JP2003228600A

JP2003228600A - 音響機器の設計方法、音響機器の設計装置、コンピュータプログラム、及び記録媒体

Info

Publication number: JP2003228600A
Application number: JP2002024852A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Nomura; 康雄野村; Yoshinobu Kajikawa; 嘉延梶川; Takuya Nakatani; 卓哉中谷
Original assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Current assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】設計目標とする音圧周波数特性に近付くよう
な音響パラメータ、回路構成を有する音響等価回路及び
音響機器の構造を設計することができる音響機器の設計
方法、音響機器の設計装置、該音響機器の設計装置を実
現するためのコンピュータプログラム、及び記録媒体の
提供。【解決手段】音響機器に対する音響等価回路の音響パ
ラメータ及び回路構成をパラメータとして設定し（Ｓ
２）、目標とする音圧周波数特性と算出する音圧周波数
特性とから評価関数を設定し、該評価関数が良好となる
ようなパラメータの値を遺伝的アルゴリズムにより算出
する（Ｓ３）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響機器の構造を
音響等価回路を用いて設計する音響機器の設計方法、音
響機器の設計装置、及び該音響機器の設計装置を実現す
るためのコンピュータプログラム、該コンピュータプロ
グラムが記録されているコンピュータでの読取りが可能
な記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＤヘッドホンステレオ、携帯電
話機等の小型の音響機器が普及しており、これらの音質
の向上が求められている。小型の音響機器を使用する
際、例えば、携帯電話機では耳を受話口の近傍に近づけ
て使用するが、耳と受話口との間には間隙が生じてお
り、音が漏洩することが多い。このような音の漏洩は、
個人によって異なり、聞こえる音の音圧周波数特性に大
きな影響を与えている。したがって、小型の音響機器を
設計するにあたっては、音の漏洩を考慮して設計を行わ
なければならない。

【０００３】これまで、音響機器の設計は、設計技術者
のような専門の知識を有する者の経験に頼ることが多
く、音響機器から出力される音の出力特性（例えば、音
圧周波数特性）を改善するために、受話口に設けられた
小孔の数、寸法、又は振動板周りの気室の大きさ等を様
々に変更して試行錯誤を繰返しながら設計が行われてい
た。その結果、出力特性を改善するために、多くの時間
を要し、開発コストが嵩んでいた。

【０００４】そこで、発明者らによって発表された論文
「非線形最適化手法を用いた電話機のハンドセットの自
動設計による漏洩の影響低減の可能性、日本音響学会
（１９９５）」により、設計する音響機器を音響等価回
路で表し、該音響等価回路に含まれる音響パラメータを
自動的に算出する手法が提案された。この論文で提案さ
れている手法による場合、回路構成を固定した音響等価
回路を設定し、この音響等価回路から算出される音圧周
波数特性が、目標とする音圧周波数特性の範囲に収まる
ように前記音響等価回路に含まれる音響パラメータの値
を算出し、算出した音響パラメータの値から音響機器の
構造を決定していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
論文で提案された手法では、音響等価回路の回路構成を
固定しているため、予め定められた構造の音響機器以外
のものを設計することはできず、設計目標を満たし、新
たな構造を有する音響機器を自動的に設計することは不
可能であった。

【０００６】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、音響機器の構造を設計する際に出力目標とする
目標特性関数と、設計すべき音響機器の構造に対する音
響等価回路を特徴付ける１又は複数の回路変数から算出
される算出特性関数とを用いて、設計すべき音響機器の
出力特性に関する評価関数を設定し、設定した評価関数
の値が可及的に良好となるように回路変数の値を算出
し、算出した回路変数に基づき音響機器の構造を決定す
ることにより、設計目標の出力特性を満たし、しかも新
たな構造を有する音響機器を自動的に設計することがで
きる音響機器の設計方法、音響機器の設計装置、該音響
機器の設計装置を実現するためのコンピュータプログラ
ム、及び該コンピュータプログラム記録されているコン
ピュータでの読取りが可能な記録媒体を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る音響機器
の設計方法は、音響機器の構造に対する音響等価回路を
用いて前記音響機器の出力に関する特性関数を演算処理
装置により算出し、算出した特性関数が良好となるよう
に前記音響機器の構造を設計する方法において、音響機
器の構造を設計する際の出力目標とする目標特性関数
と、設計すべき音響機器の構造に対する音響等価回路を
特徴付ける１又は複数の回路変数から算出される算出特
性関数とを用いることにより、設計すべき音響機器の出
力特性に関する評価関数を前記演算処理装置により設定
し、設定した評価関数の値が可及的に良好となるように
前記回路変数の値を算出し、算出した回路変数の値に基
づき前記音響機器の構造を決定することを特徴とする。

【０００８】第２発明に係る音響機器の設計方法は、第
１発明に係る音響機器の設計方法において、前記評価関
数を設定する際の音響等価回路は、回路構成が未知であ
る部分を有することを特徴とする。

