JP5046786B2 - 擬似重低音生成装置 - Google Patents
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Description
そのため、搭載されるスピーカについても小型化される傾向にあるが、小形化に伴って十分な低音感を得ることが難しくなってきている。
“Missing fundamental”は、2つ以上の周波数の音を同時に聴くと、周波数の差分の音が聴こえるように錯覚するというものである。
以下の特許文献1には、“Missing fundamental”を利用している擬似重低音生成装置が開示されている。
即ち、擬似重低音生成装置では、スピーカの再生最低周波数f0以下の低音成分信号をピークホールドすることで奇数次高調波成分信号を生成し、その奇数次高調波成分信号を半波整流することで偶数次高調波成分信号を生成している。
例えば、現在のサンプル値がプラス側にある場合、現在のサンプル値が1サンプル前のサンプル値より小さければ、出力値が1サンプル前のサンプル値となり、現在のサンプル値が1サンプル前のサンプル値より大きければ、出力値が現在のサンプル値となる。
一方、現在のサンプル値がマイナス側にある場合、現在のサンプル値が1サンプル前のサンプル値より大きければ、出力値が1サンプル前のサンプル値となり、現在のサンプル値が1サンプル前のサンプル値より小さければ、出力値が現在のサンプル値となる。
このため、サンプル値の符号が反転する際には不連続点が生じる。これより、振幅値が急激に変化するため、安定感がなくなり、音質が劣化することがある。
図14の左側の時間波形は、50Hzの正弦波を示しており、図14の右側の時間波形は、ピークホールドにより生成された奇数次高調波成分信号を示している。
図14から明らかなように、符号が反転する際に信号が不連続になって、振幅値が急激に変化するため音質が劣化する。
図1はこの発明の実施の形態1による擬似重低音生成装置を示す構成図であり、図において、低音成分信号抽出部1は例えばローパスフィルタや、DC成分付近の音をカットするハイパスフィルタなどを用いて構成されており、入力信号I(ω,t)からスピーカの再生最低周波数f0以下の低音成分信号L(ω,t)を抽出する処理を実施する。なお、低音成分信号抽出部1は低音成分信号抽出手段を構成している。
乗算器3は方形波信号生成部2により生成された方形波信号A(ω,t)と低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号L(ω,t)を乗算し、その方形波信号A(ω,t)と低音成分信号L(ω,t)の乗算結果である偶数次高調波成分信号B(ω,t)を乗算器4及び加算器5に出力する処理を実施する。なお、乗算器3は第1の乗算手段を構成している。
加算器5は乗算器3から出力された偶数次高調波成分信号B(ω,t)と乗算器4から出力された奇数次高調波成分信号C(ω,t)を加算し、その偶数次高調波成分信号B(ω,t)と奇数次高調波成分信号C(ω,t)の加算結果である高調波成分信号D(ω,t)を出力する処理を実施する。なお、加算器5は加算手段を構成している。
低音成分信号抽出部1は、例えば、ローパスフィルタやハイパスフィルタなどを用いて構成されており、入力信号I(ω,t)からスピーカの再生最低周波数f0以下の低音成分信号L(ω,t)を抽出する。
例えば、スピーカの再生最低周波数f0が100Hzであれば、100Hz以下の低音成分信号を抽出する。
L(ω,t)=sinωt (1)
ただし、ωは角周波数、tは時間である。
ここでは、低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号L(ω,t)が正弦波となることを仮定している例を示しており、低音成分信号L(ω,t)は方形波信号生成部2及び乗算器3,4に分配される。
即ち、方形波信号生成部2は、低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号L(ω,t)の符号がプラスであれば、正の振幅値aを有し、その低音成分信号の符号がマイナスであれば、負の振幅値−aを有する方形波信号A(ω,t)を生成する。
したがって、方形波信号A(ω,t)を生成することは、奇数次高調波成分信号を生成することに相当する。
