JP4396646B2 - 応答波形合成方法、応答波形合成装置、音響設計支援装置および音響設計支援プログラム - Google Patents
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Description
(1)平坦部(0〜31.25Hz),(FFTサイズ:65536)
サンプル番号j=1,2,・・・,45,46
(サンプル間隔:約0.67Hz)
値はそのまま
(2)立下り部(31.25〜62.5Hz),(FFTサイズ:65536)
サンプル番号j=47,48,・・・,91,92
(サンプル間隔:約0.67Hz)
Real[j] = Real[j] * cos2(θ)
Img[j] = Img[j] * cos2(θ)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[1])-log10(31.25)}/{log10(62.5)-log10(31.25)}] ・・(ここで、PAIは円周率πである)
ΔFreq[1] = 44100/65536
[合成帯域2]
(1)立上り部(31.25〜62.5Hz),(FFTサイズ:65536)
解析帯域1のサンプル番号j=48,50,・・・,90,92
(1つ飛ばしで2サンプル毎に用いてサンプル間隔を約1.34Hzとする。)
Real[j] = Real[j] * sin2(θ)
Img[j] = Img[j] * sin2(θ)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[1])-log10(31.25)}/{log10(62.5)-log10(31.25)}]
ΔFreq[1] = 44100/65536
(2)立下り部(62.5〜125Hz),(FFTサイズ:32768)
解析帯域2のサンプル番号j=47,48,・・・,91,92
(サンプル間隔:約1.34Hz)
解析帯域2は、解析帯域1に比べてサンプル間隔(周波数)が倍であるため、解析帯域1のサンプル番号と同じサンプルでも、その周波数は倍である。
Img[j] = Img[j] * cos2(θ)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[2])-log10(62.5)}/{log10(125)-log10(62.5)}]
ΔFreq[2] = 44100/32768
以下、合成帯域3〜合成帯域9についても合成帯域2と同じ方式であり、FFTサイズ、サンプル間隔、θの算出式等が、その帯域に対応して異なっている。以下、その異なる点を記載しておく。
(1)立上り部(62.5〜125Hz)
(FFTサイズは32768だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[2])-log10(62.5)}/{log10(125)-log10(62.5)}]
ΔFreq[2] = 44100/32768
(2)立下り部(125〜250Hz),(FFTサイズ:16384)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[3])-log10(125)}/{log10(250)-log10(125)}]
ΔFreq[3] = 44100/16384
[合成帯域4](サンプル間隔5.38Hz)
(1)立上り部(125〜250Hz)
(FFTサイズは16384だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[3])-log10(125)}/{log10(250)-log10(125)}]
ΔFreq[3] = 44100/16384
(2)立下り部(250〜500Hz),(FFTサイズ:8192)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[4])-log10(250)}/{log10(500)-log10(250)}]
ΔFreq[4] = 44100/8192
[合成帯域5](サンプル間隔10.76Hz)
(1)立上り部(250〜500Hz)
(FFTサイズは8192だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[4])-log10(250)}/{log10(500)-log10(250)}]
ΔFreq[4] = 44100/8192
