JP2006174078A - オーディオ信号処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 オーディオ信号の特定の周波数帯域の補正が良好にできるようにする。
【解決手段】 入力したオーディオ信号の特定の周波数帯域の信号に対して補正処理を行う場合において、特定の周波数帯域の信号の、所定レベル以下の信号成分に対して、出力レベルをほぼ均一に上昇させる補正処理を行い、特定の周波数帯域以外の信号に対しては、出力レベルを変化させないようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、オーディオ信号を再生させる場合の特性補正を行うオーディオ信号処理方法及び装置に関し、特に高音質の再生が可能なハイファイ再生用のスピーカ装置を使用する場合に適用して好適な技術に関する。

従来、高音質の再生が可能なハイファイ再生用のスピーカ装置として、各種構成のものが実用化されている。例えば、オーディオ信号の再生帯域を、低域と中域と高域の３つの帯域に分割し、それぞれの帯域ごとに個別のスピーカユニットを用意した３ウェイ構成のスピーカ装置がある。この３ウェイ構成のスピーカ装置は、各帯域用のスピーカユニットとして、それぞれの帯域での再生特性が良好なものを使用することで、低域から高域まで入力オーディオ信号に忠実な再生が可能となり、一般には１つのスピーカユニットで全ての帯域のオーディオを出力させる、いわゆるフルレンジ型のスピーカユニットに比べて、再生特性が良好になる。

また、このような３ウェイ構成や２ウェイ構成のようにして、スピーカ装置の再生音を高音質化する構成の他に、スピーカ装置に供給するオーディオ信号そのもの特性を、オーディオ信号処理装置であるアンプ装置側で補正して、結果的にスピーカ装置から出力されるオーディオの特性を改善することも行われている。例えば、スピーカ装置を駆動するオーディオ信号の増幅などの処理を行うオーディオアンプ装置で、ラウドネスコントロールと称される補正を行う場合がある。このラウドネスコントロールは、低音域部と高音域部を、中音域部に比べて出力レベルを増強させる補正処理を行って、主として小音量時に、低音域と高音域が不足して聞こえるのを補正するものである。

特許文献１には、ラウドネス補正を行う場合の再生構成の一例についての記載がある。
特開２００２−１７１５８９号公報

ところが、ラウドネスコントロールされた再生音は、単に特定の周波数帯域の信号をレベルに係わらずほぼ一律に増強させてしまうので、厳密な意味で入力オーディオ信号に忠実な再生とはいえず、より入力オーディオ信号に忠実な再生ができるスピーカ装置の開発が望まれていた。即ち、従来のラウドネスコントロールされた再生音は、小音量時に聞き取り難い音を増強して再生させるので、ラウドネスコントロールされていない再生音に比べて低音域部と高音域部が聞こえやすくなり、ある程度音質を改善する効果があるが、特定の周波数帯域の信号を小レベルであっても大レベルであっても一律に増強させてしまうので、増強させる必要のない信号成分についても増強させてしまうことがあり、結果として不自然な再生音になってしまう場合がある。

ここで、従来のスピーカ装置での再生音の問題について説明すると、再生音が入力オーディオ信号を忠実に再現していない場合の例として、小振幅の信号の問題がある。即ち、例えば図５（ａ）に示すように、比較的大きな振幅の波形と比較的小さな振幅の波形が連続した波形の入力オーディオ信号Ｓ１がスピーカに入力した場合を想定する。このとき、スピーカからの出力オーディオ信号Ｓ２の波形としては、比較的大きな振幅の波形については、入力信号Ｓ１とほぼ同等になるが、比較的小さな振幅の波形については、入力信号Ｓ１よりも振幅が小さくなる傾向にある。これは、比較的大きな音で出力が可能な一般的な振動板を備えた形状のスピーカユニットでは、振幅が小さい小音量の信号の再現特性が悪く、小音量の信号の入出力特性のリニアリティ（直線性）が確保されないためである。

