JP2023006441A

JP2023006441A - 音声信号の振幅制限回路

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Publication number: JP2023006441A
Application number: JP2021109037A
Authority: JP
Inventors: 賢一大島; Kenichi Oshima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-18
Also published as: US20230006628A1

Abstract

【課題】混在する大きな音と小さな音を同時に、イヤホンやヘッドホンで快適に聞くことができる機器の実現。【解決手段】入力信号波形の立ち上がり又は立ち下がりのレベルを対数圧縮して出力することで波高制限を行い、波高制限された信号から高調波歪を削除或いは軽減して出力信号を取り出す。リミッター６は入力された音声信号の振幅制限を行う。積分器７は、リミッター６の出力側に接続されて、リミッター６からの出力信号波形の立ち上がり又は立ち下がりのレベルを対数圧縮する。【選択図】図２

Description

本発明は、補聴器、ヘッドホン、イヤホン、拡声器その他の音響機器に適用することができる音声信号の振幅制限回路に関する。

自然の環境で聞こえる音と、それをマイクロホンで捉えて再生して聞く音には大変大きな差がある。原因は、人体の耳に音響機器の特性が適合していないからである。そのため、収録音が自然のままに聞こえる音響機器の実現は技術者の夢だった。

また、小型音響機器は大きな音を出しにくいが、小型であってももっと大きな音を出せる製品が欲しいというニーズは多かった。

更に、大変深刻な難聴者が言葉を明瞭に聞き取れる補聴器の製造は無理だと諦められていた。従来の補聴器では小さな音が深刻な難聴者に聞こえる様に音量を大きくすると、大きな音も同じ割合で大きくなって耳に過大な負担がかかった。更に、耳穴ではイヤホンの出力音による昇圧が起こり、この問題を大きくした。

イヤホンから放れた音波は周囲へも広がるべきだが、耳穴はイヤホンで塞がれているので広がらない。そのため、耳穴内ではイヤホンの音によって音圧が更に高まる。そのため大きな音は波形の大き過ぎる部分をカットしなければならなかったので、音波形が変形して言葉の聞き取りができなかった。深刻な難聴者が、従来の補聴器で言葉を聴き取れない原因の殆どはこれであり、神経や脳が言葉の解析をできない難聴者は稀である。

イヤホン或いはヘッドホンを用いる機器では、補聴器と同様の理由で大きな音が耳に負担を与えることが多く、不快な音の原因になっていた。

特開２０１１－１６６６５２号公報

本発明は上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、例えば、次のような課題を解決するものである。
１）イヤホンやヘッドホンによる再生において、実際の音を直接聞くのと同様に聞こえる音響機器の実現。
２）小出力でも比較的大音量が出せる音響機器の提供、すなわち、本発明の振幅制限回路を用いればアンプ出力が４倍以上の製品と同等の音量感が得られる。
３）深刻な難聴者が楽に会話できる安価な補聴器の提供。
本発明の振幅制限回路は「大レベル信号が入力されて出力信号が波高制限されても、出力信号の再生音が歪まない」のが特徴である。また、大きな音と小さな音が混じった音声信号が入力されると、出力回路には小さな音声信号はそのままのレベルで、大きな音声信号は振幅制限回路の制限レベルで現れる。

本発明の音声信号の振幅制限回路は、次のような構成を有することを特徴とする。
出力回路に設けられた積分器によって、信号電位がプラス方向に変化している時は波の上部が対数圧縮された信号を出力し、信号の電位がマイナス方向に変化している時は波の下部が対数圧縮された信号を出力することでリミッター動作をする。また、出力回路の積分器は、リミッター動作で発生する高調波を消去する。

本発明において、次のような構成を採用することもできる。
入力された音声信号の振幅制限を行うリミッターと、前記リミッターの出力側に接続されて、前記リミッターからの出力信号波形の立ち上がり又は立ち下がりのレベルを対数圧縮する第１の積分器と、前記リミッターと第１の積分器との間に設けられ、前記リミッターからの出力信号と入力された音声信号を減算する第１の減算器と、入力された音声信号に対して高域の減衰と位相の遅延処理を行う第２の積分器と、前記第１の積分器の出力側と前記第２の積分器の出力側に接続され、前記第１の積分器の出力信号と前記第２の積分器の出力信号を減算する第２の減算器と、を備える。

本発明の音声信号の振幅制限回路を用いればライブ放送、テレワーク、遠隔医療等の質を著しく高めることができる。再生機のイヤホンやヘッドホンによって収音場所に居るようなリアルな音を聞くことができるからである。また、本発明の補聴器では大きな音と小さな音を同時に楽に聞くことができるので、従来の補聴器が役立たない深刻な難聴者に言葉の世界を提供できる。更に、据え置きスピーカー機器等でも音響機器の高性能化に高い効果がある。

