JP5954713B2 - Sound field recording / reproducing apparatus, method, and program - Google Patents
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Description
この発明は、ある音場に設置されたマイクロホンで音信号を収音し、その音信号を用いてスピーカでその音場を再現する波面合成法（Wave Field Synthesis）の技術、アンビソニックス(Ambisonics)の技術に関する。 The present invention relates to a wave field synthesis technique (Ambisonics) that collects a sound signal with a microphone installed in a certain sound field and reproduces the sound field with a speaker using the sound signal. Related to technology.
ある音場に設置されたマイクアレーで信号を収音し、その信号を用いてスピーカアレーでその音場を再現する波面合成法（Wave Field Synthesis）の技術、アンビソニックス(Ambisonics)の技術として、例えば非特許文献１に記載された技術が知られている。 As a technology of wave field synthesis (Ambisonics) that picks up a signal with a microphone array installed in a certain sound field and reproduces the sound field with a speaker array using that signal, For example, a technique described in Non-Patent Document 1 is known.
非特許文献１に記載された技術では、上下方向も含めて再現するためには、平面状アレーを用いる必要があった。また、上下方向に用いるアレーが少数であった場合、再現誤差が大きくなってしまい、上下感の再現をすることができない可能性があった。 In the technique described in Non-Patent Document 1, it is necessary to use a planar array in order to reproduce the image including the vertical direction. In addition, when a small number of arrays are used in the vertical direction, the reproduction error becomes large, and there is a possibility that the vertical feeling cannot be reproduced.
この発明の目的は、従来よりも高精度に音場を再現することができる音場収音再生装置、方法及びプログラムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a sound field sound collecting / reproducing apparatus, method, and program capable of reproducing a sound field with higher accuracy than before.
上記の課題を解決するために、この発明の一態様による音場収音再生装置は、第一の空間において半径Rbの円筒形状の吸音材のバッフルの軸を中心とし上記バッフルの周方向を円周方向とする半径Rmの２個以上の円のそれぞれに少なくとも２個のマイクロホンが配置されているとし、Rm>Rbとし、バッフルの軸方向をz軸方向とし、バッフルの周方向とφ方向とし、jを虚数単位とし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとし、nをφ方向の次数とし、kz,lをz軸方向の波数とし、lをそのインデックスとし、Jn(・)をn次の第一種ベッセル関数とし、Hn (1)(・)をn次の第一種ハンケル関数とし、A(ω)を所定の複素数とし、wnlをn,lに基づいて定まる重みとし、少なくとも４個のスピーカが第一の空間と異なる第二の空間の半径Rsの仮想円筒の周面に配置されているとして、マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、 In order to solve the above-described problem, a sound field sound collecting and reproducing device according to an aspect of the present invention is configured so that a circumferential direction of the baffle is centered on a baffle axis of a cylindrical sound-absorbing material having a radius Rb in a first space. Assume that at least two microphones are arranged in each of two or more circles having a radius R m in the circumferential direction, R m > R b , the axial direction of the baffle is the z-axis direction, and the circumferential direction of the baffle And φ direction, j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z axis direction, and l is J n (•) is an nth-order first-order Bessel function, H n (1) (•) is an nth-order first-class Hankel function, A (ω) is a predetermined complex number, and w nl is a weight determined based on n and l, and at least four speakers are arranged on the circumferential surface of a virtual cylinder having a radius R s in a second space different from the first space. Filter is applied by applying the filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to the spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) generated based on the signal collected by the microphone. A conversion filter unit for generating a processed signal D ~ nl (ω);
空間の逆フーリエ変換により、フィルタ処理後信号D~nl(ω)を周波数領域信号に変換する空間周波数逆変換部と、周波数領域信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号をスピーカに出力する周波数逆変換部と、を備える。 A spatial frequency inverse transform unit that transforms the filtered signal D ~ nl (ω) into a frequency domain signal by inverse Fourier transform of space, and a frequency domain signal that is transformed into a time domain signal by inverse Fourier transform, and the transformed time A frequency inverse transform unit that outputs the region signal to the speaker.
この発明の他の一態様による音場収音再生装置は、第一の空間において半径Rbの円筒形状の吸音材のバッフルの軸を中心とし上記バッフルの周方向を円周方向とする半径Rmの２個以上の円のそれぞれに少なくとも２個のマイクロホンが配置されているとし、Rm>Rbとし、バッフルの円筒の軸方向をz軸方向とし、バッフルの円筒の周方向とφ方向とし、jを虚数単位とし、ωを周波数とし、cを音速とし、k=ω/cとし、nをφ方向の次数とし、kz,lをz軸方向の波数とし、lをそのインデックスとし、Jn(・)をn次の第一種ベッセル関数とし、Hn (1)(・)をn次の第一種ハンケル関数とし、A(ω)を所定の複素数とし、wnlをn,lに基づいて定まる重みとし、少なくとも４個のスピーカが第一の空間と異なる第二の空間の半径Rsの仮想円筒の周面に配置されているとして、マイクロホンで収音された信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数変換部と、空間のフーリエ変換により、周波数領域信号を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する空間周波数変換部と、時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、を備える。 According to another aspect of the present invention, there is provided a sound field sound collecting / reproducing apparatus having a radius R in which the circumferential direction of the baffle is a circumferential direction around the axis of the baffle of the cylindrical sound absorbing material having a radius Rb in the first space. Assume that at least two microphones are arranged in each of two or more circles of m , R m > R b , the axial direction of the baffle cylinder is the z-axis direction, the circumferential direction of the baffle cylinder and the φ direction Where j is the imaginary unit, ω is the frequency, c is the speed of sound, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, and l is its index. , J n (•) is an nth-order first-order Bessel function, H n (1) (•) is an n-th-order first-class Hankel function, A (ω) is a predetermined complex number, and w nl is n , l, and at least four speakers are arranged on the circumferential surface of the virtual cylinder having a radius R s in a second space different from the first space. Te, converts the signal picked up by the microphones and the frequency conversion unit for converting a frequency domain signal by Fourier transform, the Fourier transform of the spatial and frequency domain signal to spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) space Frequency converter and transform that generates filtered signal D ~ nl (ω) by applying filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) And a filter unit.
