JP6631341B2 - 信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、音信号の処理に関する。

電子楽器において音信号を処理する技術が知られている。特許文献１には、ピアノの弦の振動が響板を伝搬する状態をシミュレートするフィルタを設けた音像定位装置が記載されている。特許文献２には、入力信号を分離し、分離された信号それぞれに対し、信号レベルに応じた効果を付加する技術が記載されている。

特開平４−３４３３９４号公報 特開２０００−１４８１３９号公報

特許文献１の技術においては、正確なシミュレーションと、シミュレーション結果を再現するための高度な信号処理が必要であった。また、特許文献２の技術においては、入力信号のレベルに関わらずに効果が付加されるため、楽器に適用した場合に自然な音にならないという問題があった。

これに対し本発明は、より簡単な構成で、電子楽器の音像制御にも用いることができる信号処理装置を提供する。

本発明は、第１音信号を入力するための第１入力部と、第２音信号を入力するための第２入力部と、前記第１音信号から特定の周波数帯域の音信号を通過させる第１フィルタと、前記第２音信号から前記特定の周波数帯域の音信号を通過させる第２フィルタと、前記第１音信号のレベルおよび前記第２音信号のレベル、並びに当該第１音信号と当該第２音信号とのレベル差に応じて、前記第１音信号に対する第１ゲインおよび前記第２音信号に対する第２ゲインを算出する算出部と、前記算出部により算出された前記第１ゲインで、前記第１フィルタの出力信号を増幅する第１増幅器と、前記算出部により算出された前記第２ゲインで、前記第２フィルタの出力信号を増幅する第２増幅器と、前記第１増幅器の出力信号を前記第１音信号に加算する第１加算器と、前記第２増幅器の出力信号を前記第２音信号に加算する第２加算器と前記第１加算器による加算結果を出力する第１出力部と、前記第２加算器による加算結果を出力する第２出力部とを有する信号処理装置を提供する。

前記算出部は、前記第１音信号のレベルと前記第２音信号とのレベル差がしきい値未満であった場合、基準となる入出力特性に従って前記第１ゲインおよび前記第２ゲインを算出し、前記レベル差がしきい値以上であった場合、前記算出部は、レベルの大きい音信号のゲインを前記基準となる入出力特性よりも小さく、レベルの小さい音信号のゲインを前記基準となる入出力特性よりも大きく算出してもよい。

前記算出部は、前記第１音信号と前記第２音信号との前記特定の周波数帯域と異なる周波数帯域の音信号のレベル差に応じて、前記第１ゲインおよび前記第２ゲインを算出してもよい。

本発明によれば、より簡単な構成で、電子楽器の音像制御をすることができる。

一実施形態に係る電子楽器１の外観を例示する図。 一実施形態に係る電子楽器１の構成を例示する図。 信号処理装置１７における信号処理の基準特性を例示する図。 信号処理装置１７における信号処理の概要を示す図。 ゲイン算出部１７５におけるゲイン算出処理を例示するフローチャート。 変形例１に係る基準特性を例示する図。 変形例１に係る信号処理の概要を示す図。 変形例２に係る信号処理装置１７の構成を例示する図。

１．構成
図１は、一実施形態に係る電子楽器１の外観を例示する図である。この例で、電子楽器１は鍵盤楽器である。電子楽器１は、本体１１、鍵盤１２、スピーカ１３、およびスピーカ１４を有する。本体１１は、鍵盤１２、スピーカ１３、およびスピーカ１４を含む他の構成要素を収容するものであり、例えばアップライトピアノを模した形状の筐体を含む。鍵盤１２は、演奏者（ユーザ）による演奏操作を受け付ける操作子の一例であり、複数の鍵を含む。鍵が操作されると、操作された鍵に応じた音信号を音源（図１では不図示）が生成する。音信号は信号処理装置（図１では不図示）で処理される。スピーカ１３およびスピーカ１４は、信号処理装置により処理された音信号に応じた音を出力する。この例で、スピーカ１３およびスピーカ１４は、鍵盤１２よりも下側に設けられている。なお、スピーカ１３およびスピーカ１４が鍵盤１２よりも下側にあるとは、電子楽器１を使用状態に置いたときにスピーカ１３およびスピーカ１４が鍵盤１２よりも低い位置にあることをいう。

