JP2009010824A - 音響装置およびスピーカの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカの振動系を正確に制御することが可能な音響装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の音響装置は、音声信号を入力する入力手段（補正部２１）と、入力手段を介して入力された音声信号を、駆動しようとするスピーカの入出力特性に対応する特性に応じて補正する補正手段（補正部２１）と、補正手段によって補正された音声信号を、スピーカに出力する出力手段（増幅部２２）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響装置およびスピーカの駆動方法に関する。

特許文献１には、ＭＦＢ（Motional Feed Back）を利用して、スピーカの振動系の動きを検出し、入力信号と振動系の動きとの誤差を小さくする方法が開示されている。

このような従来の技術では、図１１に示すように、スピーカ１０１の振動系の動きを検出機構１０１ａによって検出し、検出した信号（モーション信号）を帰還部１０２を介してアンプ１００に負帰還することにより、スピーカ１０１の特性の改善を図ることができる。

特開平０４−１０５４９９号公報（図７、要約等）

ところで、特許文献１に記載された技術では、スピーカの振動系に検出機構を設ける必要があるため、特殊な構造のスピーカが必要となるという問題点がある。また、検出機構からアンプへ帰還するための配線が増えるという問題点もある。さらに、検出機構の分だけスピーカの厚みが増えるとともに、重量が増加するという問題点もある。

また、検出コイルによって振動系の動作を検出する検出コイル方式の場合、スピーカのボイスコイルの近くに専用の検出コイルを付加する。このため、検出コイルに駆動コイルからの誘導が生じてしまい、正確な制御が困難となるという問題点がある。

さらに、ブリッジ回路を用いてボイスコイル自体に誘起されるモーション電圧を検出するブリッジ検出方式の場合、ボイスコイルの発熱によって、ボイスコイルの抵抗値が増加し、帰還量が変動してしまうという問題点がある。

さらにまた、ＭＦＢ方式の場合、モーション信号を常にフィードバックすることから、周波数によっては補正するタイミングが時間的にずれを生じてしまい、正確に補正できないという問題点がある。

本発明は、上記の事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、スピーカの振動系を正確に制御することが可能な音響装置およびスピーカの駆動方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の音響装置は、音声信号を入力する入力手段と、入力手段を介して入力された音声信号を、駆動しようとするスピーカの入出力特性に対応する特性に応じて補正する補正手段と、補正手段によって補正された音声信号を、スピーカに出力する出力手段と、を有する。

また、他の発明の音響装置は、前述した発明に加えて、補正手段が、スピーカの振動系の第１の変位方向に対する第１の入出力特性に対応する第１の補正特性と、第１の変位方向とは異なる第２の変位方向に対する第２の入出力特性に対応する第２の補正特性と、に応じて、音声信号の対応する極性側の信号をそれぞれ補正処理するようにしている。

また、他の発明の音響装置は、前述した発明に加えて、補正手段が、第１の入出力特性および第２の入出力特性を二次曲線または三次曲線によって近似し、得られた曲線に対応して生成された第１の補正特性および第２の補正特性に基づいて補正処理を行うようにしている。

また、他の発明の音響装置は、前述した発明に加えて、入力手段を介して入力された音声信号から所定の周波数未満の音声信号を濾波して補正手段に出力する第１の濾波手段と、入力手段を介して入力された音声信号から所定の周波数以上の音声信号を濾波して出力する第２の濾波手段と、補正手段から出力される音声信号と、第２の濾波手段から出力される音声信号とを合成して、出力手段に供給する合成手段と、を有する。

また、他の発明の音響装置は、前述した発明に加えて、第１の濾波手段が、所定の周波数未満の信号を通過させるＦＩＲフィルタによって構成され、第２の濾波手段が、所定の周波数以上の信号を通過させるＦＩＲフィルタによって構成されている。

また、本発明のスピーカ駆動方法は、音声信号を入力し、入力された音声信号を、駆動しようとするスピーカの入出力特性に応じて補正し、補正された音声信号をスピーカに出力する。

本発明は、スピーカの振動系を正確に制御することが可能な音響装置およびスピーカの駆動方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、（Ａ）本発明の実施の形態の構成例、（Ｂ）本発明の実施の形態の動作の概要、（Ｃ）本発明の実施の形態の動作の詳細、（Ｄ）他の実施の形態の順に説明する。

