局所再生方法、局所再生装置及びそのプログラム
【課題】制御誤差をなくし、局所再生効果を向上させる局所再生方法、その装置及びプログラムを提供することを目的とする。
【解決手段】同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーを用いる。ｘ方向の波数ｋｘ及びｙ方向の波数ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出し、入力信号とフィルタ係数を用いて、駆動信号を生成し、スピーカアレーにおいて駆動信号を再生する。
【解決手段】同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーを用いる。ｘ方向の波数ｋｘ及びｙ方向の波数ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出し、入力信号とフィルタ係数を用いて、駆動信号を生成し、スピーカアレーにおいて駆動信号を再生する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の場所にいる人々にのみ音を伝えることができる局所再生方法、局所再生装置及びそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカを用いて音を放射する場合、そのスピーカの指向特性の影響はあるものの、スピーカに対してほぼ全方向から再生音を聴取することが可能である。そのため、ある特定の場所にのみ音を再生するような局所再生方式の構築を目指した場合、スピーカなどの拡声装置や再生方式を工夫する必要がある。
【０００３】
特定の場所だけに限定して音を再生することができれば、拡声による通信を行った場合などに、再生音が聴取者以外の人々にとって騒音となることを防止できる。さらに、通信内容が周囲に漏れるのを防止でき、秘守性を向上させることができる。
【０００４】
この局所再生方式を実現する方法として、ある方向だけに音を放射する指向性スピーカシステムを用いる方法がある。指向性スピーカとして、ホーンスピーカ、パラメトリックスピーカ、アナログスピーカアレー、ディジタルフィルタ型スピーカアレーなどがある。
【０００５】
さらに、境界上の音圧を制御すると、外側の音場も制御可能であるという境界音場制御理論に基づき、特許文献１には、境界上の音圧が０となるように制御することで局所再生を実現しようという技術が記載されている。図１を用いて、特許文献１の局所再生装置１０を説明する。局所再生装置１０は、音を再生すべき空間Ａの周辺に配置されたＭ（Ｍ≧２）個のセンサ１１ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を備える。局所再生装置１０は、これらＭ個のセンサからの出力に基づいて、Ｎ（Ｎ≧２）個のディジタルフィルタ１２ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）のフィルタ係数を算出する。局所再生装置１０は、入力端子１４を介して入力信号Ｓを受け取り、Ｎ個のディジタルフィルタ１２ｎを用いて、Ｎ個のスピーカ１３ｎから再生する音の相互間の遅延と、周波数特性を制御する。この制御により、スピーカ１３ｎで再生された音は、空間Ａ外ではエネルギが減少し、局所再生装置１０は、空間Ａ内のみに音を再生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６-７４４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では計算機上で信号処理手法に基づいたフィルタ設計を行っているため、理論と実環境の不一致が発生し、制御誤差による音漏れや、制御点の不連続性によって局所再生効果が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、制御誤差をなくし、局所再生効果を向上させる局所再生方法、その装置及び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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る局所再生方法は、同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーを用いる。ｘ方向の波数ｋｘ及びｙ方向の波数ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出し、入力信号とフィルタ係数を用いて、駆動信号を生成し、駆動信号を再生する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント波を用いて、制御誤差なく、局所再生を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の局所再生装置１０の構成図。
【図２】局所再生装置１００の可聴空間Ａを示す図。
【図３】ｘｙｚ空間内の半空間ｚ＜０において、波数ｋの平面波Ｂが存在する状態を示す図。
【図４】エバネッセント波を説明するための図。
【図５】局所再生装置１００の平面図。
【図６】局所再生装置１００の構成例を示す図。
【図７】局所再生装置１００の処理フローを示す図。
【図８】フィルタなしのスピーカアレーを用いて、信号を再生した場合の距離と、周波数と音圧の関係を示す図。
【図９】局所再生装置３００を用いて、駆動信号を再生した場合の距離と、周波数と音圧の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［発明のポイント］
スピーカアレーを用いて、距離方向に急峻に減衰する特性を有するエバネッセント波を再生することで、図２に示すような装置近傍では音が聞こえるが装置から少し遠ざかると音が聞こえない局所再生装置１００を実現する（なお、図２中、Ａは可聴空間を表す）。まず図３及び図４を用いて、エバネッセント波を説明する。
【００１３】
＜エバネッセント波＞
図３のようにｘｙｚ空間内の半空間ｚ＜０において、波数ｋの平面波Ｂが存在し、ｚ＝０面（ｘｙ平面）上の音圧ｐ（ｘ，ｙ，０）が与えられた場合、半空間ｚ＞０における音圧ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式により求められる（参考文献１参照）。
［参考文献１］E.G.ウィリアムズ著、"フーリエ音響学 音の放射と近距離場音響ホログラフィの基礎"、シュプリンガー・フェアラーク東京、2005．
【００１４】
【数１】
但しｋ'ｘ、ｋ'ｙ、ｋ'ｚは（ｘ，ｙ，ｚ）におけるそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向の波数を表し、（ｘ，ｙ，ｚ）のｘ、ｙ、ｚは変数を表す。なお、Ｐ（ｋ’ｘ，ｋ'ｙ）は角度スペクトルと呼ばれ、以下のように求められる。
【００１５】
【数２】
例えば図３のように、ある方向から平面波Ｂが伝搬している場合、ｐ（ｘ，ｙ，０）は以下の式で与えられる。
【００１６】
【数３】
ここでＡ（ｋ）は任意の定数であり、ｋｘ、ｋｙは（ｘ，ｙ，０）におけるｘ、ｙ方向の波数（定数）であり、（ｘ，ｙ，０）のｘ、ｙは固定値を表す。このとき式（１）、（２）から半空間ｚ＞０における音圧を求めると、以下の式が得られる。
【００１７】
【数４】
また波数空間では、以下の関係が成り立つ。
【００１８】
【数５】
音波が伝搬する媒質が半空間ｚ≦０と半空間ｚ＞０で均一な場合、ｋｘ≦ｋかつｋｙ≦ｋとなるため、式（５）をｋｚについて解くと、以下のように表される。
【００１９】
【数６】
これを式（４）に代入すると、
【００２０】
【数７】
となり、式（７）は平面波Ｂが伝搬している状況を表している。
【００２１】
一方、音波が伝搬する媒質が不均一な場合、ｋｘ＞ｋまたはｋｙ＞ｋとなりうる。このときｋｚは式（８）で与えられる。
【００２２】
【数８】
符号が正の項を式（４）に代入すると、
【００２３】
【数９】
となり、これはｚ方向に指数的に減衰する波を表し、エバネッセント波と呼ばれている（参考文献１参照）。光や電磁波の分野では、異なる媒質間で全反射が起きる際に境界面上に生じる波として知られている。
【００２４】
