JP2009194769A - 外耳道共鳴補正装置および外耳道共鳴補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各人の外耳道の構造に応じて共鳴をキャンセルすることができる外耳道共鳴補正装置を提供すること。
【解決手段】イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器（５８、６０）とイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器（６２、６６）とを備えた外耳道モデルと、外耳道モデルの逆フィルタを作成する逆フィルタ作成部（１４）と、逆フィルタのインパルス応答と音源信号とを畳み込み演算する演算部（１６）とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は外耳道の共鳴を打ち消す外耳道共鳴補正装置および外耳道共鳴補正方法に関する。

イヤホンまたはヘッドホンで音楽を聴取する際、鼓膜とイヤホンまたはヘッドホンとの間で共鳴現象が生じ、不自然な音を聴いていることになる。この共鳴をキャンセルするシステムが種々実現されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１には以下のような頭外音像定位に関する技術が開示されている。特許文献１の図２（ａ）、（ｂ）は、頭外音像定位を実現する原理説明図である。（ａ）はスピーカによる受聴、（ｂ）は両耳イヤホンまたはステレオヘッドホンによる受聴を表している。（ａ）において、１０１は音源信号、１０３はスピーカ、１０２は受聴者の外耳道内に設置されたマイクである。（ｂ）において、１０４はイヤホンまたはヘッドホン、１０５はデジタルフィルタを示している。尚、ＨＲＴＦ_ＬやＨＲＴＦ_Ｒ等の添え字Ｌ、Ｒは左側、右側を示している。

頭外音像定位の原理は、空間にある音源から鼓膜までの伝達関数と同じ伝達関数を電気的に作成することである。

しかし、音波による鼓膜上の振動信号を生体から電気信号で容易に捉えることは困難であるので、特許文献１の図２（ａ）中の音源信号１０１から鼓膜までの電気信号の伝達関数を厳密に測定することはできない。そこで、超小型のマイク１０２を両耳の外耳道に装着し、スピーカ１０３に入力される音源信号１０１からマイク１０２の出力までの伝達関数、即ち、左右両耳における頭部音響伝達関数（ＨＲＴＦ：Head Related Transfer Function）を測定する。

スピーカ１０３は周波数特性を有しているので、スピーカ１０３の入力からマイク１０２の出力までの電気信号の真の伝達関数はスピーカ１０３の伝達関数をＳＰＴＦ（Speaker Transfer Function）とすれば、ＨＲＴＦ／ＳＰＴＦである。

一方、特許文献１の図２（ｂ）において、両耳イヤホンまたはステレオヘッドホン１０４を用いてこれと等価な伝達関数を作成するには、両耳イヤホンまたはステレオヘッドホン１０４の入力から外耳道に装着されたマイク１０２の出力までの伝達関数、即ち、外耳道伝達関数（ＥＣＴＦ：Ear Canal Transfer Function）を測定し、このＥＣＴＦと、デジタルフィルタ１０５の伝達関数との積の伝達関数が伝達関数ＨＲＴＦ／ＳＰＴＦと合致すれば、外耳道に設置したマイク１０２の場所にスピーカ受聴と同じ受聴信号を再生できる。

特許文献１では図５に示すような頭外音像定位手段を用いてイヤホンまたはヘッドホンを装着したときの外耳道伝達関数を測定し、適応等化フィルタを用いてその補正を行っている。

外耳道内の音を収音するマイク３は特許文献１の図１に示すように、イヤホンまたはヘッドホンのスピーカと一体に取り付けられているものである。デジタルフィルタ１１は特許文献１の図２（ａ）のような構成で予め測定しておいたＨＲＴＦ／ＳＰＴＦの伝達関数のインパルス応答を格納しているデジタルフィルタである。

