音響工学の基礎とHRTF

音響工学の基礎とHRTF 音響工学の基礎とHRTF 聞こえの仕組みから空間音響技術まで 2025年6月3日 北川担当分 技術講座 北川担当分 1

音響工学の基礎とHRTF 目次 本日の内容 1. 聞こえの仕組み 音の物理的性質 耳の構造と機能 脳での音情報処理 2. 頭部伝達関数（HRTF） 空間音響の原理 個人差と測定技術 応用分野 3. 音響技術の応用例 HRTFの実用化 バイノーラル録音 ASMRとの関連 本日のゴール： 音の基本原理から、個人化された3D音響体験を実現するHRTF技術までを理解する 技術講座 北川担当分 2

音響工学の基礎とHRTF 1. 聞こえの仕組み 技術講座 北川担当分 3

音響工学の基礎とHRTF 音とは何か？ 音の物理的定義 音とは、物体の振動が空気などの媒体を通じて 波（音波） として伝わる現象 音が生まれるまで 1. 物体が振動する（太鼓の皮、声帯など） 2. 周囲の空気を押したり引いたりする 3. 空気の粗密波として伝わる 4. 私たちの耳に到達する 音波の3要素 周波数（Hz） 1秒間の振動回数 人間の可聴域：20Hz〜20,000Hz 振幅（dB） 波の大きさ、音の大きさを決定 波形 技術講座 北川担当分 波の形状、音色を決定 4

音響工学の基礎とHRTF 音の周波数・振幅・距離特性 音の物理的特性 周波数による音の分類 デジタル音響の基礎 音の強さと距離 聴覚の限界 低周波数（〜250Hz）：低音・ベース音 中周波数（250Hz〜4kHz）：人の声の主要帯 域 高周波数（4kHz〜）：子音・楽器の倍音 音の強さは距離の2乗に反比例（自由音場） 6dB減衰 = 距離が2倍 技術講座 北川担当分 サンプリング周波数：44.1kHz（CD） ビット深度：16bit（CD） ダイナミックレンジ：96dB（16bit）、144dB （24bit） 最小可聴音圧：20μPa（0dB SPL） 痛覚閾値：130dB SPL 周波数分解能：約3.6Hz（1kHz付近） 5

音響工学の基礎とHRTF 耳の構造：精巧な音響システム 3つの部門の連携プレー 技術講座 北川担当分 外耳 → 中耳 → 内耳 → 聴神経 → 脳 各部分が精密に連携して、空気の振動を意味のある「音」に変換 6

音響工学の基礎とHRTF 外耳：音を集める装置 耳介（じかい）の機能 効率的な集音（パラボラアンテナ効果） 音の方向判別の最初の手がかり 複雑な形状による周波数フィルタリング 個人差が大きく「音の指紋」の一部 外耳道（がいじどう） 長さ：約2.5cm 共鳴周波数：約3000Hz（声の明瞭度に重要） 鼓膜への音波の導管 適度な増幅効果（10-15dB） 技術講座 北川担当分 7

音響工学の基礎とHRTF 中耳：音の増幅システム 鼓膜（こまく） 厚さ：約0.1mm（ラップフィルム程度） 面積：約65mm² 感度：原子の直径レベルの振動も検知 外耳と中耳の境界 耳小骨（じしょうこつ） 人体最小の3つの骨の連携 1. ツチ骨：鼓膜に接続 2. キヌタ骨：中継役 3. アブミ骨：内耳への橋渡し 技術講座 北川担当分 8

音響工学の基礎とHRTF 内耳：音の分析と変換 蝸牛（かぎゅう）の構造 カタツムリ型の器官 長さ：約35mm（伸ばした場合） 2.5回転の螺旋構造 内部はリンパ液で満たされる 有毛細胞（ゆうもうさいぼう） 総数：片耳約15,000個 内有毛細胞：3,500個（主に信号伝達） 外有毛細胞：12,000個（増幅・調整） ナノメートル単位の動きを検出 機械振動 → 電気信号への変換 技術講座 北川担当分 9

