JP4522509B2

JP4522509B2 - Audio equipment

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Publication number: JP4522509B2
Application number: JP19317199A
Authority: JP
Inventors: 友彦伊勢
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JP2001024459A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雑音のある環境におけるオーディオ信号のラウドネスを雑音のない環境におけるオーディオ信号のラウドネスと等しくなるように制御するオーディオ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーオーディオ等のような騒音環境下で音楽を聴くシステムの場合、雑音により聴覚のマスキング現象（聞こえを邪魔する現象）が起こり、音楽が聞き取りにくくなる。このような問題に対処するため、従来より種々の装置、例えばオートボリューム装置やラウドネス補正装置が提案されてきた。
【０００３】
図１０はオートボリューム装置の一例を示す構成図で、１６はオーディオ信号が入力されるゲイン可変のゲイン制御部、１７はアンプ、１８はオーディオ信号に応じたオーディオ音を音響空間に放射するスピーカー、１９は音響空間内の所定観測点におけるオーディオ音と雑音との合成音信号を検出するマイクロホン、２０はオーディオ信号の平均レベルを算出する検波部、２１はマイクロホンにより検出された合成音信号（マイク信号）の平均レベルを算出する検波部、２２はマイク信号とオーディオ信号の平均レベルの差に基づいてゲインを決定するゲイン決定部である。検波部２０，２１はオーディオ信号とマイク信号の平均レベルをそれぞれ算出し、演算部２３はマイク信号平均レベルからオーディオ信号平均レベルを差し引き、ゲイン決定部２２は該差分を雑音平均レベル推定値とみなし、該雑音平均レベルに基づいてゲインを決定し、ゲイン制御部１６は決定されたゲインをオーディオ信号に乗算して出力する。この結果、雑音が大きくなればゲインが大きくなって音量が増大し、雑音が小さくなればゲインが小さくなり音量が減小する。
【０００４】
オートボリューム装置において、雑音平均レベル推定値を算出する原理は以下の通りである。オーディオ信号をＳ、雑音信号をＮとすると、マイクロホン１９で取り込まれる信号Ｍはオーディオ信号Ｓと雑音信号Ｎの重ね合わせであるため、
Ｍ＝Ｓ＋Ｎ
である。よってマイクロホンで取り込まれる信号平均パワーＥ［Ｍ²］は、
Ｅ［Ｍ²］＝Ｅ［（Ｓ＋Ｎ）²］
＝Ｅ［Ｓ²］＋２Ｅ［Ｓ・Ｎ］＋Ｅ［Ｎ²］
となる。ここで、Ｅ［・］は期待値演算子であり、長時間の平均を取ったことと等価である。マイクロホンで取り込まれる信号の平均パワーからオーディオ信号の平均パワーを差し引くことによって、
Ｅ［Ｍ²］−Ｅ［Ｓ²］
＝Ｅ［Ｓ²］＋２Ｅ［Ｓ・Ｎ］＋Ｅ［Ｎ²］−Ｅ［Ｓ²］
＝２Ｅ［Ｓ・Ｎ］＋Ｅ［Ｎ²］
となる。ここでオーディオ信号Ｓと雑音信号Ｎとは無相関であるため、長時間の平均をとることによってＥ［Ｓ・Ｎ］の項が０に近づき雑音信号Ｎの平均パワーが得られる。以上より、雑音平均レベル推定値の計算精度を良くするためには長時間の平均が必要である。
【０００５】
図１１はラウドネス補正装置の一例を示す構成図で、２４はオーディオ信号が入力されるゲイン可変のゲイン制御部、２５はアンプ、２６はオーディオ信号に応じたオーディオ音を音響空間に放射するスピーカー、２７は入力オーディオ信号のレベルに基づいてラウドネスレベル曲線にしたがって各周波数帯域のゲインを決定するゲイン決定部である。
【０００６】
人間の知覚する“音の大きさ（ラウドネス）”の単位はsoneであり、１ｋＨｚ、４０ｄＢの純音の大きさを１soneとする。人間の知覚に基づいているため、１soneに対して２soneは２倍の大きさに聞こえる。ラウドネスは音の強さだけでなく周波数スペクトルによっても変化する。図１２は、外部雑音の無い状態で、音圧レベルが１ｋＨｚ純音と同じラウドネスになる純音の音圧レベルを結んだもので等ラウドネスレベル曲線と呼ばれるものである。すなわち、等ラウドネスレベル曲線は、人が１ｋＨｚの正弦波と同じ大きさに聞こえる他の周波数のレベルをプロットしたものである。等ラウドネスレベル曲線は、レベルが小さくなるにしたがって低周波数域と高周波数域のレベルを持ち上げないと中間周波数域の音よりも小さく聞こえたり、音が聞こえなくなったりすることを示している。図１１のラウドネス補正装置では、等ラウドネスレベル曲線に基づいて入力オーディオ信号レベルが同じものでは同じ大きさに聞こえるようゲイン決定部２７で周波数毎のゲインを決定し、ゲイン制御部２４で該ゲインに基づいて周波数毎のレベル調整を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示すようなオートボリューム装置では、全周波数の音を一律にゲイン調整するため、自動車騒音のような低い周波数に騒音パワーが偏ったものに対しては音楽の低い周波数成分が聞こえず、逆に高い周波数成分が強く聞こえるという問題がある。また、騒音の平均レベルを全周波数帯域一律に算出しているため、騒音信号の時間変動が少ない低い周波数に合わせてレベル算出時間を設定した場合には、時間変動の激しい高い周波数についていけなくなり、逆に高い周波数に合わせてレベル算出時間を設定した場合には、低い周波数のレベルの算出誤差が大きくなるという問題もある。
【０００８】
また、図１１に示すようなラウドネス補正装置では騒音による影響を考慮していないため、騒音の変化に対応できない。更に、着目しているのが装置に入力された音楽信号だけなので、オーディオシステム又は車両が変わることにより補正量が最適でなくなることなどの問題がある。
以上から本発明の目的は、雑音の中であっても可能な限り雑音がない状態と同等に音楽等を聞くことができるオーディオ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、音響空間の雑音に応じてオーディオ信号のラウドネスを制御するオーディオ装置において、音響空間内の所定観測点で検出したオーディオ音と雑音との合成音信号より雑音信号を分離する雑音分離部と、雑音のある環境におけるオーディオ信号のラウドネスを雑音のない環境におけるオーディオ信号のラウドネスに等しくするためのゲインをオーディオ信号レベルに対応させたゲイン・信号レベル特性を雑音レベル毎に記憶するゲイン・信号レベル特性記憶部と、前記雑音分離部から出力する雑音信号の周波数帯域毎における雑音レベルをウェーブレット変換により算出する雑音レベル算出部と、前記オーディオ信号の前記周波数帯域毎におけるオーディオ信号レベルをウェーブレット変換により算出する信号レベル算出部と、前記雑音レベル算出部で算出された前記周波数帯域毎の雑音レベルに応じた前記ゲイン・信号レベル特性を前記ゲイン・信号レベル特性記憶部から抽出し、前記周波数帯域毎に前記オーディオ信号レベルに応じたゲインを決定するゲイン決定部と、オーディオ信号の前記周波数帯域成分毎に前記ゲイン決定部で決定した前記周波数帯域毎のゲインを作用させる信号ゲイン制御部と、前記信号ゲイン制御部から出力するオーディオ信号に応じたオーディオ音を音響空間に放射するスピーカーとを有し、前記信号ゲイン制御部は、オーディオ信号をウェーブレット変換して各周波数帯域毎に分離するウェーブレット変換部と、オーディオ信号の各周波数帯域成分に前記各周波数帯域のゲインを乗算するゲイン乗算部と、各ゲイン乗算部の出力を逆ウェーブレット変換する逆ウェーブレット変換部とにより構成されることを特徴とするオーディオ装置により解決する。
