JP4561785B2 - スピーカアレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、設置場所の自由度が高いサラウンドシステム用のスピーカアレイ装置に関する。

図１は、従来のサラウンドシステムで生成したサラウンド音場の例を示す図である。従来、簡単な構成でサラウンド音場を提供するサラウンドシステムが提案されている。例えば、図１（Ａ）に示すように、スピーカアレイ１０１の各スピーカユニットの放音タイミングを調整して複数の音声ビームを形成し、これら音声ビームを部屋の壁に反射させることで、聴取者Ｕの周囲にリアルなサラウンド音場を生成できるスピーカ装置に関する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、図１（Ｂ）に示すように、聴取者Ｕの周囲に仮想的に音像を定位するように、頭部伝達関数に基づいて演算した周波数特性を各チャンネルの音声に付与して、聴取者Ｕの前方に配置した一対のスピーカユニット１１１・１１３から複数チャンネルの音声を聴取者に向けて放音させることで、聴取者Ｕの周囲に仮想的（バーチャル）なサラウンド音場を生成できる音場信号再生装置に関する発明が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３２０５６２５号公報 特許第２９６６１８１号公報

音声ビームによりリアルなサラウンド音場を生成する装置では、部屋の壁に音声ビームを反射させるので、音声ビームの反射経路上に障害物があったり、音声ビームを反射させる壁がなかったりすると、サラウンド音場を適正に生成できないことがあった。

一方、バーチャルなサラウンド音場を生成する装置は、頭部伝達関数に基づいて仮想的にサラウンド音場を生成するので、サラウンド音場を提供できる空間が非常に狭いため、聴取位置（リスニングポジション）が限定されていた。

そこで、本発明は、設置環境に応じたサラウンド音場を生成できるサラウンドシステム用のスピーカアレイ装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１） 複数チャンネルのサラウンド音声を放音するスピーカアレイ装置であって、
複数のスピーカユニットが配列されたスピーカアレイと、
前記スピーカアレイからチャンネル毎に設定した方向に音声ビームを放音するように、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算を行うビーム形成演算手段と、
前記スピーカアレイから放音された音声が複数の仮想点音源から放音された音声と同様の波面を形成するように、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算を行うとともに、聴取位置において前記複数の仮想点音源から放音された音声を聴取した聴取者が、チャンネル毎に設定された位置に定位を感じる聴感特性を頭部伝達関数に基づいて演算する仮想定位演算手段と、
前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから出力する音声信号の位相制御を行う位相制御手段と、
テストの開始操作を受け付ける操作手段と、
前記操作手段が前記開始操作を受け付けると、テスト音声信号と、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットがテスト音声ビームを旋回させながら放音するように位相を制御する信号と、を前記位相制御手段に出力するテスト音声出力手段と、
前記聴取位置に設置され、前記スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音及び反射音を収音するマイクロフォンと、
前記マイクロフォンが収音した前記テスト音声ビームの収音データの特徴を解析し、対称性のないピークを除外後の選定したピーク数が１つだと仮想定位演算手段を選択し、前記選定したピーク数が複数だとビーム形成演算手段を選択する選択手段と、
聴取者の聴取位置を検出して、その位置情報を出力する位置検出手段と、
を備え、
前記位相制御手段は、前記選択手段が前記ビーム形成演算手段を選択した場合、前記ビーム形成演算手段の演算結果に基づいて、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから出力する音声信号の位相制御を行い、
前記選択手段が前記仮想定位演算手段を選択した場合、前記仮想定位演算手段の演算結果に基づいて、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから出力する音声信号の聴感特性の付与と位相制御を行い、
前記仮想定位演算手段は、前記位置検出手段が出力する位置情報が変更されると、その変更後の聴取位置情報に基づいて、変更前の聴取位置と前記複数の仮想点音源の位置関係が、変更後も同様の位置関係となるように複数の仮想点音源の位置を変更して、これらの仮想点音源から放音された音声と同様の波面を形成するように、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算を行うことを特徴とする。

この構成においては、スピーカアレイ装置は、選択手段によりビーム形成演算手段が選択されると、音声ビームを壁に反射させた反射音と直接音によってリアルなサラウンド音場を生成するための演算をビーム形成演算手段で行う。また、スピーカアレイ装置は、選択手段により音源定位付加手段が選択されると、複数の仮想点音源から放音された音声により、聴取者の周囲に仮想的に音像が定位するように、バーチャルなサラウンド音場を生成するための演算を仮想定位演算手段で行う。そして、位相制御手段は、選択された手段の演算結果に基づいて、複数のスピーカユニットから出力する音声信号の位相制御、または聴感特性の付与と位相制御を行う。また、スピーカアレイ装置は、設置場所に応じたサラウンド音場を設定するためのテストの開始操作を操作手段で受け付けると、スピーカアレイからテスト音声ビームを旋回させながら放音させて、聴取位置に設置されたマイクロフォンで、スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音及び反射音を収音する。そして、テスト音声ビームの収音データの特徴を解析して、その結果に応じてビーム形成演算手段または音源定位付加手段の一方を選択して動作させる。したがって、スピーカアレイ装置は、設置場所に応じたサラウンド音場を設定するためのテストの開始操作を受け付けると、設置場所に応じてリアルなサラウンド音場を生成するかバーチャルなサラウンド音場を生成するかを自動的に判定して、設置環境に応じた最適なサラウンド音場を生成できる。