（Ａ）本発明の実施の形態の構成例

図１は、本発明の実施の形態に係る音響装置の構成例を示す図である。本実施の形態に係る音響装置２０は、補正部２１および増幅部２２を有しており、その外部には音源１０およびスピーカ４０が接続されている。なお、音響装置２０に音源１０を含めるようにしたり、音響装置２０にスピーカ４０を含めるようにしたり、あるいは、これらの双方を音響装置２０に含めるようにしてもよい。

ここで、音源１０は、例えば、ＣＤ（Compact Disk）再生装置、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）再生装置、ＭＤ（Mini Disk）再生装置、ＦＭ（Frequency Modulation）チューナ等によって構成され、所定の音声信号を生成して出力する。

音響装置２０は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）＋α（およびその他）によって構成され、補正部２１および増幅部２２を有する。入力手段および補正手段としての補正部２１は、音源１０から出力された音声信号に対して、スピーカ４０の入出力特性に対応した補正処理をリアルタイムで施して出力する。出力手段としての増幅部２２は、補正部２１によって補正処理が施された音声信号を所定のゲインで増幅して出力する。

スピーカ４０は、例えば、音声信号が印加されたボイスコイルが磁界の中で振動して振動板を駆動するダイナミック型のスピーカユニットが、所定の大きさのエンクロージャに内蔵されて構成される。

（Ｂ）本発明の実施の形態の動作の概要

本発明の実施の形態の音響装置２０は、スピーカ４０の振動系が、音源１０から供給される音声信号に対応して正確に振動するように制御を行う。すなわち、スピーカ４０に印加する電圧と、スピーカ４０の振動系の変位との関係を示す特性は、振動系の移動方向に拘わらず比例関係であることが望ましい。

しかしながら、実際のスピーカでは、図２に示すように、振動系（ボイスコイル４１および振動板４３）が中立位置から前方（図の右側）に移動する場合と、後方（図の左側）に移動する場合とでは、印加する電圧が同じでも図中実線の正弦波で示すように変位量が異なる。したがって、本発明の実施の形態では、これらの移動量が図中破線の正弦波で示すように同じになるように補正を行う。

また、スピーカ４０に印加する電圧と、振動系の変位量とは、比例の関係を有することが望ましい。しかしながら、図３に示すように、スピーカ４０に印加する電圧（横軸）と、振動系の変位量（縦軸）とは、図中に破線で示す比例関係からは乖離している。すなわち、振動系が前方に移動する場合には、電圧が大きくなるにつれて変位量が大きくなり、振動系が後方に移動する場合には、電圧が大きくなるにつれて変位量が小さくなる。したがって、このような非線形の関係を解消するために、本実施の形態では、図４に示すように、補正部２１によってスピーカ４０とは逆の特性に基づいて補正することにより、電圧と変位量との関係が比例の関係となるように補正する。すなわち、振動系を後方へ移動させる極性の信号（例えば、マイナス側の信号）に対しては、図４に示す「後方動作に対する補正」曲線に基づいて補正を行い、振動系を前方へ移動させる極性の信号（例えば、プラス側の信号）に対しては、図４に示す「前方動作に対する補正」曲線に基づいて補正を行う。

以上の補正により、スピーカ４０に印加する電圧と、振動系の変位量が移動方向によらず比例関係を有するようになるので、スピーカ４０から放出される音の歪み特性を改善することができる。

また、本実施の形態では、検出機構を有するスピーカではなく、通常のスピーカを使用することができる。ＭＦＢ方式のようにフィードバック系を有しないので、位相遅れ等に起因して、補正が正常に行えなくなることを防止できる。

（Ｃ）本発明の実施の形態の動作の詳細

つぎに、本発明の実施の形態の詳細な動作について説明する。

音源１０が、例えば、ＣＤ等の記憶媒体に記憶された音声信号の再生を開始すると、音声信号が音響装置２０に供給される。

音響装置２０は、音源１０から出力された音声信号を入力し、補正部２１によって補正処理を実行する。すなわち、図２に示すように、スピーカ４０に印加される電圧と、変位量との関係は、ダンパ４２およびロールエッジ４４に保持された振動系（ボイスコイル４１および振動板４３）が前方に動く場合と、後方に動く場合で異なるので、例えば、プラスの音声信号に対して、振動系が前方（図の右側）に動くとすると、プラス側の音声信号に対しては図４に示す前方動作に対する補正曲線に基づいて補正を行い、マイナス側の音声信号に対しては図４に示す後方動作に対する補正曲線に基づいて補正を行う。

