JP5224708B2 - 音響信号発生装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次音源スピーカを用いて主音源スピーカから発生する音響波の音質を向上する音響信号生成装置および方法に関する。

スピーカの音質に関して、低音域周波数特性についてはデジタル信号処理を駆使して多くの改善がなされている。例えば、主音源スピーカから発生する音響波の低音域における周波数特性を、デジタルフィルタを用いた信号処理により改善する手法が既に知られている。

音質劣化原因のひとつである過渡特性については音の発生部材の改善を行うのが一般的である。例えば高級オーディオ製品では、スピーカコーン、スピーカコーンを支えるエッジ部、およびエンクロージャ等の材質あるいは形状を変更することにより、ひずみ、共振、及び共鳴等の発生を回避するようにしている。
誠文堂新光社 監修 佐伯多門 「スピーカ＆エンクロージャー百科」

過渡特性改善のために音の発生部材の材質や形状を変更する場合、加工費や材料費がコスト高となるし、その都度、個別の調整作業も必要である。したがって、民生スピーカなど大量に生産されて流通する製品においてはこのような材質変更等による過渡特性改善策はなかなか採用されにくいが、言うまでもなく高音質化を低コストで実現することが望まれている。

理想は、直接波のみが音響空間を伝搬し、かつ、その音圧の空間分布が球面波と同じものとなることである。これは、二次音源スピーカを用いた空間音場制御においても同様である。直接波以外の二次波成分が残響波として発生すると、理想球面波の近似精度劣化に伴い、音場制御における空間設計精度も悪化し、所望空間の実現が困難となる。

本発明は、デジタル信号処理により低コストで理想球面波に近い過渡特性が得られるような音響信号発生装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点に係る音響信号発生装置は、第１の音響信号を発生する第１のスピーカと、第２の音響信号を発生する第２のスピーカと、前記第１のスピーカについて第１の空間インパルス応答を計測し、前記第２のスピーカについて第２の空間インパルス応答を計測する計測部と、前記第１の空間インパルス応答に窓掛けおよび遅延処理を行うことにより、残響成分を含まない直接波の所望インパルス応答を算出する第１の算出部と、前記所望インパルス応答が得られるような制御フィルタ係数を前記第１の空間インパルス応答および第２の空間インパルス応答から求める第２の算出部と、前記第１のスピーカからの音の伝達と前記第２のスピーカからの音の伝達とが因果律を満たすような遅延量を算出する第３の算出部と、前記入力信号を前記遅延量によって遅延処理する遅延部と、前記制御フィルタ係数を用いて前記入力信号をフィルタ処理する制御フィルタ部と、を具備し、前記第１のスピーカは前記遅延部による遅延処理後の入力信号にしたがって前記第１の音響信号を発生し、前記第２のスピーカは前記制御フィルタ部によるフィルタ処理後の入力信号にしたがって前記第２の音響信号を発生する。

本発明によれば、デジタル信号処理により低コストで理想球面波に近い過渡特性が得られるような音響信号発生装置を提供できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る音響信号発生装置のブロック図を図１に示す。本装置は、空間インパルス応答・周波数特性計測部１、所望インパルス応答を算出する算出部２、遅延量算出部３、制御フィルタ係数算出部４、および音響信号発生部２０により構成されている。音響信号発生部２０は、信号入力部５、信号遅延部６、制御フィルタ部７、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ変換器）８ａ，８ｂ、アンプ部９ａ，９ｂ、主音源スピーカ１０、および二次音源スピーカ１１により構成されている。

本実施形態は、制御フィルタ係数算出部４により算出された制御フィルタ係数が制御フィルタ部７に設定され、直接波以外の二次波成分を打ち消すような制御音を二次音源スピーカ１１から発生する。これにより主音源スピーカ１０から発生する直接音以外の成分を除去し、空間に伝搬する音響波の音質を向上するというものである。

