WO2004107807A1 - アレースピーカーシステム - Google Patents

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WO2004107807A1
WO2004107807A1 PCT/JP2004/008008 JP2004008008W WO2004107807A1 WO 2004107807 A1 WO2004107807 A1 WO 2004107807A1 JP 2004008008 W JP2004008008 W JP 2004008008W WO 2004107807 A1 WO2004107807 A1 WO 2004107807A1
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speaker
array
array speaker
weight
low
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PCT/JP2004/008008
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Inventor
Yusuke Konagai
Original Assignee
Yamaha Corporation
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/12Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for distributing signals to two or more loudspeakers
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2205/00Details of stereophonic arrangements covered by H04R5/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2205/022Plurality of transducers corresponding to a plurality of sound channels in each earpiece of headphones or in a single enclosure
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2430/00Signal processing covered by H04R, not provided for in its groups
    • H04R2430/20Processing of the output signals of the acoustic transducers of an array for obtaining a desired directivity characteristic
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04SSTEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S3/00Systems employing more than two channels, e.g. quadraphonic

Definitions

  • the present invention relates to an array speaker system in which a plurality of speaker units are arranged in an array.
  • an audio signal beam (ie, a directional and beamed sound wave) is controlled using an array speaker that emits sound by regularly arranging a plurality of speaker units.
  • Techniques for doing so are known.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Nos. H03-159500 and 63-930000 disclose techniques relating to an array speaker system.
  • reference numeral S p- l ⁇ sp- n denotes the speaker units arranged in a straight line at predetermined intervals.
  • the focal point X and each speaker unit sp— :!
  • the acoustic directivity of the array speaker can be controlled such that the acoustic signal beams output from the plurality of speaker units sp-1 to sp-n reach the focal point X simultaneously.
  • Fig. 8 shows an example of the relationship between the focal point and the sound directivity, and shows the contour distribution of the sound pressure energy of a single-frequency signal.
  • a plurality of speaker units are arranged in the axial direction.
  • an acoustic signal includes a wide range of frequency components from 20 Hz to 20 kHz in the audible frequency range. This frequency range corresponds to a wavelength range of 17 m to 1.7 cm.
  • acoustic directivity control of a practical array speaker acoustic signal beams radiated from multiple speaker units are controlled so that they arrive at exactly the same phase at a specific focal point. The phases of the acoustic signal beams are aligned irrespective of the frequency of the signal, so that the acoustic signal beams are emphasized.
  • the wavelength differs depending on the frequency, the position where the phase of the acoustic signal beam is aligned to some extent is different. In other words, the phenomenon that the sound directivity differs depending on the frequency occurs.
  • Figure 9 shows a simulation result of the acoustic directivity for a single frequency signal of 1 k H Z
  • 1 0 shows the simulation results of the acoustic directivity for a single frequency signal of 2 k H z .
  • the focus positions in FIGS. 9 and 10 are set to be the same.
  • the above difference in acoustic directivity means that the frequency balance of the source acoustic signal is lost in places other than the focal point. At a distance from the focal point, low-frequency sounds can be heard to some extent, while high-frequency sounds cannot be heard quickly.
  • sound directivity control increases the sound pressure energy at the focal point and weakens the sound pressure energy in other places.
  • the so-called sweet spot to be used must have an appropriate size. For this reason, it is desirable that the distribution pattern of the sound directivity is somewhat similar between the high band and the low band.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an array speaker system having good sound directivity. Disclosure of the invention
  • a predetermined time difference is given to each of a plurality of speaker units arranged in an array. It controls the directivity of the acoustic signal beam.It assigns a relatively large weight to the speaker unit at the center of the array speaker and a relatively small weight to the speaker unit at the periphery. I have to. Also, regarding the difference between the weighting factor assigned to the speaker unit in the center of one speaker and the weighting factor assigned to the speaker unit in the periphery, the difference between the weighting factor assigned to the low-frequency component of the input audio signal is It is set smaller than the difference between the weighting factors assigned to the high frequency components.
  • the speaker unit in the center of the array speaker For the high-frequency component of the input sound signal, a relatively large weight is given to the speaker unit in the center of the array speaker, while a relatively small weight is given to the speaker units in the peripheral part.
  • the same weight is assigned to each speaker unit located at the center and the periphery of the array speaker.
  • the input audio signal is divided into three frequency bands, low, middle, and high.
  • the high frequency component a relatively large weight is given to the speaker unit in the center of the array speaker.
  • a relatively small weight is given to the speaker units in the periphery.
  • the mid-range component a force that makes the difference between the weights applied to the speaker units located at the center and the peripheral portion of the array pitch smaller than the high-frequency component, or the same weight is applied to both.
  • the low-frequency component the same weight is given to both the center and peripheral speaker units of the array speaker without giving a time difference to each speaker unit.
  • the distribution of the acoustic directivity for the high frequency component and the low frequency component of the input audio signal is By reducing the shape difference, it is possible to achieve good directivity control of the acoustic signal beam.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control circuit of the array speaker system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a graph showing a window function (ie, a Hamming window) applied to the high frequency component of the input audio signal.
  • a window function ie, a Hamming window
  • FIG. 2B is a graph showing a window function applied to the low-frequency component of the input audio signal.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a control circuit of the array speaker system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a main configuration of an array speaker control circuit in which a window function is introduced.
  • FIG. 5 is a graph showing a simulation result of an acoustic directivity distribution of a 1 kHz frequency signal when a window function is applied.
