JP5444753B2 - フィルタ係数算出方法、音場支援装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、音響空間の音響効果を制御する技術に関する。

音響空間における既存の音響特性をベースとし、その音響空間における残響効果や初期反射音を含む反射音特性を増強、補正して音響特性を制御する音場支援システムがある。この音場支援システムは、音響空間の天井や側壁に固定されたマイクロホンおよびスピーカとそれらに接続された音場支援装置とにより構成される。この種の音場支援システムの音場支援装置では、マイクロホンから入力される収音信号に対し、所望の音響空間の残響効果等を付与するためのフィルタ係数列をＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答波形）フィルタによって畳み込み、この結果得られた信号をスピーカから放音する。スピーカから放音された音は、音響空間内の複数の反射経路を経由して再びマイクロホンに戻り、スピーカとマイクロホンとで音響帰還系を構成する。この音場支援装置によれば、マイクロホンからの収音信号に畳み込むフィルタ係数列を所望の音響空間に合わせて調整することにより、あたかもその所望の音響空間において演奏が行われているかのような残響効果を創出することができる。この種の音場支援システムの音場支援装置に関わる技術は、たとえば、特許文献１に開示されている。

特開平０７−２４０９９３号公報

ハインリッヒ・クットルフ，室内音響学−建築の響きとその理論−，市ヶ谷出版社，２００３年８月８日，p.200-203

ところで、上述した音場支援システムにおいて、ＦＩＲフィルタは、マイクロホンおよびスピーカを含む閉ループ内に介挿される。この閉ループのゲインは、スピーカからマイクロホンまでの音響帰還系のゲインとＦＩＲフィルタのゲインとの積に依存する。従って、音響帰還系においてゲインがピークになる帯域とＦＩＲフィルタにおいてゲインがピークになる帯域とが重なる場合に、ハウリングやカラーレーションなどの聴感上の問題を引き起こすことがあった。

本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、ハウリングやカラーレーションなどの聴感上の問題を引き起こすことなく所望の残響効果を創出することを可能にする技術的手段を提供することを目的とする。

本発明は、同一音響空間に設けられたスピーカおよびマイクロホンを含む閉ループ内に介挿され、入力信号に零または非零のフィルタ係数からなるフィルタ係数列を畳み込んで出力するフィルタの前記フィルタ係数列を算出するフィルタ係数列算出方法であって、前記閉ループにおける前記マイクロホンから前記スピーカまでの区間のインパルス応答波形を取得するインパルス応答波形取得過程と、前記インパルス応答波形に現れる各ピークと各ピークの次に現れる他のピークとの各時間差の逆数を第１の指標値として取得する指標値取得過程と、周波数軸を複数の帯域に区切り、各帯域毎に、当該帯域内に属する前記第１の指標値の個数を集計する集計過程と、前記複数の帯域の各帯域毎に、限界個数を決定し、当該限界個数と前記第１の指標値の集計値の差である目標個数を各々算出する目標個数算出過程と、前記複数の帯域の各帯域毎に、当該帯域内に属する前記目標個数と同じ個数の第２の指標値を生成する指標値生成過程と、前記指標値生成過程において生成された第２の指標値の逆数である時間差を各々算出し、各時間差を大きなものから順に累算する操作を繰り返し、この繰り返しにより順次得られる各累算値に基づいて前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置を決定するタップ位置算出過程と、前記フィルタ係数列のフィルタ係数値が所望のエンベロープを描くように前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数値を算出する過程とを具備することを特徴とするフィルタ係数列算出方法を提供する。

