JP6304643B2 - Nonlinear distortion reduction apparatus, method, and program for speaker - Google Patents
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本発明は、スピーカーの非線形歪低減装置、方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a speaker non-linear distortion reduction apparatus, method, and program.
スピーカーは、入力された信号を忠実に音へ変換することが期待される。しかしながら、スピーカーには歪があり、音質劣化の原因となることから、歪の低減が望まれる。 The speaker is expected to faithfully convert the input signal into sound. However, since the speaker is distorted and causes deterioration in sound quality, it is desired to reduce the distortion.
スピーカーの歪には線形歪と非線形歪がある。線形歪は周波数領域でスピーカーの周波数特性(線形関数)としてモデル化できる。そのため、周波数特性の逆特性から逆フィルタを計算し、音源に畳み込むことにより比較的容易に低減できる。 Speaker distortion includes linear distortion and nonlinear distortion. Linear distortion can be modeled as a frequency characteristic (linear function) of a speaker in the frequency domain. Therefore, it can be reduced relatively easily by calculating the inverse filter from the inverse characteristic of the frequency characteristic and convolving it with the sound source.
非線形歪は線形関数としてモデル化できないため、非線形歪の逆特性を求めることは困難である。この非線形歪を低減させる方法として、ボルテラフィルタ(例えば非特許文献2参照)やミラーフィルタ(例えば非特許文献5参照)が提案されている。 Since nonlinear distortion cannot be modeled as a linear function, it is difficult to obtain the inverse characteristic of nonlinear distortion. As a method for reducing this nonlinear distortion, a Volterra filter (see, for example, Non-Patent Document 2) and a mirror filter (see, for example, Non-Patent Document 5) have been proposed.
しかしながら、ボルテラフィルタは計算量が多いため、高次非線形歪の低減が困難である。また、ミラーフィルタはモデル化誤差などにより、一般的に非線形歪の低減量がボルテラフィルタより低い。 However, since the Volterra filter has a large amount of calculation, it is difficult to reduce high-order nonlinear distortion. Also, mirror filters generally have a lower amount of reduction of nonlinear distortion than Volterra filters due to modeling errors and the like.
以下、ボルテラフィルタを用いて非線形歪を低減する方法について説明する。 Hereinafter, a method for reducing nonlinear distortion using a Volterra filter will be described.
非線形の入出力を持つシステムは、ボルテラ級数展開を用いて表すことができる。ボルテラ核が有限であるならば、ボルテラ級数展開は以下の式で表すことができる。
ここで、x(n)、y(n)は、それぞれ標本化された入力信号と出力信号、h1(k1)、h2(k1、k2)、h3(k1、k2、k3)、…は、それぞれ1、2、3、…次離散ボルテラ核、Nはフィルタのシステム長である。 Here, x (n) and y (n) are the sampled input signal and output signal, h 1 (k 1 ), h 2 (k 1 , k 2 ), h 3 (k 1 , k 2 ), respectively. , K 3 ),... Are 1, 2, 3,... Discrete Volterra kernels, and N is the system length of the filter.
スピーカーの非線形歪の伝達関数は、ボルテラ核としてモデル化できる。ボルテラ核は、周波数応答法や適応ボルテラフィルタを利用して求め、逆システムを構築する。この方法の計算量は、求めるべき係数の数から、n次までの非線形歪を対象とする場合、O(Nn)となる。そのため高次非線形歪の低減は困難であり、現実的には3次までの非線形歪が対象となる。 The transfer function of the nonlinear distortion of the speaker can be modeled as a Volterra kernel. The Volterra kernel is obtained by using a frequency response method or an adaptive Volterra filter, and an inverse system is constructed. The calculation amount of this method is O (N n ) when nonlinear distortion up to the nth order is targeted from the number of coefficients to be obtained. For this reason, it is difficult to reduce high-order nonlinear distortion, and practically, nonlinear distortion up to the third order is targeted.
次に、ミラーフィルタを用いて非線形歪を低減する方法について説明する。 Next, a method for reducing nonlinear distortion using a mirror filter will be described.
ミラーフィルタは、スピーカーシステムの非線形動作方程式に基づいてスピーカーのモデル化を行う。動作方程式には線形、非線形の各々についてパラメータがあり、各パラメータはインピーダンス、振動板変位の特性などから求め、求めたパラメータから補正フィルタを生成する。 The mirror filter models the speaker based on the nonlinear operating equation of the speaker system. The equation of motion has parameters for each of linear and non-linear, and each parameter is obtained from the characteristics of impedance, diaphragm displacement, etc., and a correction filter is generated from the obtained parameters.
生成に必要な計算量は、ミラーフィルタの実現方法により異なり、2次IIRフィルタで実現する方法では少ない(例えば非特許文献6参照)。しかしながら、ミラーフィルタは、実際のスピーカーの動作を完全に記述したものではないため、モデル化誤差が発生する。そのため非線形歪の低減には限界がある(例えば非特許文献2参照)。 The amount of calculation required for generation differs depending on the method of realizing the mirror filter, and is small in the method realized by the secondary IIR filter (for example, see Non-Patent Document 6). However, since the mirror filter does not completely describe the actual operation of the speaker, a modeling error occurs. Therefore, there is a limit to the reduction of nonlinear distortion (see, for example, Non-Patent Document 2).
