JP2873982B2 - 頭外音像定位ステレオ受聴器受聴方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステレオイヤーホンお
よびステレオヘッドホンなどの受聴器による受聴に利用
され、特に、頭外に音像を定位させる頭外音像定位ステ
レオ受聴器受聴方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明を説明する前に頭外音像定位の原
理を以下に説明する。

【０００３】図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）
は本発明の基本的な考え方となる頭外音像定位の原理を
説明した説明図である。図４（ａ）および（ｂ）は実空
間場で両耳の音像（聴覚時の音源位置）を認知する例を
示し、図４（ｃ）は音源の代わりに電気信号によって仮
想的な音源であるスピーカから空間に音波を放射して外
耳道に挿入される例を示し、図４（ｄ）は電気情報信号
がイヤーホンを通じて音像を頭外に定位させるために未
知の伝達関数を介して処理する例を示している。

【０００４】通常、人間は図４（ａ）および（ｂ）のよ
うに、両耳受聴により、その音源の位置を知覚している
と言われている。いま、音源信号Ｓｏｕｒｃｅ（ｓ）か
ら音波が空間を介して放射され、左右両耳の特定箇所と
して、外耳道入口または鼓膜前面に装着された小型マイ
クまでの空間インパルス応答伝達関数をＳｐａｃｅ
（ｓ）、スピーカの伝達関数をＳｐｅａｋｅｒ（ｓ）、
およびイヤーホンから外耳道を介し小型マイクまでの外
耳道インパルス応答伝達関数をＥａｒｐｈｏｎｅ（ｓ）
とし、小型マイクの音圧特性をＰｒｅｓｓｕｒｅ（ｓ）
とすると、実音源またはスピーカ入力の電気情報信号Ｉ
（ｓ）から空間伝播および外耳道を介し、小型マイクの
音圧特性をＰｒｅｓｓｕｒｅ（ｓ）は、 Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｓ）＝Ｓｐａｃｅ（ｓ）×Ｓｏｕｒｃｅ（ｓ） ＝Ｓｐａｃｅ（ｓ）×Ｓｐｅａｋｅｒ（ｓ）×Ｉ（ｓ） …（１） 一方、イヤーホンの音圧レベルＰｒｅｓｓｕｒｅ（ｓ）
は図４（ｄ）からも判るように、未知の伝達関数Ｕｎｋ
ｎｏｗｎ（ｓ）と外耳道レスポンス応答伝達関数で表現
できるから、 Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｓ）＝Ｕｎｋｎｏｗｎ（ｓ）×Ｅａｒｐｈｏｎｅ（ｓ）× Ｉ（ｓ） …（２） 音源位置からあたかも受聴できるような聴覚上の頭外音
像定位とするために、式（１）と式（２）とを等しくお
けば、 Ｓｐａｃｅ（ｓ）×Ｓｐｅａｋｅｒ（ｓ）＝Ｕｎｋｎｏｗｎ（ｓ）×Ｅａｒｐ ｈｏｎｅ（ｓ） …（３） を得る。従って、未知の伝達関数はＵｎｋｎｏｗｎ
（ｓ）は、 Ｕｎｋｎｏｗｎ（ｓ）＝Ｓｐａｃｅ（ｓ）×Ｓｐｅａｋｅｒ（ｓ）／Ｅａｒｐ ｈｏｎｅ（ｓ） …（４） となる。

