JP2006222867A - 音響信号処理装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基本波の倍音を音響信号に付加する音響信号処理装置において、再生音における低音感の向上することが可能な音響信号処理装置を提供する。
【解決手段】 基本波抽出フィルタ１３において、入力信号から基本波信号が抽出される。倍音生成手段１４は、抽出された基本波信号の倍音信号を生成する。調整量算出手段１７は、再生システム１８の再生特性に基づいて各倍音信号のゲインを調整する第１の調整量を算出する。ゲイン調整手段１５は、第１の調整量と、倍音生成手段１４において生成された各倍音信号が予め設定された倍音構成となるような第２の調整量とに基づいて、倍音生成手段１４において生成された各倍音信号のゲインを調整する。加算器１２は、入力信号とゲイン調整手段１５において調整された倍音信号を含む信号とを加算合成する。再生システム１８は、加算合成された信号を再生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音響信号処理装置およびその方法に関し、より特定的には、低音域に属する基本波の倍音を音響信号に付加することによって、再生音における低音感の向上を図る音響信号処理装置およびその方法に関する。

一般的に小型スピーカは、その構造上の制限などの理由により、低音域の再生が困難であることが知られている。そこで従来において、再生困難な低音域を再生するのではなく、その低音域に属する基本波の倍音を再生する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

以下、上記方法を用いた従来の音響信号処理装置９について、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、従来の音響信号処理装置９の構成を示すブロック図である。音響信号処理装置９は、入力端子９０、遅延手段９１、加算器９２、基本波抽出フィルタ９３、倍音生成手段９４、ゲイン調整手段９５および出力端子９６を備える。

入力端子９０には、音響信号が入力信号として入力される。入力端子９０に入力された入力信号は、２系統に分岐する。１系統目においては、入力信号の全成分が遅延手段９１に入力される。遅延手段９１は、基本波抽出フィルタ９３、倍音生成手段９４の処理に要する時間分だけ入力信号を遅延させて、加算器９２の一方の入力部に入力する。２系統目においては、入力端子９０に入力された入力信号の全成分が基本波抽出フィルタ９３に入力される。

基本波抽出フィルタ９３は、予め設定された特性（以下、抽出特性という）をもつローパスフィルタまたはバンドパスフィルタなどで構成される。基本波抽出フィルタ９３は、その抽出特性に基づいて入力信号の全成分の中から基本波を成分とする信号（以下、基本波信号という）を抽出する。抽出された基本波信号は、倍音生成手段９４に入力される。

倍音生成手段９４は、第２倍音生成手段９４１、第３倍音生成手段９４２、…、第ｎ倍音生成手段９４３を備える。各倍音生成手段９４１〜９４３は、基本波抽出フィルタ９３において抽出された基本波信号の第２倍音信号、第３倍音信号、…、第ｎ倍音信号を基本波信号のゲインと同じゲインでそれぞれ生成する。生成された倍音信号は、それぞれゲイン調整手段９５に入力される。なお、基本波信号の周波数（以下、基本周波数という）のｎ倍（ｎは２以上の自然数）の周波数となる倍音信号を、第ｎ倍音信号と呼ぶ。

ここで、倍音信号を生成する方法はいくつか存在する。そのうち、ゼロクロス法について図１３を用いて説明する。図１３は、ゼロクロス法によって倍音信号を生成する方法を模式的に示す図である。また、以下の説明では図１３（ａ）に示すような正弦波を基本波信号として、倍音信号を生成する場合を考える。

図１３（ａ）に示す正弦波の波形において、信号レベルが正から負へ、あるいは負から正へ変化する点をゼロクロス点とする。例えば図１３（ａ）においては、負から正へのゼロクロス点は、点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３となる。第２倍音信号を生成する場合には、ゼロクロス点区間（区間Ｐ１−Ｐ２、区間Ｐ２−Ｐ３）において、時間軸方向について元の波形（基本波信号の波形）を１／２に圧縮する。そして、その１／２に圧縮した波形を２回繰り返して再生する。その結果、ゼロクロス法によって生成される信号は、図１３（ｂ）に示すように、周波数が２倍の信号となる。他次数の倍音（第３倍音、第４倍音、…、第ｎ倍音）信号についても同様に上記方法で生成される。すなわち、第ｎ倍音信号は上記ゼロクロス点区間において、時間軸方向について基本波信号の波形を１／ｎに圧縮し、ｎ回繰り返して再生することで生成される。

ゲイン調整手段９５は、第２倍音ゲイン調整手段９５１、第３倍音ゲイン調整手段９５２、…、第ｎ倍音ゲイン調整手段９５３および加算器９５４を備える。ゲイン調整手段９５は、倍音生成手段９４において生成された各倍音（第２倍音、…、第ｎ倍音）信号のゲインが予め設定された倍音構成「第２倍音、第３倍音、…、第ｎ倍音＝ｘ２、ｘ３、…、ｘｎ」となるように、各倍音信号のゲインを調整する。加算器９５４は、ゲインが調整された各倍音信号を１つの信号に加算合成する。加算合成された信号は、加算器９２の他方の入力部に入力される。

加算器９２は、１系統目および２系統目の信号を加算合成して、出力端子９６へ出力する。出力端子９６から出力される信号は、スピーカ（図示しない）において再生される（音響出力される）。

以上のように、低音域に属する基本波の各倍音信号を音響信号（１系統目の入力信号）に付加して再生することで、バーチャル・ピッチ効果と呼ばれる聴覚現象が生じる。この聴覚現象によって、基本波信号があたかも再生されているように聴こえる。したがって、使用するスピーカが低音域の再生が困難な小型スピーカであっても、スピーカの再生帯域を変化させることなく低音感の向上を図ることができる。
特開２００４−１０１７９７号公報

ここで、上記倍音構成について図１４を用いて説明する。図１４は、各倍音信号の倍音構成を示す図である。なお、図１４において、基本周波数を「ｆｆ」とする。また、第２倍音の周波数を「２ｆｆ」、第３倍音の周波数を「３ｆｆ」、第４倍音の周波数を「４ｆｆ」とそれぞれ表す。また、基本波信号のゲインを「ｘ１」ｄＢとし、各倍音信号のゲインを調整する調整量を第２倍音、第３倍音、第４倍音＝ａ２、ａ３、ａ４とする。したがって、第２倍音信号のゲイン「ｘ２」は、「ｘ２＝ｘ１＋ａ２」ｄＢと表現される。第３倍音信号のゲイン「ｘ３」は、「ｘ３＝ｘ１＋ａ３」ｄＢと表現される。第４倍音信号のゲイン「ｘ４」は、「ｘ４＝ｘ１＋ａ４」ｄＢと表現される。

各倍音信号のゲインが低音感をより有効に向上させる理想的な倍音構成となるためには、次の２つの条件（１）、（２）を満たす必要がある。（１）倍音の次数が高くなるにつれて、倍音信号のゲインが減衰すること（自然な音質にする条件）。（２）倍音信号のゲインの減衰が急峻すぎないこと（バーチャル・ピッチ効果を発揮する条件）。なお、図１４（ａ）に示す倍音構成は、理想的な倍音構成の一例である。

図１４（ｂ）は、上記条件（１）を満たさない倍音構成の一例を示す図である。図１４（ｂ）に示す倍音構成は、第３倍音信号のゲインが第２倍音信号のゲインより大きくなる構成となるから、上記条件（１）を満たさない。したがって、図１４（ｂ）に示す倍音構成では、再生音の音色は甲高く感じられ、不自然な音質となる。つまり、倍音構成が条件（１）を満たすには、第ｎ＋１倍音信号のゲインが第ｎ倍音信号のゲインより小さくなる必要がある。

図１４（ｃ）は、上記条件（２）を満たさない倍音構成の一例を示す図である。図１４（ｃ）に示す倍音構成は、倍音の次数が高くなるにつれて、倍音信号のゲインが急峻に減衰する構成である。したがって、図１４（ｃ）に示す倍音構成では、低次の倍音信号（例えば第２倍音信号）以外の他の倍音信号はマスキング現象などによってほとんど聞こえなくなる。その結果、複数の倍音信号が再生されることによって生じるバーチャル・ピッチ効果は、十分に発揮されない。なお、急峻すぎない倍音構成としては、例えば第ｎ＋１倍音信号のゲインが第ｎ倍音信号のゲインに対して−２０ｄＢよりも大きく減衰しない構成である。

