JP2011123376A - 音響処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 聴感上の音質劣化を招くことなく、リスニングルーム内の壁、家具、照明機材などで生じる共鳴による異音を低減させる。
【解決手段】 ボリューム値を初期値に設定して（Ｓ１０１）、所定周波数の純音信号をテスト信号としてスピーカから出力し（Ｓ１０２）、出力されたテスト信号をマイクロホンで収音する（Ｓ１０３）。収音信号の倍音成分の信号レベルが閾値以上であるときは、当該信号レベルが閾値未満になるまでボリューム値を低下させ（Ｓ１０６）、低下後のボリューム値を記憶する（Ｓ１１０）。音響信号を出力する際には、記憶された周波数での信号レベルと現在のボリューム値との積が、テスト信号の信号レベルと記憶されたボリューム値との積を超えないように、音響信号の当該周波数の信号レベルを調整する。
【選択図】 図３

Description

本発明は音響処理装置及び方法に関し、特に、リスニングルームでの雑音を低減するための技術に関する。

近年、デジタル技術の高速化、大容量化により、音楽を鑑賞するスタイルにも、メモリなどに楽曲を保存し、どこでも音楽を持ち出して聴取するスタイルが一般化している。一方、自宅などでのリビングや、リスニングルームなどに音響装置を据え付け、音楽を楽しむなどの聴取スタイルにも根強いファンが多い。このようなリスニングルームでの音楽鑑賞に対し、デジタル技術をもって、より良い音を聞くための装置などが発売されている。

リスニングルームで音楽を聞く場合、部屋の特性、特に定在波と呼ばれる部屋サイズに起因する現象が発生する。これは部屋の壁間での反射によって、リスニングポジションにおいて特定の周波数の音量が大きくなったり、あるいは、小さくなって聞こえなくなるなどの弊害をもたらすものである。

このような定在波の弊害を除去するために、例えば特許文献１には、定在波により周波数特性上にピークを有するような周波数に対してノッチフィルタなどを適用して減衰させ、その周波数だけが突出することないようにする技術が開示されている。また、近年では、デジタル技術を用いて、これらのフィルタリングをデジタルフィルタなどで自動的に行うなどの製品も発売されている。

特公昭６０−１９９７号公報

リスニングルームにおいて、音響特性を阻害する要因としては、上記定在波による共振に関するもの以外に、部屋の部材、家具などの共鳴に起因するものがある。例えば、リスニングルーム内の照明器具、壁、額縁、家具などが、特定の周波数に共鳴して鳴り出し、ノイズを発生する場合がある。これは、部屋のサイズに係るものではなく、部屋に置かれているものあるいは、部屋を構成しているものによって引き起こされるため、その発生条件は部屋の構成ごとに異なる。

この共鳴現象は定在波とは異なり、特定の周波数のピーク、ディップとして現れるものではないため、周波数特性を見ただけでは、その周波数は特定できない。また、ノイズ原因となる周波数を、手動で特定できたとしても、上記例のようにノッチフィルタをその周波数に設定すると、当該周波数は常に原信号に対して低いゲインとなってしまうため、その部分の音が欠落したように聞こえてしまうため、聴感上良くない。

本発明は、聴感上の音質劣化を招くことなく、リスニングルーム内の壁、家具、照明機材などで生じる共鳴による異音を低減させることを目的とする。

本発明の一側面によれば、再生音場空間の音響特性に基づいて、出力する音響信号の周波数特性を調整する音響処理装置が提供される。前記音響処理装置は、スピーカから出力される音量を規定するボリューム値を初期値に設定した状態で、複数の周波数の純音信号をテスト信号としてそれぞれ異なる時間に前記スピーカから出力する出力手段と、
前記出力手段により前記スピーカから出力された各テスト信号をマイクロホンで収音する収音手段と、前記収音手段により収音された各信号について、倍音成分の信号レベルが閾値以上であるときは、当該倍音成分の信号レベルが前記閾値未満になるまで前記ボリューム値を低下させ、低下後の当該ボリューム値を、当該信号に対応するテスト信号の周波数と対応付けて記憶手段に格納する制御手段と、前記音響信号を出力する際、前記音響信号の前記記憶手段に記憶された周波数での信号レベルと現在のボリューム値との積が、当該周波数のテスト信号の信号レベルと当該周波数に対応して前記記憶手段に記憶されたボリューム値との積を超えないように、前記音響信号の当該周波数の信号レベルを調整する調整手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、聴感上の音質劣化を招くことなく、リスニングルーム内の壁、家具、照明機材などで生じる共鳴による異音を低減させることができる。

