JP6251054B2 - 音場補正装置及びその制御方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、音響空間において複数の音波の干渉による周波数特性への影響を目標特性に向けて補正する音場補正技術に関するものである。

家庭の室内における壁・床・天井等の壁面を有する空間において、スピーカ等の発音源から音を発した場合、空間内の受音点では直接音に加えて室内の各面で反射された反射音が到達するため、複数の音波が干渉を起こす。また、一般に、部屋の寸法に対応する周波数で、部屋モード（基準振動モード：部屋の寸法毎によるその部屋の伝送特性等の特徴、固有振動モード）による共振現象を起こし、これは定在波と呼ばれる。更に、空間に壁面が存在しない場合でも、複数の発音源を用いることによって、その直接音同士の干渉が起こり得る。

このように、複数の音波が干渉している場合、受音点における周波数特性に大きな影響を与える。具体的には、受音点にマイクを置き、発音源から測定用信号を発して発音源／受音点間のインパルス応答を測定すると、その振幅周波数特性（ｄＢ表現したものを以下「ｆ特性」と呼ぶ）のグラフ上に凸凹を生じる。特に、部屋モードによる影響が卓越する低域では、ｆ特性上の大きなピークやディップとなって現れる。

このような場合、発音源をスピーカ、受音点をリスニングポイントとしてユーザが室内で音楽を聴くと、ピーク周波数の音は膨らみ過ぎてブーミングを起こし、逆に、ディップ周波数では音抜けを生じる等、聴感上の音質を著しく劣化させてしまう。このため、再生信号にフィルタを適用することによって、インパルス応答のｆ特性上の大きなピークやディップを解消し、音質を向上させるという音場補正技術が重要となる。

図５（ａ）は、ある部屋Ａのリスニングポイント含むリスニングエリア内の３点それぞれについて、ステレオスピーカとの間の３つの発音パターン（Ｌのみ、Ｒのみ、Ｌ＋Ｒ）に対応する計９つのインパルス応答のｆ特性を描画したものである。同図において、低域と中高域の境目を２００Ｈｚとすると、特に、低域においては部屋モードによる影響が卓越しており、各ｆ特性上に急峻なピークやディップが生じている。

ここで、一般に、低域についてはｆ特性の形と人の聴感が必ずしも一致しないが、中高域についてはｆ特性の形と人の聴感はよく対応することが知られている。このため、中高域については音場補正を必ずしも必要とせず、補正を行わないという選択もあり得るが、低域では基本的に急峻なピーク・ディップを解消するための音場補正が必要となる。特許文献１では、適応フィルタによって音場補正を行う場合に、インパルス応答のｆ特性や群遅延特性に乱れの生じている低域のみ補正することで計算量を削減している。

特許第３５５６４２７号公報

図６は、図５（ａ）のｆ特性の低域に対する音場補正フィルタの設計例を示したものである。太点線で示す補正前平均ｆ特性６０１は、図５（ａ）の９つのｆ特性について、音場補正の対象周波数帯とした低域部分を平均化したｆ特性である。そして、補正前平均ｆ特性６０１の平均レベルを図６の水平線で示す補正目標レベル６０２として、補正前平均ｆ特性６０１上の急峻なピーク・ディップが補正目標レベル６０２に向けて抑制されるよう、音場補正フィルタが設計される。

急峻なピークやディップを解消するためのフィルタとしては、例えば、少ない処理量で急峻なフィルタ特性を実現可能な、双二次型ＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：無限インパルス応答）によるピークフィルタが適している。補正前平均ｆ特性６０１上の一つ一つのピークおよびディップに対し、それぞれ負および正のフィルタゲインを設定したピークフィルタを割り当てて行き、これらのピークフィルタを直列に連結して総合的な音場補正フィルタとする。このように設計された音場補正フィルタは、太実線で示す補正フィルタｆ特性６０３を有し、これを補正前平均ｆ特性６０１に適用したものが、同じく太実線で示す補正後平均ｆ特性６０４である。この音場補正フィルタは、過大な補正となることを避けるため、補正目標レベル６０２まで完全にディップを持ち上げたり、完全にピークを潰したりはしないよう設計している。よって、補正後平均ｆ特性６０４は補正目標レベル６０２の回りに緩やかな起伏を持っているが、聴感上問題となる急峻なピークやディップは解消されている。

図５（ａ）の各ｆ特性に、補正フィルタｆ特性６０３を適用したものが図５（ｂ）の各ｆ特性であり、図６の補正後平均ｆ特性６０４と同様に急峻なピークやディップが抑制されていることがわかる。ここで、低域だけでなく中高域も含めてｆ特性全体のバランスに目を向けると、図５（ｂ）の各ｆ特性は低域と中高域のバランスが取れていると考えられる。より具体的に見るため、同図の低域に各ｆ特性の低域平均レベルを水平線として引き、中高域に各ｆ特性の中高域の近似直線（近似特性）を右下がりの直線として引く。すると、低域と中高域の境目とした２００Ｈｚにおいて、各ｆ特性の低域平均レベルの水平線と中高域の近似直線は、丸で囲まれた部分が示すように大きなレベル差なく概ね滑らかに接続している。図５（ｂ）のように、各ｆ特性の低域と中高域のバランスが取れている状態で試聴実験を行ったところ、良好な聴感結果が得られた。