本発明による音声信号の振幅制限回路の第１実施形態を拡声機に用いたブロック図である。本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。

［１．第１実施形態］
［１－１．第１実施形態の構成］
以下、本発明の第１実施形態を図１及び図２に従って具体的に説明する。

図１は、本実施形態の振幅制限回路を使用した拡声器のブロック図である。図１のように、本実施形態では、マイクロホン１とパワーアンプ４の間に、振幅制限回路３を設けている。なお、マイクロホン１の後段には音量調整器２が設けられ、パワーアンプ４の出力側にスピーカー５が設けられている。この構成でパワーアンプ本来の能力以上の音量感が得られる。また、この構成は補聴器などの難聴機器にもそのまま適用できる。

図２は本実施形態の振幅制限回路を示すブロック図である。本実施形態の振幅制限回路は、音声信号の入力側に設けられたリミッター６とその出力側に設けられた積分器７とから構成される。リミッター６はコンデンサＣ１とそれに接続されたダイオードＤ１，Ｄ２を備えている。積分器７はリミッター６の出力信号が入力される抵抗Ｒと、その後段に設けられたコンデンサＣ２を備えている。

このような構成を有する振幅制限回路においては、入力信号が無い状態では、ダイオードＤ１のカソード或いはダイオードＤ２のアノードの直流電位はＧＮＤと同じ０Ｖである。しかし、入力に(a)波形のような、ダイオードＤ１或いはダイオードＤ２の順方向電圧より大きい振幅の信号が入力されると、ダイオードＤ１又はＤ２に電流が流れて、(b)波形のように出力信号振幅が制限される。この時、コンデンサＣ１は充電或いは放電される。この充放電によってコンデンサＣ１両端の電圧が変化する。この電圧はリミッター６の出力のバイアス電圧となる。つまり、大きな入力信号によってリミッター６のバイアス電圧が変化することで、(b)信号のように出力振幅制限が行われる。

この振幅制限回路では、制限振幅を越える部分の情報消失が大変少ない。しかし、歪みは発生する。そのため(b)波形の再生音は歪んで聞こえる、波形中の丸で囲った部分の急激なレベル変化に伴って発生する高調波が歪の原因である。

図２における積分器７の時定数は、(b)波形の立ち上がり又はたち下がりを対数圧縮波形にして、積分器7から出力される(c)波形の四角で囲った部分のように急激なレベル変化が少ないなだらかな波形として、イヤホンと耳穴によって起こる音圧上昇を防ぐ。すなわち、積分器７は、入力信号の電位がプラス方向に変化している時は、波の上部が対数圧縮された信号を出力し、入力信号の電位がマイナス方向に変化している時は、波の下部が対数圧縮された信号を出力する。また、積分器７はハイカットフィルターとしても機能して、振幅制限によって発生する積分器７の出力に含まれる高調波を除く。つまり、積分器７は対数圧縮と高調波削除の二つの役を担っている。

積分器７が前記のような機能を有するためには、その時定数（Ｃ２とＲ）を適切に選択する必要が在る。前記のような積分器７の時定数の正しい算出はむずかしい、耳穴のサイズには個人差があるからである。しかし時定数は比較的短くても問題は少ない。低い周波数の歪みは音質にあまり影響を与えないからである。なお、高い周波数では耳穴内昇圧はあまり起こらないが、補聴器の場合は昇圧が起こらなくても過大音は害になる。

［１－２．第１実施形態の作用効果］
前記のような構成を有する第１実施形態の振幅制限回路を補聴器に用いれば、小さな音と大きな音のどちらも楽に聞こえる製品を製造できる。また、最大音量は補聴器の上限出力まで可能である。だから理論的に、最大音響出力が120dB／splの補聴器なら116dB／HLの難聴者が0dB／splの音を聞くことができる。また、本振幅制限回路を録音／再生機に用いれば、近くの大きな音に邪魔されず、音源が遠い等に起因する小さな音も聞こえる再生音の録音／再生が可能である。

本実施形態では、大きな音の立ち上がり或いは立ち下がりが対数圧縮されるので、イヤホンと耳穴による圧力上昇は原則として起こらない。しかも対数圧縮されない場合よりイヤホンのドライブ電力は少なくて済むので小出力機器でも優れた低音特性とパワー感の再生音が得られる。すなわち、積分回路に矩形波を入力すれば、出力には角が丸い波形が現れる。これは、高い周波数成分が減衰されるからだが、この丸い角は対数的である。従って、積分回路とリミッターと組み合わせれば、対数圧縮特性を持つリミッターが実現する。また、積分回路がハイカットフィルターとして機能するのは常識である。