したがって、その方形波信号A(ω,t)をそのまま高調波成分信号の奇数次高調波成分として用いると、音質の劣化につながるので、この実施の形態1では、乗算器3,4及び加算器5を備えて、方形波信号A(ω,t)から低音成分信号L(ω,t)のパワーに追従している高調波成分信号の奇数次高調波成分を生成するようにしている。
図中、点線は方形波信号A(ω,t)を表し、実線は偶数次高調波成分信号B(ω,t)を表している。
乗算器3による処理は、方形波信号A(ω,t)を低音成分信号L(ω,t)で振幅変調していると考えることができるため、図2に示すように、方形波信号A(ω,t)の奇数次高調波成分を低音成分信号L(ω,t)の周波数分だけシフトして、偶数次高調波成分信号B(ω,t)を生成していると考えることができる。
図中、点線は偶数次高調波成分信号B(ω,t)を表し、実線は奇数次高調波成分信号C(ω,t)を表している。
乗算器4による処理は、偶数次高調波成分信号B(ω,t)を低音成分信号L(ω,t)で振幅変調していると考えることができるため、図3に示すように、偶数次高調波成分信号B(ω,t)の偶数次高調波成分を低音成分信号L(ω,t)の周波数分だけシフトして、奇数次高調波成分信号C(ω,t)を生成していると考えることができる。
図4の左側の時間波形は、50Hzの正弦波を示しており、図4の右側の時間波形は、乗算器4により生成された奇数次高調波成分信号C(ω,t)を示している。
図4から明らかなように、符号が反転する際の信号不連続点がなく、振幅値が急激に変化しないため、良質の音を再生することが可能である。
D(ω,t)
=B(ω,t)+C(ω,t) (5)
ただし、図5では、入力信号I(ω,t)として、50Hzの正弦波が入力されている例を表しているが、その他の周波数の正弦波が入力される場合でも同様の傾向の信号が得られる。
また、加算器5により生成される高調波成分信号D(ω,t)は、偶数次高調波成分信号B(ω,t)と奇数次高調波成分信号C(ω,t)の和信号であり、低音成分信号L(ω,t)のパワーに追従している信号となっているので、後処理としてパワー調整などを行う必要がなく、演算量の削減に寄与できるという効果が得られる。
図6はこの発明の実施の形態2による擬似重低音生成装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
DC成分カット部6は乗算器3から出力された偶数次高調波成分信号B(ω,t)に含まれているDC成分(直流成分)を除去し、DC成分除去後の偶数次高調波成分信号B’(ω,t)を加算器5に出力する処理を実施する。なお、DC成分カット部6は直流成分除去手段を構成している。
乗算器3は、上述したように、方形波信号生成部2により生成された方形波信号A(ω,t)と低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号L(ω,t)を乗算することで偶数次高調波成分信号B(ω,t)を生成しているが、その偶数次高調波成分信号B(ω,t)は、式(3)からも明らかなように、2/πのDC成分を含んでいる。
このように、偶数次高調波成分信号B(ω,t)がDC成分を含んでいる場合、本来の偶数次高調波成分に対してDC成分がプラスされた信号となるため、プラス側にクリップされ易くなり、信号がクリップされると、割れたような音になって音質が劣化することになる。
即ち、DC成分カット部6は、乗算器3から偶数次高調波成分信号B(ω,t)を受けると、フレーム単位で偶数次高調波成分信号B(ω,t)の平均値を算出する。
そして、DC成分カット部6は、上記平均値がDC成分であるとして、その偶数次高調波成分信号B(ω,t)から上記平均値を差し引くことによりDC成分を除去し、DC成分除去後の偶数次高調波成分信号B’(ω,t)を加算器5に出力する。
D’(ω,t)
=B’(ω,t)+C(ω,t) (6)
図7はこの発明の実施の形態3による擬似重低音生成装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ゲイン調整部11は例えばマンマシンインタフェースを実装しており、乗算器12により乗算される利得値の設定を受け付ける処理を実施する。
乗算器12はゲイン調整部11により設定が受け付けられた利得値を乗算器3から出力された偶数次高調波成分信号B(ω,t)に乗算することにより、その偶数次高調波成分信号B(ω,t)のゲインを調整する処理を実施する。
