体感音響研究所


ボディソニックの
ハードウエア基本技術









ボディソニックの技術開発
ボディソニックの研究
第3章3 スペースワールド ステラファンタジア

         

  bodysonic laboratory



 

ボディソニック プロセッサ    

音楽用 信号処理回路 編   

オーディオ信号から ボディソニック用の振動信号を得る信号処理回路技術    

 

体感音響研究所 小松 明    

 


じめに

 オーディオ信号を振動トランスデューサに入力すれば、一応は振動を得られるが、ボディソニックとしての効果は不完全であり効率も悪い。このため、オーディオ信号から ボディソニック用の振動信号を得る信号処理を必要とする。この信号処理技術は重要で、その巧拙がボディソニックの効果を大きく左右する。
 オーディオ信号から ボディソニック用の振動信号を得る信号処理回路を ボディソニック プロセッサ と呼ぶことにする。

   ボディソニック信号処理用専用IC

  ↑ ボディソニック信号処理用専用 IC各種

     各種用途向けにいろいろなハイブリッドICが
     開発されている (写真左上 1980年代)。


        ボディソニック用AMP各種  →

          業務用大規模システムの 大型アンプから、
          個人ユース、カーユースのものまで種々な
          ものがある  (写真右 1980年代)。

1.ボティソニツクの構成 と ボディソニック プロセッサ

 図1に ボディソニック システムを説明する為のブロックダイヤグラム例を示す。ボディソニック システムは、LINE 入力されるオーディオ信号から ボディソニック用の振動信号を得る ボディソニック プロセッサ、振動駆動するための電力を得る 振動信号アンプ、電気信号から機械振動を得る 振動トランスデューサ と、これを有効に体感振動として人体に伝達させる椅子やクッション、シートなどの 振動伝達系(人体載置物) などから構成され、リスナーは スピーカ(イヤホン)で音声を聴きながら、振動伝達系から 体感音響振動 を受容し、ボディソニック効果を得る。
 ボディソニックのリラクセーション効果、臨場感再現効果などについては、他のファイルを参照されたい。
 図1のオーディオ機器回路については、LINE OUT と 2ch の SP OUT の場合を例示しているが、様々なケースがあることは言をまたない。オーディオアンプ と ボディソニック プロセッサ間の信号の受け渡しは、全て 規格レベルで固定される LINE として述べる。
  
図1 ボディソニック システムのブロックダイヤグラム例
        図1 ボディソニック システムのブロックダイヤグラム例

 図1の点線で囲まれた ボディソニック プロセッサ には、音楽用 信号処理回路 と、映画DVD用 信号処理回路 があり、本稿では 音楽用信号処理回路 について述べる。

2.音楽用信号処理回路 (音楽用ボディソニック プロセッサ)

 音楽用信号処理回路 は、音楽などのオーディオ信号から ボディソニック用の振動信号を得る信号処理系である。この信号処理のためには、音楽の種類によって低音域成分のレベルが大きく異なる問題に対処した信号処理が必要である。また、ヒトの 「聴覚心理特性」 と 「振動心理特性」 を踏まえ、そこに生じる問題に対処した信号処理も必要である。

2.1 音楽の種類によって低音域成分のレベルが大きく異なる問題

 図2は、信号処理の基本的な原理を説明するための回路図である。LINE の入力信号から fc 150Hz 程度のローパスフィルタで低音成分を取り出し、レベル調整をして、振動信号増幅器で必要な振動信号電力を得る。この信号を振動トランスデューサで体感音響振動に変換し、適切に設計された振動伝達系で振動付与すれば、一応はボディソニックを構成することができる。しかし、図2の回路のみでは下記のような問題が生じる。
       図2 信号処理の基本的な原理を説明するための回路図
         図2 信号処理の基本的な原理を説明するための回路図