一方、図３（ａ）は、図５とは別の部屋Ｂについて、部屋Ａと同様にリスニングエリア内３点の計９つのインパルス応答ｆ特性を描画したものである。２００Ｈｚ以下の低域において部屋モードの影響は部屋Ａほど強くはないため、各ｆ特性上のピークやディップは図５（ａ）ほど大きくはない。しかしながら、低域と中高域の間のバランスに目を向けると、図３（ａ）の丸で囲まれた部分が示すように、低域と中高域の間に部屋Ａでは見られなかった急峻な段差が生じており、中高域に対して低域のレベルがかなり大きくなっている。

図４（ａ）は、図６で説明したものと同様の方法で、図３（ａ）のｆ特性の低域に対する音場補正フィルタを設計した例を示している。つまり、この設計された音場補正フィルタの補正フィルタｆ特性４０３を補正前平均ｆ特性４０１に適用すると、補正後平均ｆ特性４０４が得られる。また、この補正フィルタｆ特性４０３を、図３（ａ）の各ｆ特性に適用したものが図３（ｂ）の各ｆ特性であり、低域のピークやディップが抑制されていることがわかる。しかしながら、低域と中高域のバランスを見ると、図３（ａ）で示した低域と中高域の間の急峻な段差は、音場補正後の図３（ｂ）にも依然として残っている。

図３（ｂ）のような段差のために、各ｆ特性の中高域に対して低域のレベルがかなり高い状態で試聴実験を行うと、低域を過多に感じて聴感が非常に悪化するという結果が得られた。これより、一般に聴感上問題になると言われる低域のピークやディップが解消されていても、低域と中高域の間のバランスが崩れていると、聴感は悪化してしまうと考えられる。

しかしながら、特許文献１の方法では、低域のｆ特性や群遅延特性の乱れは解消されるが、低域と中高域の間のバランスについては考慮されていない。また、部屋Ｂに見られるような低域と中高域の間の急峻な段差を解消するために、音場補正フィルタとは別のフィルタを導入するという方法にも、以下に示すような課題がある。

急峻な段差を解消して低域のレベルを中高域のレベルに合わせるためのフィルタは、中高域のゲインが０ｄＢで、低域が段差の大きさに対応するマイナスのゲインを持ち、かつ低域と中高域の境目において急激にゲインが変化する特性を持つのが理想的である。

しかし、このように比較的低い周波数で急峻な特性を有するフィルタをＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：有限インパルス応答）で実現しようとすると、非常に多くのタップ数が必要となる。そして、その畳み込み処理量のためにトーンコントロールやラウドネス等化、コンプレッサ等の他の音響処理を圧迫してしまう。一方で、タップ数を少なくすると、急峻な特性が必要なところで緩い特性となってしまうため、低域と中高域の境目に新たなピークやディップが生じてしまう。また、例えば、ローシェルフ型のＩＩＲを用いても、やはり低い周波数で急峻な特性を実現しようとすると、低域と中高域の境目でフィルタ特性が乱れてしまう。

スピーカが帯域毎に複数の振動板を有するマルチウェイスピーカである場合には、低域を担当するウーファのゲインを調整することで、低域と中高域の間のバランスを調整することも考えられる。しかしながら、ウーファと中高域を担当するスコーカのクロスオーバ周波数が、解消したい急峻な段差の周波数と一致している可能性は少ない。また、仮に一致していたとしても、ウーファやスコーカにはそれぞれ帯域分割のためのクロスオーバフィルタが適用されている。このため、ゲイン調整後のウーファとスコーカの合成は、段差のあるクロスオーバフィルタの合成問題となり、クロスオーバ周波数において単純にゲイン調整量に応じた急峻な段差が実現できる訳ではなく、やはり新たなピークやディップが生じてしまう。

このように、音場補正後のｆ特性に急峻な段差が残っていると、それを別のフィルタ等できれいに解消するのは容易ではない。ここで、音場補正において、低域のｆ特性の急峻なピークやディップを解消するために、やはり急峻な特性を有するピークフィルタが用いられることを考慮すると、これを低域と中高域の間の急峻な段差の解消にも利用することが考えられる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、低域のｆ特性のピーク・ディップを抑制しつつ、低域と中高域のバランスを取ることが可能な音場補正技術を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明による音場補正装置は以下の構成を備える。即ち、
音響空間において複数の音波の干渉による周波数特性への影響を目標特性に向けて補正する音場補正装置であって、
前記音響空間における発音源と聴取点との間のインパルス応答を測定する測定手段と、
前記インパルス応答から音場補正の処理対象となる周波数特性を導出する導出手段と、
前記周波数特性において、境界周波数以下である低域と前記境界周波数より高い中高域に対し、前記低域を代表するレベルと前記中高域を代表するレベルとの前記境界周波数におけるレベル差を算出する算出手段と、
前記周波数特性における低域の目標特性のレベルを、音場補正後の前記レベル差が所定値以下となるように決定する決定手段と
を備える。