実施形態における音響システムの概略構成を示す図。 出力した音響信号とその収録信号の周波数特性を示す図。 実施形態における異音を生じる周波数の特定及びボリューム値の決定の処理を示すフローチャート。 実施形態における音響処理装置の構成例を示すブロック図。 実施形態におけるフィルタの構成例を示すブロック図。 リミッタの特性を説明する図。 他の実施形態における周波数領域での信号処理の例を説明する図。 他の実施形態における異音を生じる周波数の特定及びボリューム値の決定の処理を示すフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における音響システムの構成を示す図である。この音響システムは、以下に説明する構成、処理によって、再生音場空間であるリスニングルームの音響特性に基づいて、出力する音響信号の周波数特性を調整することが可能である。

１１は音響処理装置であり、表示部１４、ボリュームコントロール１８、リモコン受光部１６などを備えている。この音響処理装置１１より、スピーカ１２Ｌ，１２Ｒに対して音声信号が送信される。

スピーカ１２Ｌ，１２Ｒはそれぞれアクティブスピーカであり、それぞれパワーアンプ１７Ｌ，１７Ｒを有している。この構成は一例であり、アクティブスピーカでなく、途中にパワーアンプを有するタイプのオーディオシステムでも構わない。

１３はマイクロホンであり、音響処理装置１１から、スピーカ１２Ｌ，１２Ｒに送られたテスト信号などを収音するために用いられる。１５は音響処理装置１１のコントロールを行うリモコン装置であり、通常、音響処理装置１１へ接続された、不図示のオーディオ機器（ＣＤ，ＤＶＤなど）を選択したり、ボリュームコントロールを行うためのものである。なお、出力される音量を規定するボリューム値は、ボリュームコントロール１８やリモコン装置１５を用いてユーザが手動で設定可能であるが、システムが自動的に設定できるようにも構成されている。ボリューム値の調整は公知の技術を適用でき、出力する音響信号のデジタル信号に対して行うものでもよいし、アナログ信号に対して行うものでもよい。

音響処理装置１１の構成を示すブロック図を図４に示す。通常の動作時には、入力切替部４１に接続された外部の音響機器からの音楽情報が、フィルタ４２を介して、出力部４３に送られる。出力部４３は、ＬＩＮＥＯＵＴを持つような装置であれば、不図示のＤ／Ａ変換器により音楽情報をアナログで出力する。一方、デジタル出力であれば、例えばＳＰＤＩＦなどのデジタルＩＦの信号に出力信号を変換して、スピーカ１２に対して音楽情報を出力する。

補正係数の決定のために動作時には、入力切替部４１が演算制御部４６からの指令により、テスト信号発生部４４と接続される。テスト信号発生部４４からは、低周波から高周波に周波数が連続的に変化するスイープ信号や、ホワイトノイズ等を出力することができる。あるいは、擬似ランダム信号の一種であるＭ系列信号を用いた、ＭＬＳ（maximum length sequence）信号を用いた信号を出力することもできる。また、特定の複数の周波数の正弦波信号を出力することもできる。

マイクロホン１３は、スピーカ１２から発生したテスト信号を収音する。マイクロホン１３は、音響処理装置１１に接続されると、Ａ／Ｄ変換器４５にて録音データがデジタルデータに変換され、演算制御部４６に送られ、例えば記憶部４７に録音されると共に、演算制御部４６によりプログラムに従って解析されることになる。

図２は、マイクロホン１３を接続した状態で、テスト信号として、ある周波数の純音信号（正弦波）を発し、録音した時のデータをＦＦＴなどで周波数スペクトルに変換して表示したものである。図２において、２１は、テスト信号としての純音信号のスペクトルであり、この例では基本周波数Ｆでピークが生じている。

特性２２は、この信号をボリューム値Ｖ１でスピーカ１２から放射しこれをマイクロホンで収音して得た信号のスペクトルである。この信号には、基本周波数Ｆ以外に２＊Ｆ，３＊Ｆの倍音の周波数にピークを持つ信号が含まれていることが分かる。出力したテスト信号は基本周波数Ｆしか含んでいない正弦波信号であるから、本来であれば、収音した信号についても周波数Ｆにしかスペクトルが観測されないはずである。スピーカやアンプなどの伝送系に歪がないとすると、このＮ倍音の信号は、リスニングルームのどこかが共鳴して発生したノイズ成分であるといえる。

