CN1494353A - 音响信号处理装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种音响信号处理装置和方法，用具有基于乐器的谐波结构和音程下限的频带分割特性的频带分割部件将进行模拟的低音信号分割为多个频带信号后，对各个频带信号进行谐波生成。能够对构成复合音的各个单音分量分别生成谐波，能够抑制音质的恶化。能够抑制频带分割个数的增大，能够削减电路规模。

Description

音响信号处理装置及其方法
技术领域
本发明涉及伴有谐波生成的音响信号处理装置及其方法。
背景技术
以往，为了各种目的，提出了伴有谐波生成的音响信号处理装置。例如，已知有对乐器、声音的音色施加各种变化的效果器装置，特别是对低音分量进行谐波生成来提高小型扬声器的低音感的虚拟低音再生装置等。
以下，参照图9至图13，以现有的虚拟低音再生装置为例来进行说明。图9(a)、(b)是现有的音响信号处理装置的方框图。整数次的各谐波分量可以用全波整流法、幂乘法、过零法等来生成。
首先，用图9(a)来说明第1现有例。在本例中，通过过零法或幂乘法对属于低音区的音生成多个其整数次谐波分量。
如图9(a)所示，在该装置中，从输入端子91输入的信号被分为2个系统。首先，在第1系统中，输入的信号的所有分量原封不动地被输入到延迟部93，被延迟后述整数次谐波生成部件97的处理所需的时间，由增益调整器94a进行增益调整后，被输入到加法器100的一个输入部。
此外，在第2系统中，输入的信号的所有分量被输入到低通滤波器96。低通滤波器96根据规定的截止特性从该所有分量中只提取属于低音区的分量，输出到整数次谐波生成部件97。
这里，在本说明书中，将频率是基音频率(基频)的n倍(n是自然数)的谐波称为n次谐波。
整数次谐波生成部件97具有生成低通滤波器96提取出的、属于低音区的分量的2次谐波、3次谐波、...、n次谐波的谐波生成部件98a、98b、...、98c。这些谐波生成部件98a、98b、...、98c生成的2次谐波、3次谐波、...、n次谐波分别由增益调整器94b、94c、...、94d调整增益，由加法器95相加后，输入到加法器100的另一个输入部。
加法器100将从第1系统及第2系统分别输入的分量相加，输出到输出端子92。
接着，用图9(b)来说明第2现有例。在本例中，对属于低音区的音，通过全波整流法生成其谐波。属于本现有例的文献有(日本)特开平5-328481号公报。
在图9(b)中，通过对与图9(a)同样的构件附以同一标号，来省略其说明。
在图9(b)中，设有下述构件来取代图9(a)中的整数次谐波生成部件97。
对低通滤波器96提取出的低音区的信号，全波整流器99将负值翻转为正值，变换为2倍频率。但是实际上生成了直流偏置和偶次谐波分量，所以用带通滤波器101只提取主分量——2次谐波。
如图9(b)所示，全波整流法可以用简单的结构来实施。通过全波整流法，能够生成2次谐波，进而可以如图9(c)所示进行扩展，通过串联连接多组全波整流器99和带通滤波器101，来生成2的n次方(n＝2，3，...)的谐波。然而，在全波整流法中，有不能生成奇次谐波的问题。
接着，用图10来说明过零法及第1现有例的问题。这里，图10(a)、(b)是现有的波形例的曲线图，图中，横轴表示时间，纵轴表示振幅。
在过零法中，如图10(a)中圆圈所示，检测信号从正变化到负、或者从负变化到正的过零点P1、P2、P3。
然后，在生成2次谐波分量的情况下，在过零点到下一过零点的区间(在图10(a)的例子中，为P1-P2区间、P2-P3区间)中，在时间轴上将波形压缩2倍，重复再生2次。
同样，n次谐波分量可通过以该过零点区间为中心、在时间轴上压缩n倍、重复再生n次来得到。
一般的音乐源是由多个单音分量构成的复合音。例如，如图11(a)的频谱结构例所示，有周期性的乐音由具有基频的基音(在图11(a)中为f＝40Hz)、和具有其整数倍的频率的谐波(在图11(a)中为80、120、...Hz)构成。
