JP4375355B2

JP4375355B2 - スピーカアレイ装置及びスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法

Info

Publication number: JP4375355B2
Application number: JP2006126871A
Authority: JP
Inventors: 宏司鈴木
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007300404A

Description

本発明は、複数の音声ビームを放音し、壁の反射を利用してマルチチャンネルオーディオ信号を再生するスピーカアレイ装置に関する。

従来、複数のスピーカを配列したスピーカアレイ装置とリスニングルーム内の壁による音声の反射を用いて、聴取者の周囲から音声が出力されているような感覚を与えるマルチチャンネル音声を擬似的に再現するスピーカアレイ装置が実用化されている（例えば特許文献１参照。）。

このスピーカアレイ装置は、聴取者の前方に設置したアレイ状のスピーカから、マルチチャンネルオーディオ信号の各々に対応して、別々の方向に指向させた音声ビームを同時に出力する。これらの音声ビームは壁の反射を介して本来スピーカがない側方や後方から聴取者に到達する。したがって、このスピーカアレイ装置を正面に設置することにより、聴取者の周囲から別々の音声が出力されているような感覚を与えることができる（後述図１参照。）。

このようなスピーカアレイ装置では音場の形成に壁の反射という間接的な要素を用いているため、部屋の環境に大きく左右され音場の設定が難しい。
特許文献１ではこのスピーカアレイ装置の自動的な設定方法が記載されている。この装置では、テスト音声を入力とした音声ビームをスピーカアレイから放音し、聴取位置に設置したマイクからテスト音声を収音する旨の記載がある。また、このテスト音声の音声ビームの出力する方向を旋回させながら信号レベルの大きいピークを算出し、このピークに対応するビーム角度をマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを出力する方向として自動的に設定する旨の記載がある。
特開２００６−１３７１１

しかし、特許文献１の方法でもなお、スピーカアレイ装置の音声ビームの放音方向を設定する精度がよくないという問題があった。即ち、特許文献１の方法では、音量が大きいテスト音声ビームのビーム角度をマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを出力する方向として選択しているだけなので、設定すべきビーム角度を誤る場合があった。例えば、マルチチャンネルオーディオ信号の入力が想定する後方用チャンネルの音声ビームを、誤って前方用チャンネルに設定する可能性があった。また、このスピーカアレイ装置の設定時に、リスニングルームの周囲に車が通った場合等、他の音声による外乱ノイズに弱い問題があった。

そこで、本発明は、スピーカアレイ装置の音声ビームの放音方向を設定すべきビーム角度をより正確に求めることができるスピーカアレイ装置及びスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法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）本発明は、
マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイと、
マルチチャンネルオーディオ信号の各チャンネルの音声信号を入力して、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、前記各チャンネルの信号毎に設定した方向へ指向させた音声ビームを各々生成し、これらの音声ビームを合成した信号を出力するオーディオ信号ビーム出力手段と、
テスト音声を入力し、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、所定の方向へテスト音声ビームを出力するテスト音声ビーム出力手段と、
前記テスト音声ビームの水平方向のビーム角度を所定の角度範囲で旋回させるよう前記テスト音声ビーム出力手段に指示するテスト音声ビーム方向指示手段と、
聴取位置に前後に並べて設置された２本のマイクを含み、前記テスト音声ビームの音声を含む音声を収音して収音信号を記録する収音手段と、
前記２本のマイクで収音した２つの収音信号の到達時間の先後を前記テスト音声ビームのビーム角度毎に判断して、このビーム角度に対応する音声ビームの到来方向が前記マイクの前方か後方かを判断する前後判断手段と、
前記テスト音声ビームのビーム角度毎に記録された収音信号中の波高値のピークを複数選択し、該選択したピークに対応するビーム角度を、前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの水平方向のビーム角度の候補として選択する候補選択手段と、
該候補として選択したビーム角度に対応する前記収音信号について前後判断手段が判断した前後方向と、前記マルチチャンネルオーディオ信号の入力がスピーカ出力を想定する前後方向と、を一致させて、前記選択したビーム角度の候補を前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度として設定する設定手段と、を備えたスピーカアレイ装置である。

このように構成すれば、２本のマイクは前後方向に設置されているから、前後判断手段により、収音信号の到達時間の先後を判断して前記テスト音声ビームが到来した方向が前記マイクの前方か後方かを判断することができる。

また、候補選択手段により、前記２つの収音信号から収音信号のピークをマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの水平角の候補として選択することができ、この候補として選択したビーム角度の信号が前方であるか後方であるか判断する前後判断手段によって判断することができるため、前記マルチチャンネルオーディオ信号がスピーカ出力を想定する前後方向と、を一致させているので、マルチチャンネルオーディオ信号の各チャンネルの音声ビームを的確に設定することができる。

なお、ここで「前方」とは聴取者からスピーカアレイを見る方向であり、「後方」とはその逆方向をいうことにする。

（２）本発明は、
前記前後判断手段は、前記ビーム角度それぞれについて前記２本のマイクで収音した収音信号について相互相関関数を算出することにより前記到達時間の先後を判断する。

このように構成すれば、前記２つの収音信号の相互相関関数により、単に収音信号の頭部分を比較するよりも精度良く前記到達時間の先後を判断することができる。ここで、この相互相関関数は、例えば、後述の［数１］、［数３］で表すことができる。

