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JP7569973B2 - Mask Voice Improvement Device - Google Patents
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Description

この発明は、不明瞭な音声の音質を改善する音質改善装置であって、さらに詳しくは、マスクをつけて会話する場合の音声を明瞭化するマスク音声改良装置に関する。The present invention relates to a sound quality improving device for improving the sound quality of unclear speech, and more particularly to a masked speech improving device for making speech clearer when speaking while wearing a mask.

近年、感染症の蔓延により世界的にパンデミック宣言が世界保健機構(WHO)より発せられウイルス感染防止のためにマスク着用が常態化している。多くのマスクは感染症の病原菌であるウイルス類、細菌類、真菌類やその飛沫拡散を防止したり、侵入したりするのを防ぐために不織布などを材料とする家庭用マスクでは5μm程度のフィルターを形成している。また、サージカルマスクや産業用マスクとして使用されるN95、DS2、KN95などは、粒子径3μm以下で95%以上の濾過効率を上げる構造となっている。In recent years, the World Health Organization (WHO) has issued a global pandemic declaration due to the spread of infectious diseases, and wearing masks to prevent viral infections has become the norm. Many masks are made of nonwoven fabrics and other materials, and have filters of about 5 μm in size to prevent the spread or penetration of viruses, bacteria, and fungi, which are pathogens of infectious diseases. In addition, N95, DS2, KN95, and other masks used as surgical masks and industrial masks are designed to achieve a filtration efficiency of 95% or more for particles of 3 μm or less.

そのためにマスクを着用して会話する場合、音声が不明瞭となり不都合が生じている。また、マスク着用は、手術、航空機、工事現場、建設現場、ごみ処理、工場など騒音が激しい現場などでも会話、通信する必要があり、特にこれらの現場での会話、通信は、正確さを求められる。また、日常生活や社会生活においてもスマートフォンや各種電子機器の入力手段として音声入力が普及しており、マスク装着時でも明瞭な発音を行う必要がある。For this reason, when wearing a mask and talking, the voice becomes unclear, causing inconvenience. In addition, wearing a mask is necessary in noisy places such as surgery, airplanes, construction sites, construction sites, waste disposal, factories, etc., and conversation and communication in these places requires accuracy. In addition, voice input is widespread in daily life and social life as an input method for smartphones and various electronic devices, and it is necessary to pronounce clearly even when wearing a mask.

このようなマスク装着時に不明瞭となる音声を改善するために従来種々の技術が開示されている。音声を明確にするためにマスクの口部分だけフィルターのメッシュを荒くしたり、穴をあけたりする工夫が数多くなされている(特許文献1および特許文献2など)。しかし、このような技術では音声を明瞭化する代わりにマスクとしてのフィルター効果を犠牲にしている。また、マスク内にマイクを備えマイク入力音声を拡大する方法として特許文献3などがある。また特許文献4では、マスクの外側近傍の咽頭部にマイクを備え音声拡大している。このような方法は咽頭部の振動音を拡大するためマイクの取り付けや構成が複雑となる。更に、音声成分に重畳された雑音を除去して明瞭化する方法としてスペクトル・サブトラクション(SS)法、ウェルナーフィルター法(コムフィルター法)などがあるが、音声に重畳されたノイズ成分を除去してもマスクを介しての音声明瞭度の向上には難があった。Various techniques have been disclosed in the past to improve the voice that becomes unclear when wearing such a mask. In order to clarify the voice, many ideas have been made, such as making the mesh of the filter of the mouth part of the mask coarse or making holes (Patent Document 1 and Patent Document 2, etc.). However, in such techniques, the filter effect of the mask is sacrificed in exchange for clarifying the voice. In addition, Patent Document 3 and the like are methods of providing a microphone inside the mask to amplify the microphone input voice. In Patent Document 4, a microphone is provided in the pharynx near the outside of the mask to amplify the voice. In such a method, the installation and configuration of the microphone are complicated because the vibration sound of the pharynx is amplified. Furthermore, there are methods such as the spectral subtraction (SS) method and the Werner filter method (comb filter method) as methods of removing noise superimposed on the voice components to make the voice clear, but even if the noise components superimposed on the voice are removed, it is difficult to improve the voice clarity through the mask.

特開2017-2454号公報JP 2017-2454 A 特開2019-26999号公報JP 2019-26999 A 特開2017-50594号公報JP 2017-50594 A 特開2002-271881号公報JP 2002-271881 A

従来技術においては、マスクの繊維構造を口の部分だけ粗くしたり、穴をあけるなどしてマスク音声をより明瞭にしているがマスクの防菌、防塵、フィルター効果を低下させていたり、単にマイクロフォンで音声を収集して拡大化しているだけであり、マスク装着時の音声を明瞭化するには至っていない。そのため、手術時や騒音時の工事現場などで重要な伝達事項を行う場合やスマーフォンなどに音声入力するような場合は、マスクを外して伝えるような状況が生じている。そのため、マスクを装着した状態でマスクのフィルター効果は犠牲にせず、会話音を明瞭にすることが求められている。In the conventional technology, the mask's fiber structure is roughened only at the mouth area, or holes are drilled to make the mask's voice clearer, but this reduces the antibacterial, dustproof, and filtering effects of the mask, or simply collects and amplifies the sound with a microphone, and does not make the sound clearer when the mask is worn. Therefore, when important matters are to be communicated during surgery or at a noisy construction site, or when voice input is required on a smartphone, the mask must be removed to communicate. Therefore, there is a demand for a method to make conversation clearer while wearing the mask, without sacrificing the mask's filtering effect.

この発明は、上述の状況に鑑みて提供されるものであって、以下のような音声明瞭化装置およびそのような装置を応用したマスクの提供を目的とする。
(1)マスクを装着したままの会話であっても音声や音質を改善し、明瞭な会話音声を取り出す音声音質改良装置。
(2)会話音声を明瞭化する装置を組み込んだマスクおよびマスク音声改良補助装置。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a voice clarifying device and a mask to which such a device is applied, as described below.
(1) A voice quality improvement device that improves voice and sound quality, even when talking while wearing a mask, and extracts clear conversational voices.
(2) A mask and mask voice improvement aid incorporating a device for clarifying conversational voice.

