JP2014204362A

JP2014204362A - スピーカアレイ装置

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Publication number: JP2014204362A
Application number: JP2013080440A
Authority: JP
Inventors: 岳大杉本; Takehiro Sugimoto; 洋幸大久保; Hiroyuki Okubo; 諭大石; Satoshi Oishi; 啓二石井; Keiji Ishii
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】複数のスピーカユニットを含むスピーカアレイにより、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生する。
【解決手段】本発明に係るスピーカアレイ装置は、ディスプレイの周囲に配置した複数のスピーカユニットによりマルチチャンネル音響方式の音再生を行うスピーカアレイ装置であって、視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号を再生する原信号用スピーカユニットと、前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号を波面合成法の駆動信号に変換する波面合成処理部と、前記駆動信号の周波数成分の高域を除去する低域通過フィルタと、前記高域を除去した駆動信号を再生する波面合成用スピーカユニットと、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、スピーカアレイ装置に関する。

次世代の三次元音響にとって、様々な方向からの音の再生は重要な要素であるため、多数のスピーカを室内に配置する必要がある（非特許文献１）。しかし、設置する室内の条件によっては、必要な方位・個数のスピーカユニットを設置することが困難な場合も考えられる。そこで、三次元音響を手軽に家庭で利用できるようにするため、テレビの周囲に多数のスピーカを配置したスピーカーアレイフレーム（以下ＬＡＦ：Loudspeaker Array Frame）等による再生方式が考案されてきている（非特許文献２）。

安藤、「高臨場感音響技術とその理論」、IEICE Fundamentals Review、Vol.3、No.4、pp.33-46、2010年4月. T. Sugimoto, K. Matsui, and H. Okubo, "A Loudspeaker Array Frame Reproducing 22.2 Multichannel Sound for Super Hi-Vision Flat Panel Display," NAB Show 2012, Las Vegas, April 14-19, 2012.

非特許文献２に記載のＬＡＦを用いた再生方式は、非特許文献１記載の波面合成法を応用して、スピーカを設置できないディスプレイの画面上のチャンネルからの音を再現することを目的としている。しかし、波面合成法には空間エイリアシング周波数と呼ばれる、スピーカユニットの間隔に依存する再生周波数の上限が原理的に存在するため、空間エイリアシング周波数以上の音を高品位に再生することが難しいという問題があった。一般的に、スピーカユニットの間隔を短くすることで前述の空間エイリアシング周波数を上昇させることはできるが、そのためには小型のスピーカユニットを用いる必要があり、低周波音の音質や再生音量に支障をきたす。また、スピーカユニットの個数が増えれば駆動アンプの数も比例して増加するため、実用上の制約が大きくなる。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、複数のスピーカユニットを含むスピーカアレイにおいて、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生可能なスピーカアレイ装置を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、本発明に係るスピーカアレイ装置は、ディスプレイの周囲に配置した複数のスピーカユニットによりマルチチャンネル音響方式の音再生を行うスピーカアレイ装置であって、視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号を再生する原信号用スピーカユニットと、前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号を波面合成法の駆動信号に変換する波面合成処理部と、前記駆動信号の周波数成分の高域を除去する低域通過フィルタと、前記高域を除去した駆動信号を再生する波面合成用スピーカユニットと、を備えるものである。

また、前記複数のスピーカユニットのうち、前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの位置に配置されたスピーカユニットを前記原信号用スピーカユニットとすることが好ましい。

また、前記原信号用スピーカユニットの前段に、前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号の周波数成分の低域を除去する高域通過フィルタを備えることが好ましい。

また、前記原信号用スピーカユニットは、前記波面合成法の駆動信号を再生することが好ましい。

また、前記波面合成処理部は、前記前方に配置されたチャネルのうち、前記ディスプレイ上に位置するチャネルの音響信号のみを波面合成法の駆動信号に変換することが好ましい。

本発明に係るスピーカアレイ装置によれば、複数のスピーカユニットを含むスピーカアレイにおいて、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るスピーカアレイ装置の構成を示す図である。マルチチャネル音響方式の前方チャネル配置とスピーカユニットとの関係を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るスピーカアレイ装置の構成を示す図である。本発明の第３の実施形態に係るスピーカアレイ装置の構成を示す図である。本発明の第４の実施形態に係るスピーカアレイ装置の構成を示す図である。