帯域デジタルフィルタ１３が設けられている理由は以下の通りである。即ち、適応デジタルフィルタ１２とＥＣＴＦとは直列に接続され、この出力信号がインパルスであるならば、適応デジタルフィルタ１２の伝達関数はＥＣＴＦの逆伝達関数（＝１／ＥＣＴＦ）となる。しかしながら、ＥＣＴＦはスピーカ１とマイク３とを含んでおり、帯域外では減衰している。このため、ＥＣＴＦの逆伝達関数である適応デジタルフィルタ１２の伝達関数は帯域外で大きな利得を持つことになる。

そこで、適応デジタルフィルタ１２とＥＣＴＦの各インパルス応答の畳み込み演算結果を帯域デジタルフィルタ１３のインパルス応答とすれば、適応デジタルフィルタ１２のタップ係数値、あるいはインパルス応答値を安定に求めることができる。つまり、帯域デジタルフィルタ１３の帯域を適応デジタルフィルタ１２の帯域よりも狭い帯域を通過させるようにすれば、減算器１４によって、適応デジタルフィルタ１２からの伝達関数の帯域外の部分は相殺され、安定した解を求めることができる。

このように特許文献１では適応等化フィルタを用いて外耳道の特性を補正している。正しく補正するためには、マイク３は帯域内で平坦な周波数特性であることが望ましい。マイクの特性が含まれたＥＣＴＦで逆伝達関数を適応デジタルフィルタ１２で作成すると、鼓膜では違和感のある音となる可能性があるからである。また、マイクを取り付ける位置を吟味しなければならない。マイクの取り付け位置が鼓膜位置であれば問題ないが、例えば、特許文献の図１のようにイヤホンまたはヘッドホンの先端（外耳道の端でない位置）で特性を取得すると、定在波の節と成るところで音を収音するため、谷（ｄｉｐ）が生じた特性を取得してしまい、鼓膜で収音する特性と異なってしまう。従って、この特性で適応等化フィルタを用いて作成したフィルタで補正した音を受聴すると、違和感のある音となる。

特許文献２にはイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜で生じる定在波の影響をキャンセルする技術が開示されている。定在波をキャンセルするためには、鼓膜上の振動信号を測定して外耳道伝達特性を求めることが望ましい。しかし、人の鼓膜位置にマイクを設置するなどして直接の鼓膜付近の振動信号を測定することは困難である。そこで、特許文献２では擬似頭の鼓膜位置にマイクを設置して外耳道伝達関数を測定している。そして、測定した特性に基づいてイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜で生じる定在波をキャンセルするフィルタを作成している。

しかし、人の外耳道の長さや鼓膜の音響インピーダンスは個人差があり、それゆえに外耳道伝達関数の特性は人それぞれ異なっているので、共鳴周波数の発生する位置は人それぞれである。また、左右によっても違うので、個人個人に合わせた補正が必要であり、擬似頭で取得した特性を用いて、万人が満足するような補正フィルタが作成できる可能性は少ない。一般的な特性をいくつか用意して、自分にあった特性を選ばせるという方式も考えられているが、ユーザ自身に、自分の特徴に合う補正フィルタを選ばせるのは困難であるし、また、選んだものが万全のものである可能性は少ない。

特許文献３にはイヤホンまたはヘッドホンを用いて大音量で音楽などを聴取すると聴力の低下を招くことを防止するために、人間の耳の共振周波数近傍の音声レベルを低減させる共振周波数成分低減手段を電気-音響変換手段の前段に設けている。このため、耳の共振周波数成分の音声レベルが過大になることが防止される。共振周波数成分低減回路のレジスタには、測定した共振周波数の成分が低減するようなパラメータが設定される。このパラメータの決定の詳細は記載されていない。この決定の一般的な手法としては、特許文献１に記載したように実際に測定した共鳴データの逆フィルタを用いる方法や、パラメトリックイコライザなどにより測定したデータに近いフィルタを作成する方法などが知られている。しかし、これらの方法には以下のような課題がある。