ここで、使用するスピーカの音響出力レベルの周波数特性（以下、音響出力特性という）は必ずしも全周波数においてフラットな特性ではない。音響出力特性は特に低音域において減衰する特性を有する場合が多い。つまり、音響出力レベルのゲインは周波数に応じて変動する場合がある。従来の音響信号処理装置９では、各倍音信号のゲインは、ゲイン調整手段９５において予め設定された倍音構成となるように調整される。しかし、スピーカから再生される段階では、各倍音信号のゲインは音響出力特性などの再生特性に応じてそれぞれ変動する。したがって、ゲイン調整手段９５において上記理想的な倍音構成となるように各倍音信号のゲインを調整しても、再生される段階では理想的な倍音構成とならない可能性がある。以下、理想的な倍音構成とならないことを事例を用いて説明する。

この事例では、使用するスピーカは図１５に示す音響出力特性をもつサブウーファとする。図１５は、典型的なサブウーファの音響出力特性の一例を示す図である。サブウーファの音響出力特性は、図１５に示すように帯域通過型の特性となる。図１５の例では、カットオフ周波数は低域側において５０Ｈｚ、高域側において１００Ｈｚとなる。減衰特性は、低域側および高域側ともに１８ｄＢ／Ｏｃｔで減衰する特性となる。また、倍音生成手段９４は、ゲインを０ｄＢとする基本波信号の第２倍音信号〜第４倍音信号を生成するとする。また、ゲイン調整手段９５は、予め設定された倍音構成として理想的な倍音構成「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」となるようにゲインを調整するとする。

音響信号処理装置９は、抽出された基本波信号の第２倍音信号〜第４倍音信号を生成し、各倍音信号の倍音構成が「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」となるようにゲインを調整する。最終的に、ゲインを調整された各倍音信号と入力信号の全成分を含む信号とが加算合成された信号が出力端子９６を介して、スピーカに入力される。そして、スピーカは出力端子９６から入力された信号を再生する。

ここで、図１５に示す音響出力特性に応じて生じる各倍音信号のゲインの変動量を基本周波数毎にまとめると、表１となる。

なお、表１のスピーカによる変動量に示される各値は、正の整数値はゲインの増加を意味し、負の整数値はゲインの減衰を意味する。また「０」は、ゲインが変動しないことを意味する。表１において、例えば基本周波数が２０Ｈｚのとき、第２倍音信号の周波数は「４０Ｈｚ」である。このとき、図１５に示す特性では、４０Ｈｚでゲインが５ｄＢ減衰している。したがって、スピーカによる変動量は「−５」となる。

ゲイン調整手段９５は、各倍音信号のゲインが理想的な倍音構成「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」となるようにゲインを調整する。しかし、スピーカから再生される段階では、表１に示したようにスピーカの音響出力特性に応じて各倍音信号のゲインは変動する。ゲイン調整手段９５において調整された倍音構成とスピーカから再生される段階（再生時）の各倍音信号の倍音構成とを基本周波数毎にまとめると、表２となる。

表２において、基本周波数が２０Ｈｚのとき、ゲイン調整手段９５で調整された各倍音信号の倍音構成は、「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」である。また、同じ基本周波数において、スピーカによるゲインの変動量は表１より、「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝−５ｄＢ、０ｄＢ、−１ｄＢ」となる。したがって、再生時の倍音構成は「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝−５ｄＢ、−３ｄＢ、−７ｄＢ」となる。すなわち、再生時の倍音構成は、図１４（ｂ）に示すような構成であり、上記条件（１）は満足されない。

以上のように、従来の音響信号処理装置９では、再生される段階での各倍音信号のゲインは、スピーカなどがもつ再生特性に応じてゲインがそれぞれ変動するので、ゲイン調整手段９５において調整された理想的な倍音構成とならない可能性がある。その結果、音響信号に倍音信号を付加した再生を行っても、十分な低音感が得られないという問題があった。

それ故に、本発明は、基本波の倍音を音響信号に付加する音響信号処理装置において、再生音における低音感の向上することが可能な音響信号処理装置およびその方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、音響信号処理装置であって、入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生手段において再生する音響信号処理装置であって、入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出手段と、基本波抽出手段において抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成手段と、再生手段の再生特性に基づいて生じる各倍音信号の倍音構成の変動を抑制するように当該各倍音信号のゲインを調整する第１の調整量と、各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する第２の調整量とに基づいて、倍音生成手段において生成された各倍音信号のゲインを調整する調整処理手段と、調整処理手段において調整された各倍音信号と入力音響信号とを加算して、再生手段に出力する加算手段とを備える。なお、調整処理手段は例えば、本発明の実施形態において説明するゲイン調整手段１５と調整量算出手段１７とを組み合わせたものである。

第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、基本波抽出手段において抽出された基本波信号の周波数を測定する周波数測定手段をさらに備え、調整処理手段は、周波数測定手段において測定された基本波信号の周波数に応じて、第１の調整量の値を変化させることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に従属する発明であって、再生手段の負荷量を測定する負荷測定手段をさらに備え、調整処理手段は、負荷測定手段において測定された負荷量に応じて、第１の調整量の値を変化させることを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に従属する発明であって、調整処理手段は、基本波信号の周波数と当該基本波信号から生成された各倍音信号に対して用いるべき第１の調整量との対応を示す情報に基づいて第１の調整量を算出する算出手段と、算出手段によって算出された第１の調整量と第２の調整量とに基づいて、倍音生成手段において生成された各倍音信号のゲインを調整するゲイン調整手段とを含む。

第５の発明は、第４の発明に従属する発明であって、音響信号処理装置は、基本波抽出手段、倍音生成手段、およびゲイン調整手段からなる組を複数備えており、各基本波抽出手段は、互いに異なる周波数帯域の基本波信号をそれぞれ抽出し、算出手段は、各基本波抽出手段においてそれぞれ抽出される基本波信号の周波数に応じた第１の調整量を当該周波数毎にそれぞれ算出し、各ゲイン調整手段は、同じ組の基本波抽出手段によって抽出された基本波信号の周波数に応じた第１の調整量と第２の調整量とに基づいて、同じ組の倍音生成手段によって生成された各倍音信号のゲインを調整し、加算手段は、各組のゲイン調整手段によって調整された各倍音信号と入力音響信号とを加算して、再生手段に出力する。

第６の発明は、音響信号処理装置であって、入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生手段において再生する音響信号処理装置であって、入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出手段と、基本波抽出手段において抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成手段と、倍音生成手段において生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように、当該ゲインを調整する調整手段と、少なくとも各倍音信号の周波数を含む周波数帯域において再生手段の再生特性の逆特性を有するフィルタに基づいて、調整手段において調整された各倍音信号のゲインを補正する補正手段と、補正手段において補正された各倍音信号と入力音響信号とを加算して、再生手段に出力する加算手段とを備える。

第７の発明は、第１から第６の発明のいずれかに従属する発明であって、基本波抽出手段は、再生手段の再生特性に基づいて、抽出する基本波信号の周波数を調整することを特徴とする。

第８の発明は、音響信号処理装置であって、入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生手段において再生する音響信号処理装置であって、２次からｍ次（ｍは３以上の整数）までの各倍音信号について設けられる（ｍ−１）個のフィルタをそれぞれ用いることによって入力音響信号から（ｍ−１）個の基本波信号を抽出する抽出手段と、各フィルタによって抽出された（ｍ−１）個の基本波信号のそれぞれについて２次からｍ次までの各倍音信号を生成する倍音生成手段と、同一のゲインを有する倍音構成となる各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する調整量を用いて、倍音生成手段によって生成された各倍音信号のゲインを調整する調整手段と、調整手段によって調整された各倍音信号と入力音響信号とを加算して再生手段に出力する加算手段とを備え、ｎ次（ｎは２からｍまでの任意の整数）の倍音信号について設けられるフィルタは、カットオフ周波数が１／ｎ倍した周波数になるように再生手段の再生特性をシフトさせた特性の逆特性である補正用特性と、基本波信号を抽出可能なローパスフィルタまたはバンドパスフィルタの特性である抽出特性とを合成した特性を有する。

第９の発明は、第８の発明に従属する発明であって、所定の次数以下の倍音信号について設けられる各フィルタは、補正用特性と抽出特性とを合成した特性を有し、所定の次数よりも高次の倍音信号について設けられる各フィルタは、抽出特性を有する。

第１０の発明は、第１、６および８の発明のいずれかに従属する発明であって、再生手段において再生される段階において、各倍音信号からなる倍音構成が一定になることを特徴とする

第１１の発明は、音響信号処理方法であって、入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生ステップにおいて再生する音響信号処理方法であって、入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出ステップと、基本波抽出ステップにおいて抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成ステップと、再生ステップの再生特性に基づいて生じる各倍音信号の倍音構成の変動を抑制するように当該各倍音信号のゲインを調整する第１の調整量と、各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する第２の調整量とに基づいて、倍音生成ステップにおいて生成された各倍音信号のゲインを調整する調整処理ステップと、調整処理ステップにおいて調整された各倍音信号と入力音響信号とを加算して、再生ステップに出力する加算ステップとを含む。

