JP4494902B2

JP4494902B2 - 音響再生装置

Info

Publication number: JP4494902B2
Application number: JP2004232905A
Authority: JP
Inventors: 雄一森田; 宏佐藤
Original assignee: Foster Electric Co Ltd
Current assignee: Foster Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: JP2006054524A

Description

この発明は、小口径のスピーカを用いて音響情報を再生する音響再生装置に関し、特にスピーカの最低共振周波数以下の音響情報を改善する音響再生装置に関する。

近年、テレビジョン受像器、ラジオカセットあるいはノート型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の小型化に伴い、これら機器に取り付けられるスピーカも小型化が進んでいる。ここで、これらスピーカは、口径が小さく最低共振周波数が高いものとなる。そして、この最低共振周波数が人間の可聴域に含まれる場合には、その最低共振周波数以下の低域部分の音響情報に劣化が生じ、忠実な音響情報の再生が困難となる。

他方、この低音域の音響情報の劣化を防止する為に、ラウドネス補償回路あるいはトーンコントロール回路と言った電気的に低音域を増幅する回路が用いられる。また、低音域の音響情報の周波数を２逓倍して最低共振周波数を越える周波数とし、この２逓倍された音響情報を低音域の音響情報と模擬することも行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開平８―２１３８６２号公報、（第１頁、図１）境久雄編著、「聴覚と音響心理」、株式会社コロナ社、１９７８年５月２５日、ｐ．１０２〜１０３

しかしながら、上記背景技術によれば、低音域の音響情報を、良好な状態で再生することができない。すなわち、ラウドネス補償回路あるいはトーンコントロール回路と言った電気的に低音域を増幅する場合には、スピーカの低音域での出力音圧の低下を或る程度補償できるものの、著しい音圧の低下に対応するには困難が伴い、さらには音圧波形の歪みが不可避的に生じる。

また、低音域の音響情報の周波数を２逓倍する場合には、最低共振周波数による劣化は受けないものの、２逓倍される音響情報を、低音域の音響情報と模擬しているだけなので正確な再生とは異なる。

なお、携帯化のための小型化が著しい液晶テレビ、ラジオカセットおよびＰＣ等では、スピーカの小型化が著しく、この低音域の音響情報の劣化は、特に目立つものとなる。
これらのことから、小口径のスピーカを用いる際にも、低音域の音響情報の劣化が生じない音響再生装置をいかに実現するかが重要となる。

この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、小口径のスピーカを用いる際にも、低音域の音響情報の劣化が生じない音響再生装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかる音響再生装置は、入力音響情報を入力する入力手段と、出力音響情報を音波に変換する小口径のスピーカと、前記入力音響情報から、前記スピーカの最低共振周波数を超える周波数の高域音響情報を抽出する高域通過フィルタと、前記入力音響情報から、前記最低共振周波数を越えない基本周波数からなる低域音響情報を抽出するバンドパスフィルタと、前記低域音響情報から、前記最低共振周波数を超える周波数で変調された前記基本周波数に相当する周期のうなりを発生させるうなり発生回路と、前記うなりの情報および前記高域音響情報を加算し、前記出力音響情報として前記スピーカに出力する加算出力手段と、を備える。

この請求項１に記載の発明では、入力音響情報から、高域通過フィルタを用いてスピーカの最低共振周波数を超える周波数の高域音響情報を抽出し、また同じく入力音響情報から、バンドパスフィルタを用いて最低共振周波数を越えない基本周波数からなる低域音響情報を抽出し、この低域音響情報から、うなり発生回路を用いて最低共振周波数を超える周波数で変調された基本周波数に相当する周期のうなりを発生させ、加算出力手段を用いてうなりの情報および高域音響情報を加算し、出力音響情報としてスピーカに出力させる。

また、この発明にかかる音響再生装置は、前記うなり発生回路が、Ｎを２以上の整数として、前記低域音響情報を前記基本周波数のＮ逓倍にするＮ逓倍回路、前記低域音響情報を前記基本周波数のＮ＋１逓倍にするＮ＋１逓倍回路、並びに、前記Ｎ逓倍回路および前記Ｎ＋１逓倍回路の出力を加算あるいは減算する加減算回路を備えることを特徴とする。