  • FIG. 6 is a graph showing a simulation result of an acoustic directivity distribution of a 2 kHz frequency signal when a window function is applied.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining acoustic directivity control in the array speaker system.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the acoustic directivity distribution of the sound radiated by the array speaker 1.
  • Figure 9 is a graph showing the 1 k H simulation results of the acoustic directional distribution of sound based on the frequency signal Z.
  • FIG. 10 is a graph showing a simulation result of an acoustic directivity distribution of a sound based on a 2 kHz frequency signal.
  • a window function (window function: excluding a rectangular window here) corresponding to the position of each speaker cut is used. Need to be introduced. This window function is used when weighting a certain finite time range from a time function such as Fourier transform, etc., and uses a Hamming window that relaxes the Gibbs phenomenon. ) You can use a Hanning window. In other words, by increasing the weight (gain) of the speaker unit located at the center side of the speaker loudspeakers constituting the array speaker and decreasing the weighting of the speaker unit located at the end side, The shape of the sound directivity distribution can be corrected.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a main part of a configuration example of an array speaker control circuit in which a window function is introduced.
  • delay processing, multiplication processing and addition processing are executed by digital processing, but illustration of a D / A converter and an A / D converter required for the processing is omitted.
  • control circuit elements such as a microcomputer for calculating and setting a delay time for acoustic directivity control are not shown.
  • reference numerals 41-n and 41-n + 1 denote an n-th speaker unit and an n + 1-th speaker unit constituting an array speaker.
  • the acoustic signal input to this control circuit is supplied to a delay circuit 42 having a plurality of taps, where it is applied to each speaker unit according to the acoustic directivity (focal position of the acoustic signal beam) to be realized. Is output to the tap that embodies the delay time.
  • the acoustic signal to which the delay time corresponding to each speaker unit is added in the delay circuit 42 is output to the multipliers 43-n and 43-n + 1, where the window is Multiplied by a predetermined coefficient embodying the function, then amplified in amplifiers 44-n and 44-n + 1, then fed to speaker units 41-n and 41-n + 1 You.
  • an acoustic signal beam is emitted from the speaker unit and arrives at an arbitrary point (focal point) in a predetermined space in the same phase, so that a desired acoustic directivity can be realized.
  • FIG. 5 and 6 are graphs showing the acoustic directivity distribution formed by introducing the window function as described above.
  • FIG. 5 shows the window function for the 1 kHz frequency signal as in FIG. shows the sound directivity distribution when applied
  • Figure 6 shows the acoustic directivity distribution in the case of applying a window function to the frequency signal similarly 2 k H Z with Figure 1 0.
  • the above Hamming window was used as the window function.
  • the window function is not applied to the acoustic directivity distribution of the 1 kHz frequency signal, while the window function is applied to the acoustic directivity distribution of the 2 kHz frequency signal.
  • the shape of the acoustic directivity distribution can be made closer to an ideal one as compared with a case where the same digital processing is performed on all frequency signals.
  • a substantially flat acoustic frequency characteristic can be realized in a wide sweet spot. That is, in the array speaker system of the present invention, by changing the characteristics of the window function applied according to the frequency band, specifically, for the low frequency, (Ie, the difference between the weight assigned to the speaker unit at the center of the array speaker and the weight assigned to the speaker unit at the periphery is small) The sweet spot can be broadened, and a good sound directivity distribution can be obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a main configuration of an array speaker system according to a first embodiment of the present invention.
  • an acoustic signal is divided into two frequency bands of a high-frequency component and a low-frequency component, and window functions having different characteristics are applied to the respective frequency bands.
  • window functions having different characteristics are applied to the respective frequency bands.
  • FIG. 1 as in FIG. 4, illustration of an AZD converter, a D / A converter, a control circuit, and the like is omitted.
  • Fig. 1 shows only the circuit parts related to the nth speaker unit 1 n and the n + 1st speaker unit 111 n + 1 among the multiple speaker units included in the array speaker system.
  • reference numeral 2 denotes a low-pass filter (LPF) for extracting low-frequency components of the input acoustic signal
  • reference numeral 5 denotes a high-frequency filter for extracting high-frequency components.
  • HPF pass filter
  • the filters 5 and 6 divide the input audio signal as a source into two frequency bands of a low-frequency component and a high-frequency component.
  • the low-frequency component of the input sound signal that has passed through the LPF 2 is supplied to the delay circuit 3 having a plurality of taps, and is adapted to the sound directivity desired for each speaker unit (that is, the sound signal beam directivity).
  • the delay signal is extracted from the tap that gives the delay time to be applied, and supplied to the multipliers 4-n and 4-n + 1 corresponding to the speaker units 1-n and 1-n + 1, respectively. Then, it is multiplied by a predetermined coefficient for realizing the window function L applied to the low frequency component.
  • the high-frequency component of the input audio signal that has passed through the HPF 5 is supplied to a delay circuit 6 having a plurality of taps, and a delay from a tap that gives a delay time suitable for the acoustic directivity to be realized for each speaker unit
  • the signal is extracted and the speaker Are supplied to multipliers 7-n and 7-n + 1 provided corresponding to the units 1-n and 1-n + 1, respectively. Multiplied.
  • the same delay time is set for each speaker unit, and the same is set for the two delay circuits 3 and 6.
