JP4103903B2 - オーディオ装置およびオーディオ装置によるビーム制御方法 - Google Patents

Description

スピーカアレイを用いて出力する音声信号をビーム化することができるオーディオ装置およびそのビーム制御方法に関する。

現在、生活時間の多様化、住宅環境の密集化等により近隣および家族に与える騒音被害は増加の傾向にある。このため、夜間等にＴＶなどを視聴する場合に、視聴者である自分以外へ音声が聞こえてしまうという悪影響をできる限り減らすことは騒音被害減少、プライバシーの保護という面で益々重要になってきている。

現状では、このような場合、視聴者は、音量を小さくして視聴することが常であるが、単に音量を小さくするような対応では、コンテンツの内容が聞き取りにくくなってしまうという問題点がある。

また、視聴者のなかにＴＶから離れた場所（例えばキッチン）で視聴する者がいる場合や、視聴者のなかに聴力の衰えた高齢者がいる場合などは、その者が聞き取れるように音量を上げる必要があるが、この場合、それ以外の者、たとえばＴＶの前で視聴している者や、聴力が健常の者にとっては音量が大きすぎるという問題点があった。また、このように全体の音量が大きくなってしまうと、視聴者でない家族や近隣に騒音として聞こえてしまうという問題点があった。

このため、これを解決するために、特定の視聴者の手元に設置するローカルのスピーカアンプが実用化されている（たとえば非特許文献１）。
"耳に優しいみみもとくんα"、［online］、［平成１７年６月６日検索］、インターネット＜URL：http://home.s00.itscom.net/large/CS-30P/＞

しかし、非特許文献１の装置では、特定の視聴者のところにアンプ・スピーカ装置を設置してケーブルでＴＶと接続する必要があり、アンプ・スピーカが邪魔になるうえ、設置が面倒であるという問題点があった。

そこで、この発明は、特定の人向けの別スピーカを設けることなく、離れた場所にいる人や聴力の衰えた人と通常の聴取者とが同じような音量感・音質感でオーディオコンテンツを聴取することのできるオーディオ装置およびそのビーム制御方法を提供することを目的とする。

（１）この発明は、複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイと、入力された音声信号の音量を制御する音量制御部と、 前記音声信号の前記スピーカアレイの各スピーカユニットへの入力タイミングを制御することにより、前記音声信号を所定方向に向けたビームとして前記スピーカアレイから出力する主系統処理部と、前記音声信号のうち高音域の信号成分を広指向特性で放音されるように前記スピーカアレイに供給する高音域制御系統処理部と、前記音量および／または前記ビームの方向に応じて前記高音域制御系統処理部の出力レベルを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

（２）この発明は、複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイと、入力された音声信号の音量を制御する音量制御部と、前記音声信号を前記スピーカアレイの各スピーカユニットに個別に入力する処理部であって、ビームの焦点で到達タイミングが一致するようにディレイ制御をするとともに、アレイの中心から両端部に位置するスピーカユニットほど音量を小さくする窓関数制御をすることにより、前記スピーカアレイから出力される音声をビーム化する音声信号処理部と、を備え、前記音声信号処理部は、前記音量に応じて前記窓関数の深さを制御することを特徴とする。

（３）この発明は、入力された音声信号の音量を制御する工程、前記音声信号の前記スピーカアレイの各スピーカユニットへの入力タイミングを制御することにより、前記音声信号を所定方向に向けたビームとして前記スピーカアレイから出力する工程、前記音声信号のうち高音域の信号成分を広指向特性で放音されるように前記音量および／または前記ビームの方向に応じたレベルで前記スピーカアレイに供給する工程、を有することを特徴とする。

（４）この発明は、入力された音声信号の音量を制御する工程、前記音声信号を複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイの各スピーカユニットに個別に入力する、ビームの焦点で到達タイミングが一致するようにディレイ制御をする工程、アレイの中心から両端部に位置するスピーカユニットほど音量を小さくする窓関数制御を前記音量に応じた深さで行って音量を制御をする工程、を有することを特徴とする。

