(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内の音響環境条件に基づき、残響音を再生するための残響信号を生成するにあたって、前記残響音を初期反射音と後部残響音との２つに分け、さらに、前記後部残響音を第１の音響信号と第２の音響信号とに分ける残響信号自動生成装置において、
前記残響音を幾何音響に則った音線追跡法あるいは虚像法で求める１００〜１５０ｍｓの第１の音響特性を持つ前記初期反射音を生成する第１の信号処理手段と、
音線数の時間変化率が一定時間範囲内で時間の２乗にしたがって増加する特性を持つ第２の音響特性ならびに前記音響環境条件に基づき、前記第１の音響信号を生成する第２の信号処理手段と、
前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との接続時点から音線数の時間変化率が直線的に減少する特性を持つ第３の音響特性ならびに前記音響環境条件に基づき、前記第２の音響信号を生成する第３の信号処理手段と、
前記初期反射音、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号を接続合成する第４の信号処理手段と
を備えたことを特徴とする残響信号自動生成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の残響信号自動生成装置において、音響環境条件として残響時間周波数特性が与えられ、前記第２の信号処理手段および前記第３の信号処理手段は、前記第２の音響特性に基づき中心周波数１ｋＨｚの周波数で代表して総反射音線数、時間範囲を取得し、前記第３の音響特性の経過時間に対する係数を取得し、時間刻み内で発生させた一様乱数から、前記後部残響音個々の反射音の遅延時間を取得し、振幅が前記残響時間周波数特性を満足するような後部残響音の減衰曲線を取得し、前記第４の信号処理手段は前記初期反射音および前記後部残響音のエネルギ成長曲線を取得し、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号の接続時点の接線の傾きが一致するように接続レベルを求めることを特徴とする残響信号自動生成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の残響信号自動生成装置において、前記初期反射音、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号を、それぞれ、周波数帯毎に生成することにより前記残響信号を広帯域化することを特徴とする残響信号自動生成装置。
【請求項４】
室内の音響環境条件に基づき、残響音を初期反射音と後部残響音との２つに分け、さらに、前記後部残響音を第１の音響信号と第２の音響信号とに分けて残響信号を生成する残響信号自動生成方法であって、
前記残響音を幾何音響に則った音線追跡法または虚像法によって求める１００〜１５０ｍｓの第１の音響特性を持つ前記初期反射音を生成する第１のステップと、
音線数の時間変化率が一定時間範囲内で時間の２乗にしたがって増加する特性を持つ第２の音響特性および前記音響環境条件に基づき、前記第１の音響信号を生成し、ならびに前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との接続時点から音線数の時間変化率が直線的に減少する特性を持つ第３の音響特性および前記音響環境条件に基づき、前記第２の音響信号を生成する第２のステップと、
前記初期反射音、前記第１の音響信号ならびに前記第２の音響信号を接続合成する第３のステップと
を備えることを特徴とする残響信号自動生成方法。
【請求項５】
請求項４に記載の残響信号自動生成方法において、音響環境条件として残響時間周波数特性が与えられ、
前記第２のステップは、
前記第２の音響特性および前記第３の音響特性に基づき総反射音線数、時間範囲を取得するステップと、
前記第３の音響特性の経過時間に対する係数を取得するステップと、
時間刻み内で発生させた一様乱数から、前記後部残響音個々の反射音の遅延時間を取得するステップと、
振幅が前記残響時間周波数特性を満足するような後部残響音の減衰曲線を取得するステップとを含み、
前記第３のステップは、
前記初期反射音および前記後部残響音のエネルギ成長曲線を取得するステップと、
前記第１の音響信号および前記第２の音響信号の接続時点の接線の傾きが一致するように接続レベルを求めるステップとを含む
ことを特徴とする残響信号自動生成方法。
【請求項６】
請求項５に記載の残響信号自動生成方法において、前記初期反射音、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号を、それぞれ、周波数帯毎に生成することにより前記残響信号を広帯域化することを特徴とする残響信号自動生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、確率的な反射音密度の分布等の部屋の音響性能を予め求めておくことにより、部屋の残響信号を自動生成する残響信号自動生成装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の音場シミュレーションでは、音源から発した多数の音線が部屋の壁で反射して客席までの反射音を１本１本追跡する方法（以下、音線追跡法と称す）と音源の壁に対する虚像を求め、この虚像と客席とを結ぶ線分と壁との交点をもとに反射音を求める方法（以下、虚像法）が考えられており、現在でもよく使用されている。