JP2007081815A - スピーカ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スピーカから発生する非線形歪を精度高く低減することが可能なスピーカ装置を提供することである。
【解決手段】 線形信号生成部１０は、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数のうち線形成分の伝達関数に基づく線形信号を模擬的に生成して、加算器１２に出力する。センサ１６は、スピーカ１５の振動もしくは音響出力を検出して加算器１２に検出信号を出力する。加算器１２は、センサ１６の検出信号から上記線形信号を減算し、当該減算した信号を誤差信号として出力する。加算器１２から出力される誤差信号は、フィードバック制御フィルタ１３を介して加算器１１に出力され、加算器１１において入力音響信号に対してネガティブフィードバックされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スピーカ装置に関し、より特定的には、スピーカから発生する歪を低減するスピーカ装置に関する。

従来、スピーカで電気信号を音響出力に変換する過程において、そのスピーカの機構的な制約により非線形歪が生じるため、入力される電気信号の周波数によって音響出力レベルに差が生じる。つまり、当該音響出力レベルの周波数特性が平坦にならないという課題があった。そこで、この課題を解決するため、当該課題に起因する非線形歪を低減するスピーカ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１０は、上記非線形歪を低減する従来のスピーカ装置の構成を示すブロック図である。

図１０に示す従来のスピーカ装置は、インピーダンス等価器９１、加算器９２および９３、切替器９４および９５、測定信号発生器９６、増幅器９７、スピーカ９８、抵抗器９９、測定記憶部１００、および制御部１０１を備える。図１０において、まずスピーカ９８のインピーダンスが測定される。測定時において、切替器９４は測定信号発生器９６から出力される測定信号が増幅器９７に入力するように切り替えられる。そして、測定信号が増幅器９７を介してスピーカ９８に入力される。このとき、スピーカ９８を流れる駆動電流が抵抗器９９の端子電圧として検出される。また、切替器９５はスピーカ９８に入力される信号が測定記億部１００に入力するように切り替えられる。測定記憶部１００は、検出された駆動電流をもとにスピーカ９８のインピーダンスを測定し、当該測定値を記憶する。制御部１０１は、インピーダンス等価器９１が測定記憶部１００に記憶されたインピーダンスと同様の特性を表現するように、制御信号をインピーダンス等価器９１に出力する。次に、音響信号が入力されるスピーカ９８の動作時（切替器９４および９５が図示する状態の時）において、インピーダンス等価器９１は測定時に設定されたインピーダンス特性を用いて、入力される音響信号からスピーカ９８の駆動電流の線形成分を出力する。そして、加算器９３において非線形歪を含むスピーカ９８の駆動電流からインピーダンス等価器９１において処理された線形成分の駆動電流が減算され、当該減算された信号が加算器９２にフィードバックされる。これにより、スピーカ９８の駆動電流に含まれる非線形成分を除去してスピーカ９８から発生する非線形歪を低減している。

また、図１１に示すように、上記課題の解決を含め、スピーカ９８の周波数特性を目標とする特性に補正するスピーカ装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１１は、周波数特性を目標とする特性に補正する従来のスピーカ装置の構成を示すブロック図である。

図１１に示す従来のスピーカ装置は、目標特性フィルタ１０２、イコライザ１０３、加算器１０４、増幅器９７、スピーカ９８、およびマイク１０５を備える。図１１において、音響信号がイコライザ１０３および目標特性フィルタ１０２にそれぞれ入力される。目標特性フィルタ１０２には、スピーカ９８の周波数特性の補正目標となる特性（以下、目標特性とする）を実現するようなデジタルフィルタ係数が設定される。加算器１０４は、目標特性フィルタ１０２で処理された信号からマイク１０５の出力信号を減算し、当該減算した信号を誤差信号としてイコライザ１０３に出力する。イコライザ１０３は、当該誤差信号の値の２乗平均値が最小となるように、内部のフィルタの振幅および位相の周波数特性を自己調整する。つまり、イコライザ１０３は、いわゆる最小平均２乗誤差法を達成する構成となっている。イコライザ１０３は、スピーカ９８から出力される音響出力の周波数特性が目標特性フィルタ１０２において設定された目標特性となるように、入力される音響信号を処理する。