前述の課題を解決するために、本発明に係るマスク音声改良装置は、マスクのメッシュ径が略5μm以下のマスクを介した音声入力信号に対し、略2KH以上であって前記音声入力信号の第三フォルマント以上を含む帯域を上昇させる周波数特性補正手段を備え、保持されたマスク無しでの音声入力信号X(b)と保持されたマスクを介しての音声入力信号X(a)とを減算し、第一の差分信号G(c)を生成する第一差分信号生成手段と、前記第一の差分信号G(c)と実際のマスク着用時のマスクを介しての音声入力信号X(a’)とを減算し、第二の差分信号αを生成する第二差分信号生成手段とを備え、前記第二の差分信号αを実際のマスク着用時の音声出力信号として用いることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the masked voice improving device according to the present invention comprises a frequency characteristic correction means for raising a band of approximately 2 KHz or more including a third formant or more of a voice input signal that is received through a mask having a mesh diameter of approximately 5 μm or less, a first differential signal generation means for subtracting a retained voice input signal X(b) without a mask from a retained voice input signal X(a) through a mask to generate a first differential signal G(c), and a second differential signal generation means for subtracting the first differential signal G(c) from a voice input signal X(a') through a mask when actually wearing the mask to generate a second differential signal α, and the second differential signal α is used as a voice output signal when actually wearing the mask .

また、本発明に係るマスク音声改良装置において、前記第一の差分信号G(c)は、前記マスク音声改良装置の利用者に予め学習させ、記憶させることができる。 In the masked voice improving device according to the present invention, the first differential signal G(c) can be learned and stored in advance for each user of the masked voice improving device.

また、本発明に係るマスク音声改良装置において、前記第一の差分信号G(c)は、利用者の特性(老若男女、年齢)または前記マスクの材質に応じたパターン毎にモデル化され前記利用者毎のレファレンス信号として用いることができる。 In addition, in the masked voice improving device according to the present invention, the first difference signal G(c) can be modeled for each pattern according to the characteristics of the user (male/female, age) or the material of the mask, and can be used as a reference signal for each user .

また、本発明は、本発明に係るマスク音声改良装置を組み込んだマスクまたはマスク用付属装置として利用することできる。 The present invention may also be utilized as a mask or an attachment for a mask incorporating the masked voice improving device of the present invention.

本発明によるマスク音声改良装置およびそのような装置を組み込んだマスクを利用することにより、マスクを装着したままの会話であっても音声や音質を改善し、明瞭な会話音声を取り出すことが可能となる。このことにより、手術中、工事・建設現場、騒音現場などの雑音環境下であってもマスクをしたままで会話、通信が容易となり、ネットワークを介してスマーフォンなどへの配信や音声入力が容易となる。By using the masked voice improving device according to the present invention and a mask incorporating such a device, it is possible to improve the voice and sound quality and extract clear conversational voice even when talking with a mask on. This makes it easy to talk and communicate with a mask on even in noisy environments such as during surgery, at construction sites, and in noisy locations, and makes it easy to distribute and input voice to smartphones and the like via a network.

本発明を適用した、実施例1の態様を示す概略ブロック説明図である。FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a first embodiment to which the present invention is applied. フォルマント周波数特性の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of formant frequency characteristics. 本発明を適用した、実施例2の態様を示す概略ブロック説明図である。FIG. 11 is a schematic block diagram illustrating a second embodiment to which the present invention is applied. 実施例における周波数特性補正例の説明図である。11A and 11B are diagrams illustrating an example of frequency characteristic correction in the embodiment. 本発明に適用しうるデュアルマイク取り付け例を示す図である。1A and 1B are diagrams showing an example of mounting a dual microphone that can be applied to the present invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例に記載されているいずれの図面も本発明の説明用に概略的または模式図として描かれており、実際の寸法や形状は特に限定するものではない。また、構成要素の回路構成、寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that all drawings described in the following examples are drawn as schematic or schematic diagrams for the purpose of explaining the present invention, and the actual dimensions and shapes are not particularly limited. Furthermore, the circuit configuration, dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components are not intended to limit the technical scope of the invention to only those unless otherwise specified.

音声明瞭化および音声ノイズ低減法としては、人の音声帯域に相当するフィルターを使用して音声部分のみを強調するフィルター法、雑音スペクトルの平均値を推定し、雑音を含む元信号から引いてノイズ低減するスペクトラル・サブトラクション法、櫛形フィルターや線形フィルターでノイズ分を低減するウィーナーフィルタリング法などが提案されている。このようなノイズ低減法は、モーター音、電車のノイズ、などコンスタントな定常ノイズおよび常に変化する風音、衝撃音、工事現場の雑音などの非定常ノイズに対して適用され、ノイズ音の低減化は効果的であるが、マスク音声そのものの明瞭化に対してはノイズ低減だけでは不十分である。マスク装着時の音声(以下「マスク音またはマスク音声」という)の認識は、定常ノイズおよび非定常ノイズの低減に加えてマスク音声の明瞭化を考慮する必要がある。マスクはその材質により会話音質、音圧レベルが大きく異なる上に、利用者の違い(老若男女や年齢など)により会話周波数帯域も異なっている。As methods for voice clarity and voice noise reduction, a filter method that uses a filter corresponding to the human voice band to emphasize only the voice part, a spectral subtraction method that estimates the average value of the noise spectrum and subtracts it from the original signal containing noise to reduce noise, and a Wiener filtering method that reduces noise using a comb filter or a linear filter have been proposed. Such noise reduction methods are applied to constant stationary noise such as motor noise and train noise, and non-stationary noise such as constantly changing wind noise, impact noise, and construction site noise, and are effective in reducing noise sounds, but noise reduction alone is insufficient for clarifying the mask voice itself. When recognizing a voice when wearing a mask (hereinafter referred to as "mask sound or mask voice"), it is necessary to consider not only the reduction of stationary and non-stationary noise but also the clarity of the mask voice. The conversation sound quality and sound pressure level of the mask vary greatly depending on the material of the mask, and the conversation frequency band also differs depending on the user (old and young, male and female, age, etc.).

