JP4901948B2 - 音響信号補正装置および音響信号補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響信号補正装置および音響信号補正方法に関する。

人間がイヤホンで受聴する際に、イヤホンにより外耳道を塞がれるため、受聴音がこもる事が知られている。これは、イヤホンによって塞がれた外耳道内において、共鳴現象が起きるためである。

関連して特許文献１には、ヘッドホン装置において、騒音キャンセル用に予め異なる通過周波数帯域を有する複数のフィルタ特性を記憶させておき、外部から操作することにより複数のフィルタから任意の1つを選択してデジタルフィルタのフィルタ特性として設定するというノイズキャンセルヘッドフォンの設定に関する技術が記載されている。

また特許文献２には、多くの試聴音を左右それぞれ聞き、適切なＨＲＴＦを選択する技術が記載されている。更に特許文献３には、特許文献２の問題を解決するためのハードウェアに関する技術が記載されている。

しかしながら、複数の設定から１つを選ぶ機能を持つことにおいて、外耳道の特性間の関係を利用した利便性の高い選択方法は開示されていなかった。

特開２００７−１１０５３６号公報 特開平５−２５２５９８号公報 特開平８−１１１８９９号公報

本発明は、外耳道の特性間の関係を利用した共鳴現象対策のより利便性の高い選択方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の音響信号補正装置は、入力された音響信号に対してフィルタ処理を適用する信号処理手段と、フィルタ係数を保持するフィルタ係数記憶手段と、前記フィルタ係数記憶手段に記憶された複数のフィルタ係数の中から前記信号処理手段で用いるフィルタ係数を決定するフィルタ係数決定手段と、ユーザーに対してフィルタ係数決定に関する選択肢を提示し、前記ユーザーからの選択結果を得るユーザーインターフェース手段とを備え、前記フィルタ係数決定手段は前記フィルタ係数の生成に際して、外耳道音響特性の持つ一次共鳴周波数から、前記一次共鳴周波数の２倍未満の二次共鳴周波数を類推してフィルタ係数を決定することを特徴とする。

本発明によれば、外耳道の特性間の関係を利用した共鳴現象対策のより利便性の高い選択方法が得られる。

この発明の一実施形態を示す音響信号補正装置のブロック構成図。 取得した外耳道の音響特性図。 左耳におけるイヤホン装着時の共鳴周波数分布図。 右耳におけるイヤホン装着時の共鳴周波数分布図。 一次共鳴周波数の左右差の分布を示す特性図。 二次共鳴周波数の左右差の分布を示す特性図。 実施形態の音響信号補正装置の処理の流れ図。 この発明の一実施形態を示す音響装置の外観図。 この発明の他の実施形態を示す音響信号補正装置のブロック構成図。

以下、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
本発明による実施形態１を図１乃至図８を参照して説明する。
まず従来の問題として人間がイヤホンで受聴する際に、イヤホンにより外耳道を塞がれるため、受聴音がこもることが知られている。これは、イヤホンによって塞がれた外耳道内において、共鳴現象が起きるためである。ある被験者において、イヤホン筺体の開口端付近のマイクで取得した、イヤホンによって塞がれた状態の外耳道の音響特性を図２に示す。横軸は周波数を表し縦軸はゲインを表す。左右の耳において、６ｋＨｚを超える辺りに最初のピーク（以下、一次共鳴と呼ぶ）がある。１０ｋＨｚを超える辺りで、次のピーク（以下、二次共鳴と呼ぶ）がある。左右の耳において、一次共鳴の起こる周波数（以下、一次共鳴周波数）と二次共鳴のおこる周波数（以下、二次共鳴周波数）が異なっていることが分かる。

図３に、複数の被験者において、図２と同じ条件で取得した左耳の一次共鳴周波数と二次共鳴周波数の分布を示す。図４に、同じ複数の被験者の右耳の一次共鳴周波数と二次共鳴周波数の分布を示す。このように、一次共鳴周波数についてのみ述べても５．５ｋＨｚ程度から９ｋＨｚ以上へと人によって共鳴周波数が異なることが分かる。

ヘッドホン装着時の閉塞感を解消する技術として、頭外定位ヘッドホン受聴装置に関する技術が特許文献２で開示されている。個人毎に異なる伝達関数をクラスタリングすることで、効果に必要なフィルタ係数の種類を減らし、受聴者の設定の手間を減らしている。しかしながら、適切なフィルタ係数の決定のために、少なくとも１６回の試聴が必要である点が問題である。

