JP2004023481A

JP2004023481A - 音響信号処理装置及び方法並びにオーディオ装置

Info

Publication number: JP2004023481A
Application number: JP2002176326A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Ise; 伊勢　友彦; Nozomi Saito; 齊藤　望
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22
Also published as: EP1376541A3; EP1376541A2; US7254242B2; US20040037439A1

Abstract

【課題】少ない演算量で精度よく外来騒音を推定することができる音響信号処理装置及び方法並びにオーディオ装置を提供する。
【解決手段】音響再生系から入力部を介して入力された音響信号の周波数帯域を分割して第１のバンドレベルを出力する第１のバンド分析部（２１）と、前記入力部における前記音響信号本来のバンドレベルを推定し、第２のバンドレベルとして前記複数のバンド毎に出力する音響信号推定部（２２）と、前記第１のバンドレベルと前記第２のバンドレベルとを用いて前記音響信号内に含まれる外来騒音成分を抽出する処理部（２３）とを有する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響信号処理装置及び方法並びにオーディオ装置に関する。特に、本発明は音響信号に含まれる外来騒音成分を抽出する技術に関する。
【０００２】
一般に、カーオーディオシステムなどでは、音響再生系に存在する騒音が問題となっている。走行中に騒音によって、スピーカから出力される音楽などの音響信号の聞こえが阻害されてしまう。従って、従来から、音響再生系に存在する騒音などの外来騒音成分に基づき、スピーカに出力されるオーディオ信号を補正することが行われている。
【０００３】
【従来の技術】
図８に、従来の音響信号処理装置を示す。この装置は、音響信号に含まれる外来騒音を抽出するものである。スピーカ１０はオーディオ入力に応じた音響信号を音響再生系に出力する。音響再生系には外来騒音が存在する。マイクロホン１１は、外来騒音を含む音響信号を電気信号に変換して減算器１２に出力する。ＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｉｍｐｕｌｓｅ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）型のディジタルフィルタ１３は、音響再生系のインパルス応答を模擬し、フィルタ出力を減算器１２に出力する。ＦＩＲフィルタ１３の出力は、音響再生系を考慮したオーディオ入力であるから、減算器１２の出力結果は外来騒音成分となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術は次の問題点を有する。カーオーディオの音響再生系のインパルス応答は、図９に示すように、サンプリング周波数を４４．１ｋＨｚとすると約４０００サンプルポイント程度の長さとなる。つまり、ＦＩＲフィルタ１３は約４０００タップ程度を備えていなければならない。このようなＦＩＲフィルタ１３の使用は、コスト高をもたらすという問題点がある。また、ＦＩＲフィルタ１３の演算量は膨大になり、発熱などにより消費電力が増えるという問題点もある。例えば、４０９６タップのＦＩＲフィルタ１３に必要な演算量は、１サンプリング時間（１／４４１００（Ｈｚ）≒０．０２３（ミリ秒））に、ＦＩＲフィルタリングで（４０９６×２）回の積和演算となり、１秒間には（（４０９６×２）×４４１００＝３億６１２６万７２００）回もの積和演算が必要となってしまう。
【０００５】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、少ない演算量で精度よく外来騒音を推定することができる音響信号処理装置及び方法並びにオーディオ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、音響再生系から入力部を介して入力された音響信号の周波数帯域を複数のバンドに分割してバンド毎に第１のバンドレベルを出力する第１のバンド分析部と、　前記入力部における前記音響信号本来のバンドレベルを推定し、第２のバンドレベルとして前記複数のバンド毎に出力する音響信号推定部と、前記第１のバンドレベルと前記第２のバンドレベルとを用いて前記音響信号内に含まれる外来騒音成分を抽出する処理部とを有する音響信号処理装置である。音響信号の周波数帯域を複数のバンドに分割し、バンド毎にバンドレベルを出力する構成としたため、音響信号の周波数特性をバンド毎のバンドレベルで表現することができ、処理すべき演算量が大幅に削減できる。従って、小型化かつ低コスト化が可能になる。また、分割すべきバンド数を適切な値に設定することで、小型化かつ低コスト化と高精度化の両方を実現することができる。
