JP2008005362A

JP2008005362A - 騒音推定装置及びこれを用いたオーディオ装置

Info

Publication number: JP2008005362A
Application number: JP2006174652A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Katsumata; 慎一勝又; Tomohiko Ise; 友彦伊勢
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】ラウドネスを補償するためのゲインを算出する前に、騒音レベル信号にパルス性ノイズが含まれているか否かを検知し、パルス性ノイズを除去できる「騒音推定装置及びこれを用いたオーディオ装置」を提供する。
【解決手段】騒音推定装置１に入力される騒音レベル信号を低減又は除去する、並列に配置された複数の異なるフィルタ部と、前記騒音レベル信号に応じて適切な前記フィルタ部を選択する制御部９とを設け、前記フィルタ部は、パルス性ノイズを除去するメディアンフィルタ部５と、ランダムノイズを低減する移動平均フィルタ部７とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は騒音推定装置に関し、特に、瞬時的な騒音を推定し、これを適切に除去又は軽減する騒音推定装置に関する。

オーディオ装置に形成されるラウドネス補償器は、音響空間内に存在する騒音下で音楽を聴取する際にその騒音の成分や量に応じて音楽の聴こえが悪くなってしまうという課題に対し、騒音に応じた最適な音楽信号補正を行う事で、騒音の中でも快適な音楽聴取を実現する装置である。例えば、特許文献１に開示されるように、ラウドネス補償器は騒音を含む音楽をマイクから取り込み観測信号とし、当該観測信号から、ＣＤ（Compact Disk）やＭＤ(Mini Disk)等のオーディオ機器より出力される音楽信号（以下、元の音楽信号）を除去することで騒音レベル信号を推定し、当該騒音レベル信号からラウドネスを補償するためのゲインを算出し、当該ゲインによって元の音楽信号を補正し、出力している。これによって、ラウドネス補償器は騒音に応じた最適な補正を元の音楽信号に加えて出力することが可能となり、静穏状態と同等の音楽レベルを維持することができる。

ところが、推定した騒音レベル信号には、観測信号から元の音楽信号を除く際に生じる推定誤差と、マイクを含めた観測装置に発生する電気的な雑音とによる時間とともにランダムに変化する誤差（以下、ランダムノイズという。）が生じる。また、上述したオーディオ装置を搭載した車等が、あぜ道や道路、踏み切り等の段差のある箇所を乗り越える場合、騒音レベル信号に瞬時的で大きな変動（以下、パルス性ノイズという。）が生じることがある。このようなパルス性ノイズを含む騒音レベル信号からラウドネスを補償するゲインを算出しても、騒音レベル信号には、ランダムノイズ以外にパルス性ノイズも含まれているため、ゲインの算出結果に誤差が生じてしまう。その結果、元の音楽信号に誤った補正がかけられてしまい、出力された音楽やラジオ等を聴く者は違和感を覚える。

このようなパルス性ノイズを含む騒音レベル信号に対し、従来のラウドネス補償器では、騒音レベル信号を時系列的に取り扱い、ＦＩＲフィルタ（Finite Impulse Response Filter：以下、移動平均フィルタという。）やＬＰＦ（Low Pass Filter：以下、低域通過フィルタという。）といったフィルタを適用して、パルス性ノイズの除去や推定誤差による誤った補正を抑制していた。
特開平７−３０７６３２号公報

しかしながら、時系列的な平均操作でノイズを低減させる移動平均フィルタは、ランダムノイズの除去には適しているものの、瞬間的に発生するパルス性ノイズの除去には十分でなかった。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、騒音レベル信号に含まれるパルス性ノイズを除去又は軽減して精度良く騒音を推定できる騒音推定装置及びこれを備えたオーディオ装置を提供することを目的とする。

上述した問題点を解決するために、本発明の騒音推定装置は、入力される騒音レベル信号を低減又は除去する、並列に配置された複数の異なるフィルタ部と、前記騒音レベル信号に応じて適切な前記フィルタ部を選択する制御部とを有し、前記フィルタ部は、パルス性ノイズを除去するメディアンフィルタ部と、ランダムノイズを低減する移動平均フィルタ部とを含むことを特徴とする。本発明によれば、入力される騒音レベル信号に応じて、適切な前記フィルタ部を選択することで、騒音レベル信号からパルス性ノイズを除去又は低減することができ、高い精度で騒音を推定することができる。

また、本発明は、前記制御部が、メディアンフィルタ部による出力結果と、移動平均フィルタ部による出力結果との差が所定の閾値以上の場合に、パルス性ノイズを含む騒音レベル信号であると判定することを特徴とする。本発明によれば、騒音レベル信号に含まれるパルス性ノイズを検出することができる。