(2)立下り部(500〜1000Hz),(FFTサイズ:4096)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[5])-log10(500)}/{log10(1000)-log10(500)}]
ΔFreq[5] = 44100/4096
[合成帯域6](サンプル間隔21.53Hz)
(1)立上り部(500〜1000Hz)
(FFTサイズは4096だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[5])-log10(500)}/{log10(1000)-log10(500)}]
ΔFreq[5] = 44100/4096
(2)立下り部(1000〜2000Hz),(FFTサイズ:2048)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[6])-log10(1000)}/{log10(2000)-log10(1000)}]
ΔFreq[6] = 44100/2048
[合成帯域7](サンプル間隔43.07Hz)
(1)立上り部(1000〜2000Hz)
(FFTサイズは2048だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[6])-log10(1000)}/{log10(2000)-log10(1000)}]
ΔFreq[6] = 44100/2048
(2)立下り部(2000〜4000Hz),(FFTサイズ:1024)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[7])-log10(2000)}/{log10(4000)-log10(2000)}]
ΔFreq[7] = 44100/1024
[合成帯域8](サンプル間隔86.13Hz)
(1)立上り部(2000〜4000Hz)
(FFTサイズは1024だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[7])-log10(2000)}/{log10(4000)-log10(2000)}]
ΔFreq[7] = 44100/1024
(2)立下り部(4000〜8000Hz),(FFTサイズ:512)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[8])-log10(4000)}/{log10(8000)-log10(4000)}]
ΔFreq[8] = 44100/512
[合成帯域9](サンプル間隔172.27Hz)
(1)立上り部(4000〜8000Hz)
(FFTサイズは512だが、1つ飛ばしで用いる)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[8])-log10(4000)}/{log10(8000)-log10(4000)}]
ΔFreq[8] = 44100/512
(2)立下り部(8000〜16000Hz),(FFTサイズ:256)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[9])-log10(8000)}/{log10(16000)-log10(8000)}]
ΔFreq[9] = 44100/256
次に、最も周波数の高い合成バンドである合成バンド10については、さらに上側にオーバーラップするバンドがないため、上側は平坦部となる。
(1)立上り部(8000〜16000Hz),
解析帯域9のサンプル番号j=48,49,50,・・・,90,91,92
Real[j] = Real[j] * sin2(θ)
Imaginary[j] = Imaginary[j] * sin2(θ)
θ=PAI/2*[{log10(j*ΔFreq[9])-log10(8000)}/{log10(16000)-log10(8000)}]
ΔFreq[9] = 44100/256
(2)平坦部(16000〜22050Hz)
サンプル番号j=93,94,・・・,128,129
値はそのまま
以上のような10個の合成帯域の周波数軸のサンプル値を、それぞれ個別に逆FFT演算して時間軸の(帯域別の)周波数応答を求め、これを加算合成して全可聴周波数帯域の応答波形を求める。
CPU103には、表示器101、操作部102、HDD104、メモリ105、および音声出力部106がそれぞれ接続されている。
表示器101は、汎用の液晶ディスプレイ等で構成され、各種の設定条件の入力において設定条件の入力を補助するための画面(図5〜図7参照。)を表示する。