１）鼓膜の位置にマイクを設置することは不可能なため、特性を正確に測定することができず、実測データから生成した逆フィルタを畳み込むことで音質が劣化する。

２）パラメータが多数ありチューニングが非常に難しいため、所望の特性を作り出すことができないことがある。また、所望の振幅特性が得られても位相まで正確に表すことは極めて困難である。
特開２０００−９２５８９号公報（段落００４７、図１、図２） 特開２００２−２０９３００号公報（段落００４０、図１） 特開平９−１８７０９３号公報（段落００２４、図２）

このように従来の外耳道共鳴補正装置には、各人の外耳道の構造に応じた補正を簡単に行うことが出来なかった。

本発明の目的は、各人の外耳道の構造に応じて共鳴をキャンセルすることができる外耳道共鳴補正装置を提供することである。

本発明の一態様による外耳道共鳴補正装置は、イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器とイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道モデルと、前記外耳道モデルの逆フィルタを作成する逆フィルタ作成手段と、前記逆フィルタのインパルス応答と音源信号とを畳み込み演算する演算部とを具備するものである。

本発明の一態様による外耳道共鳴補正方法は、イヤホンまたはヘッドホンから音源信号を出力させ、外耳道内に配置されたマイクで収音した音声信号の周波数特性を求め、イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器とイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道モデルの遅延器の遅延時間を、前記周波数特性から得られた共鳴周波数に応じた時間に設定し、適応等化フィルタと前記外耳道モデルとの直列接続回路に入力信号を入力し、前記入力信号の理想信号と前記直列回路の出力との誤差が最小になるように適応等化フィルタを調整し、前記適応等化フィルタのインパルス応答と音源信号とを畳み込み演算するものである。

以上説明したように本発明によれば、共鳴の節以外の位置に設置したマイクで取得した外耳道の周波数特性から共鳴周波数を検出し、イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器と、イヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道内の音波伝搬モデルの遅延器の遅延時間として、上記共鳴周波数から得られた共鳴波長から求めたイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との距離に応じた時間を設定したモデルを用いて逆フィルタを適応等化し、この逆フィルタのインパルス応答と音源信号とを畳み込み演算することにより、各人の外耳道音響特性の共鳴現象を打ち消すことができる。

以下、図面を参照して本発明による外耳道共鳴補正装置の実施の形態を説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る外耳道共鳴補正装置の構成例を示す図である。マイク１２で収音した音声信号が補正フィルタ生成部１４に入力される。一方、右耳音源信号と左耳音源信号が畳み込み演算部１６に入力される。補正フィルタ生成部１４は入力された音声信号を分析して補正フィルタを作成する。補正フィルタは共鳴を打ち消すために共鳴周波数付近で谷（ｄｉｐ）ができるような周波数特性を有する。補正フィルタのタップ係数は、図１（ａ）に示す例では畳み込み演算部１６に設定され、（ｂ）に示す例ではメモリ１８に一旦書き込んでから畳み込み演算部１６に設定される。ただし、（ｂ）に示す構成でも、メモリ１８に書き込まずに畳み込むこともできる。畳み込み演算部１６は設定されたタップ係数を用いて左右の耳の音源信号を畳み込み演算処理する。これにより、共鳴が打ち消された信号が得られる。

マイク１２は図２に示すようにイヤホンまたはヘッドホン２０に装着されている。このように外耳道の端でない位置にマイク１２を配置して特性を取得すると、定在波の節と成るところで音を収音するため、図３、図４に示すように谷（ｄｉｐ）が生じた特性を取得してしまい、鼓膜で収音する特性と異なってしまう。図３はある人の左耳、右耳の外耳道特性を示す。図４は複数の人の左耳の外耳道特性である。