第１２の発明は、音響信号処理方法であって、入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生ステップにおいて再生する音響信号処理方法であって、入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出ステップと、基本波抽出ステップにおいて抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成ステップと、倍音生成ステップにおいて生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように、当該ゲインを調整する調整ステップと、少なくとも各倍音信号の周波数を含む周波数帯域において再生ステップの再生特性の逆特性を有するフィルタに基づいて、調整ステップにおいて調整された各倍音信号のゲインを補正する補正ステップと、補正ステップにおいて補正された各倍音信号と入力音響信号とを加算して、再生ステップに出力する加算ステップとを含む。

第１３の発明は、音響信号処理方法であって、入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生ステップにおいて再生する音響信号処理方法であって、２次からｍ次（ｍは３以上の整数）までの各倍音信号について設けられる（ｍ−１）個のフィルタをそれぞれ用いることによって入力音響信号から（ｍ−１）個の基本波信号を抽出する抽出ステップと、各フィルタによって抽出された（ｍ−１）個の基本波信号のそれぞれについて２次からｍ次までの各倍音信号を生成する倍音生成ステップと、同一のゲインを有する倍音構成となる各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する調整量を用いて、倍音生成ステップによって生成された各倍音信号のゲインを調整する調整ステップと、調整ステップによって調整された各倍音信号と入力音響信号とを加算して再生ステップに出力する加算ステップとを備え、ｎ次（ｎは２からｍまでの任意の整数）の倍音信号について設けられるフィルタは、カットオフ周波数が１／ｎ倍した周波数になるように再生ステップの再生特性をシフトさせた特性の逆特性である補正用特性と、基本波信号を抽出可能なローパスフィルタまたはバンドパスフィルタの特性である抽出特性とを合成した特性を有する。

第１の発明によれば、調整処理手段において第１の調整量と第２の調整量とに基づいて各倍音信号のゲインを調整することで、各倍音信号を再生特性に基づいて生じるゲインの変動が調整された理想的な倍音構成で再生することができる。その結果、再生音における低音感の向上を図ることが可能となる。

第２の発明によれば、調整処理手段は、測定された基本波信号の周波数に応じて、第１の調整量の値を変化させることで、抽出される基本波信号の周波数が異なっても、その周波数に対応した最適な第１の調整量の値で各倍音信号のゲインを調整することができる。つまり、調整処理手段は、入力音響信号に含まれる基本波信号の周波数変化に対応する最適な調整を行うことができる。

第３の発明によれば、調整処理手段は、負荷測定手段において測定された負荷量に応じて、第１の調整量の値を変化させることで、例えば負荷量が大きい場合は第１の調整量を負荷量が小さくなるような値に変化させるなど、再生手段に無理のない、より自然な音質での再生が可能となる。

第４の発明によれば、調整処理手段は、算出手段および調整手段を含むことで、再生手段の再生特性に基づいて生じる各倍音信号の倍音構成の変動を抑制するように当該各倍音信号のゲインを調整する第１の調整量と、各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する第２の調整量とを別々に、かつ容易に設定することができる。

第５の発明によれば、基本波抽出手段は互いに異なる周波数帯域の基本波信号をそれぞれ抽出することで、入力音響信号に複数の基本波信号が同時に入力されても、複数の基本波信号を別々に抽出することができる。その結果、複数の基本波信号が複合した信号が抽出され、その複合した信号の倍音信号が生成されることによって発生する歪みを抑えることができる。

第６の発明によれば、再生特性の逆特性を有するフィルタに基づいて、各倍音信号のゲインを補正することで、各倍音信号を再生特性に基づいて生じるゲインの変動が打ち消された理想的な倍音構成で再生することができる。その結果、再生音における低音感の向上を図ることが可能となる。また、再生特性の逆特性を有するフィルタに基づいて補正を行うことで、基本波信号の周波数を測定しなくても基本波信号の周波数に対応した最適な補正を行うことができる。

第７の発明によれば、使用する再生手段によって異なる再生特性に応じて、最適な周波数の倍音信号を付加した再生をすることができる。

第８の発明によれば、補正特性と抽出特性とを有するフィルタを用いて基本波信号が抽出されることで、結果的に当該基本波信号から生成される各倍音信号のゲインを補正することができる。その結果、再生される段階において、各倍音信号を調整手段において調整された予め設定された倍音構成で再生することができ、再生音における低音感の向上を図ることが可能となる。また、抽出手段において、基本波信号の抽出処理と再生特性に基づいて生じる各倍音信号の倍音構成の変動を打ち消すように基本波信号のゲインを補正する処理とを１つの処理として処理するので、音響信号処理装置全体のフィルタに要するタップ数を少なくすることができ、結果的に遅延時間を少なくすることが可能となる。

第９の発明によれば、所定の次数より高次の倍音信号について設けられる各フィルタの構成を簡略化することができる。その結果、音響信号処理装置の回路規模を縮小できる。

第１０の発明によれば、倍音構成が一定となることで、独特の違和感のない、より自然な音質での再生が可能となる。

また、第１１の発明における音響信号処理方法は、上述した第１の発明における音響信号処理装置と同様の効果を得ることができる。

また、第１２の発明における音響信号処理方法は、上述した第６の発明における音響信号処理装置と同様の効果を得ることができる。

また、第１３の発明における音響信号処理方法は、上述した第８の発明における音響信号処理装置と同様の効果を得ることができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る音響信号処理装置１について、図１を用いて説明する。図１は第１の実施形態に係る音響信号処理装置１の構成を示すブロック図である。図１において、音響信号処理装置１は、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、基本波抽出フィルタ１３、倍音生成手段１４、ゲイン調整手段１５、周波数測定手段１６、調整量算出手段１７および再生システム１８を備える。

入力端子１０には、音響信号が入力信号として入力される。入力端子１０に入力された入力信号は、２系統に分岐する。１系統目においては、入力信号の全成分が遅延手段１１に入力される。２系統目においては、入力端子１０に入力された入力信号の全成分が基本波抽出フィルタ１３に入力される。

遅延手段１１は、入力信号を予め設定された時間だけ遅延させる。遅延された入力信号は、加算器１２の一方の入力部に入力される。ここで遅延手段１１は、基本波抽出フィルタ１３、倍音生成手段１４および後述する調整量算出手段１７による遅延時間分だけ入力信号を遅らせる。遅延手段１１が設けられることによって、入力信号と各倍音信号との同期をとることができる。例えば、基本波抽出フィルタ１３などの全遅延時間が８０ｍｓｅｃであれば、遅延手段１１の遅延時間を８０ｍｓｅｃに設定すれば良い。

なお、入力信号がＡＶ信号（例えば映画など）における音声信号である場合には、映像信号と音声信号との時間的な同期合せを特に考慮する必要がある。この場合、音声信号と各倍音信号との時間的なずれをある程度許容し、遅延手段１１において遅延される音声信号の遅延時間を、映像信号に対する遅延時間の聴感上の許容限（例えば４０ｍｓｅｃ）に設定してもよい。また、遅延手段１１は、入力信号がＡＶ信号における音声信号かどうかを認識して、その入力信号の種類に応じて遅延量を切替えるように構成されてもよい。

基本波抽出フィルタ１３は、予め設定された抽出特性をもつローパスフィルタまたはバンドパスフィルタなどで構成される。基本波抽出フィルタ１３は、その抽出特性に基づいて入力信号の全成分の中から低音域に属する基本波信号を抽出する。抽出された基本波信号は、倍音生成手段１４および周波数測定手段１６に入力される。

倍音生成手段１４は、第２倍音生成手段１４１、第３倍音生成手段１４２、…、および第ｎ倍音生成手段１４３を備える。第２倍音生成手段１４１、第３倍音生成手段１４２、…、第ｎ倍音生成手段１４３は、抽出された基本波信号の第２倍音信号、第３倍音信号、…、第ｎ倍音信号を基本波信号のゲインと同じゲインでそれぞれ生成する。生成された各倍音信号は、それぞれゲイン調整手段１５に入力される。なお、倍音信号の生成方法としては、例えば上述したゼロクロス法を用いる。

ゲイン調整手段１５は、第２倍音ゲイン調整手段１５１、第３倍音ゲイン調整手段１５２、…、第ｎ倍音ゲイン調整手段１５３および加算器１５４を備える。ゲイン調整手段１５は、第１の調整量と第２の調整量とに基づいて各倍音信号のゲインを調整する。第１および第２の調整量は共に、倍音生成手段１４で生成された各倍音信号のゲインを調整する量を示す。第１の調整量は、後述する調整量算出手段１７で算出される。第２の調整量は予め設定される。第２の調整量は、倍音生成手段１４において生成された各倍音信号の倍音構成が理想的な倍音構成となるように各倍音信号のゲインを調整するものである。以下では、予め設定される理想的な倍音構成を、「第２倍音、第３倍音、…、第ｎ倍音＝ｘ２、ｘ３、…、ｘｎ」と表す。

