JP7552089B2

JP7552089B2 - 音響特性の補正方法および音響特性補正装置

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Publication number: JP7552089B2
Application number: JP2020105517A
Authority: JP
Inventors: 隆行渡辺; 明宏三輪
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2024-09-18
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: CN113825070B; CN113825070A; US11765505B2; EP3926985A1; US20210400386A1; JP2021196582A; EP3926985B1

Description

この発明の一実施形態は、スピーカおよび室内の音響特性を補正する方法および音響特性補正装置に関する。

特許文献１には、マイクで取得した音をＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタで処理することにより残響音を生成し、室内に設置された複数のスピーカから当該残響音を出力することで、音場を支援する処理を行なう構成が開示されている。

特許文献２には、室内に設置したマイクを用いてスピーカの出力特性を測定し、周波数特性の補正を行なう手法が開示されている。

特開平６－２８４４９３号公報特開平２－１９３５００号公報

コンサート等の施設に音場を電気的に可変する装置等を導入した場合は、多数のスピーカを取り付ける必要があり、取り付けられた個別のスピーカは設置条件によって本来のスピーカの特性が発揮できない場合があるため、個別に補正が必要となる。しかし、多数のスピーカを個別に補正することは非常に手間がかかる。

そこで、この発明の一実施形態は、取り付け条件による出力特性への影響を目標特性に対し定量的に補正し、また、補正の手間を低減する音響特性の補正方法および音響特性補正装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る音響特性の補正方法は、室に配置されている複数のスピーカのうち前記室に対する取り付け条件が同じ複数のスピーカをグループ化して、前記グループ化した複数のスピーカの出力特性をそれぞれ測定し、測定した前記複数のスピーカの出力特性の平均特性を算出し、前記平均特性に基づいて前記グループ化した複数のスピーカのそれぞれの出力特性を補正する。

本発明の一実施形態に係る音響特性の補正方法は、取り付け条件による出力特性への影響を目標特性に対し定量的に補正し、また、補正の手間を低減することができる。

室６２を模式的に示した透過斜視図である。音響システムの構成を示すブロック図である。情報処理端末５の動作を示すフローチャートである。周波数特性を示す図である。位相特性を示す図である。位相特性を示す図である。オフセット後の周波数特性を示す図である。平均特性を示す図である。フィルタ特性を示す図である。

図１は、空間を構成する室６２を模式的に示した透過斜視図である。図２は、音響システム１の構成を示すブロック図である。音響システム１は、複数のスピーカ５１Ａ～５１Ｌ，６１Ａ～６１Ｍ，７１Ａ～７１Ｃと、複数のスピーカに接続される音響特性調整装置３と、音響特性調整装置３に接続される情報処理端末５と、を備える。

室６２は、概ね直方体形状の空間を構成する。音源６５は、室６２のうち前方のステージ６０上に存在する。室６２の後方は、リスナの座る観客席６３に相当する。室６２の後方は、さらに２階席（バルコニー席）６４を有する。バルコニー席６４は、１階の観客席６３よりも長い奥行きを有する。音源６５は、例えば声、歌唱音、アコースティック楽器、エレキ楽器、または電子楽器等である。なお、室６２の形状、および音源の配置等は、図１の例に限らない。

音響システム１は、室６２内に、多数のスピーカを備える。本実施形態の例では、ステージの天井は、３つのスピーカ６１Ａ～６１Ｃを備える。観客席６３の天井は、４つのスピーカ６１Ｄ～６１Ｇを備える。バルコニー席６４の天井は、３つのスピーカ６１Ｈ～６１Ｊを備える。バルコニー席６４の下側の天井には、３つのスピーカ６１Ｋ～６１Ｍを備える。また、観客席６３の側壁は、８つのスピーカ５１Ａ～５１Ｈを備える。バルコニー席６４の側壁は、４つのスピーカ５１Ｉ～５１Ｌを備える。室６２の後方の壁は、３つのスピーカ７１Ａ～７１Ｃを備える。