上記のように、ボルテラフィルタやミラーフィルタを用いて非線形歪を低減する方法では、計算量や推定すべきパラメータが多く計算に時間がかかる、高次の非線形歪の低減が困難である、等の問題があった。 As described above, the method of reducing nonlinear distortion using a Volterra filter or a mirror filter requires a large amount of calculation and a large amount of parameters to be estimated. There was a problem.
本発明は、システムを厳密に非線形関数でモデル化することなく、少ない計算量でスピーカーの非線形歪を低減することができるスピーカーの非線形歪低減装置、方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a speaker non-linear distortion reduction apparatus, method, and program capable of reducing speaker non-linear distortion with a small amount of calculation without modeling the system strictly with a non-linear function. .
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明のスピーカーの非線形歪低減装置は、スピーカーからマイクロホンまでのインパルス応答を計測する計測手段と、前記スピーカーから出力させる音源信号、前記音源信号を前記スピーカーから出力して前記マイクロホンで入力した前記スピーカーからの出力信号、及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記出力信号の非線形成分を算出する算出手段と、前記非線形成分及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記音源信号を直接補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, a non-linear distortion reducing apparatus for a speaker according to
この発明によれば、システムを厳密に非線形関数でモデル化することなく、少ない計算量でスピーカーの非線形歪を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the nonlinear distortion of the speaker with a small amount of calculation without strictly modeling the system with a nonlinear function.
なお、請求項2に記載したように、前記算出手段が、前記補正手段により前記音源信号を補正した補正音源信号、前記補正音源信号を前記スピーカーから出力して前記マイクロホンで入力した前記スピーカーからの補正出力信号、及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記補正出力信号の非線形成分を算出する処理と、前記補正手段が、前記補正出力信号の非線形成分及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記補正音源信号を再度補正する処理と、を予め定めた終了条件を満たすまで繰り返すようにしてもよい。 According to a second aspect of the present invention, the calculating means outputs a corrected sound source signal obtained by correcting the sound source signal by the correcting means, and the corrected sound source signal output from the speaker and input from the speaker. Based on the measurement result of the correction output signal and the impulse response, the processing for calculating the nonlinear component of the correction output signal, and the correction means based on the measurement result of the nonlinear component of the correction output signal and the impulse response The process of correcting the corrected sound source signal again may be repeated until a predetermined end condition is satisfied.
また、請求項3に記載したように、前記算出手段は、周波数帯域毎に前記非線形成分を算出し、前記補正手段は、前記周波数帯域毎に算出された前記非線形成分のうち、今回算出された前記非線形成分が前回算出された前記非線形成分以上となる周波数帯域については、今回算出された前記非線形成分を零として前記音源信号を補正するようにしてもよい。
また、請求項4に記載したように、前記算出手段は、前記音源信号、前記出力信号、及び前記インパルス応答をフーリエ変換した値に基づいて、前記出力信号の理想周波数成分である線形成分を算出し、前記線形成分及び前記出力信号をフーリエ変換した値に基づいて、前記出力信号の非線形成分を算出し、前記補正手段は、前記インパルス応答をフーリエ変換した値で前記非線形成分を除算した値を、前記音源信号から減算することにより、前記音源信号を直接補正するようにしてもよい。
In addition, as described in
According to a fourth aspect of the present invention, the calculation means calculates a linear component that is an ideal frequency component of the output signal based on a value obtained by Fourier transforming the sound source signal, the output signal, and the impulse response. And calculating a nonlinear component of the output signal based on a Fourier transform of the linear component and the output signal, and the correcting means calculates a value obtained by dividing the nonlinear component by a value obtained by Fourier transforming the impulse response. The sound source signal may be directly corrected by subtracting from the sound source signal.
請求項5記載の発明のスピーカーの非線形歪低減方法は、スピーカーからマイクロホンまでのインパルス応答を計測するステップと、前記スピーカーから出力させる音源信号、前記音源信号を前記スピーカーから出力して前記マイクロホンで入力した前記スピーカーからの出力信号、及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記出力信号の非線形成分を算出するステップと、前記非線形成分及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記音源信号を直接補正するステップと、を含むことを特徴とする。
The method for reducing nonlinear distortion of a speaker according to
請求項6記載の発明のスピーカーの非線形歪み低減プログラムは、コンピュータを、請求項1〜4の何れか1項に記載のスピーカーの非線形歪低減装置として機能させることを特徴とする。
The non-linear distortion reduction program for a speaker according to
本発明によれば、システムを厳密に非線形関数でモデル化することなく、少ない計算量でスピーカーの非線形歪を低減することができる、という効果を有する。 According to the present invention, it is possible to reduce the nonlinear distortion of a speaker with a small amount of calculation without strictly modeling the system with a nonlinear function.
以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、非線形システムとしてのスピーカーシステムに本発明を適用した場合について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to a speaker system as a nonlinear system will be described.