再者，和弦等存在多个具有强能量分量的基频。和弦等例如在纯8度时为图11(b)所示的频谱结构，在纯5度时为图11(c)所示的频谱结构。
接着，说明对这种由多个单音构成的一般复合音使用现有的谐波生成法的情况下的问题。以下说明谐波生成法使用过零法的情况，但是以下的问题也同样适用于使用全波整流法、幂乘法等其他谐波生成法的情况。
图12(a)示出用过零法对由处于纯8度(频率比为1∶2)关系的2个单音(相同声平(声级)的40Hz和80Hz的单音)构成的复合音(频谱结构请参照图11(b))以与原信号相同的声平生成2次谐波所得的处理音的频率解析的结果。
此外，图12(b)示出用过零法对由处于纯5度(频率比为2∶3)关系的2个单音(相同声平的60Hz和90Hz的单音)构成的复合音(频谱结构请参照图11(c))以与原信号相同的声平生成2次谐波所得的处理音的频率解析的结果。
在图12(a)、(b)中的任一种情况下，都希望只用各单音分量的2倍频率来生成。然而，虽然在任一种情况下都产生了2倍频率分量，但是产生了由谐波以外的分量(以2个单音分量的基频的最大公约数为基频的谐波分量)构成的失真。
该失真是同时对包含多个单音的信号进行谐波生成而产生的。
即，在包含多个单音的信号中，如图13(a)所示，原波形中的复合音的波形的周期T(包含的单音的周期的最小公倍数)、和过零点的间隔通常不一致。
在这种情况下，如果应用过零法，则会在周期T间隔的过零点以外进行波形的压缩及重复再生，如图13(c)所示，处理后的信号的波形与原信号不相似，发生波形的失真。这一点请特别注意地比较示出对图13(a)的原波形理想地进行谐波生成所得的波形的图13(b)、和图13(c)。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够抑制复合音时的音质恶化的音响信号处理装置及其方法。
在第1发明的音响信号处理装置中，包括：频带分割部件，具有分割特性，根据分割特性将输入音响信号的低音分量分割为频带不同的多个频率分量；谐波生成部件，根据多个频率分量来生成谐波分量；以及合成部件，合成生成的谐波分量和输入音响信号。
在该结构中，频带分割部件将低音分量细分为多个带宽，从而能够抑制基音、和其谐波被包含在同一带宽中的事态，能够抑制失真，提高音质。
在第2发明的音响信号处理装置中，频带分割部件分割输入音响信号的低音分量，使得具有基频的基音、和该基音的谐波属于不同的频带。
通过该结构，基音、和其谐波不会被包含在同一频带中，能够抑制失真，提高音质。
在第3发明的音响信号处理装置中，分割特性根据乐器的基频的下限来决定。
通过该结构，能进行合乎现实的频带分割。
在第4发明的音响信号处理装置中，分割特性根据音程下限来决定。
通过该结构，能够优化频带分割的分割特性，削减电路规模。
在第5发明的音响信号处理装置中，频带的带宽属于15Hz至30Hz的范围。
通过该结构，能够使分割特性适合音程下限。
在第6发明的音响信号处理装置中，还包括补偿生成的谐波分量、和输入音响信号之间的处理延迟的延迟器。
通过该结构，能够使生成的谐波分量、和输入音响信号在再生音的时间轴上对齐。
在第7发明的音响信号处理装置中，还包括进行生成的谐波分量、和输入音响信号之间的增益调整的增益调整器。
通过该结构，能够改变生成的谐波分量和输入音响信号之间的电平比，设定多个低音感增强效果模式。
在第8发明的音响信号处理装置中，包括：和分量输出部件，输入第1声道的输入音响信号、和第2声道的输入音响信号，输出这些输入音响信号的和分量；频带分割部件，具有分割特性，根据分割特性将和分量的低音分量分割为频带不同的多个频率分量；谐波生成部件，根据属于多个带宽的各个分量来生成谐波分量；第1合成部件，合成生成的谐波分量、和第1声道的输入音响信号；以及第2合成部件，合成生成的谐波分量、和第2声道的输入音响信号。