マイクロホンアレー及びスピーカアレーをそれぞれ構成するマイクロホン及びスピーカの数が少ない場合であっても、マイクロホンアレー及びスピーカアレーを円筒状とし、左右方向に密な素子配置とし、上下方向は粗な素子配置として、上下感を再現することができる。したがって、従来よりも高精度に音場を再現することができる Even when the number of microphones and speakers constituting the microphone array and the speaker array is small, the microphone array and the speaker array are cylindrical, with a dense element arrangement in the left-right direction, and a rough element arrangement in the up-down direction. A feeling of up and down can be reproduced. Therefore, the sound field can be reproduced with higher accuracy than before.
以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。以下の説明において、テキスト中で使用する記号「~」、「−」等は、本来直前の文字の真上に記載されるべきものであるが、テキスト記法の制限により、当該文字の直後に記載する。式中においてはこれらの記号は本来の位置に記述している。また、ベクトルや行列の各要素単位で行われる処理は、特に断りが無い限り、そのベクトルやその行列の全ての要素に対して適用されるものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following explanation, the symbols “~”, “ − ”, etc. used in the text should be described immediately above the character immediately before, but are described immediately after the character due to restrictions on text notation. To do. In the formula, these symbols are written in their original positions. Further, the processing performed for each element of a vector or matrix is applied to all elements of the vector or matrix unless otherwise specified.
＜マイクロホンアレー及びスピーカアレーの配置＞
音場収音再生装置及び方法は、図１に示すように、第一の空間の半径Rbの円筒形状の吸音材のバッフルの軸からRm離れた位置に配置されているNz×Nφ個のマイクロホンで構成されるマイクロホンアレーと、第一の空間と異なる第二の空間の半径Rsの仮想円筒の周面に配置されているNz×Nφのスピーカで構成されるスピーカアレーとを用いて、第一の空間の音源Ｓｏで発生した音によって形成された第一の空間の音場を第二の空間で再現する。図１では、第二の空間で再現された音源Ｓｏを音源Ｓｏ’と表現している。円筒の軸方向をz軸方向とする。第一の空間及び第二の空間は、互い異なる空間である。
<Arrangement of microphone array and speaker array>
As shown in FIG. 1, the sound field sound collecting / reproducing apparatus and method are arranged such that N z × N is arranged at a position R m away from the axis of the baffle of the cylindrical sound absorbing material having the radius R b of the first space. A microphone array composed of φ microphones and a speaker array composed of N z × N φ speakers arranged on the circumference of a virtual cylinder having a radius R s in a second space different from the first space. Are used to reproduce the sound field of the first space formed by the sound generated by the sound source So of the first space in the second space. In FIG. 1, the sound source So reproduced in the second space is expressed as a sound source So ′. The axial direction of the cylinder is the z-axis direction. The first space and the second space are different from each other.
第一の空間に配置されたマイクロホンの数と第二の空間に配置されたスピーカの数は異なっていてもよい。マイクロホンの数が、第二の空間に配置されたスピーカの数よりも多い場合には、再生信号を間引けばよい。一方、マイクロホンの数が、第二の空間に配置されたスピーカの数よりも少ない場合には、再生信号をチャネル間で平均を取るなどして補間を行えばよい。補間を行う方法は、例えば、線形補間やsinc補間などを適用することができる。 The number of microphones arranged in the first space and the number of speakers arranged in the second space may be different. If the number of microphones is larger than the number of speakers arranged in the second space, the reproduction signal may be thinned out. On the other hand, when the number of microphones is smaller than the number of speakers arranged in the second space, the reproduction signal may be interpolated by taking an average between channels. As a method for performing the interpolation, for example, linear interpolation, sinc interpolation, or the like can be applied.
吸音材とは、音波を吸収する性能をもつ材料であり、理想的には吸音率が∞である材料である。主に室内の音の響き具合の調整や騒音の吸収を目的として建築物などに使用される。具体的には、グラスウールやフェルトなどの多孔質系吸音材や薄い板を用いて振動を吸収する振動板系吸音材などが挙げられる。吸音材の種類は限定されず、どのような素材の吸音材を用いてもよい。 The sound absorbing material is a material having a performance of absorbing sound waves, and ideally a material having a sound absorption coefficient of ∞. Mainly used for buildings, etc. for the purpose of adjusting the sound of the room and absorbing noise. Specific examples include porous sound absorbing materials such as glass wool and felt, and vibration plate sound absorbing materials that absorb vibration using a thin plate. The type of the sound absorbing material is not limited, and any type of sound absorbing material may be used.