虚像法では部屋を構成する壁の数や反射次数が増加するにつれて幾何級数的に計算時間が増加する。このため、コンサートホールなどの長い残響時間を有する部屋の反射音計算には音線追跡法が主に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また、残響信号を自動生成することについては三本浩介：“残響付加法の有効性の検討”日本音響学会、平成５年度春季研究発表会、ｐｐ６６３−６６４の報告があるが、この報告で提案されている残響信号自動生成法では発生する反射音の時間構造が現実と離れていたり、初期反射音、後部残響音のスムーズな接続ができないという点において改善すべき余地がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上述の点に鑑みて、室内の残響信号を高質でかつ、短時間で自動生成することの可能な残響信号自動生成装置および方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、室内の音響環境条件に基づき、残響音を再生するための残響信号を生成するにあたって、前記残響音を初期反射音と後部残響音との２つに分け、さらに、前記後部残響音を第１の音響信号と第２の音響信号とに分ける残響信号自動生成装置において、前記残響音を幾何音響に則った音線追跡法あるいは虚像法で求める１００〜１５０ｍｓの第１の音響特性を持つ前記初期反射音を生成する第１の信号処理手段と、音線数の時間変化率が一定時間範囲内で時間の２乗にしたがって増加する特性を持つ第２の音響特性ならびに前記音響環境条件に基づき、前記第１の音響信号を生成する第２の信号処理手段と、前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との接続時点から音線数の時間変化率が直線的に減少する特性を持つ第３の音響特性ならびに前記音響環境条件に基づき、前記第２の音響信号を生成する第３の信号処理手段と、前記初期反射音、前記第１の音響信号および第２の音響信号を接続合成する第４の信号処理手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の残響信号自動生成装置において、音響環境条件として残響時間周波数特性が与えられ、前記第２の信号処理手段および前記第３の信号処理手段は、前記第２の音響特性に基づき中心周波数１ｋＨｚの周波数で代表して総反射音線数、時間範囲を取得し、前記第３の音響特性の経過時間に対する係数を取得し、時間刻み内で発生させた一様乱数から、前記後部残響音個々の反射音の遅延時間を取得し、振幅が前記残響時間周波数特性を満足するような後部残響音の減衰曲線を取得し、前記第４の信号処理手段は前記初期反射音および前記後部残響音のエネルギ成長曲線を取得し、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号の接続時点の接線の傾きが一致するように接続レベルを求めることを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の残響信号自動生成装置において、前記初期反射音、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号を、それぞれ、周波数帯毎に生成することにより前記残響信号を広帯域化することを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、室内の音響環境条件に基づき、残響音を初期反射音と後部残響音との２つに分け、さらに、前記後部残響音を第１の音響信号と第２の音響信号とに分けて残響信号を生成する残響信号自動生成方法であって、前記残響音を幾何音響に則った音線追跡法または虚像法によって求める１００〜１５０ｍｓの第１の音響特性を持つ前記初期反射音を生成する第１のステップと、音線数の時間変化率が一定時間範囲内で時間の２乗にしたがって増加する特性を持つ第２の音響特性および前記音響環境条件に基づき、前記第１の音響信号を生成し、ならびに前記第１の音響信号と前記第２の音響信号との接続時点から音線数の時間変化率が直線的に減少する特性を持つ第３の音響特性および前記音響環境条件に基づき、前記第２の音響信号を生成する第２のステップと、前記初期反射音、前記第１の音響信号ならびに前記第２の音響信号を接続合成する第３のステップとを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項４に記載の残響信号自動生成方法において、音響環境条件として残響時間周波数特性が与えられ、前記第２のステップは、前記第２の音響特性および前記第３の音響特性に基づき総反射音線数、時間範囲を取得するステップと、前記第３の音響特性の経過時間に対する係数を取得するステップと、時間刻み内で発生させた一様乱数から、前記後部残響音個々の反射音の遅延時間を取得するステップと、振幅が前記残響時間周波数特性を満足するような後部残響音の減衰曲線を取得するステップとを含み、前記第３のステップは、前記初期反射音および前記後部残響音のエネルギ成長曲線を取得するステップと、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号の接続時点の接線の傾きが一致するように接続レベルを求めるステップとを含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項５に記載の残響信号自動生成方法において、前記初期反射音、前記第１の音響信号および前記第２の音響信号を、それぞれ、周波数帯毎に生成することにより前記残響信号を広帯域化することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明を適用したバーチャルリアリティシステムのシステム構成を示す。