多重極スピーカ群とその配置方法と、音響信号出力装置とその方法と、その方法を用いたアクティブノイズコントロール装置と音場再生装置と、それらの方法とプログラム
【課題】任意の指向性を設定できる音響信号出力装置を提供する。
【解決手段】この発明の音響信号出力装置は、球調和関数展開係数生成部と複数の適応フィルタ部とを具備する。球調和関数展開係数生成部は３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開して展開係数を求め、複数の適応フィルタ部は外部から信号が入力され、出力にこの発明の多重極スピーカの配置方法で配置された複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ。そして、上記フィルタ係数は、上記球調和関数をデカルト座標系に変換して、その変換後の変数と当該変数の次数に対応させて相対的な配置関係が決定された複数の多重極スピーカから個別に放音させた音を複数のフィルタ係数決定用マイクロホンで収音し、その収音信号から適応アルゴリズムによって学習して決定される。
【解決手段】この発明の音響信号出力装置は、球調和関数展開係数生成部と複数の適応フィルタ部とを具備する。球調和関数展開係数生成部は３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開して展開係数を求め、複数の適応フィルタ部は外部から信号が入力され、出力にこの発明の多重極スピーカの配置方法で配置された複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ。そして、上記フィルタ係数は、上記球調和関数をデカルト座標系に変換して、その変換後の変数と当該変数の次数に対応させて相対的な配置関係が決定された複数の多重極スピーカから個別に放音させた音を複数のフィルタ係数決定用マイクロホンで収音し、その収音信号から適応アルゴリズムによって学習して決定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、指向特性を精度良く設定するための多重極スピーカ群とその配置方法と、音響信号出力装置とその方法と、その方法を用いたアクティブコントロール装置と音場再生装置とそれらの方法とプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、音響再生装置の音響再生領域を限定する方法として複数のスピーカと、それぞれのスピーカに対応するフィルタとを用いた音響再生装置９００が知られている（特許文献１）。
【０００３】
図９に、音響再生装置９００の機能構成を示す。音響再生装置９００は、複数の音響出力素子１２と、複数のディジタルフィルタ１１１と、複数のアンプ１１２と、複数のＤ／Ａ変換器１１３と、複数のＡ／Ｄ変換器１１４と、アナログ信号が入力される入力端部１１５と、を備える。ディジタルフィルタ１１１〜Ａ／Ｄ変換器１１４は、音響出力素子１２と同数設けられる。入力端部１１５に入力された供給信号は、各ディジタルフィルタ１１１でフィルタリングされ、それぞれ音響出力素子１２に入力される。
【０００４】
各ディジタルフィルタ１１１のフィルタ係数を設定する方法について説明する。各音響出力素子１２が音響出力素子アレイ１００の軸２１上にs[ｍ]間隔で受聴者１３の方向に向けて配置され、軸２１上に配置された音響出力素子１２列の中心点からＬ[ｍ]の距離の位置に音響再生領域１５の制御点１３（強調制御点）及び音響遮断領域２２の各制御点１４（抑圧制御点）が配置されているものとする。また、図９における各音響出力素子１２を上から順番にｍ＝１,…,Ｍ（Ｍは音響出力素子１２の総数、図９の例ではＭ＝４）にそれぞれ対応する音響出力素子とし、制御点１３をｎ＝１に対応する制御点とし、各制御点１４を上から順番にｎ＝２,…,Ｎ（Ｎは制御点の総数、図９の例ではＮ＝８）にそれぞれ対応する制御点とする。また、図９において、音響出力素子１２列の中心点とｎ番目の制御点とを結ぶ直線と、軸２１とがなす角度θｎを、各音響出力素子の正面方向を０度として定義する（θ１＝０）。この場合、ｍ番目の音響出力素子１２からｎ番目の制御点までの距離は、
【０００５】
【数１】
【０００６】
となる。このように求めた距離ｒｍｎを式（６）に代入することで、各音響出力素子１２から各制御点１４までの近似伝達関数Ｇｍｎ（ω）を決定することができる。
【０００７】
次に、以下の方程式を満たすフィルタ係数Ｈｍ（ω）（ｍ＝１,...,Ｍ）を求める。
【０００８】
【数２】
【０００９】
ここで、式（２）の一番上の行の要素は制御点１３（強調制御点）に対応する要素であり、上から２〜Ｎ番目の要素は各制御点１４（抑圧制御点）に対応する要素である。すなわち、式（２）は、各音響出力素子（ｍ＝１,…,Ｍ）からそれぞれ出力される各音響信号Ｈｍ（ω）を、各近似伝達関数Ｇｍｎ（ω）で畳み込んで各制御点でそれぞれ混合した場合に、当該畳み込み混合信号が、各音響出力素子１２が並べられた軸方向に設定された音響再生領域１５の制御点（ｎ＝１）で否零となり、当該音響再生領域１５を除く音響遮断領域２２の制御点（ｎ＝２,…,Ｍ）で零となることを示している。なお、各音響信号Ｈｍ（ω）は、各ディジタルフィルタ１１１に同一のインパルスが入力された場合の出力信号系列のｚ変換を意味している。そのため、このような関係を満たすＨｍ（ω）をｍ番目の音響出力素子１２に対応するディジタルフィルタ１１のフィルタ係数とすれば、制御点１３（強調制御点）で音響信号が再生され、各制御点１４（抑圧制御点）で音響信号が抑圧される指向特性が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２１９１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の方法では、必ずしも強調制御点と抑圧制御点以外の指向特性が、期待した通りに形成できない場合や、無理な制御点の設定により所望の指向特性を実現できない場合があった。
【００１２】
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、球調和関数の考えを導入した任意の指向特性を持つ音源を実現するための多重極スピーカ群とその配置方法と、音響信号出力装置とその方法と、その方法を用いたアクティブノイズコントロール装置と音場再生装置と、それらの方法とプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の多重極スピーカ群は、球調和関数で表現された３次元空間における任意の指向特性をデカルト座標系に変換し、その変換後の変数と当該変数の次数によって複数のスピーカの相対的な配置が決定される多重極スピーカであって、原点に＋音源と、その変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで配置される＋音源と−音源と、座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極の音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と当該多重極音源の多重極の位相を反転させて原点を挟んで配置されるもう１個の多重極音源と、異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と、当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源と、変数の和については、原点に配置されるその変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極音源とにより、複数のスピーカの相対的な配置を決定した多重極スピーカ群である。
【００１４】
また、この発明の音響信号出力装置は、信号源と、複数の適応フィルタ部と、多重極スピーカ駆動信号合成部と、を具備する。複数の適応フィルタ部は、信号源の信号が入力され、多重極スピーカ群のそれぞれの多重極スピーカに接続される３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を備える。多重極スピーカ駆動信号合成部は、複数の適応フィルタ部の出力信号を入力として多重極スピーカのそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する。
【００１５】
また、この発明のアクティブノイズコントロール装置は、信号源と、騒音観測用マイクロホンと、フィルタ係数決定用マイクロホンと、多重極スピーカ群と、複数の適応フィルタ部と、多チャネル適応アルゴリズムと、を具備する。多重極スピーカ群は、上記した多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群である。複数の適応フィルタ部は、外部から信号が入力され、出力に複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を備える。多チャネル適応アルゴリズムは、記騒音源と複数の多重極スピーカとが同時に放音している状態で、上記フィルタ係数を、騒音源の音を打ち消すように設定する。
