JPH03505511A - 多次元ステレオ音響再生システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 多次元ステレオ音響再生システム 発明の分野 本特許は聴受者の前で多次元の音を再生することに関係して居る。特にそれは録 音や放送に於て、音源（例えば楽器、声）の空間的位置を忠実に再現する新らし いシステムに関係している。

発明の背景 演奏ホールで生の演奏を聴いている一人の人は絃、管、打楽器それに声の様な様 々な多くの音を同時に聴く。その様な生の演奏を聴く場合には楽器や軟土たちか ら発する音を聴くのに加えて其れらが何の場所にあるかという立体感を得る。

例えば、聴受者はフレンチ・ホーンがステージの右の方からバイオリンは之れが 所在する中央の辺りから打楽器は其れの所在する処から聴へて来る。

之等の楽器、並びに声の相対的位置を感じさせる事の出来る音を此処では多次元 ステレオ音と称する。

ステレオ音響という技術は演奏室で生の演奏として、プログラムを聞く換りに、 演奏室で録音されたものが又は放送されたものを聴受室で三次元の音として聴く 試みである。

ステレオ音響に於ては、レコーディング・スタジオかコンサートホール内予め決 められた場所に配置された一つ以上のマイクロフォン対からの出力をそれぞれに 接続された各々分離したチャネルを通じた後レコーディングされるか放送される 。

音はレコード・テープ又はコンパクトディスクに録音される。録音された音は、 其の後例えば家庭用ステレオ・システムに於ては二チャンネルステレオ再生装置 に依って再生される。家庭用ステレオ・システムは録音されて居る媒体の各個の チャネルに収められた音のインフォメーションを電気信号のインフォメーション として変換させたものを読み取る方法を用いて居る。

電気信号は増巾されてそしてラウンド・スピーカーの様な電気音響変換器に導か れた後聴受者の耳に聴える音波を発生する。ステレオ・システムでは再現される レコードの音が原音と同じである事が望ましい。

今迄に一番長い音を出すとされて居た試みに於てはステレオ・スピーカーの対は 一般にお互いに距離を隔てて配置されて居た。之の状況は第１図に示されている 。之の例に於いては■１と１２と１３の器械が音を発生し其れ等はレコーデング ・スタジオ内の１０．１２．１４の場所に配置にある。又レコーデング・スタジ オ内には二つのマイクロフォンＭ１とＭ２が１８と２０の場所に配置されて居る 。

マイクロフォンＭｌとＭ２は１８と２０の場所にあって受ける音のレコードする 役目をするためである。

電気衝撃はマイクロフォンＭ１とＭ２を通じて受けられ２２で表わしている録音 器でそれぞれ異ったチャネルを通じて録音される。聴受室２４に於て音のレコー ダーと再生機２２は２６．２８の所在するスピーカーＳｌと８２に接続される。

スピーカーＳ１と８２はお互いに離れた場所に之又離れて配置されていたマイク ロフォンＭ１、！−Ｍ２に類似の関係位置に配置されている。

随って、理論的には３０の場所にいる聴受者はスピーカーＳ１と８２が離れて居 るので本人がレコーディング・スタジオに居る様な感じになることを期待してい る。

然し、現実には聴受者は事実とは違って両方のスピーカーＩｆ、１２．１３から の音が混って出て来るものを聴いている。

之等の音は元々各音源の存在する１０，１２．１４の音源が存在して居る処から 出て来るのではな（て二つのスピーカのある処から出て来るのが主であるが故に 音の歪みを生ずる。もう少し詳しく云えば聴受室内に居る聴受者はＩｌ、１２． １３の音源から出た音の組合せた音でＭ　ｒ　／　Ｓ　ｒ　とＭｔ／Ｓｔという 二つのチャネルからの音を二つのスピーカーから出すのを聴いている。

こういった方法で成る程度は右に述べた不自然な音分配のための音の歪みをステ レオ、ヘッドフォンを使える事に依り滅すことが出来る。その場合は左と右のス ピーカーから出た一対の音を直接にお互の間の干渉を生ぜさせずに各々聴受者の 左と右の耳に入れることが出来て右と左のスピーカーからの音の干渉が部分と減 らされる。