図１において、残響信号自動生成装置１にはマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ等の演算処理処理装置が使用され、後述の残響信号自動生成方法（図６）にしたがって、たとえば、コンサートホール等の音響情報データに基づき残響信号（デジタル形態）を自動生成する。生成された残響信号は、周知の畳み込み装置２に転送される。畳み込み装置２は響きのない音源信号と上記残響信号とを畳み込み合成する。合成された音響信号はスピーカ４から再生出力される。これにより一般家庭の部屋でも本格的なコンサートホールの音を楽しむことができる。
【００１７】
残響音を付加する場合、時間軸上でどのような処理を施せば、すべての反射音を従来法でトレースしたもの（以下、レファレンス）と聴感上、弁別できないものが得られるかが問題となる。音響的にはラウドネス（定常状態エネルギ）、響き（残響時間）および音響のひろがり（両耳間相互相関関係）に関して、残響付加した音をレファレンスに近づける必要がある。
【００１８】
反射音密度および室の幾何学的、音響的パラメータと反射音の時間構造との関係を調べるため、音線追跡法を使用して受音点における反射音を分析し、統計的な性質を調べたので、その調査結果について述べる。この調査では、反射音の統計的な性質を知るための物理量として、総反射音線数Ｎおよび反射音線数の微少時間内における変化率ｄＮ／ｄｔを採用し、それらの時間的な推移を調べた。
【００１９】
このシミュレーションの結果を内挿し、総反射音数、反射音総数の時間変化率が時間経過の２乗に比例する時間の範囲（以下、時間範囲と称する）を求めた。総反射音数Ｎと経過時間ｔとの関係については、従来から下記の数１式が成立するとされてきた。
【００２０】
【数１】
0003950510.tif 000002
【００２１】
ここで、ｃは音速、Ｖは部屋の容量を表す。
【００２２】
この数１式の時間微分を求めることにより、反射音線数の時間変化率ｄＮ／ｄｔが経過時間の２乗に比例することも分かる。しかし、数１式は反射によるエネルギーの損失がないと仮定して得られるものであり、実際には、壁で反射する際に、エネルギの一部が吸音、透過で失われるため、数１式を適用できる範囲が存在すると考えられる。
【００２３】
総音線数、時間範囲の両者について、平均吸音率、残響半径ｒｈで正規化した音源受音点間の（以下、距離）をパラメータとして、表した結果をそれぞれ図２、図３に示す。この予備実験の結果、以下のことが分かった。
【００２４】
（１）総音線数は、距離によって、変化し、距離が大きくなるほど一様に音線数も増加する傾向にある。これは時間の３乗に比例して総音線数が増加するという拡散音場を仮定した上記数１の理論式からだけでは説明できない点と考えられる。
【００２５】
（２）総音線数は残響時間ではなく、平均吸音率に依存する。
【００２６】
（３）時間範囲は距離、平均吸音率、室容積に依存する。
【００２７】
以上の予備実験で得た、反射音の時間構造の性質を考慮し、付加する反射音は、１００〜１５０ｍｓの間で任意に設定した接続時刻ｔ２までの初期反射音を従来の音線追跡法等によって求め、これ以後音線数の時間変化がｔ１までの時間範囲内で図４のように時間の２乗にしたがって、増加し、これ以後、残響時間ＲＴまで、直線的に減少するとしてモデル化した。これらは、室の幾何学的条件（室容積、距離）および中心周波数１ｋＨｚにおける音響条件（平均吸音率、残響半径）から、図２、図３に示す特性を使用して推定できる。統計量を求める際の微少時間間隔を１０ｍｓに設定し、この時間幅内で一様乱数を発生してランダムな遅延時間を得た。
【００２８】
上記の時間構造を持つ付加反射音の振幅は１／１オクターブの帯域内で、Ｅｙｒｉｎｇの残響式で予測した残響時間を持つとして、減衰のエンベロープを求めた。図５に示すように初期反射音部分と後部残響音のエネルギ成長曲線の接線の傾きが接続時刻においてほぼ等しくなるように計算機（残響信号自動生成装置１）内で自動的に接続レベルを決めた。以上、説明したように反射音の密度、振幅および残響時間周波数特性を考慮して、後部残響音を生成することにより高質の残響音、すなわち、現実を反映した、反射音の音の大きさ（ラウドネス）と、実際に近い響きを得ることができ、また、その自動生成時間も短くてすむ。
【００２９】
次に本発明に係る残響信号自動生成方法を図６を参照して説明する。図６に示す処理手順は、実際にはＣＰＵ等により読み取り実行可能なプログラムの形態で残響信号自動生成装置１内の記憶装置、たとえば、ＲＯＭやハードディスク記憶装置に保存され、読み出された後、実行される。説明の便宜上、図６の処理手順は、従来技術として確立している処理に分割して機能的に表現しているので、当業者であれば、容易にプログラム化することができよう。また、本実施の形態では、残響信号自動生成装置１および畳み込み装置２の機能をパーソナルコンピュータで実現するものとする。