以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。ここで、以下の説明においては、スピーカアレイ装置に入力されるマルチチャンネル音響信号として、スーパーハイビジョン音響である２２．２チャネル音響を例に説明を行うが、本発明は２２．２チャネル音響のみに限定されるものではない点に留意されたい。本発明は、視聴者の前方にチャンネルが配置されるマルチチャンネル音響方式であれば、いかなる音響方式にも対応することが可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスピーカアレイ装置１の構成を示す図である。スピーカアレイ装置１は、ディスプレイの周囲に配置した複数のスピーカユニットによりマルチチャンネル音響方式の音再生を行うものであって、信号分配器１１と、原信号用増幅器１２と、原信号用スピーカユニット１３と、波面合成処理部１４と、低域通過フィルタ１５と、波面合成用増幅器１６と、波面合成用スピーカユニット１７とを備える。

ここで、スピーカアレイ装置１の処理を概略的に言えば、スピーカアレイ装置１は、２２．２チャネル音響の前方の１１チャネルについて、各チャネル位置に対応するスピーカユニット（原信号用スピーカユニット１３）による高域再生と、波面合成法に関するスピーカユニット（波面合成用スピーカユニット１７）による低域再生とを組み合わせ、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域も含めて高品質に再生するものである。

２２．２チャネル音響は、視聴者より高い位置に配置された上層の９チャネルと、視聴者の耳の高さの位置に配置された中層の１０チャネルと、視聴者より低い位置に配置された下層の３チャネルと、低音用ＬＦＥの２チャネル（０．２チャネル）とから構成される。２２．２チャネル音響のうち、視聴者の前方の１１チャネルは、上層の３ｃｈ、中層の５ｃｈ、および下層の３ｃｈから構成される。

図２は、２２．２チャネル音響の前方チャネル配置とスピーカユニットとの関係を示す図である。表示部ＤＩＳの上辺にはＴｐＦＬ、ＴｐＦＣ、ＴｐＦＲの上層３チャネル、表示部ＤＩＳの下辺にはＢｔＦＬ、ＢｔＦＣ、ＢｔＦＲの下層３チャネルがあり、それぞれ、各チャネル位置に対応する原信号用スピーカユニット１３が配置されている。また、表示部ＤＩＳの垂直方向中央にはＦＬ、ＦＬｃ、ＦＣ、ＦＲｃ、ＦＲの中層５チャネルがあり、ＦＬ及びＦＲについては、各チャネル位置に対応する原信号用スピーカユニット１３が配置されている。中層５チャネルのうち、ＦＬｃ、ＦＣ、ＦＲｃの３チャネルは表示部ＤＩＳ内に位置しており、実際のスピーカユニットが存在しないチャネルとなっている。本実施形態においては、ＦＬｃ、ＦＣ、ＦＲｃについては、各チャンネルの上下に配置したスピーカユニットを用いて上下のファンタム音像として再生するものとする。なおこの場合、上下のみならず左右のスピーカユニットを用いるか、左右のみを用いてもよい。原信号用スピーカユニット１３を除く表示部ＤＩＳの各辺のスピーカユニットは、波面合成用スピーカユニット１７として機能するものである。

信号分配器１１は、入力された２２．２チャネル音響信号を各チャネルの信号に分配し、前方１１チャネルの信号を原信号用増幅器１２及び波面合成処理部１４に出力する。なお、２２．２チャネル音響信号のうち、前方１１チャネル以外の信号については、頭部伝達関数などを用いて適宜再生されるものであって、本稿での詳述は行わない。

原信号用増幅器１２は、信号分配器１１からの前方１１チャネルの信号を増幅し、原信号用スピーカユニット１３に出力する。

原信号用スピーカユニット１３は、原信号用増幅器１２より入力される信号をそれぞれ音に変換して再生する。なお、原信号用スピーカユニット１３が再生する前方１１チャネルの信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含むものである。

波面合成処理部１４は、信号分配器１１からの前方１１チャネルの信号を波面合成法の駆動信号に変換し、変換後の信号（波面合成用駆動信号）を低域通過フィルタ１５に出力する。なお、波面合成法は例えば非特許文献１に記載されており、本稿での詳細は行わない。

低域通過フィルタ１５は、波面合成処理部１４からの波面合成用駆動信号の高周波数成分を除去し、所定の周波数以下の信号として波面合成用増幅器１６に出力する。ここで、低域通過フィルタ１５が除去する高域遮断周波数ｆ１は、波面合成法の空間エイリアシング周波数に対応するものであって、スピーカユニットの配置間隔やディスプレイサイズなどから導かれるものである。

波面合成用増幅器１６は、低域通過フィルタ１５からの高域周波数成分を除去された波面合成用駆動信号を増幅し、波面合成用スピーカユニット１７に出力する。

波面合成用スピーカユニット１７は、波面合成用増幅器１６より入力される波面合成用駆動信号をそれぞれ音に変換して再生する。なお、波面合成用スピーカユニット１７による波面合成駆動信号の再生は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域は含まないものである。