この構成においては、スピーカアレイ装置は、バーチャルなサラウンド音場を生成しているときに、聴取者の聴取位置が変更されたことを位置検出手段で検出すると、複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算、またはチャンネル毎に設定された位置に定位を感じる聴感特性の演算を行う。したがって、バーチャルサラウンドモードであっても、聴取位置が限定されることなく、聴取者の所望の位置で音声を聴取できる。また、聴取者が聴取位置を変更した場合には、特定の演算処理を行うだけで良いので、聴取位置の変更後の演算処理を簡略化できる。

この構成においては、聴取位置が変更された場合、仮想定位演算手段は、複数の仮想点音源と聴取位置との位置関係を、聴取位置の変更前と同様の位置関係になるように、複数の仮想点音源の位置を変更する。そして、位置を変更した仮想点音源から放音されている音声の音波面と同様の音波面を形成するための位相制御の演算を行う。したがって、スピーカアレイ装置では、位置関係が変わらないように仮想点音源の位置を変更するので、サラウンド音場の仮想定位を付与するための演算を再度行う必要がなく、聴取位置の変更前の演算結果を使用できるので、仮想点音源からの音波面を形成するための位相制御の演算を行うだけで良くなり、演算処理を簡略化できる。

本発明のスピーカアレイ装置は、設置場所の環境に応じて、音声ビームを壁に反射させてリアルなサラウンド音場を形成することも、仮想点音源を生成してバーチャルサラウンド音場を形成することもできる。これにより、スピーカアレイ装置の設置場所を気にせず、スピーカアレイ装置を自由に設置できる。

図２は、本発明の実施形態に係るスピーカアレイ装置の概略構成を示すブロック図である。以下の説明では、一例として、５ｃｈのサラウンドシステム用のスピーカアレイ装置について説明する。また、以下の説明では、５ｃｈの各チャンネルについて、フロントの左チャンネルをＬ（Left）ｃｈ、フロントの右チャンネルをＲ（Right)ｃｈ、センタ（中央）チャンネルをＣ（Center）ｃｈ、リアの左チャンネルをＳＬ（Surround Left）ｃｈ、リアの右チャンネルをＳＲ（Surround Right)ｃｈと称する。

まず、スピーカアレイ装置１の具体的な構成について説明する。図２に示すように、スピーカアレイ装置１は、入力端子１１、デコーダ１３、測定用音声生成部１５、ビーム形成演算部１７、頭部伝達関数演算部（以下、ＨＲＴＦ演算部と称する。）１９、位相制御部２１、Ｄ／Ａコンバータ２３−１〜２３−Ｎ、パワーアンプ２５−１〜２５−Ｎ、スピーカユニット２７−１〜２７−Ｎから成るスピーカアレイ２７、操作部２９、表示部３１、記憶部３３、制御部３５、Ａ／Ｄコンバータ３７、及びＩＲ信号受信部３９を備えている。また、制御部３５は、位置検出処理部３５１を備えている。

入力端子１１は、不図示の外部オーディオ機器と接続され、外部オーディオ機器が出力したデジタルサラウンド音声信号が入力される。

デコーダ１３は、入力端子１１から入力されたデジタルサラウンド音声信号をデコードして、５チャンネルの音声信号に復号する。そして、これら５チャンネルの音声信号を位相制御部２１へ出力する。

測定用音声生成部１５は、制御部３５から出力指示に応じて、位相制御部２１に対して、テスト音声信号またはテストパルス信号を出力する。テスト音声信号としては、例えば、４ｋＨｚを中心とする周期性のない音波やホワイトノイズのように周期性のない音波などを用いると良い。また、テストパルス信号としては、インパルス信号やホワイトノイズの短い信号などを用いると良い。

ビーム形成演算部１７は、制御部３５により動作が選択されると、聴取者の周囲に音声ビームによるサラウンド音場を形成するために、各チャンネルの音声信号を必要量遅延させる演算を行い、演算結果を位相制御部２１へ出力する。

ＨＲＴＦ演算部１９は、制御部３５により動作が選択されると、各チャンネルの音声信号に対して適した方向（例えば、ＩＴＵ−Ｒ ＢＳ．７７５−１準拠）に定位を感じる聴感特性（周波数特性）を、頭部伝達関数に基づいて演算し、演算結果を位相制御部２１へ出力する。

位相制御部２１は、ビーム形成演算部１７またはＨＲＴＦ演算部１９が出力した演算結果と制御部３５からの指示に基づいて、Ｄ／Ａコンバータ２３−１〜２３−Ｎの一部または全部に分配する音声信号の位相制御、または聴感特性の付与と位相制御を行う。また、位相制御部２１は、制御部３５からの指示に基づいて、測定用音声生成部１５が出力したテスト音声信号をＤ／Ａコンバータ２３−１〜２３−Ｎに分配する際に、テスト音声信号の位相を制御する。また、位相制御部２１は、制御部３５からの指示に基づいて、測定用音声生成部１５が出力したテストパルス信号を、Ｄ／Ａコンバータ２３−１及び２３−Ｎに出力する。