音響工学の基礎とHRTF トノトピー：蝸牛の周波数地図 蝸牛内では音の高さ（周波数）によって反応する場所が決まっている 周波数マッピング 基底部（入口付近） 高周波数（20kHz〜1kHz） 硬く狭い基底膜 頂部（先端付近） 低周波数（1kHz〜20Hz） 柔らかく広い基底膜 場所説の原理 各周波数が特定の場所で最大振幅 → 北川担当分 脳が周波数を識別 技術講座 10

音響工学の基礎とHRTF 2. 空間音響の秘密：頭部伝達関数（HRTF） 技術講座 北川担当分 11

音響工学の基礎とHRTF なぜ音の方向がわかるのか？ 驚異的な空間認識能力 背後から呼ばれれば振り返 る 水平方向精度 ±1° 目を閉じていても... サイレンの方向を特定 距離推定 ±10% 音源を正確に追跡 動的追従 360° この能力を 「音像定位」 と呼び、その鍵となるのが 「頭部伝達関数（HRTF）」 技術講座 北川担当分 12

音響工学の基礎とHRTF HRTFとは？音の指紋 Head-Related Transfer Function HRTF = 音源から鼓膜までの音の変化を表す「伝達関数」 定義 音源から発せられた音が、私たち の頭部、肩、耳介の形によって変 化を受け、鼓膜に到達するまでの 音響的特性 音の変化要因 反射：頭部や肩での跳ね返り 回折：頭部周りを回り込む現象 減衰：距離や障害物による減少 技術講座 北川担当分 共鳴：耳介や外耳道での増幅 なぜ「音の指紋」？ 位置依存性 音源位置ごとに異なるパターン 個人固有性 頭や耳の形は人それぞれ 完全に同じHRTFは存在しない 周波数依存性 周波数ごとに異なる変化 13

音響工学の基礎とHRTF HRTFの3つの手がかり 両耳間時間差 （ITD: Interaural Time Difference） 音が近い耳に先に到達 最大0.7ミリ秒の差 主に左右方向判定 〜1.5kHzで有効 技術講座 北川担当分 両耳間レベル差 （ILD: Interaural Level Difference） 頭の影による音量差 最大20dBの差 主に左右方向判定 1.5kHz〜で有効 スペクトル手がか り （耳介効果） 耳の形による周波数変化 個人差が最大 上下・前後判定 5kHz〜で有効 14

音響工学の基礎とHRTF 具体例：右から音が来た場合 脳の瞬間計算プロセス 0〜1ms：初期検出 右耳に音が到達 神経インパルス発生 1〜3ms：時間差計算 驚異的な性能 時間分解能 10マイクロ秒の差を検出 光速の1/30,000 左耳に音が到達（0.6ms遅れ） ITD検出 → 「右方向」 角度精度 ILD検出（右耳が10dB大きい） スペクトル分析 「右45°、距離2m」と特定 処理速度 3〜10ms：詳細分析 技術講座 北川担当分 10ms〜：動的追跡 水平方向：±1° 垂直方向：±10° 訓練で向上可能 全工程：10〜30ms ほぼリアルタイム 15

音響工学の基礎とHRTF 音源定位の精度と周波数特性 各手がかりの有効周波数帯域 基本的な定位手がかり 手がかり 有効周波数 定位精度 ITD 20Hz〜1.5kHz 水平±1° ILD 1.5kHz〜20kHz 水平±5° スペクトル 5kHz〜20kHz 垂直±10° 物理的メカニズム 手がかり 主な方向 物理的根拠 波長が頭部サイズ より大きい ILD 左右 波長が頭部サイズ より小さい スペクトル 上下・前後 耳介での複雑な 反射・共鳴 ITD 左右 周波数帯域の重なりが重要 1.5kHz〜5kHz：ITDとILDの両方が有効 → 最も正確な定位 技術講座5kHz以上：耳介形状によるスペクトル変化を利用 北川担当分 → 3次元定位が可能 16