このように、本実施形態によれば、波面合成用スピーカユニット１７は、空間エイリアシング周波数以上の高域が除去された駆動信号を再生するため、空間エイリアシング周波数の影響により高域の再生品質が損なわれることはない。さらに、原信号用スピーカユニット１３が再生する前方１１チャネルの信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含むため、波面合成用スピーカユニット１７が生成する信号を補完して、スピーカアレイ装置全体として、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生することが可能となる。即ち、本実施形態によれば、現実的なスピーカユニットの個数を用いて、実スピーカユニットによる再生と波面合成法による再生のそれぞれの特徴を生かした効果的なマルチチャンネル音響再生が可能になる。

また、複数のスピーカユニットのうち、視聴者の前方に配置されたチャンネルの位置に配置されたスピーカユニットを原信号用スピーカユニット１３としているため、三次元音響信号の特性にあわせ、より高品質に高域を再生することが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係るスピーカアレイ装置２の構成を示す図である。スピーカアレイ装置２は、第１の実施形態のスピーカアレイ装置１の原信号用増幅器１２の前段に高域通過フィルタ１８を備えたものである。各機能ブロックについて、第１の実施形態と同等の処理については重複する説明を省略する。

本実施形態では、高域通過フィルタ１８は、信号分配器１１からの前方１１チャネルの信号について、低周波数成分を除去し、所定の周波数以上の信号として原信号用増幅器１２に出力する。ここで、高域通過フィルタ１８が除去する低域遮断周波数ｆ１は、波面合成法の空間エイリアシング周波数に対応するものであって、スピーカユニットの配置間隔やディスプレイサイズなどから導かれるものである。

原信号用スピーカユニット１３は、原信号用増幅器１２より入力される信号をそれぞれ音に変換して再生する。本実施形態において、原信号用スピーカユニット１３が再生する前方１１チャネルの信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以下の低域は含まないものである。

このように、本実施形態によれば、波面合成用スピーカユニット１７は、空間エイリアシング周波数以上の高域が除去された駆動信号を再生するため、空間エイリアシング周波数の影響により高域の再生品質が損なわれることはない。さらに、原信号用スピーカユニット１３が再生する前方１１チャネルの信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以下の低域は含まないため、波面合成用スピーカユニット１７が再生する信号との合成が容易であり、スピーカアレイ装置全体として、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生することが可能となる。また、原信号用スピーカユニット１３及び波面合成用スピーカユニット１７で再生する周波数帯域が異なるため、それぞれ異なる種類のスピーカを実装することにより、スピーカアレイ装置の製造コストを低減することもできる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係るスピーカアレイ装置３の構成を示す図である。スピーカアレイ装置３は、第１の実施形態のスピーカアレイ装置１と同等の機能ブロックを備え、波面合成処理部１４の出力が原信号用増幅器１２の入力となる点で第１の実施形態と異なるものである。各機能ブロックについて、第１の実施形態と同等の処理については重複する説明を省略する。

本実施形態では、波面合成処理部１４は、信号分配器１１からの前方１１チャネルの信号を波面合成法による駆動信号に変換し、変換後の駆動信号（波面合成用駆動信号）を原信号用増幅器１２及び低域通過フィルタ１５に出力する。

原信号用スピーカユニット１３は、原信号用増幅器１２より入力される信号をそれぞれ音に変換して再生する。本実施形態において、原信号用スピーカユニット１３が再生する波面合成用駆動信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含むものである。

このように、本実施形態によれば、波面合成用スピーカユニット１７は、空間エイリアシング周波数以上の高域が除去された駆動信号を再生するため、空間エイリアシング周波数の影響により高域の再生品質が損なわれることはない。さらに、原信号用スピーカユニット１３が再生する波面合成用駆動信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含み、かつ、原信号用スピーカユニット１３は前方１１チャネルの位置に対応したものであるため、高域再生による空間エイリアシング周波数の影響が生じにくい。このため、原信号用スピーカユニット１３が再生する信号により、波面合成用スピーカユニット１７が再生する信号を補完して、スピーカアレイ装置全体として、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生することが可能となる。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係るスピーカアレイ装置４の構成を示す図である。スピーカアレイ装置４は、第１の実施形態のスピーカアレイ装置１と同等の機能ブロックを備え、波面合成用増幅器１６の出力が原信号用スピーカユニット１３へ入力される点で第１の実施形態と異なるものである。各機能ブロックについて、第１の実施形態と同等の処理については重複する説明を省略する。