この発明によれば、一人で静かにオーディオコンテンツを聴取するときには、漏れ音の少ない設定で出力することができ、且つ、スピーカから離れた位置にいる者や聴力の衰えた者などの特定の聴取者と通常の聴取者が一緒に聴取する場合には、特定の聴取者には大きな音量（音圧レベル）で音声を伝達し、それ以外の通常の聴取者には通常の音量且つ通常の音質でオーディオコンテンツを伝達することができる。

≪音声ビームの説明≫
図面を参照してこの発明の実施形態であるオーディオ装置について説明する。なお、このオーディオ装置は、テレビ受像機等の映像機器に接続されるものであっても、オーディオ装置単体で使用されるものであってもよい。

このオーディオ装置は、スピーカシステムとしてスピーカアレイ装置を用いるが、図１はスピーカアレイを用いた音声ビームの形成方法を説明する図である。スピーカアレイ装置には、多数のスピーカユニットが左右方向に数例に配列されている。ここでは、４０個の小型スピーカを３列に配列したものを想定する（参照 <http://www.yamaha.co.jp/news/2004/04111601.html>）。各スピーカユニットには同じ音声信号が供給されるが、そのタイミングおよび音量は各スピーカユニット毎に独立して制御可能にされている。図１に示すように、各スピーカユニットから出力された音声が、ある地点Ｆに同じタイミングに到達するように各スピーカユニットの出力タイミング（ディレイ）を制御する。このようにすることにより、Ｆ方向（ビーム方向）に進む音波は各スピーカユニットから出力された音声の位相が一致して強め合ってビームが形成され、音圧レベルが高くなって、距離による減衰が少なくなる。
一方、ビーム方向以外の方向では、各スピーカユニットから出力される音波の位相がずれているため、互いに打ち消し合って減衰し、音圧レベルが低下する。

したがって、特定の方向に音声ビームを形成すると、そのビーム方向には、音圧レベルの高い明瞭な音声が伝わり、ビーム方向以外には、音圧が抑制されて漏れ音声のみ伝わることになる。

なお、図５（Ａ）示すようにスピーカアレイ装置の背後に焦点を設定してディレイ制御をすることにより、広い指向特性で（ほぼ無指向性で）音声信号を出力することができる。ビーム制御モードを解除した場合には、この制御で音声信号を出力することにより、広い範囲に同じ特性で音声信号を伝達することができる。

図２はスピーカアレイ装置を用いて形成した音声ビームのビーム特性を示す図である。スピーカアレイ装置は有限長であるため、形成されるビームにはサイドローブが発生する。スピーカアレイ装置の各スピーカユニットのタイミングのみ制御して同じ音量の音声信号を供給した場合には、同図（Ａ）に示すような大きなサイドローブが発生し、メインビームのビーム方向以外の方向であるオフビーム方向にもある程度の音量の漏れ音声が伝搬する。一方、スピーカアレイ装置の各スピーカユニットに供給するオーディオ信号の音量レベルを中央から両端方向に向かうにつれて小さくなるような窓関数で音量調整した場合には、同図（Ｂ）に示すような正面のメインビームが大きく形成され、サイドローブが小さく抑制されている。これにより、オフビーム方向にはわずかな漏れ音声のみ伝達するようになる。

同図（Ａ），（Ｂ）は、中音域の音声信号についてのビーム特性を示したが、同図（Ｃ）は高音域のビーム特性を示す図である。このビーム特性は同図（Ｂ）と同じ窓関数で制御した例である。音声信号は、周波数が高くなるほどビーム特性が鋭くなり漏れ音声のレベルが小さくなる。また、壁面等による反射音も小さくなるため、ビーム制御モードにおいては、音声信号のうち特に高音域の成分がオフビーム方向で減衰している。

≪実施形態であるオーディオ装置の説明≫
本実施形態のオーディオ装置は、スピーカアレイ装置による上記ビーム特性を利用し、リモコンで自由に、ビーム制御モードの設定／解除、および、ビームの焦点位置（方向・距離）を設定できるようにした。さらに、ビーム制御モード時に設定された音量に基づき、そのときの利用形態を想定して以下のような２通りのオフビーム方向の音量制御を行う。

