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1. WO2006132136 - AUDIO DEVICE AND AUDIO BEAM CONTROL METHOD

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[ JA ]
明 細書

オーディオ装置及び音声ビーム制御方法

技術分野

[0001] 本発明は、スピーカアレイを用いたオーディオ装置に係り、特に音声信号に応じて 所定の指向性を有する音声ビームを発生するとともに、当該音声ビームの指向性を 制御する音声ビーム制御方法に関する。

本願は、 2005年 6月 6日の日本国特許出願、特願 2005— 166230号に基づき優 先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] 現在、先進国の都市部に生活する人々は多様なライフスタイルを享受しており、以 つて、多様な時間帯で活動している。また、人口の増加に伴い、特に都市部におい て住宅が密集しており、同居の家族のみならず近隣の住民に対する騒音被害が増 加する傾向がある。例えば、夜間に音声映像機器 (例えば、テレビ受像機)を視聴す る場合に比較的大音量の音声を発生すると、視聴者以外の人々に不快感を与えるよ うな騒音被害が発生する。また、人々のプライバシーの保護という観点からも、騒音 被害を少なくすることが必要となる。

[0003] これまでは、視聴者は音量を小さくして周囲の人々に騒音被害を与えないように配 慮してきたが、単純に音量を小さくすると、音声コンテンツ (或いは、プログラム)を聴 取しにくくなると、う不都合がある。

[0004] また、視聴者が音声映像機器から離れた場所 (例えば、リビングルームと離間した キッチン等)にいる場合や、聴力の衰えた高齢者が音声映像機器を視聴する場合、 音量を十分上げる必要がある。しかし、音声映像機器の近接位置における視聴者や 健全な聴力を有する視聴者が同時に同じコンテンツ (或いはプログラム)を視聴する 場合、音量を大きくすると不快感を発生するという問題点がある。また、コンテンツ (或 いはプログラム)を視聴する意思のない同居の家族、或いは、近隣の人々にとつて音 量を大きくすることは騒音被害を発生することとなる。

[0005] 上記の問題点を解決するため、特定の視聴者の近辺に設置するローカルスピーカ アンプが実用化されて、る (非特許文献 1参照)。

非特許文献 1:「耳に優しいみみもとくん α」、インターネットによるオンライン検索: UR L : http : //home. sOO. itoscom. net/large/CS - 30P/

[0006] しかし、非特許文献 1に開示された装置は特定の視聴者に近辺に配置するアンプ スピーカ(又は、イヤホーン)力も構成されており、当該装置をケーブルでテレビ受像 機と接続する必要がある。このため、ケーブルやアンプスピーカが邪魔となり、かつ、 設置が面倒である。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 本発明の目的は、特定の視聴者の近辺に別途スピーカを設けることなぐ音声映像 機器の近接位置にいる視聴者、そこ力離れた場所にいる視聴者、及び聴力の衰え た視聴者のいずれもが同様の音量及び音質で同一のオーディオコンテンツを聴取 することができるオーディオ装置及びその音声ビーム制御方法を提供することである

課題を解決するための手段

[0008] 本発明の第 1の態様は、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、音声信号をスピーカアレイのスピ 一力ユニットに供給するタイミングを制御することにより、所定方向に向けて放射され る少なくとも 1つの音声ビームをスピーカアレイより出力せしめる主処理部と、音声信 号に含まれる高音域成分を広範囲に分布する指向特性で放音されるように制御して スピーカアレイに供給する高音域制御部と、音声信号の音量及び z又は音声ビーム の放射方向に応じて高音域制御部の出力レベルを制御する制御部をオーディオ装 置に具備することである。

[0009] 本発明の第 2の態様は、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、音声信号に複数のスピーカュニッ トの夫々に対応した個別の処理を施してスピーカアレイより少なくとも 1つの音声ビー ムを出力せしめる音声信号処理部をオーディオ装置に具備することである。音声信 号処理部において、音声信号に対して遅延処理を施すことにより、音声ビームを所

定タイミングで焦点位置に到達せしめるとともに、スピーカアレイの中央部から両端部 に向かって音量を徐々に小さくするような窓関数を音声信号に適用し、当該窓関数 の適用量を音量に応じて制御する。

