特許 7651223 倍音生成装置、倍音生成方法、プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-17

(45)【発行日】2025-03-26

(54)【発明の名称】倍音生成装置、倍音生成方法、プログラム

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/04 20060101AFI20250318BHJP

【ＦＩ】

H04R3/04

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024069127

(22)【出願日】2024-04-22

【審査請求日】2024-04-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000130329

【氏名又は名称】株式会社コルグ

(74)【代理人】

【識別番号】100121706

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128705

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 幸雄

(74)【代理人】

【識別番号】100147773

【弁理士】

【氏名又は名称】義村 宗洋

(72)【発明者】

【氏名】柳沢 隆晃

【審査官】▲徳▼田 賢二

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－８５４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１２４０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０００／０３９７８６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

倍音生成部を含む倍音生成装置であって、
前記倍音生成部は、
前記倍音生成部に入力された信号の正極を二乗し負極に０を乗じて出力する第１倍音生成器と、
前記第１倍音生成器の出力の直流成分を抑圧するハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタの出力の正極を平方根演算して－１を乗じ、負極に－１を乗じて平方根演算して出力する第２倍音生成器を含む
倍音生成装置。

【請求項2】

請求項１に記載の倍音生成装置であって、
前記倍音生成部は、
前記倍音生成部に入力された信号の基音調整処理を実行する基音調整器と、
前記第２倍音生成器の出力から前記基音調整器の出力を減算して出力する減算器を含む
倍音生成装置。

【請求項3】

請求項２に記載の倍音生成装置であって、
前記倍音生成部は、
前記基音調整器の前段に
前記ハイパスフィルタと同じ特性の位相回転フィルタを含む
倍音生成装置。

【請求項4】

請求項１から３の何れかに記載の倍音生成装置であって、
前記倍音生成部の後段に、
所定の次数以上の倍音を抑圧する高次倍音抑圧ローパスフィルタを含む
倍音生成装置。

【請求項5】

請求項１から３の何れかに記載の倍音生成装置であって、
前記倍音生成部の前段に、
倍音の元となる信号の帯域を抽出する倍音抽出ローパスフィルタを含む
倍音生成装置。

【請求項6】

請求項１から３の何れかに記載の倍音生成装置であって、
前記倍音生成装置に入力される信号の直流成分を抑圧する直流成分抑圧ハイパスフィルタと、
前記直流成分抑圧ハイパスフィルタからの出力を２つに分割する信号分割部と、
分割された信号の一方の位相を補正する位相補正部を含み、
前記倍音生成部は、
前記分割された信号の他方を入力とし、
前記位相補正部の出力と前記倍音生成部の出力を加算して出力する減算部を含む
倍音生成装置。

【請求項7】

倍音生成装置が実行する倍音生成方法であって、
入力された信号の正極を二乗し負極に０を乗じて出力する第１倍音生成ステップと、
前記第１倍音生成ステップの出力の直流成分を抑圧するハイパスフィルタステップと、
前記ハイパスフィルタステップの出力の正極を平方根演算して－１を乗じ、負極に－１を乗じて平方根演算して出力する第２倍音生成ステップを含む
倍音生成方法。

【請求項8】

コンピュータを請求項１に記載の倍音生成装置として機能させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、仮想的な低音を生成するための倍音生成装置、倍音生成方法、プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に小型スピーカは低音再生能力が低い。その対策として、ミッシング・ファンダメンタルと呼ばれる、「基音を欠いても基音の倍音によって存在しない基音の音高が知覚される現象」を応用した低音感増強技術が知られている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】NTT Communication Science Laboratories、“ミッシングファンダメンタル”、［online］、NTT Communication Science Laboratories、［令和6年4月2日検索］、インターネット〈 URL：https://illusion-forum.ilab.ntt.co.jp/missing-fndamental/index.html〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば多項式で作成した入出力特性で信号を歪ませ倍音を生成する方法では、多項式の次数、係数の設定で、高次の倍音は出さないソフトクリップ制御が出来る利点があるが、入力振幅に対する倍音のレベルが対数的に減少する為、倍音量が入力レベルに依存し、また、この非線形減衰による歪み（聴感上気になるノイズ）が大きいという課題があった。