本発明では、音響空間のインパルス応答波形におけるピークの時間差の逆数を第１の指標値として算出する。この第１の指標値は、スピーカからマイクロホンまでの区間の周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる周波数を示すものとなる。そして、上記フィルタ係数列算出方法では、周波数軸を区切った複数の帯域の各々において、第１の指標値の個数が大きいところでは第２の指標値の個数が小さくなるように各帯域毎に第２の指標値を生成する。この第２の指標値は、目標とするフィルタの周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる周波数を示すものである。そして、この第２の指標値の逆数である時間差を大きいものから順に累算する操作を繰り返し、順次得られる累算値を位置を示す指標値とし、この指標値に基づいてフィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置を算出する。このようにフィルタ係数列における非零の係数のタップ位置を算出した場合、フィルタの振幅特性では、上記第２の指標値が示す各周波数においてゲインがピークとなる。そして、本発明では、第1の指標値の個数が大きい帯域では第２の指標値の個数が小さくなるようにしているので、第２の指標値が第1の指標値と重複する確率が小さくなる。従って、本発明によれば、スピーカからマイクロホンまでの区間の振幅特性においてゲインがピークとなる帯域とフィルタの振幅特性においてゲインがピークになる帯域との重複を少なくし、カラーレーションやハウリングの発生を防止することができる。

本発明の一実施形態である音場支援装置を含む音場支援システムの全体構成を示す図である。 同音場支援装置のＣＰＵが実行する処理を示すフローチャートである。 音響空間における指標値の臨界帯域ごとの出現数の分布を示す図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態を説明する。
図１は、この発明の一実施形態である音場支援装置４０を含む音場支援システムの全体構成を示す図である。この音場支援システムにおけるマイクロホン１０とスピーカ２０は、音響空間１の側壁や天井に間隔を空けて固定される。この音場支援システムでは、マイクロホン１０がアンプ部３１を介して、スピーカ２０がパワーアンプ部３２を介して各々音場支援装置４０と接続され、音響空間１→マイクロホン１０→アンプ部３１→音場支援装置４０→パワーアンプ部３２→スピーカ２０→音響空間１という、マイクロホン１０からスピーカ２０までの電気回路による経路とスピーカ２０からマイクロホン１０までの音響経路とが一つにつながったループ（単に「閉ループ」という）が形成される。

音場支援装置４０において、音響空間１内で発生した音を収音したマイクロホン１０からアンプ部３１を介して入力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器（不図示）にてディジタル形式に変換され、ＦＩＲフィルタ４１に入力される。ＦＩＲフィルタ４１は、当該ＦＩＲフィルタ４１に入力される入力信号に対して零または非零のフィルタ係数からなるフィルタ係数列を畳み込み、残響音信号として出力する。ＦＩＲフィルタ４１の出力信号たる残響音信号は、Ｄ／Ａ変換器（不図示）にてアナログ形式に変換された後、パワーアンプ部３２を介してスピーカ２０に入力され、スピーカ２０から音響空間１に帰還される。このＦＩＲフィルタ４１のフィルタ係数列は、音響空間１のインパルス応答波形と、実現すべき所望の残響特性に基づいて決定される。インパルス音源４５は、インパルス音信号を発生する音源であり、音響空間１のインパルス応答を測定する際に用いられる。

ＣＰＵ４２は、当該音場支援装置４０の制御中枢である。ＣＰＵ４２は、図示しない操作部を介して、ＦＩＲフィルタ４１に対してフィルタ係数列を設定すべき旨のコマンドが与えられたとき、ＲＡＭ４３をワークエリアとして利用しつつ、ＲＯＭ４４に記憶されたフィルタ係数算出プログラムを実行する。フィルタ係数算出プログラムは、ＦＩＲフィルタ４１のフィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置Ｔａｐ_ｉ（ｉ＝１，２…）と各タップ位置Ｔａｐ_ｉ（ｉ＝１，２…）におけるフィルタ係数値ｈ_ｉ（ｉ＝１，２…）を算出する処理をＣＰＵ４２に実行させるプログラムである。

