JP6183102B2 - 音波信号出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力された音波信号を設定された音圧に増幅して出力する音波信号出力装置に関する。

クラクション等の疑似音を生成する装置において、複数の音域の成分を間引きすることによって疑似音を出力する際の出力不足を補うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−００３１３４号公報

しかしながら、上記装置では、単に間引きを行うので、この装置の構成を音波信号出力装置に採用すると、出力が補われたとしても音波の波形が出力しようとするものとは大きく異なるものになり、音質が損なわれる虞があった。

そこでこのような問題点を鑑み、入力された音波信号を設定された音圧に増幅して出力する音波信号出力装置において、音質をなるべく損なうことなく出力不足を補うことができるようにすることを本発明の目的とする。

かかる目的を達成するために成された本発明の音波信号出力装置において、オーバーオール値取得手段は出力信号のオーバーオール値を取得し、閾値判定手段はオーバーオール値が予め設定された閾値を超えるか否かを判定する。そして、除去手段はオーバーオール値が閾値を超える場合、出力信号から予め設定された規定音圧未満の音圧を有する周波数成分を除去した新たな出力信号を生成する。

このような音波信号出力装置によれば、規定音圧未満の周波数成分を除去するので、除去された周波数成分を出力するためのエネルギを他に回すことができる。また、除去される周波数成分はそもそも音圧が低く聞こえにくい音であるため除去したとしても音質への影響が小さい。よって音質の劣化を抑制しつつ音圧不足を補うことができる。

なお、上記目的を達成するためには、コンピュータを、音波信号出力装置を構成する各手段として実現するための音波信号生成プログラムとしてもよい。また、各請求項の記載は、可能な限りにおいて任意に組み合わせることができる。この際、発明の目的を達成できる範囲内において一部構成を除外してもよい。

本発明が適用された超音波出力システム１の概略構成を示すブロック図である。 音波信号出力装置１０が処理する波形の一例を示す説明図である。 人の聴覚特性を示すグラフである。 音波信号出力装置１０が実行する音色改善処理を示すフローチャートである。 オーバーオール値の変化の一例を示すグラフである。 規定音圧範囲の定義を示すグラフである。 音波の除去方法を示すグラフである。 音波の間引き方法を示すグラフである。

以下に本発明にかかる実施の形態を図面と共に説明する。
［本実施形態の構成］
本発明が適用された超音波出力システム１は、入力された音波信号を増幅して音波として出力する装置である。超音波出力システム１は、図１に示すように、音波信号出力装置１０と、設定入力部２０と、超音波スピーカ３０とを備えている。

設定入力部２０は、超音波スピーカ３０から出力される音波の音量（音圧レベル）を調整するためのダイヤル等の物理スイッチとして構成されている。設定入力部２０は使用者によって操作され、操作の結果が音波信号出力装置１０において認識される。

音波信号出力装置１０は、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ１２とを備えた周知のコンピュータとして構成されている。音波信号出力装置１０は、メモリ１２に格納されたプログラムに基づいて、超音波振幅変調部１３、オーバーオール（ＯＡ）値演算部１４、波形解析部１５、および音色改善部１６としての機能を実現する。

ここで、超音波振幅変調部１３としての機能では、例えば、図２（ａ）に示すような波形を有する音波信号を入力し、図２（ｂ）に示すような、所定の周波数（例えば４０ｋＨｚ）を有する振幅一定の超音波の波形を、振幅変調する。この際、入力された音波信号を、設定入力部２０を用いて設定された増幅率で増幅しときと同じ波形になるように、図２（ｃ）に示すように、超音波を用いて振幅が変更された波形を生成する。なお、振幅変調を行う際には、後述する音色改善部１６としての機能で設定された波形になるよう制御を行う。

オーバーオール値演算部１４としての機能では、入力された音波信号を増幅した場合のオーバーオール値、すなわち、出力しようとする音波信号の、全ての周波数帯における音圧の総和を演算する。

波形解析部１５としての機能では、入力された音波信号にどのような周波数成分が含まれているかを解析する。
音色改善部１６としての機能では、後述する音色改善処理を実行することで、出力が不足する場合であっても良好な音質の出力を行えるようにする。