通过该结构，有与第1发明同样的优点。再者，利用人的听觉对低音分量的定位感迟钝的特性、和低音分量多是同相地被包含在各声道中这一实情，在处理双声道以上的音响信号的情况下，能用更小的电路规模来进行低音感的增强。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)是本发明的实施方式的音响信号处理装置的方框图；
图2是本发明的实施方式的频带分割部件的方框图；
图3是本发明的实施方式的频带分割的说明图；
图4是本发明的实施方式的考虑了音程下限的频率间隔说明图；
图5(a)～(d)是本发明的实施方式的频带分割的示例图；
图6(a)～(d)是本发明的实施方式的频带分割的示例图；
图7(a)～(d)是本发明的实施方式的频带分割的示例图；
图8是本发明的实施方式的支持双声道的音响信号处理装置的方框图；
图9(a)、(b)是现有的音响信号处理装置的方框图；
图10(a)是现有的基于过零法的谐波生成说明图(原波形)；
图10(b)是现有的基于过零法的谐波生成说明图(生成波形)；
图11(a)～(c)是现有的频谱结构的说明图；
图12(a)、(b)是现有的谐波生成处理结果(复合音)的频谱图；
图13(a)是现有的基于过零法的谐波生成说明图(原波形)；
图13(b)是现有的基于过零法的谐波生成说明图(生成波形)；和
图13(c)是现有的基于过零法的谐波生成说明图(理想生成波形)。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。图1(a)是本发明的实施方式的音响信号处理装置的方框图。
在图1所示的构件中，输入端子11输入输入音响信号。频带分割部件13具有分割特性，根据分割特性将输入音响信号的低音分量分割为频带不同的多个频率分量。
多个谐波生成部件14a～14c对由频带分割部件13分割出的各频带信号进行谐波生成。谐波生成法可以使用“背景技术”部分中说明过的整数次谐波分量法(全波整流法、幂乘法、过零法等)中的任一个。
各频带中的谐波次数及振幅声平通过试听等设定为理想的值。
高通滤波器15是具有高通特性的数字滤波器，从输入音响信号中除去生成的频带的分量。
此外，延迟器16补偿处理延迟，增益调整器17a～17d对谐波生成部件14a～14c和延迟器16的各个输出进行增益调整。加法器18将增益调整器17a～17d的输出信号相加，相加结果从输出端子12被输出到外部。
频带分割部件13用于将低音分量分割为多个频带的信号(以下称为频带信号)。其实现方法在数字信号处理技术领域是众所周知的，通过带通滤波、傅里叶变换、小波变换等即可。
这里，本发明的频带分割部件13进行符合后述(条件1)的频带分割就行了，不依赖于其结构本身。在本方式中，如图2所示，通过按照带宽并联设置多个带通滤波器23a、23b、...、23c来构成频带分割部件13。
为了抑制复合音时的音质恶化，该频带分割部件13的分割特性使得在各频带上不含多个单音分量。这种分割特性的决定方法将在后面详述。
也可以取代图1(a)所示的结构，如图1(b)所示，用高通滤波器15从加法器18输出的原信号中除去生成的频带的分量。
此外，取代图1(a)所示的结构，如图1(c)所示，虽然残留原来的频率分量，但是省略高通滤波器15，在实用上也没有问题。
接着，说明动作。以下，将图3所示的分割特性简化地表示为[f0Hz f1Hzf2Hz f3Hz]。该表现表示总共有3个频带：f0Hz～f1Hz的频带、f1Hz～f2Hz的频带、以及f2Hz～f3Hz的频带。
这里，说明模拟图3所示的3个频带合计的频带、即[f0Hz f3Hz]的频带的情况。此外，在本例中，f0＝0，f1＝50，f2＝75，f3＝100。
首先，如图1(a)所示，输入音响信号经输入端子11被输入到频带分割部件13。
频带分割部件13从输入音响信号中提取低音分量，进而将该分量如图3所示分割为[0Hz 50Hz]、[50Hz 75Hz]、[75Hz 100Hz]的频带的信号(以下称为频带信号)。
然后，用谐波生成部件14a～14c对各个频带信号进行谐波生成。