スピーカ６１Ａ～６１Ｍは、同じ機種である。スピーカ５１Ａ～５１Ｌは、同じ機種である。スピーカ７１Ａ～７１Ｃは、同じ機種である。すなわち、本実施形態の音響システム１は、一例として３種類のスピーカを備える。

一例として、側壁に取り付けられるスピーカ５１Ａ～スピーカ５１Ｌおよび後方の壁に取り付けられるスピーカ７１Ａ～７１Ｃは、比較的指向性の高いスピーカである。スピーカ５１Ａ～スピーカ５１Ｊおよびスピーカ７１Ａ～７１Ｃは、主に、所定の空間における初期反射音を再現した初期反射音制御信号を出力する。

天井に取り付けられるスピーカ６１Ａ～スピーカ６１Ｊは、比較的指向性の低いスピーカである。スピーカ６１Ａ～スピーカ６１Ｊは、主に、残響音を再現した残響音制御信号を出力する。

音響特性調整装置３は、音源６５の音に係る音信号を不図示のマイクまたはライン入力により取得する。また、音響特性調整装置３は、天井等に設置された不図示のマイクで音源６５の音および室６２内の反射音等を含む、室６２の全体の音を取得する。音響特性調整装置３は、取得した音源６５の音信号をスピーカ５１Ａ～５１Ｌ，６１Ａ～６１Ｍ，７１Ａ～７１Ｊに分配し、レベル制御することにより、音源６５の音像を所定の位置に定位させることができる。

また、音響特性調整装置３は、取得した音源６５の音信号に所定の空間で測定したインパルス応答を畳み込むことにより、初期反射音制御信号および残響音制御信号を生成する。インパルス応答は、時間軸上に並ぶ、直接音、初期反射音、および残響音に区別できる。音響特性調整装置３は、インパルス応答における直接音および残響音を除いた初期反射音の部分を音源６５の音信号に畳み込むことにより初期反射音制御信号を生成する。また、音響特性調整装置３は、インパルス応答における直接音および初期反射音を除いた残響音の部分を音源６５の音信号に畳み込むことにより残響音制御信号を生成する。

音響特性調整装置３は、以上の様にして音場を支援する。ここで、情報処理端末５は、スピーカ５１Ａ～７１Ｊの出力特性を補正する。情報処理端末５は、本発明の音響特性補正装置の一例であり、パーソナルコンピュータあるいはスマートフォン等の情報処理装置からなる。なお、音響特性調整装置３は、情報処理端末５の構成および機能を備えていてもよい。この場合、音響特性調整装置３は本発明の音響特性補正装置の一例となる。

図２に示す様に、情報処理端末５は、マイク１１、表示器１２、ユーザインタフェース（Ｉ／Ｆ）１３、フラッシュメモリ１４、ＣＰＵ１５、ＲＡＭ１６、およびネットワークＩ／Ｆ１７を備える。

ＣＰＵ１５は、記憶媒体であるフラッシュメモリ１４に記憶されているプログラムをＲＡＭ１６に読み出して、所定の機能を実現する。この例では、ＣＰＵ１５は、測定部１５１、平均特性算出部１５２、および補正部１５３を構成する。なお、ＣＰＵ１５が読み出すプログラムは、自装置内のフラッシュメモリ１４に記憶されている必要はない。例えば、プログラムは、サーバ等の外部装置の記憶媒体に記憶されていてもよい。この場合、ＣＰＵ１５は、該サーバから都度プログラムをＲＡＭ１６に読み出して実行すればよい。

ネットワークＩ／Ｆ１７は、無線または有線で音響特性調整装置３に接続される。情報処理端末５は、ネットワークＩ／Ｆ１７を介して音響特性調整装置３と情報を送受信する。情報処理端末５は、スピーカの出力特性を測定して、複数のスピーカの個体差および室６２への取り付け条件による周波数特性上の影響を把握する。