Ｄ／Ａコンバータ２３−１〜２３−Ｎは、位相制御部２１が出力したデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換して出力する。

パワーアンプ２５−１〜２５−Ｎは、Ｄ／Ａコンバータ２３−１〜２３−Ｎが出力したアナログ音声信号を増幅して出力する。

スピーカアレイ２７は、スピーカユニット２７−１〜２７−Ｎが１つのパネルにマトリックス状・ライン状・ハニカム状など所定の配列で配置したものである。スピーカユニット２７−１〜２７−Ｎは、パワーアンプ２５−１〜２５−Ｎが増幅した音声信号を音声に変換して放音する。

操作部２９は、聴取者からのスピーカアレイ装置１に対する設定操作等を受け付けて、その操作に応じた信号を制御部３５に出力する。

表示部３１は、制御部３５から出力された制御信号に基づいて、聴取者に伝達する情報を表示する。

記憶部３３は、スピーカの設定パターン等を記憶しており、制御部３５が操作部２９で受け付けた操作に応じたデータを読み出す。マイクロフォン３が収音した収音データを一時的に記憶する。

制御部３５は、スピーカアレイ装置１の各部を制御する。また、制御部３５は、サラウンド音場設定モードを選択する操作が操作部２９において行われたことを検出すると、測定用音声生成部１５及び位相制御部２１に制御信号を出力して、スピーカアレイ２７を上方から見て、スピーカアレイ２７の前面と平行な一方の方向（以下、０度方向と称する。）から、スピーカアレイ２７の前面と平行な他方の方向（以下、１８０度方向と称する。）までの間において、テスト音声ビームをスイープ（旋回）させる。

位置検出処理部３５１は、マイクロフォン３の位置やリモコン装置５の位置の検出処理を行うものである。位置検出処理部３５１は、スピーカアレイ２７のスピーカユニット２７−１及び２７−Ｎからテストパルス１・２を放音させてから、マイクロフォン３がこのテストパルス１・２を収音するまでの到達時間ｔ１・ｔ２を計時し、この到達時間ｔ１・ｔ２に基づいて三角測量法によりリモコン装置５の位置（聴取位置）を算出して、この聴取位置情報をビーム形成演算部１７またはＨＲＴＦ演算部１９に出力する。

また、位置検出処理部３５１は、スピーカアレイ２７のスピーカユニット２７−１及び２７−Ｎからテストパルス１・２を放音させてから、リモコン装置５のマイクロフォン４１がこのテストパルス１・２を収音したことを伝えるために送出したＩＲコードを受信するまでの到達時間ｔ３・ｔ４を計時し、この到達時間ｔ３・ｔ４に基づいて三角測量法によりリモコン装置５の位置（聴取位置）を算出して、この聴取位置情報をビーム形成演算部１７またはＨＲＴＦ演算部１９に出力する。

Ａ／Ｄコンバータ３７は、マイクロフォン３が出力したアナログ音声信号をデジタル音声信号に変換して、制御部３５に出力する。Ａ／Ｄコンバータ３７は、マイクロフォン３を接離可能であり、聴取位置の初期設定及びスピーカアレイ装置１の設置環境の確認を行う際に使用する。

マイクロフォン３は、スピーカアレイ装置１を聴取場所に設置した際に、聴取位置において設置環境に応じたサラウンド音場を設定するために、聴取者の聴取位置に設置する。マイクロフォン３は、無指向性のマイクロフォンであり、スピーカアレイ２７から旋回させながら放音されるテスト音声ビームの直接音や反射音を収音して、音声信号をＡ／Ｄコンバータ３７に出力する。また、マイクロフォン３の位置検出時には、収音したテストパルス１・２の音声信号をＡ／Ｄコンバータ３７に出力する。

ＩＲ信号受信部３９は、リモコン装置５から出力されたＩＲ信号（赤外光信号）を受信すると、電気信号に変換して制御部３５に出力する。スピーカアレイ装置１は、リモコン装置５により各種の設定や操作が可能である。

