JP5566269B2

JP5566269B2 - オーディオ信号再生装置

Info

Publication number: JP5566269B2
Application number: JP2010258663A
Authority: JP
Inventors: 貴司山崎; 勝木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: JP2012108411A

Description

この発明は、低音再生能力が不十分なスピーカーに対し再生能力の不十分な帯域の低音を擬似的に感じさせる擬似重低音を生成するオーディオ信号再生装置に関するものである。

近年、低音の再生能力が不十分であるスピーカーに対し、音響心理的特徴“Missing fundamental”を利用することで、低音感を擬似的に創出する技術が多く開発されている。“Missing fundamental”とは、ユーザが2つ以上の周波数の音を同時に聴くと、その差分の音が聴こえると錯覚する特徴である。例えば、以下の特許文献１には、音響心理的特徴“Missing fundamental”を利用した擬似重低音生成装置が開示されている。

この特許文献１による擬似重低音生成装置では、スピーカーの最低共振周波数f₀ 以下の低音成分信号から高調波成分信号を生成し、その高調波成分信号を入力信号であるオーディオ信号に加算することで、スピーカーの最低共振周波数f₀ 以下の低音成分がなくても、その高調波成分信号によって低音成分が聴こえると錯覚させている。

前記擬似重低音生成装置では、図１１の構成において、入力信号であるオーディオ信号から抽出した低音成分信号を方形波信号生成部21に入力して方形波信号を生成し、乗算器22により、前記方形波信号生成部21で生成された方形波信号とオーディオ信号から抽出された低音成分信号を乗算して偶数次高調波成分信号を生成している。さらに、乗算器22により生成された偶数次高調波成分信号と前記低音成分信号を乗算器23で乗算して奇数次高調波成分信号を生成し、その奇数次高調波成分信号と乗算器22により生成された偶数次高調波成分信号を加算器24で加算することで高調波成分信号を生成している。

特開2009-44655号公報

従来の擬似重低音生成装置は、偶数次高調波成分信号を生成する際にDC成分も併せて生成している。図１２に低音成分信号（点線、100Hzの正弦波）、奇数次高調波成分信号（実線）と偶数次高調波成分信号(鎖線)の周波数特性を示す。図１２より、偶数次高調波成分信号はDC成分と低音成分信号の偶数次高調波成分（200Hz、400Hz、600Hz、…）から構成されていることがわかる。そのため、スピーカーの振動板が前（または後ろ）に出た状態になり、スピーカーの振動板の振動範囲が制限され、音が歪み、音質劣化が起こりやすいという問題点がある。そこで、従来の擬似重低音生成装置では音質劣化の要因となるDC成分の除去を行っている。DC成分の除去方法として、偶数次高調波成分信号の平均値やハイパスフィルタ（HPF）等を用いる方法があるが、オーディオ信号より抽出する低音成分の帯域によってはDC成分を完全に除去することは困難であり、DC成分除去後の信号の位相がずれしてしまう場合もある。また、生成した偶数次高調波成分信号は90度の位相ずれがある高調波成分より構成されていることや、高次の高調波成分において、奇数次高調波成分（図１２の実線）と比較して偶数次高調波成分（図１２の鎖線）のパワー減衰量が小さくパワーバランスが悪いため、音質が劣化する。
この発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、偶数次高調波成分信号を生成する際に、音質を劣化させるDC成分や位相が90度ずれた高調波成分を一切生成しないことを目的とする。

この発明に係るオーディオ信号再生装置は、
入力信号であるオーディオ信号より低音成分信号を抽出する低音成分抽出部と、
低音成分抽出部からの低音成分信号より奇数次高調波成分信号を生成する奇数次高調波生成部と、
同じく低音成分抽出部からの低音成分信号より90度位相ずれ信号を生成する90度位相変換部と、
90度位相変換部の90度位相ずれ信号と奇数次高調波生成部の奇数次高調波成分信号を乗算して、偶数次高調波成分信号を生成する偶数次高調波乗算器と
偶数次高調波乗算器の偶数次高調波成分信号の振幅を調整する第１の振幅調整部と、
奇数次高調波生成部からの奇数次高調波成分信号と第１の振幅調整部で振幅調整された偶数次高調波成分信号を加算して高調波成分信号を出力する高調波加算器と、
高調波加算器の高調波成分信号の振幅を調整する第２の振幅調整部と、
入力信号であるオーディオ信号と第２の振幅調整部で振幅調整された高調波成分信号を加算して出力信号を出力する出力生成加算器を備える。

