スピーカアレーシステム
【課題】 特定の方向に高い指向特性で音波を放射することができる音響再生信号を生成するスピーカアレーシステムの周波数特性を向上させる。
【解決手段】 音源から入力された音響信号をＮ個のスピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）からなるスピーカアレー１１によって再生するスピーカアレーシステム１００であって、隣接するスピーカ１０間の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）のうち、スピーカ１０（１）とスピーカ１０（２）の間隔Ｄ（１）およびスピーカ１０（Ｎ）とスピーカ１０（Ｎ−１）の間隔Ｄ（Ｎ−１）が他のスピーカ１０の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きく、間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−１）が等しくなるように、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）が配置されている。
【解決手段】 音源から入力された音響信号をＮ個のスピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）からなるスピーカアレー１１によって再生するスピーカアレーシステム１００であって、隣接するスピーカ１０間の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）のうち、スピーカ１０（１）とスピーカ１０（２）の間隔Ｄ（１）およびスピーカ１０（Ｎ）とスピーカ１０（Ｎ−１）の間隔Ｄ（Ｎ−１）が他のスピーカ１０の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きく、間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−１）が等しくなるように、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向性で音波を放射することができるスピーカアレーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムは図１０に示す通りで、まず、音源ソース１がフィルタ部（ＬＰＦ）２を介して、ＡＤＣ部３でディジタル信号に変換され、この後、２次元ディジタルフィルタ２４にて、スピーカアレー８から指向性音響ビームが放出されるための演算処理が行われる。演算後、ＤＡＣ部５でアナログ信号に変換され、その出力信号はフィルタ部６を介して、アンプ部７で所定の電力増幅がなされ、スピーカアレー部８から指向性音響ビームとして放射されるものである。
このスピーカアレーシステムは、高い指向性を有することから、横断歩道を渡る人への案内放送、駅のホームでの通過列車などの案内放送、駐車場出口などでの車注意の案内放送、エスカレータの乗降注意の案内放送、展示場などでの展示物の説明放送、限定された空間での音楽・ＴＶ視聴、銀行ＡＴＭ、券売機、自動販売機等の案内放送、追尾する様に違反者に警告音を発生させるパトカー、臨場感溢れるアミューズメント機器等への応用が考えられ、実用化が望まれているものである。
このようなスピーカアレーシステムとして、例えば、高音質のサラウンド音場を生成することを目的としたスピーカアレーシステムが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２３８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１は、説明の便宜上、Ｎ個の１次元ディジタルフィルタＨ１（Ｚ１）〜ＨＮ（Ｚ１）からなる２次元ディジタルフィルタ２４とそれに対応するスピーカアレー部８のみを、図１０に示す回路システムから取り出したものである。図１１に示すスピーカアレーシステムにおいては、音響ビームに指向性を付与するスピーカアレーシステム２００のスピーカアレー８は、スピーカ１０（１）〜スピーカ１０（Ｎ）の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）が全て等しいものとして構成されている。
ここで、各１次元ディジタルフィルタＨ１（Ｚ１）〜ＨＮ（Ｚ１）は、図１２に示すようになっており、同図はＮ個のうちのｎ番目の１次元ディジタルフィルタＨｎ（Ｚ１）を示している。同図において、Ｚ１−１は、Ｚ１＝ｅｘｐ（ｊω１Ｔ）なる関係があり（ω１：時間角周波数、Ｔ：サンプリング間隔）、遅延回路の一要素を表している。
従って、ｎ番目の１次元ディジタルフィルタは次の様に示される。
【数１】
このため、２次元ディジタルフィルタ２４は次の様に示される。
【数２】
ここで、Ｚ２、Ｚ２＝ｅｘｐ（ｊω２Ｄ）なる関係があり（ω２：空間角周波数、Ｄ：スピーカユニット間隔）、図１１において、各スピーカと隣接スピーカとの位置の関係を表している。
空間周波数を離散的に評価したものである。
以上に示したスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性を変化させるための手段としては、２次元ディジタルフィルタ２４の時間周波数と空間周波数とによって表される２次元周波数平面での振幅特性と位相特性の設計、スピーカの数、間隔、およびアレー長Ｌが用いられていた。しかしながら、今までは、スピーカ間の間隔Ｄを全て均等にして検証を行ってきた。すなわち、スピーカ間隔を不均等にした場合に於ける指向特性および周波数特性の変化については未検証であった。
そこで、本発明は、スピーカアレーを構成するスピーカの間隔を改善することにより、スピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の発明者は、スピーカアレーを構成するスピーカの配置とスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性との関係について検討した結果、スピーカアレーを構成するスピーカを部分的に不等間隔に配置することによりスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性が向上することを見いだして本発明に至ったものである。
請求項１の本発明のスピーカアレーシステムは、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接するスピーカ間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいことを特徴とする。
請求項２の本発明は、請求項１に記載のスピーカアレーシステムにおいて、音源から入力されたディジタル音響信号の指向特性を２次元ディジタルフィルタによって制御するものであって、前記２次元ディジタルフィルタが、仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、位相特性を設定するものであることを特徴とする。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載のスピーカアレーシステムにおいて、前記末端スピーカが低音域のみ増音量されているものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のスピーカアレーシステムは、末端スピーカとそれに隣接するスピーカの間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔より大きくなるようにスピーカを配置することにより、帯域上端周波数および、音響ビームの指向特性、特に人の聴覚に大きく影響する４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの構成の概略を示すブロック図
