JP2007534990A - バイノーラル音信号の主観的特性の判定法 - Google Patents

Abstract

バイノーラル音信号のラウドネスなどの主観的特性を判定するために、バイノーラル音信号から生じる、人間の左右の耳内の左右の音圧を判定する。左右の音圧を周波数分析して、左右の周波数スペクトルを入手する。周波数帯のそれぞれで、人間への平面波正面入射から生じる、周波数帯域幅制限された左右の音圧と同一の知覚されるラウドネスを作る、左右の耳内の両耳（共通）音圧を判定する。周波数帯のそれぞれで、頭部伝達関数の逆関数を使用して、両耳音圧と同一の知覚されるラウドネスを作る自由音場音圧を判定する。周波数帯域幅制限された自由音場音圧の全体のラウドネスとして、好ましくは国際標準規格ＩＳＯ ５３２を使用して、ラウドネスを判定する。

Description

本発明は、音信号の知覚されるラウドネスなどの主観的特性の音響心理学的判定に関する。そのような判定は、たとえば、環境調査および職業調査において、および音質の判定に有用である。

知覚されるラウドネスは、主観的量であり、知覚されるラウドネスを客観的に判定する方法が、開発されてきた。人間の聴力閾値は、周波数に依存し、さらに、等ラウドネス曲線の周波数依存性も、音圧レベルに伴って変化する。

騒音計は、知覚されるラウドネスを客観的に判定しなければならない時に異なる状況で使用される周波数依存レベル不変フィルタを有することができる。１例が、ｄＢ（Ａ）単位で雑音レベルを判定するのに広く使用されているＡ−重み付けフィルタである。そのようなフィルタは、構成するのが比較的単純であり、正確で繰り返し可能な測定を与える。しかし、等ラウドネス曲線のレベル依存性は、考慮されておらず、したがって、そのような固定フィルタの使用は、知覚されるラウドネスの現実的な判定を与えない。

国際標準化機構によって発行された国際標準規格ＩＳＯ ５３２：１９７５ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ − Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｏｕｄｎｅｓｓ ｌｅｖｅｌは、当の位置に置かれた単一のマイクロホンを使用する、そのラウドネスが測定される音の測定を規定している。測定された音の周波数分析、好ましくは１／３オクターブ分析が、レベル依存の等ラウドネス曲線を使用するラウドネスの判定の基礎を形成する。

ＩＳＯ ５３２は、単一のマイクロホンを使用して音場のラウドネスだけを判定し、人間の２つの耳での音信号が同一であると仮定する。これは、正面入射などの正中面での入射方向を有する自由音場音および拡散音場についてのみ真である。聞き手の各耳で異なる信号からラウドネスをどのように判定すべきかは、明瞭でない。
米国特許第４６３１９６２号に、人間の頭の音響特性をシミュレートするための幾何学的身体からなる人工頭測定システムが開示されている。マイクロホンは、人工頭の耳道内に配置される。
米国特許第５７２９６１２号に、頭部伝達関数ＨＲＴＦを測定する方法および装置が開示されている。
国際標準規格ＩＳＯ ５３２：１９７５ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ − Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｏｕｄｎｅｓｓ ｌｅｖｅｌ 米国特許第４６３１９６２号 米国特許第５７２９６１２号

したがって、本発明によって解決される問題は、点音源および任意の入射方向を有する分散音源の任意の組合せによって音を生成することができる、バイノーラル（両耳）音信号すなわち、自由音場、拡散音場、残響場、またはこれらの任意の組合せの知覚されるラウドネスを現実的に判定できる方法を提供することである。用語「バイノーラル」は、本明細書では、ある人が、音場にさらされ、頭部伝達関数によって変更された対応する音信号を左右の耳で受け取る状況に関して使用される。したがって、一般に、バイノーラル状況に、たとえば、自由音場正面入射と、片耳だけの「モノティック」刺激および左右の耳の関連しない信号などのヘッドホンを使用する刺激も含まれる。