この発明のオーディオ信号再生装置によれば、奇数次高調波成分信号乗算器において全波整流部より出力される全波整流信号と低音成分信号を乗算して奇数次高調波成分信号を生成し、かつ、偶数次高調波成分信号乗算器において奇数次高調波成分信号乗算器より生成される奇数次高調波成分信号と90度位相変換部より生成される低音成分信号の位相を90度ずらした90度位相ずれ信号を乗算してDC成分がなく、位相ずれのない偶数次高調波成分信号を生成しているので、音質劣化のない良質な高調波成分を生成することができる。また、振幅調整部において振幅値Aの逆数に加えゲインαを乗算しているため、入力信号に加える高調波成分信号の割合が変化し、出力信号をスピーカーで再生した際に感じる低音感の効果を変更することができる。

この発明の実施の形態１によるオーディオ信号再生装置を示す構成図である。高調波生成部における奇数次高調波生成部の構成図である。実施の形態１による低音成分信号（点線、100Hzの正弦波）と全波整流信号（実線）の周波数特性図である。実施の形態１による全波整流信号（実線）と奇数次高調波成分信号（点線）の周波数特性図である。実施の形態１による奇数次高調波成分信号（点線）と偶数次高調波成分信号(実線)の周波数特性図である。実施の形態１による奇数次高調波成分信号（点線）と振幅調整した偶数次高調波成分信号(実線)の周波数特性図である。実施の形態１による低音成分信号（点線）と振幅調整した高調波成分信号(実線)の周波数特性図である。この発明の実施の形態２によるオーディオ信号再生装置の高調波生成部の構成図である。この発明の実施の形態３によるオーディオ信号再生装置の高調波生成部を示す構成図である。この発明の実施の形態４によるオーディオ信号再生装置の高調波生成部の構成図である。従来の擬似重低音生成装置の構成図である。従来の擬似重低音生成装置における低音成分信号、奇数次高調波成分信号および偶数次高調波成分信号の周波数特性図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるオーディオ信号再生装置を示す構成図である。図１において、オーディオ信号再生装置は、オーディオ信号である入力信号から低音成分信号を抽出する低音成分抽出部1、高調波成分信号を生成する高調波生成部2、出力信号を生成する出力生成加算器3より構成される。
高調波生成部2は奇数次高調波成分信号を生成する奇数次高調波生成部4、90度位相ずれ信号を生成する90度位相変換部5、偶数次高調波成分信号を生成する偶数次高調波乗算器6、偶数次高調波成分信号の振幅を調整する第１の振幅調整部7、高調波成分信号を生成する高調波加算器8、高調波成分信号の振幅を調整する第２の振幅調整部9から構成される。
図２は高調波生成部2における奇数次高調波生成部4の構成図である。図２において、奇数次高調波生成部4は、全波整流信号を生成する全波整流部10、奇数次高調波成分信号を生成する奇数次高調波乗算器11から構成される。

次に動作について説明する。
低音成分信号抽出部1は、オーディオ信号である入力信号が入力されると、スピーカーの最低共振周波数f₀以下の低音成分からなる低音成分信号を入力信号より抽出し、その低音成分信号を高調波生成部2へ出力する。
例えば、スピーカーの最低共振周波数f₀が100 Hzである場合は、100 Hz以下の低音成分からなる低音成分信号を抽出する。
ここでは、低音成分抽出部1より抽出した低音成分信号を正弦波Asinωt（A：振幅値、ω：角周波数、t：時間）であるとして説明する。
高調波生成部2は低音成分抽出部1より出力された低音成分信号を奇数次高調波生成部4および90度位相変換部5へ分配し、低音成分信号の高調波成分信号を生成後、高調波成分信号を出力生成加算器3へ出力する。

