JP2000242287A - 発声補助装置およびプログラム記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 食道発声音声、反回神経麻痺音声のような声
帯に異常のある音声は、音量不足や、有響成分不足等の
音質に難があったが、従来の発声補助装置を用いては音
質の改善が不十分なまま残されるという問題点があっ
た。 【解決手段】 入力した音声信号から高周波数成分を除
去する低域成分除去フィルタ１１と、前記入力音声信号
の高周波数成分を除去する高域成分除去フィルタ１２
と、前記高域成分除去手段の出力を分析し合成する分析
処理手段４と、前記低域成分除去手段の出力を前記分析
処理手段の出力と加算し出力する加算器１４を備えた発
声補助装置１０を用いて、音量に加えて声質を改善する
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、食道発声者や反回
神経麻痺患者のように、声に問題がある方の音声のラウ
ドネスの改善、声質の変換を行ない、コミュニケーショ
ンを支援する発声補助装置およびプログラム記録媒体に
関する。

【０００２】

【従来の技術】喉頭癌等による喉頭摘出手術により声を
失った人々が、声帯の代わりに食道を用いて発声する食
道発声法は、補助となる特別な装置を必要とせずに発声
を実現するものであるが、このような発声法には、音量
が小さい、基本周波数が低く不安定、有響成分が少な
い、などの欠点があり、特に町中等の雑音環境下では、
コミュニケーションを行うのに十分とは言えない。

【０００３】また、反回神経麻痺の方の発声にも、食道
発声音声同様、音量および有響成分の少なさ等の問題が
あり、コミュニケーションに支障がある。

【０００４】これらの方々のコミュニケーションを支援
するための機器として、発声補助装置が知られている。

【０００５】図４は、従来の技術による発声補助装置の
構成を示す図である。図に示すように、発声補助装置４
０において、コンタクトマイク４１は利用者４４の喉頭
に取り付けて用いる手段である。また、制御増幅部４２
は、コンタクトマイク４１からの入力を増幅する手段で
あり、スピーカ４３は制御増幅部４２からの入力を増幅
して音声信号として出力する手段である。

【０００６】上記のような構成を有する従来の技術によ
る発声補助装置４０は、発生時の信号を、皮膚上の振動
としてコンタクトマイクで検出し、検出した信号を制御
増幅部４２で増幅して、スピーカ４１から出力すること
により、食道発声者の発声をより大きな音にすることが
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の発声補助装置の機能は、事実上拡声器と同様
の単なる拡声機能でしかなく、基本周波数の問題ほか
の、声質の改善は出来なかった。

【０００８】本発明は、このような課題に鑑みなされた
ものであり、音量の補正を行うとともに声質も変換して
良好なコミュニケーションを確保することが可能な発声
補助装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の本発明（請求項１に対応）は、音声を入力
する音声入力部と、前記音声入力部から入力された音声
信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記
Ａ／Ｄ変換手段から入力されたデジタル音声信号を信号
処理するデジタル音声信号処理手段と、前記デジタル音
声信号処理手段から入力された音声信号をアナログ信号
に変換するＤ／Ａ変換手段と、前記Ｄ／Ａ変換手段から
の入力を増幅して出力する拡声手段とを備え、前記信号
処理手段は、前記デジタル音声信号から低周波成分を除
去して高域信号とする低周波成分除去手段と、前記デジ
タル音声信号から高周波成分を除去して低域信号とする
高周波成分除去手段と、前記低域信号を所定の時間単位
毎に分析して処理する分析処理手段と、前記高域信号
と、前記分析処理手段からの入力とを加算して前記Ｄ／
Ａ変換手段へ出力する加算器を有することを特徴とする
発声補助装置である。

