WO2018167834A1 - 音響信号処理装置 - Google Patents

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signal
speaker
displacement
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耕佑 細谷
木村　勝
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三菱電機株式会社
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    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic signal processing device that performs acoustic signal processing.
  • FIG. 8 shows the displacement width of the speaker diaphragm when the signal (V) is changed and only the signal frequency is changed and input to the speaker.
  • the characteristics near the lowest resonance frequency F0 of the speaker slightly differ from those in FIG. 8 due to the difference in the Q value indicating the degree of braking of the speaker, but the general tendency is not changed.
  • the present invention can be applied to a speaker having a displacement width characteristic different from the characteristic shown in FIG. 8, here, for the sake of simplicity, description will be made using FIG.
  • the displacement width of the speaker diaphragm becomes a substantially constant value with a frequency component lower than F0, and with a frequency component higher than F0, the displacement width decreases with an inclination of about ⁇ 12 dB / oct.
  • the speaker diaphragm touches with a larger displacement width when a low frequency component below F0 is input to the speaker than when a high frequency component is input. Therefore, if a signal containing a large amount of low frequency components is input to the speaker and the voltage is increased, the maximum displacement width of the diaphragm will be exceeded at a certain voltage or higher. That is, the signal containing a lot of low frequency components and the higher the voltage, the easier it is to exceed the reproduction limit of the speaker. This is shown in FIG.
  • the vertical axis represents the signal amplitude intensity
  • the horizontal axis represents the frequency.
  • the region where the sound cracking occurs beyond the displacement limit of the speaker diaphragm is shown in gray, and the boundary is shown in bold.
  • the displacement limit of the speaker diaphragm is an inclination of +12 dB / oct.
  • 901, 902, and 903 indicate the frequency characteristics of the acoustic signal reproduced by the speaker, and in particular, a case including many low frequency components is assumed.
  • 901 is a characteristic when the volume value is small
  • 902 is a characteristic when the volume value is medium
  • 903 is a frequency characteristic when the volume value is large.
  • Patent Document 1 As a conventional technique for suppressing sound cracking of this speaker.
  • an excessive input estimation unit, a control unit, and a frequency characteristic modification unit are provided, and it is estimated that a reproduced acoustic signal becomes an excessive input. Techniques for preventing this are disclosed.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and is an acoustic signal that can be perceived by the user when there is a low frequency component in terms of audibility while suppressing the sound cracking of the speaker with a low calculation amount. It is an object to provide a processing apparatus and method.
  • the acoustic signal processing device estimates a displacement range of a high-pass filter that converts an input acoustic signal into a first acoustic signal and outputs the first acoustic signal, and a speaker diaphragm when the input acoustic signal is input.
  • a displacement estimation unit, a saturation processing unit that performs saturation processing on the displacement width estimated by the displacement estimation unit, or a signal obtained by correcting the displacement width, and a displacement subjected to saturation processing by the saturation processing unit An acoustic signal generation unit that generates a second acoustic signal using a width, and an output generation unit that generates an output using the first and previous second acoustic signals are provided.
  • the acoustic signal processing device of the present invention it is possible to suppress the sound cracking of the speaker, and to make the user perceive that there is a low frequency component compared to the prior art.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of an acoustic signal processing device 1 that generates an acoustic signal to be reproduced by a speaker according to the present embodiment.
  • the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
  • the input acoustic signal 101 that has been input is branched and sent to the speaker diaphragm displacement estimation unit 102 and the HPF (High Pass Filter) 105.
  • the speaker diaphragm displacement estimation unit 102 estimates the displacement width of the speaker diaphragm when the input acoustic signal 101 is reproduced, and outputs the estimated speaker diaphragm displacement width 104 to the saturation processing unit 107.
  • the HPF 105 is a high-pass filter that attenuates a frequency band lower than the cutoff frequency with a larger attenuation rate than a frequency band higher than the cutoff frequency.
  • the HPF 105 outputs the HPF acoustic signal 106 obtained by filtering the input acoustic signal 101 to the output generation unit 112.
  • the speaker diaphragm displacement estimation unit 102 estimates the displacement width of the speaker diaphragm when the input acoustic signal 101 is reproduced using the volume value and the information 103 of the lowest resonance frequency F0 of the target speaker, and estimates the speaker diaphragm displacement.
  • the width 104 is output.
  • the displacement width of the speaker diaphragm becomes a substantially constant value at a frequency component lower than the F0 of the speaker, and an inclination of about ⁇ 12 dB / oct at a frequency component higher than the F0.
  • an LPF Low Pass Filter
  • IIR Infinite Impulse Response
  • F0 Frequency Response
  • a value roughly proportional to the displacement width of the target speaker is obtained.
  • the diaphragm displacement characteristics of the target speaker may be simulated by another method, for example, a FIR (Finite Impulse Filter) filter.
  • the estimated speaker diaphragm displacement width 104 obtained in this way is output to the saturation processing unit 107.
  • the HPF 105 outputs the HPF acoustic signal 106 obtained by filtering the input acoustic signal 101 to the output generation unit 112.
  • the frequency characteristic of the filter used in the HPF 105 is designed so that the gain becomes 1 in all frequency bands when added to the frequency characteristic of the LPF used in the speaker diaphragm displacement estimation unit 102 on the frequency axis.
  • the HPF 105 similarly uses the secondary IIR filter having F0 as the cutoff frequency. HPF is used.
  • the HPF 105 uses the HPF having the same number of taps.