【0005】

そこで本開示では、入力振幅に対し線形な特性をもつ倍音を生成できる倍音生成装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の倍音生成装置は、倍音生成部を含む。

【0007】

倍音生成部は、第１倍音生成器と、ハイパスフィルタと、第２倍音生成器を含む。

【0008】

第１倍音生成器は、倍音生成部に入力された信号の正極を二乗し負極に０を乗じて出力する。ハイパスフィルタは、第１倍音生成器の出力の直流成分を抑圧する。第２倍音生成器は、ハイパスフィルタの出力の正極を平方根演算して－１を乗じ、負極に－１を乗じて平方根演算して出力する。

【発明の効果】

【0009】

本開示の倍音生成装置によれば、入力振幅に対し線形な特性をもつ倍音を生成できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１の倍音生成装置の機能構成を示すブロック図。

【図2】実施例１の倍音生成装置に含まれるフィルタの特性を例示する図。

【図3】実施例１の倍音生成装置の動作を示すフローチャート。

【図4】実施例１の倍音生成装置の倍音生成部の機能構成を示すブロック図。

【図5】実施例１の倍音生成装置の倍音生成部の動作を示すフローチャート。

【図6】第１倍音生成器の入出力特性を示す図。

【図7】第１倍音生成器の各倍音における減衰特性（線形）を示す図。

【図8】第１倍音生成器の元となった関数の入出力特性を示す図。

【図9】第１倍音生成器の元となった関数の各倍音における減衰特性（線形）を示す図。

【図10】第２倍音生成器の入出力特性を示す図。

【図11】第２倍音生成器の各倍音における減衰特性（線形）を示す図。

【図12】第１倍音生成器－ハイパスフィルタ－第２倍音生成器の順に処理した各倍音における減衰特性（線形）を示す図。

【図13】基音調整処理後の各倍音における減衰特性（線形）を示す図。

【図14】本開示の倍音生成方法を適用した小型スピーカの周波数特性を示す図。

【図15】本開示の倍音生成方法を適用した小型スピーカにホワイトノイズを入力した場合の出力信号と生成される倍音群の周波数特性を示す図。

【図16】倍音加算がある場合とない場合の小型スピーカの周波数特性を示す図。

【図17】コンピュータの機能構成例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

【実施例1】

【0012】

以下、実施例１の倍音生成装置について説明する。本実施例の倍音生成装置は、倍音を生成することにより小型スピーカでは再生出来ない低音域の音から、その高調波を算出・加算することで、欠けた低音を仮想的に再現する事を目的とする装置である。

【0013】

図１に示すように本実施例の倍音生成装置１は、直流成分抑圧ハイパスフィルタ１１と、信号分割部１２と、第１位相補正部１３と、第２位相補正部１４と、倍音抽出ローパスフィルタ１５と、倍音生成部１６と、高次倍音抑圧ローパスフィルタ１７と、減算部１８を含む。図２に、各フィルタ（１１、１５、１７）のフィルタ特性を例示する。

【0014】

以下、図３を参照して各構成要件の動作を説明する。

【0015】

＜直流成分抑圧ハイパスフィルタ１１＞
直流成分抑圧ハイパスフィルタ１１は、倍音生成装置１に入力される信号の直流成分を抑圧する（Ｓ１１）。

【0016】

＜信号分割部１２＞
信号分割部１２は直流成分抑圧ハイパスフィルタ１１からの出力を２つに分割する（Ｓ１２）。分割された信号の一方は原音として第１位相補正部１３に入力され、他方は倍音抽出ローパスフィルタ１５に入力される。