家庭用マスクの多くは不織布、ガーゼ、綿材が一般的であるが、近来、ポリプロピレン、ポリウレタンなどの汎用樹脂の製品およびそのようなマスク製品に吸汗、速乾、防菌、肌ざわり感などの機能を加工した機能性マスクなどが市販されており、これらの素材により会話音声の明瞭度が違ってくる。また、サージカルマスクや産業用マスクでは防菌性、防塵性を重要視しているため、マスクを介しての会話は、極めて困難である。そのため、サージカルマスクや産業用マスクを着用しての会話はマイクを介し増幅して行われる必要がある。Most household masks are generally made of nonwoven fabric, gauze, or cotton, but recently, products made of general-purpose resins such as polypropylene and polyurethane, as well as functional masks that have been modified to have functions such as sweat absorption, quick drying, antibacterial properties, and a soft texture, are available on the market, and the clarity of conversation voices varies depending on the material. In addition, because surgical masks and industrial masks place importance on antibacterial and dust resistance, it is extremely difficult to talk through the mask. Therefore, conversations while wearing surgical or industrial masks must be amplified through a microphone.

最も一般的である不織布による家庭用マスクでは、前述の通り約5μm程度の網目(メッシュ)径であり、市販の汎用不織布マスクによる音声遮断特性を測定すると略2KHz以下の周波数帯域を吸音せず、2KHz以上の周波数帯域が吸音(遮音)されることが分かった。また、医療用、工事用などの産業用のマスクにおいてはより網目が細かく3μm以下となる場合がある。このようなマスクにおいては、材質にもよるが、不織布マスクより全体として音声レベルがほぼ全帯域に亘って遮音される傾向にあることが分かった。このためマスク装着時の音声は高音域が減衰する「こもり音」として聞こえる傾向にあり、明瞭性に欠ける音声となる。この「こもり音」は、マスクの材質や網目の大きさ、利用者の音声の特性などにより異なってくる。The most common household masks made of nonwoven fabric have a mesh diameter of about 5 μm as mentioned above, and when the sound blocking characteristics of commercially available general-purpose nonwoven masks were measured, it was found that the frequency band below about 2 KHz was not absorbed, and the frequency band above 2 KHz was absorbed (blocked). In addition, in industrial masks such as medical and construction masks, the mesh may be finer, being 3 μm or less. It was found that such masks tend to block sound levels across almost the entire frequency range as a whole compared to nonwoven masks, although this depends on the material. For this reason, when wearing a mask, the sound tends to be heard as a "muffled sound" with high-pitched sounds attenuated, resulting in a sound that lacks clarity. This "muffled sound" varies depending on the material of the mask, the size of the mesh, the characteristics of the user's voice, etc.

人の音声の音源は、声帯の振動である。声帯振動により発せられた声は声道(咽頭喉頭)を通り、口腔、鼻腔、副鼻腔などの共鳴により口から発声される。口から発生された音声は、多くの倍音を含んでいる。会話における人の音声明瞭化を示す要素としては、客観的指標(音質、音声の高さ、音圧、ノイズなど)と主観的指標(言語、アクセント、話す速度、話の間など)とを考慮する必要があるが、マスク音の明瞭化の場合、主として客観的指標の改善に注目する。特に、マスク音声による会話では話者の音質を大きく変更しないで、誰が話しているかを認識しうるようにすることも重要である。そのため音声合成による音声明瞭化手段とは異なるアプローチを行う。The source of human voice is the vibration of the vocal cords. The voice generated by the vocal cord vibration passes through the vocal tract (larynopsis larynx) and is emitted from the mouth by resonance with the oral cavity, nasal cavity, and paranasal sinuses. The voice generated from the mouth contains many overtones. Factors that indicate the clarity of a person's voice in a conversation must take into account objective indicators (sound quality, voice pitch, sound pressure, noise, etc.) and subjective indicators (language, accent, speaking speed, pauses in speech, etc.), but in the case of clarity of masked sounds, attention is mainly focused on improving objective indicators. In particular, in conversations with masked sounds, it is also important to be able to recognize who is speaking without significantly changing the speaker's sound quality. For this reason, a different approach is taken from the voice clarity means using voice synthesis.

マスク音声による「こもり音」の改善は、上述の音質、音声の高さ(発生音の周波数特性)、音圧(声の強弱レベル)およびノイズ除去がポイントなる。ここでの音質改善には、聞き手の認識率を上げるための音質改善であり、特に母音(あ、い、う、え、お)の識別に重要とされるフォルマント識別をどの程度まで含めるかを検討する。従来のアナログ電話回線での音声帯域は、母音の第一フォルマントおよび第二フォルマントが大きく左右されるので第二フォルマントまでを十分カバーする帯域を確保するという根拠に基づき、300Hzから3.4KHzであるが、2.5KHz附近から減衰しており、第三フォルマント以上を十分カバーする帯域とはなっていない。マスク音声の「こもり音」においては、この母音認識の音質を改善する必要がある。The key points for improving the muffled sound caused by masked voice are the sound quality, voice pitch (frequency characteristics of the generated sound), sound pressure (voice strength level), and noise removal. The sound quality improvement here is for improving the recognition rate of the listener, and in particular, the extent to which formant discrimination, which is considered to be important for discriminating vowels (a, i, u, e, o), should be included. The voice band in a conventional analog telephone line is from 300 Hz to 3.4 KHz, based on the grounds that a band that sufficiently covers up to the second formant is secured since the first and second formants of vowels are greatly affected, but it attenuates from around 2.5 KHz, and does not sufficiently cover the third formant and above. In the muffled sound of masked voice, it is necessary to improve the sound quality of this vowel recognition.

図2は、例示的にいくつかの母音のスペクトル分解を示している。これに女性歌手が発声する母音「い」を、基音(Xf1)440Hzで発声したフォルマント周波数で表すと、第三フォルマント(Xf3)の3KHz付近にピークが現れている。この第三フォルマント(Xf3)は、第二フォルマント以上のレベルである。しかし、それ以上の高いフォルマントにおける周波数ではほぼ目覚ましいピークは生じていない。これは、主に口腔、鼻腔による基音の共鳴により第三フォルマントにピークが生じたものである。つまり、音声の基音に対し少なくとも第三フォルマントは音質に大きく寄与していることが分かる。 FIG. 2 shows the spectral decomposition of some vowels as examples. If the vowel "i" uttered by a female singer is expressed in terms of formant frequencies uttered with a fundamental tone (X f1 ) of 440 Hz, a peak appears at the third formant (X f3 ) of around 3 kHz. This third formant (X f3 ) is at a level equal to or higher than the second formant. However, there are almost no notable peaks at frequencies higher than this level. This is because the peak appears at the third formant due mainly to the resonance of the fundamental tone by the oral cavity and nasal cavity. In other words, it can be seen that at least the third formant contributes greatly to the sound quality in relation to the fundamental tone of the voice.