外耳道の端でない位置にマイク１２を配置して特性を取得すると、図３、図４とは異なる特性となる。しかし、ピークの周波数（共鳴周波数）は鼓膜位置で収音した場合でもイヤホンまたはヘッドホン位置で収音した場合でもほぼ一致する。図５、図６を用いて、鼓膜付近で収音した周波数特性と鼓膜ではない位置で収音した周波数特性の共鳴周波数は一致することを説明する。図５は擬似外耳道を用いた実験概要を示した図である。擬似外耳道２２は人間の外耳道を模擬した円筒形の筒である。実験は擬似外耳道２２内部に超小型のインナーマイク２４を挿入し、筒の両端に鼓膜マイク２６とイヤホンまたはヘッドホン２８を装着して行った。イヤホンまたはヘッドホン２８から周波数スペクトルが一様な白色雑音を出力し、インナーマイク２４と鼓膜マイク２６とで収音し、その周波数スペクトルを比較した。図６は本実験で取得した鼓膜マイクとインナーマイクの周波数特性を示した図である。このようにインナーマイクで取得した特性は定在波の節となるところで谷（ｄｉｐ）が生じるが、共鳴のピークが発生する周波数は鼓膜イヤホンまたはヘッドホンで取得した特性とほぼ一致する。そのため、マイク１２で取得した周波数特性はマイクの設置位置に応じて変化するので、取得した周波数特性の逆フィルタを作っても正しい逆フィルタを作ることができず、共鳴現象を正確にキャンセルすることが困難である。しかし、共鳴周波数は正しいので、これだけを使って補正すれば、共鳴現象をキャンセルすることが可能である。

なお、マイク２４はイヤホンまたはヘッドホン２８の内部、あるいはイヤホンまたはヘッドホン２８から離した位置に設置しても良い。ただし、谷（ｄｉｐ）がピークの周波数（共鳴周波数）で生じないようにマイク２４を設置する必要がある。

図７は補正フィルタ作成部１４の処理の流れを示すフローチャートである。例えば、図２に示すようにマイク１２を装着したイヤホンまたはヘッドホン２０を外耳道に挿入し、イヤホンまたはヘッドホン２０から音源信号を出力してマイク１２で収音する（ブロック３２）。ここで、イヤホンまたはヘッドホン２０から出力する音源信号は周波数スペクトルが一様な、例えば白色雑音のような信号であることが望ましい。しかし、ある帯域で減衰しているようなピンクノイズのような信号であっても良い。また、ＴＳＰ（Time-Stretched Pulse）を用いても良い。

ブロック３４で、収音した音声信号を時間領域から周波数領域へ変換する。ブロック３６で、周波数軸上で共鳴のピークを検出する。図３に示したような周波数特性から、例えば５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの間にある第１のピークと、１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚの間にある第２のピークを左右の耳毎に検出する。

この検出した左右の耳毎の２つのピークを打ち消すためにピークが生じている周波数で谷（ｄｉｐ）ができるような補正フィルタを左右の耳毎に作成する（ブロック３８）。補正フィルタの作成は、パラメトリックイコライザやグラフィックイコライザで作成してもよいが、ここではモデルを使って補正フィルタを作成する。その詳細は後述する。

ブロック４０で、補正フィルタ作成部１４は作成した左右の耳毎の補正フィルタのタップ係数を畳み込み演算部１６に直接、あるいはメモリ１８に一旦記憶してから畳み込み演算部１６に設定する。

畳み込み演算部１６は補正フィルタ作成部１４、またはメモリ１８から転送されてきた左右のデータ（インパルス応答を示すタップ係数）と左右音源信号とを畳み込み演算し、共鳴が打ち消された右耳信号と左耳信号を作成する。

このように各人の外耳道において実際に測定した共鳴のピークを打ち消すようなフィルタを作成し、そのインパルス応答を示すタップ係数を畳み込み演算部１６に設定し、左右の音源信号を畳み込み演算することにより、図３のピークが平滑化される。