図４のように、特性の異なる２つの媒質（図４の媒質１と媒質２）のある一方（例えば媒質１）に波が伝搬している場合、伝搬する波（平面波Ｂ）が、異なる媒質１と媒質２の間の境界で全反射が起きる際に、境界で波Ｅが透過する。この透過した波が前述のエバネッセント波である。エバネッセント波が発生する条件は、異なる媒質の境界で全反射することであり、ｚ方向の波数ｋｚが虚数となることである。このときｋｘ＞ｋまたはｋｙ＞ｋである。波数ｋ、角周波数ω、音速ｃの間に成り立つ関係ｋ＝ω／ｃを考慮すると、エバネッセント波の再生を実現するためには、音が放射される媒質２よりも音速の遅い媒質１内で平面波を発生する必要がある。
【００２５】
しかし、上記条件を満たすような媒質を用意するのは困難である。そこで、遅延和型スピーカアレーを用いて媒質の違いを仮想的に再現し、エバネッセント波を再生する。通常のスピーカの放射音は距離に反比例して減衰する性質を持つが、エバネッセント波は式（９）に示すようにｚ方向に対し指数減衰項を持つため、通常の放射に比べより急峻な距離減衰特性を有することが分かる。従って、エバネッセント波再生装置を構築できれば、装置近傍では音が聞こえるが装置から少し遠ざかると音が聞こえないという、局所再生効果が実現可能である。
【００２６】
＜スピーカアレーによる式（１）の実現＞
音場を再構成する式（１）をスピーカアレーで実現できる形に書き換える必要がある。式（１）は第２種レイリー積分（参考文献１参照）と同値の関係にあり、それを離散化した式は以下のように表される。
【００２７】
【数１０】
ｍ、ｎをそれぞれｘ、ｙ方向のスピーカに対するインデックスとし、ｍ＝１，２，…，Ｍとし、ｎ＝１，２，…，Ｎとし、ｘｙ平面上のスピーカ１３ｍｎの位置を（ｘｍ，ｙｎ）とし、ｋを入力信号Ｓの波数とし、入力信号Ｓの複素スペクトルをＳ（ｋ）とし、フィルタ係数をＨｍｎ（ｋ）とする。｜ｒ−ｒｍｎ｜はｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）とｒｍｎ＝（ｘｍ，ｙｎ，０）間の距離を表す。Δｘをｘ方向に並べたスピーカの間隔とし、Δｙをｙ方向に並べたスピーカの間隔とする。以下、式（１０）を実現するための装置構成を説明する。
【００２８】
本発明は、フーリエ音響学の理論に着目し、平面に複数のスピーカを並べたスピーカアレーにより、ある平面の音圧分布を再現することで３次元空間の音圧分布を再現する。その平面の音圧分布を決めるためのフィルタ係数に関するパラメータである波数の指定方法について、実施例１では音源波数の最大値に、実施例２では音源波数の定数倍に、実施例３では距離減衰項制御に着目した例を示す。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
＜局所再生装置１００＞
図５〜図７を用いて、実施例１に係る局所再生装置１００を説明する。局所再生装置１００は、Ｍ×Ｎ個のスピーカ１３ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のＡ／Ｄ変換器１０５ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のディジタルフィルタ１１２ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のＤ／Ａ変換器１０７ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のスピーカアンプ１０９ｍｎと、フィルタ係数算出部１３０と、波数算出部１２０を備える。
【００３１】
局所再生装置１００は信号入力端子１４を介して、アナログ入力信号Ｓを受け取る（ｓ１）。局所再生装置１００は、Ｎ×Ｍ個のスピーカ１３ｍｎを用いて、入力信号Ｓに応じたアナログ駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を再生し（ｓ５）、音響信号を出力する。以下、各部の処理内容を説明する。
【００３２】
＜Ａ／Ｄ変換器１０５ｍｎ＞
Ａ／Ｄ変換器１０５ｍｎは、信号入力端子１４から再生信号に対応するアナログ入力信号Ｓを受け取り、ディジタル入力信号に変換し、対応するディジタルフィルタ１１２ｍｎに出力する。
【００３３】
＜ディジタルフィルタ１１２ｍｎ＞
ディジタルフィルタ１１２ｍｎは、後述のフィルタ係数算出部１３０で計算しておいたフィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を設定しておく。各ディジタルフィルタ１１２ｍｎにディジタル入力信号Ｓが入力される。各ディジタルフィルタ１１２ｍｎは、入力されたディジタル信号Ｓを、エバネッセント波を発生するためのディジタル駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）に変換する（ｓ４）。
【００３４】
なお、空気中の音速より遅く伝搬するような媒質を仮想的に再現するために、フィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を以下のように与える。
【００３５】
【数１１】
このときｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たすようにｋｘ及びｋｙを指定することで、ｚ方向の波数ｋｚは虚数となり（式（８）、（９）参照）、エバネッセント波が再生されると考えられる。フィルタ係数の算出方法についてはフィルタ係数算出部１３０で説明する。
【００３６】
ディジタルフィルタ１１２ｍｎは、入力されたディジタル信号の複素スペクトルＳ（ｋ）とフィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を畳み込むことで、駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を生成し（ｓ４）、この駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を対応するＤ／Ａ変換器１０７ｍｎに出力する。なお、Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）＝Ｓ（ｋ）Ｈｍｎ（ｋ）である。
【００３７】
＜Ｄ／Ａ変換器１０７ｍｎ及びスピーカアンプ１０９ｍｎ＞
Ｄ／Ａ変換器１０７ｍｎは、ディジタル駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）をアナログ駆動信号に変換し、対応するスピーカアンプ１０９ｍｎに出力する。
【００３８】
スピーカアンプ１０９ｍｎは、アナログ駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を増幅して、スピーカ１３ｍｎに供給する。
【００３９】
＜スピーカ１３ｍｎ＞
スピーカ１３ｍｎは、入力信号Ｓに応じたアナログ駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を再生する（ｓ５）。図５に示すように、ｘ方向にΔｘ間隔でＭ個、ｙ方向にΔｙ間隔でＮ個、合計Ｍ×Ｎ個のスピーカ１３ｍｎを同一平面上に配置し、スピーカアレーを構成する。スピーカアレーの成す平面をｘｙｚ直交座標系におけるｘｙ平面とする。各スピーカ１３ｍｎは、ダイポール音源を用いる。
【００４０】
なお、ｋｙ＝０としたとき、空間エイリアシングを考慮すると、ｘ方向のスピーカ間隔Δｘは波数ｋｘによって決まる波の半波長（λｘ／２）以下である必要がある。波長λｘと波数ｋｘの関係はλｘ＝２π／ｋｘなので、スピーカ間隔ΔｘはΔｘ≦π／ｋｘである必要がある。この関係を満たしていれば、スピーカ間隔は小さければ小さいほど良い。また、Δｙについてはスピーカ間隔の上限はないので、その間隔Δｙが小さければ小さいほどよい。同様に、ｋｘ＝０としたとき、ｙ方向のスピーカ間隔Δｙは、Δｙ≦π／ｋｙである必要がある。
【００４１】
＜波数算出部１２０＞
波数算出部１２０は、入力信号Ｓの波数ｋを用いて、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを求め（ｓ２）、フィルタ係数算出部１３０へ出力する。
【００４２】