図３は、情報処理端末５の動作を示すフローチャートである。情報処理端末５は、まず、グループ処理を行なう（Ｓ１１）。グループ処理は、取り付け条件が同一または類似する、複数のスピーカをグループ化する処理である。取り付け条件は、例えばスピーカの機種、スピーカの取り付け面の材質、スピーカの取り付け面の形状を含む。また、取り付け条件は、スピーカの放音先（ステージ６０であるか、観客席６３であるか、あるいはバルコニー席６４であるか）等も含む。

図１の例においてスピーカ６１Ａ～６１Ｃは、ステージ６０の天井に取り付けられ、真下を向いている。したがって、情報処理端末５は、スピーカ６１Ａ～６１Ｃをグループ化する。スピーカ６１Ｄ～６１Ｇは、観客席６３の天井に取り付けられ、真下を向いている。したがって、情報処理端末５は、スピーカ６１Ｄ～６１Ｇをグループ化する。スピーカ６１Ｈ～６１Ｊは、バルコニー席６４の天井に取り付けられ、真下を向いている。したがって、情報処理端末５は、スピーカ６１Ｈ～６１Ｊをグループ化する。スピーカ６１Ｋ～６１Ｍは、バルコニー席６４の真下の天井に取り付けられ、真下を向いている。したがって、情報処理端末５は、スピーカ６１Ｋ～６１Ｍをグループ化する。

スピーカ５１Ａ～５１Ｈは、観客席６３の側壁に取り付けられ、側方を向いている。ただし、スピーカ５１Ｇおよびスピーカ５１Ｈは、角に取り付けられていて、スピーカ５１Ａ～５１Ｆとはスピーカを取り付ける面の形状が異なる。したがって、情報処理端末５は、スピーカ５１Ａ～５１Ｆをグループ化し、スピーカ５１Ｇおよびスピーカ５１Ｈをグループ化する。スピーカ５１Ｉ～５１Ｌは、バルコニー席６４の側壁に取り付けられ、側方を向いている。したがって、情報処理端末５は、スピーカ５１Ｉ～５１Ｌをグループ化する。スピーカ７１Ａ～７１Ｃは、バルコニー席６４の後方に取り付けられ、前方を向いている。したがって、情報処理端末５は、スピーカ７１Ａ～７１Ｃをグループ化する。

各スピーカの設置位置は、例えば、室６２の形状を示すＣＡＤデータ上の座標に基づいて取得する。情報処理端末５の利用者は、各スピーカの設置位置、向き、機種、取付面の材質、または形状等を予め入力する。これにより、情報処理端末５は、グループ処理を行なう。なお、グループ処理は、情報処理端末５の利用者によりユーザＩ／Ｆ１３を介して予め手動で設定してもよい。

次に、情報処理端末５の測定部１５１は、グループ化した複数のスピーカの出力特性をそれぞれ測定する（Ｓ１２）。測定部１５１は、ネットワークＩ／Ｆ１７を介して、音響特性調整装置３に、対応するスピーカから測定音を出力するよう指示する。測定部１５１は、例えば、４つのスピーカ６１Ｄ～６１Ｇからなるグループのうち、まずスピーカ６１Ｄから測定音を出力させる。測定音は、ホワイトノイズあるいはピンクノイズあるいはTime Stretched Pulseを用いる。測定部１５１は、マイク１１を介して、測定音のインパルス応答をスピーカの出力特性として測定する。情報処理端末５の利用者は、マイク１１を測定点に移動させて、出力特性を測定する。測定点とは、スピーカの軸上で所定距離（例えば２～３ｍ程度）離れた位置である。グループ内では所定距離は同一とする。

その後、測定部１５１は、グループ内の全てのスピーカの出力特性を測定したか否かを判断する（Ｓ１３）。未測定のスピーカがある場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、測定部１５１は、Ｓ１２の処理に戻り、未測定のスピーカの出力特性を測定する。なお、測定対象のスピーカを変更する際、情報処理端末５の利用者は、マイク１１を対象のスピーカの測定点に移動させる。あるいは、観客席６３等に複数のマイクを設置する等していて、各スピーカの測定場所にマイクを設置済の場合には、マイク１１を移動させる必要はない。