  • the low-frequency signals output from the multipliers 4-n and 4-n + 1 and the high-frequency signals output from the multipliers 7-n and 7-n + 1 are combined with the speaker units 1-n and 1-n + 1. Are added in the adders 8n and 8n + 1, respectively, and the added signals are amplified in the corresponding amplifiers 9-1n and 9-1n + 1, respectively. Feeds 1-n and 1-n + 1.
  • a Hamming window function ie, a strong window function
  • the window function L for the low frequency component is a speaker unit in the center of an array speaker.
  • FIG. 2A and 2B are graphs schematically showing a window function H for a high-frequency component and a window function L for a low-frequency component. That is, FIG. 2A illustrates a window function H for a high-frequency component, and shows a Hamming window here.
  • sign 11 :! 1 to 8 illustrate window functions applied to an array speaker composed of eight speaker units, and the weighting factors assigned to each speaker unit are 0.0800 and 0.800, respectively. It is set to 2532, 0.6424, 0.9544, 0.9544, 0.6424, 0.2532, and 0.0800.
  • FIG. 2B shows an example of a window function L for a low-frequency component. The difference between the weighting factor assigned to the speaker and the weighting factor assigned to the peripheral speaker units is reduced.
  • the maximum value of the weight coefficient is set to “1”.
  • the offset value is set to 0.5
  • the weighting factors assigned to the eight speaker units 1-1 to 1-8 are 0.5800, 0.7532, 1, 1, 1, 1 respectively. , 0.7532, and 0.5800.
  • the relaxed window function L applied to the low-frequency component need not be limited to the above example, but may be one created by various methods. For example, taking the square root of the value of the nominating window, the weighting factors to be assigned to the speaker units 111 to 1 to 8 are 0.5800, 0.7532, 1, 1, 1, 1, 0.7532, May be set to 0.5800.
  • the input audio signal is divided into two frequency bands of a low-frequency component and a high-frequency component by the LPF 2 and the HPF 5, but the present invention is limited to the configuration of the first embodiment. It is not necessary, and furthermore, the input audio signal is divided into three or more frequency bands using a band-pass filter (BPF), etc., and the signals in each frequency band are weighted using different window functions You may do so.
  • BPF band-pass filter
  • the Hamming window is used as the window function, but another Hung window or the like may be used.
  • this low-frequency band is separated from the acoustic signal and excluded from the target of acoustic directivity control, or is made non-directional so that the sound pressure energy balance in the sweet spot is improved. It is desirable to adjust the gain.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a main configuration of a control circuit of an array speaker system according to a second embodiment of the present invention in which a low frequency band of several hundred Hz or less is omnidirectional. Similar to the first embodiment shown in FIG. 1, the second embodiment shown in FIG. 3 also shows only the circuit configuration relating to the two speaker units 11n and 11n + 1.
  • reference numeral 12 denotes an LPF with a cut-off frequency set to several hundred Hz
  • reference numerals 13_11 and 13--n + 1 denote signals of low-frequency components of several hundred Hz or less passing through the LPF 12.
  • a multiplier that gives a gain corresponding to each of the speaker units 11-n and 11-n + 1.
  • the gain is determined in consideration of the balance with signals in other frequency bands.
  • Reference numeral 14 denotes a BPF that passes a signal in the middle band (for example, several hundreds to several hundreds of Hz)
  • reference numeral 15 denotes an acoustic directivity to be realized for each speaker unit with respect to the signal of the middle band component.
  • FIG. 3 shows a multiplier for assigning a weight to the signal of the above by the relaxed window function L.
  • reference numeral 17 denotes an HPF that passes a high-frequency signal
  • reference numeral 18 denotes a delay circuit configured in the same manner as the delay circuit 15, and reference numerals 19-n and 19-n + 1 denote a delay circuit 18.
  • a multiplier for weighting the high-frequency component signals with different delay times by using a window function H is shown. Note that all the weights for the signal of the middle band component may be set to “1” so that the window function is not applied.
  • the output signals of the multipliers 13-n, 16-n, and 19-n are added by the adder 20-n, amplified by the amplifier 21-n, and supplied to the corresponding speaker unit 111-n. You. Similarly, multipliers 13—n + 1, 16—n + 1, and 19— The output signal of n + 1 is added by the adder 20-n + 1, then amplified by the amplifier 21-n + 1 and supplied to the corresponding speaker unit 11-n + 1.
  • the delay for controlling the acoustic directivity that is, the directivity of the acoustic signal beam
  • the gain is adjusted and supplied to the corresponding speaker unit.
  • a sweet spot in which sound pressure energy balance is obtained from a low band to a high band can be widened.
  • a one-dimensional array speaker in which a plurality of speaker units are arranged in a row has been described.
  • a two-dimensional array speaker in which a plurality of speaker units are arranged in a matrix is described.
  • the present invention can be similarly applied to such a case.
  • the control of the acoustic directivity distribution may be realized by dividing into one-dimensional arrays in the row direction and the column direction, and the value obtained by multiplying the weight coefficient in each one-dimensional array may be used in each speaker array. It may be set as a weight to be given to the data.
  • the sound wave signal radiated from each speaker unit is divided into a plurality of frequency bands, a stronger window function is applied to the higher frequency band, and the window applied to the lower frequency band. Slow down the function (or don't apply window function for low frequencies). As a result, a similar sound directivity distribution can be realized over a relatively wide frequency band, so that the optimum sound quality can be enjoyed without disturbing the balance of the frequency characteristics of the source sound signal.
  • the sweet spot can be expanded.

