(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の左右のオーディオステレオ信号を増強するシステムにおいて、
第１のカットオフ周波数を有し、前記左右のステレオ信号を受けて、減少した低音情報を有する修正された左右のステレオ信号を供給する第１のハイパスフィルタと、
前記修正された左右のステレオ信号の差を表している周囲信号情報を分離する第１の手段と、
前記左右のステレオ信号の和を表しているモノラル信号情報を分離する第２の手段と、
前記第１のカットオフ周波数よりも高い第２のカットオフ周波数を有し、前記周囲信号情報に作用して第１の修正された信号を供給し、前記第１の修正された信号の利得はモノラル信号情報によって左右されない第２のハイパスフィルタと、
前記第１のカットオフ周波数より高くかつ前記第２のカットオフ周波数よりも低い第３のカットオフ周波数を有し、前記周囲信号情報に作用して第２の修正された信号を供給し、前記第２の修正された信号の利得はモノラル信号情報によって左右されないローパスフィルタと、
前記第１の修正された信号と前記第２の修正された信号と前記モノラル信号情報と前記左信号とを結合して、前記左信号の低音成分を含む増強されたステレオ左出力信号を供給する第３の手段と、
前記第１の修正された信号と前記第２の修正された信号と前記モノラル信号情報と前記右信号とを結合して、前記右信号の低音成分を含む増強されたステレオ右出力信号を供給する第４の手段とを具備し、
前記第１および前記第２の修正された信号の結合は、変化する周波数応答を有し、前記周波数応答は５０から２００Ｈｚの周波数範囲内および７ＫＨｚより上の最大利得により特徴付けられ、前記周波数応答は１５００から３０００Ｈｚの周波数範囲内および３０Ｈｚより下の最小利得により特徴付けられるオーディオステレオ信号を増強するシステム。
【請求項２】
前記第１の手段が、前記左右のステレオ信号を結合して前記周囲信号情報を分離する差動増幅器として構成されている演算増幅器を備えている請求項１記載の増強システム。
【請求項３】
前記第１の手段が、前記左ステレオ信号と前記和信号とを結合して前記周囲信号情報を分離する反転増幅器として構成されている演算増幅器を備えている請求項１記載の増強システム。
【請求項４】
前記第１のハイパスフィルタの前記第１のカットオフ周波数が１２５から２００Ｈｚの範囲内にあり、前記第２のハイパスフィルタの前記第２のカットオフ周波数が５．６から８．４ＫＨｚの範囲内にあり、前記ローパスフィルタの前記第３のカットオフ周波数が１６０から２４０Ｈｚの範囲内にある請求項１記載の増強システム。
【請求項５】
実質的にすべての可聴周波数レベルにわたって、固定された量だけ前記周囲信号情報を減衰させる減衰手段をさらに具備し、前記第３および第４の手段が前記減衰された周囲信号情報を入力し、前記左右の増強された出力信号は前記減衰された周囲信号情報を含む請求項１記載の増強システム。
【請求項６】
前記周囲信号情報のレベルを手動的に調整する手段をさらに具備している請求項１記載の増強システム。
【請求項７】
前記第１、第２、第３および第４の手段が演算増幅器であり、前記ローパスフィルタと前記第１および第２のハイパスフィルタが受動回路部品を含む１次ＲＣフィルタである請求項１記載の増強システム。
【請求項８】
前記増強システムが集積回路として形成されたオーディオ信号プロセッサ内においてデジタルフォーマットで実現される請求項１記載の増強システム。
【請求項９】
前記左右のステレオ信号がモノラルオーディオ信号源から合成的に生成される請求項１記載の増強システム。
【請求項１０】
前記左右のステレオ信号がオーディオ・ビジュアル複合信号の一部である請求項１記載の増強システム。
【請求項１１】
１対のラウドスピーカを通して再生される左右のステレオ信号からより広いステレオ像を生成させるオーディオ増強システムにおいて、
前記左右の信号を受け、前記左右の信号間の差を表している差信号を供給する第１の増幅器と、
前記左右の信号を受け、前記左右の信号の和を表している和信号を供給する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器から前記差信号を受けるローパスフィルタと、
前記第１の増幅器から前記差信号を受けるハイパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力と前記ハイパスフィルタの出力とに接続された第１の入力を有し、前記左のステレオ信号と前記和信号とに接続された第２の入力を有し、前記ローパスフィルタの出力と前記ハイパスフィルタの出力と前記左信号と前記和信号とを結合させて、前記左信号の低音成分を含む左の複合出力信号を発生させ、前記ローパスフィルタの出力の利得および前記ハイパスフィルタの出力の利得は前記和信号によって左右されない第３の増幅器と、
前記ローパスフィルタの出力と前記ハイパスフィルタの出力と前記右信号と前記和信号とを受け、前記ローパスフィルタの出力と前記ハイパスフィルタの出力と前記右信号と前記和信号とを結合させて、前記右信号の低音成分を含む右の複合出力信号を発生させる第４の増幅器とを具備し、
前記ローパスフィルタの出力と前記ハイパスフィルタの出力との結合は、変化する周波数応答を有し、前記周波数応答は５０から２００Ｈｚの周波数範囲内および７ＫＨｚより上の最大利得により特徴付けられ、前記周波数応答は１５００から３０００Ｈｚの周波数範囲内および３０Ｈｚより下の最小利得により特徴付けられるオーディオ増強システム。
【請求項１２】
前記第１、第２、第３および第４の増幅器が演算増幅器である請求項１１記載のオーディオ増強システム。
【請求項１３】
前記演算増幅器が半導体基板上に形成される請求項１２記載のオーディオ増強システム。
【請求項１４】
前記オーディオ増強システムがデジタル信号プロセッサによりデジタルフォーマットで実現される請求項１１記載のオーディオ増強システム。
【請求項１５】
実質的に可聴周波数スペクトルにわたって、固定された量だけ前記差信号を減衰させる減衰器をさらに具備し、前記第３および第４の増幅器が前記減衰された差信号を入力し、前記左右の複合出力信号は前記減衰された差信号を含む請求項１１記載のオーディオ増強システム。