操作部102は、各種の設定条件の入力、音場のシミュレーションの指示入力、スピーカ配置の最適化の指示入力、およびシミュレーション結果の表示形式の選択を受け付ける。
CPU103は、HDD104に格納したプログラムを実行するものであり、操作部102の指示を受けて、音響制御装置1の他のハードウェア資源と協働してこのプログラムを実行する。
HDD104は、プログラム10と、スピーカの周囲のインパルス応答などをFFT化したSPデータ107と、このスピーカに適するイコライザのデータであるイコライザデータ108と、スピーカデータテーブル109と、集会施設基本形状データテーブル110を格納している。
用途選択表示ボックス12Aは、音響施設等の使用目的を選択するための表示欄であり、設計者が、「音楽」、「スピーチ」にチェックマークを入れて、そのいずれか、またはその両方を選択することができる。ここで、「音楽」の用途は、音圧レベルの周波数特性等の音質に関する音響性能を重視した音響設計を意図するものであり、「スピーチ」の用途は、例えば、音声の明瞭度に関する音響性能を重視した設計を意図するものである。
CPU103は、ハードディスク104に記憶しているスピーカデータテーブル109から、最適なスピーカ候補を選択する。スピーカデータテーブル109は、図8に示す構成になっている。
S172において、基準周波数帯域のゲインを調整するイコライザのパターン(G1、G2、G3)fiHzをユニット16B、16C、16Dそれぞれについて設定する。
S173において、このパターンについて、前述の軸点17B、17C、17Dにおける音圧レベルの周波数特性を計算して、各基準周波数帯域での軸点17B、17C、17Dのばらつきが小さくなるパターンを選出する。具体的には、軸点17B、17C、17D間の分散を各基準周波数帯域ごとに計算し、さらに、この値の絶対値の平方根をとり、各基準周波数帯域ごとの標準偏差を計算する。なお、この標準偏差は、特定の周波数のゲインのばらつき度合いを示すものであり、この値が小さいほうがばらつき具合が小さいことになる。したがって、標準偏差が小さいパターンほど、適切なパターンとなる。
これらの段階により、S174で、ユニット16B、16C、16Dのイコライザを決定する。
また、図9(C)のようにして算出したイコライザのパラメータは、FFT化して図3の外部記憶装置104にイコライザデータ108として保存する。このようにすれば、図4に示したシミュレーションパラメータ計算S2で、周波数領域の畳み込み演算のみで、このシミュレーションパラメータを計算でき、迅速に計算結果を出力できる。前述のとおり、音響設計支援装置においては、何度も条件を変更して、繰り返しシミュレーションを行なって最適設計を行なうが多く、このような装置に対し、イコライザのパラメータをFFT化することが効果的である。
図8(A)において、3つのユニット16B、16C、16Dの周波数ゲインの指標として基準周波数帯域fiを8帯域(63〜8kHz)に順次設定する(S171)。基準周波数帯域は、パラメトリックイコライザの各チャンネルの中心周波数であり、例えば、図8(B)に示すように、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、8kHzのいずれかに設定する。
S172において、図9(C)で説明したゲイン設定のパターン(G1、G2、G3)fiHzは、G1、G2、G3を1dB刻みで0dB〜−10dBとする。したがって基本周波
数1つ(例えば63Hz)につき、113通りのパターンを設定するから、全体として8×113通りのパターンを設定する。また、パターンそれぞれについて、ユニットごとにイコライザのデータをまとめて、FFT変換したデータとしてイコライザデータ108として保存する。
S173において、各パターンで軸点でのゲイン計算を行い、その中から最適パターンの選択を行なう。この段階は、さらにS1731〜S1733に分けることができる。
S1731において、軸点でのゲイン計算は、図9(B)で示したように、アレイスピーカ16Aから伝達され、軸点17B,17C、17Dそれぞれで受ける音声の周波数特性を図3のSPデータ内の107A〜Dに基づいて算出し、基準周波数帯域fiごとにその周波数ゲインのデータを蓄積する。
この計算は、スピーカユニットごとに
(フーリエ変換済み時間遅れの位相補正フィルタ107Cと、およびフーリエ変換済み距離減衰補正フィルタ107Dのデータと、