出力生成加算器3は、高調波成分部2より出力された高調波成分信号をオーディオ信号である入力信号と加算し、出力信号として出力する。
奇数次高調波生成部4は、低音成分信号が入力されると全波整流部10および奇数次高調波乗算器11に出力する。
全波整流部10は、入力した低音成分信号より、信号の振幅値の絶対値を取った全波整流信号を生成し、奇数次高調波乗算器11へ出力する。
ここで、全波整流部10より出力される全波整流信号は式(1)のように表すことができる。

式(1)より、全波整流信号はDC成分（実線）と偶数次高調波成分（点線）より構成されていることがわかる。
図３に低音成分信号（点線、100Hzの正弦波）と全波整流信号（実線）の周波数特性を示す。図３より、全波整流信号はDC成分と低音成分信号の偶数次高調波成分（200Hz、400Hz、600Hz、…）を生成していることがわかる。
奇数次高調波乗算器11は、低音成分信号と全波整流部10より出力された全波整流信号を乗算し、その結果生成される奇数次高調波成分信号を偶数次高調波乗算器6及び高調波加算器8へ出力する。
低音成分信号Asinωtと全波整流信号（式(1)）の乗算により出力される奇数次高調波成分信号は式(2)のように表すことができる。

式(2)より、生成される奇数次高調波成分信号にはDC成分が含まれていない。また、低音成分信号の位相と一致していることもわかる。
図４に全波整流信号（実線）と奇数次高調波成分信号（点線）の周波数特性を示す。図４より、奇数次高調波成分信号は低音成分信号（100Hz）の奇数次高調波成分（100Hz、300Hz、500Hz、…）を生成していることがわかる。

90度位相変換部5は低音成分信号の位相を90度ずらした90度位相ずれ信号を生成し、偶数次高調波乗算器6へ出力する。

90度位相変換の方法としては、低音成分信号の位相を90度ずらした90度位相ずれ信号を生成する方法であればよく、例えば、ヒルベルト変換、微分や積分などの処理方法である。
ここで、90度位相変換器5において低音成分信号Asinωtの位相を90度ずらした90度位相ずれ信号はAcosωtである。

偶数次高調波乗算器6は、奇数次高調波乗算器11より出力される奇数次高調波成分信号と90度位相変換部5より出力される低音成分信号の90度位相ずれ信号を乗算し、その結果生成された偶数次高調波成分信号を第１の振幅調整部7へ出力する。
奇数次高調波乗算器11より出力される奇数次高調波成分信号（式(2)）と90度位相変換部5より出力される90度位相ずれ信号Acosωtの乗算により生成される偶数次高調波成分信号は式(3)のように表すことができる。

式(3)より、生成される偶数次高調波成分信号にはDC成分が含まれていない。また、低音成分信号の位相と一致していることもわかる。

図５に奇数次高調波成分信号（点線）と偶数次高調波成分信号(実線)の周波数特性を示す。図５より、偶数次高調波成分信号は低音成分信号（100Hz）の偶数次高調波成分（200Hz、400Hz、600Hz、…）を生成しており、かつ、DC成分を生成しないこともわかる。

第１の振幅調整部7は、偶数次高調波乗算器6より生成される偶数次高調波成分信号の振幅調整を行い、振幅調整した偶数次高調波成分信号を高調波加算器8へ出力する。
第１の振幅調整部7は、偶数次高調波乗算器6より生成される偶数次高調波成分信号のパワーを奇数次高調波乗算器11より生成される奇数次高調波成分信号のパワーと揃えるため、低音成分信号Asinωtの振幅値Aの逆数を乗算し振幅調整を行う。

図６に奇数次高調波成分信号（点線）と振幅調整した偶数次高調波成分信号(実線)の周波数特性を示す。図６より、振幅調整前（図５）と比較し、隣り合う次数の高調波成分信号のパワーが、次数が大きいほど減衰した信号となっていることがわかる。