【図２】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの２次元ディジタルフィルタにより振幅特性を設定する方法を説明するための模式図
【図３】２次元ディジタルフィルタの形成する音響ビームの目標振幅特性を示しており、（ａ）規格化された時間周波数ｆ1^と規格化された空間周波数ｆ2^による２次元周波数平面における目標振幅特性を示すグラフ、（ｂ）（ａ）中にＡ-Ａ線で示した部分の音圧レベルを示すグラフ
【図４】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムにより、仮想音源点としての点Ｐに音響ビームの焦点を形成する構成を説明する模式図
【図５】本発明の実施例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフ
【図６】比較例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフ
【図７】本発明の実施例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフ
【図８】比較例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフ
【図９】アレー長Ｌの等しいスピーカアレーを示しており、（ａ）末端スピーカ間隔がその他のスピーカ間隔の２倍となるように配置された７個のスピーカにより構成されたスピーカアレーのブロック図、（ｂ）全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された７個のスピーカにより構成されたスピーカアレーのブロック図、（ｃ）全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された５個のスピーカにより構成されたスピーカアレーのブロック図
【図１０】従来の２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムを示すブロック図
【図１１】図１０に示す回路システムから２次元ディジタルフィルタとそれに対応するスピーカアレー部のみを取り出したブロック図
【図１２】従来の各１次元ディジタルフィルタの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のスピーカアレーシステムの実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの構成の概略を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００は、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）からなるスピーカアレー１１および１次元ディジタルフィルタ２０（１）〜２０（Ｎ）からなる２次元ディジタルフィルタ４を備えている。２次元ディジタルフィルタ４は、両端から１つ内側のディジタルフィルタを備えていないという点において図１０、図１１に示した２次元ディジタルフィルタ２４と相違しているが、その他の構成は２次元ディジタルフィルタ２４と同じである。
なお、以下では、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）を区別しないときには、単にスピーカ１０と記し、フィルタ２０（１）〜２０（Ｎ）を区別しないときには、単にフィルタ２０と記す。
【０００９】
（２次元ディジタルフィルタ）
図１に示したスピーカアレー１１を構成するスピーカ１０は、それぞれ１次元ディジタルフィルタ２０に接続されている。そして、外部音源（図示せず）からアナログ信号として供給された音声信号が、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりディジタルデータに変換されて、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに供給される。
１次元ディジタルフィルタ２０は、スピーカアレーシステム１００に特徴的な構成要素である遅延要素Ｚ１−１と各フィルタ係数ｈ（ｍ，ｎ）（図１２参照）とが予め設定されており、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれが供給されたディジタルデータに応じたフィルタ処理を行って出力する。このようにして出力される１次元ディジタルフィルタ２０からのフィルタ処理後の出力は、Ｄ／Ａ変換器（図示せず）により音声信号へと変換されて、スピーカ１０に供給される。このように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００では、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０に接続されている１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておくことにより、スピーカアレー１１に特徴的な振幅特性を付与することができる。
より具体的には、スピーカアレー１１と２次元ディジタルフィルタ４とによって構成されたスピーカアレーシステム１００に２次元ディジタルフィルタ４の振幅特性と位相特性とを設定することにより、図４に示すように、スピーカアレー１１の中心点０から、スピーカアレー１１の正面方向（スピーカアレー１１におけるスピーカ１０の配列方向と直交する方向）との角度φ０、距離ｒ０の点Ｐに音響ビームの焦点を仮想音源点Ｐとして形成することができる。
【００１０】
（振幅特性の設定）
図２に示すような等間隔Ｄで直線配置のスピーカアレーから、角度φで放射される音響波のスペクトルは、２次元周波数平面では下記の式で表される直線上に分布する。
【数３】
ただし、上記の式中ｆ１は時間周波数を示しており、ｆ２は空間周波数を示している。信号の時間サンプリング間隔をＴ（秒）とし、ｆ１とｆ２とをそれぞれ、１／Ｔと１／Ｄで規格化すると上記の式は、下記の式に書き直される。
【数４】
ビーム中心をφ＝φ０、ビーム広がりをφ＝φＳ＋〜φＳ−とする音響ビームを形成するための２次元ディジタルフィルタ４の目標振幅特性として、図３に示すようなくさび形過渡域の特性を用いる（西川清、大野広祥、唐新華、金森丈郎、直野博之、「広帯域ビーム形成用２次元ＦＩＲファンフィルタの２次元フーリエ級数近似による設計法」、電子通信学会論文誌、ｖｏｌ．Ｊ８３−Ａ、Ｎｏ．１２、ｐｐ．１３５７−１３６７、２０００年１２月）。
図３（ａ）は、規格化された時間周波数ｆ1^と規格化された空間周波数ｆ2^による２次元周波数平面での目標振幅特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）中にＡ-Ａ線で示した部分の音圧レベルを示すグラフである。また、図中において、φＳ＋およびφＳ−は音響ビームのビーム端角度を、φＣ＋およびφＣ−は音響ビームの音圧レベルが半分となる半値遮断角度を、φＰ＋およびφＰ−は音響ビームの音圧レベルがφ＝φ０と同じレベルである範囲の両端の角度をそれぞれ示している。なお、φ０＝０の場合は、φＳ＋＝φＳ、φＳ−＝−φＳ、φＣ＋＝φＣ、φＣ−＝−φＣ、φＰ＋＝φＰ、φＰ−＝−φＰとおく。
末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）・Ｄ（Ｎ−１）を他のスピーカの間隔Ｄの２倍とする場合、上述した振幅特性および位相特性の設定では、図１において二点鎖線を用いて示したように、末端スピーカ１０（１）・１０（Ｎ）の内側に仮想のスピーカが配置されていると想定して設定すれば良い。
