博 士 （ 工 学 ） 松 崎 博 季
学 位 論 文 題 名
母 音 の 声 道3 次元 形 状を 用い た 音響 数値 解 析に 関す る 研究
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
人はそれ ぞれ違った声質を有している ，話すときの感情や，年月が経っと声質は変化する が，話して いる言語や，話し方，発声法 等が違ってもこの声質自体は変わらない，これは，
音声の個人 性や情緒性などの特徴量が， 各個人が先天的に持っている声道の物理形状によっ て 決定 され てい る から である，音声解析のた めの声道のモデル化のーっと してよく知られ て いる もの に声 道 アナ ログ・モデルがある． これは声道断面積と周長をパ ラメータとする 円筒管の縦 続接続で近似し，平面波伝搬 を仮定した1次元モデルであ る．したがって．この 1次元モデル では、声道の曲がりや非対 称形状，声道壁の不均一な硬 さの分布を直接的に反 映すること が不可能であるので，3次元 形状によって存在してい．ると思われる情緒性や個人 性などを特 徴付ける重要な音響的特徴量 を見出すことは不可能である，そこで，形状に依存 す る量 を解 析で き る3次 元 モデ ルに よる 音声 解 析が望まれるが，形状のど ういうバラメー 夕 化が 必要 なの か ，ど の程度まで声道を精密 に表現する必要があるのかと いうことは十分 に知られて いない．これは子音モデルは 言うに及ばず，母音モデルについても同様である，
本論 文は ，母 音 発声 時の声道内の3次元の音 響特性を調べるために，3次 元有限要素法に より音響数 値シミュレーションを行なっ た結果について述べたものである．本研究で得られ た結果は声 道の3次元モデル化のための 基礎データとして重要な意味 を有するものである．
本論 文は9章 から なり ，第1章では音声研究 の歴史的背景を紹介し，本研 究の意義につい て述べてい る．
第2章では ，母音および子音の生成機 構およぴ調音について詳述し ている．また，音声生 成機構のモ デル化に関して，これまでに 構築されてきた1次元近似の 声道アナログ・モデル について触 れた後，本研究に関係の深い 声道部の物理的モデルおよび電気的モデ！レと口唇 部の物理的 モデルについて概説している ．また，1次元モデルの限界 について述べている．
第3章で は， 定常 状態 の3次元波動方程式を 有限要素法に適応させるため の定式化の過程 を 示し た， 有限 要 素法 は任意の領域を有限要 素と呼ばれる小領域での分割 を行なうが，こ の 要素 形状 には 数 種類 のも のが あ り， ここ では2種類の要素について定式 化を行なった．
第4章では ，有限要素選択および本手 法の有効性を確かめるための 予備実験を行ない，そ の 後， 口腔 内部 の 不均 一な 壁イ ン ピー ダン ス分 布および声道の曲がりの3次元形状が音響 特 性に 与え る影 響 を調 べた．その結果より， 適切な有限要素の選択が必要 であることを示 し た． また ，不 均 一な 壁イ ンピ ー ダン ス分 布や 声道の曲がりが1次元モデ ルには表れ得な い影響を音 響特性に及ぼすことを明らか にした．
第5章 では ，口 唇 部か ら放 射さ れる 音 波を3次 元的 に表 現す るた め の3次 元 の放 射モ デ
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ル を提 案 し， 提案 手法 の有 効 性を示した．音響管の断面 がだ円の場合，本手法より 計算さ れ た声 道 伝達 特性 のホ ルマ ン ト帯域幅が，平面波モデル のものよりも狭くなり，ホ ルマン ト 周波 数 は高 周波 数側 へ遷 移 することが示された，また ，放射インピーダンスは平 面波近 似を仮 定した解析解のものより低 かった．さらに，高次伝搬モ ードが生じ，放射波が垂直偏 波的に なることが示された．