空間インパルス応答・周波数特性計測部１には、図２に示すように、空間特性事前同定処理の際に、校正信号発生部１２と、主音源スピーカ１０および二次音源スピーカ１１から離れた位置に設置される音響信号検出部（マイク）２１とが接続される。空間インパルス応答・周波数特性計測部１は、各スピーカ１０，１１と音響信号検出部２１との間の空間インパルス応答および周波数特性を計測する。主音源スピーカ１０と音響信号検出部２１との間の空間インパルス応答および周波数特性を計測する再には、ＳＷ１をＯＮにするとともにＳＷ２を主音源スピーカ１０側に接続する。二次音源スピーカ１１と音響信号検出部２１との間の空間インパルス応答および周波数特性を計測する再には、ＳＷ１をＯＮにするとともにＳＷ２を二次音源スピーカ１１側に接続する。空間インパルス応答・周波数特性計測部１によって得られる計測信号は、所望インパルス算出部２に出力される。

所望インパルス応答を算出する算出部２では、図３に示すように、主音源スピーカ１０のみを単独で鳴らしたときの波形３３に窓フィルタ３４を掛けるとともに遅延処理を行うことにより直接波の波形を切り出し、これを所望波形（所望インパルス応答）３５とする。この切り出した所望波形となるように、二次音源スピーカ１１から逆位相の音波を発生させる。この際、二次音源スピーカ１１から逆位相の波形を生成する処理に要する時間分だけ、主音源スピーカ１０から発生した音波に間に合わなくなる。そこで、主音源スピーカ１０の前段に信号遅延部６が設けられている。

いま、制御フィルタ特性をｇ（ｎ）、主音源スピーカ１０から音響信号検出部２１までの空間インパルス応答をｈ_１（ｎ）、二次音源スピーカ１１から音響信号検出部２１までの空間インパルス応答をｈ_２（ｎ）、遅延時間をτとする。主音源スピーカ１０の近傍で所望波形ｄ（ｎ）が得られるようにするための制御フィルタｇ（ｎ）を以下の式により算出することができる。この処理は制御フィルタ係数算出部４で行われる。

ｄ（ｎ）＝ｈ_１（ｎ）＊δ（ｎ−τ）＋ｈ_２（ｎ）＊ｇ（ｎ）より、
∴ｇ（ｎ）＝ＩＦＦＴ［ＦＦＴ［ｄ（ｎ）−ｈ_１（ｎ）＊δ（ｎ−τ）］／Ｈ_２（ｊω）］
ここで、Ｈ_２はｈ_２をフーリエ変換した周波数特性を表している。

これにより得られる信号遅延量および制御フィルタ係数は、信号入力部５の後段の信号遅延部６、制御フィルタ部７に転送される。そして、信号入力部５からの入力信号（デジタル信号）との畳み込み演算の結果、Ｄ／Ａ（８ａ，８ｂ）、アンプ（９ａ，９ｂ）、スピーカ（１０，１１）を介して音波が放射される。これら音波の干渉により、二次波が抑制され、音質改善された音波が遠方に伝播する。

具体的に、図４に示すような実験システムにおける実証例を説明する。

まず、空間インパルス応答・周波数特性計測部１がｓｐ．１−ｍｉｃ．１間のインパルス応答ｈ_１（ｎ）およびｓｐ．２−ｍｉｃ．１間のインパルス応答ｈ_２（ｎ）を計測する。ｓｐ．１−ｍｉｃ．１間のインパルス応答ｈ_１（ｎ）は、主音源スピーカ１０と音響信号検出部２１との間のインパルス応答に相当し、ｓｐ．２−ｍｉｃ．１間のインパルス応答ｈ_２（ｎ）は、二次音源スピーカ１１と音響信号検出部２１との間のインパルス応答に相当する。計測結果を図５（ａ）（ｂ）、図６（ａ）（ｂ）に示す。図５（ｂ）および図６（ｂ）はそれぞれの周波数特性（周波数応答）を示している。

次に、所望インパルス算出部２がｈ_１（ｎ）＊δ（ｎ−τ）に窓フィルタ（ハニング窓）ｗ_１（ｎ）を掛けて残留波をできるだけ削除し、直接波ピークが１本卓越する所望インパルスｄ（ｎ）を生成する。図５（ａ）から切り出した所望インパルス特性ｄを図７に示し、これをフーリエ変換して得た周波数特性を図８に示す。