ここで、図１２および図１３を用いて、図１１に示す従来のスピーカ装置における補正結果の一例を示す。図１２は、補正処理前のスピーカ９８の振幅周波数特性を示す図である。一方、図１３は、補正処理後のスピーカ９８の振幅周波数特性を示す図である。なお、図１３に示す振幅周波数特性は、目標特性フィルタ１０２で設定された目標特性の伝達関数を“１”とした場合の特性を示す。これらの振幅周波数特性を比較すると、補正を行うことによって複雑な起伏が平坦化されていることがわかる。このように、図１１に示す従来のスピーカ装置は、スピーカ９８から出力される音響出力の周波数特性が目標とする特性となるように自動補正している。
特開昭６２−８７０００号公報 特許第２５３０４７４号公報

しかしながら、まず図１０に示す従来のスピーカ装置では、検出するスピーカ９８の駆動電流が微弱であり、また検出に用いる抵抗器９９が熱変動するので、ＳＮが高い駆動電流を検出することが困難である。また、スピーカ９８の駆動電流を検出することで、振動板がピストニックに振動する周波数帯域では空気歪を検出できるが、分割振動をする中高域では空気歪の検出精度が低下する。また、インピーダンス等価器９１は、アナログ回路で構成されるためにインピーダンスを精度高くモデル化することが困難であり、その結果、加算器９３において非線形成分の駆動電流のみを誤差信号として抽出することが困難となる。これらの理由により、図１０に示す従来のスピーカ装置では、非線形歪低減処理を精度良く行うことができず、十分な低減効果が得られないという問題がある。さらに、図１０に示す従来のスピーカ装置では、誤差信号を直接加算器９２に入力しているので、理論的に最大「−６ｄＢ」の低減効果しか得られないという問題もあった。

また、図１１に示す従来のスピーカ装置では、目標とする特性に補正する結果、特に低域の周波数帯域において出力レベルを増大させた場合には、スピーカ９８が過負荷状態となる。そして、当該過負荷が原因となって補正に起因する非線形歪が発生してしまうという問題があった。とりわけ、この非線形歪によって、スピーカ９８の１次共振周波数付近の周波数での音質劣化が顕著になる。このように、図１１に示す従来のスピーカ装置では、目標とする特性に自由に補正することができないという問題があった。

それ故、本発明の主たる目的は、スピーカから発生する非線形歪を精度高く低減することが可能なスピーカ装置を提供することである。本発明の従たる目的は、スピーカから発生する非線形歪を精度良く低減しつつ、スピーカの音響出力の周波数特性を目標の特性に補正することが可能なスピーカ装置を提供することである。

第１の発明は、スピーカ装置であって、スピーカと、スピーカの振動もしくは音響出力を検出するセンサと、入力音響信号を入力とし、スピーカに出力する加算器と、入力音響信号を入力とし、所定の処理係数に基づいてセンサの検出信号に含まれる線形成分と同じ信号を生成する信号生成部と、センサの検出信号と信号生成部の生成信号との誤差を検出する誤差検出部と、誤差検出部において検出された誤差の信号のゲインおよび／または位相を制御して、加算器に出力する制御部とを備える。

第２の発明は、上記第１の発明において、スピーカの音響出力の周波数特性が所定の周波数特性となるように加算器の出力信号を所定のフィルタ係数に基づいて補正して、スピーカに出力する第１の補正フィルタと、第１の補正フィルタと同じフィルタ係数に基づいて入力音響信号を補正して、信号生成部に出力する第２の補正フィルタとをさらに備える。

第３の発明は、上記第２の発明において、加算器の出力信号およびセンサの検出信号を用いてフィルタ係数を所定時間間隔で算出し、第１および第２の補正フィルタのフィルタ係数が当該算出したフィルタ係数となるように、当該第１および第２の補正フィルタのフィルタ係数を更新する適応更新部をさらに備える。

第４の発明は、上記第２の発明において、第１の補正フィルタの出力信号およびセンサの検出信号を用いて第１の補正フィルタの出力からセンサの出力までの伝達関数の線形成分を表す処理係数を所定時間間隔で算出し、信号生成部の処理係数が当該算出した処理係数となるように、当該信号生成部の処理係数を更新する同定更新部をさらに備える。

