JP5074115B2 - 音響信号処理装置及び音響信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、スピーカによって再生されるべき入力音響信号を信号処理する音響信号処理装置及び音響信号処理方法に関する。

携帯電話等では、装置の大きさを小型にすることが求められており、装置に内蔵されるスピーカも小型にする必要性が生じている。しかし、小型のスピーカには、低音の再生が十分に出来ないという問題がある。この問題を解決するために小型のスピーカでは再生が十分に出来ない低音の代わりに低音の倍音を再生して、低音を再現することが行われている。ある周波数の音の倍音（ある周波数の整数倍の周波数の音）を含む音が聞こえている場合には、ある周波数の音が含まれていなくても、人間にはある周波数の音が含まれているように聞こえることがミッシングファンダメンタル現象として知られている。それ故、低音の代わりに低音の倍音を再生することにより、実際には再生されていない低音が再生されているように聞こえるようになる。

特許文献１には、指向性の制御の困難な低音の代わりに低音の倍音を用いることにより、スピーカから再生される音の指向性を制御する装置が記載されている。この装置では、スピーカによって再生される音響信号に対して高速フーリエ変換処理を行い、音響信号の基本周波数を検出している。そして、検出した基本周波数の倍音を強調してスピーカから再生している。

また、特許文献２には、スピーカによって再生される音響信号の奇数次高調波を音響信号に加算することにより、低音を容易に認知させることが可能な装置が記載されている。この装置では、スピーカによって再生される音響信号に対して高速フーリエ変換処理及び変調処理を行い、音響信号の奇数次高調波成分を生成している。そして、生成した奇数次高調波成分を音響信号に加算してスピーカから再生している。
特開２００６−２２２６７０号公報 特開２００４−１５１２２５号公報

上記した特許文献１に記載の装置においては、指向性の制御の困難な低音の代わりに低音の倍音を用いることにより、スピーカから再生される音の指向性を制御している。この装置は大型のスピーカから再生される音の指向性の制御に用いられるものであり、低音の再生が十分に出来ない小型のスピーカに適用されるものではない。また、特許文献２に記載の装置においては、音響信号に対して高速フーリエ変換処理を行うことにより奇数次高調波を生成している。そして、生成した奇数次高調波を音響信号に加算することにより、低音を容易に認知させることを可能にしている。しかし、この装置では出力電力を増やすことなくスピーカから再生される音の音量を上げることは出来ない。また、特許文献１及び特許文献２に記載の装置では、高速フーリエ変換処理を行っているため処理が膨大になってしまう。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、小型のスピーカにおいても出力電圧を増やすことなく音量を上げることができる音響信号処理装置及び音響信号処理方法を提供することを目的とする。

本発明の音響信号処理装置は、スピーカによって再生されるべき入力音響信号を信号処理する音響信号処理装置であって、入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成する倍音生成手段と、入力音響信号に倍音を合成した倍音合成音響信号を生成する合成手段と、倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び所定の高音遮断周波数以上の高音成分を遮断した出力音響信号を生成するフィルタ手段と、スピーカの出力特性に応じて低音遮断周波数及び高音遮断周波数を設定する遮断周波数設定手段と、を有し、前記倍音生成手段は、前記スピーカの出力特性に応じて生成する倍音の次数及びその次数毎のレベルを設定することを特徴とする。

本発明の音響信号処理方法は、スピーカによって再生されるべき入力音響信号を信号処理する音響信号処理方法であって、入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成する倍音生成ステップと、入力音響信号に倍音を合成した倍音合成音響信号を生成する合成ステップと、倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び所定の高音遮断周波数以上の高音成分を遮断した出力音響信号を生成するフィルタステップと、スピーカの出力特性に応じて低音遮断周波数及び高音遮断周波数を設定する遮断周波数設定ステップと、を有し、前記倍音生成ステップは、前記スピーカの出力特性に応じて生成する倍音の次数及びその次数毎のレベルを設定することを特徴とする。

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係る音響信号処理装置の実施例を示している。音響信号処理装置１は、スピーカ２によって再生されるべき入力音響信号を信号処理するものである。音響信号処理装置１により信号処理された入力音響信号は、スピーカ２に入力されて再生が行われる。スピーカ２は、例えば、携帯電話等の携帯機器に搭載されるスピーカであり、ダイナミック型、コンデンサ型、圧電型等種々の方式のスピーカを用いることが出来る。

