JP5422163B2 - 電気音響システム - Google Patents

Description

本発明は、シアター、ホール又は講堂などの空間において、ヒトの聴覚で知覚することができる可聴音以上の周波数を有する高周波音を実質的に減衰させることなく聴取者に伝搬させることができる電気音響システムに関する。本明細書においては、可聴音の周波数は例えば２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚであり、高周波音の周波数は例えば２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ（最大周波数は、１００ＫＨｚよりも低く例えば５０ｋＨｚであってもよく、１００ＫＨｚよりも高く例えば１５０ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、又は３００ｋＨｚなどであってもよい。）である。

人間の脳血流を増大させて心身の状態を改善向上させ、人間をリラックスさせるための音発生装置、音発生空間及び音を提供するために、特許文献１においては、可聴周波数範囲を超える所定の最大周波数までの第１の周波数範囲の周波数を有しかつ１０ｋＨｚを超える第２の周波数範囲においてミクロな時間領域で変化する非定常である音を発生する音発生装置又は音発生空間であり、上記音を人間に対して印加することにより人間の脳血流を増大させること、並びに、可聴周波数範囲を超える所定の最大周波数までの第１の周波数範囲の周波数を有しかつ１０ｋＨｚを超える第２の周波数範囲においてミクロな時間領域で変化する非定常である音であり、上記音を人間に対して印加することにより人間の脳血流を増大させることが開示されている。この効果については、例えば非特許文献１において開示されているように、「ハイパーソニックエフェクト」として知られている。

特開平９−３１３６１０号公報。 特開２００５−０８０１２４号公報。 特開２００６−２６１８０８号公報。 特開２００７−２１８９２１号公報。 T. Oohashi et al., "Inaudible High-Frequency Sounds Affect Brain Activity: Hypersonic Effect", The Journal of Neurophysiology, Vol. 83 No. 6, pp.3548-3558, June 2000. G. Clifford Carter et al., "Estimation of the Magnitude-Squared Coherence Function Via Overlapped Fast Fourier Transform Processing", IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, pp.337-344, Vol. AU-21, No. 4, August, 1973. Masato Miyoshi et al., "Inverse Filtering of Room Acoustics", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, pp. 145-152, Vol. 36, No. 2, February 1988. 城戸健一，「ディジタルフィルタの原理（その２）」，日本音響学会誌，４３巻，５号，１９８７年５月。 浜田晴夫，「アクティブフィルタの基礎（その１）」，日本音響学会誌，４３巻，８号，１９８７年８月。

特許文献１の音発生装置においては、ハイパーソニックエフェクトの効果を得るために、高周波音を放射するスピーカについては、その発生音が聴取者に十分に届くようにするために、可聴音スピーカを高周波音スピーカとともに聴取者の近傍に設置している。

図２０は本発明の問題点を説明するための、舞台近傍での音声及び楽器音の周波数スペクトラムの一例を示す図であり、図２１は本発明の問題点を説明するための、舞台から遠方での音声及び楽器音の周波数スペクトラムの一例を示す図である。図２０及び図２１から明らかなように、アトリウムなどの中・大規模空間において、従来技術の方法で高周波音を放射しても、高周波音は空気吸収によって大きく減衰し、高周波音が聴取者まで届かないため、ハイパーソニックエフェクトが期待できない。また、ホール・映画館等において、高周波音を含む音を従来からの電気音響システムで再生する場合、遠方の聴取には高周波音が届かないため、ハイパーソニックエフェクトが期待できないという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、シアター、ホール又は講堂などの空間において、ヒトの聴覚で知覚することができる可聴音以上の周波数を有する高周波音を実質的に減衰させることなく聴取者に伝搬させることができる電気音響システムを提供することにある。

第１の発明に係る電気音響システムは、可聴音と、可聴音の周波数を超える周波数を有する高周波音とを含む音を所定の空間の視聴者に対して放射する電気音響システムにおいて、
視聴者の位置において、距離に対する減衰量の周波数特性を用いて、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルの周波数特性を等化して放射手段に出力する等化手段を備えたことを特徴とする。

上記第１の発明に係る電気音響システムにおいて、上記自由空間に設けられ、所定のパルス信号を発生する信号発生手段と、
上記自由空間に設けられ、上記パルス信号の音及び自由空間の音を収集して電気信号に変換するマイクロホンと、
上記マイクロホンからの信号と上記放射手段から出力される信号とに基づいて、上記放射手段から上記マイクロホンまでの音響帰還路の伝達関数特性を推定し、推定された音響帰還路の伝達関数特性に基づいてその逆の伝達関数特性の逆フィルタを生成し、当該フィルタの係数を有する畳み込み積分回路を生成し、それを等化手段として構成する制御手段とをさらに備えたことを特徴とする。