なお、前記ピークを前記到達時間差についての相互相関関数で代用することができる。２つの収音信号をａ（ｔ）、ｂ（ｔ）としたとき、これらの２信号の波形が時間差τで完全に一致するならば、ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）の相互相関関数はτにピークを持ち、これは波高値の２乗の積分値となる。このように相互相関関数でピークを求めると、ある時間にわたって各々の波形全体の相関による値で判定することになるため、波形と無関係なノイズに対して、ロバストな測定ができる。

（３）本発明は、
マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイと、
マルチチャンネルオーディオ信号の各チャンネルの信号を入力して、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、前記各チャンネルの信号毎に設定した方向へ指向させたマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを各々生成し、これらのマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを合成した信号を出力するマルチチャンネル音声ビーム出力手段と、を備えたスピーカアレイ装置に対して、
テスト音声を入力し、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、所定の方向へテスト音声ビームを出力するテスト音声ビーム出力ステップと、
前記テスト音声ビームの水平方向のビーム角度を所定の角度範囲で旋回させるよう前記テスト音声ビーム出力手段に指示するテスト音声ビーム方向指示ステップと、
聴取位置に前後に並べて設置された２本のマイクを用いて、前記テスト音声ビームのビーム角度毎に、前記テスト音声ビームの音声を収音して収音信号を記録する収音ステップと、
前記２本のマイクが収音した２つの収音信号の到達時間の先後を前記テスト音声ビームのビーム角度毎に判断して、このビーム角度に対応する前記テスト音声ビームが到来した方向が前記マイクの前方か後方かを判断する前後判断ステップと、
前記テスト音声ビームのビーム角度毎に記録された収音信号中の波高値のピークを複数選択し、該選択したピークに対応するビーム角度を、前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの水平方向のビーム角度の候補として選択する候補選択ステップと、
該候補として選択したビーム角度に対応する前記２つの収音信号について前後判断手段が判断した前後方向と、前記マルチチャンネルオーディオ信号の入力がスピーカ出力を想定する前後方向と、を一致させて、前記選択したビーム角度の候補を前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度として設定する設定ステップと、を行うスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法である。

本発明を実施すれば、（１）の作用、効果と同様の作用、効果を奏する。

本発明によれば、スピーカアレイ装置とリスニングルーム内の壁による音声の反射を用いて、聴取者の周囲から音声が出力されているような感覚を与えるマルチチャンネル音声を擬似的に再現するスピーカアレイ装置について、マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを的確に設定することができる。

＜スピーカアレイシステムの概略説明＞
図１を用いて、スピーカアレイシステムの概略について説明する。図１は、スピーカアレイ装置から５チャンネルのマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを放音させる様子を上から見下ろした平面図である。スピーカアレイシステム１は、直方体状のリスニングルーム１００の内部に聴取者であるリスナＬの前方に、スピーカアレイ装置本体１０と映像をスクリーンに映し出す映像装置１０９と、スピーカアレイ装置本体１０の設定に用いるマイクセット２を備えている。ここで、「前方」とは聴取者であるリスナＬからスピーカアレイ装置本体１０を見る方向であり、「後方」とはその逆方向をいうことにする。

このスピーカアレイシステム１は、アレイ状に配置された複数のスピーカを備えており、リスナＬの前方にのみ設けたスピーカアレイ１１と壁１０１〜１０４の反射を利用してマルチチャンネル音声をリスナＬの周囲から聞こえるようにすることができる。このマルチチャンネル音声をそれぞれ独立して定位させるために、スピーカアレイ装置本体１０は、互いに方向が異なる所定の方向に指向性を持たせたマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームをチャンネル毎に生成して出力する。

具体的には、Ｃｃｈ（チャンネル）の音声ビームが正面（リスナＬ）に向けて放音され、Ｌｃｈ及びＲｃｈの音声ビームが聴取者から見てそれぞれ左右の仮想Ｌｃｈ１０５、仮想Ｒｃｈ１０６の位置で反射してリスナＬの方へ放音される。さらに、ＳＬｃｈ及びＳＲｃｈの音声ビームは、リスナＬから見て左右の壁面１０２、１０４、及び後方の壁面１０３で２回反射して、仮想ＳＬｃｈ１０７、仮想ＳＲｃｈ１０８からリスナＬの方へ放音される。このように音声ビームを放音する方向を制御することで、これら仮想Ｌｃｈ１０５、仮想Ｒｃｈ１０６、仮想ＳＬｃｈ１０７、仮想ＳＲｃｈ１０８の位置にあたかもスピーカを配置したかのような感覚をリスナＬに与えることができる。

また、本実施形態のスピーカアレイシステム１は、ビーム角度を自動的に設定する機能を備えている。スピーカアレイ装置本体１０からテスト音声を出力するとき、２本のマイクが前後になるように聴取位置に設置される。このマイクがテスト音声を収音した収音信号及びこれら収音信号の到達時間差に基づいてマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの水平方向のビーム角度を設定する。

＜本実施形態のスピーカアレイシステムの構成＞
図２を用いて、本発明の実施形態に係るスピーカアレイシステムの内部構成について説明する。図２はこの構成を示すブロック図である。以下の説明では、スピーカアレイ装置の一例として、５ｃｈサラウンドシステム用のものについて説明する。また、以下の説明では、５ｃｈサラウンドシステムにおいて、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、センタチャンネルをＣ（Center）ｃｈ、リアの左チャンネルをＳＬ（SurroundLeft）ｃｈ、リアの右チャンネルをＳＲ（Surround Right ）ｃｈと称する。