音響信号処理装置１に入力された入力音響信号は、倍音生成手段１１と合成手段１２に入力される。倍音生成手段１１は、入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成するものである。低音遮断周波数の値は、スピーカ２の出力特性に応じて設定される。低音成分の倍音を生成する方法としては、ローパスフィルタにより入力音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分を抽出して、抽出した低音成分を全波整流する方法等を用いることが出来る。生成される倍音の特性（倍音の次数及びその次数毎のレベル）は、スピーカ２の出力特性に応じて設定される。合成手段１２は、入力音響信号に倍音生成手段１１が生成した倍音を合成した倍音合成音響信号を生成する。

イコライザ１３は、倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び高音遮断周波数以上の高音成分を遮断（減衰する意味も含む）した出力音響信号を生成する。低音遮断周波数及び高音遮断周波数の値は、スピーカ２の出力特性に応じて設定される。尚、イコライザ１３がフィルタ手段に該当する。オートゲインコントローラ１４は、出力音響信号を所定の利得で増幅する。オートゲインコントローラ１４の利得の値は、スピーカ２の出力特性に応じて設定される。オートゲインコントローラ１４の利得は、出力音響信号の周波数に応じて変化するように周波数依存特性をもたせてもよく、また、出力音響信号の周波数に依存せず一定の値にしてもよい。尚、オートゲインコントローラ１４が増幅手段に該当する。ボリューム制御部１５は、オートゲインコントローラ１４により増幅された出力音響信号を、設定された音量に変更してスピーカ２に出力する。

制御部１６は、倍音生成手段１１、イコライザ１３及びオートゲインコントローラ１４に対する制御を行うものである。制御部１６は、例えば、図２に示す設定マップに従って、低音遮断周波数、高音遮断周波数、生成される倍音の特性及びオートゲインコントローラ１４の利得を設定する。低音遮断周波数、高音遮断周波数、倍音の特性及びオートゲインコントローラ１４の利得は、スピーカ２の出力特性によって決められる。図２の設定マップには、スピーカ毎に、低音遮断周波数、高音遮断周波数、倍音の特性及びスピーカの最大出力が記述されている。図２の設定マップに記述されている低音遮断周波数、高音遮断周波数、倍音の特性及びスピーカの最大出力は、スピーカの出力特性に応じてその値が決められている。図３は、入力音響信号に含まれる周波数とスピーカ２で再生可能な周波数を示している。実線が入力音響信号に含まれる周波数を、点線がスピーカ２で再生可能な周波数を示している。図３に示すように、スピーカ２が再生可能な周波数の範囲は、入力音響信号に含まれる周波数の範囲よりも狭い範囲である。図２の設定マップに記述されている低音遮断周波数の値は、スピーカ２が再生を十分に行うことが出来る周波数範囲の下限の周波数、例えば、図３のｆ０の値に設定される。高音遮断周波数は、スピーカ２が再生を十分に行うことが出来る周波数範囲の上限の周波数、例えば、図３のｆ１の値に設定される。生成される倍音の次数は、生成される倍音の周波数が、スピーカ２が再生を十分に行うことが出来る周波数範囲、例えば、図３のｆ０〜ｆ１の間の周波数範囲に含まれるように決められる。倍音の次数毎のレベルは、スピーカから再生される音の音質が適切な音質になるように決められる。オートゲインコントローラ１４の利得は、増幅後の出力音響信号の音量がスピーカ２の最大出力を越えないように設定される。オートゲインコントローラ１４の利得は、出力音響信号の周波数に応じて変化するように設定してもよい。尚、制御部１６が遮断周波数設定手段に該当する。図２に示す設定マップは、音響信号処理装置１に内蔵されているメモリ（図示せず）に記憶される。

次に、音響信号処理装置１の動作を説明する。ここでは、音響信号処理装置１に入力される入力音響信号が図３の実線に示すものであるとする。また、音響信号処理装置１に接続されているスピーカ２が再生可能な周波数は図３の点線に示すようになっているとする。尚、音響信号処理装置１に接続するスピーカ２の出力特性に応じて、図２に示すような設定マップが予め設定されているとする。