【００１０】また、第２の本発明（請求項２に対応）
は、前記分析処理手段は、前記低域信号を分析する信号
分析部と、前記低域信号の強度を判定し、該強度に応じ
て前記低域信号を前記信号分析部または前記加算器へ選
択的に入力する信号選択手段と、あらかじめ特性が設定
された音源信号を出力する音源信号設定部と、前記信号
分析部の分析結果に基づき、前記音源信号を加工して合
成音声信号を生成する音声合成手段とを備えたことを特
徴とする請求項１に記載の発声補助装置である。

【００１１】また、第３の本発明（請求項４に対応）
は、前記分析処理手段は、前記低域信号の強度を判定
し、該強度に応じた比率で前記低域信号を分配して出力
する分配出力手段と、前記分配出力手段から出力された
一方の信号である第１出力信号を分析する信号分析部
と、あらかじめ特性が設定された音源信号を出力する音
源信号設定部と、前記信号分析部の分析結果に基づき、
前記音源信号を加工して合成音声信号を生成する音声合
成手段と、前記分配出力手段から出力された他方の信号
である第２出力信号と、前記合成音声信号とを加算し
て、前記加算器へ出力する合成信号加算器とを備えたこ
とを特徴とする請求項１に記載の発声補助装置である。

【００１２】また、第４の本発明（請求項５に対応）
は、請求項１ないし４のいずれかに記載の発声補助装置
の各手段または各部の全部または一部の機能をコンピュ
ータで実行させるためのプログラムを記録したことを特
徴とするプログラム記録媒体である。

【００１３】

【発明の実施の形態】食道発声や、反回神経麻痺に伴う
音声の劣化は、音源となる声帯の情報が損なわれている
ことに起因する。そこで、本発明の発声補助装置は、該
装置の利用者の音声を分析して、音源に拘わる情報を健
常者のものと置き換えて再合成することにより声質変換
を行うものである。

【００１４】図１は、本発明の発声補助装置の構成を示
す図である。図１に示すように 発声補助装置１０にお
いて、音声入力部１は、該装置利用者の音声入力を受け
付ける手段である。スイッチ２は、音声入力部１からの
入力をＡ／Ｄ変換部３と拡声部６とに切り換えて出力す
る手段である。Ａ／Ｄ変換部３は、音声入力部１からの
入力をデジタル信号に変換する手段である。デジタル音
声信号処理手段４は、Ａ／Ｄ変換部３からの入力を処理
する手段である。Ｄ／Ａ変換部５は、デジタル音声信号
処理手段４からの入力を、アナログ信号に変換する手段
である。拡声部６はＤ／Ａ変換部５からの入力を増幅す
る手段であり、音声出力部７はスピーカ等で実現される
手段である。ここで、Ａ／Ｄ変換部３は、請求項記載の
Ａ／Ｄ変換手段に相当するものであり、Ｄ／Ａ変換部５
は、請求項記載のＤ／Ａ変換手段に相当するものであ
り、拡声部６および音声出力部７は、請求項記載の拡声
手段に相当するものである。

【００１５】以下、本発明を各実施の形態ごとに説明す
る。 （実施の形態１）図２は、本実施の形態１による発声補
助装置１０におけるデジタル音声信号処理手段４の構成
を示す図である。図２に示すように、デジタル音声信号
処理手段５において、低域成分除去フィルタ１１、高域
成分除去フィルタ１２は、それぞれＡ／Ｄ変換部３から
の入力を周波数に応じて振り分ける手段である。信号処
理用バッファ１３ａおよび１３ｂは、入力した信号を一
時的に蓄積する手段である。音声判定部２１は信号処理
用バッファ１３ｂから入力した信号を処理する手段であ
る。切り換え部２２ａおよび２２ｂは、信号を選択的に
入出力する手段である。音声分析部２３は、切り換え部
２２ａから入力した信号を分析する手段である。男声音
源部２４および女声音源部２５は、あらかじめ健常者の
音源情報をデータとして格納している手段である。音源
生成部２６は、男声音源部２４または女性音源部２５の
入力と、音声分析部２３からの入力を受け付ける手段で
ある。音声合成フィルタ２７は、音源生成部２６および
音声分析部２３からの入力を受け付ける手段である。加
算器１４は、分析処理手段２０と、低域成分除去フィル
タ２０からの入力を加算する手段である。ただし、ここ
で音声分析部２３は請求項記載の信号分析部に相当する
ものであり、男声音源部２４および女声音源部２５は請
求項記載の音源信号設定部に相当するものであり、音源
生成部２６および音声合成フィルタ２７は、請求項記載
の音声合成手段に相当するものであり、切り換え部２２
ａおよび２２ｂは、請求項記載の信号選択手段または信
号選択出力手段に相当するものである。

