JP4260046B2

JP4260046B2 - 音声明瞭度改善装置及び音声明瞭度改善方法

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Publication number: JP4260046B2
Application number: JP2004058706A
Authority: JP
Inventors: 徹丸本; 望齊藤
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2009-04-30
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Description

本発明は音声明瞭度改善装置及び音声明瞭度改善方法に係わり、特に、聴力の劣化をきたす音量レベル(最大許容レベル)を考慮して騒音下であっても案内音声等を明瞭に受聴できるようにした音声明瞭度改善装置及び音声明瞭度改善方法に関する。

カーナビゲーションシステムやハンズフリー電話システムの音声出力部においてラウドネス補償技術を用いた音声明瞭度改善装置が採用されている。この音声明瞭度改善装置は、カーオーディオの再生音やエンジン音、走行雑音等の騒音があると案内音声、通知音声等が聴き取りにくくなるため、これら騒音が存在しても音声を明瞭に聞き取れるようにするもので、騒音のレベルに応じて音声ボリュームを適切に調整することを可能とするものである。

図７は従来の音声明瞭度改善装置の構成図である（例えば特許文献１参照）。この音声明瞭度改善装置１は、音声の音量を手動で調整する音量調整部１１、音声が明瞭になるように音声のゲインＧを制御するゲイン補正部（アッテネータやゲイン可変器などで構成される）１２、音声信号を増幅するアンプ１３、音声を空間に放射するスピーカ１４、騒音及び音声の合成音を検出するマイク１５、音声信号と騒音信号を分離して出力する信号分離部１６、ラウドネス補償技術を用いて音声が明瞭になるように音声のゲインＧoptを算出するラウドネス補償ゲイン算出部１７、スピーカ４からマイク５までの音響伝搬系の伝達特性を求める際に用いる白色雑音源１８、スイッチ部１９を含んで構成されている。なお、音声明瞭度改善装置１とは別にオーディオ音再生部２が存在している。このオーディオ音再生部２は、ＣＤプレーヤ，ミニディスクプレーヤ、チューナなどのオーディオソース２１、アンプ２２、スピーカ２３を備えており、スピーカ２３からオーディオ再生音を出力する。

音声明瞭度改善装置１において、音量調整部１１は、ナビゲーション装置から入力する案内音声信号の音量調整を行う。ゲイン補正部１２は、音量調整後の案内音声信号にゲインを付与するもので、ラウドネス補償ゲイン算出部１７によって算出されたゲインGoptを案内音声信号に乗算する。アンプ１３は、ゲイン補正部１２から出力する案内音声信号を増幅する。スピーカ１４は、アンプ１３から入力する案内音声を車室内に放射し、マイクロホン１５は、オーディオ音再生部２のスピーカ２３から出力するオーディオ再生音、周囲の雑音、案内音声の合成音を取り込んで信号分離部１６に入力する。
信号分離部１６は、音声信号と騒音信号(オーディオ再生音信号と雑音信号の合成信号)とを分離するもので、スピーカ１４からマイクロホン１５までの音響系のインパルス応答を模擬する同定フィルタ１６ａ、演算部１６ｂ、適応制御装置１６ｃで構成されている。適応制御装置１６ｃにおいて、適応制御部（LMS）３１は適応制御によりスピーカ１４からマイク１５までの音響伝搬系のインパルス応答を同定して適応フィルタ３２にセットする。この適応制御により求められた音響伝搬系の伝達特性は同定フィルタ１６ａにコピーされる。

ラウドネス補償ゲイン算出部１７は、同定フィルタ１６ａから出力される案内音声信号と演算部１６ｂから出力される騒音信号(オーディオ再生音信号・雑音信号)とに基づいて、案内音声信号に加える最適のゲインＧoptを算出し、この算出されたゲイン値をゲイン補正部１２に入力する。以下にラウドネス補償ゲイン算出の原理を説明する。
図８は、物理的な音圧レベルと、その音を人間が聞いているときに感じる「音の大きさ（ラウドネスと呼ぶ）」との対応関係を示したものでラウドネス曲線と呼ばれるものである。ラウドネス曲線において、横軸は物理的な音圧レベル（単位はSound Pressure Level SPL(dB))で、縦軸は人の感じる音の大きさを数値化したラウドネス（単位はsone)である。図８において(a)は静かな環境でのラウドネス曲線、(b)は雑音下でのラウドネス曲線である。ただし、(b)は、人の最小可聴値が約35dB上昇するような雑音の中での曲線であって、雑音が変化することによりこの曲線も様々に変化する。

ラウドネス曲線は縦軸のラウドネスの数値が同じであれば、人は音が同じ大きさであると感じていることを表している。よって、人が0.1soneの大きさに感じる音は、(a)の静かな環境では12dB SPLの物理的音圧レベルでよいが、(b)の雑音下では37dB SPLの物理的音圧レベルが必要である。言い換えると、静かな環境における12dB SPLの音と同じ大きさで人に聞かせるためには、(b)の雑音下では37dB SPLの音を出してやる必要がある。つまり25dBのゲインを加えなくてはならない。また、人が1soneの大きさに感じる音は、(a)の静かな環境では42dB SPLの物理的音圧レベルであるが、(b)の雑音下では49dB SPLの物理的音圧レベルが必要で、7dBのゲインを加えなくてならない。

