JP6405093B2 - 音響信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明はＬ信号とＲ信号のステレオ音声信号を入力として、２つのスピーカによりステレオ音場を拡大する技術に係り、特に聴取者から左右のスピーカまでの距離に差がある場合でも、音像を２つのスピーカの外側に定位できるようにした音響信号処理装置に関するものである。

Ｌ信号とＲ信号のステレオ音声信号を２つのスピーカで再生する際に、音場をより広く再生する為に、Ｌ側差信号強調およびＲ側差信号強調を行うと共に、クロストーク成分をキャンセルする事がしばしば行われている。特許文献１の音響信号処理方法および装置では、クロストークキャンセル手段を構え、音像の定位を明確にし、周波数特性の乱れを小さくし、スピーカ間隔が狭い場合でもスピーカの外側に音像が明確に定位して知覚されるようになった。

更に、図７に示すように、左右のスピーカＳＰ（Ｒ）、ＳＰ（Ｌ）の放音方向を聴取者Ｍから見て横方向に向けた場合でも、９０度ずれた分の周波数特性の乱れを補償して、スピーカＳＰ（Ｒ）、ＳＰ（Ｌ）の外側に音像を明確に定位して知覚される技術がある。

特許第４５０９６８６号公報

しかし、上記のような音響処理方法では、聴取者Ｍと左右のスピーカＳＰ（Ｒ）、ＳＰ（Ｌ）の間の距離が異なる場合、聴取者Ｍの両耳に到達する音声の周波数特性に乱れが発生し、正確にクロストークキャンセルができないという問題があった。

本発明の目的は、聴取者と左右のスピーカの間の距離が異なる場合であっても、クロストークを正確にキャンセルできるようにした音響信号処理装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、Ｌチャンネル音声信号とＲチャンネル音声信号を入力してＬ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号を出力する差信号強調手段と、前記Ｒ側差信号強調信号から生成したＲ側クロストークキャンセル成分を前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側信号として出力するとともに、前記Ｌ側差信号強調信号から生成したＬ側クロストークキャンセル成分を前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側信号として出力するクロストークキャンセル手段とを有する音響信号処理装置において、前記Ｌ側信号が入力するＬ側フィルタと前記Ｒ側信号が入力するＲ側フィルタとを有する周波数特性補償手段を設け、前記Ｌ側フィルタと前記Ｒ側フィルタは、ＦＩＲフィルタで構成され、前記ＦＩＲフィルタは、前記差信号強調手段と前記クロストークキャンセル手段と前記周波数特性補償手段を除いた状態で取得した聴取者の右耳位置と左耳位置における全可聴周波数域のインパルス音の周波数特性から、各チャンネル毎に、周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を持たせた係数が設定され、聴取者に対するＬ側スピーカとＲ側スピーカの距離の差分に基づく周波数特性の乱れが補償されるように、その振幅特性と位相特性が設定されていることを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、Ｌチャンネル音声信号とＲチャンネル音声信号を入力してＬ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号を出力する差信号強調手段と、前記Ｒ側差信号強調信号から生成したＲ側クロストークキャンセル成分を前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側信号として出力するとともに、前記Ｌ側差信号強調信号から生成したＬ側クロストークキャンセル成分を前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側信号として出力するクロストークキャンセル手段とを有する音響信号処理装置において、前記Ｌ側信号が入力するＬ側フィルタおよびＬ側遅延器の直列回路と前記Ｒ側信号が入力するＲ側フィルタおよびＲ側遅延器の直列回路とを有する周波数特性補償手段を設け、前記Ｌ側フィルタと前記Ｒ側フィルタは、ＩＩＲフィルタで構成され、前記ＩＩＲフィルタは、前記差信号強調手段と前記クロストークキャンセル手段と前記周波数特性補償手段を除いた状態で取得した聴取者の右耳位置と左耳位置における全可聴周波数域のインパルス音の周波数特性から、各チャンネル毎に、周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を持たせた係数が設定され、聴取者に対するＬ側スピーカとＲ側スピーカの距離の差分に基づく振幅特性を補償し、前記Ｌ側遅延器と前記Ｒ側遅延器は、聴取者に対する前記Ｌ側スピーカと前記Ｒ側スピーカの距離の差分に基づく位相特性を補償する、ことを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、Ｌチャンネル音声信号とＲチャンネル音声信号を入力してＬ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号を出力する差信号強調手段と、前記Ｒ側差信号強調信号から生成したＲ側クロストークキャンセル成分を前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側信号として出力するとともに、前記Ｌ側差信号強調信号から生成したＬ側クロストークキャンセル成分を前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側信号として出力するクロストークキャンセル手段とを有する音響信号処理装置において、前記Ｌ側信号が入力するＬ側フィルタおよびＬ側遅延器の直列回路と前記Ｒ側信号が入力するＲ側フィルタおよびＲ側遅延器の直列回路とを有する周波数特性補償手段を設け、前記Ｌ側フィルタと前記Ｒ側フィルタは、ＦＩＲフィルタで構成され、前記ＦＩＲフィルタは、前記差信号強調手段と前記クロストークキャンセル手段と前記周波数特性補償手段を除いた状態で取得した聴取者の右耳位置と左耳位置における全可聴周波数域のインパルス音の周波数特性から、各チャンネル毎に、周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を持たせた係数が設定され、聴取者に対するＬ側スピーカとＲ側スピーカの距離の差分に基づく振幅特性を補償し、前記Ｌ側遅延器と前記Ｒ側遅延器は、聴取者に対する前記Ｌ側スピーカと前記Ｒ側スピーカの距離の差分に基づく位相特性を補償する、ことを特徴とする。