図２は、一実施形態に係る電子楽器１の構成を例示する図である。電子楽器１は、押鍵センサ１５、発音制御部１６、信号処理装置１７、および増幅器１８を有する。押鍵センサ１５は、鍵盤１２の複数の鍵のうちどの鍵が押鍵されているか検知し、押鍵された鍵を示す信号を出力する。この信号は、各鍵の押鍵量（鍵がどのくらい押し込まれているか）を示す情報を含んでいてもよい。押鍵センサ１５は、例えば、ＬＥＤおよびフォトダイオードを用いた光学式のセンサである。

発音制御部１６は、鍵盤１２の操作に応じて、すなわち押鍵センサ１５から出力される信号に応じて音信号を生成する。発音制御部１６は、音源１６１および音信号生成部１６２を有する。音源１６１は、各鍵に対応する音データを記憶している。ある鍵に対応する音データは、その鍵を押鍵したときに発生する音の立ち上がりから消え際までの音波形を示すデータである。各鍵に対応する音データは、左チャンネルのデータおよび右チャンネルのデータを含む。音信号生成部１６２は、押鍵センサ１５から出力された信号に応じた音データを音源１６１から読み出し、読み出された音データに応じた音信号を出力する。

信号処理装置１７は、発音制御部１６から出力された音信号を処理する。信号処理装置１７は、音信号を処理する音処理部の一例である。この例で、信号処理装置１７は、音像の位置を上に持ち上げる処理、すなわち音像をスピーカ位置より上方に定位させる処理を行う。一般に音の広がり感は高域と関連があることが知られており、特に２〜６ｋＨｚの周波数帯域を強調することにより音像位置が上昇することが知られている。音信号に対してこの周波数帯域を強調する処理を行えば音像位置を上昇させる効果が期待される。しかし一方で、この周波数帯域は人間の聴覚上、感度が高い周波数帯域でもあり、強調しすぎると音色が変化したように感じられてしまう。そこで、信号処理装置１７は、この特定の周波数帯域の音信号を強調する処理を、入力された音信号のレベルに応じて制御する。信号処理装置１７は、処理された特定の周波数帯域の音信号を、元の音信号に加算して出力する。ここで「特定の周波数帯域」とは、上述のとおり音の広がり感に影響を与える周波数帯域をいい、例えば、２〜６ｋＨｚの周波数帯域である。

信号処理装置１７は、ＢＰＦ（Band Pass Filter、帯域通過フィルタ）１７１、増幅器１７２、加算器１７３、レベル検知部１７４、ゲイン算出部１７５、入力部１７８、および出力部１７９を有する。ゲイン算出部１７５以外の要素については、左チャンネルの音信号（第１音信号の一例）および右チャンネルの音信号（第２音信号の一例）のそれぞれに対して設けられている。左チャンネルの処理系と右チャンネルの処理系とを区別するときは、左チャンネルの処理系には添字Ｌが、右チャンネルの処理系には添字Ｒが、それぞれ付される。

入力部１７８Ｌ（第１入力部の一例）および入力部１７８Ｒ（第２入力部の一例）は、それぞれ、発音制御部１６から出力された左チャンネルおよび右チャンネルの音信号を入力するためのものである。入力部１７８は、少なくとも音信号の入力を受け付けるための端子を含む。

ここではまず左チャンネルの処理系を例に説明する。入力部１７８Ｌを介して入力された音信号は、２つに分岐される。分岐された一方の音信号は、そのまま加算器１７３Ｌに入力される。分岐された他方の音信号に対しては、特定の周波数帯域を強調する処理を行うため、ＢＰＦ１７１Ｌに入力される。

図３は、信号処理装置１７における特定の周波数帯域の音信号の入出力特性を例示する図である。図３の上段は、信号処理装置１７の入力信号および出力信号の特性（入出力特性Ｐｓ）を例示する図である。横軸は入力レベルすなわち入力される音信号のレベルを、縦軸は出力レベルすなわち出力される音信号のレベルを示している。図３の下段は、この入出力特性に対応するゲインα_Sを示している。