超音波スピーカ３０は、人間の可聴帯域よりも高い周波数（２０ｋＨｚ以上）の空気振動を発生させる超音波発生器であり、例えば、超音波再生に適した圧電スピーカ（セラミックスピーカ、ピエゾスピーカ等）として構成されている。

［本実施形態の処理］
このように構成された超音波出力システム１において、音波信号出力装置１０は、図３に示す音色改善処理を実施する。音色改善処理は、例えば超音波出力システム１の電源が投入されると開始される処理であり、その後、繰り返し実施される処理である。

この処理では、まず、オーバーオール値演算部１４としての機能を用いて、音波信号を増幅した場合のオーバーオール値を演算する（Ｓ１１０）。この処理では、音波信号を構成する各周波数成分に対して設定入力部２０によって設定された音量に対応する増幅率を乗じた値をそれぞれ演算し、これらの各値を積算することで求められる。

続いて、オーバーオール値と予め設定された閾値とを比較する（Ｓ１２０）。ここでの閾値は、音波信号出力装置１０が出力可能なオーバーオール値の大きさに応じて設定されていればよく、特に、出力可能なオーバーオール値以下の値に設定される。

また、この処理は繰り返し実施されることで、図４に示すように、時間の経過とともに変化するオーバーオール値を継続的に監視する。そして、後述する処理で、閾値を超えたタイミング（図４のハッチング部分）において音質の劣化を抑制するための処理を実施することになる。

オーバーオール値が閾値未満であれば（Ｓ１２０：ＮＯ）、後述するＳ１９０の処理に移行する。すなわち、音質を劣化させることなく増幅後の音波を出力することができるものとして、後述する音質の劣化を抑制する処理を行うことのない音波を生成して出力する。

また、オーバーオール値が閾値以上であれば（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、出力が不足する虞があるため、音質改善部１６としての機能を用いて、必要に応じて音質の劣化を抑制する処理を行う（Ｓ１３０〜Ｓ１８０）。ここで、人の聴覚には、個人差はあるものの、概ね図５に示すような特性がある。なお、図５に示すグラフでは、周波数毎に人が同じ音量に聞こえる音圧レベルを音量毎に曲線で表している。

すなわち、人の聴覚では、周波数が低くなると音圧レベルを大きくしなければ聞こえにくくなり、また、周波数が高くなるとより同じ音圧レベルであっても大きな音に聞こえることが分かる。したがって、本処理では、低い周波数の音が聞き取りやすくなるように、低い周波数の音圧レベルを向上させ、この際、なるべく音質を劣化させないようにする。

音質の劣化を抑制する処理の詳細は、まず、波形解析部１５としての機能を用いて、各周波数成分の音圧から最大の音圧（ＭＡＸ音圧）を抽出し、このＭＡＸ音圧から規定音圧範囲内（例えば、ＭＡＸ音圧から２０ｄＢ以内）の周波数成分を抽出する（Ｓ１３０）。つまり、図６に示す例では、ハッチングの範囲内の周波数成分を抽出することになる。

続いて、抽出した周波数成分の全てが対象周波数（例えば、１ｋＨｚ）以上または未満であるか否かを判定する（Ｓ１４０、Ｓ１５０）。例えば、図６に示す例においては、Ａが対象周波数であれば規定音圧範囲内の周波数成分は全て対象周波数以上となり、Ｂが対象周波数であれば規定音圧範囲内の周波数成分は一部が対象周波数以上、一部が対象周波数未満となる。

また、Ｃが対象周波数であれば、規定音圧範囲内の周波数成分は全て対象周波数未満となる。なお、対象周波数は、人の聴覚特性が大きく変化する周波数（例えば、７００〜２０００Ｈｚ程度の範囲内）に設定される。

抽出した周波数成分の全てが対象周波数以上であれば（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、後述するＳ１９０の処理に移行する。すなわち、対象周波数以上の音波は、人の聴覚を考慮すると音圧が低下したとしても聞こえやすいため、音質の劣化を抑制する処理を行う必要がないものと取り扱う。