（１）ビーム制御モード時に音量が中音量より大きく制御された場合
数人でオーディオコンテンツを聴いているが、そのうち１人がキッチンなどの離れた場所にいるかまたは高齢者等の聴力が衰えた者である場合であって、そのその者に向けてビームを設定していると判断する。そして、他の聴取者はオフビーム方向にいると推定する。

この場合、オフビーム方向にいる通常の聴取者に対して、通常音量程度の漏れ音声が到達するように制御する。このため、以下の処理を行う。
（ａ）音声信号の高音域成分を抽出してオフビーム方向に（無指向性で）付加的に出力する。
（ｂ）各スピーカユニットに対する窓関数制御を浅くしてサイドローブを大きくする。
これにより、オフビーム方向で聴いている聴取者にも適当な音量且つフラットな周波数特性で音声信号を聴かせることができる。

（２）ビーム制御モード時に音量が小さく制御された場合
深夜等に他人に迷惑を掛けないように自分の方向だけに向けてビーム設定されたと判断し、以下のような処理を行う。
（ａ）各スピーカユニットに対する窓関数制御を深くしてサイドローブを小さく制御する。
（ｂ）上記の高音域成分の付加を停止する。
ビーム制御により、音声信号は、小音量であっても減衰することなく聴取者の位置まで伝達し、且つ、小音量であるため、サイドローブや反射等による漏れ音声は目立たず周囲の迷惑にならない。

図３は、上記制御を行うオーディオ装置の構成図である。

同図（Ａ）は同オーディオ装置の設置形態を示す概略図である。この図では、オーディオ装置（スピーカアレイ装置２）が、４２インチ程度のテレビ受像機（ディスプレイ３）の下方に接続された形態となっている。

同図（Ｂ）は、同オーディオ装置のブロック図である。この図は、同図（Ａ）に示したテレビ受像機にオーディオ装置を組み合わせたシステムのブロック図を示している。このシステムでは、テレビチューナ１１から映像信号および音声信号が出力される。映像信号は映像信号処理部１３に入力されて、色信号，輝度信号，同期信号等が分離されて、これらの信号がディスプレイ３に供給される。ディスプレイ３は、この信号に基づいて映像を表示する。

一方、音声信号は、オーディオ装置１の音声信号処理部１２に入力される。音声信号処理部１２は、この音声信号を音量を制御するとともに、スピーカアレイ装置２の各スピーカユニットに供給するためのディレイ制御，音量制御を行う。

音声信号処理部１２の上記ディレイ制御，音量制御は、制御部１０によって制御される。オーディオ装置１には赤外線リモコン４が付属しており、赤外線リモコン４は、ユーザの操作によって、ビーム制御モードのオン／オフ、ビーム位置（方向，距離）の設定、および、音量等を制御部１０に対して指示する。

図４は、前記音声信号処理部１２のブロック図である。音声信号処理部１２は、アナログ信号を処理する回路であっもデジタル信号を処理するプロセッサであってもよいが、デジタル信号を処理するプロセッサで構成することが好適である。入力された音声信号はメインボリウム２１で全体音量が調整される。音量が調整された音声信号は、主系統と高音域制御系統に分岐される。

主系統は、音声信号の主たる処理系統であり、ビーム化処理部２２を有している。このビーム化処理部２２は、入力された音声信号を、ビーム化してまたは無指向性でスピーカアレイ装置２から出力するように各スピーカユニット向けの音声信号のタイミングおよび音量を制御する。このため、ビーム化処理部２２は、各スピーカユニットに個別に対応するディレイ処理部およびゲインコントローラを備えている。このビーム化制御部２２で、各スピーカユニット向けの音声信号のディレイ時間を図１に示すように制御した場合には、その焦点となる位置Ｆに向けてビーム化された音声信号が、スピーカアレイ装置２から出力される。また、アレイ中央部ほどディレイ時間が長くなるように、タイミング制御をすれば、図５（Ａ）に示すようにスピーカアレイ装置２の背後に焦点を形成して前方に広がるようなビームを形成することができ、指向性のない音声を放音することができる。