【００１６】
また、この発明の音場再現装置は、信号源と、原音場スピーカと、複数の第１マイクロホンと、この発明の多重極スピーカ群と、複数の適応フィルタ部と、第２のマイクロホンと、多チャネル適用アルゴリズムと、を具備する。原音場スピーカは、原音場内に配置され信号源の信号を放音する。複数の第１マイクロホンは、原音場スピーカが放音する音響信号を収音する。複数の適応フィルタ部は、音源信号を入力とし、出力に複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を備える。第２のマイクロホンは、複数の第１マイクロホンと同じ配置で再生音場内に配置され多重極スピーカ群の音を収音する。多チャネル適用アルゴリズムは、第１マイクロホンで収音された複数の収音信号同士の比と、第２のマイクロホンで収音される再生音場収音信号同士の比とが同じになるように上記フィルタ係数を設定する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の多重極スピーカ群は、球調和関数で表した３次元空間における音源の任意の指向特性を、デカルト座標系の多重極スピーカに対応付け、多重極の組み合わせで球調和関数を物理的に実現するスピーカ配置を提供する。
【００１８】
また、この発明の音響信号出力装置は、３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタを備え、その出力を多重極スピーカ群に出力することで、従来、方向によっては形成できない指向特性があった課題を解決し、全ての方向に対して任意の指向性を形成できる。
【００１９】
また、この発明のアクティブノイズコントロール装置は、この発明の多重極スピーカ群と、複数の適応フィルタとにより、騒音源の音を適切に打ち消すことができる。
【００２０】
また、この発明の音場再生装置は、原音場で再生された音源の指向特性を、この発明の多重極スピーカ群を用いて再現するので、より正確な原音場における指向特性を再現することが可能である
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】球調和関数と多重極音源の関係を示す図。
【図２】デカルト座標系の球調和関数の変数の次数とスピーカ配置の関係を説明する図であり、（ａ）は２次の項、（ｂ）は３次の項を説明する図である。
【図３】２次の球調和関数を１３個のスピーカで実現した配置の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図４】この発明のフィルタ係数を決定するための機能構成例を示す図。
【図５】この発明の音響信号出力装置１００の機能構成例を示す図。
【図６】この発明のアクティブノイズコントロール装置２００の機能構成例を示す図。
【図７】この発明の音場再現装置３００の機能構成例を示す図。
【図８】この発明の多重極スピーカの配置方法で配置した多重極スピーカ群の例を示す図。
【図９】従来の音響再生装置９００の機能構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。実施例の説明の前に、この発明の原理を説明する。
【００２３】
〔この発明の原理〕
〔多重極スピーカの配置方法〕
音源の３次元空間における任意の指向特性は、球調和関数Ｙｍｎ（θ，φ）を用いて次式で表せる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここでθとφは、極座標系（ｒ，θ，φ）の偏角、ｎは球調和関数Ｙｍｎ（θ，φ）の次数、Ａｎｍは球調和関数の展開係数である。球調和関数Ｙｍｎ（θ，φ）は式（５）で定義される。
【００２６】
【数４】
【００２７】
ここで、Ｐｍｎはルジャンドル（Legendre）関数である。式（３）は、任意の音源の指向特性を球調和関数の重ね合わせで展開できることを表している。したがって、球調和関数に対応する物理的な音源を実現できれば、任意の指向特性を持つスピーカ或いは音源を実現することが可能となる。
【００２８】
球調和関数を物理的に実現する一つの方法として、多重極を用いる方法がある（参考文献：「E.G.ウィリアムス゛、「フーリエ音響学」シュフ゜リンカ゛ー・フェアラーク東京（株）p.231〜233」多重極の指向特性は、球調和関数と図１に示す関係があり、多重極の組み合わせで球調和関数を物理的に実現できる。
【００２９】
図１に球調和関数と多重極音源の関係を示す。１列目は球調和関数であり、２列目がその球調和関数をデカルト座標系に変換した球調和関数である。３列目は、球調和関数に対応付けた多重極音源の配置を示す図である。
【００３０】
図１の１行目の球調和関数は０次の球調和関数Ｙ００であり、球調和関数Ｙ００をデカルト座標系に変換した球調和関数が１/√（４π）で表され、その球調和関数は原点に配置した＋音源に対応付けられる。ここで、＋音源は音源信号の振幅と位相をそのまま出力する音源であり、−音源は音源信号の振幅はそのままに位相を１８０度反転させた信号を出力する音源である。
【００３１】
１次の球調和関数は、Ｙ０1とＹ１１とＹ−１１の３つである。Ｙ０1のデカルト座標系の球調和関数は√（３/４π）Ｚで表されるので、ｚ軸上の原点を挟んだ＋音源と、−音源の１組の二重極スピーカに対応付けられる。Ｙ１１とＹ−１１の実部はｘ軸上の原点を挟んだ＋音源と−音源の１組の二重極スピーカに対応付けられる。Ｙ１１とＹ−１１の虚部はｙ軸上の原点を挟んだ１組の二重極スピーカに対応付けられる。
【００３２】
２次の球調和関数は、Ｙ０2とＹ１2とＹ−１2とＹ22とＹ−22の５つである。Ｙ０2のデカルト座標系の球調和関数は式（６）（図１の５行目と同じ）で表される。
【００３３】
【数５】
【００３４】
ここで３Ｚ２√（５/１６π）は、１次の１組の二重極スピーカを１個の音源と見做して、原点を挟んでｚ軸上に配置されるその１個の多重極スピーカと当該多重極スピーカの多重極を反転させたもう１個の多重極スピーカから成る１組の多重極スピーカに対応付けられる。−√（５/１６θ）は、原点に重ねられる複数の多重極スピーカ間の大きさを調整する係数ｇを乗じた１重極スピーカに対応付けられる。この場合、ｇはｚ軸上の多重極スピーカから出力される音声と、原点の１重極スピーカから出力される音声との比が３：１になる値に設定される。
【００３５】
つまりＹ０2は、図１の２行目の二重極スピーカを１個の音源（＋，−）と見做して、原点を挟んでその１個の音源２０（図２（ａ）参照）と、その音源の極性を反転させたもう１個の音源２０′を配置し、原点に１重極スピーカ（音源２１）を重ねることで表現することができる。
【００３６】
Ｙ１2とＹ−１2は、デカルト座標系の球調和関数が−√（１５/８θ）ＹＺで表される。このＹＺのような変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極スピーカを１個の音源と見做して、原点を挟んで配置されるその１個の音源と当該１個の音源の位相を反転させた多重極スピーカに対応付けることができる。
【００３７】
３次の球調和関数は、Ｙ０3とＹ１3とＹ−１3とＹ23とＹ−23とＹ33とＹ−33の７つである（図１では省略）。Ｙ０3は、図２（ａ）に示す音源２０と２０′とを１個の音源（＋，−，−，＋）と見做して、原点を挟んでその１個の音源２２と（図２（ｂ）参照）と、その音源の極性を反転させたもう１個の音源２２′を配置し、原点に１重極スピーカ（音源２１）とその極性を反転させた音源２３を重ねることで表現することができる。図５の５１ａでは、音源２２の最下段の＋音源と音源２３を１つのスピーカで実現し、音源２２′の最上段の−音源と音源２１を１つのスピーカで実現した形で表している。
【００３８】
以上説明した球調和関数と対応させた多重極スピーカの配置方法をまとめると次のようになる。まず、原点に＋音源を配置し、変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで＋音源と−音源とを配置し、座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と、当該多重極音源の多重極の位相を反転させたもう１個の多重極音源との１組を原点を挟んで配置し、異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源の１組を原点を挟んで配置し、変数の和については、原点に、その変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極を重ねて配置する。
【００３９】
図１に示す２次の球調和関数を表すのに全部で２８個のスピーカが必要であるが、共通な極に対してはスピーカを省略することができる。例えば、図１のＹ０１の多重極スピーカは＋位相のＹ００と−位相のＹ００に分解できるので、どちらかの音源をＹ００と共通化することでＹ００とＹ０１を実現するのに３個必要であったスピーカを２個に減らすことができる。また、あるひとつの球調和関数を多重極スピーカで実現する際、＋音源のスピーカの位置に−音源のスピーカが配置される場合には、その位置にスピーカを配置しないようにする。そのようにすると、図３に示すように２８個のスピーカで構成される多重極スピーカの配置は、１３個のスピーカの配置で実現することができる。図３（ａ）は、２次の球調和関数を１３個のスピーカで実現した一例を示す斜視図である。図３（ｂ）はそのスピーカ配置の平面図である。
