JP4234639B2 - 音声信号発生装置 - Google Patents

Description

本願発明は、音声信号を発生する音声信号発生装置に関し、特に、聴感上不快感のないブザー音やビープ音等を発生させることができるような音声信号発生装置に関する。

ブザー音やビープ音は、種々の装置において使用されている。例えば、電話機の中には、プッシュボタンが押されるたびにブザー音を発するものがある。複数の音程のブザー音を組み合わせることによって、チャイム音を構成することもできる。

また、パーソナルコンピュータの中には、電源投入時などにビープ音を発生させるものもある。また、長短のビープ音を組み合わせることによって、ビープコードを構成することもできる。

このようなブザー音やビープ音（以下では単に「ブザー音等」という）は、単一の周波数成分のみによって構成されることは少ない。ブザー音等の多くは、基本周波数の正弦波音に、基本周波数の整数倍の周波数の正弦波音が重ね合わされて構成されることが多い。ここでは、基本周波数の正弦波音を基音と呼び、その整数倍の周波数の正弦波音を倍音と呼ぶ。ブザー音等の構成要素である倍音は一のみとは限らない。例えば、基音、２倍音、３倍音、４倍音を、その要素して構成されるブザー音も多い。

一般的に言えば、２倍音や４倍音のような、基音の偶数倍音は聴感上心地よく感じられ、３倍音や５倍音のような、基音の奇数倍音は聴感上不快な刺激として感じられる。聴感上心地よいブザー音等を発生させるには、例えば次のような方法がある。

正弦波信号を発生させる回路としては、ウインブリッジ発振回路が良く知られている。例えば、５００Ｈｚの正弦波信号を発生するウインブリッジ発振回路と、１０００Ｈｚの正弦波信号を発生するウインブリッジ発振回路と、２０００Ｈｚの正弦波信号を発生するウインブリッジ発振回路とを用い、これらの回路からの信号をミキシング回路で合成すれば、５００Ｈｚの基音とその偶数倍音とを含むブザー音等用の音声信号を発生させることができる。しかし、複数のウインブリッジ発振回路と、ミキシング回路とを用いる必要があるので、このような装置の構成は簡易にすることができない。

なお、音声信号の高周波成分を生成する回路も提案されているが（例えば、特許文献１）、この回路は相互変調が少ない高調波成分信号を得るためのものであって、聴感上心地良いブザー音等を得るためのものではない。
特開平０５−２６０５８８号公報

本願発明の目的は、聴感上心地良いブザー音等用の音声信号を発生させることができ、しかも構成が簡易な音声信号発生装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本願発明にかかる音声信号発生装置は、矩形パルスの周期的な繰り返しによって構成される音声信号を発生する信号発生部を具備し、該音声信号において、該矩形パルスの繰り返し周波数を基本周波数とするとき、該基本周波数の周期に対する該矩形パルスの持続時間の比率を略３分の１とすることで、該基本周波数の３倍周波数及び６倍周波数をヌル周波数とするよう構成した音声信号発生装置であって、前記信号発生部が発生する音声信号の振幅周波数特性を変化させるフィルタ部をさらに具備し、前記フィルタ部は、（ｉ）前記基本周波数の４倍を超え、かつ、５倍未満である所定の周波数以上の周波数成分を除去するとともに、（ｉｉ）前記基本周波数を超え、かつ、該基本周波数の２倍未満である所定の周波数以下の周波数成分を減衰させ、前記基本周波数未満である所定の周波数以下の周波数成分を除去することで、該基本周波数での音声信号の成分よりも、該基本周波数の２倍の周波数での該音声信号の成分の方が大きくなるよう該音声信号の振幅周波数特性を変化させるよう構成される。