【００１０】
上記の構成に加えて、前記スピーカーから前記観測点までのインパルス応答を測定する測定部と、前記測定部で測定したインパルス応答に応じた係数が設定されて音響系を模擬し、入力オーディオ信号に音響系の特性を付与して出力する第１のフィルタと、前記信号ゲイン制御部と同一特性を備え、前記第１のフィルタからの出力を補正する第２のフィルタとを有することが好ましい。この場合、前記雑音分離部は前記合成音信号と前記第２のフィルタの出力との演算により雑音信号を分離する。
【００１１】
前記信号ゲイン制御部は、例えば、オーディオ信号をウェーブレット変換して各周波数帯域毎に分離するウェーブレット変換部と、オーディオ信号の各周波数帯域成分に前記各周波数帯域のゲインを乗算するゲイン乗算部と、各ゲイン乗算部の出力を逆ウェーブレット変換する逆ウェーブレット変換部とにより構成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理について説明し、その後本発明の実施の形態について説明する。
（ａ）原理
図１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))であり、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１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。但し、(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。
【００１３】
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、静かな環境で１２ｄＢ SPLの音をオーディオシステムから出力していた場合、(b) の雑音下では３７ｄＢ SPLの音をオーディオシステムから出力しなければ、同じ大きさの音と感じることができない。つまり、０．１soneの大きさに感じる音を雑音下で聞くためには、静かな環境で聞く場合に比べて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はならない。
【００１４】
このように、同じ雑音下であってもオーディオ信号のレベルによってゲインを変える必要がある。同じ雑音下でのオーディオ信号のレベルとゲインとの関係を示したグラフを図２（実線）に示す。図２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１(b) の雑音下においてオーディオ音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。この図で示すように、騒音下で静かな環境と同じように音を聞くためには、物理的な音圧SPL に応じてゲインを変化させる必要がある。なお、図中破線は、実線で示すゲイン・信号レベル特性曲線を直線近似したものである。
【００１５】
本発明のシステムでは、予めさまざまな騒音下における図２のようなオーディオ信号のレベルとゲインとの関係（以下、ゲインテーブルという）を調べておいて、それをメモリ等に記録しておく。そして、車室内の騒音を調べてその状態に応じたゲインテーブルを選び、そのゲインテーブルを用いてオーディオ信号のレベルから最適なゲインを算出し、そのゲインをオーディオ信号に加えることによって、騒音の中であっても、静かな環境と同等の大きさ（体感的な音量）で音楽等を聞くことができる。
【００１６】
また、本発明においては、雑音のレベル及びオーディオ音のレベルの算出に、ウェーブレット変換を用いる。ウェーブレット変換は、雑音及びオーディオ音を人間の聴覚特性に沿った周波数帯域に分割し、各周波数帯域の雑音レベル及びオーディオ音レベルを算出することができる。これにより、周波数帯域毎にオーディオ信号のレベルを適切に補正することができる。なお、ウェーブレット変換の詳細は後述する。
【００１７】
（ｂ）構成
図３は本発明の実施の形態のオーディオ装置の構成図である。なお、本実施の形態は、本発明を車載用オーディオ装置に適用した例を示している。図中、１はＣＤプレーヤ等のオーディオソース、２は音量調整用のボリューム、３はオーディオ信号の帯域毎に最適なゲインを加えるオーディオ信号補正用フィルタ、４はオーディオ信号を増幅するアンプ、５はアンプ４から出力されたオーディオ信号を音響空間（車室）に放射するスピーカー、７は音響空間内の所定の位置（観測点）におけるオーディオ音と雑音との合成音を検出して電気信号（合成音信号）に変換するマイクロホンである。フィルタ３についての詳細は後述する。
【００１８】
６はマイクロホン７から出力される合成音信号から雑音信号を分離して出力するとともに、オーディオ信号に音響空間内の伝播特性（伝達特性）を付与して出力する信号分離部である。８は雑音信号と、オーディオ信号（音楽信号）が入力され、周波数帯域毎の最適なゲインを計算してフィルタ３の係数（ゲイン）を書き換えるラウドネス補償ゲイン算出部である。ラウドネス補償ゲイン算出部８内のメモリＭＭには、図２に示すような雑音レベル毎のゲインテーブルが記録されている。なお、ゲイン・信号レベル特性曲線に替えて、図２中に破線で示す直線近似の式を記憶してもよい。このラウドネス補償ゲイン算出部８の詳細も後述する。
【００１９】
９は車室内の音響系Ｃのインパルス応答を同定するために白色雑音を発生する白色雑音源、１０は音響空間のインパルス応答同定時に白色雑音を信号分離部６に入力するスイッチである。１１は混合器であり、後述するインパルス応答の同定時には白色雑音源９から出力された白色雑音信号を次段のアンプ４に伝達し、通常動作時には補正用フィルタ３から入力したオーディオ信号を次段のアンプ４に伝達する。
【００２０】
