JP2010044117A - 音響特性制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の周波数域の信号が連続することを判別し、適切な特性で出力する音響特性制御装置の提供
【解決手段】
入力端子１には、例えば楽曲信号が供給される。この入力端子１はバンドパスフィルタ２とピーキングフィルタ１０に接続される。
ゼロクロス検出回路４では、信号の正の期間に相当するパルス信号が形成される。パルス幅計測回路５は、パルス幅に応じた信号を出力する。
次に、比較器６，比較器７に入力し、比較器６ではパルス幅が第１の設定値ａ以上の時が判別されて信号を出力し、比較器７ではパルス幅が第２の設定値ｂ以下の時が判別されて信号を出力する。
比較器６がアップダウンカウンタ８のアップ端子に接続され、比較器７がダウン端子に接続される。アップダウンカウンタ８の出力は、減算器９を介して、ピーキングフィルタ１０に接続され、このカウント値にしたがって、ピーキングフィルタ１０の音響特性が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響特性制御装置に関し、特に、入力された音響信号において特定の周波数域の信号が連続することを検出し、音響特性を制御して出力することに関する。

楽曲全体の構造の中で、一番代表的な盛り上がる主題の部分はサビと呼ばれる。このサビの部分は、歌曲であれば歌手の音声が比較的長く連続しているものである。
一方、収録された楽曲の音響特性は、比較的大型の音響設備において効果が発揮されるように設計されている。このため、例えば携帯型音響装置や小型音響装置、車載音響装置等で再生しても、十分に効果的な演奏とはならない場合がある。
そこで、携帯型音響装置等においては、例えば歌曲において歌手の音声帯域を増強するような音響特性の調整が行われている。しかし、このような増強を常に行うと、特に盛り上がるサビの部分で歌手の声が目立たず、却って不自然なものになり、良好な再生とは言えない。

これに対して、楽曲のサビの部分を判別して、そのサビの期間だけ所望の帯域の音響特性を増強することが考えられた。これであれば、サビの部分はもともと印象的な音声の演奏であり、その音響特性が増強されるので不自然にならず、効果的な再生を行うことができる。そしてこのようなサビの判別方法には、従来から種々の研究が行われている（例えば、特許文献１参照）。また、楽曲の特定の帯域を増強する手段は、すでに周知のものである（例えば、特許文献２参照）。
上述したように、楽曲のサビの部分を判別し、その期間だけ所望の帯域の音響特性を増強して効果的な再生を行うことが考えられる。ところが、そのためのサビの判別方法として、例えば特許文献１に開示されている技術では、極めて大がかりな設備が必要とされ、携帯型音響装置等においては容易に実施することができない。また、特許文献１に開示されている技術では、楽曲の全体からサビの部分を判別しており、事前に判別の処理が必要とされ、例えば現時点で流れている楽曲には適応できない。

特開２００４−２３３９６５号公報 特開平７−１０６８７８号公報

本発明の目的は、特定の周波数域（例えば、音声の周波数域）が連続することを、簡単な構成でリアルタイムに判別し、適切な特性で再生する音響再生装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、入力信号を正のパルス信号とするパルス信号化部と、該パルス信号化部からのパスル信号のパルス幅計測部と、該パルス幅計測部からの計測値に対して、第１のパルス幅以下を検出すると出力する第１の比較部と、第２のパルス幅以上を検出すると出力する第２の比較部と、第１の比較器からの信号を印加されるとカウンタ値をアップし、第２の比較部からの信号を印加されるとカウンタ値をダウンするカウンタと、該カウンタのカウンタ値により、前記入力信号の特性を変化させて出力するフィルタとを備え、前記カウンタは、前記第１，第２の比較部により、特定の周波数領域の信号でカウンタ値をアップさせ、特定の周波数領域以外の信号でカウンタ値をダウンさせることを特徴とする音響特性制御装置である。
前記パルス信号化部の前に、入力信号中の人間の音声信号を確実に検出するのに適したフィルタを設け、前記第１，第２の比較部は、音声帯域の信号でアップし、音声帯域以外の信号でダウンする信号を出力することで、音声信号の連続を検出して、出力の音響特性を制御することが望ましい。
前記パルス信号化部は、ゼロクロスを検出して正のパルス信号とするとよい。

（１）再生されている音響信号に対して、周波数域によりアップダウンを行うアップダウン・カウンタを用いているので、例えば、音声の周波数帯の信号が継続していることを検出し、その音声の周波数帯を徐々に強調し、継続されなくなると、徐々に強調することをやめるようにリアルタイムで制御することができる。
（２）ＦＦＴのような複雑な構成を用いることなく、簡単な構成で（１）の制御を実現している。
（３）本発明の構成では、音響信号のレベル（振幅）によらないで制御を実現しているので、音量の変化に影響をうけない。