各スピーカユニット向けに分岐され、タイミングおよび音量を制御された音声信号は、各スピーカユニット毎の加算部２３、パワーアンプ２４を経由してスピーカアレイ装置２の各スピーカユニットに供給される。

一方、高音域制御系統は、オフビーム方向に高音域成分を付加するための系統であり、ハイパスフィルタ２５、音量制御部２６，ビーム化処理部２７を有している。ハイパスフィルタ２５は、制御部１０によってカットオフ周波数，カットオフの急峻度であるＱ等が変更可能なアクティブなフィルタであり、ビーム角度や音量に応じたカットオフ周波数やＱの設定がなされる。音量制御部２６は、ハイパスフィルタ２５で抽出された高音域の音声信号の音量を制御する。ビーム化処理部２７は、主系統のビーム化処理部２２と同様の構成であり、音量制御部２６によって音量が制御された高音域成分信号を各スピーカユニットごとにディレイ制御および（窓関数のための）音量制御をして加算部２３に入力し、主系統の音声信号信号と各スピーカユニット毎に加算合成される。
ここで、この高音域制御系統は、メインボリウム２１の設定が中音量以上になったときに機能するように制御部によって制御される。

上述したように、高音域制御系統は、オフビーム方向に広く高音域信号成分を付加するために、広い指向特性または無指向性で出力される。スピーカアレイ装置２から広指向特性（無指向性）の音声信号を出力する場合、ビーム化処理部２７は、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように設定する。

図５（Ａ）は、スピーカアレイ装置の背後に焦点を設定してその焦点から音声が拡散するように各スピーカユニットのタイミングを設定する方式を示している。このようなビームを形成するため、アレイ両端のスピーカユニットに対するディレイは略０で、アレイ中央部のスピーカユニットに対するディレイが最大になるようにタイミングを制御する。
また、同図（Ｂ）は、アレイを用いたビーム制御を行わず、スピーカアレイ装置２の一部のスピーカユニットを用いて高音域成分を出力する方式を示している。この方式では、アレイによるビーム形成は行われず、スピーカユニット単体の指向特性で高音域の音声信号が出力される。

≪高音域成分の付加および窓関数制御の説明≫
図６は、メインボリウム２１に設定された音量および主系統のビーム化処理部２２に設定されたビーム角度（スピーカアレイ装置の正面方向に対するビーム方向の角度）に応じた高音域成分の付加制御（音量制御部２６の設定値制御）を説明する図である。
音量が小さいときには、高音域成分の付加は行わない。これは、上述したように、音量が小さいときには、一人で他人に迷惑を掛けないようにオーディオコンテンツを楽しんでいる場合であると考えられるため、ことさらにビーム方向以外に音声信号を放音する必要がないためである。

中音量以上の場合には、複数の人がオーディオコンテンツを聴取している場合で、そのなかの１人に対して特に大きく聴かせる必要がある場合であり、特に大きく聴かせる必要がある者に対してビームが設定され、その他の者はオフビーム方向で漏れ音声を聴いていると考えられる。そこで、オフビーム方向に高音域成分を付加し、漏れ音声の高音域成分を補強してフラットな特性の音声を聴かせる。

この場合において、音量が大きくなるほど高音域成分の不足が目立つため、すなわち、低音域成分が強調して聴こえるため、高音域成分の付加量を大きくする。

さらに、ビーム角度が大きくなると、そのビーム方向の反対側等の場所において極めて高音域成分が減衰して聞こえるため、ビーム角度が大きい場合には、ビーム角度が小さい場合よりも高音域成分の付加量を大きくする。

図７は、メインボリウム２１に設定された音量および主系統のビーム化処理部２２に設定されたビーム角度に応じた、ビーム化処理部２７の窓関数の深さ制御を説明する図である。
小音量およびビーム角度が小さいときには、窓関数を深く掛ける（１）。これによって周囲に漏れる音を極力小さくすることができる。音量が大きくなるにしたがって、またはビーム角度が大きくなるにしたがって、窓関数を浅くしてゆき（２）→（３）、音量，ビーム角度ともに大きい場合には、窓関数による音量制御を行わずに全スピーカユニットにわたってフラットな音量で出力する。これにより、サイドローブが大きくなり、漏れ音量が大きくなる。