また、抽出した周波数成分の一部が対象周波数以上、一部が対象周波数未満であれば（Ｓ１４０：ＮＯ、Ｓ１５０：ＮＯ）、規定音圧未満の周波数成分を除去するよう設定する（Ｓ１６０）。詳細には、図７に示すように、規定音圧以上であるハッチング領域の周波数成分だけ発音し、その余の部分（破線で示す領域の周波数成分）については発音しないよう設定する。このようにすることで、発音範囲内の周波数成分についての音圧を、より増幅することができるようにしている。

また、抽出した周波数成分の全てが対象周波数未満であれば（Ｓ１４０：ＮＯ、Ｓ１５０：ＹＥＳ）、Ｓ１６０の処理と同様に規定音圧未満の周波数成分を除去するよう設定し（Ｓ１７０）、かつ、間引きを行うよう設定する（Ｓ１８０）。ここでいう間引きとは、発音を行う周波数成分と発音を行わない（発音を行う周波数成分よりも音圧を低くしたものを含む）周波数成分とを交互にそれぞれ複数設けることを意味する。間引きを行う処理では、周波数が大きくなるにつれて、間引きする帯域幅を大きくする。

図８に示す例では、横軸が対数軸であり、太い実線で示す領域の周波数成分を間引きするため、周波数が大きくなるにつれて、間引きする帯域幅が大きくなっている。なお、間引きを行う場合は、比較的低い周波数成分を対象としており、この周波数成分は、人の聴覚では音質が分かりにくく、音圧だけを感じやすい帯域であるため、間引きを行って音圧を向上することに意義がある。

このような処理が終了すると、超音波振幅変調部１５としての機能を用いて、本処理での設定に従って、音波信号を生成する（Ｓ１９０）。そして、生成した音波信号を超音波スピーカ３０から出力させ（Ｓ２００）、音色改善処理を終了する。

［本実施形態による効果］
以上のように詳述した超音波出力システム１において、音波信号出力装置１０は、出力信号のオーバーオール値を取得し、オーバーオール値が予め設定された閾値を超えるか否かを判定する。そして、オーバーオール値が閾値を超える場合、出力信号から予め設定された規定音圧未満の音圧を有する周波数成分を除去した新たな出力信号を生成する。

このような超音波出力システム１によれば、規定音圧未満の周波数成分を除去するので、除去された周波数成分を出力するためのエネルギを他に回すことができる。また、除去される周波数成分はそもそも音圧が低く聞こえにくい音であるため除去したとしても音質への影響が小さい。よって音質の劣化を抑制しつつ音圧不足を補うことができる。

また、上記の超音波出力システム１において音波信号出力装置１０は、出力信号を超音波領域の周波数成分にて生成する。
超音波を用いて可聴音を生成する際には出力不足になりがちであるが、このような超音波出力システム１によれば、必要な周波数成分の音圧を上げることができるので、音圧不足になることを抑制することができる。

さらに、上記超音波出力システム１において音波信号出力装置１０は、出力信号に予め設定された第１周波数未満の周波数成分が含まれているか否かを判定する。そして、出力信号に第１周波数未満の周波数成分が含まれている場合に、規定音圧未満の音圧を有する周波数成分を除去する。

このような超音波出力システム１によれば、人の耳に聞こえやすい高音については音圧を上げることなく余分な処理を抑制し、人の耳に聞こえにくい低音については音圧を上げて聞こえやすくすることができる。

また、上記超音波出力システム１において音波信号出力装置１０は、出力信号が予め設定された第２周波数未満の周波数成分だけで構成されているか否かを判定する。そして、出力信号が第２周波数未満の周波数成分だけで構成されている場合、予め設定された複数の周波数成分を間引きした出力信号を生成する。

このような超音波出力システム１によれば、出力信号が人の耳に聞こえにくい低音だけで構成されている場合には、間引きを行うので、さらに音圧を上げることができる。
なお、上記実施形態においては、第１周波数と第２周波数とを同じ周波数に設定しているが、異なる周波数に設定してもよい。

さらに、上記超音波出力システム１において音波信号出力装置１０は、周波数が大きくなるにつれて、間引きする帯域幅を大きくする。
すなわち、本構成では、音波の周波数が高くなるにつれて間引きを行う際の帯域幅を大きくしても人の耳には気にならなくなる特性を利用している。したがって、このような超音波出力システム１によれば、人に耳に音質の劣化を感じ難くさせつつ、より広い帯域幅の音波を間引きすることができる。

