HRTFヘッドホンアンプ

HRTF / HRIRとは

HRTF (Head-Related Transfer Function, 頭部伝達関数) は、ある方向の音源から鼓膜までの音響伝達特性を表す関数。 音は耳に届くまでに、頭部・耳介・胴体での反射や回折を受け、方向ごとに固有の周波数特性および左右耳への到達時間差 (ITD) ・レベル差 (ILD) が生じる。 HRTFはこれらを「音源 → 鼓膜」のフィルタとして数値化したものである。

HRIR (Head-Related Impulse Response) はHRTFを時間領域で表現したインパルス応答であり、信号処理上はこれを音声に畳み込むことで任意方向から聞こえる音を合成できる。本機では英York大学のSADIE IIデータベース (人工頭・実被験者の高密度測定データ) を採用し、被験者を切り替えられるようにしている。

なぜ通常のヘッドホン再生は「頭内定位」になるのか

ヘッドホンは音源が耳のすぐ近くにあるため、本来は頭部・耳介で起こるはずの反射・回折による周波数特性変化と、左右耳への到達時間差がほとんど失われる。結果として脳は方向手がかりを得られず、音像が頭の中に貼り付いたように知覚される。これが頭内定位であり、独特の聞き疲れや閉塞感の原因となる。

HRIRを音源に畳み込んでからヘッドホンで再生すると、失われていた方向手がかりが信号上に復元され、音像が前方の空間に出る頭外定位感が得られる。

仕様

• マイコン: RP2350A (SYSCLK 252MHz OC)
• コーデック: SGTL5000 (I2Sマスター / 48kHz・24bit)
• USB Audio: UAC2.0 Full-Speed, 48kHz/16bit/2ch
• HRIR: SADIE II (±45°, EL=0°, 全被験者切替)
• 主畳み込み: 4経路 × 256タップFIR
• 方向別反射: 7方向 × 24タップ + 8〜42ms遅延線
• 後期残響: 6並列櫛形遅延 + 1次LPF帰還
• 内部演算: Q15固定小数点 (積和64bit)

頭外定位の原理

仮想的にスピーカーを自身の左右前方 ±45° に設置した状況を再現する。 左スピーカーから出た音は左耳だけでなく右耳にも回り込み、右スピーカーも同様にクロスフィードを生じる。 したがって耳に届く信号は、各スピーカー → 両耳の計4経路のHRIRからなる2×2行列の畳み込みで表せる:

ここでh_LLは左SPから左耳、h_LRは左SPから右耳に到達するHRIR。 4経路を畳み込んだ結果、左右耳に届く信号が「前方のスピーカーから届いた音」に近づく。

個人差と被験者選択

頭部や耳介の形状は人によって大きく異なり、HRTFは本来、個人ごとに全く違うものになる。 他人のHRIRを用いると前後の弁別が不安定になったり音色が不自然になったりする。 本機ではボタン操作でSADIE II内の複数被験者のHRIRを切り替えられ、最も自然に前方から聞こえるデータを選んで使用する運用としている。

動作モード

• パススルー: 畳み込みなし、0.45倍減衰のみ。
• 頭外定位: M/S分解 → 仮想スピーカー再配分 → 4経路FIR畳み込み。基本の頭外定位処理。
• 頭外定位 + 音場拡張: 上記に方向別の初期反射・後期残響・3段オールパスによる無相関化を加算し、空間の広がりと臨場感を強化する。

ハードウェア構成

SGTL5000をI2Sマスターとし、Pico側はPIOでI2Sスレーブ受け。 MCLK 12MHzはSYSCLK 252MHzからPWM整数分周 (÷21) で生成する。 Core1をDSP処理に専念させ、Core0でUSB・ボタン・LEDのUI処理を行う2コア分担構成。