 LINE の信号レベルの規格は 20〜20KHz の全周波数帯域で、規定の信号レベルになるように設定されている。この信号からローパスフィルタで低音成分のみを取り出すと、音楽のジャンル、録音状態その他の違いにより、出力される信号に大きなレベル差が生じる。
 例えば、ロック系の音楽では、バスドラムやエレキベースが多用され、電気的な信号処理によって基本波成分の多いオーディオ信号得ている。このため、ローパスフィルタを通しても強力な低音信号が高レベルで出力される。
 一方、クラシック音楽などでは、弦楽器、管楽器などのアコースティック楽器が使われている。高次の倍音成分を多く含むが、楽器のサイズの問題などから、波長の長い低音の基本波成分はレベルが低くなる。このため、ローパスフィルタを通して得られる低音信号は、低レベルになってしまう。
 こうした事情から、ローパスフィルタを通して得られるボディソニック信号は、音楽ジャンルの違い、楽曲の違い、楽器編成の違い、録音状態の違い等などにより、大きなレベル差を生じてしまい、ロック系の音楽では振動が強すぎる一方で、クラシック系の音楽などでは、ボリュームを上げても振動が弱くて実用性能が得られないなどの問題が生じる。ポピュラー系の音楽でも程度の差はあっても同様の問題が生じる。

 図3は、上記の問題を解決する為にレベル圧縮回路を入れ、ローパスフィルタの出力から得た制御信号をフィードバックし、レベル圧縮回路の圧縮度を制御している。ロック系の音楽で信号出力が大きいと圧縮信号も大きくなり、出力レベルが抑えられる。クラシック系の音楽では圧縮信号が低くなり、出力レベルを上げる。こうして音楽の種類などの違いで生じる出力レベル差を少なくすることが可能になる。
     図3 音楽の種類の違いによる出力レベル差を補償する回路例
         図3 音楽の種類の違いによる出力レベル差を補償する回路例

 しかし音楽の種類などの違いで生じる出力レベル差を少なくし過ぎると、ボディソニックとして 音と振動のつながりに不自然さがでやすい。

 図4は、上記を改善するもので、レベル圧縮回路の前にプリイコライジング回路EQ を設け、その後にレベル圧縮回路を挿入している。EQ はゆるやかなローパスフィルタで、一例をあげれば fc 72Hz, oct -6dB である。
 入力された音楽信号は EQ により音楽の種類などの違いで、出力レベル差を生じるが、図2の場合に比べるとレベル差は少ない。これを次のレベル圧縮回路によってレベル差を少なくし、ボディソニックとして自然な感じの音と振動のつながり感を得ている。
     図4 EQを追加して構成した回路例
         図4 EQを追加して構成した回路例

 プリイコライジング回路 EQ の特性は、ボディソニックとして心地よい振動感を得る効果をも併せ持っている重要な回路である。以上のほかに、実際の回路は、更にいくつかの回路要素を必要とする。

 以上に述べた例は、オーディオ信号をフィルタ回路やレベル圧縮回路などによる“ナチュラル信号処理方式”である。
 これに対して、入力信号から必要なパラメータを抽出し、このパラメータによって振動信号を合成する シンセサイザ信号処理方式 があり、語学学習や、業務用ボディソニックプロセッサ P20H振動効果装置などに応用されている。“シンセサイザ信号処理方式”についての説明は、別の機会に譲る。

2.2 聴覚心理特性 と 振動心理特性 の違い

 音と体感音響振動の密接な相互関係体感振動、体感音響振動の用語、体感音響振動が音の印象を強め 音楽の感動や陶酔感を高める効果リラクセーション効果臨場感再現効果 などなどについては、他のファイルを参照されたい。
 ここでは、ボディソニック プロセッサを考える上で必要な、ヒトの 「聴覚心理特性」 と「振動心理特性」 の違いと、回路設計において必要な考慮などについて述べる。

2.2.1 周波数特性の違い

 音の場合は周波数が低くなると聴覚の感度が低下することが、フレッチャーマンソン曲線などによってもよく知られている。100Hz以下、50Hz以下の純音(ひずみのない正弦波)は聴覚の感度が低下して聴き取り難くなる。オーディオ帯域の下限とされる 20Hz の純音を聴き取れる人は極めて少ないであろう。

 これに対して振動の場合は、音とは逆に周波数が低くなるほど触振動覚的な感度が上昇する一方、周波数が高くなると感度が低下する。100Hz以下、50Hz以下の正弦波振動は感度が上昇し誰でも容易に感じ取ることができ、健常者であれば 20Hz の正弦波振動は全ての人が容易に十分に感じ取ることができる。

