JP4509686B2

JP4509686B2 - 音響信号処理方法および装置

Info

Publication number: JP4509686B2
Application number: JP2004222393A
Authority: JP
Inventors: 正雄須崎; 義規加藤
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: JP2006042195A; US7664271B2; US20060023889A1; CN1728890A; CN100566458C

Description

本発明は、Ｌ信号（左信号）とＲ信号（右信号）の２チャンネルのステレオ信号を入力して、２つのスピーカによるステレオ音像を拡大する技術に係り、特にＬ信号とＲ信号の差信号を強調した上で、短い遅延時間のクロストークキャンセル処理を加えることにより、音像が２つのスピーカの外側に定位するようにした音響信号処理方法および装置に関するものである。

人間が聴取できる音声周波数分布は、その大半が３００Ｈｚ〜３．５ｋＨｚ付近に集中しており、会話での明瞭度に重要とされているのは１ｋＨｚであり、その波長は３０ｃｍである。よって、仮に音声が頭の左横方向から到達すると、左耳に比べて右耳は約１５ｃｍ離れているため、右耳には左耳と逆位相で到達することになるので、左側と右側から同じ音響が到達する場合、聴取者は音像が正面にあると感じる。

しかし、Ｌ−Ｒ信号は、Ｒ信号に対して位相の変化と音量差を生じているため、人間は１ｋＨｚ付近でのＬ−Ｒ信号の音像を左１８０度の範囲で左横に定位することになり、左真横から来るように感じる。また、Ｒ−Ｌ信号は、Ｌ信号に対して位相の変化と音量差を生じているため、人間は１ｋＨｚ付近でのＲ−Ｌ信号の音像を右１８０度の範囲で右横に定位することになり、右真横から来るように感じる。

図２は従来のサラウンド再生回路（例えば、特許文献１参照）を示す図であり、入力端子３１、３２から入力するステレオのＬ信号とＲ信号から加算器３５によりＬ−Ｒ信号であるＬ側サラウンド信号を生成し、僅かのボーカルの高い周波数成分と反響音が主であるこの差信号を、ローパスフィルタ３６に入力させて耳障りな信号成分を除去し、演算増幅器３７で元の信号への加算量を調整し、加算器３８でＬ−Ｒ信号成分を元のＬ信号にＬ側サラウンド信号として加算し、加算器３９でＬ−Ｒ信号成分を反転して元のＲ信号にＲ側サラウンド信号として加算し、出力端子４２、４３に出力し、サラウンド効果を実現していた。３３、３４、４０、４１はバッファである。

以上のように、人間の耳で強調される方向感が判りやすい音声信号成分を除去し、方向感の判りにくい周波数帯の残響音や反射音を増強してＬ信号やＲ信号にミキシングし、位相の変化と音量差を強調することでサラウンド効果を得ていた。
特開２００２−３５４５９５号公報

従来技術であるサラウンド再生回路は、Ｌ−Ｒの差信号成分を強調していたため、一方の耳に入る音響信号は、一方のスピーカから発せられた信号のみでなく、２つのスピーカから発せられた信号の加算結果であり、耳における位相周波数特性に乱れが生じていたため、広がり感はあるが、その定位が明確ではなくなるという問題があった。

本発明の目的は、音像の定位を明確にし、位相周波数特性の乱れを小さくし、また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した音響信号処理方法および装置を提供することである。

請求項１にかかる発明の音響信号処理方法は、Ｒ側入力信号を０．７５以上１未満の増幅率で増幅した信号をＬ側入力信号から減算しカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzのローパスフィルタで低域成分を取り出し０を越え２．０以下の増幅率で増幅したＬ側差信号成分と、前記Ｒ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号を前記Ｌ側入力信号に加算したＬ側和信号成分とを加算してＬ側差信号強調信号とし、前記Ｌ側入力信号を０．７５以上１未満の増幅率で増幅した信号を前記Ｒ側入力信号から減算しカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzのローパスフィルタで低域成分を取り出し０を越え２．０以下の増幅率で増幅したＲ側差信号成分と、前記Ｌ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号を前記Ｒ側入力信号に加算したＲ側和信号成分とを加算してＲ側差信号強調信号とし、前記Ｒ側差信号強調信号を１ｍｓ以下（但し、０ではない）遅延させ周波数が１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ以下の低音域と周波数が７ｋＨｚ〜１１ｋＨｚ以上の高音域を取り除き０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号をＬ側クロストークキャンセル用として前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側出力信号とし、前記Ｌ側差信号強調信号を１ｍｓ以下（但し、０ではない）遅延させ周波数が１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ以下の低音域と周波数が７ｋＨｚ〜１１ｋＨｚ以上の高音域を取り除き０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号をＲ側クロストークキャンセル用として前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側出力信号とする、ことを特徴とする。