図２において、２３は、テスト信号の信号のボリュームをΔＬだけ絞った場合のスペクトルであり、見てわかるとおり、２＊Ｆ、３＊Ｆの信号ピークは暗騒音レベル以下であるか、観測されない。このことから、部屋の共鳴などのノイズは、特性周波数に共鳴する部屋の部材、家具などによって、共鳴する周波数が一定以上の音圧を有する際に、Ｎ倍音の周波数のノイズを伴って発生することが分かる。本発明はこの点に鑑みて共鳴によるノイズを防止するものである。具体的には、特定周波数にて共鳴によるノイズが発生しない最大音圧を特定し、その周波数の音圧がこの最大音圧を超えないようなフィルタを設けることで、共鳴ノイズを防止、低下させる。

図３は、本実施形態における、共鳴による異音を生じる周波数の探索、及び、異音を生じる周波数に対するボリュームの決定の処理を示すフローチャートである。本処理は、例えば、リモコン１５などからのモード移行指示を受信して、通常の音楽再生モードから補正モードに移行して開始される。この際、マイクロホン１３を音響処理装置１１に接続する旨の指示を表示部１４などに表示するとよい。

はじめに、ボリューム値を初期値に設定する（Ｓ１０１）。初期値は、通常利用されるボリューム値などの一定のボリューム値にする。Ｓ１０２では、周波数の異なる複数の純音信号のうちの１つの、所定周波数の純音信号をテスト信号としてスピーカ１２から出力する。これを、マイクロホン１３を用いて収録する（Ｓ１０３）。収録されたデータは、ＦＦＴなどにより、スペクトラム情報へと変換される。変換されたスペクトラム情報のなかで、Ｎ倍音成分（例えば２倍音、３倍音）の音圧レベル（信号レベル）がそれぞれ、暗騒音レベル＋α［ｄＢ］の閾値以上であるか否かの判断を行う（Ｓ１０４）。なお、暗騒音の測定は、補正モードに入った初期状態で、マイクロホン接続確認後に行えばよい。＋αの値は、システムのＳ／Ｎに基づいて決めても良いし、ユーザが設定できるように構成してもよい。

Ｎ倍音の信号レベルが暗騒音レベル＋α［ｄＢ］未満である場合、このテスト信号に対しては部屋の共鳴は発生していないと判断される。この場合はＳ１０５に進む。

Ｎ倍音の信号レベルが暗騒音レベル＋α［ｄＢ］以上ある場合には、このテスト信号に対して部屋の共鳴が発生していると判断される。この場合は、現在のボリューム値を所定値だけ低下させ（Ｓ１０６）、その低下後のボリューム値で、再度同じテスト信号をスピーカ１２から出力する（Ｓ１０７）。これを、マイクロホン１３を用いて収録する（Ｓ１０８）。収録されたデータは、ＦＦＴなどにより、スペクトル変換される。そして、このスペクトルにおけるＮ倍音成分（例えば２倍音、３倍音）の信号レベル（ノイズレベル）を閾値（暗騒音レベル＋α）と比較し（Ｓ１０９）、閾値以上である場合には、Ｓ１０６に戻り、ボリューム値を更に低下させて処理を繰り返す。Ｓ１０９にてノイズレベルが閾値未満になった場合、そのときのボリューム値を、テスト信号の周波数（基本周波数）と対応付けて記憶する（Ｓ１１０）。

Ｓ１０４又はＳ１１０の終了後、対象とする全ての周波数のテスト信号を出力したかどうかを判断する（Ｓ１０５）。未出力のテスト信号がある場合は、Ｓ１０１に戻り、その次の周波数のテスト信号に変更して処理を繰り返す。

このように、Ｓ１０１からＳ１０５までのループにおいて、Ｓ１０１では、所定周波数範囲内における周波数の異なる複数の純音信号がテスト信号としてそれぞれ異なる時間にスピーカから出力されることになる。各周波数の間隔は、例えば１［Ｈｚ］ごとであってもよいが、１／３や１／６オクターブバンド幅の間隔としてもよい。あるいは、音楽の音階の周波数刻みとしても良い。これらはシステムの仕様に併せて設定されうる。上記所定周波数範囲については、低域中心、中域までなどを予め設定可能に構成してもかまわない。もちろん可聴域全域に対して行ってもよい。

全ての周波数のテスト信号について測定を終えると（Ｓ１０５）、補正モードが終了する。このとき、表示部１４などに、補正モードが終了した旨を表示するとよい。決定された最大値は、フィルタ４２に設定される。