FFT変換したイコライザデータ108と、
対応する方向のSPデータ107B)これらすべて畳み込んで周波数領域で計算する。
なお、このデータ数は、ユニット数3つとなるから、本実施形態の装置では、集積するデータ数は合計すると、3つ×8帯域=24個である。
S1732において、基準周波数帯域fiごとに、この3点の周波数ゲインのデータについて標準偏差を求める。
S1733において、S172で設定したパターン113通りすべてについて、S1731〜S1732の段階を繰り返し計算して、S1732の標準偏差の標準偏差が最小となるものを求める。
以上、S1731〜S1733の段階により、基準周波数帯域ごとに、軸点17B,17C、17D間の音圧レベルの標準偏差が最小となるイコライザゲイン(図10(B)に示す点に相当。)を求めることができる。これらを上述の8つの基準周波数帯域すべて繰り返して、図10(A)のS174において、イコライザゲインのパターンを決定できる。そして、このイコライザゲインのパターンに基づいてピークごとにパラメトリックイコライザ(PEQ)のパラメータを決定する(S175)。このパラメータは、前述の図9(C)の説明のとおり、ユニットごとにまとめ直して、外部記憶装置104に保存する。以上の処理で図10(A)のフローは終了する。
まず、S21〜S26は、図9(A)の処理手順を具体的に示すものである。S21において、水平方向、垂直方向とも30度ごとに設定したアレイスピーカの角度パターン(θ、φ)を設定する。また、それぞれのアレイスピーカの角度についてユニット間の角度θintを設定する。このときユニット間の角度の選出では、前述のように、アレイスピーカ16Aには図8に示すそれぞれ予め設定できる固有の角度の範囲とピッチがあり、その範囲から選択してパターンを用意する。ここで、θは、−180度<θ≦180度、φは、−90度≦φ≦90度の範囲で、30度毎に設定する。
そして、S22において、格子点(例えば図11の17J)間の音圧レベルの標準偏差が小さいもののベスト5となる角度パターン(θ、φ)を選出する。その選出に当たっては、ユニット間角度θintを複数設定して、その中から最適なθintを選出する必要があり、S27のサブルーチンをパターンごとに実行する。
S273において、S272で計算した中から標準偏差が最小値となるユニット間角度θintを選択する。その後、S27のサブルーチンは一旦終了するが、(θ、φ)の組を変えて、更にS27のフローは繰り返し行なわれることになる。
S23では、S22で選出した5つの角度パターン(θ、φ)のそれぞれの前後15度の組み合わせを設定する。例えば、選出したベスト5の角度パターンのうちの1つのパターンの最適値が(θ、φ)について(30度、45度)であったとすると、θについて15度、30度、45度についてパターンを新たに設定すると共に、φについて30度、45度、60度についてパターンを新たに設定する(32通り)。同様に、前記選出したベスト5について、それぞれの(θ、φ)のパターンを考えると、(5×32)通りあり、このように設定した各(θ、φ)それぞれに対して前述で説明したS27のサブルーチンで、ユニット間の角度θintを設定してθintの最適化を行なう。
S24において、新たに設定したパターンについて、S22と同様に、パターン探索を行い、候補を5つ選択する。
S25では、S23〜S24と同様であるが、角度を15度ピッチでなく、5度として、設定する。例えば、選出したベスト5の角度パターンのうちの1パターンの最適値が、θについて45度であったとすると、40度、45度、50度についてパターンを新たに設定する。
S26では、S25で設定した角度について、S22、S24と同様、それぞれS27のサブルーチンを用いて、(θint、θ、φ)を決定する。このS26では、S22、24と異なり、ベスト5でなく最適値を1つ選択して、θint、θ、φ)を最終的に決定する。
図5に示した形状選択ボックス11Cを表示することにより、扇型であるか箱型であるかの選択がなされたか否か判断する(s111)。扇型であればS111の判断はYとなり、S112において、図3に示すような形状選択ボックス11Dにおいて扇型の形状例を複数表示する。扇型でなければS111の判断はNとなり、S113に進み、図示しない箱型の形状例を複数表示する。
S114において、S112の扇型の形状選択ボックス11D、またはS113の箱型の形状選択の中から形状の選択がなされたか否か判断する。選択がない場合にはNとなり待機する。選択があった場合には、表示器101の画面を切り替えて、次のS115に進む。