この発明では、うなり発生回路は、Ｎ逓倍回路により、低域音響情報を基本周波数のＮ逓倍にし、Ｎ＋１逓倍回路により、低域音響情報を基本周波数のＮ＋１逓倍にし、並びに、加減算回路により、Ｎ逓倍回路およびＮ＋１逓倍回路の出力を加算あるいは減算する。

また、請求項２に記載の発明にかかる音響再生装置は、請求項１において、前記Ｎ逓倍回路および前記Ｎ＋１逓倍回路が、前記Ｎ逓倍された低域音響情報および前記Ｎ＋１逓倍された低域音響情報を増幅する増幅器を備えることを特徴とする。

この請求項２に記載の発明では、Ｎ逓倍回路およびＮ＋１逓倍回路は、増幅器により、Ｎ逓倍およびＮ＋１逓倍された低域音響情報を増幅する。
また、請求項３に記載の発明にかかる音響再生装置は、請求項１または２おいて、前記加算出力手段が、前記加減算回路を含むことを特徴とする。

この請求項３に記載の発明では、加算出力手段に加減算回路を含ませる。
また、請求項４に記載の発明にかかる音響再生装置は、請求項１ないし３のいずれか１つにおいて、前記最低共振周波数が前記基本周波数の２倍を越えない際に、前記Ｎが２とされることを特徴とする。
この請求項４に記載の発明では、Ｎを２とする。

以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、入力音響情報から、高域通過フィルタを用いてスピーカの最低共振周波数を超える周波数の高域音響情報を抽出し、また同じく入力音響情報から、バンドパスフィルタを用いて最低共振周波数を越えない基本周波数からなる低域音響情報を抽出し、この低域音響情報から、うなり発生回路を用いて最低共振周波数を超える周波数で変調された基本周波数に相当する周期のうなりを発生させ、加算出力手段を用いてうなりの情報および高域音響情報を加算し、出力音響情報としてスピーカに出力させることとしているので、スピーカで低域音響情報を劣化させることなく、しかも基になる低域音響情報の音の高さおよび強さと同等の知覚を人間に生じさせる忠実な音響再生を行い、ひいてはスピーカの設置面積が小さい携帯用の音響機器等で、低音域で歪みの少ない品質の良い音を発生させることができる。

また、この発明によれば、うなり発生回路は、Ｎ逓倍回路により、低域音響情報を基本周波数のＮ逓倍にし、Ｎ＋１逓倍回路により、低域音響情報を基本周波数のＮ＋１逓倍にし、並びに、加減算回路により、Ｎ逓倍回路およびＮ＋１逓倍回路の出力を加算あるいは減算することとしているので、低域音響情報を、基本周波数と一致するうなりを有し、また同時に最低共振周波数を越える周波数に変調させたものとすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、Ｎ逓倍回路およびＮ＋１逓倍回路は、増幅器により、Ｎ逓倍およびＮ＋１逓倍された低域音響情報を増幅することとしているので、加算あるいは減算を行う際の逓倍波形の合成比率を制御し、同時に発生されるうなりの最大振幅を最適なものとすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、加算出力手段に加減算回路を含ませることとしているので、簡易な回路構成とすることができる。
請求項４に記載の発明によれば、Ｎを２にすることとしているので、最低共振周波数を越えない範囲で、しかもこの最低共振周波数近傍に存在する低域音響情報のうなりを発生させることができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる音響再生装置を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
まず、本実施の形態にかかる音響再生装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、音響再生装置の全体構成を示すブロック図である。音響再生装置は、入力手段１０、高域通過フィルタ１、バンドパスフィルタ２、うなり発生回路２０、電力増幅器８およぼスピーカ９を含む。そして、さらにうなり発生回路２０は、２逓倍回路３、増幅器４、３逓倍回路５、増幅器６および加算出力手段７を含む。