以上より、同じ雑音下であっても案内音声信号のレベルによってゲインを変えてやる必要がある。同じ雑音下での音声信号レベルとゲインとの関係を示したグラフを図９に示す。図９の横軸は静かな環境の物理的音圧レベル（音声信号レベルに相当）で、縦軸は図８(b)の雑音下において音声を静かな環境で聞いていたのと同じ大きさに聞こえるために必要なゲイン値である。以上では、雑音環境として図８(b)に示すように、人の最小可聴値が約35dB上昇する場合を説明したが、図１０に示すように雑音レベルが変化することによりラウドネス曲線は様々に変化し、従って、ゲイン・信号特性も図１１に示すように雑音環境に応じて変化する。尚、図１０において(a)はラウドネスをφ、音の強さをIで表現した時、次式
φ＝ＫＩ
で与えられる理想的なラウドネス曲線である。(b)は血液の流れる音等の生理的雑音のみで外部雑音がない場合（図８(a)の静穏状態に対応）のラウドネス曲線、(c)は最小可聴値を15dB上昇させる雑音が発生している状態でのラウドネス曲線、(d)は最小可聴値を35dB上昇させる雑音が発生している状態でのラウドネス曲線、(e)は最小可聴値を55dB上昇させる雑音が発生している状態でのラウドネス曲線である。

以上より、ラウドネス補償ゲイン算出部１７は (1) あらかじめ種々の騒音レベルにおけるゲイン・信号特性（図１１参照）を内蔵のメモリに記憶しておき、(2) 実際の車室内の騒音レベルに応じたゲイン・信号特性を選び、(3) 該ゲイン・信号特性を参照して案内音声信号レベルに応じた最適なゲインGoptを算出し、(4) そのゲインGoptをゲイン補正部１２に入力する。ゲイン補正部１２はゲインGoptを案内音声信号に乗算する。これによって、騒音の中であっても、静かな環境と同等の音声を聞く事ができる。

図７の音声明瞭度改善装置１では通常動作を開始する前にスピーカ・マイク間の音響伝搬系のインパルス応答を同定して同定フィルタ１６ａに設定する必要がある。同定に際して、音声信号とオーディオ再生音信号を共に０にする。かかる状態において、白色雑音源１８を起動し、かつ、スイッチ１９をオンすると、白色雑音はアンプ１３を通ってスピーカ１４に到り、車室内音響空間に放射され、マイクロホン１５により検出される。白色雑音はまた適応制御装置１６ｃに入力し、適応フィルタ３２でフィルタリング処理を施される。演算部１６ｂはマイクロホン１５による検出信号から適応フィルタ３２の出力信号を減算し、その差をエラー信号として適応制御装置１６ｃにフィードバックする。適応制御部３１は誤差信号のパワーが最小になるようＬＭＳアルゴリズムによる適応制御を行って適応フィルタ(FIRフィルタ)３２の係数を決定して設定する。以後、上記適応制御が繰り返され、最終的に適応フィルタ３２の出力とマイクロホン出力が等しくなり、これにより適応フィルタ３２に伝搬音響系のインパルス応答が設定される。厳密には、アンプ１３の入力からマイクロホン１５までのインパルス応答特性（伝達特性）が適応フィルタ３２に設定される。

伝搬音響系のインパルス応答の同定が終了した後、フィルタ１６ａに適応フィルタ３２の係数をコピーし、スイッチ１０をオフして通常動作可能状態にする。
通常動作において、フィルタ１６ａは音量調整部１１、ゲイン補正部１２を介して入力する案内音声信号に伝搬音響系のインパルス応答特性を付与して、観測点（マイク位置）におけるオーディオ信号を模擬的に発生し、ラウドネス補償ゲイン算出部１７に入力する。又、演算部１６ｂはマイク１５から出力する観測点における合成音信号から案内音声信号を減算して騒音信号(オーディオ再生音＋外部雑音)を発生し、ラウドネス補償ゲイン算出部１７に入力する。

ラウドネス補償ゲイン算出部１７は、騒音レベルに応じたゲイン・信号特性を選択し、該ゲイン・信号特性を参照して案内音声信号レベルに応じたゲインGoptを決定してゲイン補正部１２に入力する。すなわち、ラウドネス補償ゲイン算出部１７は、騒音が発生している環境における案内音声信号のラウドネスを、雑音のない環境における案内音声信号のラウドネスに等しくするためのゲインGoptをゲイン補正部１２に入力する。ゲイン補正部１２は、入力案内音声信号にゲインGoptを乗算する。以後、上記と同一の制御が繰り返され、騒音の中であっても可能な限り騒音が無い状態と同等に案内音声を受聴できるようになる。
以上のように、従来の音声明瞭度改善装置では騒音下であっても案内音声等を明瞭に受聴することができる。