第５の発明は、上記第１の発明において、加算器の出力信号およびセンサの検出信号を用いて加算器の出力からセンサの出力までの伝達関数の線形成分を表す処理係数を所定時間間隔で算出し、信号生成部の処理係数が当該算出した処理係数となるように、当該信号生成部の処理係数を更新する同定更新部をさらに備える。

第６の発明は、上記第１の発明において、信号生成部がデジタルフィルタで構成されることを特徴とするものである。

上記第１の発明によれば、スピーカから非線形歪が発生した場合に、検出信号には当該非線形歪に起因する非線形成分の信号が検出され、誤差の信号は当該非線形成分のみが含まれる信号となる。そして、当該誤差の信号が加算器に入力されることで、スピーカから発生する非線形歪を精度高く低減することができる。また、本発明によれば、誤差の信号には線形成分の信号が含まれないので、スピーカから出力される線形成分の周波数特性を変化させることなく、非線形歪を低減することができる。

上記第２の発明によれば、スピーカから発生する非線形歪を低減しつつ、スピーカの音響出力の周波数特性を所定の周波数特性に補正することができる。

上記第３の発明によれば、加算器の出力からセンサの出力までの伝達関数が変化しても、スピーカの音響出力の周波数特性を所定の周波数特性に自動補正することができる。

上記第４の発明によれば、第１の補正フィルタの出力からセンサの出力までの伝達関数が変化しても、信号生成部において、当該変化に対応した検出信号の線形成分と同じ信号を生成することができる。その結果、上記変化に対応した精度高い非線形歪の低減処理を行うことができる。

上記第５の発明によれば、加算器の出力からセンサの出力までの伝達関数が変化しても、信号生成部において、当該変化に対応した検出信号の線形成分と同じ信号を生成することができる。その結果、上記変化に対応した精度高い非線形歪の低減処理を行うことができる。

上記第６の発明によれば、信号生成部において、検出信号に含まれる線形成分と同じ信号を精度良く生成することができる。

（第１の実施形態）
図１を参照して、本発明における第１の実施形態に係るスピーカ装置１について説明する。図１は、第１の実施形態に係るスピーカ装置１の構成を示すブロック図である。図１において、スピーカ装置１は、線形信号生成部１０、加算器１１および１２、フィードバック制御フィルタ１３、増幅器１４、スピーカ１５、およびセンサ１６を備える。

図１において、音楽などの音響信号が線形信号生成部１０および加算器１１にそれぞれ入力される。線形信号生成部１０には、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数のうち線形成分の伝達関数を模擬するようなフィルタ係数が設定されている。そして、線形信号生成部１０は、入力される音響信号（以下、入力音響信号とする）から上記線形成分の伝達関数に基づく音響信号（以下、線形信号ｘ（ｔ）とする）を模擬的に生成する。つまり、線形信号生成部１０は、後述するセンサ１６で検出された検出信号ｙ（ｔ）に含まれる線形成分と同じ信号を生成する。なお、ここでは線形信号生成部１０がデジタルフィルタで構成されるとする。これにより、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの線形成分の伝達関数を精度高くモデル化することができる。生成された線形信号ｘ（ｔ）は、加算器１２に出力される。

ここで、線形信号生成部１０のフィルタ係数の設定方法について説明する。スピーカ１５の線形動作範囲において、例えば増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までのインパルス応答を測定し、その応答値を時間軸に沿って離散化して、有限インパルス応答型（ＦＩＲ）フィルタの係数として設定する方法がある。ただし、スピーカ１５で電気信号を音響出力に変換する過程においては、一般的に電気信号レベルが大きいほど非線形歪が大きくなる。つまり、スピーカ１５が線形動作せず、スピーカ１５の出力および上記測定値には線形成分とともに非線形成分が含まれてしまう。したがって、インパルス応答を測定する際には、スピーカ１５の出力に含まれる非線形歪成分が十分小さくなるようにインパルス信号のレベルを小さくして測定する。