【０００９】第３発明に係る音響機器の設計方法は、第
１発明又は第２発明に係る音響機器の設計方法におい
て、前記回路変数を算出する際、遺伝的アルゴリズムを
用いることを特徴とする。

【００１０】第４発明に係る音響機器の設計方法は、第
１発明乃至第３発明の何れかに係る音響機器の設計方法
において、前記目標特性関数及び前記算出特性関数は、
音響機器が出力する音圧の周波数特性を表す関数である
ことを特徴とする。

【００１１】第５発明に係る音響機器の設計装置は、音
響機器の構造に対する音響等価回路を用いて前記音響機
器の出力に関する特性関数を算出する手段を備え、算出
した特性関数が良好となるように前記音響機器の構造を
設計すべくなしてある音響機器の設計装置において、音
響機器の構造を設計する際の出力目標とする目標特性関
数と、設計すべき音響機器の構造に対する音響等価回路
を特徴付ける１又は複数の回路変数から算出される算出
特性関数とを用いることにより、設計すべき音響機器の
出力特性に関する評価関数を設定する手段と、前記評価
関数の値が可及的に良好となるように前記回路変数の値
を算出する手段とを備え、算出した回路変数の値に基づ
き前記音響機器の構造を決定すべくなしてあることを特
徴とする。

【００１２】第６発明に係る音響機器の設計装置は、第
５発明に係る音響機器の設計装置において、前記評価関
数を設定する際の音響等価回路は、回路構成が未知であ
る部分を有することを特徴とする。

【００１３】第７発明に係るコンピュータプログラム
は、コンピュータに、音響機器の構造に対する音響等価
回路から前記音響機器の出力に関する特性関数を算出さ
せるステップと、コンピュータに、算出させた特性関数
が良好となるように前記音響機器の構造を設計させるス
テップとを有するコンピュータプログラムにおいて、コ
ンピュータに、音響機器の構造を設計する際の出力目標
とする目標特性関数と、設計すべき音響機器の構造に対
する音響等価回路を特徴付ける１又は複数の回路変数か
ら算出される算出特性関数とを用いることにより、設計
すべき音響機器の出力特性に関する評価関数を設定させ
るステップと、コンピュータに、前記ステップにより設
定させた評価関数の値が可及的に良好となるように前記
回路変数の値を算出させるステップと、コンピュータ
に、算出させた回路変数の値に基づき前記音響機器の構
造を決定させるステップとを有することを特徴とする。

【００１４】第８発明に係るコンピュータでの読取りが
可能な記録媒体は、コンピュータに、音響機器の構造に
対する音響等価回路から前記音響機器の出力に関する特
性関数を算出させるステップと、コンピュータに、算出
させた特性関数が良好となるように前記音響機器の構造
を設計させるステップとを有するコンピュータプログラ
ムが記録されているコンピュータでの読取りが可能な記
録媒体において、コンピュータに、音響機器の構造を設
計する際の出力目標とする目標特性関数と、設計すべき
音響機器の構造に対する音響等価回路を特徴付ける１又
は複数の回路変数から算出される算出特性関数とを用い
ることにより、設計すべき音響機器の出力特性に関する
評価関数を設定させるステップと、コンピュータに、前
記ステップにより設定させた評価関数の値が可及的に良
好となるように前記回路変数の値を算出させるステップ
と、コンピュータに、算出させた回路変数の値に基づき
前記音響機器の構造を決定させるステップとを有するコ
ンピュータプログラムが記録されていることを特徴とす
る。

【００１５】第１発明、第５発明、第７発明、及び第８
発明にあっては、音響機器の構造を設計する際に出力目
標とする目標特性関数と、設計すべき音響機器の構造に
対する音響等価回路を特徴付ける回路変数から算出され
る目標特性関数とを用いて、設計すべき音響機器の出力
特性に関する評価関数を設定し、評価関数の値が良好と
なるように回路変数の値を算出して、音響機器の構造を
決定している。したがって、音響等価回路の回路構成を
特徴付ける変数を回路変数に含めることにより、設計す
る音響機器の音響等価回路を固定することなく、回路構
成自体を自動的に求めることができ、専門家ですら思い
つくことができないような画期的な構造をもつ音響機器
を設計できる可能性を有している。また、技術者が実際
に試行錯誤して音響機器を試作する必要がなくなるの
で、開発に要する時間、及び開発コストを削減すること
が可能である。

【００１６】第２発明及び第６発明にあっては、音響等
価回路の一部に未知の回路構成を含んでいる。したがっ
て、設計する音響機器の音響等価回路の一部を未知の回
路により置換えることによって、置換えた回路構成を自
動的に求めることができる。また、自動的に回路構成を
求める際、実現不可能な構造が得られないように制約を
与えることが容易である。