[0010] 本発明の第 3の態様は、複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイを具備す るオーディオ装置に適用されるビーム制御方法において、入力された音声信号の音 量を制御し、音声信号がスピーカアレイの各スピーカユニットに供給されるタイミング を制御し、以つて、所定方向に向けて放射される少なくとも 1つの音声ビームをスピー 力アレイから出力せしめ、音声信号に含まれる高音域成分を広範囲に分布する指向 特性で放音するように、音量及び Z又は音声ビームの方向に応じたレベルでスピー 力アレイに供給することである。

[0011] 本発明の第 4の態様は、複数のスピーカユニットを配列したスピーカアレイを具備す るオーディオ装置に適用されるビーム制御方法において、入力された音声信号の音 量を制御し、音声信号に複数のスピーカユニットの夫々に対応した個別の処理を施 してスピーカアレイより少なくとも 1つの音声ビームを出力せしめ、音声信号に対して 遅延処理を施すことにより、音声ビームを所定タイミングで焦点位置に到達せしめると ともに、スピーカアレイの中央部から両端部に向力つて音量を徐々に小さくするような 窓関数を音声信号に適用し、当該窓関数の適用量を音量に応じて制御することであ る。

発明の効果

[0012] 本発明によれば、オーディオ装置のユーザが一人でオーディオコンテンツを聴取 する場合、漏れ音声を少なくする設定とすることができる。また、複数の人で同一のォ 一ディォコンテンツを視聴する際、その内の特定者力 Sスピーカアレイ装置力も離れた 位置にいる力、或いは、特定者が聴力の衰えた高齢者である場合、特定者には大音 量 (又は高音圧)で音声を伝達し、一方、他の人には通常の音量及び音質で音声を 伝達することができる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]スピーカアレイ装置を用いた音声ビームの形成方法を説明する図である。

[図 2] (A)はタイミング制御のみを施した音声信号に基づきスピーカアレイ装置を駆 動して形成した音声ビームの特性を示し、 (B)は窓関数による音量調整を施した音 声信号に基づき形成した音声ビームの特性を示し、 (C)は高音域のビーム特性を示 す。

圆 3] (A)はオーディオ装置とテレビ受像機を組み合わせたシステムの概観を示す正 面図であり、 (B)は当該システムの構成を示すブロック図である。

[図 4]オーディオ装置の内部構成を示すブロック図である。

圆 5] (A)はスピーカアレイ装置を用いて無指向性で音声ビームを出力する場合のビ ーム制御を示し、 (B)はビーム制御を行わずスピーカアレイ装置力高音域成分の みを出力することを示す。

圆 6]スピーカアレイ装置力も放射される音声ビームのビーム角度と付加される高音 域成分との関係を示すグラフである。

[図 7] (A)は音声信号のビーム化処理において、音量及びビーム角度に応じた窓関 数の適用量の例を示しており、 (B)は窓関数の適用量と音量及びビーム角度との関 係を示すグラフである。

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 I

4 赤外線リモコン

10 制御部

11 チューナ

12 映像信号処理部

13 音声信号処理部

21 メインボリューム

22 ビーム化処理部

23 加算器

24 パワーアンプ

26 音声制御部

27 ビーム化処理部

発明を実施するための最良の形態

[0015] (音声ビームの説明)

添付図面を参照して本発明の好適な実施例に係るオーディオ装置について説明 する。このオーディオ装置はテレビ受像機等の音声映像機器に接続するよう構成し てもよく、また、オーディオ装置単体で使用されるものであってもよい。

[0016] 本実施例に係るオーディオ装置は、スピーカアレイ装置を具備するものである。図 1 は、スピーカアレイ装置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 力アレイ装置は、複数のスピーカユニットを水平方向に配列したものである。例えば、 40個の小型スピーカを 3列配置したスピーカアレイ装置を想定する(インターネットに て検索可能: URL : http : ZZwww. yamaha. co. jp/news/2004/0411160 1. htmD o各スピーカユニットには同じ音声信号が供給されているが、その供給タイ ミング及び音量は各スピーカユニット毎に独立して制御可能となっている。図 1に示 すように、各スピーカユニットの出力タイミング (即ち、遅延時間)を制御する。これによ り F方向(焦点方向、或いは、メインビーム方向)に伝播する音波はスピーカユニット の放射音声の位相が一致して高い音圧を有する音声ビームを形成する。このように 高い音圧を有する音声ビームにより、距離による減衰を少なくしている。

[0017] 一方、メインビーム方向以外の方向(即ち、オフビーム方向)では、スピーカユニット 力 出力される音波の位相がずれるため、互いに打ち消しあって減衰し、音圧が低 下する。