請求項２にかかる発明の音響信号処理装置は、差信号強調部とクロストークキャンセル部とを有する音響信号処理装置であって、前記差信号強調部は、Ｌ側入力信号を所定の増幅率で増幅する第１の増幅器と、Ｒ側入力信号を所定の増幅率で増幅する第２の増幅器と、前記Ｌ側入力信号から前記第２の増幅器の出力信号を減算する第１の減算器と、前記Ｒ側入力信号から前記第１の増幅器の出力信号を減算する第２の減算器と、前記第１の減算器の出力側に接続されるカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzの第１のローパスフィルタと、前記第２の減算器の出力側に接続されるカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzの第２のローパスフィルタと、前記Ｌ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅する第３の増幅器と、前記Ｒ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅する第４の増幅器と、前記第１のローパスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第５の増幅器と、前記第２のローパスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第６の増幅器と、前記Ｌ側入力信号と前記第４の増幅器の出力信号を加算する第１の加算器と、前記Ｒ側入力信号と前記第３の増幅器の出力信号を加算する第２の加算器と、前記第１の加算器の出力信号と前記第５の増幅器の出力信号を加算する第３の加算器と、前記第２の加算器の出力信号と前記第６の増幅器の出力信号を加算する第４の加算器とを有し、前記クロストークキャンセル部は、前記第３の加算器の出力信号を０．１ｍｓ以下（但し、０を含まない）遅延させる第１の遅延回路と、前記第４の加算器の出力信号を０．１ｍｓ以下（但し、０を含まない）遅延させる第２の遅延回路と、前記第１の遅延回路の出力側に接続され低音域と高音域を取り除く第１のバンドパスフィルタと、前記第２の遅延回路の出力側に接続され低音域と高音域を取り除く第２のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第７の増幅器と、前記第２のバンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第８の増幅器と、前記第３の加算器の出力信号から前記第８の増幅器の出力信号を減算する第３の減算器と、前記第４の加算器の出力信号から前記第７の増幅器の出力信号を減算する第４の減算器とを有し、且つ、前記第１および第２の増幅器の利得は０．７５以上１未満であり、前記第５および第６の増幅器の利得は０を越え２．０以下であり、前記第７および第８の増幅器の利得は０を越え０．５以下であり、前記第１および第２のバンドパスフィルタは低域側のカットオフ周波数が１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ、高域側のカットオフ周波数が７ＫＨｚ〜１１ＫＨｚである、ことを特徴とする。

本発明によれば、Ｌ＋Ｒ信号に高域成分を減衰させたＬ−Ｒ信号を加算してＬ−Ｒ信号を強調したＬ側差信号強調信号と、Ｒ＋Ｌ信号に高域成分を減衰させたＲ−Ｌ信号を加算してＲ−Ｌ信号を強調したＲ側差信号強調信号をそれぞれ独立して生成するので、音像の定位を明確にすることができる。

また、Ｒ側差信号強調信号を遅延し低域と高域を除去した信号をＬ側差信号強調信号から減算するので、Ｒ側スピーカからのクロストーク成分がＬ側スピーカによってキャンセルされる。また、Ｌ側差信号強調信号を遅延し低域と高域を除去した信号をＲ側差信号強調信号から減算するので、Ｌ側スピーカからのクロストーク成分がＲ側スピーカによってキャンセルされる。これにより、位相周波数特性の乱れを低減でき、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。また、簡単な構成で上記の効果を得られるため、少ない処理量で実現することができる。

本発明では、まず、差信号強調部において、Ｌ信号とＲ信号の差信号成分であるＬ−Ｒ信号に基づくＬ側差信号強調信号（Ｌ側信号にＬ−Ｒの差信号が加算された信号）、及びＲ信号とＬ信号の差信号成分であるＲ−Ｌ信号に基づくＲ側差信号強調信号（Ｒ側信号にＲ−Ｌの差信号が加算された信号）を、それぞれ個別に生成する。

