I．はじめに

概論につづき幾何音響に基づく室内音場合成の大空間への応用について述べる。

膜屋根の持つ明るさや、可動式屋根のもつ開放性を生かした大空間のニーズは大きい。しかし、長い残響やロングパスエコーは、スポーツイベントやロックコンサートなど様々な催し物を行うときの障害となる。ある設計条件下で、催し物における音響状態を聴いて評価できる室内音場合成システムは強力な音響設計ツールとして活用の場が増えている。

音場合成の実現方法は様々であるが、その方法が「よりよい音響」を創造するための実用的なツールであるか否かは重要なポイントである。　大空間の音響設計への実用性は、(1) 予測精度が検証されている、(2) 十分なケーススタディが素早くできる、(3) 試聴結果を設計に反映できることである。　データ入力から音場計算、可視化、そして可聴化にいたるまでシステム全体が「実用的である」ことの目安は、次の点を満足することとする。

II．大空間へ適用する音場合成方法

筆者らが用いている音場合成システム（以下、「本システム」と呼ぶ）では、空間形状，仕上げ材料などの建築設計的要素と、スピーカ配置、構成、動作条件など電気音響設計の要素とを入力データに包含させる。また、実際の大規模な拡声システムと膜屋根構造物内の長い残響を考慮した可聴化方法を採用している。以下、そのポイントを述べる。

1．音場のモデル化と音場合成の概要

（1） 直接音　　　直接音の可聴化では、スピーカの動作条件 ，信号増幅系 ，伝送経路 ，距離減衰 ，空気吸収を考慮する。 被験者は、これを直接音の到来方向に置かれたスピーカから聴く。 直接音の原音は、実際に使用されるスピーカから音声，音楽などを無響室内で再生し、ディジタル録音することにより得る。 直接音の可聴化方法については後に示す。

（2） 虚像法反射音　　反射音は受音点への入射角度により経度方向は45°ごと緯度方向は-22.5°〜+22.5°， +22.5°から+67.5°に区分される。 被験者はこれを緯度0°， 45°に置いた16個のスピーカから聴く。 虚像法反射音は音源の指向特性，壁の吸音率により異なる周波数特性を持つが、一本一本の反射音に周波数特性の異なる原音を与えることはハードウェアの制約からできない。 そこで本システムでは、音源から空間に放射される音響パワーの周波数特性で直接音の原音を補正し、反射音の原音とする。

2． 直接音成分の可聴化

ハース効果で知られているように、最初に聞こえる音（直接音）は人の聴覚にとって重要である。 それゆえ直接音はあらゆる種類の音場合成でも最も重要な成分である。 反射音成分がどんなに精密に再現できたとしても、直接音の再現性が悪ければ意味がない。大空間への適用を考えるとき、催し物のバリエーションに対応したドライソース（可聴化用原音）を用意すること、大規模な拡声システムに対応できることが重要と思われる。

（1） 可聴化用原音

大空間の催し物では表−1に上げた種類の音が出ると思われるが、そのほとんどが常設の拡声システムまたは持ち込み拡声システムを使用した拡声音と考えてよい。拡声音でよりよい音響を得るためには、「拡声音の品質」 ，「音声の明瞭度」 ，「音楽の美しい再生」の三点が大切である。 本システムでは可聴化用原音はこの点を考慮して、�@アンプやスピーカなど実際に使う機器や �A配線ケーブルを使い �B一般場内放送から音楽イベントまで実際に拡声されるソースを使ってドライソースを作ることとした。

表−1 大空間の催し物での音の種類

a． ドライソース　　ドライソースはスピーカの正面1〜4mに置かれたマイクロホンで収音し、ディジタル録音する。 録音された音は、拡声系の歪みやノイズ ，伝送系の歪みや信号損失さらには定量的に評価が難しいスピーカの音質を含む。 また録音時にはいかなる周波数ウェイトも掛けず、またスピーカの種類によらず同じレベルで録音する。

b． スピーカ特性　　拡声スピーカの音圧周波数特性もまた無響室で測定され、データベースに格納される。 図−2-1 は米国COMMUNITY社製ホーンスピーカ PC242をJBL社製ドライバ 2450Jで駆動したときの水平面の音圧周波数特性である。0dBは1m ，1w入力に換算した音圧レベルである。 指向周波数特性は0°方向の音圧特性で基準かしたものとして、図−2-2のように与える。 スピーカにはこのように狭い指向性をもつものが少なくない。 スピーカの特性を定量的に把握し、音場に合ったタイプのスピーカを選択することは大空間の音響設計の大切な部分である。