【００１７】第３発明にあっては、評価関数を評価する
際、遺伝アルゴリズムを利用している。したがって、例
えば、遺伝アルゴリズムとして、Ｐｆ（Parameter fre
e）遺伝アルゴリズム及びMichalewiczの遺伝プログラム
を用いることによって、回路変数が多い場合であって
も、比較的容易に回路変数を求めることが可能である。

【００１８】第４発明にあっては、音圧の周波数特性に
ついて評価関数を設定している。したがって、音響機器
が出力する音の音圧周波数特性について検討することが
でき、周波数帯域によって評価関数による評価方法を変
えて、速やかに算出結果が得られるようにすることが可
能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づいて具体的に説明する。図１は、音響機
器から出力される音の音圧周波数特性を測定するための
システムを模式的に示した断面図である。図中１０は、
音響機器であり、音響機器１０から出力された音は音響
カプラ２０に入力される。音響カプラ２０は、マイクロ
ホン２１を備えており、入力された音の音圧レベルが測
定される。本発明では、音響カプラ２０での音圧レベル
の周波数特性（音圧周波数特性）が良好となるように音
響機器１０の構造を設計する。

【００２０】音響機器１０は、具体的には、携帯電話
機、ヘッドフォン等である。これらを実際に使用する際
には、耳と音響機器１０との間に隙間が生じており、音
が漏れることがある。このような音の漏れは、個人によ
って異なり、人の耳に聞こえる音圧周波数特性に大きな
影響を与える。従って、音の漏れを音圧周波数特性に反
映させるために、図１に示したように音響機器１０と音
響カプラ２０との間に漏洩路３０を設けている。

【００２１】音響機器１０は、図示していない信号源か
らの信号を音に変換する振動板１５を挟んで第１前方気
室１４と後方気室１６とを備えている。第１前方気室１
４には、第２前方気室１２が並設してあり、これら２つ
の気室は、連通孔１３により連通している。振動板１５
にて放射された音は、第１前方気室１４、連通孔１３、
第２前方気室１２、及び第２前方気室１２に設けられた
小孔１１を通じて音響機器１０の外部へ出力される。ま
た、後方気室１６には、後方孔１７が設けられている。

【００２２】図２は、図１に示した音響機器１０の構造
に対応する音響等価回路を示す回路図である。音響等価
回路では、一般に、気室はコンデンサにより置換され、
音を通過させる孔は、コイル及び抵抗器により置換さ
れ、振動板は、コイル、コンデンサ、及び抵抗器により
置換される。また、マイクロホンの感度は、音響等価回
路の出力インピーダンスとして表される。なお、音響等
価回路における抵抗器の抵抗値Ｒ、コイルのインダクタ
ンスＬ、コンデンサの容量Ｃは、それぞれ、音響抵抗、
音響質量、音響スティフネスを表し、それらの理論式は
次式で表される。

【００２３】

【数１】

【００２４】

【数２】

【００２５】

【数３】

【００２６】ここで、ｔ＝ｈ＋１６ａ／３πであり、ｈ
は孔の長さ、ａは孔の半径を表す。また、Ｓは孔の断面
積、Ｖは気室の体積、ρ₀ は空気の密度、μは空気の粘
性係数、ｃは音速、Ｎは孔の数を表している。

【００２７】図２に示した音響等価回路では、入力電圧
Ｐ_inを有する信号源Ｓに振動板１５を表すコイルＬ₅ 、
抵抗器Ｒ₅ 、及びコンデンサＣ₅ が接続されており、こ
の振動板１５から発せられた音は、連通孔１３を表すコ
イルＬ₃ 及び抵抗器Ｒ₃ 、並びに小孔１１を表すコイル
Ｌ₁ 及び抵抗器Ｒ₁ を通じて音響機器１０の外部に放射
され、音響機器１０の外部に接続された音響カプラ２０
が備えるマイクロホン２１に入力される。マイクロホン
２１の感度は音響等価回路の出力インピーダンスＺ₀ と
して測定される。振動板１５におけるコイルＬ₅ と連通
孔１３における抵抗器Ｒ₃ との間の共通接続節点には、
第１前方気室１４を表すコンデンサＣ₄ が接続されてお
り、連通孔１３におけるコイルＬ₃ と小孔１１における
抵抗器Ｒ₁ との間の共通接続節点には、第２前方気室１
２を表すコンデンサＣ₂ が接続されている。また、漏洩
路３０を表す抵抗器Ｒ_L 及びコイルＬ_L が、マイクロホ
ン２１と小孔１１におけるコイルＬ₁ との間の共通接続
節点に接続されている。また、振動板１５には、後方気
室１６を表すコイルＣ₆ 、並びに後方孔１７を表す抵抗
器Ｒ₇ 及びコイルＬ ₇ が接続されている。