入力手段１０は、テーププレーヤ、ＣＤプレーヤあるいはＦＭチューナ等のオーディオソースから出力されるオーディオ信号を含む入力音響情報を入力する手段である。この入力音響情報には、人間の可聴範囲に相当する概ね２０〜２０ＫＨｚの信号が含まれている。

スピーカ９は、電気信号として入力される出力音響情報を、音波に変換する小口径のスピーカである。スピーカ９は、小型のテレビジョン受像器、携帯型のラジオカセットあるいはＰＣ等の、スピーカ部分に大きな設置面積の確保が困難な機器で用いられる。

ここで、スピーカ９は、図２に示す音響特性を有する。図２（Ａ）は、縦軸を出力音圧、横軸を入力信号の周波数とする音圧周波数特性である。ここで、スピーカ９の出力音圧は、最低共振周波数ｆ₀以下の周波数で急激に低下する。また、図２（Ｂ）は、縦軸を出力波形の歪み、横軸を入力信号の周波数とする歪み周波数特性である。図２（Ａ）と同様に、スピーカ９の出力波形の歪みは、最低共振周波数ｆ₀以下の周波数で急激に増加する。

また、図２で示される最低共振周波数ｆ₀は、スピーカ９で使用される振動板の口径が小さくなるとｆ₀が高くなる傾向を有する。ここで、小口径のスピーカの場合には、最低共振周波数ｆ₀は、１００Ｈｚ程度の大きさのものとなり、人間の可聴範囲の下限である２０Ｈｚを越えるものとなる。なお、この場合、入力音響情報をスピーカ９に直接入力すると、入力音響情報の低域部分は、図２（Ａ）および（Ｂ）で示す音圧の低下および歪みの影響により劣化した形で出力される。

高域通過フィルタ１は、カットオフ周波数を上述した最低共振周波数ｆ₀の近傍に有する、高域通過型のフィルタである。これにより、入力手段１０に入力された入力音響情報から、スピーカ９の音響特性による劣化を受けない高域音響情報のみを抽出する。

バンドパスフィルタ２は、バンドパス部が上述した最低共振周波数ｆ₀を越えない範囲に存在するバンドパス型のフィルタである。これにより、入力手段１０に入力された入力音響情報から、特にスピーカ９の音響特性による劣化を受ける低域音響情報のみを抽出する。なお、バンドパス部の中心周波数を基本周波数と称し、低域音響情報は主としてこの基本周波数成分から構成される。

うなり発生回路２０は、低域音響情報から、低域音響情報の基本周波数と一致する周波数のうなりを発生する。ここで、うなり発生回路２０の２逓倍回路３および３逓倍回路５は、バンドパスフィルタ２により抽出された低域音響情報の基本周波数を２逓倍および３逓倍とする２逓倍波形および３逓倍波形を形成する。図３は、この逓倍回路の一例を示すブロック図である。なお、図３では２逓倍回路３を用いて説明しているが、３逓倍回路、さらにはＮを２以上の整数として、Ｎ逓倍回路の場合も全く同様である。

図３の２逓倍回路３は、Ａ／Ｄ変換器３１、書き込み部３２、波形メモリ３３、読み出し部３４およびＤ／Ａ変換器３５を含む。Ａ／Ｄ変換器３１は、バンドパスフィルタ２からの低域音響情報をＡ／Ｄ（ＡｎａｌｏｇＴｏＤｉｇｉｔａｌ）変換する。この際、サンプリング周期ｔは、基本周波数の低域音響情報を忠実に再現するように、基本周波数をｆ₁として、ｔ≦１／（２ｆ₁）となるように設定される。

書き込み部３２は、Ａ／Ｄ変換された低域音響情報を、波形メモリ３３に読み込む。ここで、波形メモリ３３は、低域音響情報の２周期分に相当する波形情報の格納領域を有し、書き込み部３２は、この格納領域に繰り返し低域音響情報を書き込む。