図中の破線は、出力レベル＝入力レベルとなる特性、すなわちゲインα［ｄＢ］がゼロとなる特性を示している。分岐された音信号のうちＢＰＦ１７１に入力されずそのまま加算器１７３に入力された音信号の入出力特性は、この破線の特性に従う。これに対し信号処理装置１７は、入力レベルがしきい値Ｓ₁よりも低い範囲において、入力レベルに対し出力レベルを増幅する。すなわち、入力レベルがＳ₁未満の範囲ではα_S＞０であり、入力レベルがＳ₁以上の範囲ではα_S＝０である。この例では、入力レベルが最低のときにゲインが最大となり、入力レベルの増加に伴ってゲインが線形に減少する。本実施形態においては、入力された全周波数帯域の音信号レベルに基づいて、特定の周波数帯域の音信号レベルを設定する。

この例で、音源１６１のデータはアコースティックピアノからサンプリングされたものである。したがって、ある鍵を押鍵したときに発音制御部１６により生成される音信号における音像は、その鍵の近傍に位置する。例えば、鍵盤１２の中央の鍵を押鍵したときの音像は中央に、左の鍵を押鍵したときの音像は左に、それぞれ位置している。図３の入出力特性Ｐｓは、鍵盤１２のうち基準となる鍵、この例では中央の鍵に対して最大の音像上昇効果が得られるように設定されている。入出力特性Ｐｓを基準特性という。入出力特性Ｐｓは、基準となる入出力特性の一例である。

鍵盤１２のうち、例えば左端の鍵を押鍵したときの音像は左に位置する。この音信号を基準特性で処理すると、左チャンネルの音が過度に強調され、音色の変化が生じてしまう。そこで、信号処理装置１７は、左チャンネルの音信号に対するゲインを基準特性よりも下げる。これにより、音色の変化が抑制される。ただし、単に左チャンネルのゲインを下げただけでは音の広がり感が乏しくなるので、信号処理装置１７は、右チャンネルのゲインを上げる。

図４は、信号処理装置１７における特定の周波数帯域の音信号に対する信号処理の概要を示す図である。ここでは、左チャンネルの全周波数帯域の音信号レベルと右チャンネルの全周波数帯域の音信号レベルとの差に基づいて、特定の周波数帯域の音信号レベルを設定する。左チャンネルの音信号レベルＳ_Lが右チャンネルの音信号レベルＳ_Rよりも大きい場合、より具体的には音信号レベルＳ_Lと音信号レベルＳ_Rとの差がしきい値Ｓ_th以上である例（（Ｓ_L−Ｓ_R）≧Ｓ_th）を示している。この例では、左チャンネルのゲインα_Lは基準特性によるゲインα_L（Ｓ_L）よりも小さく、右チャンネルのゲインα_Rは基準特性によるゲインα_S（Ｓ_R）よりも大きく設定される。これにより、音色を維持しつつ、音に広がり感を与えることができる。ここで、α_S（Ｓ_L）は基準特性において音信号レベルＳ_Lに対応するゲインであり、α_S（Ｓ_R）は基準特性において音信号レベルＳ_Rに対応するゲインである。

再び図２を参照する。ＢＰＦ１７１Ｌは、特定の周波数帯域の音信号を通過させる。具体的には、ＢＰＦ１７１Ｌは、低域側のカットオフ周波数ｆＬ以下の周波数帯の音信号および高域側のカットオフ周波数ｆＨ以上の周波数帯の音信号を減衰させ、これらの間の周波数帯の音信号を通過させる。カットオフ周波数ｆＬおよびｆＨは、例えば、ｆＬ＝２ｋＨｚおよびｆＨ＝６ｋＨｚである。増幅器１７２Ｌは、ＢＰＦ１７１Ｌの出力信号をｋＬ倍に増幅する。増幅器１７２Ｌにおける係数ｋ_L（第１ゲインの一例）は、ゲイン算出部１７５により決定される。ゲイン算出部１７５は、左チャンネルの音信号のレベルを用いて、増幅器１７２Ｌにおける係数ｋ_Lを算出（決定）する。左チャンネルの音信号のレベルは、レベル検知部１７４により検知される。