然し之に依っても満足な位置感覚を再現することも出来ないし聴受者が個々の音 源の立体相対位置をはっきりと感することも出来ない。

正確な音の再現をするには聴受者が三つのはっきりと分離した音源（例えば楽器 ）から各々すき通った良い音を（若しも聴受者が“生”の演奏を音源１１．１２ ．１３の楽器の前に座して居る時に聴く如く）聴かねばならぬ。

随って之の発明゛の目的は従来聴受室で聴いていたよりも個々の楽器の相対的位 置をより明瞭に感する事が出来る様な昔の歪がなくてより大きい立体自由度を持 ったステレオ音再生システムを作り上げることである。

次に本発明の目的は従来聴受室で聴いていたより個々の楽器の相対的位置をはっ きり感知出来る様な、然も音の歪がな（てより大きな次元の自由度を持ったステ レオ音再生システムを作り上げるに必要な器械を準備することである。

更に加つるに本発明はスピーカーの前での聴受者が座る場所に比較的関係なく一 様で良いステレオ音をきかす方法を準備することである。

本発明の様々の目的と特長や細部の記述と請求の範囲を次に述べて置く。

発明の概略 前述の目的に述べた如く本発明に基づけば聴受者の聴く音を大巾に改善すること が出来る。又予めステレオ録９ｒ？ｉｔ源のＷ≧＝；相対的位置関係を再現する こと峠勢毒痣≠罎ミ鴫が出来る。

本発明の方法と器械とを以てすれば（スピーカー状）音響変換器から発生された 音波が空気中を伝播し、それがその前にある音に感応して振動する物質“音のス クリーン”に投射され其処で表面を右左に走る波に変換される。

之等の波は其の表面で互に干渉し随って其のスクリーンの上で（定常な干渉波） 定在波縞となって音響対音響変換器の役割をはたす。

この定常干渉波縞の出来る場所はマイクロフォンと音源の相対関係と同様の一定 の対応関係を持つ。

この定常干渉波はスピーカー・コーンの振動膜に似ていてスクリーンの部分で個 々の音源に対応した音を出す。

聴受者ははっきりと直接音源からの音を聴く様な感じのみならず其の音源の相対 的所在位置を丁度“生”の演奏を聴いて居る如（感する。

本発明の特色と利点は次の図に於て更に明瞭にされるであろう。

第一図、以上に述べた録音スタジオと聴受室に於ける器械配置の概略図 第二図、本発明のシステム構成図 第三図、本発明の更に異ったシステム構成図第四図、音のスクリーン上に於ける 表面波の干渉から生ずる定在波縞の成立の模様 第五図、本発明の更に異ったシステム構成図第六図、本発明のシステムの実施例 特定な応用例の説明 本発明のシステムに依ってステレオ記録音の再生は一度レコードに記録されたと いう感を持たない近い程“生”で聴受者に聴える様になった。

それのみか本発明は元々の自然音を再現するのみならず元の音源相対的位置迄も 再現する。

随って若し音源が左にあるバイオリンだとか、右にあるドラムとかその両者の中 間にあるピアノだとかは聴受者に三つのはっきりと分離した音としてそれぞれバ イオリン、ピアノ、ドラムが左、中央、右にあるといった風に聴えて来る。

現在の発明を第二図に示す。本例では音源只一つの楽器１１がスタジオ６５の中 の５０という場所にある。マイクロフォンＭ１とＭ２は、録音スタジオ６５の内 の７０と７５の場所に位置して之れは音源１１からＬＭＩとＬＭ２の距離を隔て ている。マイクロフォンＭｌとＭ２は７０と７５の場所にあって音を検知しそれ ぞれの電気信号Ｓｌと３２に変換する。電気信号Ｓｔ、Ｓ２はステレオ・録音装 置ＳＲＥに依って録音され、後に聴受者にスピーカー状ＬＳ１．ＬＳ２変換器に 依り聴受者に再現され、ここ迄は従来の家庭に於けるステレオ再生システムＳＲ Ｓと殆んど異らない。原理説明のためＭｌ、Ｍ２マイクロフォンで検知する音は 只一つの５０の地点にある音源１１からのそれであるとしよう。本発明の方法と 器機と用いない場合には８０の地点に居る聴受者には元元音源が一つであるにも 抱らず二つの変換器即ちスピーカーＬＳＩ５ＬＳ２から一つ以上の音として然も 右の耳にも左の耳にも聴へて来る。