同様に、例えば図５（ｂ）に示すように、比較的大きな振幅の波形の入力オーディオ信号Ｓ３と、比較的小さな振幅の波形の入力オーディオ信号Ｓ４とが、時間的に重なることで、本来は両信号Ｓ３，Ｓ４が合成されたオーディオ信号Ｓ５が出力されるものが、その合成信号Ｓ５の波形よりもレベルが低下した波形の出力オーディオ信号Ｓ６がスピーカから出力される状態となっている。例えば、スピーカから再生させるオーディオとして、シンフォニーのように様々の楽器の音が同時に再生されるような場合に、このような出力状態となることがある。

さらに、例えば図５（ｃ）に示すように、特定の単一周波数の信号の振幅が徐々に低下するインパルス信号が入力オーディオ信号Ｓ７としてあった場合に、スピーカからの出力オーディオ信号Ｓ８の波形についても、レベルが低くなるに従って追従性が悪くなってしまう。

図５のいずれの例でも、スピーカからの出力としては、振幅が小さい小音量の信号の出力レベルが、入力信号レベルよりも小さくなって、小信号のリニアリティが保たれない状態となってしまう。この図５に示す状態を周波数分析すると、例えば図６に示す状態となる。図６の例は、基本波ｆ１と、その基本波の高調波である倍音ｆ２，ｆ３の感度を解析した例である。レベルが高い基本波ｆ１については、そのままのレベルで出力されるが、基本波よりもレベルが小さい倍音ｆ２，ｆ３については、破線で示した本来のレベルから低下した実線で示した出力感度となっている。

図７は、複数段階の信号レベルでの低域から高域までの出力特性を示した図で、図７（ａ）は理想的な特性であり、図７（ｂ）は実際のスピーカの出力特性を示した図である。図７（ａ）に示すように、理想的な状態では、４つのレベルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が、ほぼ等間隔で、低域から高域までフラットな特性となっているとする。このとき、図７（ｂ）に示す実際のスピーカの出力特性としては、出力レベルが高いレベルＬ１，Ｌ２，Ｌ３については、理想特性とほぼ同等の出力特性が確保できているが、最も低いレベルＬ４の特性については、本来必要なレベルから感度αだけ、どの周波数帯域でも低下したレベルとなっている。

このような感度の低下を、特定の周波数の特性として見たのが、図８の入出力特性図である。図８に示すように、本来はスピーカへの入力信号レベルの増大に対して直線的に出力レベルが増大する破線の特性ｘとなる必要があるのに対して、実際には、ある程度のレベル以上ではほぼ直線的にレベルが変化しているが、特定のレベル以下では、入力に対する振動板の動きが悪く、入力に対する出力感度が非常に悪い曲線の特性ｙとなっている。

具体的には、例えば一般的なスピーカによるリスニングの最大レベルを７０〜１００ｓｐｌ（音圧レベル）と想定した場合、その最大レベルより−３０ｄＢから−６０ｄＢ下がった信号は、最大レベルに対して正しく−３０ｄＢから−６０ｄＢ下がった音量が出ていない（比例していない）ということになる。仮に、１００ｓｐｌよりアンプ装置の出力を５０ｓｐｌ分下げた音量としての再生を想定すると、本来ならば５０ｓｐｌ前後での音量が得られるはずであるが、実際には例えばそれより１０ｓｐｌ低い４０ｓｐｌの出力しか得られないことになる。つまり、正確にリニアリティが取れていないということになり、満足する音質が得られない一つの大きな原因となっていることが、本発明者の解析で判った。

このような再生特性の悪さを補正するための従来から知られている処理の１つとしては、例えば上述したラウドネスコントロールを行って、低音域部と高音域部の出力レベルを、中音域部に比べて増強させる処理がある。また、別の処理として、例えばグラフィックイコライザと称される機器を使用して、複数に分割された周波数帯域毎に、レベルの増強又は減衰をさせて、リスナーが好みの再生音質となるように調整させる場合もある。