【請求項１６】
前記第１の増幅器の出力と前記ローパスフィルタと前記ハイパスフィルタとの間に接続され、前記ローパスフィルタと前記ハイパスフィルタとに供給される差信号のレベルを調整するポテンショメータをさらに具備している請求項１１記載のオーディオ増強システム。
【請求項１７】
前記左信号と前記第１の増幅器との間に接続された第１の低音フィルタと、前記右信号と前記第１の増幅器との間に接続された第２の低音フィルタとをさらに具備し、前記第１および第２の低音フィルタが前記左右の信号の非常に低い周波数成分を減衰させる請求項１１記載のオーディオ増強システム。
【請求項１８】
前記第１および第２の低音フィルタが１２５から２００Ｈｚの範囲内にカットオフ周波数を有する請求項１７記載のオーディオ増強システム。
【請求項１９】
前記ローパスフィルタが１６０Ｈｚから２４０Ｈｚの範囲内にカットオフ周波数を有し、前記ハイパスフィルタが５．６ＫＨｚから８．４ＫＨｚの範囲内にカットオフ周波数を有する請求項１１記載のオーディオ増強システム。
【請求項２０】
左右の入力信号がステレオ増強システムにより修正され、電気音響変換器により音に変換されてオーディオ像が生成され、前記左右の入力信号に存在するステレオ情報の量が前記左右のステレオ信号間の差に等しい差信号により表され、前記左右の入力信号に存在する中央ステージ情報の量が前記左右のステレオ信号の和に等しい和信号により表される、左右の入力信号として表される１対のステレオ信号からより広いステレオ像を生成させるステレオ増強システムにおいて、
前記ステレオ情報の周波数応答を修正して、５０から２００Ｈｚの周波数範囲内および７ＫＨｚより上の最大利得と１５００から３０００Ｈｚの周波数範囲内および３０Ｈｚより下の最小利得とにより特徴付けられる処理されたステレオ情報を生成させる回路を具備し、
前記処理されたステレオ情報の利得が前記処理されたステレオ情報の周波数成分に関して変化し、
前記回路が、
前記最大利得に対して、前記ステレオ情報に存在する低音オーディオ成分を減衰させる第１のオーディオフィルタと、
前記最大利得に対して、人間の耳が増加した感度を持つ周波数に対応している前記ステレオ情報のオーディオ周波数のミッドレンジを減衰させて、前記処理されたステレオ情報を生成させ、前記処理されたステレオ情報の利得が前記和信号によって左右されない第２のオーディオフィルタと、
前記処理されたステレオ情報と前記和信号を前記左入力ステレオ信号と結合させて、前記左入力ステレオ信号の低音成分を含む増強された左出力信号を生成させる第１の増幅器と、
前記処理されたステレオ情報と前記和信号を前記右入力ステレオ信号と結合させて、前記右入力ステレオ信号の低音成分を含む増強された右出力信号を生成させる第２の増幅器とを備えているステレオ増強システム。
【請求項２１】
前記第１のオーディオフィルタが１２５から２００Ｈｚの範囲内のカットオフ周波数を有する請求項２０記載のステレオ増強システム。
【請求項２２】
前記回路がデジタル信号プロセッサ内で構成される請求項２０記載のステレオ増強システム。
【請求項２３】
前記第２のオーディオフィルタが、ローパスフィルタと前記ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも高いカットオフ周波数を有するハイパスフィルタとを含む請求項２０記載のステレオ増強システム。
【請求項２４】
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数が１６０から２４０Ｈｚの範囲内であり、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数が５．６から８．４ＫＨｚの範囲内である請求項２３記載のステレオ増強システム。
【請求項２５】
左右の入力信号がステレオ増強システムにより修正され、電気音響変換器により音に変換されてオーディオ像が生成され、前記左右の入力信号に存在するステレオ情報の量が前記左右のステレオ信号間の差に等しい差信号により表され、前記左右の信号の和が和信号として表される、左右の入力信号として表される１対のステレオ信号からより広いステレオ像を生成させるステレオ増強システムにおいて、
前記差信号の周波数応答を正規化して、５０から２００Ｈｚの周波数範囲内および７ＫＨｚより上の最大利得と１５００から３０００Ｈｚの周波数範囲内および３０Ｈｚより下の最小利得とにより特徴付けられる処理された差信号を生成させる回路を具備し、
前記処理された差信号に適用される正規化のレベルが前記処理された差信号の周波数成分に関して変化し、
前記回路が、
前記最大利得に対して、前記左右の入力信号に存在する低音オーディオ成分を減衰させて、低音が減衰された左右の入力信号を生成させる第１のオーディオフィルタと、
前記低音が減衰された左右の入力信号から前記差信号を発生させる第１の増幅器と、
前記最大利得に対して、人間の耳が増加した感度を持つ周波数に対応している前記差信号のオーディオ周波数のミッドレンジを減衰させて、第２および第３の修正された差信号を生成させ、前記第２および前記第３の修正された差信号の利得は前記和信号によって左右されない第２および第３のオーディオフィルタと、
前記第２の修正された差信号と前記第３の修正された差信号と前記差信号とを前記和信号および前記左入力ステレオ信号と結合させて、前記左入力ステレオ信号の低音成分を含む増強された左出力信号を生成させる第２の増幅器と、
前記第２の修正された差信号と前記第３の修正された差信号と前記差信号とを前記和信号および前記右入力ステレオ信号と結合させて、前記右入力ステレオ信号の低音成分を含む増強された右出力信号を生成させる第３の増幅器とを備え、
前記処理された差信号は前記第２の修正された差信号と前記第３の修正された差信号と前記差信号との和を含むステレオ増強システム。
【請求項２６】
前記第１のオーディオフィルタが、前記左入力信号と前記第１の増幅器との間に接続され、前記左入力信号の低音成分を減衰させる第１のハイパスフィルタを含み、前記第１のオーディオフィルタが、前記右入力信号と前記第１の増幅器との間に接続され、前記右入力信号の低音成分を減衰させる第２のハイパスフィルタを含む請求項２５記載のステレオ増強システム。
【請求項２７】