随って聴受者は一つの音源であるにも抱らず左右からの音が混成し両耳に人為的 な且干渉によって歪んだ音を伝える。

本発明の方法に依ればスピーカＬＳＩとＬＳ２とから出る音が表面波を励起し易 い振動物質からなる“サウンド・スクリーン″８５の表面で互に干渉を起す之の 表面の部分での定常波の励起はスピーカー・コーン（音のスクリーンの一部分に 相当）の運動に相当して音源からの音を再生する。

一般的には楽器の振動して居る部分の大きさは空気中の音波の波長に較べて小さ く随って略々点音源と考えて良い。同様にマイクロフォンＭｌ、Ｍ２もスピーカ ーＬＳ１．ＬＳ２も点音源と考える事が出来。随って之は光学で知られているヤ ングの干渉実験とその効果に類似してくる。之の有名な実験は物理の教科書に載 って居て白色光が干渉を起こす事の証明として認められている。之の実験に於て は点光源からの光が比較的近く且平行した二つのスリットを照射する。この場合 二つのスリットから出て来る光はお互いに一つの光源を分って居る（共役とも云 う）この二つのスリットから出た光は離れた距離から見れば一つの点の光として しか見えないが、其の点の像は細い多くの干渉縞からして成って居る。若し点光 源を左右動かした場合には之の点の像もそれに随って左右に動く。

之のヤングの光の実験で示された干渉効果は音波にもその侭当嵌る。以前に述べ た如く音源ＬＳＩとＬＳ２は点音源に対応する。随って二つの２又点音源に相当 するスピーカーから発生する二つの音波も其の間に（共役）関係をもって居る。

今此処でステレオ・録音と音の再生とが元々マイクロフォンで受けた波の位相と 振巾関係を原音に忠実に保とうとする。

従来のステレオシステムではスピーカーから出る音（之は点音源から出て来たも のに相当する）はそのスピーカーから離れた聴受者の位置では干渉が其の間に生 じ其れが人間の耳に周波数、場所それに音が出た時の時間等の幾つかの変数に基 いた千変万化の音として聴える。

聴受者の耳の近くで干渉縞を生ずる事に依り大変複雑な現象を起こすことになる 。音楽は広い周波数領域の音から出来上って居るが故に聴受者には何の音も何の 音も干渉の影響を受けたものしか聞こえない。

随って音への（スピーカー状）変換器ＬＳＩとＬＳ２とから発生する二つの進行 波を聴受者の耳に達する以前に音響スクリーンの上で互いに干渉させることは其 の結果スクリーンの上に出来る干渉縞で以て更めてスクリーンの上で二つの音波 を一つに変換し元々一つであった音源に対応させることが目的である。

随って音響−音響変換器の役目をするスクリーンが干渉の影響を極力滅すことに 役立ち原音源からの音に近い　　　　−音を発生する。加つるに音源からの音の 二次元的方向位置感覚が（ホログラフ効果に依り）生ずる。

本発明の実施に選んだ一つの例を第三図に示す。１００として示しであるレコー ド・ブレヤー又はテープ・プレーヤ、又はコンパクトデスク（ＣＤ）のステレオ 音の再生装置を左のチャネルに於ては１０５右のチャネルに於ては１１０とする 。電気信号は増巾器１１１と１１２でそれぞれ増巾された後詰受室ｌ°１７内の （スピーカー状）電気−音響変換器を駆動する。変換器１１５．１１６は電気信 号を音に変換する。