センサ１６は、スピーカ１５の振動板付近に設置され、スピーカ１５の振動もしくは音響出力を検出する。センサ１６としては、例えばマイク、加速度センサ、速度センサ、または変位センサなどが挙げられる。例えばセンサ１６としてマイクを用いた場合には、スピーカ１５の音圧が検出される。センサ１６において検出された検出信号ｙ（ｔ）は、加算器１２に出力される。

加算器１２は、センサ１６の検出信号ｙ（ｔ）から上記線形信号ｘ（ｔ）を減算し、当該減算した信号（以下、誤差信号ｅ１（ｔ）とする）をフィードバック制御フィルタ１３に出力する。このように、本発明において加算器１２は、検出信号ｙ（ｔ）と線形信号ｘ（ｔ）との誤差を検出する誤差検出器としての役割を果たす。

ここで、図２を参照して、例えば正弦波の電気信号が入力された場合における誤差信号ｅ１（ｔ）について考える。図２は、スピーカ装置１に正弦波の電気信号を入力した場合における検出信号ｙ（ｔ）、線形信号ｘ（ｔ）、および誤差信号ｅ１（ｔ）の波形をそれぞれ模式的に示した図である。今、スピーカ１５の出力において、非線形歪が発生しているとする。このとき、センサ１６においては当該非線形歪の成分（以下、非線形成分とする）を含む信号が検出される。図２に示す検出信号ｙ（ｔ）では、波形がクリップしている部分が非線形成分に相当する部分である。上述したように線形信号生成部１０には、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数のうち線形成分の伝達関数を模擬するようなフィルタ係数が設定されている。これにより、線形信号生成部１０で生成された線形信号ｘ（ｔ）は、検出信号ｙ（ｔ）のうち線形成分のみの信号であり、検出信号ｙ（ｔ）の波形をクリップしない形にした波形となる。したがって、加算器１２から出力される誤差信号ｅ１（ｔ）は、線形信号ｘ（ｔ）から検出信号ｙ（ｔ）を減算した信号であるので、図２に示すような検出信号ｙ（ｔ）の非線形成分のみを含む信号となる。すなわち、誤差信号ｅ１（ｔ）は、スピーカ１５の出力における非線形成分のみを含む信号となる。

フィードバック制御フィルタ１３は、例えばデジタルフィルタで構成され、入力される誤差信号ｅ１（ｔ）のゲインや位相の調整を行うためのフィルタ係数が設定されている。加算器１２から出力される誤差信号ｅ１（ｔ）は、フィードバック制御フィルタ１３において適宜ゲインや位相が調整された後、加算器１１に出力される。このようにフィードバック制御フィルタ１３を備えることで、誤差信号ｅ１（ｔ）のゲインや位相を調整して、センサ１６の検出信号ｙ（ｔ）の非線形成分の大幅な低減量および、より精度の高い低減を実現することができる。

加算器１１は、入力音響信号からフィードバック制御フィルタ１３で調整された誤差信号ｅ１（ｔ）を減算して、当該減算した信号を増幅器１４に出力する。つまり、加算器１１において、誤差信号ｅ１（ｔ）が入力音響信号に対してネガティブフィードバックされる。スピーカ１５の出力における非線形成分のみを含む誤差信号ｅ１（ｔ）がネガティブフィードバックされることで、スピーカ１５の出力における非線形成分を低減することができる。非線形成分が減算された加算器１１の出力信号は、増幅器１４において適宜増幅されて、スピーカ１５に入力される。その結果、スピーカ１５において非線形歪が低減した音響出力が得られる。

なお、このような加算器１１〜増幅器１４〜スピーカ１５〜センサ１６〜加算器１２〜フィードバック制御フィルタ１３〜加算器１１で構成されるフィードバックループの安定性と、非線形成分の低減量とはトレードオフの関係にあり、それらはフィードバック制御フィルタ１３のゲイン、位相特性によって増減する。したがって、両者を満足するようなゲイン、位相をフィードバック制御フィルタ１３に適切に設定する。