【００１１】
（位相特性の設定）
２次元ディジタルフィルタ４による位相特性の設定について、以下に説明する。２次元ディジタルフィルタ４は、図４に細い実線で示したスピーカアレー１１の中心点０を中心とする音波を示す円の波面を、より小さい同図中に太い実線で示した仮想音源点Ｐを中心とする音波を示す円の波面に変形するものである。なお、細い実線で示した円と太い実線で示した円とは、中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線との交点において接している。具体的には、図４に太い実線で示した仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、下記の式で示される伝搬遅延τ（φ）すなわち角度φ方向の伝搬時間差を設定する（西川清、志村智、横山哲哉、宮岸美貴子、「２次元ディジタルフィルタを用いた音像移動と集束ビーム形成」ＡＥＳ東京コンベンション ’９９予稿集、ｐｐ．１６６−１６９、１９９９−０７）。
【数５】
また、２次元ディジタルフィルタ４の位相特性θ（ω１，ω２）は、τ（φ）と時間角周波数ω１により、下記の式で表される。
【数６】
また、ビームの広がりを示すビーム端角度φＳ＋、φＳ−は、前記の角度φ０、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０の仮想音源点Ｐから遠い方の一端のスピーカの中心と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線、およびスピーカアレー１１の中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ＋、ならびに、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０の仮想音源点Ｐに近い方の他端のスピーカの中心と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線、およびスピーカアレー１１の中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ−を用いて、下記の式により表される。
φＳ＋＝φ０＋φｅ＋
φＳ−＝φ０−φｅ−
【００１２】
上述したように、スピーカアレーシステム１００では、周波数と方向のパラメータを用いるのではなく、時間周波数と空間周波数とによって表わされる２次元周波数平面での２次元ディジタルフィルタ４を所望の周波数および指向特性に近似して設計する。
焦点位置を遠くに設定する超指向性ビーム形成の場合、低域での位相設定の範囲が狭く、その効果が出にくいことから、低域での位相設定範囲を拡大し、振幅の設定が行われるすべての領域に、すなわちスペクトルの分布する領域だけでなく、スペクトルの分布しない非物理領域にも位相設定することによって、高い指向性を得ることができる。
このような位相設定方法としては、特開２０１０−２８５９１号公報、「超指向性音響ビーム形成法」（西川清、西川元気、電子情報通信学会技術研究報告、ＥＡ２００７−１０１、２００８年１月）などに記載の方法を用いることができる。
【実施例】
【００１３】
本発明のスピーカアレーシステムの実施例について、以下、図面を参照しながら説明する。
（実施例）
本発明の実施例として、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接する末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔の２倍であり、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいスピーカアレーシステムとして、下記の特性を備えたものを設計した。
アレー長（Ｌ）＝４１．６ｃｍ（２．６ｃｍ×１２＋５．２ｃｍ×２）
ユニット数（Ｎ）＝１５、スピーカ間隔＝２．６ｃｍ、末端スピーカ間隔＝５．２ｃｍ
焦点距離（ｒ０）＝４０［ｃｍ］
過渡域幅φｐｓ＝１０度
φ０＝０度、φＳ＝２７．５度、φＣ＝２２．５度、φＰ＝１８．６度
フィルタ次数（Ｍ，Ｎ＋１）＝（６０，１６）
サンプリング周波数ｆｓ＝４５［ｋＨｚ］
帯域上端周波数ｆＨ＝８９４９［Ｈｚ］
帯域下端周波数ｆＬ＝ １１１７［Ｈｚ］
焦点先鋭度ｓｈｐ＝３２．２、ピーク値ｐｈ＝２．４４
（比較例）
また、比較例として、実施例と同じスピーカを用いて、スピーカアレーを構成する隣接するスピーカ間の間隔が全て等しいスピーカアレーシステムであって、スピーカアレー長、ユニット数、焦点距離および過渡域幅において実施例と等しい特性を備えたものを設計した（図１１参照）。
アレー長（Ｌ）＝４１．５８ｃｍ
ユニット数（Ｎ）＝１５、間隔Ｄ＝２．９７ｃｍ
焦点距離（ｒ０）＝４０［ｃｍ］
過渡域幅φｐｓ＝１０度
φ０＝０度、φＳ＝２７．５度、φＣ＝２２．５度、φＰ＝１８．７度
フィルタ次数（Ｍ，Ｎ−１）＝（６０，１４）
サンプリング周波数ｆｓ＝４５［ｋＨｚ］
帯域上端周波数ｆＨ＝７８３４［Ｈｚ］
帯域下端周波数ｆＬ＝ １１０９［Ｈｚ］
焦点先鋭度ｓｈｐ＝３１．３、ピーク値ｐｈ＝２．３９
【００１４】
上記の実施例および比較例のスピーカシステムについて、その周波数特性および指向特性を評価した。
（周波数特性）
図５は本発明の実施例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフであり、図６は比較例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフである。両グラフの比較により（１）実施例のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数が比較例のそれよりも高くなっていること、（２）実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性が向上していることが分かる。
すなわち、（１）実施例のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数（ｆＨ）は、８９４９ｋＨｚであり、比較例の７８３４ｋＨｚよりも高くなっている。これは、末端スピーカ間隔を他の間隔の２倍とすることにより、他のスピーカ間の間隔を小さくすることができることによるものである。
また、（２）図５と図６の比較により、実施例の結果を示すグラフのほうが比較例の結果を示すグラフよりも、φ＝４０度（ｄｅｇ）、φ＝７０度（ｄｅｇ）およびφ＝９０度（ｄｅｇ）のビーム域外において、振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が１．５ｋＨｚから３．５ｋＨｚの間で小さくなっていることが分かる。このように、実施例のスピーカアレーシステムでは、特に人の聴覚に対する影響の大きい４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性が向上している。
【００１５】
（指向特性）
図７は本発明の実施例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフであり、図８は比較例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフである。両グラフでは、いずれも主ビームは周波数に比例してピークレベルが高く、かつ、ビーム幅が狭くなる傾向を示すが、これは音響の焦点としての特徴を示す。両グラフの主ビーム以外の領域を比較すると、実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域では、比較例よりも音の指向特性が向上していることが分かる。
