JP2010068080A - 音量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設定された音量レベルがとくに小さい場合でも、一定の聴感レベルでのオーディオ信号再生を可能とし、また、人間の心理聴感特性に沿って信号利得および信号位相を制御し、小さな音量でも臨場感や音声の明瞭度を損なうことなく再生可能なオーディオ信号の音量制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る音量制御装置５０は、出力音量のレベルが設定されるボリューム設定部１５、入力されたオーディオ信号を複数の周波数帯域に分割するフィルタ３〜６、分割された周波数帯域ごとに、設定された出力音量のレベルに応じて入力されたオーディオ信号の利得を制御する利得制御部７〜１０、分割された周波数帯域ごとに、設定された出力音量のレベルに応じて入力されたオーディオ信号の位相を制御する位相制御部１１〜１４、利得、位相制御された各周波数帯域のオーディオ信号を合成するオーディオ信号合成部１６を備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、テレビやラジオ、携帯電話、あるいはＤＶＤなど、メディアを通じてオーディオ信号を再生する機器における、オーディオ信号の出力音量を制御する音量制御装置に関する。

従来のオーディオ信号を再生する機器においては、特許文献１に示すように、低音域や高音域では人間の聴覚感度が低いという性質を補正するために、低音域や高音域を強調するように周波数特性を制御する方法が良く採用されている。また、特許文献２には、低域から中域、高域と周波数の対数的な増加に応じて位相を漸次遅らせ、スピーカから発生する音のうち高域成分を遅らせて、低域成分の時間軸に合わせることで音質改善をする方法が示されている。

特開２０００−１９７１８２号公報 特開２００５−１４３０９３号公報

しかしながら、特許文献１に示された方法では、設定された音量レベルに従って周波数帯域ごとの振幅レベルのみを調整しており、ラウドネス特性とともに音質を十分に維持したいという要求を実現することができない。従来の振幅特性の制御やバランスのみのラウドネス制御では、小さな音量での臨場感や音声の明瞭度を十分に再生することが難しいという問題がある。ラウドネス制御に従って低音や高音を強調するだけでは、小音量での再生で十分な効果を得ることができない。また、特許文献２に示された方法は音量レベルに応じて調整するものではない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、設定された音量レベルがとくに小さい場合でも、一定の聴感レベルでのオーディオ信号再生を可能とし、また、人間の心理聴感特性に沿って信号利得および信号位相を制御し、小さな音量でも臨場感や音声の明瞭度を損なうことなく再生可能なオーディオ信号の音量制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る音量制御装置は、オーディオ信号の出力音量を制御する音量制御装置であって、出力音量のレベルが設定されるレベル設定部、入力されたオーディオ信号を複数の周波数帯域に分割する帯域分割部、分割された周波数帯域ごとに、設定された出力音量のレベルに応じて入力されたオーディオ信号の利得を制御する利得制御部、分割された周波数帯域ごとに、設定された出力音量のレベルに応じて入力されたオーディオ信号の位相を制御する位相制御部、利得、位相制御された各周波数帯域のオーディオ信号を合成する合成部を備えて構成される。

本発明によれば、設定された音量レベルに応じて、各周波数帯域ごとにオーディオ信号の利得制御および位相制御を行うため、様々な周波数分布を有するオーディオ信号を、どのような音量レベルにおいても低音域から高音域まで臨場感を損なうことなく再生できる効果がある。また、音量レベルがとくに小さいような場合でも、オーディオ信号の臨場感を保ち、また音声の明瞭度を損なうことなく再生することが可能である。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
（構成）
図１は、実施の形態１におけるオーディオ信号の出力音量を制御する音量制御装置５０の構成を示すものである。デジタルオーディオ信号が入力される入力端子１を備え、入力端子１は入力されたデジタルオーディオ信号についてある周波数帯域の成分を抽出するフィルタ３〜６の入力部に接続される。すなわち、フィルタ３〜６は入力されたオーディオ信号を複数の周波数帯域に分割する帯域分割部となる。