加算器１５４は、ゲインが調整された各倍音信号を１つの信号に加算合成する。加算合成された信号は、加算器１２の他方の入力部に入力される。加算器１２は、１系統目および２系統目の信号を加算合成して、再生システム１８に入力する。

再生システム１８は、音響効果機能手段１８１、スピーカ１８２を備える。音響効果機能手段１８１は、バスブースト機能、ラウドネス補正機能などの音響的な効果を与えるゲイン特性を有する機能で構成される。なお、特に音響的な効果を必要としない場合には、音響効果機能手段１８１は省略されてもよい。スピーカ１８２は、加算器１２から入力された信号を再生する。なお、再生システム１８全体の再生特性は、音響効果機能手段１８１がもつゲイン特性とスピーカ１８２の音響出力特性とを合成した特性となる。

周波数測定手段１６は、基本波抽出フィルタ１３で抽出された基本波信号の周波数（基本周波数）を測定する。周波数の測定方法としては、例えば基本波信号の周期（ゼロクロス点区間の１区間分の時間）を測定し、その周期の逆数を算出する方法を用いる。周波数測定手段１６によって測定された周波数を示す情報は調整量算出手段１７に出力される。

調整量算出手段１７は、周波数測定手段１６において測定された基本周波数と再生システム１８の再生特性とに基づいて上記第１の調整量を算出する。第１の調整量は、再生システム１８の再生特性によって生じる各倍音信号の倍音構成の変動を抑制するために用いられる。調整量算出手段１７においては、基本波信号の基本周波数と、当該基本波信号から生成された各倍音信号に対して用いるべき第１の調整量との関係を示す情報（例えばテーブルや当該関係を表す近似式等）が用意される。この情報は、予め測定された再生システムの再生特性に基づいて予め作成される。したがって、本実施形態では、第１の調整量は、周波数測定手段１６によって測定された基本周波数毎に算出される。したがって、調整量算出手段１７は、様々な周波数を有する基本波信号に対して、最適な第１の調整量を算出することができる。なお、第１の調整量のより具体的な算出方法については後述する。

ここで、音響信号処理装置１の処理の流れについて、図２を用いて説明する。図２は、音響信号処理装置１の処理の流れを示すフローチャートである。なお、説明のために倍音生成手段１４は、ゲインを０ｄＢとする基本波信号の第２倍音信号〜第４倍音信号を生成するとする。また、スピーカ１８２は、図１５に示す音響出力特性をもつサブウーファとする。なお、以下の説明では、音響効果機能手段１８１は存在しないものとする。すなわち、再生システム１８の再生特性は、スピーカ１８２の音響出力特性として考える。

まず、音響信号が入力信号として入力端子１０に入力される（ステップＳ１）。次に基本波抽出フィルタ１３において入力信号から基本波信号が抽出される（ステップＳ２）。倍音生成手段１４は、抽出された基本波信号の第２倍音信号〜第４倍音信号を生成する（ステップＳ３）。調整量算出手段１７は、周波数測定手段１６において測定された基本周波数と再生システム１８の再生特性とに基づいて上記第１の調整量を算出する（ステップＳ４）。

ここで、具体的な第１の調整量の算出方法について説明する。種々ある算出方法にうち、ここでは全ての基本波信号の各倍音信号について再生特性による各倍音信号のゲインの変動を完全に打ち消すように第１の調整量を算出する方法（第１の方法）について説明する。基本周波数毎の各倍音信号の第１の調整量を表３にまとめる。

なお、表３においてスピーカによる変動量の各値は、図１５に示される音響出力特性を例にとるので、表１と同じである。また、表３の第１の調整量に示される各値は、正の整数値はゲインの増加を意味する第１の調整量であり、負の整数値はゲインの減衰を意味する第１の調整量である。また「０」は、補正しないことを意味する。

本実施形態においては、調整量算出手段１７は、上記表３に示される「基本周波数」と「第１の調整量」との対応をテーブルとして記憶しておく。そして、周波数測定手段１６において測定された基本波信号の周波数を示す情報が調整量算出手段１７に入力されると、調整量算出手段１７は、当該テーブルを参照して第１の調整量を決定する。

表３において、例えば周波数測定手段１６において測定された基本周波数が２０Ｈｚの場合、その基本波信号の第２倍音信号は４０Ｈｚ、第３倍音信号は６０Ｈｚ、第４倍音信号は８０Ｈｚとなる。ここで、第２倍音信号におけるスピーカによる変動量は「−５ｄＢ」である。したがって、第２倍音信号のゲインの第１の調整量は「５ｄＢ」となり、スピーカによる変動量を完全に打ち消すように算出される。第３倍音信号については、スピーカによる変動量が「０」であるので第１の調整量は「０」となる。第４倍音信号については、スピーカによる変動量が「−１ｄＢ」であるので第１の調整量は「１ｄＢ」となる。他の基本周波数についても上記方法で算出される。

ステップＳ４の次に、ゲイン調整手段１５は、ステップＳ４で算出された第１の調整量と、倍音生成手段１４において生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるようにゲインを調整する第２の調整量とに基づいて各倍音信号のゲインを調整する（ステップＳ５）。ここで、説明のためにゲイン調整手段１５において調整される予め設定された倍音構成を理想的な倍音構成「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」とする。このとき、第２の調整量は基本波信号のゲインを０ｄＢとしたので、「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」となる。ゲイン調整手段１５で調整される第２の調整量、調整量算出手段１７で算出される第１の調整量、スピーカによる変動量および再生時の倍音構成を、表４にまとめる。

表４において、例えば基本周波数が２０Ｈｚの場合、ゲイン調整手段１５において理想的な倍音構成となるように調整される第２倍音信号の第２の調整量は、「０ｄＢ」である。また、スピーカによる変動量は「−５ｄＢ」、第１の調整量は「５ｄＢ」である。ゲイン調整手段１５は、第２の調整量「０ｄＢ」と第１の調整量「５ｄＢ」を加算した値「５ｄＢ」で第２倍音信号のゲインを調整する。そして、再生時の第２倍音信号のゲインは、スピーカによる変動量「−５ｄＢ」分変動して、結果的に「０ｄＢ」となる。したがって、ゲイン調整手段１５は、ステップＳ４で算出された第１の調整量と、理想的な倍音構成となるようにゲインを調整する第２の調整量とに基づいて各倍音信号のゲインを調整することで、再生時の倍音構成を理想的な倍音構成にすることができる。他次数の倍音信号および他の基本周波数の各倍音信号についても同様である。なお、表４に示すように、再生時の倍音構成は全ての基本周波数において一定となる。例えば、第２倍音信号は、基本周波数に全ての周波数において「０ｄＢ」である。つまり、第ｎ倍音信号のゲインは、全ての基本周波数において同一のゲインとなる。この場合、独特の違和感のない、より自然な音質での再生が可能となる。

ステップＳ５の次に、本装置の処理を終了するか否か選択され、終了しない場合には、次に抽出される基本波信号についてステップＳ２〜Ｓ５の処理が行われる（ステップＳ６）。以上、音響信号処理装置１の処理の流れについての説明を終了する。

以上のように、本実施形態に係る音響信号処理装置１は、再生特性に基づいて各倍音信号のゲインを調整して、その再生特性による倍音構成の変動を抑制することで、理想的な倍音構成となる各倍音信号を再生することができる。その結果、再生音における低音感の向上を図ることが可能となる。

なお、調整量算出手段１７における第１の調整量の算出方法として、第１の方法について説明したが、これに限定されない。スピーカ１８２への負荷が大きい低域側のカットオフ周波数以下の倍音信号においては、ゲインを増やす第１の調整量は算出しない方法（第２の方法）であってもよい。第２の方法では、スピーカ１８２への負荷が大きい倍音信号については、第１の調整量によってゲインを増加させず、当該倍音信号のゲインに合わせて他の倍音信号のゲインを第１の調整量によって調整する。つまり、スピーカ１８２への負荷が大きい倍音信号を基準として他次数の倍音信号を変化させる第１の調整量を算出することで、再生時の倍音構成を理想的な倍音構成とする。例えば、図１５に示す音響出力特性では、低域側のカットオフ周波数は５０Ｈｚである。したがって、スピーカ１８２への負荷が大きい倍音信号は、基本周波数２０Ｈｚ、２５Ｈｚの第２倍音信号（４０Ｈｚ、５０Ｈｚ）となる。ここで、ゲイン調整手段１５で調整される第２の調整量、調整量算出手段１７において第２の方法で算出される第１の調整量、スピーカによる変動量および再生時の倍音構成を、表５にまとめる。なお、理想的な倍音構成、第２の調整量、スピーカによる変動量は第１の方法と同様とする。