ところで、車室内騒音の静粛化や、カーオーディオ機器、オーディオビジュアル機器、ナビゲーション装置（以下AV機器）に代表される車載機の普及に伴い、車室内にてAVソース（音楽やTV音声、ナビゲーション音声を含む）を聴取する割合が高くなっている。かかるAVソースのアンプのレベルは誰もが満足するレベルまでボリュームアップできる様になっており、また、車室内はプライベート空間として手頃な空間であり、ユーザーは普段（例えば、家庭内）より周りを気にすることなくAVソースを大き目の音量で聴いてしまうこともある。
オーディオ再生時などの騒音環境下においても、ナビゲーション案内音声を聞こえ易くさせるためには基本的に案内音声信号を騒音以上のレベルに補正を行う必要がある。しかし、音声明瞭度改善装置において、どのような騒音のレベルに対しても際限なく音声信号のゲインをアップするわけにはいかない。それは音量が大きくなり過ぎると難聴になる可能性があるからである。
特開平11-166835号公報

一般にAVソースなどの音が大きいまま長時間さらされつづけると、乗車員は難聴になる可能性が高くなる。文献によると、個人差はあるが一日当りの暴露量が80ｄBを超える騒音の中で生活していれば、聴力の劣化する可能性は大きいとされている。フランスでは100dBAを聴取レベルの上限と定め、ボリューム最大でのヘッドホンステレオからの出力レベルを100dBA以下に押さえることを法令で定め1998年から実施している。
よって、音量明瞭度改善装置において、案内音声のゲインを難聴にならない程度に頭打ちさせる必要がある。しかし、単なるゲインの頭打ち制御だけではオーディオ再生音など騒音が大きいとき、十分に音声を聞こえやすくさせることができない。
以上から本発明の目的は、音声のゲインを難聴にならないように制御すると共に、音声を聞こえやすくすることである。
本発明の別の目的は、オーディオ音が原因でゲイン補正後の音声の音量が許容値を越えた場合、該音声の音量が許容値を越えない程度にオーディオレベルを減少することである。
本発明の別の目的は、オーディオ音でなく外部雑音が原因でゲイン補正後の音声の音量が許容値を越えた場合でも、音声のゲインを難聴にならない程度までの最小限の減少ですませて音声を聞こえやすくすることである。

上記課題は本発明によれば、音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて音声のゲインを制御する音声明瞭度改善方法により達成される。
本発明の第1の音声明瞭度改善方法では、ゲイン制御後の音声の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか監視し、最大許容レベルを越える場合にはオーディオ音が原因であるか調べ、オーディオ音が原因である場合にはオーディオ音の音圧レベルを低下し、しかる後、音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルとに基づいて、音声の音圧レベルが最大許容音圧レベル以下となる音声のゲインを決定する。

本発明の第２の音声明瞭度改善方法では、予め騒音の音圧レベル毎に、音声の音圧レベルと該音声のゲインとの対応関係(ゲイン・信号特性)をラウドネス補償に基づいて作成して記憶しておき、騒音の音圧レベルと音声の音圧レベルを求め、該騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と該音声の音圧レベルとからゲインを決定し、該決定したゲインが付与された後の音声の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか監視し、前記音圧レベルが最大許容レベルを越える場合には、オーディオ音が原因であるか調べ、オーディオ音が原因の場合に、オーディオ音の音圧レベルを低下する。
オーディオ音が原因であるかは以下のように判定する。すなわち、オーディオ音である第1騒音の音圧レベルを算出し、全騒音の音圧レベルと前記第1騒音の音圧レベルよりオーディオ音以外の第2騒音の音圧レベルを求め、該第２騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と前記ゲインを付与する前の音声の音圧レベルとからゲインを算出し、該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越えるか調べ、越えない場合には、オーディオ音が原因であると判定し、越えればオーディオ音以外の第2騒音が原因であると判定する。この場合、第1騒音の音圧レベルをオーディオ音のボリューム設定値に基づいて算出する。
また、オーディオ音が原因の場合には、最小限のオーディオ音の音圧レベルの低下で前記ゲイン付与後の音声の音圧レベルが最大許容レベル以下となるように制御する。すなわち、オーディオ音が原因の場合、全騒音の音圧レベルが前記第2の騒音の音圧レベルより設定量だけ大きいとして、該全騒音の音圧レベルに応じた前記対応テーブルと音声の音圧レベルとからゲインを算出し、該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越えるか計算し、越えない場合には、全騒音の音圧レベルを更に設定量だけ大きいとして上記処理を繰返し、最大許容レベルを越えない最大の全騒音の音圧レベルを求め、該全騒音の音圧レベルと前記第2の騒音の音圧レベルに基づいて第１騒音であるオーディオ音の音圧レベルを計算する。
第２の音声明瞭度改善方法において、オーディオ音以外の騒音が原因であれば、前記音声の音圧レベルが前記最大許容レベルと等しくなるゲインを算出して前記ゲインとする。このとき、オーディオ音の音圧レベルが第２の騒音の音圧レベル以上であるれば、オーディオ音の音圧レベルを所定量低下する。

また、上記課題は本発明によれば、音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて音声のゲインを制御する音声明瞭度改善装置により達成される。
本発明の第1の音声明瞭度改善装置は、ゲイン制御後の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか判定する判定部、最大許容レベルを越える場合にはオーディオ音が原因であるか調べる原因探索部、オーディオ音が原因である場合にはオーディオ音の音圧レベルを低下するオーディオ音圧レベル制御部、音声の音圧レベルと、前記オーディオ音の音圧レベル低下後の騒音の音圧レベルとに基づいて、音声の音圧レベルが最大許容音圧レベル以下となる音声のゲインを決定する音声ゲイン制御部を備えている。