以上のように、本実施形態によれば、線形信号生成部１０において検出信号ｙ（ｔ）の線形成分の信号を生成して、検出信号ｙ（ｔ）の非線形成分のみを含む誤差信号ｅ１（ｔ）をフィードバックさせることで、スピーカ１５から出力される非線形歪を精度良く低減することができる。また、センサ１６においてスピーカの振動を検出して、その検出信号を用いて上述したフィードバック処理を行っている。これにより、検出信号ｙ（ｔ）のＳＮを高くすることができ、また中高域における空気歪を精度良く検出することができる。また、フィードバックさせる誤差信号ｅ１（ｔ）には線形成分の信号が含まれないので、フィードバック処理では、スピーカ１５から出力される線形成分の周波数特性を変化させることなく、非線形歪を低減することができる。このように、本実施形態によれば、加算器１１〜増幅器１４〜スピーカ１５〜センサ１６〜加算器１２〜フィードバック制御フィルタ１３〜加算器１１で構成されるフィードバックループを設けることによって、スピーカ１５から出力される非線形歪を精度高く、より効果的に低減することができる。

なお、上述した線形信号生成部１０においては、予め増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの線形成分の伝達関数を同定して、当該伝達関数を模擬するようなフィルタ係数を設定する必要があった。しかし、スピーカ１５の設置状態やスピーカ１５の温度変化によって、上記伝達関数が変化する場合がある。そこで、さらに上記伝達関数の変化に対応したフィルタ係数を設定する方法を採用してもよい。この場合、図３に示すように、スピーカ装置１は、切替器１７、測定信号発生器１８、および伝達関数算出部１９をさらに備える。図３は、伝達関数の同定精度を向上させる構成を示すブロック図である。切替器１７は、増幅器１４に出力する信号を加算器１１からの出力にするか、測定信号発生器１８からの測定信号にするか切り替えるものである。測定信号発生器１８は、例えば上述したインパルス信号や正弦波のスイープ信号等の測定信号を発生させる発振器である。伝達関数算出部１９は、測定信号発生器１８から入力される測定信号とセンサ１６から入力される検出信号とに基づいて、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数を算出する。ただし、上述したように、スピーカ１５で電気信号を音響出力に変換する過程においては、一般的に電気信号レベルが大きいほど非線形歪が大きくなる。したがって、測定信号発生器１８においては、スピーカ１５の出力に含まれる非線形歪成分が十分小さくなるように、つまり、伝達関数算出部１９で線形成分の伝達関数が算出されるように、測定信号のレベルを小さく設定する必要がある。

そして、オーディオ再生等でスピーカ装置を使用する通常時には、切替器１７は加算器１１からの出力信号を出力する。スピーカ１５の設置環境などが変わった場合には、切替器１７の入力を測定信号発生器１８の測定信号とし、伝達関数算出部１９が増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数を算出する。当該伝達関数の情報は線形信号生成部１０に出力され、線形信号生成部１０のフィルタ係数として設定される。オーディオ等の信号を再生する場合には、再び切替器１７の入力を加算器１１の出力に切り替える。以上の動作により、スピーカ１５の設置環境の影響を受けることなく、高い精度の線形成分の伝達関数を線形信号生成部１０に設定することができる。

（第２の実施形態）
図４を参照して、本発明における第２の実施形態に係るスピーカ装置２について説明する。図４は、第２の実施形態に係るスピーカ装置２の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るスピーカ装置２は、第１の実施形態で説明した非線形歪の低減処理と、スピーカから出力される線形成分の周波数特性の補正処理とを同時に行うスピーカ装置である。この補正処理を実現するため、スピーカ装置２は、第１の実施形態に対して、さらに適応フィルタ２０ａおよび２０ｂ、係数更新部２１、参照信号生成部２２、目標特性フィルタ２３、および加算器２４を備える。なお、図４において、線形信号生成部１０、加算器１１および１２、フィードバック制御フィルタ１３、増幅器１４、スピーカ１５、およびセンサ１６は、上述した第１の実施形態の各構成と同様の機能を有し、同一の符号を付して説明を省略する。

まず、スピーカから出力される線形成分の周波数特性の補正処理について説明する。音楽などの音響信号が加算器１１を経て、適応フィルタ２０ａ、参照信号生成部２２、目標特性フィルタ２３にそれぞれ入力される。