本発明によれば、低域のｆ特性のピーク・ディップを抑制しつつ、低域と中高域のバランスを取ることができる。

実施形態に係る音場補正装置のブロック図である。 実施形態に係る音場補正フィルタ設計のフローチャートである。 実施形態に係るある部屋Ｂにおけるｆ特性の低域と中高域のバランスを説明するための図である。 実施形態に係るある部屋Ｂにおける音場補正フィルタ設計の例を説明するための図である。 ある部屋Ａにおけるｆ特性の低域と中高域のバランスを説明するための図である。 ある部屋Ａにおける音場補正フィルタ設計の例を説明するための図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。尚、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

本実施形態では、音響空間において、複数の音波の干渉による周波数特性への影響を目標特性に向けて補正する音場補正装置について説明する。

図１は実施形態の音場補正装置を示すブロック図である。

図１に示す音場補正装置は、コントローラ１００の中に、全体の統御を行うシステム制御器１０１、各種データを記憶する記憶部１０２、信号の解析処理を行う信号解析処理部１０３を備える。再生系（再生部）の機能を実現する要素としては、再生信号入力部１１１、信号生成部１１２、フィルタ適用部１１３Ｌおよび１１３Ｒ、出力部１１４、発音源となるスピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒを備える。また、収音系（収音部）の機能を実現する要素としては、マイク１２１、収音信号入力部１２２を備える。

さらに、ユーザによるコマンド入力を受け付けるための要素として、リモコン１３１、および受信部１３２を備える。ユーザに情報を提示するための要素として、表示生成部１４１、および表示部１４２を備える。煩雑になるため図示していないが、信号解析処理部１０３、信号生成部１１２、フィルタ適用部１１３Ｌおよび１１３Ｒ、表示生成部１４１との各部は、記憶部１０２と相互に結ばれているものとする。

尚、図１の音場補正装置の各種構成要素は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の汎用コンピュータの各種構成要素の全体／一部の機能を用いて実現されても良いし、ハードウェア、ソフトウェアあるいはそれらの組み合わせを用いて実現されても良い。

再生信号入力部１１１は、ＣＤプレーヤ等の音源再生装置から再生信号を受信し、再生信号がアナログ信号である場合には、のちのデジタル信号処理のためにＡＤ変換を施す。フィルタ適用部１１３Ｌおよび１１３Ｒに送信される信号としては、再生信号入力部１１１からの再生信号または信号生成部１１２で生成された信号のいずれかが選択される。フィルタ適用部１１３Ｌおよび１１３Ｒで処理が施された信号は、出力部１１４に送信され、ここで、ＤＡ変換および増幅を行った後、スピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒから発音される。

尚、アクディブスピーカの場合には、出力部１１４とスピーカ１１５Ｌおよび１１４Ｒはひとつの要素としてまとめられる。収音信号入力部１２２では、マイク１２１からの収音信号を受信し、増幅および後のデジタル信号処理のためにＡＤ変換を施す。このとき、マイク１２１とリモコン１３１は、ひとつの入力装置として一体化されていてもよい。また、表示部１４２は必ずしも表示パネル等の形でコントローラ１００に内蔵されている必要はなく、ディスプレイなどの外部表示装置が接続された形であってもよい。

以下、音場補正装置の動作について詳細に説明する。

はじめに、ユーザはリモコン１３１より「音場補正開始」のコマンドをコントローラ１００に向けて送信する。コマンドは受信部１３２で受信され、システム制御器１０１において解釈される。そして、音場補正シーケンスの現在の状態に対応する情報が表示生成部１４１で生成され、表示部１４２に表示されることでユーザに提示される。この場合、まず、ユーザが音楽を聴くリスニングポイント（聴取点）にマイク１２１をセッティングし、準備ができたらリモコン１３１の「ＯＫ」ボタンを押下する、という必要作業内容が教示される。

一般に、測定を行うマイクの高さは、ユーザが座って音楽を聴くときの耳の高さ（約１ｍ）が望ましい。尚、これらの作業内容を必ずしも全て表示部１４２に表示する必要はなく、現在の状態がわかる最低限の情報だけをわかり易く表示し、詳細な説明は紙のマニュアル等に委ねてもよい。また、ユーザへの情報提示や教示は必ずしも表示生成部１４１、および表示部１４２を用いて視覚的に行う必要はなく、同様の内容の音声を信号生成部１１２で生成し、音声ガイドとしてスピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒから発声してもよい。