フィルタ３〜６の出力部は利得制御部７〜１０の入力部にそれぞれ接続され、利得制御部７〜１０の出力部は位相制御部１１〜１４の入力部にそれぞれ接続される。また、出力音量のレベルが設定されるボリューム設定部（レベル設定部）１５は、利得制御部７〜１０および位相制御部１１〜１４の入力部に接続される。利得制御部７〜１０は、分割された周波数帯域ごとに、設定された出力音量のレベルに応じて入力されたオーディオ信号の利得を制御し、位相制御部１１〜１４は、分割された周波数帯域ごとに、設定された出力音量のレベルに応じて入力されたオーディオ信号の位相を制御する。

位相制御部１１〜１４の出力部は、利得、位相制御された各周波数帯域のオーディオ信号を加算してひとつの信号に合成するオーディオ信号合成部（合成部）１６の入力部に接続され、オーディオ信号合成部１６の出力部は出力端子２と接続される。

ここで、図４は、図１における利得制御部７〜１０の詳細ブロック図である。図４において、１８はフィルタ３〜６で周波数帯域が制限された各周波数帯域のデジタルオーディオ信号が入力される入力端子であり、入力されるデジタルオーディオ信号に一定の係数を乗算する乗算器２３の入力部と接続される。また、設定された音量レベルを入力する入力端子１９を備え、入力端子１９は入力オーディオ信号の利得を決定するための乗算係数を演算・生成する補正係数生成部２１の入力部と接続され、補正係数生成部２１の出力部は係数の急激な変化を抑制するための時間フィルタ２２の入力部と接続される。時間フィルタ２２の出力部は乗算器２３の入力部と接続され、乗算器２３の出力部は出力端子２０と接続される。

また、図５は、図１における位相制御部１１〜１４の詳細ブロック図である。図５において、２４はフィルタ３〜６で周波数帯域が制限され、利得制御部７〜１０で利得制御されたデジタルオーディオ信号が入力される入力端子であり、入力されるデジタルオーディオ信号の位相のみを制御する全域通過型フィルタ２９の入力部と接続される。また、設定された音量レベルを入力する入力端子２５を備え、入力端子２５は入力オーディオ信号の位相特性を決定するためのフィルタ係数を生成する補正係数生成部２７の入力部と接続され、補正係数生成部２７の出力部は係数の急激な変化を抑制するための時間フィルタ２８の入力部と接続される。時間フィルタ２８の出力部は全域通過型フィルタ２９の入力部と接続され、全域通過型フィルタ２９の出力部は出力端子２６と接続される。

（動作）
次に図１に示す音量制御装置５０の動作について説明する。入力端子１には標本化されたデジタルオーディオ信号が入力される。通常、オーディオ信号は、３２ＫＨｚ、４４．１ＫＨｚ、４８ＫＨｚなどの周波数で標本化される。入力されたデジタルオーディオ信号は、フィルタ３〜６に入力され、各周波数帯域の成分に分割される。

本発明における周波数帯域分割は、人間の聴感特性の差異に沿って分割する。一般に人間の耳に聞こえるオーディオ信号は、その周波数成分によって感じる音圧レベルが異なっている。通常、人の耳にとって、１ＫＨｚ〜４ＫＨｚのオーディオ信号がもっとも聞こえやすく、それより低い音域の信号や高音域の信号は、数ｄＢ以上聞こえにくくなると言われている。これらの特性は等ラウドネス特性としてよく知られているが、例えば、本発明の実施例において、４つの周波数帯域に分割する場合、等ラウドネス特性の差異を考慮して、とくに差異の大きい周波数帯域に分割し、５００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ〜２ＫＨｚ、２ＫＨｚ〜４ＫＨｚ、４ＫＨｚ以上のような周波数帯域に分割している。