より具体的には、補正部２１は、まず、入力された音声信号の極性を判定する。そして、極性がプラスの場合には、図４に示す前方動作に対する補正曲線に基づいて補正処理を実行する。また、極性がマイナスの場合には、図４に示す前方動作に対する補正曲線に基づいて補正処理を実行する。

具体的な補正曲線の求め方について説明する。例えば、前方動作に対する振動系の動作特性を以下の式で表すことができるとする。ここで、Ｘはスピーカ４０への入力電圧を表し、Ｙは振動系の変位量を示す。また、Ｆ_ｆ（）は、前方動作の特性（第１の入出力特性）を示す関数である。なお、ここでは、Ｆ_ｆ（）としては２次関数を想定する。

〔数１〕
Ｙ＝Ｆ_ｆ（Ｘ） ・・・（１）

このとき、前方動作に対する補正曲線（第１の補正特性）は、例えば、Ｆ_ｆ（Ｘ）の逆関数Ｆ_ｆ ^−１（Ｘ）として表される。一方、後方動作に動作曲線（第２の動作特性）が以下の式で表されるとすると、後方動作に対する補正曲線（第２の補正特性）も同様に逆関数Ｆ_ｒ ^−１（Ｘ）として表される。

〔数２〕
Ｙ＝Ｆ_ｒ（Ｘ） ・・・（２）

このような逆関数を得る方法としては、まず、例えば、スピーカ４０の電圧−変位特性を実測し、また、別な方法としてはスピーカ４０の二次歪みを測定し、それが小さくなるように補正カーブを調整していき、その実測によって得られたデータに基づいて、例えば、ラグランジェまたはスプライン等の多項近似によって前方および後方のそれぞれに対する動作曲線の近似方程式を得る。なお、ここでは、二次方程式を想定しているので、例えば、以下のような二次の多項方程式を求める。そして、得られた近似方程式の逆関数を求めることにより、補正曲線の方程式を得ることができる。

〔数３〕
Ｙ＝αＸ^２＋βＸ＋γ ・・・（３）

一例として、例えば、前方動作の特性がＹ＝αＸ^２で表されるとした場合、逆関数としての補正曲線は、マイナス項を省略したＹ＝（Ｘ／α）^１／２で表される。

したがって、補正部２１は、入力された音声信号を、前述した方法によって得られた補正曲線に対応する方程式に適用し、補正後の音声信号を得る。なお、補正部２１の後段には増幅部２２が存在し、当該増幅部２２によって音声信号が所定のゲインで増幅されるので、補正部２１は当該ゲインも考慮して補正処理を実行する。すなわち、補正曲線としては、横軸の電圧を増幅部２２のゲインで除した値とする。例えば、増幅部のゲインが２０ｄＢである場合には、横軸の電圧は１／１０の値となる。

なお、逆関数の「方程式」を用いて計算するのではなく、例えば、前方動作用と後方動作用のそれぞれの入力電圧と出力電圧の関係を示すテーブルを用意しておき、入力電圧に応じた出力電圧をテーブルから取得して、対応する電圧を出力するようにしてもよい。そのような方法によれば、方程式の計算に要する時間を短縮することができる。

以上に説明したような補正部２１の動作により、図５に示すように、破線で示す音声信号が入力されると、音声信号のプラス側（図の上側）では電圧を抑制する方向で補正がなされ、マイナス側（図の下側）では電圧を増加する方向で補正がなされ、実線のような補正後の音声信号が出力されることになる。

増幅部２２は、補正部２１から出力された音声信号を所定のゲインで増幅し、スピーカ４０に出力する。スピーカ４０は、増幅部２２から出力された音声信号に応じた振幅により振動する。スピーカ４０に印加される音声信号は、前述したように、スピーカ４０の特性に応じた補正がなされているので、スピーカ４０の駆動系は、補正前の音声信号に応じた振幅（音声信号の振幅に比例した振幅）で振動する。これにより、音声信号に比例した、音声がスピーカ４０から出力される。

以上に説明したように、本発明の実施の形態では、スピーカ４０の特性に応じた補正を音声信号に対して施し、スピーカ４０を駆動するようにしたので、スピーカ４０のリニアリティを向上させることができる。