【００２８】このような音響等価回路を用いて音響機器
１０の構造を決定する場合、音響等価回路が有するコイ
ルのインダクタンス、コンデンサの容量、及び抵抗器の
抵抗値、すなわち音響パラメータを様々に変化させて、
出力電圧Ｐ_out から音圧レベルの周波数特性を算出す
る。そして、目標とする音圧周波数特性に近づける音響
パラメータを求めて、設計する音響機器１０の構造に反
映させる。特に、携帯電話機のような小型の音響機器１
０については、漏洩路３０がない場合（密閉時）と漏洩
路３０がある場合（漏洩時）とで音圧周波数特性が変化
しないことが望ましい。そのため、音響等価回路にて、
漏洩路３０を表す抵抗器Ｒ_L 及びコイルＬ _L が有る場合
の音圧周波数特性と、前記抵抗器Ｒ_L 及びコイルＬ_L が
ない場合の音圧周波数特性とを算出し、両者が近付くよ
うに音響パラメータを決定することが行われる。

【００２９】図３は、図２で示された音響等価回路を用
いて音圧周波数特性を算出した結果を示すグラフであ
る。図中の２つの実線は、目標としている音圧周波数特
性であり、２つの実線で挟まれる領域に、設計する音響
等価回路から出力される音圧周波数特性が収まるように
音響パラメータの値を算出する。本実施の形態では、携
帯電話機の規格の一つであるＧＳＭ規格で定められてい
る音圧周波数特性を目標特性としている。図中の点線
は、図２に示した音響等価回路について音響パラメータ
を求め、その音圧周波数特性をプロットしたものであ
る。また、図中の一点鎖線は、前述の音響等価回路にお
いて漏洩路３０を無くした音響等価回路、すなわち、抵
抗器Ｒ_L 及びコイルＬ_L を無くした音響等価回路から求
まる音圧周波数特性をプロットしたものである。図３に
示したグラフによる場合、高周波数帯域では比較的良く
ＧＳＭ規格内に収まっており、しかも漏洩時の音圧周波
数特性が密閉時の音圧周波数特性に追従しているが、低
周波数帯域では、漏洩時の音圧周波数特性が密閉時の音
圧周波数特性に比べて感度が低下してＧＳＭ規格内に収
まっていないことが分かる。

【００３０】本発明では、後述するように音響等価回路
の一部を回路構成が未知のブラックボックスによって置
換え、音響等価回路自体を自由に設計するとともに、低
周波数帯域での音圧周波数特性の改善を求めている。

【００３１】図４は、本発明に係る音響機器１０の設計
方法により求める音響等価回路の回路図である。本発明
の音響機器１０の設計方法では、音響等価回路を自由に
設計するために、音響等価回路の一部を回路構成が未知
のブラックボックスＢ₁ ，Ｂ₂ ，Ｂ₃ により置換えてい
る。そして、これらのブラックボックスＢ₁ ，Ｂ₂ ，Ｂ
₃ 内に小孔、気室、漏洩路等をランダムに発生させて、
その音響等価回路上で音圧周波数特性をシュミレート
し、適切な組合せの回路構成を探索する。図４に示した
音響等価回路では、音響カプラ２０及び漏洩路３０に関
するパラメータ値は固定し、それ以外の音響パラメータ
を設定する。振動板１５に直接的に小孔を配置する構成
は実現不可能であるため、第１前方気室１４及び後方気
室１６は予め設けている。同様に、一般的に受話口と耳
とが接する面には小孔１１が設けてあるので、予め音響
等価回路上で小孔１１を設けている。このような制限を
与えることによって、実現不可能な構造が得られないよ
うにしている。

【００３２】以下、音響等価回路を算出する際に用いる
伝達関数の定義及び計算方法について説明する。伝達関
数Ｈ（Ｘ，ｓ）は入力電圧Ｐ_in（ｓ）に対する出力電圧
Ｐ_out （ｓ）の比をとり、次式によって表される。

【００３３】

【数４】

【００３４】ここで、Ｘは、音響等価回路上の音響パラ
メータ（音響抵抗Ｒ、音響質量Ｌ、音響スティフネス
Ｃ）を構成要素とするシステムパラメータベクトルであ
る。また、伝達関数Ｈ（Ｘ，ｓ）を数式（４）のように
表した場合、音圧周波数特性は、次式によって表され
る。

【００３５】

【数５】

【００３６】数式（４）によって表される伝達関数Ｈ
（Ｘ，ｓ）の計算方法には、ＡＢＣＤ行列を用いた計算
方法を用いることができる。２端子対回路をＡＢＣＤ行
列を用いて表す場合、電圧及び電流の関係式は、