スピーカアレイシステム１は、スピーカアレイ装置本体１０と、スピーカアレイ装置本体１０の設定に用いるマイクセット２を備えている。スピーカアレイ装置本体１０は、５ｃｈマルチチャンネルオーディオ信号の外部入力端子として、Ｌｃｈ端子、Ｒｃｈ端子、ＳＬｃｈ端子、ＳＲｃｈ端子、Ｃｃｈ端子を備えている。スピーカアレイ装置本体１０は、この５ｃｈマルチチャンネルオーディオ信号を入力として、各チャンネルの信号をそれぞれ所定の方向へ指向させた、５本の音声ビームの束である「マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビーム」を生成するビーム形成部１１１〜１１５と、これらのビーム形成部の出力を合成する加算器１２１〜１２ｎと、スピーカアレイ１３とシステム制御部１４と記憶部１５と操作部１６と表示部１７とＡ／Ｄコンバータ１８を備えている。

図１に示すビーム形成部１１１〜１１５はいずれもスピーカアレイ１２のスピーカ（３０１〜３０ｎ）に対応してｎ個分の遅延タップを有する遅延部３１と、遅延部３１の出力である遅延タップにそれぞれ接続するゲイン調整器３３１〜３３ｎと各ゲイン調整器３３１〜３３５から出力された信号を加算する加算器１２１〜１２ｎを備えており、それぞれ１つのマルチチャンネルオーディオ信号を入力として、所定の方向に指向させたマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを生成する。例えば、ビーム形成部１１１は、Ｃｃｈのマルチチャンネルオーディオ信号を入力する。

このマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームは、ビーム制御処理部１４２が設定した遅延量に基づいて、遅延部３１がスピーカアレイの各スピーカに出力するタイミング（遅延量）を調整することにより生成される。この音声ビームを出力すると、所定の方向では各スピーカに出力するタイミングが揃うので音声が大きく伝播され、その他の方向に伝搬した音声はこのタイミングが合わないため振り幅が減衰されて音声が小さくなるようにすることができる。したがって、この音声ビームの技術によれば、この方向へ指向性を持たせた音声を放音することができる。

遅延部３１はリングバッファなどで構成でき、各スピーカに出力するタイミング（遅延量）を調整する。ビーム形成部１２１〜１２５のそれぞれの遅延部３１は、いずれもマルチチャンネルオーディオ信号入力のうちから１つの音声信号を入力し、この入力した音声信号は遅延部３１を構成するリングバッファに記録され、それぞれの遅延タップではこのリングバッファに記録されたデータをビーム制御処理部１４２が指示した量だけ遅延させて読み出す。これにより、１つの音声信号入力を遅延させた音声信号の出力がスピーカアレイ１３の各スピーカ３０１〜３０ｎに対応して生成され、ゲイン調整器３３１〜３３ｎに出力される。
また、ゲイン調整器３３１〜３３ｎは、遅延部３１の出力信号のゲインを調整する。
加算器１２１〜１２ｎは、スピーカアレイ１３の各スピーカ３０１〜３０ｎ毎にビーム形成部１１１〜１１５の出力を合成する。また、図示しないアンプにより、加算器１２１〜１２ｎの出力が増幅されて、スピーカアレイ１３に出力される。

スピーカアレイ１３は、マトリクス状、または１列に並べたスピーカ３０１〜３０ｎと図示しないパワーアンプを備えており（後述、図２参照。）、加算器１２１〜１２５から出力された音声信号をこのパワーアンプを介して音声に変換し放音する。このスピーカアレイ１１によりマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの合成音声が放音されると、この各チャンネルの音声信号入力に対応して、それぞれ図１で説明した方向に指向させた音声ビームが同時に放音される。

システム制御部１４は、ユーザＩ／Ｆ処理部１４１、ビーム制御処理部１４２、及び測定データ分析処理部１４３を備えている。
ユーザＩ／Ｆ処理部１４１は、操作部１６で受け付けた操作に応じて、制御信号をスピーカアレイシステム１の各部へ出力する。また、ユーザＩ／Ｆ処理部１４１は、装置の状況に応じて聴取者に報知すべき内容を表示部１６へ出力する。

ビーム制御処理部１４２は、各マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度の設定を行う。具体的には、ビーム制御処理部１４２は遅延部３１に設定する遅延量データを記憶部１５から参照して、遅延部３１に出力する。

またビーム制御処理部１４２を含むシステム制御部１４は、各マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度を設定する機能がある。この機能を実行させる音声ビーム設定モード実行時に、ビーム制御処理部１４２は、ビーム形成部１１１〜１１５のうちの１つのビーム形成部１１１へテスト音声を入力して、スピーカアレイ１１から出力させるテスト音声ビームの方向を水平方向に旋回させる。ビーム制御処理部１４２はこのテスト音声ビームのビーム角度を設定すると共に、測定データ分析処理部１４３の分析結果を基に各マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度を設定する。