図３に示すように、マイクロホンは半径Rbの円筒形状のバッフルＢの軸からRm離れた位置に配置されることになる。言い替えると、Rm>Rbとして、マイクロホンはバッフルＢの周面の表面から(Rm-Rb)離れた位置に配置される。例えば、バッフルＢの周面から垂直に突き出す細い棒状の部材により支持することで、マイクロホンは配置される。 As shown in FIG. 3, the microphone will be located away R m from the axis of the baffle B of cylindrical radius R b. In other words, with R m > R b , the microphone is disposed at a position away from the surface of the peripheral surface of the baffle B (R m −R b ). For example, the microphone is arranged by being supported by a thin rod-like member protruding vertically from the peripheral surface of the baffle B.
換言すれば、円筒形状の吸音材のバッフルＢの軸を中心とし円筒形状の吸音材のバッフルＢの周方向を円周方向とするNz個の円のそれぞれにおいて、Nφ個のマイクロホンが等間隔に配置される。Nz,Nφは予め定められた２以上の整数である。すなわち、バッフルＢの周方向を円周方向とする２個の円のそれぞれにおいて２個のマイクロホンが配置されることにより、マイクロホンはバッフルＢの軸からRm離れた位置に少なくとも４個配置される。 In other words, in each of the N z pieces of a circle in the circumferential direction of the baffle B of the sound absorbing material around the axis of the baffle B of the noise absorbing member of cylindrical shape cylindrical and circumferentially, N phi number of microphones etc. Arranged at intervals. N z and N φ are predetermined integers of 2 or more. That is, by the two microphones are placed at each of the two circles in the circumferential direction of the baffle B and circumferentially microphone is at least four arranged from the axis of the baffle B at a distance R m .
マイクロホンは、どのような間隔で配置されてもよい。すなわち、隣接するマイクロホンとの間隔であるzc,φcのそれぞれは、任意の値を取ることができる。ただし、マイクロホンを等間隔に配置する、すなわち隣接するマイクロホンとの間隔であるzc,φcのそれぞれを同じ値とすることで、高精度に音場を再現することができる。 The microphones may be arranged at any interval. That is, each of z c and φ c , which is an interval between adjacent microphones, can take an arbitrary value. However, it is possible to reproduce the sound field with high accuracy by arranging the microphones at equal intervals, that is, by setting each of z c and φ c that are intervals between adjacent microphones to the same value.
マイクロホンは、円筒形状の吸音材のバッフルの周面の外側方向に向けて配置される。 The microphone is arranged toward the outer side of the circumferential surface of the baffle of the cylindrical sound absorbing material.
スピーカもマイクロホンと同様に配置される。すなわち、図３に示すように、仮想円筒の周面のNz個の円のそれぞれにおいて、Nφ個のスピーカが等間隔に配置される。Nz,Nφは予め定められた２以上の整数である。スピーカは、仮想円筒の周面に少なくとも４個配置される。 The speaker is also arranged in the same manner as the microphone. That is, as shown in FIG. 3, in each of the N z number of circular circumferential surface of the imaginary cylinder, N phi number of speakers are arranged at regular intervals. N z and N φ are predetermined integers of 2 or more. At least four speakers are arranged on the peripheral surface of the virtual cylinder.
仮想円筒の周面のNz個の円は、例えばzcを所定の距離として、zc間隔で位置している。また、同一の円に配置されたNφ個のスピーカは、φcを所定の角度として、φc度の間隔で位置している。 The N z circles on the peripheral surface of the virtual cylinder are positioned at z c intervals, for example, with z c as a predetermined distance. Further, N phi number of speakers arranged on the same circle, the phi c as a predetermined angle are located at intervals of phi c of.
スピーカは、ほぼ等間隔に配置されていれば、厳密に等間隔に配置されている必要はない。すなわち、隣接するスピーカとの間隔であるzc,φcのそれぞれは、厳密に同じ値である必要はなく、ほぼ同じ値であればよい。また、スピーカは、どのような間隔で配置されてもよい。すなわち、隣接するスピーカとの間隔であるφcは、任意の値を取ることができる。ただし、スピーカをほぼ等間隔に配置する、すなわち隣接するスピーカとの間隔であるφcをほぼ同じ値とすることで、高精度に音場を再現することができる。 As long as the speakers are arranged at almost equal intervals, the speakers need not be arranged at exactly equal intervals. That is, z c and φ c that are the distances between adjacent speakers need not be exactly the same value, and may be substantially the same value. Further, the speakers may be arranged at any interval. That is, φ c that is the distance between adjacent speakers can take an arbitrary value. However, the sound field can be reproduced with high accuracy by arranging the speakers at substantially equal intervals, that is, by setting φ c that is the interval between adjacent speakers to be substantially the same value.
マイクロホンが配置されるバッフルの軸からの距離Rmは、例えば2cm程度とする。バッフルの軸からの距離Rmは、値が大きいほど鋭い指向性を形成することができるが、より多くのマイクロホンが必要となる。また、Rm,Rsは、その値が大きいほど広い領域を再現することができるが、より多くのマイクロホン及びスピーカが必要となる。Rm,Rsは、収音する信号の周波数を考慮して実験的に設定することが望ましい。 Distance R m from the axis of the baffle the microphone is located is, for example, 2cm approximately. As the distance R m from the baffle axis increases, sharper directivity can be formed, but more microphones are required. Further, as R m and R s are larger, a wider area can be reproduced, but more microphones and speakers are required. R m and R s are desirably set experimentally in consideration of the frequency of the signal to be collected.