信号処理装置１７における左チャンネルの音信号の入力から出力までの全体のゲインα_L［ｄＢ］は、

である。なおＢ_LはＢＰＦ１７１Ｌのゲイン（リニアスケール）を表す（理想的なＢＰＦでは通過帯域でＢ_L＝１、阻止帯域でＢ_L＝０）。すなわち、増幅器１７２Ｌにおける係数ｋ_Lを算出することは、特定の周波数帯域の音信号の処理系のゲインα_Lを算出することと同義である。なお右チャンネルの処理系全体のゲインα_R［ｄＢ］も、左チャンネルと同様に、

で表される。なお、ｋ_Rは増幅器１７２Ｒにおける係数を、Ｂ_RはＢＰＦ１７１Ｒのゲインを、それぞれ表す。係数ｋ_Rは第２ゲインの一例である。図３および図４におけるゲインはα_Lおよびα_Rを表している。また、以下の説明においてはゲイン算出部１７５がゲインα_Lおよびα_Rを算出すると記載しているが、これは所望のα_Lおよびα_Rを得るための係数ｋ_Lおよびｋ_Rを算出することと同義である。なお、係数ｋが０＜ｋ＜１のときは、増幅器１７２は、ＢＰＦ１７１から出力された特定の周波数帯域の音信号を減衰させて出力する。入力レベルの増加に伴いｋの値を減少させ、入力レベルがＳ₁になったところでｋ＝０、すなわち、α＝０となるように係数ｋの値を設定する。

ゲイン算出部１７５は、第１音信号のレベルおよび第２音信号のレベル、並びに第１音信号と第２音信号とのレベル差に応じて、第１音信号に対する第１ゲインおよび第２音信号に対する第２ゲインを算出する算出部の一例である。増幅器１７２Ｌは第１フィルタの出力信号を第１ゲインで増幅する第１増幅器の一例であり、増幅器１７２Ｒは第１フィルタの出力信号を第２ゲインで増幅する第１増幅器の一例である。

加算器１７３Ｌ（第１加算器の一例）は、増幅器１７２Ｌの出力信号を左チャンネルの音信号に加算して出力する。加算器１７３Ｒ（第２加算器の一例）は、増幅器１７２Ｒの出力信号を右チャンネルの音信号に加算して出力する。

出力部１７９Ｌ（第１出力部の一例）および出力部１７９Ｒ（第２出力部の一例）は、それぞれ、加算器１７３から出力された音信号を、外部に出力するためのものである。出力部１７９は、少なくとも音信号を出力するための端子を含む。

図５は、ゲイン算出部１７５におけるゲイン算出処理を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、ゲイン算出部１７５は、レベルＳ_LとレベルＳ_Rとの差ΔＳ（＝Ｓ_L−Ｓ_R）を算出する。ステップＳ２において、ゲイン算出部１７５は、差の絶対値｜ΔＳ｜がしきい値Ｓ_th以上であるか判断する。｜ΔＳ｜がしきい値Ｓ_th未満である（｜ΔＳ｜＜Ｓ_th）と判断された場合（Ｓ２：ＮＯ）、ゲイン算出部１７５は、処理をステップＳ３に移行する。｜ΔＳ｜がしきい値Ｓ_th以上である（｜ΔＳ｜≧Ｓ_th）と判断された場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、ゲイン算出部１７５は、処理をステップＳ４に移行する。

ステップＳ３において、ゲイン算出部１７５は、基準特性に従ってゲインを算出する。すなわち、ゲイン算出部１７５は、基準特性から左チャンネルの音信号レベルＳ_Ｌに対応するゲインα_Lを算出し、さらに基準特性から右チャンネルの音信号レベルＳ_Ｒに対応するゲインα_Rを算出する（次式（３）および（４））。
α_L＝α_S（Ｓ_L） …（３）
α_R＝α_S（Ｓ_R） …（４）