ユーザがマイク１２１をリスニングポイントにセッティングしてリモコン１３１の「ＯＫ」ボタンを押すと、スピーカ１１５Ｌとリスニングポイント間のインパルス応答の測定を意味する「測定点１／Ｌの測定を行います」という表示が表示部１４２になされる。

インパルス応答の測定では、システム制御器１０１が中心に働いて測定用信号の発音および収音を行う。まず、ＭＬＳ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）やＴＳＰ（Ｔｉｍｅ−Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｐｕｌｓｅ）等のインパルス応答を測定するための信号を準備する。これらの測定用信号は単純な数式で生成できるが、必ずしも信号生成部１１２がその場で生成する必要はなく、あらかじめ記憶部１０２に格納しておいて読み出すだけでもよい。

そして、再生信号入力部１１１と信号生成部１１２のうち後者が選択され、スピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒの内、現在の対象であるスピーカ１１５Ｌのみから測定用信号が発音される。測定用信号に対しては、フィルタ適用部１１３Ｌで、特に、処理を行う必要はなく、そのままスルーさせればよい。但し、一般に背景雑音のランダムノイズ成分のｆ特性が右下がりであることを考慮して、フィルタ適用部１１３Ｌで、例えば、ピンクノイズ特性を測定用信号に付加してもよい。測定用信号の発音開始とともに、マイク１２１で拾っている音が収音信号として記憶部１０２に格納される。すなわち、音波として発音された測定用信号は、スピーカ１１５Ｌや部屋（音響空間）の特性が畳み込まれた状態で、マイク１２１に収音されて記録される。

続いて、信号解析処理部１０３において、測定用信号および収音信号からインパルス応答を算出する。ＭＬＳやＴＳＰ等の測定用信号は、自己相関がτ＝０でインパルスとなる性質を持っているため、収音信号との相互相関を取ることがインパルス応答を算出することに対応する。一般に、相互相関の計算は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して周波数領域で行うが、ＭＬＳの場合はＦＦＴの代わりに高速アダマール変換（ＦＨＴ）を利用できる。尚、測定用信号の発音に際してフィルタ適用部１１３でピンクノイズ特性等を付加していた場合は、その逆特性によって、相互相関の計算前に収音信号からピンクノイズ特性等を除去する。

このようにして算出されたインパルス応答は、測定点番号（１＝リスニングポイント）およびスピーカ１１５Ｌの発音パターン（Ｌ）と対応付けられて、記憶部１０２に保存される。

続いて、スピーカ１１５Ｒとリスニングポイント間のインパルス応答の測定を意味する「測定点１／Ｒの測定を行います」という表示が表示部１４２になされる。そして、スピーカ１１５Ｒのみから発音信号が発音され、同様にインパルス応答の算出と保存までが行われる。

ここで、部屋モードによる定在波の影響は位置によって異なるため、音場補正の主対象であるｆ特性上のピークやディップの出方も位置によって異なる。ユーザが一人で静止しているならば、リスニングポイント１点のみの特性を考慮して音場補正を行えばよいが、実際上は、ユーザが頭を動かしたり、複数のユーザが同時に音楽を聴いたりし得る。このような場合、リスニングポイントから外れた点では音場補正によって逆に聴感が悪化する可能性もある。このため、ユーザが存在し得る範囲に応じて、リスニングポイントの周りにある程度の広さ（所定範囲）のリスニングエリアを想定し、リスニングポイントの他にリスニングエリア内の数点でインパルス応答を測定することが望ましい。

このように、リスニングポイントを含むリスニングエリア内の複数点の特性を考慮して音場補正を行うことで、リスニングエリア全体で平均的に聴感を向上させることができる。ここでは、一例として、リスニングポイント（測定点１）での測定に続いて、リスニングポイント近くの測定点２および測定点３についても、順番にマイクを置き換えてインパルス応答の測定を行うものとする。即ち、測定終了時点で、複数のインパル応答として、１／Ｌ、１／Ｒ、２／Ｌ、２／Ｒ、３／Ｌ、３／Ｒの、計６つのインパルス応答が記憶部１０２に保存されていることになる。

以下、信号解析処理部１０３による音場補正フィルタ設計について、図２のフローチャートに沿って詳細に説明する。

まず、ステップＳ２０１では、信号解析処理部１０３が、記憶部１０２に保存された複数のインパルス応答から、音場補正の処理対象となる単一のｆ特性（周波数特性）を導出する。