第6章で は， 第5章で 提案 し た放 射モ デル を 用い て， 断面 が円 ま たは だ円 である 数種類 の 均一 音 響管 を使 用し てシ ミ ュレーションを行ない，断 面と放射インピーダンスの 関係を 調ぺた ．結果より，放射インピー ダンスは放射断面形状によっ て異なり，実数部と虚数部で は その 変 化の 仕方 が異 なる こ とが示された．次に，MRI(MagneticResonance Imaging)デー タ を元 に 作成 され た声 道断 面 形状を断面にもつ音響管と ，その声道断面と面積およ び周長 が等価 なだ円断面の音響管内の音 響特性を比較して，だ円近似 の妥当性について検討した．
その結 果よ、り，両者の声道伝達関数に有意な差は認められず，ここで用いた程度の声道断面 ならば ．だ円近似で十分であるこ とが示された．
第7章で は， 上 下交 互に 存在 する 狭 めの 影響 を調 べる ため，仕切り状の狭めを均 一音響 管の放 射部付近に上下交互に構成 し，その音波伝搬に与える影 響を調べた．結果より，本手 法 より 計算した声道伝達特性 が1次元の等価回路モデルに よって得られるものと比較 して，
ホルマ ントが低い周波数側に移動 することなどを明らかにした ．
第8章 で は ， 日 本語 母音/a/，/i/，/u/発声 時の 頭部MRIから 得ら れ た声 道に 関す る数 値デー 夕（断面積と周長）をもと にっ3次元の放射モデルを含めた声道の音響管近似モデルを 構築し ，有限要素法により数値シ ミュレーションを行なった． また，上下非対称性に着目し た 声道 の日本語母音/a/のモ デルを同様に作成し，単純に 楕円で近似したモデルとの 比較，
検 討を 行なった．結果より，/a/，/i/ー/u/いずれのモデ ルも声道伝達特性の3kHzぐ らいま で は，1次 元の 等 価回 路モ デル の結果とよく一致するこ とが明らかになった，第3ホ ルマン ト 周波 数以上になると，本手 法の結果は音波が高次伝搬 モードで伝搬するなど，1次 元モデ ル の結 果 とは 違い が生 じ， さ らに各母音モデルごとに， その差異の様子が異なるこ とが示 さ れた ． 上下 非対 称性 を取 り 入れた母音モデルは対称な モデル程には高次伝搬モー ドが生 じず， また，上下非対称のためか ，ホルマント周波数が全体的 に低周波数側にずれて，モデ ルの音 響的長さが長く見えるなど ，対称なモデ´レとは異なる 結果が得られるこを示した．
最後 に，第9章では本研究を総括 している．
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学位論文 審査の要旨
学 位 論 文 題 名
母音の声道3 次元形状を用いた音響数値解析に関する研究
マ ル チ メ デ ィ ア 隆 盛 の 時 代 を 迎 え 、 そ れ に 対 応 す べ く 音 声 情 報 処 理 の 進 歩 に も 著 し い も の が あ る 。 し か し な が ら 、 現 今 の 合 成 音 声 の 品 質 ば 晴 緒 を 伴 っ た 感 情 表 現 や 個 人 性 を 表 現 す る レ ベ ル ま で に は 至 っ て い な い 。 こ の 大 き な 原 因 の ー っ は 、 従 来 の 音 声 合 成 方 式 が 基 本 的 に1 次 元 モ デ ル で あ り 、 声 道 の3次 元 形 状 効 果 を 無 視 し て き た こ と に あ る と 考 え ら れ る 。 こ の た め 、3次 元 形 状 か ら 派 生 す る 情 緒 性 や 個 人 性 を 特 徴 付 け る 重 要 な 音 響 的 特 徴 量 を 見 出 し て パ ラ メ 一 夕 化 す る こ と で 、 合 成 音 声 の 品 質 を 向 上 さ せ 得る こと が大 いに 期 待で きる 。本 研究 は、
こ の 達 成 を 目 標 と し て 行 わ れ た も の で あ る 。