前記第１および第２のハイパスフィルタが、１２５から２００Ｈｚの範囲内のカットオフ周波数を有する請求項２６記載のステレオ増強システム。
【請求項２８】
前記第２のオーディオフィルタが、１６０から２４０Ｈｚの範囲内のカットオフ周波数を有するローパスフィルタである請求項２５記載のステレオ増強システム。
【請求項２９】
前記第３のオーディオフィルタが、５．６から８．４ＫＨｚの範囲内のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタである請求項２５記載のステレオ増強システム。
【請求項３０】
左右の出力信号が１対のスピーカを通して再生させる時に広がったステレオ像が生成されるように、前記左右のステレオ入力信号から増強された左右のステレオ出力信号を発生させる方法において、
前記方法が、
少なくとも１組の低音周波数を有するオーディオ信号のスペクトルを持つ左右の入力信号を受け、
ハイパスフィルタにより前記左右の入力信号をフィルタして、前記スペクトルの他周波数の振幅に対して前記スペクトル内の前記１組の低音周波数の振幅を減少させ、左右の修正された信号を生成させ、
前記修正された左信号と前記修正された右信号との間の差を表す周囲信号情報を発生させ、
実質的に可聴周波数スペクトルにわたって前記周囲信号情報を等化して処理された周囲信号情報を生成させ、前記処理された周囲信号情報は変化する周波数応答を有し、前記周波数応答は５０から２００Ｈｚの周波数範囲内および７ｋＨｚより上の最大利得により特徴付けられ、前記周波数応答は１５００から３０００Ｈｚの周波数範囲内および３０Ｈｚより下の最小利得により特徴付けられ、
前記左右の入力信号の和を表す和信号を発生させ、前記処理された周囲信号情報の利得は前記和信号によって左右されず、
前記処理された周囲信号情報と前記左入力信号および前記和信号とを結合させて、前記左入力信号の１組の低音周波数を含む左複合信号を発生させ、
前記処理された周囲信号情報と前記右入力信号および前記和信号とを結合させて、前記右入力信号の１組の低音周波数を含む右複合信号を発生させることを含む方法。
【請求項３１】
前記最大利得と前記最小利得との間の分離が１０ｄＢから１４ｄＢのレベルの間で調整可能である請求項３０記載の増強された左右のステレオ出力信号を発生させる方法。
【請求項３２】
前記最大利得と前記最小利得との間の分離が約１２ｄＢに固定されている請求項３０記載の増強された左右のステレオ出力信号を発生させる方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
この発明は一般的にオーディオ増強システムに関し、特にこれらのシステムおよび方法はステレオ音再生の現実感を改良するように設計されている。また特に、この発明はステレオ信号内に不自然な位相シフトや時間遅延をもたらすことなく、１対のラウドスピーカを通るステレオ信号の増幅から生成される音像を広げる装置に関する。
発明の背景
オーディオやオーディオ・ビジュアル工業において積極的に必要とされていることから、再生音の不完全さを解消することが継続的に努力されてきた。現在では対話型マルチメディアコンピュータシステムの猛攻撃により、そして他のオーディオ・ビジュアルの進歩により、オーディオ品質に対する関心が高まっている。その結果として、音の記録およびその再生における技術的な改良を発展させるために、オーディオ工業の間において再開された努力がなされている。
再生音の不完全さは他のもの、音を効果的に記録しないマイクロフォン、記録された音を効果的に再生しないスピーカから起こる。関連工業におけるものによる音像を増強する試みは、音情報そのものとともに音の発生源の位置情報を記録および符号化する手段となった。このような手段には、特別に符号化されたオーディオ情報を使用して動作するマルチチャンネルサラウンドシステムや、この情報を解釈する特別な復号化システムが含まれる。
特別に記録された音を必要としない音増強システムは、一般的により複雑さが少なくかなり安価である。このようなシステムには、左右の信号源間に不自然な時間遅延や位相シフトをもたらすものがある。これらのシステムの多くはマイクロフォンの無能力さを補償して、人間の耳の周波数応答を模倣しようとする。またこれらのシステムは、スピーカの位置が原因で、そのスピーカから発せられた音の知覚方向が音の元の位置と一致ない事実も補償しようとする。前述したシステムはさらに現実感があり真に迫った方法で音を再生しようとするが、このような方法の使用は、競争的なオーディオ増強分野において混沌とした結果となった。
他の音増強技術は和および差信号と呼ばれるものに作用する。和および差信号は、左右のステレオ信号の和と左右のステレオ信号間の差をそれぞれ表している。
１対の左右のステレオ信号における差信号のレベルをブーストすると、リスナの前方に配置された１対のラウドスピーカや他の電気音響変換器から発せられる知覚音像を広げることができることが知られている。広げられた音像は、差信号に存在する周囲音や残響音の増幅から生じる。この周囲音は、ライブ音ステージでは適切なレベルで容易に知覚される。しかしながら、録音された演奏では周囲音が直接音によりマスクされ、ライブ演奏のものと同じレベルでは知覚されない。
広い周波数スペクトルに対して差信号を無差別に増加させることにより、録音された演奏からの周囲音情報を改善しようとする多くの試みがなされてきた。しかしながら差信号における無差別な増加は、人の音の知覚に好ましくない影響を与える。例えば、可聴周波数のミッドレンジにおける差信号をブーストすると、音の知覚がリスナの頭の位置に対して過度に敏感になる。
和信号と差信号を処理するかなり賞賛をあびた音増強技術が、米国特許第4,748,669号および第4,866,774号において開示されており、この両特許は本願において開示されている発明に対するのと同じ発明者であるアーノルド・クレイマン氏に発行されている。