信号分離部６において、６ａはスピーカー５からマイクロホン７に至るまでの音響系Ｃのインパルス応答を模擬するフィルタ、６ｂは補正用フィルタ３と同じ構成のフィルタであり、フィルタ３の係数が変わるたびにフィルタ６ｂの係数も書き換えられる。６ｃは加算器であり、マイクロホン７の出力からフィルタ６ｂの出力を減算して雑音成分のみを取り出す。これは、本発明の原理に基づくシステムが、雑音成分と音楽信号成分とを分離して、それぞれのレベルを知る必要があるためである。６ｄは音響系Ｃのインパルス応答を同定するための適応制御装置であり、適応制御部６１及び適応フィルタ６２により構成される。適応制御装置６ｄは、例えばＬＭＳ（Least Mean Square)適応アルゴリズムによる適応制御を行って音響系Ｃのインパルス応答（伝達特性）Ｃ＾を同定し、該インパルス応答Ｃ＾に応じた係数をＦＩＲ（Finite Impulse Responce ）型デジタルフィルタ構成の適応フィルタ６２に設定する。６ｅは混合器であり、後述するようにインパルス応答の同定時にはフィルタ６ｄから入力される白色雑音信号を次段の加算器６ｃに伝達し、通常動作時にはフィルタ６ｂから入力されるオーディオ信号を次段の加算器６ｃに伝達する。
【００２１】
（ｃ）音響系Ｃのインパルス応答の同定
通常動作を開始する前に音響系Ｃのインパルス応答を同定してフィルタ６ｂに設定する必要がある。図４は音響系Ｃのインパルス応答の同定説明図であり、インパルス応答の同定に関係する信号経路を太線で示している。
音響系Ｃのインパルス応答の同定に際して、オーディオソース１をオフにしてオーディオ信号の出力を停止する。これにより、オーディオ信号補正用フィルタ３，６ｂ及びラウドネス補償ゲイン算出部８は同定制御に何らの影響を与えない。
【００２２】
かかるオーディオ信号の停止状態において、白色雑音源９で白色雑音信号を発生させ、かつ、スイッチ１０をオンする。これにより、白色雑音信号はアンプ４を通ってスピーカー５に至り、音響空間（車室内）に音として放射される。音響空間内に放出された白色雑音は周囲の雑音とともにマイクロホン７により検出され、マイクロホン７から合成音信号が出力される。また、白色雑音源９から出力された白色雑音信号は適応制御装置６ｄに入力され、適応フィルタ６２でフィルタリング処理が施される。演算部６ｃはマイクロホン７から出力される合成音信号から適応フィルタ６２の出力信号を減算し、その差を誤差信号ｅとして適応制御装置６ｄにフィードバックする。適応制御部６１は誤差信号ｅのパワーが最小になるようＬＭＳ適応アルゴリズムによる適応制御を行って適応フィルタ６２の係数を設定する。以後、上記適応制御が繰り返され、最終的に適応フィルタ６２の出力とマイクロホン７の出力とが等しくなり、これにより適応フィルタ６２に音響系Ｃのインパルス応答Ｃ＾（厳密には、アンプ４の入力からマイクロホン７までのインパルス応答（伝達特性））が設定される。
【００２３】
音響系Ｃのインパルス応答の同定が終了した後、フィルタ６ａに適応フィルタ６２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。このような音響系Ｃのインパルス応答の同定制御は、ユーザが製品を車両に取り付けたときなどに行う。この同定制御を行うことによって、ユーザ毎に異なるアンプ４のゲイン特性や音響系の周波数特性を補正することができる。
【００２４】
（ｄ）通常動作
通常動作において、フィルタ６ａはボリューム２から入力するオーディオ信号に音響系Ｃのインパルス応答特性Ｃ＾を付与して、観測点（マイクロホン位置）におけるオーディオ信号を発生し、ラウドネス補償ゲイン算出部８に入力する。また、演算部６ｃはマイクロホン７から出力される合成音信号からオーディオ信号成分を減算して雑音信号を抽出し、ラウドネス補償ゲイン算出部８に入力する。
【００２５】
ラウドネス補償ゲイン算出部８は、雑音信号が入力されると該雑音信号の各周波数帯域毎のレベルを算出し、オーディオ信号が入力されると該オーディオ信号の各周波数帯域毎のレベルを算出する。ついで、ラウドネス補償ゲイン算出部８は、雑音レベルに応じたゲイン・信号レベル特性をメモリＭＭから選択し、該ゲイン・信号レベル特性を参照して周波数帯域毎のオーディオ信号レベルに応じたゲイン（係数）を決定して補正用フィルタ３に設定し、同時にフィルタ６ｂに該ゲインをコピーする。すなわち、ラウドネス補償ゲイン算出部８は、雑音が発生している環境におけるオーディオ信号のラウドネスを、雑音のない環境におけるオーディオ信号のラウドネスに等しくするためのゲインを周波数帯域毎に決定して補正用フィルタ３及びフィルタ６ｂに設定する。
【００２６】
補正用フィルタ３，６ｂは入力オーディオ信号の各周波数帯域成分に前記各周波数帯域のゲインを加えて出力する。以後、上記と同一の制御が繰り返され、雑音の中であっても可能な限り雑音が無い状態と同等にカーオーディオ等の音楽を楽しめるようになる。
（ｅ）ラウドネス補償ゲイン算出部
ラウドネス補償ゲイン算出部８は、予め種々の雑音レベルにおけるゲイン・信号レベル特性をメモリＭＭに記憶しておき、実際の車室内の雑音レベルに応じたゲイン・信号レベル特性を選び、該ゲイン・信号レベル特性を参照してオーディオ信号レベルに応じた最適なゲインを周波数帯域毎に算出して出力する。
【００２７】
図５はかかるラウドネス補償ゲイン算出部８の構成図であり、８１はウェーブレット変換により各周波数帯域における雑音信号の平均値を出力する第１のウェーブレット変換演算部、８２はウェーブレット変換により各周波数帯域におけるオーディオ信号の平均値を出力する第２のウェーブレット変換演算部、８３は雑音レベル調整部であり、周知の周知のZwicker のラウドネス算出方法（ＩＳＯ５３２Ｂ）やStevens のラウドネス算出手法（ＩＳＯ５３２Ａ）を用いて、人間の聴覚特性を加味して各周波数毎の雑音信号レベルを調整する。８４は周波数帯域毎に、雑音レベルに応じたゲイン・信号レベル特性を選択するゲイン・信号レベル特性選択部、８５は種々の雑音レベルにおけるゲイン・信号レベル特性（図２）をメモリＭＭに記憶するとともに、雑音レベルに応じたゲイン・信号レベル特性を参照してオーディオ信号レベルに応じた最適なゲインを周波数帯域毎に出力する周波数帯域ゲイン決定部である。
【００２８】
雑音のパワースペクトルは平坦ではなく、全周波数帯域にわたって一様にオーディオ音がマスキングを受けるわけではない。すなわち、各周波数帯域の雑音レベルによりマスキングを受ける度合いが異なるため、周波数帯域毎にそれぞれゲインを算出して対応する必要がある。この場合、ある周波数の雑音は同じ周波数のオーディオ音だけでなくそれより上の周波数のオーディオ音に対してもマスキングを生じさせる。このため、雑音レベル調整部８３は、上述の如く、Zwicker のラウドネス算出方法やStevens のラウドネス算出手法を用いて、人間の聴覚特性を加味して、各周波数帯域毎の雑音信号レベルを調整する。
【００２９】
以下、ウェーブレット変換について説明する。
ウェーブレット変換とは、短時間フーリエ変換が下記（１）式で定義されるのに対し、下記（２）式で定義されるものである。
【００３０】
【数１】

