JP2009010809A

JP2009010809A - 音声信号処理装置

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Publication number: JP2009010809A
Application number: JP2007171513A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Akiyama; 仁志秋山
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP4826814B2

Abstract

【課題】フィルタに入力信号に適応した動作をさせることで自然な音質でミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせることができる信号処理装置を提供する。
【解決手段】
フィルタ部１０は、直列接続された複数のピーキングフィルタからなる。低域周波数検出部１１は、ソース信号に含まれる最も低いピーク成分の周波数（最低域成分周波数）を検出する。強調周波数決定部１３は、最低域成分周波数の１／２を仮想基音の周波数ｆｒとする。係数算出部１４は、仮想基音周波数ｆｒの複数種類の倍音を中心周波数とするフィルタ係数を算出して、フィルタ部１０の複数のピーキングフィルタにそれぞれ設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ミッシング・ファンダメンタル現象を用いて、聴取者に仮想的に低音を知覚させる音声信号処理装置に関する。

小型のスピーカでオーディオ信号を再生する場合、スピーカの周波数特性が高音に偏っているため重低音が殆ど出力されず、再生された音声の低音が乏しく迫力に欠けてしまうことがある。

これを解決するため、ミッシング・ファンダメンタルを用いた仮想低音再生技術が実用化されている。ミッシング・ファンダメンタルとは、基音の周波数（例えば２００Ｈｚ）の整数倍の音が複数存在すれば（例えば１０００Ｈｚ、１２００Ｈｚ、１４００Ｈｚ等）、基音が鳴っていなくても、聴衆者は仮想的に２００Ｈｚの基音を知覚するという人間の聴覚機能に基づく現象である。

ピーキングフィルタを用いて、音声信号の特定周波数成分を強調し、これによってミッシング・ファンダメンタル現象を発生させるものとして、たとえば特許文献１の装置が提案されている。

特表２００３−５１１８８１号公報

特許文献１の装置は、２つの固定的な周波数にピークを持つピーキングフィルタを用い、このフィルタにオーディオ信号を通過させたのち放音することで、聴取者に上記２つの周波数成分を強調して聴かせ、これによってミッシング・ファンダメンタルによりこの強調された２つの周波数の差の低音を知覚させるものである。しかし、この特許文献１の構成では、強調する帯域で固定であり、聴感上不自然な感じが免れなかった。

そこでこの発明は、フィルタに入力信号に適応した動作をさせることで自然な音質でミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせることができる信号処理装置を提供することを目的とする。

この発明は、複数のピーキングフィルタと、前記ピーキングフィルタに入力される音声信号中の低域信号成分の周波数を検出する低域周波数検出部と、検出された周波数の自然数分の１の周波数を、ミッシング・ファンダメンタルの仮想基音の周波数に決定する仮想基音決定部と、前記複数のピーキングフィルタに対して、前記仮想基音の周波数のそれぞれ異なる次数の倍音周波数を中心周波数とするフィルタ係数を設定する係数算出部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明は、前記低域周波数検出部が検出した低域信号成分の周波数の値の変化をなだらかにする平滑化部をさらに備えたことを特徴とする。

この発明では、入力された音声信号に含まれる低域信号成分の周波数を検出し、これに基づいて複数のピーキングフィルタの中心周波数を決定する。複数のピーキングフィルタは、聴取者に対してミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせるためのフィルタである。これにより、入力された音声信号に含まれる低域信号成分の周波数に応じたミッシングファンダメンタル現象を生じさせることができるため、聴取者に、元の音声信号と調和した自然な仮想基音の知覚を行わせることが可能になる。

また、ピーキングフィルタを用いて元の音声信号の一部の周波数成分をブーストすることにより、他の周波数成分を損なうことなく、なだらかに前記一部の周波数成分を強調することができ、音質が不自然になることがない。

また、低域信号成分の変化曲線をなだらかにすることにより、フィルタ係数が急激に変化することがなくなり、フィルタ係数の変化に伴うノイズを防止することができる。

この発明によれば、入力された音声信号の低域成分の周波数に応じた周波数を仮想基音とし、その仮想基音を知覚させるミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせるフィルタリング処理を行うため、自然な音質でミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせることができる。