本発明によれば、クロストークキャンセル手段の後段に周波数特性補償手段を設けたので、聴取者と左右のスピーカの間の距離が異なる場合に聴取者の両耳に到達する音声の周波数特性の乱れを低減し、クロストークを正確にキャンセルすることができ、また音像が２つのスピーカの外側に明確に定位するように知覚させることができる。

本発明の実施例の音響信号処理装置の構成を示すブロック図である。 聴取者から左右のスピーカまでの距離が異なる場合の説明図である。 聴取者から左右のスピーカまでの距離が異なる場合のマイクを使った周波数特性測定方法の説明図である。 図１の音響信号処理装置における周波数特性補償手段の別の例の構成を示すブロック図である。 左右のスピーカを縦配置した場合のスピーカと聴取者の間の距離を示した説明図である。 聴取者までの距離の異なる左右のスピーカの放音方向を横向きにした場合の説明図である。 左右のスピーカの放音方向を横向きにした場合の説明図である。

図１に本発明の実施例の音響信号処理装置を示す。１００は差信号強調手段、２００はクロストークキャンセル手段、３００は周波数特性補償手段である。

差信号強調手段１００において、１０１はＬチャンネル音声信号入力端子、２０２はＲチャンネル音声信号入力端子、１０３、１０４は増幅率が０．７５〜１の乗算器、１０５、１０６は減算器、１０７、１１０はカットオフ周波数が７〜１１ｋＨｚのローパスフィルタ、１０８、１０９は増幅率が０〜０．５の乗算器、１１１、１１４は増幅率が０〜２．０の乗算器、１１２、１１３、１１５、１１６は加算器である。

クロストークキャンセル手段２００において、２０１、２０２は遅延時間が１ｍｓ以下（但し、０ではない）の遅延器、２０３、２０４はカットオフ周波数が７〜１１ｋＨｚのローパスフィルタ、２０５、２０６はカットオフ周波数が１００〜３００Ｈｚのハイパスフィルタ、２０７、２０８は増幅率が０〜０．５の乗算器、２０９、２１０は減算器である。ローパスフィルタ２０３とハイパスフィルタ２０５、ローパスフィルタ２０４とハイパスフィルタ２０６は、それぞれ「１００〜３００Ｈｚ」〜「７〜１１ｋＨｚ」の周波数信号を通過させるバンドパスフィルタを構成する。

周波数特性補償手段３００において、３０１はＬ側フィルタ、３０２はＲ側フィルタ、３０３はＬチャンネル音声信号出力端子、３０４はＲチャンネル音声信号出力端子である。

次に動作を説明する。差信号強調手段１００において、Ｌチャンネル音声信号入力端子１０１からの信号と、乗算器１０４で利得を調整されたＲチャンネル音声信号入力端子１０２からの信号が、減算器１０５で減算され、減算器１０５の出力信号であるＬ−Ｒ信号がローパスフィルタ１０７に入力することで、耳障りな高域成分が除去され、そのローパスフィルタ１０７の出力信号の利得が乗算器１１１で調整される。さらに、Ｌチャンネル音声信号入力端子１０１からの信号と、乗算器１０９で利得を調整されたＲチャンネル音声信号入力端子１０２からの信号が加算器１１２で加算される。そして、その加算器１１２の出力信号と乗算器１１１の出力信号は乗算器１１５で加算されて、Ｌ側差信号強調信号となる。

