JP3579640B2 - 音響特性制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、任意音場内の１受聴点で観測されるスピーカよりの音圧、及び位相・周波数特性を所望特性へ補正する事により、スピーカに固有の特性、及び前記音場に固有の特性に起因する音質劣化を防ぎ、前記受聴点において、音声、楽音等の音信号の高音質再生を可能とする音響特性補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２を参照しながら従来技術（特願平１０−０５９７０３）を説明する。コンボルバ１の伝達関数Ｃ（ｚ）の初期値は零である。入力信号ｓ（ω）（ω：離散周波数）は、遅延器１１と、これに並列接続されたコンボルバ１の処理を受け、信号ｘ（ω）として、スピーカ２と、参照信号生成フィルタ４とへ入力される。マイクロホン３の出力信号ｙ（ω）は、第１遅延器１１と同じ遅延時間を有する第２遅延器１２と、これに並列接続された適応フィルタ６とに入力される。適応フィルタ６には雑音発生器９より供給される雑音ｕ（ω）（｜ｕ（ω）｜^２＜＜｜ｙ（ω）｜^２）も入力される。適応フィルタ６では第２遅延器１２の出力ｒ（ω）とから、参照信号生成フィルタ４の出力信号ｄ（ω）のレプリカｃ（ω）を発生する。
【０００３】
遅延器１１，１２の伝達関数をｚ^−ｍ（ｍ：離散時間）、スピーカ２とマイクロホン３との間の伝達関数をｚ^−ｔＧ（ｚ）、参照信号生成フィルタ４の伝達関数をｚ^{−（ｍ＋ｔ）}Ｒ（ｚ）とすれば、適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ｚ）は、「誤差パワーΣω｜ｅ（ω）｜^２＝Σω｜ｄ（ω）−ｃ（ω）｜^２の最小化」を指導原理とするアルゴリズムより次の値に収束する。