【０００５】これより、スピーカ伝達関数を含む空間の
実音場インパルス応答近似した空間インパルス応答伝達
関数と、イヤーホンから外耳道に設定した小型マイクま
での外耳道インパルス応答伝達関数をあらかじめ測定
し、演算処理すれば未知の伝達関数Ｕｎｋｎｏｗｎ
（ｓ）を求めることが可能となる。さらにこの未知の伝
達関数Ｕｎｋｎｏｗｎ（ｓ）に任意の入力音信号を実時
間の畳み込み演算すれば、任意の場所にその入力された
音源を知覚上で定位させることができる。これらの理論
については昔から数多くの文献が発表されており、既に
著名な文献として鹿島出版から発行されているブラウエ
ルト、森本、後藤らの「空間音響」がある。前記の技術
はすでに３０年程前に論文発表された内容であり、周知
の事実となっている。なお、インパルス応答伝達関数
は、実際のインパルス応答信号を測定することにより求
めることができる。具体的には、インパルス応答信号の
離散値系列をベクトル行列により表すことで、インパル
ス応答伝達関数が得られる。したがって、「インパルス
応答伝達関数を測定する」とは、インパルス応答信号を
測定して、その離散値系列のベクトル行列を求めること
を意味する。ディジタル信号処理を行う場合にはインパ
ルス応答信号も離散値系列として表されるので、演算処
理上は、インパルス応答伝達関数とインパルス応答信号
とを同等に扱うことができるが、以下では、ある対象へ
のインパルス信号入力に対してどのような出力が得られ
るかを表すインパルス応答伝達関数と、インパルス信号
入力に対する出力そのものであるインパルス応答信号と
を区別して説明する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】いままでの多くの文献
では、図５に示したように、まず外耳道インパルス応答
伝達関数としての外耳道インパルス応答信号を測定し
（処理２０１）、その測定結果の信号と理想インパルス
応答信号系列（単位行列）（処理２０２）を用い、逆フ
ィルタ演算アルゴリズム（例えば、有名な方法としてレ
ビンソンアルゴリズムや最小二乗法など）によって（処
理２０３）、逆外耳道インパルス応答信号系列を一たん
求め（処理２０４）、一方空間インパルス応答信号を求
め（処理２０５）、前記逆外耳道インパルス応答信号と
前記空間インパルス応答信号との畳み込み演算を行い
（処理２０６）、頭外定位インパルス応答信号を求めて
いた。

【０００７】これらの詳細な内容を明らかにした文献と
して、浜田晴夫「ディジタルフィルタの応用入門」日本
音響学会誌、Ｖｏｌ．４３．Ｎｏ．４，１９８７の解説
記事が記載されている。すなわち、いま、未知の信号ベ
クトル行列をＸ、目標ベクトル行列をＢ、および既知の
ベクトル行列をＡとすれば、 Ａ・Ｘ＝Ｂ となり、前記内容でＡが外耳道インパルス応答信号列、
Ｘが外耳道逆インパルス応答信号列、Ｂが理想インパル
ス応答信号列に対応する。さらにこれらの信号列はディ
ジタル信号処理された離散値系列の信号であることは言
うまでもない。従って、ディジタル信号処理を行う場合
には帯域制限が科せられているのが通常である。また、
逆フィルタ演算の意味は目標インパルス応答Ｂを理想的
インパルス応答信号行列（すなわち１０・・・・０のベ
クトルの長さは有効インパルス応答長に相当）として求
めたときのＸの信号系列のことである。この結果、逆外
耳道インパルス応答信号系列を求める過程を経て演算し
ていたため、図５に示すように、演算処理に無駄な時間
を要する第一の欠点がある。

【０００８】さらに、未知の信号のベクトル行列Ｘ（逆
行列）を演算するに当たっては、信号処理技術上どのよ
うな注意をすべきであるかは前記文献でも記載しておら
ず、通常の演算どおりに実行すると以下の欠点がある。
すなわち、通常、Ａ、ＸおよびＢのインパルス応答信号
列の周波数軸上での低域遮断周波数をそれぞれＡ_cl、Ｘ
_clおよびＢ_cl、また高域遮断周波数をそれぞれＡ_ch、Ｘ
_chおよびＢ_ch、とすれば、物理的には Ｂ_cl＞Ａ_cl、Ｘ_cl また、 Ｂ_ch＜Ａ_ch、Ｘ_ch でなければならない。すなわち、帯域外の周波数での情
報信号を求めることはできないからである。従って、Ａ
とＸを乗算した帯域は、ＡやＸの帯域と比べて狭くなる
ことである。このように、ＢとＡの信号列からＸの信号
系列を求める場合、帯域外の信号の解を得ようとするこ
とになり、その解は不安定となる。伝達関数の理論では
信号系列Ａ（Ｅａｒｐｈｏｎｅ（ｓ））の帯域外は零点
となり、未知伝達関数Ｕｎｋｎｏｗｎ（ｓ）は式（４）
で示したように、極点となる。従って、系は不安定とな
る。