【００４０】
〔多重極スピーカのフィルタ係数の決定〕
球調和関数を表現できる多重極スピーカの配置を決定した後は、各多重極スピーカに接続される適応フィルタのフィルタ係数を決定する。図４にフィルタ係数を決定するための機能構成例を示す。その機能構成は、信号源４０と、球調和関数展開係数生成部４１と、複数の適応フィルタ１〜ｎと、適応フィルタ１〜ｎにそれぞれ接続される多重極スピーカ１０１〜１０ｎと、複数のマイクロホン１２０〜１２ｎと、適応アルゴリズム１３０と、を備える。
【００４１】
球調和関数展開係数生成部４１は、外部から入力される３次元空間における任意の指向特性ｄ（θ，φ）（上記した式（３））を、球調和関数に展開して展開係数Ａｉ（式（３）のＡｎｍ）を求める。展開係数Ａｉは、適応フィルタ部１〜ｎに入力される。
【００４２】
適応フィルタ部１〜ｎは、上記した多重極スピーカの配置方法で配置された複数の多重極スピーカ１０１〜１０ｎにそれぞれ接続され展開係数Ａｉと補正係数Ｃｉとの積で表せるフィルタ係数を持つ。
【００４３】
フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎは、近接効果がない程度（多重極スピーカのサイズより十分離れた距離）に多重極スピーカ１０１〜１０ｎの対向する位置に配置される。フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎは、多重極スピーカ１０１〜１０ｎを取り囲むように配置してもよい。フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎは、設定する密度が高いほど精度よく指向特性を制御できる。特に指向特性の精度を高くしたい領域に密に配置してもよい。横方向３６０度に所望の指向特性を形成したい場合にはスピーカの前後左右方向それぞれに１つずつ以上のマイクロホンを配置し、スピーカの前面にのみ所望の指向特性を形成したい場合にはスピーカの前面にのみマイクロホンを配置するなど、指向特性を形成したい方向に任意の密度で配置してもよい。
【００４４】
次に、信号源４０から基準信号を発生し、各多重極スピーカ１０１〜１０ｎから異なる時刻に個別に音を出し、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎで収音する。その収音信号は適応アルゴリズム１３０に入力される。適応アルゴリズム１３０は、収音信号から各多重極スピーカからの出力信号の比を取り、各多重極スピーカ間の出力信号の比が展開係数Ａｉの比となるようにフィルタ係数を決定する。また、Ａｉ＝１として補正係数を決定することもできる。その場合は、適応アルゴリズムにおいてＡｉを乗算する必要がなく、演算を簡略化できる効果がある。
【００４５】
フィルタ係数の決定は、音響信号出力装置１００の設定の際に一度行えばよい。
【００４６】
以上述べた多重極スピーカの配置と、適応フィルタ係数とによって、任意の指向特性を備える音響信号出力装置を実現することができる。
【実施例１】
【００４７】
図５に、この発明の音響信号出力装置１００の機能構成例を示す。この例はｚ軸方向のみに強い指向性を形成したい場合の例である。音響信号出力装置１００は、信号源４０と、複数の適用フィルタ５２〜５５と、多重極スピーカ駆動信号合成部５１と、を具備する。多重極スピーカ駆動信号合成部５１の出力信号は、上記したこの発明の多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群５０に出力される。
【００４８】
多重極スピーカ群５０は、その多重極スピーカの間隔が球調和関数によって調整され、多重極スピーカが例えば９個ｚ軸に沿って一列に配列される。適用フィルタ５２〜５５は、多重極スピーカ群５０がｚ軸方向に強い指向性を示す球調和関数を展開した展開係数Ａ０〜Ａ３と補正係数Ｃ０〜Ｃ３の積からなるフィルタ係数を有する。
【００４９】
多重極スピーカ駆動信号合成部５１は、複数の適応フィルタ部５２〜５５の出力信号を入力として多重極スピーカ群５０のそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する。５１ａの（＋）は適応フィルタ部５２〜５５の出力信号の位相をそのまま出力するバッファ、（−）はその位相を反転する反転回路である。バッファ若しくは反転回路５１ａの出力は直接、多重極スピーカに入力される部分と、加算回路５１ｂで他の適応フィルタ部からの信号と加算されて多重極スピーカに入力される部分とがある。
【００５０】
多重極スピーカ駆動信号合成部５１内の乗算器ｇ２は、２次の球調和関数Ｙ０2を、４重極音源と１重音源の大きさが３対１となるように調整する。実現したい指向特性を持つ音源を式（３）で展開したときの展開係数Ａｉに偏りがあり、そのうち比較的小さな展開級数しか持たない球調和関数に対応する多重極スピーカは影響が小さいので省くことができる。
【００５１】
ｚ軸方向にのみ強い指向性を形成したい場合には、x軸方向とｙ軸方向に関する展開係数Ａｉは０としてもよい。そのとき、多重極はｚ軸に沿ったものだけが実現可能である。図５に示す音響信号出力装置１００は、３次の球調和関数を用いて、ｚ軸方向にのみ強い指向性を形成した例であり、ｚ軸に沿った多重極スピーカのみの配置で実現でき、スピーカ数、適用フィルタ部の数を削減できる。
【００５２】
〔応用例１〕
図６に、この発明の音響信号出力装置を応用したアクティブノイズコントロール装置２００の機能構成例を示す。アクティブノイズコントロール装置２００は、この発明の多重極スピーカの配置方法によって配置された多重極スピーカと適応フィルタ部とを用いることで効果的にノイズを除去する。
【００５３】
アクティブノイズコントロール装置２００は、適用フィルタ部６１（１重音源用）と、適用フィルタ部６２（２重音源用）と、適用フィルタ部６３（４重音源用）と、１重音源７１と、２重音源７２と、４重音源７４と、騒音観測用マイクロホン６５と、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２と、多チャネル適応アルゴリズム８０と、を具備する。１重音源７１と２重音源７２と４重音源７４とで多重極スピーカ群を構成する。
【００５４】
騒音源６０の指向特性が測定され展開係数Ａｉが分かっている場合には上記した実施例と同じで良いが、騒音源６０の指向特性が分からない場合には、フィルタ係数を次のようにして決定する必要がある。
【００５５】
まず、騒音源６０からの音を騒音観測用マイクロホン６５で観測する。観測した騒音信号を信号源として多重極スピーカに入力する。騒音源６０と多重極スピーカ群から同時に音を出している状態で、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２での音が０と成るように多チャネル適応アルゴリズム８０が動作して適応的にフィルタ係数を決定する。これにより、騒音源６０の指向特性を模擬できる。
【００５６】
アクティブノイズコントロール装置２００は、この発明の多重極スピーカの配置方法によって配置した多重極スピーカ群を用いるので、指向特性をより正確に模擬することが可能になる。その結果、従来法と比較して広範囲で騒音を打ち消すことができる。
【００５７】
〔応用例２〕
図７に、この発明の音響信号出力装置を応用した音場再現装置３００の機能構成例を示す。音場再現装置３００は、例えば遠隔地にある原音場８０の音場を、再生音場８１で再現するものである。音場再現装置３００は、応用例１のアクティブノイズコントロール装置２００の騒音観測用マイクロホン６５の代わりに信号源２０と、源音場８０内で信号源２０の音を放音するスピーカ８１と、源音場８０内の音を収音するフィルタ係数決定用マイクロホン１２０′〜１２２′とを備える点と、多チャネル適応アルゴリズム７０が、源場８０内に配置されるマイクロホン１２０′〜１２２′からの収音信号にも基づいて適応動作を行う点が異なる。
【００５８】
源音場８０内のフィルタ係数決定用マイクロホン１２０′〜１２２′と、再生音場８１内のフィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２とは同じ配置にする。そして、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０′〜１２２′で収音された複数の収音信号同士の比と、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２で収音される再生音場収音信号同士の比とが同じになるようにフィルタ係数が設定されることで、他の部屋内の音源の指向特性を、再生音場に模擬することができる。
【００５９】
〔多重極スピーカの配置例〕