このため、これとは別に、ヘッドホンに実装された頭部形状を計測する手段によって得られた計測データから適切なフィルタ係数を推定し、受聴者の設定の手間を減らす技術が特許文献３で開示されている。しかしながら、形状を計測するためのハードウェアが必要であり、ハードウェア実装コストが増大する。また、このようなヘッドホンが一般的なものではないという問題がある。

本実施形態は、イヤホンでの受聴時における、こもり感を解消する音響装置を簡便に実装することができる技術に関するものである。
本実施形態が基にしている技術として、特開２００９−１９４７６９（以下、文献１）がある。この文献１では、受聴者の外耳道における共鳴周波数を計測し、計測結果に基づいた音響補正を行うことで受聴音のこもり感を解消する技術が開示されている。しかしこの技術には、測定用のハードウェアが必要となる。このため、ハードウェア実装コストが増加するという問題がある。また、このようなハードウェアを一般に入手することが困難であるという問題もある。

まず、文献１に開示されている技術をより簡便な方法で実装できる理由について説明する。図３及び図４に示される計測結果によれば、一次共鳴周波数は、概ね５〜９ｋＨｚに分布していることがわかる。二次共鳴周波数は、概ね１０〜１４ｋＨｚに分布していることが分かる。

一方、高い音域に行くほど周波数分解能が粗くなることが知られている。このため、一次共鳴周波数や二次共鳴周波数のピークを抑えるためのフィルタ係数生成にあたっては、フィルタの中心周波数と共鳴周波数の間に厳密なあわせこみは必要ない。確認のため、厳密に合わせた場合と前後に５００Ｈｚ程度ずらした場合での聴感に与える影響について、一対比較方式にて試聴実験を行った。実験により、２つの間における音質の差を判別できないことを確認した。二次共鳴周波数帯域に関しては、さらに粗い精度での合わせこみで音響補正が充分可能である。以上より、一次共鳴現象の低減のため、例えば、５ｋＨｚから１ｋＨｚ刻みの５種類のフィルタを用意することで充分補正が可能である。二次共鳴現象の低減には、更に粗い精度の合わせこみで充分である。

図３と図４により、人により共鳴周波数の値は大きく異なるにしても一次共鳴周波数と二次共鳴周波数の間には、強い正の相関性がある。このため、一次共鳴周波数が高い場合には、二次共鳴周波数も高くなる。この現象に着目することで、一次共鳴と二次共鳴の両方を低減するためのフィルタ係数の種類の組み合わせは少なくなることが分かる。例えば、図３において、７ｋＨｚの一次共鳴現象が起きている人の場合には、二次共鳴現象が１２ｋＨｚ近傍で起きていることがわかる。１０ｋＨｚ以下や１３ｋＨｚを超えるような共鳴現象は殆どない。したがって、二次共鳴現象抑制のため、１１〜１３ｋＨｚの３種類を用意すれば良いことが分かる。高い帯域での受聴における周波数分解能の粗さを考慮すれば、例えば１２ｋＨｚだけの共鳴周波数の低減を目標とする共鳴抑制フィルタを用意すれば良い。

以上より、文献１で開示されている共鳴抑制用のフィルタの種類は、数種類に限定することが可能となる。数種類のフィルタを適用した音を実際に試聴することで、受聴者にあった共鳴抑制用のフィルタを決定することが可能となる。したがって、計測用の特別なハードウェアは必要ない。

図１に、この発明の一実施形態である音響信号補正装置のブロック構成図を示す。フィルタ係数記憶手段１０４、信号処理手段１０６、フィルタ係数決定手段１０８、ユーザーＩ／Ｆ１１０、出力手段１１２等からこの音響信号補正装置は構成されている。

信号処理手段１０６は、デジタルフィルタで構成され、入力される音響デジタル信号１０２に対してデジタル信号処理を適用する。信号処理手段１０６の出力は、出力手段１１２に入力される。出力手段１１２の出力先がイヤホン等、アナログ入力端子を持つものである場合には、出力手段１１２においてデジタル／アナログ変換処理が行われ、アナログ化された電気信号がイヤホンに出力される。出力手段１１２がデジタル入力を持つ音響機器に接続される場合には、デジタルデータをそのまま、電気信号、もしくは、光信号として、接続された音響機器に出力する。