測定データ分析処理部１４３は、前述した音声ビーム設定モードの実行時に、マイクセット２で収音したテスト音声信号を基にして、マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームに最適なビーム角度を決定する。このビーム角度の設定のため、測定データ分析処理部１４３は、テスト音声ビームのビーム角度を旋回させるようビーム制御処理部１４２に指示して所定の角度ステップでテスト音声ビームを放音させ、この放音されたテスト音声ビームをマイクセット２で収音して記憶部１５に記憶させる。測定データ分析処理部１４３は、音声信号の収集が完了すると、記憶部１５に記憶させた２つのマイクの収音信号をテスト音声ビームのビーム角度毎に読み出して、これらの相互相関を計算する。この相互相関関数の大小により、マイクに到達した音声ビームの到来方向を推定すると共に、この到来方向の推定を基に、各チャンネルの音声ビームに適切なビーム角度を設定する。詳細は後述する。

記憶部１５は、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、各種の制御データを記憶すると共に、Ａ／Ｄコンバータ１８からシステム制御部１４を介して出力されたディジタル音声信号を記憶する。例えば、記憶部１５は遅延部３１に設定すべき遅延量データを格納しており、ビーム形成部１１１〜１１５は、これに基づいて所定の方向に指向させた音声ビームを生成する。また、記憶部１５は、聴取者からの各種の設定入力を受け付けてシステム制御部１４へ入力に応じた信号を出力する。

操作部１６は、システム制御部１４に各種の動作を指示する。操作部１６は、例えばマルチチャンネルオーディオ信号入力を処理してスピーカアレイ１３から音声を放音するように指示したり、この音声の音量を調整するよう指示したり、マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームがビーム角度を調整するための音声ビーム設定モードの実行を指示したりすることができる。

表示部１７は、システム制御部１４から出力された制御信号に基づいてリスナＬに伝達する内容を表示する。

Ａ／Ｄコンバータ１８は、マイクセット２が収音した２つのアナログの収音信号をディジタル音声信号（収音信号データ）に変換して、システム制御部１４へ出力する。

マイクセット２は、２本の無指向性のマイクを備え、Ａ／Ｄコンバータ１８に接続されており、音声ビーム設定モード実行時にスピーカアレイ１１から放音されたテスト音声を収音して、これを電気信号に変換する。マイクセット２は、音声ビーム設定モード実行時に用いるものであり、このときマイクセット２は、ユーザＵにより、リスナＬの前後方向、即ち、リスナＬとスピーカアレイ装置本体１０を結ぶ直線の方向に設置された状態で使用される。マイクセット２は、音声ビーム設定モード実行時にテスト音声を収音して電気信号に変換し、テスト音声の収音信号を得る。

次に、図３を用いて、マイクセット２の設置位置とマイクセット２の構成例について説明する。図３（Ａ）はマイクセット２の設置位置を表しており、図１の位置関係に対応している。図３（Ｂ）は図３（Ａ）のマイクセット２の構成例のＡ−Ａ矢視図（９０度回転図）を表している。図３（Ａ）に示すように、マイクセット２は、図１のリスナＬの位置に、リスナＬとスピーカアレイ装置本体１０を結ぶ直線上にマイク２１、２２を並べて設置する。このとき、マイクセット２の高さは、聴取者の聴取位置に合わせると良い。図３（Ｂ）に示すように、マイクセット２は、前方のマイク２１と後方のマイク２２とこれを支える支持台２３と支持台２３を立てる脚２４を備えている。

このようにマイクセット２を構成し、これを聴取位置に設置することにより、テスト音声ビームがマイク２１、２２によって収音された時間差である到達時間差から、音声ビームが到来した方向が、前方か後方かを判断することができる。この到達時間差は、具体的には、マイク２１、２２で得られた２つのテスト音声の収音信号の相互相関関数が最大値となるときの時間差から求めることができる。

次に、図４を用いてスピーカアレイの配置例について説明する。図４はこの配置図であり、（Ａ）はマトリックス状にスピーカを配置した場合、（Ｂ）はライン状にスピーカを３列配置した場合（マトリックス状配置）、（Ｃ）はライン状にスピーカを３列配置し、２列目のスピーカをずらした配置にした場合（ハニカム状配置）である。

ここで、図４に示すようにスピーカアレイ１１は、複数（ｎ個）のスピーカ３０が１つのパネルにおいてライン状に所定の配列で配置したものであり、各スピーカからサラウンド音声を出力するタイミングをチャンネル毎に調整してビーム状に放射し、マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームが壁面など任意の位置で焦点を結ぶように遅延制御する。そして、各チャンネルの音声をスピーカアレイシステム１が設置された部屋の壁に反射させることで、任意の点に音源を作り出し、マルチチャンネル音声の音場を形成する。

＜マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの設定方法の説明＞
次に、図５〜図７を用いてマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの設定方法について説明する。
まず、図５を用いて、マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームに設定するビーム角度を求める前提として、この音声ビームに設定するビーム角度の適否について例示する。図５は、音声ビームがマイクセット２に到来する方向の適否を説明するための図であり、符号及び位置関係は図３と対応している。

図５でテスト音声ビームのビーム角度θ＝θ１の場合、音声ビーム４２は左壁１０２で反射してからマイクセット２に到達するので、Ｌｃｈの音声ビームのビーム角度として適切である。一方、テスト音声ビームのビーム角度θ＝θ６の場合、音声ビーム４２は左壁１０２及び右壁１０４で反射してからマイクセット２に到達するので、逆方向から音像が定位することになり、Ｌチャンネルの音声ビームのビーム角度としては不適切である。