また、上記第１の発明に係る電気音響システムにおいて、
上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する第１のフィルタ手段と、
上記第１のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する第１の放射手段と、
上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域よりも高い第２の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する複数の第２のフィルタ手段と、
上記各第２のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する複数の第２の放射手段とを備え、
上記第１の放射手段による放射領域は、上記複数の第２の放射手段による放射領域をカバーすることを特徴とする。

第２の発明に係る電気音響システムは、可聴音と、可聴音の周波数を超える周波数を有する高周波音とを含む音を所定の空間の視聴者に対して放射する電気音響システムにおいて、
視聴者の位置において、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルを等化して放射手段に出力する等化手段と、
上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する第１のフィルタ手段と、
上記第１のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する第１の放射手段と、
上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域よりも高い第２の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する複数の第２のフィルタ手段と、
上記各第２のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する複数の第２の放射手段とを備え、
上記第１の放射手段による放射領域は、上記複数の第２の放射手段による放射領域をカバーすることを特徴とする。
上記第２の発明に係る電気音響システムにおいて、上記自由空間に設けられ、所定のパルス信号を発生する信号発生手段と、
上記自由空間に設けられ、上記パルス信号の音及び自由空間の音を収集して電気信号に変換するマイクロホンと、
上記マイクロホンからの信号と上記放射手段から出力される信号とに基づいて、上記放射手段から上記マイクロホンまでの音響帰還路の伝達関数特性を推定し、推定された音響帰還路の伝達関数特性に基づいてその逆の伝達関数特性の逆フィルタを生成し、当該フィルタの係数を有する畳み込み積分回路を生成し、それを等化手段として構成する制御手段とをさらに備えたことを特徴とする。
さらに、上記第１及び第２の発明に係る電気音響システムにおいて、実質的に同一の配置位置に設けられた第１の放射手段及び第２の放射手段を１つの放射手段で共用し、当該第１の放射手段に接続された第１のフィルタ手段及び当該第２の放射手段に接続された第２のフィルタ手段を１つのフィルタ手段で共用したことを特徴とする。

またさらに、上記第１及び第２の発明に係る電気音響システムにおいて、上記各放射手段の主放射方向が、天井又は側壁の面に対して垂直な方向から傾斜された方向に平行となるように、上記各放射手段を設けたことを特徴とする。

また、上記第１及び第２の発明に係る電気音響システムにおいて、
上記高周波音を含む無線信号を送信する無線送信手段と、
上記無線送信手段からの無線信号を受信して上記高周波音を上記放射手段に出力する無線受信手段とをさらに備えたことを特徴とする。

ここで、上記無線受信手段及び上記放射手段はペンダント型で構成されたことを特徴とする。

本発明に係る電気音響システムによれば、視聴者の位置において、距離に対する減衰量の周波数特性を用いて、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルの周波数特性を等化して放射手段に出力する等化手段を備えたので、ホール又は講堂等の話者の音声又は楽器に含まれる高周波音、もしくはハイパーソニックシアターの音声信号に含まれる高周波音を遠方の聴取者に対しても伝搬させることができるので、小空間でのみ実施可能であったハイパーソニックエフェクトを中・大規模空間でも生じさせることができる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

図２２は本発明者らが発明の知見に至った基礎となる、種々の周波数をパラメータとする音源からの距離に対する高周波音の相対レベルを示すグラフである。図２２はＩＳＯ３５４：１９８５（ＪＩＳ Ａ１４０９）に記載されている空気の音響吸収計数の算出方法に基づいて周波数毎に空気吸収減衰量を計算した結果であって、図２２から明らかなように、周波数が高くなるにつれて音源からの距離が長くなるにつれて音の信号レベルが大きく低下していることがわかる。この知見に基づいて、本発明者らは以下の発明を考案した。

図１は本発明の一実施形態に係る電気音響システムの構成を示すブロック図である。図１において、本実施形態に係る電気音響システムでは、可聴音と、可聴音の周波数を超える周波数を有する高周波音とを含む音を所定の空間の視聴者に対して放射する電気音響システムにおいて、視聴者の位置において、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルを等化するイコライザ回路１０を備えたことを特徴としている。