ステップＳ４において、ゲイン算出部１７５は、レベルＳ_LとレベルＳ_Rとの差ΔＳの正負を判断する。ΔＳ＞０の場合（すなわちＳＬ＞ＳＲの場合）、ゲイン算出部１７５は、処理をステップＳ５に移行する。ΔＳ＜０の場合（すなわちＳ_L＜Ｓ_Rの場合）、ゲイン算出部１７５は、処理をステップＳ６に移行する。

ステップＳ５において、ゲイン算出部１７５は、次式（５）および（６）に従ってゲインを算出する。
α_L＝ｋ_D・α_S（Ｓ_L） …（５）
α_R＝ｋ_U・α_S（Ｓ_R） …（６）
ここで、ｋ_Dは基準特性よりもゲインを下げるための係数であり、０＜ｋ_D＜１である。ｋ_Uは基準特性よりもゲインを上げるための係数であり、ｋ_U＞１である。計数ｋ_Dおよび係数ｋ_Uは、例えば、それぞれあらかじめ決められた定数である。

ステップＳ６において、ゲイン算出部１７５は、次式（７）および（８）に従ってゲインを算出する。
α_L＝ｋ_U・α_S（Ｓ_L） …（７）
α_R＝ｋ_D・α_S（Ｓ_R） …（８）

なお、式（７）および（８）により算出されたゲインで増幅した場合の信号レベルの差ΔＳがなおしきい値Ｓ_thを超えるときは、ゲイン算出部１７５は、信号レベルの差ΔＳがＳ_thと等しくなるようにゲインα_Lおよびα_Rをさらに調整してもよい。式（７）および（８）によるゲイン調整後においてもなおΔＳがしきい値Ｓ_thを超えていると、音色が変化したように感じられる場合があるためである。

ステップＳ７において、ゲイン算出部１７５は、増幅器１７２Ｌおよび増幅器１７２Ｒにおけるゲインα_1L［ｄＢ］およびゲインα_1R［ｄＢ］を次式（９）および（１０）に従って算出する。なお次式（９）および（１０）におけるゲインα_Lおよびα_Rは、ステップＳ５またはＳ６で算出されたゲインである。

ゲイン算出部１７５は、増幅器１７２Ｌおよび増幅器１７２Ｒにおけるゲインα_1Lおよびゲインα_1Rを式（９）および（１０）で算出された値に設定する。増幅器１７２Ｌおよび増幅器１７２Ｒにおけるゲインをこのように設定することにより、ステップＳ５またはＳ６で算出された、信号処理装置１７の入力から出力までのゲインα_Lおよびゲインα_Rが実現する。ゲイン算出部１７５は、ステップＳ１〜Ｓ７の処理を周期的に繰り返し実行する。

再び図２を参照する。増幅器１８は、出力部１７９を介して信号処理装置１７から出力された音信号を増幅する。スピーカ１３およびスピーカ１４は、増幅器１８により増幅された音信号に応じた音を出力する。電子楽器１によれば、音色を維持しつつ音に広がり感を与えることができる。

２．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

２−１．変形例１
図６は、変形例１に係る基準特性を例示する図である。基準特性は図３に例示したものに限定されない。図６の例では、入力レベルが最低値Ｓ₀のときにゲインが０ｄＢであり、ゲインが最大となる入力レベルＳ_mが、Ｓ₀＜Ｓ_m＜Ｓ₁の範囲内にある。

図７は、変形例１に係る信号処理の概要を示す図である。ここでは、音信号レベルＳ_Lと音信号レベルＳ_Rとの差がしきい値Ｓ_th以上である例（（Ｓ_L−Ｓ_R）≧Ｓ_th）を示している。この例では、左チャンネルのゲインα_Lは基準特性よりも小さく、右チャンネルのゲインα_Rは基準特性よりも大きく設定される。図３の例では、入力レベルが低いときに特定の周波数帯域が過度に強調されてしまうことがあったが、図６の例によれば入力レベルが低いときの特定の周波数帯域の過度な強調が抑制される。