【０００７】
又、別の発明では上記音響信号処理装置において、前記音響信号推定部は、前記音響再生系に出力される前の前記音響信号に対応したオーディオ信号の周波数帯域を前記複数のバンドに分割して第３のバンドレベルを出力する第２のバンド分析部と、外来騒音成分が存在しない状態での前記音響再生系の音響特性に応じて前記第３のバンドレベルを補正する演算部とを有する構成とすることができる。この演算部は、騒音が存在しない音響再生系をモデル化したものである。従って、上記構成の音響信号推定部が出力する第２のバンドレベルを第１のバンドレベルから引算することで、外来騒音成分が得られる。又、別の発明では上記構成において、補正は例えば第３のバンドレベルに係数を乗算する演算処理である。そして、前記音響信号推定部は、前記係数の値を調整する手段を有するように構成することができる。係数値を調整することで、様々な音響再生系に対応することができる。
【０００８】
また、別な発明では、前記音響信号推定部は、前記音響再生系の状態に応じた複数組の第２のバンドレベルを選択的に出力するように構成することもできる。予め複数組の第２のバンドレベルを用意しておくことで、音響再生系に適したバンド毎の第２のバンドレベルを簡単な構成で容易に選択できる。
【０００９】
更に、別の発明では上記音響信号処理装置において、前記処理部は前記第１のバンドレベルから前記第２のバンドレベルを減算するように構成することができる。減算という簡単な演算を用いているので、音響信号再生装置を小型化、低コスト化、及び低電力消費化することができる。
【００１０】
また、別の発明では上記音響信号処理装置において、前記第１のバンド分析部、前記音響信号推定部及び前記処理部は１つのチップ上に形成されている構成とすることができる。
【００１１】
また、別の発明では、例えば、前記バンドレベルは分割された周波数幅のレベルの平均である構成とすることができる。これは、バンドレベルの一例である。
【００１２】
また、本発明は、音響再生系から入力部を介して入力された音響信号の周波数帯域を複数のバンドに分割して第１のバンドレベルを出力する段階と、前記入力部における前記音響信号本来のバンドレベルを推定し、第２のバンドレベルとして前記複数のバンド毎に出力する段階と、前記第１のバンドレベルと前記第２のバンドレベルとを用いて前記音響信号内に含まれる騒音成分を抽出する段階とを有することを特徴とするオーディオ信号処理方法を含む。従って、小型化かつ低コスト化が可能になる。また、分割すべきバンド数を適切な値に設定することで、小型化かつ低コスト化と高精度化の両方を実現することができる。
【００１３】
更に、本発明は、オーディオ信号を発生する音源と、該オーディオ信号を補正する補正部とを有し、該補正部は、音響信号処理装置と、該音響信号処理装置が出力する前記外来騒音成分に応じて前記オーディオ信号を補正する補正部とを有するオーディオ装置を含む。オーディオ装置が設置される環境に存在する外来騒音によって生じたマスキングを打ち消すように音響信号を出力することができるため、外来騒音に埋もれた音楽などが聴こえない、というような不具合はなくなる。
【００１４】
又、上記オーディオ装置において、別の発明では前記補正部は、前記騒音成分に応じて前記オーディオ信号の聴覚補正を行うフィルタを含む。補正部の一構成例として、聴覚補正がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の音響信号処理回路及び方法の第１実施形態を示す図である。
【００１７】
図示する音響信号処理回路２０は、バンド分析部２１、音響信号推定部２２及びバンドレベル減算器２３とを有する。また、音響信号処理回路２０は入力端子２６と２８、及び出力端子２７とを有する。音響信号処理回路２０の入力端子２６には、マイクロホン１１が接続される。入力端子２８には、スピーカ１０に供給されるオーディオ信号が供給される。出力端子２７には、以下に説明するようにして抽出された外来騒音に相当する電気信号（外来騒音信号）がバンド毎に出力される。
【００１８】
バンド分析部２１は第１のバンド分析部として機能し、音響再生系から入力部である入力端子２６を介して入力された音響信号の周波数帯域を分割して、第１のバンドレベルを出力する。音響信号推定部２２は、入力端子２６における音響信号本来のバンドレベルを推定し、複数のバンド毎に第２のバンドレベルとして出力する。入力端子２６の音響信号とは、入力端子２６に接続されるマイクロホン１１の出力信号である。バンドレベル減算器２３は処理部として機能し、上記第１のバンドレベルと第２のバンドレベルとを用いて音響信号内に含まれる外来騒音成分を抽出する。この処理は、ここでは引算である。