図２は等ラウドネス特性の一例を示した図である。図２において、横軸は周波数を対数軸で示しており、縦軸は出力信号の音圧レベルを示している。等ラウドネス特性とは、周波数対音圧レベルの特性において１ＫＨｚの信号と同じレベルに聞こえる音圧のレベルを結んだ特性である。音量レベルが大きいほどすべての周波数がほぼ同じように聞こえ、音量レベルが小さくなるに従い、中音域しか聞こえなくなっていく。一般に、人間の心理聴覚特性では、中音域に対して、低音域・高音域がより聞こえにくい特性となっており、図２に示すように、４ＫＨｚぐらいのオーディオがもっともよく聞こえることとなる。本実施の形態１では、例えば、図２に示すような４つの周波数帯域（図２における、帯域１、帯域２、帯域３、帯域４）に分割し、各々のラウドネス特性の振幅の差異に沿った利得や位相の制御を行う。

図１において、入力されたオーディオ信号を４つの周波数帯域に分割している場合を説明する。例えば、フィルタ３は５００Ｈｚ以下の信号を通過させる低域通過フィルタ、フィルタ４は５００Ｈｚ〜２ＫＨｚを通過させる帯域通過フィルタ、フィルタ５は２ＫＨｚ〜４ＫＨｚを通過させる帯域通過フィルタ、フィルタ６は４ＫＨｚ以上の信号を通過させる高域通過フィルタで構成される。これらのフィルタ群は、位相特性が線形な高次のＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタで構成されれば、合成後の周波数特性が良く理想的であるが、振幅特性が平坦でかつ位相特性が線形に近いＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルタで構成することも可能である。

フィルタで帯域分割された各周波数成分のオーディオ信号は利得制御部７〜１０に入力され、それぞれの周波数帯域ごとに利得の制御が行われる。利得の制御では、設定された音量レベルによって利得制御量が決定される。ここでは、音設定された出力音量のレベルが小さくなるに従い、等ラウドネス特性に合うように補正され、低音域と高音域の利得が中音域に対して徐々に大きくなる。すなわち、低周波数帯域および高周波数帯域の帯域音量レベルを中周波数帯域の帯域音量レベルに対して高くする。低周波数帯域または高周波数帯域のどちらかの帯域音量レベルを中周波数帯域の帯域音量レベルに対して高くしてもよい。

利得制御部７〜１０で利得制御された各周波数成分のオーディオ信号は位相制御部１１〜１４に入力され、それぞれの周波数帯域ごとに位相の制御が行われる。位相の制御では、利得制御と同様に、設定された音量レベルによって位相の補正量が決定される。ここでは、設定された出力音量のレベルが小さくなるに従い、低音域と高音域の位相が中音域に対して徐々に遅れていくように補正制御される。すなわち、低周波数帯域および高周波数帯域の位相を中周波数帯域の位相に対して遅らせる。低周波数帯域または高周波数帯域のどちらかの位相を中周波数帯域の位相に対して遅らせてもよい。

図３は、位相制御部１１〜１４の位相特性を示す図である。図３において、横軸は周波数を対数軸で示しており、縦軸は出力信号の位相を示している。出力信号の位相制御は、中音域に対して、低音域、高音域が遅れるように制御されており、前述したように、音量レベルが小さくなるほど、位相の遅れ量は徐々に大きくなる。このような位相を補正する制御により、音声信号の明瞭度が上がり、音量レベルが小さい場合でも、聴感上聞き取りやすくなる。

位相制御部１１〜１４で各々位相制御された各オーディオ信号はオーディオ信号合成部１６に入力され、各々の周波数帯域のオーディオ信号を加算することによりひとつのオーディオ信号を復元する。復元されたオーディオ信号は出力端子２から出力される。

次に利得制御部７〜１０の内部の動作について、図４を用いて説明する。入力端子１８にはデジタルオーディオ信号が入力される。このデジタルオーディオ信号は周波数帯域が制限されたオーディオ信号である。入力端子１８に入力されたオーディオ信号は乗算器２３に入力される。乗算器２３は、利得を決めるためのものである。

補正係数生成部２１は、入力端子１９からの音量レベルが入力され、それに応じた各帯域の補正量から入力オーディオ信号の振幅レベルを制御するための乗算係数を生成・出力する。補正係数生成部２１でのオーディオ信号の利得制御のための係数決定には、入力音量レベルを対数空間に変換し、対数空間上で周波数帯域ごとの補正量を加味することにより求められる。すなわち、利得制御部７〜１０は、入力されたオーディオ信号の音量レベルを対数空間に変換し利得を制御する。