(非線形システムモデル)
まず、本発明の非線形システムモデルについて説明する。非線形システムの出力信号y(n)は、入力信号をx(n)として次式でモデル化できる。
First, the nonlinear system model of the present invention will be described. The output signal y (n) of the nonlinear system can be modeled by the following equation with the input signal as x (n).
ここで、h(n)はシステムのインパルス応答(線形成分)、Nはインパルス応答の長さであり、式中の*は畳み込み演算子、xは関数x(n)を引数とすることを表し、e(n、x)は入力xにより変わる非線形歪信号を表す。また、両辺をフーリエ変換し、周波数領域に変換すると次式となる。
(本発明の原理)
次に、本発明の原理について説明する。始めに、非線形成分E(ω、X)を次式により計算する。
Next, the principle of the present invention will be described. First, the nonlinear component E (ω, X) is calculated by the following equation.
次に、補正した入力信号を次式により求める。
なお、上記(5)式により求めた補正後の入力信号をシステムH(ω)に入力した時の出力信号は次式で表される。
(再帰処理)
次に、再帰処理について説明する。非線形成分をより低減させるため、本実施形態では再帰処理を行う。再帰処理は、非線形問題の解法に利用される(例えば非特許文献7参照)。なお、以下の説明では説明の簡略化のため引数ωを省略する。
(Recursive processing)
Next, recursive processing will be described. In order to further reduce the nonlinear component, recursive processing is performed in the present embodiment. The recursive processing is used for solving a nonlinear problem (for example, see Non-Patent Document 7). In the following description, the argument ω is omitted for simplification of description.
第2回目の入力信号は、上記(7)式で求められる第1回目の補正後の歪を低減するように次式で求める。
第2回目の入力信号に対する出力信号は次式で表される。
同様に第3回目の入力信号は、第2回目の補正後の歪、すなわち上記(11)式の右辺の第2項を低減するように求める。 Similarly, the third input signal is obtained so as to reduce the distortion after the second correction, that is, the second term on the right side of the equation (11).
第1、2、3回目の入力信号をそれぞれX0、X1、X2、第1、2、3回目の出力信号をそれぞれY0、Y1、Y2とすれば、補正回数をL(L=1、2、・・・)として次式で一般化できる。
上記の(本発明の原理)において、L=1で|D(XL、XL−1)|≪|D(XL−1、XL−2)|となることを示した。L=kで|D(Xk、Xk−1)|≪|D(Xk−1、Xk−2)|が成り立つと仮定すると、上記(12)式より、|Xk+1−Xk|≪|Xk−Xk−1|となり、Xの更新量が少なくなる。このため、|D(Xk+1)、Xk)|≪|D(Xk、Xk−1)|となり、L=k+1についても成り立つことが判る。 In the above (principle of the present invention), it was shown that | D (X L , X L−1 ) | << | D (X L−1 , X L−2 ) | at L = 1. Assuming that | D (X k , X k−1 ) | << | D (X k−1 , X k−2 ) | holds true when L = k, from the above equation (12), | X k + 1 −X k | << | X k −X k−1 |, and the update amount of X decreases. For this reason, | D (X k + 1 ), X k ) | << | D (X k , X k−1 ) |, and it can be seen that L = k + 1 holds.
なお、図2には、音源信号XLから補正後の音源信号XL+1が得られるまでの過程をブロック図で示した。 In FIG. 2, illustrating a process to the sound source signal X L + 1 corrected from the sound source signal X L is obtained in block diagram.
(補正周波数帯域の選択) (Selection of correction frequency band)
本発明者らの予備実験により、暗騒音によるレベルの低い非線形歪成分を入力信号にフィードバックして補正すると、逆に歪が増加する現象が見られた。これを防ぐため、本実施形態では、非線形歪の補正により歪成分が増えた周波数成分の補正量を0とする補正周波数帯域の選択処理を行う。選択後の非線形歪は次式により計算する。
上記(14)式で求めた非線形歪から再度XLを算出し、スピーカーから出力した後の応答から上記(14)式により再び非線形歪を算出する。 (14) is calculated again X L from the nonlinear distortion calculated by the equation, again calculated nonlinear distortion from the response after output from the speaker by the equation (14).
