JP2018077317A - 音響特性測定方法、音響特性測定装置及び音響特性測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、リスナーに違和感を与える定在波の周波数を比較的正確に特定することができる音響特性測定方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る音響特性測定方法は、オーディオ空間の音響特性を測定する方法であって、オーディオ再生用スピーカーを入力源とする音波のインパルス応答波形をリスニングポイントで取得する工程と、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する工程とを備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本願発明は、音響特性測定方法、音響特性測定装置及び音響特性測定プログラムに関する。

閉鎖された部屋（リスニングルーム）や部分的に開放されたブース等の一定の空間が、例えば音楽、映画等の音声を聴取するためのオーディオ空間として使用される。このようなオーディオ空間では、スピーカーが発した音波が壁や天井で反射して重なり合ったり相殺し合ったりすることで、特定の周波数の音圧レベルが大きくなったり小さくなったりする。このように反射波が重なり合うことにより音圧レベルが増減する波長の音波は、定在波と呼ばれ、オーディオ空間に固有の周波数を有する。

このような定在波の周波数を測定し、フラットな周波数特性が得られるように補正することが行われている。例えば、特定の周波数に対して吸音率が高い吸音材をオーディオ空間内に配置することで、音圧がピークとなる定在波を低減することができる。

また、スピーカーに入力される音響信号のうちピーク位置又はディップ位置（定在波周波数）の信号の立ち下がり部分を選択的に減衰させるフィルタを設けることで、聴感上問題となる残響を補正する音響処理方法も提案されている（特許第５２９０９４９号公報参照）。

前記公報に記載の音響処理方法では、スピーカーからテスト信号を発して、リスニングポイントに配置したマイクロホンで集音して得られるインパルス応答波形をフーリエ変換やアダマール変換することによって得られる周波数特性から定在波によるピーク及びディップの周波数を特定している。

しかしながら、前記公報に記載されるような方法で特定された周波数は、リスナーに違和感を与える定在波の周波数とは異なる場合がある。

特許第５２９０９４９号公報

前記不都合に鑑みて、本発明は、リスナーに違和感を与える定在波の周波数を比較的正確に特定することができる音響特性測定方法、音響特性測定装置及び音響特性測定プログラムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた発明は、オーディオ空間の音響特性を測定する方法であって、オーディオ再生用スピーカーを入力源とする音波のインパルス応答波形をリスニングポイントで取得する工程と、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する工程とを備えることを特徴とする音響特性測定方法である。なお、「遅い周波数又は早い周波数」とは、他の周波数と比べて遅い周波数又は周波数を意味する。

前記判定工程が、前記インパルス応答波形から周波数バンド毎の音圧レベル変化を導出する工程と、前記周波数バンド毎の音圧レベル変化から残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンドを特定する工程と、前記定在波周波数として前記残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンド内の周波数特性のピーク又はディップを前記定在波周波数と決定する工程とを有するとよい。

前記決定工程で、前記残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンドの前記インパルス応答波形をフーリエ変換するとよい。

前記判定工程で周波数に応じて重み付けを行うとよい。

前記取得工程を前記オーディオ再生用スピーカーの左右別々に行い、前記判定工程で前記定在波周波数を左右別々に判定するとよい。

また、前記課題を解決するためになされたもう一つの発明は、オーディオ空間の音響特性を測定する装置であって、オーディオ再生用スピーカーを用いてインパルス入力波を出力する音発生機構と、リスニングポイントで前記インパルス入力波により得られるインパルス応答波形を記録する記録機構と、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する演算機構とを備えることを特徴とする音響特性測定装置である。

また、前記課題を解決するためになされたさらに別の発明は、音声入力部及び音声出力部を有するプログラマブルデバイスを用いてオーディオ空間の音響特性を測定するためのプログラムであって、音声出力部からインパルス入力波を出力する入力制御要素と、インパルス入力波の出力時に音声入力部に入力されるインパルス応答波形を記録する記録制御要素と、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する演算要素とを備えることを特徴とする音響特性測定プログラムである。

本発明の音響特性測定方法、音響特性測定装置及び音響特性測定プログラムは、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定するので、リスナーに違和感を与える定在波の周波数を比較的正確に特定することができる。