（2） 直接音の定式化

大空間では複数のクラスタスピーカ（低音用 ，高音用スピーカが組み合わされているスピーカ）が拡声スピーカに使われることが普通である。 そこで単純な構成のクラスタから複雑なものまで、いくつかのケースについて直接音の計算式を示す。

a． スピーカが1個の場合

広帯域ピンクノイズ（20Hz〜20kHz ，1w相当）入力時における1m点の平均二乗音圧P^(Pa2) ，入力パワーW (w) ，信号のエネルギー平均が−15dBになるように録音された音源信号S （t） ，音源から見た受音点方向（θ，φ）の指向性係数K（θ，φ），音源受音点間距離 r (m) としたとき、受音点における音の強度 I (t)は次式で与えられる

2wayスピーカ ： 低音用 ，高音用が各一台の場合、受音点における低音用 ，高音用スピーカの音強度 IL ，IH ，ローパス ，ハイパスフィルター係数を LPF ， HPF として、

ここで音源信号S1とS2に同じ音源信号S（t）が使えるならば、次のように簡単になる。

c． 一般のクラスタスピーカの場合

さらに (5) 式をn個の場合に拡張することができる。 ここで、WPn は音源群のパワー ，Kn は音源群の指向性係数と考えてもよい。 (6) 式は単一音源と同じ形になっている。

NL 個の低音用スピーカとNH 個の高音用スピーカで構成される音源群Gi では、(2) 式を導いたときと同様と考えれば次式となる。

音場の中にm個の音源群がある場合、音源群の寄与IGi ，音源群−受音点間距離 ri ，オーディオディレーΔTi ，単位ステップ関数st(t) ，音速c とすれば I(t) は

ここで音源信号S(t) をドライソースとし、任意方向の音源指向性係数K （θ，φ）を水平面 ，垂直面の指向係数K （θ，0） ，K（0，φ） で近似すれば、比較的簡単に複数スピーカからなるクラスタの直接音を可聴化できる。 しかし、以下に示すような式が成立する条件が満足されているかを常にチェックしなくてはならない。

(3) 直接音の可聴化を実現するハードウェア

　(7) 式は信号処理の順に左からならべると次式になる。

(7) 式で示された一つの音源群から受音点への直接音の可聴化プロセスを図−3に示す。

低音用 ，スピーカのドライソースSL(t) ，SH(t)は、1台目のディジタルイコライザ YAMAHA DEQ7 に入る。 ここではチャンネルデバイダの役割を果たすローパス ，ハイパスフィルター LPF ，HPFと、音源群パワーWPLn ，WPHn に相当するものを VL ，VH で実現する。 音源群パワーはそれ自身は大きな値なので基準パワーWref で基準化し、VLには 10*LOG（WPLn／Wref）を、 VHには 10*LOG（WPHn／Wref）がセットされる。 左右チャンネルの信号はミックスされ、2台目のディジタルイコライザ YAMAHA DEQ7 に入る。 ここでは音源群の指向性係数KLn ，KHnと距離減衰 の値を実現する。 距離減衰は小さな値なので基準の距離Rref を用いて基準化し、VD には実際には 20*LOG（Rref／r）がセットされる。 またオーディオディレーΔTもここにセットされる。

図−3　直接音の可聴化を実現するハードウェアのブロックダイヤグラム

参考までにシステム全体のハードウェアのブロックダイヤグラムを図−4に示す。

ハードウェアを組む際には、なるべく市販されている民生機器を活用することとした。 これは、システム全体の信頼性 ，メンテナンス性を重視したためである。 実験用スピーカとしては英国KEF社製 KEF C-35 のユニットを自家製のエンクロージャに入れたものを使っている。このスピーカは63Hz 〜 8kHz まで±1.0dB以内の周波数特性をもつから特別な周波数特性補正を必要としない。 これは同軸・同位相2ウェイスピーカなので音像の定位が良い。 また癖のないクリアな音質をもつ。 なお、詳しい説明は、文献(4) を参照されたい。

図−4　システム全体のハードウェアのブロックダイヤグラム

III． 音場合成システムの実用性について

システムが実用的であるか否かのポイントは、(1) 予測精度が検証されている、(2) 十分なケーススタディが素早くできる、(3) 試聴結果を設計に反映できる の３点であると述べた。