一般的に言われている音声帯域の中心帯域は、男性が100から200Hz、女性が200から400Hzである。これから、第三フォルマントの周波数までまで帯域を確保しつつ、不織布マスク音では発声音が減衰する2KHz以上のレベルを持ち上げ、第三フォルマントを含む3KHz以上で4.5KHz程度までは維持する方が望ましい。それ以上の高域周波数では、音声認識率は向上しないだけでなく、音割れやノイズ的な耳障りな音声として認識されるため減衰してもかまわない。また、医療用、工事用などのフィルター網目(メッシュ)がより細かいマスク音は、マスク材質にもよるが一般的に音圧レベルが低下するのに加えて、フォルマント基音の周波数が若干低下するため、不織布マスクより全体の音圧レベルを上げると共に高域のピーキングをより高くする方が望ましい。The central band of the voice band generally referred to is 100 to 200 Hz for men and 200 to 400 Hz for women. From this, it is preferable to secure the band up to the frequency of the third formant, while raising the level of 2 KHz or more where the vocalization sound is attenuated in the nonwoven mask sound, and maintaining it up to about 4.5 KHz from 3 KHz or more including the third formant. At frequencies higher than this, not only does the voice recognition rate not improve, but it is also recognized as a crackling or noise-like harsh sound, so it does not matter if it is attenuated. In addition, mask sounds with finer filter meshes such as those for medical and construction use generally have a lower sound pressure level and a slightly lower frequency of the formant fundamental tone, although this depends on the mask material, so it is preferable to raise the overall sound pressure level and increase the peaking in the high range more than nonwoven masks.

マスク音の明瞭度向上には、上記高音域の補正に加え、ノイズ抑制も大きな要素となる。医療用、工事用などのサージカルマスクのマスク音では、音圧レベルが低いため、単純に音圧レベルを上げると環境ノイズも増幅され、マスク音の明瞭度が大幅に下がってしまう。手術室や工事現場での環境ノイズとしては、空調モーター音、施術機器やバイタル測定器の警告音、工事破壊音、風切り音、電車、車などのノイズが定常ノイズや衝撃ノイズとして現れる。これらの環境ノイズ除去には、種々の方法が既に提案されている。代表的な手法としては、追加マイクにより外部音を取り込み、取り込んだ外部音を出力音から差分をとりだすアクティブノイズ制御(ANC: Active Noise Control)法がある。また、定常ノイズが多く含まれる場合であればパッシブノイズキャンセル(CVC:Clear Voice Capture)法といわれる特定周波数を除去する方法もある。In addition to the correction of the high-frequency range, noise suppression is also a major factor in improving the clarity of mask sound. Since the sound pressure level of mask sound from surgical masks for medical and construction use is low, simply increasing the sound pressure level amplifies the environmental noise, and the clarity of the mask sound is significantly reduced. Environmental noise in operating rooms and construction sites includes air conditioning motor sounds, warning sounds from treatment equipment and vital sign measuring instruments, construction destruction sounds, wind noise, trains, cars, and other noises that appear as stationary noise or impact noise. Various methods have already been proposed for removing these environmental noises. A representative method is the active noise control (ANC) method, which captures external sounds using an additional microphone and extracts the difference between the captured external sounds and the output sound. In addition, if a lot of stationary noise is included, there is also a method of removing specific frequencies called the passive noise cancellation (CVC: Clear Voice Capture) method.

これらノイズキャンセルはマスクの利用環境に応じ、ノイズの多い場合や環境ノイズが複雑な場合はANC法を使用し、特定の定常ノイズ抑制の場合は、CVCを使用しても良い。また、マスク音の明瞭化の場合、音声のみを取り出すのが目的であるため、後述するようにデュアルマイクを使用して主として音声のみを取り出す方法も考えられる。These noise cancellation methods depend on the environment in which the mask is used: when there is a lot of noise or the environmental noise is complex, the ANC method is used, and when suppressing a specific stationary noise, the CVC method may be used. In addition, when clarifying masking sounds, since the purpose is to extract only the voice, a method of mainly extracting only the voice using a dual microphone, as described later, is also conceivable.

上述した知見に基づき本発明の具体的実施例を説明する。図1は、本発明を適用した、実施例1の態様を示す概略ブロック説明図である。マスク音改良装置は、マスク音補正回路1と差分処理回路2とを含んで構成される。本装置を使用するにあたっては、予めマスク装着時の音声(マスク音)とマスク無し直接音とのサンプル音取得によりマスク固有の「こもり音」成分特性を取り出す。そのために、利用者は、マスクの有無の状態で適当な会話音(例えば、あ、い、う、え、お、など)を発声し音声サンプルを取得する。この音声サンプルは、マスク音(a)とマスク無し直接音(b)で同じ会話音をマイク10により取得するが、主にマスクによる遮蔽音声の成分特性を取得するためのもので通常の会話音声でも良く、両方の位相合わせも必要でない。Based on the above findings, a specific embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic block diagram showing an embodiment 1 to which the present invention is applied. The mask sound improvement device is configured to include a mask sound correction circuit 1 and a differential processing circuit 2. When using this device, the mask-specific "muffled sound" component characteristics are extracted in advance by obtaining sample sounds of a sound (masked sound) when wearing a mask and a direct sound without a mask. For this purpose, the user utters appropriate conversation sounds (for example, a, i, u, e, o, etc.) with and without a mask to obtain a voice sample. The same conversation sounds are obtained by the microphone 10 as the mask sound (a) and the direct sound without a mask (b), but this voice sample is mainly for obtaining the component characteristics of the sound blocked by the mask, and normal conversation sounds may be used, and phase alignment of both is not necessary.