本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
本発明は、楽曲等を再生中、例えば音声の連続を簡単な構成でリアルタイムに検出し、適正な特性に変化させて再生するものである。
本発明では、音声を示す周波数帯が連続していることを簡単な構成で検出し、例えば歌い上げているために、音声が連続しているサビの部分を検出している。

さて、音声信号は大まかに子音と母音に分類されるが、過渡的な子音に対し、概周期的な母音はパワーも大きいことから、音声信号の伝達に大きく寄与している。この音声信号の周期的な繰り返しを示す周波数の値は音声の基本周波数あるいはピッチ周波数と呼ばれ、音声の大きな特徴の1つを定めている。このピッチ周波数は、概ね男性で５０Ｈｚ〜２００Ｈｚ、女性で７５Ｈｚ〜３５０Ｈｚである。本発明では、このピッチ周波数の高周波が連続していることを検出して、音声信号が連続していることを検出している。
本発明の実施形態である具体的な回路構成を、図１を用いて説明する。また、図１の回路構成の具体的な処理動作を、図２〜図５を参照して説明する。

図１において、入力端子１には、例えば楽曲のＰＣＭ（Pulse Code Modulation）化された信号が供給される。この入力端子１はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）２とピーキングフィルタ（Peaking Filter）１０に接続される
バンドパスフィルタ２では、音声の帯域である、大体５０Ｈｚから３５０Ｈｚのピッチ周波数の高調波を通過させ、音声部分を抽出している。次のローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）３では、音声と楽器とを分離する周波数特性のものである。
バンドパスフィタ２の周波数特性は図２Ａの曲線x_１で示され、ローパスフィルタ３の周波数特性は図２Ａの曲線x_２で示される。これらの合成特性は図２Ｂに示される。図２Ｂに示す合成特性は、人間の歌唱の音声信号を抽出するのに適したものであり、特に人間の歌唱の母音の高調波成分が抽出される。
バンドパスフィルタ２は、例えばＩＩＲ型２次フィルタで形成され、カットオフ周波数ｆｃ＝４ｋＨｚ、Ｑ＝０．７０７である。また、ローパスフィルタ３は、例えばＩＩＲ型１次フィルタで形成され、カットオフ周波数ｆｃ＝３００Ｈｚである。これにより、音声の高周波成分が多い、１ｋＨｚ〜４ｋＨｚが抽出される。

ローパスフィルタ３からの出力信号は、例えば図３Ａに示すような波形であり、基準の０レベルを中心に正負に振れる信号となっており、音声の母音を示すピッチ周波数の高周波成分が主である信号となっている。
ローパスフィルタ３はゼロクロス検出回路４に接続される。ゼロクロス検出回路４では０レベルとの交点が検出され、例えば図３Ｂに示すように、抽出された信号の正の期間に相当するパルス信号が形成される。
楽曲のサビの部分では、音声の母音の発声される継続時間が長くなる傾向にある。ゼロクロス検出回路からのパルス信号は、その母音を示す周波数帯域の信号であり、サビの部分ではその周波数帯域のパルスが連続する。これに対してサビ以外の部分では、その周波数帯域のパルスは連続して発生しないことが多い。

ゼロクロス検出回路４は、正のパルス幅を計測するパルス幅計測回路５に接続される。パルス幅計測回路５は、例えば、正のパルス信号の立ち上がりから立ち下がりまでの時間を計ることで、パルス幅に応じた信号を出力する。パルス幅計測回路５の出力信号は、比較器６，比較器７に入力する。
比較器６ではパルス幅が第１の設定値ａ以上の時が判別されて信号を出力し、比較器７ではパルス幅が第２の設定値ｂ以下の時が判別されて信号を出力する。ここで、設定値ａは設定値ｂより大きく設定されており、その間には不感帯が設けられている。
比較器６はアップダウンカウンタ８のアップ端子に接続され、比較器７はダウン端子に接続される。

アップダウンカウンタ８では、入力したパルスのパルス幅が第１の設定値ａより大きい時にパルスを発生してアップカウントが行われ、パルス幅が第２の設定値ｂより小さい時にパルスを発生してダウンカウントが行われる。
設定値ａ以上の幅のパルスが連続しているときは、音声の母音の周波数帯の信号が連続していること、即ち例えば楽曲のサビ部分が継続していることを示しており、設定値ｂの幅のパルスが継続しているときは、サビ以外の部分であると判断される。アップダウンカウンタ８では、例えば楽曲のサビの部分でカウント値が大きくなり、サビ以外の部分でカウント値が小さくなる。