さらに、ｆ＝１．５ｋＨｚ、ｆ＝２．５ｋＨｚ、ｆ＝３．５ｋＨｚの指向特性を比較すると、図７に示した実施例のスピーカアレーシステムでは音のレベルが−２０ｄＢを下まわっているのに対し、図８に示した比較例のスピーカアレーシステムでは音のレベルが−２０ｄＢを超えているところがある。すなわち、実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域では、音響ビームの主ビーム以外の領域のレベル低下が大きくなっているため、音の指向特性が良いことが分かる。
【００１６】
以上のように、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接する末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しい構成、より具体的には、等間隔配置のユニット数（Ｎ＋２）のスピーカアレーの両端のそれぞれ１つ内側のユニットを外したユニット数Ｎのスピーカアレーとそれに接続される構成の実施例のスピーカアレーシステム（図１参照）により、等間隔配置のＮ個のスピーカアレーよりなる比較例のスピーカアレーシステム（図１１参照）よりも音域が広く、主ビーム域外で音のレベルの低下した集束形あるいは超指向性の音響ビームを形成することができる。
上記の結果が得られた理由として、実施例のスピーカアレーシステムは、１７個のスピーカを等間隔に配置したものから、２つのスピーカを取り除いた１５個のスピーカの構成であるものの、２つのスピーカを取り除く前の次数Ｎ２＝１６の性能を保持していることが一因として考えられる。
【００１７】
図１に示したように、実施例のスピーカアレーシステムを構成するスピーカアレー１１は、Ｎ個のスピーカ１０が直線状に配列されてなるものである。そして、スピーカ１０（１）〜（Ｎ）のうち隣接するスピーカ１０間の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）は、末端スピーカ１０（１）・１０（Ｎ）とそれに隣接するスピーカ１０（２）・１０（Ｎ−１）との間隔、すなわち末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）とＤ（Ｎ−１）とが等しく、その他のスピーカの間隔である間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）が等しいものとして構成されている。そして、間隔Ｄ（１）・間隔Ｄ（Ｎ−１）が、間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きくなるように配置されている。
【００１８】
また、実施例のスピーカアレーシステムを構成するスピーカアレー１１は、一旦、Ｎ＋２個のスピーカ１０を等間隔に配置してスピーカアレー１１を構成し、図１において二点鎖線を用いて示した両端から２個目のスピーカを取り除いた状態に相当する配置とされている。より具体的には、末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）および間隔Ｄ（Ｎ−１）が５．２ｃｍであって、他の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）の２．６ｃｍの２倍の長さとなるように配置されている。
【００１９】
以上のように、間隔Ｄ（１）および間隔Ｄ（Ｎ−１）が、他のスピーカ１０の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きくなるようにスピーカ１０を配置することにより、図５〜８に示したとおり、スピーカアレーシステム１００の帯域上端周波数および人の聴覚に大きく影響する４ｋＨｚ以下の低音域における周波数特性及び指向特性を向上させることができる。
【００２０】
以下、実施例のスピーカアレーシステムが、比較例との比較において、帯域上端周波数が高く指向特性の良好なものとなった理由について考察する。
図９は、アレー長Ｌの等しいスピーカアレーを示しており、（ａ）は末端スピーカ間隔がその他のスピーカ間隔の２倍となるように配置された７個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１３、（ｂ）は全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された７個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１２ｂ、（ｃ）は全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された５個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１２ｃを示している。
図９（ａ）に示すように、スピーカアレー１３を構成するスピーカ１０（２）〜１０（６）のスピーカ間隔Ｓは、同図（ｂ）に示すスピーカアレー１２ｂを構成するスピーカ１０（１）〜１０（７）のスピーカ間隔Ｓ’よりも狭くなる。指向特性が同じスピーカアレーシステムの場合、スピーカ間隔と帯域上端周波数の間には互いに反比例の関係があることから、これにより、図９（ａ）のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数を高くすることができる。
【００２１】
スピーカ１０が等間隔に配置された、図９（ｂ）に示すスピーカアレー１２ｂと、同図（ｃ）に示すスピーカアレー１２ｃは、アレー長Ｌが等しいことから、低音域ではほぼ同じ指向特性を示すことができる。また、図９（ａ）のスピーカアレー１３は、図９（ｃ）のスピーカアレー１２ｃのスピーカ１０（２）とスピーカ１０（３）、スピーカ１０（３）とスピーカ１０（４）の中間にそれぞれスピーカ１０を配置した構成と一致する。したがって、低音域での指向特性は、スピーカアレー１２ｃ、したがってスピーカアレー１２ｂの指向特性に比べて、加わったスピーカ１０の分だけ向上したと考えられる。
なお、スピーカアレー１３の中心のスピーカから両側に間隔２Ｓでスピーカ１０を配置した場合に、スピーカアレー１３の両端にスピーカ１０を位置させるには、図９（ａ）に示したものから、スピーカ１０の数を４個ずつ増やす必要がある。したがって、スピーカ１０の数は４ｎ−１（ｎは２以上の整数）であることが好ましいといえる。
【００２２】
図５に示した実施例の周波数特性は、２ｋＨｚ以下の下部低音領域では指向特性が十分に形成されないので、振幅の低下した特性となるが、末端のスピーカ１０（１）・１０（７）を下部低音域のみ音量を高めた構成とすることにより、スピーカアレー１３の上部低音域と高音域の指向性に影響を与えることなく、低音の付与された指向性の高い音とすることができ、特に、この低音にステレオ音源を用いると、より効果的な音にできる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向特性で音波を放射させることができるスピーカアレーシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００２４】
４ ２次元ディジタルフィルタ
１０ スピーカ
１０（１）、１０（Ｎ） 末端スピーカ
Ｄ 間隔（スピーカ間隔）
Ｄ（１）、Ｄ（Ｎ−１） 間隔（末端スピーカ間隔）
１１、１３ スピーカアレー
２０ １次元ディジタルフィルタ
１００ スピーカアレーシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向性で音波を放射することができるスピーカアレーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムは図１０に示す通りで、まず、音源ソース１がフィルタ部（ＬＰＦ）２を介して、ＡＤＣ部３でディジタル信号に変換され、この後、２次元ディジタルフィルタ２４にて、スピーカアレー８から指向性音響ビームが放出されるための演算処理が行われる。演算後、ＤＡＣ部５でアナログ信号に変換され、その出力信号はフィルタ部６を介して、アンプ部７で所定の電力増幅がなされ、スピーカアレー部８から指向性音響ビームとして放射されるものである。