図９は、従来のグラフィックイコライザを使用した場合の補正特性例を示した図である。グラフィックイコライザにより、オーディオ信号のゲインを調整する場合には、調整者はゲインを調整する帯域を選定し、その帯域を操作するためのゲイン設定用操作つまみの操作で、レベルの増強又は減衰するレベルを設定する。即ち、図９に示すように、ゲインを調整する帯域ＦＷを選定すると、その帯域についてのゲイン設定用操作つまみの操作で、帯域内の全ての信号成分を同じだけレベルを上昇又は低下させることになる。従って、例えばこの帯域ＦＷの小信号が不足していると感じた場合には、ゲインを上げる操作が行われるが、図９から判るように、同じ帯域内の大信号についても、同じだけゲインが上昇して、結果的にその帯域ＦＷ内のオーディオ信号が他の帯域に比べて非常に目立ってバランスの悪い再生音質になってしまう問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、オーディオ信号の特定の周波数帯域の補正が良好にできるようにすることを目的とする。

本発明は、入力したオーディオ信号の特定の周波数帯域の信号に対して補正処理を行う場合において、特定の周波数帯域の信号の、所定レベル以下の信号成分に対して、出力レベルをほぼ均一に上昇させる補正処理を行い、特定の周波数帯域以外の信号に対しては、出力レベルを変化させないようにしたものである。

このようにしたことで、補正処理されたオーディオ信号を出力させることで、信号を強調したい周波数帯域の所定レベル以下の小振幅の信号のレベルだけが上昇し、所定レベル以上の比較的振幅の大きな信号についてはほとんど変化しないので、全体的な信号レベルを変化させることなく、所望の周波数帯域の低レベル信号の再生感度を改善できる。

本発明によると、補正処理されたオーディオ信号を出力させることで、信号を強調したい周波数帯域の所定レベル以下の小振幅の信号のレベルだけが上昇し、所定レベル以上の比較的振幅の大きな信号については、帯域に関係なくほとんどレベルが変化しないので、全体的な信号レベルを変化させることなく、所望の周波数帯域の低レベル信号の再生感度を改善でき、良好なオーディオ再生が可能になる。

この場合、所定レベルは、補正されたオーディオ信号を出力させるスピーカ装置の入出力特性として、特定レベル以上で入力信号に対する出力レベルの直線性がほぼ確保され、特定レベル以下で入力信号に対する出力レベルが低下する特性である場合における特定レベルであることで、スピーカ装置の特性に合わせた良好な信号補正が行える。

また、特定の周波数帯域は、操作入力に基づいて可変設定するようにしたことで、任意の周波数帯域を良好に信号補正できるようになる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本実施の形態によるシステム構成例を示した図である。本例においては、スピーカ装置が接続されたオーディオ再生システムとしてあり、図１はその全体のシステム構成例を示した図である。本例では、オーディオ信号源１０がグラフィックイコライザ１００を介してアンプ装置２０に接続してあり、オーディオ信号源１０でＣＤ（ディスク），メモリなどの媒体に記録（記憶）されたオーディオ信号を再生して、その再生して出力されるオーディオ信号を、グラフィックイコライザ１００で処理した後、アンプ装置２０に供給し、アンプ装置２０でスピーカ装置を駆動するオーディオ信号とする処理を行う。

本例の場合には、オーディオ信号源１０から出力されるオーディオ信号は、左チャンネル用オーディオ信号と右チャンネル用オーディオ信号の２チャンネルの信号である。アンプ装置２０から出力される左チャンネル用オーディオ信号は、左チャンネル用スピーカ装置３０Ｌに供給して出力させ、右チャンネル用オーディオ信号は、右チャンネル用スピーカ装置３０Ｒに供給して出力させる。

左チャンネル用スピーカ装置３０Ｌと右チャンネル用スピーカ装置３０Ｒは、基本的には同一構成としてある（但し外形形状については左右対称の形状となるなど若干異なる場合もある）。なお、以下の説明では、左右のチャンネル用スピーカ装置３０Ｌ，３０Ｒについて、チャンネルを区別しないで説明する際には、Ｌ，Ｒを除いた符合を付けたスピーカ装置３０と述べる場合もある。