本実施形態において、ＦＩＲフィルタ４１のフィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置Ｔａｐ_ｉ（ｉ＝１，２…）と各タップ位置Ｔａｐ_ｉ（ｉ＝１，２…）におけるフィルタ係数値ｈ_ｉ（ｉ＝１，２…）の大きさは、次の条件を満たすように決定される。
ａ．ＦＩＲフィルタ４１の周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる周波数が、音響空間１（より具体的にはスピーカ２０からマイクロホン１０までの経路）のインパルス応答の周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる周波数と極力重複しないこと。
ｂ．ＦＩＲフィルタ４１が畳み込むフィルタ係数列のエンベロープが所望の残響特性に対応したものになること。
なお、具体的なフィルタ係数列の算出方法については、説明の重複を避けるため、本実施形態の動作説明において明らかにする。

次に、本実施形態の動作を説明する。図２は、本実施形態において、フィルタ係数算出プログラムがＣＰＵ４２に実行させる処理の内容を示すフローチャートである。
図２において、ＣＰＵ４２は、スイッチ４６をオフ状態に切り換えた後（Ｓ１００）、インパルス音源４５にインパルス音信号を発生させる（Ｓ１１０）。インパルス音源４５が発生したインパルス音信号は、加算器４７およびパワーアンプ部３２を経由し、スピーカ２０から音響空間１へインパルス音として放射される。このインパルス音は、音響空間１における複数の伝搬経路を経由してマイクロホン１０に到達する。マイクロホン１０が収音した音を示す信号（「応答信号」という）は、マイクロホン１０からアンプ部３１を介して音場支援装置４０のＣＰＵ４２へ供給される。

ＣＰＵ４２は、インパルス音信号の発生時刻から所定時間の間に得られた応答信号から音響空間１のインパルス応答波形ｇ（ｔ）を取得する（Ｓ１２０）。
次にＣＰＵ４２は、指標値取得過程（Ｓ１３０）を実行する。この指標値取得過程（Ｓ１３０）において、ＣＰＵ４２は、インパルス応答波形ｇ（ｔ）に現れる各ピークＰ_ｎ（ｎ＝１，２…）を検出し、各ピークＰ_ｎと各々の次に現れるピークＰ_ｎ＋１との各時間差Δｔ_ｎを求め、求めた時間差Δｔ_ｎの逆数を第1の指標値ｆ_ｎとする。たとえば、インパルス応答波形ｇ（ｔ）にＮ個のピークＰ_１、Ｐ_２…Ｐ_Ｎが現れている場合、最初のピークＰ_１と２番目のピークＰ_２との時間差Δｔ_１、２番目のピークＰ_２と３番目のピークＰ_３との時間差Δｔ_２、…、Ｎ−１番目のピークＰ_Ｎ−１とＮ番目のピークＰ_Ｎとの時間差Δｔ_Ｎ−１を順に算出し、それらのＮ−１個の時間差Δｔ_１、Δｔ_２…Δｔ_Ｎ−１の各々の逆数を指標値ｆ_ｎ（ｎ＝１，２…Ｎ−１）とする。

ここで、残響音場の統計的解析を行う技術分野では、このようにして得られる第１の指標値ｆ_ｎ（ｎ＝１，２…）が、音響空間１の振幅特性においてゲインがピークとなる周波数に近い値となることが多いとされている（詳しくは、非特許文献１を参照のこと）。

次に、ＣＰＵ４２は、集計過程（Ｓ１４０）を実行する。この集計過程（Ｓ１４０）において、ＣＰＵ４２は、周波数軸を臨界帯域Ｆ_ｋ（ｋ＝１，２…）に区切り、各臨界帯域Ｆ_ｋ（ｋ＝１，２…）内に属する第1の指標値ｆ_ｎ（ｎ＝１，２…）の個数ｎａｐｐ_ｋ（ｋ＝１，２…）を集計する（Ｓ１４０）。ここで、臨界帯域は、周波数幅を広げてもマスキング量が変化しない帯域であり、たとえば、表１に示すような中心周波数と帯域幅を各々有する帯域である。