測定部１５１は、グループ内の全てのスピーカの出力特性を測定したと判断した場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、波形チェックを行なう（Ｓ１４）。

波形チェックとは、測定した複数の出力特性を比較する処理である。図４は、測定した出力特性のうち周波数特性を示す図であり、図５および図６は、位相特性を示す図である。

測定部１５１は、取得した出力特性に基づいて、図４に示す周波数特性および図５に示す位相特性を算出する。グループ化した複数のスピーカは、取り付け条件が同じであるため、周波数特性および位相特性は類似する。

しかし、図６の破線に示す様に、仮にスピーカの正負の極性を誤って配線した場合、位相の反転した出力特性が生じる。測定部１５１は、この様なエラー波形が検出されるか否かを判断する（Ｓ１５）。エラー波形が検出された場合（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、測定部１５１は、警告を行なう（Ｓ１６）。警告は、例えば表示器１２に表示してもよいし、情報処理端末５のスピーカ（不図示）で放音してもよい。なお、測定部１５１は、位相の反転以外にも、後述する平均特性と出力特性の差が所定値以上である場合に警告を行ってもよい。

測定部１５１がエラー波形を検出しない場合（Ｓ１５：Ｎｏ）、平均特性算出部１５２は、基準周波数帯域を決定して（Ｓ１７）、平均特性を算出する（Ｓ１８）。

基準周波数帯域は、複数のスピーカの出力特性を揃えるために行なうオフセット処理の基準となる周波数帯域である。平均特性算出部１５２は、図４に示す例では、約２．５ｋＨｚ～５ｋＨｚの帯域を基準周波数帯域として決定している。基準周波数帯域は、情報処理端末５の利用者がユーザＩ／Ｆ１３を用いて手動で決定してもよいし、平均特性算出部１５２が所定の基準に基づいて決定してもよい。例えば、平均特性算出部１５２は、複数のスピーカの出力特性の差が最も小さくなる帯域を基準周波数帯域に決定する。あるいは、平均特性算出部１５２は、測定点での理想状態の周波数特性に最も近い周波数特性を示す帯域を基準周波数帯域に決定してもよい。理想状態の周波数特性は、例えば音響数値シミュレーションによって求めてもよい。

平均特性算出部１５２は、複数のスピーカのそれぞれの基準周波数帯域内におけるレベルが０ｄＢになるように、周波数特性をオフセットする。平均特性算出部１５２は、まず、各スピーカの出力特性のうち基準周波数帯域内のレベルをそれぞれ求める。例えば、平均特性算出部１５２は、基準周波数帯域内の振幅の平均値を、当該基準周波数帯域内のレベルとして求める。一例として、４つのスピーカ６１Ｄ～６１Ｇからなるグループにおいて、スピーカ６１Ｄのレベルは－２０．２２４７ｄＢであり、スピーカ６１Ｅのレベルは－２１．７２２８ｄＢであり、スピーカ６１Ｆのレベルは－２０．５２４３ｄＢであり、スピーカ６１Ｇのレベルは－２１．１２３６ｄＢである。したがって、平均特性算出部１５２は、スピーカ６１Ｄのオフセット量を２０．２２４７ｄＢとし、スピーカ６１Ｅのオフセット量を２１．７２２８ｄＢとし、スピーカ６１Ｆのオフセット量を２０．５２４３ｄＢとし、スピーカ６１Ｇのオフセット量を２１．１２３６ｄＢとする。

図７は、オフセット後の周波数特性を示す図である。図７に示す様に、平均特性算出部１５２は、基準周波数帯域のレベルが０ｄＢになるように、それぞれのスピーカの周波数特性をオフセットする。そして、平均特性算出部１５２は、オフセット後のそれぞれのスピーカの周波数特性を平均化した平均特性を求める。