[0018] 即ち、形成された音声ビームはそのメインビーム方向において音圧の高い明瞭な 音声を伝達することができ、そのオフビーム方向では音圧が抑制されて小さな漏れ音 声のみが伝達されることとなる。

[0019] 図 5 (A)に示すように、スピーカアレイ装置の背後に焦点を設定して遅延制御する ことにより、広い範囲の指向特性 (或いは、無指向性)で音声信号を出力することがで きる。

[0020] 図 2 (A)〜(C)は、スピーカアレイ装置を用いて形成した種々の音声ビームの特性 (ビーム特性、或いは、音圧分布)を示す。スピーカアレイ装置は有限長であるため、 形成される音声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を構成する 複数のスピーカユニットにタイミング制御を施した同一音量の音声信号を供給すると

、図 2 (A)に示すように比較的高レベルのサイドローブが発生し、メインビーム方向以 外のオフビーム方向にも比較的大きな音量の漏れ音声が伝播することとなる。

[0021] 図 2 (B)に示すように、スピーカアレイ装置に含まれる複数のスピーカユニットに供 給する音声信号の音量をスピーカアレイ装置の中央部力両端部に向力つて小さく なるような窓関数を用いて音量調整した場合、スピーカアレイ装置の正面中央部に お!ヽて高レベルのメインビームが形成され、サイドローブのレベルは小さく抑制される 。これにより、オフビーム方向には低レベルの漏れ音声が伝播することとなる。

[0022] 図 2 (A)及び (B)はヽずれも中音域の音声信号に対応する音声ビームのビーム特 性を示している。図 2 (C)は高音域の音声信号に対応する音声ビームのビーム特性 を示しており、図 2 (B)に示した窓関数でビーム特性制御を行ったものである。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、漏れ音声のレベルは小さくな る。また、壁面等による反射音も小さくなるため、ビーム制御モードでは、音声信号の 内、特に高音域の音声成分がオフビーム方向で減衰することとなる。

[0023] (本実施例に係るオーディオ装置の説明)

本実施例に係るオーディオ装置は、上記のスピーカアレイ装置によるビーム特性を 利用し、ユーザがリモコンで自由にビーム制御モードの設定及び解除、並びに、音 声ビームの焦点位置 (メインビーム方向及び距離で定義される。)を設定できるように した。また、オーディオ装置は、ビーム制御モードにおいて設定された音量に基づき 、ユーザ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

[0024] (1)第 1の場合

これは、ビーム制御モード時、音量を所定の中音量より大きくなるよう制御する場合 である。例えば、複数の人がオーディオ装置を使用してオーディオコンテンツを聴取 しているが、特定の人がオーディオ装置力離間したキッチン等の場所にいる力或 いは、特定の人が聴力の衰えた高齢者であるとき、特定の人に向けて音声ビームを 設定し、かつ、他の人はオフビーム方向にいると推定される。

[0025] ここで、オフビーム方向に、る他の人に対して、通常の音量による漏れ音声が伝達 するように以下の処理を行う。

(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適用される窓関数の適用量 (又は、 bandgap)を小さく制 御して、サイドローブを大きくする。これにより、オフビーム方向でオーディオコンテン ッを聴取している聴取者に対して高域の減衰が緩和された音声信号が到達する。

[0026] (2)第 2の場合

これは、ビーム制御モード時、音量を小さく制御する場合である。例えば、深夜等に ぉ 、て周囲の他人に迷惑をかけな、ように一人の聴取者の方向にのみ音声ビーム が設定されたと推定し、以下の処理を行う。

(a)各スピーカユニットに適用される窓関数の適用量を大きく制御して、サイドロー ブを小さくする。

(b)上記の高音域成分の付加を停止する。

[0027] ビーム制御により、音声信号は小音量であっても明瞭度を保って聴取者まで到達 する。また、音声信号は小音量であるため、サイドローブや反射等による漏れ音声は 不快なものとはならず、周囲の他人に迷惑が力からない。

[0028] 図 3 (A)、(B)を参照して上記のビーム制御を実行するオーディオ装置の構成につ いて説明する。

[0029] 図 3 (A)は、オーディオ装置と音声映像装置とを組み合わせたシステムの概観を概 略的に示す正面図である。このシステムにおいて、オーディオ装置 (スピーカアレイ 装置 2を含む。)は 42インチのテレビ受像機 (ディスプレイ 3を含む。)の下方に接続さ れている。