Abstract

入力音響信号を低域成分と高域成分とに分離し、両者について各スピーカーユニット毎に所望の焦点位置に対応した遅延を施す。ここで、遅延を施された低域成分は、更に第1の窓関数による重み付けが施される。また、遅延を施された高域成分については第2の窓関数(例えば、ハミング窓関数)による重み付けが施される。重み付けが施された高域成分及び低域成分は、各スピーカーユニット毎に加算され、以って、各スピーカーユニットが駆動される。尚、低域成分用の第1の窓関数は高域成分用の第2の窓関数に比べて重み付けが緩和されたものとされており、これにより、音響信号の低域成分と高域成分との間の音響指向性の相違を少なくしている。

Description

ァレースピーカーシステム 技術分野
この発明は、 複数のスピーカーュニットをアレー状に配列して構成したァレ 一スピーカーシステムに関する。 背景技術
従来より、 複数のスピーカーュニットを規則正しく配列して音を出すアレー スピーカー (alley speaker) を使用して音響信号ビーム (audio signal beam) (即ち、 指向性を有しビーム化された音波) を制御する技術が知られている。 例えば、 特開平 0 3— 1 5 9 5 0 0号及び特開昭 6 3— 9 3 0 0号においてァ レースピーカーシステムに関する技術が開示されている。
アレースピーカーにおける音響指向性 (sound directivity) の制御方法につ いて図 7を参照して説明する。
図 7において、 符号 S p— l〜s p— nは所定間隔をもって直線状に配列さ れたスピーカーユニットを示す。 ここで、 焦点 Xに向かって放射される音響信 号ビームを生成する場合、 焦点 Xからの距離が Lである円弧 Yを想定し、 焦点 Xと各スピーカーュニット s p—:!〜 s p _ nとを結ぶ直線と円弧 Yとの交点 と各スピーカーユニッ ト s p _ i ( i = l, ·· ·, n ) との間の距離 L iに応じ た遅延時間 (= L i 音速(3 4 O m/ s e c ) ) を各スピーカーュニット s p — iに入力される信号に付与する。 これにより、 複数のスピーカーユニット s p— 1〜 s p— nから出力される音響信号ビームが焦点 Xに同時に到達するよ うァレースピーカーの音響指向性を制御することができる。
図 8は、 焦点と音響指向性との関係の一例を示すものであり、 単一周波数信 号の音圧エネルギーの等高線分布を示しており、 X軸の 0 c mの位置を中心と して X軸方向に複数のスピーカーュニットを配列している。図 8に示すように、 「X J印で示す焦点の方向に向かって強い音響指向性を作り出すことができる。 この技術を応用して、 異なるコンテンツに異なる音響指向性を持たせて、 部 屋の左右で異なるコンテンツを聴くことも提案されており、 例えば、 特開平 1
1 - 2 7 6 0 4号に開示されている。
一般に、 音響信号は可聴周波数域で 2 0 H z〜 2 0 k H zの広い範囲に亘る 周波数成分を含んでいる。 この周波数範囲は 1 7 m〜l . 7 c mの波長範囲に 相当する。 実用的なアレースピーカーにおける音響指向性制御では、 複数のス ピーカーユニットから放射される音響信号ビームを特定の焦点において完全に 同じ位相で到達するよう制御するものであるため、 焦点に着目すると、 音響信 号の周波数と無関係に音響信号ビームの位相が揃えられてしまい、 以つて、 音 響信号ビームが強調されてしまう。 一方、 焦点以外の場所では、 周波数により 波長が異なるため、音響信号ビ"ムの位相がある程度揃う位置が異なつてくる。 即ち、 周波数により音響指向性が異なるという現象が発生する。
図 9は、 1 k H Zの単一周波数信号に対する音響指向性のシミュレーション 結果を示しており、 図 1 0は、 2 k H zの単一周波数信号に対する音響指向性 のシミュレーション結果を示している。 図 9及び図 1 0における焦点の位置は 同一に設定されている。
図 9と図 1 0とを比較すると明らかなように、 所定の焦点に対して同様の音 響指向性制御を行ったとき、 周波数の高い帯域ほど音響指向性が強く (即ち、 急峻な音圧エネルギーの等高線分布) なる。
上記の音響指向性の相違は、 焦点以外の場所では、 ソースである音響信号の 周波数パランスが崩れてしまうことを意味している。焦点から離れた場所では、 低域の音をある程度聞くことができるのに対して、 髙域の音は急速に聞こえな くなる。 本来、 音響指向性制御は焦点での音圧エネルギーを強くし、 それ以外 の場所では音圧エネルギーを弱くするものであるが、 実用的なアプリケーショ ンとしては、 音響信号を一定レベルの品質で鑑賞させる所謂スイートスポット は、 適度な広さが必要となる。 このため、 高域と低域とである程度音響指向性 の分布形状が相似することが望ましい。 この発明は、 上記の事情を鑑みてなされたものであり、 良好な音響指向性を 有するアレースピーカーシステムを提供することを目的とする。 発明の開示
この発明に係るアレースピーカーシステムは、 ァレー状に配列された複数の スピーカーュニットについて夫々所定の時間差を付与することにより。 音響信 号ビームの指向性制御を行うものであり、 ァレースピーカーの中央部のスピー カーュニットに対して比較的大きな重み付けを付与し、 周辺部のスピーカーュ ニットに対して比較的小さな重み付けを付与するようにしている。 また、 ァレ 一スピーカーの中央部のスピーカーュニットに付与する重み係数と周辺部のス ピーカーュニットに付与する重み係数との差について、 入力音響信号の低域成 分に付与する重み係数の差が高域成分に付与する重み係数の差よりも小さく設 定されている。