【0017】

＜第１位相補正部１３＞
第１位相補正部１３は、分割された信号の一方の位相を補正する（Ｓ１３）。

【0018】

＜第２位相補正部１４＞
第２位相補正部１４は、分割された信号の一方の位相を補正する（Ｓ１４）。

【0019】

原音側に挿入された第１位相補正部１３は、倍音抽出ローパスフィルタ１５によって回転する位相を補正する事を目的に設けられている。また、第２位相補正部１４は、高次倍音抑圧ローパスフィルタ１７によって回転する位相を補正する事を目的に設けられている。

【0020】

＜倍音抽出ローパスフィルタ１５＞
倍音抽出ローパスフィルタ１５は、倍音の元となる信号の帯域を抽出する（Ｓ１５）。

【0021】

＜倍音生成部１６＞
倍音生成部１６は、分割された信号の他方であって、ステップＳ１５でローパスフィルタリングされた信号を入力とする。倍音生成部１６は、後述する倍音生成処理を実行して倍音を生成する（Ｓ１６）。本実施例では、倍音生成部１６からの出力を倍音群と呼ぶ。

【0022】

＜高次倍音抑圧ローパスフィルタ１７＞
高次倍音抑圧ローパスフィルタ１７は、生成された倍音から不要な高次倍音（所定の次数以上の倍音）を抑圧する（Ｓ１７）。高次倍音抑圧ローパスフィルタ１７は、そのカットオフ周波数に応じて、次数が選定される。

【0023】

＜減算部１８＞
減算部１８は、第２位相補正部１４の出力から高次倍音抑圧ローパスフィルタ１７の出力をレベル調整後に減算して出力する（Ｓ１８）。

【0024】

多項式による倍音生成での倍音の振幅は、入力信号の振幅に対し非線形になる。そこで、多項式（ｘ^２）で生成された倍音に逆の減衰率をもつ平方根を掛け再度歪ませ、結果として線形の減衰率を持つ倍音の生成を考えた。

【0025】

以下、図４を参照して本実施例の倍音生成装置１の倍音生成部１６の詳細な機能構成を説明する。同図に示すように倍音生成部１６は、第１倍音生成器１６１と、ハイパスフィルタ１６２と、第２倍音生成器１６３と、位相回転フィルタ１６４と、基音調整器１６５と、減算器１６６と、直流成分抑圧ハイパスフィルタ１６７を含む。

【0026】

同図に示すように、倍音生成部１６に入力された信号は２つに分岐され、一方は第１倍音生成器１６１に、他方は位相回転フィルタ１６４を経て基音調整器１６５に入力される。

【0027】

以下、図５を参照して各構成要件の動作を説明する。

【0028】

＜第１倍音生成器１６１＞
第１倍音生成器１６１は、倍音生成部１６に入力された信号の正極を二乗し負極に０を乗じて出力する（Ｓ１６１）。第１倍音生成器１６１の入出力特性を図６に示す。

【0029】

第１倍音生成器１６１における演算は（式１）で表される。

【0030】

正極：ｙ＝ｘ^２
負極：ｙ＝０
…（式１）
図７に、第１倍音生成器１６１の各倍音における減衰特性（線形）を示す。同図に示すように、（式１）で生成された倍音は、入力振幅に対し二乗（ｘ^２）で減衰する。例えば、入力が６ｄＢ下がると、出力は１２ｄＢ下がる。

【0031】

≪第１倍音生成器１６１の元となった関数≫
ここで、第１倍音生成器１６１の元となった関数について説明を加える。

【0032】

（式１）は、（式２）で示されるソフトクリップ関数を変形して導いている。

【0033】

正極：ｙ＝－（ｘ－１）^２＋１
負極：ｙ＝＋（ｘ＋１）^２－１
ただし、－１≦ｘ≦１
…（式２）
（式２）のソフトクリップ関数の入出力特性を図８に示す。また（式２）の各倍音における減衰特性（線形）を図９に示す。

【0034】

本実施例では、（式２）を以下の手順で改変した。

【0035】

まず、奇数倍音を生成するため負極の傾きを１にし（ｙ＝ｘ）、原点での連続性を得るため正極の原点での微分値も１になるように傾きを直す（０．５をかける）。加えて基音成分を抑圧するため入力信号（ｘ）を引く。結果、（式３）が得られる。