ゲイン調整部13は例えばマンマシンインタフェースを実装しており、乗算器14により乗算される利得値の設定を受け付ける処理を実施する。
乗算器14はゲイン調整部13により設定が受け付けられた利得値を乗算器4から出力された奇数次高調波成分信号C(ω,t)に乗算することにより、その奇数次高調波成分信号C(ω,t)のゲインを調整する処理を実施する。
なお、ゲイン調整部11,13及び乗算器12,14からゲイン調整手段が構成されている。
加算器5により生成される高調波成分信号D(ω,t)は、偶数次高調波成分信号と奇数次高調波成分信号の和信号であるが、その偶数次高調波成分信号には“暖かい音”に聴こえる特徴があり、また、その奇数次高調波成分信号には“硬い音”に聴こえる特徴がある。
そこで、この実施の形態3では、ユーザが好みの音を再生できるようにするため、偶数次高調波成分信号と奇数次高調波成分信号のゲインを調整することができるようにしている。
また、ゲイン調整部13は、乗算器14により乗算される利得値の設定を受け付け、ユーザにより設定された利得値を乗算器14に出力する。
乗算器14は、ゲイン調整部13から利得値を受けると、その利得値を乗算器4から出力された奇数次高調波成分信号C(ω,t)に乗算することにより、その奇数次高調波成分信号C(ω,t)のゲインを調整し、ゲイン調整後の奇数次高調波成分信号C’(ω,t)を加算器5に出力する。
D’(ω,t)
=B’(ω,t)+C’(ω,t) (7)
図8はこの発明の実施の形態4による擬似重低音生成装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
波形整形部7は例えばローパスフィルタから構成されており、高調波成分信号D(ω,t)に含まれている例えば4次以上の高調波成分を除去する波形整形処理を実施する。なお、波形整形部7は波形整形手段を構成している。
加算器5により生成される高調波成分信号D(ω,t)は、高次の高調波成分を含んでいるが、高次の高調波成分は、人間の耳に知覚されやすく、音質の劣化を招く場合がある。
そこで、この実施の形態4では、波形整形部7が高調波成分信号D(ω,t)に含まれている例えば4次以上の高調波成分を除去して、3次以下の高調波成分だけを出力するようにする。
また、高調波成分信号D(ω,t)をローパスフィルタである波形整形部7を通すことにより、隣り合った高調波成分に関して、次数の高い高調波成分のゲインが小さくなり、良質の音を再生することができる効果を奏する。
なお、この実施の形態4では、例えば4次以上の高調波成分を除去するものについて示したが、4次以上の高調波成分に限るものではなく、例えば、5次以上の高調波成分を除去するようにしてもよい。
図9はこの発明の実施の形態5による擬似重低音生成装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ゲイン制御部31は低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号L(ω,t)のゲインを算出し、そのゲインに応じて乗算器32により乗算される利得値を制御する処理を実施する。
乗算器32はゲイン制御部31から出力された利得値を、方形波信号生成部2により生成された方形波信号A(ω,t)に乗算することにより、その方形波信号A(ω,t)のゲインを調整する処理を実施する。
なお、ゲイン制御部31及び乗算器32からゲイン調整手段が構成されている。
第2の加算器である加算器34は加算器33の加算結果と乗算器3から出力された偶数次高調波成分信号を加算し、その方形波信号A’(ω,t)と偶数次高調波成分信号B(ω,t)と奇数次高調波成分信号C(ω,t)の加算結果である高調波成分信号D(ω,t)を出力する処理を実施する。
なお、加算器33,34は加算手段を構成している。
上記実施の形態1では、乗算器4が乗算器3から偶数次高調波成分信号B(ω,t)と低音成分信号抽出部1から出力された低音成分信号L(ω,t)を乗算することで奇数次高調波成分信号C(ω,t)を生成しているが、入力信号I(ω,t)のゲインが小さい場合、低音感を感じさせる効果が薄くなる。
この場合、高調波成分のゲインを単純に大きくすれば、低音感を感じさせる効果を高めることができるが、高調波成分を付加し過ぎると、音が割れるような音質劣化を招くことがある。