リモコン装置５は、スピーカアレイ装置１に対して各種操作を行うためのものである。

リモコン装置５は、マイクロフォン４１、アンプ４３、Ａ／Ｄコンバータ４５、表示部４７、操作部４９、制御部５１、ＩＲコード送出部５３を備えている。

マイクロフォン４１は、指向性のマイクロフォンであり、周囲から伝搬する音声を収音して、音声信号をアンプ４３に出力する。

アンプ４３は、マイクロフォン４１が出力した音声信号を増幅して、Ａ／Ｄコンバータ４５に出力する。

Ａ／Ｄコンバータ４５は、アンプ４３で増幅されたアナログ音声信号をデジタル音声信号に変換（サンプリング）して制御部５１へ出力する。

表示部４７は、実行中のモードやエラー等のメッセージを表示する。

操作部４９は、聴取者の操作を受け付ける。

制御部５１は、リモコン装置５の各部を制御する。

ＩＲコード送出部５３は、制御部５１から出力された信号に応じたＩＲ信号（赤外光信号）を出力する。

次に、スピーカアレイ装置１を設置した際の動作について説明する。図３は、壁のある部屋における環境確認モードでの動作を説明するための図である。（Ａ）は、スピーカアレイ装置が音声ビームをスイープ（旋回）させて、マイクロフォンで音声を収音する動作を示す部屋の上面図、（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した配置の場合の測定結果である収音データのグラフ、（Ｃ）は、音声ビームによりリアルなサラウンド音場が設定された状態を示す図である。図４は、壁のない部屋における環境確認モードでの動作を説明するための図である。（Ａ）は、スピーカアレイ装置が音声ビームをスイープ（旋回）させて、マイクロフォンで音声を収音した測定結果である収音データのグラフ、（Ｂ）は、マイクロフォンの位置検出動作を説明するための図、（Ｃ）は、仮想点音源から放音される音声によりバーチャルなサラウンド音場が設定された状態を示す図である。図５は、スピーカアレイ装置の動作を説明するためのフローチャートである。

ここで、図３には、本発明を容易に理解できるように、スピーカアレイ装置１を設置する部屋６１が理想的な形状である直方体であり、スピーカアレイ装置１を部屋６１の前壁６１Ｆの中央付近における壁際に設置した場合について説明する。

スピーカアレイ装置１は、聴取場所に本体を設置後に、聴取者の聴取位置にマイクロフォン３を設置して、環境確認モードを実行することで、設置場所に最適なサラウンド音場を形成するように設定できる。

例えば、図３（Ａ）に示すようにスピーカアレイ装置１を、前壁６１Ｆの中央部における壁際に、前壁６１Ｆと平行に設置し、スピーカアレイ装置１のＡ／Ｄコンバータ３７に接続したマイクロフォン３を、聴取者のリスニングポジション（聴取位置）に設置したものとする。このとき、マイクロフォン３の高さは、聴取者の耳の位置に合わせると良い。図３（Ａ）には、聴取位置を部屋６１の中心よりもやや後ろよりに設定する場合を示している。

聴取者は、まず、スピーカアレイ装置１を聴取場所に設置するとともに、マイクロフォン３をＡ／Ｄコンバータ３７に接続して、聴取位置に設置する。続いて、聴取者は、スピーカアレイ装置１の操作部２９またはリモコン装置５の操作部４９を操作して、環境確認モードを実行するように設定する。スピーカアレイ装置１の制御部３５は、環境確認モードの実行が設定されるまで待機しており（ｓ１：Ｎ）、操作部２９またはリモコン装置５の操作部４９の操作により環境確認モードが設定されたことを検出すると（ｓ１：Ｙ）、測定用音声生成部１５及び位相制御部２１に制御信号を出力して、スピーカアレイ装置１を部屋６１の上方から見てスピーカアレイ装置１の前面と平行な一方の方向（以下、０度方向と称する。）から、スピーカアレイ装置１の前面と平行な他方の方向（以下、１８０度方向と称する。）までの間において、音声ビームをスイープ（旋回）させる。そして、マイクロフォン３で壁の反射音（間接音）やスピーカアレイ２７からの直接音を収音して、収音データを記憶部３３に記憶させる（ｓ２）。

なお、図３（Ａ）には、旋回角θ１、θ２、θ３、θ４のときの音声ビームを同時に表示している。また、図３（Ａ）には、部屋６１の壁６１Ｌ、壁６１Ｒ付近で音声ビームが集束している例を示しているが、これに限るものではなく、
壁に反射してから集束するようにしても良い。また、スピーカアレイ装置１から平行な形状の音声ビームまたはさらに遠方で集束するように設定した音声ビームを放音させるようにしても良い。

図３（Ａ）に示したように、スピーカアレイ装置１の前面において音声ビームをスイープ（旋回）させると、スピーカアレイ装置１から出力した音声ビームの旋回角θに応じて、部屋６１の左壁６１Ｌ・後壁６１Ｂ・右壁６１Ｒに音声ビームが反射して、マイクロフォン３の方向または異なる方向に進む。このとき、マイクロフォン３で音声ビームの直接音や各壁で反射した間接音を収音すると、音声ビームがマイクロフォン３の方向に進む場合には、マイクロフォン３で収音した音声のゲインは大きくなる。一方、音声ビームがマイクロフォン３と異なる方向に進む場合には、マイクロフォン３で収音した音声のゲインは小さくなる。スピーカアレイ装置１では、このような特性を用いて、収音データからピークとなる旋回角度を求めることで、音声ビームを出力する最適な角度を設定できる。

制御部３５は、音声ビームの旋回角が１８０度になるまで収音を続けて、記憶部３３に収音データを記憶させ（ｓ３：Ｎ，ｓ２）、音声ビームの旋回が完了すると（ｓ３：Ｙ）、記憶部３３から収音データを読み出して、ピーク数、ピークのレベル、対称性等の状態を解析して、または予め設定された基準と比較して、音声ビームによりサラウンド音場を生成可能であるか否かを判定する（ｓ４）。

制御部３５は、収音データ中に閾値以上のピークが複数ある場合、妥当な範囲にあり一定幅以上であるピークを選定・検出する。また、制御部３５は、ピークの間隔や仮想スピーカの設置角度として常識的に有り得ない角度のピークや、推奨しない設定角度であるピーク等を除外して、選定・検出する。制御部３５は、ピークのゲインレベルは閾値以上であっても、波形がパルス状で幅が一定値以下であり音声ビームとしては有り得ない形状の波形である場合には、ノイズとして除外する。