  • the saturation processing unit 107 performs limiter processing on the estimated speaker diaphragm displacement width 104 using the speaker diaphragm displacement limit value as a threshold value, and passes the estimated speaker diaphragm displacement width 108 subjected to saturation processing to the soot sound signal generation unit 109. Output.
  • X (n) represents the estimated speaker diaphragm displacement width 104
  • --Xmax (n) represents the speaker diaphragm displacement limit width.
  • the estimated speaker diaphragm displacement width 104 --- X (n) becomes the estimated speaker diaphragm displacement width 108 as it is.
  • the amplitude limit is not exceeded even if the signal after saturation processing is reproduced by the target speaker.
  • the waveform is distorted and harmonics are generated.
  • the user can perceive that there is a low frequency component by listening to the harmonics. That is, by performing the saturation process, even if the low frequency component is reduced, the user can perceive that there is a low frequency component. As a result, it is possible to construct a state in which the user perceives that there is a low frequency component while suppressing sound cracking of the speaker.
  • the acoustic signal generation unit 109 converts the estimated speaker diaphragm displacement width 108 subjected to the saturation processing into an acoustic signal using the volume value and the information 103 of F0 of the target speaker, and an output generation unit 112 as the converted acoustic signal 110. Output to. Specifically, the estimated speaker diaphragm displacement width 108 subjected to the saturation process is divided by using the volume value in the volume value or the F0 information 103 of the target speaker. By doing so, it can be converted into an acoustic signal.
  • the output generation unit 112 generates a final output using the HPF acoustic signal 106 obtained by the HPF 105 and the converted acoustic signal 110 obtained by the heel acoustic signal generation unit 109, and outputs an output acoustic signal 113. To do.
  • the output generation unit 112 includes the acoustic signal synthesis unit 111 will be described as a specific example.
  • the acoustic signal synthesis unit 111 in the output generation unit 112 adds the HPF acoustic signal 106 and the acoustic signal 110 to generate a final output.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the processing flow of the present embodiment.
  • the input input acoustic signal 101 is HPF-processed by the HPF 105 (S31).
  • the speaker diaphragm displacement estimation unit 102 estimates the displacement width of the speaker diaphragm when the input acoustic signal 101 is reproduced using the volume value and the information 103 of the lowest resonance frequency F0 of the target speaker, and estimates the speaker diaphragm displacement.
  • the width 104 is output (S32).
  • the saturation processing unit 107 performs saturation processing (S34).
  • the acoustic signal generation unit 109 converts the estimated speaker diaphragm displacement width 108 into an acoustic signal using the volume value and the information 103 of F0 of the target speaker (S35).
  • the acoustic signal synthesis unit 111 synthesizes the HPF acoustic signal 106 obtained by the HPF 105 and the converted acoustic signal 110 obtained by the heel acoustic signal generation unit 109, and outputs an output acoustic signal 113 (S36).
  • the acoustic signal processing apparatus 1 of the present invention can be realized by H / W (Hardware) or S / W (Software).
  • FIG. 4 shows the configuration when H / W is used
  • FIG. 5 shows the configuration when S / W is used.
  • H / W configuration an acoustic signal is input from the media playback device 401, acoustic signal processing is realized by the processing circuit 402, and the processed acoustic signal is converted into an analog signal by the DAC circuit 403, and passes through the amplifier 404. Passed to the speaker 405.
  • the media playback device 401 corresponds to a device that reads digital information from a CD (Compact Disc) / DVD (Digital Versatile Disc) / BLU-RAY DISC or the like.
  • the processor 502 that has read the data stored in the external storage device 501 performs acoustic signal processing based on the program stored in the memory 503, and the processed acoustic signal is saved in the external storage device 501 again. Is done.
  • the external storage device 501 corresponds to, for example, a hard disk drive (HDD: Hard Disk Drive) or a solid state drive (SSD: Solid State Drive) connected directly to the apparatus via a network.
  • HDD Hard Disk Drive
  • SSD Solid State Drive
  • the processing configuration of the first embodiment can prevent the reproduced sound signal from being excessively input. Further, harmonics can be generated by saturation processing. For this reason, according to the present invention, it is possible to suppress the sound cracking of the speaker and to obtain an effect that allows the user to perceive that there is a low frequency component. In addition, since all the filters used in the present embodiment are fixed filters, an effect that they can be realized with a small amount of calculation is also obtained.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 receives the HPF 105 that converts the input acoustic signal 101 into the HPF acoustic signal 106 that is the first acoustic signal and outputs the HPF 105, and the input acoustic signal 101.
  • a speaker diaphragm displacement estimation unit 102 which is a displacement estimation unit for estimating a displacement width of the speaker diaphragm at the time, a displacement width estimated by the displacement estimation unit 102, or a signal obtained by correcting the displacement width,
  • a saturation processing unit 107 that performs saturation processing on the acoustic signal
  • an acoustic signal generation unit 109 that generates an acoustic signal 110 that is a second acoustic signal using the displacement width subjected to saturation processing by the saturation processing unit 107
  • an output generation unit 112 that generates an output using the first and second acoustic signals.
  • the output generation unit 112 outputs a signal obtained by synthesizing the first acoustic signal and the previous second acoustic signal.
  • the speaker diaphragm displacement estimation unit 102 determines the displacement width of the speaker diaphragm 102 using the resonance frequency or volume information of the speaker that reproduces the input acoustic signal. It is characterized by estimating. With this configuration, the displacement width of the speaker diaphragm 102 can be estimated with high accuracy, and sound cracking of the speaker can be suppressed with high accuracy.
