JP4915773B2 - 伝達特性測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝達特性測定方法および装置に関し、特に、Ｓ／Ｎ（エスエヌ）比を向上させることができる伝達特性測定方法および装置に関する。

アコースティックピアノでは、弦を押さえているダンパーをダンパーペダルで弦から外す操作を行い、実際に弾かれた弦だけでなく他の全ての弦を共鳴によって振動させる演奏手法がとられる。電子ピアノや電子オルガン等の電子楽器において、このダンパーペダル操作による弦共鳴音を模擬する機能が要求されることがある。この弦共鳴音を模擬するために、例えば、通常の楽音をリバーブと呼ばれる残響付加回路に入力し、ダンパーペダルを踏み込んだ時に残響付加回路の出力に基づく残響音を発生させることが行われている。

この残響音発生においては、アコースティックピアノの弦の配置や実際に演奏される空間の形状などによって異なる反射や干渉を考慮して信号のデジタル処理を行うことが望ましい。そこで、インパルス応答を測定し、その測定結果を利用することが行われる。

ホールなどの音響空間のインパルス応答を測定する場合、暗騒音が大きいと１回の測定では十分なＳ／Ｎ比がとれないことがある。そこで、測定信号（例えば、インパルス）を等間隔で複数回発生し、その応答を各信号発生間隔で同期をとって加算し、平均する方法がとられる。この方法による処理は同期加算処理と呼ばれ、再現性のある測定信号のみが加算されて増幅され、ランダムに発生されるノイズ成分は加算されることによって減衰し、結果的にＳ／Ｎ比を向上させることができる。

インパルス応答結果は電子ピアノだけでなく、オーディオ機器に広く利用されている。例えば、特開２０００−０９７７６３号公報には、同期加算処理をするサラウンド効果に適したインパルス応答の収集方法が記載されている。また、特開平１０−２１０５９２号公報には、スピーカからマイクロホンへの音の回り込みによって生じるハウリングを検出するハウリング検出器において、音響系のインパルス応答の計測開始から所定値減衰までの時間に基づいてハウリング発生の有無を検出するものが記載されている。
特開２０００−０９７７６３号公報 特開平１０−２１０５９２号公報

上記同期加算処理は無相関な暗騒音を低減するのには有効である。しかし測定信号を等間隔で発生させるので、測定信号の発生周期がちょうど整数倍となる信号発生間隔である定常信号は全く低減できない。例えば、エアコンや測定機材などが発する周期的なノイズは低減できないことがある。その結果、十分なＳ／Ｎ比が確保できなかったり、その周期的なノイズを測定信号の一部であると誤ってしまったりするという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、暗騒音だけでなく周期的なノイズをも低減してインパルス応答等のＳ／Ｎ比を向上させることができる伝達特性測定方法および装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決し、目的を達成するための本発明は、音場が形成される空間内に複数回発音された測定音を収音し、該測定音を表す収音信号を前記測定音の発音間隔で同期をとって加算および平均し、該加算平均した結果を前記音場の伝達特性として記録する伝達特性測定方法において、前記測定音が予定時間ずつ変化させた発音間隔で発音される点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記測定音の発音間隔を予定時間ずつ増加させる方向に変化させる点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記測定音がインパルス信号によって生成されている点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、前記発音間隔の変化に対応する予定時間が、予め設定した減衰目標周波数帯域における上限周波数の１周期分より短くなるように設定される点に第４の特徴がある。

またさらに、本発明は、前記測定音の発音回数は、前記発音間隔の変化に対応する予定時間との積が、予め設定した減衰目標周波数帯域における下限周波数の１周期分より長くなるように設定される点に第５の特徴がある。

第１〜第５の特徴を有する本発明では、インパルス信号等によって生成された測定音が予定時間ずつ増加または減少する方向に変化する発音間隔で音場に発音され、該測定音の収音信号を発音間隔に同期させて加算・平均して伝達特性を得る。このように、等間隔ではなく、予定した時間ずつずらされていく発音間隔を使用することによって、周期的でない暗騒音だけでなく、モータやポンプなど、周期が一定しているノイズも低減され、収音信号のＳ／Ｎ比が向上され、精度のよい伝達特性を測定することができる。