なお、この実施形態では、上記高音域成分の付加と窓関数によるサイドローブ制御を併用しているが、いずれか一方のみ行ってもよい。

また、この実施形態では、メインボリウム２１の音量設定値に基づいて、高音域成分の付加量および窓関数の深さを自動設定しているが、ユーザにこの設定操作を開放してもよい。

また、メインボリウム２１に設定された音量および主系統のビーム化処理部２２に設定されたビーム角度に応じてハイパスフィルタ２５のカットオフ周波数およびＱを制御するようにしてもよい。

また、図２に示したように音声信号の周波数ごとにビーム特性が異なるため、音声信号を帯域分割して各帯域ごとに異なる窓関数を設定する等のビーム制御をすることにより、全周波数帯域について同じようなビーム特性となるように制御してもよい。

スピーカアレイを用いた音声ビームの形成方法を説明する図 スピーカアレイ装置を用いて形成した音声ビームのビーム特性を示す図 この発明の実施形態であるオーディオ装置の構成図 同オーディオ装置の音声信号処理部のブロック図 スピーカアレイ装置を用いて音声信号を無指向性で出力する場合の制御を説明する図 音量およびビーム角度に応じた高音域成分の付加制御を説明する図 音量およびビーム角度に応じた窓関数の深さ制御を説明する図

符号の説明

１…オーディオ装置
２…スピーカアレイ装置
３…テレビ受像機（ディスプレイ）
１０…制御部
１２…音声信号処理部
２１…メインボリウム
２２…ビーム化処理部
２３…加算部
２４…パワーアンプ
２５…ハイパスフィルタ
２６…音声制御部
２７…ビーム化処理部

Claims (4)

1. 複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイと、
   入力された音声信号の音量を制御する音量制御部と、
   前記音声信号の前記スピーカアレイの各スピーカユニットへの入力タイミングを制御することにより、前記音声信号を所定方向に向けたビームとして前記スピーカアレイから出力する主系統処理部と、
   前記音声信号のうち高音域の信号成分を広指向特性で放音されるように前記スピーカアレイに供給する高音域制御系統処理部と、
   前記音量および／または前記ビームの方向に応じて前記高音域制御系統処理部の出力レベルを制御する制御部と、
   を備えたオーディオ装置。
2. 複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイと、
   入力された音声信号の音量を制御する音量制御部と、
   前記音声信号を前記スピーカアレイの各スピーカユニットに個別に入力する処理部であって、ビームの焦点で到達タイミングが一致するようにディレイ制御をするとともに、アレイの中心から両端部に位置するスピーカユニットほど音量を小さくする窓関数制御をすることにより、前記スピーカアレイから出力される音声をビーム化する音声信号処理部と、
   を備え、前記音声信号処理部は、前記音量に応じて前記窓関数の深さを制御するオーディオ装置。
3. 入力された音声信号の音量を制御する工程、
   前記音声信号の前記スピーカアレイの各スピーカユニットへの入力タイミングを制御することにより、前記音声信号を所定方向に向けたビームとして前記スピーカアレイから出力する工程、
   前記音声信号のうち高音域の信号成分を広指向特性で放音されるように、前記音量および／または前記ビームの方向に応じたレベルで前記スピーカアレイに供給する工程、
   を有することを特徴とするオーディオ装置のビーム制御方法。
4. 入力された音声信号の音量を制御する工程、
   前記音声信号を複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイの各スピーカユニットに個別に入力する、ビームの焦点で到達タイミングが一致するようにディレイ制御をする工程、アレイの中心から両端部に位置するスピーカユニットほど音量を小さくする窓関数制御を前記音量に応じた深さで行って音量を制御をする工程、
   を有することを特徴とするオーディオ装置のビーム制御方法。

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