JP2011130212A - 音響処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 聴感上問題となる、定在波の発生する周波数成分の信号の立ち下がり後の残響の影響を軽減する。
【解決手段】 リスニングルームにおいて放音した定在波状態を測定するためのテスト信号を収音し、その周波数特性に基づいて定在波によるピーク位置又はディップ位置を特定する。次にピーク位置又はディップ位置の周波数に対応するバースト信号を放音し、これを収音する。収音された信号の、上記バースト信号の定常部に対応する部分のピークに対してそのバースト信号の終了位置に対応する立ち下がり部分で増大したピークの増加分ΔＰを算出し、出力する音響信号の上記ピーク位置又はディップ位置の周波数を、ΔＰに依存した減衰量で減衰させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、室内の定在波による周波数特性の影響を補正する音場補正技術に関する。

家庭内などの室内においてスピーカなどの音源から音を発した場合、室内の各個所に最短距離で到達する直接音に加え、部屋の壁や天井、床といった各面からの反射音が存在するため、これらの音波が互いに重なり合う。このとき、例えば平行に向かい合った面の間で、面間距離が音波の半波長の整数倍となる周波数の場合、定在波が生じブーミングと呼ばれる低域の共振が生じる。

このような場合、パラメトリックイコライザでブーミングを抑えたり、予めリスニング位置でマイクロホンにより音響特性を計測し、その逆特性で補正することが行われている。この技術に加えて、更に反射音の方向情報まで利用する技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−８３７８６号公報

リスニングルームなどの周波数特性を測定すると、例えば図２に示すような特性が得られる。定在波は、音圧レベルが増大しているピーク部分と音圧レベルが減少しているディップ部分で発生する。この定在波部分は、スピーカなどから出力された音が部屋の大きさに対して、共振を起こす周波数であり、他の周波数部分に対して、レベル変動が大きいだけでなく、時間方向の変化も大きい。

図３を参照して定在波による影響を説明する。図３において、信号３３はディップ部分の周波数の信号である。信号３２は周波数特性上平坦な部分の周波数の信号であり、信号３１は信号３２をバースト状に発音した時の信号である。平坦部分の信号３２は、バースト状の信号３１の立ち下がりとともに急峻にその音圧レベルが低下している。

ディップ部分の信号３３では、その立ち上がり部分で、反射波のない状態では普通に立ち上がり始めている。しかし、ディップ部分の信号３３は定在波が発生している周波数のため、反射波との干渉が始まると、直接波と反射波の干渉によってバースト信号発生中はレベルが低くなっている。さらに定在波周波数では共振状態となっているため、元のバースト信号が立ち下がっているにもかかわらず、発音中よりも大きなレベルの信号が観測されている。これは、バースト信号終了とともに直接波の成分が失われるため、共振により増大した反射波の成分のみが残り、音波出力が終了しているにもかかわらず、発音期間よりも大きなレベルの信号が長い時間残っているためである。このために、ディップ部分の信号成分は、本来の発音時には、低いレベルであり、発音されるべきではないタイミングで、音が大きくなってしまい、これが聴感上問題となる。

また、定在波ピーク部分の周波数に関しても、大きな残響がいつまでも残るなどの問題がある。一般的なブーミング補正の場合には、パラメトリックイコライザ等を用いて、定在波のピーク部分に相当する周波数成分を、常に一定量減衰させるなどの手法がとられている。しかし、この手法をディップ部分に適用すると、すでに干渉によって低下している本来の音が出ている部分を更に減衰させてしまい、その部分の音がほとんど聞こえないなどの弊害を生じる。

したがって、本発明の目的は、聴感上問題となる、定在波の発生する周波数成分の信号の立ち下がり後の残響の影響を軽減することである。

本発明の一側面によれば、リスニングルームの音響特性に基づいて、出力する音響信号を調整する音響処理装置であって、前記リスニングルームにおいて定在波状態を測定するためのテスト信号をスピーカから放音し、該放音された前記テスト信号をマイクロホンで収音する第１の収音手段と、前記第１の収音手段により収音された信号の周波数特性に基づいて、定在波によるピーク位置又はディップ位置を特定する特定手段と、前記ピーク位置又はディップ位置の周波数に対応するバースト信号を前記リスニングルームにおいて前記スピーカから放音し、該放音された前記バースト信号を前記マイクロホンで収音する第２の収音手段と、前記第２の収音手段により収音された信号の、前記バースト信号の定常部に対応する部分のピークに対して、前記バースト信号の終了位置に対応する立ち下がり部分で増大したピークの増加分ΔＰを算出する算出手段と、前記出力する音響信号の前記ピーク位置又はディップ位置の周波数を、前記ΔＰに依存した減衰量で減衰させるフィルタ手段とを有することを特徴とする音響処理装置が提供される。