式（１１）から明らかなように、フィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）は、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙによって、特定される。ｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たすようにｋｘ及びｋｙの組（ｋｘ，ｋｙ）を指定することで、ｚ方向の波数ｋｚは虚数となり（式（８）、（９）参照）、エバネッセント波が再生されると考えられる。そこで、局所再生装置１００は、波数算出部１２０において、入力信号Ｓの波数ｋを用いて、ｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たす組（ｋｘ，ｋｙ）を算出する。例えば、ｋｙ＝０の場合、ｋｘ２＞ｋ２、すなわちｋｘ＞ｋを満たすｋｘを用いることで、エバネッセント波を再生することができるフィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を算出することができる。同様に、ｋｘ＝０の場合、ｋｙ＞ｋを満たすｋｙを用いればよい。
【００４３】
ｋｙ＝０の場合、波数算出部１２０は、入力信号Ｓが含む波数の最大値ｋｍａｘを用いて、予め定めておいたαを、最大値ｋｍａｘに乗じ、波数ｋｘをｋｘ＝αｋｍａｘとして算出する。または、ｋｘ＝０の場合、波数算出部１２０は、波数ｋｙをｋｙ＝αｋｍａｘとして算出する。αは、１より大きい所定の値とする。例えば、αの値は１〜数十程度であり、値を変化させると減衰しない周波数の位置が変わる傾向があるため、入力信号の周波数特性に応じた減衰特性の制御が可能である。なお、ｋｍａｘは、入力信号Ｓが含む波数から求めることができる。
【００４４】
＜フィルタ係数算出部１３０＞
フィルタ係数算出部１３０は、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを用いて、ディジタルフィルタ１１２ｍｎで用いるフィルタ係数を算出し（ｓ３）、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに出力する。
【００４５】
フィルタ係数算出部１３０は、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを用いて、
【００４６】
【数１２】
により、フィルタ係数を算出する。なお、フィルタ係数算出部１３０または図示しない記憶部等に予めＮ×Ｍ個のスピーカ１３ｍｎの位置（ｘｍ，ｙｎ）を記憶しておく。式（１１）は周波数領域におけるフィルタ係数を表す。なお、入力信号Ｓの波数ｋと周波数ｆの関係は、音速をｃとしてｋ＝２πｆ／ｃとして表わされる。
【００４７】
Ａ／Ｄ変換部１０５ｍｎにおける入力信号のサンプリング周波数をｆｓとし、周波数の帯域分割数をＱとし、ｑ＝０，１，…，Ｑ−１とした場合に、各周波数帯域を
【００４８】
【数１３】
と表す。フィルタ係数算出部１３０は、各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるフィルタ係数を算出し、それを逆フーリエ変換したものを各ディジタルフィルタ１３ｍｎにおけるフィルタ係数として設定する。つまり、Ｑ個の周波数領域のフィルタ係数を算出し、それを、逆フーリエ変換により時間領域のフィルタ係数に変換し、これを各ディジタルフィルタ１３ｍｎに設定する。なお、周波数の帯域分割数Ｑの値を大きくとればフィルタとしての精度は高くなるが計算コストが大きくなる。Ｑは任意に設定することができ、例えば、数百程度の値とする。また、２のべき乗数に設定すると演算が高速化できる。
【００４９】
＜効果＞
このような構成とすることで、急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント波を用いて、制御誤差なく、局所再生を行うことができるという効果を奏する。つまり、フィルタ設計の際に物理的性質を拘束条件に入れることで、制御誤差をなくし、局所再生効果を向上させる。
【００５０】
＜変形例＞
各スピーカ１３ｍｎは、モノポール音源を用いてもよい。モノポール音源を用いる場合、式（１）を第１種レイリー積分（参考文献１参照）で書き換える必要があり、式（１０）に代えて、以下のように表される。
【００５１】
【数１４】
この場合、フィルタ係数算出部１３０は、フィルタ係数を、式（１１）に代えて、以下の式により算出する。
【００５２】
【数１５】
なお、ｋｚは
【００５３】
【数１６】
により算出する。
【００５４】
実施例１の局所再生装置１００は、Ｍ×Ｎ個のＡ／Ｄ変換器１０５ｍｎを備える構成だが、１つのＡ／Ｄ変換器１０５だけ備え、変換したディジタル入力信号ｓ（ｋ）を各ディジタルフィルタ１１２ｍｎに出力する構成としてもよい。
【００５５】
スピーカアレーは、必ずしも図５に示すような配置（ｘ方向にΔｘ間隔でＭ個、ｙ方向にΔｙ間隔でＮ個、合計Ｍ×Ｎ個のスピーカ１３ｍｎが同一平面上に配される配置）でなくともよく、同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーであればよい。
【００５６】
局所再生装置１００は、ｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たす組（ｋｘ，ｋｙ）を予め設定しておき、図示しない記憶部等に記憶しておき、フィルタ係数算出部１３０は、記憶部等から組（ｋｘ，ｋｙ）を読み出してディジタルフィルタ１１２ｍｎを算出し、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに設定する構成としてもよい。その場合、波数算出部１２０を設けなくともよい。
【００５７】
波数算出部１２０において用いるαは、波数ｋｘ、ｋｙを算出する際に用いる場合に、異なる値αｘ、αｙを設定しても良い。このとき、波数ｋｘをｋｘ＝αｘｋｍａｘとして算出し、波数ｋｙをｋｙ＝αｙｋｍａｘとして算出する。αｘ、αｙは、それぞれ１より大きい所定の値とする。
【００５８】
また、局所再生装置１００の再生処理に先立ちフィルタ係数Ｈｍｎを求めておき、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに設定すればよい。例えば、再生処理を行う際に、入力信号Ｓを用いて、常にフィルタ係数Ｈｍｎを算出してもよい。また、再生処理の初期段階において、フィルタ係数Ｈｍｎを算出し、その後、同じフィルタ係数Ｈｍｎを用いてもよい。また、所望の入力信号の再生処理に先立ち、サンプルの入力信号を用いて、フィルタ係数算出部１３０において、予めフィルタ係数Ｈｍｎを求めておき、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに設定してもよい。このような構成とすることで、所望の入力信号の再生時の計算コストを削減することができる。
【実施例２】
【００５９】
＜局所再生装置２００＞
図６を用いて、実施例２に係る局所再生装置２００を説明する。実施例１と異なる部分についてのみ説明する。局所再生装置２００は、波数算出部２２０を備える点が局所再生装置１００と異なる。
【００６０】
＜波数算出部２２０＞
波数算出部２２０は、入力信号Ｓの波数ｋを用いて、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを求め、フィルタ係数算出部１３０へ出力する。
【００６１】
波数算出部２２０は、式（１２）の周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号Ｓが含む波数をｋ（ｑ）としたとき、各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるｘ方向の波数をｋｘ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出するか、または、ｙ方向における波数をｋｙ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出する。なお、βは、１より大きい所定の値とする。周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号Ｓが含む波数ｋ（ｑ）は、入力信号Ｓから求める。