【００１６】以上のように構成された、本実施の形態１
の発声補助装置について、以下、その動作を述べる。

【００１７】はじめに、声質の変換を目的として入力さ
れた音声信号は、音声入力部１より入力されると、スイ
ッチ２を介してＡ／Ｄ変換部３に入力し、ここでデジタ
ル信号に変換される。

【００１８】図２に示すように、Ａ／Ｄ変換部３から出
力したデジタル音声信号は、低域成分除去フィルタ１１
および高域成分除去フィルタ１２にそれぞれ入力され、
高域成分が主になった音声信号である高域信号と、低域
成分が主となった音声信号である低域信号とに分離され
る。

【００１９】上記の二つの信号のうち、低域信号は信号
処理用バッファ１３ｂに入力し、一旦格納された後、分
析処理手段２０へ入力する。この分析処理手段２０にお
いて、低域信号は、一般の音声信号が、ある程度定常状
態にあるとみなすことのできる時間幅である、５〜２０
ｍsecを１フレームとした単位で処理が行われる。

【００２０】まず、音声判定部２１は、入力した低域信
号に対し、各フレーム毎にそのパワーを計算して、あら
かじめ設定した閾値ＴＨとの大小を比較、判定する。

【００２１】切り換え部２２ａおよび２２ｂは、音声判
定部２１の判定結果に基づき、計算した低域信号のパワ
ーが、閾値ＴＨより小さい場合は、該低域信号を、音声
中の無声子音部または無音部にあたるものとみなして、
加算器１４に入力する。

【００２２】一方、低域信号のパワーが閾値ＴＨ以上の
場合、切り換え部２２ａは、該低域信号を、音声中の有
声子音部または母音部にあたるものとみなして、音声分
析部２３へ入力する。音声分析部２３は、入力した低域
信号に対し、各フレーム毎のホルマント周波数やバンド
幅などの特徴量を声道情報として、またピッチをピッチ
情報としてそれぞれ分析し、ピッチ情報およびパワー情
報を音源生成部２６へ、また声道情報を音声合成フィル
タ２７へ入力する。

【００２３】音源生成部２６は、あらかじめ健常者の人
声を音源として設定している男声音源部２４または女声
音源部２５から音源情報を抽出し、これを音声分析部２
３から取得したピッチ情報、パワー情報に基づき加工す
ることで音源波形信号を生成する。

【００２４】次に、音声合成フィルタ２７は音源波形信
号の入力を受けると、これを音声分析部２３から取得し
た声道情報に基づき加工して、合成音声信号を合成す
る。音声合成フィルタ２７にて合成された合成音声信号
は、切り換え部２２ｂを介して加算器１４へ出力され
る。

【００２５】加算器１４は、分析処理手段２０からの出
力、すなわち、音声合成フィルタ２７から出力された合
成音声信号か、無加工の低域信号かのいずれか一方の信
号と、低域成分除去フィルタ１１の出力である高域信号
とを、時間を同期させて加算し、Ｄ／Ａ変換部５へ入力
する。デジタル信号からアナログ信号に変換された信号
は、拡声部６へ出力され、最後に、拡声部６は、入力し
た信号を増幅して、音声出力部７より音声信号として外
部へ出力する。この段階で得られる音声信号を、音声入
力部１に入力する原音とパワースペクトルにて比較する
と、その概形は変化しないが、低域の部分が増加してお
り、これが有響成分の増加として、声質の向上に寄与し
ている。

