域処理部１１２２及び合算部１１２３を含む。低周波数領域処理部１１２１及び高周波数領域処理部１１２２は、音響発生部１１３０の個数によって各音響発生部１１３０に供給される音響信号を生成して出力し、合算部１１２３は、周波数領域別に分離された音響信号を合わせてそれぞれの音響発生部１１３０に供給する。

図１２は、本発明の一実施形態による指向性スピーカーアレイの斜視図である。多数の指向性音響発生部に備えられたそれぞれの反射板は、互いに共有することができ、図１２に示したように、１次元で構成されることもあり、２次元で具現されることもある。また、それぞれの指向性音響発生部の間隔は、互いに同一であることもでき、変わることもできる。バッフルも一体型で構成した後、各バッフルの間にスリットを作る形態に具現することができる。スリットの幅も、それぞれの指向性音響発生部の間隔によって変わりうる。

以上、本発明の望ましい実施形態を中心に説明した。当業者は、本発明が、本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態として具現可能なことを理解できるであろう。したがって、開示された実施形態は限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に表われており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は、本発明に含まれたものと解析されなければならない。

本発明は、指向性音響発生装置及びそれを備えた指向性スピーカーアレイの技術分野に適用可能である。

１１０ 音響トランスデューサー
１３０ 反射板
１２０ バッフル
２１０ 吸音材
４１０ ループ
６００ 指向性音響発生装置
６１０ 特定サウンド領域
１０１０、１１１０ 前処理部
１０２０、１１２０ 制御部
１０３０、１１３０ 音響発生部
１１１１ 低周波数通過フィルター（ＬＰＦ）
１１１２ 高周波数通過フィルター（ＨＰＦ）
１１１３ 補償部
１１１４ 逆フィルター
１１３０ 音響発生部
１１２１ 低周波数領域処理部
１１２２ 高周波数領域処理部
１１２３ 合算部

Claims (20)