【００６２】
実施例１では周波数帯域ｆ（ｑ）に関係なく、ｋｘ、ｋｙを求めていたが、本実施例では、周波数帯域ｆ（ｑ）毎に、波数ｋｘ（ｑ）、ｋｙ（ｑ）を求める。なお、βは値を小さくすると周波数による減衰量の変化の回数が少なくなり、大きくすると減衰量の変化の回数が多くなる値であることから、ｋｘ（ｑ）＝βｋ（ｑ）＞ｋ（ｑ）、ｋｙ（ｑ）＝βｋ（ｑ）＞ｋ（ｑ）を満たすできるだけ小さな値とすることが望ましい。
【００６３】
なお、フィルタ係数算出部１３０では、以下の式により、周波数帯域毎の波数ｋｘ（ｑ）、ｋｙ（ｑ）を用いて、各周波数帯域ｆ（ｑ）のフィルタ係数を算出する。
【００６４】
【数１７】
フィルタ係数算出部１３０は、各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるフィルタ係数を算出し、それを逆フーリエ変換したものを各ディジタルフィルタ１３ｍｎにおけるフィルタ係数として設定する。
【００６５】
＜効果＞
このような構成とすることで、実施例１と同様の効果を奏する。さらに、周波数毎にその波数及びフィルタ係数を設定できるため、局所再生装置をより柔軟に構成することができる。
【００６６】
＜変形例＞
波数算出部２２０において用いるβは、波数ｋｘ、ｋｙを算出する際に用いる場合に、それぞれ異なる値βｘ、βｙを設定しても良い。
【実施例３】
【００６７】
＜局所再生装置３００＞
図６を用いて、実施例３に係る局所再生装置３００を説明する。実施例１と異なる部分についてのみ説明する。局所再生装置３００は、波数算出部３２０を備える点が局所再生装置１００と異なる。
【００６８】
エバネッセント波の式（９）のｐ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚ方向の減衰項をＢ（ｚ）とおくと、例えば、ｋｙ＝０の場合、
【００６９】
【数１８】
と表すことができる。式（１３）は、任意の減衰量と入力信号の波数ｋからｘ方向の波数ｋｘを求めることができることを示している。例えば、Ｂ（ｚ）＝ｅ−ｋａｚ（但し、ｋａは任意の定数であり、任意の減衰量ｅ−ｋａｚを特定する）の減衰特性を有するエバネッセント波を再生したい場合、
【００７０】
【数１９】
と指定すればよい。同様に、ｋｘ＝０の場合、
【００７１】
【数２０】
と指定すればよい。波数算出部３２０は、上記式（１４）または式（１５）を用いて、波数ｋｘまたはｋｙを算出する。
【００７２】
＜波数算出部３２０＞
波数算出部３２０は、入力信号Ｓの波数ｋと任意の定数ｋａを用いて、式（１４）により、ｘ方向の波数ｋｘを算出するか、または、式（１５）によりｙ方向の波数ｋｙを算出する。さらに波数算出部３２０は、フィルタ係数算出部１３０へ出力する。なお、任意の定数ｋａは、任意の減衰量から予め算出しておき、フィルタ係数算出部１３０へ入力してもよい。また、任意の定数ｋａを図示しない記憶部等に記憶しておき、読み出す構成としてもよい。
【００７３】
＜効果＞
このような構成とすることで、実施例１と同様の効果を奏する。さらに、周波数毎にその波数及びフィルタ係数を設定できるため、局所再生装置をより柔軟に構成することができる。また、任意の減衰量から波数ｋｘ、ｋｙを算出することができるため、局所再生を行う際の制御が容易であるという効果を奏する。
【００７４】
＜変形例＞
波数算出部３２０において用いるｋａは、波数ｋｘ、ｋｙを算出する際に用いる場合に、それぞれ異なる値ｋａｘ、ｋａｙを設定しても良い。
【００７５】
＜実験結果＞
図８にフィルタなしの再生装置の周波数毎の音圧減衰量を表し、図９に局所再生装置３００の周波数毎の音圧減衰量を表す。なお、図９の局所再生装置３００は、ｋａ＝１０とし、ｋｘ（ｋ,１０）＝√（ｋ２＋１０２）、ｋｙ＝０としている。何れの場合にも、１００個のスピーカをスピーカ間隔Δｘ＝Δｙ＝４．８ｃｍでＭ＝Ｎ＝１０となるように並べた平板スピーカアレーを用いている。各再生装置から図２のｚ方向に遠ざかった場合に入力信号の波数（周波数）によって音圧がどのように減衰するかを示す。図９の局所再生装置３００は、図８のフィルタなしの再生装置と比較すると、同距離おける音圧の減衰量が大きい。局所再生装置３００は、局所再生効果が得られていることが分かる。また入力信号の周波数による減衰量の違いが少なく、減衰項制御の効果が表れていることも分かる。また指定するｋａの値については、あまりに大きいと装置近傍ですぐに減衰してしまう制御となるため、ｋａ＝１〜数十として設計するのが望ましい。
【００７６】
＜プログラム＞
上述した局所再生装置は、コンピュータにより機能させることもできる。この場合はコンピュータに、目的とする装置（各種実施例で図に示した機能構成を持つ装置）として機能させるためのプログラム、またはその処理手順（各実施例で示したもの）の各過程をコンピュータに実行させるためのプログラムを、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気ディスク、半導体記憶装置などの記録媒体から、あるいは通信回線を介してそのコンピュータ内にダウンロードし、そのプログラムを実行させればよい。
【符号の説明】
【００７７】
１００、２００、３００ 局所再生装置
１３ｍｎ スピーカ
１１２ｍｎ ディジタルフィルタ
１２０、２２０、３２０ 波数算出部
１３０ フィルタ係数算出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の場所にいる人々にのみ音を伝えることができる局所再生方法、局所再生装置及びそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカを用いて音を放射する場合、そのスピーカの指向特性の影響はあるものの、スピーカに対してほぼ全方向から再生音を聴取することが可能である。そのため、ある特定の場所にのみ音を再生するような局所再生方式の構築を目指した場合、スピーカなどの拡声装置や再生方式を工夫する必要がある。
【０００３】
特定の場所だけに限定して音を再生することができれば、拡声による通信を行った場合などに、再生音が聴取者以外の人々にとって騒音となることを防止できる。さらに、通信内容が周囲に漏れるのを防止でき、秘守性を向上させることができる。
【０００４】
この局所再生方式を実現する方法として、ある方向だけに音を放射する指向性スピーカシステムを用いる方法がある。指向性スピーカとして、ホーンスピーカ、パラメトリックスピーカ、アナログスピーカアレー、ディジタルフィルタ型スピーカアレーなどがある。
【０００５】
さらに、境界上の音圧を制御すると、外側の音場も制御可能であるという境界音場制御理論に基づき、特許文献１には、境界上の音圧が０となるように制御することで局所再生を実現しようという技術が記載されている。図１を用いて、特許文献１の局所再生装置１０を説明する。局所再生装置１０は、音を再生すべき空間Ａの周辺に配置されたＭ（Ｍ≧２）個のセンサ１１ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を備える。局所再生装置１０は、これらＭ個のセンサからの出力に基づいて、Ｎ（Ｎ≧２）個のディジタルフィルタ１２ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）のフィルタ係数を算出する。局所再生装置１０は、入力端子１４を介して入力信号Ｓを受け取り、Ｎ個のディジタルフィルタ１２ｎを用いて、Ｎ個のスピーカ１３ｎから再生する音の相互間の遅延と、周波数特性を制御する。この制御により、スピーカ１３ｎで再生された音は、空間Ａ外ではエネルギが減少し、局所再生装置１０は、空間Ａ内のみに音を再生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６-７４４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では計算機上で信号処理手法に基づいたフィルタ設計を行っているため、理論と実環境の不一致が発生し、制御誤差による音漏れや、制御点の不連続性によって局所再生効果が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、制御誤差をなくし、局所再生効果を向上させる局所再生方法、その装置及び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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る局所再生方法は、同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーを用いる。ｘ方向の波数ｋｘ及びｙ方向の波数ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出し、入力信号とフィルタ係数を用いて、駆動信号を生成し、駆動信号を再生する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント波を用いて、制御誤差なく、局所再生を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の局所再生装置１０の構成図。