また、以上の実施の形態では、検出コイル等を使用しないので、ボイスコイルからの誘導が発生することを防止できる。これにより、外乱の影響を受けることなく、正確に補正を行うことができる。

また、以上の実施の形態では、スピーカ４０としては検出機構を有しない通常のスピーカを使用することができるので、検出機構によってスピーカの厚さが厚くなったり、重さが重くなったり、あるいは、配線が増加したりすることを防止できる。

また、以上の実施の形態では、入力信号に対してリアルタイムで処理を行い、フィードバック系を有しないので、位相の遅れは生じない。したがって、位相の遅れに起因して、補正が正確にできないことを防止できる。

また、以上の実施の形態では、ブリッジ方式のようにボイスコイルの抵抗を利用しないため、ボイスコイルの抵抗値が発熱によって変化した場合でも、特性が変化することを防止できる。すなわち、温度によらず一定の特性を保持できる。

（Ｄ）他の実施の形態

なお、上述の実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、以上の実施の形態では、スピーカ４０の特性を二次関数によって近似する場合を例に挙げて説明したが、三次関数によって近似するようにしてもよい。すなわち、二次歪みのみならず、三次歪みを考慮して補正を行うようにしてもよい。図６の実線は、後方動作に対する補正曲線を示し、長い破線は前方動作に対する補正曲線を示し、短い破線は三次歪みに対する補正曲線を示す。また、図７の実線は、三次歪みまで考慮した場合の後方動作に対する補正曲線を示し、破線は、同じく前方動作に対する補正曲線を示す。このような三次歪みを考慮した補正曲線を用いると、図８に示すように、破線の音声信号は、実線のような信号に補正される。このように、三次歪みまで含めた補正曲線を用いることにより、スピーカ４０のリニアリティをより一層向上させることができる。なお、三次補正関数を生成する方法としては、前述した多項近似の際に、三次多項式によって近似を行うことで可能となる。

また、以上の実施の形態では、補正部２１は全ての周波数帯域の音声信号に対して補正処理を行うようにしたが、このような補正の効果が高いのは、低い周波数成分に対してであるので、低い周波数成分だけに対して、補正処理を施すようにしてもよい。図９は、低い周波数成分のみに対して補正処理を施す実施の形態である。この例では、音源１０からの出力信号はカットオフ周波数がｆ_０である第２の濾波手段としてのＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ（ハイパスフィルタ）２３と、カットオフ周波数がｆ_０である第１の濾波手段としてのＦＩＲフィルタ（ローパスフィルタ）２４に入力される。そして、ＦＩＲフィルタ２３の出力と、補正部２１の出力を合成手段としての加算回路２５によって合成し、得られた信号を増幅部２２に対して出力する。

図１０は、図９に示す実施の形態の補正の結果を示す図である。この図に示すように、補正を施した場合には、６０Ｈｚ以下と、１２０〜４００Ｈｚの範囲（丸で囲繞されている範囲）において、歪み率の改善がなされている。このように、低い周波数帯域のみに対して補正を行うことにより、歪み率の改善効果を高めることができる。なお、ハイパスフィルタおよびローパスフィルタとして、ＦＩＲフィルタを使用するのは、ＦＩＲフィルタはＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタに比較して、位相の変化が少ないため、これらを通過した音声信号間の位相がずれることを防止できるからである。

また、以上の実施の形態では、二次または三次の多項式を用いて補正曲線を表すようにしたが、例えば、一次式によって補正特性を表すようにしてもよい。そのような方法によれば、スピーカ４０の前方と後方への変位量の差異を少なくすることができる。

また、二次または三次の多項式そのものを用いるのではなく、例えば、これらの多項式を折れ線近似によって近似して得られた線分を用いて補正を行うことも可能である。そのような方法によれば、二次式または三次式を計算する場合に比較すると、計算時間を短縮することができる。

また、以上の実施の形態では、音響装置２０は入力された音声信号を、ＤＳＰによって処理するようにしたが、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ（Random Access Memory）等によって構成されるマイクロコンピュータによって音響装置２０を構成し、音源１０から出力されるアナログ信号をＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換回路によってデジタル化するか、あるいは、音源１０からデジタル信号を直接出力するようにして、このようなデジタル信号を処理するようにしてもよい。また、アナログ回路によって構成することも可能である。