図８は、平均特性を示す図である。補正部１５３は、平均特性に基づいて、複数のスピーカのそれぞれの出力特性を補正する（Ｓ１９）。補正部１５３は、例えば、補正対象周波数帯域内のうち、０ｄＢを超える極大成分の周波数の補正を行なう。補正対象周波数帯域は、スピーカの再生能力に基づいて決定する。例えば、スピーカ６１Ｄ～６１Ｇの再生可能な下限周波数が１００Ｈｚ～１０ｋＨｚであるため、補正対象周波数帯域を１００Ｈｚ以上にする。

図８の平均特性では、図中の丸に示す様に、３５０Ｈｚ、８００Ｈｚ、１．２ｋＨｚ、１．５ｋＨｚおよび５．５ｋＨｚにおいて０ｄＢを超える極大成分が存在する。補正部１５３は、これらの０ｄＢを超える極大成分を０ｄＢに抑えるようなフィルタ特性を設定する。

図９は、フィルタ特性を示す図である。補正部１５３は、図８に示した平均特性のうち、０ｄＢを超える極大成分を０ｄＢに補正するように、平均特性の逆特性となる中心周波数、ゲイン、およびＱ値を設定する。なお、位相は、最小位相としてもよいし、直線位相としてもよい。最小位相とする場合、補正部１５３は、位相変化を最小としたまま、グループを代表する周波数特性（平均特性に基づく周波数特性）を持つフィルタ特性を生成するため、グループ内の複数のスピーカに対して、必要かつ十分な補正が可能になる。

補正部１５３は、この様なフィルタ特性を逆フーリエ変換して、ＦＩＲフィルタのフィルタ係数（インパルス応答）を作成する。そして、補正部１５３は、当該フィルタ係数をネットワークＩ／Ｆ１７を介して音響特性調整装置３に送信し、音響特性調整装置３のＦＩＲフィルタに設定させる。

なお、図９の例では、補正部１５３は、０ｄＢを超える極大成分を補正対象として決定したが、例えば極小成分を抽出してもよい。また、極大成分または極小成分が０ｄＢとの差が大きすぎる（例えば差分値が６ｄＢを超える）場合に、当該極大成分または極小成分を補正対象から外してもよい。また、補正部１５３は、コヒーレンスを求めてもよい。補正部１５３は、コヒーレンスが所定値未満の場合には壁等の反射による位相干渉であると判断して、補正対象から外してもよい。

また、補正部１５３は、周波数特性の補正だけでなく、レベル補正を行なってもよい。例えば、補正部１５３は、グループ内の複数のスピーカの平均レベルを求める。補正部１５３は、複数のスピーカの各スピーカのレベルが平均レベルになるように、レベル補正を行なう。例えば、４つのスピーカ６１Ｄ～６１Ｇからなるグループにおいて、スピーカ６１Ｄのレベルは－２０．２２４７ｄＢであり、スピーカ６１Ｅのレベルは－２１．７２２８ｄＢであり、スピーカ６１Ｆのレベルは－２０．５２４３ｄＢであり、スピーカ６１Ｇのレベルは－２１．１２３６ｄＢである場合、平均レベルは、－２０．９０ｄＢとなる。したがって、補正部１５３は、スピーカ６１Ｄのレベル補正量を－０．６７５３ｄＢとし、スピーカ６１Ｅのレベル補正量を０．８２ｄＢとし、スピーカ６１Ｆのレベル補正量を－０．３７ｄＢとし、スピーカ６１Ｇのレベル補正量を０．２２ｄＢとする。これにより、各スピーカから出力される音は、スピーカからの距離が同じ位置では、同じレベルになる。

以上の様にして、本実施形態の音響特性補正装置は、複数のスピーカの音響特性を自動調整することができる。音響特性補正装置は、複数のスピーカを１台ずつ個別の調整する必要がないため、調整時間を大幅に短縮することができる。一方で、音響特性補正装置は、取り付け条件が同一のグループ内で、グループを代表する周波数特性（平均特性に基づく周波数特性）を持つフィルタ特性を生成するため、グループ内では、均一な周波数特性、および均一なレベルへの調整を行なうことができる。これにより、本実施形態の音響特性補正装置は、複数のスピーカの出力特性を目標特性に対して定量的に補正し、かつ補正の手間を低減することができる。