この差信号強調部では、Ｌ−Ｒ信号を生成するときにＲ信号の利得を０．７５〜１．０の範囲で変えられるようにして、Ｒ信号成分をＬ≧Ｒの利得とすることで、Ｌ信号とＲ信号の合成信号を強調成分として使用しても音像の定位が明確になるようにする。また、Ｒ−Ｌ信号でも、Ｒ−Ｌ信号を生成するときにＬ信号の利得を０．７５〜１．０の範囲で変えられるようにして、Ｌ信号成分をＬ≦Ｒの利得とすることで、Ｌ−Ｒ信号と同様に合成信号を強調成分として使用しても音像の定位が明確になるようにする。Ｌ−Ｒ信号、Ｒ−Ｌ信号は反響音などの高い周波数成分がほとんどであり、ボーカル成分はほとんど含まれていない。

また、Ｌ−Ｒ信号、Ｒ−Ｌ信号の高い周波数成分内には、耳障りと認識される信号成分が含まれているため、その信号成分をローパスフィルタにより除去する。また、ローパスフィルタの出力信号の利得を０〜２．０の範囲で変えられるようにして、加算する強調成分の大きさを変えられるようにする。このローパスフィルタは、カットオフ周波数が略７ＫＨｚ〜略１１ＫＨｚであればよい。

また、Ｌ信号とＲ信号の和信号成分であるＬ＋Ｒ信号、Ｒ＋Ｌ信号を生成する。これは、Ｌ−Ｒ信号、Ｒ−Ｌ信号の強調成分にはボーカル成分がほとんど含まれていないため、元の信号に加算したときの音の中抜けを防止することが目的で、Ｌ＋Ｒ信号を生成するときにＲ信号の利得を０〜０．５の範囲で変えることでＬ＞Ｒの利得とし、またＲ＋Ｌ信号を生成するときにＬ信号の利得を０〜０．５の範囲で変えることでＬ＜Ｒの利得とする。

この中抜け防止用のＬ＋Ｒ信号、Ｒ＋Ｌ信号を、差信号強調用のＬ−Ｒ信号、Ｒ−Ｌ信号と加算することで、Ｌ側差信号強調信号、Ｒ側差信号強調信号を生成して、より音像の定位を明確にする。以上により、入力信号を強調しつつ尚且つ音像の定位を明確にする。

次に、クロストークキャンセル部において、Ｌ−Ｒ信号とＬ＋Ｒ信号を加算したＬ側差信号強調信号をクロストークキャンセル部のＬ側入力信号とし、Ｒ−Ｌ信号とＲ＋Ｌ信号を加算したＲ側差信号強調信号をクロストークキャンセル部のＲ側入力信号とする。

Ｒ側差信号強調信号は０．１ｍｓ以下（但し、０ではない）の短い遅延時間を持たせることで位相をずらし、その信号を、Ｌ信号側での高域側減衰防止を目的とするローパスフィルタとＬ信号側での低域側減衰防止を目的とするハイパスフィルタに通過させる（つまりバンドパスフィルタを通過させる）ことで信号成分の補正を行い、その信号を反転させ、逆相成分にしてＬ側入力信号に加算することで、スピーカからの出力（音場）において発生する、Ｒ側へのクロストーク成分を除去する。

また、同様に、Ｌ側差信号強調信号は０．１ｍｓ以下（但し、０ではない）の短い遅延時間を持たせることで位相をずらし、その信号を、Ｒ信号側での高域側減衰を目的とするローパスフィルタとＲ信号側での低域側減衰を目的とするハイパスフィルタに通過させる（つまりバンドパスフィルタを通過させる）ことで信号成分の補正を行い、その信号を反転させ、逆相成分にしてＲ側入力信号に加算することで、スピーカからの出力（音場）において発生する、Ｌ側へのクロストーク成分を除去する。位相周波数特性の乱れを低減する。

また、上記のように遅延時間を０．１ｍｓ以下と短い時間にすることで、出力するスピーカの間隔が狭い場合でもその効果を十分に発揮させる。なお、０．１ｍｓ以下で遅延させた信号は、その利得が０．５を超えると音像が頭の中に定位するので、その利得は０〜０．５の範囲とする。