フィルタ係数記憶手段１０４には、一次共鳴、あるいは、一次共鳴と二次共鳴などのより高次の共鳴現象を低減するためのフィルタ係数が複数格納されている。例えばフィルタの次数をＮとし一次共鳴と二次共鳴のフィルタ係数を格納するとすれば、フィルタ係数の格納総数は例えばＮ×２＝２Ｎ個となる。

フィルタ係数記憶手段１０４は、フィルタ係数決定手段１０８に接続されている。フィルタ係数決定手段１０８によって指定されたフィルタ係数がフィルタ係数記憶手段１０４から信号処理手段１０６にロードされる。

ユーザーＩ／Ｆ１１０では、上記フィルタ係数決定のためのユーザーへの情報提供やユーザー意思の取得などの処理が行われる。
図５は、一次共鳴周波数の左右差の分布を示す特性図である。また図６は、二次共鳴周波数の左右差の分布を示す特性図である。いずれも横軸が周波数の差で縦軸が累積人数である。

一次共鳴周波数も二次共鳴周波数も、左右差に正規性がある。また、左右差が一定の範囲におさまっていることを考慮すると、左耳の設定を行えば、右耳の設定はその近傍の周波数にすればよいという類推が可能である。これは左右逆でも同様であるので片方の耳の設定後、残りの片方の設定の手間が低減される。

図７に、本実施形態における音響信号補正装置の処理の流れを示す。まず、例えば左耳の一次共鳴周波数を調べるために、フィルタ係数決定手段１０８は、５ｋＨｚの一次共鳴を低減するフィルタ係数をフィルタ係数記憶手段１０４から信号処理手段１０６にロードする。そして、試聴用の音を音響デジタル信号１０２として信号処理手段１０６に入力し、試聴音を出力する（４４２）。ユーザーは、試聴音を聞き、自分に合う補正かどうか判断する（４４４）。判断結果は、ユーザーＩ／Ｆ１１０を経て、フィルタ係数決定手段１０８に通知される（４４６）。もし、フィルタ係数が合わない場合には、６ｋＨｚの共鳴現象を低減するフィルタ係数をフィルタ係数記憶手段１０４から信号処理手段１０６にロードする（４４６でｎｏのため、４４２へ）。同様の処理を繰り返し、左耳の一次共鳴現象を低減するのに適切なフィルタを決定する（４４６でｙｅｓ）。例えば、結果が７ｋＨｚであるとする。

一次共鳴周波数の決定の後、左耳の二次共鳴周波数を調べるために、フィルタ係数決定手段１０８は、先に決定した一次共鳴周波数７ｋＨｚに加えて、１２ｋＨｚでの二次共鳴を低減するフィルタ係数をフィルタ係数記憶手段１０４から信号処理手段１０６にロードする。これは、図３及び図４で示すように、７kＨｚの一次共鳴周波数を持つ受聴者は、二次共鳴が１２kHzを中心に、１１kHzから１３kHzに分布が集中していることを考慮しているためである。そして、試聴用の音を音響デジタル信号１０２として信号処理手段１０６に入力し、試聴音を出力する（４５０）。ユーザーは、試聴音を聞き、自分に合う補正かどうか判断する（４５２）。判断結果は、ユーザーＩ／Ｆ１１０を経て、フィルタ係数決定手段１０８に通知される（４５４）。もし、フィルタ係数が合わない場合には、１２ｋＨｚに替えて、１１ｋＨｚの共鳴現象を低減するフィルタ係数をフィルタ係数記憶手段１０４から信号処理手段１０６にロードする（４５４でｎｏのため、４５０へ）。同様の処理を行い、もし合わない場合には、１１ｋＨｚに替えて、１３ｋＨｚで同じ処理を行う。同様の処理を繰り返して、左耳の二次共鳴周波数を決定する（４５４でｙｅｓ）。例えば、結果が１３ｋＨｚであるとする。

次に、右耳の一次共鳴周波数を調べる処理を行う（４６０）。処理の流れは左耳と同じであるが、開始周波数を５ｋＨｚに替えて、７ｋＨｚとする。これは、図５で示す通り、一次共鳴周波数が左右で非常に近い性質に基づいている。もし７ｋＨｚがユーザーの耳に合わない場合には、近傍の６ｋＨｚと８ｋＨｚを調べる。これにより、ユーザーの外耳道音響特性における一次共鳴周波数から遠い試聴音を聞く手間を削減できる。