また、スピーカが配置される円筒の半径Rsは、例えば1.5m程度とする。なお、Rm≦RsでもRs≦Rmでもよいが、Rm≦Rsのときに音場再生の精度がよくなる。 Further, the radius R s of the cylinder in which the speaker is arranged is, for example, about 1.5 m. R m ≦ R s or R s ≦ R m may be satisfied, but the accuracy of sound field reproduction is improved when R m ≦ R s .
スピーカは、音響的に透明な状態で第二の空間の空中に配置されてもよいし、音響的に透明でない状態で第二の空間に配置されてもよい。音響的に透明な状態とは、スピーカが配置されていない第二の空間の伝達特性と同じ伝達特性を保った状態ということである。例えば、スピーカは、糸で吊るされるか、細い棒で固定されることにより、第二の空間の空中に配置される。また、スピーカは、マイクロホンと同様に、円筒形状の吸音材のバッフルの周面から所定の距離だけ離れた位置に配置されてもよい。この場合、スピーカは、吸音材のバッフルの周面の内側方向に向けて配置される。 The speaker may be disposed in the air in the second space in an acoustically transparent state, or may be disposed in the second space in a state that is not acoustically transparent. The acoustically transparent state is a state in which the same transmission characteristic as that of the second space where no speaker is arranged is maintained. For example, the speaker is placed in the air in the second space by being hung with a thread or fixed with a thin rod. Further, the speaker may be arranged at a position away from the peripheral surface of the baffle of the cylindrical sound absorbing material by a predetermined distance, like the microphone. In this case, the speaker is disposed toward the inner side of the circumferential surface of the baffle of the sound absorbing material.
第一の空間のマイクロホンＭｉ−ｊの位置を(Rm,φm,i,zm,j)[i=1,2,…,Nφ,j=1,2,…,Nz]と表現する。第二の空間のスピーカＳｉ−ｊの位置を(Rs,φs,i,zs,j)[i=1,2,…,Nφ,j=1,2,…,Nz]と表現する。 The position of the microphone Mi-j in the first space is (R m , φ m, i , z m, j ) [i = 1,2, ..., N φ , j = 1,2, ..., N z ] Express. The position of the speaker Si-j in the second space is (R s , φ s, i , z s, j ) [i = 1,2, ..., N φ , j = 1,2, ..., N z ] Express.
＜音場収音再生装置＞
音場収音再生装置は、図１に示すように周波数変換部１、空間周波数変換部２、変換フィルタ部３、空間周波数逆変換部４、周波数逆変換部５及び窓関数部６を例えば含み、図４に例示された各ステップの処理を行う。
<Sound field recording and playback device>
As shown in FIG. 1, the sound field sound collecting and reproducing apparatus includes, for example, a frequency conversion unit 1, a spatial
第一の空間に配置されたマイクロホンＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮφ−Ｎｚは、第一の空間の音源Ｓで発せられた音を収音して時間領域の信号を生成する。生成された信号は、周波数変換部１に送られる。(Rm,φm,i,zm,j)のマイクロホンＭｉ−ｊで収音された時間領域の時刻ｔの信号をpij(t)と表記する。 First microphone M1-1 arranged in the space, M2-1, ..., MN φ -N z generates a picked-up by a time-domain signal a sound emitted by the sound source S of the first space . The generated signal is sent to the frequency converter 1. A signal at time t in the time domain picked up by the microphone Mi-j of (R m , φ m, i , z m, j ) is expressed as p ij (t).
＜周波数変換部１＞
周波数変換部１は、マイクロホンＭ１−１，Ｍ２−１，…，ＭＮφ−Ｎｚで収音された信号pij(t)をフーリエ変換により周波数領域信号Pij(ω)に変換する（ステップＳ１）。生成された周波数領域信号Pij(ω)は、空間周波数変換部２に送られる。ωは周波数である。例えば、短時間離散フーリエ変換により周波数領域信号Pij(ω)が生成される。もちろん、他の既存の方法により周波数領域信号Pij(ω)を生成してもよい。また、オーバーラップアド等の方法を用いて周波数領域信号Pij(ω)を生成してもよい。入力信号が長い場合や、リアルタイム処理のように連続して信号が入力される場合には、例えば１０ｍｓごとといったフレームごとに処理を行う。周波数領域信号Pij(ω)は、例えば以下のように定義される。関数expの引数の中のjは虚数単位である。
<Frequency conversion unit 1>
The frequency converter 1 converts the signal p ij (t) collected by the microphones M1-1, M2-1,..., MN φ −N z into a frequency domain signal P ij (ω) by Fourier transform (step). S1). The generated frequency domain signal P ij (ω) is sent to the
＜空間周波数変換部２＞
空間周波数変換部２は、空間のフーリエ変換により周波数領域信号Pij(ω)を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する（ステップＳ２）。時空間周波数領域信号P~nl(ω)は、各ωごとに計算される。変換された時空間周波数領域信号P~nl(ω)は、変換フィルタ部３に送られる。空間周波数変換部２は、具体的には式（１）により定義されるP~nl(ω)を計算する。
<
Spatial
kz,lはz軸方向の波数であり、lはそのインデックスである。波数とは、いわゆる空間周波数又は角度スペクトルのことである。式（１）は、時空間周波数領域への変換の一例であり、他の方法により空間のフーリエ変換を行ってもよい。また、式（０）、（１）を合わせて二次元のDFTを行うような方法でもよい。 k z, l is the wave number in the z-axis direction, and l is its index. The wave number is a so-called spatial frequency or angular spectrum. Expression (1) is an example of the transformation into the spatio-temporal frequency domain, and the spatial Fourier transform may be performed by other methods. Also, a method of performing two-dimensional DFT by combining equations (0) and (1) may be used.