また、 入力音響信号の高域成分については、 アレースピーカーの中央部のス ピーカーユニットに対して比較的大きな重み付けを付与し、 一方、 周辺部のス ピーカーュニットに対して比較的小さな重み付けを付与する。 低域成分につい ては、 アレースピーカーの中央部と周辺部に位置する各スピーカーュニットに 対して同じ重み付けを付与する。
更に、 入力音響信号を低域、 中域、 及び高域の 3つの周波数帯域に分割し、 高域成分については、 アレースピーカーの中央部のスピーカーュニットに対し て比較的大きな重み付けを^ r与するとともに、 周辺部のスピーカーユニットに 対しては比較的小さな重み付けを付与する。 中域成分については、 アレースピ 一力一の中央部と周辺部に位置するスピーカーュニットに付与する重み付けの 差を前記高域成分に比べて小さくする力、 或いは、 両者に同じ重み付けを付与 する。 低域成分については、 各スピーカーユニットに対して時間差を付与する ことなく、 かつ、 アレースピーカーの中央部及ぴ周辺部のスピーカーユニット の両者について同じ重み付けを付与する。
これにより、 入力音響信号の高域成分と低域成分に対する音響指向性分布の 形状差を少なくし、 以つて、 良好な音響信号ビームの指向性制御を実現するこ とができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明の第 1実施例に係るアレースピーカーシステムの制御回路 の構成を示すブロック図である。
図 2 Aは、入力音響信号の高域成分に適用される窓関数(即ち、ハミング窓) を示すグラフである。
図 2 Bは、入力音響信号の低域成分に適用される窓関数を示すグラフである。 図 3は、 この発明の第 2実施例に係るアレースピーカーシステムの制御回路 の構成を示すブロック図である。
図 4は、 窓関数を導入したァレースピーカー制御回路の要部構成を示すプロ ック図である。
図 5は、 窓関数を適用した場合の 1 k H zの周波数信号の音響指向性分布の シミュレーシヨン結果を示すグラフである。
図 6は、 窓関数を適用した場合の 2 k H zの周波数信号の音響指向性分布の シミュレーション結果を示すグラフである。
図 7は、 ァレースピーカーシステムにおける音響指向性制御を説明するため の図である。
図 8は、 アレースピーカ一により放射された音の音響指向性分布の一例を示 すグラフである。
図 9は、 1 k H Zの周波数信号に基づく音の音響指向性分布のシミュレーシ ョン結果を示すグラフである。
図 1 0は、 2 k H zの周波数信号に基づく音の音響指向性分布のシミュレ一 シヨン結果を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
この発明の好適な実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。 まず、 このは発明に係るアレースピーカーシステムにおいて用いられる窓関 数について、 図 4乃至図 6を参照して説明し、 その後、 この発明の実施例につ いて説明するものとする。
図 9及び図 1 0に示したァレースピーカーの音響指向性分布を見ると解るよ うに、 主たる方向以外の場所において、 音圧エネルギーの等高線が櫛状に波打 つている。 このような音響指向性分布の不規則な形状を捕正するために、 各ス ピーカーュ-ットの位置に応じた窓関数 (window function: ここでは、 矩形 窓 (rectangular window) を除く。) を導入する必要がある。 この窓関数はフ 一リエ変換(Fourier transform)等の時間関数からある有限の時間範囲を重み 付けで切り出すときに用いられるものであり、 ギプス現象 ( Gibbs phenomenon) を '緩和するハミング窓 (Hamming window) ゃノヽニング窓 (Hanning window) 等を用いることができる。 即ち、 アレースピーカーを構 成する複数のスピーカーュ-ットの内、 中央側に位置するスピーカーュニット の重み付け (ゲイン) を大きくし、 一方、 端側に位置するスピーカーユニット の重み付けを小さくすることにより、 音響指向性分布の形状を補正することが できる。
図 4は、 窓関数を導入したァレースピーカー制御回路の構成例の要部を示す プロック図である。 この制御回路では遅延処理、 乗算処理、 及び加算処理をデ ジタル処理により実行しているが、 そのために必要な Dノ A変換器及ぴ A D 変換器の図示を省略している。また、音響指向性制御のための遅延時間の計算 · 設定を行うマイクロコンピュータ等の制御回路要素についても図示を省略した。 図 4において、 符号 4 1— n及び 4 1 - n + 1はアレースピーカーを構成す る第 n番目のスピーカーュニットと第 n + 1番目のスピーカーュニットを示す。 この制御回路に入力される音響信号は、 複数のタップを有する遅延回路 4 2に 供給され、 そこで、 実現したい音響指向性 (音響信号ビームの焦点位置) に適 合して各スピーカーュニットに付与される遅延時間を具現化するタップに出力 される。 遅延回路 4 2において各スピーカーュニットに対応する遅延時間が付 与された音響信号は乗算器 4 3— n及び 4 3— n + 1に出力され、 そこで、 窓 関数を具現化する所定の係数が乗算され、 その後、 アンプ 4 4— n及び 4 4— n + 1において増幅された後、 スピーカーュニット 4 1— n及ぴ 4 1— n + 1 に供給される。 これにより、 当該スピーカーユニットから音響信号ビームが放 射され、所定の空間内の任意の 1点 (焦点) において同位相で到達し、 以つて、 所望の音響指向性を実現することができる。