【００１９】
音響信号推定部２２は、バンド分析部２４と乗算器群２５とを有する。バンド分析部２４は第２バンド分析部として機能し、音響再生系に出力される前の音響信号、つまりスピーカ１０及び入力端子２８に印加される信号に対応したオーディオ信号の周波数帯域を分割して、第３のバンドレベルを出力する。乗算器群２５は演算器として機能し、外来騒音がない状態での音響再生系の音響特性に応じて前記第３のバンドレベルを補正するものである。このように、図１に示す音響信号推定部２２は、マイクロホン１１の位置における音響信号（オーディオ信号）本来の（外来騒音を含まない）バンドレベルを、スピーカ１０に与えられるオーディオ信号を用いて推定している。
【００２０】
バンド分析部２１及び２４でのバンド分析とは、オーディオ信号の周波数帯域を分割して複数のバンド（周波数幅）を定義し、バンド毎にバンドレベルを出力する処理をいう。このように、本実施形態では、音響信号の周波数特性をバンド毎のバンドレベルで表現する。バンドレベルの一例として、バンド毎の平均レベルがある。ある周波数の信号レベルは例えば、入力信号をＦＦＴ（Ｆａｓｔ　ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）演算することで算出できる。この信号レベルを各バンド内のいくつかの周波数で算出し、それらの平均値を演算することで、バンドレベルを得ることができる。
【００２１】
乗算器群２５はバンド毎に乗算器を備えている。各乗算器は、対応するバンドのバンドレベルに所定の係数を乗算する。バンド毎に設定されている係数の値は、音響再生系に依存する。乗算器群２５は、バンド分析部２４が出力するバンドレベルに、純粋な（つまり、外来騒音が存在しない場合の）音響再生系の周波数特性に応じた係数を乗算することで、マイクロホン１１の位置における音響信号（オーディオ信号）本来のバンドレベルを推定している。つまり、乗算器群２５は、音響再生系をモデル化した回路である。
【００２２】
バンドレベル減算器２３は、バンド毎に、バンド分析部２１が出力する第１のバンドレベルから、音響信号推定部２２が出力する第２のバンドレベルを減算し、減算結果を出力端子２７に出力する。このようにして得られた音響信号処理装置２０の出力信号は、バンド毎に推定された外来騒音のバンドレベルを示す外来騒音信号である。
【００２３】
図２は騒音信号のバンドレベルの実測値を示すグラフ、図３は音響信号処理装置２０が出力端子２７に出力する推定バンドレベルを示すグラフ、及び図４は実測値と推定バンドレベルとの誤差を示すグラフである。各図において横軸はバンド番号を示す。図２〜図４の例では、オーディオ信号の周波数帯域を１６個のバンドに等しく分割している。例えば、オーディオ信号の周波数帯域を２０ｋＨｚとすれば、１バンドは１２５０Ｈｚの周波数帯を持つ。また、図２と図３の縦軸はゲイン（ｄＢ）を示す。図４の縦軸は誤差（ｄＢ）を示す。約２ｄＢ程度の誤差の範囲内で騒音信号のバンドレベルを推定できている。また、音響信号処理装置２０の演算回数は以下に示すように、従来技術で必要とされていた演算回数よりも大幅に少ない。周波数帯域を１６バンドに分割した場合の１サンプリング時間での平均積和演算の回数は、
［（４０９６／２）×｛ｌｏｇ_２（４０９６）−１｝＋４０９６ｘｌｏｇ_２（４０９６）＋４０９６＋１６］×２÷４０９６＝３７．００７８回
となり、１秒間には
３７．００７８×４４１００＝１６３２０００回
となる。これは、従来技術の３億６１２６万７２００回に比べ約１／２２１の数値となり、膨大な演算量の削減を実現している。これにより、少ない演算量で精度よく外来騒音を推定することができ、これにより、音響信号処理装置２０の小型化、低コスト化、及び低電力消費化が可能になる。
【００２４】
なお、分割するバンド数は１６個に限定されず、任意のバンド数でよい。ただし、バンド数を増やすと周波数分割の細かな調整が可能となる反面、演算量が多くなる。他方、バンド数を減らすと細かな調整が不可能となるが、演算量はすくなくなる。バンド数は、上記の点を考慮して適宜設定される。
【００２５】
図５（Ａ）に、乗算器群２５の１バンド当りの回路構成例を示す。例えばｉ番目のバンドには、乗算器３１ｉと係数発生器３２ｉが設けられている。乗算器３１ｉは、バンド分析部２４が出力するｉ番目のバンドレベルＳｉに係数発生器３２ｉが発生する係数αｉを乗算する。この演算結果Ｓｉ・αｉがマイクロホン１１の位置における音響信号のｉ番目のバンドレベルの推定値となる。各バンドの係数α１〜αｎ（ｎは２以上の整数）の値は、音響再生系に対応した値に設定される。つまり、各バンドの係数α１〜αｎ（ｎは２以上の整数）の値を適切に設定して、音響再生系をモデル化する。係数α１〜αｎが固定値であると、１つの音響再生系しかモデル化することができない。多様な音響再生系に対応するには、図５（Ｂ）に示すように、係数αｉを可変することができる構成が好ましい。
