音場解析・シミュレーション・信号処理

音場シミュレーションは、対象とする音場の音響特性を検討するために行うコンピュータシミュレーションです。

コンサートホールを建築する場合、設計時に 室内の音響特性を予測することによって、音響上好ましくないエコーの発生防止や均一な音圧分布を得るための形状・材質を 検討することが出来ます。

音響シミュレーションは音を幾何的に扱う幾何音響シミュレーションと波動的に扱う波動音響シミュレーションに 大別することが出来ます。 幾何音響シミュレーションはレイ・トレーシング（ray tracing）手法であり、音源から多数の音線を出し 受音点付近を通る音線を選択する音線法と音源の壁面に対する虚像（鏡像）を設定し受音点までの反射経路を反射次数に 応じて算出する虚像法があります。

波動音響シミュレーションには有限要素法、境界要素法などがあります。

解析によって、室内の反射音のエコータイムパターン（反射パターン）や 音のはりねずみ（到来方向と音の強さ）、音圧分布（カラーエリアマップ/コンター図）、 カバーエリア、リバーブタイム（残響時間：RT60）、 明瞭度（STI/RASTI）等の各種音響パラメータを求めることが出来ます。

音響シミュレーションを行うことで建築前に建築音響、電気音響の特性を視覚的に検討することが出来ますが、 シミュレーション結果を利用すると建築前の室内音響の状態を信号処理で合成した音として聴くことが出来るようになります(音場合成)。

身近なところで音場合成技術が応用されている工業製品として、AVセンター(ホームシアター)があります。 ホームシアター・システムに搭載されているサラウンドのホール/ルームシミュレーターは このような音響シミュレーション技術を応用してDSPによる信号処理によって音場合成を行っています。

音場シミュレーションだけでなく、コンサートホールや映画館等の実際の音場の測定結果から反射音の到来方向、強さ、 残響時間等を分析し、音場合成を行うタイプもあります。

音場の合成は、音響シミュレーションや測定で反射音の到来方向、時刻、強さ及び残響を解析した結果を 利用して行います。シミュレーションでは各反射音一本一本の到来方向を求めることが出来ますが、測定の場合は 音源と受音点のインパルス応答を測定しただけでは反射音の到来方向を求めることは出来ません。

そこで受音点近傍に複数のマイク（同一平面上にない少なくとも４つ以上のマイク）を設置し、各マイクに到達した 反射音の組み合わせを相関法やマイク配置の構造から割り出し、到来方向を算出します。

各反射音の到来方向、時刻、強さが求まれば、到来方向は再生スピーカへの分配、時刻は遅延、強さはレベルとして DSPによる信号処理によって音場を合成することが可能となります。

再生スピーカのレイアウトや音場のシミュレーション方法(代替手段)、合成の具体的な信号処理方法などは、AVメーカー各社のノウハウとなっています。