補正係数生成部２１の係数出力は時間フィルタ２２に入力され、時間フィルタ２２では、音量レベルの急激な変化によるノイズの発生や違和感を抑制するためのフィルタリング処理が行われる。これにより、ボリュームを急に大きく変化させた場合でも、徐々に音量が変化するように制御される。

次に位相制御部１１〜１４の内部の動作について、図５を用いて説明する。入力端子２４にはデジタルオーディオ信号が入力される。このデジタルオーディオ信号は周波数帯域が制限され、利得制御部７〜１０で利得制御された各周波数成分のオーディオ信号である。入力端子２４に入力されたオーディオ信号は全域通過型フィルタ２９に入力される。全域通過型フィルタ２９は、位相特性を補正するためのものであり、振幅特性としては全周波数帯域で一定であり、一方周波数に対して位相特性のみが補正される。すなわち、位相制御部１１〜１４は、全域通過型フィルタ２９を用いて位相を制御する。

補正係数生成部２７は、入力端子２５から入力される音量レベルによって決定される各周波数帯域の位相の補正量に合ったフィルタ係数を出力する。フィルタ係数は、音量レベルがいくらかという情報とどの周波数帯域かという２点の情報から決定される。最終的なフィルタ係数は、位相特性の異なるフィルタ係数を複数組み合わせることにより演算し、求められる。

補正係数生成部２７の係数出力は時間フィルタ２８に入力され、時間フィルタ２８では、音量レベルの急激な変化に伴う位相特性の変化やそれに伴う違和感を抑制するためのフィルタリング処理が行われる。これにより、ボリュームを急に大きく変化させた場合でも、徐々に位相特性が変化するように制御される。

（効果）
本発明によれば、設定された音量レベルに応じて、各周波数帯域ごとにオーディオ信号の利得制御および位相制御を行うため、様々な周波数分布を有するオーディオ信号を、どのような音量レベルにおいても低音域から高音域まで臨場感を損なうことなく再生できる効果がある。また、音量レベルがとくに小さいような場合でも、オーディオ信号の臨場感を保ち、また音声の明瞭度を損なうことなく再生することが可能である。

実施の形態１においては、周波数帯域を４つに分割して制御する例を示したが、８個の周波数帯域や１６個の周波数帯域に分割するなど、より多くの周波数帯域に分割して処理すればより効果的である。

また、実施の形態１において、各周波数帯域のオーディオ信号の位相特性の補正については、相対的に中音域のみを補正したり、あるいは、低音域のみ、高音域のみを補正するなど、他の補正方法を用いてもよい。

＜実施の形態２＞
（構成）
図６は、この発明を実施するための実施の形態２における音量制御装置５１を示すものである。音量制御装置５１は、合成されたオーディオ信号に対して、左右（ＬＲ）のオーディオ信号の差分成分を強調するよう補正制御するＬＲ成分制御部３０を備える。ＬＲ成分制御部３０の入力部は、オーディオ信号合成部１６およびボリューム設定部１５の出力部と接続され、ＬＲ成分制御部３０の出力部は、音量制御装置５１の出力端子２と接続される。

図７は、図６におけるＬＲ成分制御部３０の詳細ブロック図である。図７において、３１は左（Ｌ）のオーディオ信号が入力される入力端子、３２は右（Ｒ）のオーディオ信号が入力される入力端子であり、それぞれ減算部３６および加算部３９の入力部に接続される。減算部３６の出力部は乗算器３７の入力部に接続され、加算部３９の出力部は乗算器４０の入力部に接続される。また、３３は設定された音量レベルが入力される入力端子であり、入力端子３３は、乗算器３７，４０の入力部に接続される。乗算器３７，４０の出力部は加算部３８および減算部４１の入力部に接続され、加算部３８の出力部は出力端子３４、減算部４１の出力部は出力端子３５に接続される。

その他の構成は、実施の形態１において図１で示した音量制御装置５０と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