次にＣＰＵ４２は、目標個数算出過程（Ｓ１５０）を実行する。図３に示すように、音響空間１における第１の指標値ｆ_ｎの臨界帯域Ｆ_ｋごとの集計個数ｎａｐｐ_ｋは、ある帯域（図３の例では、帯域Ｆ_８：以下、「飽和帯域」という）の低域側では低域から高域に向かって大きな増減を繰り返しながら増加し、飽和帯域の高域側では比較的緩やかな勾配ｄをもってほぼ線形に増加する。この目標個数算出過程（Ｓ１５０）では、ＣＰＵ４２は、飽和帯域からその低域側に勾配ｄの補助線ＬＩＮＥ−ｄを外挿し、臨界帯域Ｆ_ｋ（ｋ＝１，２…）の各々の中心周波数に相当するその補助線ＬＩＮＥ−ｄ上の数を限界個数ｎｌｉｍ_ｋ（ｋ＝１，２…）とする。さらに、ＣＰＵ４２は、この限界個数ｎｌｉｍ_ｋ（ｋ＝１，２…）と集計過程（Ｓ１４０）において得られた第１の指標値ｆ_ｎの集計個数ｎａｐｐ_ｋ（ｋ＝１，２…）の差を第２の指標値ｆ’_ｎの目標個数ｎａｄｍ_ｋ（ｋ＝１，２…）とする。第２の指標値ｆ’_ｎは、ＦＩＲフィルタ４１の周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる周波数を示す値である。

次にＣＰＵ４２は、指標値生成過程（Ｓ１６０）を実行する。この指標値生成過程（Ｓ１６０）では、ＣＰＵ４２は、臨界帯域Ｆ_ｋ（ｋ＝１，２…）の各々について、目標個数ｎａｄｍ_ｋと同数の第２の指標値ｆ’_ｎを生成する（Ｓ１６０）。より具体的に説明すると、ＣＰＵ４２は、まず、臨界帯域Ｆ_１について求めた目標個数ｎａｄｍ_１と同じ個数の擬似乱数を生成し、それらの擬似乱数を用いて目標個数ｎａｄｍ_１と同じ個数の臨界帯域Ｆ_１内の周波数を決定し、決定した周波数の各々を第２の指標値ｆ’_ｎとする。同様にして、ＣＰＵ４２は、臨界帯域Ｆ_２，Ｆ_３…についても、目標個数ｎａｄｍ_２、ｎａｄｍ_３…とそれぞれ同数の第２の指標値ｆ’_ｎを生成する。

次にＣＰＵ４２は、タップ位置算出過程（Ｓ１７０）を実行する。このタップ位置算出過程（Ｓ１７０）では、指標値生成過程（Ｓ１６０）において生成された第２の指標値ｆ’_ｎ（ｎ＝１，２…）と、予め用意されたエンベロープ波形ｃ（ｔ）が処理対象となる。ここで、エンベロープ波形ｃ（ｔ）は、所望の残響特性をもつ指数減衰カーブに合わせて予め用意されたエンベロープ波形であり、例えば所望の残響特性を持った音響空間において実測されたインパルス応答波形のエンベロープ波形である。タップ位置算出過程（Ｓ１７０）では、まず、第２の指標値ｆ’_ｎ（ｎ＝１，２…）の各々の逆数である各時間差Δｔ’_ｎ（ｎ＝１，２…）を算出する。次に、時間差Δｔ’_ｎ（ｎ＝１，２…）のうちから最も大きな時間差Δｔ’_１を選び、所望の残響特性に対応したエンベロープ波形ｃ（ｔ）における時間軸の基準時（ｔ＝０）から時間差Δｔ’_１だけ遅れた時刻ｔ’_１を最初のタップ位置Ｔａｐ_１とし、エンベロープ波形ｃ（ｔ）におけるその時刻ｔ_１の振幅をフィルタ係数値ｈ_１とする。次に、ＣＰＵ４２は、時間差Δｔ’_ｎ（ｎ＝１，２…）のうちから２番目に大きな時間差Δｔ_２を選んでそれまでに選んだ時間差Δｔ’_１にΔｔ’_２を累算し、時間軸の基準時（ｔ＝０）からその累算値Δｔ’_１＋Δｔ’_２だけ遅れた時刻ｔ’_２を２番目のタップ位置Ｔａｐ_２とし、エンベロープ波形ｃ（ｔ）におけるその時刻ｔ’_２の振幅をフィルタ係数値ｈ_２とする。以降、ＣＰＵ４２は、同様にして、残りの時間差Δｔ’_ｎ（ｎ≠１，２）を大きなものから順に選択して累算する操作を繰り返し、この繰り返しにより順次得られる時間差Δｔ’_ｎの累算値に基づいて３番目以降のタップ位置Ｔａｐ_３，Ｔａｐ_４…Ｔａｐ_Ｎとフィルタ係数値ｈ_３，ｈ_４…ｈ_Ｎを求める。