【図２】局所再生装置１００の可聴空間Ａを示す図。
【図３】ｘｙｚ空間内の半空間ｚ＜０において、波数ｋの平面波Ｂが存在する状態を示す図。
【図４】エバネッセント波を説明するための図。
【図５】局所再生装置１００の平面図。
【図６】局所再生装置１００の構成例を示す図。
【図７】局所再生装置１００の処理フローを示す図。
【図８】フィルタなしのスピーカアレーを用いて、信号を再生した場合の距離と、周波数と音圧の関係を示す図。
【図９】局所再生装置３００を用いて、駆動信号を再生した場合の距離と、周波数と音圧の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［発明のポイント］
スピーカアレーを用いて、距離方向に急峻に減衰する特性を有するエバネッセント波を再生することで、図２に示すような装置近傍では音が聞こえるが装置から少し遠ざかると音が聞こえない局所再生装置１００を実現する（なお、図２中、Ａは可聴空間を表す）。まず図３及び図４を用いて、エバネッセント波を説明する。
【００１３】
＜エバネッセント波＞
図３のようにｘｙｚ空間内の半空間ｚ＜０において、波数ｋの平面波Ｂが存在し、ｚ＝０面（ｘｙ平面）上の音圧ｐ（ｘ，ｙ，０）が与えられた場合、半空間ｚ＞０における音圧ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式により求められる（参考文献１参照）。
［参考文献１］E.G.ウィリアムズ著、"フーリエ音響学 音の放射と近距離場音響ホログラフィの基礎"、シュプリンガー・フェアラーク東京、2005．
【００１４】
【数１】
但しｋ'ｘ、ｋ'ｙ、ｋ'ｚは（ｘ，ｙ，ｚ）におけるそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向の波数を表し、（ｘ，ｙ，ｚ）のｘ、ｙ、ｚは変数を表す。なお、Ｐ（ｋ’ｘ，ｋ'ｙ）は角度スペクトルと呼ばれ、以下のように求められる。
【００１５】
【数２】
例えば図３のように、ある方向から平面波Ｂが伝搬している場合、ｐ（ｘ，ｙ，０）は以下の式で与えられる。
【００１６】
【数３】
ここでＡ（ｋ）は任意の定数であり、ｋｘ、ｋｙは（ｘ，ｙ，０）におけるｘ、ｙ方向の波数（定数）であり、（ｘ，ｙ，０）のｘ、ｙは固定値を表す。このとき式（１）、（２）から半空間ｚ＞０における音圧を求めると、以下の式が得られる。
【００１７】
【数４】
また波数空間では、以下の関係が成り立つ。
【００１８】
【数５】
音波が伝搬する媒質が半空間ｚ≦０と半空間ｚ＞０で均一な場合、ｋｘ≦ｋかつｋｙ≦ｋとなるため、式（５）をｋｚについて解くと、以下のように表される。
【００１９】
【数６】
これを式（４）に代入すると、
【００２０】
【数７】
となり、式（７）は平面波Ｂが伝搬している状況を表している。
【００２１】
一方、音波が伝搬する媒質が不均一な場合、ｋｘ＞ｋまたはｋｙ＞ｋとなりうる。このときｋｚは式（８）で与えられる。
【００２２】
【数８】
符号が正の項を式（４）に代入すると、
【００２３】
【数９】
となり、これはｚ方向に指数的に減衰する波を表し、エバネッセント波と呼ばれている（参考文献１参照）。光や電磁波の分野では、異なる媒質間で全反射が起きる際に境界面上に生じる波として知られている。
【００２４】
図４のように、特性の異なる２つの媒質（図４の媒質１と媒質２）のある一方（例えば媒質１）に波が伝搬している場合、伝搬する波（平面波Ｂ）が、異なる媒質１と媒質２の間の境界で全反射が起きる際に、境界で波Ｅが透過する。この透過した波が前述のエバネッセント波である。エバネッセント波が発生する条件は、異なる媒質の境界で全反射することであり、ｚ方向の波数ｋｚが虚数となることである。このときｋｘ＞ｋまたはｋｙ＞ｋである。波数ｋ、角周波数ω、音速ｃの間に成り立つ関係ｋ＝ω／ｃを考慮すると、エバネッセント波の再生を実現するためには、音が放射される媒質２よりも音速の遅い媒質１内で平面波を発生する必要がある。
【００２５】
しかし、上記条件を満たすような媒質を用意するのは困難である。そこで、遅延和型スピーカアレーを用いて媒質の違いを仮想的に再現し、エバネッセント波を再生する。通常のスピーカの放射音は距離に反比例して減衰する性質を持つが、エバネッセント波は式（９）に示すようにｚ方向に対し指数減衰項を持つため、通常の放射に比べより急峻な距離減衰特性を有することが分かる。従って、エバネッセント波再生装置を構築できれば、装置近傍では音が聞こえるが装置から少し遠ざかると音が聞こえないという、局所再生効果が実現可能である。
【００２６】
＜スピーカアレーによる式（１）の実現＞
音場を再構成する式（１）をスピーカアレーで実現できる形に書き換える必要がある。式（１）は第２種レイリー積分（参考文献１参照）と同値の関係にあり、それを離散化した式は以下のように表される。
【００２７】
【数１０】
ｍ、ｎをそれぞれｘ、ｙ方向のスピーカに対するインデックスとし、ｍ＝１，２，…，Ｍとし、ｎ＝１，２，…，Ｎとし、ｘｙ平面上のスピーカ１３ｍｎの位置を（ｘｍ，ｙｎ）とし、ｋを入力信号Ｓの波数とし、入力信号Ｓの複素スペクトルをＳ（ｋ）とし、フィルタ係数をＨｍｎ（ｋ）とする。｜ｒ−ｒｍｎ｜はｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）とｒｍｎ＝（ｘｍ，ｙｎ，０）間の距離を表す。Δｘをｘ方向に並べたスピーカの間隔とし、Δｙをｙ方向に並べたスピーカの間隔とする。以下、式（１０）を実現するための装置構成を説明する。
【００２８】
本発明は、フーリエ音響学の理論に着目し、平面に複数のスピーカを並べたスピーカアレーにより、ある平面の音圧分布を再現することで３次元空間の音圧分布を再現する。その平面の音圧分布を決めるためのフィルタ係数に関するパラメータである波数の指定方法について、実施例１では音源波数の最大値に、実施例２では音源波数の定数倍に、実施例３では距離減衰項制御に着目した例を示す。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
＜局所再生装置１００＞
図５〜図７を用いて、実施例１に係る局所再生装置１００を説明する。局所再生装置１００は、Ｍ×Ｎ個のスピーカ１３ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のＡ／Ｄ変換器１０５ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のディジタルフィルタ１１２ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のＤ／Ａ変換器１０７ｍｎと、Ｍ×Ｎ個のスピーカアンプ１０９ｍｎと、フィルタ係数算出部１３０と、波数算出部１２０を備える。
【００３１】
局所再生装置１００は信号入力端子１４を介して、アナログ入力信号Ｓを受け取る（ｓ１）。局所再生装置１００は、Ｎ×Ｍ個のスピーカ１３ｍｎを用いて、入力信号Ｓに応じたアナログ駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を再生し（ｓ５）、音響信号を出力する。以下、各部の処理内容を説明する。
【００３２】
＜Ａ／Ｄ変換器１０５ｍｎ＞