＜変換フィルタ部３＞
変換フィルタ部３は、時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して式（２）により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する（ステップＳ３）。フィルタ処理後信号D~nl(ω)は、空間周波数逆変換部４に送信される。
<Conversion filter unit 3>
The transform filter unit 3 applies the filter F ~ nl (ω) defined by the equation (2) to the spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) to obtain the filtered signal D ~ nl (ω). Generate (step S3). The filtered signal D˜nl (ω) is transmitted to the spatial frequency inverse transform unit 4.
式（２）において、cを音速として、k=ω/cは波数である。A(ω)は、所定の複素数である。例えば、A(ω)=1+0×i=1である。また、wnlはn,lに基づいて例えば以下のように定まる重みである。以下の式において、ncは、予め定められた値でありnのカットオフ値である。kcは、予め定められた値でありkzのカットオフ値である。αn,αzは、予め定められた値であり例えば0.05である。もちろん、wnlとして、他の重み関数を用いてもよい。 In Equation (2), c is the speed of sound, and k = ω / c is the wave number. A (ω) is a predetermined complex number. For example, A (ω) = 1 + 0 × i = 1. Further, w nl is a weight determined as follows based on n and l, for example. In the following formulas, n c is the cut-off value of a predetermined value n. k c is a predetermined value and is a cutoff value of k z . α n and α z are predetermined values, for example, 0.05. Of course, other weight functions may be used as w nl .
Hn (1)(・)はn次の第一種ハンケル関数である。n次の第一種ハンケル関数Hn (1)(x)は、n次の第一種ベッセル関数Jn(x)及び第二種ベッセル関数Yn(x)を用いて以下のように定義される。 H n (1) (•) is an n-th order Hankel function of the first kind. The nth order first-class Hankel function H n (1) (x) is defined as follows using the nth-order first-order Bessel function J n (x) and second-order Bessel function Y n (x) Is done.
＜空間周波数逆変換部４＞
空間周波数逆変換部４は、フィルタ処理後信号D~nl(ω)を空間の逆フーリエ変換により周波数領域信号Dij(ω)に変換する（ステップＳ４）。変換された周波数領域信号Dij(ω)は、周波数逆変換部５に送られる。空間周波数逆変換部４は、具体的には式（３）により定義される周波数領域信号Dij(ω)を計算する。
<Spatial frequency inverse transform unit 4>
The spatial frequency inverse transform unit 4 transforms the filtered signal D˜nl (ω) into a frequency domain signal D ij (ω) by inverse spatial Fourier transform (step S4). The converted frequency domain signal D ij (ω) is sent to the frequency inverse transform unit 5. Specifically, the spatial frequency inverse transform unit 4 calculates the frequency domain signal D ij (ω) defined by the equation (3).
＜周波数逆変換部５＞
周波数逆変換部５は、周波数領域信号Dij(ω)を逆フーリエ変換により時間領域信号Pd ij(t)に変換する（ステップＳ５）。逆フーリエ変換によりフレーム毎に得られた時間領域信号Pd ij(t)は適宜シフトされて線形和が取られて、連続した時間領域信号となる。逆フーリエ変換は短時間離散逆フーリエ変換等の既存の方法を用いればよい。時間領域信号Pd ij(t)は、窓関数部６に送られる。
<Inverse frequency converter 5>
The frequency inverse transform unit 5 transforms the frequency domain signal D ij (ω) into a time domain signal P d ij (t) by inverse Fourier transform (step S5). The time domain signal P d ij (t) obtained for each frame by the inverse Fourier transform is appropriately shifted to obtain a linear sum to be a continuous time domain signal. For the inverse Fourier transform, an existing method such as a short-time discrete inverse Fourier transform may be used. The time domain signal P d ij (t) is sent to the
＜窓関数部６＞
窓関数部６は、時間領域信号Pd ij(t)に窓関数を乗じて窓関数後時間領域信号dij（t）を生成する（ステップＳ６）。窓関数後時間領域信号dij（t）は、スピーカＳｉ−ｊ，Ｓ２−１，…，ＳＮφ−Ｎｚに送られる。
<
The
窓関数として、以下の式より定義されるいわゆるターキー（Tukey）窓関数γjを例えば用いる。Ntprは、テーパーを適用する点数であり１以上Nφ,Nz以下の整数である。もちろん、他の窓関数を用いてもよい。 For example, a so-called Tukey window function γ j defined by the following equation is used as the window function. N tpr is the number of points to which the taper is applied, and is an integer between 1 and N φ , N z . Of course, other window functions may be used.
スピーカアレーＳ１−１，Ｓ２−１，…，ＳＮφ−Ｎｚは、窓関数後時間領域信号dij（t）に基づいて音を再生する。具体的には、ｉ＝１，…，Ｎφ，ｊ＝１，…，Ｎｚとして、スピーカＳｉ−ｊが窓関数後時間領域信号dij（t）に基づいて音を再生する。これにより、第一の空間の音場を第二の空間に再現することができる。 The speaker arrays S1-1, S2-1,..., SN φ -N z reproduce sound based on the time domain signal dij (t) after the window function. Specifically, with i = 1,..., Nφ , j = 1,..., Nz , the speaker Si-j reproduces sound based on the time domain signal dij (t) after the window function. Thereby, the sound field of the first space can be reproduced in the second space.