(装置構成)
以下、スピーカーの非線形歪低減装置の装置構成について説明する。図1には、スピーカーの非線形歪低減装置10の構成を示した。
(Device configuration)
The apparatus configuration of the speaker non-linear distortion reducing apparatus will be described below. FIG. 1 shows the configuration of a speaker non-linear
図1に示すように、スピーカーの非線形歪低減装置10は、コントローラ12、スピーカー14、マイクロホン16、及びAD−DA変換器18を含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the speaker nonlinear
コントローラ12は、CPU(Central Processing Unit)12A、ROM(Read Only Memory)12B、RAM(Random Access Memory)12C、不揮発性メモリ12D、及び入出力インターフェース(I/O)12Eがバス12Fを介して各々接続された構成となっている。I/O12Eには、AD−DA変換器18が接続されている。
The
AD−DA変換器18は、コントローラ12から出力されたデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換してスピーカー14に出力すると共に、マイクロホン16から入力されたアナログ音声信号をデジタル音声信号に変換してコントローラ12に出力する。
The AD-
コントローラ12は、後述する非線形歪低減処理を実行する。この非線形歪低減処理の制御プログラムは、本実施形態では一例として不揮発性メモリ12Dに予め記憶され、CPU12Aがこの予め記憶された制御プログラムを読み込むことにより実行される。また、CD−ROM等の記録媒体に制御プログラムを記録し、これをCD−ROMドライブ等で読み込むことにより実行するようにしてもよい。
The
(非線形歪低減処理) (Nonlinear distortion reduction processing)
以下、コントローラ12のCPU12Aで実行される非線形歪低減処理について図3に示すフローチャートを参照して説明する。
Hereinafter, the nonlinear distortion reduction process executed by the
まず、ステップ100では、スピーカー14からマイクロホン16までのインパルス応答h(n)を計測する。本実施形態では、一例としてTSP(Time-Stretched Pulse)法を用いてインパルス応答を計測し、計測結果を不揮発性メモリ12Dに記憶する。
First, in
ステップ102では、音源信号x(n)を不揮発性メモリ12Dに記憶された音声ファイルから読み込む。
In
ステップ104では、音源信号x(n)をAD−DA変換器18に出力し、デジタル音声信号に変換させてスピーカー14から出力させる。これにより、スピーカー14から出力された信号がマイクロホン16に入力され、マイクロホン16に入力されたアナログ音声信号がAD−DA変換器18でデジタル音声信号に変換されてコントローラ12に出力される。入力されたデジタル音声信号は、出力信号y(n)として不揮発性メモリ12Dに記憶させる。
In
ステップ106では、音源信号x(n)、出力信号y(n)、インパルス応答h(n)をそれぞれフーリエ変換し、X0、Y0、Hを求め、出力信号の理想周波数成分である線形成分X0Hを算出する。
In
ステップ108では、補正回数Lを初期化(L=0)する。
In
ステップ110では、ステップ106で求めたX0H及びYLに基づいて、(13)式より非線形成分 D(XL、XL−1)を求める。
In
ステップ112では、(12)式より、補正信号XL+1=XL−D(XL、XL−1)/Hを求める。
In
ステップ114では、ステップ112で求めたXL+1を逆フーリエ変換し、補正した出力信号xL+1(n)を求め、AD−DA変換器18を介してスピーカー14から出力させると共に、yL+1(n)を不揮発性メモリ12Dに記憶させ、フーリエ変換によりyL+1を求める。また、線形成分X0Hより、XL+1に対する非線形成分D(XL+1、XL)を求める。
In
ステップ116では、補正周波数選択処理として(14)式による計算を実行する。すなわち、|D(XL、XL−1)|>|D(XL+1、XL)|を満たす周波数成分については(14)式の左辺をD(XL、XL−1)とし、|D(XL、XL−1)|≦|D(XL+1、XL)|を満たす周波数成分については(14)式の左辺を0とする。
In
ステップ118では、(12)式のD(XL、XL−1)をステップ116で求めた(14)式の左辺の値に置き換えた上で(12)式によりXL+1を求める。
In
ステップ120では、ステップ118で求めたXL+1に対して、ステップ114と同様の処理を行い、非線形成分
ステップ122では、次式を満たすか否かを判断する。
そして、上記(16)式を満たす場合、すなわち非線形歪のパワーが大きくなっている場合はステップ124へ移行し、そうでない場合はステップ126へ移行する。 If the above equation (16) is satisfied, that is, if the power of the nonlinear distortion is large, the process proceeds to step 124, and if not, the process proceeds to step 126.
ステップ124では、補正前のD(XL+1、XL)を次の補正時の非線形成分として設定する。
In
一方、ステップ126では、補正後の上記(15)の非線形成分を次の補正時の非線形成分として設定し、上記(15)の非線形成分をD(XL+1、XL)に上書きする。
On the other hand, in
ステップ128では、次式を満たすか否かを判断する。
ここで、上記(18)式の右辺第1項は、k=1〜LにおけるP(D(Xk,Xk−1))の最小値を表す。すなわち、ステップ128では、今回計算した非線形歪のパワーが、これまでの補正で計算された非線形歪のパワーのうち最小の非線形歪のパワーにd(本実施形態では一例として1dB)を加算した値よりも大きいか否かを判断する。
Here, the first term on the right side of the above equation (18) represents the minimum value of P (D (X k , X k−1 )) in k = 1 to L. That is, in
そして、上記(18)式を満たす場合は、これ以上非線形歪のパワーが小さくならないと判断して本ルーチンを終了する。一方、上記(18)式を満たさない場合は、非線形歪のパワーが小さくなる可能性があると判断してステップ130へ移行する。 If the above equation (18) is satisfied, it is determined that the power of the nonlinear distortion is not reduced any more and this routine is terminated. On the other hand, if the above equation (18) is not satisfied, it is determined that there is a possibility that the power of non-linear distortion may be reduced, and the routine proceeds to step 130.