第３の特徴を有する本発明では、インパルス信号に対するインパルス応答を伝達特性として取得することができる。

第４の特徴を有する本発明では、複数回の測定音発生間隔の増分よりも長い波長を有するノイズを減衰することができる。

第５の特徴を有する本発明では、複数回の測定音発生間隔の増分の総和、すなわち測定開始から終了までの測定音発生間隔のずらし量を、ノイズの周波数の１周期分より長くすることにより、同期加算によって該ノイズを減衰させることができる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係るインパルス応答測定装置のハードウェア構成を示すブロック図である。同図において、ＣＰＵ１は、システムバス２を介して図中に示した各部を制御する。システムバス２は、アドレスバス、データバスおよび制御信号ラインからなる。ＲＯＭ３はＣＰＵ１において用いられるプログラムを記憶するプログラムメモリ３ａや少なくとも測定音データを含む各種データを記憶するデータメモリ３ｂを有している。ＲＡＭ４はＣＰＵ１による制御において発生する各種のデータ等を一時的に記憶する。操作スイッチ５ａを含む各種状態設定のためのスイッチ等を備えた操作パネル５が設けられ、この操作パネル５から設定された情報はＣＰＵ１に供給される。

収音システム６は、ホール等の測定空間でインパルス応答を測定するシステムである。収音システム６で収音されたインパルス応答はＡ／Ｄ変換器７でデジタルデータに変換される。このデジタルデータは、波形収音・再生部８に入力されて記憶される。

波形メモリ９には、測定音波形データが格納されている。波形収音・再生部８は、波形メモリ９から測定音波形を読み出し、測定信号を生成する。生成された測定信号はＤ／Ａ変換器１０を介してアナログ信号に変換され、サウンドシステム１１に供給される。サウンドシステム１１は、アンプやスピーカ等から構成されており、Ｄ／Ａ変換器１０の出力信号を外部に発音させる。

次に、インパルス応答測定装置の要部機能について説明する。図１は、インパルス応答測定装置の要部機能を示すブロック図である。図１において、収音システム６は音場すなわち測定空間１２に配置されたマイクロフォン１４からなる。マイクロフォン１４は、例えば、ダミーヘッドに装着される。測定信号発生部１５はスピーカ１３に入力するインパルス信号を発生する。なお、本実施形態では、インパルス信号として時間伸長パルス（Time Stretched Pulse:TSP信号）を用いている。ＴＳＰ信号はインパルスのエネルギを時間軸に分散させたパルスである。

測定信号発生間隔つまりＴＳＰ信号発生間隔は、測定信号発生間隔制御部１６で予定時間ずつ変化するように制御される。ここでは、ＴＳＰ信号が増加するように制御される例を説明する。測定信号発生指示部１７は、測定信号発生間隔制御部１６で制御されたＴＳＰ信号発生間隔で、測定信号発生部１５にＴＳＰ信号発生指示を入力する。測定信号発生部１５はこのＴＳＰ信号発生指示を受けてＴＳＰ信号を発生する。スピーカ１３は、測定信号発生部１５で発生されたＴＳＰ信号に基づく音声つまり測定音を発音する。

測定信号発生指示部１７がＴＳＰ信号発生指示を出力するのと同期して、収録指示部１８が測定音の収録指示を発生する。被測定信号収録部１９にはマイクロフォン１４が接続されており、収録指示部１８からの収録指示に応答してマイクロフォン１４の出力波形を取り込む。この出力波形は発音された測定音の収音結果であり、測定空間１２の伝達特性の影響を含むものである。

畳み込み演算部２０は、マイクロフォン１４から取り込んだ出力波形に逆ＴＳＰ信号発生部２１から入力される逆ＴＳＰ信号（ＴＳＰ逆フィルタ）を畳み込む。この畳み込み演算によってインパルス応答が得られる。ＴＳＰ信号は測定信号発生間隔制御部１６で決定された間隔で多数回出力され、これに対するインパルス応答がバッファ２２に記憶される。バッファ２２に記憶されるインパルス応答は、同期加算演算部２３に入力され、ＴＳＰ信号発生間隔で同期をとって加算され、さらに平均化される。

ＴＳＰ信号を等間隔で発生させてその収音結果を同期加算した場合、暗騒音は低減できるが、周期性のあるノイズは低減できない可能性がある。そこで、本実施形態ではＴＳＰ信号の発生間隔が等間隔にならないように、発生毎に増分を付加したＴＳＰ信号発生間隔を設定した。こうして、間隔をずらせてＴＳＰ信号を発生すると、同期加算されたインパルス応答には、全く減衰されないノイズが含まれなくなる。