入力音響信号は、倍音生成手段１１と合成手段１２に入力される。倍音生成手段１１は、入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成する。低音遮断周波数は、図２に示す設定マップに従いスピーカ２の出力特性に応じた値が設定される。ここでは、図２に示す設定マップの「スピーカＡ」の行の「２００Ｈｚ」が低音遮断周波数として設定されているとする。尚、低音遮断周波数の「２００Ｈｚ」は、図３ではｆ０に該当する。また、生成する倍音の次数は、図２に示す設定マップに従いスピーカ２の出力特性に応じた値が設定される。ここでは、図２に示す設定マップの「スピーカＡ」の行の「２」及び「３」が倍音の次数として設定されているとする。また、倍音の次数「２」に対応するレベルとして「３」が、倍音の次数「３」に対応するレベルとして「１」が設定されているとする。この場合、倍音としては、低音成分の周波数の２倍の周波数と３倍の周波数をもつ音が生成される。また、低音成分の周波数の２倍の周波数をもつ音と
３倍の周波数をもつ音のレベルの比が、「３：１」になるように倍音が生成される。倍音生成手段１１は、入力音響信号に含まれる低音遮断周波数ｆ０（２００Ｈｚ）以下の低音成分の２倍の周波数と３倍の周波数をもつ音を倍音として生成する。このとき生成される倍音の例を図４に示す。生成される倍音は、スピーカ２が再生を十分に行うことが出来る周波数範囲であるｆ０〜ｆ１の範囲内に含まれている。合成手段１２は、入力音響信号に倍音生成手段１１が生成した倍音を合成して倍音合成音響信号を生成する。入力音響信号に倍音を合成した倍音合成音響信号の例を図５に示す。

合成手段１２が合成した倍音合成音響信号は、イコライザ１３に入力される。そして、イコライザ１３は、倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び高音遮断周波数以上の高音成分を遮断した出力音響信号を生成する。低音遮断周波数及び高音遮断周波数は、図２に示す設定マップに従いスピーカ２の出力特性に応じた値が設定される。ここでは、図２に示す設定マップの「スピーカＡ」の行の「２００Ｈｚ」が低音遮断周波数として設定されているとする。また、図２に示す設定マップの「スピーカＡ」の行の「１５０００Ｈｚ」が高音遮断周波数として設定されているとする。尚、低音遮断周波数の「２００Ｈｚ」は図３ではｆ０に、高音遮断周波数の「１５０００Ｈｚ」は図３ではｆ１に該当する。イコライザ１３は、倍音合成音響信号から低音遮断周波数ｆ０（２００Ｈｚ）以下の低音成分及び高音遮断周波数ｆ１（１５０００Ｈｚ）以上の高音成分を遮断して出力音響信号を生成する。図５に示す倍音合成音響信号から低音遮断周波数ｆ０（２００Ｈｚ）以下の低音成分及び高音遮断周波数ｆ１（１５０００Ｈｚ）以上の高音成分を遮断した出力音響信号の例を図６に示す。出力音響信号には、スピーカ２が十分に再生を行うことが出来ない低音遮断周波数ｆ０（２００Ｈｚ）以下の低音成分及び高音遮断周波数ｆ１（１５０００Ｈｚ）以上の高音成分が含まれていない。

出力音響信号は、オートゲインコントローラ１４に入力され、所定の利得で増幅される。オートゲインコントローラ１４の利得は、図２に示す設定マップに従いスピーカ２の出力特性に応じた値が設定される。オートゲインコントローラ１４によって増幅された後の出力音響信号の音量が、図２の設定マップに示されているスピーカ２の最大出力を越えないようにオートゲインコントローラ１４の利得の値は設定される。オートゲインコントローラ１４によって増幅された出力音響信号は、ボリューム制御部１５で設定された音量に変更された後、スピーカ２によって再生される。

このように本発明の実施例の音響信号処理装置１は、スピーカ２によって再生されるべき入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成して、その倍音を入力音響信号に合成した倍音合成音響信号を生成している。そして、イコライザ１３により倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び高音遮断周波数以上の高音成分を遮断して出力音響信号を生成している。低音遮断周波数は、スピーカ２が再生を十分に行うことが出来る周波数範囲の下限の周波数に設定される。高音遮断周波数は、スピーカ２が再生を十分に行うことが出来る周波数範囲の上限の周波数に設定される。生成した出力音響信号は、オートゲインコントローラ１４により所定の利得で増幅されて、スピーカ２によって再生される。

入力音響信号に所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を合成しているので、低音が十分に再生できない小型のスピーカにおいても、低音を聴取者に聞かせることが可能になる。低音成分の倍音が再生されていれば、低音成分が再生されていなくても人間の耳には低音成分が再生されているように聞こえる。それ故、低音成分が十分に再生できない小型のスピーカにおいても、低音成分の倍音を再生することで低音成分を再現することが出来る。