本発明の第２の音声明瞭度改善装置は、予め騒音の音圧レベル毎に、音声の音圧レベルと該音声の前記ゲインとの対応関係（ゲイン・振幅特性）をラウドネス補償に基づいて作成して記憶する記憶手段、騒音の音圧レベルと音声の音圧レベルを求め、該騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と該音声の音圧レベルとから前記ゲインを決定するラウドネス補償ゲイン算出部、該決定されたゲインが付与された後の音声の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか判定する判定部、前記音圧レベルが最大許容レベルを越える場合には、オーディオ音が原因であるか調べる原因探索部、オーディオ音が原因の場合に、オーディオ音の音圧レベルを低下するオーディオ音圧レベル制御部を備えている。また、第２の音声明瞭度改善装置は、オーディオ音の音圧レベルを低下した場合にはその旨をユーザに伝達する伝達手段を備えている。
第２の音声明瞭度改善装置において、前記原因探索部は、オーディオ音である第1騒音の音圧レベルを算出し、全騒音の音圧レベルと前記第1騒音の音圧レベルよりオーディオ音以外の第2騒音の音圧レベルを求め、該第２騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と前記ゲイン付与前の音声の音圧レベルとからゲインを算出し、該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越える場合には、オーディオ音が原因であると判定する。
第２の音声明瞭度改善装置において、前記オーディオ音圧レベル制御部は、オーディオ音が原因の場合には、最小限のオーディオ音の音圧レベルの低下で前記ゲイン制御後の音声の音圧レベルが最大許容レベル以下となるように制御する。すなわち、前記オーディオ音圧レベル制御部は、オーディオ音が原因の場合、全騒音の音圧レベルが前記第2の騒音の音圧レベルより設定量だけ大きいとして、該全騒音の音圧レベルに応じた前記対応テーブルと音声の音圧レベルとからゲインを算出し、該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越えるか計算し、越えない場合には、全騒音の音圧レベルを更に設定量だけ大きいとして上記処理を繰返し、最大許容レベルを越えない最大の全騒音の音圧レベルを求め、該全騒音の音圧レベルと前記第2の騒音の音圧レベルに基づいて第１騒音であるオーディオ音の音圧レベルを計算する。
第２の音声明瞭度改善装置は、更に、オーディオ音以外の騒音が原因であれば、前記音声の音圧レベルが前記最大許容レベルと等しくなるゲインを算出して前記ゲインとする音声ゲイン制御部を有している。また、第２の音声明瞭度改善装置は、音声補償を極限状態で行なっていることをユーザに通知する手段を有している。

本発明によれば、ゲイン制御後の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか監視し、オーディオ音が原因で越える場合には、オーディオ音の音圧レベルを低下すると共にゲインを制御するようにしたから、音声のゲインを難聴にならないように制御できると共に、音声を聞こえやすくできる。
また、本発明によれば、最小限のオーディオ音の音圧レベルの低下でゲイン制御後の音圧レベルが最大許容レベル以下となるようにするため、音声を聞こえやすくでき、しかも、オーディオ再生音も楽しむことができる。
また、本発明によれば、オーディオ音以外の騒音が原因であれば、音声の音圧レベルが最大許容レベルと等しくなるゲインを算出し、該ゲインで音声信号の音量を制御するから音声のゲインを難聴にならないように制御しながら可能な限り音声を聞こえやすくすることができる。

図1は本発明の音声明瞭度改善装置の原理図である。本発明の音声明瞭度改善装置は、記憶部５１、音声/騒音分離部５２、ラウドネス補償ゲイン算出部５３、ゲイン付与部５４、音声信号を出力するスピーカ５５、判定部５６、原因探索部５７、オーディオ音圧レベル制御部５８、音声ゲイン制御部５９、オーディオ音の音圧を制御する減衰器６０、オーディオ音を出力するスピーカ６１を有している。
記憶部５１には予め騒音の音圧レベルPt毎に、音声の音圧レベルPsと該音声のゲインＧとの対応関係(ゲイン・振幅特性)をラウドネス補償理論に基づいて作成して記憶する。音声/騒音分離部５２は、騒音信号と音声信号を分離出力する。ラウドネス補償ゲイン算出部５３は、該騒音の音圧レベルPtに応じた前記対応関係と該音声の音圧レベルPsとからゲインGoptを決定する。ゲイン付与部５４は該決定されたゲインGoptを音声信号に付与し、音声信号をスピーカ５５から出力する。

判定部５６は、ゲインGoptを付与された後の音声信号の音圧レベル（Ps＋Gopt）が最大許容レベルPmaxを越えたか判定する。原因探索部５７は、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxを越える場合には、オーディオ音が原因であるか調べる。オーディオ音が原因の場合に、オーディオ音圧レベル制御部５８はオーディオ音の音圧レベルを低下する。この場合、オーディオ音圧レベル制御部５８は、最小限のオーディオ音の音圧レベル制御で、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmax以下となるように制御する。一方、オーディオ音以外の騒音が原因であれば、音声ゲイン制御部５９は、音量の最大許容レベルPmaxと等しくなるゲインＧ(=Pmax−Ps)を算出してゲイン付与部５４に設定する。
以上により、騒音が大きくなっても音声のゲインを難聴にならないように制御できると共に、音声を聞こえやすくできる。また、最小限のオーディオ音の音圧レベル制御で、音声の音圧レベルが最大許容レベル以下となるようにするから、音声を聞こえやすくでき、しかも、オーディオ再生音も楽しむことができる。

