JP2000284788A - インパルスレスポンス生成方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自然な聴感が得られるとともに、音場ごとの
微妙な音響特性の相違を表現できるインパルスレスポン
スデータを生成する。 【解決手段】 １つの音場に関する適宜の音声周波数ポ
イントごとのエコーダイヤグラムを作成し、該各エコー
ダイヤグラムを、各対応する周波数ポイントを含みかつ
隣接する帯域と相互につながる通過帯域を有するフィル
タでそれぞれ濾波した後、該濾波出力を相互に加算して
１つのインパルスレスポンスのデータを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、任意の音場のイ
ンパルスレスポンスデータを生成する方法およびその装
置に関し、自然な聴感が得られるとともに、音場ごとの
微妙な音響特性の相違を表現できるインパルスレスポン
スデータを生成できるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】リスニングルーム等で音楽を再生する場
合、原信号とともに反射音や残響音を併せて再生するこ
とにより、音場感を向上させることができる。反射音や
残響音を生成する従来装置として、図２に示すように、
原信号の信号経路１０に遅延回路１２、減衰器１４およ
び加算器１６を具えた帰還回路を接続したものがあっ
た。また、別の従来装置として、図３に示すように、反
射音全体（初期反射音および後部残響音）のインパルス
レスポンスデータを記憶したメモリ１８を用意し、畳み
込み回路２０で原信号と畳み込み演算して反射音および
残郷音を生成するようにしたものがあった。さらに別の
従来装置として、図４に示すように、インパルスレスポ
ンスの初期部分のデータを記憶したメモリ２２を用意
し、畳み込み回路２４で原信号と畳み込み演算するとと
もに、該畳み込み演算出力を遅延回路２６、減衰器２８
および加算器３０を有する帰還回路にて原信号の経路中
に帰還するようにしたものがあった。図３、図４のメモ
リ１８，２２に記憶するインパルスレスポンスデータ
は、ホール等で実際に録音して得たインパルスレスポン
スを用いるかあるいは何らかの推定（シミュレーショ
ン）によって作成したものを用いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図２の装置で得られる
残響は単純で不自然なもので、実際のホール等の音場を
再現することはできなかった。これに対し、図３、図４
のインパルスレスポンスデータを用いる方法では、実際
のホール等に近い音場を再現することができた。

【０００４】図３、図４の方法を実現する場合、インパ
ルスレスポンスデータをホール等で実際に録音して取得
すれば、インパルスレスポンスとして申し分のないデー
タが得られるが、現場まで出向いてデータを取得する必
要があるので、入手コストが高くつく欠点があった。ま
た、推定でインパルスレスポンスデータを得る方法で
は、推定の手法は多様であるが、コンサートホール、劇
場、……等の室のクラス（規模）から、あるいは高音、
中音、低音等の大雑把に分割した帯域の残響時間から反
射音の間隔および音圧を設定するのが最も普通であっ
た。しかし、従来の推定の手法では、同一クラスに属す
る異なった２音場の相違を表現できず、また周波数特性
が貧弱（フラットか単純な変化のみ）であった。

【０００５】この発明は、前記従来の技術における問題
点を解決して、自然な聴感が得られるとともに、音場ご
との微妙な音響特性の相違を表現可能なインパルスレス
ポスデータを生成することができるインパルスレスポン
ス生成方法およびその装置を提供しようとするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明のインパルスレ
スポンス生成方法は、１つの音場に関する適宜の音声周
波数ポイントごとのエコーダイヤグラムを作成し、該各
エコーダイヤグラムを、各対応する周波数ポイントを含
みかつ隣接する帯域と相互につながる通過帯域を有する
フィルタでそれぞれ濾波した後、該濾波出力を相互に加
算して１つのインパルスレスポンスのデータを生成する
ものである。