【００３７】

【数６】

【００３８】となる。ここで、Ｖ₁ 及びＩ₁ は入力電圧
及び入力電流、Ｖ₂ 及びＩ₂ は出力電圧及び出力電流で
ある。入力電圧Ｖ₁ に対する出力電圧Ｖ₂ の比は行列要
素Ａの逆数で与えられる。すなわち、数式（４）で表さ
れる伝達関数Ｈ（Ｘ，ｓ）は、行列要素Ａの逆数から算
出することができる。また、インピーダンスＺ_s で表さ
れる素子を直列に一つだけ含む回路では、ＡＢＣＤ行列
は、

【００３９】

【数７】

【００４０】で表され、アドミタンスＹ_p で表される素
子を並列に一つだけ含む回路では、ＡＢＣＤ行列は、

【００４１】

【数８】

【００４２】で表される。このような行列式を用いるこ
とによって、例えば、図２に示したような音響等価回路
をインピーダンスＺ_s 及びアドミタンスＹ_p の縦続接続
で表すことができ、伝達関数Ｈ（Ｘ，ｓ）を行列式の積
で計算することが可能となる。

【００４３】図５は、本発明に係る音響機器１０の設計
装置のブロック図である。音響機器１０の設計装置（以
下、単に設計装置と呼ぶ）は、具体的には、パーソナル
コンピュータ又はワークステーション等である。設計装
置の制御部１は、ＣＰＵで構成されており、バス２を介
して設計装置の後述するハードウェア各部に接続されて
いて、ＲＯＭ３に格納された制御プログラムに従って、
それらを制御する。ＲＡＭ４はＳＲＡＭ又はフラッシュ
メモリ等で構成され、ＲＯＭ３に格納された制御プログ
ラムの実行時に発生するデータを記憶する。ハードディ
スクのような記憶装置からなる記憶部５には、本発明に
係るコンピュータプログラムがインストールされてい
て、該コンピュータプログラムが起動された場合、所定
のコンピュータプログラム部分がＲＡＭ４上に展開さ
れ、処理が実行されることにより、設計装置として動作
する。

【００４４】補助記憶部６は、本発明のコンピュータプ
ログラム及びデータを記録したＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒
体９からコンピュータプログラム及びデータを読取るＣ
Ｄ−ＲＯＭドライブ等からなり、読取られたコンピュー
タプログラム及びデータは、記憶部５に記憶される。入
力部７は、キーボード、マウス等の入力装置からなり、
前述のコンピュータプログラムに従って、動作の指示、
選択操作、各種パラメータ等の入力を行う。表示部８
は、ＣＲＴ又は液晶表示装置等の表示装置からなり、制
御部１によって算出された結果が表示される。

【００４５】本発明に係る設計装置では、入力部７から
求めるべき音響等価回路上の音響パラメータの探索範
囲、設計目標とする音響周波数特性等のデータが入力さ
れ、後述する２種類の遺伝的アルゴリズムにより音響パ
ラメータが算出され、その結果が、表示部８に表示され
ると共に、記憶部５に記憶される。

【００４６】図６は、本発明に係る音響機器１０の設計
装置の処理手順を示したフローチャートである。本発明
により音響機器１０を設計装置するにあたって、まず、
更新回数ｔを０に設定し（ステップＳ１）、各種パラメ
ータの設定を受付ける（ステップＳ２）。受付けるパラ
メータは、ＧＳＭ規格及びその許容範囲、並びに音響パ
ラメータの探索範囲である。これらのパラメータの値は
予め記憶部５に記憶されてあってもよい。そして、遺伝
的アルゴリズム（ＧＡ）を試行することによって、回路
構成と音響パラメータとを算出する（ステップＳ３）。
本発明では、音響機器１０の音響等価回路自体を設計す
るため、回路構成と音響パラメータとを表す２種類の個
体が必要となる。

【００４７】回路構成では、ＡＢＣＤ行列で表したイン
ピーダンス及びアドミタンスが遺伝子を表す。インピー
ダンスには小孔又は振動板を対応させた遺伝子をランダ
ムに発生させ、アドミタンスには気室又は漏洩路を対応
させた遺伝子をランダムに発生させる。また、音響パラ
メータの個体では音響パラメータ値そのものが遺伝子を
表す。このような条件のもとで、回路構成の推定にはＰ
ｆ（Parameter free）ＧＡ、音響パラメータの推定には
Michalewiczの遺伝的プログラムを用いる。

【００４８】回路構成と音響パラメータと算出した後、
更新回数ｔを１だけ増加させ（ステップＳ４）、許容範
囲を更新する（ステップＳ５）。そして、許容範囲がＧ
ＳＭ規格内に収まっているか否かを判断し（ステップＳ
６）、ＧＳＭ規格に収まっていない場合（Ｓ６：Ｎ
Ｏ）、処理をステップＳ３へ戻す。

【００４９】許容範囲がＧＳＭ規格内に収まっている場
合（Ｓ６：ＹＥＳ）、全ての個体がＧＳＭ規格に収まっ
ているか否かを判断する（ステップＳ７）。ＧＳＭ規格
に収まっていない個体がある場合（Ｓ７：ＮＯ）、処理
をステップＳ３へ戻す。また、すべての個体がＧＳＭ規
格に収まっている場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、処理を終了す
る。