［その他の実施形態］
本発明は、上記の実施形態によって何ら限定して解釈されない。また、上記の実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記の複数の実施形態を適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。また、上記の実施形態の説明で用いる符号を特許請求の範囲にも適宜使用しているが、各請求項に係る発明の理解を容易にする目的で使用しており、各請求項に係る発明の技術的範囲を限定する意図ではない。

例えば、上記実施形態において、設定入力部２０は、音量を調整できるダイヤルとして構成したが、例えば、低音と高音との音量バランスを調整するためのインタフェースであってもよい。この場合、設定入力部２０による設定に従って、周波数成分毎に増幅率を設定することになる。このようにしても上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態においては、音波の周波数が高くなるにつれて間引きを行う際の帯域幅を大きくしているが、この際、例えば、音階でいうところの１／２音や１／４音に相当する周波数成分だけを残し、それ以外の周波数成分を間引きするようにしてもよい。このようにすれば、必要最低限の音だけを発音させることができる。

また、上記実施形態の超音波出力システム１（音波信号出力装置１０）は、車両におけるナビゲーションシステムやカーオーディオシステム、一般的な音響機器等、多くの用途で採用することができる。

［実施形態の構成と本発明の手段との対応関係］
上記実施形態において音波信号出力装置１０が実行する処理のうち、Ｓ１１０の処理は本発明でいうオーバーオール値取得手段に相当し、Ｓ１２０の処理は本発明でいう閾値判定手段に相当する。

また、Ｓ１４０の処理は本発明でいう第１周波数判定手段に相当し、Ｓ１５０の処理は本発明でいう第２周波数判定手段に相当する。さらに、Ｓ１６０およびＳ１９０の処理は本発明でいう除去手段に相当し、Ｓ１８０およびＳ１９０の処理は本発明でいう間引き手段に相当する。

１…超音波出力システム、１０…音波信号出力装置、１１…ＣＰＵ、１２…メモリ、１３…超音波振幅変調部、１４…値演算部、１４…オーバーオール値演算部、１５…波形解析部、１５…超音波振幅変調部、１６…音色改善部、２０…設定入力部、３０…超音波スピーカ。

Claims (5)

1. 入力された音波信号を設定された音圧に増幅した出力信号を生成し、該出力信号を出力する音波信号出力装置（１０）であって、
   前記出力信号のオーバーオール値を取得するオーバーオール値取得手段（Ｓ１１０）と、
   該オーバーオール値が予め設定された閾値を超えるか否かを判定する閾値判定手段（Ｓ１２０）と、
   前記オーバーオール値が前記閾値を超える場合、前記出力信号から予め設定された規定音圧未満の音圧を有する周波数成分を除去した新たな出力信号を生成する除去手段（Ｓ１６０、Ｓ１９０）と、
   を備えたことを特徴とする音波信号出力装置。
2. 請求項１に記載の音波信号出力装置において、
   当該音波信号出力装置は、前記出力信号を超音波領域の周波数成分にて生成すること
   を特徴とする音波信号出力装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の音波信号出力装置において、
   前記出力信号に予め設定された第１周波数未満の周波数成分が含まれているか否かを判定する第１周波数判定手段（Ｓ１４０）を備え、
   前記除去手段は、前記出力信号に前記第１周波数未満の周波数成分が含まれている場合に、前記規定音圧未満の音圧を有する周波数成分を除去すること
   を特徴とする音波信号出力装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の音波信号出力装置において、
   前記出力信号が予め設定された第２周波数未満の周波数成分だけで構成されているか否かを判定する第２周波数判定手段（Ｓ１５０）と、
   前記出力信号が前記第２周波数未満の周波数成分だけで構成されている場合、予め設定された複数の周波数成分を間引きした出力信号を生成する間引き手段（Ｓ１８０、Ｓ１９０）と、
   を備えたことを特徴とする音波信号出力装置。
5. 請求項４に記載の音波信号出力装置において、
   前記間引き手段は、前記周波数が大きくなるにつれて、間引きする帯域幅を大きくすること
   を備えたことを特徴とする音波信号出力装置。