なお、上記した処理は例えば図８に示すようなフローに変形することも可能である。図８において、図３に示した処理ステップと同じ内容の処理ステップには同一の参照番号を付してある。以下では図３のフローとの相違点を簡単に説明する。

図８のフローでは、ステップＳ１０４で倍音成分が閾値以上であると判断された場合は、いったん当該テスト信号の周波数の値を記憶部４７に格納する（Ｓ２０１）。こうして、まずは全ての周波数のテスト信号の測定を行い、倍音成分が閾値以上となったテスト信号の周波数の値を記憶していく。

次に、Ｓ２０２でボリューム値を初期値に設定した後、Ｓ１０７’に進む。Ｓ１０７’は上述したＳ１０７と類似の処理であるが、このＳ１０７’では、共鳴が生じる周波数としてＳ２０１で記憶された周波数のうちの一の周波数の純音信号をテスト信号として再度、スピーカ１２から出力する。また、Ｓ１１０’では、倍音成分が閾値未満となったときのボリューム値を、すでに記憶部４７に格納されている当該テスト信号の周波数に関連付けて格納する。Ｓ２０３では、記憶部４７に記憶された全ての周波数のテスト信号を出力したかを判断する。

次に、入力音響信号を出力する際のフィルタ４２の動作について説明する。図５は、フィルタ４２の構成例を示すブロック図である。同図において、５１は上記共鳴が発生すると判定された周波数を弁別するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、入力音響信号から当該周波数信号を抽出する。５２は振幅を制限するリミッタであり、ＢＰＦ５１にて通過した信号が最大値を超えるか否かを判定し、最大値を超えないように信号レベルを制御する。ここで、リミッタ５２には、演算制御部４６あるいは他のハードウェアから現在のボリューム値も入力される。例えば入力信号の値が大きな値であっても、現在のボリューム値が小さければ共鳴を引き起こすほどの音圧レベルには達しない。逆に入力が小さな値であっても、現在のボリューム値が大きな値に設定されていたら、共鳴を引き起こす。そこで本実施形態では、例えば、信号レベルと現在のボリューム値との積によって閾値を決定する。そのため、リミッタ５２は現在のボリューム値を入力している。

信号レベルをＳＬ、現在のボリューム値をＶＬとすると、閾値ＰｔｈはＳＬとＶＬの積から得られる。リミッタ５２は、先の補正モードで得られた最大ボリュームと、対応するテスト信号のレベルとの積の値をピークレベルとして記憶する。そして、弁別された周波数の信号値と現在のボリューム値との積がこのピークレベル以下となるように信号の制御を行う。また、もとの音声信号は、バンドエリミネーションフィルタ（ＢＥＦ）５３で当該周波数成分が除去される。その後、遅延回路５４で、リミッタ５２から出力される信号とタイミングが一致するようにＢＥＦ５３の出力信号を遅延させる。合成部５５は、リミッタ５２から出力された信号と遅延回路５４の出力信号とを合成して出力する。

なお、入力信号のレベルを調整するリミッタ５２としては、特定のレベル以上をスライスする構成であってもよいが、より自然な聴感を得るために、音圧に対して抑圧特性が変化する、いわゆるコンプレッサのような構成を用いても構わない。スライスとは、図６の６１で示されるように、ピークレベルを一定値以上にならないようにクリップする構成をいう。コンプレッサとは、図６の６２で示されるように、一定以上の音圧に減衰をかけるものをいう。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態においては、バンドパスフィルタ等を用いて周波数を弁別し、リミッタをかける構成であったが、出力する音響信号を周波数領域信号に変換して、対応する周波数のみに値制限をかける手法でフィルタリングを行ってもよい。

例えば、時間領域信号で表現された出力対象の音響信号を、ＦＦＴなどを用いて周波数領域信号に変換する。次に、音響信号のＳ１０４で記憶した周波数の信号レベルと現在のボリューム値との第１の積と、Ｓ１０４で記憶した周波数のテスト信号（純音信号）の信号レベルと当該周波数に対応して記憶されたボリューム値との第２の積とを比較する。ここで、第１の積が第２の積より大きいときは、第１の積が第２の積以下になるように、周波数領域信号の当該周波数のスペクトル値を低減する。例えば、図７に示すように、入力信号の周波数特性７１があった場合に、各共鳴周波数の最大値に対するマスク７２の特性と比較し、信号レベルがマスクレベルより大きいときは、その値をマスクレベルまで低下させる。その後、ＩＦＦＴなどの手法で、周波数領域信号から時間領域信号に逆変換して出力する。このように構成することで、ＢＰＦ、ＢＥＦなどのフィルタリングの両方を同時に処理することが可能になり、演算量を減らすことができる。