【００５０】図７及び図８は、遺伝的アルゴリズム（Ｇ
Ａ）による処理手順を示すフローチャートである。ま
ず、制御部１は、更新回数ｔが０であるか否かを判断す
る（ステップＳ１１）。更新回数ｔが０でない場合（Ｓ
１１：ＮＯ）、後述するステップＳ１５へ処理を進め、
更新回数ｔが０である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、全探索
空間Ｓから一つの音響等価回路を無作為に抽出し（ステ
ップＳ１２）、音響パラメータの値をランダムにｍ個発
生させる（ステップＳ１３）。そして、これらを一つの
グループにして局所集団Ｓ’に追加する（ステップＳ１
４）。

【００５１】次いで、制御部１は、局所集団Ｓ’の中の
グループ数が２以上であるか否かを判断する（ステップ
Ｓ１５）。局所集団Ｓ’の中のグループ数が０又は１で
ある場合（Ｓ１５：ＮＯ）、処理をステップＳ１２へ戻
し、グループ数が２以上である場合（Ｓ１５：ＹＥ
Ｓ）、局所集団Ｓ’から無作為に２グループ（２種類の
音響等価回路）を選出する（ステップＳ１６）。そし
て、選出した２つのグループを親グループＰ₁ ，Ｐ₂ と
する。

【００５２】次いで、親グループＰ₁ ，Ｐ₂ を用いて、
音響等価回路の多点交叉と突然変異とを行い、新たな子
グループＣ₃ ，Ｃ₄ を作成する（ステップＳ１７）。

【００５３】次いで、制御部１は、更新回数ｔが０回で
あるか否かを判断し（ステップＳ１８）、更新回数ｔが
０回でない場合（Ｓ１８：ＮＯ）、親グループＰ₁ ，Ｐ
₂ において淘汰された個体の数ｍ_E だけ新たな個体を発
生させ、各親グループＰ₁ ，Ｐ₂ の個体数をｍに戻す
（ステップＳ１９）。更新回数ｔが０回である場合（Ｓ
１８：ＹＥＳ）、ステップＳ１９の処理は行わず、次の
処理に進む。新たな個体を発生させる際には、選択され
た（ｍ−ｍ_E ）個の個体の中で、前述のMichalewiczの
遺伝的プログラムを用いて、多点交叉及び突然変異を引
き起こす。交叉方法は１／２の確率で２点交叉と全体算
術交叉とを行う。突然変異では、一様突然変異、非一様
突然変異、及び境界突然変異を夫々行う。

【００５４】次いで、親グループＰ₁ ，Ｐ₂ 、及び子グ
ループＣ₃ ，Ｃ₄ に属するｍ×４個の個体に対して前述
した音圧周波数特性Ｇ（Ｘ，ｓ）を算出する（ステップ
Ｓ２０）。そして、算出した音圧周波数特性Ｇ（Ｘ，
ｓ）を用いて、次式により表される評価関数を算出する
（ステップＳ２１）。

【００５５】

【数９】

【００５６】ここで、ｎはシュミレートする全評価周波
数点数であり、Ｇ_t （Ｘ，ｓ）は目標特性、Ｇ_c （Ｘ，
ｓ）は計算特性を表す音圧周波数特性である。

【００５７】そして、親グループＰ₁ ，Ｐ₂ 、及び子グ
ループＣ₃ ，Ｃ₄ の夫々に対し、許容範囲内に収まって
いない個体ｍ_E 個を淘汰する（ステップＳ２２）。

【００５８】次いで、各グループＰ₁ ，Ｐ₂ ，Ｃ₃ ，Ｃ
₄ の中で、残った個体を適応度が高い順に並べ替え、最
も高い適応度を有する個体を抽出する（ステップＳ２
３）。そして、ステップＳ２３にて抽出した個体を比較
して、適応度が高い個体から局所集団Ｓ’に残すグルー
プを選択する（ステップＳ２４）。

【００５９】発明者らは、前述の処理手順に従いシュミ
レーションを行った。音響パラメータの探索範囲として
は、実測に基づいた値を中央値とし、定数（例えば、
６）を乗除した値を上限又は下限として選択した。シュ
ミレーションの回数は、図６に示したフローチャートが
終了するまでを１試行とし、１０試行を行った。１試行
あたりの平均更新回数ｔは２０４０回であった。各試行
において様々な音響等価回路が得られたが、漏洩時と密
閉時との間の評価周波数点数１点あたりの平均誤差は、
実測では５．５２ｄＢであるのに対して、１０試行の平
均誤差は２．４９ｄＢとなり、漏洩時の特性が密閉時の
特性に近付いていることが分かる。