  • Embodiment 2 As a modification of the first embodiment, the user setting value 601, the harmonic control unit 602, and the frequency characteristic adjustment unit 605 are added to the acoustic signal processing device 1, thereby generating harmonics generated in the saturation processing unit 107. The form which matches a wave with a user's liking is shown.
  • FIG. 6 shows the overall configuration of the acoustic signal processing apparatus 1 according to the present embodiment.
  • a difference from FIG. 1 is that a user set value 601, a harmonic control unit 602, a harmonic controlled frequency characteristic unit 605, and a corrected HPF acoustic signal 606 are added as new components. All other components are the same.
  • the harmonic control unit 602 the user set value 601 and the estimated speaker diaphragm displacement width 108 subjected to the saturation processing are input, and the harmonic generated in the saturation processing unit 107 is changed according to the user set value 601. Then, the high frequency component of the harmonic is suppressed, and the estimated speaker diaphragm displacement width 603 subjected to harmonic control is output to the acoustic signal generation unit 109. Also, the LPF parameter information 604 used for harmonic control is output to the frequency characteristic adjustment unit 605.
  • the parameter information of the LPF is information such as a Q value, a cutoff frequency, and an order for an IIR type filter, and information such as a cutoff frequency and the number of taps for an FIR type filter. It is. Further, the frequency characteristic of the LPF switched by the user setting 601 may be a cutoff frequency, an attenuation characteristic, or both.
  • the frequency characteristic adjustment unit 605 receives the HPF acoustic processing signal 106 and the LPF parameter information 604 used for harmonic control as input, performs filter processing, and outputs the acoustic signal 606 whose frequency characteristics are adjusted to the acoustic signal addition unit 111. To do.
  • the frequency characteristic of the filter used in the frequency characteristic adjustment unit 605 is designed so that the gain becomes 1 in all frequency bands when added to the frequency characteristic of the LPF used in the harmonic control unit 602 and the frequency axis. Specifically, when the harmonic control unit 602 uses a secondary IIR LPF, the frequency characteristic adjustment unit 605 uses the same cutoff frequency and HPF based on the secondary IIR of the Q value. When the harmonic control unit 602 uses an FIR filter, the frequency characteristic adjustment unit 605 uses an HPF having the same number of taps.
  • the harmonics generated by the saturation processing can be controlled according to the setting value of the user, it is possible to adjust the audible low frequency component to the user's preference. Obtainable.
  • the acoustic signal processing device 1 is included in the frequency characteristic adjustment unit 605 that generates a signal obtained by adjusting the first acoustic signal, and the displacement width subjected to saturation processing by the saturation processing unit 107.
  • a harmonic control unit 602 that controls the frequency characteristics of the harmonics, and the acoustic signal generation unit 109 uses the signal controlled by the harmonic control unit 602 to generate an acoustic signal 110 that is a second acoustic signal.
  • the output generation unit 112 outputs a signal obtained by combining the signal obtained by adjusting the first acoustic signal and the previous second acoustic signal.
  • the sum of the gain on the frequency axis of the frequency characteristic used for adjustment by the frequency characteristic adjustment unit 605 and the frequency characteristic used for control by the harmonic control unit 602 is: It is the same or 1 in all frequency bands in which the input acoustic signal 101 exists.
  • Embodiment 3 In this embodiment, by adding a Q value correction unit 702 and a Q value reverse correction unit 705 to the second embodiment, the speaker diaphragm displacement width can be estimated with high accuracy when the Q value of the target speaker is known. The form to do is shown.
  • FIG. 7 shows the overall configuration of the acoustic signal processing apparatus 1 according to the present embodiment. 6 differs from FIG. 6 in that a speaker Q value 701, a Q value correction unit 702, a Q value corrected estimated speaker diaphragm displacement width 703, a Q value reverse correction unit 704, and a Q value reverse corrected estimated speaker diaphragm displacement width. 705 is added as a new component. All other components are the same.
  • the Q value correction unit 702 receives the speaker Q value 701 and the estimated speaker diaphragm displacement width 104 as input, performs a process of correcting the difference between the filter Q value and the speaker Q value used in the speaker diaphragm estimation unit 102, and performs saturation processing.
  • the estimated speaker diaphragm displacement width 703 with the Q value corrected is output to the unit 107.
  • a specific Q value correction method for example, when an insufficiently braked speaker having a Q value higher than the critical value 1 / ⁇ 2 is targeted, the amplitude level of the frequency near F0 is set to 2 by Q value correction processing. What is necessary is just to reinforce with the peaking equalizer etc. of the next IIR.
  • the Q value reverse correction unit 704 receives the speaker Q value 701 and the estimated speaker diaphragm displacement width 603 subjected to harmonic control as inputs, and performs correction using a filter having frequency characteristics opposite to that of the Q value correction unit.
  • the estimated speaker diaphragm displacement width 705 subjected to the reverse value correction is output to the acoustic signal generation unit 109.
  • a secondary IIR peaking equalizer that amplifies the amplitude level of 6 dB frequency with F0 as the center frequency
  • the Q value reverse correction unit 704 , F0 is used as a center frequency
  • a second-order IIR peaking equalizer that attenuates the amplitude level of the 6 dB frequency is used.
  • the acoustic signal processing apparatus 1 uses the Q value of the speaker that reproduces the input acoustic signal as the displacement width estimated by the speaker diaphragm displacement estimating unit 102 that is the displacement estimating unit.
  • a Q value correction unit 702 that is a correction unit that generates a signal obtained by correcting the displacement width and a signal controlled by the harmonic control unit 602, and a correction performed by the Q value correction unit 702.