【００２６】
係数αｉは連続的な可変と離散的な可変の二通りある。係数αｉを連続的に可変できる構成では、あらゆる音響再生系に対応することができる。これに対し、離散的可変の構成では、予めいくつかの係数αｉの値を保持しておき、その中から適当な係数値を選択する。例えば、音響再生系の典型的な例を複数個モデル化し、対応する係数組をレジスタなどに保持しておく。
【００２７】
いずれの場合であっても、係数αｉの値は例えば、音響信号処理装置２０内の制御部で制御される。図６に、制御部２９を備えた音響信号処理装置２０の構成例を示す。制御端子３０を介して外部から与えられる制御信号を受信すると、制御部２９は係数発生器αｉを制御する。連続的に係数値を変化させることができる構成では、制御信号を受けて制御部２９が適当なオーディオ信号をスピーカ１０に供給した状態で得られたバンドレベル減算器２３の出力を入力し、出力の誤差が所定範囲内（例えば図４を参照して説明した２ｄＢ）になるように、各バンドの係数値αｉを調整する。また、離散的な係数値の組が用意されている場合には、上記の出力誤差がもっとも小さい組を選択する。なお、上記誤差を演算することなく、離散的な係数値の組を選択することもできる。この場合には、ユーザが指定する組に対応した信号を制御端子３０に与え、これを受けた制御部２９が指定された係数値の組を選択する。例えば、予め、自動車の車種ごとに対応した係数を設け、ユーザがオーディオ装置（後述する）を操作して、スイッチ操作に対応した所望の信号を選択できるようにすればよい。
【００２８】
上記説明では、バンド分析部２１、２４はＦＦＴ演算をする構成であったが、それ以外の構成を用いてバンド毎のバンドレベルを算出する構成を用いることができる。例えば、通過帯域が異なるバンドバスフィルタでバンド分析部２１、２４を構成することができる。
【００２９】
また、上記説明では各バンドの幅は等しい設定であったが、異なるようにバンド幅を決めることができる。例えば、中低音領域では比較的バンド幅を広くし、高音領域では比較的バンド幅を狭くしてもよい。このようにバンド幅に重み付けをすることで、音響再生系をより忠実にモデル化できるようになる。ただし、バンド幅に重み付けをすると、回路構成及び演算処理が複雑化するので、これらを含めた様々な状況を考慮して、等しいバンド幅にするか重み付けされたバンド幅にするかを適宜選択すればよい。
【００３０】
更に、音響信号処理装置２０は例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いて構成することができる。ＤＳＰは積和演算の繰り返しを高速で行うのに適した回路を含む１チップの半導体装置である。本実施例では上記の通り、演算回数を大幅に削減することができるので、小型のＤＳＰを用いることができ、回路規模の小型化、低コスト化、高速化及び低電力消費化を可能とする。
【００３１】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態によるオーディオ装置を示す図である。図中、前述した構成要素と同一の要素には同一の参照番号を付してある。
【００３２】
図示するオーディオ装置は、オーディオソース３４、補正部３５及び上記音響信号処理装置２０とを備える。オーディオソース３４は、ＣＤ−ＲＯＭやＭＤやカセットテープなどの記録媒体から音楽などのオーディオ情報を読み出し、再生処理を行い、オーディオ信号を補正部３５に出力するものである。補正部は聴覚補正係数発生器３６と聴覚補正フィルタ３７とを有する。聴覚補正フィルタ３７は、オーディオ信号に聴覚補正係数発生器３６が発生する聴覚補正係数を掛け算して、聴覚補正を行う。聴覚補正係数発生器３６は、前記音響信号処理装置２０の出力信号、つまり出力端子２７から出力される外来騒音信号に従い、発生する聴覚補正係数値を調整する。つまり、補正部３５は、スピーカ１０を介して音響再生系に発せられる音響信号が、外来騒音をキャンセルする成分を含むようにフィルタ処理する。補正部３５、スピーカ１０、音響再生系、マイクロホン１１及び音響信号処理装置２０とて１つのループが形成されているので、刻々と変化する外来騒音をリアルタイムに検出し、再生系３４が出力するオーディオ信号をリアルタイムに聴覚補正を施すことができる。
【００３３】