このスピーカアレーシステムは、高い指向性を有することから、横断歩道を渡る人への案内放送、駅のホームでの通過列車などの案内放送、駐車場出口などでの車注意の案内放送、エスカレータの乗降注意の案内放送、展示場などでの展示物の説明放送、限定された空間での音楽・ＴＶ視聴、銀行ＡＴＭ、券売機、自動販売機等の案内放送、追尾する様に違反者に警告音を発生させるパトカー、臨場感溢れるアミューズメント機器等への応用が考えられ、実用化が望まれているものである。
このようなスピーカアレーシステムとして、例えば、高音質のサラウンド音場を生成することを目的としたスピーカアレーシステムが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２３８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１は、説明の便宜上、Ｎ個の１次元ディジタルフィルタＨ１（Ｚ１）〜ＨＮ（Ｚ１）からなる２次元ディジタルフィルタ２４とそれに対応するスピーカアレー部８のみを、図１０に示す回路システムから取り出したものである。図１１に示すスピーカアレーシステムにおいては、音響ビームに指向性を付与するスピーカアレーシステム２００のスピーカアレー８は、スピーカ１０（１）〜スピーカ１０（Ｎ）の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）が全て等しいものとして構成されている。
ここで、各１次元ディジタルフィルタＨ１（Ｚ１）〜ＨＮ（Ｚ１）は、図１２に示すようになっており、同図はＮ個のうちのｎ番目の１次元ディジタルフィルタＨｎ（Ｚ１）を示している。同図において、Ｚ１−１は、Ｚ１＝ｅｘｐ（ｊω１Ｔ）なる関係があり（ω１：時間角周波数、Ｔ：サンプリング間隔）、遅延回路の一要素を表している。
従って、ｎ番目の１次元ディジタルフィルタは次の様に示される。
【数１】
このため、２次元ディジタルフィルタ２４は次の様に示される。
【数２】
ここで、Ｚ２、Ｚ２＝ｅｘｐ（ｊω２Ｄ）なる関係があり（ω２：空間角周波数、Ｄ：スピーカユニット間隔）、図１１において、各スピーカと隣接スピーカとの位置の関係を表している。
空間周波数を離散的に評価したものである。
以上に示したスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性を変化させるための手段としては、２次元ディジタルフィルタ２４の時間周波数と空間周波数とによって表される２次元周波数平面での振幅特性と位相特性の設計、スピーカの数、間隔、およびアレー長Ｌが用いられていた。しかしながら、今までは、スピーカ間の間隔Ｄを全て均等にして検証を行ってきた。すなわち、スピーカ間隔を不均等にした場合に於ける指向特性および周波数特性の変化については未検証であった。
そこで、本発明は、スピーカアレーを構成するスピーカの間隔を改善することにより、スピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の発明者は、スピーカアレーを構成するスピーカの配置とスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性との関係について検討した結果、スピーカアレーを構成するスピーカを部分的に不等間隔に配置することによりスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性が向上することを見いだして本発明に至ったものである。
請求項１の本発明のスピーカアレーシステムは、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接するスピーカ間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいことを特徴とする。
請求項２の本発明は、請求項１に記載のスピーカアレーシステムにおいて、音源から入力されたディジタル音響信号の指向特性を２次元ディジタルフィルタによって制御するものであって、前記２次元ディジタルフィルタが、仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、位相特性を設定するものであることを特徴とする。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載のスピーカアレーシステムにおいて、前記末端スピーカが低音域のみ増音量されているものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のスピーカアレーシステムは、末端スピーカとそれに隣接するスピーカの間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔より大きくなるようにスピーカを配置することにより、帯域上端周波数および、音響ビームの指向特性、特に人の聴覚に大きく影響する４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの構成の概略を示すブロック図
【図２】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの２次元ディジタルフィルタにより振幅特性を設定する方法を説明するための模式図
【図３】２次元ディジタルフィルタの形成する音響ビームの目標振幅特性を示しており、（ａ）規格化された時間周波数ｆ1^と規格化された空間周波数ｆ2^による２次元周波数平面における目標振幅特性を示すグラフ、（ｂ）（ａ）中にＡ-Ａ線で示した部分の音圧レベルを示すグラフ
【図４】本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムにより、仮想音源点としての点Ｐに音響ビームの焦点を形成する構成を説明する模式図
【図５】本発明の実施例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフ
【図６】比較例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフ
【図７】本発明の実施例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフ
【図８】比較例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフ
【図９】アレー長Ｌの等しいスピーカアレーを示しており、（ａ）末端スピーカ間隔がその他のスピーカ間隔の２倍となるように配置された７個のスピーカにより構成されたスピーカアレーのブロック図、（ｂ）全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された７個のスピーカにより構成されたスピーカアレーのブロック図、（ｃ）全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された５個のスピーカにより構成されたスピーカアレーのブロック図
【図１０】従来の２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムを示すブロック図
【図１１】図１０に示す回路システムから２次元ディジタルフィルタとそれに対応するスピーカアレー部のみを取り出したブロック図