本発明の一実施形態の音響特性測定装置の構成を示す模式図である。 図１の音響特性測定装置を用いる音響特性測定方法の手順を示すフローチャートである。 図２の取得工程で得られるインパルス応答波形の一例である。 図２の判定工程で導出されるパルスグライド図形の一例である。 図２の判定工程の好ましい詳細手順を示すフローチャートである。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［音響特性測定装置］
図１に示す本発明の一実施形態に係る音響特性測定装置は、オーディオ空間の音響特性を測定する装置である。より具体的には、当該音響特性測定装置は、オーディオ空間に特有の定在波の周波数を測定する装置である。

当該音響特性測定装置は、オーディオ再生用スピーカー（左側のスピーカーＳＬ及び右側のスピーカーＳＲ）を用いてインパルス入力波を出力する音発生機構１と、リスナーが通常位置するリスニングポイント（例えばソファーの上等）で前記インパルス入力波により得られるインパルス応答波形を記録する記録機構２と、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する演算機構３とを備える。

当該音響特性測定装置において、音発生機構１、記録機構２及び演算機構３は、機能的に区別されるものであり、２又は全ての機構が同一のコンピューター等によって実現されていてもよい。

また、当該音響特性測定装置は、音発生機構１、記録機構２及び演算機構３の設定を行うことができるインターフェイス４をさらに備えることが好ましい。

＜音発生機構＞
音発生機構１は、オーディオ空間に設置されるスピーカーＳＬ，ＳＲからインパルス入力波を出力させるものであればよく、例えばインパルス入力波のデータを記録し、スピーカーＳＬ，ＳＲが接続されているオーディオシステムで再生可能なＣＤ等の記録媒体、オーディオシステムの外部入力端子に有線接続又は無線モジュールに無線接続されるポータブルプレイヤー等の音声信号出力装置などで構成することができる。前記ポータブルプレイヤーとしては、例えばスマートフォン、モバイルコンピューター、パーソナルコンピューター等のプログラマブルデバイスに音声再生プログラムをインストールしたものを使用してもよい。

＜記録機構＞
記録機構２は、リスナーが実際に音を聴く位置に配置されるマイク５と、このマイク５が出力する電気信号を電子データとして記録する記録手段６とを有するレコーディングシステムである。この記録機構２としては、例えばスマートフォン、モバイルコンピューター、パーソナルコンピューター等の音声入出力機能を有するプログラマブルデバイスに音声記録プログラムをインストールしたものを使用してもよい。

＜演算機構＞
演算機構３は、記録機構２が記録したインパルス応答波形から、音圧レベルの周波数分布を導出し、音圧レベルの低下が他の周波数よりも遅い周波数又は早い周波数を特定し、この周波数を定在波の周波数とする。なお、この定在波の周波数を特定する演算方法については、音響特性測定方法に関連して後で詳述する。

＜インターフェイス＞
インターフェイス４は、例えば液晶パネル等のオペレーター（音響特性測定者）に情報を提示する表示手段７と、例えばキーボード、スイッチ、タッチセンサ等のオペレーターが設定を行うための入力手段８とを有するものとすることが好ましい。インターフェイス４としては、例えばタッチパネル等の表示手段７と入力手段８とが一体化されたものが特に好適に使用される。

［音響特性測定方法］
図２に示す本発明の別の実施形態に係る音響特性測定方法は、オーディオ空間の音響特性を測定する方法であって、図１の音響特性測定装置を用いて行うことができる。このため、本実施形態の説明では、分かりやすいよう図１の符号を用いるが、当該音響特性測定方法を図１の音響特性測定装置を使用する方法に限定するものではない。

当該音響特性測定方法は、オーディオ再生用スピーカーＳＬ，ＳＲを入力源とする音波のインパルス応答波形をリスニングポイントで取得する工程＜ステップＳ１：取得工程＞と、前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する工程＜ステップＳ２：判定工程＞とを備える。