本発明の目的を達する為には、スピーカーの実効直径をスピーカーの駆動コイル とコーンの両方を含めた音響インピーダンスに（大きな１１８に示しである音響 共振回路の之れ）整合する必要がある。尚之の共振回路１１８はキャビネット１ １９音のスクリーン１２０と左と右の１２０と１２５の場所に各位置するスピー カー１１５゜１１６とからなる。

通常使れて居る大きなコーンの直径のスピーカーは本発明では跣周波域に於ては 、望ましくない。之れは音のスクリーン１２０とスピーカー・キャビネット１１ ９が広い底周波数領域に渉って共鳴し得るからである。左と右の二つのスピーカ ーの特性をバランスする事は余り従来のステレオ、スピーカシステムに較べて重 要でない。

音響スクリーン１２０からの音の出力はスクリーンの殆んど全面積に渉って一様 である。之はスピーカー１１５と１１６とスクリーン１２０、それにキャビネッ ト１１９の合成音響特性が定常波部干渉縞に効いて来るからである。

之の発見の共振回路の底週波域下限を計算するとそれは略々従来のスピーカー・ コーンの直径と音響スクリーンの水平の寸法１２０の比から大変法の様に見当を つけられる。

従来のウーファ−のコーン直径１２インチ（約３０サイクルリミツト）に対して 代表的な音響スクリーンの水平方向の巾は約ｌＯフィートとする。

その場合本発明のスピーカーの底週波限界ｆ　ＬＯｌｆは本発明では底週波レス ポンスの限界は最早変換器（スピーカー）１１５と１１６の音響的特性だけには 依らない。

高周波レスポンスの限界について其の音質の改善が大きい。それは（薄い金属其 他の）薄膜の振動については弾性輪から其の非性型であることが良く知られて居 り随って往々にして楽器の発する音の高周波である高調波音の発生には極めて適 して居る。１１５と１１６の（ツウイータ−）変換器の直径も其の音の波長に較 べて同じ位いか又は小さいので点音源の見て良くそれが故にスクリーンの上に立 つ定在波も強くなる。高音領域に於ては市販の（ツウイータ−）スピーカーを其 の侭使用出来る。

強いて言えばスクリーン１２０を駆動するにはスクリーンの音響インピーダンス と平衡を保つ為に硬い目のコーンが適して居る。一方底音域に於てはコーン変換 器の直径をスクリーンを動作させるのに調節した如く選ぶ必要がある。変換器１ １５と１１６は１２１と１２５の場所にあるが之は元々の音を録音した時のマイ クロフォンの位置と同じ位置に置く事が一番望ましい。

“コンサート・ホールの雰囲気は之の発明を用いれば変換器スピーカーの間隔が マイクロフォンの間隔と違っている場合でも可成り良く再現出来る。

実際にはスピーカー間の距離がマイクロフォン間のそれより可成型さい場合が多 い。聴受者が１３０の場所から“Ｄ”の距離離れて居たとする。スクリーン１２ ０はスピーカー変換器１１５と１１６の中間に位置し聴受者は１３０の地点にあ るとする。スクリーン１２０は１３５の場所にあって聴受者がスピーカーに依り 駆動された音を聴ける様な形と大きさを備えて居なければならない。

