JP2005160038A - Processing equipment and processing method for sound signal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sound signal processing means capable of performing compression and expansion of each sound pressure band in combination, and capable of making the distortion of a sound after being processed small as much as possible by a simple circuit configuration. <P>SOLUTION: This sound signal processing equipment and processing method are provided with a plurality of first filters for splitting a frequency band, a plurality of sound-signal compression/expansion processing means which receive sound signals V having passed these first filters and convert their amplitudes so that the amplitudes satisfy the relation of W = sgn(V)×C×¾V/Vc¾n, a plurality of second filters which remove high-frequency components exceeding the upper limits of respective split frequency bands from the sound signals W of their outputs, and a composition device for compounding the output signals of these second filters. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、音信号の加工装置および加工方法に関する。この発明は、スピーカにより音(音声、音響)を発生する装置、例えばCD、MD、磁気テープ等の記録媒体から音信号を再生する再生装置、テレビ、ラジオ、電話器(携帯電話を含む)等の、電気信号(電波)を受信し、復調、増幅等の処理をして音信号を出力する受信(受話)装置、補聴器等のマイクロフォンにより採取した音を処理してスピーカから出力する装置等に適用される。またこの発明は、時間的に変動する振動または波動現象、例えば心電図の処理等にも適用することができる。   The present invention relates to a sound signal processing apparatus and method. The present invention is a device that generates sound (sound, sound) through a speaker, such as a playback device that reproduces a sound signal from a recording medium such as a CD, MD, or magnetic tape, a television, a radio, a telephone (including a mobile phone), etc. For receiving (receiving) devices that receive electrical signals (radio waves), process demodulation, amplification, etc., and output sound signals, devices that process sounds collected by microphones such as hearing aids, and output them from speakers Applied. The present invention can also be applied to time-varying vibration or wave phenomena such as electrocardiogram processing.

上記の各種音声、音響装置では、音の記録、再生、出力の処理において、音の持つ音圧帯域(小さい音から大きい音までの範囲)に応じて、信号帯域の圧縮、伸長、ノイズ低減、増幅技術等さまざまな工夫がなされているが、最終的に出力される音は、できるだけ元の音(音源の音)に近いものにするというのが原則である。すなわち、小さな音は小さく、大きな音は大きく出力することになる。   In the above-mentioned various audio and audio devices, in the process of recording, reproducing, and outputting the sound, depending on the sound pressure band (range from a small sound to a large sound) that the sound has, compression, expansion, noise reduction, Various ideas such as amplification techniques have been made, but in principle, the final output sound should be as close as possible to the original sound (the sound of the sound source). That is, small sounds are small and loud sounds are output loudly.

例えばCDに記録される音の音圧帯域は90dBもある。このような広い音圧帯域の音を静かな環境下で再生するという前提があれば、上記の原則に従うことが好ましいし、音を静かな環境下で再生すれば細かなニュアンスを聞き取ることができる。   For example, the sound pressure band of sound recorded on a CD is 90 dB. If there is a premise that such a wide sound pressure band sound is reproduced in a quiet environment, it is preferable to follow the above principle, and if the sound is reproduced in a quiet environment, fine nuances can be heard. .

しかしながら、常に静かな環境が確保できるとは限らない。雑音が多い場所でヘッドフォン又はイヤフォンを用いて再生装置の再生音を聞く場合や、工場等の騒音下で携帯電話を用いる場合等においては、小さな音は周囲の騒音により聞き取りにくくなる。騒音下で人が聞き取る音の大きさLと音の強度Iの関係はLochnerとBurgerによって、
L = C(I−I
で与えられている(下記非特許文献1)。ここでCは定数、Iは騒音によって決まる臨界値、nはべき指数である。Iより小さな音は聞き取ることができない。
However, it is not always possible to ensure a quiet environment. When listening to the playback sound of the playback device using headphones or earphones in a noisy place, or when using a mobile phone under the noise of a factory or the like, small sounds are difficult to hear due to ambient noise. The relationship between the loudness L and the sound intensity I heard by people under noisy conditions is given by Lochner and Burger.
L = C (I n −I 0 n )
(Non-Patent Document 1 below). Here, C is a constant, I 0 is a critical value determined by noise, and n is a power exponent. Sounds smaller than I 0 cannot be heard.

小さな音を聞くためにボリュウム(音圧レベル)を上げれば、大きな音は過大な音圧になり、聴覚器官の障害を引き起こすおそれもある。したがって、このような場合には、小さい音の増幅度を大きく、大きな音の増幅度を小さくして、音圧帯域を圧縮する音信号の加工が必要になる。   If you increase the volume (sound pressure level) to hear small sounds, loud sounds can become excessive and can cause damage to the hearing organ. Therefore, in such a case, it is necessary to process a sound signal that compresses the sound pressure band by increasing the amplification level of a small sound and decreasing the amplification level of a large sound.

また、聴覚障害者のための補聴器も、上記と同様な音信号の加工が必要である。高齢者に多い感音性難聴では、微弱な音の増幅機能がなくなってしまう一方で、強い音は健聴者と同様に聞こえる。そのため、小さな音の増幅率を相対的に大きくして、音圧帯域を圧縮することが必要である。   Also, hearing aids for the hearing impaired need to process sound signals similar to the above. In the sensorineural hearing loss common to elderly people, the weak sound amplification function is lost, while the strong sound is heard like a normal hearing person. Therefore, it is necessary to compress the sound pressure band by relatively increasing the amplification factor of a small sound.

このような音圧帯域の圧縮には非線形の増幅を行なう必要が有り、これによって音に歪みが生じたり、母音と子音の音圧バランスが崩れたりして、聞き取りにくい又は耳ざわりな音になるという問題が常に付随する。これを軽減するため、従来から種々の手段が検討されてきた。例えば、可聴音域を複数の周波数帯域に分割し、各帯域で増幅器の増幅度を制御したり、各帯域で増幅後の音信号中の高周波成分をフィルタで除去したりする方法が種々提案されている(下記特許文献1、2など)。   Such compression of the sound pressure band requires non-linear amplification, which causes distortion in the sound, or the sound pressure balance between the vowels and the consonants is lost, making it difficult to hear or uncomfortable. Problems always accompany. In order to reduce this, various means have been studied conventionally. For example, various methods have been proposed in which the audible sound range is divided into a plurality of frequency bands, the amplification degree of the amplifier is controlled in each band, and the high frequency components in the amplified sound signal are removed by filters in each band. (Patent Documents 1 and 2 below).