制御部３５は、解析の結果、音声ビームによりサラウンド音場を生成可能であると判定すると（ｓ５：Ｙ）、収音データのピークに対応する旋回角を各チャンネルの音声ビームの放音角度として、スピーカアレイ２７から各チャンネルの音声ビームを放音する位相制御の演算を行うように、ビーム形成演算部１７に設定する（ｓ６）。すなわち、制御部３５は、収音データ中に閾値以上のピークが複数ある場合、妥当な範囲にあり一定幅以上である最もゲインレベルの高いピークの旋回角をＣｃｈの音声ビームを出力する角度に設定する。また、制御部３５は、Ｃｃｈに設定したピークを挟んで両側（時間的に前後、角度的に左右）の領域に、ゲインの閾値を超えたピークが幾つ存在するか、Ｃｃｈに設定したピークに近すぎるピークや仮想スピーカの設置角度として常識的に有り得ない角度であるピークを除外して、選定・検出する。制御部３５は、このピーク数がＣｃｈに設定したピークを挟んで同数の場合は、Ｃｃｈに設定したピークに近い方からサラウンドチャンネル、フロントチャンネルという順に割り当てて、その角度を割り出す。

制御部３５は、各チャンネルの音声ビームの放音角度の設定が完了すると、処理を終了する。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した配置の場合の測定結果を示す収音データである。スピーカアレイ装置１の制御部３５は、図３（Ｂ）に示すように、対称性のある５つのピーク５５〜５９を含む収音データが得られたときには、Ｌｃｈの音声ビームを放音する角度を旋回角θａ１に、ＳＬｃｈの音声ビームを放音する角度を旋回角θａ２に、Ｃｃｈの音声ビームを放音する角度を旋回角θａ３に、ＳＲｃｈの音声ビームを放音する角度を旋回角θａ４に、Ｒｃｈの音声ビームを放音する角度を旋回角θａ５に、それぞれ設定して、これらの設定値をビーム形成演算部１７に設定する。したがって、スピーカアレイ装置１は、図３（Ｃ）に示すように、音声ビームによりサラウンド音場を生成するように設定する。

一方、壁のない部屋にスピーカアレイ装置１を設置した場合には、音声ビームを壁で反射させることができない。そのため、スピーカアレイ装置１に環境確認モードを実行させて、壁のない部屋において図３（Ａ）に示すように音声ビームを旋回させると、マイクロフォン３は、スピーカアレイ装置１からの直接音のみを収音するので、図４（Ａ）に示すように１つのピーク１２６を有する収音データとなる（ｓ２，ｓ３）。

制御部３５は、ステップｓ４における解析の結果、このように収音データにおいて閾値を超えるピークが１つだけの場合（周囲に壁がない場合）やピークを複数検出できても対称性がない場合（聴取位置の左右または後部の壁がない場合等）には、音声ビームによるサラウンド音場が生成できない環境であると判定して（ｓ５：Ｎ）、バーチャルなサラウンド音場を生成するための動作を開始する。

すなわち、制御部３５は、測定用音声生成部１５及び位相制御部２１に制御信号を出力して、スピーカアレイ２７のスピーカユニット２７−１及び２７−Ｎからテスト音声（位置検出音声）を放音させて、マイクロフォン３で両テスト音声を収音するまでの時間を計測し、この時間を用いて三角測量法によりマイクロフォン３の位置を算出する（ｓ７）。

続いて、制御部３５は、図４（Ｃ）に示すように、スピーカアレイ装置１の後方に設定した２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２から聴取位置の聴取者に向けて放音する音声を聴取すると、聴取者が周囲のチャンネル毎に設定した方向に定位を感じるように、頭部伝達関数に基づく聴感特性（周波数特性）をＨＲＴＦ演算部１９が演算するように設定する（ｓ８）。また、制御部３５は、上記の２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２から聴取位置の方向に放音された音声の波面と同様の波面を形成するように、各スピーカユニット２７−１〜２７−Ｎが音声を放音する位相制御の演算をＨＲＴＦ演算部１９が行うように設定する（ｓ９）。そして、制御部３５は、演算処理の設定を終了する。

ここで、図４（Ｃ）には、仮想点音源を２つ設けた場合を示しているが、本発明はこれに限るものではなく、さらに複数の仮想点音源を設けて、これらの仮想点音源から放音されている音声の音波面と同様の音波面を形成する用にしても良い。例えば、図４（Ｃ）に示した仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の間に、仮想点音源Ｆ３を設けて、この仮想点音源Ｆ３からは、Ｃｃｈの音声が聴取位置に向けて放音されているように、音波面を形成すると良い。これにより、Ｃｃｈの音声を聴取者の前方中央部に確実に定位できる。