図 5及び図 6は上述のように窓関数を導入して形成された音響指向性分布を 示すグラフであり、 図 5は図 9と同様に 1 k H zの周波数信号に対して窓関数 を適用した場合の音響指向性分布を示し、 図 6は図 1 0と同様に 2 k H Zの周 波数信号に対して窓関数を適用した場合の音響指向性分布を示す。 ここでは、 窓関数として前記のハミング窓を使用した。
図 9と図 5を比較するとともに、図 1 0と図 6を比較すると明らかなように、 窓関数を導入することにより、音響指向性分布の形状は全体的に滑らかとなり、 主たる指向性において音の分布が広がり、 また、 音圧エネルギーの等高線の波 形形状も不規則性から緩和されている。
ここで、 リスニング位置におけるスイートスポットを広げるため、 音響指向 性分布の内、 その全体形状よりも主たる指向性における形状 (又は、 音響指向 性分布の幅) に対して所定の重み付けを行う必要がある。 図 9及ぴ図 1 0並び に図 5及び図 6に示す音響指向性分布のシミュレーション結果から、 1 k H z 及び 2 k H Zの周波数信号について主たる音響指向性分布の形状が相似するも のを選択すると、 図 9及び図 6のグラフを重ね合わせたような音響指向性分布 となる。 即ち、 1 k H zの周波数信号の音響指向性分布に対しては窓関数を適 用せず、 一方、 2 k H zの周波数信号の音響指向性分布に対しては窓関数を適 用することで、 全ての周波数信号に対して同じデジタル処理を施した場合に比 ベて音響指向性分布の形状を理想的なものに近づけることができる。
上述のように、 各周波数帯域毎に適用する窓関数を加減することで、 略ブラ ットな音響周波数特性を広いスイートスポットにおいて実現することができる。 即ち、 この発明のアレースピーカーシステムでは、 周波数帯域に応じて適用 する窓関数の特性を異ならしめることにより、 具体的には、 低い周波数に対し ては緩やかな (即ち、 アレースピーカーの中央部のスピーカーユニットに付与 する重み付けと周辺部のスピーカーュニットに付与する重み付けとの差が小さ い) 窓関数を適用することにより、 略フラットな周波数特性のスイートスポッ トを広げることができ、 以つて、 良好な音響指向性分布を得ることができる。 次に、 上記の知見に基づいてなされたアレースピーカーシステムの実施例に ついて説明する。
図 1は、 この発明の第 1実施例に係るアレースピーカーシステムの要部構成 を示すブロック図である。 第 1実施例では、 音響信号を高域成分と低域成分の 2つの周波数帯域に分割し、 夫々の周波数帯域に対して異なる特性の窓関数を 適用するようにしている。 尚、 図 1においても、 図 4と同様に、 AZD変換器、 D/A変換器、 及び制御回路等の図示を省略している。
図 1では、 アレースピーカーシステムに含まれる複数のスピーカーュニット の内、 第 n番目のスピーカーユニット 1一 nと、 第 n + 1番目のスピーカーュ ニット 1一 n + 1に関する回路部分のみを示しているが、 他のスピーカーュ- ットについても同様に回路構成することができる。 図 1において、 符号 2は入 力音響信号の低域成分 (low-frequency components) を取り出す低域通過フィ ルタ (L P F ) を示し、 符号 5は高域成分 (high-frequency components) を 取り出す高域通過フィルタ (H P F ) を示す。 フィルタ 5及ぴ 6により、 ソー スである入力音響信号を低域成分と高域成分の 2つの周波数帯域に分割する。
L P F 2を通過した入力音響信号の低域成分は複数のタップを有する遅延回 路 3に供給されて、 各スピーカーユニッ ト毎に実現したい音響指向性 (即ち、 音響信号ビームの指向性) に適合する遅延時間を付与するタップから遅延信号 が取り出されて、 スピーカーュニット 1一 n及び 1— n + 1に夫々対応して設 けられた乗算器 4— n及び 4— n + 1に供給され、 そこで、 低域成分に適用さ れる窓関数 Lを実現する所定の係数と乗算される。
一方、 H P F 5を通過した入力音響信号の高域成分は複数のタップを有する 遅延回路 6に供給されて、 各スピーカーュニット毎に実現したい音響指向性に 適合する遅延時間を付与するタツプから遅延信号が取り出されて、 スピーカー ュニット 1— n及び 1—n+ 1に夫々対応して設けられた乗算器 7— n及び 7 一 n+ 1に供給され、 そこで、 高域成分に適用される窓関数 Hを実現する所定 の係数と乗算される。 ここでは、 各スピーカーユニット毎に同じ遅延時間が設 定されており、 2つの遅延回路 3及ぴ 6において同様に設定されている。
乗算器 4一 n及び 4— n+ 1から出力される低域信号と乗算器 7— n及び 7 — n + 1から出力される高域信号は、 前記スピーカーュニット 1— n及び 1一 n+ 1に夫々対応した設けられた加算器 8— n及ぴ 8— n + 1において加算さ れ、 その後、 加算信号は夫々対応する増幅器 9一 n及び 9一 n+ 1において増 幅された後、 スピーカーュ-ット 1— n及び 1—n+ 1に供給される。
