JP4983694B2

JP4983694B2 - 音声再生装置

Info

Publication number: JP4983694B2
Application number: JP2008091932A
Authority: JP
Inventors: 喜久藤浪
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009244650A

Description

本発明は、入力音声信号に当該入力音声信号に基づく高調波を加算してスピーカへ出力するデジタルオーディオプレーヤや、クレードル、ポータブルプレーヤ等の音声再生装置に関する。

小型スピーカを用いて音楽を聞くときには、低音成分の不足が常に問題となる。これは、小型スピーカの低域の再生限界周波数が高いためである。

そこで、低音感を増強する方法として、スピーカの前段におけるアンプにて低音をブースト処理するのが簡単である。しかし、スピーカの再生周波数帯域よりも低い帯域を増強するとスピーカに過度の負荷がかかり、再生音の非線形歪みの発生、最悪はスピーカの破損、といった問題が発生する。

そこで、低音をそのまま増強するのではなく、所望の低音域よりも高い帯域の信号を発生させて低音の聴感レベルを向上させる方法が提案されている。具体的には、スピーカの再生周波数帯域以下の周波数帯域を基本波帯域として、基本波帯域の信号の高調波を発生させ、その高調波を付加するバーチャルピッチ効果がある。

ここで、バーチャルピッチ効果を得る従来技術として、例えば、Lチャンネル信号とRチャンネル信号を加算した信号の低音成分を全波整流することにより、高調波を発生させる全波整流法（例えば、特許文献１参照）と、低音成分が零クロスする位置を基本周期として、整数倍の周期で基本波形を繰り返すことにより高調波を発生させる零クロス法（例えば、特許文献２参照）等がある。
特開平８−２３７８００号公報特開２００４−１０１７９７号公報

しかし、上述の従来技術では、いずれも高調波を発生させるために非線形処理な過程を用いているため、入力音声信号には全く含まれていない周波数成分を付加することによる歪みが不自然に感じられることが多い、という問題がある。

特に、入力音声信号が低音成分を多く含む場合、非線形処理による高調波は元々存在しない成分であるため、非線形処理による高調波成分が入力音声信号に含まれる高域成分にマスクされることなく聞こえてしまう。極端な例では、単一正弦波の低音を入力した場合、上記従来技術による高調波付加方法では、二次高調波や三次高調波が発生するため、非常に濁った音として知覚される、場合もあり得る。

そこで、本発明は、入力音声信号に基づく高調波成分を入力音声信号に付加する場合でも、歪みの少ない音を得ることができる音声再生装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明では、入力音声信号に当該入力音声信号に基づく高調波を加算してスピーカへ出力する音声再生装置であって、前記入力音声信号から前記スピーカの再生周波数帯域以下の周波数帯域である基本波帯域成分を抽出する基本波抽出手段と、前記基本波帯域成分の高調波を発生する高調波発生手段と、前記基本波帯域成分のレベルを低域レベルとして検出する低域レベル検出手段と、前記入力音声信号から前記基本波帯域成分より上の高調波帯域成分を抽出する高域成分抽出手段と、前記高調波帯域成分のレベルを高域レベルとして検出する高域レベル検出手段と、前記高域レベルに対する前記低域レベルの比率と、前記高調波発生手段が発生した前記高調波が歪みとなるか否かの前記比率の閾値とに基づいて、前記高調波が歪みとならないように前記高調波発生手段における前記高調波の発生量を制御する制御手段と、を有する。
ここで、前記制御手段は、前記高域レベルに対する前記低域レベルの比率と、前記高調波発生手段が発生した前記高調波が歪みとなるか否かの前記比率の下限閾値と上限閾値とに基づいて、前記高調波が歪みとならないよう、前記比率が前記下限閾値より小さい場合は、前記高調波発生手段における前記高調波の発生量を最大に制御する一方、前記比率が前記上限閾値より大きい場合は、前記高調波発生手段における前記高調波の発生量をゼロに制御しても良いし、前記高域レベルに対する前記低域レベルの比率と、前記高調波発生手段が発生した前記高調波が歪みとなるか否かの前記比率の下限閾値と上限閾値とに基づいて、前記比率が前記下限閾値と前記上限閾値との間の場合、前記高調波が歪みとならないよう、前記高調波発生手段における前記高調波の発生量を前記比率に応じ制御しても良い。