入力端子１に供給される原信号（楽曲のＰＣＭ化された信号）が４４．１ｋＨｚでサンプリングされている時に、パルス幅計測回路５はサンプリングされたＰＣＭ信号の数を計測してパルス幅の計測をしている。その計測間隔を１０ｍ秒とすれば、その間のサンプリングされた信号の数の最大値は４４０個になる。その場合に、上述の設定値ａは例えば２２（約０．４４ｍ秒：約１．１ｋＨｚ）となり、設定値ｂは例えば５（約０．１ｍ秒：約５ｋＨｚ）となる。計測間隔を１０ｍ秒とすることは、５０Ｈｚ以下の周波数はカウントしないためである。

アップダウンカウンタ８は減算器９に接続される。これは、アップダウンカウンタ８の出力信号を正負の信号に変換している。減算器９からの正負の信号は、ピーキングフィルタ１０に入力されている。このピーキングフィルタ１０は出力端子１１に接続される。
アップダウンカウンタ８の出力は、減算器９を介して、ピーキングフィルタ１０に接続され、このカウント値にしたがって、ピーキングフィルタ１０の音響特性が制御される。

これを図４で説明する。図４Ａは、ローパスフィルタ３の出力信号の波形であり、図４Ｂは、ゼロクロス検出回路４の出力信号、図４Ｃは、比較器６および比較器７の出力を正負で区別して示しており、図４Ｄは、アップダウンカウンタ８の出力信号である。
図４Ａに示すように、サビの部分の音声信号を示す波形が繰り返し検出され、サビではない部分では音声信号ではない波形が出力する。
従って、図４Ａの左側の音声の部分に対応する、ゼロクロス検出回路４からのパルス信号は、図４Ｂの左側に示すように、パルス幅の比較的大きな信号が繰り返し発生する。このため、図４Ｃの左側に示すように、アップする信号がアップダウンカウンタ８に入力し、図４Ｄの左側に示すようにアップダウンカウンタ８のカウント値が大きくなる。

これに対して、図４Ａの右側に示すような音声以外の部分の信号では、図４Ｂの右側に示すようにパルス幅の大きなパルス信号は発生しないので、図４Ｃの右側に示すようにアップダウンカウンタ８にダウンする信号が入力され、カウント値は小さくなる。
これにより、アップダウンカウンタ８のカウント値には、音声の部分とそうでない部分が数値で表される。なお、アップダウンカウンタ８には例えば５ビットの出力を有し、カウント出力値は０〜３１として、それを超える、若しくは負値になるカウントは行われないものとする。

このアップダウンカウンタ８のカウント出力値（０〜３１）が減算器９に接続され、カウント出力の中間値の１６が減算される。これによりカウント出力値（０〜３１）は、制御値（−１６〜＋１５）に変換される。この制御値（−１６〜＋１５）がピーキングフィルタ１０の制御端子に供給される。

さらに、ピーキングフィルタ１０は、例えば、下記数式（１）で表されるような特性を有し、その周波数特性図は図５Ａに示すようになる。

数式（１）で、値Ａを制御すると、図５Ａの特性図の中域部分の高さが正負に変化する。また、値Ｑを制御すると、図５Ａの特性図の中域部分の急峻度が変化される。

そこで 図１に示した実施形態例の構成では、例えば数式（１）で表されるような特性を有するピーキングフィルタ１０において、制御値（−１６〜＋１５）を用いて値Ａを制御する。これによって、例えば楽曲のサビの部分では、音声信号の中域部分を増強し、サビ以外の部分では、音声信号の中域部分を低減させる制御が行われる。
こうして、この実施形態例によれば、楽曲のサビの部分では特に歌唱（音声）に相当する部分の周波数帯域を増強して楽曲を盛り上げ、サビ以外の部分では歌唱に相当する部分の周波数帯域を低減して楽曲をむしろ平板にすることで、再生される音声信号にいわゆる減り張りをつけて、音声信号の再生を良好に行うことができる。

＜音声周波数域以外の周波数の強調＞
さらに、入力される楽曲の内容に応じては、ピーキングフィルタ１０に換えて、ハイシェルフフィルタ（High-shelf Filter）や、ローシェルフフィルタ（Low-shelf Filter）を用いることもできる。なお、ハイシェルフフィルタは音響機器においてトレブル（treble）コントローラとして用いられ、ローシェルフフィルタは音響機器においてベース（bass）コントローラとして用いられているものである。
すなわち、ハイシェルフフィルタは、例えば数式（２）で現されるような特性を有し、その周波数特性図は図５Ｂに示すようになる。