また、本発明は、前記閾値が、−３ｄＢ以上３ｄＢ以下であることを特徴とする。本発明によれば、メディアンフィルタ部による出力結果と、移動平均フィルタ部による出力結果との差が上記範囲内である場合に、音楽等を聴く者に違和感を与えない。

また、本発明のオーディオ装置は、上述した騒音推定装置と、前記騒音推定装置の一端に接続され、騒音レベル信号を出力する騒音分離装置と、前記騒音推定装置の他端に接続され、前記騒音推定装置の出力結果が入力され、ラウドネスを補償するためのゲインを算出するラウドネス補償ゲイン算出部と、前記ラウドネス補償ゲイン算出部に接続され、算出されたゲインに基づき音楽信号を補正する聴感補正フィルタと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、騒音レベル信号からパルス性ノイズを低減又は除去した信号を用いてラウドネス補償を行うので、音楽等を聴く者が違和感を覚えることがなくなる。

本発明に係る騒音推定装置によれば、騒音レベル信号に含まれるパルス性ノイズを除去又は軽減して精度良く騒音を推定できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる騒音推定装置１のブロック図である。図１に示すように、騒音推定装置１は、並列に配置され、騒音レベル信号がそれぞれ入力されるメディアンフィルタ部（Median Filter）５及び移動平均フィルタ部７と、これらのフィルタ部に接続される出力スイッチ３と、フィルタ部の出力結果に応じて出力スイッチ３を制御する制御部９と、を有する。

メディアンフィルタ部５は、入力系列の中央値を出力するフィルタである。例えば、騒音レベル信号の入力系列が｛０，−５，１，９，６，−２，３｝という系列である場合には、メディアンフィルタを適用することで、例えば昇順にソート（並べ替え）され、｛−５，−２，０，１，３，６，９｝という系列を得、中央値「１」を取り出し、出力するものである。なお、ソートは降順であってもよい。

移動平均フィルタ部７は、入力系列の相加平均を出力するフィルタである。例えば、騒音レベル信号の入力系列が上述のものと同様に、｛０，−５，１，９，６，−２，３｝という系列である場合には、移動平均フィルタを適用することで、すべての値の総和を、取得した項目数（以下、次数という。）で除算した結果を出力するものである。

このようなフィルタを使い分けることで、例えば、上述した入力系列に「１００」等、前後の値と著しくかけ離れた値をメディアンフィルタ部３が取得した場合、ソートされた結果、値「１００」は最大値または最小値となるが、メディアンフィルタ部５は中央値を取得するため、出力結果に影響を受けない。一方、移動平均フィルタ部７が、値「１００」を取得すると、出力結果を算出する際に当該値を組み込んでしまい、出力結果に反映されてしまう。その結果、当該出力結果と、メディアンフィルタ部３との出力結果を比較した場合に、その差が著しくかけ離れてしまい、入力系列に「１００」が含まれていると判定できる。なお、当該差が著しくかけ離れているか否かは、所定の閾値を使用し、判定することが好ましい。

制御部９は、メディアンフィルタ部５または移動平均フィルタ部７によって算出された出力結果を比較し、比較した結果に基づき、出力スイッチ３を制御する。これによって、出力スイッチ３は、より少ない騒音レベル信号を出力するフィルタを適用することができる。

さらに、上述した内容について図面を参照して、説明する。

図２は、パルス性ノイズを含む騒音レベル信号を示すグラフである。図２に示すグラフは横軸に時間（秒）の経過、縦軸に騒音レベル（ｄＢ：デシベル）の大きさをとる。なお、後述するグラフについても同様の項目をとり、その説明を省略する。

図２に示すような騒音レベル信号を、例えば次数を７次とした移動平均フィルタ部７に入力すると、図３のグラフに示すように、パルス性ノイズを含む騒音レベル信号は平均化され、騒音レベルは低減するが、パルス性ノイズを完全に除去することができないということが起こる。一方、同じ騒音レベル信号を、メディアンフィルタ部５に入力すると、図４のグラフに示すように、直線状となり、パルス性ノイズを完全に除去するということが起こる。

したがって、移動平均フィルタ部７による出力結果と、メディアンフィルタ部５による出力結果を比較して、その差が大きく相違する場合には、騒音レベル信号にパルス性ノイズが含まれていると考えられる。そこで、一定の閾値を設けて、移動平均フィルタ部７による出力結果及びメディアンフィルタ部５による出力結果の差が、当該閾値以上の場合には、制御部９は、騒音レベル信号にパルス性ノイズが含まれていると判定し、メディアンフィルタ部５による出力結果を採用するよう出力スイッチ３に制御をかける。一方で、当該閾値未満である場合には、騒音レベル信号にパルス性ノイズが含まれていないと判定し、移動平均フィルタ部７による出力結果を採用する。なお、当該閾値は±３ｄＢ程度が好ましい。