図８に、この発明の多重極スピーカの配置方法によって配置された多重極スピーカ群のを示す。図８に、スピーカの放音方向をｙ軸、スピーカが配置される平面と平行な軸をｘ軸とした場合、図１の１行目（Ｙ００）と、４行目（Ｉｍ[Ｙ１１]，Ｉｍ[Ｙ−１１]）と、９行目（Ｉｍ[Ｙ２２]，−Ｉｍ[Ｙ−２２]）に示すスピーカ配置の組み合わせで多重極スピーカ群が構成される。なお、図３は各多重極の対称性を崩してスピーカ数の削減を重視した例であり、図８はスピーカ数を削減することなく各多重極の対称性を重視したスピーカ配置の例である。
【００６０】
以上説明したように、この発明の音響信号出力装置は、任意の指向特性を表せる球調和関数に対応した多重極スピーカ群を用いているため、従来、方向によっては形成できない指向特性があった課題を解決し、全ての方向に対して任意の指向性を形成できる。
【００６１】
従来のスピーカアレーの場合、指向性を形成するにはスピーカの数と同じ数のフィルタが必要であり、演算規模が大きくなっていた。この発明においては球調和関数は任意の指向特性を展開する必要最小限の直交基底となっているため、各展開次数の球調和関数にそれぞれ一つのフィルタを接続すれば十分であり、従来のスピーカアレーでは全てのスピーカ（音源）にフィルタが必要であり演算規模が大きくなっていた点を解決できる。
【００６２】
フィルタ係数決定用マイクロホンを用いて適応的に多重極スピーカのフィルタ係数を決定しているため、指向特性がどの音源に対してもフィルタ係数決定用マイクロホンに入る音が同じになるようにフィルタ係数を決定することによって、指向特性が未知の音源を模擬することができる。特に騒音源と逆相の音を出して騒音を打ち消すアクティブノイズコントロールにおいても、騒音源とその装置（本願発明の）が同時に音を出している状態で、フィルタ係数決定用マイクロホンにおける音を０とすることによって、騒音源の指向特性を模擬できる。結果的に、従来のスピーカアレーでは指向特性が模擬できない方向があるのに比べて、本願発明は騒音を打ち消す効果が高くなる。
【００６３】
なお、上記方法及び装置において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。
【００６４】
上記装置における処理手段をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能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、各装置における処理手段がコンピュータ上で実現される。
【００６５】
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。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD（Digital Versatile Disc）、DVD-RAM（Random Access Memory）、CD-ROM（Compact Disc Read Only Memory）、CD-R（Recordable）/RW（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、MO（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてEEP-ROM（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。
【００６６】
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD-ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。
【００６７】
また、各手段は、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構成することにしてもよいし、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。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、指向特性を精度良く設定するための多重極スピーカ群とその配置方法と、音響信号出力装置とその方法と、その方法を用いたアクティブコントロール装置と音場再生装置とそれらの方法とプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、音響再生装置の音響再生領域を限定する方法として複数のスピーカと、それぞれのスピーカに対応するフィルタとを用いた音響再生装置９００が知られている（特許文献１）。
【０００３】
図９に、音響再生装置９００の機能構成を示す。音響再生装置９００は、複数の音響出力素子１２と、複数のディジタルフィルタ１１１と、複数のアンプ１１２と、複数のＤ／Ａ変換器１１３と、複数のＡ／Ｄ変換器１１４と、アナログ信号が入力される入力端部１１５と、を備える。ディジタルフィルタ１１１〜Ａ／Ｄ変換器１１４は、音響出力素子１２と同数設けられる。入力端部１１５に入力された供給信号は、各ディジタルフィルタ１１１でフィルタリングされ、それぞれ音響出力素子１２に入力される。
【０００４】
各ディジタルフィルタ１１１のフィルタ係数を設定する方法について説明する。各音響出力素子１２が音響出力素子アレイ１００の軸２１上にs[ｍ]間隔で受聴者１３の方向に向けて配置され、軸２１上に配置された音響出力素子１２列の中心点からＬ[ｍ]の距離の位置に音響再生領域１５の制御点１３（強調制御点）及び音響遮断領域２２の各制御点１４（抑圧制御点）が配置されているものとする。また、図９における各音響出力素子１２を上から順番にｍ＝１,…,Ｍ（Ｍは音響出力素子１２の総数、図９の例ではＭ＝４）にそれぞれ対応する音響出力素子とし、制御点１３をｎ＝１に対応する制御点とし、各制御点１４を上から順番にｎ＝２,…,Ｎ（Ｎは制御点の総数、図９の例ではＮ＝８）にそれぞれ対応する制御点とする。また、図９において、音響出力素子１２列の中心点とｎ番目の制御点とを結ぶ直線と、軸２１とがなす角度θｎを、各音響出力素子の正面方向を０度として定義する（θ１＝０）。この場合、ｍ番目の音響出力素子１２からｎ番目の制御点までの距離は、
【０００５】
【数１】
【０００６】
となる。このように求めた距離ｒｍｎを式（６）に代入することで、各音響出力素子１２から各制御点１４までの近似伝達関数Ｇｍｎ（ω）を決定することができる。
【０００７】
次に、以下の方程式を満たすフィルタ係数Ｈｍ（ω）（ｍ＝１,...,Ｍ）を求める。
【０００８】
【数２】
【０００９】
ここで、式（２）の一番上の行の要素は制御点１３（強調制御点）に対応する要素であり、上から２〜Ｎ番目の要素は各制御点１４（抑圧制御点）に対応する要素である。すなわち、式（２）は、各音響出力素子（ｍ＝１,…,Ｍ）からそれぞれ出力される各音響信号Ｈｍ（ω）を、各近似伝達関数Ｇｍｎ（ω）で畳み込んで各制御点でそれぞれ混合した場合に、当該畳み込み混合信号が、各音響出力素子１２が並べられた軸方向に設定された音響再生領域１５の制御点（ｎ＝１）で否零となり、当該音響再生領域１５を除く音響遮断領域２２の制御点（ｎ＝２,…,Ｍ）で零となることを示している。なお、各音響信号Ｈｍ（ω）は、各ディジタルフィルタ１１１に同一のインパルスが入力された場合の出力信号系列のｚ変換を意味している。そのため、このような関係を満たすＨｍ（ω）をｍ番目の音響出力素子１２に対応するディジタルフィルタ１１のフィルタ係数とすれば、制御点１３（強調制御点）で音響信号が再生され、各制御点１４（抑圧制御点）で音響信号が抑圧される指向特性が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２１９１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の方法では、必ずしも強調制御点と抑圧制御点以外の指向特性が、期待した通りに形成できない場合や、無理な制御点の設定により所望の指向特性を実現できない場合があった。
【００１２】
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、球調和関数の考えを導入した任意の指向特性を持つ音源を実現するための多重極スピーカ群とその配置方法と、音響信号出力装置とその方法と、その方法を用いたアクティブノイズコントロール装置と音場再生装置と、それらの方法とプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の多重極スピーカ群は、球調和関数で表現された３次元空間における任意の指向特性をデカルト座標系に変換し、その変換後の変数と当該変数の次数によって複数のスピーカの相対的な配置が決定される多重極スピーカであって、原点に＋音源と、その変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで配置される＋音源と−音源と、座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極の音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と当該多重極音源の多重極の位相を反転させて原点を挟んで配置されるもう１個の多重極音源と、異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と、当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源と、変数の和については、原点に配置されるその変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極音源とにより、複数のスピーカの相対的な配置を決定した多重極スピーカ群である。