Ａ／Ｄ変換器１０５ｍｎは、信号入力端子１４から再生信号に対応するアナログ入力信号Ｓを受け取り、ディジタル入力信号に変換し、対応するディジタルフィルタ１１２ｍｎに出力する。
【００３３】
＜ディジタルフィルタ１１２ｍｎ＞
ディジタルフィルタ１１２ｍｎは、後述のフィルタ係数算出部１３０で計算しておいたフィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を設定しておく。各ディジタルフィルタ１１２ｍｎにディジタル入力信号Ｓが入力される。各ディジタルフィルタ１１２ｍｎは、入力されたディジタル信号Ｓを、エバネッセント波を発生するためのディジタル駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）に変換する（ｓ４）。
【００３４】
なお、空気中の音速より遅く伝搬するような媒質を仮想的に再現するために、フィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を以下のように与える。
【００３５】
【数１１】
このときｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たすようにｋｘ及びｋｙを指定することで、ｚ方向の波数ｋｚは虚数となり（式（８）、（９）参照）、エバネッセント波が再生されると考えられる。フィルタ係数の算出方法についてはフィルタ係数算出部１３０で説明する。
【００３６】
ディジタルフィルタ１１２ｍｎは、入力されたディジタル信号の複素スペクトルＳ（ｋ）とフィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を畳み込むことで、駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を生成し（ｓ４）、この駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を対応するＤ／Ａ変換器１０７ｍｎに出力する。なお、Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）＝Ｓ（ｋ）Ｈｍｎ（ｋ）である。
【００３７】
＜Ｄ／Ａ変換器１０７ｍｎ及びスピーカアンプ１０９ｍｎ＞
Ｄ／Ａ変換器１０７ｍｎは、ディジタル駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）をアナログ駆動信号に変換し、対応するスピーカアンプ１０９ｍｎに出力する。
【００３８】
スピーカアンプ１０９ｍｎは、アナログ駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を増幅して、スピーカ１３ｍｎに供給する。
【００３９】
＜スピーカ１３ｍｎ＞
スピーカ１３ｍｎは、入力信号Ｓに応じたアナログ駆動信号Ｄ（ｘｍ，ｙｎ，ｋ）を再生する（ｓ５）。図５に示すように、ｘ方向にΔｘ間隔でＭ個、ｙ方向にΔｙ間隔でＮ個、合計Ｍ×Ｎ個のスピーカ１３ｍｎを同一平面上に配置し、スピーカアレーを構成する。スピーカアレーの成す平面をｘｙｚ直交座標系におけるｘｙ平面とする。各スピーカ１３ｍｎは、ダイポール音源を用いる。
【００４０】
なお、ｋｙ＝０としたとき、空間エイリアシングを考慮すると、ｘ方向のスピーカ間隔Δｘは波数ｋｘによって決まる波の半波長（λｘ／２）以下である必要がある。波長λｘと波数ｋｘの関係はλｘ＝２π／ｋｘなので、スピーカ間隔ΔｘはΔｘ≦π／ｋｘである必要がある。この関係を満たしていれば、スピーカ間隔は小さければ小さいほど良い。また、Δｙについてはスピーカ間隔の上限はないので、その間隔Δｙが小さければ小さいほどよい。同様に、ｋｘ＝０としたとき、ｙ方向のスピーカ間隔Δｙは、Δｙ≦π／ｋｙである必要がある。
【００４１】
＜波数算出部１２０＞
波数算出部１２０は、入力信号Ｓの波数ｋを用いて、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを求め（ｓ２）、フィルタ係数算出部１３０へ出力する。
【００４２】
式（１１）から明らかなように、フィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）は、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙによって、特定される。ｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たすようにｋｘ及びｋｙの組（ｋｘ，ｋｙ）を指定することで、ｚ方向の波数ｋｚは虚数となり（式（８）、（９）参照）、エバネッセント波が再生されると考えられる。そこで、局所再生装置１００は、波数算出部１２０において、入力信号Ｓの波数ｋを用いて、ｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たす組（ｋｘ，ｋｙ）を算出する。例えば、ｋｙ＝０の場合、ｋｘ２＞ｋ２、すなわちｋｘ＞ｋを満たすｋｘを用いることで、エバネッセント波を再生することができるフィルタ係数Ｈｍｎ（ｋ）を算出することができる。同様に、ｋｘ＝０の場合、ｋｙ＞ｋを満たすｋｙを用いればよい。
【００４３】
ｋｙ＝０の場合、波数算出部１２０は、入力信号Ｓが含む波数の最大値ｋｍａｘを用いて、予め定めておいたαを、最大値ｋｍａｘに乗じ、波数ｋｘをｋｘ＝αｋｍａｘとして算出する。または、ｋｘ＝０の場合、波数算出部１２０は、波数ｋｙをｋｙ＝αｋｍａｘとして算出する。αは、１より大きい所定の値とする。例えば、αの値は１〜数十程度であり、値を変化させると減衰しない周波数の位置が変わる傾向があるため、入力信号の周波数特性に応じた減衰特性の制御が可能である。なお、ｋｍａｘは、入力信号Ｓが含む波数から求めることができる。
【００４４】
＜フィルタ係数算出部１３０＞
フィルタ係数算出部１３０は、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを用いて、ディジタルフィルタ１１２ｍｎで用いるフィルタ係数を算出し（ｓ３）、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに出力する。
【００４５】
フィルタ係数算出部１３０は、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを用いて、
【００４６】
【数１２】
により、フィルタ係数を算出する。なお、フィルタ係数算出部１３０または図示しない記憶部等に予めＮ×Ｍ個のスピーカ１３ｍｎの位置（ｘｍ，ｙｎ）を記憶しておく。式（１１）は周波数領域におけるフィルタ係数を表す。なお、入力信号Ｓの波数ｋと周波数ｆの関係は、音速をｃとしてｋ＝２πｆ／ｃとして表わされる。
【００４７】
Ａ／Ｄ変換部１０５ｍｎにおける入力信号のサンプリング周波数をｆｓとし、周波数の帯域分割数をＱとし、ｑ＝０，１，…，Ｑ−１とした場合に、各周波数帯域を
【００４８】
【数１３】
と表す。フィルタ係数算出部１３０は、各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるフィルタ係数を算出し、それを逆フーリエ変換したものを各ディジタルフィルタ１３ｍｎにおけるフィルタ係数として設定する。つまり、Ｑ個の周波数領域のフィルタ係数を算出し、それを、逆フーリエ変換により時間領域のフィルタ係数に変換し、これを各ディジタルフィルタ１３ｍｎに設定する。なお、周波数の帯域分割数Ｑの値を大きくとればフィルタとしての精度は高くなるが計算コストが大きくなる。Ｑは任意に設定することができ、例えば、数百程度の値とする。また、２のべき乗数に設定すると演算が高速化できる。
【００４９】
＜効果＞
このような構成とすることで、急峻な距離減衰特性を有するエバネッセント波を用いて、制御誤差なく、局所再生を行うことができるという効果を奏する。つまり、フィルタ設計の際に物理的性質を拘束条件に入れることで、制御誤差をなくし、局所再生効果を向上させる。
【００５０】
＜変形例＞
各スピーカ１３ｍｎは、モノポール音源を用いてもよい。モノポール音源を用いる場合、式（１）を第１種レイリー積分（参考文献１参照）で書き換える必要があり、式（１０）に代えて、以下のように表される。
【００５１】