次に、因果律を満足するための遅延時間を遅延量算出部３が算出する。因果律が満足しているとは、主音源からの音が音響信号検出部２１に伝わるよりも、二次音源からの音が音響信号検出部２１に伝わる方が早いことを意味する。図４では主音源スピーカ１０の方が二次音源スピーカ１１よりも音響信号検出部２１側に設置されていることから、仮に二次音源と同時に音を鳴らした場合は主音源の方が先に届いてしまう。そこで、主音源に遅延を与え、二次音源の方が先に伝わるようにする。遅延算出方法は以下のとおりである。

まず、遅延ポイント数をゼロとし（すなわち遅延させない状態）、次式（１）にしたがい算出した制御フィルタｇ_１を図９に示す。

ここで、ＦＦＴポイント数は例えば６５５３６点とする。この数値自体は意味あるものでなく、用いた計測器上の仕様で決まるものであるが、遅延ポイント数の算出方法を明示するために必要なことから記載した。

図９によると、因果律を満足していないため、後半部分に非因果項９０が算出されていることがわかる。つまり、二次音源スピーカ１１からの音が主音源スピーカ１０からの音よりも先に音響信号検出部２１に伝わっていない。そこで、遅延ポイントを１０００に増やす。その結果を図１０に示す。最大ピーク（直接波成分）は前半部に変換され、因果律を満足し始めたが、依然として残響波分が非因果項９１として後半部に残っている。さらに、遅延ポイント数を１００００とした場合を図１１に示す。残響分も含めてすべて前半部に反映され、因果律を満足していることがわかる。

次に、制御フィルタ係数算出部４は、制御フィルタＧ_１（周波数応答）に対して、周波数領域で次式（３）（４）に示すフィルタ窓Ｗ_２を掛ける。

さらに次式（５）（６）にしたがい、制御フィルタｇ_１（インパルス応答）に、一波目を中心とする長さ２０ポイントの時間領域におけるハニング窓ｗ_３（図１２参照）を掛けて図１３に示すような制御フィルタｇ_３を算出する。

ここで、｜ｇ_１（ｎ）｜はｎ＝９９９３で最大値をとり、ハニング窓ｗ_３（ｎ）は中心がｎ＝９９９３、長さ８１９２ポイントの窓となる。窓掛けを行うと、制御フィルタｇ_３（ｎ）＝０（ｎ＝１，・・・，５８９７）となり、このフィルタ係数０を省略すると、遅延は１００００−５８９７＝４１０３ポイントとなる。これは次式（７）で表すことができる。

遅延ポイント数＝ＦＦＴポイント＋Ｗ_３（ｎ）の窓長／２−ｎ（ｍａｘゼロ遅延）
＝６５５３６＋８１９２／２−６５５２９＝４１０３．．．（７）
ｎ（ｍａｘゼロ遅延）のポイントとは、遅延ゼロ、つまり図９において絶対値（｜ｇ_１（ｎ）｜）の最大ピークをとるポイント数に相当する。

図９では後半を拡大していないため、最大ピーク位置はＦＦＴポイント数（終端）と一致しているように見られるが、実際はＦＦＴの終端６５５３６点よりも少ない６５５２９点目に現れている。

式（７）の意味は、ｎ＝Ｗ_３（ｎ）の窓長／２で｜ｇ_１（ｎ）｜が最大値をとるように、遅延を与えると解釈できる。あるいは、４１０３≒Ｗ_３（ｎ）の窓長／２のため、次式（８）で遅延を決定してもよい。

遅延ポイント数＝Ｗ_３（ｎ）の窓長／２．．．（８）
算出された制御フィルタｇ（ｎ）の所望インパルス特性、すなわち、制御フィルタ特性を図１４に示し、これをフーリエ変換して得た周波数特性を図１５に示す。