図２は本発明の音声明瞭度改善装置の構成図である。再生音声部４１はナビゲーションの案内音声あるいはハンズフリーシステムにおける通報音声などの音声データを再生して音声信号VSを出力し、オーディオ再生部４２はCD、ミニディスク、ハードディスク、ＤＶＤなどの記録媒体に記録されている音楽を再生してオーディオ信号ASを出力し、オーディオ再生検知部４３は、現在オーディオ再生中であるか否かを検出してオーディオオン／オフ信号を出力する。
ラウドネス補償ゲイン算出部５３内に設けられた記憶部５１は、予め騒音の音圧レベルPt毎に、音声の音圧レベルPsと該音声のゲインＧとの対応関係(図１１参照)をラウドネス補償に基づいて作成して記憶する。
音声/騒音分離部５２は、騒音信号NSSと音声信号VCSを分離出力するもので、図7の従来の信号分離部と同一構成を有しているが、説明上、同定フィルタ５２ａと演算部５２ｂのみを示している。同定フィルタ５２ａには既にスピーカ５５からマイク６２までの音響伝搬系の伝達特性が設定されている。従って、同定フィルタ５２ａからは観測点(マイク位置)における音声信号VCSが得られる。また、演算部５２ｂからは、マイク検出信号から音声信号を除いた騒音信号(オーディオ音／走行・エンジン音)NSSが得られる。

ラウドネス補償ゲイン算出部５３は、騒音の音圧レベルPtに応じた対応関係(メモリ５１に記憶されている)と音声の音圧レベルPsとからゲインGoptを決定する。ゲイン設定部５９はゲインGopt付与後の音声の音圧レベルが、難聴を考慮した最大許容レベルPmaxを越えない場合には該決定されたゲインGoptをゲイン付与部５４に継続して設定し、ゲイン付与後の音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxを越える場合には、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxと等しくなるゲインＧを算出してゲイン付与部５４に設定する。ゲイン付与部５４は設定されたゲインGoptあるいはＧを音声信号に付与し(乗算)、音声信号をスピーカ５５から出力する。
判定／探索部における判定部５６は、ゲインGoptを付与された後の音声信号の音圧レベル（＝Ps＋Gopt）が最大許容レベルPmaxを越えたか判定する。原因探索部５７は、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxを越える場合には、オーディオ音が原因であるか調べる。オーディオ音が原因の場合に、オーディオ音圧レベル制御部５８は減衰器６０の減衰度を大きくしてオーディオ音の音圧レベルを低下する。この場合、オーディオ音圧レベル制御部５８は、最小限のオーディオ音の音圧レベル低下制御で、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmax以下となるように制御する。一方、オーディオ音以外の騒音が原因であれば、ゲイン設定部５９は、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxと等しくなるゲインＧを算出してゲイン付与部５４に設定し、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるように制御する。

極限状態呈示部６３は、音声信号の音圧レベルが最大許容レベルPmaxより大きくなったために、オーディオ音の音圧レベルを低下した時、その旨をディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する。また、極限状態呈示部６３は音声信号の音圧レベルPsが最大許容レベルPmaxより大きくなったために、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるまで低下した時、その旨をディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する。
ボリューム６４はオーディオ音の音量を調整するものであり、判定／探索部の原因探索部５７は、ボリューム値VLに基づいてオーディオ信号の音圧レベルPaを推定する。図３はボリューム値VLとオーディオ信号の音圧レベルの対応テーブルであり、原因探索部５７はかかるテーブルより音圧レベルPaを推定する。

図４は本発明の音声明瞭度改善装置における音声明瞭度改善処理のフローである。
通常動作が始まると、音声／騒音分離部５２は音声信号VCSと騒音信号NSSを分離し(ステップ１０１)、これら音声信号の音圧レベルPs、騒音信号の音圧レベルPtをそれぞれ算出して出力する(ステップ１０２)。なお、音圧レベルの計算はラウドネス補償ゲイン算出部５１や判定/探索部で行なっても良い。
ラウドネス補償ゲイン算出部５３は、ラウドネス補償による理想補償ゲインGoptを算出してゲイン設定部５９を介してゲイン付与部５４に設定する。ゲイン付与部５４は設定されたゲインGoptを音声信号に付与し(乗算)、音声信号をスピーカ５５から出力する(ステップ１０３)。
判定部５６は、ゲインGoptが付与された音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が難聴を考慮した最大許容レベルPmaxを越えているかチェックし(ステップ１０４)、越えていなければその旨をゲイン設定部５９に入力する。この結果、ゲイン設定部５９は引き続きラウドネス補償ゲイン算出部５３から入力するゲインGoptをゲイン付与部５４に設定する。ゲイン付与部５４はゲインGoptを音声信号に付与し(乗算)、音声信号をスピーカ５５から出力する(ステップ１０５)。

