JP2011097159A - 電子機器、電子機器による音響処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音量変化による音質変化が人間の聴感上発生しないようにすること。
【解決手段】本発明の電子機器は、音量設定を調整する音量設定調整部と、等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定に対し、音声信号に乗算する周波数応答関数を割り当てたテーブルと、音声信号に対し、その時点の音量設定に応じた周波数応答関数を乗算する乗算部と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子機器、電子機器による音響処理方法に関する。

携帯電話などの電子機器の多くは、ユーザーが音声（音楽を含む。以下、同じ）を聴くことが可能となっている。例えば、特許文献１に開示されているようなヘッドフォンが接続可能な電子機器、音を鳴動させることができるスピーカやレシーバなどの音響デバイス自体を具備している電子機器、ブルートゥース（Bluetooth）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）などの通信手段を用いて音声を送受信可能な電子機器などである。

当然、これらの電子機器には、電子機器本体もしくは電子機器から送出された音声信号を受け取る再生機器側に、音量（人間が感じる感覚量としての音の大きさ。以下、同じ）を調整する音量調整機能が備えられている。そのため、ユーザーは、用途や使用シーンに応じて、音量を自由にコントロールすることができる。

特開２００９−２１２７７２号公報

しかしながら、図８のＦｌｅｔｃｈｅｒ−Ｍｕｎｓｏｎの等ラウドネスカーブ１に示される通り、人間の耳は、音量（図中の「ｐｈｏｎ」）が低下するにしたがって、低音域と高音域の音量が全体の音量よりも低下し、著しい音質変化があったように感じる。

ところが、関連する電子機器は、音量変化による音質変化を補正する機能を具備していない。

そこで、本発明の目的は、音量変化による音質変化が人間の聴感上発生しないようにすることができる電子機器、電子機器による音響処理方法を提供することにある。

本発明の電子機器は、
音声信号の音響処理を行う電子機器であって、
音量設定を調整する音量設定調整部と、
等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定に対し、音声信号に乗算する周波数応答関数を割り当てたテーブルと、
音声信号に対し、その時点の音量設定に応じた周波数応答関数を乗算する乗算部と、を有する。

本発明の音響処理方法は、
電子機器による音声信号の音響処理方法であって、
等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定に対し、音声信号に乗算する周波数応答関数を割り当てたテーブルを格納するステップと、
音量設定を調整するステップと、
音声信号に対し、その時点の音量設定に応じた周波数応答関数を乗算するステップと、を有する。

本発明によれば、等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定に対し、周波数応答関数を割り当て、音声信号に対し、その時点の音量設定に応じた周波数応答関数を乗算するため、音量調整時に、音量変化による音質変化が人間の聴感上発生しないようにすることができるという効果が得られる。

本発明の第１、第２、及び第４の実施形態の電子機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の電子機器の動作を、ラウドネスレベル周波数特性として示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるＤＳＰの内部とデジタルゲイン調整部の内部を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるＤＳＰの内部とデジタルゲイン調整部の内部を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態の電子機器の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態におけるＤＳＰの内部とデジタルゲイン調整部の内部を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態の電子機器の動作を、ラウドネスレベル周波数特性として示す図である。 等ラウドネスカーブを示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

以下では、本発明を、ヘッドフォンが接続されて、ヘッドフォンから音声を出力する電子機器に適用した場合を例に挙げて説明する。
（第１の実施形態）
図１に示されているように、本実施形態の電子機器は、音源２から出力された音声信号を処理し、処理した音声信号を音声としてヘッドフォン８から出力するものである。

本実施形態の電子機器は、音源２から出力された音声信号を処理する構成要素として、ＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号処理プロセッサ）３と、音量設定調整部となるデジタルゲイン調整部４と、Ｄ／Ａコンバータ５と、アナログゲイン調整部６と、ヘッドフォンアンプ（Amp）７と、を有している。

ＤＳＰ３は、音源２から出力された音声信号の音響処理（イコライザ（Equalizer）、コンプレッサ（Compressor）、サラウンド（Surround）など）を行う。なお、ＤＳＰ３内のコンプレッサには、電子機器の音量設定の状況に応じて、マルチバンドコンプレッサ（Multiband Compressor）またはシングルバンドコンプレッサ（Single band Compressor）のどちらかが用いられる。