矩形パルスの周期的な繰り返しによって構成される音声信号は、簡易な構成の装置によって発生させることができる。例えば、安価なマイクロコンピュータによって発生させることもできるし、簡易な構成を有する周知のアナログ回路によっても発生させることができる。また、これらの信号発生部（マイクロコンピュータやアナログ回路）においては、矩形パルスの繰り返し周期や、矩形パルスの持続時間を任意に設定することも、比較的容易である。

この音声信号は、矩形パルスの繰り返し周波数（基本周波数）の成分と、その整数倍の周波数成分とを含む。矩形パルスの繰り返し周期に対する矩形パルスの持続時間の比率が略３分の１であり、基本周波数の３倍および６倍の周波数はヌル（null）周波数となる。つまり、この音声信号において、基本周波数の３倍および６倍の周波数における成分は、０となる。

この音声信号は、基本周波数の成分と、その整数倍の周波数成分とを含むのであるが、基本周波数よりもある程度高い周波数においては、その成分の大きさは無視できるほど小さくなる。

以上のことから、この音声信号の成分の大きさは、基本周波数と、その２倍の周波数と、その４倍の周波数において特に大きく、その３倍および６倍の周波数においては略０であるので、基音およびその偶数倍音を特に強調するような音声信号を得ることができるのである。

本願の音声信号発生装置から発生される音声信号は、基音およびその偶数倍音の信号成分が特に大きく、奇数倍音の信号成分が小さい。よって、この音声信号をスピーカで拡声すると、聴感上心地良いブザー音等を得ることができる。

本願の音声信号発生装置において、前記基本周波数の４倍を超え、かつ、５倍未満である所定の周波数以上の周波数成分を除去するフィルタをさらに具備するように構成すると、基音とその２倍音と４倍音とを残したまま、その５倍音を消去することができるので、聴感上、より心地良いブザー音等を得ることができる。

また、前記フィルタはさらに、前記基本周波数を超え、かつ、該基本周波数の２倍未満である所定の周波数以下の周波数成分を減衰させるとともに、前記基本周波数未満である所定の周波数以下の周波数成分を除去するように構成してもよい。このように構成すると、あたかも下方倍音を含んだようなブザー音等を得ることができる。
または、前記フィルタは、該基本周波数での該音声信号の成分よりも、該基本周波数の２倍の周波数での該音声信号の成分の方が大きくなるように、該音声信号の振幅周波数特性を変化させるように構成されていてもよい。このような構成であっても、あたかも下方倍音を含んだようなブザー音等を得ることができる。

以下、本願発明の一実施形態たる音声信号発生装置Ｄ１を図面を参照しつつ説明する。

図１は、音声信号発生装置Ｄ１の概略構成図である。音声信号発生装置Ｄ１は、信号発生部１１と、フィルタ部１２と、出力端子１３とを備える。

信号発生部１１は、矩形パルスの周期的な繰り返しによって構成される音声信号を発生する。信号発生部１１は、例えば、マイクロコンピュータとその周辺部材とによって構成してもよいし、周知のアナログ回路によって構成してもよい。周期的な矩形パルスを発生させることが目的であれば、信号発生部１１をマイクロコンピュータとその周辺部材とによって構成したとしても、信号発生部１１を簡易に構成することができる。また、周期的な矩形パルスを発生させるためのアナログ回路としては、簡易な構成の周知の回路がある。

信号発生部１１が発生した音声信号は、フィルタ部１２に送出される。フィルタ部１２は、入力した音声信号から、所定の周波数成分を除去してから、出力端子１３に送出する。

図２は、信号発生部１１が発生する音声信号の波形を示す信号波形図である。図２において、横軸は時間を、縦軸は音声信号の電圧の大きさを示す。図２から理解されるように、この信号波形においては、時間τだけ持続する矩形パルスが、時間Ｔを周期として繰り返される。時間τと周期Ｔとの間には、（Ｔ＝３・τ）の関係がある。換言すれば、この音声信号においては、デューティー比が（１／３）である。例えば、周期Ｔは５００分の１秒とすることができる。