 一方、周波数が高くなると、音としては感度が上がり、良く聴こえるようになるが、振動の場合は周波数が高くなるほど、振動を感じ取り難くなる。

 こうしたことから、全帯域のオーディオ信号を振動に変換すると、大方の信号成分は音として放射され、有効な振動に変換される成分は少なくなり効率が低下する。振動伝達系からの不要な音響放射は、ボディソニックの性能を劣化させる。
 例えば、同じ 20Wでも全帯域の場合と、ローパスフィルタで低域成分のみを取り出した 20W とを比較すると、ローパスフィルタを通した方が、アンプの利用効率、出力される振動出力が大きくなり、効率を高くすることができる。
 上記の理由からローパスフィルタを入れる必要があり、図2〜図4にローパスフィルタが入れてある所以となっている。好ましい振動感を得るのに適したフィルタの挿入は、回路設計上の重要なノウハウでもある。

2.2.2 ダイナミックレンジの違い

 音として耳で聴く 「聴覚心理特性」 は、対数直線的であることが知られている。音の強さを表す単位の 「ホン」 や 「デシベル」 が対数により表現されることや、音のピッチの単位である 「オクタープ」 が、対数目盛上に等間隔に表されることでも良く知られているところである。この為、ヒトの聴覚振動心理のダイナミックレンジは広い。

 一方、「振動心理特性」 は、リラクセーション効果や臨場感再現効果で、ヒトが心地よいと感じ、効果的と感じる体感振動のダイナミックレンジ受容性は、音に比べるとだいぶ狭い。
 心地よい振動、リラクセーション効果のある振動、などの条件をつけると、あまり弱い振動では、心地よい振動や、リラクセーション効果のある振動にはならないし、強過ぎる振動は生理的害を及ぼす虞がある。従って、それに見合うダイナミックレンジは更に狭いものとなる。
 音に比べて、振動を受容するダイナミックレンジが狭い問題は、前項で述べた図3図4の レベル圧縮回路によって振動信号のダイナミックレンジが圧縮されることにより、実用性能を得ることができる。
 レベル圧縮回路は、音楽の種類によって低音域成分のレベルが大きく異なる問題と同時に、ヒトが振動を受容するダイナミックレンジが狭い問題にも、対処している。     音楽用信号処理回路

2.3 振動では、信号が歪んでもボリュームを絞らない問題

 音の場合は、過大な音で音が歪めば、ビックリして、反射的にボリュームを絞る作用が働く。しかし振動の場合は過大な振動で信号が歪んでも気がつかない場合が多く、ビックリして反射的にボリュームを絞る というような作用があまり起こらない。これはとても重要な問題を含んでいる。  図5
 この問題に対しても、前項で述べた 図3図4で示した レベル圧縮回路によって振動信号がレベル圧縮されることが有効であるが、更にリミッタ回路を付けることで問題に対処している。その回路例を図5に示す。
  図5 音楽用信号処理回路
       図5 音楽用信号処理回路 (入力回路、振動信号アンプなども 図1 に対応)

 図5の、線で囲まれた 音楽用信号処理回路 は、図1の音楽用信号処理回路ブロックに対応している。入力回路、切替スイッチ、振動信号アンプも 図1に対応しているので、確認されたい。

 ロック、ポピュラー系の音楽におけるバスドラムの低音域信号は ずば抜けてピークレベルが高く、これに振動レベルを合わせると他の楽器の振動レベルが低くなり過ぎる。他の楽器で適当な振動レベルにすると、バスドラムのピークレベルでアンプが飽和し、歪みが発生する。歪みが発生しないようにするにはアンプの出力電力を高くすればよいが、振動出力強度が過大になりやすい。過大な振動出力は人体に有害であり副作用を引き起こす虞が出てくる。
 こうした問題を解決するために、プリイコライジング回路 EQ によって音楽信号を適切にイコライジング処理した後、レベル圧縮回路で音楽の種類などの違いによる低音のレベル差を圧縮し、リミッタ回路 によってバスドラムなどの高いピークレベルを押さえる。そして適切な特性を持つ低域通過フィルタ LPF により低音成分を取り出す。
 ボディソニックにおいては、このような信号処理によって、音楽の種類などの違いによる振動レベル差を押さえ、副作用を起こすことなく、より良い体感振動の効果が得られるように設計される。これらは筆者が膨大な実験・研究の中から見いだしてきたものである。