[0030] 図 3 (B)は、オーディオ装置とテレビ受像機を組み合わせたシステムの構成を示す ブロック図である。ここで、テレビチューナ 11は映像信号及び音声信号を出力する。 映像信号は映像信号処理部 13に供給され、色信号、輝度信号、及び同期信号等が 分離されてディスプレイ 3に供給される。ディスプレイ 3は、その入力信号に基づき映 像を表示する。

[0031] 一方、音声信号はオーディオ装置 1内の音声信号処理部 12に供給される。音声信 号処理部 12は、音声信号の音量制御を行うとともに、スピーカアレイ 2を構成するス ピー力ユニットについて遅延制御及び音量制御を行う。

[0032] 制御部 10は上記の音声信号処理部 12における遅延制御及び音量制御を管轄す るものである。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、ユーザが当該 赤外線リモコン 4を操作することにより、ビーム制御モードのオン Zオフ、焦点位置 (メ インビーム方向及び距離で定義される。)の設定、及び音量の指示を制御部 10に対 して行う。

[0033] 図 4は、音声信号処理部 12の内部構成を示すブロック図である。音声信号処理部 12は、アナログ信号の処理回路やデジタル信号を処理するプロセッサーで構成する ことが可能である。本実施例では、音声信号処理部 12をデジタル信号を処理するプ 口セッサ一を用いて構成して、る。入力された音声信号はメインボリューム 21により全 体的な音量が調整される。その後、音声信号は主処理部と副処理部 (即ち、高音域 制御部)に分岐する。

[0034] 主処理部は、音声信号に対して所定処理を施すものであり、ビーム化処理部 22を 有している。ビーム化処理部 22は、音声信号に基づきスピーカアレイ装置 2が音声ビ ームを発生するか、或いは、音声を無指向性で出力するよう各スピーカユニットに供 給される音声信号のタイミング及び音量を制御する。このため、ビーム化処理部 22は 、スピーカユニットに夫々個別に対応する遅延処理部及びゲインコントローラを備え ている。ビーム化処理部 22によりスピーカユニットに供給する音声信号の遅延時間を 制御することにより、図 1に示すようにスピーカアレイ 2から焦点位置 Pに向けて音声ビ ームが出力される。スピーカアレイ装置 2の中央部において遅延時間が小さくなるよう に音声信号のタイミング制御を行うと、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音声ビームを形成することができ、以つて 、無指向性の音声を放音することができる。

[0035] 上記のように、各スピーカユニットについて、タイミング及び音量が制御された音声 信号は、各スピーカユニット毎に設けられた加算器 23及びパワーアンプ 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。

[0036] 一方、高音域制御部は、オフビーム方向に対して高音域成分を付加するためのも のであって、ハイパスフィルタ 25、音量制御部 26、及びビーム化処理部 27を有して いる。ハイパスフィルタ 25は、制御部 10によりカットオフ周波数及びカットオフの急峻 度(steepness)を示す Qf actorの変更可能なアクティブフィルタであり、ビーム角度 や音量に応じて設定されるものである。音量制御部 26は、ノ、ィパスフィルタ 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、主処理部の ビーム化処理部 22と同様の構成を有しており、音量制御部 26によって音量が制御さ れた高音域成分に対して各スピーカユニット毎に遅延制御及び (窓関数を実現する ための)音量制御を施し、その出力信号を加算器 23に供給する。加算器 23は、主処 理部の出力信号と高音域制御部の出力信号を各スピーカユニット毎に加算する。 尚、高音域制御部は、メインボリューム 21が中音量以上に設定されたときに機能す るよう制御部 10により制御される。

[0037] 上記のように、高音域制御部は、高音域成分を広い範囲に分布する指向特性或い は無指向性でオフビーム方向に出力する。スピーカアレイ装置 2により広範囲の指向 性或いは無指向性で音声信号を出力する場合、ビーム化処理部 27は図 5 (A)、 (B) に示すビーム分布を実現するように設定される。

[0038] 図 5 (A)は、スピーカアレイ装置 2の背後に焦点を設定して、その焦点から音声が 拡散するよう各スピーカユニットのタイミング制御を行う方式を示して、る。この方式に おいて、スピーカアレイ装置 2の両端部に位置するスピーカユニットに付与する遅延 時間は最大であり、一方、スピーカアレイ装置 2の中央部に位置するスピーカユニット に付与する遅延時間が略ゼロとなるようタイミング制御を行う。