本実施形態での構成の特徴は以下の通りである。
（１）低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５により低域通過ろ波された可聴音については、原音、もしくは従来技術の拡声設備（可聴音増幅器６Ｌ，６Ｃ，６Ｒ及びスピーカ７Ｌ，７Ｃ，７Ｒ）で拡声して放射する。
（２）高域通過フィルタ（ＨＰＦ）８により高域通過ろ波された高周波音は、図２２に示すように自由空間における空気吸収減衰により周波数及び伝搬距離に応じて減衰する。高周波用スピーカ（以下、ツイータという。）３１，３２，３３を例えば約５ｍ以内の間隔で分散配置することを提案する。ツイータ３１，３２，３３から５ｍ以上離れた位置では、１００ｋＨｚ帯域の音は２０ｄＢ以上減衰するため、イコライザやフィルタで電気的に信号を増幅しても、ノイズ成分が多くなり、実用上、正確な信号再生が難しい。ただし、信号源の信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎという。）が良い場合にはこの限りではない。イコライジングやフィルタリングの周波数特性としては、受音位置（聴取者の位置）で距離減衰（倍距離で６ｄＢ減衰）分の減衰となるように、高周波音の周波数が高くなるほど信号レベルが上がるよう等化するイコライザ（ディジタルフィルタ、もしくはアナログフィルタであってもよい。）を設定する。ツイータ３１，３２，３３の分散配置の方法、帯域分割の考え方、イコライザ回路１０の詳細については詳細後述する。
（３）従来のハイパーソニックエフェクトの考え方では、高周波音は可聴音と相関がある音を用いていたので、両者の音が聴取者に届くタイミングを一致させることが必要と考えられており、イコライザ回路１０内に、音像定位拡声と同様の遅延回路を設ける必要があった。しかしながら、本発明者らによる生理実験の結果、詳細後述するように、遅延回路は不要であることが確認されたため、遅延回路は省略することが可能である。

図１において、光ディスクプレーヤ１は、例えばスーパーオーディオＣＤプレーヤ、ＤＶＤプレーヤ又はブルーレイディスクプレーヤであって、可聴音及び高周波音を含む音声信号（本明細書において、音声信号とは、人間の発声する音声のみならず、楽器音、環境音など他の音も含むものとする。）を、ＳＡＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどの光ディスクから再生してミキサ４に出力する。また、ＣＤプレーヤ２は可聴音を含む音声信号を、ＣＤから再生してミキサ４に出力する。マイクロホン３は例えばステージ上の演者の音声や楽器音を収集し音声信号に変換してミキサ４に出力する。これに対して、ミキサ４は、入力される音声信号を混合し、所定の音像定位処理を行って例えば３チャンネル（左、右及び中央）の音声信号を発生して低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５に出力するとともに、混合後の例えば１チャンネルの音声信号高域通過フィルタ（ＨＰＦ）８に出力する。

低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５は入力される３チャンネルの音声信号をそれぞれ、例えば２０ｋＨｚのカットオフ周波数で低域通過ろ波することにより可聴音の音声信号を抽出した後、左チャンネル用可聴音増幅器６Ｌを介して例えばステージの上部の左側に設けられる左チャンネル用可聴音スピーカ７Ｌに出力し、中央チャンネル用可聴音増幅器６Ｃを介して例えばステージの上部の中央に設けられる中央チャンネル用可聴音スピーカ７Ｃに出力し、右チャンネル用可聴音増幅器６Ｒを介して例えばステージの上部の右側に設けられる右チャンネル用可聴音スピーカ７Ｒに出力する。すなわち、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５から可聴音スピーカ７Ｌ，７Ｃ，７Ｒ（以下、総称して符号７を付す。）の構成要素は従来技術に係るものである。

高域通過フィルタ（ＨＰＦ）８は入力される１チャンネルの音声信号をそれぞれ、例えば２０ｋＨｚのカットオフ周波数で高域通過ろ波することにより高周波音の音声信号を抽出した後、分配器９に出力する。分配器９は入力される音声信号を複数の音声信号に分配した後、それぞれツイータ３１，３２，３３の設置位置４１，４２，４３（音源からの距離）に依存して所定の等化補正特性（図６参照。）を有する各イコライザ回路１０に出力する。各イコライザ回路１０は、視聴者の位置において、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルを等化した後、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１１，１２，１３及び高周波信号増幅器２１，２２，２３を介して各設置位置４１，４２，４３に設けられたツイータ３１，３２，３３に出力して自由空間に放射する。図１の例では、高周波音の周波数帯域を３つの周波数バンドＢ１，Ｂ２，Ｂ３（Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３）に分割しているが、本発明はこれに限らず、２つの周波数バンド又は４つ以上の周波数バンドに分割してもよい。周波数バンドの周波数分割例については詳細後述する。

図１の実施形態においては、イコライザ回路１０を帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１１，１２，１３及び高周波信号増幅器２１，２２，２３の前段に挿入しているが、本発明はこれに限らず、その挿入位置はツイータ３１，３２，３３の前段であればいい。