【数１４】
この場合、フィルタ係数算出部１３０は、フィルタ係数を、式（１１）に代えて、以下の式により算出する。
【００５２】
【数１５】
なお、ｋｚは
【００５３】
【数１６】
により算出する。
【００５４】
実施例１の局所再生装置１００は、Ｍ×Ｎ個のＡ／Ｄ変換器１０５ｍｎを備える構成だが、１つのＡ／Ｄ変換器１０５だけ備え、変換したディジタル入力信号ｓ（ｋ）を各ディジタルフィルタ１１２ｍｎに出力する構成としてもよい。
【００５５】
スピーカアレーは、必ずしも図５に示すような配置（ｘ方向にΔｘ間隔でＭ個、ｙ方向にΔｙ間隔でＮ個、合計Ｍ×Ｎ個のスピーカ１３ｍｎが同一平面上に配される配置）でなくともよく、同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーであればよい。
【００５６】
局所再生装置１００は、ｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２を満たす組（ｋｘ，ｋｙ）を予め設定しておき、図示しない記憶部等に記憶しておき、フィルタ係数算出部１３０は、記憶部等から組（ｋｘ，ｋｙ）を読み出してディジタルフィルタ１１２ｍｎを算出し、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに設定する構成としてもよい。その場合、波数算出部１２０を設けなくともよい。
【００５７】
波数算出部１２０において用いるαは、波数ｋｘ、ｋｙを算出する際に用いる場合に、異なる値αｘ、αｙを設定しても良い。このとき、波数ｋｘをｋｘ＝αｘｋｍａｘとして算出し、波数ｋｙをｋｙ＝αｙｋｍａｘとして算出する。αｘ、αｙは、それぞれ１より大きい所定の値とする。
【００５８】
また、局所再生装置１００の再生処理に先立ちフィルタ係数Ｈｍｎを求めておき、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに設定すればよい。例えば、再生処理を行う際に、入力信号Ｓを用いて、常にフィルタ係数Ｈｍｎを算出してもよい。また、再生処理の初期段階において、フィルタ係数Ｈｍｎを算出し、その後、同じフィルタ係数Ｈｍｎを用いてもよい。また、所望の入力信号の再生処理に先立ち、サンプルの入力信号を用いて、フィルタ係数算出部１３０において、予めフィルタ係数Ｈｍｎを求めておき、ディジタルフィルタ１１２ｍｎに設定してもよい。このような構成とすることで、所望の入力信号の再生時の計算コストを削減することができる。
【実施例２】
【００５９】
＜局所再生装置２００＞
図６を用いて、実施例２に係る局所再生装置２００を説明する。実施例１と異なる部分についてのみ説明する。局所再生装置２００は、波数算出部２２０を備える点が局所再生装置１００と異なる。
【００６０】
＜波数算出部２２０＞
波数算出部２２０は、入力信号Ｓの波数ｋを用いて、ｘ方向の波数ｋｘ、ｙ方向の波数ｋｙを求め、フィルタ係数算出部１３０へ出力する。
【００６１】
波数算出部２２０は、式（１２）の周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号Ｓが含む波数をｋ（ｑ）としたとき、各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるｘ方向の波数をｋｘ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出するか、または、ｙ方向における波数をｋｙ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出する。なお、βは、１より大きい所定の値とする。周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号Ｓが含む波数ｋ（ｑ）は、入力信号Ｓから求める。
【００６２】
実施例１では周波数帯域ｆ（ｑ）に関係なく、ｋｘ、ｋｙを求めていたが、本実施例では、周波数帯域ｆ（ｑ）毎に、波数ｋｘ（ｑ）、ｋｙ（ｑ）を求める。なお、βは値を小さくすると周波数による減衰量の変化の回数が少なくなり、大きくすると減衰量の変化の回数が多くなる値であることから、ｋｘ（ｑ）＝βｋ（ｑ）＞ｋ（ｑ）、ｋｙ（ｑ）＝βｋ（ｑ）＞ｋ（ｑ）を満たすできるだけ小さな値とすることが望ましい。
【００６３】
なお、フィルタ係数算出部１３０では、以下の式により、周波数帯域毎の波数ｋｘ（ｑ）、ｋｙ（ｑ）を用いて、各周波数帯域ｆ（ｑ）のフィルタ係数を算出する。
【００６４】
【数１７】
フィルタ係数算出部１３０は、各周波数帯域ｆ（ｑ）におけるフィルタ係数を算出し、それを逆フーリエ変換したものを各ディジタルフィルタ１３ｍｎにおけるフィルタ係数として設定する。
【００６５】
＜効果＞
このような構成とすることで、実施例１と同様の効果を奏する。さらに、周波数毎にその波数及びフィルタ係数を設定できるため、局所再生装置をより柔軟に構成することができる。
【００６６】
＜変形例＞
波数算出部２２０において用いるβは、波数ｋｘ、ｋｙを算出する際に用いる場合に、それぞれ異なる値βｘ、βｙを設定しても良い。
【実施例３】
【００６７】
＜局所再生装置３００＞
図６を用いて、実施例３に係る局所再生装置３００を説明する。実施例１と異なる部分についてのみ説明する。局所再生装置３００は、波数算出部３２０を備える点が局所再生装置１００と異なる。
【００６８】
エバネッセント波の式（９）のｐ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚ方向の減衰項をＢ（ｚ）とおくと、例えば、ｋｙ＝０の場合、
【００６９】
【数１８】
と表すことができる。式（１３）は、任意の減衰量と入力信号の波数ｋからｘ方向の波数ｋｘを求めることができることを示している。例えば、Ｂ（ｚ）＝ｅ−ｋａｚ（但し、ｋａは任意の定数であり、任意の減衰量ｅ−ｋａｚを特定する）の減衰特性を有するエバネッセント波を再生したい場合、
【００７０】
【数１９】
と指定すればよい。同様に、ｋｘ＝０の場合、
【００７１】
【数２０】
と指定すればよい。波数算出部３２０は、上記式（１４）または式（１５）を用いて、波数ｋｘまたはｋｙを算出する。
【００７２】
＜波数算出部３２０＞
波数算出部３２０は、入力信号Ｓの波数ｋと任意の定数ｋａを用いて、式（１４）により、ｘ方向の波数ｋｘを算出するか、または、式（１５）によりｙ方向の波数ｋｙを算出する。さらに波数算出部３２０は、フィルタ係数算出部１３０へ出力する。なお、任意の定数ｋａは、任意の減衰量から予め算出しておき、フィルタ係数算出部１３０へ入力してもよい。また、任意の定数ｋａを図示しない記憶部等に記憶しておき、読み出す構成としてもよい。
【００７３】
＜効果＞
このような構成とすることで、実施例１と同様の効果を奏する。さらに、周波数毎にその波数及びフィルタ係数を設定できるため、局所再生装置をより柔軟に構成することができる。また、任意の減衰量から波数ｋｘ、ｋｙを算出することができるため、局所再生を行う際の制御が容易であるという効果を奏する。
【００７４】
＜変形例＞
波数算出部３２０において用いるｋａは、波数ｋｘ、ｋｙを算出する際に用いる場合に、それぞれ異なる値ｋａｘ、ｋａｙを設定しても良い。
【００７５】
＜実験結果＞
図８にフィルタなしの再生装置の周波数毎の音圧減衰量を表し、図９に局所再生装置３００の周波数毎の音圧減衰量を表す。なお、図９の局所再生装置３００は、ｋａ＝１０とし、ｋｘ（ｋ,１０）＝√（ｋ２＋１０２）、ｋｙ＝０としている。何れの場合にも、１００個のスピーカをスピーカ間隔Δｘ＝Δｙ＝４．８ｃｍでＭ＝Ｎ＝１０となるように並べた平板スピーカアレーを用いている。各再生装置から図２のｚ方向に遠ざかった場合に入力信号の波数（周波数）によって音圧がどのように減衰するかを示す。図９の局所再生装置３００は、図８のフィルタなしの再生装置と比較すると、同距離おける音圧の減衰量が大きい。局所再生装置３００は、局所再生効果が得られていることが分かる。また入力信号の周波数による減衰量の違いが少なく、減衰項制御の効果が表れていることも分かる。また指定するｋａの値については、あまりに大きいと装置近傍ですぐに減衰してしまう制御となるため、ｋａ＝１〜数十として設計するのが望ましい。
【００７６】
＜プログラム＞