本発明は、バイノーラル音信号からもたらされる、それぞれ人間の左右の耳の第１の左右の音圧が判定される方法を提供することによってこの問題を解決する。左右の音圧のそれぞれを、複数の周波数帯で分析して、複数の周波数帯域幅制限された左右の音圧を含む左右の周波数スペクトルを入手する。各周波数帯で、人間への平面波正面入射から生じ、周波数帯域幅制限された左右の音圧と同一の知覚されるラウドネスを作る、左右の耳での周波数帯域制限された両耳（すなわち共通の）音圧を判定する。各周波数帯で、各耳の正面頭部伝達関数の逆関数ＨＲＴＦ^−１を使用して、周波数帯域幅制限された両耳音圧と同一のラウドネスを作る周波数帯域幅制限された自由音場音圧を判定する。最後に、音信号の知覚されるラウドネスを、周波数帯域幅制限された自由音場音圧の全体のラウドネスとして、好ましくは国際標準化機構によって発行された国際標準規格ＩＳＯ ５３２：１９７５ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ − Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｏｕｄｎｅｓｓ ｌｅｖｅｌを使用して、判定する。

周波数帯域幅制限された両耳音圧の判定は、好ましくは周波数帯域幅制限された左右の音圧のレベルに依存し、好ましくは周波数にも依存し、これによって、本方法は、ラウドネスの音響心理学的知覚をより綿密にシミュレートする。

好ましくは、左右の耳内の左右の音圧は、人間の頭の左右の耳を含む音響特性をシミュレートするシミュレータを使用して判定され、ここで、左右のマイクロホンが、それぞれ、左右の耳の音圧を測定する。そのようなシミュレータを用いる測定は、現実的であり、高い正確さで繰り返すことができる。
そのようなシミュレータが使用可能でない場合には、左右の耳の音圧を、人間を使用して判定することができ、ここで、左右のマイクロホンが、それぞれ、左右の耳の音圧を測定する。

本発明のより一般的な態様では、左右の音圧のそれぞれが、たとえばＡ−重み付けフィルタなどの標準化された重み付けフィルタを使用して周波数重み付けされて、左右の周波数重み付けされた音圧が入手される。おそらく、周波数重み付けは、可聴周波数範囲またはその部分範囲など、上下の周波数限度内で、線形すなわち周波数に独立とすることもできる。人間への平面波正面入射から生じる、周波数重み付けされた左右の音圧と同一の主観的特性を作る、左右の耳内の周波数重み付けされた音圧の判定を行う。周波数重み付けされた両耳音圧と同一の主観的特性を作る周波数重み付けされた自由音場音圧を判定し、音信号の主観的特性を、周波数重み付けされた自由音場音圧の特性として判定する。

音信号の主観的特性の例が、ラウドネス、鋭さ、粗さ、変動の強さ、調性、音声干渉レベル、スペクトル・バランス、了解度（明瞭度指数）、尖度、顕著性（プロミナンス）比、雑音対トーン比、およびこれらの任意の組合せである。

本発明を、例として、ラウドネス判定に関する本発明の使用を強調して説明する。ラウドネス知覚が、聞く人の２つの耳で受け取られる音信号すなわち、頭部伝達関数ＨＲＴＦによって変更された音信号によってのみ判定されることが、本発明の基本的な前提である。

図では、頭１０が、上から見た状態で図示されている。頭１０は、両方ともＢｒ▲ｕｅ▲ｅｌ＆Ｋｊ▲ａｅ▲ｒ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａ／Ｓ社の、Ｈｅａｄ ａｎｄ Ｔｏｒｓｏ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｔｙｐｅ ４１００またはｔｙｐｅ ４１２８の頭であることが好ましい。頭は、上から見たものとして、胴部なしで図示されており、左右のシミュレートされた耳を有する。頭１０のシミュレートされた耳のそれぞれの中に、左右の音圧を受け取るために、それぞれマイクロホンＭ_ＬおよびＭ_Ｒが配置されている。

使用時に、シミュレータ１０は、音信号のラウドネスを客観的に判定することが望まれる位置に置かれる。このシミュレータは、音信号に露出される人が占めるか占めるのに適する位置に置かれなければならず、この位置は、任意の音場すなわち、自由音場、拡散音場、またはこれらの任意の組合せとすることができる。左右のマイクロホンは、それぞれ左右の耳内の音圧を表す電気信号を出力する。