図５でテスト音声ビームのビーム角度θ＝θ２の場合、テスト音声ビームは左壁１０２及び後壁１０３で反射してからマイクセット２に到達するので、ＳＬｃｈの音声ビームを出力するビーム角度としては適切であり、ＳＬｃｈの音声ビームのビーム角度に設定することができる。

図５でテスト音声ビームのビーム角度θ＝θ３の場合、の音声ビーム４１は直接マイクセット２に到達するので、Ｃｃｈの音声ビームのビーム角度として適切である。

また、テスト音声ビームのビーム角度θ＝θ４、θ５については、以上で説明したθ３、θ２と同様、それぞれＳＲｃｈ、Ｒｃｈの音声ビームのビーム角度として適切である。

図６は、スピーカアレイ装置のマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビーム設定方法の説明図である。
図６（Ａ）を用いて、ビーム制御処理部１４２がテスト音声ビームを旋回する方法について具体的に説明する。図６（Ａ）はマイク配置とビーム旋回を説明する図である。スピーカアレイ装置本体１０及びマイクセット２の設置が完了して、音声ビーム設定モードが設定されると、ビーム制御処理部１４２は、図６（Ａ）に示すように、スピーカアレイ１１をリスニングルーム１００の上方から見てスピーカアレイ１１の前面と平行な一方の方向（以下、０度方向と称する。）から、他方の方向（以下、１８０度方向と称する。）まで、テスト音声ビームのビーム角度θを所定角度刻み（例えば２度刻み）で旋回させる。

このとき、ビーム制御処理部１４２は、スピーカアレイ１１の前面の０度から１８０度までの間のビーム角度毎にテスト音声をビーム形成部１１１〜１１５のうちの１つであるビーム形成部１１１に入力して、テスト音声ビームを放音させる。システム制御部１４は、２つのマイク２１、２２でそれぞれ収音信号をビーム角度毎に収音し、２つの収音信号データをビーム角度毎に格納する。測定データ分析処理部１４３はこの格納したデータを記憶部１５からデータを読み出して、テスト音声ビームの角度θ毎に２つの収音信号データの相互相関関数を求める。

なお、音声ビーム設定モードの実行の時に出力するテスト音声は、自己相関性がないものを選択する。例えばホワイトノイズのように自己相関性がない音波などが好適である。ＴＳＰ（タイムストレッチドパルス）でも良い。

次に、図６（Ｂ）を用いて、この相互相関関数を求める方法について説明する。図６（Ｂ）は、横軸が相互の時間差τ［ミリ秒］、２つのマイクの収音信号の相互相関関数をプロットしたグラフである。相互相関関数を求めた結果、相互の相関がある場合には、ピーク５１が得られ、このピークが観測される時間差τが、マイクセット２の２つのマイク２１、２２の到達時間差となる。時間差τは同図では正方向であるが、正負両方の場合があり、この正負により到来した方向を判断することができる。

まず、連続時間ｔについての相互相関関数について説明する。連続時間ｔの関数をａ（ｔ）、ｂ（ｔ）とすると、時間差τずらせた両者の相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）は、ａ（ｔ）、ｂ（ｔ＋τ）相互の積を時間で積分したものであり、以下のように表せる。

この相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）は、ａ（ｔ）と、ｂ（ｔ）を時間差τずらせたｂ（ｔ＋τ）が仮に一致すればその値が最大となる。τを変化させて、相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）が最大値となる時間差τを計算すれば、ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）が収音信号とすれば到達時間差を求めることができる。この到達時間差の絶対値が最大値となるのは、音声が真正面から来た場合または真後ろから来た場合であり、この値はマイク２１、２２間距離Ｌを音速３４０ｍ／秒で除算した時間（これをτ_ｍａｘとする。）である。したがって、到達時間差をＴとして、Ｔは、−τ_ｍａｘ≦τ≦τ_ｍａｘの範囲でこの関数を求め、この関数の値が最大となるときのτで求められる。即ち、以下の式で求めることができる。

実際には、前述のとおりテスト音声の収音信号は実際には離散の値の収音信号データであるから、マイク２１（前方）、マイク２２（後方）の収音信号をｚ関数でそれぞれａ（ｚ）、ｂ（ｚ）と表し、サンプリングタイムをｓｐとすれば、以下のとおりとなる。

また、離散関数ａ（ｚ）、ｂ（ｚ）を用いた場合も、到達時間差Ｔは、前述の［数２］を用いて計算できる。ただし、応答データは有限の長さであるからその範囲でこれを求めればよい。

このようにして計算した到達時間差Ｔは、前述のとおり、正負いずれの場合もありうる。このＴの正負により、マイク２１、２２に届いた音声が到達した方向が前方からなのか後方からなのかを判断できる。これを図６（Ｂ）を用いて説明する。例えば、仮に前方のマイク２１の収音信号ａ（ｚ）が後方のマイク２２の収音信号ｂ（ｚ）に対してＴ_０（Ｔ_０＞０）速く到達したとすれば、ａ（ｚ）とｂ（ｚ＋Ｔ_０／ｓｐ）は略同じ信号になるから、相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）はこのＴ_０で最大の値となり、図６（Ｂ）のピーク５１のようにＴは正の値Ｔ_０となる。逆にｂ（ｚ）の方がＴ_１（Ｔ_１＞０）遅く到達したとすれば、ａ（ｚ）とｂ（ｚ＋（−Ｔ_１／ｓｐ））は略同じ信号になり、図６（Ｂ）のピーク５２のようにＴは負の値−Ｔ_１となる。