上記の高域成分用の窓関数 Hとしてはハミング窓関数 (即ち、 強い窓関数) がそのまま用いられ、 一方、 低域成分用の窓関数 Lとしては、 アレースピーカ 一の中央部のスピーカーュニットに付与される重み係数と周辺部のスピーカー ユニットに付与される重み係数との差が小さい (或いは、 音響指向性分布を緩 和した) 窓関数を用いたり、 或いは、 窓関数を使用しない (即ち、 全てのスピ 一力一ユニットに付与する重み係数を 「1」 に設定する)。
これにより、 高域側の音響指向性における音圧エネルギーの集中を緩和し、 以つて、低域側の音響指向性分布の形状に近似させることができる。 この結果、 略フラットな周波数特性にて音を再生することができるスイートスポットを広 げることができる。
図 2 A及ぴ図 2 Bは、 高域成分用の窓関数 Hと低域成分用の窓関数 Lを概略 的に示すグラフである。 即ち、 図 2 Aは高域成分用の窓関数 Hを例示するもの であり、 ここでは、 ハミング窓を示している。 ここでは、 符号 1一:!〜 1—8 で示す 8個のスピーカーュニットにより構成されるアレースピーカーに適用さ れる窓関数を例示しており、 各スピーカーュニットに付与される重み係数は、 夫々、 0. 0800、 0. 2532、 0. 6424、 0. 9544、 0. 95 44、 0. 6424、 0. 2532、 及ぴ 0. 0800に設定されている。 図 2Bは、 低域成分用の窓関数 Lを例示するものであり、 前記のハミング窓 に対してオフセットを付与し、 アレースピーカーの中央部のスピーカーュニッ トに付与する重み係数と周辺部のスピーカーユニットに付与する重み係数との 差を小さくしている。 ここで、 重み係数の最大値は 「1」 に設定されている。 ここでは、 オフセット値を 0. 5に設定しており、 8個のスピーカーユニット 1— 1〜: 1— 8に夫々付与する重み係数は 0. 5800、 0. 7532、 1、 1、 1、 1、 0. 7532、 0. 5800に設定されている。
尚、 低域成分用に適用される緩和された窓関数 Lとしては、 上記の例に限定 される必要は無く、 種々の方法で作成されたものを使用することができる。 例えば、 ノヽミング窓の値の平方根をとり、 スピーカーュニット 1一 1〜: 1— 8に夫々付与する重み係数を 0. 5800、 0. 7532、 1、 1、 1、 1、 0. 7532、 0. 5800に設定してもよレヽ。
或いは、 ハミング窓の値と値 「1」 との平均値をとり、 スピーカーユニット 1一 1〜1ー8に夫々付与する重み係数を 0. 5400、 0. 6266、 0. 8212、 0. 9772、 0. 9772、 0. 821 2、 0. 6266、 0. 5400に設定してもよい。
上記のような単純な方法により、 アレースピーカーの中央部のスピーカーュ ニットに付与する重み付けと、 周辺部のスピーカーュニットに付与する重み付 けとのあいだに形成される ί頃斜を緩めることにより、 例えば、 図 10 (即ち、 窓関数なし。) に示した音響指向性分布と図 6 (即ち、ハミング窓関数を適用。) に示した音響指向性分布の中間的な音響指向性分布を実現することができる。 尚、 第 1実施例においては、 LPF 2と HPF 5により入力音響信号を低域 成分と高域成分の 2つの周波数帯域に分割したが、 この発明は第 1実施例の構 成に限定される必要は無く、 更に、 帯域通過フィルタ (BPF) 等を用いて入 力音響信号を 3つ以上の周波数帯域に分割し、 夫々の周波数帯域の信号に対し て異なる窓関数を用いて重み付けを付与するようにしてもよい。
また、 第 1実施例では、 窓関数としてハミング窓を使用したが、 その他のハ ユング窓等を使用してもよい。
音響信号の周波数帯域の内、 数百 Η ζ以下の低周波数帯域では、 スピーカー の大きさと波長との関係で現実的には音響指向性制御を行うことは困難である。 そこで、 この低周波数帯域については、 音響信号から別途分離して音響指向性 制御の対象から外したり、 或いは、 無指向性とすることにより、 スイートスポ ットにおける音圧エネルギーバランスが良くなるようにゲイン調整を行うこと が望ましい。
図 3は、 数百 Hz以下の低周波数帯域については無指向性としたこの発明の 第 2実施例に係るアレースピーカーシステムの制御回路の要部構成を示すブ口 ック図である。 図 1に示した第 1実施例と同様に、 図 3に示す第 2実施例にお いても 2つのスピーカーュ-ット 11一 n及び 11一 n+ 1に関する回路構成 のみを示している。
図 3において、 符号 12はカツトオフ周波数を数百 Hzに設定した LP Fを 示し、 符号 13_ 11及ぴ13— n+1は LPF 12を通過した数百 H z以下の 低域成分の信号に対してスピーカーユニット 11— n及び 11—n+ 1に夫々 対応したゲインを付与する乗算器を示す。 ここで、 ゲインは他の周波数帯域の 信号とのパランスを考慮して定められる。 また、 符号 14は中域 (例えば、 数 百 Hz〜千数百 Hz) の信号を通過させる BPFを示し、 符号 15は当該中域 成分の信号に対して各スピーカーュニット毎に実現したい音響指向性 (即ち、 音響信号ビームの指向性) に適合する遅延時間を付与する遅延回路を示し、 符 号 16— n及び 16— 11+1は遅延回路15により異なる遅延時間が付与され た中域成分の信号に対して緩和された窓関数 Lによる重み付けを付与するため の乗算器を示す。 更に、 符号 17は高域の信号を通過させる HP Fを示し、 符 号 18は遅延回路 15と同様に構成された遅延回路を示し、 符号 19一 n及び 19— n+1は遅延回路 18により異なる遅延時間が付与された高域成分の信 号に対して窓関数 Hによる重み付けを付与するための乗算器を示す。 尚、 中域 成分の信号に対する重み付けを全て 「1」 に設定して窓関数を適用しないよう にしてもよい。