一方、ステップ１０４において、音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が最大許容レベルPmaxを越えていれば(（Ps+Gopt）＞Pmax)、判定部５６はオーディオ再生されているかチェックし(ステップ１０６)、オーディオ再生してなければ、オーディオ音以外の騒音が原因になって音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が最大許容レベルPmaxを越えたと判定し、ゲイン設定部５９に通知する。ゲイン設定部５９は、この通知により音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxと等しくなるゲインＧを次式
G＝Pmax−Ps (1)
により算出して、ゲイン付与部５４に設定し、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるように制御する(ステップ１０７)。極限状態呈示部６３は音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が最大許容レベルPmaxより大きくなったために、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるよう制御した旨をディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する(ステップ１０８)。

一方、ステップ１０６において、オーディオ再生中であれば、ゲイン探索部５７は、音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が最大許容レベルPmaxを越えたのは、オーディオ音が原因なのか、オーディオ音以外の騒音が原因なのか調べる。まず、オーディオ音の音圧レベルPaをボリューム値VLと音圧レベル対応テーブル(図３)より算出する(ステップ１０９)。ついで、騒音の音圧レベルPtとオーディオ音の音圧レベルPaよりオーディオ音以外の騒音の音圧レベルPnを求める(ステップ１１０)。信号Ｘの音圧Ｙ(dBSＰL)は次式
Ｙ＝10 log₁₀（X/X₀）² _[dBSPL]， X₀：基準音圧 20μPa
により計算でき、
Ｘ＝10 ^Y/20・X₀
である。以上を考慮すると、騒音の音圧レベルPnは次式

より算出できる。

ついで、オーディオ音以外の騒音のみが存在するものと仮定して、音圧レベルPnをラウドネス補償ゲイン算出部５３に入力してゲイン算出を依頼する。ラウドネス補償ゲイン算出部５３は、騒音の音圧レベルPnに応じたゲイン・振幅特性より音声信号の音圧レベルPsに応じたゲインGnを算出して原因探索部５７に入力する(ステップ１１１)。
原因探索部５７は、該ゲインGnを音声信号に付与した時、最大許容レベルPmaxを越えるか調べ、越えない場合には、オーディオ音が原因であると判定し、越える場合にはオーディオ音以外の騒音が原因であると判定する。すなわち、原因探索部５７は、次式
Ps＋Gn＞Pmax (3)
であるかチェックし、上式が成立しなければオーディオ音が原因であると判定し、成立すればオーディオ音以外の騒音が原因であると判定する(ステップ１１２)。

オーディオ音以外の騒音が原因であれば、判定部５６はオーディオ音の音圧レベルPaが騒音の音圧レベルPn以上であるかチェックし(ステップ１１３)、Pa＜Pnであれば、ゲイン設定部５９に比較結果を通知する。ゲイン設定部５９は、この通知により音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxと等しくなるゲインＧを(1)式により算出して、ゲイン付与部５４に設定し、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるように制御する(ステップ１０７)。極限状態呈示部６３は音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が最大許容レベルPmaxより大きくなったために、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるよう制御した旨をディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する(ステップ１０８)。
ステップ１１３において、Pa＞Pnであれば、オーディオ音とオーディオ音以外の騒音の両方が原因であると判定し、オーディオ音圧レベル制御部５８とゲイン設定部５９に通知する。オーディオ音圧レベル制御部５８はこの通知を受信すると、騒音のトータルの音圧レベルPt′がPn+α(α=2.5dB)以下となるように音圧レベルPaを決定し、該音圧レベルPaに基づいて減衰度を決定してオーディオ音圧レベルを低下する。具体的には、Pt′＝Pn＋αとすれば、Pt′とPnは既知となるから音圧レベルPaは次式
Pa＝10 log₁₀(10 ^Pt/10−10 ^Pn/10) (4)
より求まる。具体的に、Pn=90.0(dBSPL)とすれば、Pt′＝92.5(dBSPL)となるから、
Pa＝10 log₁₀(10 ^92.5/10−10 ^90.0/10)=88.9(dBSPL)
となるようにオーディオ音の音圧レベルを88.9(dBSPL)に減少する(ステップ１１４)。極限状態呈示部６３はオーディオ音圧を低下したことをディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する(ステップ１１５)。

また、ゲイン設定部５９は、音声の音圧レベルが最大許容レベルPmaxと等しくなるゲインＧを(1)式により算出して、ゲイン付与部５４に設定し、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるように制御する(ステップ１０７)。極限状態呈示部６３は音声信号の音圧レベル（Ps+Gopt）が最大許容レベルPmaxより大きくなったために、音声の音量が難聴にならない最大の音量となるよう制御した旨をディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する(ステップ１０８)。
一方、ステップ１１２において、オーディオ音が原因であれば、オーディオ音圧レベル制御部５８は補償後の音声信号の音圧がPmaxを越えないレベルになるようにオーディオレベルを設定する(ステップ１１６)。すなわち、オーディオ音圧レベル制御部５８は、メモリ５１に記憶されている騒音レベル毎の信号・ゲイン特性(図６（A）参照)を用いて、音声信号の音圧レベルPs一定(たとえば90dBSPL)とした時の、騒音レベルPtとゲインの対応表を図６（Ｂ）に示すように作成する。かかる状態で、図5のフローに従ってオーディオレベルを決定する。