まず、遅延回路の省略について以下に説明する。図２及び図３は、出願人のある研修センターにおいて行った本発明者による実験結果であって、被験者２人についての放射周波数範囲を変化したときのαパワーを示すグラフである。この実験において、可聴音スピーカ７を聴取者の前方２５ｍ点に設置し、ツイータ３１を聴取者の側方２ｍ点に設置した。高周波音に遅延をかけない場合には、可聴音は約３４ｍｓｅｃ遅れて聴取者に届く。この場合の再生方法をＦＲＳ（Full Range Sounds）とし、高周波音に３４ｍｓｅｃの遅延をかけて可聴音と同時に届くようにした場合をＤＬＬＣＳ（Delayed Low Cut Sounds）とし、可聴音のみ再生した場合をＨＣＳ（High Cut Sounds）として図２及び図３において表記する。図２及び図３から明らかなように、ＦＲＳとＤＬＬＣＳのα波パワー値は、ＨＣＳよりも大きいことが確認された。これにより、高周波音に対して遅延回路を設ける必要性がないことが確認された。

次いで、イコライザ回路１０の等化補償特性について図４乃至図６を参照して以下に説明する。図４は本発明者による測定結果であって、種々の周波数をパラメータとしたときの音源からの距離に対する自由空間減衰量を示すグラフであり、図５はＩＳＯ３５４：１９８５（ＪＩＳ Ａ１４０９）に記載されている空気の音響吸収計数の算出方法に基づいて周波数毎に空気吸収減衰量を計算した結果であって、音源からの種々の距離をパラメータとしたときの周波数に対する自由空間減衰量を示すグラフであり、図６は図５から計算された結果であって、周波数に対する、図１のイコライザ回路１０の等化補正量を示すグラフである。

すなわち、図４は、高周波音の空気吸収減衰量を音源からの距離に対してまとめたものである。このように、高周波音は空気中で減衰しやすいため、聴取者の高周波音が届くようにするためには、空気吸収によって減衰した分をイコライザ回路１０によって持ち上げて音圧を均一にする必要がある。図５は、図４を音源からの距離をパラメータとして表現したものである。この空気吸収減衰特性を補正するように、図６のような逆特性を持つようにフィルタの特性を設定する。

これは、ツイータ３１，３２，３３の特性と音源から聴取者の距離が明らかでなおかつツイータ３１，３２，３３の周波数振幅特性がほぼ平坦である場合の設定方法であるが、本発明はこれに限らず、距離が未知であるときに、あるいは、ツイータ３１，３２，３３の周波数振幅特性が平坦でない場合、可聴音の信号レベルと、高周波音の信号レベルとが実質的に一致するように自動的に補正する方法を用いてもよい。聴取者位置に、高周波音を検知できるマイクロホンを設置し、ツイータ３１，３２，３３から周波数１００ｋＨｚ程度まで帯域が伸びているホワイトノイズやサインスイープ信号を放射させて、マイクロホンで周波数―振幅応答特性を測定する。イコライザ回路１０は、これと逆特性となるように手動又は自動的に等化する。以上はアナログ処理で行う場合であるが、ディジタル信号処理で行う場合には、次の手順で行う。

周波数１００ｋＨｚ程度まで周波数帯域が伸びているＭ系列信号又は時間引き延ばしパルス（Time Stretched Pulse）信号などを発生するパルス発生器７０を用いて、ある空間で当該信号を発生し、マイクロホン３で収音されるパルス信号と、ツイータ３１，３２，３３から出力される信号とに基づいてツイータ３１，３２，３３からマイクロホン３までの音響帰還路の伝達関数特性（時間応答）を推定し、推定された音響帰還路の伝達関数特性（時間応答）に基づいてＦＦＴ法を用いて音響帰還路の伝達特性（周波数応答）を計算し（例えば、非特許文献２−３参照。）、計算された音響帰還路の伝達関数特性（周波数応答）を補償する逆の伝達特性（周波数応答）を計算し、当該逆の伝達関数特性（周波数応答）に基づいてＩＦＦＴ法を用いて逆の伝達関数特性（時間応答）を計算し、そのディジタルフィルタの係数を有するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）による畳み込み積分回路を生成し（例えば、非特許文献４参照。）、それを、図７に示すようにイコライザ回路１０として構成することができる。また、推定された音響帰還路の伝達関数特性（時間応答）に対して逆行列を乗算した結果がインパルスとなるような逆行列を、例えばＬＳＥ（Least Square Error）法（例えば、非特許文献３参照。）又は、当該逆の伝達関数特性（時間応答）のディジタル適応フィルタ（例えば、非特許文献５参照。）を用いて計算して、上記逆の伝達関数特性（時間応答）を計算してもよい。