乗算器 13— n、 16— n、 及び 19一 nの出力信号は加算器 20— nにて 加算された後、 アンプ 21—nで増幅されて対応するスピーカーュニット 1 1 一 nへ供給される。 同様に、 乗算器 13— n+1、 16— n+1、 及び 19— n + 1の出力信号は加算器 2 0— n + 1にて加算された後、 アンプ 2 1— n + 1で増幅されて対応するスピーカーュニット 1 1— n + 1へ供給される。 このように、 第 2実施例では、 L P F 1 2により取り出された数百 H z以下 の低周波数信号については、 音響指向性 (即ち、 音響信号ビームの指向性) を 制御する遅延を施さず、 ゲイン調整のみ施されて対応するスピーカーュニット に供給される。
上記の第 2実施例においても、 低域から高域まで音圧エネルギーバランスの とれたスィートスポットを広くとることができる。
尚、 上記の各実施例においては、 複数のスピーカーユニットを一列に配列し て構成した 1次元のァレースピーカーについて説明したが、 複数のスピーカー ユニットをマトリックス状に行列配置された 2次元のアレースピーカーにおい てもこの発明を同様に適用することができる。 この場合には、 行方向及び列方 向の各 1次元ァレーに分割して音響指向性分布の制御を実現するようにすれば よく、 各 1次元アレーにおける重み係数を乗算した値を各スピーカーュ-ット に対して付与する重み付けとして設定すればよい。 ' 以上説明したように、 この発明に係るアレースピーカーシステムでは、 各ス ピーカーュニットから放射する音波信号を複数の周波数帯域に分割し、 高域ほ ど強い窓関数を適用し、 低域に適用する窓関数を緩やかにする (或いは、 低域 については窓関数を適用しない)。 これにより、比較的広い周波数帯域に渡って 相似した形の音響指向性分布を実現することができ、 以つて、 ソースとなる音 響信号の周波数特性のバランスを乱すことなく最適な音質を鑑賞可能なスィー トスポットを広げることができる。
尚、 この発明は上記の実施例に限定する必要は無く、 添付した請求項で規定 される発明の範囲内の変更等はこの発明に包含されるものである。

Claims

請求の範囲
1 . 複数のスピーカーュニッ トをアレー状に配列して構成したアレースピーカ 一から所定の時間差をもって音響信号ビームを放射することにより音響指向性 制御を行うようにしたアレースピーカーシステムであって、
アレースピーカーの中央部のスピーカーュニットに対して比較的大きい重み 付けを付与し、 周辺部のスピーカーュニットに対して比較的小さな重み付けを 付与するようにし、
入力音響信号の内の低域成分に対しては前記ァレースピーカーの中央部のス ピーカーュニットに付与する重み付けと周辺部のスピーカーュニットに付与す る重み付けとの差が、 高域成分における重み付けの差に比べて小さくすること を特徴とするァレースピーカーシステム。
2 . 複数のスピーカーュニットをアレー状に配列して構成したアレースピーカ 一から所定の時間差をもって音響信号ビームを放射することにより音響指向性 制御を行うようにしたアレースピーカーシステムであって、
入力音響信号の内の高域成分については、 前記ァレースピーカーの中央部の スピーカーュ-ットに対して比較的大きい重み付けを付与し、 周辺部のスピー カーュニットに対して比較的小さな重み付けを付与するようにし、
入力音響信号の内の低域成分については、 前記ァレースピーカーの中央部及 ぴ周辺部のスピーカーュニットに対して夫々同じ重み付けを付与することを特 徴とするアレースピーカーシステム。
3 . 複数のスピーカーュニットをアレー状に配列して構成したアレースピーカ 一から所定の時間差をもって音響信号ビームを放射することにより音響指向性 制御を行うようにしたアレースピーカーシステムであって、
入力音響信号を低域、 中域、 及び高域の 3つの周波数帯域に分割し、 入力音響信号の高域成分については、 前記ァレースピーカーの中央部のスピ 一力ーュエツトに対して比較的大きい重み付けを付与し、 周辺部のスピーカー ュニットに対して比較的小さな重み付けを付与するようにし、
入力音響信号の中域成分については、 前記ァレースピーカーの中央部のスピ 一力一ュュットと周辺部のスピーカーュ-ットに夫々付与する重み付けの差を 前記高域成分における重み付けの差よりも小さくする力 \ 或いは、 前記アレー スピーカーの中央部及び周辺部のスピーカーュニットに対して同じ重み付けを 付与するようにし、
入力音響信号の内の低域成分については、 各スピーカーュニットに対して時 間差を付与することなく、 また、 前記アレースピーカーの中央部及び周辺部の スピー力一ユニットに対して夫々同じ重み付けを付与することを特徴とするァ レースピーカーシステム。
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