第669号と第774号特許の両者において開示されているように、音増強システムは、選択された周波数帯における差信号の動的なまたは固定的な等化のいずれかを行う。このようなシステムでは、差信号の等化は、より強い差信号成分を過度に強調することなく、より低い強度の差信号成分をブーストするようになされる。より強い差信号成分は、一般的に約１から４ＫＨｚのミッドレンジ周波数に見られる。これらと同じミッドレンジ周波数は、人間の耳が高い感度を持つ周波数に対応している。第669号と第774号特許において開示されているシステムのさまざまな実施形態も、特定の周波数帯における和信号の相対振幅を等化して和信号が差信号により圧倒されるのを防いでいる。さらに、第669号と第774号特許の増強システムにより提供される差信号ブーストのレベルは、和信号そのものの関数である。
人間の聴覚応答特性の観点から和信号および差信号を選択的にブーストする特定の効果は、米国特許第4,748,669号および米国特許第4,866,774号において完全に開示されている。
前述のオーディオ増強技術にも関わらず、高品質なステレオ音像の増強を提供し、急成長しているコンピュータマルチメディア市場のすべての需要や、一般的なオーディオおよびオーディオ・ビジュアル市場のすべての需要に合致するオーディオ増強システムが必要である。ここに開示されているステレオ増強システムはこの必要性を満たす。
発明の要約
ここに開示されているより広い音像を生成させる装置および方法は米国特許第4,738,669号および4,866,744号に開示されている関連したステレオ増強システムに対する改良であり、この両特許は参照としてここに完全に示されるように組み込まれている。この改良されたシステムはすでに幅広い多くの賞賛を得ている。例えば、１９９４年１１月発行のマルチメディア・ワールドにおいて、１人の著者が、“マルチメディアＰＣ上に次に起こる大きな出来事であるように思われ、よい理由のためにこれは機能する”ものであるとして本発明を説明している。さらに、同じステレオ増強システムに関して、１９９４年９月発行のＰＣゲーマーマガジンは、“過去数年のオーディオ技術におけるすべてのさまざまな進歩の中でこれ以上強い印象を与えるものはない”と書いている。
マルチメディアコンピュータシステムにおいて生成される音は、一般的にＣＤ−ＲＯＭ上または他の何らかのデジタル記憶媒体上に記憶されたデジタル情報として検索される。アナログ音記憶媒体と異なり、デジタル音情報特にステレオ情報は、さらに広い周波数スペクトルにわたってさらに正確に記憶される。この情報の存在はステレオ増強の方法に重要な影響を与えることがある。さらに、このようにデジタル的に記憶されている音の増幅または増強は、比較的“低パワー”装置であるコンピュータオーディオ増幅器やコンピュータスピーカを過度に駆動させる傾向がある。この懸念は、過増幅が増幅器に“クリッピング”を引き起こせ、コンピュータシステムやテレビセットの低パワースピーカに激しい損傷を与えるような、より低いすなわち低音の周波数において特に意味を持つ。
したがって、より大きなリスニング領域にわたって発せられる現実感あるステレオ像を生み出すステレオ増強システムが開示されている。結果として得られるステレオ増強は、リスナの前方に配置された１対のスピーカに与えられる時に特に効果的である。しかしながらここに開示されている増強システムは、現在のサラウンド音タイプのシステムの任意のものとともに使用して、全体的な音像を広げ、識別可能な点発生源を取り除くのに役立つ。
リスナを包み込む優れたステレオ音像の生成は、驚く程単純化された回路構造を通してなされる。好ましい実施形態において、ステレオ増強システムは、周囲信号情報すなわち差信号とモノラル信号情報すなわち和信号とを左右の入力源信号から分離する回路を備えている。和信号と差信号の振幅レベルは、予め定められたレベルに固定してもよく、またステレオ増幅システムの操作者によって手動的に調整してもよい。さらに、左右の入力源信号は実際のものでも、あるいは合成的に生成されたステレオ信号でもよい。
周囲信号情報はスペクトル的に形成すなわち等化され、統計的に低い強度である周波数成分が増強される。低い強度の周囲信号成分の等化は、対応するミッドレンジ周波数成分を不適当にブーストすることなくなされる。低音周波数間で過度の周囲信号利得を調整できない音システムでは、ハイパスフィルタがこれらの周波数成分の増幅を制限する。
周囲信号情報の形成は、周囲信号情報に存在するがさらに強度である直接フィールド音によりマスクされてしまう残響音効果を増強する。等化された周囲信号情報が、モノラル信号情報および左右の入力信号とそれぞれ再結合され、増強された左右の出力信号が生成される。
ここに開示されている増強システムは、ディスクリート回路部品を有するデジタル信号プロセッサによってまたはハイブリッド回路構造として容易に実現することができる。その独特な回路構造および低パワーオーディオ装置の調整のために、増強システムは、特に安価なオーディオシステム、比較的低パワー出力信号で動作するもの、増強システムを組み込むのに限られた空間しかないものにおいて望ましい。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記および他の観点、特徴、効果は、以下の図面とともに提供されている本発明の以下の特定の説明からさらに明かになることであろう。
図１は、１対の入力ステレオ信号から広がったステレオ像を発生させるステレオ増強システムのブロック図である。
図２は、差信号ステレオ成分に適用される知覚増強曲線の周波数応答のグラフ表示である。
図３は、１対の入力ステレオ信号から広がったステレオ像を発生させるステレオ増強システムの好ましい実施形態の図である。
図４は、１対の入力ステレオ信号から広がったステレオ像を発生させるステレオ増強システムの他の実施形態の図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
最初に図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態を図示している機能ブロック図が示されている。図１では、ステレオ増強システム10には左ステレオ信号12と右ステレオ信号14が入力される。左右のステレオ信号12と14は第１の加算装置16、例えば電子加算器にそれぞれパス18と20に沿って供給される。左右のステレオ信号12と14の和を表している和信号は、加算装置16によりその出力22において生成される。