この段階に着目すると、図１４に示すように約１×１００００ポイント上のピーク波形から約２×１００００まで残響が発生し、制御フィルタ長は長くなってしまう。実際に制御装置に実装する上では、計算負荷を軽減する観点からフィルタ長は短い方が望ましい。そこで、対象周波数を１５ｋＨｚとし、Ｇ_３（ｊω）に図１６に示すフィルタ窓を掛けて図１７に示すＧ_４（ｊω）を得る（次式（９））。

図１７のＧ_４（ｊω）周波数応答を逆フーリエ変換して求めた制御フィルタｇ（ｎ）を図１８に示す。残響波は約５０００点で収束（窓長５０００／４８０００ｓｅｃ）し、フィルタ長が短くなっていることがわかる。

このような制御フィルタを用いて音源（主音源スピーカ１０＋二次音源スピーカ１１）から音響信号検出部２１までのインパルス応答および周波数応答を求めた結果を図１９および図２０に示す。これらを図２１および図２２に示す目標特性と比較してみると、二次波が軽減され、周波数も窓上限１８ｋＨｚまで目標の特性に近づいた。所望信号を設定した音響信号検出部２１では目標値にほぼ一致し、本実施形態の有効性を確認した。

以上説明したように、遅延ポイント数を算出するにあたり、時間領域での窓掛けを行い、さらに最終的に算出する制御フィルタｇのフィルタ長を短くする目的で周波数領域の窓掛けを行うことが好ましい。ここで、制御フィルタｇのフィルタ長を短くする目的に対しては、さらに時間領域による窓掛けを行うことが好ましい。最終的に必要とされる制御フィルタｇは時間領域のため、直接、時間領域での窓を掛けることで所望のフィルタ長を設計することができるからである。

前述のとおり、高音質化を実現するには時間領域では直接波のピークが１本のインパルス特性が望ましく、周波数領域では高周波までフラットな周波数特性が望ましい。

図２３は周波数領域での窓掛けにより算出したインパルス特性、図２４はこれをフーリエ変換した周波数特性を示している。一方、図２５は時間領域での窓掛けにより算出したインパルス特性、図２６はこれをフーリエ変換した周波数特性を示している。

後者の図２５から分かるように、横軸は直接波ピーク付近の波形を詳細に見るために拡大しているが、残響のない理想的なピークが形成され、図２６の周波数特性も高音域までフラット化が実現できている。これに対して前者の図２３は残響波こそ見受けられないが、直接波ピーク時刻の直後にも負のピーク（残留分）がわずかに現れている。図２４の周波数特性も図２６に比べて２０ｋＨｚで劣化していることがわかる。したがって、時間領域での窓掛けは周波数領域の窓掛けに比べて、直接、制御フィルタを加工できることからより高音質化を実現できる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、直接波以外の二次波成分を打ち消すような制御音を二次音源スピーカ１１から発生する。これにより主音源スピーカ１０から発生する直接音以外の成分を除去し、空間に伝搬する音響波の音質を向上することができる。したがって、デジタル信号処理により低コストで理想球面波に近い過渡特性が得られるような音響信号発生装置を提供できる。

（第２の実施形態）
図２７は第２の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図である。

主音源スピーカ１０と二次音源スピーカ１１とを互いに対向するように配置することを特徴としている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

図１に示したように主音源スピーカ１０と二次音源スピーカ１１を横に並べて設置すると、スピーカ間距離が大きくなるためにスピーカ正面以外の地点では各スピーカからの距離に差がある。このため干渉むらが生じ、所望波形ｄが得られなくなる。

そこで本実施形態のように主音源スピーカ１０と二次音源スピーカ１１とを互いに対向するように配置すると、スピーカ間距離は短くなる。したがって、広範囲で所望波形を得ることができる。

（第３の実施形態）
図２８は第３の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図である。

第３の実施形態は、主音源スピーカ１０を支持するスピーカエンクロージャ３６内の背面に、二次音源スピーカ１１を配置していることを特徴とする。主音源スピーカ１０の振動面は音を透過させる働きがあることから、その背面に設置した二次音源スピーカ１１からの音波も主音源スピーカ１０の振動面を透過し、結果として主音源からの音波とエンクロージャ外部正面で干渉する。図２７に示したスピーカ対向型と比べて、スピーカ放射面を点音源近似、球面波伝播させることはできないものの、図１のスピーカを横に並べるよりは点音源化が可能となり、広範囲で所望波形を得ることができる。