ステップ130では、補正回数Lをインクリメントして、ステップ110へ移行し、上記と同様の処理を繰り返す。
In
このように、本実施形態では、非線形システムであるスピーカーシステムを厳密に非線形関数でモデル化することなく、音源信号を直接補正するので、少ない計算量でスピーカーの非線形歪を低減することができる。 As described above, in this embodiment, since the sound source signal is directly corrected without modeling the speaker system which is a nonlinear system strictly with a nonlinear function, the nonlinear distortion of the speaker can be reduced with a small amount of calculation.
また、補正した音源信号を入力してさらに補正する再帰処理を行うので、より非線形歪を低減することができる。 In addition, since the recursive processing for further correcting by inputting the corrected sound source signal is performed, nonlinear distortion can be further reduced.
また、今回計算された非線形歪が前回計算された非線形歪以上となる周波数帯域については、今回計算された非線形歪を0として音源信号を補正する補正周波数帯域の選択処理を行うので、より非線形歪を低減することができる。 In addition, for the frequency band where the nonlinear distortion calculated this time is equal to or greater than the previously calculated nonlinear distortion, the correction frequency band selection process for correcting the sound source signal is performed by setting the nonlinear distortion calculated this time to 0. Can be reduced.
なお、本実施形態に係るスピーカーの非線形歪低減装置10は、例えば予め定めた音声を出力するおもちゃ等に適用することができる。このように出力する音声が予め定められている場合は、例えば製造時において、出力する音声を音源信号として図3に示す非線形歪低減処理を実行し、補正された音源信号を不揮発性メモリ12Dに記憶して出荷すればよい。この場合は、マイクロホン16は必要なく、使用時には補正後の音源信号がスピーカー14から出力されるようにすればよい。
The speaker non-linear
また、本実施形態に係るスピーカーの非線形歪低減装置10をCDプレーヤー等の音楽再生装置に搭載する場合は、例えば音源補正モード等を設け、この音源補正モードにおいてCDの音声を音源信号として再生させて図3に示す非線形歪低減処理を実行する。補正後のCDの音声信号は不揮発性メモリ12Dに記憶させる。そして、再生モードでCDを再生させる際には、不揮発性メモリ12Dに記憶された補正後の音源信号を再生すればよい。この場合、出力される音声信号が固定ではないので、マイクロホン16は必要となる。
When the speaker nonlinear
(実施例)
次に、本発明の実施例について説明する。本発明者らは、上記で説明した非線形歪低減方法についての性能評価実験を行った。以下、(1)実験条件、(2)原理の検証実験、(3)周波数帯域選択の効果検証実験、(4)再現性の検証実験、(5)音源依存性の検証実験、(6)環境依存性の検証実験について説明する。
(Example)
Next, examples of the present invention will be described. The present inventors conducted a performance evaluation experiment on the nonlinear distortion reduction method described above. (1) Experimental conditions, (2) Principle verification experiment, (3) Frequency band selection effect verification experiment, (4) Reproducibility verification experiment, (5) Sound source dependency verification experiment, (6) Environment A dependency verification experiment will be described.
(1)実験条件
実験で使用した機器は、一般的なパーソナルコンピュータに騒音計、スピーカー、AD−DA変換器を接続した構成である。コントローラ12としてのパーソナルコンピュータは、デル社のLATITUDE D630、マイクロホン16としての騒音計はリオン社製のNA−20、スピーカー14はヨシナ社輸入の製品(11W、中国製)、AD−DA変換器18はM−Audio Fast Track Pro(Avid Technology,inc製)を用いた。
(1) Experimental conditions The equipment used in the experiment has a configuration in which a sound level meter, a speaker, and an AD-DA converter are connected to a general personal computer. The personal computer as the
使用した音源は正弦波4種類及び一般音楽4種類である。正弦波の音源は、周波数が250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hzの4種類で、振幅は何れも0.4である。また、各正弦波の長さは216点であり、taper処理として、2400点の半余弦窓が両端にかけられている。 The sound sources used were 4 types of sine waves and 4 types of general music. There are four types of sinusoidal sound sources with frequencies of 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, and 2000 Hz, and the amplitudes are all 0.4. The length of each sine wave is 2 16 points, as taper process, has been subjected to both ends half-cosine windows 2400 points.
一般音楽の音源は、ピアノ、弦楽器、オーケストラ、女性ボーカルの4種類である。一般音楽の音源はRWC研究用音楽データベースを用いて、10秒程度に切り出したものを用いた。ピアノは“クラシック音楽No.27”、弦楽器は“クラシック音楽No.14”、オーケストラは“クラシック音楽No.3”、女性ボーカルは“ポピュラー音楽No.17”を用いた。実験場所は無響室(工学院大学八王子キャンパス9号館9−204室)と一般室内(同9−202室)の2箇所である。また、スピーカーと騒音計との距離は、無響室及び一般室内ともに約60cmである。
There are four types of general music sources: piano, stringed instrument, orchestra, and female vocal. The sound source for general music was cut out in about 10 seconds using a music database for RWC research. The piano used “Classic Music No. 27”, the stringed instrument used “Classic Music No. 14”, the orchestra used “Classic Music No. 3”, and the female vocals used “Popular Music No. 17”. There are two experimental locations: the anechoic room (Kogakuin University Hachioji Campus,
(2)原理検証実験
本発明に係るスピーカーの非線形歪低減処理を1回実行し、原理通り動作し、歪が低減するか確かめる実験を行った。実験場所は一般室内であり、使用音源は周波数が2000Hzの正弦波を用いた。結果を図4〜9に示す。図4〜9に示した6個のグラフは、各動作の過程における入力と出力の周波数特性を示している。
(2) Principle Verification Experiment An experiment was performed in which the non-linear distortion reduction processing for the speaker according to the present invention was performed once, and the operation was performed in accordance with the principle and the distortion was reduced. The experimental place was a general room, and the sound source used was a sine wave with a frequency of 2000 Hz. The results are shown in FIGS. The six graphs shown in FIGS. 4 to 9 show the frequency characteristics of the input and output in the course of each operation.