本発明によれば、聴感上問題となる、定在波の発生する周波数成分の信号の立ち下がり後の残響の影響を軽減することができる。

実施形態における音響システムの構成を示す図。 リスニングルームにおける周波数特性の例を示す図。 定在波の影響を説明する図。 実施形態における音響処理装置の構成例を示すブロック図。 減衰量制御信号の適用に係るタイミング図。 減衰量制御信号の生成を説明する図。 実施形態におけるフィルタの構成例を示すブロック図。 バースト検出波形を説明する図。 実施形態における補正係数決定処理を示すフローチャート。 減衰量制御信号の別の例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における音響システムの構成を示す図である。この音響システムは、以下に説明する構成、処理によって、再生音場空間であるリスニングルームの音響特性に基づいて、出力する音響信号を調整することが可能である。音響処理装置１１は、表示部１４、ボリュームコントロール１８、リモコン受光部１６などを備えている。この音響処理装置１１より、スピーカ１２Ｌ、１２Ｒに対して音声信号が送信される。スピーカ１２Ｌ、１２Ｒはそれぞれアクティブスピーカであり、それぞれにパワーアンプ１７Ｌ、１７Ｒを有している。この構成は一例であり、アクティブスピーカでなく、途中にパワーアンプを有する構成でも構わない。

１３はマイクロホンであり、音響処理装置１１から、スピーカ１２Ｌ，１２Ｒに送られたテスト信号などを収音するために用いられる。１５は音響処理装置１１のコントロールを行うリモコン装置であり、通常、音響処理装置１１へ接続された、不図示のオーディオ機器（ＣＤ，ＤＶＤなど）を選択したり、ボリュームコントロールを行うためのものである。

図４は、音響処理装置１１の構成を示す図である。通常の動作時には、入力切替部４１に接続された外部の音響機器からの音楽情報が、フィルタ４２を介して、出力部４３に送られる。出力部４３は、LINEOUTを持つような装置であれば、不図示のＤ／Ａ変換器によりアナログで音楽情報を出力する。一方、デジタル出力であれば、例えばSPDIFなどのデジタルIFの信号に出力信号を変換して、スピーカ１２Ｌ，１２Ｒに対して音楽情報を出力する。

補正係数の決定のために動作時には、入力切替部４１が演算制御部４６からの指令により、テスト信号発生部４４と接続される。テスト信号発生部４４は、低周波から高周波に周波数が連続的に変化するスイープ信号や、ホワイトノイズ等を出力することができる。あるいは、擬似ランダム信号の一種であるＭ系列信号を用いた、ＭＬＳ（maximum length sequence）信号を用いた信号を出力することもできる。この信号は、発生方法が簡略であると同時に、アダマール変換などの手法を用いることで、高速にインパルス応答を得ることが可能であり、ユーザのリスニングルームなどで特性を測定する上では、短時間で計算できるなどのメリットを持っている。

マイクロホン１３は、スピーカ１２から発生したテスト信号を収音することができる。マイクロホン１３から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器４８にてデジタルデータに変換され、演算制御部４６に送られ、例えば記憶部５０に録音されると共に、演算制御部４６によりプログラムに従って解析されうる。

フィルタ４２においては、図５に示すような処理がなされる。いま、説明のために、定在波によって周波数特性上、ディップが発生している周波数の信号５１のみが入力されている場合を考える。入力信号５１に対して、部屋の共振特性により、音波として観測される信号は、信号５４のように、信号出力停止後に音圧が上昇した波形となる。この信号出力停止後の音圧上昇を防止するために、フィルタ４２は、入力信号５１の立ち下がり部分のゲインを低下させて出力させる構成とする。

具体的には、入力信号５１から、後述する微分演算部などにより減衰量制御信号５３を生成する。減衰量制御信号５３は、入力信号の立ち下がり特性に同期されているため、信号の立ち下がり部分のみを減衰させるために、出力信号を一定時間ΔＴだけ遅延させ、この減衰量制御信号によって、当該周波数のノッチフィルタの減衰量を制御する。これにより、信号５２の破線部を実線部のように減衰させることができる。