要与这些谐波生成部件14a～14c的输出信号重新合成的输入音响信号由高通滤波器15衰减[f0Hz f3Hz]的频带的分量，进而由延迟器16进行低音分量谐波生成处理所产生的延迟的补偿。
然后，用增益调整部件17a～17d对谐波生成部件14a～14c的输出信号和延迟器16的输出信号实施适当的增益调整，由加法器18相加，经输出端子12输出到外部。
这样，通过将频带分割为多个，能够对构成复合音的各个单音分量分别进行谐波生成，能够抑制复合音时的音质恶化。
然而，如果频带的分割数增加，则需要与分割数同样多的谐波生成部件，并且要求实现更窄带的滤波器，所以电路规模增大。
因此可以说，由可分离各个单音分量的最大带宽构成，是从保持音质并且削减电路规模这一点来看的情况下的最佳的分割特性。
以下说明为了构成这种分割特性，根据乐音的谐波结构和音程下限来决定分割的各个带宽即可。
1.乐音的谐波结构
乐音这样的周期性复合音由具有基频的基音和频率为其整数倍的谐波构成。
基频的下限因乐器而异。下面示出主要低音乐器的基频的下限(以下称为最低基频)。
乐器                 最低基频(Hz)
钢琴                 27.5
低音吉它(5弦)        30.8
低音提琴             34.6
大号                 41.2
低音萨克斯管         55.0
由此，可以说钢琴的最低基音27.5Hz在大多数低音乐器中是最小的。因此可以说，对付钢琴的最低基频27.5Hz以上的基频就足够了。
通常，乐音中包含的谐波分量存在于2次、3次、4次...等高次中，所以希望分别分离基音和这些谐波分量。
综合以上点，结果是，对27.5Hz以上的各基频满足下面的(条件1)为必要充分条件。
(条件1)具有基频(频率为f)的基音、该基音的谐波(频率为nf，n为自然数)不被包含在同一分割频带中(即，具有基频的基音、和该基音的谐波属于不同的频带)。
2.基于音程下限的设定
和弦具有多个基频。因此，为了在和弦的情况下分离各单音分量，需要分离各个基音的基频和其谐波分量。
这里，在低音区，基频紧挨的和弦在听觉上存在音不融合、混浊这一性质。
有一个限度，在比这个限度更低的音域上发出音程确定的2个音时，听起来很混浊。将该限度称为音程下限。由于存在音程下限，所以能够清楚地同时发出的基频是有限的。
图4是根据音程下限来计算基频的频率间隔，在图4中，总结了基频、音阶及频率间隔的关系。
由此，在A0～A1中只使用纯8度的音程，在A1#～A2中使用纯5度、纯8度的音程，在A2#～B2中使用除增4度外的大3度以上的音程，在C2～D2中使用小3度以上的音程，在D2#以上使用大2度以上的音程。
音名上所附的尾标表示组号，A0与钢琴的最低基音27.5Hz一致。
这里，如果低音的截止频率满足分离29Hz以上的基频和谐波分量的条件，则如下做就能够确认该音程下限的条件也可满足。
例如，纯5度(频率比为2∶3)从58Hz起使用。该58Hz相当于29Hz的2次谐波，而从2次谐波来看，具有3次谐波的频率87Hz为纯5度的频率比。
即，纯5度等于2次谐波和3次谐波的频率比，而纯5度使用的频率的下限58Hz与29Hz的2次谐波一致。因此可以说，如果基频29Hz以后满足(条件1)，则能够分离58Hz以后的处于纯5度关系的基频。
与此同样的情况也适用于纯8度(基频和2次谐波的频率比)、大3度(4次谐波和5次谐波的频率比)，结果是，如果对基频29Hz以后满足(条件1)，则也能够分离介入低音和弦中的基频。
接着，示出满足(条件1)的分割特性的具体例。这里要讨论的基频的下限设为钢琴的基音27.5Hz。
满足(条件1)的简单的例子有使各个带宽一律小于27.5Hz。但是，不能进行没有交叉的理想的频带分割，所以实际上将带宽设定得比27.5Hz还小。
这种分割的具体例有图5(a)、(b)分别示出的[25Hz 50Hz 75Hz 100Hz 125Hz][12.5Hz 37.5Hz 62.5Hz 112.5Hz]这样的带宽。