このように、マイクロホンアレー及びスピーカアレーを円筒状とすることにより、マイクロホンアレー及びスピーカアレーをそれぞれ構成するマイクロホン及びスピーカの数が少ない場合であっても、左右方向に密な素子配置とし、上下方向は粗な素子配置として、上下感を再現することができる。したがって、従来よりも高精度に音場を再現することができる。 Thus, by making the microphone array and the speaker array cylindrical, even if the number of microphones and speakers constituting the microphone array and the speaker array is small, a dense element arrangement in the left-right direction can be used. Can reproduce the vertical feeling as a rough element arrangement. Therefore, the sound field can be reproduced with higher accuracy than in the past.
＜理論的背景＞
以下、フィルタF~nl(ω)が式（２）のように表される理由について説明する。
<Theoretical background>
Hereinafter, the reason why the filter F˜nl (ω) is expressed as in Expression (2) will be described.
再現領域の位置ベクトルをr’=(r,φ,z)とし、二次音源が配置されている円筒面をSとし、S上の位置ベクトルをrs’=(Rs,φs,zs)とする。周波数ωにおいて、再現領域における位置r’の音圧をP(r’,ω)とし、位置rs’の二次音源の信号をD(rs’,ω)、rs’からr’までの伝達関数をG(r’-rs’,ω)とする。このとき、二次音源によって再現領域内に合成される音場は、以下のように書ける。 The position vector of the reproduction region is r '= (r, φ, z), the cylindrical surface where the secondary sound source is placed is S, and the position vector on S is r s ' = (R s , φ s , z s ). At frequency ω, the sound pressure at position r ′ in the reproduction region is P (r ′, ω), and the secondary sound source signal at position r s ′ is D (r s ′, ω), from r s ′ to r ′. Let G (r'-r s ', ω) be the transfer function of. At this time, the sound field synthesized in the reproduction region by the secondary sound source can be written as follows.
この式は関数D(・)とG(・) との変数φ，zに関する畳み込み演算に他ならない。したがって、畳み込みの定理より、式（４）はヘリカル波スペクトル領域において、以下のように表せる。 This expression is nothing but a convolution operation on the variables φ and z of the functions D (•) and G (•). Therefore, from the convolution theorem, Equation (4) can be expressed as follows in the helical wave spectrum region.
ここで、二次音源がモノポール特性として近似できる場合について、式（５）の展開を行う。このとき、 Here, Expression (5) is developed for the case where the secondary sound source can be approximated as a monopole characteristic. At this time,
であるから、 Because
となる。ここで、 It becomes. here,
である。Hankel関数の加法定理より、 It is. From the addition theorem of the Hankel function,
であるから、 Because
となる。式（６）を式（５）に代入すると、 It becomes. Substituting equation (6) into equation (5),
となる。 It becomes.
理想音場は、無指向性マイクロホンアレーなどを用いて、円筒形状の吸音バッフル上の音圧から与えることができる。収音側の円筒面状の音圧分布をP(rm’,ω)とすると、P(r’,ω)は入射音場Pi(r’,ω)と散乱音場Ps(r’,ω)との和で書ける。 The ideal sound field can be given from the sound pressure on the cylindrical sound absorbing baffle using an omnidirectional microphone array or the like. If the sound pressure distribution on the cylindrical surface on the sound collection side is P (r m ', ω), P (r', ω) is the incident sound field P i (r ', ω) and the scattered sound field P s (r ', ω).
吸音バッフル上で音圧勾配が０となるという境界条件より、 From the boundary condition that the sound pressure gradient is 0 on the sound absorbing baffle,
となる。Pi(r’,ω)とPs(r’,ω)をヘリカル波スペクトル領域で書くと、 It becomes. If P i (r ', ω) and P s (r', ω) are written in the helical wave spectrum region,
となり、式（８）の境界条件より、以下の関係式が成り立つ。 From the boundary condition of equation (8), the following relational expression is established.
したがって、 Therefore,
となる。再現すべき音場は入射音場Pi(・)であるから、理想音場はヘリカル波スペクトル領域で以下のように書ける。 It becomes. Since the sound field to be reproduced is the incident sound field P i (•), the ideal sound field can be written in the helical wave spectrum region as follows.
ここで求めたいのは、円筒面状の音圧分布P(rm’,ω)から、二次音源の駆動信号D(rs’,ω)への変換式である。二次音源をモノポール特性と仮定して変換式を求める場合、式（７）と式（９）とを連立して解けば良い。 What is desired to be obtained here is a conversion formula from the sound pressure distribution P (r m ′, ω) having a cylindrical surface shape to the drive signal D (r s ′, ω) of the secondary sound source. When obtaining the conversion equation assuming that the secondary sound source has a monopole characteristic, equations (7) and (9) may be solved simultaneously.
フィルタ形式で書くと、以下のようになる。 When written in filter form, it looks like this:
ただし、 However,
である。 It is.
