JP2007158589A - 音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定在波による影響を高精度に補正可能な音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置を提供する。
【解決手段】 室内に形成される音場における定在波の影響を補正するための音場補正装置であって、該装置は、直方状の部屋の大きさから、所定の数式に基づいて定在波を特徴づける理論的共振周波数の群を算出する周波数算出部３２と、部屋において実測された周波数特性から、所定数のピーク周波数を抽出する周波数抽出部３４と、前記周波数抽出部３４で抽出された所定数のピーク周波数について、前記周波数算出部３２で算出された理論的共振周波数のいずれかから所定周波数範囲内にあるものを、実測共振周波数と判別する周波数判別部３６と、前記周波数判別部３６で判別された実測共振周波数に基づいて、定在波の影響を補正するよう信号を処理する信号処理部１６と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室内における音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置に関する。

家庭や車の室内に形成される音場には、壁等からの反射により定在波が発生する。定在波は、特に、低周波数側で不要な周波数成分を増強し音質に悪影響を与える。したがって、高忠実性の音響再生を実現するには、定在波の影響を低減可能であることが望ましい。

定在波による影響を調整するため、室内の周波数特性を測定した結果から振幅が上位のピーク周波数を検出し、共振周波数を定在波として判別する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この手法では、音場形成の際、判別した共振周波数に基づいて定在波と逆位相の音を生成・出力し、室内における定在波を相殺する。

特開２０００−１１５８８３号公報

しかし、上記手法では、検出したピーク周波数が共振周波数（定在波）かどうかの整合性をとらない。したがって、定在波ではない周波数を定在波として判別し、音響再生の忠実性が損なわれる可能性がある。このように、上記従来の手法では、室内で複雑に発生する共振周波数（定在波）を高精度に把握するのは難しく、再生音を高精度に補正し、高忠実性の音響再生を実現することが難しいという問題があった。

上記事情を鑑みて、本発明は、定在波による影響を高精度に補正可能な音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、定在波を特徴づける共振周波数を高精度に判別し排除するため、定在波による影響を高精度に補正可能な音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様における音場補正方法は、
室内に形成される音場における定在波の影響を補正するための音場補正方法であって、
直方状の部屋の大きさから、下記数式に基づいて定在波を特徴づける理論的共振周波数の群を算出する周波数算出ステップと、
部屋において実測された周波数特性から、所定数のピーク周波数を抽出する周波数抽出ステップと、
前記周波数抽出ステップで抽出された所定数のピーク周波数について、前記周波数算出ステップで算出された理論的共振周波数のいずれかから所定周波数範囲内にあるものを、実測共振周波数と判別する周波数判別ステップと、
前記周波数判別ステップで判別された実測共振周波数に基づいて、定在波の影響を補正するよう信号を処理する信号処理ステップと、
を備える。

（ただし、Ｃ：音速［ｍ／ｓ］、Ｌ：部屋の長さ［ｍ］、Ｗ：部屋の幅［ｍ］、Ｈ：部屋の高さ［ｍ」、ｘ，ｙ，ｚ：０又は正の整数）

上記構成の音場補正方法によれば、室内に発生する定在波を特徴づける共振周波数を高精度に判別することができる。したがって、本来の周波数特性への影響を最小限に抑えつつ、定在波の補正を行うことが可能となる。

上記構成の方法は、例えば、部屋の大きさを取得する大きさ判別ステップを備える。
あるいは、ユーザから部屋の大きさの入力を受け付ける入力ステップを備えてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の態様における音場補正装置は、
室内に形成される音場における定在波の影響を補正するための音場補正装置であって、
直方状の部屋の大きさから、下記数式に基づいて定在波を特徴づける理論的共振周波数の群を算出する周波数算出部と、
部屋において実測された周波数特性から、所定数のピーク周波数を抽出する周波数抽出部と、
前記周波数抽出部で抽出された所定数のピーク周波数について、前記周波数算出部で算出された理論的共振周波数のいずれかから所定周波数範囲内にあるものを、実測共振周波数と判別する周波数判別部と、
前記周波数判別部で判別された実測共振周波数に基づいて、定在波の影響を補正するよう信号を処理する信号処理部と、
を備える。

（ただし、Ｃ：音速［ｍ／ｓ］、Ｌ：部屋の長さ［ｍ］、Ｗ：部屋の幅［ｍ］、Ｈ：部屋の高さ［ｍ」、ｘ，ｙ，ｚ：０又は正の整数）

上記構成の音場補正装置によれば、室内に発生する定在波を特徴づける共振周波数を高精度に判別することができる。したがって、本来の周波数特性への影響を最小限に抑えつつ、定在波の補正を行うことが可能となる。