また、近年音信号をデジタル化し、デジタル信号処理を用いて利得や周波数特性を変化させ、入力音を感音性難聴者の狭くなった可聴音圧帯域に収まるような処理を行なう方法も種々提案されている(下記非特許文献2など)。
特開昭56−136099号公報 特開平5−64297号公報 Lochner J.P.A and Burger J.F.,Acoust.Soc.Am.,pp.1705-1707(1961) 浅野太他:日本音響学会誌,47巻6号,pp.373-379(1991)
In recent years, various methods have been proposed to digitize sound signals, change the gain and frequency characteristics using digital signal processing, and process the input sound so that it falls within the narrow audible sound pressure band of the hearing-impaired deaf. (Non-Patent Document 2 below).
Japanese Patent Laid-Open No. 56-136099 JP-A-5-64297 Lochner JPA and Burger JF, Acoust.Soc.Am., Pp.1705-1707 (1961) Asano et al .: Journal of the Acoustical Society of Japan, 47 (6), pp.373-379 (1991)

従来の音圧帯域圧縮法では、圧縮後の音に生じる歪みを完全に除去するとが難しく、加工後の音が聞きにくかったり、不自然になったりすることが多かった。また、入力音の変化に対応して、増幅率を変化させる自動利得制御(AGC)式の方法も種々提案されているが、フィードバック回路や比較回路等を必要とし、回路構成が複雑になるという問題がある。   In the conventional sound pressure band compression method, it is difficult to completely remove the distortion generated in the compressed sound, and the processed sound is often difficult to hear or unnatural. Various automatic gain control (AGC) methods for changing the amplification factor in response to changes in the input sound have been proposed, but a feedback circuit, a comparison circuit, etc. are required, and the circuit configuration is complicated. There's a problem.

一方、全音圧域を一様に圧縮したのでは、ごく僅かな騒音や雑音も大きく増幅され、補聴器ではハウリングが問題となる。したがって、音圧の低い領域においては、ごく微弱な音の増幅を抑え、やや大きい音の増幅度を高めるという音圧帯域の伸長が必要になる。すなわち、音圧圧縮と音圧伸長を組み合わせた音信号の加工が必要となるが、従来この両者を同時に実現する簡便な手段が得られているとは言い難い。   On the other hand, if the entire sound pressure range is uniformly compressed, very little noise and noise are greatly amplified, and howling is a problem in hearing aids. Therefore, in the region where the sound pressure is low, it is necessary to extend the sound pressure band so as to suppress the amplification of a very weak sound and increase the amplification degree of a slightly loud sound. In other words, it is necessary to process a sound signal that combines sound pressure compression and sound pressure expansion, but it is difficult to say that a simple means for realizing both of them has been obtained.

そこで本発明は、簡単な回路構成で、音圧帯域の圧縮と伸長を組み合わせて行なうことができ、処理後の音の歪みを極力小さくし得る音信号の加工装置と加工方法を提供することを課題としている。   Therefore, the present invention provides a sound signal processing apparatus and method that can be combined with compression and expansion of the sound pressure band with a simple circuit configuration, and can reduce the distortion of the processed sound as much as possible. It is an issue.

上記課題を解決するための本発明の音信号の加工装置の第一は、音信号の持つ周波数帯域を複数の分割周波数帯域に周波数分割する複数の第1フィルタと、この第1フィルタを通過した音信号のそれぞれを入力して、その振幅を下式の関係を満たすように変換する複数の音信号圧縮・伸長処理手段(以下、単に「音信号処理手段」という)と、この音信号処理手段からそれぞれ得られる音信号から、少なくともそれらに対応する分割周波数帯域の上限を超える高周波成分をそれぞれ除去する複数の第2フィルタと、この複数の第2フィルタの出力信号を合成する合成装置を備えたことを特徴とするものである。   The first of the sound signal processing apparatus of the present invention for solving the above-described problems is a plurality of first filters that frequency-divide a frequency band of the sound signal into a plurality of divided frequency bands, and the first filter has passed through the first filter. A plurality of sound signal compression / expansion processing means (hereinafter simply referred to as “sound signal processing means”) for inputting each of the sound signals and converting their amplitudes so as to satisfy the relationship of the following formula, and the sound signal processing means A plurality of second filters for respectively removing at least high frequency components exceeding the upper limit of the divided frequency band corresponding to each of the sound signals obtained from each of the sound signals, and a synthesis device for synthesizing the output signals of the plurality of second filters It is characterized by this.

W = sgn(V)・C|V/Vc| ………(1)
ここで、V:音信号処理手段への入力音信号の瞬時値
Vc:処理目的に応じて設定される入力音信号の正の基準値
W:音信号処理手段からの出力音信号の瞬時値
sgn(V):符号関数(V>0で+1、V<0で−1)
C:比例定数
n:処理目的に応じて設定される冪(べき)指数
また、上記第一の音信号の加工装置は、前記複数の音信号圧縮・伸長処理手段において、前記(1)式中で|V|≧Vcのときにnを1より小さい所定の値とし、|V|<Vcのときにnを1より大きい所定の値として、音信号振幅の変換処理を行なう機能を備えたものであることが好ましい。
W = sgn (V) · C | V / Vc | n (1)
Where V: instantaneous value of the input sound signal to the sound signal processing means Vc: positive reference value of the input sound signal set according to the processing purpose W: instantaneous value of the output sound signal from the sound signal processing means
sgn (V): sign function (+1 for V> 0, -1 for V <0)
C: Proportional constant n: 指数 (power) index set according to the purpose of processing In addition, the first sound signal processing device includes a plurality of sound signal compression / expansion processing means in the formula (1) A function for performing sound signal amplitude conversion processing when n is set to a predetermined value smaller than 1 when | V | ≧ Vc, and n is set to a predetermined value larger than 1 when | V | <Vc. It is preferable that

本発明の音信号の加工方法の第一は、入力された音信号を、それぞれに異なる複数の周波数帯域の音信号に周波数分割するステップと、この周波数分割された音信号のそれぞれの振幅を、前記(1)式の関係を満たす音信号に変換するステップと、この変換された各音信号から、変換により生じる高周波成分をそれぞれ除去するステップと、この高周波成分が除去された各音信号を合成するステップとを具備することを特徴とするものである。   The first of the sound signal processing method of the present invention, the step of frequency dividing the input sound signal into sound signals of a plurality of different frequency bands, respectively, and the amplitude of each of the frequency-divided sound signals, The step of converting to a sound signal satisfying the relationship of the expression (1), the step of removing high frequency components generated by the conversion from the converted sound signals, and the sound signals from which the high frequency components have been removed are synthesized. And a step of performing.