このように出力信号の立下り部分のゲインを低減することによって、従来の出力信号５４を、出力停止後の音圧上昇を抑制した信号５５にすることができる。このように、出力信号の立ち下がり部分のみを減衰させることで、信号の立ち上がり部分や、干渉により音圧の低下している連続音の部分の音圧を下げることなく、聴感上問題のある残響部分のみに作用することができる。

図６は、減衰量制御信号の生成の概略を示す図である。入力信号６１に対して、その立ち下がりタイミングを抽出するために、微分処理を行う。そのために、まず、入力信号６１の包絡線信号６２を生成する。生成された包絡線信号に対して微分処理を行い、微分信号６３を取得する。この微分信号のうち、立ち下がりにかかわる負側の信号と同期した位置で、例えば、リスニングルームの残響時間に対して、所定の時間幅Ｔ及び振幅Ｈのパルス信号６４を生成し、これを減衰量制御信号５３とする。

これらの処理は例えば、図７で示すフィルタ４２のブロック構成で実現できる。出力する音響信号（入力信号）は、出力信号とするための遅延回路７１と、ピーク位置又はディップ位置の周波数を弁別するバンドパスフィルタ７３に入力される。バンドパスフィルタ７３で特定周波数に分けられた信号は、包絡線生成回路７４を経て、微分回路７５に入力される。微分回路７５からは、信号の立ち下がりタイミングに同期した信号が出力され、この信号に対して、制御量設定部７７で設定されたパルス幅及びゲインを有した減衰量制御信号が制御信号発生回路７６により生成される。

生成された減衰量制御信号によって、ノッチフィルタ７２のゲインが制御され、先に制御量設定部７７によって設定された遅延回路７１にて一定時間遅延された入力信号の立ち下がり部分のゲインが制御される。遅延時間については、制御量設定部７７で設定されたパルス幅以上の遅延時間が必要となる。

減衰量制御信号のパルス幅及び振幅については、リスニングルームの残響特性から決定しても良い。例えば、バースト信号に対して、図８にあるような信号がディップ位置に対応する周波数の信号として得られた場合を考える。この場合、共振によってレベルが低くなっている定常部に続いて、立ち下がり部分では、いったん信号ピークがΔＰだけ増加した後に立ち下がっていく。そこで、その立ち下がり部分でΔＰだけ増大した信号ピークが定常部でのピークと同等の値に下がるまでの時間を測定し、その時間に対するテーブルをあらかじめ用意して、パルス幅、高さを決定するとよい。あるいは、ΔＰを測定し、その値があらかじめ設定した値以下、例えばレベルが低くなっている部分と同じになるようなパルス幅、またはパルス高を決定するようにしてもよい。このように、減衰量制御信号のパルス幅及び振幅は、ΔＰに依存して設定することができる。

図９は、実施形態における補正係数決定処理を示すフローチャートである。この処理は、リモコン等を介して、動作モードを補正係数決定モードとして指示されることにより開始される（Ｓ１００）。動作を始める前に、ユーザには、マイクロホン１３を通常音楽を鑑賞する場所であるリスニングポイントに設置し、Ａ／Ｄ変換器４８と接続するよう促すメッセージを表示部１４に表示するようにしても良い。マイクロホン１３が接続されたら、入力切替部４１をテスト信号発生部４４からの信号を入力とするように指示する（Ｓ１０１）。

次に、補正係数を初期値、例えばパルス幅Ｔ＝０、高さＨ＝０とする（Ｓ１０２）。このように初期設定することで、フィルタ４２は何も機能しない、いわゆるスルー設定となる。このような状態で、テスト信号発生部４４からテスト信号を発生しスピーカ１２から放音する（Ｓ１０３）。このときのテスト信号は、リスニングルームの定在波状態を測定するためのものであり、前述のＭＬＳ信号やＳｗｅｅｐ信号を用いて、リスニングポイントにおけるテスト信号をマイクロホン１３で収音する（Ｓ１０４）（第１の収音）。録音されたデータは、ＦＦＴやアダマール変換などを用いて周波数領域データに変換される（Ｓ１０５）。

得られた周波数領域データの周波数特性から、定在波によるピーク位置及びディップ位置を特定する（Ｓ１０６）。特定されたピーク位置、ディップ位置のうち、所定レベルを超えるようなディップ等が検出されたら、その点を補正候補として記憶しておく。Ｓ１０７では、この結果から補正候補の有無を判定する。補正候補が見つからないような場合には、特に補正などを行う必要がないので、そのまま終了しても構わない（Ｓ１１５）。補正候補が見つかった場合は、Ｓ１０８で、補正対象となった周波数のバースト信号をテスト信号発生部４４より出力する。