上述の説明は左右両方のイヤホンまたはヘッドホンにマイクを装着して、左耳及び右耳の特性を取得しそれぞれの補正フィルタを作成するものであったが、片耳だけの特性を取得し、その特性を用いて作成した補正フィルタを両耳の音源に畳み込むという構成でも良い。

このような補正フィルタ作成処理は、例えばオーディオプレーヤを起動するたびに行うものであっても良いし、ユーザが任意に操作することで行うものであっても良いし、ユーザが設定した期間を超えた後に起動したときに行われるものであっても良い。

以上の説明では、外耳道の特性を取得するマイク１２、補正フィルタ作成部１４、音源信号に対して畳み込み演算を行う畳み込み演算部１６が一体となった構成を説明したが、これらは必ずしも一体である必要は無い。例えば、マイク１２で取得した音源信号を別の装置、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）に取り込み、ＰＣ上のソフトウェア処理で補正フィルタを作成しても良い。

音楽を再生する場合も同様で、畳み込み演算部１６をプレーヤに実装してリアルタイムに補正処理を行って再生する他に、例えば元の音源信号にＰＣ上のソフトウェア処理で共鳴補正処理をした後にプレーヤに転送するようにしても良い。

図１に示した外耳道共鳴補正装置によれば、測定した外耳道伝達関数を補正するために適応等化フィルタを用いずに、収音した特性のピークが生じている周波数に谷（ｄｉｐ）ができるように補正フィルタを作成することにより、鼓膜に設置する高価なマイクを用いずともイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜で生じる共鳴をキャンセルできる。マイクを設置する位置を吟味しなくても補正フィルタが作成できるので、設計期間が短縮できるようになる。イヤホンまたはヘッドホンにマイクを装着し、個人別のイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜で生じる共鳴特性を取得し、その特性に合わせた補正フィルタを作成することにより、個人毎の外耳道特性や挿入状態によって異なる外耳道共鳴特性をキャンセルできる。左右両方の特性を取得して、それぞれの特性ごとに補正フィルタを作成することにより、左右の耳で異なる外耳道共鳴特性をキャンセルできる。

次に、図１の補正フィルタ作成部１４の補正フィルタ作成処理（図７のブロック３８の補正フィルタの作成）について説明する。上述したように、マイクの設置位置に応じて周波数特性は変化するが、共鳴周波数は変化しないので、測定した周波数特性から共鳴周波数のみを使って補正フィルタを作成する。そのため、本実施形態では、測定したデータ（周波数特性）をそのまま使うのではなく、イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数、イヤホンまたはヘッドホン・鼓膜間の音波の伝搬時間をパラメータとした外耳道内の音波伝搬モデルを作成し、このモデルの逆フィルタを生成することにより、外耳道の共鳴特性の個人別補正を実現する。

外耳道モデルの一次元モデルを図８に示す。図８に示す外耳道内の音波伝搬モデルは、鼓膜の反射係数を表す減衰器６０、イヤホンまたはヘッドホンの反射係数を表す５８、イヤホンまたはヘッドホン・鼓膜間の距離（イヤホンまたはヘッドホン・鼓膜間の音波の伝搬時間に比例）を表す遅延器６２、６６、イヤホンまたはヘッドホンから出力された入力音声信号とイヤホンまたはヘッドホンで反射する信号（減衰器５８の出力』を加算する加算器６４とで構成されている。イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数は人によって異なるが、ここでは一般的な値を用いる。イヤホンまたはヘッドホン・鼓膜間の距離は測定した共鳴周波数から音波の波長を求め、音速と波長から求めることができる。