また、上記第一の音信号の加工方法は、上記の音信号振幅の変換ステップにおいて、複数の周波数帯域に周波数分割された音信号の全部又は一部について、前記(1)式中で|V|≧Vcのときにnを1より小さい所定の値とし、|V|<Vcのときにnを1より大きい所定の値として、音信号振幅の変換処理を行なうものであってもよい。   Further, in the first sound signal processing method, all or part of the sound signal frequency-divided into a plurality of frequency bands in the sound signal amplitude converting step is represented by | V in the equation (1). Sound signal amplitude conversion processing may be performed by setting n to a predetermined value smaller than 1 when | ≧ Vc, and setting n to a predetermined value larger than 1 when | V | <Vc.

本発明の音信号の加工装置の第二は、音信号の持つ周波数帯域を複数の分割周波数帯域に周波数分割する複数の第1フィルタと、複数の第1フィルタを通過した音信号のそれぞれを入力して、その振幅を下記(2)式の関係を満たすように変換する複数の音信号処理手段と、この音信号処理手段からそれぞれ得られる音信号から、それらに対応する分割周波数帯域の上限を超える高周波成分をそれぞれ除去する複数の第2フィルタと、この複数の第2フィルタの出力信号を合成する合成装置を備えた音信号の加工装置である。   The second of the sound signal processing apparatus of the present invention inputs a plurality of first filters that frequency-divide a frequency band of the sound signal into a plurality of divided frequency bands, and a sound signal that has passed through the plurality of first filters. Then, from a plurality of sound signal processing means for converting the amplitude so as to satisfy the relationship of the following equation (2), and the sound signals respectively obtained from the sound signal processing means, the upper limit of the divided frequency band corresponding to them is set. The sound signal processing apparatus includes a plurality of second filters that respectively remove excess high-frequency components and a synthesis device that synthesizes output signals of the plurality of second filters.

W = sgn(V)・C・(|V|−Vc) ………(2)
ただし、|V|<VcではW=0とする。
ここで、V,Vc,W,sgn(V)及びCは上記(1)式の場合と同様に定義される。また、nは処理目的に応じて設定される正のべき指数である。
W = sgn (V) · C · (| V | n -Vc n) ......... (2)
However, if | V | <Vc, W = 0.
Here, V, Vc, W, sgn (V), and C are defined in the same manner as in the above equation (1). N is a positive exponent that is set according to the processing purpose.

この第二の音信号の加工装置は、前記音信号処理手段においてはnを1より小さな所定の値として信号圧縮を行い、nを1より大きい所定の値として信号の伸長を行う。
また、本発明の音信号の加工方法の第二は、入力された音信号を、それぞれに異なる複数の周波数帯域の音信号に周波数分割するステップと、この周波数分割された音信号のそれぞれの振幅を、前記(2)式の関係を満たす音信号に変換するステップと、この変換された各音信号から、変換により生じる高周波成分をそれぞれ除去するステップと、この高周波成分が除去された各音信号を合成するステップとを具備することを特徴とするものである。
In the second sound signal processing apparatus, the sound signal processing means performs signal compression with n set to a predetermined value smaller than 1, and performs signal expansion with n set to a predetermined value larger than 1.
A second method of processing a sound signal according to the present invention includes a step of frequency-dividing an input sound signal into sound signals of a plurality of different frequency bands, and respective amplitudes of the frequency-divided sound signal. Are converted into sound signals satisfying the relationship of the above expression (2), high-frequency components generated by the conversion are removed from the converted sound signals, and the sound signals from which the high-frequency components are removed And a step of synthesizing.

ここで、音信号とは音声信号および音響信号を含む概念である。音信号を加工装置に入力する前段において、または加工装置の出力音信号をその後段において(スピーカに与える前段において)、および上記の両方において、増幅器で増幅することを妨げるものではない。スピーカとはヘッドフォン、イヤフォン等を含み、音信号(電気信号)を音に変換する装置を意味する。   Here, the sound signal is a concept including an audio signal and an acoustic signal. It does not prevent the amplifier from amplifying the sound signal before the sound signal is input to the processing apparatus, or the output sound signal of the processing apparatus at the subsequent stage (before the sound signal is supplied to the speaker) and both of the above. The speaker means a device that converts a sound signal (electric signal) into sound, including headphones, earphones, and the like.

本発明の好ましい実施態様では、加工装置に与えられる音信号はデジタル形式である。この場合には、第1フィルタおよび第2フィルタはデジタル・フィルタであり、音信号処理手段もデジタルの信号処理手段である。加工装置の出力デジタル信号は、アナログ信号に変換されてスピーカに与えられる。もっとも、加工装置の一部の構成要素をアナログ信号処理回路で実現することもできる。例えば、第1フィルタをアナログ・フィルタで実現し、第1フィルタの出力信号をデジタル信号に変換して、音信号処理手段に与えることもできる。   In a preferred embodiment of the invention, the sound signal provided to the processing device is in digital form. In this case, the first filter and the second filter are digital filters, and the sound signal processing means is also a digital signal processing means. The output digital signal of the processing apparatus is converted into an analog signal and given to the speaker. However, some components of the machining apparatus can be realized by an analog signal processing circuit. For example, the first filter can be realized by an analog filter, and the output signal of the first filter can be converted into a digital signal and provided to the sound signal processing means.