【００２６】このように、本実施の形態１の発声補助装
置によれば、入力した音声を分析して、音源特性をあら
かじめ抽出した健常者の音源特性に置き換え、前記の分
析結果に基づいて声道情報を与えることにより、音声信
号を合成音声信号として人工的に合成するようにしたの
で、有響成分を増加させたり、基本周波数を高くするな
どの声質変換を含めた発声補助を行うことが可能とな
る。

【００２７】なお、本実施の形態１は、スイッチ２を用
いて、拡声部６だけを介したアナログ信号の処理だけを
行う単純拡声機能と、上述のデジタル信号の処理による
合成音声信号の生成機能を選択的に切り換えることによ
り、単なる拡声機能を有する従来の発声補助装置のよう
に用いることができる。

【００２８】また、本実施の形態１は、入力した音声
を、高域信号および低域信号に分離して、低域信号のみ
を処理して、高域信号の原音を保持したまま加算するよ
うにしたことにより、入力音声の特性をある程度保持し
たまま、発声補助を行うことができる。

【００２９】ところで、分析処理手段２０においては、
ある閾値を指定することにより、音声中の無声子音部ま
たは無音部を無加工で出力、また有声子音部または母音
部を音声分析部２３へ入力するようにしたが、値の設定
によっては、無音子音部の信号を分析してしまうことに
より、合成音声信号の質的劣化を引き起こす状況があ
る。この場合も、原音を保持した高域信号を加算するよ
うにしたことにより、音質の劣化を全体として低減する
ことができる。

【００３０】また、本実施の形態１は、分析処理手段２
０にて音声合成信号を合成する際、音程を利用者によっ
て自由に設定できる。これにより、例えば女声の場合な
ど、音程を高くして、より女声らしい声に変換するな
ど、利用者の用途に応じた声質の調整が可能である。

【００３１】なお、本実施の形態１は、切り換え部２２
ａおよび２２ｂを、音声判定部２１による判定の直後に
動作させて、入力した低域信号を振り分けておいてか
ら、音声合成を行わせるものとして説明を行ったが、こ
の切り換え部２２ａおよび２２ｂの動作は、音声合成フ
ィルタ２７から合成音声信号が入力された時点で行って
もよい。この場合は、分析処理手段２０において、音声
分析部２３以下の各部は、音声合成の動作を常時行って
いることとなり、安定した装置の動作が保証される。

【００３２】また、本実施の形態１は、高域成分除去フ
ィルタ１２としては、カットオフ周波数２.５ｋＨｚ、４
次のハイパスフィルタを、低域成分除去フィルタ１１と
しては、カットオフ周波数２.５ｋＨｚ、４次のローパス
フィルタを用いるのが一例として用いることができる
が、これに限らず、元の音声信号を低域信号、高域信号
に振り分けることができればよい。 （実施の形態２）実施の形態１において、分析処理手段
２０は、あらかじめ設定された閾値によって、入力した
低域信号に対し、音声分析を行なうか、未加工のまま出
力するかを排他的に決定するようにしていた。

【００３３】その際、閾値の設定の仕方によっては、無
声子音が分析合成の対象となり合成品質の劣化の原因と
なる場合があった。

【００３４】実施の形態２は、上記のような不具合を回
避するためのものである。

【００３５】図３は、本発明の実施の形態２による発声
補助装置の、デジタル音声信号処理手段４の構成を示す
図である。図に示すように、分析処理手段３０におい
て、図２と同一符号は同一部であり、実施の形態１の構
成における切り換え部２２ａ、２２ｂに代えて、分配出
力手段３１、合成信号加算器３２を設置した構成を有し
ている。

【００３６】このような構成を有する本実施の形態２に
よる発声補助装置の動作について、以下、説明を行う。

【００３７】音声入力部１への音声の入力から、低域成
分除去フィルタ１１による高域信号の生成および高域成
分除去フィルタ１２による低域信号の生成までの動作
は、実施の形態１と同様にして行われる。