上記構成の装置は、例えば、部屋の大きさを取得する大きさ判別部を備える。
あるいは、ユーザから部屋の大きさの入力を受け付ける入力部を備えてもよい。

上記構成の音場補正装置は、アンプ、プレーヤ等のオーディオ装置に好適に適用することが可能である。

本発明によれば、定在波による影響を高精度に補正可能な音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置が提供される。
また、本発明によれば、定在波を特徴づける共振周波数を高精度に判別して、定在波による影響を高精度に補正可能な音場補正方法、音場補正装置及びオーディオ装置が提供される。

本発明に係る実施の形態について、以下、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これに限定されない。なお、以下に示す実施の形態では、本発明を信号源からのオーディオ信号を増幅して出力するオーディオ装置に適用した場合を例として説明する。

本発明の実施の形態に係るオーディオ装置１０の構成を図１に示す。図１に示すオーディオ装置１０は、入力部１２と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１４と、信号処理部１６と、ＤＡＣ（Digital to Analog COnvertor）１８と、増幅部２０と、出力部２２と、操作入力部２４と、ＭＰＵ（Micro Procesing Unit）２６と、マイクロフォン入力部２８と、を備える。

入力部１２は、ラジオ受信機、光ディスクプレーヤ等の信号源３に接続され、信号源１３からのオーディオ信号の入力を受け付ける。

ＡＤＣ１４は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。勿論、入力される信号がデジタル信号である場合には設けなくともよい。

信号処理部１６は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）を含んで構成され、デジタルオーディオ信号に所定の処理を施して出力する。信号処理部１６が施す処理には、後述する定在波の補正処理が含まれる。

ＤＡＣ１８は、信号処理部１６からのデジタルオーディオ信号をアナログ信号に変換する。

増幅部２０は、ＤＡＣ１８からのアナログオーディオ信号を増幅する。

出力部２２は、増幅部２０からのアナログオーディオ信号を、出力部２２に接続されたスピーカ２３に供給する。
スピーカ２３は、直方状の部屋の内部に配置される。スピーカ２３からの放音により、部屋の内部に音場が形成される。部屋は、直方状であればよく、専門のオーディルームに限らず、一般的な居住用の部屋や車の内部であってもよい。

操作入力部２４は、オーディオ装置１０の動作に関するユーザからの操作入力を受け付ける。操作入力部２４は、操作パネル、リモートコントローラ等から構成される。

マイクロフォン入力部２８は、室内に配置されるマイクロフォン２９の端子が接続され、マイクロフォン２９が受信する室内の音声信号を受け付ける。マイクロフォン２９は、オーディオ装置１０の使用の前処理（機器設定）に用いられる。

ＭＰＵ２６は、オーディオ装置１０の動作を制御し、信号処理部１６の設定を行う。なお、ＭＰＵ２６は信号処理部１６の制御のみをするものとし、オーディオ装置１０の制御部をＭＰＵ２６とは別に設けるようにしてもよい。ＭＰＵ２６は、大きさ判別部３０と、周波数算出部３２と、周波数抽出部３４と、周波数判別部３６と、設定部３８と、を備える。

大きさ判別部３０は、部屋の大きさ（長さ、幅、高さ）を判別する。部屋の大きさは、スピーカ２３からパルス波を出力し、ユーザが壁際に配置したマイクロフォン２９により集音したデータに基づいて算出される。例えば、ユーザは、スピーカ２３から一方の壁に対して略垂直の位置にマイクロフォン２９を配置し、スピーカ２３から出力されたパルス波をマイクロフォン２９で集音する。

大きさ判別部３０は、出力パルス信号のデータと、検出信号のデータとを比較して、パルス遅延量を算出する。大きさ判別部３０は、得られたパルス遅延量に基づいて直方状の部屋の一辺の大きさ（長さ、幅、高さのいずれか）を算出する。ここで、スピーカ２３は部屋の壁に沿って配置されていることを前提としている。なお、スピーカ２３の筐体の大きさ分を補正することにより、より高精度の測定が可能となる。