【００１４】
また、この発明の音響信号出力装置は、信号源と、複数の適応フィルタ部と、多重極スピーカ駆動信号合成部と、を具備する。複数の適応フィルタ部は、信号源の信号が入力され、多重極スピーカ群のそれぞれの多重極スピーカに接続される３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を備える。多重極スピーカ駆動信号合成部は、複数の適応フィルタ部の出力信号を入力として多重極スピーカのそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する。
【００１５】
また、この発明のアクティブノイズコントロール装置は、信号源と、騒音観測用マイクロホンと、フィルタ係数決定用マイクロホンと、多重極スピーカ群と、複数の適応フィルタ部と、多チャネル適応アルゴリズムと、を具備する。多重極スピーカ群は、上記した多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群である。複数の適応フィルタ部は、外部から信号が入力され、出力に複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を備える。多チャネル適応アルゴリズムは、記騒音源と複数の多重極スピーカとが同時に放音している状態で、上記フィルタ係数を、騒音源の音を打ち消すように設定する。
【００１６】
また、この発明の音場再現装置は、信号源と、原音場スピーカと、複数の第１マイクロホンと、この発明の多重極スピーカ群と、複数の適応フィルタ部と、第２のマイクロホンと、多チャネル適用アルゴリズムと、を具備する。原音場スピーカは、原音場内に配置され信号源の信号を放音する。複数の第１マイクロホンは、原音場スピーカが放音する音響信号を収音する。複数の適応フィルタ部は、音源信号を入力とし、出力に複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を備える。第２のマイクロホンは、複数の第１マイクロホンと同じ配置で再生音場内に配置され多重極スピーカ群の音を収音する。多チャネル適用アルゴリズムは、第１マイクロホンで収音された複数の収音信号同士の比と、第２のマイクロホンで収音される再生音場収音信号同士の比とが同じになるように上記フィルタ係数を設定する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の多重極スピーカ群は、球調和関数で表した３次元空間における音源の任意の指向特性を、デカルト座標系の多重極スピーカに対応付け、多重極の組み合わせで球調和関数を物理的に実現するスピーカ配置を提供する。
【００１８】
また、この発明の音響信号出力装置は、３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタを備え、その出力を多重極スピーカ群に出力することで、従来、方向によっては形成できない指向特性があった課題を解決し、全ての方向に対して任意の指向性を形成できる。
【００１９】
また、この発明のアクティブノイズコントロール装置は、この発明の多重極スピーカ群と、複数の適応フィルタとにより、騒音源の音を適切に打ち消すことができる。
【００２０】
また、この発明の音場再生装置は、原音場で再生された音源の指向特性を、この発明の多重極スピーカ群を用いて再現するので、より正確な原音場における指向特性を再現することが可能である
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】球調和関数と多重極音源の関係を示す図。
【図２】デカルト座標系の球調和関数の変数の次数とスピーカ配置の関係を説明する図であり、（ａ）は２次の項、（ｂ）は３次の項を説明する図である。
【図３】２次の球調和関数を１３個のスピーカで実現した配置の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図４】この発明のフィルタ係数を決定するための機能構成例を示す図。
【図５】この発明の音響信号出力装置１００の機能構成例を示す図。
【図６】この発明のアクティブノイズコントロール装置２００の機能構成例を示す図。
【図７】この発明の音場再現装置３００の機能構成例を示す図。
【図８】この発明の多重極スピーカの配置方法で配置した多重極スピーカ群の例を示す図。
【図９】従来の音響再生装置９００の機能構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。実施例の説明の前に、この発明の原理を説明する。
【００２３】
〔この発明の原理〕
〔多重極スピーカの配置方法〕
音源の３次元空間における任意の指向特性は、球調和関数Ｙｍｎ（θ，φ）を用いて次式で表せる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここでθとφは、極座標系（ｒ，θ，φ）の偏角、ｎは球調和関数Ｙｍｎ（θ，φ）の次数、Ａｎｍは球調和関数の展開係数である。球調和関数Ｙｍｎ（θ，φ）は式（５）で定義される。
【００２６】
【数４】
【００２７】
ここで、Ｐｍｎはルジャンドル（Legendre）関数である。式（３）は、任意の音源の指向特性を球調和関数の重ね合わせで展開できることを表している。したがって、球調和関数に対応する物理的な音源を実現できれば、任意の指向特性を持つスピーカ或いは音源を実現することが可能となる。
【００２８】
球調和関数を物理的に実現する一つの方法として、多重極を用いる方法がある（参考文献：「E.G.ウィリアムス゛、「フーリエ音響学」シュフ゜リンカ゛ー・フェアラーク東京（株）p.231〜233」多重極の指向特性は、球調和関数と図１に示す関係があり、多重極の組み合わせで球調和関数を物理的に実現できる。
【００２９】
図１に球調和関数と多重極音源の関係を示す。１列目は球調和関数であり、２列目がその球調和関数をデカルト座標系に変換した球調和関数である。３列目は、球調和関数に対応付けた多重極音源の配置を示す図である。
【００３０】
図１の１行目の球調和関数は０次の球調和関数Ｙ００であり、球調和関数Ｙ００をデカルト座標系に変換した球調和関数が１/√（４π）で表され、その球調和関数は原点に配置した＋音源に対応付けられる。ここで、＋音源は音源信号の振幅と位相をそのまま出力する音源であり、−音源は音源信号の振幅はそのままに位相を１８０度反転させた信号を出力する音源である。
【００３１】
１次の球調和関数は、Ｙ０1とＹ１１とＹ−１１の３つである。Ｙ０1のデカルト座標系の球調和関数は√（３/４π）Ｚで表されるので、ｚ軸上の原点を挟んだ＋音源と、−音源の１組の二重極スピーカに対応付けられる。Ｙ１１とＹ−１１の実部はｘ軸上の原点を挟んだ＋音源と−音源の１組の二重極スピーカに対応付けられる。Ｙ１１とＹ−１１の虚部はｙ軸上の原点を挟んだ１組の二重極スピーカに対応付けられる。
【００３２】
２次の球調和関数は、Ｙ０2とＹ１2とＹ−１2とＹ22とＹ−22の５つである。Ｙ０2のデカルト座標系の球調和関数は式（６）（図１の５行目と同じ）で表される。
【００３３】
【数５】
【００３４】
ここで３Ｚ２√（５/１６π）は、１次の１組の二重極スピーカを１個の音源と見做して、原点を挟んでｚ軸上に配置されるその１個の多重極スピーカと当該多重極スピーカの多重極を反転させたもう１個の多重極スピーカから成る１組の多重極スピーカに対応付けられる。−√（５/１６θ）は、原点に重ねられる複数の多重極スピーカ間の大きさを調整する係数ｇを乗じた１重極スピーカに対応付けられる。この場合、ｇはｚ軸上の多重極スピーカから出力される音声と、原点の１重極スピーカから出力される音声との比が３：１になる値に設定される。
【００３５】
つまりＹ０2は、図１の２行目の二重極スピーカを１個の音源（＋，−）と見做して、原点を挟んでその１個の音源２０（図２（ａ）参照）と、その音源の極性を反転させたもう１個の音源２０′を配置し、原点に１重極スピーカ（音源２１）を重ねることで表現することができる。
【００３６】
Ｙ１2とＹ−１2は、デカルト座標系の球調和関数が−√（１５/８θ）ＹＺで表される。このＹＺのような変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極スピーカを１個の音源と見做して、原点を挟んで配置されるその１個の音源と当該１個の音源の位相を反転させた多重極スピーカに対応付けることができる。
【００３７】