そこで、この実施の形態5では、入力信号I(ω,t)のゲインが小さい場合、次のようにして、音が割れるような音質劣化を招くことなく、低音感を感じさせる効果を高めている。
例えば、低音成分信号L(ω,t)の平均ゲインが小さい程、上限の利得値を超えない範囲で大きな利得値を乗算器32に出力するようにする。
あるいは、低音成分信号L(ω,t)の平均ゲインより所定値だけ高い値と、その平均ゲインより所定値だけ低い値とをパラメータとして所定の2次関数に代入することにより、乗算器32の利得値を求め、その利得値を乗算器32に出力するようにする。
乗算器32は、ゲイン制御部31から利得値を受けると、その利得値を方形波信号生成部2により生成された方形波信号A(ω,t)に乗算することにより、その方形波信号A(ω,t)のゲインを調整し、ゲイン調整後の方形波信号A’(ω,t)を加算器33に出力する。
加算器34は、加算器33から加算結果を受け、乗算器3から偶数次高調波成分信号B(ω,t)を受けると、その加算結果(A’(ω,t)+C(ω,t))と偶数次高調波成分信号B(ω,t)を加算することにより高調波成分信号D(ω,t)(=A’(ω,t)+B(ω,t)+C(ω,t))を生成し、その高調波成分信号D(ω,t)を出力する。
図11はこの発明の実施の形態6による擬似重低音生成装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
クリップ処理部41は低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号(ω,t)の振幅値を圧縮し、振幅値圧縮後の低音成分信号である振幅値圧縮信号を出力する処理を実施する。即ち、低音成分信号抽出部1により抽出された低音成分信号L(ω,t)の振幅値の絶対値が所定の閾値より大きければ、その低音成分信号L(ω,t)の振幅値の絶対値を上記閾値に変換するクリップ処理を実施し、クリップ処理後の低音成分信号を振幅値圧縮信号としてクリップ信号E(ω,t)を出力する処理を実施する。なお、クリップ処理部41は振幅値圧縮信号生成手段を構成している。
上記実施の形態1〜5では、方形波信号生成部2が低音成分信号L(ω,t)から方形波信号A(ω,t)を生成するものについて示したが、方形波信号A(ω,t)は、振幅値として、“a”又は“−a”のみを取る信号(稀に0を含む)である。
高調波成分信号D(ω,t)を生成する際、演算量の削減を図るために、サンプリング周波数変換を実施して、より低いサンプリング周波数で処理すると、低音成分信号L(ω,t)のゼロクロス点と方形波信号A(ω,t)のゼロクロス点がずれて、低音成分信号L(ω,t)と方形波信号A(ω,t)の位相が合わなくなり、音質の劣化につながることがある。
図12は低音成分信号L(ω,t)から方形波信号A(ω,t)を生成している例を示す説明図である。
図13はクリップ処理部41によるクリップ処理の一例を示す説明図である。
図中、(a)は低音成分信号L(ω,t)の時間波形を示し、(b)は低音成分信号L(ω,t)と閾値の関係を示し、(c)は閾値を超えている振幅値の絶対値を変換して、低音成分信号L(ω,t)の波形をクリックした結果を示している。
クリップ処理部41は、低音成分信号L(ω,t)の振幅値の絶対値が閾値以下であれば、その振幅値の絶対値を変換するクリップ処理を実施せず、閾値以下のゼロクロス点付近の振幅値が残される。このため、サンプリング周波数変換を実施して、より低いサンプリング周波数で処理しても、ゼロクロス点付近の振幅値があるため、方形波信号A(ω,t)と比べて、低音成分信号L(ω,t)とのゼロクロス点のずれが小さくなる。
一方、低音成分信号L(ω,t)の振幅値の絶対値が閾値より大きければ、図13(c)に示すように、その低音成分信号L(ω,t)の振幅値の絶対値を上記閾値に変換するクリップ処理を実施し、クリップ処理後の低音成分信号をクリップ信号E(ω,t)として出力する。
なお、クリップ処理部41が低音成分信号L(ω,t)の振幅値の絶対値と比較する閾値を小さく設定することで、方形波信号A(ω,t)と近似しているクリップ信号E(ω,t)を生成することができる。
Claims (8)