1. 前方及び後方に互いに逆位相の音響を出力する音響トランスデューサーと、
   前記音響トランスデューサーの後方に位置した反射板と、
   前記音響トランスデューサーの前面部と背面部とを分離させて前面放射音と背面放射音との干渉距離を増加させるバッフルと、
   前記反射板と前記バッフルとの間の空間を上部及び下部から遮断された状態及び左右から開いた状態にするために、前記反射板と前記バッフルとの間に配置される遮断板と、
   前記音響トランスデューサーから出力される音波の高周波数成分を吸収する素材の前記反射板または前記バッフルに付着される吸音材と、
   を含むことを特徴とする指向性音響発生装置。
2. 前記遮断板は、
   一端から前記反射板と連結され、他端から前記バッフルの上下部にそれぞれ連結される第１遮断板及び第２遮断板をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の指向性音響発生装置。
3. 前記バッフルは、
   前記音響トランスデューサーから出力される音波進行方向と垂直な方向に形成されるが、前記反射板の左右幅より狭く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の指向性音響発生装置。
4. 前記バッフルは、
   前記反射板より狭く形成されることを特徴とする請求項１に記載の指向性音響発生装置。
5. 前記反射板、前記バッフル及び前記遮断板は、一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の指向性音響発生装置。
6. 前記遮断板の側面長さは、
   前記遮断板に平行な前記反射板の側面長さと同じか短いことを特徴とする請求項１に記載の指向性音響発生装置。
7. 前方及び後方に互いに逆位相の音響を出力する音響トランスデューサーと、前記音響トランスデューサーの後方に位置した反射板と、前記音響トランスデューサーの前面部と背面部とを分離させて前面放射音と背面放射音との干渉距離を増加させるバッフルと、
   前記反射板と前記バッフルとの間の空間を上部及び下部から遮断された状態及び左右から開いた状態にするために、前記反射板と前記バッフルとの間に配置される遮断板と、
   前記音響トランスデューサーから出力される音波の高周波数成分を吸収する素材の前記反射板または前記バッフルに付着される吸音材と、
   を含む多数の指向性音響発生部を含むことを特徴とする指向性スピーカーアレイ。
8. 前記反射板は、前記多数の音響発生部が互いに共有する単一の反射板で形成されることを特徴とする請求項７に記載の指向性スピーカーアレイ。
9. 前記多数の指向性音響発生部は、
   前記反射板と連結され、前記音響トランスデューサーの上下側を覆うように形成されている前記遮断板により、前記音響トランスデューサーから出力される音波の上下方向の指向性を低めるように形成されることを特徴とする請求項７に記載の指向性スピーカーアレイ。
10. 前記バッフルは、
    前記音響トランスデューサーから出力される音波進行方向と垂直な方向に形成されるが、前記反射板の左右幅より狭く形成されていることを特徴とする請求項７に記載の指向性スピーカーアレイ。
11. 前記遮断板は、
    前記反射板と前記バッフルとの間に前記反射板に対して垂直に位置することを特徴とする請求項７に記載の指向性スピーカーアレイ。
12. 前記遮断板の側面長さは、
    前記遮断板に平行な前記反射板の側面長さと同じか短いことを特徴とする請求項１１に記載の指向性スピーカーアレイ。
13. 前記反射板は、前記多数の指向性音響発生部で共有される単一反射板で形成され、
    前記バッフルは、前記多数の指向性音響発生部で共有される単一のバッフルで形成されることを特徴とする請求項７に記載の指向性スピーカーアレイ。
14. 前記反射板、前記バッフル、及び前記多数の遮断板は、一体型に形成され、前記バッフルは、前記指向性音響発生部が位置しない箇所に開口部を有することを特徴とする請求項１３に記載の指向性スピーカーアレイ。
15. 前方及び後方に互いに逆位相の音響を出力する音響トランスデューサーと、
    前記音響トランスデューサーの後方に位置した反射板と、
    前記反射板と前記音響トランスデューサーとの間に位置して、前記反射板と前記音響トランスデューサーとの間の空間を上部及び下部から遮断された状態及び左右から開いた状態にする少なくとも一つの遮断板と、
    前記音響トランスデューサーから出力される音波の高周波数成分を吸収する素材の前記反射板または前記バッフルに付着される吸音材と、
    を含むことを特徴とする指向性音響発生装置。
16. 前記音響トランスデューサーの前面部と背面部との間に位置するバッフルと、をさらに含み、
    前記遮断板は、前記反射板と前記バッフルとの間の空間の上部及び下部を遮断するように形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の指向性音響発生装置。
17. 前記遮断板は、
    前記反射板の一端と前記バッフルの一端とを連結する第１遮断板と、前記反射板の他端と前記バッフルの他端とを連結する第２遮断板とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の指向性音響発生装置。
18. 前記遮断板は、
    前記反射板の一端と前記音響トランスデューサーと連結する第１遮断板と、前記反射板の他端と前記音響トランスデューサーとを連結する第２遮断板とを含むことを特徴とする請求項１５に記載の指向性音響発生装置。
19. 前方及び後方に互いに逆位相の音響を出力する少なくとも一つの音響トランスデューサーと、
    前記音響トランスデューサーの背面に位置した反射板と、
    前記音響トランスデューサーの前面部と背面部との間に位置させて前面放射音と背面放射音との干渉距離を増加させるバッフルと、
    前記反射板と前記バッフルとの間に位置して、前記反射板と前記バッフルとの間の空間を上部及び下部から遮断された状態及び左右から開いた状態にする少なくとも一つの遮断板と、
    前記音響トランスデューサーから出力される音波の高周波数成分を吸収する素材の前記反射板または前記バッフルに付着される吸音材と、
    を含み、
    前記バッフルは、前記音響トランスデューサーが位置しない箇所に開口部を有することを特徴とする指向性スピーカーアレイ。
20. 前記反射板、前記バッフル及び前記少なくとも一つの遮断板は、一体型構造で形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の指向性スピーカーアレイ。
    ーカーアレイ。

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