ここで、実測した各測定点のインパルス応答は、スピーカの発音パターンが、スピーカ１１５Ｌのみ又はスピーカ１１５Ｒのみの場合としている。これらは夫々、再生する楽曲がＬｃｈのみ又はＲｃｈのみの、モノラル信号である場合のスピーカ／測定点間の伝達特性に対応する。しかし、一般の楽曲再生時の伝達特性は、Ｌのみ、およびＲのみの場合の伝達特性を各時点の楽曲信号の状態に応じて結合したものとなる。そこで、ステレオ再生時の楽曲信号の状態を代表して、ＬｃｈとＲｃｈが等しい場合に対応するリスニングポイントのインパルス応答１／Ｌ＋Ｒを、１／Ｌと１／Ｒの単純加算によって算出する。このように、１つの測定点についてＬのみ、Ｒのみ、Ｌ＋Ｒの３つの発音パターンに対応するインパルス応答を用いることで、実際的な楽曲再生時の状態に合った音場補正フィルタを設計することが可能となる。ここでは、実測した６つのインパルス応答に１／Ｌ＋Ｒ、２／Ｌ＋Ｒ、３／Ｌ＋Ｒを加えた、計９つのインパルス応答を用いる。

一般に音場補正の主たる目的は、ｆ特性の形が人の聴感と対応する低域において、部屋モード（基準振動モード：部屋（音響空間）の寸法毎によるその部屋の伝送特性等の特徴、固有振動モード）による影響が卓越するために生じる、聴感上問題となるｆ特性上の大きなピークやディップを解消することである。そこで、低域と中高域を分ける周波数を境界周波数として、この境界周波数以下である低域を音場補正の対象周波数帯と定めることにする。境界周波数は既定値としてもよいし、低域と中高域の境界を与えるとされるシュレーダー周波数を算出してもよい。後者の場合、例えば、ユーザに入力させた部屋の大体の容積と、インパルス応答から計算した部屋の残響時間を用いて算出する。以下の説明では、境界周波数を２００Ｈｚとする。

各インパルス応答をＦＦＴ処理することで、各々の複素フーリエ係数が得られる。ここで、各インパルス応答は、スピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒと各測定点の間の距離に応じた減衰や、スピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒの発音パターン等に応じて、それぞれ異なる大きさを持っている。音場補正の狙いは、各ｆ特性の対象周波数帯のピークやディップを形として補正することであるから、対象周波数帯における大きさを揃えるため正規化を行う。例えば、各々の複素フーリエ係数の絶対値（振幅）について対象周波数帯の範囲で平均値を算出し、これを正規化係数として各々の複素フーリエ係数を割ることで正規化する。尚、対象周波数帯の上限周波数は境界周波数の２００Ｈｚであるが、下限周波数もスピーカ１１５Ｌおよび１１５Ｒの低域再生能力に応じて定めることにし、この場合は、音場補正の対象周波数帯を２０〜２００Ｈｚとする。

各々の複素フーリエ係数から平均的な振幅周波数特性を得るためには、それぞれの振幅周波数特性を平均化すればよい。このとき、各振幅周波数特性を単純に平均するだけでなく、例えば、リスニングポイントの重みを大きくするような重み付き平均化を行ってもよい。このようにして得られた単一の振幅周波数特性を、平均振幅周波数特性とする。

但し、平均化したとはいえ、平均振幅周波数特性には細かい乱れが存在するため、周波数軸方向にスムージングを行う。直線周波数軸上でスムージングを行う場合は、周波数またはそれに対応するサンプル数で移動平均の幅を指定する。対数周波数軸上でオクターブスムージングを行う場合は、例えば、１／１２オクターブのようにオクターブ幅を指定することで、スムージング具合を調節することができる。但し、フィルタ生成のため、オクターブスムージング後は直線周波数軸に合わせて対数周波数軸上でデータの補間を行う。また、何れのスムージングにおいても、ｆ特性上にピークやディップの特徴は残るように調節する。このようにして、スムージングした平均振幅周波数特性をｄＢ表現して、これを補正前平均ｆ特性と呼ぶことにする。尚、スムージングとｄＢ表現の順番は逆であってもよい。

図３（ａ）は、ある部屋Ｂの計９つのインパルス応答について、全域のｆ特性を１／１２オクターブ幅でオクターブスムージングして描画したものである。そして、図４には、音場補正の対象となる低域の補正前平均ｆ特性４０１が太点線で表されている。

ステップＳ２０２では、信号解析処理部１０３が、図３（ａ）に示す全域の各ｆ特性グラフ（周波数と振幅で規定される２次元グラフ）上で低域と中高域のレベル差を算出する。まず、低域ｆ特性のレベル（低域を代表するレベル）については、音場補正の対象周波数帯の範囲における平均値とする。図３（ａ）に、各ｆ特性の低域のレベルを対象周波数帯に引いた水平線で示すが、ステップＳ２０１で低域のレベルに基づいた正規化を行っているため、ほとんど重なっている。

中高域ｆ特性については、部屋の響きに応じて一般に右下がりの傾きを持つことを考慮して、一次近似直線を算出する。近似直線を算出する対象周波数帯は、下限を境界周波数である２００Ｈｚ、上限を１０ｋＨｚとしている。但し、上限については、人の可聴域、スピーカ１１５の高域再生能力、マイク１２１の高域収音能力等を考慮して、例えば、２０ｋＨｚのように定めてもよい。図３（ａ）に、各ｆ特性中高域の対象周波数帯の近似直線を示す。尚、ここでは、中高域ｆ特性の近似特性（中高域を代表するレベル）に、一次近似直線を用いているが、より高次の近似曲線を用いてもよい。