出力されたバースト信号は、出力部４３、スピーカ１２よりリスニングルーム内に放音されて、リスニングルームの特性を有してマイクロホン１３によって収音される（第２の収音）。収音された信号はＡ／Ｄ変換器４８でＡ／Ｄ変換された後、演算制御部４６を介して、記憶部５０に保存される（Ｓ１０９）。

次に、録音されたデータに基づいて、部屋の残響特性の解析を行う（Ｓ１１０）。ここでは特に、Ｓ１０９で収音された信号の、上記バースト信号の定常部に対応する部分のピークに対する、上記バースト信号の終了位置に対応する立ち下がり部分で増大したピークの増加分ΔＰを算出する。最初のループにおいては、補正係数Ｔ，Ｈともに設定されていないので、そのままの特性が測定されていることになり、ほとんどの場合、Ｓ１１１でのΔＰの閾値判定に対して、所定値をオーバして測定されることになる。このときの閾値は、先に述べたとおり、干渉によりレベルが低下している部分と同等か、あるいは、そのレベルに対して、許容できる程度大きい値に設定しておけばよく、システムによって、適宜決定すればよい。

Ｓ１１１にてΔＰが所定値以下ではない場合、Ｓ１１２において、補正係数Ｔ，Ｈを設定する。これによりＴ，Ｈに値が設定されたため、フィルタ４２は実質的にフィルタとして働くことになる。このとき、Ｔの値に即して、遅延回路７１に対して遅延時間ΔＴも設定される。

次にＳ１０８に戻り、補正係数を設定した状態で再びバースト信号の発音を行う。これを録音して（Ｓ１０９）、残響特性の解析を行う（Ｓ１１０）。今度録音されたデータは、フィルタ４２の効果が入っているため、残響特性部分が減衰したものが録音されている。このときに残響特性部分のΔＰが所定値より下がっていれば、このときの補正係数を採用することになる。

ΔＰが所定値よりも大きい値であった場合には、補正係数の値を増大させ、同様のループを繰り返し、所定値以下になる補正係数を決定する。ΔＰが所定値以下と判断された場合には、Ｓ１１３にて、補正係数としてのＴ，ＨとΔＴの値が記憶される。補正すべき周波数が複数あった場合には、同様の補正係数を決定するためのＳ１０８移行の処理を繰り返し、全てのピーク又はディップに対して補正係数が決定されたら、処理を終了する（Ｓ１１５）。

補正係数が決定されると、入力切替部４１に対して、通常の入力が通るように変更し、通常の動作を行うことで、フィルタ４２にて、決定された補正係数による補正のかかったコンテンツを鑑賞することが可能になる。このとき、ユーザに対して、マイクロホン取り外しなどの指示を表示部１４から行うようにしてもよい。

システムによっては、Ｈは一定でパルス幅Ｔのみで制御する構成をとることも可能である。また、測定によってパルス幅Ｔを決定せず、テーブルなどによって決める場合には、あらかじめ、想定される残響に対する減衰量を定義してテーブルに格納し、テスト信号の残響特性から値を決定するなどする。この場合、Ｓ１１１からの繰り返しループを行わず、係数を決定するよう構成することで、処理の短時間化を図ったシステムを構成ことが可能である。

（第２の実施形態）
上述の第１の実施形態では、全ての場合について補正を行う構成とした。しかし、ディップ部分の立ち上がり時には、図３で示したように、共振が発生する前には本来の信号の立ち上がり特性が得られている。この信号が補正によって消えてしまうと、この周波数信号が聞こえなくなり、特性の悪化につながる場合がある。

そこで、所定時間経過後にのみ補正対象の周波数を補正するように構成するとよい。すなわち、出力対象の音響信号を入力してから所定時間経過後にフィルタの動作を開始するように構成する。補正の有無を決定する所定時間に関しては、図８に示される立ち上がり時間Ｔｒから決定すればよい。Ｔｒは干渉が始まるまでの時間であるので、これ以上の時間同周波数の信号が連続している場合に、補正を許可する。

ここで、図６に示した微分信号６３の正側部分と負側部分の間の時間TｄがＴｒ以上である場合にのみ補正を行うように、図４の微分回路７５からの信号を制御信号発生回路７６に送るように構成していてもよい。