【０００７】また、この発明のインパルスレスポンス生
成装置は、１つの音場を構成する各境界面の座標位置お
よび構成材料のデータを記憶する室形状データファイル
と、前記各境界面を構成する各材料について適宜の音声
周波数ポイントごとの反射率または吸音率データをそれ
ぞれ記憶する周波数別反射率または吸音率データファイ
ルと、空気の前記音声周波数ポイントごとの吸音率デー
タを記憶する周波数別空気吸音率データファイルと、音
源および受音点位置を指示入力する音源および受音点位
置入力手段と、前記室形状データファイルおよび前記音
源および受音点位置のデータに基づき、該音源位置から
発した音が前記各境界面で反射して該受音点位置に到達
する各反射音の経路を算定する反射音経路算定手段と、
該算定された個々の反射音経路の経路長および経由する
境界面の構成材料に応じて遅延時間および減衰量が定め
られた反射音群で構成されるエコーダイヤグラムを、前
記音声周波数ポイントごとに算定する周波数別エコーダ
イヤグラム算定手段と、該算定された各エコーダイヤグ
ラムを、各対応する周波数ポイントを含みかつ隣接する
帯域と相互につながる通過帯域で濾波するフィルタ手段
と、該濾波された各エコーダイヤグラムを相互に加算し
て１つのインパルスレスポンスのデータを生成する加算
手段とを具備してなるものである。

【０００８】この発明によれば、境界面の帯域別反射率
および空気の帯域別吸音率を反映したインパルスレスポ
ンスデータが得られ、このインパルスデータを用いて音
声信号を畳み込むことにより、自然な聴感の音場を再現
することができ、また音場ごとの微妙な音響特性の相違
を表現することができる。

【０００９】なお、帯域別に作成したエコーダイヤグラ
ムをそのまま用いて（つまり畳み込み器を帯域ごとに設
けて）入力音声信号をそれぞれ畳み込んで反射音を作成
し、該各反射音をそれぞれ対応する帯域のフィルタで濾
波して加算することも考えられるが、この発明によれば
畳み込み演算数を少なくすることができる。すなわち、
時系列の畳み込みに於いては、一般に 交換法則 f*g＝g*f 分配法則 f*（g＋h）＝f*g＋f*h 結合法則 f*（g*h）＝g*（h*f） （*は畳み込み演算記号、f，g，hは時系列を表す。）が
それぞれ成り立つ。更に交換法則から g*（h*f）＝g*（f*h） が成り立つ。

【００１０】よって、帯域毎のエコーダイヤグラムe1，
e2，…，enを濾波して（すなわちそれぞれを対応するフ
ィルタf1，f2，…，fnに畳み込んで）加算した１本のイ
ンパルスレスポンスに任意の信号音sを畳み込んだもの
は、 s*（f1*e1＋f2*e2＋…＋fn*en）＝s*（f1*e1）＋s*（f2*e2）＋…＋s*（fn*En ＝f1*（s*e1）＋f2*（s*e2）＋…＋fn*（s*en） となって、帯域毎のエコーダイヤグラムに信号を畳み込
み濾波して加算したものに等しくなる。エコーダイヤグ
ラムとフィルタの各係数値は固定されているから、この
畳み込みを当初に行って f1*e1＋f2*e2＋…＋fn*en＝i
r なる形のインパルスレスポンスを作っておけば、実
時間での畳み込み演算は１回で済む。

【００１１】また、帯域ごとに作成したエコーダイヤグ
ラムをフィルタで濾波するのは次の理由による。すなわ
ち、或る帯域iのエコーダイヤグラムeiに任意の信号sを
畳み込んだ出力には、s次第でi以外の周波数成分も含ま
れてくる。つまりeiは、全成分が帯域iに含まれている
ような信号がその音場で発せられたとすると、その音の
以後の経過を模する音を生成する機能はあるが、帯域外
の音を聞こえなくする機能はない。そこでフィルタによ
る濾波 fi*（s*ei）が必要となるが、これは前述のよ
うに s*（fi*ei）に等しく、事前処理が可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明のインパルスレスポンス
生成装置の実施の形態を図１に示す。ここでは、周波数
ポイントを６３，１２５，２５０，５００，１ｋ，２
ｋ，４ｋ，８ｋ（Ｈｚ）に設定する場合について説明す
る。室形状データファイル３２には、ホール等の１つの
音場の形状を表す室形状データが記憶されている。室形
状データは例えば次のようにして作成される。いま、図
５に示されるような室形状についてインパルスレスポン
スを生成するものとする。まず、該室形状のすべての頂
点に一意的に番号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ
６，……を付け、これら各点の番号をそれぞれの座標
（ｘ，ｙ，ｚ）のデータとともに室形状データファイル
３２に記録する。続いて、該室形状のすべての境界面
（床、壁、天井等のように１つの閉空間を外界から隔離
して囲繞する面）に一意的に番号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ
４，……を付け、それぞれ多角形とみなして、各境界面
について該境界面を構成する各頂点の番号の順列（頂
列）と構成材料（コンクリート打ち放し、ガラス壁、グ
ラスウール等）のコードを室形状データファイル３２に
記録する。具体的には、境界面Ｆ１についてはＶ１，Ｖ
２，Ｖ３，Ｖ４なる頂列と、該境界面Ｆ１を構成する材
料のコードが１レコードとして記録される。他のすべて
の境界面Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，……についても同様に、そ
れぞれの面を構成する頂列と材料のコードがそれぞれ１
レコードとして記録される。