【図１２】従来の各１次元ディジタルフィルタの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のスピーカアレーシステムの実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの構成の概略を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００は、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）からなるスピーカアレー１１および１次元ディジタルフィルタ２０（１）〜２０（Ｎ）からなる２次元ディジタルフィルタ４を備えている。２次元ディジタルフィルタ４は、両端から１つ内側のディジタルフィルタを備えていないという点において図１０、図１１に示した２次元ディジタルフィルタ２４と相違しているが、その他の構成は２次元ディジタルフィルタ２４と同じである。
なお、以下では、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）を区別しないときには、単にスピーカ１０と記し、フィルタ２０（１）〜２０（Ｎ）を区別しないときには、単にフィルタ２０と記す。
【０００９】
（２次元ディジタルフィルタ）
図１に示したスピーカアレー１１を構成するスピーカ１０は、それぞれ１次元ディジタルフィルタ２０に接続されている。そして、外部音源（図示せず）からアナログ信号として供給された音声信号が、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりディジタルデータに変換されて、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに供給される。
１次元ディジタルフィルタ２０は、スピーカアレーシステム１００に特徴的な構成要素である遅延要素Ｚ１−１と各フィルタ係数ｈ（ｍ，ｎ）（図１２参照）とが予め設定されており、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれが供給されたディジタルデータに応じたフィルタ処理を行って出力する。このようにして出力される１次元ディジタルフィルタ２０からのフィルタ処理後の出力は、Ｄ／Ａ変換器（図示せず）により音声信号へと変換されて、スピーカ１０に供給される。このように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００では、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０に接続されている１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておくことにより、スピーカアレー１１に特徴的な振幅特性を付与することができる。
より具体的には、スピーカアレー１１と２次元ディジタルフィルタ４とによって構成されたスピーカアレーシステム１００に２次元ディジタルフィルタ４の振幅特性と位相特性とを設定することにより、図４に示すように、スピーカアレー１１の中心点０から、スピーカアレー１１の正面方向（スピーカアレー１１におけるスピーカ１０の配列方向と直交する方向）との角度φ０、距離ｒ０の点Ｐに音響ビームの焦点を仮想音源点Ｐとして形成することができる。
【００１０】
（振幅特性の設定）
図２に示すような等間隔Ｄで直線配置のスピーカアレーから、角度φで放射される音響波のスペクトルは、２次元周波数平面では下記の式で表される直線上に分布する。
【数３】
ただし、上記の式中ｆ１は時間周波数を示しており、ｆ２は空間周波数を示している。信号の時間サンプリング間隔をＴ（秒）とし、ｆ１とｆ２とをそれぞれ、１／Ｔと１／Ｄで規格化すると上記の式は、下記の式に書き直される。
【数４】
ビーム中心をφ＝φ０、ビーム広がりをφ＝φＳ＋〜φＳ−とする音響ビームを形成するための２次元ディジタルフィルタ４の目標振幅特性として、図３に示すようなくさび形過渡域の特性を用いる（西川清、大野広祥、唐新華、金森丈郎、直野博之、「広帯域ビーム形成用２次元ＦＩＲファンフィルタの２次元フーリエ級数近似による設計法」、電子通信学会論文誌、ｖｏｌ．Ｊ８３−Ａ、Ｎｏ．１２、ｐｐ．１３５７−１３６７、２０００年１２月）。
図３（ａ）は、規格化された時間周波数ｆ1^と規格化された空間周波数ｆ2^による２次元周波数平面での目標振幅特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）中にＡ-Ａ線で示した部分の音圧レベルを示すグラフである。また、図中において、φＳ＋およびφＳ−は音響ビームのビーム端角度を、φＣ＋およびφＣ−は音響ビームの音圧レベルが半分となる半値遮断角度を、φＰ＋およびφＰ−は音響ビームの音圧レベルがφ＝φ０と同じレベルである範囲の両端の角度をそれぞれ示している。なお、φ０＝０の場合は、φＳ＋＝φＳ、φＳ−＝−φＳ、φＣ＋＝φＣ、φＣ−＝−φＣ、φＰ＋＝φＰ、φＰ−＝−φＰとおく。
末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）・Ｄ（Ｎ−１）を他のスピーカの間隔Ｄの２倍とする場合、上述した振幅特性および位相特性の設定では、図１において二点鎖線を用いて示したように、末端スピーカ１０（１）・１０（Ｎ）の内側に仮想のスピーカが配置されていると想定して設定すれば良い。
【００１１】
（位相特性の設定）
２次元ディジタルフィルタ４による位相特性の設定について、以下に説明する。２次元ディジタルフィルタ４は、図４に細い実線で示したスピーカアレー１１の中心点０を中心とする音波を示す円の波面を、より小さい同図中に太い実線で示した仮想音源点Ｐを中心とする音波を示す円の波面に変形するものである。なお、細い実線で示した円と太い実線で示した円とは、中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線との交点において接している。具体的には、図４に太い実線で示した仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、下記の式で示される伝搬遅延τ（φ）すなわち角度φ方向の伝搬時間差を設定する（西川清、志村智、横山哲哉、宮岸美貴子、「２次元ディジタルフィルタを用いた音像移動と集束ビーム形成」ＡＥＳ東京コンベンション ’９９予稿集、ｐｐ．１６６−１６９、１９９９−０７）。
【数５】
また、２次元ディジタルフィルタ４の位相特性θ（ω１，ω２）は、τ（φ）と時間角周波数ω１により、下記の式で表される。
【数６】
また、ビームの広がりを示すビーム端角度φＳ＋、φＳ−は、前記の角度φ０、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０の仮想音源点Ｐから遠い方の一端のスピーカの中心と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線、およびスピーカアレー１１の中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ＋、ならびに、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０の仮想音源点Ｐに近い方の他端のスピーカの中心と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線、およびスピーカアレー１１の中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ−を用いて、下記の式により表される。
φＳ＋＝φ０＋φｅ＋
φＳ−＝φ０−φｅ−
【００１２】
上述したように、スピーカアレーシステム１００では、周波数と方向のパラメータを用いるのではなく、時間周波数と空間周波数とによって表わされる２次元周波数平面での２次元ディジタルフィルタ４を所望の周波数および指向特性に近似して設計する。