図面を参照してこの発明の実施形態である音声信号処理装置について説明する。
この実施形態の音声信号処理装置は、ミッシングファンダメンタル現象による聴覚効果により、入力された音声信号（ソース信号）に含まれていない低音をリスナーに知覚させるような信号処理を行う装置である。この音声信号処理装置は、ソース信号に含まれる最も低い周波数成分である最低域成分を検出し、この最低域成分の周波数（最低域周波数）の整数分の１の周波数を仮想基音の周波数（ｆｏ）とする。そして、この仮想基音にミッシングファンダメンタル現象が生じるように、ソース信号のｎ×ｆｏ（ｎは２以上の整数）の周波数成分を強調するフィルタ処理を行う。
これにより、低音がでないスピーカ装置で音声信号を再生する場合や、低音が乏しい音声信号を再生する場合に、ソース信号に対して自然な低音を付加することができる。

図１において、信号入力部１６から入力されたソース信号は、遅延部１５および低域周波数検出部１１に入力される。遅延部１５で遅延されたソース信号はフィルタ部１０によってフィルタリングされ信号出力部１７から次段に出力される。フィルタ部１０は、図４に示すような直列接続された複数のピーキングフィルタを有している。また、低域周波数検出部１１には、平滑化部１２、強調周波数決定部１３、係数算出部１４が直列に接続されている。係数算出部１４が算出した係数が前記フィルタ部１０にフィルタ係数として設定される。

図２（Ａ）は、低域周波数検出部１１のブロック図である。低域周波数検出部１１は、入力された音声信号のうち最も低い周波数成分である最低域成分を検出する処理部である。入力されたソース信号は、直列に接続されたハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２１、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２でろ波されることにより、必要な周波数帯域成分のみが取り出される。ハイパスフィルタ２１は、不要な超低周波成分（たとえば４０Ｈｚ以下）を削除するサブソニックフィルタである。ローパスフィルタ２２は、入力された音声信号のうち中音域以上の周波数成分（たとえば２００Ｈｚ以上）をカットし、低音域の周波数成分を取り出す。ハイパスフィルタ２１およびローパスフィルタ２２により、ソース信号から４０〜２００Ｈｚの低域周波数成分信号が取り出される。

フィルタ２１，２２によって取り出された低域周波数成分信号は、ゼロクロス検出部２３に入力される。ゼロクロス検出部２３は、図４（Ｂ）の上段に示すように、交流である低域周波数成分信号の符号が反転するタイミングを検出する。検出は、負から正、または、正から負のいずれか一方のタイミングについて行う。同図に示す例では、負から正への反転を検出している。ゼロクロス検出部２３は、入力された低域周波数成分信号のゼロクロスを検出したとき、検出パルスを出力する。この検出パルスはカウンタ２４にリセットトリガとして入力される。

カウンタ２４は、サンプリング周波数をクロックとして動作するフリーランカウンタであり、図２（Ｂ）の下段に示すように動作する。すなわち、リセットトリガが入力される毎に、それまでのカウント値を出力するとともに、カウント値を０にリセットする（そして０からカウントを再スタートする）。カウンタ２４が出力するリセット直前のカウント値は、低域周波数成分信号すなわちソース信号の最も低周波の信号成分（最低域成分）の周期に対応している。

たとえば、サンプリング周波数４８ｋＨｚのシステムでゼロクロス間隔のカウント値が４８０だった場合、最低域成分の周波数である最低域周波数は、以下のように計算される。
最低域周波数ｆｏ（Ｈｚ）
＝サンプリング周波数／ゼロクロス周期
＝４８０００／４８０＝１００（Ｈｚ）

なお、この実施形態では、低域周波数検出部１１をゼロクロス検出部２３、カウンタ２４等で構成したが、処理機能に余裕があればＦＦＴ等の周波数解析によって振幅スペクトルを求め、このスペクトルに基づいて最低域周波数を検出してもよい。

図２に示した低域周波数検出部１１が検出する最低域周波数ｆｏは、必ずしも連続して滑らかに変化するわけではなく、図３の点線に示すように、階段状に不連続に変化する場合が多い。このように不連続に変化する最低域周波数に基づいてフィルタ係数を決定した場合、最低域周波数が不連続に変化する点でフィルタ係数が急激に変化するため、そのときに「バチッ」というノイズが発生するおそれがある。なお、フィルタ係数は各サンプル毎に再計算される。そこで、平滑化部１２は、最低域周波数ｆｏの変化波形を、図３の実線で示すような滑らかな変化波形に整形して、強調周波数決定部１３に入力する。この変化波形の整形は、ローパスフィルタや補間フィルタを使用して行う。