上述した局所再生装置は、コンピュータにより機能させることもできる。この場合はコンピュータに、目的とする装置（各種実施例で図に示した機能構成を持つ装置）として機能させるためのプログラム、またはその処理手順（各実施例で示したもの）の各過程をコンピュータに実行させるためのプログラムを、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気ディスク、半導体記憶装置などの記録媒体から、あるいは通信回線を介してそのコンピュータ内にダウンロードし、そのプログラムを実行させればよい。
【符号の説明】
【００７７】
１００、２００、３００ 局所再生装置
１３ｍｎ スピーカ
１１２ｍｎ ディジタルフィルタ
１２０、２２０、３２０ 波数算出部
１３０ フィルタ係数算出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーを用いた局所再生方法であって、
前記スピーカアレーの成す平面をｘｙｚ直交座標系におけるｘｙ平面とし、ｘ方向の波数ｋｘ及びｙ方向の波数ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出ステップと、
入力信号と前記フィルタ係数を用いて、駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、
前記スピーカアレーにおいて駆動信号を再生する再生ステップと、を備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項２】
請求項１記載の局所再生方法であって、
ｋｍａｘを入力信号が含む波数の最大値とし、αを１より大きい所定の値とし、
前記波数ｋｘをｋｘ＝αｋｍａｘとして算出するか、または、前記波数ｋｙをｋｙ＝αｋｍａｘとして算出する波数算出ステップを、さらに備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項３】
請求項１記載の局所再生方法であって、
ｋ（ｑ）を周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号の波数とし、βを１より大きい所定の値とし、
前記波数ｋｘをｋｘ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出するか、または、前記波数ｋｙをｋｙ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出する波数算出ステップを、さらに備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項４】
請求項１記載の局所再生方法であって、
任意の値ｋａにより特定される減衰量をｅ−ｋａｚとし、ｋ（ｑ）を周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号の波数とし、
前記波数ｋｘをｋｘ（ｋ（ｑ），ｋａ）＝√（（ｋ（ｑ）２＋ｋａ２）として算出するか、または、前記波数ｋｙをｋｙ（ｋ（ｑ），ｋａ）＝√（（ｋ（ｑ）２＋ｋａ２）として算出する波数算出ステップを、さらに備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項５】
請求項１記載の局所再生方法であって、
前記波数ｋｘ、ｋｙがｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２の関係を満たす組（ｋｘ，ｋｙ）である、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項６】
同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーと、
前記スピーカアレーの成す平面をｘｙｚ直交座標系におけるｘｙ平面とし、ｘ方向及びｙ方向の波数ｋｘ、ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出部と、
入力信号と前記フィルタ係数を用いて、駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を備える局所再生装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の局所再生方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１】
同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーを用いた局所再生方法であって、
前記スピーカアレーの成す平面をｘｙｚ直交座標系におけるｘｙ平面とし、ｘ方向の波数ｋｘ及びｙ方向の波数ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出ステップと、
入力信号と前記フィルタ係数を用いて、駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、
前記スピーカアレーにおいて駆動信号を再生する再生ステップと、を備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項２】
請求項１記載の局所再生方法であって、
ｋｍａｘを入力信号が含む波数の最大値とし、αを１より大きい所定の値とし、
前記波数ｋｘをｋｘ＝αｋｍａｘとして算出するか、または、前記波数ｋｙをｋｙ＝αｋｍａｘとして算出する波数算出ステップを、さらに備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項３】
請求項１記載の局所再生方法であって、
ｋ（ｑ）を周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号の波数とし、βを１より大きい所定の値とし、
前記波数ｋｘをｋｘ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出するか、または、前記波数ｋｙをｋｙ（ｑ）＝βｋ（ｑ）として算出する波数算出ステップを、さらに備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項４】
請求項１記載の局所再生方法であって、
任意の値ｋａにより特定される減衰量をｅ−ｋａｚとし、ｋ（ｑ）を周波数帯域ｆ（ｑ）における入力信号の波数とし、
前記波数ｋｘをｋｘ（ｋ（ｑ），ｋａ）＝√（（ｋ（ｑ）２＋ｋａ２）として算出するか、または、前記波数ｋｙをｋｙ（ｋ（ｑ），ｋａ）＝√（（ｋ（ｑ）２＋ｋａ２）として算出する波数算出ステップを、さらに備える、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項５】
請求項１記載の局所再生方法であって、
前記波数ｋｘ、ｋｙがｋｘ２＋ｋｙ２＞ｋ２の関係を満たす組（ｋｘ，ｋｙ）である、
ことを特徴とする局所再生方法。
【請求項６】
同一平面上または一直線上に配置された２個以上のスピーカからなるスピーカアレーと、
前記スピーカアレーの成す平面をｘｙｚ直交座標系におけるｘｙ平面とし、ｘ方向及びｙ方向の波数ｋｘ、ｋｙを用いて、エバネッセント波を発生するためのフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出部と、
入力信号と前記フィルタ係数を用いて、駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を備える局所再生装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の局所再生方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−４４５７２（Ｐ２０１２−４４５７２Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８５７８１（Ｐ２０１０−１８５７８１）
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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