本発明によれば、高域レベルに対する低域レベルの比率と、入力音声信号に加算する高調波が歪みとなるか否かの前記比率の閾値とに基づいて、入力音声信号に加算する高調波が歪みとならないように高調波の発生量を制御するので、高調波成分を原音である入力音声信号に付加する場合でも、歪みの少ない音を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係る音声再生装置の実施の形態の構成例を示すブロック図である。図1において、１は入力端子、２は出力端子、3は遅延回路、4は基本波抽出回路、5は高調波発生回路、6はバンドパスフィルタ、7、８はアンプ、９は加算回路、１０は高域成分抽出回路、１１は高域レベル検出回路、１２は低域レベル検出回路、１３は制御量演算回路である。

次に動作を説明する。入力端子1からの音声信号が入力すると、遅延回路3と、基本波抽出回路４と、高域成分抽出回路７とに入力する。

遅延回路3は、入力音声信号を遅延し、主信号としてアンプ７へ出力する。

基本波抽出回路４は、入力音声信号から所望とするスピーカ（図示せず）の再生周波数帯域以下の周波数帯域である基本波帯域成分を抽出する。ここでは、基本波帯域成分として、スピーカ（図示せず）の最低共振周波数f_0付近のカットオフ周波数f_c未満の周波数帯域成分を抽出する。そして、抽出した基本波帯域成分を、高調波発生回路5と、低域レベル検出回路８とへ出力する。

図２は、図1の基本波抽出回路４の機能を説明する図である。基本波抽出回路４は、バンドパスフィルタ等で構成することができる。つまり、本装置から音声信号を出力するスピーカが、例えば、図２のようなスピーカ再生特性であった場合に、そのスピーカの最低共振周波数f_0付近に、カットオフ周波数f_cを選び、カットオフ周波数f_cの1／2である（f_c/2）と、カットオフ周波数f_cとの間を基本波帯域として通過させるバンドパスフィルタを用いる。これにより、スピーカで再生することが困難な低域の成分を抽出することができる。ここで、バンドパスフィルタの低域側のカットオフ周波数を（f_c/2）とするのは、（f_c/2）以下の成分を歪ませることによる高調波が（f_c/2）〜f_cの帯域に入ることを防ぐためである。

ただし、簡易的にスピーカの最低共振周波数f0以下の周波数成分すべてを基本波帯域成分と考え、最低共振周波数f_0以下の周波数成分すべてを基本波帯域成分として通過させる図３のようにローパスフィルタを用いることも可能である。これは、低域における狭帯域のバンドパスフィルタを設計するのが困難な場合に有効である。

高域成分抽出回路１０は、スピーカ（図示せず）のカットオフ周波数f_c以上の周波数帯域、すなわち高調波帯域成分を抽出して、高域レベル検出回路１１へ出力する。

一方、基本波抽出回路４の出力は低域レベル検出回路１２にも送られており、低域レベル検出回路１２は、抽出された基本波の所定短時間におけるレベルである低域レベルを計算する。

同様に、高域成分抽出回路１０の出力は高域レベル検出回路9に送られおり、カットオフ周波数f_c以上の高域周波数成分の所定短時間におけるレベルである高域レベルを計算する。

制御量演算回路１３では、基本波抽出回路４からの低域のレベルと、高域成分抽出回路１０からの高域のレベルとを比較し、高調波発生回路５における高調波の発生量を制御して、聴感上、入力音声信号に高調波歪が目立つ場合は、無理に高調波を付加しないように高調波の発生量を制御する。

高調波発生回路5では、制御量演算回路１３からの高調波の発生量の制御信号に基づいて、基本波抽出回路４から得られた低音成分である基本波帯域成分を非線形処理して、低音成分の高調波を発生して、バンドパスフィルタ6へ出力する。高調波を発生させる非線形処理としては、既存の方法、例えば全波整流法、冪乗法などを利用することができる。なお、制御量演算回路１３からの高調波の発生量の制御信号に基づく高調波発生回路5の高調波の発生処理については後述する。

バンドパスフィルタ6では、高調波発生回路5にて得られた高調波成分の内、不要な周波数成分を除去した後、アンプ８へ出力する。これは、所望とする高調波より高次の高調波、例えば約1kHz以上の成分は、バーチャルピッチ効果に寄与しないうえ、聴感的に敏感な帯域に悪影響を与えるからである。また、高調波発生回路５の処理では、高調波以外にも副次的に基本波帯域成分も発生する。このためこれらの高域成分や低域成分を除去することがバンドパスフィルタ６の目的である。

加算回路９は、アンプ７を介した遅延回路3によって遅延した主信号と、アンプ８を介したバンドパスフィルタ6からの出力信号とをユーザの設定や適当な比率をもって加算して出力端子２から出力する。