音響工学の基礎とHRTF HRTFの個人差 なぜ一人ひとり異なるのか？ 身体的特徴の個人差 頭部 頭囲：51〜61cm（±10%） 両耳間距離：13〜18cm（±15%） 頭部の密度・形状 耳介 大きさ：5〜8cm 形状：完全に個別（指紋同様） 角度：15°〜30°の個人差 胴体 技術講座 北川担当分 肩幅：35〜50cm、胸囲：低周波反射に影響 個人差による影響 他人のHRTFを使用すると... 前後誤認：30%増加 上下誤認：50%増加 頭内定位：音が頭の中に 距離知覚：±30%の誤差 VR酔い：発生率2倍 17

音響工学の基礎とHRTF HRTF測定技術の最前線 伝統的手法から最新技術まで 従来法：音響無響室での測定 最新技術 高速測定システム 連続移動測定法 測定時間：15分に短縮 リアルタイム処理 AI/機械学習活用 技術講座 北川担当分 3Dスキャン → HRTF推定 写真からの生成（精度70%） 個人化の自動最適化 イヤホンでの簡易測定 18

音響工学の基礎とHRTF HRTFの応用分野 現在と未来の技術応用 エンターテインメント 音楽・映像 VR/AR/MR 没入型体験 医療・福祉 補聴器 ゲーム 応用例 診断・リハビリ Dolby Atmos Music 360 Reality Audio バイノーラル配信 3Dポジショナルオーディオ 環境音響シミュレーション 敵の位置特定 技術講座 北川担当分 頭部追跡連動 6DoF音響 ハプティクス連携 仮想会議 教育・訓練 医療シミュレーション 指向性制御 騒音抑制 空間認識補助 聴覚検査 平衡感覚訓練 認知症予防 個人化HRTFの普及により、誰もが最適な3D音響体験を享受できる時代へ 19

音響工学の基礎とHRTF HRTF測定の基本原理 インパルス応答の実際の測定方法 測定に使う信号 1. インパルス（パルス） 瞬間的な「パチン!」音 全周波数成分を均等に含む 測定時間：最短 2. ホワイトノイズ 20Hz〜20kHzの全周波数を含む「ザー」音 より正確な測定が可能 ノイズに強い 3. チャープ信号 技術講座 北川担当分 周波数が時間変化する信号、高精度測定用 測定手順 Step 1: 信号再生 スピーカーから測定信号を再生 特定方向（例：右45°）に配置 Step 2: 録音 ダミーヘッドの両耳で同時録音 無響室で反射を除去 Step 3: 計算 入力信号と録音信号を比較、差分 = HRTF 20

音響工学の基礎とHRTF HRTF と HRIR（Head-Related Impulse Response） の例 (CIPIC デー タベースの small pinna 右耳のデータ) 参考：https://www.kanadas.com/investigation-j/2007/04/_hrtf.html 調査と解説：頭部伝達関数 (HRTF) 技術講座 北川担当分 21

音響工学の基礎とHRTF HRTFの周波数特性例 実際の測定結果から見る音響的変化 正面（0°）のHRTF特性 特徴的なピーク 側方（90°）のHRTF特性 右耳（音源側） 左右の耳 左耳（反対側） 3kHz付近：外耳道共鳴（+10dB） 5-7kHz：耳介による増強 10kHz以上：個人差が顕著 ほぼ同じ特性 わずかな個人差（頭部の非対称性） 技術講座 北川担当分 低域：ほぼ変化なし 3kHz：外耳道共鳴 5kHz以上：複雑な増減 2kHz以上：頭部の影で-10〜-20dB 高域ほど：減衰が顕著 ノッチ：特定周波数での急激な減衰 周波数特性の違いで脳が音源位置を判断 22

音響工学の基礎とHRTF HRTFの個人差：周波数特性の比較 耳介サイズによる違い 大きな耳 低い周波数でノッチ発生 3-5kHzに特徴的なピーク より複雑な周波数特性 小さな耳 高い周波数でノッチ発生 7-10kHzに特徴的なピーク よりシンプルな特性 頭部サイズの影響 大きい頭：ITDが長い（0.7ms） 小さい頭：ITDが短い（0.5ms） 技術講座 北川担当分 実測データ例 方向 個人A 個人B 差異 2.8kHz ±200Hz 0° 3.2kHz ピーク ピーク 6.2kHz ±1.1kHz 45° 5.1kHz ノッチ ノッチ -15dB -12dB ±3dB 90° @8kHz @8kHz なぜ個人化が重要？ 他人のHRTFでは定位精度が30-50%低下 特に上下・前後の誤認が増加 VR酔いの原因にもなる 23