左ステレオ信号12はパス24に沿ってオーディオフィルタ28に接続される一方、右ステレオ信号14はパス26に沿ってオーディオフィルタ30に接続されている。フィルタ28と30の出力は第２の加算装置32に供給される。加算装置32は出力34において差信号を発生させ、これはフィルタされた左右の入力信号の差信号を表している。フィルタ28と30は前調整ハイパスフィルタであり、差信号に存在する低音成分を減少させるように設計されている。差信号低音成分の減少は、以下に示されている理由のために好ましい実施形態にしたがって実施される。
加算装置16と加算装置32は、別々のレベル調整装置36と38に個々に供給される出力信号を有する加算ネットワークを形成する。レベル調整装置36と38は理想的にはポテンショメータまたは類似する可変インピーダンス装置である。レベル調整装置36と38の調整は、出力信号に存在する和信号および差信号の低音レベルを制御するために、一般的にユーザによって手動で実行される。これにより、再生される音のタイプにしたがって、そしてユーザの個人的な好みに応じて、ユーザがステレオ増強のレベルおよびアスペクトを調整することができる。和信号のレベル増加は、１対のスピーカ間に配置されている中央ステージにおいて現れるオーディオ信号を強調する。逆に差信号のレベル増加は、より広い音像の知覚を生み出す周囲音情報を強調する。音楽のタイプのパラメータとシステムの構成が知られているか、または手動的な調整が実用的でないいくつかのオーディオ装置では、調整装置36と38が除去され、和信号および差信号レベルが予め定められた値に固定される。
調整装置38の出力は入力42において等化器40に供給される。等化器40は、示されているように、ローパスオーディオフィルタ44、ハイパスオーディオフィルタ48および減衰回路46を、入力42に現れる差信号に個々に適用することにより、差信号をスペクトル的に形成する。フィルタ44,48および回路46からの出力信号は、それぞれパス50,52,54に沿って等化器40から出力される。
パス50,54,52に沿って送られる修正された差信号は、処理された差信号の成分（Ｌ−Ｒ）pを形成する。これらの成分は、加算装置56と加算装置58を備えている加算ネットワークに供給される。加算装置58は元の左ステレオ信号12とともに、調整装置36から出力される和信号も受ける。これら５つすべての信号は加算装置58内で加算され、増強された左出力信号60が生成される。
同様に、等化器40からの修正された差信号、和信号、元の右ステレオ信号14は加算装置56内で結合され、増強された右出力信号62が生成される。パス50,52,54に沿って出てくる差信号の成分は加算装置56によって反転され、右スピーカに対する差信号（Ｒ−Ｌ）pが生成される。この差信号は、左スピーカのものと１８０度位相が異なっている。
差信号の全体的なスペクトル形成すなわち正規化は、差信号のフィルタされ減衰された成分を加算装置56と58が結合して、左右の出力信号60,62を生成する時に生じる。したがって、周囲の音が選択的に増強され、再生音ステージ内にいるリスナを完全に取囲むことから、増強された左右の出力信号60,62はかなり改善されたオーディオ効果を生み出す。左右の出力信号60,62は以下の数学式によって表される。
Ｌout＝Ｌin＋Ｋ１（Ｌ＋Ｒ）＋Ｋ２（Ｌ−Ｒ）p      （１）
Ｒout＝Ｒin＋Ｋ１（Ｌ＋Ｒ）−Ｋ２（Ｌ−Ｒ）p      （２）
上記の式の入力信号ＬinとＲinは一般的にステレオ源信号であるが、モノラル源から合成的に生成されるものであってもよいことに留意すべきである。本発明とともに使用されるこのようなステレオ合成の１つの方法は、米国特許第4,841,572号に開示されており、この特許もアーノルド・クレイマン氏に発行されており、参照としてここに組み込まれている。さらに米国特許第4,748,669号において論じられているように、上記に表されている増強された左右の出力信号は、ビニールレコード、コンパクトディスク、デジタルまたはアナログオーディオテープ、あるいはコンピュータデータ記憶媒体のような、さまざまな記録媒体に磁気的あるいは電子的に記憶させてもよい。そして記憶されている増強された左右の出力信号を、通常のステレオ再生システムによって再生することにより、同じレベルのステレオ像の増強を達成してもよい。
上記の式における信号（Ｌ−Ｒ）pは、本発明にしたがってスペクトル的に形成される処理された差信号を表している。好ましい実施形態にしたがうと、差信号の修正は図２に図示されている周波数応答によって表され、これには増強知覚あるいは正規化曲線70の名称が付けられている。
知覚曲線70は、対数フォーマットで表示されている可聴周波数に対してデシベルで測定された利得の関数として表示されている。好ましい実施形態にしたがうと、知覚曲線70は約１２５Ｈｚに位置している点Ａにおいて約１０ｄＢのピーク利得を持っている。知覚曲線70の利得はオクターブ毎に約６ｄＢの率で１２５Ｈｚの上下で減少する。知覚曲線70は、約２．１ＫＨｚの点Ｂにおいて差信号に−２ｄＢのマイナス利得を与える。利得は、２．１ＫＨｚより上で約７ＫＨｚにおける点Ｃまでオクターブ毎に６ｄＢの率で増加し、約２０ＫＨｚすなわち人間の耳に聞こえるほぼ最高周波数まで継続して増加する。知覚曲線70の全体的な等化はハイパスフィルタおよびローパスフィルタを使用して達成されるが、同様な知覚曲線を得るために、ハイパスフィルタとともに、点Ｂにおいてマイナス利得を有する帯域消去フィルタを使用することも可能である。
好ましい実施形態では、知覚曲線70の点ＡとＢと間の利得分離は理想的には１２ｄＢに設計され、点ＢとＣとの間の利得分離は約６ｄＢとすべきである。これらの図は設計上の制約を受けたものであり、実際の図は使用される部品の実際の値に依存して回路毎に変化しやすい。信号レベル装置36と38が固定された場合には、知覚曲線70は一定のままである。しかしながら信号レベル装置38の調整は、点ＡとＢ間および点ＢとＣ間の利得分離をわずかに変化させる。最大の利得分離が１２ｄＢよりかなり少ない場合には、結果として得られる効果はミッドレンジの増幅において増加し、これは不愉快なリスニング体験を生み出す。逆に１２ｄＢよりかなり大きい利得分離は、ミッドレンジの明確さに対するリスナの知覚を減少させる傾向がある。