図4は、入力信号(音源信号)の周波数特性である(変数名X0)。
図5は、入力信号に対するスピーカーの出力信号の周波数特性である(変数名Y0)。
図6は、補正(1回目)した入力信号の周波数特性である(変数名X1)。
図7は、補正(1回目)した入力信号に対するスピーカーの出力信号の周波数特性である(変数名Y1)。
図8は、補正(2回目)した入力信号の周波数特性である(変数名X2)。
図9は、補正(2回目)した入力信号に対するスピーカーの出力信号の周波数特性である(変数名Y2)。
FIG. 4 shows frequency characteristics of the input signal (sound source signal) (variable name X 0 ).
FIG. 5 shows frequency characteristics of the output signal of the speaker with respect to the input signal (variable name Y 0 ).
FIG. 6 shows frequency characteristics of the input signal that has been corrected (first time) (variable name X 1 ).
FIG. 7 shows the frequency characteristic of the output signal of the speaker with respect to the corrected (first time) input signal (variable name Y 1 ).
FIG. 8 shows the frequency characteristics of the corrected (second time) input signal (variable name X 2 ).
FIG. 9 shows the frequency characteristics of the output signal of the speaker with respect to the corrected (second time) input signal (variable name Y 2 ).
なお、図4、6、8の縦軸は電圧レベル[dBV]を表し、図5、7、9の縦軸は音圧レベル[dB]を表している。また、図4〜9の横軸は何れも周波数[kHz]を表している。 4, 6 and 8, the vertical axis represents the voltage level [dBV], and the vertical axes of FIGS. 5, 7 and 9 represent the sound pressure level [dB]. Moreover, all the horizontal axes of FIGS. 4 to 9 represent the frequency [kHz].
図4は音源信号の周波数特性を表しており、歪成分が含まれていないので、正弦波2000Hzの成分だけが表示されている。 FIG. 4 shows the frequency characteristics of the sound source signal, and since no distortion component is included, only the component of the sine wave 2000 Hz is displayed.
図5は入力信号に対するスピーカーの出力信号の周波数特性を表しており、2000Hz成分のほかに非線形歪による倍音が多く含まれている。 FIG. 5 shows the frequency characteristics of the output signal of the speaker with respect to the input signal. In addition to the 2000 Hz component, many harmonics due to nonlinear distortion are included.
図6は補正(1回目)した入力信号の周波数特性を表しており、図4のスペクトラムと比べて歪が増えている。これは音源信号に歪を打ち消すための歪成分(−D(X、0)/H)が加えられているためである((5)式参照)。 FIG. 6 shows the frequency characteristic of the corrected (first time) input signal, and the distortion is increased as compared with the spectrum of FIG. This is because a distortion component (-D (X, 0) / H) for canceling the distortion is added to the sound source signal (see equation (5)).
図7は補正(1回目)した入力信号に対するスピーカーの出力信号の周波数特性を表しており、補正を加える前の信号に対応する図5と比較すると、2倍音は約5dB、4倍音は約6dB、5倍音は約11dB、7倍音は約5dB減少しており、全体のレベルで見ると2.9dB減少している。 FIG. 7 shows the frequency characteristic of the output signal of the speaker with respect to the corrected (first time) input signal. Compared with FIG. 5 corresponding to the signal before correction, the second harmonic is about 5 dB and the fourth harmonic is about 6 dB. The fifth overtone is reduced by about 11 dB, and the seventh overtone is reduced by about 5 dB. When viewed from the overall level, the fifth harmonic is reduced by 2.9 dB.
図8は補正(2回目)した入力信号の周波数特性を表している。図9は補正(2回目)した入力信号に対するスピーカーの出力信号の周波数特性を表しており、1回補正後である図7と比較すると、2倍音は約3dB、3倍音は約2dB、6倍音は約3dB減少し、全体のレベルは3.9dB減少した。以上より、本発明により原理的に正しく動作することが確認できた。 FIG. 8 shows the frequency characteristics of the corrected (second time) input signal. FIG. 9 shows the frequency characteristics of the output signal of the speaker with respect to the corrected (second time) input signal. Compared with FIG. 7 after the first correction, the second harmonic is about 3 dB, the third harmonic is about 2 dB, and the sixth harmonic. Decreased by about 3 dB and the overall level decreased by 3.9 dB. From the above, it was confirmed that the present invention operates correctly in principle.