 初期の頃の開発・実験段階では、図2のような ローパスフィルタと振動信号増幅器だけのリニアな回路だったので、容易に過大出力に達してしまい、好ましくない動作状態で使用される可能性が大きく、振動トランスデューサや AMP を壊してしまう経験をした。保護回路を入れれば、保護回路が働いてばかりいるようなことも起こった。
 こうしたことから、適切なレベル圧縮回路とともにリミッタ回路が必要である。リミッタが掛かる直前のレベルで、振動信号アンプが、規定の出力電力になるよう、振動信号アンプの利得を設定しておくことが重要である。この設定を誤ると、様々な問題を起こす(図示していないが、リミッタの動作状態を監視して OVER 表示をすることなども必要であろう)。
 過大な振動は生理的害を及ぼす虞がある問題に対しては、身体への振動付与方法、振動付与部位、振動付与分布など、生理的害を避け、より効果的な振動効果を得る重要なノウハウがある。しかし電子回路技術とは異なる技術の問題なので別稿に譲る。   図6

3.音楽用ボディソニック プロセッサの回路例

 図6 は、図5の音楽用信号処理回路入力回路を加えた、音楽用ボディソニック プロセッサの回路図である。特殊な部品を使用せず、部品点数をギリギリまで減らす為に、可及的シンプルな回路構成にした例である。
図6 音楽用ボディソニックプロセッサ回路図


           図6 音楽用ボディソニック プロセッサ回路図

 レベル圧縮回路のトランジスタ は可変抵抗としてオーミック領域を使用するので、コレクタ電流が 500mA 程度のものが必要。2SC1627AY、2SA817AYは東芝のオーディオAMP用 ドライバ段のコンプリメンタリトランジスタだが、同等品であれば他のものでも可能だろう。
 OP AMP は一般用で十分使える。リミッタ回路 はシリコンダイオードの非直線領域でソフトクリップさせる簡単なものである。
 リミッタ回路をボディソニック用のローパスフィルタであるLPF回路 の前に入れることによって、リミッタでおこるひずみを軽減している。

3.1 振動信号アンプの利得設定 と 使用条件 など

 振動信号アンプは、オーディオ用のパワーアンプを使用することが可能であるが、オーディオアンプの場合とは異なる、いくつかの重要な注意点がある。

その1 振動信号アンプに規定の負荷をかけ、リミッタが掛かる直前のレベルで、振動信号アンプが、規定の出力電力になるよう、振動信号アンプの利得を設定しておくことが重要である(この設定を誤ると、様々な問題を起こす)。そして、リミッタが掛かりソフトクリップしたクリップレベルでも、振動信号アンプが飽和しない電力容量を持っていることが必要である。振動信号AMPが飽和してクリップすると異音を発し、音響効果を悪化させる。
 例えば、振動信号アンプの規定出力を 25W 4Ω負荷とすれば、4Ω負荷を掛け、リミッタが掛かる直前の出力電圧が10V になるように、振動信号アンプの利得を設定する。そして、リミッタが掛かり、ソフトクリップしたクリップレベルでも、振動信号アンプが飽和しない電力容量を持っていることが必要である。

その2 振動信号アンプと、オーディオアンプとではでは、使用条件が異なる。オーディオアンプの場合、例えば 50W のアンプの場合、ピークでは 50W であっても、平均的な出力電力は 10%以下くらいであることが普通である。
 しかしボディソニックアンプである振動信号アンプでは、常に最大出力になると思うべきである。特に、ロック、ポピュラー系の音楽で顕著であり、バスドラムはフルパワーになる。エレキベースもほぼ同じである。
 このことから、発熱、放熱には特に注意が必要で、スペック上は同じ 25W であっても、放熱器はオーディオアンプの場合の、2倍のサイズが必要である。