まず、全騒音Pt′の音圧レベルがステップ１１１で算出した音圧レベルPnより設定量α(=2.5dB)だけ大きいとみなし(ステップ、１１６ａ、１１６ｂ)、該全騒音Pt′の音圧レベルに応じたゲインＧを前記図６（B）のテーブルより算出する(ステップ１１６ｃ)。そして、該ゲインＧを音声信号に付与した時、最大許容レベルPmaxを越えるか調べる。すなわち、（Ps＋Ｇ）＞Pmaxであるかチェックする(ステップ１１６ｄ)。Pmaxを越えない場合には、ステップ１１６ｂに戻り、全騒音の音圧レベルを更に設定量αだけ大きいとして上記処理を繰返えす。オーディオ音圧レベル制御部５８は、以上の処理により最大許容レベルPmaxを越えない最大の全騒音の音圧レベルPt′を求め、該騒音の音圧レベルPt′とオーディオ音以外の騒音の音圧レベルPnに基づいてオーディオ音の音圧レベルPaを次式
Pa＝10 log₁₀(10 ^Pt′^/10−10 ^Pn/10) (5)
により計算し、該音圧レベルに応じた減衰度を減衰器６０に設定する(ステップ１１６ｅ)。

具体例として、Pmax =100（dBSPL）、Pt=90（dBSPL）、Ps＝90（dBSPL）、Gopt=15dBとすれば、
Ps+Gopt(=105)＞Pmax(=100)
となり、ステップ１０５において補償結果はPmaxを越える。Pn=80（dBSPL）とすれば、Ps=90（dBSPL）であるから、図６（Ａ）よりGn=7(dB)となる。
Ps+Gn(＝97)＜Pmax(＝100)
となるから、ステップ１１２においてNOとなり、オーディオ音が原因であると判定する。
そこで、Pt′=Pn＋α=82.5（dBSPL）として、図６（B）よりPs＝90（dBSPL）のゲインＧ（＝８）を求め、Ｇ＞Pmax−Psであるかチェックする。成立しないからPt′を更にα増加し、Ｇ＞Pmax−Psが成立するまで繰り返す。以上により、Ｇ＞Pmax−Psが成立しない騒音信号の最大の音圧レベルPt′=85（dBSPL）を求める。この値が求まれば、(5)式によりオーディオ音の音圧レベルPaを求めることができ、オーディオ音の音圧レベルは83,3（dBSPL）となる。

以上により、オーディオ音の音圧レベル制御が完了すれば、極限状態呈示部６３はオーディオ音圧を低下したことをディスプレイあるいはブザー等でユーザに通知する(ステップ１１５)。
しかる後、Gopt=0にしてPs，Ptを求め、ラウドネス補償ゲイン算出部５３は、これらPs，Ptを用いてGoptを再計算してゲイン付与部５４に設定する。ゲイン付与部５４は音声信号にGoptを付与して音声をスピーカ３５から出力する。
以上本発明によれば、音声明瞭度改善装置において、極限状態（オーディオ音など騒音が難聴になってしまう程度の大音量）時においても、難聴になることを防ぎながら音声明瞭度改善の効果を発揮することができる。（何を言っているかわかる）。
副次的な効果として、いったんオーディオミュートにより、運転手に音声出力装置に注意を向かせることができ、補正効果を確実に発揮することができる。

本発明の音声明瞭度改善装置の原理図である。本発明の音声明瞭度改善装置の構成図である。ボリューム値VLとオーディオ信号の音圧レベルの対応テーブルである。本発明の音声明瞭度改善装置における音声明瞭度改善処理のフローである。オーディオ音の音圧レベル制御フローである。オーディオ音の音圧レベル制御の説明図である。従来の音声明瞭度改善装置の構成図である。ラウドネス曲線である。同じ雑音下での音声信号レベルとゲインとの関係を示したグラフである。雑音レベルが変化することによりラウドネス曲線が変化する様子を示す説明図である。種々の騒音レベルにおけるゲイン・信号特性である。

符号の説明

５１記憶部
５２音声/騒音分離部
５３ラウドネス補償ゲイン算出部
５４ゲイン付与部
５５スピーカ
５６判定部
５７原因探索部
５８オーディオ音圧レベル制御部
５９音声ゲイン制御部
６０オーディオ音の音圧を制御する減衰器
６１スピーカ