補正用の信号は、図５の減衰量制御信号５３に示したようなパルス信号に限定されない。例えば図１０に示すように、パルスの立ち下がりや立ち上がり特性をなまらすなどの方法をとることも可能である。このようにフィルタによる減衰をスムーズに変化させることで、干渉状態を緩やかに終了させ、急激な変化による聴感上の不具合を軽減させることができる。

以上では主に、定在波ディップ周波数に関して説明してきたが、もちろんピーク部分も、共振による尾引が発生しているので、同様な処理が適用可能である。また、図面での説明は、一つの周波数に関したものであるが、複数のディップ、ピークに対して同様の構成をもって、補正することは当然可能である。

また、構成の説明上、それぞれのブロックを回路にて構成するような説明であったが、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの音響処理用のＬＳＩなどを用いてソフトウェアで処理することも可能である。

（他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (7)

1. リスニングルームの音響特性に基づいて、出力する音響信号を調整する音響処理装置であって、
   前記リスニングルームにおいて定在波状態を測定するためのテスト信号をスピーカから放音し、該放音された前記テスト信号をマイクロホンで収音する第１の収音手段と、
   前記第１の収音手段により収音された信号の周波数特性に基づいて、定在波によるピーク位置又はディップ位置を特定する特定手段と、
   前記ピーク位置又はディップ位置の周波数に対応するバースト信号を前記リスニングルームにおいて前記スピーカから放音し、該放音された前記バースト信号を前記マイクロホンで収音する第２の収音手段と、
   前記第２の収音手段により収音された信号の、前記バースト信号の定常部に対応する部分のピークに対して、前記バースト信号の終了位置に対応する立ち下がり部分で増大したピークの増加分ΔＰを算出する算出手段と、
   前記出力する音響信号の前記ピーク位置又はディップ位置の周波数を、前記ΔＰに依存した減衰量で減衰させるフィルタ手段と、
   を有することを特徴とする音響処理装置。
2. 前記フィルタ手段は、
   前記出力する音響信号の前記ピーク位置又はディップ位置の周波数を弁別するバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタの出力信号の包絡線信号を生成する包絡線生成手段と、
   前記包絡線信号に対して微分処理を行い微分信号を取得する微分手段と、
   前記微分信号の負側の信号と同期した位置で、前記ΔＰに依存した時間幅及び振幅の減衰量制御信号を発生する発生手段と、
   前記出力する音響信号を一定時間遅延させる遅延手段と、
   前記遅延手段により前記一定時間遅延した前記音響信号の前記ピーク位置又はディップ位置の周波数を、前記減衰量制御信号で指示される減衰量で減衰させるノッチフィルタと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響処理装置。
3. 前記発生手段は、前記立ち下がり部分で前記ΔＰだけ増大したピークが前記定常部でのピークと同等の値に下がるまでの時間を測定し、該測定された時間に対応する所定の時間幅及び振幅の減衰量制御信号を発生することを特徴とする請求項２に記載の音響処理装置。
4. 前記ΔＰが所定値以下になるまで、前記第２の収音手段、前記算出手段、及び前記フィルタ手段による動作を繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載の音響処理装置。
5. 前記フィルタ手段は、前記出力する音響信号を入力してから所定時間経過後に動作を開始することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の音響処理装置。
6. リスニングルームの音響特性に基づいて、出力する音響信号を調整する音響処理装置によって実行される音響処理方法であって、
   第１の収音手段が、前記リスニングルームにおいて定在波状態を測定するためのテスト信号をスピーカから放音し、該放音された前記テスト信号をマイクロホンで収音する第１の収音ステップと、
   特定手段が、前記第１の収音ステップで収音された信号の周波数特性に基づいて、定在波によるピーク位置又はディップ位置を特定する特定ステップと、
   第２の収音手段が、前記ピーク位置又はディップ位置の周波数に対応するバースト信号を前記リスニングルームにおいて前記スピーカから放音し、該放音された前記バースト信号を前記マイクロホンで収音する第２の収音ステップと、
   算出手段が、前記第２の収音ステップで収音された信号の、前記バースト信号の定常部に対応する部分のピークに対して、前記バースト信号の終了位置に対応する立ち下がり部分で増大したピークの増加分ΔＰを算出する算出ステップと、
   フィルタ手段が、前記出力する音響信号の前記ピーク位置又はディップ位置の周波数を、前記ΔＰに依存した減衰量で減衰させるフィルタステップと、
   を有することを特徴とする音響処理方法。
7. コンピュータを、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の音響処理装置が有する各手段として機能させるためのプログラム。

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