従来型の高音質スピーカはスピーカボックスの剛性を強化することで過渡ひずみ（残留波成分）を抑制するようにしている。これに対し本実施形態は、そのような剛性強化策に代えて、二次音源スピーカ１１を設けて上述した制御を行うことにより同等の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図２９は第４の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図である。

本実施形態は、第１の実施形態の構成に対し、音響信号検出部２１（マイク）により検出された音響信号の波形を判定する音響波形判別部１３を付加したものである。

音響信号検出部２１で検出した波形が所望インパルス算出部２で予想する波形と合致しているかどうかを音響波形判別部１３によって判別することで主音源スピーカ１０から発生する直接音以外の成分の除去精度を向上させることを特徴とする。

スピーカシステムは振動面、エッジ面などの消耗材料で構成され、経時変化を伴いやすい。また、音量の違いによって非線形性が増大する。したがって、計測部１による実測値から求めた所望インパルス応答の波形は必ずしも不変でよいとは限らない。音響波形判定部１３は、インパルス応答波形の経時変化の度合いを判定し、初期に同定した波形と差異が生じたときは、再度、所望インパルス応答を生成し直すように所望インパルス算出部２と遅延量算出部３に指示する。

（第５の実施形態）
図３０は第５の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図である。

本実施形態では、校正信号発生部１２、アンプ部２２、スピーカ振動検出部３０、および空間インパルス応答・周波数特性計測部１が空間特性事前同定処理部３７を構成している。スピーカ振動検出部３０を設けることで、常に、スピーカの放射状態を監視し、空間インパルス応答・周波数特性の同定を人手による介在なしで更新できるようにしたものである。

スピーカ振動検出部３０がセンサ３７を介して所定量以上の振動を検出すると、空間特性事前同定処理部３７に制御が切り替わる。これによりＳＷ１がＯＮし、校正信号発生部１２から校正信号が出力され、アンプ部２２に供給される。まず、ＳＷ２が主音源スピーカ１０側に接続されるとともにＳＷ３がアンプ部２２側に接続される。これにより、主音源スピーカ１０についての空間インパルス応答・周波数特性計測が行われる。次に、ＳＷ２が二次音源スピーカ１１側に接続されるとともにＳＷ３がアンプ部２２側に接続される。これにより、二次音源スピーカ１１についての空間インパルス応答・周波数特性計測が行われる。これらの計測によって得られた信号は、空間インパルス応答・周波数特性計測１から所望インパルス算出部２に送られる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

第１の実施形態に係る音響信号発生装置のブロック図 空間特性事前同定処理を示す図 所望インパルス応答算出について説明するための図 実験システムを示す図 ｓｐ．１−ｍｉｃ．１間のインパルス応答を示すグラフ ｓｐ．１−ｍｉｃ．１間の周波数応答を示すグラフ ｓｐ．２−ｍｉｃ．１間のインパルス応答を示すグラフ ｓｐ．２−ｍｉｃ．１間の周波数応答を示すグラフ 遅延数０で算出した制御フィルタを示すグラフ 遅延数１０００で算出した制御フィルタを示すグラフ 遅延数１００００で算出した制御フィルタを示すグラフ 時間領域におけるハニング窓を示すグラフ 時間領域におけるハニング窓と制御フィルタを示すグラフ 時間領域における制御フィルタを示すグラフ 周波数領域における制御フィルタを示すグラフ フィルタ窓の特性を示すグラフ 窓フィルタ後の制御フィルタの周波数応答を示すグラフ 図１７の周波数応答をフーリエ変換して得られた制御フィルタを示すグラフ 算出したインパルス応答を示すグラフ 算出した周波数応答を示すグラフ 所望インパルス応答を示すグラフ 所望周波数応答を示すグラフ 周波数領域での窓掛けによって算出されたインパルス特性を示すグラフ 図２３のインパルス特性をフーリエ変換して得られた周波数特性を示すグラフ 時間領域での窓掛けにより算出したインパルス特性を示すグラフ 図２５のインパルス特性をフーリエ変換して得られた周波数特性を示すグラフ 第２の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図 第３の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図 第４の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図 第５の実施形態に係る音響信号発生装置を示すブロック図