さらに、測定データ分析処理部１４３は、テスト音声ビームのビーム角度θ毎にこれらの相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）を求める。Ｒ_ａｂ（τ）の関数はテスト音声ビームのビーム角度θ毎に求まるから、ビーム角度の相互相関関数をＲ_ａｂθ（τ）と表す。また、前述の到達時間差Ｔもθを引数に加えＴ（θ）とする。

ここで、Ｒ_ａｂθ（Ｔ（θ））は、周囲の雑音や外乱が全くない理想的な場合には、マイクセット２の周囲でテスト音声を１本のマイクで測定した音声信号の波高値の２乗を計算していることになる。即ち、Ｒ_ａｂθ（Ｔ（θ））はマイクセット２での音量の代替値となる。このように相互相関関数でピークを求めると、ある時間にわたって各々の波形全体の相関による値で判定することになるため、波形と無関係なノイズに対して、ロバストに音声信号の波高値の２乗を計算することができる。

測定データ分析処理部１４３は、マイクセット２での音量の代替値として、Ｒ_ａｂθ（Ｔ（θ））をａ（ｔ）の測定時間Ｔｎで除算したＲ（Ｔ（θ））を計算し、Ｔ（θ）、Ｔ（θ）の正負とセットにして、記憶部１５に格納する。

以上の説明を基に、図６（Ｃ）を用いて、Ｒ（Ｔ（θ））からビーム角度を定める方法について説明する。図６（Ｃ）は、横軸がテスト音声ビームのビーム角度θ、縦軸が各ビーム角度での相互相関関数の最大値の値を測定時間で除算した値Ｒ（Ｔ（θ））をプロットしたグラフである。収音されるまでに壁で反射した回数に応じて、マイクセット２で収音される音声の音量は小さくなるから、リスニングルーム１００の形状が直方体で壁が均一であれば、図６（Ｃ）に示すような結果が得られるはずである。ここで図５（Ａ）に示すようにテスト音声ビーム４１〜４６を設定すると、直接リスナＬに到来するテスト音声ビーム４１の音量は大きく、次いで１回反射して到来するテスト音声ビーム４２、４５、次いで２回反射して到来するテスト音声ビーム４３、４４、４６（この４６と左右対称のものも含む。）の順に音量が小さくなる。これに伴い、Ｒ（Ｔ（θ））も小さくなると想定されるから、図６（Ｃ）のピーク４１０〜４６０は、図５のテスト音声ビーム４１〜４６に対応していると推定できる。

そこで、図６（Ｃ）に示すように、ピーク４１０〜４６０に対応するテスト音声ビームのビーム角度θａ１〜θａ７のうちのいずれかをマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームに設定するビーム角度とする。ここで、本実施形態のスピーカアレイシステム１では、前述のとおり少なくともリスナＬに対してテスト音声が到来した方向が前後いずれなのかを判断できるから、このテスト音声が到来した方向に対応するテストビームの角度範囲をのうち、後方の壁１０３からテスト音声が到来する角度範囲５３、５４を計算して、これらのピークを区分する。

このようにピークを区分すると、音声ビームに設定するビーム角度は、以下のとおりになる。前方真ん中の直接音を測定している最も大きいピーク４１０に対応するθａ３をＣｃｈに設定する。また、後方の壁１０３からテスト音声が到来する角度範囲５３、５４に含まれるピーク４３０、４４０に対応するθａ２、θａ４をＳＬｃｈ、ＳＲｃｈに設定する。さらに、Ｌｃｈを角度範囲５３以外の左の方のピーク４２０、４６０に対応するθａ１、θａ６のいずれかをＬｃｈに設定し、角度範囲５４以外の右の方のピーク４５０、４６１に対応するθａ５、θａ７のいずれかをＲｃｈに設定する。

Ｌｃｈ、Ｒｃｈについては、さらにピーク４２０、４５０、４６０、４６１に対応するθａ１、θａ６、θａ５、θａ７からピークを絞り込む。図５のテスト音声ビーム４６のようにＬｃｈを設定してしまった場合、２回反射して左右逆側の壁から聞こえることになり音像定位を害するから、これを防止する必要がある。そこで、測定データ分析処理部１４３は、後方からテスト音声が到来したテスト音声ビームのビーム角度の範囲である角度範囲５３、５４の外側のテスト音声ビームのビーム角度０≦θ≦ｍｉｎ（θ_Ｌ−）、ｍａｘ（θ_Ｒ−）≦θ≦１８０）のうち、ｍｉｎ（θ_Ｌ−）、ｍａｘ（θ_Ｒ−）に一番近い方のピーク４２０、４５０に対応するθａ１、θａ５をそれぞれＬｃｈ、Ｒｃｈのビーム角度として決定する。

なお、図６（Ｂ）にはノイズを除去したデータを示しているが、実際にはノイズなどにより測定データの波形は歪んだり細かく波形が変化したりする。また、図６（Ｃ）に示すグラフの横軸をビーム角度、縦幅をマイクセット２で収音した音声データのゲインに設定している。音声データから複数のピークを容易に検出するために、壁に反射した回数が２回までの音声ビームのみを検出できるレベルに閾値を設定する。