＜取得工程＞
ステップＳ１の取得工程では、スピーカーＳＬ，ＳＲによりインパルス入力波を出力し、スピーカーＳＬ，ＳＲから直接又は周囲の壁等で反射してリスニングポイントに配置したマイク５に入射する音波を記録手段６によって記録する。この取得工程は、左側のスピーカーＳＬと右側のスピーカーＳＲとで別々に行うこと、つまり２つのインパルス応答波形を取得することが好ましい。

インパルス入力波としては、インパルス波形の信号でもよいが、インパルス応答波形が得られる公知の波形の信号、例えばＴＳＰ（Ｔｉｍｅ Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｐｕｌｓｅ）信号、Ｍ系列（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）信号等を用いることができる。ＴＳＰ信号やＭ系列信号を用いることで、Ｓ／Ｎ比が大きいインパルス応答波形が得られる。ＴＳＰ信号やＭ系列信号を用いる場合、それら信号の種類に応じて、マイク５で得られる波形に公知の信号処理を施すことにより、図３に例示するようなインパルス応答波形が得られる。

＜判定工程＞
ステップＳ２の判定工程では、インパルス応答波形を解析して、周波数毎の音圧レベルの変化を確認する。具体的には、インパルス応答波形から、例えば図４に例示するようなパルスグライド、累積位相スペクトラム等を導出することで、周波数毎の音圧レベルの変化が比較的容易に確認可能となる。図４に例示するパルスグライド図形では、縦軸を周波数、横軸を時間とし、音圧レベルを色（図４では大きい程濃い色）で表している。

このようなデータを用いた音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数の特定方法としては、判定基準時刻における音圧レベルがピーク閾値以上又はディップ閾値以下となる周波数を特定し、この周波数を定在波周波数と判定することができる。より詳しくは、定在波周波数は、例えば音圧レベルが連続してピーク閾値以上又はディップ閾値以下である周波数範囲の中央値とすることができる。

前記判定基準時刻、ピーク閾値及びディップ閾値は、音圧レベルが連続してピーク閾値以上又はピーク閾値以下である周波数範囲が一定の周波数幅以下となり、かつ音圧レベルがピーク閾値以上又はディップ閾値以下となる周波数帯の数が一定数以下となるよう、自動的に又はオペレーターがインターフェイス４を介して調整するようにしてもよい。

また、定常波周波数は、左側のスピーカーＳＬを入力とするインパルス応答波形と、右側のスピーカーＳＲを入力とするインパルス応答波形とについて別々に判定することが好ましい。これにより、オーディオ空間の左右の非対称性を加味して、適切にオーディオを空間の音響特性を改善することができる。オーディオ空間の音響特性の改善方法としては、例えば吸音部材のオーディオ空間内へ配置等の方法が挙げられる。

この判定工程では、周波数に応じて重み付けを行ってもよい。つまり、音圧レベルに周波数に応じて予め設定される係数を乗じた値をピーク閾値以上又はディップ閾値と比較してもよい。これにより、人の聴覚により聞き取りやすい周波数の音圧レベルの変化をより大きく反映することができるので、リスナーに違和感を与える定在波の周波数を優先的に特定することができる。

また、この判定工程における音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数の特定は、図５に示すように、前記インパルス応答波形から周波数バンド毎の音圧レベル変化を導出する工程（Ｓ２１：導出工程）と、この周波数バンド毎の音圧レベル変化から残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンドを特定する工程（ステップＳ２２：特定工程）と、定在波周波数として前記残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンド内の周波数特性のピーク又はディップを前記定在波周波数と決定する工程（ステップＳ２３：決定工程）とを有する方法を採用することが好ましい。

このように、周波数バンド内の平均音圧レベルの変化を指標とすることによって、人の聴覚によって不自然さがより認識されやすい音響特性のピーク又はディップを含む周波数バンドを特定することができる。逆にいうと、図５の方法を採用することによって、ピーク又はディップの周波数幅が極めて小さいことで人の聴覚では聞き分け難い軽微な音の歪みを生じるピーク又はディップを除外することができる。

（導出工程）
ステップＳ２１の導出工程では、例えばオクターブバンド、１／３オクターブバンド等の一定の周波数バンド毎に音圧レベル変化を導出する。具体例としては、図４のパルスグライドにおける各周波数バンドの音圧レベルを時間毎に平均することで、各周波数バンドの平均音圧レベルの変化を得る。