符号の説明

１…空間インパルス応答・周波数特性計測部；
２…所望インパルス算出部；
３…遅延量算出部；
４…制御フィルタ係数算出部；
５…信号入力部；
６…信号遅延部；
７…制御フィルタ部；
８ａ，８ｂ…Ｄ／Ａ；
９ａ，９ｂ…アンプ部；
１０…主音源スピーカ；
１１…二次音源スピーカ

Claims (5)

1. 第１の音響信号を発生する第１のスピーカと、
   第２の音響信号を発生する第２のスピーカと、
   前記第１のスピーカについて第１の空間インパルス応答を計測し、前記第２のスピーカについて第２の空間インパルス応答を計測する計測部と、
   前記第１の空間インパルス応答に窓掛けおよび遅延処理を行うことにより、残響成分を含まない直接波の所望インパルス応答を算出する第１の算出部と、
   前記所望インパルス応答が得られるような制御フィルタ係数を前記第１の空間インパルス応答および第２の空間インパルス応答から求める第２の算出部と、
   前記第１のスピーカからの音の伝達と前記第２のスピーカからの音の伝達とが因果律を満たすような遅延量を算出する第３の算出部と、
   入力信号を前記遅延量によって遅延処理する遅延部と、
   前記制御フィルタ係数を用いて前記入力信号をフィルタ処理する制御フィルタ部と、を具備し、
   前記第２の算出部は、次式にしたがって前記制御フィルタ係数を算出し、
   

   

   前記第１のスピーカは前記遅延部による遅延処理後の入力信号にしたがって前記第１の音響信号を発生し、
   前記第２のスピーカは前記制御フィルタ部によるフィルタ処理後の入力信号にしたがって前記第２の音響信号を発生する音響信号発生装置。
2. 前記第２の算出部は、前記制御フィルタＧ_１に対して、周波数領域で次式に示すフィルタ窓Ｗ_２を掛ける請求項１に記載の音響信号発生装置。
   

   
3. 前記第２の算出部は、前記制御フィルタｇ_１に対して、時間領域で次式に示すフィルタ窓ｗ_３を掛けることを特徴とする請求項１に記載の音響信号発生装置。
   

   
4. 前記第２の算出部は、さらに、周波数領域で次式に示すフィルタ窓Ｗ_２を掛けることを特徴とする請求項３に記載の音響信号発生装置。
   

   
5. 第１の音響信号を発生する第１のスピーカと、
   第２の音響信号を発生する第２のスピーカと、
   前記第１のスピーカについて第１の空間インパルス応答を計測し、前記第２のスピーカについて第２の空間インパルス応答を計測する計測部と、
   前記第１の空間インパルス応答に窓掛けおよび遅延処理を行うことにより、残響成分を含まない直接波の所望インパルス応答を算出する第１の算出部と、
   前記所望インパルス応答が得られるような制御フィルタ係数を前記第１の空間インパルス応答および第２の空間インパルス応答から求める第２の算出部と、
   前記第１のスピーカからの音の伝達と前記第２のスピーカからの音の伝達とが因果律を満たすような遅延量を算出する第３の算出部と、
   入力信号を前記遅延量によって遅延処理する遅延部と、
   前記制御フィルタ係数を用いて前記入力信号をフィルタ処理する制御フィルタ部と、
   前記第１および第２のスピーカから発生した音響信号の波形が前記所望インパルス応答の波形と合致しているか否かを判定する波形判別部と、
   を具備し、
   前記第２の算出部は、次式にしたがって前記制御フィルタ係数を算出し、
   

   

   前記第１のスピーカは前記遅延部による遅延処理後の入力信号にしたがって前記第１の音響信号を発生し、
   前記第２のスピーカは前記制御フィルタ部によるフィルタ処理後の入力信号にしたがって前記第２の音響信号を発生する音響信号発生装置。

Images