デジタルゲイン調整部４は、音声信号のデジタルゲインを調整する。

Ｄ／Ａコンバータ５は、音声信号をＤ／Ａ変換する。

アナログゲイン調整部６は、音声信号のアナログゲインを調整する。

ヘッドフォンアンプ７は、音声信号を増幅する。

ヘッドフォン８は、音声信号に応じた音を出力する。

なお、本実施形態の電子機器においては、音量設定の調整は、デジタルゲイン調整部４によりデジタルゲインを変化させて行う。

以下、本実施形態の電子機器の動作について説明する。

なお、以下の説明では、定性的かつ簡単に説明を行うことを目的として、時系列及び周波数系列は、連続的な解析式として記載する。

また、音声信号の信号レベルは、デジタルフルスケール（ｄＢＦｓ）に対するデジタルスケール値を示すものとし、単位をｄＢとする。

また、電子機器の音量設定は０（消音）からｎ（ｎ∈Ｎ）までの（ｎ＋１）段階あるものとする。ここで、音量０時は消音状態であり、音量ｎは最大の音量である。また、音量は、０からｎに向かって１ステップずつ増加させることができるものとする。

ここで、電子機器の各音量の設計を考える際に、標準的な音源２から出力された標準の信号レベルの音声信号と位置づけられるインパルス信号をａδ（ｔ）［ｄＢ Ｆｓ］とする。ここで、ａは実数定数、δ（ｔ）はディラックのδ関数である。

音源２からのインパルス信号ａδ（ｔ）［ｄＢ Ｆｓ］をＤＳＰ３に入力した時のヘッドフォンアンプ７からの出力であるインパルス応答を下記のように定める。

また、この畳み込み積分、すなわち伝達関数の周波数応答を、

とする。ここで、

である。なお、サフィックスｋは、音量０からｎまでに対応している。

Ｙ_k（ｆ）には、デジタルゲイン調整部４で調整されたゲインが加算され、また、ＤＳＰ３内部のイコライザ、コンプレッサ、サラウンドなど各種音響処理の伝達関数が乗算される。

しかし、音量ｋによってＹ_k（ｆ）が変化するのは、デジタルゲイン調整部４により音声信号全体の信号レベルが変化することに加えて、Ｄ／Ａコンバータ５、アナログゲイン調整部６などでの各周波数における電気的な入出力線形性や、ヘッドフォン８での機械音響的な入出力線形性が損なわれることによる。

ここで、数式２で定義したＹ_k（ｆ）の集合（列ベクトル）は、音圧周波数特性に対応するものである。これに更に、Ｙ_k（ｆ）の集合の周波数特性として、図８の等ラウドネスカーブ１の逆特性、すなわち、音圧（音による気圧からの圧力変化量。単位はｄＢＰａ，ｄＢｓｐｌなど。以下、同じ）からラウドネスレベル周波数特性への写像Ｇ_kの終域Ｌ_k（ｆ）を下記の通り定義する。なお、Ｇ_k、Ｌ_k（ｆ）も、数式１及び数式２と同様に、列ベクトルとなるが、次式では、ｋ番目についてのみ、写像と終域との対応を記載する（以後も同様）。

以上の定義から、最大音量ｎに対するラウドネスレベル周波数特性Ｌ_n（ｆ）は、次式で表される。

また、最大音量ｎに比して、十分に音量が下げられた音量ｋに対するラウドネスレベル周波数特性Ｌ_k（ｆ）は、次式で表される。

図２に、ラウドネスレベル周波数特性Ｌ_n（ｆ），Ｌ_k（ｆ）の概念図を示す。

図２において、曲線９はＬ_n（ｆ）を表し、曲線１０はＬ_k（ｆ）を表す。また、音声の帯域を考えた際の最低周波数をｆ₁、最大周波数をｆ₃、曲線９、１０が最大となる周波数をｆ₂とする。通常、ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃は、以下のようになる。

また、ｆ₂における曲線９と曲線１０の差分をα_kとする。すなわち、

さて、図２に示されているように、ｆ₂においては、曲線９と１０の差分はα_kである。

しかしながら、図８の等ラウドネスカーブ１の特性からみて自明な通り、最低周波数ｆ₁、最大周波数ｆ₃では、その差分がα_kよりも大きくなる。これが、本発明で課題としている、音量を変化させたときに音質が変化したように人間の耳に聞こえる原因である。