図７は図１のイコライザ回路１０の等化補正特性を自動的にディジタル計算する計算装置の構成を示すブロック図である。図７の計算装置は、パルス発生器７０からのパルス信号に基づいて、ツイータ３１，３２，３３からマイクロホン３までの音響帰還路のインパルス応答を推定し、これに基づいてイコライザ回路１０の等化補正特性を計算するものである。図７において、マイクロホン３から出力される信号はＡ／Ｄ変換器６１によりＡ／Ｄ変換された後、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ)６０に入力される一方、ツイータ３１，３２，３３に入力される信号はＡ／Ｄ変換器６１によりＡ／Ｄ変換された後、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ)６０に入力される。ＤＳＰ６０は上述の計算処理を実行することにより、イコライザ回路１０に設定すべき等化補正特性を計算してイコライザ回路１０として構成される。

次いで、ツイータ３１，３２，３３の配置方法について以下に説明する。図８は本発明者による測定結果であって、典型的なツイータ（パイオニア製ＰＴＲ−９型）の指向特性図である。図８において、方位角０度はツイータの放射中心軸の正面方向であり、（ａ）Ｄ２０は２０ｋＨｚの高周波音が正面方向から６ｄＢだけ減音するしきい値方向を示し、（ｂ）Ｄ４０は４０ｋＨｚの高周波音が正面方向から６ｄＢだけ減音するしきい値方向を示し、（ｃ）Ｄ６３は６３ｋＨｚの高周波音が正面方向から６ｄＢだけ減音するしきい値方向を示し、（ｄ）Ｄ８０は８０ｋＨｚの高周波音が正面方向から６ｄＢだけ減音するしきい値方向を示し、（ｅ）Ｄ１００は１００ｋＨｚの高周波音が正面方向から６ｄＢだけ減音するしきい値方向を示す。図８から明らかなように、高周波音は、自由空間における空気吸収減衰により距離に応じて減衰するだけでなく、周波数によって指向性が異なることがわかる。このため、「ツイータの周波数依存の指向特性」を利用して、ホールなどの客席において高周波音を均一に提示するための配置方法について以下に説明する。

図８に示すように、高周波音を再生するツイータは、周波数によって指向性が大きく異なるので、これを天井や側壁などに設置した場合、１つのツイータでカバーできるエリアは周波数によって大きく異なる。従って、対応する周波数によって設置する個数を変えることを考える。これは、帯域分割したツイータの方が低コストであるという前提であるが、所望の帯域をカバーできるツイータのコストが、帯域分割したものと変わらないのであれば、対応する周波数によって個数を変える必要は無い。また、高周波音は減衰しやすいことから、到達する距離には限界がある。このため、ホールの幅が広い場合（１０ｍ以上）の場合は、側壁に設置したツイータだけではカバーしきれないため、椅子や天井などに設置する必要がある。

図９は実施形態の実施例１に係る３個のツイータ３１，３２，３３を用いたときのツイータ配置を示す側面図及び平面図であり、図１０は実施例１に係る電気音響システムの構成（相違部分）を示すブロック図である。実施例１における周波数バンドの周波数は以下の通りである。
（ａ）Ｂ１：２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ；
（ｂ）Ｂ２：３０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ；及び
（ｃ）Ｂ３：７０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ。

このとき、ツイータ３１，３２，３３のカバーエリア（放射領域）は一般的には円形、又は楕円形であるが、これを６角形で近似し、ツイータ３１，３２，３３の配置とカバーエリアは図９のように設定することができ、これにより、全周波数帯域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３で、均一にカバーすることができる。なお、イコライザ回路１０の等化補正特性は上述の通りである。

図９において、同一の配置位置Ｐ１では、３つのツイータ３１，３２，３３を置くことになるが、図１０に示すように、３つの周波数バンドＢ１，Ｂ２，Ｂ３を担当する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１１Ａ、高周波信号増幅器２１Ａ及びツイータ３１Ａを用いることにより、３つの周波数バンドＢ１，Ｂ２，Ｂ３をまとめて共用することができ、部品点数を減少させることができる。なお、配置位置Ｐ２〜Ｐ７では、周波数バンドＢ２のツイータ３２が設けられ、配置位置Ｐ１１〜Ｐ１５では、周波数バンドＢ３のツイータ３３が設けられる。

以上の実施例１では、同一の配置位置で、３つの周波数バンドを共用する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１１Ａ、高周波信号増幅器２１Ａ及びツイータ３１Ａを用いているが、本発明はこれに限らず、実質的に同一の配置位置で少なくとも２つの周波数バンドを共用する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、高周波信号増幅器及びツイータを用いてもよい。