図３は、インパルス応答測定処理のフローチャートである。図３を参照して上記インパルス応答測定装置を説明する。図３において、ステップＳ１では、測定信号発生間隔制御部１６にＴＳＰ信号発生間隔の初期値（基本間隔）Ｌを設定する。ステップＳ２では、基本間隔Ｌに付加する増分Ｉを設定する。ステップＳ３では、バッファ２２をクリアして初期化する。ステップＳ４では、変数Ｎに「１」を設定する。

ステップＳ５では、収録指示部１８からの収録指示に応答して、マイクロフォン１４から出力される測定音の応答信号（ＴＳＰ応答）である波形データの取り込みが開始される。ステップＳ６では、測定信号発生指示部１７からの指示により測定信号発生部１５でＴＳＰ信号を発生させる。ステップＳ７では、被測定信号としてマイクロフォン１４の出力波形データの取り込みを終了する。

ステップＳ８では、予定した波形データの取り込みは終了したか、つまり予定した回数分のＴＳＰ応答を測定したか否かが判断される。ステップＳ８が否定ならば、ステップＳ９に進んで待ち時間Ｔを計算する。待ち時間Ｔは次のＴＳＰ信号発生までの時間つまりＴＳＰ信号発生間隔である。待ち時間Ｔは次式（１）で計算される。Ｔ＝Ｌ＋Ｉ×（Ｎ−１）……（式１）。ステップＳ１０では、時間Ｔが経過するまで、ＴＳＰ信号の発生を待機する。

時間Ｔの経過後、ステップＳ１１に進み、測定回数Ｎをインクリメントする。ステップＳ１２では、取り込んだＴＳＰ応答にＴＳＰ逆フィルタを畳み込んでインパルス応答を計算する。ステップＳ１３では、インパルス応答（波形データ）を同期加算処理部２３でそれまでに取り込んだインパルス応答に加算する。

ＴＳＰ信号の測定を予定回数行ったならば、ステップＳ８は肯定となってステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、ステップＳ１３で加算演算処理された波形データを測定回数Ｎで除算して平均化する。ステップＳ１５では、波形データの除算結果が出力される。

ＴＳＰ信号発生間隔の決定手法を説明する。同期加算によってノイズを減衰させるためには、複数回のＴＳＰ信号発生間隔の増分の総和、すなわち測定開始から終了までのＴＳＰ信号発生間隔のずらし量が、ノイズの周波数の１周期分必要である。サンプリング周波数ｆｓを４８キロヘルツ（ｋＨｚ）とすると２０ヘルツ（Ｈｚ）のノイズは２４００ポイントに相当する。

増分Ｉが周期の整数倍に相当する周波数のノイズは全く減衰されない。そのため、ノイズのすべての周波数成分を減衰させるためには、増分Ｉを１ポイントとするのがよい。しかし、増分Ｉを１ポイントとして２０Ｈｚのノイズを減衰させるためにはＴＳＰ信号発生回数を２４００回としなければならないので、実際的ではない。

したがって、減衰させるノイズの周波数を限定して増分Ｉを設定することとし、本実施形態では、２０Ｈｚ〜３ｋＨｚを減衰させるノイズの周波数範囲とした。サンプリング周波数ｆｓ＝４８ｋＨｚとすると、３ｋＨｚの周期は１６ポイントとなるので、増分Ｉを１６ポイントとすれば、３ｋＨｚのノイズは減衰されないが、それより低い周波数のノイズは減衰させることができる。２０Ｈｚ２４００ポイントの信号を１６ポイントの増分でカバーする場合、２４００／１６＝１５０と計算され、１５０回のＩＴＳＰ信号発生回数となる。なお、基本間隔Ｌは、ＴＳＰ信号長と無音部分とを合わせて２秒となるように設定した。

上述のように設定した条件でＴＳＰ信号を発生させ、収音した結果を同期加算して無音部分のＦＦＴを行ったところ、ノイズ成分は１０〜２０デシベル（ｄＢ）低減できていた。但し、３ｋＨｚの倍数である３ｋＨｚ、６ｋＨｚ、９ｋＨｚ等の周波数を有するノイズ成分は低減できなかったが、これは設定のとおりの結果である。