【0036】

正極：ｙ＝（－（ｘ－１）^２＋１）＊０．５－ｘ
負極：ｙ＝ｘ－ｘ
…（式３）
（式３）を解くと（式４）となる。

【0037】

正極：ｙ＝－０．５ｘ^２
負極：ｙ＝０
…（式４）
演算簡素化のため、正極の定数「－０．５」を「１．０」とし、（式１）を得た。極性反転については、後述する第２倍音生成器１６３で補正する。

【0038】

＜ハイパスフィルタ１６２＞
ハイパスフィルタ１６２は、第１倍音生成器１６１の出力の直流成分を抑圧する（Ｓ１６２）。

【0039】

ｑ
第１倍音生成器１６１の出力はＤＣ成分を持つため、ハイパスフィルタ１６２は入力信号の０Ｈｚを抑圧する。後述する基音調整処理で減算する基音との位相を合わせる移相器（１次ＡＰＦ）との位相特性の関係で、ここでは２次、Ｑ＝０．５のＨＰＦとする。

【0040】

＜第２倍音生成器１６３＞
第２倍音生成器１６３は、ハイパスフィルタ１６２の出力の正極を平方根演算して－１を乗じ、負極に－１を乗じて平方根演算して出力する（Ｓ１６３）。

【0041】

第１倍音生成器１６１で生成された倍音の減衰率は、２ｄＢ／ｄＢの傾きを持つ。そこで、第２倍音生成器１６３は、減衰率０．５ｄＢ／ｄＢの傾きを持つ（式５）に示す式で、再度倍音生成を行う。

【0042】

正極：ｙ＝－ｓｑｒｔ（ｘ）
負極：ｙ＝ｓｑｒｔ（－ｘ）
…（式５）ｄｆｃ

【0043】

第２倍音生成器１６３が生成した倍音の減衰特性は平方根で減衰する。例えば入力が６ｄＢ下がると、出力は３ｄＢ下がる。

【0044】

≪二乗平方根法≫
第１倍音生成器１６１－ハイパスフィルタ１６２－第２倍音生成器１６３の順に処理した結果の入出力特性を図１２に示す。同図の状態において、第２倍音生成器１６３の後段の直流成分抑圧ハイパスフィルタ１６７は未処理であるものとする。同図に示すように、入出力の減衰特性が線形になっていることがわかる。

【0045】

＜位相回転フィルタ１６４＞
位相回転フィルタ１６４は、ハイパスフィルタ１６２と同じ位相特性を持つ。

【0046】

倍音生成部１６では、ハイパスフィルタ１６２で位相が回転するため、調整する基音にも同じ位相特性である位相回転フィルタ１６４を適用して位相を揃える。

【0047】

＜基音調整器１６５＞
基音調整器１６５は、倍音生成部１６に入力された信号の基音調整処理を実行する（Ｓ１６５）。

【0048】

ステップＳ１６１－Ｓ１６３の処理により、倍音群の減衰特性が入力である基音に対し線形になった事で、倍音群から基音を減算し抑圧する事が可能になった。

【0049】

基音調整器１６５はゲイン（乗算器）として機能しており、基音調整器１６５でレベル制御した結果、第２倍音生成器１６３の出力の倍音群中の基音のレベルと同じレベルに調整され、かつ、位相回転フィルタ１６４の位相器で第２倍音生成器１６３出力中の基音の位相と同じ位相に調整されていれば、第２倍音生成器１６３の出力から基音調整器１６５の出力を減算した結果、基音を含む倍音群から基音のみが減算され、倍音のみが残る。

【0050】

図１３に基音調整処理後の各倍音における減衰特性（線形）を示す。調整された基音を別途、任意のレベルで加算することで、倍音群に含まれる基音の量を任意に制御することも可能である。