（動作）
次に図６に示す音量制御装置５１の動作について説明する。入力端子１からオーディオ信号合成回路１６までの動作は、実施の形態１と同様に行われる。入力端子１には標本化されたデジタルオーディオ信号が入力される。通常、オーディオ信号は、３２ＫＨｚ、４４．１ＫＨｚ、４８ＫＨｚなどの周波数で標本化される。入力されたデジタルオーディオ信号は、フィルタ３〜６に入力され、各周波数帯域の成分に分割される。

フィルタ３〜６においてオーディオ信号を複数の周波数帯域に分割する際には、実施の形態１と同様に、等ラウドネス特性を基準として人間の聴覚特性が異なる周波数帯域に分割する。例えば、４つの周波数帯域に分割する場合、５００Ｈｚ、２ＫＨｚ、４ＫＨｚのような周波数で分割する。これらのフィルタ郡は、実施の形態１のフィルタと同様に、位相特性が線形な高次のＦＩＲフィルタや、振幅特性が平坦でかつ位相特性が線形に近いＩＩＲフィルタで構成される。

上記フィルタで帯域分割された各周波数成分のオーディオ信号は利得制御部７〜１０に入力され、それぞれの周波数帯域ごとに利得の制御が行われる。利得の制御では、設定された音量レベルによって制御量が決定される。ここでは、実施の形態１と同様に、設定された音量レベルが小さくなるに従って、等ラウドネス特性に合うように補正され、低音域と高音域の利得が大きくなる。

さらに、利得制御部７〜１０で制御された各周波数成分のオーディオ信号は位相制御部１１〜１４に入力され、それぞれの周波数帯域ごとに位相の制御が行われる。位相の制御では、利得制御と同様に、設定された音量レベルによって制御量が決定される。設定された音量レベルが小さくなるに従って、低音域と高音域の位相が徐々に遅れていくように補正される。

位相制御部１１〜１４で各々位相制御されたオーディオ信号はオーディオ信号合成部１６に入力され、各々の周波数帯域の特性に従って補正されたオーディオ信号がすべて加算されることによりひとつのオーディオ信号が復元される。復元されたオーディオ信号は、ＬＲ成分制御部３０に入力される。ＬＲ成分制御部３０は音量レベルが小さいときに左右の差分成分を補正・強調するための処理回路である。

図７に示すＬＲ成分制御部３０の動作について説明する。入力端子３１，３２には左右のデジタルオーディオ信号が入力される。このデジタルオーディオ信号はすべての周波数帯域を含むオーディオ信号である。減算部３６は左右のオーディオ信号の差分を計算し、また加算部３９は左右のオーディオ信号の加算結果を計算する。

乗算器３７は、減算部３６で計算した左右のオーディオ信号の差分成分に対して一定の係数を乗算する。乗算係数は、設定された音量レベルから決定される。設定された音量レベルが小さいような場合では、左右の差分成分に対して、０．５以上の係数を乗算することにより補正処理を行い、左右の差分成分を増幅する処理を行う。すなわち、ＬＲ成分制御部３０は、設定された出力音量のレベルが小さくなるに従い、左右の差分成分の差を大きくするように制御する。これにより、音量レベルが小さい場合でも、左右のステレオ感を補正・維持することが可能である。

乗算器４０は、加算部３９で計算した左右のオーディオ信号の加算成分に対して一定の係数を乗算する。乗算係数は差分成分の乗算係数の決定と同様に、設定された音量レベルから求められる。オーディオ信号の加算成分に対する処理は、乗算器３７による差分成分に対する演算で、全体の音量レベルのバランスが損なわれることがないように行われる。

加算部３８は、乗算器３７の出力と乗算器４０の出力を加算する。ここで、左右のオーディオ入力信号をそれぞれＸＬ、ＸＲとし、乗算器３７、乗算器４０の乗算係数をそれぞれα、βとし、出力オーディオ信号をＹＬ、ＹＲとすると、加算部３８のオーディオ出力は、
ＹＬ＝α×（ＸＬ＋ＸＲ）＋β×（ＸＬ−ＸＲ）…（１）
で求められた結果となる。α、βがともに０．５のときは補正が行われない出力信号となる。