なお、フィルタの特性として本質的には変わらないため、この式を４倍し、周波数特性を調整するための所定の定数であるA(ω)、及び、エバネッセント波を減衰させるための重みwnlを乗算してもよい。そうすると、この式は、式（２）と一致する。 Since the characteristics of the filter are not essentially changed, this expression is multiplied by four, A (ω) which is a predetermined constant for adjusting the frequency characteristics, and a weight w nl for attenuating the evanescent wave. May be multiplied. Then, this equation coincides with equation (2).
［変形例等］
音場収音再生装置を構成する各部は、第一の空間に配置された収音装置と第二の空間に配置された再生装置の何れに備えられていてもよい。換言すれば、周波数変換部１、空間周波数変換部２、変換フィルタ部３、空間周波数逆変換部４、周波数逆変換部５、窓関数部６のそれぞれの処理は、第一の空間に配置された収音装置で実行されてもよいし、第二の空間に配置された再生装置で実行されてもよい。収音装置で生成された信号は、再生装置に送信される。
[Modifications, etc.]
Each unit constituting the sound field sound collecting / reproducing device may be provided in either the sound collecting device arranged in the first space or the reproducing device arranged in the second space. In other words, the processes of the frequency conversion unit 1, the spatial
第一の空間と第二の空間の位置は、図２に示したものに限定されない。第一の空間と第二の空間は、隣接していても互いに離れた位置にあってもよい。また、第一の空間と第二の空間の向きもどのようなものであってもよい。 The positions of the first space and the second space are not limited to those shown in FIG. The first space and the second space may be adjacent to each other or separated from each other. Also, the orientation of the first space and the second space may be any.
窓関数部６による窓関数の処理は、どの段階で行ってもよいし、多段で行ってもよい。すなわち、窓関数部６は、マイクアレーと周波数変換部１との間、周波数変換部１と空間周波数変換部２との間、空間周波数変換部２と変換フィルタ部３との間、変換フィルタ部３と空間周波数逆変換部４との間、空間周波数逆変換部４と周波数逆変換部５との間の少なくとも１つの間に備えられていてもよい。音場収音再生装置の各部は、その各部に入力される信号について窓関数の処理が行われた場合には、その入力される信号に代えて上記と同様にしてその窓関数の処理がされた後の信号に対して処理を行う。
The window function processing by the
また、窓関数部６はなくてもよい。この場合、ｉ＝１，…，Ｎφ，ｊ＝１，…，Ｎｚとして、スピーカＳｉ−ｊが時間領域信号Pd ij(t)に基づいて音を再生する。
Further, the
音場収音再生装置は、変換フィルタ部３を含みさえすれば、他の部を備えていなくてもよい。例えば、音場収音再生装置は、変換フィルタ部３、空間周波数逆変換部４及び周波数逆変換部５から構成されていてもよい。また、音場収音再生装置は、周波数変換部１、空間周波数変換部２及び変換フィルタ部３から構成されていてもよい。
As long as the sound field sound collecting / reproducing apparatus includes the conversion filter unit 3, the sound field collecting / reproducing device may not include other units. For example, the sound field sound collecting / reproducing apparatus may include a transform filter unit 3, a spatial frequency inverse transform unit 4, and a frequency inverse transform unit 5. Further, the sound field sound collecting / reproducing apparatus may include a frequency conversion unit 1, a spatial
周波数変換部１の処理と空間周波数変換部２の処理とを同時に行ってもよい。同様に、空間周波数逆変換部４の処理と周波数逆変換部５の処理とを同時に行ってもよい。また、空間周波数変換部２と空間周波数逆変換部４とを入れ替えてもよい。
You may perform the process of the frequency converter 1 and the process of the
音場収音再生装置は、コンピュータによって実現することができる。この場合、この装置の各部の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、この装置における各部がコンピュータ上で実現される。 The sound field sound collecting / reproducing apparatus can be realized by a computer. In this case, the processing content of each part of this apparatus is described by a program. Then, by executing this program on a computer, each unit in this apparatus is realized on the computer.