以上のような外耳道内の音波伝搬モデルから図９のような外耳道音響特性が得られる。（ａ）は振幅特性、（ｂ）は位相特性である。

次に、得られた外耳道音響特性から図１０に示すモデルにより逆フィルタを生成する。図１０に示すように、入力信号を適応等化フィルタ７２、遅延器７８に入力する。適応等化フィルタ７２の出力は外耳道音響特性（図８のモデル）を表したフィルタ７４に入力される。遅延器７８の遅延時間は入力信号が適応等化フィルタ７２、外耳道音響特性フィルタ７４を通過する際の遅延時間である。そのため、遅延器７８を介した入力信号は適応等化フィルタ７２、外耳道音響特性フィルタ７４を介した入力信号の期待値となる。遅延器７８、外耳道音響特性フィルタ７４の出力が減算器７６に入力される。適応等化フィルタ７２は減算器７６の出力する誤差が最小になるように自己学習する。減算器７６の出力する誤差が最小となる時の適応等化フィルタ７２の特性が外耳道音響特性フィルタ７４の逆フィルタとなる。適応等化フィルタ７２は種々の具体例が考えられるが、ここでは一例として入力信号に白色雑音、適応アルゴリズムにＬＭＳを用いる。

図９に示す外耳道音響特性を外耳道音響特性フィルタ７４の特性とすると、適応等化フィルタ７２の特性は図１１に示すような特性となる。そのため、補正フィルタ作成部１４が図１１の特性を有する補正フィルタを作成すれば、畳み込み演算部１６は各人の外耳道音響特性の共鳴現象を正確に打ち消すことができる。

上記動作を左右の耳毎に行い、左右の耳毎の補正フィルタを作成する。

さらに特性を改善する方法を次に示す。図８のモデルでは図９（ａ）の周波数特性に示すように、実際には共鳴が発生していない０Ｈｚ付近の低域で共鳴（ピーク）が生じてしまう。このため、このモデルから作成した逆フィルタの周波数特性も図１１の（ａ）に示すように低域が減衰され、音質が劣化してしまう。この原因としては、図８のモデルでは鼓膜の張力（弾性率）が周波数によって変化する、すなわち音響インピーダンスの周波数依存性があることを考慮していないことが考えられる。そこで、鼓膜の音響インピーダンスの周波数依存性を付加するため、図８のモデルにおける鼓膜の反射係数を示す減衰器６０の出力にフィルタ８０を加えた外耳道内の音波伝搬モデル（図１２）を利用する。

鼓膜を構成する高分子の弾性率は、主に低周波数では小さく、周波数が高くなるにつれて大きくなることが知られている。これを参考に鼓膜の弾性率（音響インピーダンスの周波数依存性）を考慮して、図１３に示すようなハイパスフィルタ８０を付加する。

その結果、図１２のモデルから得られた外耳道特性は図１４に示すように、低域での共鳴が抑えられ、図１５に示すように低域で落ち込みのない逆フィルタが実現できる。これにより、図８に示すモデルで生じる可能性のある音質の劣化を改善することが出来る。

図８、図１２に示すモデルを用いることにより、反射係数と長さをチューニングするだけで所望の特性が簡単に得ることができる。物理現象に即した外耳道内の音波伝搬モデルから逆フィルタを生成することにより、適切な位相特性を備えた逆フィルタを得ることができる。外耳道特性を正確に取得することができなくても、音質劣化のない逆フィルタを作ることができる。個人毎に測定した共鳴データを用いることにより、外耳道や鼓膜の個人差を補正フィルタに反映することができる。左右の耳ぞれぞれで測定した共鳴データにより、左右の耳の音響特性の違いを反映することができる。イヤホンまたはヘッドホンの種類や、個人毎の装着状態による共鳴特性の違いを反映することができる。

図１の補正フィルタ作成部１４、畳み込み演算部１６の実装箇所について図１６を参照して説明する。

プレーヤ９０に内蔵する場合は、補正フィルタ作成部１４で作成された補正フィルタのタップ係数がメモリ１８に記憶され、図示せぬフラッシュメモリ、ハードディスク等から読み出された音源信号が畳み込み演算部１６で補正されてからイヤホンまたはヘッドホン９４に出力される。あるいは、プレーヤ９０に内蔵する場合は、音源信号をダウンロードする際に補正して、補正後の音源信号をメモリ等に記憶することも可能である。また、リモコン９２、イヤホンまたはヘッドホン９４に内蔵してもよい。いずれの場合でも、マイク１２は図２に示すようにイヤホンまたはヘッドホン２０に装着される。