続いて、計９つのｆ特性それぞれについて、低域のレベルから中高域の近似直線の境界周波数における値を引いて、各ｆ特性の低域と中高域のレベル差Δｉ（ｉ＝１〜９）と定義する。そして、各ｆ特性のレベル差Δｉの平均を取って、低域と中高域の代表的なレベル差Δ（代表レベル差）とする。尚、発音パターンがＬ＋Ｒのｆ特性については、左右の干渉のため高域が大きく乱れて、中高域の近似直線に影響を及ぼす場合がある。従って、レベル差Δｉの平均化において、発音パターンがＬ＋Ｒのものは除いたり、重みを小さくしたりしてもよい。

図３（ａ）の境界周波数付近に示すように、部屋Ｂにおける音場補正前の低域と中高域のレベル差はΔ＝＋６．７となっており、図５（ａ）に示す部屋ＡのΔ＝＋２．８に比べてかなり大きい。これは、図３（ａ）の丸で囲まれた部分が示すように、部屋Ｂでは低域と中高域の間に部屋Ａでは見られなかった急峻な段差が生じており、中高域に対して低域のレベルがかなり大きくなっているためである。このように、Δの絶対値が大きいほど低域と中高域の間のバランスも崩れていることになり、聴感も悪化すると考えられる。

ステップＳ２０３では、信号解析処理部１０３が、ステップＳ２０２で算出したレベル差をもとに、ステップＳ２０１で算出した補正前平均ｆ特性４０１の補正目標レベル（目標特性のレベル）を決定する。

一般の音場補正においては、図４（ａ）の水平線で示すように補正前平均ｆ特性４０１の平均レベルを補正目標レベル４０２として、補正前平均ｆ特性４０１上のピーク・ディップを補正目標レベル４０２に向けて抑制する。しかしながら、補正前平均ｆ特性４０１の平均レベルは、基本的に図３（ａ）に示す各ｆ特性の低域のレベルに対応するものである。このため、補正目標レベル４０２に向けて補正を行っても各ｆ特性の低域のレベルはあまり変化せず、低域と中高域の間の大きなレベル差Δは音場補正後も残ってしまう。

そこで、図４（ｂ）に示すように、図３（ａ）のレベル差Δを符号反転した−Δで補正目標レベル４０２をオフセットし、これをオフセット補正目標レベル４１２とする。そして、オフセット補正目標レベル４１２に向けて補正を行うことで、低域と中高域の間の大きなレベル差Δが解消されるようにする。

尚、音場補正後にｆ特性の平均レベルが必ずしも補正目標レベルになるとは限らず、実際に補正されるピークとディップのバランスに応じて補正目標レベルから多少変動する。検討を行った範囲では、補正目標レベルより若干小さくなる傾向が見られたため、レベル差Δを符号反転した値であるオフセット量について、例えば、１ｄＢ程度プラスしてもよい。

また、必ずしも補正目標レベルをオフセットする必要はなく、レベル差Δの絶対値が所定値以下なら聴感上問題にならないとして、オフセットを行わないようにしてもよい。試聴実験においては、Δの絶対値がおよそ３ｄＢ程度を超えると聴感の劣化が感じられ、６ｄＢを超えると著しく聴感が悪化した。また、聴感の変化はおよそ１ｄＢから感じられた。そこで所定値を３ｄＢとすると、図５（ａ）に示す部屋ＡはΔ＝＋２．８であるため、オフセットを省略できる。

ステップＳ２０４では、信号解析処理部１０３が、前ステップまでの結果を用いて音場補正フィルタを生成する。

まず、補正前平均ｆ特性４０１上のピークとディップを検出する。ピークについては、例えば、補正前平均ｆ特性４０１からオフセット補正目標レベル４１２を引いて誤差曲線とし、その周波数方向の隣接差分の符号が正から負に変わって、かつ誤差曲線の値が正である点をピークとして検出する。また、このときの誤差曲線の値をピークの正のゲインとする。同様に、ディップについては、誤差曲線の周波数方向の隣接差分の符号が負から正に変わって、かつ誤差曲線の値が負である点をディップとして検出する。また、このときの誤差曲線の値をディップの負のゲインとする。ここで、音場補正の対象周波数帯を２０〜２００Ｈｚとしていることから、この周波数範囲のピーク・ディップのみ検出すればよい。尚、ステップＳ２０１で定める対象周波数帯については、平均化前の各インパルス応答のｆ特性から上と似たようにピーク・ディップを検出し、その検出結果に基づいて決めるようにしてもよい。