また、以上の実施の形態では、音響装置２０は、補正部２１および増幅部２２を有するようにしたが、音響装置２０に音源１０を含める構成としたり、音響装置２０にスピーカ４０を含める構成としたり、あるいは、音響装置２０に音源１０とスピーカ４０の双方を含める構成としてもよい。

また、以上の実施の形態では、補正部２１の補正特性は固定としたが、例えば、接続されるスピーカの種類に応じて、補正特性を変更できるようにしてもよい。例えば、スピーカ毎に対応する補正特性を記憶媒体に記憶させて配布し、この記憶媒体に記憶されている補正特性を、図示せぬ読み取り装置によって読み取った後に、補正部２１に設定できるようにしてもよい。あるいは、ネットワークを介して、スピーカ毎の補正特性を取得可能とし、取得した補正特性によって補正部２１の特性を変更できるようにしてもよい。

また、以上の実施の形態では、増幅部２２のゲインは固定としたが、これを可変できるようにしてもよい。その場合、増幅部２２のゲインによってスピーカ４０に出力される電圧のレベルが変化するので、補正部２１は、増幅部２２のゲインに応じて補正処理を実行するようにすればよい。

また、以上の実施の形態では、スピーカ４０はダイナミック型としたが、これ以外の形式のスピーカであってもよい。例えば、コンデンサ型のスピーカに対しても本発明を適用することができる。

本発明は、例えば、ダイナミック型のスピーカを利用する音響装置に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る音響装置の構成例を示すブロック図である。 スピーカに印加する電圧と変位量との関係を示す図である。 スピーカに印加する電圧と振動系の前方および後方への変位量の関係を示す図である。 補正曲線の一例を示す図である。 図４に示す補正曲線による補正の一例を示す図である。 二次および三次歪みに対する補正曲線の一例である。 三次歪みまで考慮した補正曲線の一例である。 図７に示す補正曲線による補正の一例を示す図である。 本発明の他の実施の形態の構成例である。 図９に示す実施の形態による歪みの改善特性を示す図である。 従来のＭＦＢ方式の動作を説明する図である。

符号の説明

１０ 音源
２０ 音響装置
２１ 補正部（入力手段、補正手段）
２２ 増幅部（出力手段）
２３ ＦＩＲフィルタ（第２の濾波手段）
２４ ＦＩＲフィルタ（第１の濾波手段）
２５ 加算回路（合成手段）
４０ スピーカ

Claims (6)

1. 音声信号を入力する入力手段と、
   上記入力手段を介して入力された音声信号を、駆動しようとするスピーカの入出力特性に対応する特性に応じて補正する補正手段と、
   上記補正手段によって補正された音声信号を、上記スピーカに出力する出力手段と、
   を有することを特徴とする音響装置。
2. 前記補正手段は、前記スピーカの振動系の第１の変位方向に対する第１の入出力特性に対応する第１の補正特性と、上記第１の変位方向とは異なる第２の変位方向に対する第２の入出力特性に対応する第２の補正特性と、に応じて、前記音声信号の対応する極性側の信号をそれぞれ補正処理することを特徴とする請求項１記載の音響装置。
3. 前記補正手段は、前記第１の入出力特性および第２の入出力特性を二次曲線または三次曲線によって近似し、得られた曲線に対応して生成された第１の補正特性および第２の補正特性に基づいて補正処理を行うことを特徴とする請求項２記載の音響装置。
4. 前記入力手段を介して入力された音声信号から所定の周波数未満の音声信号を濾波して前記補正手段に出力する第１の濾波手段と、
   前記入力手段を介して入力された音声信号から所定の周波数以上の音声信号を濾波して出力する第２の濾波手段と、
   前記補正手段から出力される音声信号と、前記第２の濾波手段から出力される音声信号とを合成して、前記出力手段に供給する合成手段と、
   を有することを特徴とする請求項２記載の音響装置。
5. 前記第１の濾波手段は、前記所定の周波数未満の信号を通過させるＦＩＲフィルタによって構成され、
   前記第２の濾波手段は、前記所定の周波数以上の信号を通過させるＦＩＲフィルタによって構成されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の音響装置。
6. 音声信号を入力し、
   入力された音声信号を、駆動しようとするスピーカの入出力特性に応じて補正し、
   補正された音声信号を上記スピーカに出力する、
   ことを特徴とするスピーカの駆動方法。

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