図１１は本実施形態の実施例２に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ配置を示す側面図及び平面図であり、図１２は実施例２に係る電気音響システムの構成（相違部分）を示すブロック図である。実施例２における周波数バンドの周波数は以下の通りである。
（ａ）Ｂ１：２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ；及び
（ｂ）Ｂ２：６０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ。

このとき、ツイータ３１，３２のカバーエリアは一般的に円形又は楕円形であるが、これを６角形で近似し、ツイータ３１，３２の配置位置とカバーエリアは図１１のように設定することができる。これにより、全周波数帯域で、均一にカバーすることができる。なお、イコライザ回路１０の等化補正特性は上述の通りである。

図１３は本実施形態の実施例２に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときの可聴音スピーカ７からの放射１０７と、ツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２とを示す側面図である。また、図１４は本実施形態の実施例２に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２を示す平面図である。図１３及び図１４において、各ツイータ３１，３２の主放射方向は垂直方向（下向き）であり、ステージ８０の右側が客席８１である。図１３及び図１４から明らかなように、「ツイータの周波数依存の指向特性」を利用して、実質的にすべての客席８１の領域が、ツイータ３１の放射領域１３１と、ツイータ３２の放射領域１３２とによりカバーされていることがわかる。

図１５は本実施形態の実施例３に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２とを示す側面図である。また、図１６は本実施形態の実施例３に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２を示す平面図である。

ハイパーソニックエフェクトの効果を得るための高周波音の受容体は体表面であるため（例えば特許文献４参照。）、高周波音を受ける面積を広くするために、高周波音は真上からではなく、体の前方から提示することが望ましい（後ろは椅子の背もたれがあるために高周波音が遮られるため）。従って、天井ツイータ３１，３２の設置向き（主放射方向）については、一般のシーリングスピーカのように下向きに取り付ける（実施例２）のではなく、図１５に示すように、垂直方向から傾斜させて高周波音は、視聴者の身体の前方から提示することが好ましい。

これにより、ツイータ３１，３２のカバーエリアを拡げることができ、ツイータの設置個数の低減にもつながる。すなわち一般的なシーリングスピーカと同様に、高周波音提示用のツイータ３１，３２を下向きに取り付けた場合（実施例２）では、高周波音を受ける体表面の面積が狭く、ハイパーソニックエフェクトの効果が小さく、また、カバーエリアが狭く、多数のツイータ３１，３２が必要になりコストが大きくなる。これに対して、図１５の実施例３のごとく、高周波音提示用のツイータ３１，３２を垂直方向から傾斜して取り付けた場合、高周波音を受ける視聴者の体表面の面積が広くなり、ハイパーソニックエフェクトの効果が大きくなる。また、カバーエリアが広くなり、ツイータ３１，３２の個数を削減でき、コストを大幅に削減できるという特有の効果を有する。

図１７は本実施形態の実施例４に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２を示す平面図である。実施例４では、ツイータ３１，３２を側壁に設置しており、実施例２及び３と同様の作用効果を得ることができる。特に、実施例３と同様に、高周波音を受ける視聴者の体表面の面積が広くなり、ハイパーソニックエフェクトの効果が大きくなる。また、カバーエリアが広くなり、ツイータ３１，３２の個数を削減でき、コストを大幅に削減できるという特有の効果を有する。

さらに、実際のホールでは、実施例４に係る側壁ツイータと、実施例１乃至３に係る天井ツイータのいずれか１つを使用し、もしくは併用して使用してもよい。

図１８は本実施形態の実施例５に係るペンダント型高周波発振器５４の装備状態を示す正面図である。また、図１９は図１８の実施例５に係る電気音響システムの一部の構成を示すブロック図である。実施例５では、ツイータを身に付ける方法について提案する。

ハイパーソニックエフェクトの効果を得るための高周波音の受容体は体表面であること（例えば特許文献４参照。）、上述のように高周波音は空気中で減衰しやすいことを考慮すると、高周波音提示用スピーカ（ツイータ）は、なるべく聴取者から近い位置にあることが望ましい。また、大劇場では、天井の高さが１０ｍ以上になることが多く、１００ｋＨｚ帯域の高周波音信号は空気吸収減衰だけでも３７ｄＢ以上減衰し、さらに距離減衰することから、増幅器でこの分を補正したとしても、実際には、聴取者にはほとんど信号が届かない。側壁の近くにいる聴取者に対しては、側壁にツイータを設置することでカバーできるが、中央付近の座席にいる聴取者に対しては、高周波音が届かない。従って、上述の実施例の技術だけでは、大劇場では対応できない場合が生じる。

この限界を克服する方法として、以下のような体に身に付けるタイプであるペンダント型高周波発振器５４を提案する。ここでは、図１８に示すように、首からぶら下げるペンダント型高周波発振器５４を示しているが、椅子に座った聴取者が膝の上に置くタイプや、胸のポケット等に差し込むタイプでもよい。聴取者は、ホール、劇場、講堂等に入る前に当該高周波発振器５４をもらうか、座席に備え付けてあるものを身に付ける。