高調波加算器8は、奇数次高調波乗算器11より生成される奇数次高調波成分信号と第１の振幅調整部7より出力される振幅調整した偶数次高調波成分信号を加算し、その結果生成された高調波成分信号を第２の振幅調整部9へ出力する。
第２の振幅調整部9は、高調波加算器8より出力される高調波成分信号の振幅調整を行い、振幅調整した高調波成分信号を出力生成加算器3へ出力する。
第２の振幅調整部9は、高調波加算器8より出力される高調波成分信号のパワーを低音成分信号Asinωtのパワーと揃えるため、振幅値Aの逆数を乗算することで振幅調整を行う。

図７に低音成分信号（点線）と振幅調整した高調波成分信号(実線)の周波数特性を示す。図７より、振幅調整した高調波成分信号は、低音成分信号のパワーと等価な高調波成分から構成されていることがわかる。
また、第２の振幅調整部9は振幅値Aの逆数に加え、ゲインαを乗算し、出力生成加算器3において入力信号に加算する高調波成分信号の割合を変更する。

以上のように、奇数次高調波乗算器11において全波整流部10より出力される全波整流信号と低音成分信号を乗算して奇数次高調波成分信号を生成し、かつ、偶数次高調波乗算器6において奇数次高調波乗算器11より生成される奇数次高調波成分信号と90度位相変換部5より生成される低音成分信号の位相を90度ずらした90度位相ずれ信号を乗算してDC成分がなく、位相ずれのない偶数次高調波成分信号を生成しているので、音質劣化のない良質な高調波成分を生成することができる。また、第２の振幅調整部9において振幅値Aの逆数に加えゲインαを乗算しているため、入力信号に加える高調波成分信号の割合が変化し、出力信号をスピーカーで再生した際に感じる低音感の効果を変更することができる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２によるオーディオ信号再生装置の高調波生成部2を示す構成図であり、図において、図１と異なる部分に関して説明する。高調波生成部2に関して、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
実施の形態２によるオーディオ信号再生装置は、実施の形態１の構成に低音成分信号Asinωtの振幅値Aを計算する振幅値計算部12を追加した構成である。

次に動作について説明する。
振幅値計算部12は低音成分信号Asinωtと90度位相変換部5より出力される90度位相ずれ信号Acosωtを入力して振幅値Aを計算し、その計算結果を第１の振幅調整部7及び第２の振幅調整部9へ出力する。
振幅値Aの算出は三角関数の公式を利用することで式(4)より行う。

以上より、偶数次高調波乗算器6より生成される偶数次高調波成分信号及び高調波加算器8より生成される高調波成分信号をそれぞれ第１の振幅調整部7及び第２の振幅調整部9において、振幅値計算部12より計算した振幅値Aにより振幅調整することで、良質な高調波成分信号を生成することができる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３によるオーディオ信号再生装置の高調波生成部2を示す構成図であり、図において、図１と異なる部分に関して説明する。高調波生成部に関して、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。本実施の形態３によるオーディオ信号再生装置は、実施の形態１の構成に低音成分信号Asinωtの振幅値Aを計算する振幅値計算部12を追加した構成であり、また、実施の形態２と異なる点は、振幅値計算部12の入力信号が低音成分信号Asinωtと90度位相ずれ信号Acosωtでなく、奇数次高調波生成部4を構成する全波整流部10の全波整流信号を入力する点である。

次に動作について説明する。
振幅値計算部12は全波整流部10より出力される全波整流信号を入力して振幅値Aを計算し、その計算結果を第１の振幅調整部7及び第２の振幅調整部9へ出力する。
振幅値の算出は全波整流信号に対し、ローパスフィルタを通し、その結果出力される信号を低音成分信号の振幅値とすることで行う。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４によるオーディオ信号再生装置の高調波生成部2を示す構成図であり、図において、図１及び図８と異なる部分に関して説明する。高調波生成部２に関して、図１及び図８と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
実施の形態４によるオーディオ信号再生装置は、実施の形態１の構成に低音成分信号Asinωtの振幅値Aを計算する振幅値計算部12を追加した構成であり、図８に示す実施の形態２と異なる点は、振幅値計算部12の入力信号が低音成分信号Asinωtと90度位相ずれ信号Acosωtでなく、低音成分信号Asinωtのみである点である。