表５において、例えば基本周波数が２０Ｈｚのとき、第２倍音信号のスピーカによる変動量は「−５ｄＢ」である。また、第２倍音信号の周波数は４０Ｈｚであり、スピーカ１８２への負荷が大きい倍音信号に該当する。第１の方法では、ゲインを増やしてスピーカによる変動量を打ち消すように第１の調整量を算出したが、第２の方法ではスピーカ１８２への負荷が大きい倍音信号に対してはゲインを増やすような第１の調整量は算出しない。すなわち、第１の調整量は「０ｄＢ」となる。

第３倍音信号（６０Ｈｚ）は、カットオフ周波数（５０Ｈｚ）以上の倍音信号となる。したがって、第３倍音信号の第１の調整量は第２倍音信号のスピーカによる変動量「−５ｄＢ」を基準とし、第３倍音信号のスピーカによる変動量を打ち消すように算出される。ここで、第３倍音信号のスピーカによる変動量は「０ｄＢ」である。したがって、第３倍音信号の第１の調整量は、「−５ｄＢ＋０ｄＢ＝−５ｄＢ」となる。

第４倍音信号（８０Ｈｚ）は、カットオフ周波数（５０Ｈｚ）以上の倍音信号となる。したがって、第４倍音信号の第１の調整量は第２倍音信号のスピーカによる変動量「−５ｄＢ」を基準とし、第４倍音信号のスピーカによる変動量を打ち消すように算出される。ここで、第４倍音信号のスピーカによる変動量は「−１ｄＢ」である。したがって、第４倍音信号の第１の調整量は、「−５ｄＢ＋１ｄＢ＝−４ｄＢ」となる。他の基本周波数についても同様に上記方法で第１の調整量を算出する。

このとき、上記ゲイン調整手段１５において説明したように第２の方法で算出された第１の調整量と第２の調整量とに基づいて、各倍音信号のゲインが調整される。また、再生時の倍音構成は、表５に示すようになる。表５において、例えば基本周波数が２０Ｈｚの場合、再生時の倍音構成は「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝−５ｄＢ、−８ｄＢ、−１１ｄＢ」となる。なお、この倍音構成は第３倍音信号のゲインが第２倍音信号のゲインより小さく、第４倍音信号のゲインが第３倍音信号のゲインより小さくなる構成であり、上記理想的な倍音構成となる条件（１）を満たしている。また、条件（２）も満たす倍音構成である。

以上のように、第２の方法を用いれば、調整量算出手段１７はスピーカへの負荷が大きい倍音信号の再生特性による変動量を基準として、他次数の倍音信号の第１の調整量を算出するので、再生時の倍音構成をスピーカへの負荷が少ない理想的な倍音構成とすることができる。

また、第３の方法としては、再生時の倍音構成が上記理想的な倍音構成の条件（１）および（２）を満たさない一部の基本波信号に限定して第１の調整量を算出する方法である。使用する再生システム１８の再生特性によっては、全ての基本波信号の倍音信号について第１の調整量を算出しなくても表６に示すように上記理想的な倍音構成の条件（１）および（２）を満たす場合がある。表６の例では、基本周波数が２５Ｈｚ以下となる基本波の各倍音信号についてのみ第１の調整量を算出している。第３の方法による算出方法であっても、本発明の低音感の向上について一定の効果を得ることができる。

また、第４の方法としては、スピーカによる変動量を完全に打ち消さなくても、再生時の倍音構成が上記理想的な倍音構成の条件（１）および（２）を満たす範囲内となるように第１の調整量を算出する方法である。第４の方法を用いた場合の算出例を表７に示す。第４の方法による算出方法であっても、本発明の低音感の向上について一定の効果を得ることができる。

なお、以上の説明では、音響効果機能手段１８１は存在しない場合で考えたが、存在する場合は、スピーカ１８２の音響出力特性と音響効果機能手段１８１のゲイン特性を合成した特性を再生システム１８の再生特性とすればよい。また、音響効果機能手段１８１が存在する場合であっても、再生システム１８の再生特性に与える影響が少なければ、音響効果機能手段１８１のゲイン特性を無視してもかまわない。また、再生システム１８の再生特性は、予め測定されるとしたが、本装置が搭載されるシステムの稼動時にマイクなどで適時測定されてもよい。

また、以上の説明では、予め設定された倍音構成を「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−３ｄＢ、−６ｄＢ」としたが、これに限定されない。上記理想的な倍音構成の条件（１）および（２）を満たせば、本発明は有効である。なお、第ｎ倍音信号に対して第ｎ＋１倍音信号のゲイン差が−６ｄＢ〜−２０ｄＢの範囲で構成される倍音構成がより好ましい。例えばゲイン差を−２０ｄＢとすると、「第２倍音信号、第３倍音信号、第４倍音信号＝０ｄＢ、−２０ｄＢ、−４０ｄＢ」となる倍音構成である。

また、以上の説明では、スピーカ１８２の特性として図１５に示すサブウーファの特性を用いたが、これに限定されない。例えば、図３、図４に示すような音響出力特性をもつスピーカであってもよい。図３、図４はスピーカの音響出力特性の一例を示す図である。

また、以上の説明では、生成する倍音の次数は、第２倍音信号〜第４倍音信号の３つの倍音信号を生成するとしたが、これに限定されない。本発明は、少なくとも２つの倍音信号を生成する場合において有効である。

また、以上の説明では、調整量算出手段１７において第１の調整量を算出し、ゲイン調整手段１５において、第１の調整量と第２の調整量とに基づいて各倍音信号のゲインを調整するとした。ここで、他の実施形態においては、調整量算出手段１７において、第２の調整量も加味した算出が行われてもよい。すなわち、調整量算出手段１７において、第１の調整量と第２の調整量とに基づいた調整量が算出される。このためには、例えば、基本波周波数に対して、最終的な調整量（第１の調整量と第２の調整量とを加算した調整量）を対応付けたテーブルを用いてもよい。そして、ゲイン調整手段１５は、調整量算出手段１７において算出された上記最終的な調整量に基づいて各倍音信号のゲインを調整する。

なお、図１の点線の矢印で示すように、再生システム１８の再生特性が基本波抽出フィルタ１３の抽出特性に反映されるようにしてもよい。基本波抽出フィルタ１３は、再生特性に応じて抽出特性を適宜調整する。例えば、基本波抽出フィルタ１３がローパスフィルタで構成される場合、カットオフ周波数を再生システム１８の再生限界点付近となるように調整する。また例えば、低域をブーストするために抽出特性のカットオフ周波数を再生特性の低域側のカットオフ周波数より高く調整してもよい。つまり、再生特性に基づいて抽出特性を調整し、抽出する基本波信号の周波数を調整することで、使用する再生システム１８にとって最適な周波数の倍音信号を付加した再生をすることができる。

なお、図５に示すようにスピーカ負荷測定手段１００をさらに設けてもよい。図５は、音響信号処理装置１にスピーカ負荷測定手段１００をさらに設けた構成を示すブロック図である。スピーカ負荷測定手段１００は、例えば各倍音信号のゲインを検出することで、負荷量の測定を行う。調整量算出手段１７は、スピーカ負荷測定手段１００において測定された負荷量に基づいて第１の調整量の算出方法を切替える。例えば、負荷量が小さい場合には倍音信号による音響効果を重視するために上記第１の方法で第１の調整量を算出する。負荷量が大きい場合には、上記第２の方法で第１の調整量を算出する。

（第２の実施形態）
本発明における第２の実施形態に係る音響信号処理装置２について、図６を用いて説明する。図６は第２の実施形態に係る音響信号処理装置２の構成を示すブロック図である。図６において、音響信号処理装置２は、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃ、倍音生成手段１４、ゲイン調整手段１５、調整量算出手段１７および再生システム１８を備える。

なお、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、倍音生成手段１４、ゲイン調整手段１５、調整量算出手段１７および再生システム１８の各構成は、第１の実施形態で説明した構成と同一の機能を有するため、同一の記号を付して説明を省略する。以下、異なる点を中心に説明する。

図６において、第１の実施形態と異なる点は、基本波抽出フィルタ１３の代わりに基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃが設けられている点である。基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃは、基本波抽出フィルタ１３の抽出特性の周波数帯域を分割した特性をもつ。また、基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃの各特性は、それぞれ異なる周波数帯域を有する。例えば、基本波抽出フィルタ１３の周波数帯域が２０Ｈｚ〜５０Ｈｚとすると、基本波抽出フィルタ１３ａは２０Ｈｚ〜３０Ｈｚ、基本波抽出フィルタ１３ｂは３０Ｈｚ〜４０Ｈｚ、基本波抽出フィルタ１３ｃは４０Ｈｚ〜５０Ｈｚとする。