スピーカアレイ装置１は、上記のように設置環境を確認して自動的にサラウンド音場を設定するだけでなく、聴取位置にマイクロフォン３を設置して、操作部２９または聴取者がリモコン装置５の操作部４９を操作することで、リアルサラウンドモードまたはバーチャルサラウンドモードを設定できる。スピーカアレイ装置１は、リアルサラウンドモードが設定されると、音声ビームを０度方向から１８０度方向までスイープ（旋回）させて、マイクロフォン３で収音した収音データを解析して、各チャンネルの音声ビームの放音角度を設定し、これらの放音角度で音声ビームを放音するように各スピーカユニット２７−１〜２７−Ｎの位相を制御する演算を行うように設定する。また、スピーカアレイ装置１は、バーチャルサラウンドモードが設定されると、テストパルスを放音してマイクロフォン３の位置を算出し、この聴取位置に対して、２つの仮想点音源から放音した音声と同様の音波面を形成するように位相制御の演算を行うとともに、聴取位置においてチャンネル毎に設定した方向に音像が定位する聴感特性（周波数特性）を演算するように設定する。

次に、スピーカアレイ装置１は、バーチャルサラウンド音場を生成するように設定されているときに、聴取者が聴取位置の変更後に、リモコン装置５を操作して聴取位置の変更操作を行うと、変更後の聴取位置で最適なサラウンド音場を生成するように、仮想点音源の位置を変更するとともに、頭部伝達関数に基づいて音場が定位する位置を再度演算するように設定する。これにより、バーチャルサラウンド環境でも、聴取位置を容易に変更できる。

図６は、聴取位置の変更後に、バーチャルサラウンド音場を再設定する手順を説明するための図であり、（Ａ）は点音源移動モード、（Ｂ）は遅延制御モード、（Ｃ）は仮想定位移動モードを示す。

スピーカアレイ装置１は、バーチャルサラウンドモードが設定されているときに、聴取位置を変更する場合、仮想点音源の位置を変更する点音源移動モードと、仮想点音源の放音タイミングを遅延させて（調整して）、２つの点音源からの音声をほぼ同時に聴取位置に伝搬させる遅延制御モードと、仮想定位を付与する位置を変更する仮想定位移動モード、のいずれかを選択することで、サラウンド音場を新たな聴取位置に適したものに設定できる。

聴取者は、例えば図４（Ｃ）に示したスピーカアレイ装置１の前方中央付近の聴取位置から図６（Ａ）に示すスピーカアレイ装置１の前方右寄りの聴取位置に移動した場合、聴取者は、リモコン装置５を操作して点音源移動モードを選択することで、変更後の聴取位置に仮想的なサラウンド音場を生成させることができる。

図７は、点音源移動モードの手順を説明するためのフローチャートである。リモコン装置５の制御部５１は、操作部４９が操作されて点音源移動モードが設定されたことを検出すると（ｓ１１：Ｙ）、ＩＲコード送出部５３から点音源移動モードを指示するＩＲ信号を出力させるとともに（ｓ１２）、テストパルスを収音可能な状態にマイクロフォン４１を設定する（ｓ１３）。

スピーカアレイ装置１の制御部３５は、ＩＲ信号受信部３９でＩＲ信号を受信して、点音源移動モードが設定されたことを検出すると（ｓ２１：Ｙ）、まず、スピーカアレイ２７のスピーカユニット２７−１及び２７−Ｎからテストパルスを放音させる（ｓ２２）。また、制御部３５は、テストパルスを放音させると、計時を開始する（ｓ２３）。

リモコン装置５の制御部３５は、マイクロフォン４１が両スピーカユニットからのテストパルスを収音すると（ｓ１４：Ｙ）、テスト音声を収音したことを伝えるＩＲ信号を、直ちにＩＲコード送出部５３に出力させる（ｓ１５）。

スピーカアレイ装置１の制御部３５は、リモコン装置５からのＩＲ信号をＩＲ信号受信部３９で受信すると（ｓ２４：Ｙ）、計時を終了して（ｓ２５）、スピーカユニット２７−１及び２７−Ｎがテスト音声を放音してから、リモコン装置５からのＩＲ信号を受信するまでの時間を用いてスピーカアレイ装置１からリモコン装置５の位置、つまり新たな聴取位置を三角測量法により算出する（ｓ２６）。

続いて、制御部３５は、図４（Ｃ）に示した２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２と聴取位置との位置関係を維持するために、２つの仮想点音源の設定位置を変更する（ｓ２７）。すなわち、図６（Ａ）に示したように、スピーカアレイ装置１の後ろ側において、２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の位置を変更する。そして、これら２つの仮想点音源から放音した音声の波面と同様の波面を形成するように、スピーカアレイ２７から音声を放音するタイミングをＨＲＴＦ演算部１９で演算するように設定する（ｓ２８）。

このとき，ＨＲＴＦ演算部１９は、聴取者の周囲に仮想的に音場が定位するように、頭部伝達関数に基づいて聴感特性（周波数特性）を付与する演算処理については、聴取位置が変更されても係数等を変更せずに聴取位置が変更される前に設定された係数を用いて演算処理を行う。

これにより、スピーカアレイ装置１からサラウンド音声を放音する際には、図６（Ａ）に示すように、聴取者Ｕがその周囲に定位を感じるサラウンド音場を仮想的に生成することができる。

また、聴取者は、図４（Ｃ）に示した聴取位置から図６（Ｂ）に示す聴取位置に移動した場合、リモコン装置５を操作して遅延制御モードを選択しても、変更後の聴取位置に仮想的なサラウンド音場を生成させることができる。