焦点位置を遠くに設定する超指向性ビーム形成の場合、低域での位相設定の範囲が狭く、その効果が出にくいことから、低域での位相設定範囲を拡大し、振幅の設定が行われるすべての領域に、すなわちスペクトルの分布する領域だけでなく、スペクトルの分布しない非物理領域にも位相設定することによって、高い指向性を得ることができる。
このような位相設定方法としては、特開２０１０−２８５９１号公報、「超指向性音響ビーム形成法」（西川清、西川元気、電子情報通信学会技術研究報告、ＥＡ２００７−１０１、２００８年１月）などに記載の方法を用いることができる。
【実施例】
【００１３】
本発明のスピーカアレーシステムの実施例について、以下、図面を参照しながら説明する。
（実施例）
本発明の実施例として、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接する末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔の２倍であり、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいスピーカアレーシステムとして、下記の特性を備えたものを設計した。
アレー長（Ｌ）＝４１．６ｃｍ（２．６ｃｍ×１２＋５．２ｃｍ×２）
ユニット数（Ｎ）＝１５、スピーカ間隔＝２．６ｃｍ、末端スピーカ間隔＝５．２ｃｍ
焦点距離（ｒ０）＝４０［ｃｍ］
過渡域幅φｐｓ＝１０度
φ０＝０度、φＳ＝２７．５度、φＣ＝２２．５度、φＰ＝１８．６度
フィルタ次数（Ｍ，Ｎ＋１）＝（６０，１６）
サンプリング周波数ｆｓ＝４５［ｋＨｚ］
帯域上端周波数ｆＨ＝８９４９［Ｈｚ］
帯域下端周波数ｆＬ＝ １１１７［Ｈｚ］
焦点先鋭度ｓｈｐ＝３２．２、ピーク値ｐｈ＝２．４４
（比較例）
また、比較例として、実施例と同じスピーカを用いて、スピーカアレーを構成する隣接するスピーカ間の間隔が全て等しいスピーカアレーシステムであって、スピーカアレー長、ユニット数、焦点距離および過渡域幅において実施例と等しい特性を備えたものを設計した（図１１参照）。
アレー長（Ｌ）＝４１．５８ｃｍ
ユニット数（Ｎ）＝１５、間隔Ｄ＝２．９７ｃｍ
焦点距離（ｒ０）＝４０［ｃｍ］
過渡域幅φｐｓ＝１０度
φ０＝０度、φＳ＝２７．５度、φＣ＝２２．５度、φＰ＝１８．７度
フィルタ次数（Ｍ，Ｎ−１）＝（６０，１４）
サンプリング周波数ｆｓ＝４５［ｋＨｚ］
帯域上端周波数ｆＨ＝７８３４［Ｈｚ］
帯域下端周波数ｆＬ＝ １１０９［Ｈｚ］
焦点先鋭度ｓｈｐ＝３１．３、ピーク値ｐｈ＝２．３９
【００１４】
上記の実施例および比較例のスピーカシステムについて、その周波数特性および指向特性を評価した。
（周波数特性）
図５は本発明の実施例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフであり、図６は比較例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフである。両グラフの比較により（１）実施例のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数が比較例のそれよりも高くなっていること、（２）実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性が向上していることが分かる。
すなわち、（１）実施例のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数（ｆＨ）は、８９４９ｋＨｚであり、比較例の７８３４ｋＨｚよりも高くなっている。これは、末端スピーカ間隔を他の間隔の２倍とすることにより、他のスピーカ間の間隔を小さくすることができることによるものである。
また、（２）図５と図６の比較により、実施例の結果を示すグラフのほうが比較例の結果を示すグラフよりも、φ＝４０度（ｄｅｇ）、φ＝７０度（ｄｅｇ）およびφ＝９０度（ｄｅｇ）のビーム域外において、振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が１．５ｋＨｚから３．５ｋＨｚの間で小さくなっていることが分かる。このように、実施例のスピーカアレーシステムでは、特に人の聴覚に対する影響の大きい４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性が向上している。
【００１５】
（指向特性）
図７は本発明の実施例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフであり、図８は比較例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフである。両グラフでは、いずれも主ビームは周波数に比例してピークレベルが高く、かつ、ビーム幅が狭くなる傾向を示すが、これは音響の焦点としての特徴を示す。両グラフの主ビーム以外の領域を比較すると、実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域では、比較例よりも音の指向特性が向上していることが分かる。
さらに、ｆ＝１．５ｋＨｚ、ｆ＝２．５ｋＨｚ、ｆ＝３．５ｋＨｚの指向特性を比較すると、図７に示した実施例のスピーカアレーシステムでは音のレベルが−２０ｄＢを下まわっているのに対し、図８に示した比較例のスピーカアレーシステムでは音のレベルが−２０ｄＢを超えているところがある。すなわち、実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域では、音響ビームの主ビーム以外の領域のレベル低下が大きくなっているため、音の指向特性が良いことが分かる。
【００１６】
以上のように、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接する末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しい構成、より具体的には、等間隔配置のユニット数（Ｎ＋２）のスピーカアレーの両端のそれぞれ１つ内側のユニットを外したユニット数Ｎのスピーカアレーとそれに接続される構成の実施例のスピーカアレーシステム（図１参照）により、等間隔配置のＮ個のスピーカアレーよりなる比較例のスピーカアレーシステム（図１１参照）よりも音域が広く、主ビーム域外で音のレベルの低下した集束形あるいは超指向性の音響ビームを形成することができる。
上記の結果が得られた理由として、実施例のスピーカアレーシステムは、１７個のスピーカを等間隔に配置したものから、２つのスピーカを取り除いた１５個のスピーカの構成であるものの、２つのスピーカを取り除く前の次数Ｎ２＝１６の性能を保持していることが一因として考えられる。
【００１７】
図１に示したように、実施例のスピーカアレーシステムを構成するスピーカアレー１１は、Ｎ個のスピーカ１０が直線状に配列されてなるものである。そして、スピーカ１０（１）〜（Ｎ）のうち隣接するスピーカ１０間の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）は、末端スピーカ１０（１）・１０（Ｎ）とそれに隣接するスピーカ１０（２）・１０（Ｎ−１）との間隔、すなわち末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）とＤ（Ｎ−１）とが等しく、その他のスピーカの間隔である間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）が等しいものとして構成されている。そして、間隔Ｄ（１）・間隔Ｄ（Ｎ−１）が、間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きくなるように配置されている。