  • a Q value reverse correction unit 704 that corrects the frequency with the reverse frequency characteristic, and the acoustic signal generation unit 109 uses the signal corrected by the Q value reverse correction unit 704 to generate the acoustic signal 110 that is the second acoustic signal. It is characterized by generating. With this configuration, it is possible to obtain an effect that the diaphragm displacement of the speaker can be estimated with higher accuracy.
  • SYMBOLS 1 Acoustic signal processing apparatus, 101: Input acoustic signal, 102: Speaker diaphragm displacement estimation part, 103: Information, such as volume value and F0 of an object speaker, 104: Estimated speaker diaphragm displacement width, 105: HPF, 106: HPF acoustic signal, 107: saturation processing unit, 108: estimated speaker diaphragm displacement width subjected to saturation processing, 109: acoustic signal generation unit, 110: converted acoustic signal, 111: acoustic signal synthesis unit, 112: output generation unit 113: Output acoustic signal 401: Media playback device 402: Processing circuit 403: DAC circuit 404: Amplifier 405: Speaker 501: External storage device 502: Processor 503: Memory 601: User set value 602: Harmonic control unit 603: Estimated speaker diaphragm displacement width subjected to harmonic control, 604: L used for harmonic control

Abstract

この発明に係る音響信号処理装置は、入力音響信号を第１の音響信号に変換して出力する高域通過フィルタと、前記入力音響信号が入力されたときのスピーカ振動板の変位幅を推定する変位推定部と、前記変位推定部で推定された変位幅、または、該変位幅に補正を行った信号、に対して飽和処理を行う飽和処理部と、前記飽和処理部で飽和処理された変位幅を用いて、第２の音響信号を生成する音響信号生成部と、前記第１及び前第２の音響信号を用いて出力を生成する出力生成部と、を備えたことを特徴とする。この構成により、スピーカの音割れを抑圧することができ、かつ、ユーザに低域周波数成分があると知覚させることができる。

Description

音響信号処理装置
　この発明は音響信号の信号処理を行う音響信号処理装置に関するものである。
　音楽やアナウンス音などの音響信号をスピーカで再生するスピーカ再生システムでは、入力信号がスピーカの再生限界を超えることで、歪や音割れが発生し、音質が劣化することがある。以下にこの詳細を説明する。
　スピーカ再生では、スピーカの振動板が振れることのできる最大の変位幅があり、これを超えるような信号を入力するとスピーカ振動板がうまく振動することができなくなって歪や音割れが発生する。スピーカ振動板の変位幅は入力信号の周波数に依存する。この関係を図８に示す。図８は電圧（Ｖ）を変化させずに、信号の周波数のみを変化させてスピーカに入力したときにおけるスピーカ振動板の変位幅を示している。なお、実際にはスピーカの制動度合いを示すＱ値等の違いによってスピーカの最低共振周波数Ｆ０近辺の特性が図８と多少差異がでてくるが、大まかな傾向は変わらない。また、変位幅の特性が図８に示す特性と異なっているスピーカに対しても本発明を適用することができるが、ここでは簡単のため、図８を例として用いて説明を行う。
　図８では、スピーカ振動板の変位幅は、Ｆ０よりも低い周波数成分でほぼ一定値となり、Ｆ０よりも高い周波数性成分では、およそ－１２ｄＢ／ｏｃｔの傾斜で変位幅が減少する。これは、Ｆ０近傍以下の低い周波数成分をスピーカに入力したほうが、高い周波数成分を入力するよりもスピーカ振動板がより大きい変位幅で触れることを示している。したがって、低い周波数成分を多く含む信号をスピーカに入力し、その電圧を上げていくと、ある電圧以上で振動板の最大変位幅を超えてしまうこととなる。すなわち、低い周波数成分が多く含まれる信号ほど、また電圧を上げるほど、スピーカの再生限界を超えやすくなる。この様子を図９に示す。
　図９において、縦軸は信号の振幅強度を、横軸は周波数を示す。また、スピーカ振動板の変位限界を超えて音割れの発生する領域をグレーで示し、その境界を太線で示す。ここで、図９の特性は音響信号の振幅値に対する特性なので、図９に示したスピーカの変位幅の特性とは異なり、スピーカ振動板の変位限界は＋１２ｄＢ／ｏｃｔの傾斜となる。