また、Ｒチャンネル音声信号入力端子１０２からの信号と、乗算器１０３で利得を調整されたＬチャンネル音声信号入力端子１０１からの信号が減算器１０６で減算され、減算器１０６の出力信号であるＲ−Ｌ信号がローパスフィルタ１１０に入力することで耳障りな高域成分が除去され、その出力信号の利得が乗算器１１４で調整される。さらに、Ｒチャンネル音声信号入力端子１０２からの信号と、乗算器１０８で利得を調整されたＬチャンネル音声信号入力端子１０１からの信号が加算器１１３で加算される。そして、その加算器１１３の出力信号と乗算器１１４の出力信号は加算器１１６で加算されて、Ｒ側差信号強調信号なる。

以上のように、差信号強調手段１００において、Ｌ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号が独立して、それぞれ加算器１１５、１１６の出力側に生成されるので、音像の定位を明確にすることができる。

次に、クロストークキャンセル手段２００において、加算器１１５の出力信号は遅延器２０１の入力となり、遅延器２０１の出力信号がローパスフィルタ２０３に入力して高域成分が除去され、その出力信号がハイパスフィルタ２０５に入力し低域成分が除去されて、「１００〜３００Ｈｚ」〜「７〜１１ｋＨｚ」の信号が取り出され、その出力信号の利得が乗算器２０７で調整され、Ｌ側クロストークキャンセル信号となる。このＬ側クロストークキャンセル信号が、減算器２１０において、Ｒ側差信号強調信号から減算（逆相加算）される。

また、加算器１１６の出力信号は遅延器２０２の入力となり、遅延器２０２の出力信号がローパスフィルタ２０４に入力して高域成分が除去され、その出力信号がハイパスフィルタ２０６に入力し低域成分が除去されて、「１００〜３００Ｈｚ」〜「７〜１１ｋＨｚ」の信号が取り出され、その出力信号の利得が乗算器２０８で調整され、Ｒ側クロストークキャンセル信号となる。このＲ側クロストークキャンセル信号が、減算器２０９において、Ｌ側差信号強調信号から減算（逆相加算）される。

以上のようにクロストークキャンセル手段２００において、Ｌ側差信号強調信号にＲ側クロストークキャンセル成分が逆相加算され、Ｒ側差信号強調信号にＬ側クロストークキャンセル成分が逆相加算される。このため、Ｌ側スピーカから右耳に到達するＬ側クロストーク成分を、Ｒ側スピーカからの逆相のＬ側クロストークキャンセル成分で低減できる。また、Ｒ側スピーカから左耳に到達するＲ側クロストーク成分を、Ｌ側スピーカからの逆相のＲ側クロストークキャンセル成分で低減できる。よって、音像を２つのスピーカの外側に定位するように知覚させることができる。

周波数特性補償手段３００において、フィルタ３０１、３０２は、聴取者との間の距離が異なる２つのスピーカと聴取者との間の音声の周波数特性（振幅特性と位相特性）の乱れを補償するためのものであり、ＦＩＲフィルタが使用される。

補償は次のように行う。まず、差信号強調手段１００とクロストークキャンセル手段２００と周波数特性補償手段３００を一旦取り外して、両音声信号入力端子１０１、１０２を両出力端子３０３、３０４にそれぞれ接続する。そして、左右のスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）から個々に全可聴周波数域の信号を含むインパルス音を再生し、図２のような位置関係にある聴取者Ｍの頭の右耳位置と左耳位置において、図３に示すようにマイクロホンＭＩＣを設置してそれぞれインパルス音を録音し、右耳位置と左耳位置における周波数特性を個々に取得する。

次に、取得したインパルス音の左右の周波数特性から、各チャンネル毎に、その周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を取得し、この逆フィルタ特性をフィルタ３０１、３０２に持たせる。この逆フィルタ特性は、フィルタ３０１、３０２としてのＦＩＲフィルタの係数を適宜設定することによって実現できる。

以上のように、フィルタ３０１、３０２に逆フィルタ特性を持たせることにより、実験結果では、左右のスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）の間の距離が、スピーカの直径＋１５０ｍｍ程度までの場合には、周波数特性の補償効果が大きく得られ、クロストークキャンセルによる音像定位の明確化を実現できた。