また、入力音響信号に低音成分の倍音を合成した倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び高音遮断周波数以上の高音成分を遮断しているので、スピーカに入力される音響信号には、スピーカが十分に再生できない低音成分及び高音成分は含まれないことになる。音響信号からスピーカが十分に再生できない周波数領域の成分を遮断することにより、音響信号の振幅を小さくすることが出来るようになり、再生に必要な電力を抑えることが可能になる。また、スピーカが十分に再生することの出来る周波数領域の成分はそのままであるため、人間の耳に聞こえる音量は変化しない。それ故、人間の耳に聞こえる音量を変えることなく再生に必要な電力を抑えることが出来る。

更に、倍音合成音響信号から低音遮断周波数以下の低音成分及び高音遮断周波数以上の高音成分を遮断した出力音響信号をオートゲインコントローラ１４により所定の利得で増幅しているので、出力音響信号の振幅を大きくしてスピーカ２から再生することが出来る。それ故、スピーカ２から再生される音の音量を大きくすることが出来る。

低音遮断周波数、高音遮断周波数、倍音の特性及びオートゲインコントローラ１４の利得の値は、音響信号処理装置１に接続するスピーカ２の出力特性に応じて設定されるので、接続するスピーカ２の出力特性に応じた入力音響信号の信号処理を行うことが出来る。

尚、スピーカ２の出力特性に応じて低音遮断周波数、高音遮断周波数、倍音の特性及びオートゲインコントローラ１４の利得を設定する場合は、図７に示すようにスピーカ２の出力特性をスピーカ２のフレーム等に固着せしめたメモリ２１に予め記憶しておき、音響信号処理装置１とスピーカ２を接続する際に、メモリ２１と制御部１６とを接続して、制御部１６がメモリ２１からスピーカ２の出力特性を読み出して設定するようにしてもよい。

上記説明したように、本発明の音響信号処理装置によれば、入力音響信号に低音成分の倍音を合成して、低音遮断周波数以下の低音成分及び高音遮断周波数以上の高音成分を遮断しているので、低音の再生が十分に出来ない小型のスピーカにおいても、低音成分を再現することが出来、スピーカから再生される音量を上げることが可能となる。

本発明の実施例である音響信号処理装置を示すブロック図である。 図１の音響信号処理装置の設定マップの例を示す図である。 図１の音響信号処理装置に接続されるスピーカの出力特性と入力音響信号の例を示す図である。 図１の音響信号処理装置によって生成される倍音の例を示す図である。 図１の音響信号処理装置によって生成される倍音合成音響信号の例を示す図である。 図１の音響信号処理装置によって生成される出力音響信号の例を示す図である。 図１の音響信号処理装置の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 音響信号処理装置
１１ 倍音生成手段
１２ 合成手段
１３ イコライザ
１４ オートゲインコントローラ
１５ ボリューム制御部
１６ 制御部
２ スピーカ

Claims (4)

1. スピーカによって再生されるべき入力音響信号を信号処理する音響信号処理装置であって、
   前記入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成する倍音生成手段と、
   前記入力音響信号に前記倍音を合成した倍音合成音響信号を生成する合成手段と、
   前記倍音合成音響信号から前記低音遮断周波数以下の低音成分及び所定の高音遮断周波数以上の高音成分を遮断した出力音響信号を生成するフィルタ手段と、
   前記スピーカの出力特性に応じて前記低音遮断周波数及び前記高音遮断周波数を設定する遮断周波数設定手段と、を有し、
   前記倍音生成手段は、前記スピーカの出力特性に応じて生成する倍音の次数及びその次数毎のレベルを設定することを特徴とする音響信号処理装置。
2. 前記出力音響信号を前記スピーカの出力特性及び前記レベルに応じた周波数依存利得で増幅する増幅手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の音響信号処理装置。
3. スピーカによって再生されるべき入力音響信号を信号処理する音響信号処理方法であって、
   前記入力音響信号に含まれる所定の低音遮断周波数以下の低音成分の倍音を生成する倍音生成ステップと、
   前記入力音響信号に前記倍音を合成した倍音合成音響信号を生成する合成ステップと、 前記倍音合成音響信号から前記低音遮断周波数以下の低音成分及び所定の高音遮断周波数以上の高音成分を遮断した出力音響信号を生成するフィルタステップと、
   前記スピーカの出力特性に応じて前記低音遮断周波数及び前記高音遮断周波数を設定する遮断周波数設定ステップと、を有し、
   前記倍音生成ステップは、前記スピーカの出力特性に応じて生成する倍音の次数及びその次数毎のレベルを設定することを特徴とする音響信号処理方法。
4. 前記出力音響信号を前記スピーカの出力特性及び前記レベルに応じた周波数依存利得で増幅する増幅ステップを更に有することを特徴とする請求項３記載の音響信号処理方法。

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