また、平滑化部１２に、最低域周波数ｆｏが所定の周波数範囲（たとえば４０Ｈｚ〜２００Ｈｚ）で飽和するようなリミッタを組み込んでおいてもよい。たとえば、低域周波数成分信号にリプルが含まれていてゼロクロス検出部２３が誤った（短い）間隔でゼロクロスパルスを出力してしまった場合等、最低域周波数が誤検出される場合があるが、リミッタを組み込んでおくことにより、誤検出があった場合でも、強調される周波数は低域の周波数の範囲に収まり、全く期待しない高域が強調されてしまうことを防止することができる。

強調周波数決定部１３は、平滑化部１２から入力された最低域周波数ｆｏに基づいて、強調する周波数を決定する処理部である。すなわち、強調周波数決定部１３は、ミッシング・ファンダメンタル現象により、リスナーに仮想的に知覚させる周波数（仮想基音の周波数）を決定し、この仮想基音の周波数にミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせるための、前記仮想基音周波数の複数の倍音を決定する。

強調周波数決定部１３は、平滑化部１２から入力された最低域周波数ｆｏの１／２の周波数を仮想基音周波数ｆｒ、強調周波数をその２倍（ｆｏ（＝２ｆｒ））、３倍（ｆｏ＋ｆｒ）、４倍（ｆｏ＋２ｆｒ）、５倍（ｆｏ＋３ｆｒ）、６倍（ｆｏ＋４ｆｒ）とし、入力された最低域周波数ｆｏに基づいて強調周波数の値を算出する。算出された強調周波数値は、係数算出部１４に入力される。

係数算出部１４は、入力された強調周波数を中心周波数とするピーキングフィルタのフィルタ係数を算出してフィルタ部１０に設定する。

フィルタ部１０を構成するピーキングフィルタは、たとえば、図４に示すような双２次のＩＩＲフィルタで構成することができる。双２次のＩＩＲフィルタは、確立されたアナログフィルタの設計手法を適用することができるため、容易に安定したディジタルフィルタを作成することができる。以下、この双２次ＩＩＲフィルタのフィルタ係数の算出手順について説明する。

図４に示した双２次ＩＩＲフィルタの伝達関数は、

で表される。ピーキングフィルタの特性仕様に基づき、各係数は以下の式で算出される。ここで、Ｆｓ：サンプリング周波数、ｆｏ：中心周波数、ｇａｉｎ：ゲイン、Ｑ：クォリティファクタとすれば、

であり、これに基づき各係数は、

で算出される。

なお、ゲインｇａｉｎおよびクォリティファクタＱは、ユーザの好みに合わせた適当な固定値でも構わないが、検出された最低域周波数値に応じて適応的に変化させるようにしてもよい。

図５は、フィルタ部１０の構成を示す図である。フィルタ部１０は、直列に接続された５つのピーキングフィルタ３１〜３５を有している。各ピーキングフィルタ３１〜３５には、係数算出部１４によって算出された中心周波数ｆｏ、ｆｏ＋ｆｒ、ｆｏ＋２ｆｒ、ｆｏ＋３ｆｒ、ｆｏ＋４ｆｒのフィルタ係数がそれぞれ設定される。このフィルタ係数の設定は、サンプリングクロックの各サンプル間隔毎に行われる。

なお、フィルタ部１０の前段に設けられている遅延部１５は、信号入力部１６から入力されたソース信号のフィルタ係数がフィルタ部に設定されるまでの遅延時間、すなわち、ソース信号が低域周波数検出部１１に入力されたのち、係数算出部１４がその信号のためのフィルタ係数を出力するまでの時間だけ信号を遅延させる処理部である。

このようにフィルタ係数が設定されたピーキングフィルタ３１〜３５により、図６に示すように、ソース信号に含まれる周波数成分のうち、仮想基音周波数ｆｒの２倍音、３倍音、４倍音、５倍音、６倍音の周波数成分がブーストされて強調される。このように仮想基音周波数の倍音が強調された音声信号（ソース信号）が信号出力部１７から後段に出力される。

後段の処理回路においては、この音声信号が増幅されてスピーカから放音される。なお、この実施形態の音声信号処理装置をオーディオ機器へ組み込む場合、その挿入位置は限定されないが、通常のイコライジングを行うイコライザの後段に挿入するのが好適である。

上記のように、倍音が強調された音声信号がスピーカから放音されることにより、リスナーは、ミッシング・ファンダメンタル現象により、仮想基音（周波数ｆｒ）の音声を仮想的に知覚する。