（第２実施形態）
次に、第１実施形態とは相違する騒音レベル信号をメディアンフィルタ５及び移動平均フィルタ部７に適用し、その効果について図面を参照して説明する。

図５は、５秒の周期で変動する騒音レベル信号を示すグラフである。図６は、図５に示す騒音レベル信号に持続時間１００ミリ秒のパルス性ノイズ、及び、振幅が１ｄＢのランダムノイズを加えた騒音レベル信号を示すグラフである。

図６に示す騒音レベル信号に対し、２０ミリ秒の周期でサンプル値を取得し、次数を１１次として（１）移動平均フィルタ部７を適用、（２）メディアンフィルタ部５を適用、（３）移動平均フィルタ部７とメディアンフィルタ部５の両方を適用、した結果のグラフをそれぞれ図７、図８、図９に示す。

図６に示す騒音レベル信号を移動平均フィルタ部７に適用した場合では、図７に示すように、図６に示すパルス性ノイズと比較してパルス性ノイズは鈍化しているものの、パルス性ノイズは十分に除去されていないことが分かる。一方で、メディアンフィルタ部５に適用した場合では、図８に示すように、図６に示すパルス性ノイズと比較して、パルス性ノイズは選択的に除去できていることが分かる。

さらに、図６に示す騒音レベル信号を移動平均フィルタ部７とメディアンフィルタ部５の両方を適用した場合では、図９に示すように、図６に示すパルス性ノイズと比較して、パルス性ノイズは選択的に除去できている。さらに、図８に示すグラフと図９に示すグラフとを比較した場合、両方のグラフともパルス性ノイズはよく除去できているものの、メディアンフィルタ部７のみを適用した図８に示すグラフは、図９に示すグラフと比較してランダムノイズの除去が十分でないことが分かる。

ここで、メディアンフィルタ部５のみを適用した場合の騒音レベル信号と移動平均フィルタ部７とメディアンフィルタ部５の両方を適用した場合の騒音レベル信号の一例を以下に示す。

図５に示す騒音レベル信号を真値として、（１）メディアンフィルタ部５のみを適用した騒音レベル信号、（２）移動平均フィルタ部７とメディアンフィルタ部５の両方を適用した騒音レベル信号、のそれぞれの二乗平均誤差（平均誤差パワー）err_dBを、数式err²=E_i[(N(i)-N0(i))²]及びerr_dB=10log₁₀(err²)により求める。なお、N0(i)は騒音レベル信号の真値、(N(i)は騒音レベル信号の移動平均フィルタまたはメディアンフィルタによる出力結果、E_iは平均操作を示す。これらの数式から、（１）の場合では、騒音レベル信号が−８８．５ｄＢ、（２）の場合では、騒音レベル信号が−９１．３ｄＢの理論値が得られた。すなわち、移動平均フィルタ部７とメディアンフィルタ部５の両方を適用した方が、メディアンフィルタ部５のみを適用した場合に比べ、騒音レベル信号に含まれるノイズ成分を平均３ｄＢ程度低減できることが分かる。

（第３実施形態）
続いて、本発明の第１実施形態に係る騒音推定装置１をラウドネス補償器１３に適用した場合について図面を参照して説明する。なお、図１に示される騒音推定装置には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、本発明の第１実施形態に係る騒音推定装置１をラウドネス補償器１３に適用したオーディオ装置１１のブロック図である。図１０に示すように、オーディオ装置１１はラウドネス補償器１３にスピーカ１５とマイク１７とが接続される構成を有する。

ラウドネス補償器１３は、騒音分離装置１９と、騒音分離装置１９に直列に接続される騒音推定装置１と、騒音分離装置１９及び騒音推定装置１に直列に接続されるラウドネス補償ゲイン算出部２１と、ランドネス補償ゲイン算出部２１に直列に接続される聴感補正フィルタ２３と、を有する。

騒音分離装置１９は、ランダムノイズやパルス性ノイズを含む音楽信号から元の音楽信号を分離し、騒音レベル信号として騒音推定装置１に出力するものである。ラウドネス補償ゲイン算出部２１は、騒音推定装置１によってパルス性ノイズが除去された騒音レベル信号と元の音楽信号とからラウドネスを補償するためのゲインを算出するものである。聴感補正フィルタ２３は、元の音楽信号を算出されたゲインで補正をかけ、出力するものである。