基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃの特性は、基本波抽出フィルタ１３の抽出特性と比べ周波数帯域がそれぞれ狭い。そのため、各周波数帯域内の所定周波数（例えば、帯域の中心周波数など）を抽出された基本波信号の周波数として近似することができる。

基本波抽出フィルタ１３ａは、分割された抽出特性に基づいて入力信号の全成分の中から基本波信号を抽出する。倍音生成手段１４は、抽出された基本波信号の第２倍音信号〜第ｎ倍音信号を生成する。調整量算出手段１７は、基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃの抽出特性によって予め規定される各中心周波数と再生システム１８の再生特性とに基づいて、再生時における各倍音信号の倍音構成の変動を抑制するように第１の調整量を算出する。ゲイン調整手段１５は、調整量算出手段１７で算出された基本波抽出フィルタ１３ａの中心周波数に対応する第１の調整量と、倍音生成手段１４において生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるようにゲインを調整する第２の調整量とに基づいて各倍音信号のゲインを調整する。基本波抽出フィルタ１３ｂおよび基本波抽出フィルタ１３ｃで抽出された基本波信号についても、上記処理が行われる。

ゲイン調整手段１５において調整された各基本波信号の各倍音信号は、それぞれ加算器１２の他方の入力部へ入力される。加算器１２は、各基本波信号の各倍音信号と遅延手段１１を介して入力される入力信号とを加算合成する。そして、加算器１２で加算合成された信号は、再生システム１８において再生される。

ここで、入力信号に複数の基本波信号が同時に含まれる場合を考える。この場合、複数の基本波信号が複合した基本波信号が抽出される可能性がある。この複合した信号の倍音信号が生成されると、歪みが発生する。本実施形態では、入力信号に複数の基本波信号が含まれる場合であっても、抽出する周波数帯域を分割することによって、複数の基本波信号を別々に抽出することができる。その結果、歪みの発生を防ぐことができる。

また、基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃの各抽出特性の周波数帯域は狭いので、その帯域内の所定周波数は基本周波数として近似される。したがって、本実施形態では、周波数測定手段１６を省略することができ、本装置の処理負担の軽減を図ることができる。

なお、基本波抽出フィルタ１３は、基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃと３つに分割するとしたが、これに限定されない。例えば、基本波抽出フィルタ１３を２つに分割してもよいし、４つ以上に分割してもよい。なお、分割する数が多いほど、抽出できる基本波信号の周波数分解能が高くなり、歪みの発生をより有効に抑えることができる。また、所定周波数と実際の基本周波数との誤差も少なくすることができる。

また、第１の実施形態と同様、図６の点線の矢印で示すように、再生システム１８の再生特性が基本波抽出フィルタ１３ａ〜１３ｃの各抽出特性に反映されるようにしてもよい。

（第３の実施形態）
本発明における第３の実施形態に係る音響信号処理装置３について、図７を用いて説明する。図７は第３の実施形態に係る音響信号処理装置３の構成を示すブロック図である。図７において、音響信号処理装置３は、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、基本波抽出フィルタ１３、倍音生成手段１４、ゲイン調整手段３０、補正フィルタ３１および再生システム１８を備える。

なお、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、基本波抽出フィルタ１３、倍音生成手段１４および再生システム１８の各構成は、第１の実施形態で説明した構成と同一の機能を有するため、同一の記号を付して説明を省略する。

図７において、第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態における調整量算出手段１７および周波数測定手段１６に代わって、補正フィルタ３１が設けられている点とゲイン調整手段３０の調整方法がゲイン調整手段１５の調整方法と異なる点である。以下、異なる点を中心に説明する。

ゲイン調整手段３０は、第２倍音ゲイン調整手段３０１、第３倍音ゲイン調整手段３０２、…、第ｎ倍音ゲイン調整手段３０３および加算器３０４を備える。ゲイン調整手段３０は、倍音生成手段１４において生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成「第２倍音、第３倍音、…、第ｎ倍音＝ｘ２、ｘ３、…、ｘｎ」となるようにゲインを調整する。第１の実施形態で説明したゲイン調整手段１５は、第１および第２の調整量に基づいてゲインを調整したが、本実施形態におけるゲイン調整手段３０は第２の調整量にのみ基づいてゲインを調整する。加算器３０４は、ゲインが調整された各倍音信号を１つの信号に加算合成する。加算合成された信号は、補正フィルタ３１に入力される。

補正フィルタ３１は、再生システム１８の再生特性の逆特性に基づいて、ゲイン調整手段３０において調整された各倍音信号のゲインを補正する。ゲイン調整手段３０において調整された各倍音信号のゲインは、補正フィルタ３１の再生特性の逆特性に基づいて変動する。補正フィルタ３１の再生特性の逆特性に基づいてゲインが変動した各倍音信号は、最終的に再生システム１８で再生される。このとき、各倍音信号のゲインは再生特性に基づいて再び変動している。すなわち、各倍音信号のゲインは、再生特性に基づく変動が打ち消されるように、補正フィルタ３１において予め再生特性の逆特性に基づいて補正される。その結果、各倍音信号は、ゲイン調整手段３０で調整される予め設定された倍音構成で再生されることとなる。

なお、補正フィルタ３１が有する再生特性の逆特性は、倍音信号が生成される周波数帯域のみに限定されてもよい。例えば、倍音生成手段１４において第２倍音信号（４０Ｈｚ）〜第４倍音信号（８０Ｈｚ）が生成されるとする。このとき、補正フィルタ３１が有する再生特性の逆特性の周波数帯域を４０〜８０Ｈｚの範囲に限定する。これにより、本装置の処理負担の軽減および遅延時間を短縮することができる。

また、第１の実施形態と同様、図７の点線の矢印で示すように、再生システム１８の再生特性が基本波抽出フィルタ１３の抽出特性に反映されるようにしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、第１の実施形態に対して、回路規模が大きい周波数測定手段１６および調整量算出手段１７が不要となる。したがって、補正フィルタ３１の回路追加分を考慮しても、全体的に回路規模を削減できる。

（第４の実施形態）
本発明における第４の実施形態に係る音響信号処理装置４について、図８を用いて説明する。図８は第４の実施形態に係る音響信号処理装置４の構成を示すブロック図である。図８において、音響信号処理装置４は、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、抽出フィルタ４３、倍音生成手段１４、ゲイン調整手段３０および再生システム１８を備える。

なお、入力端子１０、遅延手段１１、加算器１２、倍音生成手段１４および再生システム１８の各構成は、第１の実施形態で説明した構成と同一の機能を有するため、同一の記号を付して説明を省略する。また、ゲイン調整手段３０は第３の実施形態で説明した構成と同一の機能を有するため、同一の記号を付して説明を省略する。

抽出フィルタ４３は、第２倍音抽出フィルタ４３１、第３倍音抽出フィルタ４３２、および第４倍音抽出フィルタ４３３を備える。各抽出フィルタ４３１〜４３３は、それぞれ異なる特性を有する。また、各抽出フィルタ４３１〜４３３は、再生時における各倍音信号の倍音構成の変動を打ち消すように、当該倍音信号を生成する基本波信号のゲインを補正して当該基本波信号を抽出する。図９は、抽出フィルタ特性について説明するための図である。各抽出フィルタ４３１〜４３３は、図９（ａ）の太線で示される抽出特性と図９（ｂ）の太線で示されるｎ倍音用補正特性とを合成した特性（以下、抽出フィルタ特性という）を有する。抽出フィルタ特性は、図９（ｃ）の太線に示される特性となる。図９（ａ）は、基本波抽出フィルタ１３の抽出特性の一例を示す図である。図９（ｂ）は、再生システム１８の再生特性、および、当該再生特性の逆特性に基づくｎ倍音用補正特性の一例を示す図である。図９（ｃ）は、当該ｎ倍音用補正特性と当該抽出特性とを合成した抽出フィルタ特性を示す図である。また、図９（ｃ）の太線に示す抽出フィルタ特性において、低域側の変曲点の周波数をｆｎとし、高域側の変曲点の周波数（カットオフ周波数）をｆ０とする。また、図９（ａ）〜（ｃ）の細線に示す再生特性のカットオフ周波数をｆｃとする。

図９（ａ）において、抽出特性は、第１の実施形態で説明した基本波抽出フィルタ１３が有する抽出特性と同様の特性である。図９（ａ）においては、カットオフ周波数がｆ０となるローパスフィルタで構成される抽出特性の一例を示す。なお、抽出特性は倍音の次数に関係なく共通の特性である。