この数式（２）において、値Ａを制御すると図５Ｂの特性図の高域の肩の部分の高さが正負に変化される。また、値Ｑを制御すると図５Ｂの特性図の高域の肩の部分の急峻度が変化される。そこで上述の実施形態例では、例えば数式（２）で現されるような特性を有するハイシェルフフィルタにおいて、制御値（−１６〜＋１５）を用いて値Ａを制御する。
これによって、例えば、音声の連続する部分（サビ）では、高域部分を増強し、サビ以外の部分では、音声信号の高域部分を低減させる制御を行うことができる。
さらに、ローシェルフフィルタは、例えば数式（３）で現されるような特性を有し、その周波数特性図は図５Ｃに示すようになる。

この数式（３）において、値Ａを制御すると図５Ｃの特性図の低域の肩の部分の高さが正負に変化される。また、値Ｑを制御すると図５Ｃの特性図の低域の肩の部分の急峻度が変化される。そこで上述の実施形態例では、例えば数式（３）で現されるような特性を有するローシェルフ・フィルタにおいて、制御値（−１６〜＋１５）を用いて値Ａを制御する。
＜実施形態の利用＞
このようにして、本発明の音響特性制御装置及びその方法によれば、簡単な構成で、例えば音声信号の連続により楽曲のサビ部分やサビ以外の部分を判別し、この判別された情報にしたがって入力音声信号の周波数特性を増強若しくは減衰することにより、常に良好な音声信号の再生を行うことができる。また、その際の楽曲のサビの部分の判別は、現時点で流れている楽曲に対してほぼ同時に行うことができ、例えば放送を受信した楽曲に対しても適用することができる。
上述では、音声が連続して出力されることを検出して、楽曲のサビ部分の検出に利用することを説明した。しかし、音声が連続することを利用して、特性を制御することはサビの部分ばかりではなく、例えばニュース等をアナウンサが読み上げていること等の音声が連続していることの検出に用いて、音声の出力に適した出力の音響特性とすることもできる。
＜音声周波数域以外の周波数域の信号の連続を検出＞
上述では、音声周波数域の信号が連続することを検出したが、図１のフィルタ２，３や、比較器６，７へのパルス幅設定値ａ，ｂを変えることで、音声周波数域以外の周波数域の信号の連続を検出することができる。
例えば、楽曲において、低周波域の信号が連続することを検出すると、低周波部分を強調した出力の音響特性に変化させることも可能である。
また、楽曲において、高周波域の信号が連続することを検出すると、高周波部分を強調した出力の音響特性に変化させることも可能である。
＜信号処理プロセッサによる構成＞
さらに本発明において、上述した図１のブロック図の各機能は、信号処理プロセッサで実現することが可能であり、それぞれコンピュータソフトウエアで実装可能な機能である。
＜実施形態の効果＞
上述した本発明の実施形態において、以下の利点がある。
（１）再生されている音響信号で、音声等の周波数帯の信号が継続しているときに、その周波数帯を徐々に強調し、継続されなくなると、徐々に強調することをやめるようにリアルタイムで制御することができる。
（２）ＦＦＴのような複雑な構成を用いることなく、簡単な構成で（１）の制御を実現している。
（３）音響信号のレベル（振幅）によらないで制御を実現しているので、音量の変化に影響をうけない。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図を示す図である。 図１のフィルタ２，３の特性を示す図である。 図１のゼロクロス検出回路４を説明する図である。 図１の各部の作用を示す図である。 図１のピーキングフィルタの特性を示す図である。

Claims (3)

1. 入力信号を正のパルス信号とするパルス信号化部と、
   該パルス信号化部からのパスル信号のパルス幅計測部と、
   該パルス幅計測部からの計測値に対して、第１のパルス幅以下を検出すると出力する第１の比較部と、第２のパルス幅以上を検出すると出力する第２の比較部と、
   第１の比較器からの信号を印加されるとカウンタ値をアップし、第２の比較部からの信号を印加されるとカウンタ値をダウンするカウンタと、
   該カウンタのカウンタ値により、前記入力信号の特性を変化させて出力するフィルタとを備え、
   前記カウンタは、前記第１，第２の比較部により、特定の周波数領域の信号でカウンタ値をアップさせ、特定の周波数領域以外の信号でカウンタ値をダウンさせることを特徴とする音響特性制御装置。
2. 請求項１に記載の音響特性制御装置において、
   前記パルス信号化部の前に、入力信号中の人間の音声信号を確実に検出するのに適したフィルタを設け、
   前記第１，第２の比較部は、音声帯域の信号でアップし、音声帯域以外の信号でダウンする信号を出力する
   ことを特徴とする音響特性制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の音響特性制御装置において、
   前記パルス信号化部は、ゼロクロスを検出して正のパルス信号とすることを特徴とする音響特性制御装置。

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