S115においては、空間の形状を特定するための数値の入力がなされたか否か判断する。この数値がすべて入力されなければNとなり、入力されるまで待機する。数値が入力されると処理はS116に進む。S116では、空間の形状を特定するために入力された数値(S115)からその空間の平面的な面積規模と形状の平面的な縦と横の比率を計算する。
次に、図14のフローチャートを参照して、図7のスピーカ選択画面12を表示しているときの音響設計支援装置の動作について説明する。
S163では、ハードディスク104のスピーカデータテーブル109を参照して、S161、S162で入力されたデータを満たすものを選択する。そして、選択したスピーカアレイを、図7に示すように、スピーカの候補として表示する(S164)。
101−表示器
102−操作部
103−CPU
104−HDD
105−メモリ
106−音声出力装置
Claims (11)
- 可聴音の周波数帯域を複数に分割した解析帯域毎に求められた周波数特性であって、低い周波数の解析帯域ほど細かい周波数分解能で求められた周波数特性を用い、
隣接する複数の解析帯域を合成して複数の合成帯域を設定して、各合成帯域が一部の解析帯域を他の合成帯域と周波数軸上で重なるようにして、これらの合成帯域毎に時間軸の応答波形を求める逆FFT手順と、
前記逆FFT手順にて求めた時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成手順と、
を有することを特徴とする応答波形合成方法。 - 可聴音の周波数帯域を複数に分割した解析帯域0〜n毎に求められた周波数特性であって、低い周波数の解析分析帯域ほど細かい周波数分解能で求められた周波数特性を用い、
解析帯域i−1および解析帯域iの帯域を持つ合成帯域i(i=1〜n)の時間軸の応答波形を求める逆FFT手順と、
前記合成帯域1〜nの時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成手順と、
を有することを特徴とする応答波形合成方法。 - 前記逆FFT手順において、合成帯域i(i=2〜n−1)のうち、解析帯域i−1に対応する区間を立上り区間としてsin 2 θの窓を掛け、解析帯域iに対応する区間を立下り区間としてcos 2 θの窓を掛けた周波数特性値を用いて応答波形を求める請求項2に記載の応答波形合成方法。
- 前記解析帯域1〜n−1は、オクターブ毎に分割されており、解析帯域k(k=1〜n−2)は、解析帯域k+1の2倍のFFTサンプリングデータ数によるFFT解析で周波数特性が求められている請求項2または請求項3に記載の応答波形合成方法。
- 前記逆FFT手順において、合成帯域i(i=2〜n−1)のうち、解析帯域i−1に対応する区間は、周波数軸上で離散的に存在する周波数特性値を1つおきに間引きして用いる請求項4に記載の応答波形合成方法。
- 可聴音の周波数帯域を複数に分割した解析帯域毎に求められた周波数特性であって、低い周波数の解析帯域ほど細かい周波数分解能で求められた周波数特性を記憶した周波数特性記憶部と、
隣接する複数の解析帯域を合成して複数の合成帯域を設定して、各合成帯域が一部の解析帯域を他の合成帯域と周波数軸上で重なるようにして、これらの合成帯域毎に時間軸の応答波形を求める逆FFT演算部と、
前記逆FFT演算部にて求めた時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成部と、
を備えた応答波形合成装置。 - 可聴音の周波数帯域を複数に分割した解析帯域0〜n毎に求められた周波数特性であって、低い周波数の解析分析帯域ほど細かい周波数分解能で求められた周波数特性を記憶した周波数特性記憶部と、
解析帯域i−1および解析帯域iの帯域を持つ合成帯域i(i=1〜n)の時間軸の応答波形を求める逆FFT部と、
前記合成帯域1〜nの時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成部と、
を備えた応答波形合成装置。 - 複数種類のスピーカの特性をそれぞれ記憶した特性記憶部と、
スピーカを配置する空間の形状の情報に基づいて、選択可能なスピーカの候補を選出するスピーカ選択支援部と、
前記選択可能なスピーカの候補から1つのスピーカを選択する選択操作を受け付けるスピーカ選択部と、
前記スピーカ選択部によって選択されたスピーカの特性に基づき、前記空間の受音面のそれぞれの位置における音圧レベルのばらつきが最小となる、前記スピーカの設置方向を決定するスピーカ設置角度最適化部と、