【００３１】
但し、Ｗ（ｔ−ｂ）は窓関数である。
【００３２】
【数２】

【００３３】
（２）式において、（Ψ（ｘ−ｂ）／ａ）をマザーウェーブレットと呼び、例えば図６のような関数である。図６において、ａはスケールパラメータと呼び、マザーウェーブレットをａ倍に伸縮するパラメータである。ｂはマザーウェーブレットをｂだけ平行移動させるパラメータである。
ここで、図７に示すように正弦波に対してさまざまな時間長を持つ窓関数をかけて周波数解析した結果を考える。図の上側が時間波形で、下がそれに対応する周波数スペクトルである。この図を見てわかるように、時間窓長が広くなるようにａの値をとったときに、周波数解析の精度がよくなり、時間窓が狭くなるにつれて周波数解析の精度が悪くなる。逆に、周波数解析の精度を上げようとすると時間窓長を長くとらなくてはならず、時間解析の精度が悪くなる。
【００３４】
ウェーブレット変換とは、低い周波数のような、時間変動が少なく（換言すれば、時間解析精度は低くてもよい）、人間の耳では周波数分解能が高いところではスケールパラメータａを長くとって周波数分解能を高めて逆に時間分解能を落とし、高い周波数のような、時間変動が大きく（換言すれば、高い時間解析精度が必要）、人間の耳では周波数分解能が低いところではスケールパラメータａを短くとって時間分解能を高めて逆に周波数分解能を落として解析するものであり、人間の聴覚特性により近い解析を行うことができる。これに対して、短時間フーリエ変換は時間分解能及び周波数分解能がすべての周波数で一定である。
【００３５】
ウェーブレット変換と短時間フーリエ変換の時間分解能及び周波数分解能の比較を図８に示す。同図には、フーリエ変換の場合と時間信号の場合も併せて示してある。図８において、横軸は時間ｔ、縦軸は角周波数ω（周波数ｆ＝１／Ｔ＝ω／２π）である。すなわち、フーリエ変換の場合は、周波数分解能が高いものの、時間に対する情報は全くない。時間波形で表現した場合は周波数を解析することができない。短時間フーリエ変換では、周波数分解能及び時間分解能が全ての周波数で一定である。これらに対し、ウェーブレット変換では、周波数が高い領域では周波数分解能が低いかわりに時間分解能を高くし、周波数が低い領域では時間分解能が低いかわりに周波数分解能を高くすることができる。このように、ウェーブレット変換では、周波数に応じて時間分解能及び周波数分解能が変化する。
【００３６】
（ｆ）補正用フィルタ
補償用フィルタ３はラウドネス補償ゲイン算出部８から出力する周波数帯域毎のゲインをオーディオ信号に加えるものである。
図９は補正用フィルタの構成図であり、３１はウェーブレット変換演算部、３２は多数のゲイン可変アンプAMP1〜AMPnを備え、オーディオ信号の各周波数帯域成分にラウドネス補償ゲイン算出部８から出力する各周波数帯域のゲインを乗算して出力するゲイン可変部、３３はゲイン可変アンプ部の出力信号を逆ウェーブレット変換する逆ウェーブレット変換演算部である。
【００３７】
ウェーブレット変換演算部３１は、オーディオ信号をウェーブレット変換して各周波数帯域毎に分離出力する。ゲイン可変部３２はそれぞれの周波数帯域の出力信号に、ラウドネス補償ゲイン算出部８から出力する対応する周波数帯域のゲインを乗算する。逆ウェーブレット変換演算部３３はこれらゲイン調整された各周波数帯域の信号を逆ウェーブレット変換することにより合成して出力する。以上により、入力オーディオ信号の各周波数帯域成分毎にマスキングを補償するようにゲイン制御を施し、雑音環境であっても可能な限り雑音が無い状態に近づけることが可能になる。
【００３８】
但し、ゲインが時間的に急激に変化すると出力波形が不連続になってしまう。このため、次式
Ｇ（ｎ）＝αＧ（ｎ−１）＋βＧm
にしたがってゲインを制御することによりゲインを徐々に更新し、急激なゲインの変化が生じないようにすることが好ましい。但し、上式において、Ｇ（ｎ）は時間ｎにおけるゲイン特性、Ｇ（ｎ−１）は時間（ｎ−１）におけるゲイン特性、Ｇm はラウドネス補償ゲイン算出部で算出されたゲイン特性である。また、α，βは、α＋β＝１を満足する係数である。
【００３９】
上記の実施の形態では本発明を車載用オーディオ装置に適用した例を示したが、これにより本発明が車載用オーディオ装置に限定されるものではない。本発明は、車載用オーディオ装置の他、ホームオーディオ装置やその他のオーディオ装置に適用することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、雑音信号及びオーディオ信号をウェーブレット変換して各周波数帯域毎の雑音レベル及びオーディオ信号レベルを検出するので、人間の聴覚特性の近い状態で雑音に応じた周波数帯毎のオーディオ信号のレベル調整を行うことができる。また、本発明によれば、予め種々の雑音レベルにおけるゲイン・信号レベル特性をゲイン・信号レベル特性記憶部に記憶しておき、実際の音響空間の雑音に応じたゲイン・信号レベル特性を選び、該ゲイン・信号レベル特性を参照してオーディオ信号レベルに応じた適切なゲインを算出し、そのゲインをオーディオ信号に加えるようにしたので、雑音の中であっても、静かな環境と同等に音楽等を楽しむことができる。
【００４１】
また、本発明においては、スピーカーから観測点までの音響系インパルス応答を測定し、該インパルス応答に応じた係数をフィルタに設定して音響系を模擬し、該フィルタにオーディオ信号を入力して音響系の特性を付与して出力し、観測点で検出された合成音信号より該フィルタ出力を減算して雑音信号を出力するようにしたから、車両が変わってアンプや音響空間のゲイン、周波数特性が変化する場合であっても的確に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ラウドネス曲線の説明図である。
【図２】図２は、ゲイン・信号レベル特性図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態のオーディオ装置の構成図である。
【図４】図４は、音響空間のインパルス応答の同定方法を示す説明図である。
【図５】図５は、ラウドネス補償ゲイン算出部の構成図である。
【図６】図６は、マザーウェーブレットの例を示す図である。
【図７】図７は、正弦波に窓関数をかけて周波数解析した結果を示す図である。
【図８】図８は、フーリエ変換、時間波形、短時間フーリエ変換及びウェーブレット変換による時間−周波数分解能の比較を示す図である。
【図９】図９は、補正用フィルタの構成図である。
【図１０】図１０は、オートボリューム装置の一例を示す構成図である。
【図１１】図１１は、ラウドネス補正装置の一例を示す構成図である。
【図１２】図１２は、自由音場における最小可聴値と純音等ラウドネスレベル曲線を示す図である。
【符号の説明】
１オーディオソース、
２音量調整用ボリューム、
３補正用フィルタ、
４アンプ、
５スピーカー、
６信号分離部、
７マイクロホン、
８ラウドネス補償ゲイン算出部、
９白色雑音源、
１０スイッチ、
３１，８１，８２ウェーブレット変換演算部、
３２ゲイン可変部、
３３逆ウェーブレット変換演算部、
８３雑音レベル調整部、
８４ゲイン・信号レベル特性選択部、
８５周波数帯域ゲイン決定部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an audio device that controls the loudness of an audio signal in a noisy environment to be equal to the loudness of the audio signal in a no-noise environment.
[0002]
[Prior art]
In the case of a system that listens to music in a noisy environment such as car audio, the masking phenomenon of hearing (a phenomenon that disturbs hearing) occurs due to noise, making it difficult to hear the music. In order to deal with such a problem, various devices such as an auto volume device and a loudness correction device have been proposed.
[0003]
FIG. 10 is a configuration diagram showing an example of an auto-volume device, 16 is a gain control unit with variable gain to which an audio signal is input, 17 is an amplifier, 18 is a speaker that radiates audio sound corresponding to the audio signal to the acoustic space, 19 is a microphone that detects a synthesized sound signal of audio sound and noise at a predetermined observation point in the acoustic space, 20 is a detector that calculates an average level of the audio signal, and 21 is a synthesized sound signal (microphone signal) detected by the microphone. ) Is a gain determination unit that determines the gain based on the difference between the average levels of the microphone signal and the audio signal. The