高周波発振器５４の電源や増幅器についてはバッテリー駆動のものを用いることができる。なぜならば、音源と受容体の距離が近いので、放射する音響パワーはかなり小さくできるからである。音源信号については、（１）催しものにあわせて、あらかじめ磁気テープ、ハードディスクドライブ、メモリなどに記録された信号を再生する方法、（２）赤外線や無線などで、信号を送受信して再生する方法が考えられる。赤外線や無線で送信する場合、１００ｋＨｚまでの信号を再生するための伝送帯域幅は２０ＭＨｚで２チャンネル分あれば十分であり、１チャンネルでもよい。例えば、図１９に示すように、送信側では、イコライザ回路１０からの高周波音信号を無線送信機５０により変調、電力増幅した後アンテナ５１から送信し、受信側では、アンテナ５２で受信して無線受信機５３により受信、復調した後、高周波発振器５４に出力して高周波発振器５４を駆動する。これに応答して、高周波発振器５４は上記高周波音信号を発振して放射する。

高周波発振器５４の発振子は、音響パワーが小さくてもよいことから、（１）通常のツイータ以外に、（２）ＰＺＴなどのセラミック素子、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）／ＴｒＦＥ（三フッ化エチレン）の高分子系の素子を用いて、軽量・省電力をはかることが可能である。特に、後者については、発音体の大きさをかなり小さくすることが可能であるため（直径１ｃｍ以下）、容易に無指向性音源を作成することが可能である。従って、身に付ける場合であっても、高周波発振器５４の向きを気にする必要が無いという利点がある。

以上詳述したように、本発明に係る電気音響システムによれば、視聴者の位置において、距離に対する減衰量の周波数特性を用いて、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルの周波数特性を等化して放射手段に出力する等化手段を備えたので、ホール又は講堂等の話者の音声又は楽器に含まれる高周波音、もしくはハイパーソニックシアターの音声信号に含まれる高周波音を遠方の聴取者に対しても伝搬させることができるので、小空間でのみ実施可能であったハイパーソニックエフェクトを中・大規模空間でも生じさせることができる。

本発明の一実施形態に係る電気音響システムの構成を示すブロック図である。 本発明者による実験結果であって、放射周波数範囲を変化したときの被験者１のαパワーを示すグラフである。 本発明者による実験結果であって、放射周波数範囲を変化したときの被験者２のαパワーを示すグラフである。 本発明者による測定結果であって、種々の周波数をパラメータとしたときの音源からの距離に対する自由空間減衰量を示すグラフである。 本発明者による測定結果であって、音源からの種々の距離をパラメータとしたときの周波数に対する自由空間減衰量を示すグラフである。 図５から計算された結果であって、周波数に対する、図１のイコライザ回路１０の等化補正量を示すグラフである。 図１のイコライザ回路１０の等化補正特性を自動的にディジタル計算する計算装置の構成を示すブロック図である。 本発明者による測定結果であって、典型的なツイータの指向特性図である。 本実施形態の実施例１に係る３個のツイータ３１，３２，３３を用いたときのツイータ配置を示す側面図及び平面図である。 実施例１に係る電気音響システムの構成（相違部分）を示すブロック図である。 本実施形態の実施例２に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ配置を示す側面図及び平面図である。 実施例２に係る電気音響システムの構成（相違部分）を示すブロック図である。 本実施形態の実施例２に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときの可聴音スピーカ７からの放射１０７と、ツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２とを示す側面図である。 本実施形態の実施例２に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２を示す平面図である。 本実施形態の実施例３に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２とを示す側面図である。 本実施形態の実施例３に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２を示す平面図である。 本実施形態の実施例４に係る２個のツイータ３１，３２を用いたときのツイータ３１，３２からの高周波音の放射領域１３１，１３２を示す平面図である。 本実施形態の実施例５に係るペンダント型高周波発振器５４の装備状態を示す正面図である。 図１８の実施例５に係る電気音響システムの一部の構成を示すブロック図である。 本発明の問題点を説明するための、舞台近傍での音声及び楽器音の周波数スペクトラムの一例を示す図である。 本発明の問題点を説明するための、舞台から遠方での音声及び楽器音の周波数スペクトラムの一例を示す図である。 本発明者らが発明の知見に至った基礎となる、種々の周波数をパラメータとする音源からの距離に対する高周波音の相対レベルを示すグラフである。