此外，像图5(c)、(d)分别示出的[25Hz 50Hz 75Hz 100Hz 107.5Hz][12.5Hz 37.5Hz 62.5Hz 87.5Hz 107.5Hz]的带宽那样，各带宽不必相等。
[0Hz 27.5Hz]的频带的基频少，所以可以不特别考虑该频带。
因此，也可以像图6(a)、(b)分别示出的[0Hz 50Hz 75Hz 100Hz 125Hz][0Hz 37.5Hz 62.5Hz 87.5Hz 112.5Hz]带宽那样，只对最低的频带进行带通滤波。
再者，也可以使带宽为27.5Hz以上。例如，如图6(c)所示，也可以使一部分带宽为35Hz。
即使是该分割特性，也满足了(条件1)。这种例子还有很多。
对150Hz以上的分割特性，如果使得能进行小3度、大2度的分离，则能够进一步提高音质。
在图6(d)所示的[25Hz 50Hz 75Hz 100Hz 125Hz 145Hz 165Hz..]这一例子中，能够分离小3度，所以将125Hz以上的带宽设为20Hz。
这里，也可以使带宽比20Hz更窄。例如，也可以如图7(a)、(b)所示，使带宽为15Hz。在此情况下，也与上述同样，带宽也可以不等(图7(c))，也可以在最低区使用带通滤波(图7(d))。
如上所述，通过频带分割处理，能够通过对构成复合音的各个单音分量分别进行谐波生成来抑制音质的恶化。进而，通过根据乐音的谐波结构和音程下限、根据(条件1)来设定分割特性，能够优化频带分割的分割特性，削减电路规模。
在上述说明中，将(条件1)中的基频的下限设为钢琴的基频27.5Hz。实际上也可以将该下限设为30Hz，适合音程下限。但是，为了削减成本，使该下限例如高至50Hz，也包含在本发明中，在实用上能得到足够的效果。
综合以上点，频带分割部件13的分割特性中的带宽最好设为15Hz至50Hz的范围内。
以上说明了输入音响信号是单声道的情况，但是本发明也能够应用于双声道以上的源。
图8是本发明的实施方式的支持双声道的音响信号处理装置的方框图。图中，通过对与图1同样的构件附以同一标号来省略其说明。
在本装置中，为了支持双声道即第1声道(在图中为L声道)和第2声道(在图中为R声道)，对各声道分别设有输入端子11a、11b、延迟器16a、16b、增益调整器17a、17e、加法器18a、18b、高通滤波器15a、15b。
此外，作为和分量输出部件的加法器81输入第1声道的输入音响信号、和第2声道的输入音响信号，将这些输入音响信号的和分量输出到频带分割部件13。因此，该频带分割部件13具有分割特性，根据分割特性将和分量的低音分量分割为频带不同的多个频率分量。
作为第1合成部件的加法器18a将由谐波生成部件14a～14c生成的谐波分量、和第1声道的输入音响信号相加，输出到高通滤波器15a。
此外，作为第2合成部件的加法器18b将由谐波生成部件14a～14c生成的谐波分量、和第2声道的输入音响信号相加，输出到高通滤波器15b。
在图8所示的装置中，利用低音分量多是同相地被包含在各声道中的事实，通过将各声道的信号相加后进行处理来削减处理量。以上说明了双声道(立体声)的例子，但是本发明也同样能够应用于3声道以上、例如5.1声道等。
这里，作为例子，将本发明的音响信号处理装置应用于对低音分量进行谐波生成的虚拟低音再生装置。然而，只要是伴有谐波生成的音响信号处理装置，例如效果器装置等各种用途，都能够应用本发明。
根据本发明，通过频带分割处理，能够对构成复合音的各个单音分量分别生成谐波，能够降低失真，抑制音质的恶化。
再者，通过根据乐音的谐波结构和音程下限来构成频带分割特性，能够优化频带分割的分割特性，削减电路规模。

Claims (20)

1、一种音响信号处理装置，包括：
频带分割部件，具有分割特性，根据上述分割特性将输入音响信号的低音分量分割为频带不同的多个频率分量；
谐波生成部件，根据上述多个频率分量来生成谐波分量；以及
合成部件，合成生成的上述谐波分量、和上述输入音响信号。