デジタル信号プロセッサによる知覚曲線の実現は、多くの場合、上記で論じた設計上の制約をより正確に反映する。アナログによる実現に対しては、点Ａ，Ｂ，Ｃに対応する周波数および利得分離における制約がプラスマイナス２０％だけ変化するのであれば受け入れることができる。理想的な仕様からこのような変位がある場合であっても、最適な結果よりもすくないものの、所要のステレオ増強効果を生み出す。
図２に見られるように、１２５Ｈｚより下の差信号周波数は、たとえあるとしても知覚曲線70の適用を通して減少したブースト量を受ける。この減少は、非常に低い周波数すなわち低音の周波数の過度の増幅を避けるためである。多くのオーディオ再生システムによりこの低い周波数レンジにおけるオーディオ差信号を増幅すると、多すぎる低音応答を有する不愉快で非現実的な音像を生み出す。これらのオーディオ再生システムの中には、家庭用ステレオシステムとともに、マルチメディアコンピュータシステムのような近接または低いパワーのオーディオシステムが含まれる。
本発明により提供されるステレオ増強は、高品質ステレオ記録の利点を得るように独特に構成されている。特に、以前のアナログテープやビニールレコードアルバムの記録とは異なり、今日のデジタル的に記憶されている音の記録には、低音の周波数を含むより広い周波数スペクトルにわたって、差信号すなわちステレオの情報が含まれている。したがって適切な低音応答を得るために、これらの周波数内の差信号に対する過度の増幅は必要とされない。
現在、普通の消費者により所有されている対話型マルチメディアコンピュータの数はビジネスにおける場合のものと同様に急速に増加している。これらのシステムは、そのオーディオ・ビジュアル効果を増強するために、集積オーディオプロセッサや、サウンドカードのような周辺サウンドデバイスを備えていることがよくある。マルチメディアコンピュータや、携帯型ステレオシステムのような他の近接オーディオシステムにより生み出される音は、このようなシステムにより課されるパワーの制限やスピーカ配置の制限やリスニング位置の制限のために比較的低品質である。これらの制限により、近接システムが音像増強を実行することができる候補となるが、これらの制限はまた、何らかのステレオ増強システムにより解消されなければならない独特な問題も課す。
特に、これらのシステムについてパワーを多く引き出すことにより、高いブーストの期間の間に増幅器を“クリッピング”させるか、スピーカを含むオーディオ回路の部品を損傷させる。差信号の低音応答を制限すると、多くの近接オーディオに対する増強の適用においてこれらの問題を避けるのに役立つ。
差信号の低音周波数が好ましい実施形態にしたがって高くブーストされないことから、非常に低い周波数におけるオーディオ情報は和信号Ｌ＋Ｒによっても提供され、これはもちろんモノラルである。近接システムでは、和信号として１対のスピーカに加えられる低音情報が２つのスピーカ間、正確にはリスナがいることが予想される場所に音響像を生み出すことからこれは懸念事項ではない。それにもかかわらず左右の信号は低音情報を供給し、対応する増幅レベルを通して近接領域に低音の方向性キューを提供する。
オーディオシステムが近接システムでない場合でさえ、すなわちオーディオシステムが広く間隔があけられたスピーカと広いリスニング領域を持つ場合でさえ、図２に図示されている知覚曲線は低周波数における適切な像の増強をもたらす。特に、低音周波数は非常に長い波長を持っており、これは広がった低音音像を効果的に知覚するために広いリスニング領域を必要とする。例えば、３０Ｈｚの周波数は約３９フィートの波長を持っている。このような低音周波数の方向を知覚しようとするリスナは、同じオーダのリスニング領域を必要とする。結果として、図２の知覚曲線で達成されるステレオ増強は、家庭のステレオや他の遠方ステレオシステムの適用にも適する。
和信号の等化がない場合には、ステレオ増強はここで論じる音響原理にしたがって適当な回路設計を与えると最小の部品で達成することができる。したがって本発明は、ステレオ増強回路を収納するのに限られた利用空間しかもたないものを含む多くの適用において容易かつ安価に実現することができる。
図３は本発明の好ましい実施形態にしたがった広がったステレオ音像を生成するための回路を図示している。ステレオ増強回路80は図１に示されているシステム10に対応する。図３では左入力信号12は抵抗82、抵抗84およびキャパシタ86に供給される。右入力信号14は、キャパシタ88と抵抗90,92に供給される。
抵抗82は次に増幅器96の正端子94に接続される。同じ正端子94は抵抗92と抵抗98にも接続されている。増幅器96は、抵抗102を通してグランドに接続されている反転端子100を有する加算増幅器として構成されている。増幅器96の出力104は、フィードバック抵抗106を通して反転入力100に接続されている。左右の入力信号の和を表している和信号（Ｌ＋Ｒ）が出力104において生成され、そして可変抵抗110の一端に供給され、可変抵抗110の他端はグランドに落とされている。増幅器96による左右の入力信号の適切な和に対して、好ましい実施形態では抵抗82,92,98,106の値は３３．２キロオームであり、一方、抵抗102は１６．５キロオームであることが好ましい。
第２の増幅器112は“差動”増幅器として構成されている。増幅器112は抵抗116に接続されている反転端子114を有し、抵抗116は次にキャパシタ86に直列に接続されている。同様に、増幅器112の正端子118は、抵抗120とキャパシタ88の直列接続を通して右入力信号を受ける。端子118は抵抗128を通してグランドにも接続されている。増幅器112の出力端子122は、フィードバック抵抗124を通して反転端子に接続されている。出力122は可変抵抗126にも接続されており、この可変抵抗126は次にグランドに接続されている。増幅器112は“差動”増幅器として構成されているが、その機能は負の左入力信号と右入力信号との和として特徴付けられる。したがって、増幅器96と112は、和信号と差信号をそれぞれ発生させる加算ネットワークを形成する。