　また、９０１、９０２、９０３は、スピーカが再生する音響信号の周波数特性を示しており、特に低域周波数成分を多く含むケースを想定している。９０１は音量値が小さいときの特性、９０２は音量値が中程度のときの特性、９０３は音量値が大きいときの周波数特性である。２０１のように小さな音量値で再生する際には、低域周波数成分を多く含む音響信号でもスピーカ振動板の変位限界を超えないため、音割れが発生せず、本来の音質を楽しむことができる。しかし、９０２や９０３のように音量を上げてしまうと、スピーカ振動板の変位限界をこえてしまうため、音割れが発生して音質が劣化することとなる。
　上記のように、振動板の最大変位幅を超えるような信号を入力すると、振動板がうまく振動できなくなって、音割れが発生する。
　このスピーカの音割れを抑制する従来技術に、特許文献１がある。特許文献１では、過大入力推定部、制御部、周波数特性変形部を設け、再生音響信号が過大入力になることを推定し、推定結果に応じて、可変フィルタを制御して、スピーカの音割れを防ぐ技術が開示されている。
特許第６０３８１３５号公報
　上述した特許文献１に開示された従来技術では、可変フィルタを用いるために演算量がかかる。また、低域周波数成分を抑圧するために、処理された音響信号をスピーカで再生すると迫力がなくなるという課題があった。
　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って、低演算量でスピーカの音割れを抑制しつつ、聴感上、低域周波数成分があるとユーザに知覚させることのできる音響信号処理装置および方法を提供することを目的とする。
　この発明に係る音響信号処理装置は、入力音響信号を第１の音響信号に変換して出力する高域通過フィルタと、前記入力音響信号が入力されたときのスピーカ振動板の変位幅を推定する変位推定部と、前記変位推定部で推定された変位幅、または、該変位幅に補正を行った信号、に対して飽和処理を行う飽和処理部と、前記飽和処理部で飽和処理された変位幅を用いて、第２の音響信号を生成する音響信号生成部と、前記第１及び前第２の音響信号を用いて出力を生成する出力生成部と、を備えたことを特徴とする。
　この発明の音響信号処理装置によれば、スピーカの音割れを抑圧することができ、かつ、従来技術よりもユーザに低域周波数成分があると知覚させることができる。
この発明の実施の形態１に係る音響信号処理装置１を示す構成図。 この発明の飽和処理部１０７の動作を示すフローチャート。 この発明の実施の形態１による音響信号処理装置１の動作を示すフローチャート。 この発明の実施の形態１に係る音響信号処理装置１のＨ／Ｗ構成図。 この発明の実施の形態１に係る音響信号処理装置１のＳ／Ｗ構成図。 この発明の実施の形態２に係る音響信号処理装置１を示す構成図。 この発明の実施の形態３に係る音響信号処理装置１を示す構成図。 スピーカ振動板の変位特性を示す図。 スピーカの振動板限界と音源の周波数特性の関係を示す図。
　実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るスピーカで再生する音響信号を生成する音響信号処理装置１の全体構成を示す図である。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
　本発明の実施の形態１に係る音響信号処理装置１において、入力された入力音響信号１０１は分岐され、スピーカ振動板変位推定部１０２とＨＰＦ（Ｈｉｇｈ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）１０５へ送られる。スピーカ振動板変位推定部１０２では、入力音響信号１０１を再生したときのスピーカ振動板の変位幅を推定し、推定スピーカ振動板変位幅１０４を飽和処理部１０７へ出力する。ＨＰＦ１０５は遮断周波数より低い周波数帯域を、前記遮断周波数より高い周波数帯域よりも大きな減衰率で減衰させる高域通過フィルタである。ＨＰＦ１０５では、入力音響信号１０１をフィルタ処理して得られた、ＨＰＦ音響信号１０６を出力生成部１１２へ出力する。
　スピーカ振動板変位推定部１０２では、ボリューム値や対象スピーカの最低共振周波数Ｆ０の情報１０３を用いて、入力音響信号１０１を再生したときのスピーカ振動板の変位幅を推定し、推定スピーカ振動板変位幅１０４を出力する。変位幅推定の具体例としては、上述の通り、スピーカ振動板の変位幅はスピーカのＦ０よりも低い周波数成分でほぼ一定値となり、Ｆ０よりも高い周波数性成分では、およそ－１２ｄＢ／ｏｃｔの傾斜で変位幅が減少していくので、Ｆ０をカットオフ周波数とする２次ＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ　Ｉｍｐｕｌｓｅ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタによるＬＰＦ（Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）を用意し、これに入力信号を通してからボリューム値を乗算することで、対象スピーカの変位幅に概略比例した値が求められる。なお、他の方法、例えばＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｉｍｐｕｌｓｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）フィルタで対象スピーカの振動板変位特性を模擬してもよい。このように求めた推定スピーカ振動板変位幅１０４を飽和処理部１０７へ出力する。