2、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述频带分割部件分割上述输入音响信号的低音分量，使得具有基频的基音、和该基音的谐波属于不同的频带。
3、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述分割特性根据乐器的基频的下限来决定。
4、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述分割特性根据音程下限来决定。
5、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述频带的带宽属于15Hz至50Hz的范围。
6、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述频带的带宽属于15Hz至30Hz的范围。
7、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述频带分割部件还包括提取最低区一侧的频率分量的低通滤波器。
8、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，上述频带分割部件还包括将低区一侧的截止频率设定为乐器的基频的下限以下的带通滤波器。
9、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，还包括补偿生成的上述谐波分量、和上述输入音响信号之间的处理延迟的延迟器。
10、如权利要求1所述的音响信号处理装置，其中，还包括进行生成的上述谐波分量、和上述输入音响信号之间的增益调整的增益调整器。
11、一种音响信号处理装置，包括：
和分量输出部件，输入第1声道的输入音响信号、和第2声道的输入音响信号，输出这些输入音响信号的和分量；
频带分割部件，具有分割特性，根据上述分割特性将上述和分量的低音分量分割为频带不同的多个频率分量；
谐波生成部件，根据属于多个带宽的各个分量来生成谐波分量；
第1合成部件，合成生成的上述谐波分量、和上述第1声道的输入音响信号；以及
第2合成部件，合成生成的上述谐波分量、和上述第2声道的输入音响信号。
12、一种音响信号处理方法，包含下述步骤：
根据分割特性将输入音响信号的低音分量分割为频带不同的多个频率分量；
根据上述多个频率分量来生成谐波分量；以及
合成生成的上述谐波分量、和上述输入音响信号。
13、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，分割输入音响信号的低音分量，使得具有基频的基音、和该基音的谐波属于不同的频带。
14、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，上述分割特性根据乐器的基频的下限来决定。
15、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，上述分割特性根据音程下限来决定。
16、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，上述频带的带宽属于15Hz至50Hz的范围。
17、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，在上述分割步骤中，使用提取最低区一侧的频率分量的低通滤波器。
18、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，上述频带的带宽属于15Hz至30Hz的范围。
19、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，补偿生成的上述谐波分量、和上述输入音响信号之间的处理延迟。
20、如权利要求12所述的音响信号处理方法，其中，进行生成的上述谐波分量、和上述输入音响信号之间的增益调整。
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