本実施形態では、波面合成用増幅器１６は、低域通過フィルタ１５からの高域周波数成分を除去された波面合成用駆動信号を増幅し、増幅した波面合成用駆動信号を原信号用スピーカユニット１３及び波面合成用スピーカユニット１７に出力する。

原信号用スピーカユニット１３は、原信号用増幅器１２より入力される前方１１チャネルの信号と、波面合成用増幅器１６より入力される波面合成用駆動信号とをそれぞれ音に変換して再生する。本実施形態において、原信号用スピーカユニット１３が再生する信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含む原信号と、空間エイリアシング周波数以上の高域を含まない波面合成用駆動信号とが重畳されたものとなる。

このように、本実施形態によれば、波面合成用スピーカユニット１７は、空間エイリアシング周波数以上の高域が除去された駆動信号を再生するため、空間エイリアシング周波数の影響により高域の再生品質が損なわれることはない。さらに、原信号用スピーカユニット１３が再生する前方１１チャネルの信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含むため、波面合成用スピーカユニット１７が生成する信号を補完することができる。また、原信号用スピーカユニット１３が再生する波面合成用駆動信号は、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を含むが、原信号用スピーカユニット１３は前方１１チャネルの位置に対応したものであるため、高域再生による空間エイリアシング周波数の影響が生じにくい。このため、原信号用スピーカユニット１３が再生する信号により、波面合成用スピーカユニット１７が再生する信号を補完して、スピーカアレイ装置全体として、波面合成法の空間エイリアシング周波数以上の高域を高品質に再生することが可能となる。なお、波面合成用駆動信号を再生するスピーカユニットの数自体が増加することにより、波面合成法による再生品質を向上させることができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

例えば、２２．２チャネル音響の場合、波面合成法を画面上の３チャンネルのみに行い、他の前方８チャネルについてはそのまま原信号用スピーカユニット１３により再生することも可能である。物理的にスピーカユニットが存在する位置のチャネルについては当該スピーカユニットにより再生を行い、物理的にスピーカユニットが存在しない位置のチャネルについてのみ波面合成法を行うことにより、原信号及び波面合成法を組み合わせた高品位な音再生が可能となる。

また、当業者であれば上記各実施形態の構成を適宜組み合わせて本発明を実施できることは言うまでもない。

また、図２において、視聴者前方のチャネルへの原信号用スピーカユニット１３の割り当て例を示したが、各チャネルに原信号用スピーカユニット１３を複数割り当てたり、チャネルごとに割り当て数を変化させることも可能である。

また、上記説明において、低域通過フィルタ１５及び高域通過フィルタ１８が減衰させる周波数の基準は波面合成法の空間エイリアシング周波数に対応するものとしたが、本発明はこれに限られず、スピーカアレイ装置の大きさや聴感上の効果によって柔軟に設定することが可能である。

さらに、原信号用スピーカユニット１３に入力する信号と、波面合成用スピーカユニット１７に入力する信号との間の時間軸上の相対関係は、聴感上の効果等を勘案して、各チャンネルに適宜時間差を設けることが可能である。

１，２，３，４スピーカアレイ装置
１１信号分配器
１２原信号用増幅器
１３原信号用スピーカユニット
１４波面合成処理部
１５低域通過フィルタ
１６波面合成用増幅器
１７波面合成用スピーカユニット
１８高域通過フィルタ

Claims

ディスプレイの周囲に配置した複数のスピーカユニットによりマルチチャンネル音響方式の音再生を行うスピーカアレイ装置であって、
視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号を再生する原信号用スピーカユニットと、
前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号を波面合成法の駆動信号に変換する波面合成処理部と、
前記駆動信号の周波数成分の高域を除去する低域通過フィルタと、
前記高域を除去した駆動信号を再生する波面合成用スピーカユニットと、を備えるスピーカアレイ装置。
前記複数のスピーカユニットのうち、前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの位置に配置されたスピーカユニットを前記原信号用スピーカユニットとする、請求項１に記載のスピーカアレイ装置。
前記原信号用スピーカユニットの前段に、前記視聴者の前方に配置されたチャンネルの音響信号の周波数成分の低域を除去する高域通過フィルタを備える、請求項１又は２に記載のスピーカアレイ装置。
前記原信号用スピーカユニットは、前記波面合成法の駆動信号を再生する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスピーカアレイ装置。
前記波面合成処理部は、前記前方に配置されたチャネルのうち、前記ディスプレイ上に位置するチャネルの音響信号のみを波面合成法の駆動信号に変換する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスピーカアレイ装置。