(3)周波数帯域選択の効果検証実験
周波数帯域選択の効果を検証するため、(A)周波数帯域選択を必ず行う場合、(B)周波数帯域選択を全く行わない場合、(C)通常の場合(効果がある場合のみ周波数帯域選択を行う)について実験を行った。使用音源は2000Hzの正弦波である。(A)〜(C)の3つの条件における各全体の非線形歪低減の推移を図10に示す。
(3) Frequency band selection effect verification experiment In order to verify the effect of frequency band selection, (A) when frequency band selection is always performed, (B) when frequency band selection is not performed at all, (C) normal case ( An experiment was conducted on selecting a frequency band only when there is an effect. The sound source used is a 2000 Hz sine wave. FIG. 10 shows the transition of the overall nonlinear distortion reduction under the three conditions (A) to (C).
図10は、補正回数に対する非線形歪の低減レベルを表しており、横軸がレベルの測定を行った回数(回)、縦軸が非線形歪のレベル[dB]である。また、グリッド上の点は帯域選択処理なし、回数グリッドの間にある点は帯域選択処理と判定処理を行った後の値を示している。 FIG. 10 shows the level of nonlinear distortion reduction with respect to the number of corrections. The horizontal axis represents the number of times the level was measured (times), and the vertical axis represents the nonlinear distortion level [dB]. Further, the points on the grid are not subjected to the band selection process, and the points between the frequency grids indicate the values after the band selection process and the determination process are performed.
図10に示すように、(A)周波数帯域選択を必ず行う場合は、帯域選択時にレベルが増加している箇所が見られた。(B)周波数帯域選択を行わない場合は、レベルが単調に減少している。(C)通常の場合は、L=2より(A)、(B)との差が徐々に開き、最終的に3dB近く(A)及び(B)よりも歪のレベルが減少している。この結果より、周波数帯域の選択処理が有効であることが判った。 As shown in FIG. 10, when (A) frequency band selection is always performed, a portion where the level increases at the time of band selection was seen. (B) When frequency band selection is not performed, the level decreases monotonously. (C) In a normal case, the difference between (A) and (B) gradually opens from L = 2, and finally the distortion level is reduced to near 3 dB than in (A) and (B). From this result, it was found that the frequency band selection processing is effective.
(4)再現性の検証実験
本発明者らは、本発明に係る非線形歪低減処理を複数回実行しても安定して同じような歪の低減効果が得られるか検証する実験を行った。実験場所は一般室内、使用音源は2000Hzの正弦波である。本実験では5回同じ処理を実行した。実験結果を図11に示す。図11に示すグラフの縦軸及び横軸は図10と同一である。
(4) Reproducibility verification experiment The present inventors conducted an experiment to verify whether the same distortion reduction effect can be obtained stably even when the nonlinear distortion reduction processing according to the present invention is executed a plurality of times. The experimental place is a general room, and the sound source used is a 2000 Hz sine wave. In this experiment, the same process was performed five times. The experimental results are shown in FIG. The vertical axis and horizontal axis of the graph shown in FIG. 11 are the same as those in FIG.
図11に示すように、同じ処理を複数回実行してもほぼ同じレベルの非線形歪低減効果が得られることが判った。この結果より、本発明の再現性を確認することができた。 As shown in FIG. 11, it has been found that even when the same processing is executed a plurality of times, the same level of nonlinear distortion reduction effect can be obtained. From this result, the reproducibility of the present invention could be confirmed.
(5)音源依存性の検証実験
前述した(2)原理検証実験及び(3)再現性の検証実験では、音源として2000Hzの正弦波を用いた。音源依存性の検証実験では、他の音源によっても同様に非線形歪を低減できるか否かを検証するため、音源を変えた実験を行った。使用する音源は(1)実験条件で示した正弦波4種類及び一般音楽4種類の8つの音源であり、実験環境は一般室内である。
(5) Verification experiment of sound source dependency In the above-described (2) principle verification experiment and (3) reproducibility verification experiment, a 2000 Hz sine wave was used as a sound source. In the sound source dependency verification experiment, an experiment was performed in which the sound source was changed in order to verify whether the non-linear distortion could be reduced by other sound sources as well. The sound sources to be used are (1) 8 sound sources of 4 types of sine waves and 4 types of general music shown in the experimental conditions, and the experimental environment is in a general room.
図11は8つの音源に対して最終的に低減したレベルを示している。図11の横軸は音源の種類を、縦軸は非線形歪の低減量を示す。図11に示すように、音源によりばらつきがあるものの、何れの音源でも非線形成分が低減し、本発明が様々な音源に対して有効であることが確認できた。 FIG. 11 shows the final reduced levels for the eight sound sources. The horizontal axis in FIG. 11 indicates the type of sound source, and the vertical axis indicates the amount of reduction in nonlinear distortion. As shown in FIG. 11, although there are variations depending on the sound source, the nonlinear component is reduced in any sound source, and it has been confirmed that the present invention is effective for various sound sources.