detectors

20 and 21 calculate the average levels of the audio signal and the microphone signal, the calculation unit 23 subtracts the audio signal average level from the microphone signal average level, and the gain determination unit 22 regards the difference as the noise average level estimation value. The gain is determined based on the average noise level, and the gain controller 16 multiplies the determined gain by the audio signal and outputs the result. As a result, if the noise increases, the gain increases and the volume increases, and if the noise decreases, the gain decreases and the volume decreases.
[0004]
In the auto volume device, the principle of calculating the noise average level estimated value is as follows. If the audio signal is S and the noise signal is N, the signal M captured by the microphone 19 is a superposition of the audio signal S and the noise signal N.
M = S + N
It is. Therefore, the average signal power E [M captured by the microphone ² ]
E [M ² ] = E [(S + N) ² ]
= E [S ² ] + 2E [S · N] + E [N ² ]
It becomes. Here, E [•] is an expected value operator, which is equivalent to taking a long-time average. By subtracting the average power of the audio signal from the average power of the signal captured by the microphone,
E [M ² ] -E [S ² ]
= E [S ² ] + 2E [S · N] + E [N ² ] -E [S ² ]
= 2E [S · N] + E [N ² ]
It becomes. Here, since the audio signal S and the noise signal N are uncorrelated, the average power of the noise signal N can be obtained when the term of E [S · N] approaches 0 by taking a long-time average. From the above, long-time averaging is required to improve the calculation accuracy of the noise average level estimation value.
[0005]
FIG. 11 is a configuration diagram showing an example of a loudness correction apparatus, in which 24 is a gain control unit with variable gain to which an audio signal is input, 25 is an amplifier, 26 is a speaker that radiates audio sound corresponding to the audio signal to an acoustic space, A gain determination unit 27 determines the gain of each frequency band according to the loudness level curve based on the level of the input audio signal.
[0006]
The unit of “sound volume (loudness)” perceived by humans is sone, and the pure sound of 1 kHz and 40 dB is 1 sone. Because it is based on human perception, 2 sounds sounds twice as large as 1 sound. Loudness varies not only with sound intensity but also with frequency spectrum. FIG. 12 connects the sound pressure levels of pure tones having the same loudness as that of a 1 kHz pure tone in the absence of external noise, and is called an equal loudness level curve. That is, the equal loudness level curve is a plot of the levels of other frequencies at which a person sounds as large as a 1 kHz sine wave. The equal loudness level curve indicates that as the level decreases, the sound in the low frequency range and the high frequency range may be heard lower or lower than the sound in the intermediate frequency range unless the level is raised. In the loudness correction apparatus of FIG. 11, the gain determination unit 27 determines the gain for each frequency so that the input audio signal level is the same when the input audio signal level is the same, based on the equal loudness level curve, and the gain control unit 24 determines the gain. Based on this, level adjustment is performed for each frequency.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the auto volume device as shown in FIG. 10, the sound of all frequencies is uniformly gain-adjusted, so that a low frequency component of music cannot be heard for a noise whose power is biased to a low frequency such as automobile noise, On the contrary, there is a problem that high frequency components are heard strongly. In addition, since the average level of noise is calculated uniformly over the entire frequency band, if the level calculation time is set to a low frequency with little time fluctuation of the noise signal, it will not be able to keep up with high frequency with high time fluctuation, Conversely, when the level calculation time is set in accordance with the high frequency, there is a problem that the calculation error of the low frequency level becomes large.
[0008]
Further, since the loudness correction apparatus as shown in FIG. 11 does not consider the influence of noise, it cannot cope with a change in noise. Further, since only the music signal input to the apparatus is focused on, there is a problem that the correction amount is not optimal due to the change of the audio system or the vehicle.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an audio device that can listen to music or the like as much as possible without noise even in noise.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the audio device that controls the loudness of the audio signal according to the noise in the acoustic space, the above-described problem is noise separation that separates the noise signal from the synthesized sound signal of the audio sound and the noise detected at a predetermined observation point in the acoustic space. And a gain / signal level characteristic for each noise level, which is a gain corresponding to the audio signal level so that the loudness of the audio signal in an environment with noise is equal to the loudness of the audio signal in an environment without noise. A signal level characteristic storage unit; a noise level calculation unit that calculates a noise level in each frequency band of the noise signal output from the noise separation unit by wavelet conversion; and a wavelet conversion in the audio signal level in each frequency band of the audio signal. Signal level calculation unit calculated by The gain / signal level characteristic according to the noise level for each frequency band calculated by the noise level calculation unit is extracted from the gain / signal level characteristic storage unit, and the gain / signal level characteristic according to the audio signal level for each frequency band. A gain determining unit that determines the gain, a signal gain control unit that applies a gain for each frequency band determined by the gain determining unit for each frequency band component of the audio signal, and audio output from the signal gain control unit A speaker that radiates audio sound according to the signal into the acoustic space; The signal gain control unit includes: a wavelet transform unit that performs wavelet transform on the audio signal and separates the audio signal for each frequency band; and a gain multiplication unit that multiplies each frequency band component of the audio signal by the gain of each frequency band. And an inverse wavelet transform unit that performs inverse wavelet transform on the output of each gain multiplication unit. This is solved by an audio device characterized by the above.
[0010]
In addition to the above configuration, a measurement unit that measures an impulse response from the speaker to the observation point, and a coefficient corresponding to the impulse response measured by the measurement unit are set to simulate an acoustic system, and the input audio signal It is preferable to have a first filter that gives an acoustic system characteristic and outputs, and a second filter that has the same characteristic as the signal gain control unit and corrects the output from the first filter. In this case, the noise separation unit separates the noise signal by calculating the synthesized sound signal and the output of the second filter.
[0011]
The signal gain control unit, for example, a wavelet transform unit that wavelet transforms the audio signal and separates each frequency band, a gain multiplication unit that multiplies each frequency band component of the audio signal by the gain of each frequency band, The output of each gain multiplication unit can be constituted by an inverse wavelet transform unit that performs inverse wavelet transform.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the principle of the present invention will be described, and then embodiments of the present invention will be described.