マスク音(a)とマスク無し直接音(b)とはスイッチ11により切り替える。マイク10により取り出した入力音は会話音声サンプルを集音するが、周辺雑音も合わせ含んでいる。入力処理手段12においては、入力信号が増幅され、平滑化されると共にマスク音(a)とマスク無し直接音(b)との大凡のレベル合わせを行う。また、入力処理手段12は、ALC(Automatic Level Control)回路を含んでおり、それぞれの音声信号が歪まないようにレベル合わせを行う。その出力は、ノイズ抑制手段13へ供給される。この段階でのノイズ抑制は、バズ音や衝撃音ノイズを取り除くものでCVC(Clear Voice Capture)などのパッシブノイズキャンセル法が適用できる。The masked sound (a) and the unmasked direct sound (b) are switched by a switch 11. The input sound picked up by the microphone 10 collects a conversation voice sample, but also includes ambient noise. In the input processing means 12, the input signal is amplified and smoothed, and the masked sound (a) and the unmasked direct sound (b) are roughly matched in level. The input processing means 12 also includes an ALC (Automatic Level Control) circuit, which matches the levels so that the respective audio signals are not distorted. The output is supplied to the noise suppression means 13. Noise suppression at this stage removes buzz sounds and impulsive noise, and a passive noise cancellation method such as CVC (Clear Voice Capture) can be applied.

ノイズ抑制手段13の出力は、周波数特性補正手段14に供給される。この周波数特性補正手段14においては、前述の通り、家庭用不織布マスクの場合、網目(メッシュ)の大きさに応じて減衰される高域成分(略2KHz以上)を持ち上げ、第三フォルマント成分を含み、それより高次のフォルマントをカットするように設定する。例示として、メッシュ5μm程度の不織布マスクの場合、略2KHzから4.5KHzの周波数ピーキング補正特性が好ましい結果を得ている。また、医療用、工事用などのメッシュ径が不織布より細かく3μmより細いマスクの場合、前述の通り、全体の音圧レベルを上げつつ高域周波数のピーキングをより高い特性とする。それぞれの特性は、マスク材質やメッシュ径の大きさにより異なるため、サンプリングの段階ではいくつかの周波数補正特性を適用して適切なものを選択する。図4では、いくつかのマスクサンプルで施した周波数特性補正例(レベルは基準に対する相対的大きさであり、絶対量でない)を示している。マスク音補正回路1で補正された音声信号は、次段の差分処理回路2の入力側Aへ供給される。The output of the noise suppression means 13 is supplied to the frequency characteristic correction means 14. In the frequency characteristic correction means 14, as described above, in the case of a household nonwoven mask, the high frequency components (approximately 2KHz or more) that are attenuated according to the size of the mesh are raised, and the third formant component and higher formants are cut, as well as the above. As an example, in the case of a nonwoven mask with a mesh of about 5 μm, a frequency peaking correction characteristic of approximately 2KHz to 4.5KHz is obtained, which has a preferable result. In addition, in the case of a mask for medical use, construction work, etc., in which the mesh diameter is finer than that of nonwoven fabric and is smaller than 3 μm, as described above, the overall sound pressure level is raised while the peaking of the high frequency band is made higher. Since each characteristic differs depending on the mask material and the size of the mesh diameter, several frequency correction characteristics are applied at the sampling stage to select an appropriate one. FIG. 4 shows examples of frequency characteristic correction applied to several mask samples (the levels are relative to the reference, not absolute amounts). The audio signal corrected by the mask sound correction circuit 1 is supplied to the input side A of the differential processing circuit 2 at the next stage.

周波数特性補正手段14により周波数補正を施されたマスク音X(a)とマスク無し直接音X(b)とは、スイッチ15によりマスク音記憶回路16およびマスク無し直接音記憶回路17とにそれぞれ記憶・保持される。ここで、入力時のスイッチ11とスイッチ15とは同期している。保持されたマスク音X(a)とマスク無し直接音X(b)とは減算回路18および差分信号生成手段19により差分信号G(c)を取り出す。この差分信号G(c)は、マスクの材質、利用者により異なるためそれぞれの利用者の固有レファレンスとして使用する。また、このレファレンスは、おおまかな差分「こもり音」成分であるため何度か学習しながらそれぞれの利用者に適応した差分値を見出すことが望ましい。そのため、記憶学習手段20において利用の都度レファレンスを取得し、都度更新しながらレファレンス信号を形成する。The masked sound X(a) and the unmasked direct sound X(b) that have been frequency-corrected by the frequency characteristic correction means 14 are stored and held in the masked sound storage circuit 16 and the unmasked direct sound storage circuit 17 by the switch 15. Here, the switch 11 and the switch 15 are synchronized at the time of input. The held masked sound X(a) and the unmasked direct sound X(b) are used by the subtraction circuit 18 and the difference signal generation means 19 to extract a difference signal G(c). This difference signal G(c) differs depending on the mask material and the user, so it is used as a unique reference for each user. In addition, since this reference is a rough difference "muffled sound" component, it is desirable to find a difference value that is adapted to each user by learning several times. Therefore, the memory learning means 20 acquires the reference each time it is used, and forms a reference signal while updating it each time.

このようにして取得した差分信号G(c)は、利用者の特性(老若男女、年齢など)およびマスクの特性(メッシュ径、材質など)によりモデル化回路21において標準パターンを作成する。つまり、それぞれの差分信号の特性は利用者の特性、マスクの特性、利用環境に応じて適正モデル信号(a, b, c, d,・・・)を作成し、用意することができる。このように予め作成した、マスク音X(a)とマスク無し音X(b)との差分は、通常のマスク音声X(a)に対する差分信号のレファレンスとして使用する。ここで、記憶学習手段20およびモデル化回路21によるレファレンス信号学習機能は、予め利用者の特性やマスク特性が適切に把握されていれば必ずしも必須というものでない。The difference signal G(c) thus obtained is used to create a standard pattern in the modeling circuit 21 according to the characteristics of the user (male/female, age, etc.) and the characteristics of the mask (mesh diameter, material, etc.). In other words, the characteristics of each difference signal can be prepared by creating appropriate model signals (a, b, c, d, ...) according to the characteristics of the user, the characteristics of the mask, and the usage environment. The difference between the masked sound X(a) and the unmasked sound X(b) thus created in advance is used as a reference for the difference signal for the normal masked sound X(a). Here, the reference signal learning function by the memory learning means 20 and the modeling circuit 21 is not necessarily essential as long as the characteristics of the user and the mask characteristics are properly grasped in advance.