次に動作について説明する。
振幅値計算部12は低音成分信号Asinωtを入力して振幅値Aを計算し、その計算結果を第１の振幅調整部7及び第２の振幅調整部9へ出力する。
低音成分信号の振幅値Aは低音成分信号AsinωtのRMS（Root Mean Square）の計算結果を用いる。

この発明に係るオーディオ信号再生装置は、液晶ＴＶ(Television)など薄型の製品で搭載スピーカーが小型化され十分な低音感が得られにくい製品全般に有用である。

1；低音成分抽出部、2；高調波生成部、3；出力生成加算器、4；奇数次高調波生成部、5；90度位相変換部、6；偶数次高調波乗算器、7；第１の振幅調整部、8；高調波加算器、9；第２の振幅調整部、10；全波整流部、11；奇数次高調波乗算器、12；振幅値計算部。

Claims

入力信号であるオーディオ信号より低音成分信号を抽出する低音成分抽出部と、
低音成分抽出部からの低音成分信号より奇数次高調波成分信号を生成する奇数次高調波生成部と、
同じく低音成分抽出部からの低音成分信号より90度位相ずれ信号を生成する90度位相変換部と、
90度位相変換部の90度位相ずれ信号と奇数次高調波生成部の奇数次高調波成分信号を乗算して、偶数次高調波成分信号を生成する偶数次高調波乗算器と
偶数次高調波乗算器の偶数次高調波成分信号の振幅を調整する第１の振幅調整部と、
奇数次高調波生成部からの奇数次高調波成分信号と第１の振幅調整部で振幅調整された偶数次高調波成分信号を加算して高調波成分信号を出力する高調波加算器と、
高調波加算器の高調波成分信号の振幅を調整する第２の振幅調整部と、
入力信号であるオーディオ信号と第２の振幅調整部で振幅調整された高調波成分信号を加算して出力信号を出力する出力生成加算器
を備えることを特徴とするオーディオ信号再生装置。
奇数次高調波生成部は低音成分信号より全波整流信号を生成する全波整流部と、
低音成分信号と全波整流信号を乗算して奇数次高調波成分信号を生成する奇数次高調波乗算器を
備えることを特徴とする請求項１記載のオーディオ信号再生装置。
90度位相変換部は低音成分信号をヒルベルト変換することで、低音成分信号の位相を90度ずらし、低音成分信号の90度位相ずれ信号を生成することを特徴とする請求項１または２記載のオーディオ信号再生装置。
90度位相変換部は低音成分信号を微分することで、低音成分信号の位相を90度ずらし、低音成分信号の90度位相ずれ信号を生成することを特徴とする請求項１または２記載のオーディオ信号再生装置。
90度位相変換部は低音成分信号を積分することで、低音成分信号の位相を90度ずらし、低音成分信号の90度位相ずれ信号を生成することを特徴とする請求項１または２記載のオーディオ信号再生装置。
低音成分信号と低音成分信号の位相を90度ずらした90度位相ずれ信号の自乗和の平方根より低音成分信号の振幅値を算出する振幅値計算部を備え、第１および第２の振幅調整部は振幅幅計算部からの振幅値により、偶数次高調波成分信号および高調波成分信号の振幅調整を行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のオーディオ信号再生装置。
全波整流部より出力される全波整流信号をローパスフィルタに通し、その結果出力される信号を低音成分信号の振幅値とする振幅値計算部を備え、第１および第２の振幅調整部は振幅幅計算部からの振幅値により、偶数次高調波成分信号および高調波成分信号の振幅調整を行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のオーディオ信号再生装置。
低音成分信号よりRMS（Root Mean Square）を算出し、その算出結果を低音成分信号の振幅値とする振幅値計算部を備え、第１および第２の振幅調整部は振幅幅計算部からの振幅値により、偶数次高調波成分信号および高調波成分信号の振幅調整を行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のオーディオ信号再生装置。