２−２．変形例２
図８は、変形例２に係る信号処理装置１７の構成を例示する図である。この例で、信号処理装置１７は、ＢＰＦ１７６ＲおよびＢＰＦ１７６Ｌを有する。ＢＰＦ１７６Ｒは、右チャンネルの音信号のうち一部の周波数帯域の成分を通過させる。レベル検知部１７４Ｒは、ＢＰＦ１７６Ｒの出力信号のレベルを検知する。左チャンネルの処理系についても同様である。ここで、ＢＰＦ１７６を通過する「一部の周波数帯域」は、例えばＢＰＦ１７１を通過する「特定の周波数帯域」と同じ周波数帯域である。この例によれば、増幅器１７２によって強調される信号成分のレベルに応じてゲインを設定することができる。別の例で、ＢＰＦ１７６を通過する「一部の周波数帯域」は、例えばＢＰＦ１７１を通過する「特定の周波数帯域」と異なる周波数帯域であってもよい。ここで、「異なる周波数帯域」とは、２つのＢＰＦにおいて低域側のカットオフ周波数および高域側のカットオフ周波数の少なくとも一方が異なっていることをいう。この場合、ＢＰＦ１７６を通過する「一部の周波数帯域」は、例えば、電子楽器１の音色に影響を与える周波数帯域（例えば、鍵盤１２のうち最も高音の鍵の基音を含む周波数帯域）、または人間の聴覚上、感度の高い周波数帯域である。この例によれば、電子楽器１の音色または人間の聴感に影響のある信号成分のレベルに応じてゲインを設定することができる。

２−３．他の変形例
信号処理装置１７の具体的構成は図２および図８に例示したものに限定されない。例えば、信号処理装置１７は、ＢＰＦに代えてＬＰＦ（Low Pass Filter、低域通過フィルタ）またはＨＰＦ（High Pass Filter、高域通過フィルタ）を有してもよい。どの帯域の成分を強調するかは、楽器の特性や人間の聴覚に応じて設定される。

信号処理装置１７は、電子鍵盤楽器に用いられるものに限定されない、打楽器、管楽器、弦楽器等、鍵盤楽器以外の電子楽器、またはオーディオ装置等、電子楽器以外の装置における音信号の処理に用いられてもよい。

１…電子楽器、１１…本体、１２…鍵盤、１３…スピーカ、１４…スピーカ、１５…押鍵センサ、１６…発音制御部、１７…信号処理装置、１８…増幅器、１６１…音源、１６２…音信号生成部、１７１…ＢＰＦ、１７２…増幅器、１７３…加算器、１７４…レベル検知部、１７５…ゲイン算出部、１７６…ＢＰＦ

Claims (3)

1. 第１音信号を入力するための第１入力部と、
   第２音信号を入力するための第２入力部と、
   前記第１音信号から特定の周波数帯域の音信号を通過させる第１フィルタと、
   前記第２音信号から前記特定の周波数帯域の音信号を通過させる第２フィルタと、
   前記第１音信号のレベルおよび前記第２音信号のレベル、並びに当該第１音信号と当該第２音信号とのレベル差に応じて、前記第１音信号に対する第１ゲインおよび前記第２音信号に対する第２ゲインを算出する算出部と、
   前記算出部により算出された前記第１ゲインで、前記第１フィルタの出力信号を増幅する第１増幅器と、
   前記算出部により算出された前記第２ゲインで、前記第２フィルタの出力信号を増幅する第２増幅器と、
   前記第１増幅器の出力信号を前記第１音信号に加算する第１加算器と、
   前記第２増幅器の出力信号を前記第２音信号に加算する第２加算器と
   前記第１加算器による加算結果を出力する第１出力部と、
   前記第２加算器による加算結果を出力する第２出力部と
   を有する信号処理装置。
2. 前記算出部は、前記第１音信号のレベルと前記第２音信号とのレベル差がしきい値未満であった場合、基準となる入出力特性に従って前記第１ゲインおよび前記第２ゲインを算出し、
   前記レベル差がしきい値以上であった場合、前記算出部は、レベルの大きい信号のゲインを前記基準となる入出力特性よりも小さく、レベルの小さい号のゲインを前記基準となる入出力特性よりも大きく算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記算出部は、前記第１音信号と前記第２音信号との前記特定の周波数帯域と異なる周波数帯域の音信号のレベル差に応じて、前記第１ゲインおよび前記第２ゲインを算出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。

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