生成した差分信号レファレンスG(c)は利用者の特性、マスクの特性、利用環境の音声およびノイズファクターを含んだものとなっている。このため、実際のマスク着用時のマスク音X(a’)と差分信号レファレンスG(c)との差分信号(α)を減算回路22および差分信号生成手段23により取り出すことにより、得られた差分信号(α)は、マスク音に付加された余剰ノイズ成分をある程度除去した、直接音に近い音声を取得できる。差分信号(α)は、出力信号としてスイッチ26を介して出力手段27へ供給される。The generated differential signal reference G(c) contains the characteristics of the user, the characteristics of the mask, and the sound and noise factors of the usage environment. Therefore, by extracting the differential signal (α) between the mask sound X(a') when actually wearing a mask and the differential signal reference G(c) using the subtraction circuit 22 and the differential signal generating means 23, the obtained differential signal (α) can obtain a sound close to the direct sound with the excess noise components added to the mask sound removed to a certain extent. The differential signal (α) is supplied as an output signal to the output means 27 via the switch 26.

しかし、レファレンス差分信号G(c)におけるマスク音X(a)と実際のマスク着用時のマスク音X(a’)とは会話音声内容、使用時点が異なるためその差分残余信号[X(a)-X(a’)]が打ち消されることはない。しかし、記憶学習手段20では、差分残余信号を評価し、都度入力されたサンプルレファレンスの差分残余信号が最小化されたものを記憶するように設定される。そのため、差分信号(α)は、マスク無し直接音X(b)とは異なるものの、差分信号を使用する都度サンプル信号を取得し、記憶学習手段20により記録学習を重ねることで差分残余信号[X(a)-X(a’)]を評価し、最小化するように常に更新する。However, the mask sound X(a) in the reference differential signal G(c) and the mask sound X(a') when actually wearing a mask have different conversation voice contents and use times, so the differential residual signal [X(a)-X(a')] is not cancelled out. However, the memory learning means 20 is set to evaluate the differential residual signal and store the minimized differential residual signal of the sample reference input each time. Therefore, although the differential signal (α) is different from the unmasked direct sound X(b), a sample signal is acquired each time the differential signal is used, and the memory learning means 20 repeatedly performs record learning to evaluate the differential residual signal [X(a)-X(a')] and constantly updates it to minimize it.

このようにして取得した差分出力信号は、出力信号(α)24として出力する。また、差分出力信号(α)を生成せず音声出力(β)25を出力する場合も生じる。この音声出力(β)25は、マスクによる「こもり音」がノイズ抑制手段13および周波数補正手段14のみで十分補正され会話に支障が生じない場合などに用いられる。状況や利用環境に応じてスイッチ26により差分出力信号(α)24と直接音声出力(β)25とは選択的に出力され、出力手段27へ供給される。The differential output signal thus obtained is output as an output signal (α) 24. There are also cases where the differential output signal (α) is not generated and an audio output (β) 25 is output. This audio output (β) 25 is used when the "muffled sound" caused by the mask is sufficiently corrected by the noise suppression means 13 and the frequency correction means 14 alone and does not interfere with conversation. Depending on the situation and the usage environment, the differential output signal (α) 24 and the direct audio output (β) 25 are selectively output by a switch 26 and supplied to an output means 27.

出力手段27では、増幅器によりスピーカ28で会話音声として出力する。また、この出力信号を通信手段29によりネットワーク30を介して他の機器との通信や話者自信のヘッドセットやスピーカとの無線通信を行うように設定することもできる。この通信手段29はWiFiやブルートゥースなどの通信手段により達成することができる。The output means 27 amplifies the signal and outputs it as conversational voice from a speaker 28. This output signal can also be set to communicate with other devices via a network 30 by a communication means 29, or to wirelessly communicate with the speaker's own headset or speaker. This communication means 29 can be achieved by a communication means such as WiFi or Bluetooth.

出力手段27の出力信号をと協働して、種々のノイズ除去手段31とを組み合わせることでより明瞭化した音声を得ることができる。このノイズ除去手段31は、前述のマスク音に適用されるノイズ抑制手段13や差分信号生成手段23で除去が不十分であったノイズ音を除去するものである。マスクの利用環境により環境ノイズは異なるもので、ノイズの種類が特定できる場合は、特定されたノイズに的確なノイズ除去手段を組み合わせることが望ましい。例えば、電源由来ノイズ(ブーンノイズ)やモーターノイズ音などはノッチフィルターで電源特定周波数を除去し、サーノイズやホワイトノイズなどは適応フィルターなどで音声のみを区間抽出する。また、ポップノイズや工事現場などの衝撃ノイズは、リミッターで除去する。多くの種類のノイズに適用できるノイズ除去としては、アクティブノイズ制御(ANC)が望ましい。ANCでは、環境音取得マイク32により環境ノイズを取得し、環境ノイズ成分を逆位相として出力信号に印加することで環境ノイズを低減するもので、市販の汎用ANCのいずれであっても適用できる。By combining various noise removal means 31 in cooperation with the output signal of the output means 27, a clearer voice can be obtained. The noise removal means 31 removes noise sounds that are not sufficiently removed by the noise suppression means 13 and the differential signal generation means 23 applied to the above-mentioned mask sound. Environmental noise differs depending on the environment in which the mask is used, and when the type of noise can be specified, it is desirable to combine an appropriate noise removal means with the specified noise. For example, power supply-derived noise (buzzing noise) and motor noise are removed by a notch filter to remove the power supply specific frequency, and for sir noise and white noise, only the voice is extracted by an adaptive filter. In addition, pop noise and impact noise such as at a construction site are removed by a limiter. Active noise control (ANC) is desirable as a noise removal method that can be applied to many types of noise. In ANC, environmental noise is acquired by an environmental sound acquisition microphone 32, and the environmental noise component is applied to the output signal in the opposite phase to reduce the environmental noise, and any commercially available general-purpose ANC can be applied.