このように、差信号強調部で入力信号を強調し、音像の定位を明確にして、さらにクロストークキャンセル部により、位相周波数特性の乱れを低減し、且つ音像が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。

図１は本発明の１つの実施例を示す図で、１はＬ信号入力端子、２はＲ信号入力端子、３，４は増幅率が０．７５〜１の演算増幅器、５，６は減算器、７，１０はカットオフ周波数が略７ＫＨｚ〜略１１ＫＨｚのローパスフィルタ、８，９は増幅率が０〜０．５の演算増幅器、１１，１４は増幅率が０〜２．０の演算増幅器、１２，１３は加算器、１５，１６は加算器であり、以上により差信号強調部２９が構成されている。

また、１７，１８は遅延時間が略０．１ｍｓ以下（但し、０ではない）の遅延回路、１９，２０はカットオフ周波数が略７ＫＨｚ〜略１１ＫＨｚのローパスフィルタ、２１，２２はカットオフ周波数が略１００Ｈｚ〜略３００Ｈｚのハイパスフィルタ、２３，２４は増幅率が０〜０．５の演算増幅器、２５，２６は減算器、２７はＬ信号出力端子、２８はＲ信号出力端子であり、以上によりクロストークキャンセル部３０が構成されている。ローパスフィルタ１９とハイパスフィルタ２１、ローパスフィルタ２０とハイパスフィルタ２２は、それぞれバンドパスフィルタを構成する。

Ｌ信号入力端子１からの信号と、演算増幅器４で０．７５〜１．０の範囲で利得を変えたＲ信号入力端子２からの信号を減算器５で減算し、減算器５の出力信号であるＬ−Ｒ信号をローパスフィルタ７に入力して耳障りな高域成分を除去し、その出力信号の利得を演算増幅器１１で変え、さらに、Ｌ信号入力端子１からの信号と、演算増幅器９で０〜０．５の範囲で利得を変更したＲ信号入力端子２からの信号を加算器１２で加算し、加算器１２の出力信号と演算増幅器１１の出力信号を加算器１５で加算した信号を、差信号強調部２９のＬ側差信号強調信号、つまりクロストークキャンセル部３０のＬ側入力信号とする。

また、Ｒ信号入力端子２からの信号と、演算増幅器３で０．７５〜１．０の範囲で利得を変えたＬ信号入力端子１からの信号を減算器６で減算し、減算器６の出力信号であるＲ−Ｌ信号をローパスフィルタ１０に入力して耳障りな高域成分を除去し、その出力信号の利得を演算増幅器１４で変え、さらに、Ｒ信号入力端子２からの信号と、演算増幅器８で０〜０．５の範囲で利得を変更したＬ信号入力端子１からの信号を加算器１３で加算し、加算器１３の出力信号と演算増幅器１４の出力信号を加算器１６で加算した信号を、差信号強調部２９のＲ側差信号強調信号、つまりクロストークキャンセル部３０のＲ側入力信号とする。

次に、加算器１５の出力信号を遅延回路１７の入力とし、遅延回路１７の出力信号をローパスフィルタ１９に入力し、その出力信号をハイパスフィルタ２１に入力し、その出力信号の利得を演算増幅器２３で変え、加算器１６の出力信号と減算器２６で減算し、その出力信号をＲ側出力端子２８の出力信号とする。

また、加算器１６の出力信号を遅延回路１８の入力とし、遅延回路１８の出力信号をローパスフィルタ２０に入力し、その出力信号をハイパスフィルタ２２に入力し、その出力信号の利得を演算増幅器２４で変え、加算器１５の出力信号と減算器２５で減算し、その出力信号をＬ側出力端子２７の出力信号とする。

本発明の１つの実施例の音響信号処理装置の回路図である。従来の音響信号処理装置の回路図である。

符号の説明

１：Ｌ信号入力端子、２：Ｒ信号入力端子、３，４：演算増幅器、５，６：減算器、７、１０：ローパスフィルタ、８，９：演算増幅器、１１，１４：演算増幅器、１２，１３：加算器、１５，１６：加算器
１７，１８：遅延回路、１９，２０：ローパスフィルタ、２１，２２：ハイパスフィルタ、２３，２４：演算増幅器、２５，２６：減算器、２７：Ｌ信号出力端子、２８：Ｒ信号出力端子
２９：差信号強調部、３０：クロストークキャンセル部