以上のようにしてＦＩＲフィルタ４１のフィルタ係数列を決定すると、ＦＩＲフィルタ４１は、第２の指標値に相当する周波数においてゲインがピークとなる振幅特性を有するものとなる。従って、ＦＩＲフィルタ４１の周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる帯域と音響空間１の周波数応答の振幅特性においてゲインがピークとなる帯域の重複が回避される。また、ＦＩＲフィルタ４１のフィルタ係数列は、所望の残響特性に対応したエンベロープを有している。従って、音響空間１において演奏等を行った場合にカラーレーションやハウリングの発生を防止しつつ所望の残響特性を実現することができる。仮に、本実施形態において得られるフィルタ係数列ではなく、所望の残響特性を持った音響空間（例えば音響空間Ａとする）から採取されたインパルス応答波形をサンプリングしたフィルタ係数列をＦＩＲフィルタ４１に設定したとした場合、音響空間Ａの振幅特性においてゲインがピークとなる周波数と音響空間１においてゲインがピークとなる周波数が重なると、その周波数においてカラーレーションやハウリングが生じることがある。しかし、本実施形態によれば、ＦＩＲフィルタ４１の振幅特性においてゲインがピークとなる帯域と音響空間１においてゲインがピークとなる帯域の重複が回避されるので、カラーレーションやハウリングを防止することができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態があり得る。例えば、以下の通りである。
（１）上記実施形態では、周波数軸を臨界帯域Ｆ_ｋ（ｋ＝１，２…）に区切り、各臨界帯域Ｆ_ｋ（ｋ＝１，２…）ごとに、第１の指標値ｆ_ｎ（ｎ＝１，２…）の個数ｎａｐｐ_ｋ（ｋ＝１，２…）や第２の指標値ｆ_ｎ’（ｎ＝１，２…）の目標個数ｎａｄｍ_ｋ（ｋ＝１，２…）を求めた。しかし、周波数軸を臨界帯域よりも狭い帯域または広い帯域に区切り、この帯域ごとに第１の指標値ｆ_ｎ（ｎ＝１，２…）の個数や第２の指標値ｆ_ｎ’（ｎ＝１，２…）の目標個数を求めてもよい。
（２）上記実施形態において、音場支援装置４０は、ＣＰＵ４２、ＲＡＭ４３、ＲＯＭ４４の代わりに、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェアを有し、このハードウェアに、フィルタ係数算出プログラムの働きによる処理と同様の処理を実行させてもよい。

１…音響空間、１０…マイクロホン、２０…スピーカ、３１…アンプ部、３２…パワーアンプ部、４０…音場支援装置、４１…ＦＩＲフィルタ、４２…ＣＰＵ、４３…ＲＡＭ、４４…ＲＯＭ、４５…インパルス音源、４６…スイッチ、４７…加算器。

Claims (3)