本 論 文 で は 、 母 音 発 生 時 の 音 響 特 性 に 声 道 の3次 元 形 状 が ど の よ う に 依 存 す る か を 、3次 元 有 限 要 素 法 に よ り 音 響 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 解 析 し て い る 。 そ の 上 で 、 声 道 の1次 元 モ デ ル に よ る 特 性 と 比 較 し 、 合 成 音 声 の 品 質 を 向 上 す る た め の 声 道 の3次 元 モ デ ル 化 に は 、 ど の よ う な 基 礎 デ ー タ を 必 要 と す る か を 検 討 し て い る 。
本 論 文 は9章 か ら 構 成 さ れ 、 各 章 の 概 要 は 以 下 の 通 り で あ る 。
第 1章 で は 、 音 声 研 究 の 歴 史 的 背 景 と 本 研 究 の 意 義 を 述 べ て い る 。 第2章 で は 、 従 来 の 声 道1次 元 モ デ ル の 概 要 と 、 本 研 究 に 重 要 な 声 道 部 の 物 理 的 お よ び 電 気 的 等 価 モ デ ル と 口 唇 部 の 物 理 的 モ デ ル に つ い て 述 べ て い る 。 さ ら に 、1次 元 モ デ ル の 限 界 に つ い て 言 及 し て い る 。
第3章 で は 、 定 常 状 態 の3次 元 波 動 方 程 式 を 有 限 要 素 法 で 解 析 す る た め の4面 体 要 素 と6 面 体 要 素 に よ る2種 類 の 定 式 化 を 行 っ て い る 。
第4章 で は 、 口 腔 内 の 不 均 一 な 壁 イ ン ピ ー ダ ン ス 分 布 や 声 道 曲 が り な ど が 音 響 特 性 に 与 え る 影 響 を 解 析 し 、6面 体 要 素 の 有 効 性 を 確 認 し て い る 。 さ ら に 、 こ の よ う な3次 元 形 状 効 果 が1次 元 モ デ ル で は 解 析 で き な い こ と の あ る こ と を 確 認 し て い る 。
第5章 で は 、 ロ 唇 部 か ら 放 射 さ れ る 音 波 に 関 す る3次 元 放 射 モ デ ル を 提 案 し 、 そ の 有 効 性 を 示 し て い る 。 例 え ば 楕 円 断 面 音 響 管 の 場 合 、 本 手 法 に よ り 求 め た 声 道 伝 達 特 性 の ホ ル マ ン ト 帯 域 幅 が 従 来 の 単 純 な 平 面 波 モ デ ル の と き よ り 狭 く な り 、 か っ ホ ル マ ン ト 周 波 数 が 高 周 波
彦
次 夫
弘
吉
香 信
信
川 内
井 木
小
栃 永
三
授 授
授 授
教
教 教
教 助
査 査
査 査
主 副
副 副
側へ遷移することを明らかにレた。
第
6章で は、前章 で提案した 放射モデ ルを用い て各種楕 円断面形 状均一音響管のシミュレ ーショ ンを行い 、放射イン ピーダン スが放射 断面形状 で異なる ことを確認した。また、
MRIデータ を基にレ て作成した 実際の声 道断面形状を一定断面にもつ音響管と、それと断面積お よ び 周 長 が 等 レ い 楕 円 断 面 と の 音 響 特 性 を 比 較 し 、 楕 円 近 似 の 妥 当 性 を 確 認 し た 。
第
7章で は、門歯 が声道を上 下交互に 狭めてい る影響を 適当にモ デル化して調べた。その 結果、
1次元等価 回路モデル に比ベホ ルマント が低周波 側に移動 することを明らかにした。
第
8章 で は、
MRIモ デル か ら得 ら れ た声 道 断 面を 基 に可 変 楕 円断 面声道モデ ルを構築 レ て、日本語母音lal ，／i ／，/u/ 発生時のシミュレーションを行っている。さらに、単一楕円断面と 上 下非 対 称楕 円 断 面モ デ ルと の 比 較も行 っている 。この結 果、
1次元モ デルと比 べて
3kHz程度ま での声道 伝達特性は 良く一致 している が、第
3ホ ルマント 周波数以上では高次伝播モ ー ドの た め差 異 が 生じ る こと を 確 認し た 。 また 、 非対 称 断 面モ デルの 影響も確 認した。
第9 章は結論である。