【０００９】通常、測定する際に帯域で制御してこの不
安定性を防止することは可能ではあるが、空間インパル
ス応答や外耳道インパルス応答を測定する際にこの不安
定性を防止するために一々帯域を可変させる制御を行う
必要があるばかりか、目標インパルス行列の帯域を狭帯
域としてしまう第二の欠点がある。すなわち、原信号
（目標インパルス応答信号）の有効帯域を制限せずに演
算する必要があった。

【００１０】しかし、前記文献やその他多数の過去の文
献の中では逆特性を求めるための安定性に関する具体的
な手段は議論されていない。

【００１１】以下に、具体的に計算機で演算した結果を
従来の方法で実施した場合について求めてみる。

【００１２】図６（ａ）は右耳でのインパルス応答信号
波形例および図６（ｂ）は、その周波数特性例である。
図７（ａ）は空間インパルス応答波形例、および図７
（ｂ）はその周波数特性例である。図８（ａ）は逆フィ
ルタ演算処理によって求められた頭外音像定位インパル
ス応答波形例、および図８（ｂ）はその周波数特性例で
ある。図８より明らかに、インパルス応答は発振しやす
い波形で、しかもその周波数特性は帯域外で異常なほど
利得を得ている。このため、後述の本発明による方法の
図３の周波数特性と比較して通過帯域内での特性と一致
していない。また、この結果を両耳で受聴してみると頭
外前方に定位しないばかりか、音質が悪く、真の頭外音
像定位インパルス応答波形を求めたことにならない。

【００１３】このように、実際に未知の逆行列を演算す
るのに逆フィルタ演算、特に、レビンソンアルゴリズム
を用いて、逆特性を求めようとすると、特に、帯域外で
は伝達関数が零点を有しているので、その逆特性は極点
を有することになり、不安定となるばかりか、その値が
非常に大きいため計算機の演算が可能な桁数内に収まら
ず、演算誤差を生じてしまい、正しい演算ができない。
しかも、信号列Ａである外耳道逆インパルス応答信号は
個人によって異なり、一義的にその伝達関数の逆特性を
決定することは不可能に近いので、不特定多数の個人の
外耳道逆インパルス応答信号の逆周波数特性の安定に求
めることに困難である課題があった。

【００１４】本発明の目的は、前記の課題を解消するこ
とにより、頭外音像定位インパルス応答信号を簡単かつ
安定に求めることができる頭外音像ステレオ受聴器受聴
方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、実音場中の空
間インパルス応答信号と、受聴者の左右両耳の近傍にそ
れぞれ設けられた受聴器からその受聴者の左右両耳の特
定箇所までの外耳道インパルス応答信号の逆特性との畳
み込み演算を行って、その受聴者に対する頭外音像定位
インパルス応答信号を求め、この頭外音像定位インパル
ス応答を音源信号に畳込み演算した結果を前記受聴器の
入力として前記受聴者に両耳受聴させることで、その音
源信号の音像を任意の位置に定位させる頭外音像定位ス
テレオ受聴器受聴方法において、前記頭外音像定位イン
パルス応答信号を求めるための演算時に前記外耳道イン
パルス応答信号の周波数特性に修正を加え、その周波数
特性における有効音源帯域外の低域および高域の周波数
に対する利得を、前記空間インパルス応答信号の周波数
特性における有効音源帯域の境となる低域および高域の
利得と同じ値に設定することを特徴とする。

【００１６】具体的には、外耳道インパルス応答信号の
周波数特性における有効音源帯域外の低域および高域の
周波数に対する複素周波数成分の実数部および虚数部の
値を、それぞれ前記空間インパルス応答信号の周波数特
性における有効音源の境となる低域および高域の周波数
に対する複素周波数成分の実数部および虚数部の値に設
定することが望ましい。

【００１７】実音場中の空間インパルス応答信号を目標
ベクトル行列とし、周波数特性に前記修正が加えられた
外耳道インパルス応答信号から逆演算アルゴリズムによ
って未知のベクトル行列を求め、この未知のベクトル行
列を頭外音像定位インパルス応答信号とすることが望ま
しい。