このように構成されたオーディオ装置１１に音楽信号が入力されると、まず、聴感補正フィルタ２３を経由してスピーカ１５から音楽が出力される。出力された音楽及び車室等の音響空間２５内に存在するランダムノイズやパルス性ノイズを含む騒音を設置されたマイク１７を通じてノイズを含む音楽信号として取り込む。

取り込まれた上記ノイズを含む音楽信号から元の音楽信号を利用して、騒音レベル信号を分離する。騒音レベル信号は、騒音推定装置１によってパルス性ノイズが除去され、ランダムノイズが低減され、ラウドネス補償ゲイン算出部２１に出力される。そして、ラウドネス補償ゲイン算出部２１で、元の音楽信号を利用してゲインが算出され、聴感補正フィルタ２３では、元の音楽信号を当該ゲインによって補正し、補正された音楽信号が出力されることとなる。

さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。例えば、メディアンフィルタ部５の次数を変更することで、除去するパルス性ノイズの幅を選択することができる。これによれば、騒音レベル信号のサンプル値を取得する周期を２０ミリ秒、パルス性ノイズの持続時間を６０ミリ秒とした場合、３つのサンプル値と、その前後２つづつのサンプル値を取得することで、パルス性ノイズと判定することができるため、次数を７次以上とすればよいことが分かる。

なお、上述した各機能ブロックは、ＣＰＵ等の演算処理装置あるいはそこで実行されるプログラム、およびハードディスク等の記憶装置により実現される。

以上説明したように、パルス性ノイズから生じていた音楽の違和感が本発明の騒音推定装置によってなくなるため、音楽等を聴く者に快適な音楽を提供でき、産業上の利用可能性が高い。

本発明の第１実施形態に係る騒音推定装置のブロック図である。第１実施形態で使用するパルス性ノイズを含む騒音レベルのグラフである。第１実施形態で使用するパルス性ノイズを含む騒音レベルを移動平均フィルタ部で処理した場合のグラフである。第１実施形態で使用するパルス性ノイズを含む騒音レベルをメディアンフィルタ部で処理した場合のグラフである。第２実施形態で使用する騒音レベルのグラフである。第２実施形態で使用するランダムノイズ及びパルス性ノイズを含む騒音レベルのグラフである。第２実施形態で使用するランダムノイズ及びパルス性ノイズを含む騒音レベルを移動平均フィルタ部で処理した場合のグラフである。第２実施形態で使用するランダムノイズ及びパルス性ノイズを含む騒音レベルをメディアンフィルタ部で処理した場合のグラフである。第２実施形態で使用するランダムノイズ及びパルス性ノイズを含む騒音レベルを移動平均フィルタ部及びメディアンフィルタ部で処理した場合のグラフである。騒音推定装置を利用したラウドネス補償器を有するオーディオ装置のブロック図である。

符号の説明

１騒音推定装置
３出力スイッチ
５メディアンフィルタ部
７移動平均フィルタ部
９制御部
１１オーディオ装置
１３ラウドネス補償器
１５スピーカ
１７マイク
１９騒音分離装置
２１ラウドネス補償ゲイン算出部
２３聴感補正フィルタ
２５音響空間

Claims

入力される騒音レベル信号を低減又は除去する、並列に配置された複数の異なるフィルタ部と、
前記騒音レベル信号に応じて適切な前記フィルタ部を選択する制御部とを有し、
前記フィルタ部は、パルス性ノイズを除去するメディアンフィルタ部と、ランダムノイズを低減する移動平均フィルタ部とを含むことを特徴とする騒音推定装置。
前記制御部は、メディアンフィルタ部による出力結果と、移動平均フィルタ部による出力結果との差が所定の閾値以上の場合に、パルス性ノイズを含む騒音レベル信号であると判定し、前記メディアンフィルタを選択することを特徴とする請求項１に記載の騒音推定装置。
前記閾値は、−３ｄＢ以上３ｄＢ以下であることを特徴とする請求項２に記載の騒音推定装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の騒音推定装置と、
前記騒音推定装置の一端に接続され、騒音レベル信号を出力する騒音分離装置と、
前記騒音推定装置の他端に接続され、前記騒音推定装置の出力結果が入力され、ラウドネスを補償するためのゲインを算出するラウドネス補償ゲイン算出部と、
前記ラウドネス補償ゲイン算出部に接続され、算出されたゲインに基づき音楽信号を補正する聴感補正フィルタと、
を有することを特徴とするオーディオ装置。