[0039] 図 5 (B)は、スピーカアレイ装置 2を用いたビーム制御を行わず、当該スピーカァレ ィ装置 2に含まれるスピーカユニットの一部を用いて高音域成分のみを出力する方式 を示している。この方式では、スピーカアレイ装置 2から音声ビームは出力されず、所 定のスピーカユニット単体の指向特性で音声信号の高音域成分のみが出力される。

[0040] (高音域成分の付加及び窓関数制御の説明)

図 6は、メインボリューム 21に設定された音量及び主処理部のビーム化処理部 22 に設定されたビーム角度 (即ち、スピーカアレイ装置 2の正面方向から拡散する音声 ビームの放射方向の角度)に応じた高音域成分の付加制御(即ち、音量制御部 26の 設定制御)を説明するグラフである。

音量が小さ!/、ときには、スピーカアレイ装置 2から放射される音声ビームに対して高 音域成分は付加されない。これは、小音量時には、オーディオ装置 1のユーザが一 人で周囲の他人に迷惑をかけな、ようにオーディオコンテンツを楽しんで、ると推定 されるためであり、メインビーム方向以外の方向に音声信号を出力する必要が無いた めである。

[0041] 中音量以上の場合には、複数の人が同一のオーディオコンテンツを聴取しており、 その中の特定の人に対しては比較的大きな音量で音声を聴取させると推定される。 この場合、特定の人に対して音声ビームを設定し、他の人に対してはオフビーム方 向で漏れ音声を聴取させる必要がある。そこで、オフビーム方向については高音域 成分を付加し、以つて、漏れ音声の高音域成分を強調してフラットな特性の音声を発 生する。

[0042] 上記の場合、音量を大きくすると低音域成分が強調される一方、高音域成分は弱 められるため、これを補うため、図 6に示すグラフのように高音域成分の付加量を増加 させる。

[0043] また、ビーム角度を大きくすると、メインビーム方向から外れる場所においては高音 域成分が極めて減衰するため、ビーム角度が大きい場合は、ビーム角度が小さい場 合に比べて、高音域成分の付加量を増加する。

[0044] 図 7 (A)、 (B)は、メインボリューム 21に設定された音量及び主処理部にビーム化 処理部 22に設定されたビーム角度に応じてビーム化処理部 27に適用される窓関数 の適用量の制御方法を示している。即ち、スピーカアレイの中央部から両端に向力つ て音量を徐々に小さくする窓関数を、サイドローブが最小となる状態と窓関数を掛け な 、状態との間で重み付けする。

小音量、かつ、ビーム角度が小さいときには、窓関数の適用量を大きくする(図 7 (A )、(B)の a参照)。これにより、周囲の漏れ音声を極力小さくすることができる。音量を 大きくするに従って、或いは、ビーム角度を大きくするに従って、窓関数の適用量を 小さくしてゆく(図 7 (A)、(B)の b、 c参照)。音量及びビーム角度の両方が大きい場 合には、窓関数による音量制御を行わずスピーカアレイ装置 2に含まれる全スピーカ ユニットに対してフラットな音量特性を有する音声信号を供給する(図 7 (A)、 (B)の d 参照)。これにより、サイドローブが大きくなり、以つて、漏れ音声の音量も大きくなる。

[0045] 本実施例では、高音域成分の付加制御と窓関数を用いたサイドローブ制御を併用 して、るが、、ずれか一方のみを実行するようにしてもょ、。

[0046] 本実施例では、メインボリューム 21の音量設定に基づいて高音域成分の付加量及 び窓関数の適用量を自動設定して!/、るが、オーディオ装置のユーザが高音域成分 の付加量及び窓関数の適用量を設定するようにしてもょ、。

[0047] また、メインボリューム 21に設定された音量及び主処理部のビーム化処理部 22に 設定されたビーム角度に応じてハイノスフィルタ 25のカットオフ周波数及び Qfactor を制御するようにしてもよい。

[0048] 図 2 (A)、 (B)、 (C)に示したように、音声信号の周波数によってビーム特性が異な るため、音声信号を帯域分割して各帯域毎に異なる窓関数を設定するようなビーム 制御を実行してもよい。これにより、全周波数帯域について同様のビーム特性を実現 することができる。

産業上の利用可能性

[0049] 本発明は、アレイスピーカ装置を用いてビーム制御を行うオーディオ装置を提供す るものであり、既存の音声映像機器に接続して用いることができ、簡易にオーディオ コンテンツの聴取制御を実現しうるものであり、また、種々の音声映像システムに適用 可能である。