【００６０】図９は、最も平均誤差が少ない音響等価回
路の音圧周波数特性を示すグラフであり、図３と同様
に、横軸には周波数（Ｈｚ）、縦軸には音圧レベル（ｄ
Ｂ）をとり、２つの実線は目標とする音圧周波数特性
（ＧＳＭ規格）を表し、点線が漏洩時の音圧周波数特
性、一点鎖線が密閉時の音圧周波数特性を表している。
図３に示した音圧周波数特性と比較しても、本発明によ
る音響等価回路の設計では両特性がかなり近付いている
ことが分かり、また、低周波帯域での音質の改善が見ら
れることが分かる。

【００６１】図１０は得られた音響等価回路の回路図で
あり、図１１は得られた音響等価回路に対応する音響機
器１０の構造を示す断面図である。図１０を参照した場
合、コイルＬ₅ 、抵抗器Ｒ₅ 、及びコンデンサＣ₅ で表
される振動板１５を挟んでコンデンサＣ₄ で表される第
１前方気室１４、及びコンデンサＣ₆ で表される後方気
室１６を備えていることは、図２に示した音響等価回路
と同様である。また、図４に示したブラックボックスＢ
₂ に対応している回路構成を参照した場合、抵抗器Ｒ₇
及びコイルＬ₇ が接続されていることから、後方気室１
６に後方孔１７が開設されていることが分かる。また、
図２に示した音響等価回路の場合と異なり、信号源Ｓか
ら信号が入力されて振動板１５により発せられた音は、
コンデンサＣ₄ で表される第１前方気室１４、及びコイ
ルＬ₁ 、抵抗器Ｒ₁ で表される小孔１１を通じて音響機
器１０の外部に出力される。更に、コンデンサＣ₄ で表
される第１前方気室１４にコンデンサＣ₈ で表される側
方気室１８が並設されており、第１前方気室１４及び側
方気室１８は、抵抗器Ｒ₉ 及びコイルＬ₉ によって表さ
れる連通孔１９によって連通されている。

【００６２】以上のように、本発明による音響機器の設
計方法にあっては、漏洩の有無に関わらず、設計目標に
近い音圧周波数特性を有する音響等価回路と音響パラメ
ータ値とを得ることが可能である。

【００６３】なお、本実施の形態では、設計する音響機
器として、携帯電話機、ヘッドホン等の比較的小型のも
のを対象としたが、スピーカ等の大型音響機器の設計に
も応用できることは勿論である。

【００６４】

【発明の効果】以上、詳述したように、第１発明、第５
発明、第７発明、及び第８発明による場合は、音響機器
の構造を設計する際に出力目標とする目標特性関数と、
設計すべき音響機器の構造に対する音響等価回路を特徴
付ける回路変数から算出される算出特性関数とを用い
て、設計すべき音響機器の出力特性に関する評価関数を
設定し、評価関数の値が良好となるように回路変数の値
を算出して、音響機器の構造を決定している。したがっ
て、音響等価回路の回路構成を特徴付ける変数を回路変
数に含めることにより、設計する音響機器の音響等価回
路を固定することなく、回路構成自体を自動的に求める
ことができ、専門家ですら思いつくことができないよう
な画期的な構造をもつ音響機器を設計できる可能性を有
している。また、技術者が実際に試行錯誤して音響機器
を試作する必要がなくなるので、開発に要する時間、及
び開発コストを削減することが可能である。

【００６５】第２発明及び第６発明による場合は、音響
等価回路の一部に未知の回路構成を含んでいる。したが
って、設計する音響機器の音響等価回路の一部を未知の
回路により置換えることによって、置換えた回路構成を
自動的に求めることができる。また、自動的に回路構成
を求める際、実現不可能な構造が得られないように制約
を与えることが容易である。

【００６６】第３発明による場合は、評価関数を評価す
る際、遺伝アルゴリズムを利用している。したがって、
例えば、遺伝アルゴリズムとして、Ｐｆ（Parameter fr
ee）遺伝的アルゴリズム及びMichalewiczの遺伝的プロ
グラムを用いることによって、回路変数が多い場合であ
っても、比較的容易に回路変数を求めることが可能であ
る。

【００６７】第４発明による場合は、音圧の周波数特性
について評価関数を設定している。したがって、音響機
器が出力する音の音圧周波数特性について検討すること
ができ、周波数帯域によって評価関数による評価方法を
変えて、速やかに算出結果が得られるようにすることが
可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】音響機器から出力される音の音圧周波数特性を
測定するためのシステムを模式的に示した断面図であ
る。

【図２】図１に示した音響機器の構造に対応する音響等
価回路を示す回路図である。

【図３】図２で示された音響等価回路を用いて音圧周波
数特性を算出した結果を示すグラフである。

【図４】本発明に係る音響機器の設計方法により求める
音響等価回路の回路図である。

【図５】本発明に係る音響機器の設計装置のブロック図
である。

【図６】本発明に係る音響機器の設計装置の処理手順を
示したフローチャートである。

【図７】遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）による処理手順を
示すフローチャートである。