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、これらの装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。 The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. In this embodiment, these apparatuses are configured by executing a predetermined program on a computer. However, at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
１ 周波数変換部
２ 空間周波数変換部
３ 変換フィルタ部
４ 空間周波数逆変換部
５ 周波数逆変換部
６ 窓関数部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、
空間の逆フーリエ変換により、上記フィルタ処理後信号D~nl(ω)を周波数領域信号に変換する空間周波数逆変換部と、
上記周波数領域信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号を上記スピーカに出力する周波数逆変換部と、
を含む音場収音再生装置。 At least two microphones in each of two or more circles having a radius R m to the circumferential direction of the baffle around the axis of the baffle of the noise absorbing member of cylindrical radius R b in a first space and circumferentially R m > R b , the axial direction of the baffle as the z-axis direction, the circumferential direction and the φ direction of the baffle, j as an imaginary unit, ω as a frequency, c as a sound velocity, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, l is the index, J n (·) is the nth-order first-order Bessel function, and H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, A (ω) is a predetermined complex number, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are It is arranged on the circumferential surface of the virtual cylinder with the radius R s of the second space different from the space of
Filtered signal D by applying filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) generated based on the signal collected by the microphone ~ Conversion filter part that generates nl (ω);
A spatial frequency inverse transform unit for transforming the filtered signal D to nl (ω) into a frequency domain signal by inverse Fourier transform of the space;
A frequency inverse transform unit that transforms the frequency domain signal into a time domain signal by inverse Fourier transform and outputs the transformed time domain signal to the speaker;
Sound field collection and playback device including
上記マイクロホンで収音された信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数変換部と、
空間のフーリエ変換により、上記周波数領域信号を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する空間周波数変換部と、
上記時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタ部と、
を含む音場収音再生装置。 At least two microphones in each of two or more circles having a radius R m to the circumferential direction of the baffle around the axis of the baffle of the noise absorbing member of cylindrical radius R b in a first space and circumferentially R m > R b , the baffle axial direction is the z-axis direction, the baffle cylinder circumferential direction and the φ direction, j is the imaginary unit, ω is the frequency, and c is the speed of sound K = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, l is its index, and J n (·) is the nth-order first-order Bessel function. , H n (1) (·) is an nth-order first-class Hankel function, A (ω) is a predetermined complex number, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are As arranged on the circumference of the virtual cylinder of radius R s in the second space different from the first space,
A frequency conversion unit for converting a frequency domain signal by Fourier transform sound pickup signals by the microphones,
A spatial frequency converter that converts the frequency domain signal into a spatio-temporal frequency domain signal P to nl (ω) by Fourier transform of space;
A transform filter unit that generates a filtered signal D to nl (ω) by applying a filter F to nl (ω) defined by the following equation to the spatio-temporal frequency domain signal P to nl (ω):
Sound field collection and playback device including
上記時空間周波数領域信号P~nl(ω), D~nl(ω)と、上記周波数領域信号と、周波数逆変換部により変換された時間領域信号との少なくともひとつは、所定の窓関数により窓関数処理が行われた信号である、
音場収音再生装置。 In the sound field sound collecting and reproducing device according to claim 1 or 2,
At least one of the spatio-temporal frequency domain signals P ~ nl (ω), D ~ nl (ω), the frequency domain signal, and the time domain signal transformed by the frequency inverse transform unit is a window by a predetermined window function. A signal that has undergone function processing.
Sound field recording and playback device.
変換フィルタ部が、上記マイクロホンで収音された信号に基づいて生成された時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタステップと、
空間周波数逆変換部が、空間の逆フーリエ変換により、上記フィルタ処理後信号D~nl(ω)を周波数領域信号に変換する空間周波数逆変換ステップと、
周波数逆変換部が、上記周波数領域信号を逆フーリエ変換により時間領域信号に変換し、変換された時間領域信号を上記スピーカに出力する周波数逆変換ステップと、
を含む音場収音再生方法。 At least two microphones in each of two or more circles having a radius R m to the circumferential direction of the baffle around the axis of the baffle of the noise absorbing member of cylindrical radius R b in a first space and circumferentially R m > R b , the axial direction of the baffle as the z-axis direction, the circumferential direction and the φ direction of the baffle, j as an imaginary unit, ω as a frequency, c as a sound velocity, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, l is the index, J n (·) is the nth-order first-order Bessel function, and H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, A (ω) is a predetermined complex number, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are It is arranged on the circumferential surface of the virtual cylinder with the radius R s of the second space different from the space of
The conversion filter unit applies the filters F to nl (ω) defined by the following equations to the spatio-temporal frequency domain signals P to nl (ω) generated based on the signals collected by the microphone. A transform filter step for generating a filtered signal D ~ nl (ω);
A spatial frequency inverse transform unit transforms the filtered signal D to nl (ω) into a frequency domain signal by inverse Fourier transform of space,
A frequency inverse transform unit that transforms the frequency domain signal into a time domain signal by inverse Fourier transform, and outputs the transformed time domain signal to the speaker;
Sound field collection and playback method including
周波数変換部が、上記マイクロホンで収音された信号をフーリエ変換により周波数領域信号に変換する周波数変換ステップと、
空間周波数変換部が、空間のフーリエ変換により、上記周波数領域信号を時空間周波数領域信号P~nl(ω)に変換する空間周波数変換ステップと、
変換フィルタ部が、上記時空間周波数領域信号P~nl(ω)に対して次式により定義されるフィルタF~nl(ω)を適用してフィルタ処理後信号D~nl(ω)を生成する変換フィルタステップと、
を含む音場収音再生方法。 At least two microphones in each of two or more circles having a radius R m to the circumferential direction of the baffle around the axis of the baffle of the noise absorbing member of cylindrical radius R b in a first space and circumferentially R m > R b , the axial direction of the baffle as the z-axis direction, the circumferential direction and the φ direction of the baffle, j as an imaginary unit, ω as a frequency, c as a sound velocity, k = ω / c, n is the order in the φ direction, k z, l is the wave number in the z-axis direction, l is the index, J n (·) is the nth-order first-order Bessel function, and H n (1) (·) is an n-th order first-class Hankel function, A (ω) is a predetermined complex number, w nl is a weight determined based on n, l, and at least four speakers are It is arranged on the circumferential surface of the virtual cylinder with the radius R s of the second space different from the space of
Frequency conversion unit, a frequency conversion step of converting into the frequency domain signal by Fourier transform signal picked up by the microphones,
A spatial frequency transforming step, wherein the spatial frequency transforming unit transforms the frequency domain signal into a spatio-temporal frequency domain signal P to nl (ω) by Fourier transform of the space;
The transform filter unit generates a filtered signal D ~ nl (ω) by applying a filter F ~ nl (ω) defined by the following equation to the spatio-temporal frequency domain signal P ~ nl (ω) A transform filter step;
Sound field collection and playback method including
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