　ＨＰＦ１０５では、入力音響信号１０１をフィルタ処理して得られた、ＨＰＦ音響信号１０６を出力生成部１１２へ出力する。このとき、ＨＰＦ１０５で用いるフィルタの周波数特性は、スピーカ振動板変位推定部１０２で用いるＬＰＦの周波数特性と周波数軸で加算したときにすべての周波数帯域で利得が１となるように設計する。具体的には、スピーカ振動板変位推定部１０２でＦ０をカットオフ周波数とする２次ＩＩＲフィルタによるＬＰＦが用いられた場合、ＨＰＦ１０５では、同様に、Ｆ０をカットオフ周波数とする２次ＩＩＲフィルタによるＨＰＦを用いる。また、スピーカ振動板変位推定部１０２でＦＩＲフィルタを用いる場合は、ＨＰＦ１０５では、同じタップ数のＨＰＦを用いる。
　飽和処理部１０７では、推定スピーカ振動板変位幅１０４に対して、スピーカ振動板変位限界値を閾値としたリミッタ処理を行い、飽和処理された推定スピーカ振動板変位幅１０８を 音響信号生成部１０９へ出力する。具体的な処理のフローチャートを図２に示す。ここで、---X(n)は、推定スピーカ振動板変位幅１０４を表し、---Xmax(n)は、スピーカ振動板変位限界幅を表す。推定スピーカ振動板変位幅１０４---X(n)がスピーカ振動板変位限界幅---Xmax(n)よりも大きい場合には（Ｓ２１）、---X(n)＝---Xmax(n)とする（Ｓ２２）。一方、推定スピーカ振動板変位幅１０４---X(n)がスピーカ振動板変位限界幅---Xmax(n)より小さい場合には（Ｓ２１）、---X(n)が----Xmax(n)より小さければ（Ｓ２３）、---X(n)＝----Xmax(n)とする（Ｓ２４）。それ以外の場合は、推定スピーカ振動板変位幅１０４---X(n)がそのまま推定スピーカ振動板変位幅１０８となる。この飽和処理を行うことで、飽和処理後の信号を対象スピーカで再生しても振幅限界を超えることはなくなる。また、飽和処理を行うことで、波形が歪み、高調波が発生するが、聴感上、高調波を聴くことで低域周波数成分があるとユーザに知覚させることができる。すなわち、飽和処理を行うことで、低周波数成分が低減された状態であっても、低域周波数成分があるようにユーザに知覚させることができる。その結果、スピーカの音割れを抑圧しつつ、ユーザに低域周波数成分があると知覚させる状態を構築することができる。
 音響信号生成部１０９では、飽和処理された推定スピーカ振動板変位幅１０８をボリューム値や対象スピーカのＦ０の情報１０３を用いて音響信号へ変換し、変換された音響信号１１０として、出力生成部１１２へ出力する。具体的には、ボリューム値や対象スピーカのＦ０の情報１０３の内、ボリューム値を用いて、飽和処理された推定スピーカ振動板変位幅１０８を除算する。このようにすることによって、音響信号へと変換することができる。
　出力生成部１１２では、ＨＰＦ１０５で得られたＨＰＦ音響信号１０６と、 音響信号生成部１０９で得られた変換された音響信号１１０を用いて、最終的な出力を生成し、出力音響信号１１３を出力する。ここでは、具体的な一例として、出力生成部１１２が音響信号合成部１１１を含む場合を説明する。出力生成部１１２内の音響信号合成部１１１では、ＨＰＦ音響信号１０６と音響信号１１０を加算処理し、最終的な出力を生成する。
　図３に本実施の形態の処理の流れをフローチャートとして示す。この発明の音響信号処理装置１では、入力された入力音響信号１０１はＨＰＦ１０５でＨＰＦ処理される（Ｓ３１）。スピーカ振動板変位推定部１０２では、ボリューム値や対象スピーカの最低共振周波数Ｆ０の情報１０３を用いて、入力音響信号１０１を再生したときのスピーカ振動板の変位幅を推定し、推定スピーカ振動板変位幅１０４を出力する（Ｓ３２）。飽和処理部１０７では、推定スピーカ振動板変位幅１０４が振動板限界振幅を超える場合には（Ｓ３３）、飽和処理を行う（Ｓ３４）。さらに、音響信号生成部１０９では推定スピーカ振動板変位幅１０８をボリューム値や対象スピーカのＦ０の情報１０３を用いて音響信号へ変換する（Ｓ３５）。音響信号合成部１１１では、ＨＰＦ１０５で得られたＨＰＦ音響信号１０６と、 音響信号生成部１０９で得られた変換された音響信号１１０を合成し、出力音響信号１１３を出力する（Ｓ３６）。
　本発明の音響信号処理装置１は、Ｈ／Ｗ（Ｈａｒｄｗａｒｅ）もしくはＳ／Ｗ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ）で実現可能である。Ｈ／Ｗで構成した場合は図４、Ｓ／Ｗで構成した場合は図５のようになる。Ｈ／Ｗの構成では、メディア再生装置４０１から音響信号が入力され、音響信号処理は処理回路４０２により実現され、処理された音響信号は、ＤＡＣ回路４０３でアナログ信号に変換され、アンプ４０４を通して、スピーカ４０５に渡される。なお、メディア再生装置４０１とは、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ）／ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）／ＢＬＵ－ＲＡＹ　ＤＩＳＣ等からデジタル情報を読み取る装置が相当する。Ｓ／Ｗの構成では外部記憶装置５０１上に記憶されたデータを読み取ったプロセッサ５０２がメモリ５０３に格納されたプログラムに基づき音響信号処理を行い、処理された音響信号は再び外部記憶装置５０１に保存される。なお、外部記憶装置５０１とは、例えば本装置に直接あるいはネットワークを経由して接続されたハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）やソリッドステートドライブ（ＳＳＤ：Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）などが相当する。
　以上のように、実施の形態１の処理構成により、再生音響信号が過大入力になることを防ぐことが可能となる。また、飽和処理により高調波を発生させることができる。このため、本発明によって、スピーカの音割れを抑圧することができ、かつ、ユーザに低域周波数成分があると知覚させることができる効果が得られる。また、本実施の形態で用いるフィルタはすべて固定フィルタであるので、低演算量で実現できるという効果も得られる。