図３は、図２に示される音声信号の周波数成分を示す周波数スペクトル図である。図３において、横軸は周波数を、縦軸は振幅を示す。図３における一点鎖線は、スペクトルの包絡線である。音声信号における矩形パルスの繰り返し周期Ｔが５００分の１秒であれば、その繰り返し周波数（基本周波数）ｆ１は５００Ｈｚとなる。図３から理解されるように、この音声信号は、直流成分を有するとともに、基本周波数ｆ１、基本周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２、基本周波数ｆ１の４倍の周波数ｆ４、基本周波数ｆ１の５倍の周波数ｆ５においては、ある程度の大きさの成分を有する。しかし、基本周波数ｆ１の３倍の周波数ｆ３、基本周波数ｆ１の６倍の周波数ｆ６においては、その成分の大きさは０である。その理由は、矩形パルスの繰り返し周期Ｔが矩形パルスの持続時間τの３倍であるため、周波数ｆ３と周波数ｆ６とがヌル周波数となるからである。

なお、この音声信号の成分は、基本周波数に比べて十分に高い周波数においては十分に小さくなり、聴感上の影響が小さくなる。よってここでは、基本周波数ｆ１の７倍以上の周波数における成分は無視して考える。また、直流成分は聴感上感じることができないものであるから、これも無視して考える。

以上のことから、信号発生部１１が発生する音声信号は、基本周波数ｆ１と、その偶数倍の周波数である周波数ｆ２，ｆ４と、奇数倍の周波数である周波数ｆ５とにおいて、無視できない大きさの成分を有すると考えることができる。

信号発生部１１が発生する音声信号は、奇数倍の周波数である周波数ｆ５においてもある程度の大きさの成分を有するのであるが、基本周波数ｆ１の３倍の周波数ｆ３においてはその成分は０である。周波数ｆ３における成分は、聴感上非常に不快な成分である。周波数ｆ５における成分の大きさは、周波数ｆ１,ｆ２における成分に比べて小さい。奇数倍の周波数であっても、レベルが十分に低いものは聴感上無視できる。よって、信号発生部１１が発生する音声信号においては、周波数ｆ１,ｆ２，ｆ４における成分が支配的となる。

つまり、信号発生部１１が発生する音声信号を、仮にフィルタ部１２を通過させることなく、直接スピーカで拡声したとしても、その拡声音においては、基音（基本周波数ｆ１の正弦波音）と、その偶数倍音である２倍音（周波数ｆ２の正弦波音）、４倍音（周波数ｆ４の正弦波音）とが支配的になる。このような拡声音は、聴感上非常に心地よいブザー音等として聞こえる。

図４は、フィルタ部１２のフィルタ特性たる振幅周波数特性を示す特性図である。図４から理解されるように、フィルタ部１２はバンドパスフィルタである。フィルタ部１２は、直流成分除去手段として機能し、さらに、高域成分除去手段としても機能する。

フィルタ部１２の低域側のカットオフ周波数は、周波数ｆ１未満であるが、０よりも大きい。よって、フィルタ部１２は、信号発生部１１が発生する音声信号から直流成分を除去する。

フィルタ部１２の高域側のカットオフ周波数は、周波数ｆ４を超え、周波数ｆ５未満である。よって、フィルタ部１２は、信号発生部１１が発生する音声信号から、周波数ｆ５以上の周波数の成分を除去する。

信号発生部１１が発生する音声信号から直流成分を除去するのは、音声信号発生装置Ｄ１よりも後段に接続される電気音響装置を保護するためである。また、周波数ｆ５の成分を、信号発生部１１が発生する音声信号から除去するのは、周波数ｆ５が基本周波数ｆ１の奇数倍周波数だからである。