３次の球調和関数は、Ｙ０3とＹ１3とＹ−１3とＹ23とＹ−23とＹ33とＹ−33の７つである（図１では省略）。Ｙ０3は、図２（ａ）に示す音源２０と２０′とを１個の音源（＋，−，−，＋）と見做して、原点を挟んでその１個の音源２２と（図２（ｂ）参照）と、その音源の極性を反転させたもう１個の音源２２′を配置し、原点に１重極スピーカ（音源２１）とその極性を反転させた音源２３を重ねることで表現することができる。図５の５１ａでは、音源２２の最下段の＋音源と音源２３を１つのスピーカで実現し、音源２２′の最上段の−音源と音源２１を１つのスピーカで実現した形で表している。
【００３８】
以上説明した球調和関数と対応させた多重極スピーカの配置方法をまとめると次のようになる。まず、原点に＋音源を配置し、変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで＋音源と−音源とを配置し、座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と、当該多重極音源の多重極の位相を反転させたもう１個の多重極音源との１組を原点を挟んで配置し、異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源の１組を原点を挟んで配置し、変数の和については、原点に、その変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極を重ねて配置する。
【００３９】
図１に示す２次の球調和関数を表すのに全部で２８個のスピーカが必要であるが、共通な極に対してはスピーカを省略することができる。例えば、図１のＹ０１の多重極スピーカは＋位相のＹ００と−位相のＹ００に分解できるので、どちらかの音源をＹ００と共通化することでＹ００とＹ０１を実現するのに３個必要であったスピーカを２個に減らすことができる。また、あるひとつの球調和関数を多重極スピーカで実現する際、＋音源のスピーカの位置に−音源のスピーカが配置される場合には、その位置にスピーカを配置しないようにする。そのようにすると、図３に示すように２８個のスピーカで構成される多重極スピーカの配置は、１３個のスピーカの配置で実現することができる。図３（ａ）は、２次の球調和関数を１３個のスピーカで実現した一例を示す斜視図である。図３（ｂ）はそのスピーカ配置の平面図である。
【００４０】
〔多重極スピーカのフィルタ係数の決定〕
球調和関数を表現できる多重極スピーカの配置を決定した後は、各多重極スピーカに接続される適応フィルタのフィルタ係数を決定する。図４にフィルタ係数を決定するための機能構成例を示す。その機能構成は、信号源４０と、球調和関数展開係数生成部４１と、複数の適応フィルタ１〜ｎと、適応フィルタ１〜ｎにそれぞれ接続される多重極スピーカ１０１〜１０ｎと、複数のマイクロホン１２０〜１２ｎと、適応アルゴリズム１３０と、を備える。
【００４１】
球調和関数展開係数生成部４１は、外部から入力される３次元空間における任意の指向特性ｄ（θ，φ）（上記した式（３））を、球調和関数に展開して展開係数Ａｉ（式（３）のＡｎｍ）を求める。展開係数Ａｉは、適応フィルタ部１〜ｎに入力される。
【００４２】
適応フィルタ部１〜ｎは、上記した多重極スピーカの配置方法で配置された複数の多重極スピーカ１０１〜１０ｎにそれぞれ接続され展開係数Ａｉと補正係数Ｃｉとの積で表せるフィルタ係数を持つ。
【００４３】
フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎは、近接効果がない程度（多重極スピーカのサイズより十分離れた距離）に多重極スピーカ１０１〜１０ｎの対向する位置に配置される。フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎは、多重極スピーカ１０１〜１０ｎを取り囲むように配置してもよい。フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎは、設定する密度が高いほど精度よく指向特性を制御できる。特に指向特性の精度を高くしたい領域に密に配置してもよい。横方向３６０度に所望の指向特性を形成したい場合にはスピーカの前後左右方向それぞれに１つずつ以上のマイクロホンを配置し、スピーカの前面にのみ所望の指向特性を形成したい場合にはスピーカの前面にのみマイクロホンを配置するなど、指向特性を形成したい方向に任意の密度で配置してもよい。
【００４４】
次に、信号源４０から基準信号を発生し、各多重極スピーカ１０１〜１０ｎから異なる時刻に個別に音を出し、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２ｎで収音する。その収音信号は適応アルゴリズム１３０に入力される。適応アルゴリズム１３０は、収音信号から各多重極スピーカからの出力信号の比を取り、各多重極スピーカ間の出力信号の比が展開係数Ａｉの比となるようにフィルタ係数を決定する。また、Ａｉ＝１として補正係数を決定することもできる。その場合は、適応アルゴリズムにおいてＡｉを乗算する必要がなく、演算を簡略化できる効果がある。
【００４５】
フィルタ係数の決定は、音響信号出力装置１００の設定の際に一度行えばよい。
【００４６】
以上述べた多重極スピーカの配置と、適応フィルタ係数とによって、任意の指向特性を備える音響信号出力装置を実現することができる。
【実施例１】
【００４７】
図５に、この発明の音響信号出力装置１００の機能構成例を示す。この例はｚ軸方向のみに強い指向性を形成したい場合の例である。音響信号出力装置１００は、信号源４０と、複数の適用フィルタ５２〜５５と、多重極スピーカ駆動信号合成部５１と、を具備する。多重極スピーカ駆動信号合成部５１の出力信号は、上記したこの発明の多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群５０に出力される。
【００４８】
多重極スピーカ群５０は、その多重極スピーカの間隔が球調和関数によって調整され、多重極スピーカが例えば９個ｚ軸に沿って一列に配列される。適用フィルタ５２〜５５は、多重極スピーカ群５０がｚ軸方向に強い指向性を示す球調和関数を展開した展開係数Ａ０〜Ａ３と補正係数Ｃ０〜Ｃ３の積からなるフィルタ係数を有する。
【００４９】
多重極スピーカ駆動信号合成部５１は、複数の適応フィルタ部５２〜５５の出力信号を入力として多重極スピーカ群５０のそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する。５１ａの（＋）は適応フィルタ部５２〜５５の出力信号の位相をそのまま出力するバッファ、（−）はその位相を反転する反転回路である。バッファ若しくは反転回路５１ａの出力は直接、多重極スピーカに入力される部分と、加算回路５１ｂで他の適応フィルタ部からの信号と加算されて多重極スピーカに入力される部分とがある。
【００５０】
多重極スピーカ駆動信号合成部５１内の乗算器ｇ２は、２次の球調和関数Ｙ０2を、４重極音源と１重音源の大きさが３対１となるように調整する。実現したい指向特性を持つ音源を式（３）で展開したときの展開係数Ａｉに偏りがあり、そのうち比較的小さな展開級数しか持たない球調和関数に対応する多重極スピーカは影響が小さいので省くことができる。
【００５１】
ｚ軸方向にのみ強い指向性を形成したい場合には、x軸方向とｙ軸方向に関する展開係数Ａｉは０としてもよい。そのとき、多重極はｚ軸に沿ったものだけが実現可能である。図５に示す音響信号出力装置１００は、３次の球調和関数を用いて、ｚ軸方向にのみ強い指向性を形成した例であり、ｚ軸に沿った多重極スピーカのみの配置で実現でき、スピーカ数、適用フィルタ部の数を削減できる。
【００５２】
〔応用例１〕
図６に、この発明の音響信号出力装置を応用したアクティブノイズコントロール装置２００の機能構成例を示す。アクティブノイズコントロール装置２００は、この発明の多重極スピーカの配置方法によって配置された多重極スピーカと適応フィルタ部とを用いることで効果的にノイズを除去する。
【００５３】
アクティブノイズコントロール装置２００は、適用フィルタ部６１（１重音源用）と、適用フィルタ部６２（２重音源用）と、適用フィルタ部６３（４重音源用）と、１重音源７１と、２重音源７２と、４重音源７４と、騒音観測用マイクロホン６５と、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２と、多チャネル適応アルゴリズム８０と、を具備する。１重音源７１と２重音源７２と４重音源７４とで多重極スピーカ群を構成する。
【００５４】
騒音源６０の指向特性が測定され展開係数Ａｉが分かっている場合には上記した実施例と同じで良いが、騒音源６０の指向特性が分からない場合には、フィルタ係数を次のようにして決定する必要がある。
【００５５】
まず、騒音源６０からの音を騒音観測用マイクロホン６５で観測する。観測した騒音信号を信号源として多重極スピーカに入力する。騒音源６０と多重極スピーカ群から同時に音を出している状態で、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２での音が０と成るように多チャネル適応アルゴリズム８０が動作して適応的にフィルタ係数を決定する。これにより、騒音源６０の指向特性を模擬できる。