音響工学の基礎とHRTF 畳み込み演算：音の「魔法の計算」 畳み込み = 音声信号とHRTFを「掛け合わせて足し合わせる」数学的処理 畳み込みの概念 例：エコーの再現 1. 元の音：「こんにちは」 2. 部屋の特性：0.3秒後に50%の音が返ってく る 3. 結果：「こんにちは...こんにちは（小さく）」 数学的には... 音声の各瞬間とHRTFの各要素を掛け算 時間をずらしながら全部足し合わせ 結果として「その方向から聞こえる音」が完成 技術講座 北川担当分 Step 1: 位置を決める 「右45度に音を配置したい」 対応するHRTF（左耳用・右耳用）を選択 Step 2: 畳み込み実行 モノラル音声の各サンプルに HRTFの「フィルター効果」を適用 左右で異なる処理 Step 3: 結果 左耳：やや小さく、少し遅れた音 右耳：直接的で明確な→脳が「右45度」と認識 24

音響工学の基礎とHRTF 3. 音響技術の応用例 技術講座 北川担当分 25

音響工学の基礎とHRTF ASMRの登場 近年になってASMRと呼ばれるコンテンツが出てきた 聴覚に訴える刺激を与え、没入感が得られるものだが、音響工学の研究分野ではなく独自の進化を遂げた 会社の技術講座で詳しく説明するのもなんだかなという感じなので、NotebookLMに聞いて下さい 録音技術との関係 没入感を高めるためにKU100が至高の機材と言われている バイノーラル録音技術がASMRコンテンツでも活用されている 音響工学の知見がASMRコンテンツの品質向上に貢献 技術講座 北川担当分 26

音響工学の基礎とHRTF プロ仕様のバイノーラル録音機材：Neumann KU100 ダミーヘッドマイクの最高峰 技術仕様 項目 スペック 周波数特性 20Hz-20kHz 最大音圧 135dB SPL S/N比 78dB (A-weighted) 自己雑音 16dB-A 感度 20mV/Pa 重量 3.8kg 価格と位置づけ 本体：1,573,000円（税込） 研究機関・プロスタジオで使用 技術講座 北川担当分 特徴 ドイツ製精密機器 手作業による個別調整 極めて低いノイズフロア 27

音響工学の基礎とHRTF NotebookLMでポッドキャスト化した際に出てきた提言 今日の話、KU100とASMRの関係って単なる機材の話じゃなくて、なんていうか音響工学とか人間の聴 覚の仕組みの不思議さと、あと今のネット文化みたいなものがこう交差してるすごく奥深いテーマだなっ ていうのがよくわかりました。 ええ あの高価なマイクが求められる背景にはやっぱりその究極のリアルさとか入感に対するなんか強い欲求み たいなものがあるんですね。 そうなんですよね。例えその個人が作るコンテンツであっても音質には全然妥協しないぞっていうそうい う姿勢が見える気がします。 うん。 そして私たちの体に元々備わっているそのHRTFっていう仕組みをこう理解して技術で再現しようってい う取り組みがですね、 ASMR っていう、ま、新しい文化と結びついたっていうのはこれは非常にこう示 唆に富む現象だなと思いますね。 NotebookLM: 音響工学、HRTF、ASMR、そしてAI.wav 技術講座 北川担当分 28

音響工学の基礎とHRTF まとめ 人間の耳ってすごい 技術講座 北川担当分 29

音響工学の基礎とHRTF 付録 立体音響を体験してみよう 立体音響録音技術 ホロフォニクス https://www.nicovideo.jp/watch/sm1425841 ブラウザ上で流している音声にHRTFをかけてどう変化するかを感じてみるのだ https://esuji5.github.io/hrtf-demo/ 技術講座 北川担当分 30

• https://www.nicovideo.jp/watch/sm1425841
• https://esuji5.github.io/hrtf-demo/