なお、本発明のオーディオ装置はスピーカ１０及び／又はマイクロホン１１を含む構成であってもよいし、スピーカ１０及び／又はマイクロホン１１は本発明のオーディオ装置の外付け部品であってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、少ない演算量で精度よく外来騒音を推定することができる音響信号処理装置及び方法並びにオーディオ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による音響信号処理回路及び方法を示す図である。
【図２】騒音信号のバンドレベルの実測値を示すグラフである。
【図３】図１に示す音響信号処理装置が出力する推定バンドレベルを示すグラフである。
【図４】図２に示す実測値と図３に示す推定バンドレベルとの誤差を示すグラフである。
【図５】図１に示す乗算器群の一構成例を示す図である。
【図６】図１に示す音響信号処理回路の変形例を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態によるオーディオ装置を示す図である。
【図８】従来の音響信号処理装置を示す図である。
【図９】カーオーディオの音響再生系のインパルス応答を示す図である。
【符号の説明】
１０　　スピーカ
１１　　マイクロホン
１２　　減算器
１３　　ＦＩＲフィルタ
２０　　音響信号処理回路
２１　　バンド分析部
２２　　音響信号推定部２２
２３　　バンドレベル減算器
２４　　バンド分析部
２５　　乗算器群
２６　　入力端子
２７　　出力端子
２８　　入力端子
２９　　制御部
３０　　制御端子
３１ｉ　　乗算器
３２ｉ　　係数発生器
３４　　オーディオソース
３５　　補正部
３６　　聴覚補正係数発生器
３７　　聴覚補正フィルタ

Claims

音響再生系から入力部を介して入力された音響信号の周波数帯域を複数のバンドに分割して第１のバンドレベルを出力する第１のバンド分析部と、
前記入力部における前記音響信号本来のバンドレベルを推定し、第２のバンドレベルとして前記複数のバンド毎に出力する音響信号推定部と、
前記第１のバンドレベルと前記第２のバンドレベルとを用いて前記音響信号内に含まれる外来騒音成分を抽出する処理部と
を有することを特徴とする音響信号処理装置。
前記音響信号推定部は、前記音響再生系に出力される前の前記音響信号に対応したオーディオ信号の周波数帯域を前記複数のバンドに分割して第３のバンドレベルを出力する第２のバンド分析部と、外来騒音成分が存在しない状態での前記音響再生系の音響特性に応じて前記第３のバンドレベルを補正する演算部とを有することを特徴とする請求項１記載の音響信号処理装置。
前記音響信号推定部は、前記音響再生系に出力される前の前記音響信号に対応したオーディオ信号の周波数帯域を前記複数のバンドに分割して第３のバンドレベルを出力する第２のバンド分析部と、前記音響再生系の音響特性に応じて前記第３のバンドレベルに係数を乗算する演算部とを有することを特徴とする請求項１記載の音響信号処理装置。
前記音響信号推定部は更に、前記係数の値を調整する手段を有することを特徴とする請求項３記載の音響信号処理装置。
前記音響信号推定部は、前記音響再生系の状態に応じた複数組の第２のバンドレベルを選択的に出力することを特徴とする請求項１記載の音響信号処理装置。
前記処理部は、前記第１のバンドレベルから前記第２のバンドレベルを減算することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の音響信号処理装置。
前記第１のバンド分析部、前記音響信号推定部及び前記処理部は１つのチップ上に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の音響信号処理装置。
前記バンドレベルは、分割された周波数幅のレベルの平均であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の音響信号処理装置。
音響再生系から入力部を介して入力された音響信号の周波数帯域を複数のバンドに分割して第１のバンドレベルを出力する段階と、
前記入力部における前記音響信号本来のバンドレベルを推定し、第２のバンドレベルとして前記複数のバンド毎に出力する段階と、
前記第１のバンドレベルと前記第２のバンドレベルとを用いて前記音響信号内に含まれる騒音成分を抽出する段階と
を有することを特徴とするオーディオ信号処理方法。
オーディオ信号を発生する音源と、該オーディオ信号を補正する補正部とを有し、
該補正部は、請求項１から７のいずれか一項記載の音響信号処理装置と、該音響信号処理装置が出力する前記外来騒音成分に応じて前記オーディオ信号を補正する補正部とを有することを特徴とするオーディオ装置。
前記補正部は、前記騒音成分に応じて前記オーディオ信号の聴覚補正を行うフィルタを含むことを特徴とする請求項１０記載のオーディオ装置。