図４に別の例の周波数特性補償手段３００Ａを示す。この周波数特性補償手段３００Ａでは、Ｌ側フィルタ３０１の後段にＬ側遅延器３０５を、Ｒ側フィルタ３０２の後段にＲ側遅延器３０６をそれぞれ接続して、それらの遅延器３０５、３０６で位相特性を補償する。その場合、フィルタ３０１、３０２にはＩＩＲフィルタを使用する。ＩＩＲフィルタの場合には振幅特性は補償することができるが、位相特性を補償することができないので、遅延器３０５、３０６で位相特性を補償するのである。このようにＩＩＲフィルタで構成する場合は、処理量を少なくすることができる。

遅延器３０５、３０６の遅延量は、前記したインパルス音を使用して得られた逆フィルタ特性から求めて設定することができるが、以下のようにして設定することもできる。図５に示すように、例えばスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）が縦方向に配置されているときは、スピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）から聴取者Ｍまでの距離をａ（ｍ）とし、Ｒ側スピーカＳＰ（Ｒ）と聴取者Ｍの耳の高さの差分をｈｒ（ｍ）とし、Ｌ側スピーカＳＰ（Ｌ）と聴取者Ｍの耳の高さの差分をｈｌ（ｍ）とする。そして、次の式から、聴取者Ｍの耳とＲ側スピーカＳＰ（Ｒ）との距離ｄｒ（ｍ）、聴取者Ｍの耳とＬ側スピーカＳＰ（Ｌ）との距離ｄｌ（ｍ）をそれぞれ求めて、両スピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）から聴取者Ｍまでの音伝達の遅延時間差Ｔ（ｓ）を求める。そして、両遅延器３０４、３０５の遅延時間を、その差分が、この遅延時間差Ｔ（ｓ）となるように、それぞれ設定する。

は音速であり、

である。ｔは摂氏温度（℃）である。

なお、フィルタ３０１、３０２としてＦＩＲフィルタを使用する場合であっても、遅延器３０５、３０６の使用は効果的である。すなわち、ＦＩＲフィルタは上記のように振幅特性と位相特性の両方を補償することができるが、位相特性を補正する際には、信号を遅延させる側のチャンネルのＦＩＲフィルタの係数の総数を少なくすることになる。たとえば、０．１ｍｓだけ遅らせるために５サンプル分を遅らせるとすると、ＦＩＲフィルタの係数を５個減らすことになる。

この場合、多くの係数を搭載できるプロセッサを使用できるのであれば、係数の少しの削減は大きな問題にはならないが、少ない係数しか搭載できないプロセッサを使用する場合は、係数の数を削減すると精度に悪影響が現れる。

そこで、ＦＩＲフィルタでは振幅特性のみを補償し、位相特性は遅延器３０５、３０６で補償するようにすれば、少ない係数を搭載したＦＩＲフィルタを使用するときであっても、精度低下を回避することができる。

また、図６に示すように、聴取者Ｍから見てスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）の放音方向を横方向に向けた場合には、９０度ずれた分の周波数特性の乱れに加えて、聴取者Ｍまでの距離の違いによる周波数特性の乱れにより、クロストークキャンセル効果が大きく減少してしまう。

しかし、この場合であっても、前記した手法によって逆フィルタ特性を取得し、この逆フィルタ特性をフィルタ３０１、３０２や遅延器３０５、３０６を使用することによって実現することで、そのクロストークキャンセル効果の低減を抑制することができる。位相特性の補償については図５で求めた手法を採用することもできる。

このように、本実施例によれば、聴取者Ｍからみて、スピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）の高さが異なる場合でも、また、水平方向においてスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）との間の距離が異なる場合でも、さらにスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）の放音方向を横方向に向けた場合でも、周波数特性補償手段３００、３００Ａにより、それらのスピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）の振幅特性と位相特性を補償し、正確なクロストークキャンセルを行うことで、スピーカＳＰ（Ｌ）、ＳＰ（Ｒ）の外側に明確に音像を定位させることができる。

１００：差信号強調手段
１０１：Ｌチャンネル音声信号入力端子
１０２：Ｒチャンネル音声信号入力端子
１０３、１０４、１０８、１０９、１１１、１１４：乗算器
１０５、１０６：減算器
１０７、１１０：ローパスフィルタ
１１２、１１３、１１５、１１６：加算器
２００：クロストークキャンセル手段
２０１、２０２：遅延器
２０３、２０４：ローパスフィルタ
２０５、２０６：ハイパスフィルタ
２０７、２０８：乗算器
２０９、２１０：減算器
３００：周波数特性補償手段
３０１：Ｌ側フィルタ
３０２：Ｒ側フィルタ
３０３：Ｌチャンネル音声信号出力端子
３０４：Ｒチャンネル音声信号出力端子
３０５：Ｌ側遅延器
３０６：Ｒ側遅延器