左右の耳の音圧を表す電気信号のそれぞれが、音信号の周波数分布について、好ましくは国際標準規格ＩＳＯ ５３２で規定された１／３オクターブ帯で分析される。したがって、この周波数分析は、左右の耳に個別の、左右の耳の１／３オクターブ周波数スペクトルを与える。他の周波数分析を、異なる目的にかなうために実行することもできる。

各１／３オクターブ周波数帯で、左右の耳の周波数帯域幅制限された信号を使用して、人間への平面波正面入射から生じる、周波数帯域幅制限された左右の音圧と同一の知覚されるラウドネスを作る、左右の耳内の周波数帯域幅制限された音圧を計算する。この音圧は、両方の耳で同一であり、「両耳」音圧と称する。この変換に使用される式は、次の通りである。

ただし、
Ｌ_{ｐ，Ｌ／Ｒ}（ｆ） は、各耳での両耳音圧レベルであり、
Ａ（ｐ，f） は、ｄＢ単位の（両耳 ラウドネス 加算和 ｂｉｎａｕｒａｌ Ｌｏｕｄｎｅｓｓ Ｓｕｍｍａｔｉｏｎ：ＢＬＳ）であり、
ｐ は、Ｐａ単位の絶対音圧であり、
ｆ は、周波数であり、
Ｌ_ｐ，Ｌ は、ｄＢ ＳＰＬ単位の左耳での音圧レベルであり、
Ｌ_ｐ，Ｒ は、ｄＢ ＳＰＬ単位の右耳での音圧レベルである。

式（１）は、左右の耳のバイノーラル刺激を、同一の知覚されるラウドネスをもたらす両耳正面刺激に変換する。両耳刺激では、２つの耳の信号が同一である。したがって、両耳ラウドネス加算和 Ａ（ｐ，ｆ）が、この変換式で減算される。というのは、１つの耳位置の信号だけが、さらなる計算に必要だからである。したがって、この計算は、複数の周波数帯域幅制限された両耳音圧を与え、これらが、一緒に、自由音場正面入射音信号から両耳で生じる両耳音スペクトルを定義する。

予備実験は、両耳ラウドネス加算和 Ａ（ｐ，ｆ）が、周波数に伴って増加する傾向があることを示すが、レベル依存性は、ラウドネス判定が通常行われるレベルで大きいことが証明されていない。異なるレベルおよび周波数にまたがる平均ＢＬＳは、数ｄＢすなわち、３〜６ｄＢの範囲内である。

物体が音場に置かれた時に、その物体は、音場の外乱を引き起こす。したがって、人または頭（および胴部）シミュレータが自由音場に置かれた時に、その人またはシミュレータは、音場を乱し、自由音場状態は、もはや、その人またはシミュレータの周囲に存在しなくなる。これは、頭シミュレータ１０の左右の耳ならびにマイクロホンＭ_ＬおよびＭ_Ｒでの音が、頭または頭シミュレータ１０なしで存在するはずの場を真に表すのではなく、左右の耳での音が、めいめいの頭部伝達関数によって変更されることを意味する。頭部伝達関数の概念と、その測定の装置および方法とが、米国特許第５７２９６１２号に記載されている。

したがって、頭部伝達関数によって変更された時に上の計算された両耳音スペクトルを引き起こす、正面入射自由音場音スペクトルに達するために、計算された両耳音スペクトルを、頭部伝達関数の逆関数によって変更する。これを、周波数帯域幅制限された両耳音圧ごとに行って、対応する周波数帯域幅制限された自由音場音圧を入手する。この周波数帯域幅制限された自由音場音圧の全体が、最初のバイノーラル音信号と同一の、人間での知覚されるラウドネスを引き起こす自由音場音信号を形成する。