(6)環境依存性の検証実験
本発明者らは、暗騒音及び反響の有無が非線形歪低減量に与える影響を調べるために、無響室と一般室内で非線形歪低減量の比較実験を行った。音源は(5)音源依存性の検証実験で用いたものと同様である。図11に示すように、無響室と一般室内での最終低減レベルを比較すると500Hz正弦波を除き、全て一般室内の低減率の方が無響室の低減率と比べて大きいという結果が得られた。しかしながら、両者の差が2000Hz正弦波を除いてほとんどないことから、無響室と一般室内の差は測定誤差の範囲にあり、暗騒音や残響が本発明の性能に与える影響は小さいと考えられる。このように、本発明は一般室内でも利用でき、実用上有用である事が判った。
(6) Environment-dependent verification experiment In order to investigate the influence of the presence or absence of background noise and reverberation on the amount of nonlinear distortion reduction, the inventors conducted a comparative experiment of nonlinear distortion reduction in an anechoic chamber and a general room. It was. The sound source is the same as that used in (5) the sound source dependency verification experiment. As shown in FIG. 11, when the final reduction levels in the anechoic room and the general room are compared, all the reduction rates in the general room are larger than those in the anechoic room except for the 500 Hz sine wave. It was. However, since there is almost no difference between the two except for the 2000 Hz sine wave, the difference between the anechoic chamber and the general chamber is within the measurement error range, and it is considered that the influence of background noise and reverberation on the performance of the present invention is small. . Thus, it was found that the present invention can be used in a general room and is practically useful.
以上説明したように、本発明によれは、実験環境及び使用音源を変えた場合でも非線形歪が低減するのを確認することができた。非線形歪低減性能は、正弦波では1〜11dB、音楽では5〜9dBであった。 As described above, according to the present invention, it was confirmed that the nonlinear distortion was reduced even when the experimental environment and the sound source used were changed. The nonlinear distortion reduction performance was 1 to 11 dB for sine waves and 5 to 9 dB for music.
10 スピーカーの非線形歪低減装置
12 コントローラ
12F バス
12 数
14 スピーカー
16 マイクロホン
18 AD−DA変換器
10 Speaker Nonlinear
Claims (6)
前記スピーカーから出力させる音源信号、前記音源信号を前記スピーカーから出力して前記マイクロホンで入力した前記スピーカーからの出力信号、及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記出力信号の非線形成分を算出する算出手段と、
前記非線形成分及び前記インパルス応答に基づいて、前記音源信号を直接補正する補正手段と、
を備えたスピーカーの非線形歪低減装置。 Measuring means for measuring the impulse response from the speaker to the microphone,
A non-linear component of the output signal is calculated based on a sound source signal output from the speaker, an output signal from the speaker output from the speaker and input from the speaker, and a measurement result of the impulse response. A calculation means;
Correction means for directly correcting the sound source signal based on the nonlinear component and the impulse response;
A non-linear distortion reduction device for speakers with
請求項1記載のスピーカーの非線形歪低減装置。 The calculation means corrects the sound source signal corrected by the correction means, the correction sound source signal is output from the speaker and the correction output signal from the speaker is input from the microphone, and the measurement result of the impulse response A process of calculating a non-linear component of the correction output signal based on the correction, and a process of correcting the correction sound source signal again based on the measurement result of the non-linear component of the correction output signal and the impulse response. The non-linear distortion reducing apparatus for a speaker according to claim 1, wherein: is repeated until a predetermined termination condition is satisfied.
請求項2記載のスピーカーの非線形歪低減装置。 The calculation unit calculates the nonlinear component for each frequency band, and the correction unit calculates the nonlinear component calculated last time among the nonlinear components calculated for each frequency band. The non-linear distortion reduction apparatus for a speaker according to claim 2, wherein the sound source signal is corrected by setting the non-linear component calculated this time to zero for the frequency band as described above.
前記補正手段は、前記インパルス応答をフーリエ変換した値で前記非線形成分を除算した値を、前記音源信号から減算することにより、前記音源信号を直接補正する The correction means directly corrects the sound source signal by subtracting a value obtained by dividing the nonlinear component by a value obtained by Fourier transforming the impulse response from the sound source signal.
請求項1〜3の何れか1項に記載のスピーカーの非線形歪低減装置。 The non-linear distortion reduction apparatus for a speaker according to any one of claims 1 to 3.
前記スピーカーから出力させる音源信号、前記音源信号を前記スピーカーから出力して前記マイクロホンで入力した前記スピーカーからの出力信号、及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記出力信号の非線形成分を算出するステップと、
前記非線形成分及び前記インパルス応答の計測結果に基づいて、前記音源信号を直接補正するステップと、
を含むスピーカーの非線形歪低減方法。 Measuring the impulse response from the speaker to the microphone;
A non-linear component of the output signal is calculated based on a sound source signal output from the speaker, an output signal from the speaker output from the speaker and input from the speaker, and a measurement result of the impulse response. Steps,
Directly correcting the sound source signal based on the measurement result of the nonlinear component and the impulse response;
A method for reducing non-linear distortion of a speaker including
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