図９（ｂ）において、ｎ倍音用補正特性は、再生特性の逆特性に基づいた特性である。具体的には、ｎ倍音用補正特性は、再生特性を低域側に所定量だけシフトした特性の逆特性である。また、ｎ倍音用補正特性は、倍音の次数ｎに応じて異なる特性であり、より具体的には、倍音の次数毎に異なる周波数の変曲点を有する特性である。ｎ倍音用補正特性の変曲点の周波数ｆｎは、再生特性のカットオフ周波数ｆｃに対応する。以下、ｎ倍音用補正特性の変曲点の周波数ｆｎの算出方法について説明する。図９（ｂ）に示す再生特性において、第ｎ倍音信号の周波数がカットオフ周波数ｆｃ以下となる場合、当該第ｎ倍音信号のゲインは再生特性の影響を受けて変動する。そこで、当該第ｎ倍音信号のゲインの変動を基本波信号の段階で補正するように変曲点の周波数ｆｎを設定する。倍音の次数を「ｎ（ｎは２以上の自然数）」とすると、変曲点の周波数ｆｎは下式（１）で表現される。
ｆｎ＝（１／ｎ）＊ｆｃ （１）

上式（１）を満たす変曲点の周波数ｆｎをもつ第ｎ倍音補正特性を有するフィルタで基本波信号を補正することは、基本波信号から生成される第ｎ倍音のゲインを、再生特性の逆特性（変曲点がカットオフ周波数ｆｃとなる特性）を有するフィルタで補正することと等価である。つまり、基本波信号を抽出するフィルタが第ｎ倍音補正特性を含む特性を有することによって、基本波信号の抽出後における倍音生成を当該フィルタによって考慮することができる。

図９（ｃ）において、抽出フィルタ特性は、上記抽出特性とｎ倍音用補正特性とを合成した特性である。ここで、各抽出フィルタ４３１〜４３３における具体的な各抽出フィルタ特性について図１０を用いて説明する。図１０は、各抽出フィルタ４３１〜４３３における具体的な各抽出フィルタ特性を示す図である。なお、説明のために再生特性のカットオフ周波数ｆｃを９０Ｈｚとする。

第２倍音抽出フィルタ４３１の２倍音抽出フィルタ特性を図１０（ａ）の太線に示す。図１０（ａ）において、変曲点の周波数ｆｎは上式（１）より、ｆｎ＝（１／２）＊９０＝４５Ｈｚである。他の抽出フィルタ４３２、４３３についても同様に変曲点の周波数ｆｎをそれぞれ計算する。第３倍音抽出フィルタ４３２は、ｆｎ＝３０Ｈｚとなり、図１０（ｂ）の太線に示される特性となる。第４倍音抽出フィルタ４３３は、ｆｎ＝２２．５Ｈｚとなり、図１０（ｃ）の太線に示される特性となる。つまり、抽出フィルタ特性は、倍音の次数が高くなるにつれて、低域側の変曲点の周波数ｆｎが低くなる特性である。

なお、抽出フィルタ特性の高域側の変曲点の周波数ｆ０は、第１〜第３の実施形態と同様に、再生システム１８の再生特性に基づいて適宜設定されてもよい。

以下、各抽出フィルタ４３１〜４３３における具体的な抽出処理について図１０を用いて説明する。ここでは、図１０（ａ）に示す２倍音抽出フィルタ特性を参照しながら、第２倍音抽出フィルタ４３１の処理について説明する。

第２倍音抽出フィルタ４３１は、２倍音抽出フィルタ特性を有するフィルタによって入力音響信号から基本波信号を抽出する。ここで、当該フィルタの特性には２倍音用補正特性が含まれているので、当該２倍音用補正特性の変曲点の周波数ｆｎ以下の周波数帯域に基本波信号が含まれる場合、基本波信号のゲインが補正される。ここで、例えば４５Ｈｚの基本波信号を含む入力信号が入力された場合を考える。２倍音抽出フィルタ特性において、周波数が４５Ｈｚのときのゲインは「０ｄＢ」である。したがって、第２倍音抽出フィルタ４３１は、基本波信号のゲインを補正せずに抽出する。第２倍音生成手段１４１は、第２倍音抽出フィルタ４３１において抽出された基本波信号の第２倍音信号を生成する。このとき、第２倍音信号の周波数は４５Ｈｚ＊２＝９０Ｈｚとなる。生成された第２倍音信号は、第２倍音ゲイン調整手段３０１において、第２倍音抽出フィルタ４３１において基本波信号のゲインの変動がないとしたときに予め設定された倍音構成となる第２の調整量でゲインが調整される。最終的に、再生システム１８において、図１０（ａ）の細線に示す再生特性に基づいて再生される。ここで、図１０（ａ）に示す再生特性において、周波数が９０Ｈｚのとき、ゲインの変動は「０ｄＢ」である。すなわち、第２倍音信号は、第２倍音抽出フィルタ４３１でのゲインの補正および再生特性に基づくゲインの変動はなく、第２倍音ゲイン調整手段３０１において調整されたゲインで再生される。

次に、３０Ｈｚの基本波信号が入力された場合を考える。２倍音抽出フィルタ特性において、周波数が３０Ｈｚのときのゲインは「３ｄＢ」である。したがって、第２倍音抽出フィルタ４３１は、基本波信号のゲインを３ｄＢ増加させる補正を行って抽出する。第２倍音生成手段１４１は、第２倍音抽出フィルタ４３１において抽出された基本波信号の第２倍音信号を生成する。このとき、第２倍音信号の周波数は３０Ｈｚ＊２＝６０Ｈｚとなる。生成された第２倍音信号は、第２倍音ゲイン調整手段３０１において、第２倍音抽出フィルタ４３１において基本波信号のゲインの変動がないとしたときに予め設定された倍音構成となる第２の調整量でゲインが調整される。最終的に、再生システム１８において、図１０（ａ）の細線に示す再生特性に基づいてゲインが変動して再生される。ここで、図１０（ａ）に示す再生特性において、周波数が６０Ｈｚのとき、ゲインの変動は「−３ｄＢ」である。すなわち、第２倍音信号のゲインは、第２倍音抽出フィルタ４３１において予め基本波信号のゲインが補正（＋３ｄＢ）され、その後再生特性に基づいてゲインが変動（−３ｄＢ）する。その結果、第２倍音信号（６０Ｈｚ）は、第２倍音ゲイン調整手段３０１において調整されたゲインで再生される。

以上のように、本実施形態では各抽出フィルタ４３１〜４３３において、基本波信号の段階でゲインを補正して、再生時における各倍音信号のゲインの変動を打ち消している。その結果、各倍音信号はゲイン調整手段３０で調整される予め設定された倍音構成で再生される。

また、第３の実施形態は、基本波抽出フィルタ１３および補正フィルタ３１の２つのフィルタで構成されるが、本実施形態は１つのフィルタ（抽出フィルタ４３）で構成される。また、抽出フィルタ４３の抽出フィルタ特性の通過帯域は、合成した抽出特性によって規定される。したがって、本実施形態においては、第３の実施形態と比べて装置全体のフィルタに要するタップ数を減らすことができ、遅延時間を少なくすることができる。特に低音を処理する場合においては、一般的に遅延時間が大きくなるため、この効果のもつ意味は大きい。

なお、上式（１）より、再生特性のカットオフ周波数ｆｃが十分低い場合、あるいは所定次数（２次以上）より高次の倍音信号において１／ｎの値が十分小さくなる場合には、抽出フィルタ特性の低域側の変曲点の周波数ｆｎも低くなる。このとき、当該変曲点の周波数ｆｎ以下となる基本波信号は、音響信号にあまり含まれない信号となる。かかる場合には、抽出フィルタ特性を上記抽出特性のみとしてもよい。例えば、所定次数が２次の場合、第３倍音抽出フィルタ４３２および第４倍音抽出フィルタ４３３の抽出フィルタ特性を上記抽出特性にする。このとき、当該各抽出フィルタの特性は、互いに共通の特性となり、図１１に示すように共用化できる。図１１は、第３倍音抽出フィルタ４３２および第４倍音抽出フィルタ４３３を共用化した構成を示すブロック図である。図１１に示すように、所定次数より高次数の倍音信号における抽出フィルタを共用化することで、回路規模を縮小できる。また、所定次数を３次とした場合は、第２倍音抽出フィルタ４３１および第３倍音抽出フィルタ４３２にはそれぞれ上記抽出特性とｎ倍音用補正特性とを合成した特性を有し、それぞれ別々の抽出フィルタを構成する。第４倍音信号以上の抽出フィルタは抽出特性のみ有し、それぞれの抽出フィルタを共用化できる。

また、以上の説明では、生成する倍音の次数は、第２倍音信号〜第４倍音信号の３つの倍音信号を生成するとしたが、これに限定されない。本発明は、少なくとも２つの倍音信号を生成する場合において有効である。

本発明は、音響信号処理装置およびその方法に関し、音響信号に倍音信号を付加することで低音感の向上を図ることが可能な擬似低音再生装置、オーディオ機器等にも適用される。