読み出し部３４は、波形メモリ３３から低域音響情報を読み出し、Ｄ／Ａ変換器３５に出力する。ここで、読み出し部３４は、書き込み速度の２倍速での読み出しを、低域音響情報をなす基本波形の１周期ごとに２度の読み出しを繰り返しつつ行う。なお、同等の効果は、書き込み速度と同一の速度での読み出しを、波形メモリ３３からの基本波形の読み出しを１つおきに間引いて行うことによっても得ることができる。

Ｄ／Ａ変換器３５は、読み出し部３４から読み出された低域音響情報をＤ／Ａ変換し、アナログ情報として増幅器４へ出力する。この際、読み出し部３４は、書き込み部３２の２倍速で読み出しを行っているので、低域音響情報は基本周波数の２倍となる。なお、読み出し部３４を書き込み部３２のＮ倍速で読み出すことにより、Ｎ逓倍波形の生成を行うＮ逓倍回路も同様に構成することができる。

図１に戻り、増幅器４および６は、２逓倍回路３および３逓倍回路５の出力を増幅する。これにより、２逓倍回路３および３逓倍回路５の出力波形の振幅を微調節し、後述するうなりの最大振幅を調節する。

加算出力手段７は、高域通過フィルタ１からの高域音響情報、２逓倍回路３からの２逓倍波形および３逓倍回路５からの３逓倍波形を加算し、電力増幅器８に出力する。ここで、加算出力手段７は、機能的には、うなり発生回路２０に属する２逓倍波形および３逓倍波形を加算あるいは減算してうなりを発生する加減算回路部と、このうなりの情報をさらに高域音響情報に加算する部分とからなる。なお、このうなりの情報については、後に詳述する。

電力増幅器８は、加算出力手段７で再合成された高域音響情報および低域音響情報を、電力増幅してスピーカ９が音波を発するに適したパワーとし、スピーカ９に出力する。
つづいて、本実施の形態にかかる音響再生装置の動作について説明する。入力手段１０から入力された人間の可聴範囲の周波数帯域を有する音響情報は、高域通過フィルタ１およびバンドパスフィルタ２により、スピーカ９により劣化されない高域音響情報およびスピーカ９により劣化する低域音響情報に分離される。

図４（Ａ）は、バンドパスフィルタ２により分離される、概ね単一の基本周期Ｔあるいはこの基本周期の逆数である基本周波数ｆ₁の基本波よりなる低域音響情報の例である。なお、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、横軸が時間、縦軸が音圧の振幅を現す。ここで、図４（Ａ）に示す基本波の最大振幅ａは、周期ごとに変化しうるものであり、低域音響情報の時間的変化を現す。

その後、低域音響情報は、２逓倍回路３および３逓倍回路５により、周波数が２逓倍および３逓倍される。図４（Ｂ）および（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す基本波から派生される２逓倍波形および３逓倍波形の例であり、各々周期がＴ／２およびＴ／３となる。ここで、これら２逓倍波形および３逓倍波形は、増幅器４および６で振幅調整された後に加算あるいは減算される。

その後、２逓倍波形および３逓倍波形は、加算出力手段７により、加算あるいは減算される。図４（Ｄ）は、図４（Ｂ）および（Ｃ）に示す２逓倍波形および３逓倍波形を、加算して生成されるうなり波形の例である。

ここで、うなり現象について若干の説明を行う。周波数が近似して異なる２つの音波が加算あるいは減算されると、相互の振幅関係の変化によりうなりを生じる。この異なる２つの音波の周波数をｆａ並びにｆｂとすると、うなりの周波数ｆは、
ｆ＝｜ｆａ−ｆｂ｜
で表される。

従って、図４（Ｂ）に示す２逓倍波形の周波数をｆａ、図４（Ｃ）に示す３逓倍波形の周波数をｆｂとすると、図４（Ｄ）に示されるうなり波形のうなり周波数ｆは、
ｆ＝｜ｆａ−ｆｂ｜＝｜２ｆ₁−３ｆ₁｜＝ｆ₁
となり、低域音響情報を形成する基本波の基本周波数ｆ₁と一致する。言い換えれば、うなり周期は、基本波の基本周期Ｔと一致する。なお、このうなり波形は、スピーカ９の最低共振周波数ｆ₀を超えるｆａおよびｆｂで構成されているので、スピーカ９により劣化されることはない。