符号の説明

１…光ディスクプレーヤ、
２…ＣＤプレーヤ、
３…マイクロホン、
４…ミキサ、
５…低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、
６Ｌ，６Ｃ，６Ｒ…可聴信号増幅器、
７，７Ｌ，７Ｃ，７Ｒ…スピーカ、
８…高域通過フィルタ（ＨＰＦ）、
９…分配器、
１０…イコライザ回路、
１１，１２，１３…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、
２１，２２，２３…高周波信号増幅器、
３１，３２，３３…ツイータ、
４１，４２，４３，Ｐ１〜Ｐ１５…設置位置、
５０…無線送信機、
５１，５２…アンテナ、
５３…無線受信機、
５４…高周波発振器、
６０…デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、
６１，６２…Ａ／Ｄ変換器、
７０…パルス発生器、
８０…ステージ、
８１…客席、
８２…視聴者位置、
１３１，１３２，１３３…高周波音の放射領域。

Claims (9)

1. 可聴音と、可聴音の周波数を超える周波数を有する高周波音とを含む音を所定の空間の視聴者に対して放射する電気音響システムにおいて、
   視聴者の位置において、距離に対する減衰量の周波数特性を用いて、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルの周波数特性を等化して放射手段に出力する等化手段を備えたことを特徴とする電気音響システム。
2. 上記自由空間に設けられ、所定のパルス信号を発生する信号発生手段と、
   上記自由空間に設けられ、上記パルス信号の音及び自由空間の音を収集して電気信号に変換するマイクロホンと、
   上記マイクロホンからの信号と上記放射手段から出力される信号とに基づいて、上記放射手段から上記マイクロホンまでの音響帰還路の伝達関数特性を推定し、推定された音響帰還路の伝達関数特性に基づいてその逆の伝達関数特性の逆フィルタを生成し、当該フィルタの係数を有する畳み込み積分回路を生成し、それを等化手段として構成する制御手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の電気音響システム。
3. 上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する第１のフィルタ手段と、
   上記第１のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する第１の放射手段と、
   上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域よりも高い第２の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する複数の第２のフィルタ手段と、
   上記各第２のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する複数の第２の放射手段とを備え、
   上記第１の放射手段による放射領域は、上記複数の第２の放射手段による放射領域をカバーすることを特徴とする請求項１又は２記載の電気音響システム。
4. 可聴音と、可聴音の周波数を超える周波数を有する高周波音とを含む音を所定の空間の視聴者に対して放射する電気音響システムにおいて、
   視聴者の位置において、自由空間での高周波音の減衰を補償し、上記可聴音の信号レベルと、上記高周波音の信号レベルとが実質的に同一となるように上記高周波音の信号レベルを等化して放射手段に出力する等化手段と、
   上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する第１のフィルタ手段と、
   上記第１のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する第１の放射手段と、
   上記高周波音の周波数帯域のうちの第１の周波数帯域よりも高い第２の周波数帯域で、上記等化手段からの信号を帯域通過ろ波して出力する複数の第２のフィルタ手段と、
   上記各第２のフィルタ手段からの信号を自由空間に放射する複数の第２の放射手段とを備え、
   上記第１の放射手段による放射領域は、上記複数の第２の放射手段による放射領域をカバーすることを特徴とする電気音響システム。
5. 上記自由空間に設けられ、所定のパルス信号を発生する信号発生手段と、
   上記自由空間に設けられ、上記パルス信号の音及び自由空間の音を収集して電気信号に変換するマイクロホンと、
   上記マイクロホンからの信号と上記放射手段から出力される信号とに基づいて、上記放射手段から上記マイクロホンまでの音響帰還路の伝達関数特性を推定し、推定された音響帰還路の伝達関数特性に基づいてその逆の伝達関数特性の逆フィルタを生成し、当該フィルタの係数を有する畳み込み積分回路を生成し、それを等化手段として構成する制御手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の電気音響システム。
6. 実質的に同一の配置位置に設けられた第１の放射手段及び第２の放射手段を１つの放射手段で共用し、当該第１の放射手段に接続された第１のフィルタ手段及び当該第２の放射手段に接続された第２のフィルタ手段を１つのフィルタ手段で共用したことを特徴とする請求項３又は４記載の電気音響システム。
7. 上記各放射手段の主放射方向が、天井又は側壁の面に対して垂直な方向から傾斜された方向に平行となるように、上記各放射手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載の電気音響システム。
8. 上記高周波音を含む無線信号を送信する無線送信手段と、
   上記無線送信手段からの無線信号を受信して上記高周波音を上記放射手段に出力する無線受信手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至７のうちのいずれか１つに記載の電気音響システム。
9. 上記無線受信手段及び上記放射手段はペンダント型で構成されたことを特徴とする請求項８記載の電気音響システム。

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