複数のフィルタ、複数の音信号処理手段とは、時分割処理を行なうものを含む。例えば、一つの音信号処理手段に、時分割で複数の第1フィルタの出力を順次与え、時系列的に処理する形態も、複数の周波数帯域の音信号を別々に処理するという意味で、複数の音信号処理手段に該当する。このことは、複数の第1、第2フィルタについても同じである。   The plurality of filters and the plurality of sound signal processing means include those that perform time division processing. For example, a form in which the outputs of a plurality of first filters are sequentially given to one sound signal processing means in a time-division manner and processed in time series also means that sound signals in a plurality of frequency bands are processed separately. This corresponds to the sound signal processing means. This is the same for the plurality of first and second filters.

上記第一の音信号の加工装置の一実施態様として、全音圧帯域で一様な音圧圧縮を行なう態様がある。例えば、(1)式においてVcをVの最大値(以下、最大値の絶対値をVmaxとする)に設定し、0<n<1に設定すれば、Vcで規格化された入力音信号の瞬時値(V/Vc)がn乗されて音信号処理手段から出力される。|V|がVcに近い範囲では増幅率は小さいが、|V|が小さくなるほど増幅率は大きくなって、音圧帯域の圧縮が行われる。実用的にはn=0.3〜0.8とすることが多い。   As an embodiment of the first sound signal processing apparatus, there is an embodiment in which uniform sound pressure compression is performed in the entire sound pressure band. For example, in the equation (1), if Vc is set to the maximum value of V (hereinafter, the absolute value of the maximum value is referred to as Vmax) and 0 <n <1, the input sound signal normalized by Vc The instantaneous value (V / Vc) is raised to the nth power and output from the sound signal processing means. In the range where | V | is close to Vc, the amplification factor is small. However, as | V | becomes smaller, the amplification factor becomes larger and compression of the sound pressure band is performed. In practice, n is often set to 0.3 to 0.8.

なお、この実施態様においては、第1フィルタで分割された各周波数帯域において、それぞれ同一モードの((1)式のn,Cの値が同じ)音圧圧縮を行なってもよいが、処理目的によっては、各周波数帯域でnやCの値を変えて、音信号の加工を行なってもよい。また、Vcの値を中間の音圧に設定し、この値を中心にした音圧圧縮(|V|がVcの時に増幅率が1)をしてもよい。   In this embodiment, sound pressure compression in the same mode (same values of n and C in equation (1)) may be performed in each frequency band divided by the first filter. Depending on the case, the value of n or C may be changed in each frequency band to process the sound signal. Alternatively, the value of Vc may be set to an intermediate sound pressure, and sound pressure compression centered on this value (amplification factor of 1 when | V | is Vc) may be performed.

また、上記第一の音信号の加工装置の他の実施態様として、全音圧帯域をVcの値を境界として2分割し、その両側でnの値を変えて、モードの異なる音圧圧縮及び/又は音圧伸長を行なう形態がある。例えば、通常会話の音圧範囲の下限付近にVcの値を設定し、|V|がVcより大きい範囲ではn<1として音圧圧縮し、|V|がVcより小さい範囲ではn>1として音圧伸長すれば、単純な音圧圧縮の機能のみならず、微弱な環境騒音を遮断するという機能も兼ね備えることができる。   As another embodiment of the first sound signal processing apparatus, the entire sound pressure band is divided into two with the value of Vc as a boundary, and the value of n is changed on both sides thereof, so that sound pressure compression and / or different modes are performed. Or there is a form which performs sound pressure extension. For example, the value of Vc is set near the lower limit of the sound pressure range of normal conversation, the sound pressure is compressed as n <1 when | V | is larger than Vc, and n> 1 when | V | is smaller than Vc. If the sound pressure is expanded, not only a simple sound pressure compression function but also a function of blocking weak environmental noise can be provided.

本発明の第二の音信号の加工装置においては、第1フィルタで分割された各周波数帯域において、それぞれ同一モードの((2)式のn,Cの値が同じ)音圧圧縮または伸長を行なってもよいが、処理目的によっては、各周波数帯域でnやCの値を変えて、音信号の加工を行なってもよい。   In the second sound signal processing apparatus of the present invention, sound pressure compression or expansion in the same mode (same values of n and C in equation (2)) are performed in each frequency band divided by the first filter. However, depending on the purpose of processing, the sound signal may be processed by changing the values of n and C in each frequency band.

上記の第一及び第二の音信号の加工装置のいずれにおいても、音圧帯域の圧縮・伸長は非線形増幅であるから、波形に歪みが生じ、高周波成分が発生する。この高周波成分が第2フィルタによって除去される。第2フィルタによって高周波成分を除去するためには、これを通過する本来の音信号の周波数帯域を限定しておく必要が有り、この目的のために第1フィルタが設けられている。したがって、第1フィルタと第2フィルタとは、基本的に通過周波数帯域が対応している(重なっている)。   In both the first and second sound signal processing apparatuses described above, since compression / expansion of the sound pressure band is nonlinear amplification, the waveform is distorted and a high frequency component is generated. This high frequency component is removed by the second filter. In order to remove high frequency components by the second filter, it is necessary to limit the frequency band of the original sound signal passing through the second filter, and the first filter is provided for this purpose. Therefore, the first filter and the second filter basically correspond (overlap) in the pass frequency band.

本発明は、上記のように構成されているため、まず第一に、単一の回路構成で多様な音信号の加工が可能であるという特徴を有する。本発明の好ましい実施形態では、少なくとも音信号処理手段はデジタル処理であるから、(1)または(2)式におけるパラメータn,C,Vcを変えて処理することに何の困難さもない。各周波数帯域毎にこれらの値を変えることも容易である。したがって本発明は、上述のような補聴器、聴音器等での微弱音の選択的拡大という用途のみならず、音楽データの加工や、音声認識装置に入力する音の前処理、音響を用いた各種診断法のデータ処理等に広く用いることができる。   Since the present invention is configured as described above, first of all, it has a feature that various sound signals can be processed with a single circuit configuration. In a preferred embodiment of the present invention, since at least the sound signal processing means is digital processing, there is no difficulty in changing the parameters n, C, and Vc in the expression (1) or (2). It is also easy to change these values for each frequency band. Therefore, the present invention is not only used for the selective expansion of weak sounds in the above-mentioned hearing aids, hearing instruments, etc., but also for processing music data, pre-processing of sounds input to a speech recognition device, and various types using sound. It can be widely used for data processing of diagnostic methods.