右耳の二次共鳴周波数の調査では、左耳の二次共鳴周波数の結果と右耳の一次共鳴周波数の結果から、ユーザーに提示する最初の候補を特定して開始する。左耳の二次共鳴周波数を参考にするのは、図６で示すように、二次共鳴周波数の左右の差が小さい性質を基づいている。この例では、１３ｋＨｚから開始する。１３ｋＨｚでユーザーの耳に合わない場合には、１２ｋＨｚや１１ｋＨｚを調べる。処理の流れは、左耳の処理と同様である。フィルタ係数の選定を終えた後、ユーザーは、楽曲を受聴する（４６２）。

以上より、共鳴周波数の左右差が少ないことと、一次共鳴周波数と二次共鳴周波数に正の相関性があることを利用して、ユーザーに提示する候補を絞ることができる。これにより、少ない回数で、かつ、特別なハードウェア装置を必要とすることなく、高音質の音を楽しむことが可能となる。

図１の音響信号補正装置の実装箇所については、図８の音響装置を参照して説明する。
音響信号補正装置をプレーヤ９０に内蔵する場合は、フィルタ係数決定手段１０８で導出されたフィルタ係数を用いてフィルタ処理された音響信号がイヤホンまたはヘッドホン９４に出力される。また、リモコン９２、イヤホンまたはヘッドホン９４に音響信号補正装置を内蔵してもよい。なおユーザーＩ／Ｆ１１０は、例えばリモコン９２からの、ユーザーによる外部からの操作に対応する。ユーザーＩ／Ｆ１１０は、プレーヤ９０のユーザーＩ／Ｆを使用する構成にしても良い。

周波数の選択は、各周波数の音を順に鳴らしそのタイミングでユーザーがリモコン９２の決定ボタンを押すように構成しても良い。またプレーヤ９０またはリモコン９２に周波数の選択の表示画面を出し、ユーザーがリモコン９２でカーソルを動かして決定ボタンを押すように構成しても良い。

（実施形態２）
本発明による実施形態２を図２乃至図９を参照して説明する。実施形態１と共通する部分は説明を省略する。
実施形態１と比較してフィルタ係数を保持するのではなく、図９に示すように一次共鳴及び二次共鳴等のより高次の共鳴現象を低減するためのフィルタの周波数特性をフィルタ係数決定手段１０８ａで決定する。決定した周波数特性に従って、フィルタ係数決定手段１０８ａがフィルタ係数を導出し、導出したフィルタ係数を信号処理手段１０６に出力する。信号処理手段１０６は、設定されたフィルタ係数を用いて、音響信号に対してフィルタ処理を行う。出力手段１１２を通じて、受聴のための信号をイヤホンに出力する。

実施形態１と比較して、フィルタ係数を保持するためのメモリを低減できる。また必要に応じてフィルタ係数をより正確に算出できる。
（実施形態３）
本発明による実施形態３を図２乃至図８および図１又は図９を参照して説明する。実施形態１、２と共通する部分は説明を省略する。
一次共鳴周波数と二次共鳴周波数の両方を同時に補正するフィルタを生成し、ユーザーに試聴させる形態にしても良い。例えば、一次共鳴として７ｋＨｚ、二次共鳴として１２ｋＨｚを補正するフィルタ等である。試聴回数をより少なくする効果が期待できる。

以上の実施形態の効果として、測定のためのハードウェアを必要とせず、イヤホン装着時の閉塞共鳴による音のこもり感が低減され、高音質な音を楽しむことが可能となる。

ユーザーにとって簡便な方法で適切な音響補正フィルタを選択することが可能となる。即ち、人によって異なる閉塞時の共鳴周波数に対して、用意するフィルタ係数の種類の数を抑えつつ、こもり感を抑制する音響装置の実装が可能となる。

（実施形態のポイント）
（１）イヤホンで受聴する機能を有し、イヤホン装着による外耳道閉塞時の共鳴現象に起因する特定周波数のピーク現象を低減するためのフィルタ処理を行うデジタル信号処理手段を有し、前記デジタル信号処理手段に用いるフィルタ係数を保持する記憶手段を有し、前記記憶手段に記憶された複数のフィルタ係数の中から前記デジタル信号処理手段に用いるフィルタ係数を決定するフィルタ係数決定手段を有し、前記フィルタ係数決定手段は、選択された１つの特徴量から残りの特徴量を類推し、前記デジタル信号処理手段に用いるフィルタ係数を決定することを特徴とする音響装置。