【００１３】周波数別反射率または吸音率データファイ
ル３４には、各境界面を構成する材料ごとに適宜の周波
数ポイント（６３，１２５，２５０，５００，１ｋ，２
ｋ，８ｋ（Ｈｚ））ごとの反射率または吸音率データが
記録されている。吸音率データの一例を表１に示す（実
際には材料名がコードで記録される。）。

【００１４】

【表１】

【００１５】周波数別空気吸音率データファイル３６に
は、空気の適宜の音声周波数ポイント（前記材料の反射
率データと共通の周波数ポイント）ごとの吸音率データ
が記録されている。該吸音率データの一例を表２に示
す。これは空気層１ｍ当たりの減衰率である。空気吸音
率は厳密には温度および湿度に応じて変化するが、実用
上は表２のような定数と考えて差し支えない。

【００１６】

【表２】

【００１７】音源および受音点位置入力手段３８はキー
ボード、マウス等で構成され、音場（図５）内での任意
の音源位置および受音点位置の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を入
力する。

【００１８】反射音経路算定手段４０は、室形状データ
ファイル３２および音源および受音点位置入力手段３８
の入力データに基づき、該音源位置から発した音が前記
各境界面で反射して該受音点位置に到達する可能なすべ
ての反射音の伝播経路を反射の法則に従って算定する。
算法の一例を図６に示す、図中Ｓは音源、Ｒは受音点、
Ｆ１，Ｆ２は境界面である。ｄは音源Ｓから受音点Ｒに
至る直接音の経路である。Ｃ１，Ｃ２は反射音の経路で
あって、Ｃ１は境界面Ｆ１で反射されて受音される反射
音で反射次数は１、Ｃ２は初めに境界面Ｆ１で反射さ
れ、次に境界面Ｆ２で反射されて受音される２次の反射
音である。これらの算定は、音源Ｓの境界面Ｆ１に関す
る対称点Ｓ１を定め、Ｓ１とＲとを結ぶ直線がＦ１と交
る点Ｐ１を反射点として定め、Ｓ，Ｐ１，Ｒを結ぶ折れ
線を反射音の経路Ｃ１として求めることができる。２次
以上の反射も同様で、Ｓ１の境界面Ｆ２に関する対称点
をＳ２とし、Ｓ２，Ｒ，Ｆ２から反射点Ｐ３を定め、Ｐ
３，Ｓ１，Ｆ１から反射点Ｐ２を定め、Ｓ，Ｐ２，Ｐ
３，Ｒを結ぶ折れ線を反射音の経路Ｃ２として求めるこ
とができる。

【００１９】以上のような処理をすべての境界面および
すべての境界面の順列（１つの反射音の経路が経由する
境界面の順序）について行う。なお、ホール等の空間を
模するには、その長い残響時間に相応した系列長の、長
時間エコーダイヤグラムを求めなければならないが、そ
のためには反射音経路算定の計算量が膨大になる。そこ
でこの計算を、手段の能力と照合して現実的なところで
打ち切る。すなわち、遅れ時間および／または反射次数
それぞれの上限値等の計算打ち切り条件を予め規定し
て、該打切条件に達するまで計算を実行し、結果を反射
音経路データファイル４２に記録する。反射音経路デー
タファイル４２の内容は、音源、受音点の各座標、反射
音ごとの反射点の座標の順列と境界面番号並びにそれに
付与した材料コードの順列である。これらは全帯域につ
いて共通である。