1. 同一音響空間に設けられたスピーカおよびマイクロホンを含む閉ループ内に介挿され、入力信号に零または非零のフィルタ係数からなるフィルタ係数列を畳み込んで出力するフィルタの前記フィルタ係数列を算出するフィルタ係数列算出方法であって、
   前記閉ループにおける前記マイクロホンから前記スピーカまでの区間のインパルス応答波形を取得するインパルス応答波形取得過程と、
   前記インパルス応答波形に現れる各ピークと各ピークの次に現れる他のピークとの各時間差の逆数を第１の指標値として取得する指標値取得過程と、
   周波数軸を複数の帯域に区切り、各帯域毎に、当該帯域内に属する前記第１の指標値の個数を集計する集計過程と、
   前記複数の帯域の各帯域毎に、限界個数を決定し、当該限界個数と前記第１の指標値の集計値の差である目標個数を各々算出する目標個数算出過程と、
   前記複数の帯域の各帯域毎に、当該帯域内に属する前記目標個数と同じ個数の第２の指標値を生成する指標値生成過程と、
   前記指標値生成過程において生成された第２の指標値の逆数である時間差を各々算出し、各時間差を大きなものから順に累算する操作を繰り返し、この繰り返しにより順次得られる各累算値に基づいて前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置を決定するタップ位置算出過程と、
   前記フィルタ係数列のフィルタ係数値が所望のエンベロープを描くように前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数値を算出する過程と
   を具備することを特徴とするフィルタ係数列算出方法。
2. 同一音響空間に設けられたスピーカおよびマイクロホンを含む閉ループ内に介挿され、入力信号に零または非零のフィルタ係数からなるフィルタ係数列を畳み込んで出力するフィルタと、
   前記閉ループにおける前記スピーカから前記マイクロホンまでの区間のインパルス応答波形を取得するインパルス応答波形取得手段と、
   前記インパルス応答波形に現れる各ピークと各ピークの次に現れる他のピークとの各時間差の逆数を第１の指標値として取得する指標値取得手段と、
   周波数軸を複数の帯域に区切り、各帯域毎に、当該帯域内に属する前記第１の指標値の個数を集計する集計手段と、
   前記複数の帯域の各帯域毎に、限界個数を決定し、当該限界個数と前記第１の指標値の集計値の差である目標個数を各々算出する目標個数算出手段と、
   前記複数の帯域の各帯域毎に、当該帯域内に属する前記目標個数と同じ個数の第２の指標値を生成する指標値生成手段と、
   前記指標値生成手段が生成した第２の指標値の逆数である時間差を各々算出し、各時間差を大きなものから順に累算する操作を繰り返し、この繰り返しにより順次得られる各累算値に基づいて前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置を決定するタップ位置算出手段と、
   前記フィルタ係数列のフィルタ係数値が所望のエンベロープを描くように前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数値を算出するフィルタ係数算出手段と
   を具備することを特徴とする音場支援装置。
3. コンピュータに、
   同一音響空間に設けられたスピーカおよびマイクロホンを含む閉ループ内に介挿され、入力信号に零または非零のフィルタ係数からなるフィルタ係数列を畳み込んで出力するフィルタと、
   前記閉ループにおける前記スピーカから前記マイクロホンまでの区間のインパルス応答波形を取得するインパルス応答波形取得手段と、
   前記インパルス応答波形に現れる各ピークと各ピークの次に現れる他のピークとの各時間差の逆数を第１の指標値として取得する指標値取得手段と、
   周波数軸を複数の帯域に区切り、各帯域毎に、当該帯域内に属する前記第１の指標値の個数を集計する集計手段と、
   前記複数の帯域の各帯域毎に、限界個数を決定し、当該限界個数と前記第１の指標値の集計値の差である目標個数を各々算出する目標個数算出手段と、
   前記複数の帯域の各帯域毎に、当該帯域内に属する前記目標個数と同じ個数の第２の指標値を生成する指標値生成手段と、
   前記指標値生成手段が生成した第２の指標値の逆数である時間差を各々算出し、各時間差を大きなものから順に累算する操作を繰り返し、この繰り返しにより順次得られる各累算値に基づいて前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数のタップ位置を決定するタップ位置算出手段と、
   前記フィルタ係数列のフィルタ係数値が所望のエンベロープを描くように前記フィルタ係数列における非零のフィルタ係数値を算出するフィルタ係数算出手段と
   を実現させるプログラム。

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