Claims

Ｒ側入力信号を０．７５以上１未満の増幅率で増幅した信号をＬ側入力信号から減算しカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzのローパスフィルタで低域成分を取り出し０を越え２．０以下の増幅率で増幅したＬ側差信号成分と、前記Ｒ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号を前記Ｌ側入力信号に加算したＬ側和信号成分とを加算してＬ側差信号強調信号とし、
前記Ｌ側入力信号を０．７５以上１未満の増幅率で増幅した信号を前記Ｒ側入力信号から減算しカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzのローパスフィルタで低域成分を取り出し０を越え２．０以下の増幅率で増幅したＲ側差信号成分と、前記Ｌ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号を前記Ｒ側入力信号に加算したＲ側和信号成分とを加算してＲ側差信号強調信号とし、
前記Ｒ側差信号強調信号を１ｍｓ以下（但し、０ではない）遅延させ周波数が１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ以下の低音域と周波数が７ｋＨｚ〜１１ｋＨｚ以上の高音域を取り除き０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号をＬ側クロストークキャンセル用として前記Ｌ側差信号強調信号から減算してＬ側出力信号とし、
前記Ｌ側差信号強調信号を１ｍｓ以下（但し、０ではない）遅延させ周波数が１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ以下の低音域と周波数が７ｋＨｚ〜１１ｋＨｚ以上の高音域を取り除き０を越え０．５以下の増幅率で増幅した信号をＲ側クロストークキャンセル用として前記Ｒ側差信号強調信号から減算してＲ側出力信号とする、
ことを特徴とする音響信号処理方法。
差信号強調部とクロストークキャンセル部とを有する音響信号処理装置であって、
前記差信号強調部は、Ｌ側入力信号を所定の増幅率で増幅する第１の増幅器と、Ｒ側入力信号を所定の増幅率で増幅する第２の増幅器と、前記Ｌ側入力信号から前記第２の増幅器の出力信号を減算する第１の減算器と、前記Ｒ側入力信号から前記第１の増幅器の出力信号を減算する第２の減算器と、前記第１の減算器の出力側に接続されるカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzの第１のローパスフィルタと、前記第２の減算器の出力側に接続されるカットオフ周波数が７ｋHz〜１１ｋHzの第２のローパスフィルタと、前記Ｌ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅する第３の増幅器と、前記Ｒ側入力信号を０を越え０．５以下の増幅率で増幅する第４の増幅器と、前記第１のローパスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第５の増幅器と、前記第２のローパスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第６の増幅器と、前記Ｌ側入力信号と前記第４の増幅器の出力信号を加算する第１の加算器と、前記Ｒ側入力信号と前記第３の増幅器の出力信号を加算する第２の加算器と、前記第１の加算器の出力信号と前記第５の増幅器の出力信号を加算する第３の加算器と、前記第２の加算器の出力信号と前記第６の増幅器の出力信号を加算する第４の加算器とを有し、
前記クロストークキャンセル部は、前記第３の加算器の出力信号を０．１ｍｓ以下（但し、０を含まない）遅延させる第１の遅延回路と、前記第４の加算器の出力信号を０．１ｍｓ以下（但し、０を含まない）遅延させる第２の遅延回路と、前記第１の遅延回路の出力側に接続され低音域と高音域を取り除く第１のバンドパスフィルタと、前記第２の遅延回路の出力側に接続され低音域と高音域を取り除く第２のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第７の増幅器と、前記第２のバンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅率で増幅する第８の増幅器と、前記第３の加算器の出力信号から前記第８の増幅器の出力信号を減算する第３の減算器と、前記第４の加算器の出力信号から前記第７の増幅器の出力信号を減算する第４の減算器とを有し、
且つ、前記第１および第２の増幅器の利得は０．７５以上１未満であり、前記第５および第６の増幅器の利得は０を越え２．０以下であり、前記第７および第８の増幅器の利得は０を越え０．５以下であり、前記第１および第２のバンドパスフィルタは低域側のカットオフ周波数が１００Ｈｚ〜３００Ｈｚ、高域側のカットオフ周波数が７ＫＨｚ〜１１ＫＨｚである、ことを特徴とする音響信号処理装置。