その3 ヒトの聴覚は、右耳と左耳に到着するわずかな時間差や周波数特性差を識別し、音の方向などを感知する。その弁別能力は侮ることができない。
 音と体感音響振動との間でもこのことは起こる。ボディソニックに慣れた人は、音と振動のつながりの不自然感を鋭敏に感知し 「振動が遅れる」 と指摘する。ディジタル回路でソフトウエア的に信号処理を行なう場合は留意されたい。
 また、スピーカとの距離も問題になる。この場合、音が遅れ、音と振動のつながりが悪くなり、ボディソニック効果を低下させる。この場合にも、「振動が遅れる」と指摘する人が多い。音が遅れるのか、振動が遅れるのか、の弁別は難しいのかもしれないが、そこから生じる音と振動のつながりの不自然感は鋭敏に弁別する。
 音響条件、音のクォリティ、音量など、様々な要素があり一概にはいえないが、スピーカとリスナーとの距離は近いほど良い効果が得られ易いとはいえよう。

4.ウォークマンで試聴体感

 図6の 「音楽用ボディソニック プロセッサ回路図」 の入力回路部分を、図7の 「携帯音楽プレーヤ用入力回路」 に入れ替え、アイポッド、ウォークマンなどで使えるように改造。手持ちの携帯音楽プレーヤ、ソニー・ウォークマンで試聴した。
 ウォークマンのイヤホン出力からミニプラグコードで J1 に入力し、イヤホンを J2 に挿して聴く。音量調整はウォークマンのボリュームで調整し、適当な音量にして、図6のボディソニック プロセッサのVRで振動を調整。

図7 携帯音楽プレーヤ用入力回路    ニーチェアと置型ボディソニッククッション

図7 携帯音楽プレーヤ用入力回路図

ニーチェアと置型ボディソニック


 椅子はネットでも市販されている折りたたみ式の ニーチェア を使用し、ボディソニックは振動トランスデューサ SCP-6024 を2個装着した、置型のボディソニッククッションをニーチェアの腰の辺りに置いて使用する簡単なものである(右上の写真参照)。

 簡単なシステムだが、その効果は自分でも想像した以上のもので、低音域成分の多いポピュラー系の曲では未体験の別世界に誘われたような感覚に浸った。ここで試しにVRを絞り振動を止めると、普通のウォークマンの世界に戻り、効果の違いを確認できる。
 知人の子息の青年は、ありふれた簡単な携帯音楽プレーヤで、こんなすごい良い音の音楽が聴けるのかと感嘆し、帰りの時間を促されるまで、2時間余も試聴を続けていた。

おわりに

 ボディソニックは多くの効果と可能性を持ちながらも、説明するだけでは、その効果や良さを伝えることが難しいという問題がある。回路技術ひとつをとっても、一見、オーディオアンプと同じように見えても、技術内容的にはかなり異なる面を持っている。
 2.3 項 の終わり近くで、 (図示していないが、リミッタの動作状態を監視して OVER 表示をすることなども必要であろう) と記した通り、リミッタ回路はもう少し丁寧なものにすべきだろうし、リミッタの動作状態を監視して OVER表示をするべきであろう。

【参考文献】

 小松 明:体感音響装置用信号処理回路 特許公開 2011-239043
 小松 明:体感音響装置用信号処理回路 特許第4358775号 (2009.8.14)
 小松 明:体感音響振動信号の抽出回路 特許公報 平4-27559
 小松 明:METHOD AND SYSTEM FOR DISCRIMINATING HUMAN VOICE SIGNAL
      米国特許 4,506,379 '85.3.19
 小松 明:人声信号識別回路 実用新案公報 昭61-37040
 小松 明:外国語修得装置 特許公報 平8-10387
 小松 明:体感音響装置 実用新案公報 平7-31676
 小松 明:体感音響装置 実用新案公報 平6-33743
 小松 明:振動ユニットの駆動装置 実用新案公報 平1-45192
 小松 明:振動ユニットの駆動装置 実用新案公報 昭62-36396
 小松 明:振動ユニットの駆動装置 実用新案公報 昭61-14238
 小松 明:振動ユニットの駆動装置 実用新案公報 昭60-29275
 小松 明:身体で聴く音響装置 ボディソニック・システム
      日本オーディオ協会誌 JAS Journal 1981, Vol.21, No.6 P54-60


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2011/8/31


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