また、図４（Ｄ）に示すうなり波形のうなりの最大振幅ｈは、このうなり波形が低域音響情報である図４（Ａ）の基本波から形成されたものであるので、基本波の最大振幅ａと、
ｈ∝ａ
の関係にある。従って、最大振幅ａの時間変化に伴い、最大振幅ｈも変化し、最大振幅ｈは低域音響情報を反映したものとなる。

その後、このうなり波形は、高域音響情報と加算された後に、スピーカ９で劣化を生じることなく音波として出力される。
なお、図４（Ｄ）に示すうなり波形は、図４（Ａ）の示す様な正弦波状の基本波と同等の低音音響情報を、人間に知覚させると考えられる。すなわち、低音音響情報の音の高さは、物理的には正弦波状の基本波の基本周波数で示されるが、人間が知覚する音の高さは、高調波成分も含むうなりの周波数に比例する（非特許文献１）。従って、うなりの周期を基本波の基本周期と一致させることで、実質的に同じ音の高さとして人間に知覚させることができる。また、音の強さも、うなりの最大振幅ｈが基本波の最大振幅ａの変化に連動して変化するので、基本波と同様に時間変化するものとして人間に知覚させることができる。

上述してきたように、本実施の形態では、入力音響情報から、スピーカ９により劣化される低域音響情報をバンドパスフィルタ２により分離抽出し、うなり発生回路２０により、この低域音響情報の基本周波数を２倍および３倍した２逓倍波形および３逓倍波形の生成、並びに、加算あるいは減算を行い基本周波数に一致する周波数のうなりを生成し、低域の出力音響情報としてスピーカ９に出力することとしているので、スピーカ９で低域音響情報を劣化させることなく、しかも基になる低域音響情報の音の高さおよび強さと同等の知覚を人間に生じさせることができる。

音響再生装置の全体構成を示すブロック図である。スピーカの音響特性を示す特性図である。２逓倍回路の構成を示すブロック図である。うなり発生回路の動作を示す説明図である。

符号の説明

１高域通過フィルタ
２バンドパスフィルタ
３２逓倍回路
４、６増幅器
５３逓倍回路
７加算出力手段
８電力増幅器
９スピーカ
１０入力手段
２０うなり発生回路
３１Ａ／Ｄ変換器
３２書き込み部
３３波形メモリ
３４読み出し部
３５Ｄ／Ａ変換器

Claims

入力音響情報を入力する入力手段と、
出力音響情報を音波に変換する小口径のスピーカと、
前記入力音響情報から、前記スピーカの最低共振周波数を超える周波数の高域音響情報を抽出する高域通過フィルタと、
前記入力音響情報から、前記最低共振周波数を越えない基本周波数からなる低域音響情報を抽出するバンドパスフィルタと、
前記低域音響情報から、前記最低共振周波数を超える周波数で変調された前記基本周波数に相当する周期のうなりを発生させるうなり発生回路と、
前記うなりの情報および前記高域音響情報を加算し、前記出力音響情報として前記スピーカに出力する加算出力手段と、
を備え、
前記うなり発生回路は、Ｎを２以上の整数として、前記低域音響情報を前記基本周波数のＮ逓倍にするＮ逓倍回路、前記低域音響情報を前記基本周波数のＮ＋１逓倍にするＮ＋１逓倍回路、並びに、前記Ｎ逓倍回路および前記Ｎ＋１逓倍回路の出力を加算あるいは減算する加減算回路を備えることを特徴とする音響再生装置。
前記Ｎ逓倍回路および前記Ｎ＋１逓倍回路は、前記Ｎ逓倍された低域音響情報および前記Ｎ＋１逓倍された低域音響情報を増幅する増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載の音響再生装置。
前記加算出力手段は、前記加減算回路を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の音響再生装置。
前記Ｎは、前記最低共振周波数が前記基本周波数の２倍を越えない際に、２とされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の音響再生装置。