検出された補正前平均ｆ特性４０１のピークやディップは、一般に、ｆ特性としては急峻な形をしている。そこで、急峻なピークやディップを解消（音場補正）するためのフィルタとして、例えば、少ない処理量で急峻なフィルタ特性を実現可能な、双二次型（バイクワッド）ＩＩＲによるピークフィルタを用いる。具体的には、一つ一つのピークおよびディップに対し、それぞれの持つ正および負のゲインを相殺するために、負および正のフィルタゲインを設定したピークフィルタを割り当てて行く。このとき、各ピーク・ディップの周波数方向の広がりを表すバンド幅、または急峻さを表すＱに合わせて、対応するピークフィルタのバンド幅またはＱも設定する。

尚、上記誤差曲線の面積を最小化する最適化問題を定式化すれば、ピーク・ディップの検出やバンド幅算出といった処理を記述することなく、ピークフィルタの設定パラメータを最適化することができる。また、必ずしも検出された全てのピーク・ディップを補正する必要はなく、聴感上影響しないような小さいものは無視してもよい。例えば、補正対象とするピーク・ディップの条件をゲインの絶対値が所定値（３ｄＢ等）以上としてもよいし、バンド幅とゲイン絶対値で三角形近似した面積が所定値以上としてもよい。

この場合、図４（ｂ）に示すように下方にオフセットしたオフセット補正目標レベル４１２を用いるため、補正前平均ｆ特性４０１上のピークのみ補正対象となり、これらを抑制するために負のフィルタゲインを持つ計１２のピークフィルタが生成されている。生成された全てのピークフィルタを直列に連結したものが総合的な音場補正フィルタであり、太実線が示す補正フィルタｆ特性４１３を有する。そして、この補正フィルタｆ特性４１３を補正前平均ｆ特性４０１に適用すると、補正後平均ｆ特性４１４（補正後周波数特性）が得られる。

補正フィルタｆ特性４１３を、図３（ａ）の各ｆ特性に適用したものが図３（ｃ）の各ｆ特性である。補正フィルタｆ特性４１３の有する負の大きな補正量と、境界周波数付近のピークフィルタの急峻な特性によって、低域と中高域の間の急峻な段差が解消されている。このためレベル差Δも補正前の＋６．７から＋０．４になり、丸で囲まれた部分が示すように、低域平均レベルの水平線と中高域の近似直線が滑らかに接続している。

また、低域の対象周波数帯の範囲で各ｆ特性の標準偏差を算出して、それらの平均値をσとして低域部分に示している。これは低域ｆ特性の平坦度を示す一指標であり、ｆ特性上にピークやディップが多いほど値が大きくなる。このσについても補正前の５．０から４．３になっており、音場補正によって低域ｆ特性のピークやディップが抑制されたことを表している。オフセットしない補正目標レベル４０２を用いた場合の図３（ｂ）と比べても、各ｆ特性のピークやディップは同等以上に抑制しつつ、低域と中高域のレベル差を解消していることがわかる。さらに試聴実験を行った結果についても、低域と中高域の間のバランスが崩れている図３（ｂ）の状態では聴感がかなり悪化していたが、バランスが取れている図３（ｃ）の状態では良好な聴感を得ることができる。

このように、低域と中高域のレベル差に応じて低域の補正目標レベルをオフセットさせることで、低域ｆ特性のピーク・ディップの抑制と、レベル差の解消を同時に実現することができる。このとき、ピークやディップの補正には急峻な特性を有するピークフィルタを用いているため、低域と中高域の間に急峻な段差が生じている場合も解消できる。また、ここでは低域が中高域に対して過多な場合を例に取って説明しているが、低域が中高域に対して過少な場合も、補正目標レベルを上方にオフセットすることで同様にレベル差を解消可能である。

尚、ステップＳ２０１で定める境界周波数については、各ｆ特性上で急峻な段差が生じている周波数と一致させることで、段差をきれいに解消できると期待される。よって、境界周波数の候補を、例えば、一般的な部屋のシュレーダー周波数の範囲である１００Ｈｚから１ｋＨｚの間で複数個、選択する。そして、それぞれに対し、低域と中高域のレベル差を算出して、レベル差が最大となる境界周波数を段差の周波数であるとして採用してもよい。

また、実際の処理において、音場補正後のレベル差は必ずしも算出しなくてよいが、レベル差の解消をより確実とするため、以下のような処理を行ってもよい。即ち、ステップＳ２０４の後に、再度、ステップＳ２０２に戻り、２周目のループに入り、音場補正フィルタ適用後の各ｆ特性からレベル差を算出する。この値の絶対値が、先述した聴感上、問題になるとする所定値以下に収まれば、その時点で、ループを抜ければよい。