Claims

音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて音声のゲインを制御する音声明瞭度改善方法において、
ゲイン制御後の音声の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか監視し、
最大許容レベルを越える場合にはオーディオ音が原因であるか調べ、
オーディオ音が原因である場合にはオーディオ音の音圧レベルを低下し、
しかる後、音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて、音声の音圧レベルが最大許容音圧レベル以下となる音声のゲインを決定する、
ことを特徴とする音声明瞭度改善方法。
音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて音声のゲインを制御する音声明瞭度改善方法において、
予め騒音の音圧レベル毎に、音声の音圧レベルと該音声の前記ゲインとの対応関係をラウドネス補償理論に基づいて作成して記憶する第１ステップ、
騒音の音圧レベルと音声の音圧レベルを求める第２ステップ、
該騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と該音声の音圧レベルとから前記ゲインを決定する第３ステップ、
該決定されたゲインが付与された後の音声の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか監視する第４ステップ、
前記音圧レベルが最大許容レベルを越える場合には、オーディオ音が原因であるか調べる第５ステップ、
オーディオ音が原因の場合に、オーディオ音の音圧レベルを低下する第６ステップ、
を備え、前記第５ステップにおいて、
オーディオ音である第1騒音の音圧レベルを算出し、
全騒音の音圧レベルと前記第１騒音の音圧レベルよりオーディオ音以外の第2騒音の音圧レベルを求め、
該第２騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と前記ゲインを付与する前の音声の音圧レベルとからゲインを算出し、
該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越えるか調べ、越えない場合には、オーディオ音が原因であると判定する、
ことを特徴とする音声明瞭度改善方法。
前記第1騒音の音圧レベルをオーディオ音のボリューム設定値に基づいて算出する、
ことを特徴とする請求項２記載の音声明瞭度改善方法。
オーディオ音が原因の場合、騒音の音圧レベルが前記第2の騒音の音圧レベルより設定量だけ大きいとして、該全騒音の音圧レベルに応じた前記対応テーブルと音声の音圧レベルとからゲインを算出し、
該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越えるか計算し、
越えない場合には、全騒音の音圧レベルを更に設定量だけ大きいとして上記処理を繰返し、
最大許容レベルを越えない最大の全騒音の音圧レベルを求め、該全騒音の音圧レベルと前記第2の騒音の音圧レベルに基づいて第１騒音であるオーディオ音の音圧レベルを計算し、該音圧レベルまでオーディオ音を低下する、
ことを特徴とする請求項２記載の音声明瞭度改善方法。
オーディオ音以外の騒音が原因であれば、前記音声の音圧レベルが前記最大許容レベルと等しくなるゲインを算出して前記ゲインとする、
ことを特徴とする請求項２記載の音声明瞭度改善方法。
オーディオ音の音圧レベルが第２の騒音の音圧レベル以上であれば、オーディオ音の音圧レベルを所定量低下する、
ことを特徴とする請求項５記載の音声明瞭度改善方法。
音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて音声のゲインを制御する音声明瞭度改善装置において、
ゲイン制御後の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか判定する判定部、
最大許容レベルを越える場合にはオーディオ音が原因であるか調べる原因探索部、
オーディオ音が原因である場合にはオーディオ音の音圧レベルを低下するオーディオ音圧レベル制御部、
音声の音圧レベルと、前記オーディオ音の音圧レベル低下後の騒音の音圧レベルとに基づいて、音声の音圧レベルが最大許容音圧レベル以下となる音声のゲインを決定する音声ゲイン制御部、
を備えたことを特徴とする音声明瞭度改善装置。
音声の音圧レベルと騒音の音圧レベルに基づいて音声のゲインを制御する音声明瞭度改善装置において、
予め騒音の音圧レベル毎に、音声の音圧レベルと該音声の前記ゲインとの対応関係をラウドネス補償に基づいて作成して記憶する記憶手段、
騒音の音圧レベルと音声の音圧レベルを求め、該騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と該音声の音圧レベルとから前記ゲインを決定するラウドネス補償ゲイン算出部、
該決定されたゲインが付与された後の音声の音圧レベルが最大許容レベルを越えたか判定する判定部、
前記音圧レベルが最大許容レベルを越える場合には、オーディオ音が原因であるか調べる原因探索部、
オーディオ音が原因の場合に、オーディオ音の音圧レベルを低下するオーディオ音圧レベル制御部、
を備え、前記原因探索部は、
オーディオ音である第１騒音の音圧レベルを算出し、全騒音の音圧レベルと前記第1騒音の音圧レベルよりオーディオ音以外の第２騒音の音圧レベルを求め、該第２騒音の音圧レベルに応じた前記対応関係と前記ゲイン付与前の音声の音圧レベルとからゲインを算出し、該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越える場合には、オーディオ音が原因であると判定する、
ことを特徴とする音声明瞭度改善装置。
前記オーディオ音圧レベル制御部は、
オーディオ音が原因の場合、全騒音の音圧レベルが前記第2の騒音の音圧レベルより設定量だけ大きいとして、該全騒音の音圧レベルに応じた前記対応テーブルと音声の音圧レベルとからゲインを算出し、該ゲインを音声信号に付与した時、最大許容レベルを越えるか計算し、越えない場合には、全騒音の音圧レベルを更に設定量だけ大きいとして上記処理を繰返し、最大許容レベルを越えない最大の全騒音の音圧レベルを求め、該全騒音の音圧レベルと前記第2の騒音の音圧レベルに基づいて第１騒音であるオーディオ音の音圧レベルを計算し、該音圧レベルまでオーディオ音を低下する
ことを特徴とする請求項８記載の音声明瞭度改善装置。
オーディオ音以外の騒音が原因であれば、前記音声の音圧レベルが前記最大許容レベルと等しくなるゲインを算出して前記ゲインとする音声ゲイン制御部、
を有することを特徴とする請求項８記載の音声明瞭度改善装置。
オーディオ音の音圧レベルが第２の騒音の音圧レベル以上であれば、前記オーディオ音圧レベル制御部は、オーディオ音の音圧レベルを所定量低下する、
ことを特徴とする請求項１０記載の音声明瞭度改善装置。