- 入力信号から低音成分信号を抽出する低音成分信号抽出手段と、上記低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号の振幅値を圧縮し、振幅値圧縮後の低音成分信号である振幅値圧縮信号を出力する振幅値圧縮信号生成手段と、振幅値圧縮信号生成手段により生成された振幅値圧縮信号と上記低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号を乗算し、上記振幅値圧縮信号と上記低音成分信号の乗算結果である偶数次高調波成分信号を出力する第1の乗算手段と、上記第1の乗算手段から出力された偶数次高調波成分信号と上記低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号を乗算し、上記偶数次高調波成分信号と上記低音成分信号の乗算結果である奇数次高調波成分信号を出力する第2の乗算手段と、上記第1の乗算手段から出力された偶数次高調波成分信号と上記第2の乗算手段から出力された奇数次高調波成分信号を加算し、上記偶数次高調波成分信号と上記奇数次高調波成分信号の加算結果である高調波成分信号を出力する加算手段とを備えた擬似重低音生成装置。
- 振幅値圧縮信号生成手段は、低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号の符号が正であれば正の振幅値を有し、上記低音成分信号の符号が負であれば負の振幅値を有する方形波信号を振幅値圧縮信号として生成することを特徴とする請求項1記載の擬似重低音生成装置。
- 振幅値圧縮信号生成手段は、低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号の振幅値の絶対値が所定の閾値より大きければ、上記低音成分信号の振幅値の絶対値を上記閾値に変換するクリップ処理を実施し、クリップ処理後の低音成分信号を振幅値圧縮信号として出力することを特徴とする請求項1記載の擬似重低音生成装置。
- 第1の乗算手段から出力された偶数次高調波成分信号に含まれている直流成分を除去し、直流成分除去後の偶数次高調波成分信号を加算手段に出力する直流成分除去手段を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の擬似重低音生成装置。
- 第1の乗算手段から出力された偶数次高調波成分信号のゲインを調整して、ゲイン調整後の偶数次高調波成分信号を加算手段に出力するとともに、第2の乗算手段から出力された奇数次高調波成分信号のゲインを調整して、ゲイン調整後の奇数次高調波成分信号を上記加算手段に出力するゲイン調整手段を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の擬似重低音生成装置。
- 加算手段から出力された高調波成分信号に含まれている所定次以上の高次の高調波成分を除去する波形整形手段を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の擬似重低音生成装置。
- 低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号のゲインに応じて、振幅値圧縮信号生成手段により生成された振幅値圧縮信号のゲインを調整するゲイン調整手段を設け、加算手段が上記ゲイン調整手段によりゲインが調整された振幅値圧縮信号と第2の乗算手段から出力された奇数次高調波成分信号を加算する第1の加算器と、上記第1の加算器の加算結果と第1の乗算手段から出力された偶数次高調波成分信号を加算する第2の加算器とから構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の擬似重低音生成装置。
- 低音成分信号抽出手段により抽出された低音成分信号のゲインに応じて、振幅値圧縮信号生成手段により生成された振幅値圧縮信号のゲインを調整するゲイン調整手段を設け、加算手段が上記ゲイン調整手段によりゲインが調整された振幅値圧縮信号と第1の乗算手段から出力された偶数次高調波成分信号と第2の乗算手段から出力された奇数次高調波成分信号とを加算する加算器から構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の擬似重低音生成装置。
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