【００５６】
アクティブノイズコントロール装置２００は、この発明の多重極スピーカの配置方法によって配置した多重極スピーカ群を用いるので、指向特性をより正確に模擬することが可能になる。その結果、従来法と比較して広範囲で騒音を打ち消すことができる。
【００５７】
〔応用例２〕
図７に、この発明の音響信号出力装置を応用した音場再現装置３００の機能構成例を示す。音場再現装置３００は、例えば遠隔地にある原音場８０の音場を、再生音場８１で再現するものである。音場再現装置３００は、応用例１のアクティブノイズコントロール装置２００の騒音観測用マイクロホン６５の代わりに信号源２０と、源音場８０内で信号源２０の音を放音するスピーカ８１と、源音場８０内の音を収音するフィルタ係数決定用マイクロホン１２０′〜１２２′とを備える点と、多チャネル適応アルゴリズム７０が、源場８０内に配置されるマイクロホン１２０′〜１２２′からの収音信号にも基づいて適応動作を行う点が異なる。
【００５８】
源音場８０内のフィルタ係数決定用マイクロホン１２０′〜１２２′と、再生音場８１内のフィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２とは同じ配置にする。そして、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０′〜１２２′で収音された複数の収音信号同士の比と、フィルタ係数決定用マイクロホン１２０〜１２２で収音される再生音場収音信号同士の比とが同じになるようにフィルタ係数が設定されることで、他の部屋内の音源の指向特性を、再生音場に模擬することができる。
【００５９】
〔多重極スピーカの配置例〕
図８に、この発明の多重極スピーカの配置方法によって配置された多重極スピーカ群のを示す。図８に、スピーカの放音方向をｙ軸、スピーカが配置される平面と平行な軸をｘ軸とした場合、図１の１行目（Ｙ００）と、４行目（Ｉｍ[Ｙ１１]，Ｉｍ[Ｙ−１１]）と、９行目（Ｉｍ[Ｙ２２]，−Ｉｍ[Ｙ−２２]）に示すスピーカ配置の組み合わせで多重極スピーカ群が構成される。なお、図３は各多重極の対称性を崩してスピーカ数の削減を重視した例であり、図８はスピーカ数を削減することなく各多重極の対称性を重視したスピーカ配置の例である。
【００６０】
以上説明したように、この発明の音響信号出力装置は、任意の指向特性を表せる球調和関数に対応した多重極スピーカ群を用いているため、従来、方向によっては形成できない指向特性があった課題を解決し、全ての方向に対して任意の指向性を形成できる。
【００６１】
従来のスピーカアレーの場合、指向性を形成するにはスピーカの数と同じ数のフィルタが必要であり、演算規模が大きくなっていた。この発明においては球調和関数は任意の指向特性を展開する必要最小限の直交基底となっているため、各展開次数の球調和関数にそれぞれ一つのフィルタを接続すれば十分であり、従来のスピーカアレーでは全てのスピーカ（音源）にフィルタが必要であり演算規模が大きくなっていた点を解決できる。
【００６２】
フィルタ係数決定用マイクロホンを用いて適応的に多重極スピーカのフィルタ係数を決定しているため、指向特性がどの音源に対してもフィルタ係数決定用マイクロホンに入る音が同じになるようにフィルタ係数を決定することによって、指向特性が未知の音源を模擬することができる。特に騒音源と逆相の音を出して騒音を打ち消すアクティブノイズコントロールにおいても、騒音源とその装置（本願発明の）が同時に音を出している状態で、フィルタ係数決定用マイクロホンにおける音を０とすることによって、騒音源の指向特性を模擬できる。結果的に、従来のスピーカアレーでは指向特性が模擬できない方向があるのに比べて、本願発明は騒音を打ち消す効果が高くなる。
【００６３】
なお、上記方法及び装置において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。
【００６４】
上記装置における処理手段をコンピュータによって実現する場合、各装置が有すべき機能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、各装置における処理手段がコンピュータ上で実現される。
【００６５】
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。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD（Digital Versatile Disc）、DVD-RAM（Random Access Memory）、CD-ROM（Compact Disc Read Only Memory）、CD-R（Recordable）/RW（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、MO（Magneto Optical disc）等を、半導体メモリとしてEEP-ROM（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。
【００６６】
また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD-ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記録装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。
【００６７】
また、各手段は、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構成することにしてもよいし、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球調和関数で表現された３次元空間における任意の指向特性をデカルト座標系に変換し、その変換後の変数と当該変数の次数によって複数のスピーカの相対的な配置が決定される多重極スピーカであって、
原点に音源からの信号の振幅と位相をそのまま出力する＋音源と、
上記変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで配置される＋音源と、音源からの信号の振幅はそのままに位相を反転して出力する−音源と、
上記座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極の音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と当該多重極音源の多重極の位相を反転させて原点を挟んで配置されるもう１個の多重極音源と、
異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と、当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源と、
上記変数の和については、上記原点に配置される、その変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極音源と、
＋音源の位置に−音源のが配置される場合にはその位置にスピーカを配置しないようにして複数のスピーカの相対的な配置を決定した多重極スピーカ群。
【請求項２】
信号源と、
上記信号源の信号が入力され、多重極スピーカ群のそれぞれの多重極スピーカに接続される３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ部と、
上記複数の適応フィルタ部の出力信号を入力として上記多重極スピーカのそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する多重極スピーカ駆動信号合成部と、
を具備する音響信号出力装置。
【請求項３】
請求項２に記載した音響信号出力装置において、
上記補正係数は、
上記球調和関数の係数の比と上記適応フィルタ部の出力信号の比が同じになるように設定されることを特徴とする音響信号出力装置。
【請求項４】
信号源と、
騒音観測用マイクロホンと、
フィルタ係数決定用マイクロホンと、
請求項１に記載された多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群と、
外部から信号が入力され、出力に複数の上記多重極スピーカがそれぞれ接続される上記展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ部と、
上記騒音源と上記複数の多重極スピーカとが同時に放音している状態で、上記補正係数を、上記騒音源の音を打ち消すように設定する多チャネル適応アルゴリズムと、
を具備するアクティブノイズコントロール装置。
【請求項５】
信号源と、
原音場内に、上記信号源の信号を放音する原音場スピーカと、
上記原音場スピーカが放音する音響信号を収音する複数の第１マイクロホンと、
請求項１に記載された多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群と、