上記を解決するためには、ｆの帯域内全域にわたって、上記の曲線９との差分がほぼα_kと等しくなる写像Ｈ_kを見出せばよい。

すなわち、下記を満たす写像Ｈ_kとその終域Ｍ_k（ｆ）を新たに定義する。

ただし、ｋ＝ｎに対しては、α_k=n＝０であり、

と定義すればよいことがわかる。なお、図２において、１１はＭ_k（ｆ）の曲線を表す。

以上から、本発明の課題を解決するためには、等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定（音量ｋ）に対し、写像（周波数応答関数）Ｈ_kを割り当てたテーブルを作り、元の音声信号に対して、その時点の音量設定（音量ｋ）に応じた写像Ｈ_kを乗算すればよい。なお、上記テーブルは、ＤＳＰ３の内部の不図示のメモリ、または、不図示の外部メモリに格納可能である。また、写像Ｈ_kの乗算は、ＤＳＰ３またはＤ／Ａコンバータ５の内部において、ＩＩＲ（Infinite impulse response）フィルタやＦＩＲ（Finite impulse response）フィルタなどを用いて行うことができる。

本実施形態においては、ＤＳＰ３の内部において、元の音声信号に対する写像Ｈ_kの乗算を行う。

図３に、ＤＳＰ３の内部とデジタルゲイン調整部４の内部を、上記の写像Ｈ_kの対応がわかりやすいように模式的に示す。

図３に示されているように、ＤＳＰ３は、音響処理部１２と、乗算部となる各音量対応フィルタ１３と、を有している。

音源２から出力された音声信号は、ＤＳＰ３に入力されるが、まず、ＤＳＰ３の音響処理部１２で、音響処理（イコライザ、コンプレッサ、サラウンドなど）が必要に応じて行われる。

次に、音声信号は、上記で説明した通り、ＤＳＰ３の各音量対応フィルタ１３により、後にデジタルゲイン調整部４により調整される音量設定（音量ｋ）１４に応じた写像Ｈ_kの乗算処理をされる。なお、ＤＳＰ３は、不図示のＣＰＵ（Central Processing Unit）に接続されており、ＣＰＵから音量ｋが通知される。

その後、音声信号は、デジタルゲイン調整部４により、音量が決定され、Ｄ／Ａコンバータ５へと出力され、最終的に、ヘッドフォン８から音声として出力される。

以下、本実施形態の効果について説明する。

仮に、図１のデジタルゲイン調整部４によって、音量を増減させただけの場合、最大音量ｎから十分に下がった音量ｋ時には、図８の等ラウドネスカーブ１に示される通り、低音域と高音域において、音量がより大きく減少したように人間の耳には聞こえる。

すなわち、図２に示されるように、低音域（ｆ₁）と高音域（ｆ₃）においては、周波数ｆ₂における音量差分α_k以上に大きな、Ｌ_n（ｆ₁）−Ｌ_k（ｆ₁）、及び、Ｌ_n（ｆ₃）−Ｌ_k（ｆ₃）の音量差分が発生し、音質が著しく変化したように聞こえる。

これに対して、本実施形態は、等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定（音量ｋ）に対して写像Ｈ_kを決定し、元の音声信号に対し、その時点の音量設定（音量ｋ）に応じた写像Ｈ_kを乗算する。

これにより、図２に示される通り、帯域全域にわたって、最大音量ｎ時と音量ｋ時の音量差分がα_kとなり、人間の聴感上、音質が変化せず保たれているように感じられる。

すなわち、ヘッドフォン８から出力される音は、いかなる音量においても音質が同等に聞こえるよう調整されたものとなり、ユーザーにとって音質が著しく変化することを避けることができるため、本発明の目的が達せられる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、上記のテーブルは、１個の音量設定に対して、１個の写像Ｈ_kを割り当てたものとなっている。

しかし、数個の音量設定分で等ラウドネスカーブの変化、高音域、低音域の音量差分が現れる程度であれば、これら数個の音量設定に対して、１個の写像Ｈ_kを割り当てれば十分である。

そこで、本実施形態においては、図４に示されるように、上記のテーブルは、等ラウドネスカーブの変化、高音域、低音域の音量差分が現れない複数個の音量設定に対して、１個の写像Ｈ_kを割り当てたものとなっている。
（第３の実施形態）
図５に示されるように、本実施形態は、図１の第１の実施形態と比較して、ＤＳＰ３とデジタルゲイン調整部４の配置位置が逆となっている。

ただし、第１の実施形態の場合、音量ｋによりＹ_k（ｆ）が変化するのは、デジタルゲイン調整部４により音声信号全体の信号レベルが変化するのみであったが、本実施形態の場合、音量変化がＤＳＰ３内部の音響処理、特に、コンプレッサなどの処理に影響を与え、周波数特性が変化しうるので、写像Ｈ_kの導出の際には注意が必要である。
（第４の実施形態）
上述の実施形態においては、音声信号に対して乗算する写像Ｈ_kを使用する。この場合に留意すべき点として、低音域と高音域の補正量（図２のＬ_n（ｆ１）−Ｍ_k（ｆ１）、Ｌ_n（ｆ３）−Ｍ_k（ｆ３））が大きく、音源２から出力される音声信号の信号レベルが高い場合には、デジタルクリップによる信号波形の歪が発生することがある。