低域レベル検出回路１１は、基本波抽出回路４にて抽出された基本波帯域成分の信号レベルを検出する。検出方法は、数msecの間隔でデータを蓄積し、その区間における平均パワーを計算しても良い。また、処理を簡単に済ませる場合は該区間における最大値を検出して入力信号レベルの代替としても良い。

高域成分抽出回路１０は、基本波帯域成分の帯域よりも高域の成分を抽出するハイパスフィルタ等で構成される。例えば、高域成分抽出回路１０は、図５に示すように、基本波抽出回路４の高域側のカットオフ周波数f_c以上の周波数帯域を通過させるハイパスフィルタを使うことで実現できる。

高域レベル検出回路１１は、高域成分抽出回路１０にて抽出された高域成分の信号レベルを検出して制御量演算回路１３へ出力する。高域成分の信号レベルの検出方法は、低域レベル検出回路１２と同様な方法が利用できる。ただし、データを蓄積する時間は低域レベル検出回路１２よりも短くする必要がある。

制御量演算回路１３は、高域レベル検出回路１１にて検出された高域レベルに対する、低域レベル検出回路１１にて検出された低域レベルの比率を計算し、計算した比率に応じて、例えば、図５に示すように高調波発生回路５における高調波発生の制御量を決定する。

図５は、制御量演算回路１３による高調波発生回路５における高調波発生制御の一例を示す図である。

図５において、横軸は、高域レベル検出回路１１にて検出された高域レベルに対する低域レベル検出回路１１にて検出された低域レベルの比率（ＬＨＲ）、すなわち（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］を示している。縦軸は高調波発生量を示しており、縦軸のｍａｘは、高調波発生量の最大値を示している。

そして、この例では、（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］の閾値として、２つの閾値R_th1、R_th2とを設けている。ここで、閾値R_th1としては、例えば、−４［ｄＢ］、閾値R_th2としては、例えば、＋２［ｄＢ］である。ここで、２つの閾値R_th1、R_th2とを設けているのは、閾値R_th1以内であれば、高域成分が優勢で高調波を発生させて入力音声信号に加算しても聴感上歪として知覚されないので、高調波を最大限発生すように制御する一方、閾値R_th2を超えると、低域成分が優勢であるので高調波を発生させて入力音声信号に加算すると、その高調波が聴感上歪として知覚できるので、高調波の発生を０にするように制御する。

つまり、制御量演算回路１３は、（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］が閾値R_th1よりも小さいと判断した場合、高域成分が優勢であると判断して、高調波発生回路５における高調波発生量が最大ＭＡＸになるように制御する。

これに対し、制御量演算回路１３は、（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］が閾値R_th2よりも大きくなると判断した場合、低域成分が優勢であると判断して、制御量演算回路１３は高調波の発生量を０、すなわち高調波を発生させないよう制御する。

また、制御量演算回路１３は、（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］が閾値R_th1と、閾値R_th2との中間である場合は、高調波発生量が（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］に応じた値になるように高調波発生回路５における高調波発生量を制御する。これは、高調波発生量が急激に変化すると、変化点において不連続点が発生するため、これを避けるのが目的である。

なお、高調波発生回路５の制御法は、高調波発生回路５の構成に依存する。

図６は、高調波発生回路５の構成の一例を示している。高調波発生回路５は、図６に示すように、高調波発生回路５の実体部分である非線形処理回路５ａと、非線形処理回路５ａの出力を調整するアンプ５ｂ等により構成される。高調波発生回路５におけるアンプ５ｂの出力ゲインを制御することとすれば、高調波発生回路５の実体部分である非線形処理回路５ａに依存しない簡便な制御法となる。

また、図６に示すように高調波発生回路５におけるアンプ５ｂの出力ゲインを制御するのではなく、高調波発生回路５の実体部分である非線形処理回路５ａの非線形処理自体を（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］に応じて制御するようにしても勿論よい。

図７は、高調波発生回路５の実体部分である非線形処理回路５ａにおける非線形処理の制御の一例を示している。

つまり、図７(c)は、非線形処理の入出力特性を示していて、非線形処理回路５ａの非線形処理のパラメータを制御することによって、その特性を自由に変更できるものとする。ここで、特性αは入力が小さいときほど出力が大きくなるような非線形特性、特性Lは線形特性であり、非線形処理回路５ａの非線形処理のパラメータを制御することによってこれらの特性α，Lを設定することができる。