上記音源信号を入力とし、出力に複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される上記展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ部と、
上記複数の第１マイクロホンと同じ配置で上記再生音場内に配置される上記複数の第１マイクロホンと同数の第２のマイクロホンと、
上記第１マイクロホンで収音された複数の収音信号同士の比と、上記第２のマイクロホンで収音される再生音場収音信号同士の比とが同じになるように上記補正係数を設定する多チャネル適応アルゴリズムと、
を具備する音場再現装置。
【請求項６】
球調和関数で表現された３次元空間における任意の指向特性をデカルト座標系に変換し、その変換後の変数と当該変数の次数によって複数のスピーカの相対的な配置を決定する多重極スピーカの配置方法であって、
原点に＋音源を配置し、
上記変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで配置される＋音源と−音源を配置し、
上記座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極の音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と、当該多重極音源の多重極の位相を反転させたもう１個の多重極音源との１組を原点を挟んで配置し、
異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と、当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源の１組を原点を挟んで配置し、
上記変数の和については、上記原点に、その変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極音源を重ねて配置し、
＋音源の位置に−音源のが配置される場合にはその位置にスピーカを配置しないようにして複数のスピーカの相対的な配置を決定する多重極スピーカの配置方法。
【請求項７】
信号源の信号が入力され、請求項１に記載された多重極スピーカ群のそれぞれの多重極スピーカに接続される３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ過程と、
上記複数の適応フィルタ過程の出力信号を入力として上記多重極スピーカのそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する多重極スピーカ駆動信号合成過程と、
を備える音響信号出力方法。
【請求項８】
請求項２乃至５の何れかに記載した音響信号出力装置又はアクティブノイズコントロール装置又は音場再現装置としてコンピュータを機能させるための装置プログラム。
【請求項１】
球調和関数で表現された３次元空間における任意の指向特性をデカルト座標系に変換し、その変換後の変数と当該変数の次数によって複数のスピーカの相対的な配置が決定される多重極スピーカであって、
原点に音源からの信号の振幅と位相をそのまま出力する＋音源と、
上記変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで配置される＋音源と、音源からの信号の振幅はそのままに位相を反転して出力する−音源と、
上記座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極の音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と当該多重極音源の多重極の位相を反転させて原点を挟んで配置されるもう１個の多重極音源と、
異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と、当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源と、
上記変数の和については、上記原点に配置される、その変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極音源と、
＋音源の位置に−音源のが配置される場合にはその位置にスピーカを配置しないようにして複数のスピーカの相対的な配置を決定した多重極スピーカ群。
【請求項２】
信号源と、
上記信号源の信号が入力され、多重極スピーカ群のそれぞれの多重極スピーカに接続される３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ部と、
上記複数の適応フィルタ部の出力信号を入力として上記多重極スピーカのそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する多重極スピーカ駆動信号合成部と、
を具備する音響信号出力装置。
【請求項３】
請求項２に記載した音響信号出力装置において、
上記補正係数は、
上記球調和関数の係数の比と上記適応フィルタ部の出力信号の比が同じになるように設定されることを特徴とする音響信号出力装置。
【請求項４】
信号源と、
騒音観測用マイクロホンと、
フィルタ係数決定用マイクロホンと、
請求項１に記載された多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群と、
外部から信号が入力され、出力に複数の上記多重極スピーカがそれぞれ接続される上記展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ部と、
上記騒音源と上記複数の多重極スピーカとが同時に放音している状態で、上記補正係数を、上記騒音源の音を打ち消すように設定する多チャネル適応アルゴリズムと、
を具備するアクティブノイズコントロール装置。
【請求項５】
信号源と、
原音場内に、上記信号源の信号を放音する原音場スピーカと、
上記原音場スピーカが放音する音響信号を収音する複数の第１マイクロホンと、
請求項１に記載された多重極スピーカの配置方法で配置された多重極スピーカ群と、
上記音源信号を入力とし、出力に複数の多重極スピーカがそれぞれ接続される上記展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ部と、
上記複数の第１マイクロホンと同じ配置で上記再生音場内に配置される上記複数の第１マイクロホンと同数の第２のマイクロホンと、
上記第１マイクロホンで収音された複数の収音信号同士の比と、上記第２のマイクロホンで収音される再生音場収音信号同士の比とが同じになるように上記補正係数を設定する多チャネル適応アルゴリズムと、
を具備する音場再現装置。
【請求項６】
球調和関数で表現された３次元空間における任意の指向特性をデカルト座標系に変換し、その変換後の変数と当該変数の次数によって複数のスピーカの相対的な配置を決定する多重極スピーカの配置方法であって、
原点に＋音源を配置し、
上記変換したデカルト座標系の各座標軸ごとに、座標軸の変数が１次であれば原点を挟んで配置される＋音源と−音源を配置し、
上記座標軸の変数がｎ次であればｎ−１次の原点からその軸に沿って一方に配置された多重極の音源を１個の多重極音源として、その１個の多重極音源と、当該多重極音源の多重極の位相を反転させたもう１個の多重極音源との１組を原点を挟んで配置し、
異なる軸上の変数同士の積については、一方の変数に対応する座標軸の多重極音源を１個の音源と見做して、その１個の音源と、当該１個の音源の位相を反転させた多重極音源の１組を原点を挟んで配置し、
上記変数の和については、上記原点に、その変数に複数の多重極音源間の大きさを調整する係数を乗じた多重極音源を重ねて配置し、
＋音源の位置に−音源のが配置される場合にはその位置にスピーカを配置しないようにして複数のスピーカの相対的な配置を決定する多重極スピーカの配置方法。
【請求項７】
信号源の信号が入力され、請求項１に記載された多重極スピーカ群のそれぞれの多重極スピーカに接続される３次元空間における任意の指向特性を球調和関数に展開した展開係数と補正係数との積で表せるフィルタ係数を持つ複数の適応フィルタ過程と、
上記複数の適応フィルタ過程の出力信号を入力として上記多重極スピーカのそれぞれに入力する多重極スピーカ駆動信号を合成する多重極スピーカ駆動信号合成過程と、
を備える音響信号出力方法。
【請求項８】
請求項２乃至５の何れかに記載した音響信号出力装置又はアクティブノイズコントロール装置又は音場再現装置としてコンピュータを機能させるための装置プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１６９８９５（Ｐ２０１２−１６９８９５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２９５４５（Ｐ２０１１−２９５４５）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
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