本発明の方法の最後のステップで、最初のバイノーラル音信号の知覚されるラウドネスが、周波数帯域幅制限された自由音場音圧の全体のラウドネスとして判定される、すなわち、そのように入手された自由音場周波数スペクトルが、好ましくは国際標準規格ＩＳＯ ５３２に従う、ラウドネス計算方法への入力として使用される。
参考文献
［１］ツビッカ，Ｅ．およびファストル，Ｈ．（１９９９年）、「音響心理学：事実およびモデル」、第２版、シュプリガ、ベルリン、２０３〜２３８ページ。
［２］ムーア，Ｂ．Ｃ．、グラスバーグ，Ｂ．Ｒ．、およびベア，Ｔ．（１９９７年）、「閾値、ラウドネス、おおび部分的ラウドネスの予測のためのモデル」、Ｊ．オーディオ Ｅｎｇ．Ｓｏｃ．、第４５巻、第４号、２２４〜２４０ページ。
［３］ツオミ，Ｏ．およびザチャロフ，Ｎ．（２０００年）、「リアルタイム・ラウドネス計」、米国音響協会第１３９回会議、米国、７ページ。
［４］ザチャロフ，Ｎ．、ツオミ，Ｏ．、およびロルホ，Ｇ．（２００１年）、「聴覚末梢系、ＨＲＴＦ、および指向性ラウドネス知覚」、ＡＥＳ第１１０回年次総会、アムステルダム、オランダ、論文５３１５、１０ページ。
［５］ロビンソン，Ｄ．Ｗ．およびホイットル，Ｌ．Ｓ．（１９６０年）、「指向性音場のラウドネス」、アクースティカ、第１０巻、７４〜８０ページ。

本発明の方法を示す流れ図である。

Claims (8)

1. バイノーラル音信号の主観的特性を判定する方法であって、
   前記バイノーラル音信号から生じる、人間の、それぞれ左右の耳内の左右の音圧を判定することと、
   前記左右の音圧のそれぞれについて、それぞれが複数の周波数帯域幅制限された左右の音圧を含む左右の周波数スペクトルを判定することと、
   各周波数帯で、前記人間への平面波正面入射から生じる、前記周波数帯域幅制限された左右の音圧と同一の知覚されるラウドネスを作る、前記左右の耳内の周波数帯域幅制限された両耳音圧を判定することと、
   各周波数帯で、前記周波数帯域幅制限された両耳音圧と同一の知覚されるラウドネスを作る周波数帯域幅制限された自由音場音圧を判定することと、
   周波数帯域幅制限された自由音場音圧の全体の特性として、前記音信号の前記主観的特性を判定することと
   を含む方法。
2. 前記周波数帯域幅制限された両耳音圧の前記判定が、前記周波数帯域幅制限された左右の音圧のレベルに依存する、請求項１に記載の方法。
3. 前記周波数帯域幅制限された両耳音圧の前記判定が、周波数に依存する、請求項１に記載の方法。
4. 前記左右の耳内の前記左右の音圧が、人間の頭の左右の耳を含む音響特性をシミュレートするシミュレータを使用して判定され、左右のマイクロホンが、それぞれ、前記左右の音圧を測定する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記左右の耳内の前記左右の音圧が、人間を使用して判定され、左右のマイクロホンが、それぞれ、前記左右の音圧を測定する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
6. バイノーラル音信号の主観的特性を判定する方法であって、
   前記バイノーラル音信号から生じる、人間の、それぞれ左右の耳内の左右の音圧を判定することと、
   前記左右の音圧のそれぞれについて、左右の周波数重み付けされた音圧を判定することと、
   前記人間への平面波正面入射から生じる、前記周波数重み付けされた左右の音圧と同一の知覚される主観的特性を作る、前記左右の耳内の周波数重み付けされた両耳音圧を判定することと、
   前記周波数重み付けされた両耳音圧と同一の主観的特性を作る周波数重み付けされた自由音場音圧を判定することと、
   周波数重み付けされた自由音場音圧の特性として、前記音信号の前記主観的特性を判定することと
   を含む方法。
7. 前記主観的特性が、知覚されるラウドネスである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記主観的特性が、鋭さ、粗さ、変動の強さ、調性、音声干渉レベル、スペクトル・バランス、了解度もしくは明瞭度指数、尖度、顕著性（プロミナンス）比、雑音対トーン比、またはこれらの組合せである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
   

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