【0051】

＜減算器１６６＞
減算器１６６は、第２倍音生成器１６３の出力から基音調整器１６５の出力を減算して出力する（Ｓ１６６）。

【0052】

＜直流成分抑圧ハイパスフィルタ１６７＞
直流成分抑圧ハイパスフィルタ１６７は、減算器１６６から出力された信号の直流成分を抑圧する（Ｓ１６７）。

【0053】

≪小型スピーカへの適用例≫
以下、本実施例の倍音生成方法の小型スピーカへの適用例について説明する。本適用例の小型スピーカの周波数特性を図１４に示す。

【0054】

同図に示すように、本適用例の小型スピーカの周波数特性は、２５０Ｈｚで減衰し始め、約７０Ｈｚで－２０ｄＢ程度となる。この周波数特性から、倍音のＬＰＦを２５０Ｈｚ、減衰量２４ｄＢ／Ｏｃｔ．、倍音抽出ＬＰＦを１６０Ｈｚとした。

【0055】

この処理による周波数特性（ホワイトノイズでのスペクトル）を図１５に示す。一点鎖線のグラフに示すように、２５０Ｈｚまでの倍音群が入力信号に加算される。結果、出力信号（破線のグラフ）は、入力信号（実線のグラフ）と比較し、２５０Ｈｚ以下が１．５ｄＢ程度だけ増えている事がわかる。

【0056】

このように倍音生成による出力信号の増幅が僅かであるため、信号処理でのオーバーフローのマージンや（小型）スピーカへの負担も少なく、聴感上大きな低音感を得ることができる。

【0057】

加算される倍音群のレベルを少なくできるのは、基音調整処理の効果が大きい。参考に実際のスピーカからの出力信号の、倍音加算ありの場合と倍音加算なしの場合の周波数特性の違いを図１６に示す。想定通り、低音生成限界近くの周波数に倍音が１．５ｄＢ程加算されていることが分かる。

【0058】

＜補記＞
本明細書中に記載されている構成要素により実現される機能は、当該記載された機能を実現するようにプログラムされた、汎用プロセッサ、特定用途プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣｓ(Application Specific Integrated Circuits)、ＣＰＵ(a Central Processing Unit)、従来型の回路、および／又はそれらの組合せを含む、circuitry又はprocessing circuitryにおいて実装されてもよい。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含み、 circuitry又はprocessing circuitryとみなされる。プロセッサは、メモリに格納されたプログラムを実行する、programmed processorであってもよい。

【0059】

本明細書において、circuitry、ユニット、手段は、記載された機能を実現するようにプログラムされたハードウェア、又は実行するハードウェアである。当該ハードウェアは、本明細書に開示されているあらゆるハードウェア、又は、当該記載された機能を実現するようにプログラムされた、又は、実行するものとして知られているあらゆるハードウェアであってもよい。

【0060】

当該ハードウェアがcircuitryのタイプであるとみなされるプロセッサである場合、当該circuitry、手段、又はユニットは、ハードウェアと、当該ハードウェア及び又はプロセッサを構成する為に用いられるソフトウェアの組合せである。

【0061】

上述の各種の処理は、図１７に示すコンピュータの記録部１００２０に、上記方法の各ステップを実行させるプログラムを読み込ませ、制御部１００１０、入力部１００３０、出力部１００４０などに動作させることで実施できる。

【0062】

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。

【0063】

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

【0064】

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって処理を実行する構成としてもよい。さらには、サーバコンピュータの一部をプログラムと共にユーザに使用させる、いわゆるＳａａＳ（Software as a Service）型のサービスを利用して、端末の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。

【0065】

また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、本装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

【要約】

【課題】入力振幅に対し線形な特性をもつ倍音を生成できる倍音生成装置を提供する。
【解決手段】倍音生成部を含む倍音生成装置であって、前記倍音生成部は、前記倍音生成部に入力された信号の正極を二乗し負極に０を乗じて出力する第１倍音生成器と、前記第１倍音生成器の出力の直流成分を抑圧するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタの出力の正極を平方根演算して－１を乗じ、負極に－１を乗じて平方根演算して出力する第２倍音生成器を含む。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】