更にこの実施形態の回路で振幅制限された音声信号は、大振幅信号が無くても比較的大きな音量感の再生が可能なので、据え置きスピーカー機器用としてもメリットがある。図２に示した回路の出力信号は、積分器７によって高域周波数成分が失われているのでハイファイ用には適さない。しかし補聴器や拡声機のように、あまり広い周波数帯域を必要としない機器用としては実用的である。

［２．第２実施形態］
図３に示す第２実施形態は、ハイファイ用振幅制限回路の構成例である。ハイファイ機器では広い周波数特性が必要だが、第１実施形態で示した図２の回路構成では、積分器７によって高い周波数成分が失われるので好ましい周波数特性が得られない。図３はこの欠点が除かれた第２実施形態のブロックダイヤ図で、図２の回路に比べ大変広い周波数特性が得られる。例えば、図２の回路では～５ｋＨｚであるのに対して、図３の回路では～４０ｋＨｚ以上の周波数特性が得られる。

［２－１．第２実施形態の構成］
第２実施形態においては、入力信号を処理するリミッター８と第１の積分器１０との間に第１の減算器９が設けられている。この第１の減算器９には、リミッター８からの出力信号と共に入力信号が入力され、両信号の減算処理が行われる。また、第１の積分器１０とは別に、入力信号を処理する第２の積分器１１と、第１の積分器１０と第２の積分器１１の出力を減算する第２の減算器１２が設けられている。この第２の減算器１２からの出力信号がイコライザー１３を経由してパワーアンプ４やスピーカー５に出力される。

このような第２実施形態においては、入力信号(a)はリミッター８、第１の減算器９、第２の積分器１１にそれぞれ入力される。リミッター８では図２のリミッター６と同様の波高制限が行われ(b)波形の信号が生成され、第１の減算器９で入力信号(a)から、リミッター８の出力信号(b)が減算される。第１の減算器９の出力信号(d)は第１の積分器１０に入力され、波形の立ち上がりと立ち下がりが対数特性で整形された信号(f)となる。この第１の積分器１０からの出力信号(f)ではリミッター８により高域成分が除かれている。

一方、入力信号(a)の一つは第２の積分器１１に入力されて、高域の減衰と位相の遅延が行われる。第２の積分器１１からの出力信号(g)において減衰と遅延を実施させる理由は、第２の減算器１２に入力されるもう一つの信号である第１の減算器９の出力信号(d)と性質を合わせるためである。第２の減算器１２の出力信号(h)には図２における積分器７の出力信号に似た波形が現れる。しかし、積分器７の出力には波高制限によって発生する高調波が含まれるので、その信号は高域を強調して再生すると歪んだ音がする。しかし、第２の減算器１２の出力信号(h)には波高制限による高調波は含まれない。

高調波が含まれない理由は、第２の減算器１２の出力信号(h)は第２の積分器１１の出力信号(g)から第１の積分器１０の出力信号(f)が引かれた結果であり、成分の殆どは歪みが含まれない入力信号の一部だからである。そのため、第２の減算器１２の出力信号(h)をイコライザー１３によって高域強調しても、その再生音から歪は聞こえない。

［２－２．第２実施形態の作用効果］
このような構成の第２実施形態によれば、広い周波数特性を持ちながら、波高制限による高調波を含まないハイファイ機器用の出力信号を得ることができる効果がある。

生々しい音の収録／再生／或いは伝達が可能であり、テレワークやライブ配信など音声情報機器への利用が期待できる。

１はマイクロホン
２は音量調整器
３は振幅制限回路
４はパワーアンプ
５はスピーカー
６はリミッター
７は積分器
８はリミッター
９、１２は減算器
１０、１１は積分器
１３はイコライザー
Ｃ１、Ｃ２はコンデンサ
Ｒは抵抗器
Ｄ１、Ｄ２はダイオード

Claims

信号の電位がプラス方向に変化している時は、波の上部が対数圧縮された信号を出力し、信号の電位がマイナス方向に変化している時は、波の下部が対数圧縮された信号を出力することでリミッターとして動作し、出力回路にハイカットフィルターとして機能する積分器を持つ音声信号の振幅制限回路。
入力された音声信号の振幅制限を行うリミッターと、
前記リミッターの出力側に接続されて、前記リミッターからの出力信号波形の立ち上がり又は立ち下がりのレベルを対数圧縮する第１の積分器と、
前記リミッターと第１の積分器との間に設けられ、前記リミッターからの出力信号と入力された音声信号を減算する第１の減算器と、
入力された音声信号に対して高域の減衰と位相の遅延処理を行う第２の積分器と、
前記第１の積分器の出力側と前記第２の積分器の出力側に接続され、前記第１の積分器の出力信号と前記第２の積分器の出力信号を減算する第２の減算器と、
を備えた音声信号の振幅制限回路。