第二に、本発明によれば、音信号の圧縮・伸長等の加工後の歪みの除去が容易である。正弦波形の純音を(1)または(2)式に基づいて音圧圧縮した後の波形を解析すると、奇数次(3次以上)の高調波のみが重畳されていることが知れる。この高調波は、低域通過フィルタで容易に除去できる。実際の音信号は複合音であるが、本発明では第1フィルタで周波数成分をオクターブバンド幅程度に分割して処理しているため、おおむね純音と同様に加工後の音信号の歪みを除去することができる。   Secondly, according to the present invention, it is easy to remove distortion after processing such as compression / expansion of a sound signal. When analyzing the waveform after compressing the sound pressure of a pure tone of a sine waveform based on the formula (1) or (2), it is known that only odd-order (third-order or higher) harmonics are superimposed. This harmonic can be easily removed with a low-pass filter. Although the actual sound signal is a composite sound, in the present invention, the frequency component is processed by being divided into about an octave bandwidth by the first filter, so that the distortion of the processed sound signal is removed in the same manner as a pure sound. be able to.

本発明の音信号の加工装置の構成要素は、フィルタと合成装置と音信号処理手段のみである。前2者はごく普通に用いられるものであり、デジタル処理の場合、後者は簡単な演算機能を有する複数の専用演算器、デジタル・シグナル・プロセッサ(DSP)又はパソコン等の汎用計算機を用いて行なうことができる。したがって、本発明は、従来のAGC方式等の音信号の加工装置と比較して、比較的簡単な装置で安価に実現できるという特色を有している。   The constituent elements of the sound signal processing apparatus of the present invention are only a filter, a synthesizing apparatus, and a sound signal processing means. The former two are commonly used, and in the case of digital processing, the latter is performed using a general-purpose computer such as a plurality of dedicated arithmetic units having a simple arithmetic function, a digital signal processor (DSP), or a personal computer. be able to. Therefore, the present invention has a feature that it can be realized at a low cost with a relatively simple device as compared with a conventional AGC method sound signal processing device.

図1は、本発明の実施例である音信号の加工装置の電気的構成を示すブロック図である。この装置の入力端子に入力される音信号は、例えばCD,MD等から再生された音信号、テレビ、ラジオ、電話器等において受信した信号を復調して得られた音信号(または受信信号そのもの)、補聴器においてマイクロフォンにより採取した音信号などである。本実施例では、音信号は図示していないA/D変換器により、デジタル信号に変換された後、複数の第1フィルタ1に入力される。   FIG. 1 is a block diagram showing an electrical configuration of a sound signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention. The sound signal input to the input terminal of this apparatus is, for example, a sound signal reproduced from a CD, MD, etc., a sound signal obtained by demodulating a signal received by a television, radio, telephone, etc. (or the received signal itself) ), A sound signal collected by a microphone in a hearing aid. In this embodiment, the sound signal is converted into a digital signal by an A / D converter (not shown) and then input to the plurality of first filters 1.

複数の第1フィルタ1は、それぞれデジタル・フィルタであり、入力音信号の持つ周波数帯域を、複数の異なる分割周波数帯域に周波数分割する。フィルタ1は基本的にバンドパス・フィルタであるが、最も低い周波数帯域を通過させるフィルタはロウパス・フィルタでもよく、最も高い周波数帯域を通過させるフィルタはハイパス・フィルタでもよい。入力音信号の各周波数成分は、それぞれ対応する周波数帯域のフィルタ1を通過する。   Each of the plurality of first filters 1 is a digital filter, and divides the frequency band of the input sound signal into a plurality of different divided frequency bands. The filter 1 is basically a band-pass filter, but the filter that passes the lowest frequency band may be a low-pass filter, and the filter that passes the highest frequency band may be a high-pass filter. Each frequency component of the input sound signal passes through the filter 1 of the corresponding frequency band.

複数の信号(圧縮・伸長)処理手段2には、それぞれ対応する第1フィルタ1を通過した音信号が入力される。信号処理手段2は、音圧に相当する電圧の瞬時値Vを、(1)式に基づいて出力電圧Wに変換する。(1)式におけるVc,n,Cは、パラメータとして予め設定しておけばよい。この信号処理手段2は、DSPで処理することが出来るが、簡単な演算機能を有する専用の演算器を複数台用いて、各周波数帯域で並列に処理してもよい。しかし、必ずしもリアルタイムで処理する必要がない場合は、汎用の計算機を用いて、各周波数帯域のデータを一旦メモリーに蓄積し、これらを順次時系列的に処理してもよい。   The plurality of signal (compression / decompression) processing means 2 are input with sound signals that have passed through the corresponding first filters 1. The signal processing means 2 converts the instantaneous value V of the voltage corresponding to the sound pressure into the output voltage W based on the equation (1). Vc, n, and C in equation (1) may be set in advance as parameters. This signal processing means 2 can be processed by a DSP, but may be processed in parallel in each frequency band using a plurality of dedicated arithmetic units having a simple arithmetic function. However, when it is not always necessary to process in real time, data of each frequency band may be temporarily stored in a memory using a general-purpose computer, and these may be sequentially processed in time series.

(1)式により音信号の加工を行なう場合は、Vcはnの値を切り替える音圧レベルに設定すればよい。また、(2)式により音信号の加工を行なう場合は、Vcは出力を零とする上限の音圧レベルに設定すればよい。いずれの場合も、べき指数nは音圧圧縮又は伸長(n<1で音圧圧縮、n>1で音圧伸長)の程度に対応するパラメータで、nが小さい(大きい)ほど音圧帯域圧縮(伸長)の程度が大きい。Cは増幅率に相当する比例定数である。これらのパラメータVc,n,Cの組み合わせを適宜選択することにより、いかなるモードの音圧圧縮・伸長処理も簡便に行い得ることが本発明の特徴である。   When the sound signal is processed according to equation (1), Vc may be set to a sound pressure level for switching the value of n. Further, when processing the sound signal by the expression (2), Vc may be set to the upper limit sound pressure level at which the output is zero. In any case, the power index n is a parameter corresponding to the degree of sound pressure compression or expansion (sound pressure compression when n <1 and sound pressure expansion when n> 1), and sound pressure band compression as n becomes smaller (larger). The degree of (extension) is large. C is a proportionality constant corresponding to the amplification factor. It is a feature of the present invention that sound pressure compression / decompression processing in any mode can be easily performed by appropriately selecting a combination of these parameters Vc, n, and C.