減算部４１は、乗算器３７の出力と乗算器４０の出力を減算する。ここで、さきほどと同様に左右のオーディオ入力信号をそれぞれＸＬ、ＸＲ、乗算器３７、乗算器４０の乗算係数をそれぞれα、β、出力オーディオ信号をＹＬ、ＹＲとすると、減算部４１のオーディオ出力は、
ＹＲ＝α×（ＸＬ＋ＸＲ）−β×（ＸＬ−ＸＲ）…（２）
で求められた結果となる。α、βがともに０．５のときは補正が行われない出力信号となる。

加算部３８のオーディオ出力は、オーディオ信号の左成分として、出力端子３４から出力され、減算部４１のオーディオ出力は、オーディオ信号の右成分として、出力端子３５から出力され、図６において、前述したように補正されたオーディオ信号のＬＲ成分制御部の出力は出力端子２から出力される。

（効果）
本実施の形態に係る音量制御装置５１はＬＲ成分制御部３０を備えており、音量レベルが小さい場合でも、左右のステレオ感を補正・維持することが可能である。

なお、本実施の形態２においても実施の形態１と同じように、周波数帯域を４つに分割して制御する例を示したが、８個の周波数帯域や１６個の周波数帯域に分割するなど、より多くの周波数帯域に分割して処理すればより効果的である。

この発明の実施の形態１を示す音量制御装置のブロック図である。 オーディオ信号のラウドネス特性の説明図である。 この発明によるオーディオ信号の位相制御特性の説明図である。 この発明による利得制御部の具体的構成を示すブロック図である。 この発明による位相制御部の具体的構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２を示す音量制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態２のＬＲ成分制御部の具体的構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１８，１９，２４，２５，３１，３２，３３ 入力端子、２，２０，２６，３４，３５ 出力端子、３〜６ フィルタ、７〜１０ 利得制御部、１１〜１４ 位相制御部、１５ ボリューム設定部、１６ オーディオ信号合成部、２１，２７ 補正係数生成部、２２，２８ 時間フィルタ、２３ 乗算器、２９ 全域通過型フィルタ、３０ ＬＲ成分制御部、３６，４１ 減算部、３８，３９ 加算部、３７，４０ 乗算器。

Claims (7)

1. オーディオ信号の出力音量を制御する音量制御装置であって、
   前記出力音量のレベルが設定されるレベル設定部と、
   入力されたオーディオ信号を複数の周波数帯域に分割する帯域分割部と、
   前記分割された周波数帯域ごとに、前記設定された出力音量のレベルに応じて前記入力されたオーディオ信号の利得を制御する利得制御部と、
   前記分割された周波数帯域ごとに、前記設定された出力音量のレベルに応じて前記入力されたオーディオ信号の位相を制御する位相制御部と、
   前記利得、位相制御された各周波数帯域のオーディオ信号を合成する合成部と、を備える、
   音量制御装置。
2. 前記利得制御部は、前記設定された出力音量のレベルが小さくなるに従い、低周波数帯域および／または高周波数帯域の帯域音量レベルを中周波数帯域の帯域音量レベルに対して高くする、
   請求項１に記載の音量制御装置。
3. 前記位相制御部は、前記設定された出力音量のレベルが小さくなるに従い、低周波数帯域および／または高周波数帯域の位相を中周波数帯域の位相に対して遅らせる、
   請求項１に記載の音量制御装置。
4. 前記利得制御部は、入力されたオーディオ信号の音量レベルを対数空間に変換し利得を制御する、
   請求項１に記載の音量制御装置。
5. 前記位相制御部は、全域通過型フィルタを用いて位相を制御する、
   請求項１に記載の音量制御装置。
6. 前記合成されたオーディオ信号に対して、左右のオーディオ信号の差分成分を補正制御するＬＲ成分制御部をさらに備える、
   請求項１に記載の音量制御装置。
7. 前記ＬＲ成分制御部は、前記設定された出力音量のレベルが小さくなるに従い、左右の差分成分の差を大きくする、
   請求項６に記載の音量制御装置。

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