各スピーカ装置３０Ｌ，３０Ｒの構成について説明すると、各スピーカ装置３０Ｌ，３０Ｒは、それぞれオーディオを出力させる音響出力手段としてのスピーカユニットとして、１個のスピーカユニット３１（図２）を備える。それぞれのスピーカユニット３１は、出力される周波数帯域から見た特性としては、可聴帯域内でほぼフラットな周波数特性で、低域から高域まで出力される特性をもつ、いわゆるフルフレンジ型のスピーカユニットであり、比較的大きな振動板を備えて、大音量の信号の出力が可能な比較的大型のスピーカユニットとしてある。スピーカユニット３１については、振動板が比較的大きいために、所定レベル以上の大信号の入出力特性のリニアリティ（直線性）がほぼ保たれ、所定レベル以下では入出力特性のリニアリティが確保されず、入力信号レベルに対して出力信号レベルが劣るものを使用してある。即ち、背景技術の欄で図８を参照して説明した特性ｙとなるスピーカユニットを使用してある。このような特性を持つスピーカユニットは、スピーカとして一般的なものである。

本例においては、このような特性を持つスピーカユニット３１を使用したスピーカ装置３０が接続されたオーディオ再生システムにおいて、スピーカ装置３０に供給するオーディオ信号を処理するアンプ装置２０の前段に接続されたグラフィックイコライザ１００で、信号の特性補正を行うようにしたものである。

図２は、本例のグラフィックイコライザ１００の構成例を示した図である。グラフィックイコライザ１００のオーディオ信号入力端子１０１に得られるオーディオ信号を、アナログ／デジタル変換器１０２に供給してデジタルオーディオ信号に変換し、変換されたデジタルオーディオ信号を、ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）１１０に供給する。

このＤＳＰ１１０内での処理構成としては、複数のバンドパスフィルタ１１１ａ〜１１１ｎ（ｎは２以上の任意の整数）で、オーディオ信号を処理する周波数帯域毎の信号成分に分割し、その分割された各信号成分を、可変ダイナミックレンジコントローラ１１２ａ〜１１２ｎに供給して、それぞれの帯域毎に可変ダイナミックレンジコントロール処理をデジタル演算処理で行う。各帯域でダイナミックレンジコントロール処理を行う調整量については、図示しない操作部の操作状況により設定される。この可変ダイナミックレンジコントロール処理が本実施の形態で特性となる信号処理であり、その詳細は後述する。

そして、可変ダイナミックレンジコントローラ１１２ａ〜１１２ｎで処理された信号成分を、合成部１１３に供給して、１系統のオーディオデータに合成し、その合成されたオーディオデータを、デジタル／アナログ変換器１０３に供給して、アナログオーディオ信号に変換し、変換されたオーディオ信号をオーディオ信号出力端子１０４から後段の装置（図１の構成の場合にはアンプ装置２０）に供給する。なお、図２の構成では、１チャンネルのオーディオ信号を処理する構成のみを示してあるが、例えば図１に示したような２チャンネルのオーディオ信号を処理する場合には、図２に示した回路構成を２系統備える。また、図２に示した構成は、データの処理機能から見た構成であり、必ずしもＤＳＰ内にフィルタ１１１ａ〜１１１ｎやコントローラ１１２ａ〜１１２ｎが、ｎ個の処理部を備えているとは限らない。

次に、本例のグラフィックイコライザ１００での処理例について説明すると、例えば図３に示すように、入力したオーディオ信号の周波数帯域ＦＷについて、ダイナミックレンジコントロールするように操作部の操作で設定したとする。このとき、その帯域ＦＷの信号成分を取り出すバンドパスフィルタ１１１ｘ（フィルタ１１１ｘはフィルタ１１１ａ〜１１１ｎの中の何れかのフィルタ）の出力を処理する可変ダイナミックレンジコントローラ１１２ｘ（コントローラ１１２ｘはコントローラ１１２ａ〜１１２ｎの中の何れかのコントローラ）で、ダイナミックレンジを変化させる。図３では、１つの帯域ＦＷだけを補正した例であるが、フィルタ１１１ａ〜１１１ｎで分割設定された帯域の内の複数の周波数帯域で同時に補正処理をすることも可能である。