この伝達関数Ｈ（ｚ）をコンボルバ１に設定する事により、マイクロホン３の出力信号ｙ（ω）は次の様に制御される。
【０００４】

ただし、ｆ［・］：離散フーリエ変換即ち出力信号ｙ（ω）は、入力信号ｓ（ω）を、参照信号生成フィルタ４に与えた所望の振幅、及び位相・周波数特性へ補正した信号になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
説明を単純・明瞭にするため、周波数ω_０に対応する入力信号ｓ（ω_０）のみを考え、この入力信号は、時刻ｋとともに次の様に変化するものと仮定する。
ｋ≦ｋ_１ ： ｓ（ω_０）≠０
ｋ_１＜ｋ≦ｋ_２ ： ｓ（ω_０）＝０
ｋ_２＜ｋ ： ｓ（ω_０）≠０
（ａ）ｋ≦ｋ_１の時
前述の通り、周波数ω_０に対応する適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ω_０）（＝Ｃ（ω_０），Ｃ（ω_０）：周波数ω_０に対応するコンボルバ１の伝達関数）は（１）式に示される最適値へ収束する。この値をＨ_ＯＰＴ≠０とする。
（ｂ）ｋ_１＜ｋ≦ｋ_２の時
参照信号生成フィルタ４の出力信号ｄ（ω_０）、マイクロホン３の出力信号ｙ（ω_０）、及び第２遅延器１２の出力信号ｒ（ω_０）は全て零となる。｜ｅ（ω_０）｜^２＝｜ｄ（ω_０）−Ｃ（ω_０）｜^２つまり｜ｅ（ω_０）｜^２＝｜０−（０＋ｕ（ω_０）Ｈ（ω_０））｜^２を最小化することになり雑音ｕ（ω_０）は非零であるから、適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ω_０）は零へ収束する。
（ｃ）ｋ_２＜ｋの時
適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ω_０）は、（ａ）の場合と同様に再び最適値Ｈ_ＯＰＴへ収束する。
【０００６】
即ち、従来技術では、入力信号ｓ（ω_０）が変動し、繰返し零になると、この変動に応じて入力信号ｓ（ω_０）を所望特性へ補正する適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ω_０）（＝Ｃ（ω_０））は最適値Ｈ_ＯＰＴと零との間を揺れ動き、ｓ（ω_０）を所望特性に補正し続ける事は出来ない。
この発明の目的は、上述の様なｓ（ω_０）の変動に関わり無く、ｓ（ω_０）を所望の振幅、及び位相・周波数特性へ補正し続ける事の出来る音響特性補正装置を提供する事にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載のこの発明では、従来の第２遅延器１２を取り除き、コンボルバ１と同じ伝達関数を有する第２のコンボルバを設け、出力側のみを適応フィルタ６と並列に接続し、且つこの第２のコンボルバに雑音発生部７で発生される疑似雑音の逆相信号を入力した。また、雑音発生部７では参照信号ｄ（ω）を分析し、この信号が零となる周波数ω_０（ω_０は一つとは限らない）を同定し、この周波数の疑似雑音ｕ（ω_０）を発生する。この変更により、入力信号が零となり、従って参照信号も零となる周波数ω_０については、「誤差パワー｜ｅ（ω_０）｜^２＝｜Ｈ（ω_０）ｕ（ω_０）−Ｃ（ω_０）ｕ（ω_０）｜^２の最小化」を指導原理とするアルゴリズムにより、適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ω_０）は第２のコンボルバに既に設定されていた最適値Ｃ（ω_０）に拘束される。また、従来の第１遅延器１１は不要となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の請求項１で提案する音響特性補正装置の実施例を示す。図２と対応する部分には同一の符号を付している。入力信号ｓ（ω）はコンボルバ１のみを通じてスピーカ２と、参照信号生成フィルタ４とへ供給される。また、コンボルバ１と同一伝達関数を有するコンボルバ５が設けられ、コンボルバ５の出力は適応フィルタ６の出力と加算されてレプリカｃ（ω）とされる。また雑音発生部７からの疑似雑音ｕ（ω）が位相反転器１０を通じてコンボルバ５に入力される。雑音発生部７においては疑似雑音発生器９からの雑音ｎ（ω）が、乗算器８で重みα（ω）を与えられて疑似雑音ｕ（ω）＝α（ω）・ｎ（ω）として出力される。
【０００９】
コンボルバ１及び５の伝達関数Ｃ（ｚ）の初期値はｍサンプル遅延ｚ^−ｍである。入力信号ｓ（ω）は、コンボルバ１による処理を受け、信号ｘ（ω）としてスピーカ２と参照信号生成フィルタ４へ入力される。参照信号生成フィルタ４の伝達特性としてｔ＋ｍサンプル分の遅延を受けた所望特性ｚ^{−（ｔ＋ｍ）}Ｒ（ｚ）を設定する。この遅延は適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ｚ）を安定に収束させるためのものである。マイクロホン３の出力信号ｙ（ω）は、雑音発生部７で発生する疑似雑音ｕ（ω）と加算されて適応フィルタ６へ入力される。疑似雑音ｕ（ω）は、位相反転器１０において逆相信号となり、第２コンボルバ５へ入力される。雑音発生部７は、参照信号生成フィルタ４の出力ｄ（ω）を周波数重み計算部１３で分析し、その結果により適当な周波数重みα（ω）を計算し、疑似雑音発生器９で発生する雑音ｎ（ω）に周波数重みα（ω）を乗算器８で掛け、次の疑似雑音ｕ（ω）＝α（ω）ｎ（ω）を得る。雑音ｎ（ω）は全周波数にわたってほぼ一定の強度をもつものとする。周波数重みα（ω）は、例えば次の様に与えられる。