図４は、本実施形態によるインパルス応答測定装置によるノイズ成分の減衰効果を検証した実験結果の模式図である。この実験では、ＴＳＰ信号波形に所定周波数の正弦波を小振幅で重畳し、これを同期加算して無音部分のＲＭＳ（実効値）を測定して、正弦波がどの程度低減するかを調べた。図４において、横軸は周波数、縦軸はＲＭＳをそれぞれ示す。重畳する正弦波は４０Ｈｚ〜１２ｋＨｚの間で変化させた。図４において、重畳させた正弦波の周波数が低い領域では、該正弦波が減衰しているのが分かる。正弦波の周波数が高くなるにつれて、減衰の程度が小さくなっていく傾向がある。この例でも、３ｋＨｚ、６ｋＨｚ、１２ｋＨｚ等、３ｋＨｚの倍数の周波数では正弦波は全く減衰していない。

図５は、ＴＳＰ信号発生間隔を変化させない従来の方法によるノイズ成分の減衰効果を示す模式図である。この図に示すように、従来の方法では、正弦波が減衰されない周波数が測定範囲の全帯域にわたって多数存在しているのが分かる。

図４と図５との対比から、本実施形態のインパルス応答測定装置は、周期的なノイズの低減に有効であることが分かる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、種々変形可能である。例えば、ＴＳＰ信号発生間隔は、基本間隔Ｌに増分Ｉを加える方向に変化させるのではなく、基本間隔Ｌから予定時間ずつ減少させる方向に変化させるのであってもよい。

また、ＴＳＰ信号発生間隔をリアルタイムで演算して変化させていくのに代えて、徐々に変化していく間隔を有する多数のＴＳＰ信号を含む波形データを予め形成しておき、この波形データに基づく音声をスピーカから発生させるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係るインパルス応答測定装置の要部機能を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るインパルス応答測定装置のハード構成を示すブロック図である。 インパルス応答測定装置の動作を示すフローチャートである。 本実施形態によるインパルス応答測定装置によるノイズ成分の減衰効果を検証した実験結果の模式図である。 従来の方法によるノイズ成分の減衰効果を示す模式図である。

符号の説明

１…ＣＰＵ、 ６…収音システム、 ８…波形収音・再生部、 １２…測定空間、 １５…測定信号発生部、 １６…測定信号発生間隔制御部、 ２３…同期加算演算部

Claims (6)

1. 音場が形成される空間内に複数回発音された測定音を収音し、該測定音を表す収音信号を前記測定音の発音間隔で同期をとって加算および平均し、該加算平均した結果を前記音場の伝達特性として記録する伝達特性測定方法において、
   前記測定音が予定時間ずつ変化させた発音間隔で発音されるとともに、
   前記発音間隔の変化に対応する予定時間が、予め設定した減衰目標周波数帯域における上限周波数の１周期分より短くなるように設定され、
   前記測定音の発音回数は、前記発音間隔の変化に対応する予定時間との積が、予め設定した減衰目標周波数帯域における下限周波数の１周期分より長くなるように設定されることを特徴とする伝達特性測定方法。
2. 前記測定音の発音間隔を予定時間ずつ増加させる方向に変化させることを特徴とする請求項１記載の伝達特性測定方法。
3. 前記測定音がインパルス信号によって生成されていることを特徴とする請求項１または２記載の伝達特性測定方法。
4. 音場が形成される空間内に測定音を発音する測定音発音手段と、発音された前記測定音の収音手段とを含む伝達特性測定装置において、
   予定の発音間隔で測定音を複数回発音させる指示を前記測定音発音手段に与える測定音発生指示手段と、
   前記発音間隔を予定時間ずつ変化させるように制御する測定音発生間隔制御手段と、
   前記収音手段で収音された複数回の収音信号を前記発音間隔で同期をとって加算および平均する演算手段と、
   前記演算手段で演算された結果を前記音場の伝達特性として記録する記憶手段とを具備し、
   前記発音間隔の変化に対応する予定時間が、予め設定した減衰目標周波数帯域における上限周波数の１周期分より短くなるように設定され、
   前記測定音の発音回数は、前記発音間隔の変化に対応する予定時間との積が、予め設定した減衰目標周波数帯域における下限周波数の１周期分より長くなるように設定されるることを特徴とする伝達特性測定装置。
5. 前記測定音発生間隔制御手段が、発音間隔を予定時間ずつ増加方向に変化させるように制御するように構成されていることを特徴とする請求項４記載の伝達特性測定装置。
6. 前記測定音がインパルス信号によって生成されていることを特徴とする請求項４または５記載の伝達特性測定装置。

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