第１の実施形態に係る音響信号処理装置１の構成を示すブロック図 音響信号処理装置１の処理の流れを示すフローチャート スピーカの音響出力特性の一例を示す図 スピーカの音響出力特性の一例を示す図 音響信号処理装置１にスピーカ負荷測定手段１００をさらに設けた構成を示すブロック図 第２の実施形態に係る音響信号処理装置２の構成を示すブロック図 第３の実施形態に係る音響信号処理装置３の構成を示すブロック図 第４の実施形態に係る音響信号処理装置４の構成を示すブロック図 抽出フィルタ特性について説明するための図 各抽出フィルタ４３１〜４３３における具体的な各抽出フィルタ特性を示す図である。 第３倍音抽出フィルタ４３２および第４倍音抽出フィルタ４３３を共用化した構成を示すブロック図 従来の音響信号処理装置９の構成を示すブロック図 ゼロクロス法によって倍音信号を生成する方法を模式的に示す図 各倍音信号の倍音構成を示す図 典型的なサブウーファの音響出力特性の一例を示す図

符号の説明

１０ 入力端子
１１ 遅延手段
１２ 加算器
１３ 基本波抽出フィルタ
１３ａ、１３ｂ 基本波抽出フィルタ
１４ 倍音生成手段
１５、３０ ゲイン調整手段
１６ 周波数測定手段
１７ 調整量算出手段
１８ 再生システム
３１ 補正フィルタ
４３ 抽出フィルタ
１００ スピーカ負荷手段
１８１ 音響効果機能手段
１８２ スピーカ

Claims (13)

1. 入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生手段において再生する音響信号処理装置であって、
   前記入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出手段と、
   前記基本波抽出手段において抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成手段と、
   前記再生手段の再生特性に基づいて生じる各前記倍音信号の倍音構成の変動を抑制するように当該各倍音信号のゲインを調整する第１の調整量と、各前記倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する第２の調整量とに基づいて、前記倍音生成手段において生成された各倍音信号のゲインを調整する調整処理手段と、
   前記調整処理手段において調整された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して、前記再生手段に出力する加算手段とを備える、音響信号処理装置。
2. 前記基本波抽出手段において抽出された基本波信号の周波数を測定する周波数測定手段をさらに備え、
   前記調整処理手段は、前記周波数測定手段において測定された基本波信号の周波数に応じて、第１の調整量の値を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の音響信号処理装置。
3. 前記再生手段の負荷量を測定する負荷測定手段をさらに備え、
   前記調整処理手段は、前記負荷測定手段において測定された負荷量に応じて、第１の調整量の値を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の音響信号処理装置。
4. 前記調整処理手段は、
   前記基本波信号の周波数と当該基本波信号から生成された各倍音信号に対して用いるべき第１の調整量との対応を示す情報に基づいて第１の調整量を算出する算出手段と、
   前記算出手段によって算出された前記第１の調整量と前記第２の調整量とに基づいて、前記倍音生成手段において生成された各倍音信号のゲインを調整するゲイン調整手段とを含む、請求項１に記載の音響信号処理装置。
5. 前記音響信号処理装置は、前記基本波抽出手段、前記倍音生成手段、および前記ゲイン調整手段からなる組を複数備えており、
   各前記基本波抽出手段は、互いに異なる周波数帯域の基本波信号をそれぞれ抽出し、
   前記算出手段は、各前記基本波抽出手段においてそれぞれ抽出される基本波信号の周波数に応じた前記第１の調整量を当該周波数毎にそれぞれ算出し、
   各前記ゲイン調整手段は、同じ組の前記基本波抽出手段によって抽出された基本波信号の周波数に応じた第１の調整量と前記第２の調整量とに基づいて、同じ組の前記倍音生成手段によって生成された各倍音信号のゲインを調整し、
   前記加算手段は、各組の前記ゲイン調整手段によって調整された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して、前記再生手段に出力する、請求項４に記載の音響信号処理装置。
6. 入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生手段において再生する音響信号処理装置であって、
   前記入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出手段と、
   前記基本波抽出手段において抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成手段と、
   前記倍音生成手段において生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように、当該ゲインを調整する調整手段と、
   少なくとも各前記倍音信号の周波数を含む周波数帯域において前記再生手段の再生特性の逆特性を有するフィルタに基づいて、前記調整手段において調整された各倍音信号のゲインを補正する補正手段と、
   前記補正手段において補正された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して、前記再生手段に出力する加算手段とを備える、音響信号処理装置。
7. 前記基本波抽出手段は、前記再生手段の再生特性に基づいて、抽出する基本波信号の周波数を調整することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の音響信号処理装置。
8. 入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生手段において再生する音響信号処理装置であって、
   ２次からｍ次（ｍは３以上の整数）までの各倍音信号について設けられる（ｍ−１）個のフィルタをそれぞれ用いることによって前記入力音響信号から（ｍ−１）個の基本波信号を抽出する抽出手段と、
   各フィルタによって抽出された（ｍ−１）個の基本波信号のそれぞれについて２次からｍ次までの各倍音信号を生成する倍音生成手段と、
   同一のゲインを有する倍音構成となる各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する調整量を用いて、前記倍音生成手段によって生成された各倍音信号のゲインを調整する調整手段と、
   前記調整手段によって調整された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して前記再生手段に出力する加算手段とを備え、
   ｎ次（ｎは２からｍまでの任意の整数）の倍音信号について設けられるフィルタは、カットオフ周波数が１／ｎ倍した周波数になるように前記再生手段の再生特性をシフトさせた特性の逆特性である補正用特性と、基本波信号を抽出可能なローパスフィルタまたはバンドパスフィルタの特性である抽出特性とを合成した特性を有する、音響信号処理装置。
9. 所定の次数以下の倍音信号について設けられる各フィルタは、前記補正用特性と前記抽出特性とを合成した特性を有し、
   前記所定の次数よりも高次の倍音信号について設けられる各フィルタは、前記抽出特性を有する、請求項８に記載の音響信号処理装置。
10. 前記再生手段において再生される段階において、各前記倍音信号からなる倍音構成が一定になることを特徴とする、請求項１、６および８のいずれかに記載の音響信号処理装置。
11. 入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生ステップにおいて再生する音響信号処理方法であって、
    前記入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出ステップと、
    前記基本波抽出ステップにおいて抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成ステップと、
    前記再生ステップの再生特性に基づいて生じる各前記倍音信号の倍音構成の変動を抑制するように当該各倍音信号のゲインを調整する第１の調整量と、各前記倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する第２の調整量とに基づいて、前記倍音生成ステップにおいて生成された各倍音信号のゲインを調整する調整処理ステップと、
    前記調整処理ステップにおいて調整された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して、前記再生ステップに出力する加算ステップとを含む、音響信号処理方法。
12. 入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生ステップにおいて再生する音響信号処理方法であって、
    前記入力音響信号から基本波信号を抽出する基本波抽出ステップと、
    前記基本波抽出ステップにおいて抽出された基本波信号の倍音信号を複数生成する倍音生成ステップと、
    前記倍音生成ステップにおいて生成された各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように、当該ゲインを調整する調整ステップと、
    少なくとも各前記倍音信号の周波数を含む周波数帯域において前記再生ステップの再生特性の逆特性を有するフィルタに基づいて、前記調整ステップにおいて調整された各倍音信号のゲインを補正する補正ステップと、
    前記補正ステップにおいて補正された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して、前記再生ステップに出力する加算ステップとを含む、音響信号処理方法。
13. 入力音響信号に倍音信号を付加して、当該倍音信号が付加された音響信号を再生ステップにおいて再生する音響信号処理方法であって、
    ２次からｍ次（ｍは３以上の整数）までの各倍音信号について設けられる（ｍ−１）個のフィルタをそれぞれ用いることによって前記入力音響信号から（ｍ−１）個の基本波信号を抽出する抽出ステップと、
    各フィルタによって抽出された（ｍ−１）個の基本波信号のそれぞれについて２次からｍ次までの各倍音信号を生成する倍音生成ステップと、
    同一のゲインを有する倍音構成となる各倍音信号のゲインが予め設定された倍音構成となるように当該ゲインを調整する調整量を用いて、前記倍音生成ステップによって生成された各倍音信号のゲインを調整する調整ステップと、
    前記調整ステップによって調整された各倍音信号と前記入力音響信号とを加算して前記再生ステップに出力する加算ステップとを備え、
    ｎ次（ｎは２からｍまでの任意の整数）の倍音信号について設けられるフィルタは、カットオフ周波数が１／ｎ倍した周波数になるように前記再生ステップの再生特性をシフトさせた特性の逆特性である補正用特性と、基本波信号を抽出可能なローパスフィルタまたはバンドパスフィルタの特性である抽出特性とを合成した特性を有する、音響信号処理方法。
    
    

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