【００１０】
｜ｄ（ω_０）｜^２／Σω｜ｄ（ω）｜^２≦βの時、
α（ω_０）＝１ …（３ａ）
｜ｄ（ω_０）｜^２／Σω｜ｄ（ω）｜^２＞βの時、
０＜α（ω_０）＜＜１ …（３ｂ）
ただし、｜ｎ（ω）｜^２≒｜ｙ（ω）｜^２ （ω≠ω_０）
β：正の定数（例えば、１０^−４）
適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ｚ）は、「誤差パワーΣω｜ｅ（ω）｜^２＝Σω｜ｄ（ω）−ｃ（ω）｜^２の最小化」を指導原理とするアルゴリズムより求められる。
このアルゴリズムが収束すると、コンボルバ１及び５の伝達関数Ｃ（ｚ）はＨ（ｚ）に置き換えられる。以下、「発明が解決しようとする課題」の項の説明と同様に入力信号を変化させ、つまり周波数ω_０に対応する入力信号ｓ（ω_０）を考え、前記従来技術の問題点が解消されていることを確認する。入力信号ｓ（ω_０）は、時刻ｋとともに次の様に変化する。
【００１１】
ｋ≦ｋ_１ ： ｓ（ω_０）≠０
ｋ_１＜ｋ≦ｋ_２ ： ｓ（ω_０）＝０
ｋ_２＜ｋ ： ｓ（ω_０）≠０
（ａ）ｋ≦ｋ_１の時
式（３ｂ）を満す状態であり、｜ｕ（ω_０）｜^２＜＜｜ｙ（ω_０）｜^２となり、周波数ω_０に対応する適応フィルタ６の伝達関数Ｈ（ω_０）（＝Ｃ（ω_０），Ｃ（ω_０）：コンボルバ１及び５の伝達関数）は最適値ｆ［Ｚ^−ｍＲ（ｚ）／Ｇ（ｚ）］（ω＝ω_０）へ収束する。この値をＨ_ＯＰＴ≠０とする。
（ｂ）ｋ_１＜ｋ≦ｋ_２の時
参照信号生成フィルタ４の出力信号ｄ（ω_０）及びマイクロホン３の出力信号ｙ（ω_０）は零となる。また式（３ａ）を満す状態であり、十分な大きさの疑似雑音ｕ（ω_０）が雑音発生部７で発生され、「課題を解決するための手段」の項で述べた通り｜ｅ（ω_０）｜^２＝｜Ｈ（ω_０）ｕ（ω_０）−Ｃ（ω_０）ｕ（ω_０）｜^２の最小化により伝達関数Ｈ（ω_０）はＣ（ω_０）＝Ｈ_ＯＰＴに拘束される。
（ｃ）ｋ_２＜ｋの時
式（３ｂ）を満す状態であり、伝達関数Ｈ（ω_０）は（ａ）ｋ≦ｋ_１の時のようにＨ_ＯＰＴ≠０に収束することになるが、Ｈ（ω_０）＝Ｃ（ω_０）は既にＨ_ＯＰＴになっているからスピーカ２とマイクロホン３との間の伝達関数ｚ^−ｔＧ（ｚ）が変化しない限り、Ｈ（ω_０）は最適値Ｈ_ＯＰＴのままである。
【００１２】
即ち、この発明では、上述の様なｓ（ω_０）の変動に関わり無く、ｓ（ω_０）を所望の振幅、及び位相・周波数特性へ補正し続ける事が出来る。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば「適当な伝達関数を有する第１コンボルバを用いてスピーカ入力信号を生成し、且つ第１コンボルバと同じ伝達関数を有する第２コンボルバに出力側が並列接続された適応フィルタにより、スピーカ再生される音信号特性を所望特性に補正する伝達関数を求めて、この伝達関数を前記コンボルバへ設定する」と云う一連の処理を繰り返すことにより、音声や楽音の様に、供給される周波数成分が時間変動する信号をスピーカ再生する場合においても、音場内の１受聴点で観測されるスピーカ再生音の特性（音圧、及び位相・周波数特性）を所望特性へ補正し続けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に関わる音響特性補正装置の構成を示すブロック図。
【図２】従来技術を説明するためのブロック図。

Claims (2)

1. 原音信号が第１コンボルバへ供給され、
   第１コンボルバの出力が参照信号生成フィルタへ供給され、
   受聴点で観測された信号と雑音発生部よりの疑似雑音とが適応フィルタへ入力され、
   上記雑音発生部よりの疑似雑音が第２コンボルバへ供給され、
   上記適応フィルタの出力信号から上記第２コンボルバの出力信号が減算されてレプリカが生成され、
   上記レプリカと上記参照信号生成フィルタの出力である参照信号との誤差が最小となるように上記適応フィルタのフィルタ係数が計算され、
   そのフィルタ係数が上記第１コンボルバと上記第２コンボルバに設定される
   ことを特徴とする音響特性制御装置。
2. 上記参照信号の周波数成分ごとにそのパワーが所定値以下で、ほぼ０に近い重みが周波数重み計算部で計算され、所要周波数帯域でほぼ同一レベルの雑音に上記周波数重みが乗算部で乗算されて上記疑似雑音とされることを特徴とする請求項１記載の音響特性制御装置。

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