Claims (3)

1. Ｌチャンネル音声信号とＲチャンネル音声信号を入力してＬ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号を出力する差信号強調手段と、前記Ｒ側差信号強調信号から生成したＲ側クロストークキャンセル成分を前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側信号として出力するとともに、前記Ｌ側差信号強調信号から生成したＬ側クロストークキャンセル成分を前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側信号として出力するクロストークキャンセル手段とを有する音響信号処理装置において、
   前記Ｌ側信号が入力するＬ側フィルタと前記Ｒ側信号が入力するＲ側フィルタとを有する周波数特性補償手段を設け、
   前記Ｌ側フィルタと前記Ｒ側フィルタは、ＦＩＲフィルタで構成され、
   前記ＦＩＲフィルタは、前記差信号強調手段と前記クロストークキャンセル手段と前記周波数特性補償手段を除いた状態で取得した聴取者の右耳位置と左耳位置における全可聴周波数域のインパルス音の周波数特性から、各チャンネル毎に、周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を持たせた係数が設定され、聴取者に対するＬ側スピーカとＲ側スピーカの距離の差分に基づく周波数特性の乱れが補償されるように、その振幅特性と位相特性が設定されていることを特徴とする音響信号処理装置。
2. Ｌチャンネル音声信号とＲチャンネル音声信号を入力してＬ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号を出力する差信号強調手段と、前記Ｒ側差信号強調信号から生成したＲ側クロストークキャンセル成分を前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側信号として出力するとともに、前記Ｌ側差信号強調信号から生成したＬ側クロストークキャンセル成分を前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側信号として出力するクロストークキャンセル手段とを有する音響信号処理装置において、
   前記Ｌ側信号が入力するＬ側フィルタおよびＬ側遅延器の直列回路と前記Ｒ側信号が入力するＲ側フィルタおよびＲ側遅延器の直列回路とを有する周波数特性補償手段を設け、
   前記Ｌ側フィルタと前記Ｒ側フィルタは、ＩＩＲフィルタで構成され、
   前記ＩＩＲフィルタは、前記差信号強調手段と前記クロストークキャンセル手段と前記周波数特性補償手段を除いた状態で取得した聴取者の右耳位置と左耳位置における全可聴周波数域のインパルス音の周波数特性から、各チャンネル毎に、周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を持たせた係数が設定され、聴取者に対するＬ側スピーカとＲ側スピーカの距離の差分に基づく振幅特性を補償し、
   前記Ｌ側遅延器と前記Ｒ側遅延器は、聴取者に対する前記Ｌ側スピーカと前記Ｒ側スピーカの距離の差分に基づく位相特性を補償する、
   ことを特徴とする音響信号処理装置。
3. Ｌチャンネル音声信号とＲチャンネル音声信号を入力してＬ側差信号強調信号とＲ側差信号強調信号を出力する差信号強調手段と、前記Ｒ側差信号強調信号から生成したＲ側クロストークキャンセル成分を前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側信号として出力するとともに、前記Ｌ側差信号強調信号から生成したＬ側クロストークキャンセル成分を前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側信号として出力するクロストークキャンセル手段とを有する音響信号処理装置において、
   前記Ｌ側信号が入力するＬ側フィルタおよびＬ側遅延器の直列回路と前記Ｒ側信号が入力するＲ側フィルタおよびＲ側遅延器の直列回路とを有する周波数特性補償手段を設け、
   前記Ｌ側フィルタと前記Ｒ側フィルタは、ＦＩＲフィルタで構成され、
   前記ＦＩＲフィルタは、前記差信号強調手段と前記クロストークキャンセル手段と前記周波数特性補償手段を除いた状態で取得した聴取者の右耳位置と左耳位置における全可聴周波数域のインパルス音の周波数特性から、各チャンネル毎に、周波数特性を平坦化させる逆フィルタ特性を持たせた係数が設定され、聴取者に対するＬ側スピーカとＲ側スピーカの距離の差分に基づく振幅特性を補償し、
   前記Ｌ側遅延器と前記Ｒ側遅延器は、聴取者に対する前記Ｌ側スピーカと前記Ｒ側スピーカの距離の差分に基づく位相特性を補償する、
   ことを特徴とする音響信号処理装置。

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