(A) Principle
FIG. 1 shows a correspondence relationship between a physical sound pressure level and a “sound volume (called loudness)” that is felt when a person is listening to the sound, and is called a loudness curve. . In the loudness curve, the horizontal axis represents the physical sound pressure level (unit: Sound Pressure Level SPL (dB)), and the vertical axis represents the loudness (unit: sone) obtained by quantifying the volume of sound perceived by a person. In FIG. 1, (a) is a loudness curve in a quiet environment, and (b) is a loudness curve under noise. However, (b) is a curve in noise in which the minimum audible value of a person increases by about 35 dB, and this curve also changes variously as the noise changes.
[0013]
The loudness curve indicates that if the numerical value of the loudness on the vertical axis is the same, a person feels that the sound has the same volume. Therefore, the sound that a person feels at a volume of 0.1 zone may be a physical sound pressure level of 12 dB SPL in the quiet environment of (a), but a physical sound pressure level of 37 dB SPL in the noise of (b). is required. In other words, if a sound of 12 dB SPL is output from the audio system in a quiet environment, the sound of the same magnitude may be felt if the sound of 37 dB SPL is not output from the audio system under the noise of (b). Can not. In other words, in order to listen to a sound that feels as loud as 0.1 zone under noise, a gain of 25 dB must be applied compared to listening in a quiet environment. Also, the sound that a person feels at 1 sone is a physical sound pressure level of 42 dB SPL in the quiet environment of (a), but a physical sound pressure level of 49 dB SPL is required under the noise of (b). So we have to add a gain of 7dB.
[0014]
Thus, it is necessary to change the gain depending on the level of the audio signal even under the same noise. A graph showing the relationship between the level and gain of an audio signal under the same noise is shown in FIG. 2 (solid line). The horizontal axis in Fig. 2 is the physical sound pressure level (corresponding to the audio signal level) in a quiet environment, and the vertical axis is the same size as when listening to audio sound in a quiet environment under the noise in Fig. 1 (b). This is a gain value necessary for sound. As shown in this figure, in order to hear the sound in a quiet environment under noise, it is necessary to change the gain according to the physical sound pressure SPL. The broken line in the figure is a linear approximation of the gain / signal level characteristic curve shown by the solid line.
[0015]
In the system of the present invention, the relationship between the level and gain of an audio signal as shown in FIG. 2 under various noises (hereinafter referred to as a gain table) is checked in advance and recorded in a memory or the like. Then, by examining the noise in the passenger compartment, selecting a gain table according to the state, calculating the optimum gain from the level of the audio signal using the gain table, and adding the gain to the audio signal, Even so, you can listen to music, etc. in the same volume (sensible volume) as in a quiet environment.
[0016]
In the present invention, the wavelet transform is used to calculate the noise level and the audio sound level. The wavelet transform can divide noise and audio sound into frequency bands according to human auditory characteristics, and calculate the noise level and audio sound level of each frequency band. As a result, the level of the audio signal can be appropriately corrected for each frequency band. Details of the wavelet transform will be described later.
[0017]
(B) Configuration
FIG. 3 is a block diagram of the audio apparatus according to the embodiment of the present invention. The present embodiment shows an example in which the present invention is applied to an in-vehicle audio apparatus. In the figure, 1 is an audio source such as a CD player, 2 is a volume adjusting volume, 3 is an audio signal correcting filter for applying an optimum gain for each band of the audio signal, 4 is an amplifier for amplifying the audio signal, and 5 is A speaker that radiates an audio signal output from the amplifier 4 to an acoustic space (cabinet), and an electrical signal (synthesis) by detecting a synthesized sound of audio sound and noise at a predetermined position (observation point) in the acoustic space. This is a microphone that converts the sound signal. Details of the filter 3 will be described later.
[0018]
Reference numeral 6 denotes a signal separation unit that separates and outputs a noise signal from the synthesized sound signal output from the microphone 7 and outputs a propagation characteristic (transfer characteristic) in the acoustic space to the audio signal. Reference numeral 8 denotes a loudness compensation gain calculation unit that receives a noise signal and an audio signal (music signal), calculates an optimum gain for each frequency band, and rewrites a coefficient (gain) of the filter 3. A gain table for each noise level as shown in FIG. 2 is recorded in the memory MM in the loudness compensation gain calculation unit 8. Instead of the gain / signal level characteristic curve, a linear approximation formula indicated by a broken line in FIG. 2 may be stored. Details of the loudness compensation gain calculation unit 8 will also be described later.
[0019]
A white noise source 9 generates white noise to identify the impulse response of the acoustic system C in the passenger compartment. A switch 10 inputs the white noise to the signal separation unit 6 when identifying the impulse response in the acoustic space. A mixer 11 transmits the white noise signal output from the white noise source 9 to the amplifier 4 at the next stage when an impulse response to be described later is identified, and the audio signal input from the correction filter 3 at the next stage during normal operation. To the amplifier 4.
[0020]
In the

signal separation unit

6, 6 a is a filter that simulates the impulse response of the acoustic system C from the speaker 5 to the

microphone

7, and 6 b is a filter having the same configuration as the correction filter 3, each time the coefficient of the filter 3 changes. The coefficient of the filter 6b is also rewritten. An adder 6c subtracts the output of the filter 6b from the output of the microphone 7 and extracts only the noise component. This is because the system based on the principle of the present invention needs to separate the noise component and the music signal component and know the respective levels. Reference numeral 6 d denotes an adaptive control device for identifying the impulse response of the acoustic system C, and includes an adaptive control unit 61 and an adaptive filter 62. The adaptive control device 6d performs adaptive control using, for example, an LMS (Least Mean Square) adaptive algorithm to identify an impulse response (transfer characteristic) C ^ of the acoustic system C, and sets a coefficient corresponding to the impulse response C ^ to FIR (Finite). Impulse Response) type digital filter configuration adaptive filter 62. A mixer 6e transmits a white noise signal input from the filter 6d to the next stage adder 6c when the impulse response is identified as described later, and an audio signal input from the filter 6b during the normal operation. To the adder 6c.
[0021]
(C) Identification of impulse response of acoustic system C
Before starting normal operation, the impulse response of the acoustic system C needs to be identified and set in the filter 6b. FIG. 4 is an explanatory diagram for identifying the impulse response of the acoustic system C, and the signal path related to the identification of the impulse response is indicated by a bold line.
When identifying the impulse response of the acoustic system C, the audio source 1 is turned off and the output of the audio signal is stopped. As a result, the audio