２つの直列に接続されているＲＣネットワークはそれぞれ素子86/116と88/120を備え、左右の入力信号の非常に低いすなわち低音の周波数を減衰するハイパスフィルタとして動作する。図２の知覚曲線70に対する適切な周波数応答を得るために、ハイパスフィルタに対するカットオフ周波数Ｗc'すなわち−３ｄＢ周波数は約１００Ｈｚとすべきである。したがって好ましい実施形態では、キャパシタ86と88は０．１マイクロファラッドのキャパシタンスを持ち、抵抗116,120は約３３．２キロオームのインピーダンスを持つ。そして、フィードバック抵抗124と減衰抵抗128に対する値を次のように選択することにより、出力122は２の利得により増幅された右差信号（Ｒ−Ｌ）を表す。
Ｒ120／Ｒ128＝Ｒ116／Ｒ124            （３）
入力のハイパスフィルタ処理の結果として、出力122における差信号は約１２５Ｈｚより下で減衰された低い周波数成分を持ち、これはオクターブ毎に６ｄＢの率で減少する。左右の入力信号を別々にフィルタするために（図１に示されている）フィルタ28と30を使用する代わりに、等化器40内で差信号の低い周波数成分をフィルタすることも可能である。しかしながら、低い周波数におけるフィルタリングキャパシタはかなり大きくなければならず、先行する回路の負荷を避けるために入力段においてこのフィルタ処理を実行することが好ましい。
一方の入力チャネルすなわち左または右のいずれかには存在するが、他方のチャネルには存在しない情報を含んでいるオーディオ信号に差信号が関係していることに留意しなければならない。出力信号の最終組立てを決定する時には、差信号の特定の位相は適切である。したがって一般的な意味において、差信号はＬ−ＲとＲ−Ｌの両方を意味し、これらは１８０度位相が異なるだけである。したがって当業者が理解できるように、左右の出力における差信号が互いに位相が異なる限り、左出力に対する差信号（Ｌ−Ｒ）が（Ｒ−Ｌ）の代わりに出力122に現れるように増幅器112を構成することができる。
可変抵抗110と126は簡単なポテンショメータであってもよく、それぞれワイパ接点130,132の位置により調整される。増強された出力信号に存在する差信号のレベルは、ワイパ接点132の手動的な、遠隔的なまたは自動的な調整により制御される。同様に、増強された出力信号に存在する和信号のレベルは、ワイパ接点130の位置により部分的に決定される。
ワイパ接点130に存在する和信号は、直列に接続された抵抗138を通して第３の増幅器136の反転入力134に供給される。ワイパ接点130における同じ和信号は、別の直列に接続された抵抗144を通して第４の増幅器142の反転入力140にも供給される。増幅器136は、抵抗146を通してグランドに接続されている反転端子134を有する差動増幅器として構成されている。増幅器136の出力148は、フィードバック抵抗150を通して反転端子134にも接続されている。
増幅器136の正端子152は、加算抵抗156のグループに接続され、そして抵抗154を通してグランドにも接続されている共通ノードを提供する。ワイパ接点132からのレベル調整された差信号は、パス160,162,164を通して加算抵抗156のグループに送られる。これにより、点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ現れる３つの個別に調整された差信号となる。これらの調整された差信号は、示されているように抵抗166,168,170を通して正端子152に接続される。
パス160に沿った点Ａにおいて、ワイパ接点132からのレベル調整された信号は何ら周波数応答の修正を受けることなく抵抗166に送られる。したがって、点Ａにおける信号は、抵抗166と抵抗154との間の分圧により単に減衰されるだけである。理想的には、ノードＡにおける減衰のレベルは、ノードＢにおける０ｄＢ基準に対して−１２ｄＢである。この減衰レベルは、１００キロオームのインピーダンスを持つ抵抗166と２７．４キロオームのインピーダンスを持つ抵抗154により実現される。ノードＢにおける信号は、グランドに接続されているキャパシタ172の両端に現れるレベル調整された差信号のフィルタされたものを表している。キャパシタ172と抵抗178のＲＣネットワークは、ネットワークの時定数により決定されるカットオフ周波数を持つローパスフィルタとして動作する。好ましい実施形態では、このローパスフィルタのカットオフ周波数すなわち−３ｄＢ周波数は約２００Ｈｚである。したがって、抵抗178は１．５キロオームであり、キャパシタ172が０．４７マイクロファラッドであり、駆動抵抗168が２０キロオームであることが好ましい。
ノードＣにおいて、ハイパスフィルタ処理された差信号は、駆動抵抗170を通して増幅器136の反転端子152に供給される。ハイパスフィルタは、約７ＫＨｚのカットオフ周波数とノードＢに対して−６ｄＢの相対利得を持つように設計されている。特に、ノードＣとワイパ接点132との間に接続されているキャパシタ174は４７００ピコファラッドの値を持ち、ノードＣとグランドとの間に接続されている抵抗180は３．７４キロオームの値を持つ。
回路位置Ａ，Ｂ，Ｃに存在する修正された差信号は、抵抗182,184,186をそれぞれ通して増幅器142の反転端子140にも供給される。３つの修正された差信号、和信号、右入力信号は加算抵抗188のグループに供給され、この加算抵抗188は次に増幅器142に接続される。増幅器142は、グランドに接続されている正端子190と、端子140と出力194との間に接続されているフィードバック抵抗192とを持つ反転増幅器として構成されている。反転増幅器142による信号の適切な加算を達成するために、抵抗182は１００キロオームのインピーダンスを持ち、抵抗184が２０キロオームのインピーダンスを持ち、抵抗186が４４．２キロオームのインピーダンスを持つ。正しい増強レベルを達成するために適切な比が維持される限り、ステレオ増強システムにおける抵抗とキャパシタの正確な値は変更してもよい。受動部品の値に影響を与える他の要因は、増強システム80のパワー要求と増幅器96,112,136,142の特性である。
動作において、処理された差信号からなる出力信号を発生させるために、修正された差信号は再結合される。特に、点Ａ，Ｂ，Ｃに見られる差信号成分は、差動増幅器136の端子152と増幅器142の端子140とにおいて再結合され、処理された差信号（Ｌ−Ｒ）pを形成する。信号（Ｌ−Ｒ）pは、図２の知覚曲線の適用を通して等化された差信号を表している。理想的には知覚曲線は、７ＫＨｚにおいて４ｄＢの利得、１２５Ｈｚにおいて１０ｄＢの利得、２１００Ｈｚにおいて−２ｄＢの利得により特徴付けられる。