【００１８】
また、実施例のスピーカアレーシステムを構成するスピーカアレー１１は、一旦、Ｎ＋２個のスピーカ１０を等間隔に配置してスピーカアレー１１を構成し、図１において二点鎖線を用いて示した両端から２個目のスピーカを取り除いた状態に相当する配置とされている。より具体的には、末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）および間隔Ｄ（Ｎ−１）が５．２ｃｍであって、他の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）の２．６ｃｍの２倍の長さとなるように配置されている。
【００１９】
以上のように、間隔Ｄ（１）および間隔Ｄ（Ｎ−１）が、他のスピーカ１０の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きくなるようにスピーカ１０を配置することにより、図５〜８に示したとおり、スピーカアレーシステム１００の帯域上端周波数および人の聴覚に大きく影響する４ｋＨｚ以下の低音域における周波数特性及び指向特性を向上させることができる。
【００２０】
以下、実施例のスピーカアレーシステムが、比較例との比較において、帯域上端周波数が高く指向特性の良好なものとなった理由について考察する。
図９は、アレー長Ｌの等しいスピーカアレーを示しており、（ａ）は末端スピーカ間隔がその他のスピーカ間隔の２倍となるように配置された７個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１３、（ｂ）は全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された７個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１２ｂ、（ｃ）は全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された５個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１２ｃを示している。
図９（ａ）に示すように、スピーカアレー１３を構成するスピーカ１０（２）〜１０（６）のスピーカ間隔Ｓは、同図（ｂ）に示すスピーカアレー１２ｂを構成するスピーカ１０（１）〜１０（７）のスピーカ間隔Ｓ’よりも狭くなる。指向特性が同じスピーカアレーシステムの場合、スピーカ間隔と帯域上端周波数の間には互いに反比例の関係があることから、これにより、図９（ａ）のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数を高くすることができる。
【００２１】
スピーカ１０が等間隔に配置された、図９（ｂ）に示すスピーカアレー１２ｂと、同図（ｃ）に示すスピーカアレー１２ｃは、アレー長Ｌが等しいことから、低音域ではほぼ同じ指向特性を示すことができる。また、図９（ａ）のスピーカアレー１３は、図９（ｃ）のスピーカアレー１２ｃのスピーカ１０（２）とスピーカ１０（３）、スピーカ１０（３）とスピーカ１０（４）の中間にそれぞれスピーカ１０を配置した構成と一致する。したがって、低音域での指向特性は、スピーカアレー１２ｃ、したがってスピーカアレー１２ｂの指向特性に比べて、加わったスピーカ１０の分だけ向上したと考えられる。
なお、スピーカアレー１３の中心のスピーカから両側に間隔２Ｓでスピーカ１０を配置した場合に、スピーカアレー１３の両端にスピーカ１０を位置させるには、図９（ａ）に示したものから、スピーカ１０の数を４個ずつ増やす必要がある。したがって、スピーカ１０の数は４ｎ−１（ｎは２以上の整数）であることが好ましいといえる。
【００２２】
図５に示した実施例の周波数特性は、２ｋＨｚ以下の下部低音領域では指向特性が十分に形成されないので、振幅の低下した特性となるが、末端のスピーカ１０（１）・１０（７）を下部低音域のみ音量を高めた構成とすることにより、スピーカアレー１３の上部低音域と高音域の指向性に影響を与えることなく、低音の付与された指向性の高い音とすることができ、特に、この低音にステレオ音源を用いると、より効果的な音にできる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向特性で音波を放射させることができるスピーカアレーシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００２４】
４ ２次元ディジタルフィルタ
１０ スピーカ
１０（１）、１０（Ｎ） 末端スピーカ
Ｄ 間隔（スピーカ間隔）
Ｄ（１）、Ｄ（Ｎ−１） 間隔（末端スピーカ間隔）
１１、１３ スピーカアレー
２０ １次元ディジタルフィルタ
１００ スピーカアレーシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、
隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接するスピーカ間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいことを特徴とするスピーカアレーシステム。
【請求項２】
音源から入力されたディジタル音響信号の指向特性を２次元ディジタルフィルタによって制御するものであって、前記２次元ディジタルフィルタが、仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、位相特性を設定するものであることを特徴とする請求項１に記載のスピーカアレーシステム。
【請求項３】
前記末端スピーカが低音域のみ増音量されているものであることを特徴とする請求項１または２に記載のスピーカアレーシステム。
【請求項１】
音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、
隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接するスピーカ間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいことを特徴とするスピーカアレーシステム。
【請求項２】
音源から入力されたディジタル音響信号の指向特性を２次元ディジタルフィルタによって制御するものであって、前記２次元ディジタルフィルタが、仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、位相特性を設定するものであることを特徴とする請求項１に記載のスピーカアレーシステム。
【請求項３】
前記末端スピーカが低音域のみ増音量されているものであることを特徴とする請求項１または２に記載のスピーカアレーシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−５４６７０（Ｐ２０１２−５４６７０Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９３９５７（Ｐ２０１０−１９３９５７）
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、研究成果最適展開支援事業 フィージビリティスタディ 可能性発掘タイプ（シーズ顕在化）に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、研究成果最適展開支援事業 フィージビリティスタディ 可能性発掘タイプ（シーズ顕在化）に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
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