この３点を踏まえてシステムの実用性を検討する。

1． 予測精度の検証

実際の音場と聴感上似ているか否かを厳密に評価することは難しい。 ダミーヘッドによる録音を再生し、実音場と疑似音場とを一対比較をする方法は有力であるが、前方音像定位の悪さなど、ダミーヘッド録音の問題が厳密性を損なわせる。ここでは、トーンバースト応答から求まる音響指数（日本語STI ，RASTI ）や、明瞭性の主観評価量の一つである三連音節明瞭度の再現性により、システムの予測精度を評価する。

(1) 精度検証に用いた条件

15万立方メートルの大空間を検証事例として取り上げ、現場実測結果（以下、「実測値」）と本システムでの実測値（以下、「シミュレーション値」）とを比較した。

c． 三連音節明瞭度試験方法

三連音節明瞭度（以下、「三連音」）の比較は、同一受音点、同一音表を用いて行った。

本システムでの被験者は、現場でも被験者だった4名を含む計12名、受音点は16点、音表は各点3音表（男・女）である。 暴露音レベルは80〜85 dBで実測時とシミュレーションでは同レベルとした。

b． 日本語 STI ，RASTI ，MTI の予測精度 日本語STI の内訳である500 〜4kHz のMTIとともに、音響指数の実測値、シミュレーション値の比較を図−6に示す。　MTIは約60%が±0.05 以内、約90%が ±0.1 以内の誤差であった。 STI は約65%が±0.05以内、100%が±0.07以内の誤差を示した。　RASTIでは、一点だけ0.1 以下安全側の値を示したが、その他の点では0.1 以内に入った。	図−6　日本語STI ，RASTI ，MTI の予測精度
c． 三連音節明瞭度の予測精度 三連音について実測値とシミュレーション値の比較を図−7に示す。 シミュレーション値の70%が±5 以内の誤差、約90%が±10 以内の誤差で実測値と一致した。 以上のことから、本システムによる合成された音場は実際の音場と同程度の「聴きとりにくさ」を示していると言える。 さらに違聴傾向の調査結果(5)はかなり良い一致を示しており、シミュレータとしての予測精度は、大空間については十分に実用的と考えられる。	図−7　三連音節明瞭度の予測精度

2． 効果的なケーススタディとは

音場合成の結果をより効果的に利用するには、問題の解決を助けるケーススタディを行うことである。 どのケースの音響が望ましいかを瞬時に判断するために、ケースのスイッチングの早さは遅くとも1秒でなくてはならない。 さもないと人間は今の音と直前の音とを細部に亘って比較することが難しい。 例えば、残響時間で2.0秒と 2.2秒の差は僅かであるが瞬時に切り替えることができれば容易に違いが判る。しかし、切り替えに数秒かかるとその差を感じることは困難である。 音質の差がわずかな場合も同様である。また必要以上に多くのケースを提示してもかえって混乱するので一度に比較するケースは4つが良いようである。 システムの効果的な活用例を挙げる。

(1) 施主 ，設計者に説明する場合

(2) 基本設計段階での音響検討

(3) 実施設計段階での音響検討 ，その他

IV． まとめ

音場合成システムの最大の利点は、予測結果として「実際に音が聴ける」ことである。建設に係わる施主 ，設計者そして音響技術者らが同じ音を同時に試聴・評価することが、音響仕様決定のコンセンサスを与えることは確かである。 今後この方面の研究とハードウェアの進歩は、より高精度な音場合成を実現するだろう。 システムの適用限界を知ったうえでこれを利用するならば、「よりよい音響空間」の創造に役立つと信じる。

(1) 大空間の明瞭度予測に用いる音場シミュレータについて （その1） 機器構成と制御方法　　1988.10音講論P729

(2) 大空間の明瞭度予測に用いる音場シミュレータについて （その2） 予測精度の検証例　　　1988.10音講論P731

(3) 大空間の明瞭度予測に用いる音場シミュレータについて （その3） 予測誤差要因の検討　  1989.3音講論P593

(4) A sound-field simulation system PART I，II　　S＆VC　Oct.1990 , Dec. 1990

(5) 音場シミュレータによる大空間の明瞭度予測　　建築学会大会論文　　1989.10

(6) 鹿島建設の音響CADシステム　　日本音響学会 ，建築音響研究会資料　AA-87-36