【００３８】次に分配出力手段３１の動作について説明
する。音声判定部２１が算出した低域信号の振幅値をＡ
ＭＰ（単位ｄＢ）とすると、分配出力手段３１は、この
振幅値を元に、低域信号を音声分析部２３と、合成信号
加算器３２とに分配して出力する。このとき、音声分析
部２３へ入力する信号の振幅をＡＭＰ１、合成信号加算
器３２へ入力する信号の振幅をＡＭＰ２とすると、信号
の分配に用いられる係数αは、次のように定義される。

【００３９】

【数１】 α＝Table［ＡＭＰ−ＴＨ’］ ＡＭＰ１＝α×ＡＭＰ ＡＭＰ２＝（１−α）×ＡＭＰ ここで Table [ｉ] ＝ ０ for ｉ＜０ ＝ [cos（ｉ×π／２０）＋１]／２ for ０＜ｉ≦２０ ＝ １ for ｉ＞２０ ただし、上式において、ＴＨ’は利用者の任意設定によ
る閾値、ｉは、ｉ＝ＡＭＰ―ＴＨ’で定めた引数であ
る。

【００４０】合成信号加算器３２は、分配出力手段３１
から直接出力された信号、すなわち、低域信号に係数
（１−α）を乗じた信号と、音声合成フィルタ２７から
出力された合成音声信号とを加算して、加算器１４へ入
力する。後の動作は、実施の形態１と同様にして行われ
る。また、合成音声信号合成の動作も、前述した実施の
形態１と同様に行われているものとする。

【００４１】従って、高域除去フィルタから出力された
低域信号の処理は、次のように行われる。

【００４２】１）ＡＭＰ＜ＴＨ’のとき 低域信号のみが合成信号加算器３２へ入力される。

【００４３】２）ＴＨ’＜ＡＭＰ≦ＴＨ’＋２０のとき 合成音声信号と係数（１−α）の乗じられた低域信号と
が合成信号加算器３２にて加算される。

【００４４】３）ＴＨ’＋２０≦ＡＭＰのとき 合成音声信号のみが合成信号加算器３２へ入力される。

【００４５】このように、本実施の形態２の発声補助装
置によれば、合成音声信号と、高域除去フィルタから出
力された低域信号との切り換えが滑らかに行われるとと
もに、フレームに応じてこれら二つの信号を加算した信
号を生成して出力するようにしたことにより、低域信号
のパワーに基づく、音声信号の有声／無声／無音部判定
の際の誤りに起因する、合成音声信号の音質劣化を削減
し、総体として高品質で安定した発声補助を実現するこ
とができる。

【００４６】なお、αの値を決定するテーブルは、本実
施の形態２ではコサイン関数を用いたが、これは一例で
あって、単調減少関数であればいかなる関数を用いても
よい。

【００４７】また、本実施の形態２では、一例として、
声道情報分析をホルマント分析に基づくものとし、音源
情報として、自然波形から抽出した音源波形を利用する
場合について行なったが、これは本発明を何ら拘束する
ものではなく、声道情報分析法としては、線形予測分析
・ＰＡＲＣＯＲ分析・ＬＳＰ分析などの手法、また音源
情報としては、パルス、三角波、多項式による音源生成
等も利用可能であり、その場合も上記と同様の効果が得
ることができる。

【００４８】また、本発明の各機能が有する全部または
一部の機能は、コンピュータを用いてソフトウェア的に
実現してもよいし、それぞれの機能専用の回路または機
器を用いて実現するようにしてもよい。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、食道発
声音声や反回神経麻痺の音声のラウドネスを改善すると
ともに、有響成分を増加させた声質変換を行ない、コミ
ュニケーションのしやすい発声補助装置を提供すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発声補助装置の構成を示すブロック図