リモコン装置５の制御部５１は、操作部４９が操作されて遅延制御モードが設定されたことを検出すると（ｓ１１：Ｙ）、遅延制御モードを指示するＩＲ信号の出力（ｓ１２）と、テストパルスの収音処理を開始する（ｓ１３）。

スピーカアレイ装置１の制御部３５は、ＩＲ信号受信部３９でＩＲ信号を受信して、遅延制御モードが設定されたことを検出すると（ｓ２１：Ｙ）、点音源移動モードの場合と同様に、リモコン装置５の位置、つまり聴取者の新たな聴取位置を算出する（ｓ２２〜ｓ２６，ｓ１４〜ｓ１５）。

続いて、制御部３５は、図４に示した２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の設定位置は維持して、仮想点音源Ｆ２の放音タイミングを遅らせる遅延制御を行うように設定する（ｓ２７，ｓ２８）。

このとき，ＨＲＴＦ演算部１９は、聴取者の周囲に仮想的に音場が定位するように、頭部伝達関数に基づいて聴感特性（周波数特性）を付与する演算処理については、聴取位置が変更されても係数等を変更せずに聴取位置が変更される前に設定された係数を用いて演算処理を行う。またこのとき、仮想点音源Ｆ１・Ｆ２から聴取位置までの距離に従い、仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の音量（強度）を補正するようにしても良い。

これにより、仮想点音源から放音された音声の音波面と同様の波面を形成する演算処理は変更せずに、仮想点音源Ｆ２についての音波面を生成する演算処理のタイミングを遅延させることで、または、このような遅延と音量の補正を行うことで、図６（Ｂ）に示すように、聴取者Ｕがその周囲に定位を感じるサラウンド音場を仮想的に生成することができる。したがって、演算処理を簡略化できる。

また、聴取者が、図４（Ｃ）に示した聴取位置から、図６（Ｃ）に示す聴取位置に移動した場合、聴取者は、リモコン装置５を操作して仮想定位移動モードを選択することで、変更後の聴取位置に仮想的なサラウンド音場を生成させることができる。このモードでは、図６（Ｃ）に示すように、聴取者は、スピーカアレイ２７に対して斜めに向かずに対向するのが良い。

リモコン装置５の制御部５１は、操作部４９が操作されて仮想定位移動モードが設定されたことを検出すると（ｓ１１：Ｙ）、ＩＲ信号の出力（ｓ１２）と、テストパルスの収音処理を開始する（ｓ１３）。

スピーカアレイ装置１の制御部３５は、ＩＲ信号受信部３９でＩＲ信号を受信して、仮想定位移動モードが設定されたことを検出すると（ｓ２１：Ｙ）、まず、点音源移動モードの場合と同様に、リモコン装置５の位置、つまり聴取者の新たな聴取位置を算出する（ｓ２２〜ｓ２６，ｓ１４〜ｓ１５）。

続いて、制御部３５は、図４に示した２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の設定位置は維持し、仮想点音源の放音タイミングを遅らせる制御も行わずに、ＨＲＴＦ演算部１９に、変更後の聴取位置において聴取者の周囲に仮想的に音場が定位するように、頭部伝達関数に基づいて聴感特性（周波数特性）を付与する演算処理のみ変更するように設定する（ｓ２７，ｓ２８）。つまり、利用する頭部伝達関数の設定角度を聴取位置に応じて変更する。また、仮想点音源Ｆ１・Ｆ２からの距離に従い、仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の音量（強度）を補正するようにしても良い。

このとき、上記のように、図４に示した２つの仮想点音源Ｆ１・Ｆ２の設定位置は維持するので、聴取位置を変更前に設定された計数等を用いて位相制御の演算を行うようにすれば良く、ＨＲＴＦ演算部１９は、聴取位置の変更前に設定された演算手順で、位相制御の演算を行う。

これにより、仮想定位を付与するための頭部伝達関数に基づいて聴感特性を付与する演算のみ、または、この演算と音量の調整を更新することで、図６（Ｃ）に示すように、聴取者Ｕがその周囲に定位を感じるサラウンド音場を仮想的に生成することができる。したがって、演算処理を簡略化できる。

また、スピーカアレイ装置１では、変更後の聴取位置に応じて、点音源移動モードと遅延制御モードの一方を行うように設定することが可能である。図８は、点音源移動モードを実行する領域と遅延制御モードを実行する領域を示す図である。

図８に示すように、聴取者Ｕの聴取位置が、スピーカアレイ装置１の前方に設定した台形状の領域Ａ内であれば点音源移動モードを選択し、それ以外の領域Ｂ内であれば、遅延制御モードを選択するように設定すると良い。

聴取位置が領域Ｂ、Ｃ内に変更された場合に、点音源移動モードによりバーチャルサラウンド音場を生成しようとすると、サラウンド音場を形成できない場合がある。これに対して、遅延制御モードであれば聴取位置が領域Ｂ、Ｃ内であってもバーチャルサラウンド音場を形成できる。したがって、上記のように、変更された聴取位置がどの領域内であるかに応じて、バーチャルサラウンド音場を生成するためのモードを切り換えることで、変更後の聴取位置の位置にかかわらず、適正にバーチャルサラウンド音場を生成することが可能となる。