【００２０】周波数別エコーダイヤグラム算定手段４４
は、算定された個々の反射音経路の経路長および経由す
る境界面の構成材料に応じて遅延時間および減衰量が定
められた反射音群で構成されるエコーダイヤグラムを、
音声周波数ポイントごとに算定する。反射音の減衰につ
いて説明する。音の強さ（自乗音圧）は、発散、反射面
の吸音および空気吸音により減衰する。いま、強さＩ0
の球面波がｎ個の反射面で反射されて受音されたとすれ
ば、受音点での強さＩは次式で表される。

【００２１】

【数１】 ただし、ｘ：伝播距離 ｒi ：反射率 ｍ：空気層１ｍ当りの減衰率

【００２２】（１）式において、１番目の大括弧は発散
による減衰を表す。２番目の大括弧は反射面の吸音によ
る減衰である。反射率は〔１−吸音率〕で算定される。
３番目の大括弧は空気吸音による減衰を表す。

【００２３】周波数別エコーダイヤグラム算定手段４４
は、反射音経路データファイル４２から受音点に到達す
るすべての反射音の経路長を求める。これにより、各音
の発音時からあるいは直接音到達時からの遅れ時間並び
に（１）式のうち発散による減衰（１番目の大括弧）が
確定する。これらの値は周波数帯域によらず一定であ
る。

【００２４】また、周波数別エコーダイヤグラム算定手
段４４は反射境界面の材料コード順列と周波数別反射率
または吸音率データファイル３４による各材料の周波数
別反射率（吸音率データファイルの場合は〔１−吸音
率〕により反射率を求める。）とから、（１）式の反射
面による減衰（２番目の大括弧）を周波数ポイントごと
に求める。さらに、周波数別空気吸音率データファイル
３６から（１）式の空気吸音（３番目の大括弧）を周波
数ポイントごとに求める。そして、音源強度Ｉ₀の値を
適宜に設定すれば、周波数ポイントごとに（１）式によ
るすべての反射音の強度Ｉが確定する。各反射音の強度
Ｉについてそれぞれ平方根を求めることによりレスポン
スの振幅が求まる。以上により周波数ポイトンごとのエ
コーダイヤグラムが求まり、周波数別エコーダイヤグラ
ムファイル４６に記録される。１つの音場における周波
数別エコーダイヤグラムの一例を図７〜図１４に示す。

【００２５】なお、計算を打ち切った以後のエコーダイ
ヤグラムも必要とする場合は、帯域別残響時間を指定
（＝入力）して、上記のように求められた周波数別エコ
ーダイヤグラムから推定（＝予測）でそれぞれ求めるこ
とができる。推定の方法としては、例えば特願平８−９
６１２５で本出願人が提案した前部のエコーダイヤグラ
ムに基づき後部のエコーダイヤグラムを求める方法等を
用いることができる。これにより少ない計算量で、長時
間のエコーダイヤグラムを得ることができる。

【００２６】フィルタ手段４８はディジタルフィルタで
構成され、算定された周波数別エコーダイヤグラムを、
各対応する周波数ポイントを含みかつ隣接する帯域と相
互につながる通過帯域でそれぞれ濾波する。各周波数別
ポイントごとの通過帯域の一例を表３に示す。また、フ
ィルタ特性の一例（２ｋＨｚの周波数ポイントについて
のもの）を図１５に示す。

【００２７】

【表３】

【００２８】加算器５０は各帯域の濾波出力を加算して
１つのインパルスレスポンスのデータを求める。求めら
れたインパルスレスポンスデータはインパルスレスポン
スデータファイル５２に保存される。図７〜図１４の周
波数別エコーダイヤグラムに基づいて得られたインパル
スレスポンスを図１６に示す。実際にはこのインパルス
レスポンスを所定の畳み込み器に適合するようにスケー
リングして用い（例えば図３のメモリ１８に組み込
む。）、音声信号を該畳み込み器にて該スケーリングさ
れたインパルスレスポンスと畳み込み演算することによ
り、反射音（または反射音と残響音）を得ることができ
る。