図3は、本発明を適用した、実施例2の態様を示す概略ブロック説明図である。図1においてマイクが単一であるのに対し、実施例2においてはマイク2個を使用したデュアルマイク方式の具体例である。2個のマイク41(M-R)およびマイク42(M-L)は、図5に示すように、左右のヘッドセットまたはマスクやフェイス・シールドにマイクをそれぞれ取り付けたり、肩掛け方式で首周りに取り付けても構わない。いずれの場合も発声される口が2個のマイクの中央に位置するように設定する。マイク41および42で集音された音声は、入力処理手段43および44へそれぞれ入力され、そこで入力信号は増幅され、平滑化されると共にALC(Automatic Level Control)回路により、それぞれの音声信号が歪まないようにレベル合わせを行う。入力処理手段の出力は、正規化手段45へ供給される。この正規化手段(ノーマライザー)は、デジタル処理などで位相ずれした波形を調整し、音圧を平坦化するための手段であるが、入力処理でレベル合わせや位相ずれがなければ必ずしも必要というものではない。FIG. 3 is a schematic block diagram showing an embodiment 2 to which the present invention is applied. In contrast to the single microphone in FIG. 1, the embodiment 2 is a specific example of a dual microphone system using two microphones. As shown in FIG. 5, the two microphones 41 (M-R) and 42 (M-L) may be attached to the left and right headsets, masks, or face shields, respectively, or may be attached around the neck in a shoulder-hanging manner. In either case, the mouth from which the voice is emitted is set to be located in the center of the two microphones. The voices collected by the microphones 41 and 42 are input to input processing means 43 and 44, respectively, where the input signals are amplified and smoothed, and the levels are adjusted by an ALC (Automatic Level Control) circuit so that the respective voice signals are not distorted. The output of the input processing means is supplied to a normalization means 45. This normalization means (normalizer) is a means for adjusting waveforms that have been out of phase with digital processing or the like, and for flattening the sound pressure, but is not necessarily necessary if there is no level matching or phase shift in the input processing.

正規化手段45で平坦化された左右のマイク音M-RおよびM-Lは、減算回路46において左右のマイク音の信号の差分信号を取り出す。これにより同相の音声信号は打ち消され主として環境ノイズ成分を多く含む信号Cが取り出される。また、左右のマイク音は、加算回路47において加算される。加算回路47においては、同相の音声信号は増強される。加算回路47の出力信号はレベル低減回路48によりレベル低減され、減算回路49に供給される。減算回路49においては、加算回路47の出力信号をレベル低減回路48でレベル低減された信号から減算回路46の出力信号が減算される。これにより、減算回路49の出力信号は、より環境ノイズ成分が低減され、音声中心の成分を含む信号Dが取り出される。The left and right microphone sounds M-R and M-L flattened by the normalization means 45 are used in a subtraction circuit 46 to extract a difference signal between the left and right microphone sound signals. As a result, the in-phase audio signal is cancelled and a signal C mainly containing a large amount of environmental noise components is extracted. The left and right microphone sounds are added in an addition circuit 47. In the addition circuit 47, the in-phase audio signal is enhanced. The output signal of the addition circuit 47 is reduced in level by a level reduction circuit 48 and supplied to a subtraction circuit 49. In the subtraction circuit 49, the output signal of the subtraction circuit 46 is subtracted from the signal obtained by reducing the level of the output signal of the addition circuit 47 in the level reduction circuit 48. As a result, the output signal of the subtraction circuit 49 has further reduced environmental noise components and a signal D containing mainly audio components is extracted.

上記の回路構成により取り出したノイズ成分を多く含む信号Cと音声成分を多く含む信号Dは、適応フィルター手段50へ供給される。信号CはA/Dコンバータ51でデジタル変換され適応フィルタ回路52へ供給され、その出力は減算回路54へ提供される。一方、音声成分を多く含む信号DはA/Dコンバータ53でデジタル変換され減算回路54へ供給される。減算回路54は適応フィルター52と協働して音声信号Dを多く含む区間のみを通過させるよう適応的にフィルタリングする。この適応フィルター手段50を挿入することで無音声区間のノイズが低減される。The signal C containing a large amount of noise components and the signal D containing a large amount of voice components extracted by the above circuit configuration are supplied to an adaptive filter means 50. Signal C is converted into digital form by an A/D converter 51 and supplied to an adaptive filter circuit 52, the output of which is provided to a subtraction circuit 54. Meanwhile, signal D containing a large amount of voice components is converted into digital form by an A/D converter 53 and supplied to the subtraction circuit 54. The subtraction circuit 54 works in cooperation with the adaptive filter 52 to adaptively filter so as to pass only sections containing a large amount of voice signal D. By inserting this adaptive filter means 50, noise in non-voice sections is reduced.

適応フィルター50の出力は、音声信号が抽出されたものとなり、この出力信号はマスク音の周波数特性補正手段55へ送られる。周波数特性補正手段55の補正特性は、図4で示すものと同様の周波数補正を行うものであり、マスクの種類、話者の個人特性を考慮した補正特性を選択する。このようにして取得したデュアルマイクによるマスク音補正回路出力Eは、図1における差分処理回路2の入力Aへ供給される。その後の差分処理回路以降は図1と同様であり説明を省略する。The output of the adaptive filter 50 is an extracted voice signal, and this output signal is sent to a masking sound frequency characteristic correction means 55. The correction characteristics of the frequency characteristic correction means 55 perform frequency correction similar to that shown in Fig. 4, and correction characteristics are selected taking into consideration the type of mask and the individual characteristics of the speaker. The masking sound correction circuit output E obtained by the dual microphone in this manner is supplied to the input A of the differential processing circuit 2 in Fig. 1. The subsequent differential processing circuit and subsequent steps are the same as those in Fig. 1, and a description thereof will be omitted.