【００１８】

【作用】前述したように、信号系列Ａと信号系列Ｘとの
畳み込み演算した結果Ｂは、必ずＡまたはＸの畳み込み
演算する前の帯域より狭くなる。しかし、信号系列Ｂお
よび信号系列Ａが存在して信号系列Ｘを求める場合、何
らかの手段を講じて、この信号系列Ｘの解を得る必要が
ある。信号処理の議論から述べれば、有効信号の帯域外
の信号についてはどのような処理を施しても、帯域内で
の演算が正確に求まればよい。むしろ、帯域外での計算
機の桁数を割るような広範囲な演算が細い演算精度を有
する帯域内の周波数成分に影響を与える場合の方が問題
である。従って、信号系列Ａの有効帯域外では、信号系
列Ｂよりも周波数特性上利得成分を有すれば、信号系列
Ｘは求まることになる。

【００１９】ここで、信号系列Ａを外耳道インパルス応
答信号、信号系列Ｂを空間インパルス応答信号、および
信号系列Ｘを頭外音像定位インパルス信号とおくことに
より、頭外音像定位インパルス信号を求めることができ
る。

【００２０】具体的には、例えば、外耳道インパルス応
答信号の周波数特性の有効音源帯域外の低域および高域
の複素周波数成分の実数部および虚数部の値を、有効音
源帯域の境となる低域および高域の複素周波数成分の実
数部および虚数部の値に設定し、外耳道インパルス応答
信号の周波数特性を演算し、この演算処理された外耳道
インパルス応答信号と空間インパルス応答信号との逆演
算アルゴリズムにより、未知の頭外音場定位インパルス
応答信号を求めることができる。

【００２１】従って、外耳インパルス応答信号につい
て、従来例のように、逆外耳インパルス応答信号を求め
る必要がなく、簡単かつ正確に頭外音像定位インパルス
応答信号を求めることが可能となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２３】図１は本発明の一実施例による処理手順を
示す説明図、図２（ａ）および（ｂ）はその修正した右
外耳音像定位インパルス応答信号のインパルス応答波形
例およびその周波数特性例を示す特性図、ならびに図３
（ａ）および（ｂ）はその頭外音像定位インパルス応答
信号のインパルス応答波形例およびその周波数特性例を
示す特性図である。

【００２４】始めに、外耳道インパルス応答信号を測定
する（処理１０１）。この測定された外耳道インパルス
応答信号のインパルス応答波形は従来例の図６（ａ）と
同様である。次に、この外耳道インパルス応答信号を高
速フーリェ変換により周波数領域に変換して複素周波数
特性を求め、帯域外の零点を無くすために、簡便な方法
である有効帯域の境界である低域部と高域部での実数部
と虚数部の値を求める（処理１０３）。すなわち、有効
音源帯域の低域周波数ｆ_l での実数部（ｆ_l ）および虚
数部（ｆ_l ）と、高域周波数ｆ_h の実数部（ｆ_h ）およ
び虚数部（ｆ_h ）とを算出する。そして、この値をディ
ジタル処理された周波数軸上の離散値の低域部分と高域
部分にそれぞれ同じ値を代入し、時間領域に変換する
（処理１０４、１０５）、すなわち、周波数ｆ＜ｆ
_l で、実数部（ｆ_l ）の値を実数部（ｆ）に、虚数部
（ｆ_l ）の値を虚数部（ｆ）に設定し、周波数ｆ＞ｆ_h
で、実数部（ｆ_h ）の値を実数部（ｆ）に、虚数部（ｆ
_h ）の値を虚数部（ｆ）に設定し、時間領域に変換す
る。このように、境界での低域の実数部と虚数部を境界
値より周波数の低い離散値の低域周波数部分に入替えを
行う。高域についても同様に境界での高域の実数部と虚
数部を境界値より周波数の高い離散値の高域周波数部分
に入替えを行う。ここで注意を要するのは高速フーリェ
逆変換の処理に当たっては、周波数領域の実数部はサン
プリング周波数の半分の周波数に関して偶関数、また虚
数部は奇関数でなければならないことは周知の事実であ
る。従って、サンプリング周波数の半分の周波数値の虚
数部は当然０に設定することが重要であることは言うま
でもない。図２（ａ）および（ｂ）は、このように処理
した場合のインパルス応答波形とその周波数特性をそれ
ぞれ示す。