前記空間の形状の情報と、前記スピーカ設置角度最適化部により決定したスピーカの設置方向に基づいて、前記空間の所定の位置における周波数特性を、可聴音の周波数帯域を複数に分割した解析帯域毎に算出する周波数特性算出部と、
隣接する複数の解析帯域を合成して複数の合成帯域を設定して、各合成帯域が一部の解析帯域を他の合成帯域と周波数軸上で重なるようにして、これらの合成帯域毎に時間軸の応答波形を求める逆FFT演算部と、
前記逆FFT演算部にて求めた時間軸の合成帯域の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成部と、
前記応答波形の特性が設定されたフィルタで音声信号を処理して出力する音声信号出力部と、
を備えた音響設計支援装置。 - 複数種類のスピーカの特性をそれぞれ記憶した特性記憶部と、
スピーカを配置する空間の形状の情報に基づいて、選択可能なスピーカの候補を選出するスピーカ選択支援部と、
前記選択可能なスピーカの候補から1つのスピーカを選択する選択操作を受け付けるスピーカ選択部と、
前記スピーカ選択部によって選択されたスピーカの特性に基づき、前記空間の受音面のそれぞれの位置における音圧レベルのばらつきが最小となる、前記スピーカの設置方向を決定するスピーカ設置角度最適化部と、
前記空間の形状の情報と、前記スピーカ設置角度最適化部により決定したスピーカの設置方向に基づいて、前記空間の所定の位置における周波数特性を、可聴音の周波数帯域をn+1個に分割した解析帯域0〜n毎に算出する周波数特性算出部と、
解析帯域i−1および解析帯域iの帯域を持つ合成帯域i(i=1〜n)の時間軸の応答波形を求める逆FFT部と、
前記合成帯域1〜nの時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成部と、
前記応答波形の特性が設定されたフィルタで音声信号を処理して出力する音声信号出力部と、
を備えた音響設計支援装置。 - コンピュータに、
スピーカを配置する空間の形状の情報に基づいて、選択可能なスピーカの候補を選出するスピーカ選択支援工程と、
前記選択可能なスピーカの候補から1つのスピーカを選択する選択操作を受け付けるスピーカ選択工程と、
前記スピーカ選択工程で選択されたスピーカの特性に基づき、前記空間の受音面のそれぞれの位置における音圧レベルのばらつきが最小となる、前記スピーカの設置方向を決定するスピーカ設置角度最適化工程と、
前記空間の形状の情報と、前記スピーカ設置角度最適化工程により決定したスピーカの設置方向に基づいて、前記空間の所定の位置における周波数特性を、可聴音の周波数帯域を複数に分割した解析帯域毎に算出する周波数特性算出工程と、
隣接する複数の解析帯域を合成して複数の合成帯域を設定して、各合成帯域が一部の解析帯域を他の合成帯域と周波数軸上で重なるようにして、これらの合成帯域毎に時間軸の応答波形を求める逆FFT演算工程と、
前記逆FFT演算工程にて求めた時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成工程と、
前記応答波形の特性が設定されたフィルタで音声信号を処理して出力する音声信号出力工程と、
を実行させる音響設計支援プログラム。 - コンピュータに、
スピーカを配置する空間の形状の情報に基づいて、選択可能なスピーカの候補を選出するスピーカ選択支援工程と、
前記選択可能なスピーカの候補から1つのスピーカを選択する選択操作を受け付けるスピーカ選択工程と、
前記スピーカ選択工程で選択されたスピーカの特性に基づき、前記空間の受音面のそれぞれの位置における音圧レベルのばらつきが最小となる、前記スピーカの設置方向を決定するスピーカ設置角度最適化工程と、
前記空間の形状の情報と、前記スピーカ設置角度最適化工程により決定したスピーカの設置方向に基づいて、前記空間の所定の位置における周波数特性を、可聴音の周波数帯域をn+1個に分割した解析帯域0〜n毎に算出する周波数特性算出工程と、
解析帯域i−1および解析帯域iの帯域を持つ合成帯域i(i=1〜n)の時間軸の応答波形を求める逆FFT工程と、
前記合成帯域1〜nの時間軸の応答波形を加算することにより、前記可聴音の周波数帯域の応答波形を得る加算合成工程と、
前記応答波形の特性が設定されたフィルタで音声信号を処理して出力する音声信号出力工程と、
を実行させる音響設計支援プログラム。
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