図５は、フィルタ部１２から出力端子１３に送出される音声信号の周波数成分を示す周波数スペクトル図である。図５では、図３のスペクトルの包絡線たる一点鎖線と同一の一点鎖線が記されている。これは、図５のスペクトルを図３のスペクトルと比較しやすくするためである。フィルタ部１２のフィルタ特性が図４に示すような特性であるから、フィルタ部１２から出力端子１３に送出される音声信号には、図５に示すように周波数ｆ１，ｆ２，ｆ４の成分のみが含まれる。つまり、基本周波数ｆ１の奇数倍周波数の成分は含まれない。よって、音声信号発生装置Ｄ１が出力する音声信号をスピーカで拡声すると、聴感上非常に心地良いブザー音等を得ることができる。

次に、本願発明のもう一つの実施形態たる音声信号発生装置Ｄ２を図面を参照しつつ説明する。

図６は、音声信号発生装置Ｄ２の概略構成図である。音声信号発生装置Ｄ２は、信号発生部１１と、フィルタ部１４と、出力端子１３とを備える。

図６の信号発生部１１は、図１の音声信号発生装置Ｄ１における信号発生部１１と同一に構成されている。よって、図６の信号発生部１１は、図２のような信号波形の音声信号を発生する。また、その音声信号の周波数スペクトルは、図３に示すとおりのものである。

図１の音声信号発生装置Ｄ１と図６の音声信号発生装置Ｄ２との相違点は、信号発生部１１と出力端子１３との間に介在するフィルタ部の特性のみである。

図７は、図６の音声信号発生装置Ｄ２のフィルタ部１４のフィルタ特性たる振幅周波数特性を示す特性図である。図７から理解されるように、フィルタ部１４の振幅周波数特性は、周波数ｆ２から周波数４までの範囲においては、音声信号を減衰させない。

図７から理解されるように、フィルタ部１４の振幅周波数特性は、直流成分をほぼ完全に除去するような特性である。よって、フィルタ部１４は直流成分除去手段として機能する。

また図７から理解されるように、フィルタ部１４の高域側のカットオフ周波数は、周波数ｆ４を超え、周波数ｆ５未満である。よって、フィルタ部１４の振幅周波数特性は、周波数ｆ４の成分を減衰させないが、周波数ｆ５以上の成分をほぼ完全に除去する。よって、フィルタ部１４は高域成分除去手段としても機能する。

また図７から理解されるように、フィルタ部１４は、周波数ｆ１の成分をある程度減衰はさせるが、周波数ｆ１の成分を完全には除去しない。前述したとおり、フィルタ部１４の振幅周波数特性は、周波数ｆ２の成分を減衰させない。図７に示されるフィルタ特性における周波数ｆ１でのレベルと周波数ｆ２でのレベルとの間のレベル差は、図３における周波数ｆ１でのレベルと周波数ｆ２でのレベルとの間のレベル差よりも大きい。よって、信号発生部１１が発生した音声信号がフィルタ部１４を通過する前は、周波数ｆ１における成分の方が周波数ｆ２における成分よりも大きいが（図３参照）、信号発生部１１が発生した音声信号がフィルタ部１４を通過した後は、周波数ｆ２における成分の方が周波数ｆ１における成分よりも大きくなる。

図８は、フィルタ部１４から出力端子１３に送出される音声信号の周波数成分を示す周波数スペクトル図である。図８では、図３のスペクトルの包絡線たる一点鎖線と同一の一点鎖線が表されている。これは、図８のスペクトルを図３のスペクトルと比較しやすくするためである。フィルタ部１４のフィルタ特性が図７に示すような特性であるから、フィルタ部１４から出力端子１３に送出される音声信号には、図８に示すように周波数ｆ１，ｆ２，ｆ４の成分のみが含まれる。周波数ｆ２における成分が最も大きく、周波数ｆ１，ｆ４における成分はそれよりも小さい。

一般にブザー音等には複数の周波数の成分が含まれるが、聴取者は、そのうちの最も成分の大きさが大きい周波数を、ブザー音等の基音の周波数であると感ずる。よって、音声信号発生装置Ｄ２が出力する音声信号がスピーカで拡声されると、聴取者は、周波数ｆ２を、その拡声音（ブザー音等）の基音の周波数であると感ずる。