　このように、実施の形態１に係る音響信号処理装置１は、入力音響信号１０１を第１の音響信号であるＨＰＦ音響信号１０６に変換して出力するＨＰＦ１０５と、前記入力音響信号１０１が入力されたときのスピーカ振動板の変位幅を推定する変位推定部であるスピーカ振動板変位推定部１０２と、前記変位推定部１０２で推定された変位幅、または、該変位幅に補正を行った信号、に対して飽和処理を行う飽和処理部１０７と、前記飽和処理部１０７で飽和処理された変位幅を用いて、第２の音響信号である音響信号１１０を生成する音響信号生成部１０９と、前記第１及び前第２の音響信号を用いて出力を生成する出力生成部１１２と、を備えたことを特徴とする。この構成により、スピーカの音割れを抑圧することができ、かつ、従来技術よりもユーザに低域周波数成分があると知覚させることができる効果が得られる。また、本実施の形態で用いるフィルタは、すべて固定フィルタであるので、低演算量で実現できるという効果も得られる。
　また、実施の形態１に係る音響信号処理装置１において、出力生成部１１２は、前記第１の音響信号と前第２の音響信号を合成した信号を出力することを特徴とする。この構成により、スピーカの音割れを抑圧することができ、かつ、ユーザに低域周波数成分があると知覚させることができる音響信号を低演算量で出力できる。
　また、実施の形態１に係る音響信号処理装置１において、スピーカ振動板変位推定部１０２は、前記入力音響信号を再生するスピーカの共振周波数またはボリューム情報を用いて前記スピーカ振動板１０２の変位幅を推定することを特徴とする。この構成によって、前記スピーカ振動板１０２の変位幅を高精度に推定することができ、スピーカの音割れを高精度に抑圧することができる。
　実施の形態２．
　本実施の形態では、実施の形態１の変形例として、音響信号処理装置１にユーザ設定値６０１、高調波制御部６０２、周波数特性調整部６０５を加えることで、飽和処理部１０７で発生する高調波をユーザの好みに合わせる形態を示す。
　図６は、本実施の形態に係る音響信号処理装置１の全体構成を示したものである。図１と異なる点として、ユーザ設定値６０１、高調波制御部６０２、高調波制御された周波数特性部６０５、補正されたＨＰＦ音響信号６０６が新たな構成要素として、追加されている。それ以外の構成要素はすべて同じである。
　高調波制御部６０２では、ユーザ設定値６０１と飽和処理された推定スピーカ振動板変位幅１０８を入力とし、飽和処理部１０７で発生した高調波をユーザ設定値６０１に応じて、ＬＰＦのパラメータを変更し、高調波の高域成分を抑圧して、音響信号生成部１０９へ高調波制御された推定スピーカ振動板変位幅６０３を出力する。また、高調波制御に用いたＬＰＦのパラメータ情報６０４を周波数特性調整部６０５へ出力する。ここで、ＬＰＦのパラメータ情報とは、ＩＩＲ型のフィルタであれば、Ｑ値、カットオフ周波数、次数、などの情報であり、ＦＩＲ型のフィルタであれば、カットオフ周波数、タップ数などの情報である。また、ユーザ設定６０１によって切り替えるＬＰＦの周波数特性は、カットオフ周波数であったり、減衰特性であったり、またはその両方でもよい。
　周波数特性調整部６０５では、ＨＰＦ音響処理信号１０６および高調波制御に用いたＬＰＦのパラメータ情報６０４を入力とし、フィルタ処理を行い、周波数特性が調整された音響信号６０６を音響信号加算部１１１へ出力する。周波数特性調整部６０５で用いるフィルタの周波数特性は、高調波制御部６０２で用いるＬＰＦの周波数特性と周波数軸で加算したときにすべての周波数帯域で利得が１となるように設計する。具体的には、高調波制御部６０２で２次ＩＩＲのＬＰＦを用いる場合は、周波数特性調整部６０５では、おなじカットオフ周波数、Ｑ値の２次ＩＩＲによるＨＰＦを用いる。また、高調波制御部６０２でＦＩＲフィルタを用いる場合は、周波数特性調整部６０５では、同じタップ数のＨＰＦを用いる。
　以上のように、本実施の形態によれば、ユーザの設定値に応じて飽和処理によって生じた高調波を制御できるので、ユーザの好みに聴感上の低域周波数成分の調整ができるという効果を得ることができる。
　このように、実施の形態２に係る音響信号処理装置１は、第１の音響信号を調整した信号を生成する周波数特性調整部６０５と、飽和処理部１０７で飽和処理された変位幅に含まれる高調波の周波数特性を制御する高調波制御部６０２と、を備え、前記音響信号生成部１０９は前記高調波制御部６０２で制御された信号を用いて、第２の音響信号である音響信号１１０を生成し、出力生成部１１２は、前記第１の音響信号を調整した信号と前第２の音響信号を合成した信号を出力とすることを特徴とする。この構成によって、ユーザの好みに聴感上の低域周波数成分の調整ができるという効果を得ることができる。
　また、実施の形態２に係る音響信号処理装置１では、周波数特性調整部６０５で調整に用いる周波数特性と、高調波制御部６０２で制御に用いる周波数特性の周波数軸上での利得の和は、入力音響信号１０１の存在する全ての周波数帯域で同じ又は１であることを特徴とする。この構成によって、音響信号の周波数特性の基本的な特性を保ちつつ、ユーザの好みに聴感上の低域周波数成分の調整ができるという効果を得ることができる。
　実施の形態３．
　本実施の形態では、実施の形態２にさらにＱ値補正部７０２、Ｑ値逆補正部７０５を加えることで、対象スピーカのＱ値が分かっている場合に高精度にスピーカ振動板変位幅を推定する形態を示す。
　図７は、本実施の形態に係る音響信号処理装置１の全体構成を示したものである。図６と異なる点として、スピーカＱ値７０１、Ｑ値補正部７０２、Ｑ値補正された推定スピーカ振動板変位幅７０３、Ｑ値逆補正部７０４、Ｑ値逆補正された推定スピーカ振動板変位幅７０５が新たな構成要素として、追加されている。それ以外の構成要素はすべて同じである。