実施例2におけるマスク音(a)およびマスク無し直接音(b)のレファレンス信号取得法も実施例1と同様であり、予め利用者は、マスク着用時のマスク音とマスク無しの直接音の状態で適当な会話音(例えば、あ、い、う、え、お、など)を発声し音声サンプルを取得して使用する。この場合、マスク特性、利用環境、利用者の特性(老若男女、年齢など)が判明していれば、モデル化されたサンプル・レファレンス信号から選択して利用することも可能である。実施例2のように2個のマイクを使用することで音声抽出が容易に、かつ効果的に単純な回路で構成することができ、ノイズ区間を除去したクリアーな音声にマスク音に伴う「こもり音」除去が可能となる。そのため、環境ノイズが大きい所での利用に適している。The method of acquiring the reference signals of the masked sound (a) and the unmasked direct sound (b) in the second embodiment is the same as that in the first embodiment. The user utters appropriate conversational sounds (e.g., a, i, u, e, o, etc.) in advance in the state of the masked sound when wearing a mask and the direct sound without a mask to acquire and use the voice samples. In this case, if the mask characteristics, the usage environment, and the characteristics of the user (male/female, age, etc.) are known, it is also possible to select and use the modeled sample reference signal. By using two microphones as in the second embodiment, voice extraction can be easily and effectively configured with a simple circuit, and the "muffled sound" associated with the masked sound can be removed from the clear voice with the noise section removed. Therefore, it is suitable for use in places with a large amount of environmental noise.

実施例では、マスク近傍のマスク外にマイクや処理装置を配置しているが、実施例1や実施例2、またはその他の実施例であっても、マイクおよびブルートゥースなどの送信手段のみをマスク内やマスク近傍に配置し、マスク音声改良装置を外部に備えても良い。また、マスク内に限らず、マスクを覆うようなフェースシールドやマウスシールド、マスクカバー、メガネ形状アタッチメント、首掛けペンダント、帽子などに組み込んでマスク音声改良付属装置として使用することもできる。また、回路構成は、アナログであっても音声をデジタル化したデジタル信号処理で行っても構わない。In the embodiment, the microphone and the processing device are arranged outside the mask near the mask, but in the first and second embodiments, or in other embodiments, only the microphone and the transmitting means such as Bluetooth may be arranged inside or near the mask, and the mask voice improving device may be provided outside. In addition, it is not limited to being inside the mask, but can also be incorporated into a face shield, mouth shield, mask cover, eyeglass-shaped attachment, neck pendant, hat, etc. that covers the mask and used as a mask voice improving accessory device. In addition, the circuit configuration may be analog or may be digitalized by digital signal processing of the voice.

この発明によれば、マスク装着時のマスク音に生じる「こもり音」を解消し、明瞭な音声を取り出して会話することが可能となり、家庭用不織布マスク、医療用、工事用、防災用など種々の産業用マスクに適用することが出来、マスク使用時の不都合を解消しうるため、種々のマスク使用場面で利用可能性が広がる。According to this invention, it is possible to eliminate the muffled sound that occurs when wearing a mask, and to pick up clear voice for conversation. This invention can be applied to various industrial masks such as nonwoven masks for home use, medical masks, construction masks, and disaster prevention masks, and since it can eliminate inconveniences when using masks, it can be used in a wide variety of situations where masks are used.

1 マスク音補正回路
2 差分処理回路
10、41,42 マイク
11、15 マスク有無音声切替スイッチ
12、43,44 入力処理手段
13 ノイズ抑制手段
14、55 周波数特性補正手段
18、22 減算回路
19、23 差分信号生成手段
20 記憶学習手段
21 モデル化手段
27 出力手段
31 アクティブノイズキャンセラー
50 適応フィルター
REFERENCE SIGNS LIST 1 Masking sound correction circuit 2 Difference processing circuit 10, 41, 42 Microphone 11, 15 Masking/non-masking sound changeover switch 12, 43, 44 Input processing means 13 Noise suppression means 14, 55 Frequency characteristic correction means 18, 22 Subtraction circuit 19, 23 Difference signal generation means 20 Memory learning means 21 Modeling means 27 Output means 31 Active noise canceller 50 Adaptive filter

Claims (4)

マスクのメッシュ径が略5μm以下のマスクを介した音声入力信号に対し、略2KH以上であって前記音声入力信号の第三フォルマント以上を含む帯域を上昇させる周波数特性補正手段を備え、
保持されたマスク無しでの音声入力信号X(b)と保持されたマスクを介しての音声入力信号X(a)とを減算し、第一の差分信号G(c)を生成する第一差分信号生成手段と、前記第一の差分信号G(c)と実際のマスク着用時のマスクを介しての音声入力信号X(a’)とを減算し、第二の差分信号αを生成する第二差分信号生成手段とを備え、
前記第二の差分信号αを実際のマスク着用時の音声出力信号として用いることを特徴とするマスク音声改良装置。
a frequency characteristic correction means for increasing a band of about 2 KHz or more including a third formant or more of the voice input signal, the band being equal to or higher than about 2 KHz , for a voice input signal passing through a mask having a mesh diameter of about 5 μm or less ;
a first differential signal generating means for subtracting a retained voice input signal X(b) without a mask from a retained voice input signal X(a) through a mask to generate a first differential signal G(c); and a second differential signal generating means for subtracting the first differential signal G(c) from a voice input signal X(a') through a mask when actually wearing the mask to generate a second differential signal α,
The masked voice improving device is characterized in that the second differential signal α is used as a voice output signal when the mask is actually worn .
前記第一の差分信号G(c)は、前記マスク音声改良装置の利用者に予め学習させ、記憶させることを特徴とする請求項1に記載のマスク音声改良装置。 2. The masked voice improving device according to claim 1 , wherein the first difference signal G(c) is learned and stored in advance for each user of the masked voice improving device. 前記第一の差分信号G(c)は、利用者の特性(老若男女、年齢)または前記マスクの材質に応じたパターン毎にモデル化され前記利用者毎のレファレンス信号として用いることを特徴とする請求項2に記載のマスク音声改良装置。 The masked voice improving device according to claim 2, characterized in that the first difference signal G(c) is modeled for each pattern according to the characteristics of the user (male/female, age ) or the material of the mask, and is used as a reference signal for each user. 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載するマスク音声改良装置を組み込んだマスクおよびマスク用付属装置。 A mask and a mask accessory incorporating a mask voice improving device according to any one of claims 1 to 3 .
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