以上説明した実施形態では、ハードウェア構成のようなモジュールで説明を行ったが、各音響処理の部分をデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などを用いてソフトウェアで処理することも可能である。

（他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (5)

1. 再生音場空間の音響特性に基づいて、出力する音響信号の周波数特性を調整する音響処理装置であって、
   スピーカから出力される音量を規定するボリューム値を初期値に設定した状態で、複数の周波数の純音信号をテスト信号としてそれぞれ異なる時間に前記スピーカから出力する出力手段と、
   前記出力手段により前記スピーカから出力された各テスト信号をマイクロホンで収音する収音手段と、
   前記収音手段により収音された各信号について、倍音成分の信号レベルが閾値以上であるときは、当該倍音成分の信号レベルが前記閾値未満になるまで前記ボリューム値を低下させ、低下後の当該ボリューム値を、当該信号に対応するテスト信号の周波数と対応付けて記憶手段に格納する制御手段と、
   前記音響信号を出力する際、前記音響信号の前記記憶手段に記憶された周波数での信号レベルと現在のボリューム値との積が、当該周波数のテスト信号の信号レベルと当該周波数に対応して前記記憶手段に記憶されたボリューム値との積を超えないように、前記音響信号の当該周波数の信号レベルを調整する調整手段と、
   を有することを特徴とする音響処理装置。
2. 前記調整手段は、
   前記音響信号のうちの前記記憶手段に記憶された周波数の成分のみを通過させるバンドパスフィルタと、
   前記記憶手段に記憶された周波数の前記テスト信号の信号レベルと当該周波数に対応して記憶されたボリューム値との積をピークレベルとし、前記バンドパスフィルタを通過した信号の信号レベルと現在のボリューム値との積が前記ピークレベル以下になるように前記音響信号の信号レベルを制限するリミッタと、
   前記音響信号の、前記記憶手段に記憶された周波数の成分を除去するバンドエリミネーションフィルタと、
   前記リミッタから出力される信号とタイミングが一致するように前記バンドエリミネーションフィルタの出力信号を遅延させる遅延回路と、
   前記リミッタの出力信号と、前記遅延回路の出力信号とを合成して、前記記憶手段に記憶された周波数の信号レベルが調整された音響信号を出力する合成部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響処理装置。
3. 前記調整手段は、
   前記音響信号を周波数領域信号に変換する変換手段と、
   前記音響信号の前記記憶手段に記憶された周波数の成分の信号レベルと現在のボリューム値との第１の積が、前記記憶手段に記憶された周波数の前記テスト信号の信号レベルと当該周波数に対応して記憶されたボリューム値との第２の積よりも大きいときは、前記第１の積が前記第２の積以下になるように前記周波数領域信号の当該周波数のスペクトル値を低減する低減手段と、
   前記低減手段によりスペクトル値が調整された後の前記周波数領域信号を時間領域信号に変換する逆変換手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響処理装置。
4. 再生音場空間の音響特性に基づいて、出力する音響信号の周波数特性を調整するために音響処理装置によって実行される音響処理方法であって、
   出力手段が、スピーカから出力される音量を規定するボリューム値を初期値に設定した状態で、複数の周波数の純音信号をテスト信号としてそれぞれ異なる時間に前記スピーカから出力する出力ステップと、
   収音手段が、前記出力ステップにおいて前記スピーカから出力された各テスト信号をマイクロホンで収音する収音ステップと、
   制御手段が、前記収音ステップで収音された各信号について、倍音成分の信号レベルが閾値以上であるときは、当該倍音成分の信号レベルが前記閾値未満になるまで前記ボリューム値を低下させ、低下後の当該ボリューム値を、当該信号に対応するテスト信号の周波数と対応付けて記憶手段に格納する制御ステップと、
   調整手段が、前記音響信号を出力する際、前記音響信号の前記記憶手段に記憶された周波数での信号レベルと現在のボリューム値との積が、当該周波数のテスト信号の信号レベルと当該周波数に対応して前記記憶手段に記憶されたボリューム値との積を超えないように、前記音響信号の当該周波数の信号レベルを調整する調整ステップと、
   を有することを特徴とする音響処理方法。
5. コンピュータを、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音響処理装置が有する各手段として機能させるためのプログラム。

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