（特定工程）
ステップＳ２２の特定工程では、前記導出工程で得た各周波数バンドの平均音圧レベルの変化から残響時間を表す指標を導出する。この残響時間を表す指標としては、残響時間の他に、例えば音圧レベルが閾値以上である時間、吸音率等を挙げることができる。そして、各周波数バンドの残響時間の指標を比較することによって、残響時間が相対的に長い１若しくは複数の周波数バンド、又は残響時間が相対的に短い１若しくは複数の周波数バンドを特定する。

前記導出工程及び特定工程は、左側のスピーカーＳＬを入力とする音圧レベル変化と右側のスピーカーＳＲを入力とする音圧レベル変化とを重畳したデータを用いて行うことができる。このように、左右のデータを重畳することにより一括して周波数バンドを絞り込むことで、演算量を低減することができる。

（決定工程）
ステップＳ２３の決定工程では、前記特定工程で特定された残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンド内において、音圧レベルの周波数特性がピーク又はディップとなる周波数を定在波周波数と決定する。

この導出工程は、左側のスピーカーＳＬを入力とする音圧レベル変化と、右側のスピーカーＳＲを入力とする音圧レベル変化とに対して別々に行うことが好ましい。これにより、オーディオ空間の左右の非対称性を加味して、適切にオーディオを空間の音響特性を改善することができる。

また、この決定工程でピーク又はディップを抽出する周波数特性としては、インパルス応答波形をフーリエ変換したものとすることが好ましい。これにより、音圧レベルの周波数特性を得ることができ、定在波の周波数をより正確に特定することができる。

上述のように、当該音響特性測定方法は、図１音響特性測定装置によって行うことができ、図１の音響特性装置は、スマートフォン、モバイルコンピューター、パーソナルコンピューター等の音声入出力機能を有するプログラマブルデバイスに音響特性測定プログラムをインストールすることによって実現することができる。この音響特性測定装置を実現するための音響特性測定プログラムは、それ自体が本発明の別の実施形態である。

＜音響特性測定プログラム＞
当該音響特性測定プログラムは、上述のように、音声入力部（例えばマイク端子、内蔵マイク等）及び音声出力部（例えばイヤフォン端子等）を有するプログラマブルデバイスを用いてオーディオ空間の音響特性を測定するためのプログラムである。換言すると、当該音響特性測定プログラムは、図２の音響特性測定方法をプログラマブルデバイスを用いて実行するためのプログラムである。

当該音響特性測定プログラムは、音声出力部からインパルス入力波を出力する入力制御要素と、インパルス入力波の出力時に音声入力部に入力されるインパルス応答波形を記録する記録制御要素と、前記インパルス応答波形を解析して残響時間がピーク又はディップとなる周波数を定在波周波数と判定する演算要素とを備える。

前記入力制御要素、記録制御要素及び演算要素は、独立したプログラムであってもよいが、１つのアプリケーションプログラムの一部をなすサブルーチンやパートプログラム等とすることが好ましい。また、当該音響特性測定プログラムは、前記演算要素が演算に用いるパラメーターを設定するためのインターフェイス制御要素をさらに備えることが好ましい。

（入力制御要素）
入力制御要素は、インパルス応答を得るための入力波形、例えばＴＳＰ（Ｔｉｍｅ Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｐｕｌｓｅ）信号、Ｍ系列（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）信号等をスピーカーＳＬ、ＳＲで出力可能な電気信号を出力するためのプログラム要素である。この入力制御要素は、プログラマブルデバイスのオペレーションシステム又はオペレーションシステムに付属する音声出力のためのプログラム要素にインパルス入力波の波形データを提供するものであってもよい。

（記録制御要素）
記録制御要素は、前記入力制御要素と連動して、音声入力部を用いてインパルス応答波形を記録するためのプログラム要素である。つまり、前記入力制御要素及び記録制御要素は、図２の音響特性測定方法の取得工程を実行するためのプログラムである。