ここでのダイナミックレンジの変化処理としては、図３に示すように、周波数帯域ＦＷ内のオーディオ信号について、所定レベル以上の大信号についてはレベルを変化させず、所定レベル以下の小信号についてはレベルを上昇させるようにしてある。この所定レベルとしては、例えば、接続されたスピーカ装置３０Ｌ，３０Ｒが備えるスピーカユニットが持つ入出力特性により決まる。具体的には、スピーカユニットの入出力特性のリニアリティ（直線性）がほぼ保たれる範囲と、入出力特性のリニアリティが確保されない範囲との境界を所定レベルとほぼ一致するようにする。また、所定レベル以下の小信号のレベルを上昇させる特性としては、レベルが低い程、入力と出力を等しくした特性に比べて増加率が高くなるような曲線で示される特性となるようにしてあり、スピーカユニットが持つ入出力特性の悪さを補正するように働くようにしてある。

具体的には、背景技術の欄で説明した図８に示したように、スピーカユニットの入出力特性として、所定レベル以下では、入出力特性のリニアリティが確保されない曲線で示される特性ｙとなっているとすると、周波数帯域ＦＷ内で所定レベル以下のオーディオ信号について、例えば図４に示すように、その特性ｙの入力と出力をほぼ逆にした特性ｂとなるようにする。なお、図４に示した特性ａは、入出力のリニアリティが確保された理想的な特性を参考までに示したものである。

但し、図４に示した特性ｂとなる調整量を基準調整量として、その基準調整量から、小信号の増加率などをユーザ操作などで増減できるように調整できるようにしてもよい。また、小信号のレベルを上昇させる境界点となるレベル（上述した所定レベル）の値そのものを可変設定できるようにしてもよい。

このような補正がダイナミックレンジの補正処理が行われることで、その補正が行われた周波数帯域内では、入出力のリニアリティの悪さが補正されることになり、理想的な特性ａに近い特性となる。例えば、比較的小レベルの信号が聞き取り易い高域や中域の周波数帯域について、図３に示したようなダイナミックレンジの補正処理を行うことで、接続されたスピーカ装置３０からの出力特性が良好なものになる。この場合、大レベルの信号の再生レベルについては、どの周波数帯域でも全く補正（増強）されないので、全体的な再生バランスを乱すことなく、所望の周波数帯域についてだけダイナミックレンジ補正が行え、良好な再生音が得られる。

しかも本例の場合には、グラフィックイコライザ１００で分割設定された周波数帯域毎にダイナミックレンジの補正処理が行えるので、ユーザがスピーカ装置から出力されるオーディオを実際に聞きながら調整することができ、どの帯域について補正処理を施せば、良好な再生出力が得られるかが、実際に再生させる音楽などを聞きながら良好に調整できるようになる。例えば、ある周波数帯域について小信号のレベルを上昇させた場合、再生音のノイズが目立つようになる場合、その帯域を避けた周波数帯域の小信号のレベルを上昇させればよい。

また、例えば、本例のオーディオ再生システムを、自動車などの車両に搭載した、いわゆるカーステレオ用の再生システムに適用することで、車外ノイズの影響が大きい再生環境において、一般にノイズにかき消されやすい小レベルの音が聞き取り易くなり、特に車外ノイズの影響が大きい周波数帯域について処理を施すことで、再生音質が向上する。

なお、上述した実施の形態では、補正処理を行う周波数帯域の分割例については、具体的な例を特に示さなかったが、グラフィックイコライザとして周知の各種分割例が適用できる。例えば、可聴帯域を４帯域ぐらいの比較的少ない分割数で分けた場合から、十帯域以上に細かく分けた場合のいずれでもよい。

また、用意されたフィルタで分割帯域を固定的に決めるのではなく、各帯域の周波数位置や周波数帯域幅を可変設定できる構成として、補正処理を行う任意の周波数帯域などを設定できる構成としてもよい。