本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、本実施形態では、初期反射音制御信号および残響音制御信号を出力し、音場支援を行なう例を示したが、本発明において音場支援を行なうことは必須ではない。また、本発明の音響特性の補正方法は、複数のスピーカを設置した室であればコンサートホール等の大きな音響空間に限らず、どの様な室であっても適用することができる。

１…音響システム
３…音響特性調整装置
５…情報処理端末
１１…マイク
１２…表示器
１３…ユーザＩ／Ｆ
１４…フラッシュメモリ
１５…ＣＰＵ
１６…ＲＡＭ
５１Ａ～７１Ｃ…スピーカ
６０…ステージ
６２…室
６３…観客席
６４…バルコニー席
６５…音源
１５１…測定部
１５２…平均特性算出部
１５３…補正部

Claims

室に配置されている複数のスピーカのうち前記室に対する取り付け条件が同じ複数のスピーカをグループ化して、前記グループ化した複数のスピーカの出力特性をそれぞれ測定し、
測定した前記複数のスピーカの出力特性の平均特性を算出し、
前記平均特性に基づいて前記グループ化した複数のスピーカのそれぞれの出力特性を補正する、
音響特性の補正方法であって、
前記平均特性を算出することにおいて、基準周波数帯域を決定し、前記基準周波数帯域内の出力特性を所定値にオフセットして前記平均特性を算出し、
前記複数のスピーカの出力特性の差が最も小さくなる帯域を前記基準周波数帯域に決定する、
音響特性の補正方法。
前記取り付け条件は、スピーカの機種を含む、
請求項１に記載の音響特性の補正方法。
前記補正は、周波数特性の補正およびレベル補正を含む、
請求項１または請求項２に記載の音響特性の補正方法。
前記複数のスピーカの前記出力特性のうち、前記平均特性との差が所定値以上である場合に警告を行なう、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の音響特性の補正方法。
前記出力特性の位相が反転している場合に警告を行なう、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の音響特性の補正方法。
前記複数のスピーカの再生能力に応じて補正する対象の周波数帯域を決める、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の音響特性の補正方法。
前記取り付け条件は、取り付け面の材質および形状を含む、
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の音響特性の補正方法。
室に配置されている複数のスピーカのうち前記室に対する取り付け条件が同じ複数のスピーカをグループ化して、前記グループ化した複数のスピーカの出力特性をそれぞれ測定する測定部と、
前記測定部で測定した前記複数のスピーカの出力特性の平均特性を算出する平均特性算出部と、
前記平均特性算出部で算出した前記平均特性に基づいて前記グループ化した複数のスピーカのそれぞれの出力特性を補正する補正部と、
音響特性補正装置であって、
前記平均特性算出部は、
基準周波数帯域を決定し、前記基準周波数帯域内の前記平均特性を算出し、
前記複数のスピーカの出力特性の差が最も小さくなる帯域を前記基準周波数帯域に決定する、
音響特性補正装置。
前記取り付け条件は、スピーカの機種を含む、
請求項８に記載の音響特性補正装置。
前記補正は、周波数特性の補正およびレベル補正を含む、
請求項８または請求項９に記載の音響特性補正装置。
前記複数のスピーカの前記出力特性のうち、前記平均特性との差が所定値以上である場合に警告を行なう警告部を備えた、
請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の音響特性補正装置。
前記出力特性の位相が反転している場合に警告を行なう、
請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の音響特性補正装置。
前記補正部は、前記複数のスピーカの再生能力に応じて補正する対象の周波数帯域を決める、
請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の音響特性補正装置。
前記取り付け条件は、取り付け面の材質および形状を含む、
請求項８乃至請求項１３のいずれか１項に記載の音響特性補正装置。