また、ピークが十分現れない場合には、ＳＬ、ＳＲｃｈについては、角度範囲５３、５４の中のＲ（Ｔ（θ））の最大値、またはこの角度範囲の中でテスト音声ビームの角度θの真ん中をとり、Ｌｃｈ、Ｒｃｈについては、角度範囲５３、５４の範囲外で、Ｒ（Ｔ（θ））の極大値のうち最も角度範囲５３、５４に近いものをとるようにする。このように仮にピークが現れない場合でも、この音声ビームの角度の設定では、リスナＬに到来する音声の音量が大きくなるような設定角度の方が望ましい。なぜなら、音量が小さいテスト音声ビームのビーム角度θを設定すると、図５で説明したように適切に設定した場合と異なり、リスニングルーム１００の中を多数回反射して音声がリスナＬに到来することになり、音像定位を損なう恐れがあるからである。また、音声を伝搬する効率を考えると、リスナＬの位置で音量が大きくなるテスト音声ビームのビーム角度θを選択した方が効率面で望ましいからである。

次に、図７のフロー図を用いて、以上で説明した音声ビーム設定モードについて説明する。以下のフローでは、マイクセット２がセットされ、自動で設定するモードになったことを前提にしている。このフローは、大きく分けてテスト音声をビーム角度毎に出力して収音信号データを得る測定フロー６１と、この測定したデータを処理するデータ処理フロー６２と、このデータ処理フローに基づいてマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度の設定を行う角度設定フロー６３に分けることができる。

図７の測定フロー６１について説明する。このフローでは、ＳＴ１〜ＳＴ５までの動作を、図５で説明したテスト音声ビームの角度θ毎に行う。ここではテスト音声ビームの角度を２度〜１７８度まで２度刻みとする。
ＳＴ１で、テスト音声ビームの角度θを設定する。
ＳＴ２で、このテスト音声ビームの角度θの音声ビームを出力するのに必要な遅延量を記憶部１５から読み出す。
ＳＴ３で、ＳＴ２で読み出した遅延量をビーム形成部１１１〜１１５のうちの１つであるビーム形成部１１１に設定する。
ＳＴ４で、ビーム形成部１１１の入力であるＣｃｈにテスト音声を入力する。これにより、角度θの方向に指向性を持たせたテスト音声ビームを生成できる。
ＳＴ５で、マイクセット２が収音した２つの収音信号が、Ａ／Ｄコンバータ１８を介してディジタル化された収音信号データをそれぞれ記憶部１５に格納する。

図７のデータ処理フロー６２について説明する。このフローでは、ＳＴ１１〜ＳＴ１３までの動作を記憶部１５に格納された前述のテスト音声ビームの角度θ毎のデータについてそれぞれ行う。
ＳＴ１１で、［数３］に従い−τ_ｍａｘ≦τ≦τ_ｍａｘの範囲での相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）を求める。
ＳＴ１２で、相互相関関数Ｒ_ａｂ（τ）のうちからＲ_ａｂ（τ）が最大となるτを求め、この値τをテスト音声ビームのビーム角度θの関数として、Ｔ（θ）とする。また、Ｔ（θ）の正負を求める。さらに、このτ＝Ｔ（θ）での相互相関関数Ｒ_ａｂ（Ｔ（θ））をａ（ｔ）の測定時間Ｔｎで除算して正規化したＲ（Ｔ（θ））を計算し、Ｔ（θ）とセットにして、記憶部１５に格納する。
ＳＴ１３で、ＳＴ１２で求めた値を格納する。

図７のデータ処理フロー６３について説明する。このフローでは、ＳＴ１１〜ＳＴ１３までの動作をテスト音声ビームのビーム角度毎について行う。
ＳＴ２１で、Ｒ（θ）の値のうち、中央（θ＝９０度）付近のピークの最大値となるテスト音声ビームの角度θをＣｃｈの音声ビームの角度に設定する。
ＳＴ２２で、左側（０≦θ≦９０度）、右側（９０度≦θ≦１８０度）のうち、Ｔ（θ）が負である角度範囲５３、５４（図６参照。）を求める（この領域をそれぞれ、θ_Ｌ−、θＲ₋とする。）。θ_Ｌ−のうちでＲ（θ）がピークの値となるテスト音声ビームの角度θをＬＳｃｈの音声ビームの角度に設定する。また、右側でＲ（θ）がピークの値となるθをＳＲｃｈの音声ビームの角度に設定する。

ＳＴ２３で、Ｔ（θ）が正の値の領域のうち、Ｔ（θ）が負の値の領域θ_Ｌ−、θ_Ｒ−よりもさらに外側（０≦θ≦ｍｉｎ（θ_Ｌ−）、ｍａｘ（θ_Ｒ−）≦θ≦１８０）の領域でＲ（θ）がピークの値となるテスト音声ビームのビーム角度θの値を求める。この求めたテスト音声ビームのビーム角度θのうち、０≦θ≦ｍｉｎ（θ_Ｌ−）の範囲で最もθがｍｉｎ（θ_Ｌ−）に近いものをＬｃｈのビーム角度に設定する。この求めたテスト音声ビームのビーム角度θのうち右側のθ（９０度≦θ≦１８０度）、即ちｍａｘ（θ_Ｒ−）≦θ≦１８０の範囲で最もθがｍａｘ（θ_Ｒ−）に近いものをＲｃｈの音声ビームのビーム角度に設定する。