しかしながら、所定値を超えてしまっている場合は、再度、ステップＳ２０３において、１周目に用いたオフセット量を２周目に算出したレベル差を考慮して修正し、２周目のオフセット補正目標レベルを取得する。そして、再度、ステップＳ２０４において、２周目のオフセット補正目標レベルに基づき音場補正フィルタの設計を行う。このようなループを、音場補正フィルタ適用後のレベル差（補正後レベル差）を適宜、所定値と比較し、そのレベル差が所定値以下となって、ループを抜け出せるまで繰り返す。

音場補正フィルタを構成するピークフィルタのフィルタ係数は記憶部１０２に格納され、再生信号入力部１１１を選択して行われる以降の再生系の処理において、フィルタ適用部１１３で再生信号に対して適用される。

以上説明したように、本実施形態によれば、音場補正において低域の補正目標レベルを中高域とのレベル差がなくなるように制御することで、低域ｆ特性のピーク・ディップを抑制しつつ、低域と中高域のバランスの取れた良好な聴感を得ることができる。

尚、実施形態では、ステレオシステムを例に取って説明しているが、これに限定されない。本発明は、例えば、５．１ｃｈのサラウンドシステム等の多チャンネルシステムにも容易に適用可能である。

尚、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステムまたは装置に供給し、そのシステムまたは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (11)

1. 音響空間において複数の音波の干渉による周波数特性への影響を目標特性に向けて補正する音場補正装置であって、
   前記音響空間における発音源と聴取点との間のインパルス応答を測定する測定手段と、
   前記インパルス応答から音場補正の処理対象となる周波数特性を導出する導出手段と、
   前記周波数特性において、境界周波数以下である低域と前記境界周波数より高い中高域に対し、前記低域を代表するレベルと前記中高域を代表するレベルとの前記境界周波数におけるレベル差を算出する算出手段と、
   前記周波数特性における低域の目標特性のレベルを、音場補正後の前記レベル差が所定値以下となるように決定する決定手段と
   を備えることを特徴とする音場補正装置。
2. 前記算出手段は、対数周波数と振幅で規定される２次元グラフで表現される前記周波数特性から、前記レベル差を算出し、
   前記所定値は、３ｄＢを基本として、１ｄＢから６ｄＢの範囲とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の音場補正装置。
3. 前記低域におけるピークとディップの音場補正は、双二次型のＩＩＲによるピークフィルタを用いて行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の音場補正装置。
4. 前記境界周波数は、２００Ｈｚを基本として、１００Ｈｚから１ｋＨｚの範囲とする
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音場補正装置。
5. 前記境界周波数は、前記レベル差が最大となるように決定する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の音場補正装置。
6. 前記算出手段は、前記音場補正の対象周波数帯を、前記発音源の再生能力及び前記聴取点の収音能力の少なくとも一方に応じて決定する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の音場補正装置。
7. 前記導出手段は、前記測定手段で測定したインパルス応答が複数である場合に、それぞれのインパルス応答から導出される周波数特性を重み付き平均したものを前記処理対象となる前記周波数特性として導出する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の音場補正装置。
8. 前記算出手段は、前記測定手段で測定したインパルス応答が複数である場合に、それぞれのインパルス応答から導出される周波数特性に関する前記レベル差の平均値を、前記所定値と比較するレベル差として算出する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音場補正装置。
9. 前記決定手段は、前記目標特性のレベルに基づき設計した音場補正フィルタを前記周波数特性に適用して得られる補正後周波数特性に関する前記レベル差が前記所定値を超えている場合は、前記所定値以下となるまで前記目標特性のレベルを修正する
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の音場補正装置。
10. 音響空間において複数の音波の干渉による周波数特性への影響を目標特性に向けて補正する音場補正装置の制御方法であって、
    前記音響空間における発音源と聴取点との間のインパルス応答を測定する測定工程と、
    前記インパルス応答から音場補正の処理対象となる周波数特性を導出する導出工程と、
    前記周波数特性において、境界周波数以下である低域と前記境界周波数より高い中高域に対し、前記低域を代表するレベルと前記中高域を代表するレベルとの前記境界周波数におけるレベル差を算出する算出工程と、
    前記周波数特性における低域の目標特性のレベルを、音場補正後の前記レベル差が所定値以下となるように決定する決定工程と
    を備えることを特徴とする音場補正装置の制御方法。
11. 音響空間において複数の音波の干渉による周波数特性への影響を目標特性に向けて補正する音場補正装置をコンピュータに機能させるためのプログラムであって、
    前記コンピュータを、
    前記音響空間における発音源と聴取点との間のインパルス応答を測定する測定手段と、
    前記インパルス応答から音場補正の処理対象となる周波数特性を導出する導出手段と、
    前記周波数特性において、境界周波数以下である低域と前記境界周波数より高い中高域に対し、前記低域を代表するレベルと前記中高域を代表するレベルとの前記境界周波数におけるレベル差を算出する算出手段と、
    前記周波数特性における低域の目標特性のレベルを、音場補正後の前記レベル差が所定値以下となるように決定する決定手段と
    して機能させることを特徴とするプログラム。

Images