ユーザは、部屋の長さ、幅、高さについて、マイクロフォン２９を部屋の三方ごとに配置し、オーディオ装置１０を操作してパルス波の出力、集音を行う。例えば、ユーザは、マイクロフォン２９を所望の位置に配置した上で、操作入力部２４より測定モードに設定する。測定モードが設定されることにより、オーディオ装置１０は、パルス信号の出力、集音を行う。測定は、部屋の長さ、幅、高さのそれぞれについて行われる。大きさ判別部３０は、測定結果に基づいてそれぞれの値を判別し、メモリ３１に記憶する。

メモリ３１はＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等から構成され、オーディオ装置１０の電源が切られた後でもデータを保持する。メモリ３１に記憶された部屋の大きさに関するデータは、再測定によって、変更することができる。

周波数算出部３２は、メモリ３１に記憶された部屋の大きさに基づいて、室内に発生する定在波を特徴づける理論的共振周波数の群を算出する。具体的には、周波数算出部３２は、部屋の大きさ（長さ、幅、大きさ）から、平面波に関する三次元の波動方程式（下記数式）に基づいて、共振周波数の群を算出する。算出される共振周波数は、理想的な直方状の部屋の大きさから決定される理論的な値である。

（ただし、Ｃ：音速［ｍ／ｓ］、Ｌ：部屋の長さ［ｍ］、Ｗ：部屋の幅［ｍ］、Ｈ：部屋の高さ［ｍ」、ｘ，ｙ，ｚ：０又は正の整数）

周波数抽出部３４は、スピーカ２３からテスト用に放音されるサインスイープ信号についてマイクロフォン２９が受信した測定信号の周波数特性から、所定のピーク値を有する周波数を抽出する。
例えば、周波数抽出部３４は、スピーカ２３からサインスイープ信号が放音されたときにマイクロフォン２９を介して得られる計測信号について、周波数特性の平均レベルより所定程度大きく増減した周波数のピーク値およびディップ値のうち増減幅の大きい上位の周波数を抽出する。抽出する周波数の数は、例えば、ＭＰＵ２６、信号処理部１６の処理能力に応じてデフォルトで定められる。

周波数判別部３６は、周波数抽出部３４が抽出した周波数と、メモリ３１に記憶された理論的共振周波数の群と、を比較し、理論的共振周波数から所定周波数範囲内にある実測周波数を共振周波数として判別する。

設定部３８は、周波数判別部３６が共振周波数として判別した周波数に基づいて、定在波の影響を排除するよう信号処理部１６の処理パラメータを設定する。例えば、設定部３８は、信号処理部１６のデジタルフィルタについて判別された共振周波数のピークを除去するよう信号処理部１６の処理パラメータを設定する。このようにすることにより、信号処理部１６において共振周波数について補正されたオーディオ信号がスピーカ２３から放音され、室内の音場は定在波の影響が排除された忠実度の高いものとなる。

次に、上記構成の本実施の形態に係るオーディオ装置１０の動作について説明する。
本オーディオ装置１０を通常の状態で使用する前には、信号処理部１６を初期設定するための前処理が行われる。

前処理では、まず、ユーザは、操作入力部２４より測定モードに設定して、オーディオ装置１０に部屋の大きさ（長さ、幅、高さ）を測定させる。すなわち、ユーザは、マイクロフォン２９を部屋の一方向に配置する。オーディオ装置１０は、スピーカ２３からパルス波を出力し、マイクロフォン２９で集音する。ユーザは、３方向について測定を繰り返す。大きさ判別部３０は測定結果に基づいて部屋の大きさ（長さ、幅、高さ）を判別し、メモリ３１に記憶する。

周波数算出部３２はメモリ３１から部屋の大きさを示すパラメータを読出し、上記数式に基づいて周波数の群を算出する。なお、精度の向上のため、スピーカ２３の筐体の大きさを自動的に補正するようにしてもよい。

上記数式において、（ｘ，ｙ，ｚ）はいずれも０，１，２，３…を取りうるが、好ましくは、そのうちの所定数のモードを考慮する。例えば、特に、向かい合った壁間の定在波（軸波）が強調される傾向があり、（ｘ、ｙ、ｚ）＝（１，０，０）、（２，０，０）…、（０，１，０）、（０，２，０）…、（０，０，１）、（０，０，２）…、などのモードを主に考慮すればよい（０は、その方向の定在波が無いことを意味する）。また、特に定在波が聴感に与える影響が大きい低周波数域を主に考慮すれば、ある程度十分な精度が得られる。