【００２９】なお、図１７は、以上説明した図１のイン
パルスレスポンス生成装置によるインパルスレスポンス
の作成手順を示したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明のインパルスレスポンス生成装置の
一例を示すブロック図である。

【図２】 従来の反射音生成装置の一例を示すブロック
図である。

【図３】 従来の別の反射音生成装置の一例を示すブロ
ック図である。

【図４】 従来のさらに別の反射音生成装置の一例を示
すブロック図である。

【図５】 １つの音場の室形状を境界面の組合せで示し
た斜視図である。

【図６】 反射音経路の算法の説明図である。

【図７】 １つの音場の６３Ｈｚの周波数ポイントのエ
コーダイヤグラムの一例である。

【図８】 同１２５Ｈｚの周波数ポイントのエコーダイ
ヤグラムの一例である。

【図９】 同２５０Ｈｚの周波数ポイントのエコーダイ
ヤグラムの一例である。

【図１０】 同５００Ｈｚの周波数ポイントのエコーダ
イヤグラムの一例である。

【図１１】 同１ｋＨｚの周波数ポイントのエコーダイ
ヤグラムの一例である。

【図１２】 同２ｋＨｚの周波数ポイントのエコーダイ
ヤグラムの一例である。

【図１３】 同４ｋＨｚの周波数ポイントのエコーダイ
ヤグラムの一例である。

【図１４】 同８ｋＨｚの周波数ポイントのエコーダイ
ヤグラムの一例である。

【図１５】 フィルタ手段のフィルタ特性の一例を示す
図である。

【図１６】 図７〜図１４のエコーダイヤグラムをそれ
ぞれ濾波後加算して得られたインパルスレスポンスを示
す図である。

【図１７】 図１のインパルスレスポンス生成装置によ
るインパルスレスポンスの生成手順を示す流れ図であ
る。

【符号の説明】

３２…室形状データファイル、３４…周波数別反射率ま
たは吸音率データファイル、３６…周波数別空気吸音率
データファイル、３８…音源および受音点位置入力手
段、４０…反射音経路算定手段、４４…周波数別エコー
ダイヤグラム算定手段、４８…フィルタ手段、５０…加
算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G064 AA05 AB01 AB02 AB17 AB18 BA02 CC03 CC29 CC42 CC46 5D108 AA01 AB08 AB19 AC03 AC08 AD04 AD09 BA32 BD02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つの音場に関する適宜の音声周波数ポイ
   ントごとのエコーダイヤグラムを作成し、該各エコーダ
   イヤグラムを、各対応する周波数ポイントを含みかつ隣
   接する帯域と相互につながる通過帯域を有するフィルタ
   でそれぞれ濾波した後、該濾波出力を相互に加算して１
   つのインパルスレスポンスのデータを生成するインパル
   スレスポンス生成方法。
2. 【請求項２】１つの音場を構成する各境界面の座標位置
   および構成材料のデータを記憶する室形状データファイ
   ルと、 前記各境界面を構成する各材料について適宜の音声周波
   数ポイントごとの反射率または吸音率データをそれぞれ
   記憶する周波数別反射率または吸音率データファイル
   と、 空気の前記音声周波数ポイントごとの吸音率データを記
   憶する周波数別空気吸音率データファイルと、 音源および受音点位置を指示入力する音源および受音点
   位置入力手段と、 前記室形状データファイルおよび前記音源および受音点
   位置のデータに基づき、該音源位置から発した音が前記
   各境界面で反射して該受音点位置に到達する各反射音の
   経路を算定する反射音経路算定手段と、 該算定された個々の反射音経路の経路長および経由する
   境界面の構成材料に応じて遅延時間および減衰量が定め
   られた反射音群で構成されるエコーダイヤグラムを、前
   記音声周波数ポイントごとに算定する周波数別エコーダ
   イヤグラム算定手段と、 該算定された各エコーダイヤグラムを、各対応する周波
   数ポイントを含みかつ隣接する帯域と相互につながる通
   過帯域で濾波するフィルタ手段と、 該濾波された各エコーダイヤグラムを相互に加算して１
   つのインパルスレスポンスのデータを生成する加算手段
   とを具備してなるインパルスレスポンス生成装置。