スクリーン１２０の横巾はスピーカー変換器の間隔より大きくなければならない 。スクリーン１２０は何んな四方型でも良いが、然し細長い矩型である方が好ま しい。

スクリーンは平面でない楕円型とか楕円基型にしてスピーカー変換器１１５，１ １６で発生する音波と音の干渉が最大になる様に配置する事も場合によっては出 来る。

それ故スクリーン１２０は、スピーカー変換器１１５と１１６から発生する、音 波の通路に設けてスクリーン１２０から発生する音のみが聴受者に聴える様にす る。

スクリーン１２０は多くの構造又は材料の組合わせとが合成したものでも良い。

例えばスクリーンは張力を与えた布とか色々な繊維を組合わせた布とか或はアル ミニュームや色々の金属箔で作ることも出来る。

スクリーンを形作る材料の特性は周波数特性の域の大きさを定める要素となると 同時に屡々音楽の種類に依り其れに適したスクリーンを選ぶ事も必要であろう。

数々のパラメーターも又其の材料の音響特性に関係する。

材料の硬軟性は之の一例である。例えば枠の四辺から強く引張られている布は同 じ枠でも余り強く引張られて居ないものに較べて高い周波数でも振動する。

申請者は色々な物質布から金層それからセラミックと違った周波数特性を示す事 を発見して居る。

例えば綿・麻・ファイバー・グラスに色々の人工繊維等が用いられる。又布が薄 ければ薄い程高い周波数に対応することが解った。又それは糸の直径にも関係し 更に全体の材料の物理的性質自身と同様に糸を織る其の時の張力にも関係する。

アルミニュームか又は他の金層か又は合金同様に銀・タングステン等は高い周波 数で良く働く。加つるに結晶やセラミックの膜も用いられる。例えばダイヤモン ド・アルミナ・ジルコニヤ・チタン化ジルコニヤそれにグラファイト等。音質は 父上に述べた材料の上に塗る物に依っても変更される。程当な塗装といえばバニ ツ・ラッカー・エポキシ−・エナメルがある。

例え、スクリーンが一様であるとしても、スクリーンは其の表面を幾つかのそれ ぞれが違った周波数域に対応させる様にも出来る。

例えばスクリーンの上部を極めて高い周波数域に於て周波数特性が良いアルミニ ュームの膜で作ることである。

それより小し下った部分は中音部で性能の良い布そして下の部分は底周波で性能 の良い緩く織った布と言った具合である。

音響スクリーン１２０は変換器スピーカー１１５と１！６から発生する個々の音 源（例えば楽器）からの音を代表する波をさえぎる結果ステレオ音を更に立体的 にする効果をもたらす。之のスクリーンに依って強調された音はそれのない場合 に較べて良質であるばかりか各音源のマイクロホンとの（二次元）関係位置をも はっきりと感じさせる。例えば若し五人の演奏者のバンドから出た音は其の奥行 きも含めて各々そのバンドの違った部分から音が出て来る様に感じさせる。

更に特定のことについては、第四図に於て１５５に位置するスピーカー状変換器 Ｓｌ、１６０にある変換器Ｓ２に依って生じた入射進行波１５０並びに１５３は 表面波又はシェアウェーブ１６５と１７０に局所的に入射波１５０と１５３がス クリーンに当った時に変換される。

１５０と１５３にある変換器Ｓｌと８２から出た進行入射波１５０と１５３はス クリーンに同時に当たるが此等の波は、同じ元々同じ一つの点音源から出た波（ ヤングの実験参照）であるが故に両方とも同じ周波数と位相特性を持って居る。

表面波１６５と１７０も又入力音波と同じく同じ周波数と相互位相関係を保つ。

二つのスピーカーＳｌと８２からの入射進行波１５０と１５３に依って発生され たシェアウェーブ１６５と１７０はスクリーンの左と右の反対側から出て其れが お互に局所的に衝突を１７５の場所で起しそれに依って其れに依って起きた干渉 の縞が点音源に相当する事になる。

波の干渉の場所は（ホログラフに於けると同様に）元の点音源と二つのマイクロ ホンとの相互的位置との間に一定の関係を保つ。

之の干渉縞は元々の音源の周波数で振動して居り随って其れは元の点音源の音を 其の位置関係をも再現し乍ら音を発生する。

本発明の他の適用例を第５図に示す。

之の例に於ては音響変換器Ｓｔが２００の場所に３２が２０５の場所に置いてあ り２１０に居る聴受者“Ｌ”と反対側に位置する。

然し乍ら変換器２００と２０５は其の出力音が２１５に示しである壁即ちコンク リートの様な硬い又は固体（密度の大きい）障害物に向って進行する。

音響スクリーン２２０は壁２１５と変換器２２０と２０５との間に位置して居り スクリーン２２０は其の出力波が壁２１５に達する以前に其れを阻止する。密べ いした空気の空間２２２がスクリーン２２０と壁２１５との間にある。結果とし ては個々の点音源から出た音の集合からなる音波が音響スクリーンに当り其れが 壁２１５の影響を受けて干渉縞を作り選択的に音を反射する。之等の波は随って 音響スクリーン２２０と壁２１５とを組合わせて考える可きて音波が入射する辺 りの局所的音響インピーダンスの大小次第でスクリーンから聴受者の方へ反射し て来る。之の反射量スピーカーは多数の聴受者が居る場合に用いるのが適当であ ろう。