【図２】本発明の実施の形態１による発声補助装置のデ
ジタル音声信号処理手段の構成を示すブロック図

【図３】本発明の実施の形態２による発声補助装置のデ
ジタル音声信号処理手段の構成を示すブロック図

【図４】従来の技術による発声補助装置の構成を示す図

【符号の説明】

１ 音声入力部 ２ スイッチ ３ Ａ／Ｄ変換器 ４ デジタル音声信号処理手段 ５ Ｄ／Ａ変換器 ６ 拡声部 ７ 音声出力部 １０、４０ 発声補助装置 １１ 低域成分除去フィルタ １２ 高域成分除去フィルタ １３a、１３ｂ 信号処理用バッファ １４ 加算器 ２０、３０ 分析処理手段 ２１ 音声判定部 ２２ａ、２２ｂ 切り換え部 ２３ 音声分析部 ２４ 男声音源部 ２５ 女声音源部 ２６ 音源生成部 ２７ 音声合成フィルタ ３１ 分配出力手段 ３２ 合成信号加算器 ４１ コンタクトマイク ４２ 制御増幅部 ４３ スピーカ ４４ 利用者

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音声を入力する音声入力部と、 前記音声入力部から入力された音声信号をデジタル信号
   に変換するＡ／Ｄ変換手段と、 前記Ａ／Ｄ変換手段から入力されたデジタル音声信号を
   信号処理するデジタル音声信号処理手段と、 前記デジタル音声信号処理手段から入力された音声信号
   をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、 前記Ｄ／Ａ変換手段からの入力を増幅して出力する拡声
   手段とを備え、 前記デジタル音声信号処理手段は、 前記デジタル音声信号から低周波成分を除去して高域信
   号とする低周波成分除 去手段と、 前記デジタル音声信号から高周波成分を除去して低域信
   号とする高周波成分除去手段と、 前記低域信号を所定の時間単位毎に分析して処理する分
   析処理手段と、 前記高域信号と、前記分析処理手段からの入力とを加算
   して前記Ｄ／Ａ変換手段へ出力する加算器を有すること
   を特徴とする発声補助装置。
2. 【請求項２】 前記分析処理手段は、 前記低域信号を分析する信号分析部と、 前記低域信号の強度を判定し、該強度に応じて前記低域
   信号を前記信号分析部または前記加算器へ選択的に入力
   する信号選択手段と、 あらかじめ特性が設定された音源信号を出力する音源信
   号設定部と、 前記信号分析部の分析結果に基づき、前記音源信号を加
   工して合成音声信号を生成する音声合成手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の発声補助装置。
3. 【請求項３】 前記分析処理手段は、 前記低域信号を分析する信号分析部と、 あらかじめ特性が設定された音源信号を出力する音源信
   号設定部と、 前記信号分析部の分析結果に基づき、前記音源信号を加
   工して合成音声信号を生成する音声合成手段と、 前記低域信号の強度を判定し、該強度に応じて前記低域
   信号と前記合成音声信号とを選択的に前記加算器へ出力
   する信号選択出力手段とを備えたことを特徴とする請求
   項１に記載の発声補助装置。
4. 【請求項４】 前記分析処理手段は、 前記低域信号の強度を判定し、該強度に応じた比率で前
   記低域信号を分配して出力する分配出力手段と、 前記分配出力手段から出力された一方の信号である第１
   出力信号を分析する信号分析部と、 あらかじめ特性が設定された音源信号を出力する音源信
   号設定部と、 前記信号分析部の分析結果に基づき、前記音源信号を加
   工して合成音声信号を生成する音声合成手段と、 前記分配出力手段から出力された他方の信号である第２
   出力信号と、前記合成音声信号とを加算して、前記加算
   器へ出力する合成信号加算器とを備えたことを特徴とす
   る請求項１に記載の発声補助装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の発
   声補助装置の各手段または各部の全部または一部の機能
   をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録し
   たことを特徴とするプログラム記録媒体。