【図８】遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）による処理手順を
示すフローチャートである。

【図９】最も平均誤差が少ない音響等価回路の音圧周波
数特性を示すグラフである。

【図１０】得られた音響等価回路の回路図である。

【図１１】得られた音響等価回路に対応する音響機器の
構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１制御部２バス３ＲＯＭ４ＲＡＭ５記憶部６補助記憶部７入力部８表示部９記録媒体１０音響機器２０音響カプラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｒ 31/00 Ｈ０４Ｒ 31/00 ＺＦターム(参考） 5B046 AA07 JA04 5D017 AD40 BC18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響機器の構造に対する音響等価回路を
用いて前記音響機器の出力に関する特性関数を演算処理
装置により算出し、算出した特性関数が良好となるよう
に前記音響機器の構造を設計する方法において、音響機器の構造を設計する際の出力目標とする目標特性
関数と、設計すべき音響機器の構造に対する音響等価回
路を特徴付ける１又は複数の回路変数から算出される算
出特性関数とを用いることにより、設計すべき音響機器
の出力特性に関する評価関数を前記演算処理装置により
設定し、設定した評価関数の値が可及的に良好となるよ
うに前記回路変数の値を算出し、算出した回路変数の値
に基づき前記音響機器の構造を決定することを特徴とす
る音響機器の設計方法。
【請求項２】前記評価関数を設定する際の音響等価回
路は、回路構成が未知である部分を有することを特徴と
する請求項１に記載の音響機器の設計方法。
【請求項３】前記回路変数を算出する際、遺伝的アル
ゴリズムを用いることを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の音響機器の設計方法。
【請求項４】前記目標特性関数及び前記算出特性関数
は、音響機器が出力する音圧の周波数特性を表す関数で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに
記載の音響機器の設計方法。
【請求項５】音響機器の構造に対する音響等価回路を
用いて前記音響機器の出力に関する特性関数を算出する
手段を備え、算出した特性関数が良好となるように前記
音響機器の構造を設計すべくなしてある音響機器の設計
装置において、音響機器の構造を設計する際の出力目標とする目標特性
関数と、設計すべき音響機器の構造に対する音響等価回
路を特徴付ける１又は複数の回路変数から算出される算
出特性関数とを用いることにより、設計すべき音響機器
の出力特性に関する評価関数を設定する手段と、前記評
価関数の値が可及的に良好となるように前記回路変数の
値を算出する手段とを備え、算出した回路変数の値に基
づき前記音響機器の構造を決定すべくなしてあることを
特徴とする音響機器の設計装置。
【請求項６】前記評価関数を設定する際の音響等価回
路は、回路構成が未知である部分を有することを特徴と
する請求項５に記載の音響機器の設計装置。
【請求項７】コンピュータに、音響機器の構造に対す
る音響等価回路から前記音響機器の出力に関する特性関
数を算出させるステップと、コンピュータに、算出させ
た特性関数が良好となるように前記音響機器の構造を設
計させるステップとを有するコンピュータプログラムに
おいて、コンピュータに、音響機器の構造を設計する際の出力目
標とする目標特性関数と、設計すべき音響機器の構造に
対する音響等価回路を特徴付ける１又は複数の回路変数
から算出される算出特性関数とを用いることにより、設
計すべき音響機器の出力特性に関する評価関数を設定さ
せるステップと、コンピュータに、前記ステップにより
設定させた評価関数の値が可及的に良好となるように前
記回路変数の値を算出させるステップと、コンピュータ
に、算出させた回路変数の値に基づき前記音響機器の構
造を決定させるステップとを有することを特徴とするコ
ンピュータプログラム。
【請求項８】コンピュータに、音響機器の構造に対す
る音響等価回路から前記音響機器の出力に関する特性関
数を算出させるステップと、コンピュータに、算出させ
た特性関数が良好となるように前記音響機器の構造を設
計させるステップとを有するコンピュータプログラムが
記録されているコンピュータでの読取りが可能な記録媒
体において、コンピュータに、音響機器の構造を設計する際の出力目
標とする目標特性関数と、設計すべき音響機器の構造に
対する音響等価回路を特徴付ける１又は複数の回路変数
から算出される算出特性関数とを用いることにより、設
計すべき音響機器の出力特性に関する評価関数を設定さ
せるステップと、コンピュータに、前記ステップにより
設定させた評価関数の値が可及的に良好となるように前
記回路変数の値を算出させるステップと、コンピュータ
に、算出させた回路変数の値に基づき前記音響機器の構
造を決定させるステップとを有するコンピュータプログ
ラムが記録されていることを特徴とするコンピュータで
の読取りが可能な記録媒体。