　Ｑ値補正部７０２では、スピーカＱ値７０１、推定スピーカ振動板変位幅１０４を入力とし、スピーカ振動板推定部１０２で用いたフィルタＱ値とスピーカＱ値の差分を補正する処理を行い、飽和処理部１０７へ、Ｑ値補正された推定スピーカ振動板変位幅７０３を出力する。具体的なＱ値補正の方法は、例えば、Ｑ値が臨界値１／√２より高い不足制動のスピーカを対象とする場合には、Ｑ値補正処理により、Ｆ０近傍の周波数の振幅レベルを２次ＩＩＲのピーキングイコライザなどで増強すればよい。
　Ｑ値逆補正部７０４では、スピーカＱ値７０１、高調波制御された推定スピーカ振動板変位幅６０３を入力とし、Ｑ値補正部と逆の周波数特性をもつフィルタを用いて、補正を行い、Ｑ値逆補正された推定スピーカ振動板変位幅７０５を音響信号生成部１０９へ出力する。具体的な実現方法は、例えば、Ｑ値補正部７０２で、Ｆ０を中心周波数として、６ｄＢ周波数の振幅レベルを増幅する２次ＩＩＲのピーキングイコライザが使われた場合は、Ｑ値逆補正部７０４では、Ｆ０を中心周波数として、６ｄＢ周波数の振幅レベルを減衰させる２次ＩＩＲのピーキングイコライザを用いる。
　以上のように、本実施の形態によれば、Ｑ値を補正することで、より高精度にスピーカの振動板変位幅を推定することができるという効果を得ることができる。
　このように、実施の形態３に係る音響信号処理装置１は、変位推定部であるスピーカ振動板変位推定部１０２で推定された変位幅を、前記入力音響信号を再生するスピーカのＱ値を用いて補正し、前記変位幅に補正を行った信号として生成する補正部であるＱ値補正部７０２と、前記高調波制御部６０２で制御された信号を、Ｑ値補正部７０２で行われる補正と逆の周波数特性で補正するＱ値逆補正部７０４と、を備え、音響信号生成部１０９はＱ値逆補正部７０４で補正された信号を用いて、第２の音響信号である音響信号１１０を生成することを特徴とする。この構成によって、より高精度にスピーカの振動板変位を推定することができるという効果を得ることができる。
１：音響信号処理装置、１０１：入力音響信号、１０２：スピーカ振動板変位推定部、１０３：ボリューム値や対象スピーカのＦ０等の情報、１０４：推定スピーカ振動板変位幅、１０５：ＨＰＦ、１０６：ＨＰＦ音響信号、１０７：飽和処理部、１０８：飽和処理された推定スピーカ振動板変位幅、１０９：音響信号生成部、１１０：変換された音響信号、１１１：音響信号合成部、１１２：出力生成部、１１３：出力音響信号、４０１：メディア再生装置、４０２：処理回路、４０３：ＤＡＣ回路、４０４：アンプ、４０５：スピーカ、５０１：外部記憶装置、５０２：プロセッサ、５０３：メモリ、６０１：ユーザ設定値、６０２：高調波制御部、６０３：高調波制御された推定スピーカ振動板変位幅、６０４：高調波制御に用いたＬＰＦのパラメータ情報、６０５：周波数特性調整部、６０６：周波数特性が調整された音響信号、７０１：スピーカＱ値、７０２：Ｑ値補正部、７０３：Ｑ値補正された推定スピーカ振動板変位幅、７０４：Ｑ値逆補正部、７０５：Ｑ値逆補正された推定スピーカ振動板変位幅、９０１：音量値が小さいときの音源の周波数特性、９０２：音量値が中程度のときの音源の周波数特性、９０３：音量値が大きいときの音源の周波数特性

Claims (6)

  1. 　入力音響信号を第１の音響信号に変換して出力する高域通過フィルタと、
    前記入力音響信号が入力されたときのスピーカ振動板の変位幅を推定する変位推定部と、
    前記変位推定部で推定された変位幅、または、該変位幅に補正を行った信号、に対して飽和処理を行う飽和処理部と、
    前記飽和処理部で飽和処理された変位幅を用いて、第２の音響信号を生成する音響信号生成部と、
    前記第１及び前第２の音響信号を用いて出力を生成する出力生成部と、
    を備えたことを特徴とする音響信号処理装置。
  2. 　前記出力生成部は、前記第１の音響信号と前第２の音響信号を合成した信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の音響信号処理装置。
  3. 　前記変位推定部は、前記入力音響信号を再生するスピーカの共振周波数またはボリューム情報を用いて前記スピーカ振動板の変位幅を推定する
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音響信号処理装置。
  4. 　前記第１の音響信号を調整した信号を生成する周波数特性調整部と、
    前記飽和処理部で飽和処理された変位幅に含まれる高調波の周波数特性を制御する高調波制御部と、を備え、
    　前記音響信号生成部は前記高調波制御部で制御された信号を用いて、前記第２の音響信号を生成し、
    　前記出力生成部は、前記第１の音響信号を調整した信号と前第２の音響信号を合成した信号を出力する
    ことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の音響信号処理装置。
  5. 　前記周波数特性調整部で調整に用いる周波数特性と、前記高調波制御部で制御に用いる周波数特性の周波数軸上での利得の和は、前記入力音響信号の存在する全ての周波数帯域で同じであることを特徴とする請求項４に記載の音響信号処理装置。
  6. 　前記変位推定部で推定された変位幅を、前記入力音響信号を再生するスピーカのＱ値を用いて補正し、前記変位幅に補正を行った信号として生成する補正部と、
    前記高調波制御部で制御された信号を、前記補正部で行われる補正と逆の周波数特性で補正する逆補正部と、を備え、
    　前記音響信号生成部は前記逆補正部で補正された信号を用いて、前記第２の音響信号を生成する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の音響信号処理装置。
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