なお、この実施形態では、仮想基音の周波数ｆｒを最低域成分周波数ｆｏの１／２としているが、１／２に限定されず１／（自然数）であればよい。たとえば、１／３や１／４に設定することも可能である。また、複数のピーキングフィルタ３１〜３５に設定するフィルタ係数の中心周波数は、連続倍音は２倍から６倍に限定されない。

また、フィルタ部１０に設けるピーキングフィルタの数は５に限定されない。複数（２以上）であればよい。

上記実施形態では、１系統の音声信号処理装置を示したが、マルチチャンネル（たとえば２チャンネルステレオ）のオーディオ装置に組み込む場合には、各チャンネルごとにこの音声信号処理装置を挿入すればよい。

また、マルチチャンネルのオーディオ装置において、入力されたマルチチャンネル信号をモノラル化し、このモノラル信号に基づいてフィルタ係数を算出してもよい。すなわち、フィルタ係数を算出する処理部系統を全チャンネルで共通化してもよい。低域信号はセンタに定位させることが多いため、検出信号をモノラル化してもオーディオ信号の再生において大きな悪影響はない。

この構成の音声信号処理装置を図７に示す。
図７は、Ｌ／Ｒ２チャンネルのオーディオ装置に組み込まれる音声信号処理装置の例を示す図である。この図において、図１に示した音声信号処理装置と共通の部分は同一番号を付して説明を省略する。この音声信号処理装置が、図１の音声信号処理装置と異なる点は、左右の信号入力部１６Ｌ，ＲからＬチャンネル，Ｒチャンネルのソース信号が入力され、それぞれ、別系統の遅延部１５Ｌ，Ｒ、フィルタ部１０Ｌ，Ｒを介してＬチャンネル，Ｒチャンネルの信号処理部１７Ｌ，Ｒから出力される点、および、左右の信号入力部１６Ｌ，Ｒから入力されたＬチャンネル，Ｒチャンネルのソース信号を入力してモノラル化するモノラル化（ＳｔｅｒｅｏｔｏＭｏｎｏ）部１８を備えている点である。

モノラル化部１８は、Ｌチャンネルのソース信号およびＲチャンネルのソース信号を加算合成してモノラル化する。モノラル化された音声信号は、低域周波数検出部１１に入力される。低域周波数検出部１１、平滑化部１２、強調周波数決定部１３および係数算出部１４の構成および機能は図１に示した音声信号処理装置のものと同様である。係数算出部１４が算出したフィルタ係数は、左右のフィルタ部１０Ｌ，Ｒに設定される。

以上の構成により、Ｌチャンネル，Ｒチャンネルのソース信号は共通の中心周波数を持ったピーキングフィルタでフィルタリングされる。これによりＬチャンネル信号、Ｒチャンネル信号は、聴取者に対して同じミッシング・ファンダメンタル現象を生じさせ、これによって、聴取者に仮想的に知覚される仮想基音も同じである。したがって、この仮想基音はＬチャンネルとＲチャンネルの中間すなわちセンタに定位する。

この発明の実施形態である音声信号処理装置のブロック図音声信号処理装置の低域周波数検出部のブロック図およびゼロクロス検出部、カウンタの機能を説明する図平滑化部の機能を示す図ピーキングフィルタの構成例を示す図フィルタ部の構成を示す図フィルタ部の特性を示す図ステレオ信号をモノラル化してフィルタ係数を算出する音声信号処理装置のブロック図

符号の説明

１０（Ｌ，Ｒ）フィルタ部
１１低域周波数検出部
１２平滑化部
１３強調周波数決定部
１４係数算出部
１５（Ｌ，Ｒ）遅延部
１６（Ｌ，Ｒ）信号入力部
１７（Ｌ，Ｒ）信号出力部
１８モノラル化部

Claims

複数のピーキングフィルタと、
前記ピーキングフィルタに入力される音声信号中の低域信号成分の周波数を検出する低域周波数検出部と、
検出された周波数の自然数分の１の周波数を、ミッシング・ファンダメンタルの仮想基音の周波数に決定する仮想基音決定部と、
前記複数のピーキングフィルタのそれぞれに対して、前記仮想基音の周波数のそれぞれ異なる次数の倍音周波数を中心周波数とするフィルタ係数を設定する係数算出部と、
を備えた音声信号処理装置。
前記低域周波数検出部が検出した低域信号成分の周波数の値の変化をなだらかにする平滑化部をさらに備えた請求項１に記載の音声信号処理装置。