(1)式による音信号の加工の一例として、0〜100dBの信号を扱う場合、Vc=|Vmax|、n=0.5、C=1として音圧圧縮した場合の出力音圧の計算結果を図2に示す。ここで、Vmaxは入力信号の最大値であり、100dBに相当する。このような音圧圧縮特性は、補聴器に好適である。   As an example of the processing of the sound signal by the expression (1), when a 0 to 100 dB signal is handled, the calculation result of the output sound pressure when the sound pressure is compressed with Vc = | Vmax |, n = 0.5, and C = 1. Is shown in FIG. Here, Vmax is the maximum value of the input signal and corresponds to 100 dB. Such a sound pressure compression characteristic is suitable for a hearing aid.

なお、(2)式による音信号の加工の一例として、0〜100dBの信号を扱う場合、Vc=0、n=0.5として音圧圧縮した場合の出力音圧の計算結果は、先の図2の結果と同様になる。ここで、CはWの最大値が100dBとなるように選んでいる。このような音圧特性は、補聴器の基本的な増幅特性として好適である。   As an example of the processing of the sound signal by the expression (2), when a 0 to 100 dB signal is handled, the calculation result of the output sound pressure when the sound pressure is compressed with Vc = 0 and n = 0.5 is The result is similar to the result of FIG. Here, C is selected so that the maximum value of W is 100 dB. Such a sound pressure characteristic is suitable as a basic amplification characteristic of a hearing aid.

分割周波数帯域ごとに、音圧レベルが帯域圧縮(伸長)された音信号処理手段2の出力Wは、それぞれ対応する第2フィルタ3に入力される。第2フィルタ3は、音信号処理手段2における圧縮(伸長)処理により生じた高周波成分を除去するものであり、具体的にはデジタル・フィルタにより実現される。第2フィルタ3は、高周波成分の除去が目的であるから、ロウパス・フィルタを用いることができ、その遮断周波数は、対応する第1フィルタ1の上限周波数に対応(合致)している。   The output W of the sound signal processing means 2 whose sound pressure level is band-compressed (expanded) for each divided frequency band is input to the corresponding second filter 3. The second filter 3 removes high-frequency components generated by the compression (expansion) processing in the sound signal processing means 2, and is specifically realized by a digital filter. Since the second filter 3 is intended to remove high-frequency components, a low-pass filter can be used, and the cut-off frequency corresponds (matches) to the upper limit frequency of the corresponding first filter 1.

一例として、1kHzの正弦波(純音)を、(1)式においてn=0.4,C=1として圧縮処理した後の波形を図3に示す。図中実線は元の正弦波、破線は圧縮後の波形である。このように歪みの生じた波形をFFT解析した結果を図4に示す。図に見られるように、歪み成分は奇数次の高調波に限られており、オクターブバンド幅のフィルタによりこの歪み成分を除去して、元の正弦波に戻しうることが知れる。なお、1kHzの正弦波の例のみ示しているが、周波数に依存せず同様の結果となる。   As an example, FIG. 3 shows a waveform after compression of a 1 kHz sine wave (pure tone) with n = 0.4 and C = 1 in equation (1). In the figure, the solid line is the original sine wave, and the broken line is the waveform after compression. FIG. 4 shows the result of FFT analysis of the waveform having such distortion. As can be seen from the figure, the distortion component is limited to odd harmonics, and it is known that the distortion component can be removed by an octave bandwidth filter and returned to the original sine wave. Although only an example of a 1 kHz sine wave is shown, the same result is obtained regardless of the frequency.

分割周波数帯域ごとに第2フィルタ3を通過した音信号は、加算器4により合成され、出力音信号となる。加算器4はコンピュータまたはプロセッサにより実現することができる。したがって、音信号の加工装置の全体をコンピュータまたはプロセッサにより実現することが可能である。加算器4の出力信号は、D/A変換器でアナログ信号に変換され、必要に応じて駆動増幅器を経て、スピーカに与えられる。   The sound signal that has passed through the second filter 3 for each divided frequency band is synthesized by the adder 4 and becomes an output sound signal. The adder 4 can be realized by a computer or a processor. Therefore, the entire sound signal processing apparatus can be realized by a computer or a processor. The output signal of the adder 4 is converted into an analog signal by a D / A converter, and given to a speaker through a drive amplifier as necessary.

次に、本発明を補聴器に適用する場合について説明する。PHONAK社のLPPという難聴者の特性を測定する機器により、ある難聴者の聴力を測定し、健聴者と同レベルに聞こえるために必要な出力音圧Wを調査した結果の例を図5に示す(図中の●印が測定結果)。この結果から、入力音圧Vが50dBの時は約40dB増幅し、Vが80dBの時は約20dB増幅すると、健聴者と同様に聞こえることが知れる。このデータに基づいて、望ましいnの値を求めると、n=0.4となる。すなわち、W∽V0.4となるように音圧圧縮すればよいことが分かる。 Next, a case where the present invention is applied to a hearing aid will be described. FIG. 5 shows an example of a result of investigating the hearing ability of a deaf person using a PHONAK LPP device that measures the characteristics of a deaf person and investigating the output sound pressure W required to hear the same level as a normal hearing person. (The measurement results are marked with ● in the figure). From this result, it is known that when the input sound pressure V is 50 dB, it is amplified by about 40 dB, and when V is 80 dB, it is amplified by about 20 dB, so that it can be heard like a normal hearing person. When a desirable value of n is obtained based on this data, n = 0.4. That is, it is understood that sound pressure compression may be performed so that W∽V 0.4 .