【００２５】処理された右外耳道インパルス応答波形の
信号系列を前述したＡのベクトル行列とし、また、一
方、処理１０６で測定された空間インパルス応答波形
（図７と同様）の信号系列を目標ベクトルＢとし、直接
逆フィルタ演算を実行し頭外音像定位インパルス応答信
号を求める（処理１０７）。このときの求めたインパル
ス応答信号とその周波数特性をそれぞれ図３（ａ）およ
び（ｂ）に示す。これを従来例の図７（ａ）および
（ｂ）に比較すると明らかに帯域外では空間インパルス
応答信号の帯域幅と同じような値を得ることが可能とな
るばかりか、帯域内外でも安定にしかも正確に求めるこ
とが可能となり、そのインパルス応答波形も安定に求め
ることが可能となる。このインパルス応答波形信号と、
同様にして求めた左側の頭外音像定位インパルス応答波
形信号により、その受聴は正確に音源位置から発生した
と思われるような受聴結果を得ることができる。なお、
前記説明においては、受聴器をステレオイヤーホンとし
たが、ステレオヘッドホンでも同様なことが適用できる
ことは明らかである。

【００２６】また、前述の方法のほか、帯域外を常に信
号系列Ｂの周波特性より利得を有する有理関数で近似す
る方法も可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外耳道インパルス応答信号の帯域外の零点を補償するこ
とができるので、頭外音像定位インパルス応答信号をそ
の有効帯域を損なうことなしに安定に求めることが可能
とすることができ、さらに目標インパルス応答信号を空
間インパルス応答信号とすることにより、演算処理の過
程（理想インパルスを作成しない）を１段階削減するこ
とができるので、演算処理を簡単にすることが可能とな
り、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の処理手順を示す説明図。

【図２】その右外耳道インパルス応答信号のインパルス
応答波形例およびその周波数特性例を示す特性図。

【図３】その頭外音像定位インパルス応答信号のインパ
ルス応答波形例およびその周波数特性例を示す特性図。

【図４】本発明の基本的な考え方となる頭外音像定位の
原理説明図。

【図５】従来例の処理手順を示す説明図。

【図６】その外耳道インパルス応答信号のインパルス応
答波形例およびその周波数特性例を示す特性図。

【図７】その空間インパルス応答信号のインパルス応答
波形例およびその周波数特性例を示す特性図。

【図８】その頭外音像定位インパルス応答信号のインパ
ルス応答波形例およびその周波数特性例を示す特性図。

【符号の説明】

１０１〜１０７、２０１〜２０６ 処理

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実音場中の空間インパルス応答信号と、
   受聴者の左右両耳の近傍にそれぞれ設けられた受聴器か
   らその受聴者の左右両耳の特定箇所までの外耳道インパ
   ルス応答信号の逆特性との畳み込み演算を行って、その
   受聴者に対する頭外音像定位インパルス応答信号を求
   め、この頭外音像定位インパルス応答を音源信号に畳込
   み演算した結果を前記受聴器の入力として前記受聴者に
   両耳受聴させることで、その音源信号の音像を任意の位
   置に定位させる頭外音像定位ステレオ受聴器受聴方法に
   おいて、 前記頭外音像定位インパルス応答信号を求めるための演
   算時に前記外耳道インパルス応答信号の周波数特性に修
   正を加え、その周波数特性における有効音源帯域外の低
   域および高域の周波数に対する利得を、前記空間インパ
   ルス応答信号の周波数特性における有効音源帯域の境と
   なる低域および高域の利得と同じ値に設定することを特
   徴とする頭外音像定位ステレオ受聴器受聴方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の頭外音像定位ステレオ
   受聴器受聴方法において、 前記外耳道インパルス応答信号の周波数特性における有
   効音源帯域外の低域および高域の周波数に対する複素周
   波数成分の実数部および虚数部の値を、それぞれ前記空
   間インパルス応答信号の周波数特性における有効音源の
   境となる低域および高域の周波数に対する複素周波数成
   分の実数部および虚数部の値に設定することを特徴とす
   る頭外音場定位ステレオ受聴器受聴方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の頭外音
   場定位ステレオ受聴器受聴方法において、 実音場中の空間インパルス応答信号を目標ベクトル行列
   とし、周波数特性に前記修正が加えられた外耳道インパ
   ルス応答信号から逆演算アルゴリズムによって未知のベ
   クトル行列を求め、この未知のベクトル行列を頭外音像
   定位インパルス応答信号とすることを特徴とする頭外音
   像定位ステレオ受聴器受聴方法。