例えば、長さＬ＝４．６ｍ、幅Ｗ＝４．１ｍ、高さＨ＝２．５５ｍの理想的な直方状の部屋を考えた場合には、低周波数域（５００Ｈｚ以下）のみを考慮して、（ｘ，ｙ，ｚ）を１０以下として、図２の表に示す周波数群について考えれば実用上は充分である。勿論、より広い周波数域、より多いモード数の組み合わせについて算出して用いてもよい。周波数算出部３２が算出した理論的共振周波数群は、図２に示すような表としてメモリ３１に記憶される。

次の前処理として、ユーザは、例えば操作入力部２４よりテストモードに設定し、信号源１３からサインスイープ信号を出力させ、オーディオ装置１０にスピーカ２３から出力される音をマイクロフォン２９を通じて計測させる。ユーザは、好ましくは、マイクロフォン２９を部屋の聴取位置に配置する。周波数抽出部３４は、得られた計測信号の周波数特性に基づいて、所定条件を満たすピーク周波数を抽出する。例えば、周波数特性の平均レベルより±８ｄＢ程度大きく増減した周波数のピーク値、ディップ値を抽出する。抽出する周波数の数は、信号処理部１６、ＭＰＵ２６の処理能力に応じて定めることができ、例えば、１０個とする。

周波数判別部３６は、周波数抽出部３４が抽出した各周波数について、メモリ３１に記憶された理論的共振周波数群と比較する。周波数判別部３６は、理論的共振周波数から所定周波数範囲内、例えば、その前後３％（各理論周波数に３％を乗じた値）以内にある実測周波数を共振周波数として判別する。

定在波の周波数分布は、波長、室内の状態、リスニングポジションによって、部屋の大きさから求めた理論的な分布とは異なる。したがって、理論値に所定の幅を持たせておくことが必要となる。

設定部３８は、周波数判別部３６が共振周波数として判別した周波数に基づいて、定在波の影響を排除するよう信号処理部１６の処理パラメータを設定する。例えば、設定部３８は、信号処理部１６のデジタルフィルタについて、判別された共振周波数のピークを除去するよう信号処理部１６のパラメータを設定する。パラメータは信号処理部１６あるいは他に設けられた記憶部（図示せず）に保持される。

以上で前処理は完了し、信号処理部１６は、入力された信号について、共振周波数で特徴づけられる定在波を高精度に補正処理する。信号処理部１６は、たとえば、パラメトリック・イコライジングによって補正する。すなわち、周波数判別部３６が判別した共振周波数をＦ０として、Ｆ０のピークまたはディップレベルからから所定レベル（たとえば３ｄＢ）低いレベルの周波数をＦＬ、ＦＨとし、Ｆ０／（ＦＨ−ＦＬ）を算出して補正Ｑ値を得る。得られたＱ値の逆特性においてＦ０における平均値からのずれを補正量とし、補正前の周波数特性に付加する。得られたすべての共振周波数群について補正を行うことにより、定在波に起因するピークのみが補正された、高忠実性の周波数特性が得られる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、直方状の室内に発生する定在波を特徴付ける共振周波数を高精度に判別できる。これにより、本来の周波数特性まで補正することなく、室内に固有の定在波について補正することができ、高忠実性の音場の構築が可能となる。

（実施例）
長さＬ＝４．６ｍ、幅Ｗ＝４．１ｍ、高さＨ＝２．５５ｍのオーディオルーム中に音声を出力したところ、ある聴取位置で測定した周波数特性は図３に示すようなものであった。図３に示す周波数特性において、増減レベルの大きかった上位１０個の周波数は、５４Ｈｚ、６２．０Ｈｚ、６７．７Ｈｚ、８３．９Ｈｚ、９３．３Ｈｚ、１７３Ｈｚ、２２０Ｈｚ、３１０Ｈｚ、３６３Ｈｚ、４０４Ｈｚであった。なお、オーディオルームの大きさは、パルス波を用いて実測した。

上記数式に、長さＬ＝４．６ｍ、幅Ｗ＝４．１ｍ、高さＨ＝２．５５ｍを代入することにより、図２に示すようなモード数の組み合わせの表を得る。図２に示す表は、低周波数域（５００Ｈｚ以下）のみを考慮して、（ｘ，ｙ，ｚ）を１０以下として得られる。

このような理論的共振周波数を実測により得られたピーク周波数と比較し、その前後３％にあれば対応すると判断する。これによれば、ピーク周波数のうち、５４Ｈｚ、６７．７Ｈｚ、８３．９Ｈｚ、２２０Ｈｚ、３６３Ｈｚ、４０４Ｈｚのものについては、対応する理論的周波数が存在し、これらの周波数が定在波を特徴付ける共振周波数であると判断できる。