よってここで、周波数ｆ２が基本周波数であると考え直す。そうすると、周波数ｆ４は基本周波数の２倍の周波数となり、周波数ｆ１は基本周波数の２分の１倍の周波数となる。つまり聴取者は、そのブザー音等を、周波数ｆ２の基音と、基音の２倍音である周波数ｆ４の音声と、基音の２分の１倍音である周波数ｆ１の音声とが合成されたブザー音等として感ずる。基音の周波数の整数分の１の周波数の音は、下方倍音と呼ばれることもある。例えば、梵鐘（釣鐘）の音は、基音とその偶数倍音とその下方倍音とが合成されて構成されている。

音声信号発生装置Ｄ２が出力する音声信号をスピーカで拡声すると、梵鐘の音に似た、聴感上非常に心地良い音声を得ることができる。

以上、本願発明の種々の実施例を図面を参照しつつ説明した。上記実施例では、単一の基音を有するブザー音等用信号を発生させる音声信号発生装置を示した。しかし、このような音声信号発生装置によって得られる音声信号の基本周波数を、時間軸上において段階的に変化させると、チャイム音用の信号を得ることもできる。また、上記したような音声信号発生装置によって得られる音声信号を断続させることによって、ビープコード用の信号を得ることもできる。

上記した音声信号発生装置によって得られるブザー音等用の信号は、基音の信号のみから構成される純音ではなく、高調波信号等を含むものであるから、コンパンダー（コンプレッション・エキスパンダー）を通過した場合にも、そのノイズ（コンパンダーノイズ）が目立ちにくい。

本願の音声信号発生装置によれは、簡単な構成でありながら、聴感上心地よいブザー音等を得ることができるので、例えば電気音響の技術分野に利用できる。

本願発明に従った一実施例たる音声信号発生装置の概略構成図である。 信号発生部が発生する音声信号の波形を示す信号波形図である。 図２に示される音声信号の周波数成分を示す周波数スペクトル図である。 フィルタ部のフィルタ特性たる振幅周波数特性を示す特性図である。 フィルタ部から出力端子に送出される音声信号の周波数成分を示す周波数スペクトル図である。 本願発明に従った一実施例たる音声信号発生装置の概略構成図である。 図６の音声信号発生装置のフィルタ部のフィルタ特性たる振幅周波数特性を示す特性図である。 フィルタ部から出力端子に送出される音声信号の周波数成分を示す周波数スペクトル図である。

符号の説明

Ｄ１,Ｄ２ 音声信号発生装置
１１ 信号発生部１１
１２,１４ フィルタ部１４
１３ 出力端子１３

Claims (1)

1. 矩形パルスの周期的な繰り返しによって構成される音声信号を発生する信号発生部を具備し、該音声信号において、該矩形パルスの繰り返し周波数を基本周波数とするとき、該基本周波数の周期に対する該矩形パルスの持続時間の比率を略３分の１とすることで、該基本周波数の３倍周波数及び６倍周波数をヌル周波数とするよう構成した音声信号発生装置であって、
   前記信号発生部が発生する音声信号の振幅周波数特性を変化させるフィルタ部をさらに具備し、
   前記フィルタ部は、
   （ｉ）前記基本周波数の４倍を超え、かつ、５倍未満である所定の周波数以上の周波数成分を除去するとともに、
   （ｉｉ）前記基本周波数を超え、かつ、該基本周波数の２倍未満である所定の周波数以下の周波数成分を減衰させ、前記基本周波数未満である所定の周波数以下の周波数成分を除去することで、該基本周波数での音声信号の成分よりも、該基本周波数の２倍の周波数での該音声信号の成分の方が大きくなるよう該音声信号の振幅周波数特性を変化させる、
   音声信号発生装置。

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