（２）前記1つの特徴量が左右の耳のどちらかの特性であり、残りの特徴量が前記左右の耳の他方の特性であることを特徴とする（１）の音響装置。
（３）前記１つの特徴量が一次共鳴周波数であり、残りの特徴量が二次以上の共鳴周波数であることを特徴とする（１）、（２）の音響装置。
（４）前記記憶手段に記憶された複数のフィルタ係数が、あらかじめ取得された複数の人の特性から決定されたフィルタ係数であることを特徴とする（１）〜（３）の音響措置。

（５）記憶手段ではなく、フィルタ生成手段を持つ（１）〜（４）の音響装置。
実施形態では概要として、イヤホンで受聴する機能を有し、イヤホン装着による外耳道閉塞時の共鳴現象に起因する特定周波数のピーク現象を低減するためのフィルタ処理を行うフィルタ係数を保持する記憶手段を有し、前記記憶手段に記憶された複数のフィルタ係数の中から前記デジタル信号処理手段に用いるフィルタ係数を決定するフィルタ係数決定手段を有し、前記フィルタ係数決定手段は、選択された１つの特徴量から残りの特徴量を類推し、前記デジタル信号処理手段に用いるフィルタ係数を決定することを特徴とする音響装置を説明した。

即ち選択された一つの特徴量から、他の特徴量を推定し、フィルタ係数を決定する点に特徴がある。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係わる構成要素を適宜組み合わせても良いものである。

１０４…フィルタ係数記憶手段、１０６…信号処理手段、１０８、１０８ａ…フィルタ係数決定手段、１１０…ユーザーＩ／Ｆ（インターフェース）、１１２…出力手段、９０…プレーヤ、９４…イヤホンまたはヘッドホン、９２…リモコン。

Claims (5)

1. 入力された音響信号に対してフィルタ処理を適用する信号処理手段と、
   フィルタ係数を保持するフィルタ係数記憶手段と、
   前記フィルタ係数記憶手段に記憶された複数のフィルタ係数の中から前記信号処理手段で用いるフィルタ係数を決定するフィルタ係数決定手段と、
   ユーザーに対してフィルタ係数決定に関する選択肢を提示し、前記ユーザーからの選択結果を得るユーザーインターフェース手段とを備え、
   前記フィルタ係数決定手段は前記フィルタ係数の生成に際して、外耳道音響特性の持つ一次共鳴周波数から、前記一次共鳴周波数の２倍未満の二次共鳴周波数を類推してフィルタ係数を決定することを特徴とする音響信号補正装置。
2. 前記フィルタ係数記憶手段に記憶された複数のフィルタ係数が、あらかじめ取得された複数の人の特性から決定されたフィルタ係数であることを特徴とする請求項１に記載の音響信号補正装置。
3. 入力された音響信号に対してフィルタ処理を適用する信号処理手段と、
   前記信号処理手段で用いるフィルタ係数を生成するフィルタ係数生成手段と、
   ユーザーに対してフィルタ係数決定に関する選択肢を提示し、前記ユーザーからの選択結果を得るユーザーインターフェース手段とを備え、
   前記フィルタ係数生成手段は前記フィルタ係数の生成に際して、外耳道音響特性の持つ一次共鳴周波数から、前記一次共鳴周波数の２倍未満の二次共鳴周波数を類推してフィルタ係数を生成することを特徴とする音響信号補正装置。
4. 更に前記信号処理手段からの前記音響信号を受聴するためのイヤホンを具備したことを特徴とする請求項１または３に記載の音響信号補正装置。
5. 音響信号補正装置で実行される音響信号補正方法であって、
   選択手段が、外部からの指示に基づいて、外耳道音響特性における特定周波数に関る一次共鳴周波数を選択する選択ステップと、
   フィルタ生成手段が、選択されたある前記一次共鳴周波数から前記一次共鳴周波数の２倍未満の二次共鳴周波数を類推してフィルタを生成するフィルタ生成ステップと、
   信号処理手段が、音響信号を入力しこの音響信号を補正して出力する際に、前記特定周波数を低減するよう働くフィルタ処理を行うフィルタ処理ステップと、
   を有することを特徴とする音響信号補正方法。

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