以上説明したように、本実施形態によれば、任意の位置に設置したマイクで取得した外耳道の周波数特性から共鳴周波数を検出し、イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器と、イヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道内の音波伝搬モデルの遅延器の遅延時間として、上記共鳴周波数から得られた共鳴波長から求めたイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との距離に応じた時間を設定したモデルを用いて逆フィルタを適応等化（同定）し、この逆フィルタを用いて音源信号の周波数特性を補正することにより、各人の外耳道音響特性の共鳴現象を正確に打ち消すことができる。

モデルを用いずに実測データから生成した逆フィルタを用いて補正すると、鼓膜の位置にマイクを設置することは不可能なため、特性を正確に測定することができず、補正により音質が劣化する。

さらに、このモデルに鼓膜の音響インピーダンスの周波数依存性を考慮してハイパスフィルタを付加することにより、低域で落ち込みのない逆フィルタが実現でき、音質劣化が少ない共鳴補正が実現できる。

パラメトリックイコライザを用いて逆フィルタを作成すると、パラメータが多数ありチューニングが非常に難しいため、所望の特性を作り出すことができないことがある。たとえ所望の振幅特性が得られたとしても、位相まで正確に反映する逆フィルタを作成することは極めて困難であるので、補正により位相情報が不自然な状態（異常な位相回転をする）となる。しかし、本実施形態のモデルによれば位相情報も正しく得られる。

この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

また、本発明は、コンピュータに所定の手段を実行させるため、コンピュータを所定の手段として機能させるため、あるいはコンピュータに所定の機能を実現させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体としても実施することもできる。

本発明の一実施形態による外耳道共鳴補正の概略を示す図。 図１のマイクの配置位置の一例を示す図。 図１のマイクで収音された音から得られたある人の左右の周波数特性を示す図。 図１のマイクで収音された音から得られた複数人の左耳の周波数特性を示す図。 鼓膜マイクとインナーマイクとの周波数特性を比較するための模擬外耳道を使った実験の概要を示す図。 実験で得られた鼓膜マイクとインナーマイクとの周波数特性を示す図。 図１の補正フィルタ作成部の動作を示すフローチャート。 外耳道の音波伝搬モデルの一例を示す図。 図８のモデルから得られた外耳道の音響周波数特性を示す図。 図８のモデルを用いて逆フィルタを作成する概略を示す図。 図１０の逆フィルタの周波数特性を示す図。 外耳道の音波伝搬モデルの他の例を示す図。 図１２のモデルに使用される鼓膜の音響インピーダンスの周波数依存性を表すハイパスフィルタの周波数特性を示す図。 図１２のモデルから得られた外耳道の音響周波数特性を示す図。 図１２のモデルから得られた逆フィルタの周波数特性を示す図。 本実施形態の実装例を示す図。

符号の説明

１２…マイク、１４…補正フィルタ作成部、１６…畳み込み演算部、５２…イヤホンまたはヘッドホン、５４…外耳道、５６…鼓膜、５８，６０…減衰器、６２，６６…遅延器、６４…加算器、７２…適応等化フィルタ、７４…外耳道音響特性フィルタ。

Claims (15)

1. イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器とイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道モデルと、
   前記外耳道モデルの逆フィルタを作成する逆フィルタ作成手段と、
   前記逆フィルタのインパルス応答と音源信号とを畳み込み演算する演算部と、
   を具備する外耳道共鳴補正装置。
2. 前記外耳道モデルの遅延器の遅延時間は、イヤホンまたはヘッドホンを装着した外耳道内で測定した周波数特性から得られた共鳴周波数に応じて決定されることを特徴とする請求項１記載の外耳道共鳴補正装置。
3. 前記モデルは鼓膜の音響インピーダンスの周波数特性に応じたフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の外耳道共鳴補正装置。
4. 前記フィルタはハイパスフィルタであることを特徴とする請求項３記載の外耳道共鳴補正装置。
5. 前記モデルは、イヤホンまたはヘッドホンの反射係数に応じた第１の減衰器と、鼓膜の反射係数に応じた第２の減衰器と、第２の減衰器の出力をイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の音波の伝搬時間だけ遅延して第１の減衰器へ入力する第１の遅延器と、第１の減衰器の出力と入力音声信号とを加算する加算器と、加算器の出力をイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の音波の伝搬時間だけ遅延して出力する第２の遅延器とを具備し、第２の遅延器の出力が第２の減衰器にも入力されることを特徴とする請求項１記載の外耳道共鳴補正装置。
6. 前記周波数特性は個人および左右の耳毎に測定されることを特徴とする請求項２記載の外耳道共鳴補正装置。
7. 前記逆フィルタ作成手段は適応等化フィルタと前記外耳道モデルとの直列接続回路に入力信号を入力し、前記入力信号の理想信号と前記直列回路の出力との誤差が最小になるように適応等化フィルタを調整することを特徴とする請求項１記載の外耳道共鳴補正装置。
8. イヤホンまたはヘッドホンから音源信号を出力させ、外耳道内に配置されたマイクで収音した音声信号の周波数特性を求め、
   イヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器とイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道モデルの遅延器の遅延時間を、前記周波数特性から得られた共鳴周波数に応じた時間に設定し、
   適応等化フィルタと前記外耳道モデルとの直列接続回路に入力信号を入力し、
   前記入力信号の理想信号と前記直列回路の出力との誤差が最小になるように適応等化フィルタを調整し、
   前記適応等化フィルタのインパルス応答と音源信号とを畳み込み演算する外耳道共鳴補正方法。
9. 前記モデルは鼓膜の音響インピーダンスの周波数特性に応じたハイパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項８記載の外耳道共鳴補正方法。
10. 前記モデルは、イヤホンまたはヘッドホンの反射係数に応じた第１の減衰器と、鼓膜の反射係数に応じた第２の減衰器と、第２の減衰器の出力をイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の音波の伝搬時間だけ遅延して第１の減衰器へ入力する第１の遅延器と、第１の減衰器の出力と入力音声信号とを加算する加算器と、加算器の出力をイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の音波の伝搬時間だけ遅延して出力する第２の遅延器とを具備し、第２の遅延器の出力が第２の減衰器にも入力されることを特徴とする請求項８記載の外耳道共鳴補正方法。
11. 前記周波数特性は個人および左右の耳毎に測定されることを特徴とする請求項８記載の外耳道共鳴補正方法。
12. 前記マイクは共鳴の節以外に設置されることを特徴とする請求項８記載の外耳道共鳴補正方法。
13. 外耳道の音響周波数特性における共鳴周波数のゲインを抑える特性を有するフィルタのインパルス応答を表すタップ係数を記憶するメモリと、
    前記メモリから読み出されたタップ係数で表されるインパルス応答と左右の音源信号とを畳み込み演算する手段と、
    を具備する音源信号再生装置。
14. 前記フィルタはイヤホンまたはヘッドホンおよび鼓膜の反射係数に応じた減衰器とイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との間の距離に応じた遅延器とを備えた外耳道モデルの逆フィルタである請求項１３記載の音源信号再生装置。
15. 前記外耳道モデルの遅延器の遅延時間は、イヤホンまたはヘッドホンを装着した外耳道内で測定した周波数特性から得られた共鳴周波数から求めたイヤホンまたはヘッドホンと鼓膜との距離を音波が伝播する時間であることを特徴とする請求項１４記載の音源信号再生装置。

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