すると、図７(a)のように正弦波の入力信号が入力すると、特性αの入出力特性を用いれば、図７図(b)の実線、特性Lの入出力特性を用いれば破線のような出力信号が得られる。

そのため、高調波発生回路５におけるアンプ５ｂの出力ゲインを制御する場合と同様に、（低域レベル／高域レベル）［ｄＢ］に応じて図７(c)の特性α，Lに適宜変更されるように、非線形処理回路５ａの非線形処理のパラメータを制御すれば、出力波形の歪み量を制御できる。

従って、本実施の形態によれば、高域レベルに対する低域レベルの比率と、入力音声信号に加算する高調波が歪みとなるか否かの前記比率の閾値とに基づいて、入力音声信号に加算する高調波が歪みとならないように高調波の発生量を制御するので、高調波成分を原音である入力音声信号に付加する場合でも、歪みの少ない音を得ることができる。

特に、本実施の形態では、高域レベルに対する低域レベルの比率と、高調波が歪みとなるか否かの前記比率の下限閾値R_th1と上限閾値R_th2とに基づいて、入力音声信号に加算する高調波が歪みとならないよう、前記比率が下限閾値R_th1より小さい場合は、入力音声信号に加算する高調波の発生量を最大に制御する一方、前記比率が上限閾値R_th2より大きい場合は、入力音声信号に加算する高調波の発生量をゼロにするようにしたので、さらに歪みの少ない音を得ることができる。

また、本実施の形態では、高域レベルに対する低域レベルの比率と、高調波が歪みとなるか否かの前記比率の下限閾値R_th1と上限閾値R_th2とに基づいて、前記比率が下限閾値R_th1と上限閾値R_th2との間の場合、入力音声信号に加算する高調波が歪みとならないように、高調波の発生量を前記比率に応じ制御するようにしたので、入力音声信号に加算する高調波発生量を滑らかに制御して、より歪みの少ない音を得ることができる。

本発明の一実施の形態である音声再生装置のブロック図スピーカ再生特性と基本波帯域との関係を示す図スピーカ再生特性と基本波帯域との関係を示す図基本波帯域と高域成分抽出回路の高域特性との関係を示す図制御量演算回路の制御量を示す特性図高調波発生回路の動作を説明するための図非線形処理を説明するための図

符号の説明

４基本波抽出回路（基本波抽出手段）
５高調波発生回路（高調波発生手段）
１０高域成分抽出回路（高域成分抽出手段）
１１高域レベル検出回路（高域レベル検出手段）
１２低域レベル検出回路（低域レベル検出手段）
１３制御量演算回路（制御手段）

Claims

入力音声信号に当該入力音声信号に基づく高調波を加算してスピーカへ出力する音声再生装置であって、
前記入力音声信号から前記スピーカの再生周波数帯域以下の周波数帯域である基本波帯域成分を抽出する基本波抽出手段と、
前記基本波帯域成分の高調波を発生する高調波発生手段と、
前記基本波帯域成分のレベルを低域レベルとして検出する低域レベル検出手段と、
前記入力音声信号から前記基本波帯域成分より上の高調波帯域成分を抽出する高域成分抽出手段と、
前記高調波帯域成分のレベルを高域レベルとして検出する高域レベル検出手段と、
前記高域レベルに対する前記低域レベルの比率と、前記高調波発生手段が発生した前記高調波が歪みとなるか否かの前記比率の閾値とに基づいて、前記高調波が歪みとならないように前記高調波発生手段における前記高調波の発生量を制御する制御手段と、
を有する音声再生装置。
請求項1記載の音声再生装置において、
前記制御手段は、
前記高域レベルに対する前記低域レベルの比率と、前記高調波発生手段が発生した前記高調波が歪みとなるか否かの前記比率の下限閾値と上限閾値とに基づいて、前記高調波が歪みとならないよう、前記比率が前記下限閾値より小さい場合は、前記高調波発生手段における前記高調波の発生量を最大に制御する一方、前記比率が前記上限閾値より大きい場合は、前記高調波発生手段における前記高調波の発生量をゼロに制御する、音声再生装置。
請求項1または請求項２記載の音声再生装置において、
前記制御手段は、
前記高域レベルに対する前記低域レベルの比率と、前記高調波発生手段が発生した前記高調波が歪みとなるか否かの前記比率の下限閾値と上限閾値とに基づいて、前記比率が前記下限閾値と前記上限閾値との間の場合、前記高調波が歪みとならないよう、前記高調波発生手段における前記高調波の発生量を前記比率に応じ制御する、音声再生装置。