また、上述した実施の形態では、補正処理を行う専用のオーディオ信号処理手段（補正手段）として、グラフィックイコライザを用意して、オーディオ信号源とアンプ装置との間に接続する構成としたが、オーディオ信号源，アンプ装置又はスピーカ装置などの各種オーディオ機器に、同様の補正処理を行う補正手段を内蔵させて、処理させるようにしてもよい。

或いは、パーソナルコンピュータ装置の如き演算処理装置に、オーディオ信号を入出力可能なポートを設けて、その演算処理装置に同様のオーディオ信号補正処理を行うプログラムを実装させて、演算処理で同様のオーディオ信号の補正処理を行う装置を実現するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、図１に示した２チャンネルオーディオ再生用のシステムへの適用を想定したが、５．１チャンネルなどのマルチチャンネルオーディオ再生用のシステムとして構成してもよい。

本発明の一実施の形態によるシステム構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態による構成例を示す構成図である。 本発明の一実施の形態による補正特性例を示した特性図である。 本発明の一実施の形態による補正状態の例を示した周波数ごとの出力感度を示した特性図である。 従来のスピーカの出力波形例を示した説明図である。 従来のスピーカの信号レベルの例を示した説明図である。 理想的なスピーカの出力特性例（ａ）と従来のスピーカの出力特性例（ｂ）を示した説明図である。 従来のスピーカの入出力特性の例を示した説明図である。 従来のバンドＥＱの特性の例を示した説明図である。

符号の説明

１０…オーディオ信号源、２０…アンプ装置、３０，３０Ｌ，３０Ｒ…スピーカ装置、３１…スピーカユニット、１００…グラフィックイコライザ、１０１…オーディオ信号入力端子、１０２…アナログ／デジタル変換器、１０３…デジタル／アナログ変換器、１０４…オーディオ信号出力端子、１１０…ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）、１１１ａ〜１１１ｎ…バンドパスフィルタ、１１２ａ〜１１２ｎ…可変ダイナミックレンジコントローラ、１１３…合成部

Claims (6)

1. 入力したオーディオ信号の特定の周波数帯域の信号に対して補正処理を行うオーディオ信号処理方法において、
   前記特定の周波数帯域の信号の、所定レベル以下の信号成分に対して、出力レベルをほぼ均一に上昇させる補正処理を行い、前記特定の周波数帯域以外の信号に対しては、出力レベルを変化させないことを特徴とする
   オーディオ信号処理方法。
2. 請求項１記載のオーディオ信号処理方法において、
   前記所定レベルは、補正されたオーディオ信号を出力させるスピーカ装置の入出力特性として、特定レベル以上で入力信号に対する出力レベルの直線性がほぼ確保され、前記特定レベル以下で入力信号に対する出力レベルが低下する特性である場合における特定レベルであることを特徴とする
   オーディオ信号処理方法。
3. 請求項１記載のオーディオ信号処理方法において、
   前記特定の周波数帯域は、操作入力に基づいて可変設定するようにしたことを特徴とする
   オーディオ信号処理方法。
4. 入力したオーディオ信号の特定の周波数帯域の信号に対して補正処理を行うオーディオ信号処理装置において、
   前記特定の周波数帯域の信号の、所定レベル以下の信号成分に対して、出力レベルをほぼ均一に上昇させ、前記特定の周波数帯域以外の信号に対しては、出力レベルを変化させない補正手段を備えたことを特徴とする
   オーディオ信号処理装置。
5. 請求項４記載のオーディオ信号処理装置において、
   前記補正手段で補正される前記所定レベルは、補正されたオーディオ信号を出力させるスピーカ装置の入出力特性として、特定レベル以上で入力信号に対する出力レベルの直線性がほぼ確保され、前記特定レベル以下で入力信号に対する出力レベルが低下する特性である場合における特定レベルであることを特徴とする
   オーディオ信号処理装置。
6. 請求項４記載のオーディオ信号処理装置において、
   前記補正手段で特定の周波数帯域を設定する操作手段を備えたことを特徴とする
   オーディオ信号処理装置。

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