（演算要素）
演算要素は、図２の音響特性測定方法の判定工程の各工程を実行、つまり記録制御要素によってプログラマブルデバイスのメモリーに記録したインパルス応答波形のデータを処理するためのプログラム要素である。

（インターフェイス制御要素）
インターフェイス制御要素は、プログラマブルデバイスの表示装置を用いて定在波周波数を表示する。また、インターフェイス制御要素は、オペレーターが演算に用いるパラメーター等を入力することを可能にすることが好ましい。この場合、インターフェイス制御要素は、図４のパルスグライド図形等に判定基準時刻を示す線を重ねて表示する等の手法により、オペレーターによるパラメーターの調整を容易にするような表示を行うことが好ましい。

＜利点＞
当該音響特性測定方法装置、音響特性測定方法及び音響特性測定プログラムは、インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定するので、リスナーに違和感を与える定在波の周波数を比較的正確に特定することができる。

このように、当該音響特性測定方法装置、音響特性測定方法及び音響特性測定プログラムによって、リスナーに違和感を与える定在波の周波数を比較的正確に特定することができるので、オーディオ空間の音響特性を調整して違和感のない音を再生できるようにすることができる。音響特性の調整方法としては、例えば特定された周波数に対して吸音率が高い調音部材、例えば共鳴器型吸音部材等をオーディオ空間内に配置することで、音圧がピークとなる定在波を低減することができる。

［その他の実施形態］
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該音響特性測定方法において、判定工程で、図５に図示した方法と異なる方法によって音圧レベル低下が相対的に遅い周波数又は早い周波数を特定してもよい。

本発明に係る音響特性測定方法、音響特性測定装置及び音響特性測定プログラムは、例えば個人用等、比較的小規模のオーディオ空間の音響特性を簡便に測定するために特に好適に利用できる。

１ 音発生機構
２ 記録機構
３ 演算機構
４ インターフェイス
５ マイク
６ 記録手段
７ 表示手段
８ 入力手段
ＳＬ，ＳＲ スピーカー
Ｓ１ 取得工程
Ｓ２ 判定工程
Ｓ２１ 導出工程
Ｓ２２ 特定工程
Ｓ２３ 決定工程

Claims (7)

1. オーディオ空間の音響特性を測定する方法であって、
   オーディオ再生用スピーカーを入力源とする音波のインパルス応答波形をリスニングポイントで取得する工程と、
   前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する工程と
   を備えることを特徴とする音響特性測定方法。
2. 前記判定工程が、
   前記インパルス応答波形から周波数バンド毎の音圧レベル変化を導出する工程と、
   前記周波数バンド毎の音圧レベル変化から残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンドを特定する工程と、
   前記定在波周波数として前記残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンド内の周波数特性のピーク又はディップを前記定在波周波数と決定する工程と
   を有する請求項１に記載の音響特性測定方法。
3. 前記決定工程で、前記残響時間が相対的に長い周波数バンド又は短い周波数バンドの前記インパルス応答波形をフーリエ変換する請求項２に記載の音響特性測定方法。
4. 前記判定工程で周波数に応じて重み付けを行う請求項１、請求項２又は請求項３に記載の音響特性測定方法。
5. 前記取得工程を前記オーディオ再生用スピーカーの左右別々に行い、
   前記判定工程で前記定在波周波数を左右別々に判定する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の音響特性測定方法。
6. オーディオ空間の音響特性を測定する装置であって、
   オーディオ再生用スピーカーを用いてインパルス入力波を出力する音発生機構と、
   リスニングポイントで前記インパルス入力波により得られるインパルス応答波形を記録する記録機構と、
   前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する演算機構と
   を備えることを特徴とする音響特性測定装置。
7. 音声入力部及び音声出力部を有するプログラマブルデバイスを用いてオーディオ空間の音響特性を測定するためのプログラムであって、
   音声出力部からインパルス入力波を出力する入力制御要素と、
   インパルス入力波の出力時に音声入力部に入力されるインパルス応答波形を記録する記録制御要素と、
   前記インパルス応答波形を解析して音圧レベル低下が遅い周波数又は早い周波数を定在波周波数と判定する演算要素と
   を備えることを特徴とする音響特性測定プログラム。