スピーカアレイシステムから５チャンネルの音声ビームを放音させる様子を示す平面図本発明の実施形態に係るスピーカアレイシステムの概略構成を示すブロック図本発明の実施形態に係るスピーカアレイシステムのマイクセットの設置位置と構成例を示す図スピーカアレイの配置図マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームに設定するビーム角度の適否を説明するための図スピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法の説明図スピーカアレイ装置の音声ビーム設定モードのフロー図

符号の説明

１−スピーカアレイシステム、１０−スピーカアレイ装置本体
１１１〜１１５−ビーム形成部、１２１〜１２ｎ−加算器、１３−スピーカアレイ
１４−システム制御部、１４１−ユーザＩ／Ｆ処理部
１４２−ビーム制御処理部、１４３−測定データ分析処理部
１５−記憶部、１６−操作部、１７−表示部、１８−Ａ／Ｄコンバータ
２−マイクセット、２１−マイク、２２−マイク、２３−支持台、２４−脚
３０−スピーカ、３１−遅延部、３３１〜３３ｎ−ゲイン調整器
４１〜４６−音声ビーム
５１−ピーク、５３−角度範囲、５４−角度範囲
６１−測定フロー、６２−データ処理フロー、６３−角度設定フロー
１００−リスニングルーム
１０１−前壁、１０２−左壁、１０３−後壁、１０４−右壁
１０５−仮想Ｌｃｈ、１０６−仮想Ｒｃｈ、１０７−仮想ＳＬｃｈ
１０８−仮想ＳＲｃｈ、１０９−映像装置、Ｌ−リスナ

Claims

マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイと、
マルチチャンネルオーディオ信号の各チャンネルの音声信号を入力して、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、前記各チャンネルの信号毎に設定した方向へ指向させた音声ビームを各々生成し、これらの音声ビームを合成した信号を出力するオーディオ信号ビーム出力手段と、
テスト音声を入力し、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、所定の方向へテスト音声ビームを出力するテスト音声ビーム出力手段と、
前記テスト音声ビームの水平方向のビーム角度を所定の角度範囲で旋回させるよう前記テスト音声ビーム出力手段に指示するテスト音声ビーム方向指示手段と、
聴取位置に前後に並べて設置された２本のマイクを含み、前記テスト音声ビームの音声を含む音声を収音して収音信号を記録する収音手段と、
前記２本のマイクで収音した２つの収音信号の到達時間の先後を前記テスト音声ビームのビーム角度毎に判断して、このビーム角度に対応する音声ビームの到来方向が前記マイクの前方か後方かを判断する前後判断手段と、
前記テスト音声ビームのビーム角度毎に記録された収音信号中の波高値のピークを複数選択し、該選択したピークに対応するビーム角度を、前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの水平方向のビーム角度の候補として選択する候補選択手段と、
該候補として選択したビーム角度に対応する前記収音信号について前後判断手段が判断した前後方向と、前記マルチチャンネルオーディオ信号の入力がスピーカ出力を想定する前後方向と、を一致させて、前記選択したビーム角度の候補を前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度として設定する設定手段と、を備えたスピーカアレイ装置。
前記前後判断手段は、前記ビーム角度それぞれについて前記２本のマイクで収音した収音信号について相互相関関数を算出することにより前記到達時間の先後を判断する請求項１に記載のスピーカアレイ装置。
マトリックス状またはライン状に配置された複数のスピーカを有するスピーカアレイと、
マルチチャンネルオーディオ信号の各チャンネルの信号を入力して、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、前記各チャンネルの信号毎に設定した方向へ指向させたマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを各々生成し、これらのマルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームを合成した信号を出力するマルチチャンネル音声ビーム出力手段と、を備えたスピーカアレイ装置に対して、
テスト音声を入力し、前記スピーカアレイの各スピーカに出力するタイミングを制御して、所定の方向へテスト音声ビームを出力するテスト音声ビーム出力ステップと、
前記テスト音声ビームの水平方向のビーム角度を所定の角度範囲で旋回させるよう前記テスト音声ビーム出力手段に指示するテスト音声ビーム方向指示ステップと、
聴取位置に前後に並べて設置された２本のマイクを用いて、前記テスト音声ビームのビーム角度毎に、前記テスト音声ビームの音声を収音して収音信号を記録する収音ステップと、
前記２本のマイクが収音した２つの収音信号の到達時間の先後を前記テスト音声ビームのビーム角度毎に判断して、このビーム角度に対応する前記テスト音声ビームが到来した方向が前記マイクの前方か後方かを判断する前後判断ステップと、
前記テスト音声ビームのビーム角度毎に記録された収音信号中の波高値のピークを複数選択し、該選択したピークに対応するビーム角度を、前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームの水平方向のビーム角度の候補として選択する候補選択ステップと、
該候補として選択したビーム角度に対応する前記２つの収音信号について前後判断手段が判断した前後方向と、前記マルチチャンネルオーディオ信号の入力がスピーカ出力を想定する前後方向と、を一致させて、前記選択したビーム角度の候補を前記マルチチャンネルオーディオ信号の音声ビームのビーム角度として設定する設定ステップと、を行うスピーカアレイ装置の音声ビーム設定方法。