次に、上記の説明では、バーチャルサラウンドモードにおいて、リモコン装置５を操作することで、聴取位置を再設定可能な構成について説明したが、これに限るものではなく、磁気センサ、超音波発信器、赤外線ビーコン、電波発信器等を聴取者に装着して、スピーカアレイ装置１で聴取者の位置を検出する方法や、カメラや温度センサ等で聴取者を認識して、聴取位置を検出する方法などを用いることが可能である。このような構成により、聴取者の聴取位置をリアルタイムで検出できる場合には、バーチャルサラウンドモードでは、聴取者の聴取位置情報に基づいて、ＨＲＴＦ演算部１９で仮想点音源から放音された音波面と同様の波面を形成する演算、及び頭部伝達関数に基づく各チャンネル音声の定位特性の演算を行い、この演算結果に基づいて位相制御部２１を制御することで、リアルタイムに聴取位置の変更（補正）が可能となる。したがって、バーチャルサラウンドモードにおいても、聴取位置が固定されることなく、自由に聴取位置を変更できる。

なお、スピーカアレイ装置１では、音声ビームによるリアルサラウンドモード時にも聴取位置を変更した際にリモコン装置５を操作することで、変更後の聴取位置でサラウンド音場を生成するように音声ビームの放音方向を変更できる。

従来のサラウンドシステムで生成したサラウンド音場の例を示す図である。 本発明の実施形態に係るスピーカアレイ装置の概略構成を示すブロック図である。 壁のある部屋における環境確認モードでの動作を説明するための図である。 壁のない部屋における環境確認モードでの動作を説明するための図である。 スピーカアレイ装置の動作を説明するためのフローチャートである。 聴取位置の変更後に、バーチャルサラウンド音場を再設定する手順を説明するための図である。 点音源移動モードの手順を説明するためのフローチャートである。 点音源移動モードを実行する領域と遅延制御モードを実行する領域を示す図である。

符号の説明

１…スピーカアレイ装置 ３，４１…マイクロフォン ５…リモコン装置 １１…入力端子 １３…デコーダ １５…測定用音声生成部 １７…ビーム形成演算部 １９…ＨＲＴＦ演算部 ２１…位相制御部 ２３−１〜２３−Ｎ…Ｄ／Ａコンバータ ２５−１〜２５−Ｎ…パワーアンプ ２７…スピーカアレイ ２７−１〜２７−Ｎ…スピーカユニット ２９…操作部 ３１…表示部 ３３…記憶部 ３５…制御部 ３７…Ａ／Ｄコンバータ ３９…ＩＲ信号受信部 ４１…マイクロフォン ４３…アンプ ４５…Ａ／Ｄコンバータ ４７…表示部 ４９…操作部 ５１…制御部 ５３…ＩＲコード送出部

Claims (1)

1. 複数チャンネルのサラウンド音声を放音するスピーカアレイ装置であって、
   複数のスピーカユニットが配列されたスピーカアレイと、
   前記スピーカアレイからチャンネル毎に設定した方向に音声ビームを放音するように、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算を行うビーム形成演算手段と、
   前記スピーカアレイから放音された音声が複数の仮想点音源から放音された音声と同様の波面を形成するように、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算を行うとともに、聴取位置において前記複数の仮想点音源から放音された音声を聴取した聴取者が、チャンネル毎に設定された位置に定位を感じる聴感特性を頭部伝達関数に基づいて演算する仮想定位演算手段と、
   前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから出力する音声信号の位相制御を行う位相制御手段と、
   テストの開始操作を受け付ける操作手段と、
   前記操作手段が前記開始操作を受け付けると、テスト音声信号と、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットがテスト音声ビームを旋回させながら放音するように位相を制御する信号と、を前記位相制御手段に出力するテスト音声出力手段と、
   前記聴取位置に設置され、前記スピーカアレイが放音したテスト音声ビームの直接音及び反射音を収音するマイクロフォンと、
   前記マイクロフォンが収音した前記テスト音声ビームの収音データの特徴を解析し、対称性のないピークを除外後の選定したピーク数が１つだと仮想定位演算手段を選択し、前記選定したピーク数が複数だとビーム形成演算手段を選択する選択手段と、
   聴取者の聴取位置を検出して、その位置情報を出力する位置検出手段と、
   を備え、
   前記位相制御手段は、前記選択手段が前記ビーム形成演算手段を選択した場合、前記ビーム形成演算手段の演算結果に基づいて、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから出力する音声信号の位相制御を行い、
   前記選択手段が前記仮想定位演算手段を選択した場合、前記仮想定位演算手段の演算結果に基づいて、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから出力する音声信号の聴感特性の付与と位相制御を行い、
   前記仮想定位演算手段は、前記位置検出手段が出力する位置情報が変更されると、その変更後の聴取位置情報に基づいて、変更前の聴取位置と前記複数の仮想点音源の位置関係が、変更後も同様の位置関係となるように複数の仮想点音源の位置を変更して、これらの仮想点音源から放音された音声と同様の波面を形成するように、前記スピーカアレイの複数のスピーカユニットから放音する音声の位相を制御するための演算を行うスピーカアレイ装置。

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