signal correction filters

3 and 6b and the loudness compensation gain calculation unit 8 have no influence on the identification control.
[0022]
In the audio signal stop state, the white noise source 9 generates a white noise signal and the switch 10 is turned on. Thereby, the white noise signal reaches the speaker 5 through the amplifier 4 and is radiated as sound into the acoustic space (vehicle interior). The white noise emitted into the acoustic space is detected by the microphone 7 together with the ambient noise, and a synthesized sound signal is output from the microphone 7. Further, the white noise signal output from the white noise source 9 is input to the adaptive control device 6 d and subjected to filtering processing by the adaptive filter 62. The calculation unit 6c subtracts the output signal of the adaptive filter 62 from the synthesized sound signal output from the microphone 7, and feeds back the difference as an error signal e to the adaptive control device 6d. The adaptive control unit 61 sets the coefficient of the adaptive filter 62 by performing adaptive control using the LMS adaptive algorithm so that the power of the error signal e is minimized. Thereafter, the above adaptive control is repeated, and finally the output of the adaptive filter 62 and the output of the microphone 7 become equal, and thereby the impulse response C ^ (strictly speaking, the input of the amplifier 4) of the acoustic system C is sent to the adaptive filter 62. To an impulse response (transfer characteristic) from the microphone 7 is set.
[0023]
After the identification of the impulse response of the acoustic system C is completed, the coefficient of the adaptive filter 62 is copied to the filter 6a, and the switch 10 is turned off so that the normal operation is possible. Such identification control of the impulse response of the acoustic system C is performed when the user attaches the product to the vehicle. By performing this identification control, it is possible to correct the gain characteristics of the amplifier 4 and the frequency characteristics of the acoustic system that are different for each user.
[0024]
(D) Normal operation
In normal operation, the filter 6 a gives an impulse response characteristic C ^ of the acoustic system C to the audio signal input from the volume 2, generates an audio signal at the observation point (microphone position), and inputs it to the loudness compensation gain calculation unit 8. To do. In addition, the calculation unit 6 c extracts a noise signal by subtracting the audio signal component from the synthesized sound signal output from the microphone 7 and inputs the noise signal to the loudness compensation gain calculation unit 8.
[0025]
The loudness compensation gain calculation unit 8 calculates the level of each frequency band of the noise signal when a noise signal is input, and calculates the level of each frequency band of the audio signal when an audio signal is input. Next, the loudness compensation gain calculation unit 8 selects a gain / signal level characteristic corresponding to the noise level from the memory MM, and refers to the gain / signal level characteristic to determine a gain (coefficient corresponding to the audio signal level for each frequency band. ) Is determined and set in the correction filter 3, and at the same time, the gain is copied to the filter 6b. That is, the loudness compensation gain calculation unit 8 determines, for each frequency band, a gain for making the loudness of the audio signal in an environment where noise is generated equal to the loudness of the audio signal in an environment where there is no noise. 3 and filter 6b.
[0026]
The correction filters 3, 6b add the gain of each frequency band to each frequency band component of the input audio signal and output the result. Thereafter, the same control as described above is repeated, and even in noise, music such as car audio can be enjoyed as much as possible without noise.
(E) Loudness compensation gain calculator
The loudness compensation gain calculation unit 8 stores gain / signal level characteristics at various noise levels in the memory MM in advance, selects the gain / signal level characteristics corresponding to the actual noise level in the vehicle interior, and selects the gain / signal characteristics. An optimum gain corresponding to the audio signal level is calculated for each frequency band with reference to the level characteristic and output.
[0027]
FIG. 5 is a block diagram of such a loudness compensation gain calculation unit 8, in which 81 is a first wavelet transform operation unit that outputs an average value of noise signals in each frequency band by wavelet transformation, and 82 is in each frequency band by wavelet transformation. A second wavelet transform calculation unit 83 for outputting an average value of the audio signal, 83 is a noise level adjustment unit, which uses a well-known Zwicker loudness calculation method (ISO532B) or Stevens' loudness calculation method (ISO532A). The noise signal level for each frequency is adjusted in consideration of human auditory characteristics. A gain / signal level characteristic selection unit 84 selects a gain / signal level characteristic corresponding to a noise level for each frequency band, and 85 stores gain / signal level characteristics (FIG. 2) at various noise levels in the memory MM. In addition, the frequency band gain determination unit outputs an optimum gain corresponding to the audio signal level for each frequency band with reference to a gain / signal level characteristic corresponding to the noise level.
[0028]
The power spectrum of the noise is not flat and the audio sound is not masked uniformly over the entire frequency band. That is, since the degree of masking differs depending on the noise level of each frequency band, it is necessary to calculate and deal with the gain for each frequency band. In this case, noise at a certain frequency causes masking not only for audio sounds of the same frequency but also for audio sounds of higher frequencies. Therefore, as described above, the noise level adjustment unit 83 uses the Zwicker loudness calculation method or the Stevens loudness calculation method to adjust the noise signal level for each frequency band in consideration of human auditory characteristics.
[0029]
Hereinafter, wavelet transform will be described.
The wavelet transform is defined by the following equation (2), while the short-time Fourier transform is defined by the following equation (1).
[0030]
[Expression 1]

[0031]
However, W (t−b) is a window function.
[0032]
[Expression 2]