増幅器136と142は、処理された差信号と、和信号と、左または右のいずれかの入力信号とを結合する混合増幅器として動作する。増幅器136の出力148における信号は、増強された左出力信号60を生成するために駆動抵抗196を通して供給される。同様に増幅器142の出力194における信号は、増強された右出力信号62を生成するために駆動抵抗198を通して伝わる。駆動抵抗は一般的に２００オームのオーダのインピーダンスを持つ。増強された左右の出力信号は上記数学式（１）および（２）により表すことができる。式（１）および（２）におけるＫ1の値は、ワイパ接点130の位置により制御され、Ｋ2の値はワイパ接点132の位置により制御される。
図３に図示されている個々の回路部品はすべて、マイクロプロセッサ上で走るソフトウェアを通して、あるいはデジタル信号プロセッサを通してデジタル的に実現される。したがって個々の増幅器や等化器などは、ソフトウェアやファームウェアの対応部分により実現される。
ステレオ増強回路80の他の実施形態が図４に図示されている。図４の回路は図３のものと類似しており、（図２で示されている）知覚曲線70を１対のステレオオーディオ信号へ適用する別の方法を表している。ステレオ増強システム200は、和信号と差信号を発生させるために別の加算ネットワーク構造を利用している。
他の実施形態200において、左右の入力信号12と14は最終的に混合増幅器204，226の負入力に供給される。しかしながら和信号と差信号を発生させるために、左右の信号12と14はそれぞれ最初に抵抗208,210を通して第１の増幅器214の反転端子212に供給される。増幅器214は、グランドに落とされた入力216とフィードバック抵抗218を持つ反転増幅器として構成されている。和信号すなわちこの場合には反転された和信号−（Ｌ＋Ｒ）は、出力220において生成される。そして和信号成分は、可変抵抗222によりレベル調整された後に残りの回路に供給される。他の実施形態における和信号は反転されているので、和信号は増幅器226の非反転入力224に供給される。したがって、非反転入力224とグランド電位との間に置かれた電流平衡抵抗228を必要とする。同様に電流平衡抵抗230が反転入力232とグランド電位との間に置かれる。他の実施形態における増幅器226に対するこれらのわずかな修正は、正しい加算を達成して右出力信号62を発生させるために必要である。
差信号を発生させるために、反転加算増幅器236は反転入力238において左入力信号と和信号を受ける。さらに、左入力信号12は入力238に到達する前にキャパシタ240と抵抗242を通る。同様に出力220における反転された和信号は、キャパシタ244と抵抗246を通る。部品240/242と部品244/246により形成されたＲＣネットワークは、好ましい実施形態とともに説明したようにオーディオ信号の低音周波数フィルタ処理を提供する。
増幅器236はグランドに落とされた非反転入力248とフィードバック抵抗250を持つ。差信号Ｒ−Ｌは、抵抗208,210,218,242に対して１００キロオームのインピーダンス値、抵抗246,250に対して200キロオームのインピーダンス値、キャパシタ244に対して０．１５マイクロファラッドのキャパシタンス、キャパシタ240に対して０．３３マイクロファラッドのキャパシタンスで、出力252において生成される。そして差信号は可変抵抗254によって調整され、残りの回路に供給される。先に説明したことを除いて、図４の残りの回路は図３に開示されている好ましい実施形態のものと同じである。
図３のステレオ増強システム80全体は最小の部品を使用して、音響原理を実現し、優良なステレオ音を発生させる。システム80は４つの能動部品だけで、一般的に増幅器96,112,136,142に対応する演算増幅器だけで構成してもよい。これらの増幅器は、単一の半導体チップ上のクワッドパッケージとして容易に利用することができる。ステレオ増強システム80を完全にするために必要な付加的な部品には２９個の抵抗と４個のキャパシタのみが含まれる。システム200は、クワッド増幅器、４個のキャパシタ、ポテンショメータと出力抵抗を含む２９個だけの抵抗によっても製造することができる。その独特な設計のために増強システム80と200は、最小の部品空間を利用する最小の費用で製作することができ、現在のステレオ像を信じられない程に広げる。実際、システム80全体は単一の半導体基板または集積回路として形成することができる。
図３と図４に図示されている実施形態に加えて、ステレオ信号の遠近感増強を得るために同じ部品を相互接続する付加的な方法が考えられる。例えば、差動増幅器として構成されている１対の増幅器が左右の信号をそれぞれ受け入れ、それぞれの増幅器が和信号も受け入れてもよい。このようにして、増幅器は左差信号Ｌ−Ｒと右差信号Ｒ−Ｌをそれぞれ発生させる。
増強システム80と200から結果的に生じた差信号の遠近感修正は、非常にさまざまな適用および入力されたオーディオ信号に対して最適な結果を達成するために設計製作されている。現在、ユーザにより調整には調節回路に加えられる和信号と差信号のレベルのみが含まれている。しかしながら、差信号の適応等化を可能とするために抵抗178と180の代わりにポテンショメータを使用することが考えられる。
先の説明および添付図面を通して、本発明が現在のステレオ増強システムに対して重要な利点を持っていることが示された。上記の詳細な説明を示し、本発明の基本的で新規な特徴を説明し指摘したが、図示された装置の形態および詳細において、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、さまざまな省略、置換、変更が当業者によってなし得ることが容易に理解できるであろう。したがって、本発明は以下の請求の範囲によってのみその範囲が限定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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