しかし、音圧の低い(例えば20dB以下の)領域まで、このまま音圧圧縮すると、僅かな環境騒音が過大に増幅されて、うるさく感じられる場合がある。そのため、(1)式により音信号の加工を行なう場合は、40dB程度以下の音圧域では、逆に音圧を伸長することが好ましい。この音圧伸長域ではn=2〜3程度にすればよい。前述の難聴者に適した音圧圧縮・伸長の組み合わせとして、音圧レベル0〜100dBの入力信号の40dB(振幅で100dBの1/10に相当する)のところでべき指数を切り替えることとし、Vc=|Vmax|/10,n=0.4,n=3,C=200Vcとするのが適当である。これを式に書くと、
|V|≧Vcで、 W= sgn(V)・200Vc・|V/Vc|0.4
|V|<Vcで、 W= sgn(V)・200Vc・|V/Vc|
となる。この関係は図5の実線で示される。このように、パラメータの設定により、音圧圧縮・伸長の形を任意に変えられることが本発明の特徴である。
However, if the sound pressure is compressed as it is to a region where the sound pressure is low (for example, 20 dB or less), a slight environmental noise may be excessively amplified and may be felt noisy. For this reason, when processing the sound signal according to the equation (1), it is preferable to extend the sound pressure in the sound pressure range of about 40 dB or less. In this sound pressure extension region, n = 2 to 3 is sufficient. As a combination of sound pressure compression / expansion suitable for the above-mentioned hearing-impaired person, the exponent should be switched at 40 dB (corresponding to 1/3 of 100 dB in amplitude) of the input signal having a sound pressure level of 0 to 100 dB, and Vc = | Vmax | / 10 3 , n L = 0.4, n H = 3, and C = 200 Vc are appropriate. If you write this in an expression,
| V | ≧ Vc, W = sgn (V) · 200Vc · | V / Vc | 0.4
| V | <Vc, W = sgn (V) · 200Vc · | V / Vc | 3
It becomes. This relationship is shown by the solid line in FIG. Thus, it is a feature of the present invention that the sound pressure compression / expansion can be arbitrarily changed by setting parameters.

一方、(2)式により音信号の加工を行なう場合も、40dB程度以下の音圧域では、音圧を小さくすることが好ましい。従って、Vcを入力信号の30dB程度に相当する値に設定するのが適当である。この関係は図5の破線で示される。このように、(2)式による音信号の加工でも、パラメータの設定により、音圧圧縮・伸長の形を任意に変えられることは上記と同様である。   On the other hand, also in the case of processing the sound signal by the equation (2), it is preferable to reduce the sound pressure in the sound pressure range of about 40 dB or less. Therefore, it is appropriate to set Vc to a value corresponding to about 30 dB of the input signal. This relationship is indicated by a broken line in FIG. As described above, the sound signal compression / expansion can be arbitrarily changed by the parameter setting even when the sound signal is processed by the equation (2).

次に、本発明を音質調整装置に適用する場合について説明する。ピアノを音源とし、図1のような回路構成で、かなり高音の周波数帯域の音を加工処理し、加工後の音と元の音で感覚的な比較を行なった。6人の被験者により、「音の柔らかさ・硬さ」の感覚的な差を7段階に評価して貰った。0は差なし、1〜3は数字の順に加工後の音が柔らかい(3が差大、2が差中、1が差小)、−1〜−3は数字の順に加工後の音が硬いという評価である。なお、音の圧縮・伸長はn=0.8,0.9,1.1,1.2の4段階で行い、Vc=|Vmax|,C=Vcとした。また、通過周波数帯域は、5.3〜6.4kHzでテストした。   Next, a case where the present invention is applied to a sound quality adjusting device will be described. Using a piano as a sound source, the circuit structure shown in FIG. 1 was used to process sounds in a fairly high frequency band, and a sensuous comparison was made between the processed sound and the original sound. Six test subjects evaluated the sensory difference of “sound softness / hardness” in seven levels. 0 is no difference, 1-3 is soft after processing in numerical order (3 is large, 2 is different, 1 is small), -1 to -3 is hard after processing in numerical order It is an evaluation. Note that compression / decompression of sound was performed in four stages of n = 0.8, 0.9, 1.1, and 1.2, and Vc = | Vmax | and C = Vc. The pass frequency band was tested at 5.3 to 6.4 kHz.

評価結果を図6に示す。図中の符号A〜Fは評価者の区別を表す。図に見られるように、(1)式のべき指数nが0.8から1.2と大きくなるにしたがって、明らかに「音が柔らかい」という評価が増えていくことが分かる。このような音の加工処理は、音質調整装置として応用し得ることは勿論であるが、本発明者らの知見によれば、音声識別においても、本発明の加工処理を適用することにより、識別性が顕著に向上することが確かめられている。また、音響による欠陥検査(打診検査)においても、本発明の加工処理を適用することにより、適中率が向上することが確かめられている。   The evaluation results are shown in FIG. Reference signs A to F in the figure represent evaluator distinction. As can be seen from the figure, as the power index n in equation (1) increases from 0.8 to 1.2, the evaluation that “sound is soft” clearly increases. Of course, such sound processing can be applied as a sound quality adjusting device, but according to the knowledge of the present inventors, the identification of the sound can also be performed by applying the processing of the present invention. It has been confirmed that the property is remarkably improved. In addition, it has been confirmed that in the case of acoustic defect inspection (consultation inspection), the midpoint ratio is improved by applying the processing of the present invention.

本発明の実施例である音信号の加工装置の電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric constitution of the processing apparatus of the sound signal which is an Example of this invention. 本発明の方法により音圧帯域の圧縮をした場合の出力音圧の計算結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the calculation result of the output sound pressure at the time of compressing a sound pressure zone | band by the method of this invention. 本発明の方法により正弦波を音圧圧縮したときの処理後の波形の変化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the change of the waveform after a process when the sound pressure compression of the sine wave is carried out by the method of this invention. 図3の処理後の波形をFFT解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having carried out the FFT analysis of the waveform after the process of FIG. 難聴者の聴力特性の測定結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the measurement result of a hearing loss characteristic of a hard-of-hearing person. 本発明の方法をピアノ音源の音質調整に用いた場合の処理前後の音質の評価結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the evaluation result of the sound quality before and behind a process at the time of using the method of this invention for the sound quality adjustment of a piano sound source.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1のフィルタ
2 音信号圧縮・伸長処理手段
3 第2のフィルタ
4 合成装置











DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st filter 2 Sound signal compression / decompression processing means 3 2nd filter 4 Synthesizer











Claims (5)