[0033]
In equation (2), (Ψ (x−b) / a) is called a mother wavelet, and is a function as shown in FIG. 6, for example. In FIG. 6, a is called a scale parameter and is a parameter for expanding and contracting the mother wavelet by a times. b is a parameter for translating the mother wavelet by b.
Here, as shown in FIG. 7, consider the result of frequency analysis by applying window functions having various time lengths to a sine wave. The upper side of the figure is a time waveform, and the lower side is the corresponding frequency spectrum. As can be seen from this figure, the accuracy of frequency analysis is improved when the value of a is taken so that the time window length becomes wider, and the accuracy of frequency analysis becomes worse as the time window becomes narrower. Conversely, if the accuracy of frequency analysis is to be increased, the time window length must be increased, and the accuracy of time analysis is degraded.
[0034]
The wavelet transform has a small time variation (in other words, the time analysis accuracy may be low) such as a low frequency, and the frequency resolution is increased by increasing the scale parameter a where the frequency resolution is high in the human ear. On the contrary, the time resolution is lowered and the time variation such as high frequency is large (in other words, high time analysis accuracy is required), and the human ear has a short scale parameter a where the frequency resolution is low. The analysis is performed by increasing the resolution and decreasing the frequency resolution, and analysis closer to human auditory characteristics can be performed. In contrast, the short-time Fourier transform has a constant time resolution and frequency resolution at all frequencies.
[0035]
FIG. 8 shows a comparison of time resolution and frequency resolution between the wavelet transform and the short-time Fourier transform. In the figure, the case of Fourier transform and the case of time signal are also shown. In FIG. 8, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents angular frequency ω (frequency f = 1 / T = ω / 2π). That is, in the case of Fourier transform, although the frequency resolution is high, there is no information on time. When expressed in a time waveform, the frequency cannot be analyzed. In short-time Fourier transform, the frequency resolution and time resolution are constant at all frequencies. On the other hand, in the wavelet transform, the time resolution can be increased in the high frequency region instead of the low frequency resolution, and the frequency resolution can be increased in the low frequency region instead of the time resolution. As described above, in the wavelet transform, the time resolution and the frequency resolution change according to the frequency.
[0036]
(F) Correction filter
The compensation filter 3 adds a gain for each frequency band output from the loudness compensation gain calculation unit 8 to the audio signal.
FIG. 9 is a configuration diagram of the correction filter, 31 is a wavelet transform operation unit, 32 is provided with a large number of gain variable amplifiers AMP1 to AMPn, and each frequency band component of the audio signal is output from the loudness compensation gain calculation unit 8. A gain variable unit 33 that multiplies and outputs the gain of the frequency band, and 33 is an inverse wavelet transform operation unit that performs inverse wavelet transform on the output signal of the gain variable amplifier unit.
[0037]
The wavelet transform calculation unit 31 performs wavelet transform on the audio signal and outputs it separately for each frequency band. The gain variable unit 32 multiplies the output signal of each frequency band by the gain of the corresponding frequency band output from the loudness compensation gain calculation unit 8. The inverse wavelet transform operation unit 33 synthesizes and outputs the signals of the respective frequency bands adjusted in gain by inverse wavelet transform. As described above, gain control is performed so that masking is compensated for each frequency band component of the input audio signal, and even in a noise environment, it is possible to bring the noise as close as possible.
[0038]
However, when the gain changes rapidly with time, the output waveform becomes discontinuous. For this reason,
G (n) = αG (n-1) + βGm
It is preferable that the gain is gradually updated by controlling the gain according to the above, so that a sudden gain change does not occur. In the above equation, G (n) is a gain characteristic at time n, G (n−1) is a gain characteristic at time (n−1), and Gm is a gain characteristic calculated by a loudness compensation gain calculation unit. Α and β are coefficients satisfying α + β = 1.
[0039]
In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to an in-vehicle audio apparatus has been described. However, the present invention is not limited to the in-vehicle audio apparatus. The present invention can be applied to home audio devices and other audio devices in addition to in-vehicle audio devices.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a noise signal and an audio signal are wavelet transformed to detect a noise level and an audio signal level for each frequency band. The level of the audio signal can be adjusted for each frequency band. Further, according to the present invention, the gain / signal level characteristics at various noise levels are stored in advance in the gain / signal level characteristics storage unit, and the gain / signal level characteristics corresponding to the noise in the actual acoustic space are selected, An appropriate gain corresponding to the audio signal level is calculated with reference to the gain / signal level characteristics, and the gain is added to the audio signal. Even in noise, music is equivalent to a quiet environment. You can enjoy etc.
[0041]
In the present invention, the acoustic system impulse response from the speaker to the observation point is measured, a coefficient corresponding to the impulse response is set in the filter to simulate the acoustic system, and the audio signal is input to the filter to input the acoustic signal. Since the system outputs the noise signal by adding the characteristics of the system and subtracting the filter output from the synthesized sound signal detected at the observation point, the vehicle changes and the gain and frequency characteristics of the amplifier and acoustic space Even if it changes, it can respond appropriately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a loudness curve.
FIG. 2 is a gain / signal level characteristic diagram;
FIG. 3 is a configuration diagram of an audio apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a method for identifying an impulse response in an acoustic space.
FIG. 5 is a configuration diagram of a loudness compensation gain calculation unit;
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a mother wavelet.
FIG. 7 is a diagram illustrating a result of frequency analysis performed by applying a window function to a sine wave.
FIG. 8 is a diagram showing a comparison of time-frequency resolution by Fourier transform, time waveform, short-time Fourier transform, and wavelet transform.
FIG. 9 is a configuration diagram of a correction filter.
FIG. 10 is a configuration diagram illustrating an example of an auto volume device.
FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an example of a loudness correction apparatus.
FIG. 12 is a diagram showing a loudness level curve such as a minimum audible value and a pure tone in a free sound field.
[Explanation of symbols]
1 audio source,
2 Volume adjustment volume,
3 correction filter,
4 amplifier,
5 Speaker,
6 Signal separation part,
7 Microphone,
8 Loudness compensation gain calculator,
9 White noise source,
10 switches,
31, 81, 82 Wavelet transform operation unit,
32 Gain variable section,
33 Inverse wavelet transform operation unit,
83 Noise level adjuster,
84 Gain / signal level characteristic selection section,
85 Frequency band gain determination unit.

Claims

In an audio device that controls the loudness of an audio signal in accordance with noise in an acoustic space,
A noise separation unit for separating a noise signal from a synthesized sound signal of audio sound and noise detected at a predetermined observation point in an acoustic space;
Gain and signal level characteristics that store the gain and signal level characteristics corresponding to the audio signal level in order to make the loudness of the audio signal equal to the audio signal loudness in a noisy environment for each noise level A storage unit;
A noise level calculation unit for calculating a noise level for each frequency band of a noise signal output from the noise separation unit by wavelet transform;
A signal level calculation unit for calculating an audio signal level for each frequency band of the audio signal by wavelet transform;
The gain / signal level characteristic according to the noise level for each frequency band calculated by the noise level calculation unit is extracted from the gain / signal level characteristic storage unit, and the gain / signal level characteristic according to the audio signal level for each frequency band. A gain determination unit for determining the gain;
A signal gain control unit for applying a gain for each frequency band determined by the gain determination unit for each frequency band component of the audio signal;
A speaker that radiates audio sound corresponding to an audio signal output from the signal gain control unit to an acoustic space ;
The signal gain controller is
A wavelet transforming unit that separates each audio signal by wavelet transforming the audio signal;
A gain multiplier for multiplying each frequency band component of the audio signal by the gain of each frequency band;
An audio apparatus comprising: an inverse wavelet transform unit that performs inverse wavelet transform on an output of each gain multiplication unit .

A measurement unit for measuring an impulse response from the speaker to the observation point;
A first filter that sets a coefficient according to the impulse direction measured by the measurement unit and simulates an acoustic system, gives an input audio signal the characteristics of the acoustic system, and outputs it;
A second filter that has the same characteristics as the signal gain control unit and corrects the output from the first filter;
The audio apparatus according to claim 1, wherein the noise separation unit separates a noise signal by calculating the synthesized sound signal and the output of the second filter.