箱の如きキャビネットの収めた本発明の装置を第六図に示す。

之の適用例に於ては二つの音響変換器１８０と１８１即ち小さなコーン面積のス ピーカーをお互に角度を持って向い合せて１７５に示す様な木のキャビネットの 如き箱の中に収める。スピーカー、コーンはキャビネットの前面に張っであるス クリーン１９０の方向に色々の角度を持って置かれて居る。之は結果として小さ な密蔽型スピーカー変換器の性能向上に役立つ。之の様なキャビネット式スピー カーは、希生されるスピーカーの大きさに応じて作り変えすることが出来る。

ＦＩＧ、３ 国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．ニケ以上のマイクロフォンが一つ以上の点音源から出す音を検知する二次元 ステレオ再生のシステム。 そのシステムは次のものからなっている。 マイクロフォンに依って感知された音を二つ以上の距離を隔てて配置された変換 器を通じ再現する事その再現される音は投射音波の対から成り立って居りその各 々の投射進行音波は異ったスピーカ状変換器から発生させる方法。 音に感応して振動すること依って音を受止めるような機能を果すスクリーンを変 換器と聴受者の間に設置することでもって投射に依り発生された表面進行音波を 其の面上を互に向い合って進行させる様にする波の変換方法。 面の上で互いに干渉を起こして其の結果、生ずる面の表面に垂直方向の振巾を持 つ違った対のそれぞれ異った音源に対応して生じた異った対の波の定在波が各々 それに対応する個々の点音源に対応して居り然もその定在波の位置が二つ以上の マイクロフォンと二つ以上の点音源の存在点との間の相対位置に対応する事を実 現させる方法。
2. ２．請求項１の方法の内で音に感応を起こす面が面の表面方向のディメンション より非常に小さくてその面に面上での投射進行波の対が各々はっきりと且分離し た定在波を生ぜさせる事が出来る様に面に張力を加え保持するが如き方法。
3. ３．請求項２に於て音に感応を起こす面が二つの変換器を結んだ仮想の直線に平 行する如く設けられている方法。
4. ４．一つ以上の音源に依り発生された音を少なくとも二つ以上のマイクロフォン で感知しそれを再生するステレオ（立体）音響再生のシステム、それは音が感知 された時にあった音源の位置を代表する各々の点音源として聴受者に再現させる 再生システムでありそれは次のものから成立って居る。 二つ以上のマイクロフォンで感知された音を再生する為に距離隔てて置かれた二 つ以上の音響変換器を準備する。各々の音響変換器に依り再現された音が投射進 行音波の対となる。 音に感応して振動し易い音を感受する面が音響変換器と聴受者との間に配置され て居り、音響スクリーンが各各音響変換器に発生された対の投射進行波に変換し て受止める様な材料から成って居り其の面上では面に沿って面の上下前后方向に 波の進行が可能な様な材料でもあり、又面の上の波が干渉をする事が出来るよう な材料で作られ成る特定の時間にマイクロフォンで感知された或る音源に特定な 相対的位置を面上の特定な定在波の位置として音源を再現するもの。
5. ５．請求項３に依るステレオ音響再生システム中音のスクリーンが音響変換器の 間を結んだ線の虚像である直線と平行に配置されたもの。
6. ６．請求項５に随うステレオ音再生シスシテム中音のスクリーンの巾と変換器の 間の隔とが同じ位であり、変換器と音のスクリーンとの開きが変換器間の距離よ りも小さい様なシステム。