【００３０】
シミュレーションのために予め定められている条件は部屋の幾何学的な形、内装材料、音源、客席の位置および残響時間周波数とする。この条件をキーボード等の入力装置から受け付け、残響信号自動生成装置１内のメモリ，たとえば、ＲＡＭに記憶しておく。次に、マルチタスク処理あるいはシーケンシャルの処理により図６のステップＳ１１の初期反射音の算出処理およびステップＳ２１〜Ｓ２４の処理を実行する。
【００３１】
ステップＳ１１の初期反射音算出処理では、音線追跡法で初期反射音を求める。
【００３２】
ステップＳ２１では、図２および図３に示す特性を記載したテーブル、あるいは変換式から中心周波数１ｋＨｚにおける時間範囲、総反射音線数の順に求める。
【００３３】
ステップＳ２２では図４のモデルの示す特性を記載したテーブル、あるいは変換式およびステップＳ１１の初期反射音線数を考慮して、すなわち前記総反射音線数から初期反射音線数を減じて、反射音線時間変化率の経過時間に対する係数を取得する。
【００３４】
ステップＳ２３では、時間刻み（たとえば、１０ｍｓ）内で発生させた一様乱数から、後部残響音個々の反射音の遅延時間を算出する。また、振幅が残響時間周波数特性を満足するような後部残響音の減衰曲線を算出する。
【００３５】
ステップＳ２４では初期反射音、後部残響音のエネルギー成長曲線をそれぞれ取得し、図５に示すように接続時刻の前後における接線の傾きが一致するように、後部残響音の接続レベルを決定する。
【００３６】
ステップＳ２１〜ステップＳ２２の処理は１ｋＨｚの周波数で代表して求めておき、ステップＳ２３〜ステップＳ２４およびステップＳ１１の処理を中心周波数６３Ｈｚ〜８ｋＨｚまでの１／１オクターブ間隔の周波数ごとに繰り返し処理し、初期反射音信号（時間ごとのデジタル値）および後部反射音信号（時間ごとのデジタル値）を接続合成して広域化を図る（ステップＳ２５）。
【００３７】
このように作成した残響信号を響きのない音源信号（図１の符号３）と畳み込み処理することにより自然な響きが付加された音響信号が生成される。
【００３８】
本発明を用いて残響信号を自動生成して得られた波形の一例を全部の反射音を音線追跡法で求めたレファレンスと比較して図７、図８に示す。この結果からも本発明の有効性が分かる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１、４の発明によれば、残響信号を音響特性が異なる２つの信号、すなわち、初期反射音についての第１の残響信号とその後に続く後部残響音についての第２の残響信号とに分けて、それぞれを別個に生成する。この生成した音響信号を接続合成する。これにより、残響信号の音響特性を複雑な数式を使用することなく、簡素な数式で表すことができ、信号生成時間が短縮化される。また、２つの音響信号を接続合成することによりその合成により得られる残響信号は現実を反映した、反射音の音の大きさ（ラウドネス）と、実際に近い響きを得ることができる。
また、初期反射音の音響特性を、音線数の時間変化率が一定時間範囲内で時間の２乗にしたがって、増加する特性とすることにより、従来の音線追跡法等を用いた音場シミュレーション手法に比べて、信号生成時間を短縮することができる。さらには、後部残響音の音響特性を、前記初期反射音の接続時点から音線数の時間変化率が直線的に減少する特性とすることにより従来の音線追跡法等を用いた音場シミュレーション手法を使用するよりも信号生成時間を短縮することができる。
【００４０】
請求項２、５の発明では、第１の音響信号の時系列上の後端部と第２の音響信号の始端部のレベルおよび傾きを一致させることができるので、たとえ、第１の音響信号および第２の音響信号を合成しても、その信号の再生音は結合部に違和感を生ぜず、自然なものとなる。
【００４１】
請求項３、６の発明では、第１の音響信号および第２の音響信号を、帯域ごとに生成して広帯域化するので、再生される残響はさらに自然に近い音となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】総音線数と距離の関係の特性を示す説明図である。
【図３】時間範囲と距離の関係の特性を示す説明図である。
【図４】音線数の時間変化率のモデル特性を示す説明図である。
【図５】第１，第２の音響信号の接続処理を示す説明図である。
【図６】残響信号自動生成処理を示すフローチャートである。
【図７】レファレンス波形を示す波形図である。
【図８】残響付加波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１  残響信号自動生成装置
２  畳み込み装置
３  無響室録音信号
４  スピーカ
【図１】
0003950510.tif 000003
【図２】
0003950510.tif 000004
【図３】
0003950510.tif 000005
【図４】
0003950510.tif 000006
【図５】
0003950510.tif 000007
【図６】
0003950510.tif 000008
【図７】
0003950510.tif 000009
【図８】
0003950510.tif 000010