これを防止するために、本実施形態においては、図６に示されるように、各音量対応フィルタ１３の後段にマルチバンドコンプレッサ１５を設置する。

一般的に、マルチバンドコンプレッサは、音声信号をフィルタにより複数の周波数帯域に分割し（通常は２〜４バンド）、分割された各周波数帯域の音声信号の信号成分に対して、コンプレッサ処理を行い、その後に、分割された各周波数帯域の音声信号の信号成分同士を加算するものである。

本実施形態においては、マルチバンドコンプレッサ１５により、音声信号の低音域と高音域の信号成分に対して、音声信号の信号レベルに応じたコンプレッサ処理（ダイナミックレンジの圧縮処理、補正処理）を行うことにより、各音量対応フィルタ１３での低音域と高音域の補正量を小さくする。

すなわち、本実施形態においては、ＤＳＰ３の内部において、一旦、コンプレッサ処理を行い、音声信号の信号レベルの平均化を行った上で、各音量対応フィルタ１３内部でデジタルクリップを避けながら低音域と高音域での補正を行う。更に、マルチバンドコンプレッサ１５において、低音域と高音域のコンプレッサ処理を行い、デジタルゲイン調整部４においてもデジタルクリップがないようにする。

マルチバンドコンプレッサ１５のコンプレッサ処理による写像をＩ_k、写像Ｉ_kによるＭ_k（ｆ）の終域をＮ_k（ｆ）とすると、Ｉ_k及びＮ_k（ｆ）は次式で表される。

図７に、上記の動作をラウドネスレベル周波数特性として示す。

曲線１６は、音声信号の信号レベルが小さい場合のＮ_k（ｆ）である。この場合、マルチバンドコンプレッサ１５による圧縮量（Ｍ_k（ｆ）−Ｎ_k（ｆ））、すなわち、補正の制限量は小さい。

曲線１７は、音声信号の信号レベルが大きい場合のＮ_k（ｆ）である。この場合、マルチバンドコンプレッサ１５による圧縮量（＝補正の制限量）は大きい。

１ 等ラウドネスカーブ
２ 音源
３ ＤＳＰ
４ デジタルゲイン調整部
５ Ｄ／Ａコンバータ
６ アナログゲイン調整部
７ ヘッドフォンアンプ
８ ヘッドフォン
９ Ｌ_n（ｆ）の曲線
１０ Ｌ_k（ｆ）の曲線
１１ Ｍ_k（ｆ）の曲線
１２ 音響処理部
１３ 各音量対応フィルタ
１４ 音量設定
１５ マルチバンドコンプレッサ
１６ Ｎ_k（ｆ）の曲線（圧縮量が小さい場合）
１７ Ｎ_k（ｆ）の曲線（圧縮量が大きい場合）

Claims (8)

1. 音声信号の音響処理を行う電子機器であって、
   音量設定を調整する音量設定調整部と、
   等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定に対し、音声信号に乗算する周波数応答関数を割り当てたテーブルと、
   音声信号に対し、その時点の音量設定に応じた周波数応答関数を乗算する乗算部と、を有する電子機器。
2. 前記テーブルは、１個の音量設定に対し、１個の周波数応答関数を割り当てたものである、請求項１に記載の電子機器。
3. 前記テーブルは、複数個の音量設定に対し、１個の周波数応答関数を割り当てたものである、請求項１に記載の電子機器。
4. 音声信号の低音域と高音域の信号成分に対して、音声信号の信号レベルに応じたコンプレッサ処理を行うことマルチバンドコンプレッサをさらに有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電子機器。
5. 電子機器による音声信号の音響処理方法であって、
   等ラウドネスカーブに基づいて、各音量設定に対し、音声信号に乗算する周波数応答関数を割り当てたテーブルを格納するステップと、
   音量設定を調整するステップと、
   音声信号に対し、その時点の音量設定に応じた周波数応答関数を乗算するステップと、を有する音響処理方法。
6. 前記テーブルは、１個の音量設定に対し、１個の周波数応答関数を割り当てたものである、請求項１に記載の音響処理方法。
7. 前記テーブルは、複数個の音量設定に対し、１個の周波数応答関数を割り当てたものである、請求項１に記載の音響処理方法。
8. 音声信号の低音域と高音域の信号成分に対して、音声信号の信号レベルに応じたコンプレッサ処理を行うステップをさらに有する、請求項５から７のいずれか１項に記載の音響処理方法。

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