一方で、実測された６２．０Ｈｚ、９３．３Ｈｚ、１７３Ｈｚ、３１０Ｈｚには対応する理論的周波数が存在せず、これらのピーク周波数は定在波によるものではないと判断できる。したがって、ピーク周波数の中から、定在波を特徴付けるピーク周波数を選別することが可能であることがわかる。

上記実施の形態では、信号源１３からのオーディオ信号を増幅して出力するオーディオ装置１０を例として説明した。しかし、これに限らず、本発明は、オーディオ信号を出力して室内に音場を形成する再生装置、サーバ等いかなるオーディオ装置にも適用可能である。

上記実施の形態では、部屋の大きさ（長さ、幅、高さ）は、マイクロフォン２９などを用いて実測するものとした。しかし、これに限らず、部屋の大きさをユーザが直接入力可能な構成としてもよい。この場合、図４に示すような構成において、ユーザは操作入力部２４から予め把握している部屋の大きさを入力し、入力値はメモリ３１に記憶される。
さらに、標準的な住宅を想定し、部屋の大きさ（長さ、幅、高さ）の複数の組を予めメモリ３１に記憶させておき、ユーザが使用環境に応じて適宜選択可能な構成としてもよい。

本発明の実施の形態にかかるオーディオ装置の構成を示すブロック図である。 理論的共振周波数の群の一例を示す図である。 実測した周波数特性を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかるオーディオ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０：オーディオ装置、１２：入力部、１４：ＡＤＣ、１６：信号処理部、１８：ＤＡＣ、２０：増幅部、２２：出力部、２３：スピーカ、２４：操作入力部、２６：ＭＰＵ、２８：マイクロフォン入力部、２９：マイクロフォン、３０：大きさ判別部、３１：メモリ、３２：周波数算出部、３４：周波数抽出部、３６：周波数判別部、３８：設定部

Claims (7)

1. 室内に形成される音場における定在波の影響を補正するための音場補正方法であって、
   直方状の部屋の大きさから、下記数式に基づいて定在波を特徴づける理論的共振周波数の群を算出する周波数算出ステップと、
   部屋において実測された周波数特性から、所定数のピーク周波数を抽出する周波数抽出ステップと、
   前記周波数抽出ステップで抽出された所定数のピーク周波数について、前記周波数算出ステップで算出された理論的共振周波数のいずれかから所定周波数範囲内にあるものを、実測共振周波数と判別する周波数判別ステップと、
   前記周波数判別ステップで判別された実測共振周波数に基づいて、定在波の影響を補正するよう信号を処理する信号処理ステップと、
   を備える、ことを特徴とする音場補正方法。
   

   

   （ただし、Ｃ：音速［ｍ／ｓ］、Ｌ：部屋の長さ［ｍ］、Ｗ：部屋の幅［ｍ］、Ｈ：部屋の高さ［ｍ」、ｘ，ｙ，ｚ：０および正の整数）
2. さらに、部屋の大きさを取得する大きさ判別ステップを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の音場補正方法。
3. さらに、ユーザから部屋の大きさの入力を受け付ける入力ステップを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の音場補正方法。
4. 室内に形成される音場における定在波の影響を補正するための音場補正装置であって、
   直方状の部屋の大きさから、下記数式に基づいて定在波を特徴づける理論的共振周波数の群を算出する周波数算出部と、
   部屋において実測された周波数特性から、所定数のピーク周波数を抽出する周波数抽出部と、
   前記周波数抽出部で抽出された所定数のピーク周波数について、前記周波数算出部で算出された理論的共振周波数のいずれかから所定周波数範囲内にあるものを、実測共振周波数と判別する周波数判別部と、
   前記周波数判別部で判別された実測共振周波数に基づいて、定在波の影響を補正するよう信号を処理する信号処理部と、
   を備える、ことを特徴とする音場補正装置。
   

   

   （ただし、Ｃ：音速［ｍ／ｓ］、Ｌ：部屋の長さ［ｍ］、Ｗ：部屋の幅［ｍ］、Ｈ：部屋の高さ［ｍ」、ｘ，ｙ，ｚ：０又は正の整数）
5. さらに、部屋の大きさを取得する大きさ判別部を備える、ことを特徴とする請求項４に記載の音場補正装置。
6. さらに、ユーザから部屋の大きさの入力を受け付ける入力部を備える、ことを特徴とする請求項４に記載の音場補正装置。
7. 請求項４乃至６に記載の音場補正装置を備えるオーディオ装置。
   

Images