音信号の持つ周波数帯域を複数の分割周波数帯域に周波数分割する複数の第1フィルタと、複数の第1フィルタを通過した音信号のそれぞれを入力して、その振幅を下式の関係を満たすように変換する複数の音信号圧縮・伸長処理手段と、複数の音信号圧縮・伸長処理手段からそれぞれ得られる音信号から、それらに対応する分割周波数帯域の上限を超える高周波成分をそれぞれ除去する複数の第2フィルタと、この複数の第2フィルタの出力信号を合成する合成装置を備えた音信号の加工装置。
W = sgn(V)・C・|V/Vc| ………(1)
ここで、V:音信号圧縮・伸長処理手段への入力音信号の瞬時値
Vc:処理目的に応じて設定される入力音信号の正の基準値
W:音信号圧縮・伸長処理手段からの出力音信号の瞬時値
sgn(V):符号関数(V>0で+1、V<0で−1)
C:比例定数
n:処理目的に応じて設定されるべき指数
Input each of a plurality of first filters that divide the frequency band of the sound signal into a plurality of divided frequency bands and a sound signal that has passed through the plurality of first filters, so that the amplitude satisfies the following relationship: A plurality of sound signal compression / decompression processing means for converting to a plurality of sound signals respectively obtained from the plurality of sound signal compression / decompression processing means, and a plurality of high frequency components exceeding the upper limit of the division frequency band corresponding thereto A sound signal processing apparatus including a second filter and a synthesizing apparatus that synthesizes output signals of the plurality of second filters.
W = sgn (V) · C · | V / Vc | n (1)
Where V: instantaneous value of the input sound signal to the sound signal compression / expansion processing means Vc: positive reference value of the input sound signal set according to the processing purpose W: output from the sound signal compression / expansion processing means Instantaneous value of sound signal
sgn (V): sign function (+1 for V> 0, -1 for V <0)
C: Proportional constant n: Index to be set according to the processing purpose
入力された音信号を、それぞれに異なる複数の周波数帯域の音信号に周波数分割するステップと、この周波数分割された音信号のそれぞれの振幅を、前記(1)式の関係を満たす音信号に変換するステップと、この変換された各音信号から、変換により生じる高周波成分をそれぞれ除去するステップと、この高周波成分が除去された各音信号を合成するステップとを具備することを特徴とする音信号の加工方法。   The step of frequency-dividing the input sound signal into sound signals of a plurality of different frequency bands, and converting the amplitude of each of the frequency-divided sound signals into a sound signal satisfying the relationship of the expression (1). A sound signal comprising the steps of: removing each of the converted high-frequency components from the converted sound signals; and synthesizing the sound signals from which the high-frequency components have been removed. Processing method. 前記音信号振幅の変換ステップにおいて、複数の周波数帯域に周波数分割された音信号の全部又は一部について、前記(1)式中で|V|≧Vcのときにnを1より小さい所定の値とし、|V|<Vcのときにnを1より大きい所定の値として、音信号振幅の変換処理を行なうことを特徴とする請求項2記載の音信号の加工方法。   In the sound signal amplitude converting step, for all or part of the sound signal frequency-divided into a plurality of frequency bands, n is a predetermined value smaller than 1 when | V | ≧ Vc in the equation (1). 3. The sound signal processing method according to claim 2, wherein when | V | <Vc, n is set to a predetermined value larger than 1 to perform sound signal amplitude conversion processing. 音信号の持つ周波数帯域を複数の分割周波数帯域に周波数分割する複数の第1フィルタと、複数の第1フィルタを通過した音信号のそれぞれを入力して、その振幅を下記(2)式の関係を満たすように変換する複数の音信号圧縮・伸長処理手段と、複数の音信号圧縮・伸長処理手段からそれぞれ得られる音信号から、それらに対応する分割周波数帯域の上限を超える高周波成分をそれぞれ除去する複数の第2フィルタと、この複数の第2フィルタの出力信号を合成する合成装置を備えた音信号の加工装置。
W = sgn(V)・C・(|V|−Vc) ………(2)
ただし、|V|<VcではW=0とする。
ここで、V:音信号圧縮・伸長処理手段への入力音信号の瞬時値
Vc:処理目的に応じて設定される入力音信号の正の基準値
W:音信号圧縮・伸長処理手段からの出力音信号の瞬時値
sgn(V):符号関数(V>0で+1、V<0で−1)
C:比例定数
n:処理目的に応じて設定される正のべき指数
Each of the plurality of first filters that divide the frequency band of the sound signal into a plurality of divided frequency bands and the sound signal that has passed through the plurality of first filters are input, and the amplitude thereof is expressed by the following equation (2). The high-frequency components that exceed the upper limit of the corresponding divided frequency band are removed from the sound signals obtained from the plurality of sound signal compression / decompression processing means and the sound signal compression / decompression processing means for conversion to satisfy each of them. A sound signal processing apparatus comprising: a plurality of second filters that perform synthesis; and a synthesis device that synthesizes output signals of the plurality of second filters.
W = sgn (V) · C · (| V | n -Vc n) ......... (2)
However, if | V | <Vc, W = 0.
Where V: instantaneous value of the input sound signal to the sound signal compression / expansion processing means Vc: positive reference value of the input sound signal set according to the processing purpose W: output from the sound signal compression / expansion processing means Instantaneous value of sound signal
sgn (V): sign function (+1 for V> 0, -1 for V <0)
C: Proportional constant n: Positive exponent set according to processing purpose
入力された音信号を、それぞれに異なる複数の周波数帯域の音信号に周波数分割するステップと、この周波数分割された音信号のそれぞれの振幅を、前記(2)式の関係を満たす音信号に変換するステップと、この変換された各音信号から、変換により生じる高周波成分をそれぞれ除去するステップと、この高周波成分が除去された各音信号を合成するステップとを具備することを特徴とする音信号の加工方法。   The step of frequency-dividing the input sound signal into sound signals of a plurality of different frequency bands, and converting the amplitude of each of the frequency-divided sound signals into a sound signal satisfying the relationship of the expression (2). A sound signal comprising the steps of: removing each of the converted high-frequency components from the converted sound signals; and synthesizing the sound signals from which the high-frequency components have been removed. Processing method.
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