参照信号生成部２２には、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数を模擬するようなフィルタ係数が設定される。当該フィルタ係数は、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの線形成分の伝達関数を模擬するものであってもよいし、全ての成分（線形成分および非線形成分）の伝達関数を模擬するフィルタ係数であってもよい。そして、参照信号生成部２２は、設定されたフィルタ係数に基づいて加算器１１から入力される信号を処理し、係数更新部２１へ出力する。なお、参照信号生成部２２で処理された信号は、スピーカ１５の伝達関数に基づく信号であり、後述する係数更新部２１でのフィルタードＸ−ＬＭＳアルゴリズムの参照信号としての役割を果たす。

目標特性フィルタ２３には、スピーカ１５の出力において実現したい目標特性を模擬するようなフィルタ係数が設定される。例えば図５に示すように、スピーカ１５の１次共振周波数ｆ０より高い周波数では周波数特性が平坦となるような特性を目標特性とする場合には、ハイパスフィルタを実現するＩＩＲフィルタを目標特性フィルタ２３として設計すればよい。図５は、目標特性の一例を示す図である。目標特性フィルタ２３は、設定されたフィルタ係数に基づいて加算器１１から入力される信号を処理し、加算器２４に出力する。加算器２４は、目標特性フィルタ２３から出力された信号からセンサ１６の検出信号ｙ（ｔ）を減算し、当該減算した信号（以下、誤差信号ｅ２（ｔ）とする）を係数更新部２１に出力する。

係数更新部２１は、参照信号生成部２２および加算器２４の出力に基づいて、誤差信号ｅ２（ｔ）が小さくなるようにフィルタ係数を所定時間間隔で算出する。なお、係数更新部２１は、公知のフィルタードＸ―ＬＭＳアルゴリズムを用いてフィルタ係数を所定時間間隔で算出する。そして、係数更新部２１は、適応フィルタ２０ａおよび２０ｂのフィルタ係数を上記算出したフィルタ係数に更新する。更新する時間間隔は、例えばフィルタ係数が算出される所定時間間隔と同じ間隔とする。

以下、係数更新部２１における処理について具体的に説明する。係数更新部２１は、参照信号生成部２２で生成された信号をフィルタードＸ−ＬＭＳアルゴリズムの参照信号として入力する。参照信号生成部２２で処理された信号がスピーカ１５の伝達関数に基づく信号だからである。係数更新部２１は、加算器２４から出力される誤差信号ｅ２（ｔ）が最小となるように、フィルタードＸ―ＬＭＳアルゴリズムを用いてフィルタ係数を算出する。

ここで、上記フィルタードＸ−ＬＭＳアルゴリズムは例えば「音響システムとディジタル処理」（大賀寿郎 他、（社）電子情報通信学会、平成７年３月発行）に開示されている公知のアルゴリズムであり、具体的には次式（１）で表現される。
ｗ（ｋ＋１）＝ｗ（ｋ）＋２μ＊ｅ２（ｋ）＊ｘ（ｋ） …（１）
なお、式（１）において、ｋは、所定時間間隔を示すサンプリング時刻を時系列上に並べたときの各サンプリング時刻の番号である。また、ｗ（ｋ）はサンプリング時刻ｋにおける適応フィルタ２０ａおよび２０ｂのフィルタ係数ベクトル、μは適応更新量を規定するパラメータ、ｅ２（ｋ）は加算器２４から入力されるサンプリング時刻ｋにおける誤差信号、ｘ（ｋ）は参照信号生成部２２から入力されるサンプリング時刻ｋにおける参照信号ベクトルである。上式（１）から、フィルタ係数ベクトルｗは、サンプリング時刻毎に算出されることがわかる。

適応フィルタ２０ａは、係数更新部２１によって更新されたフィルタ係数に基づいて、加算器１１から出力される信号を処理する。また、係数更新部２１によって更新されたフィルタ係数は、上述したように加算器２４から出力される誤差信号ｅ２（ｔ）が最小となるときの係数である。したがって、適応フィルタ２０ａの入力からセンサ１６の出力までの伝達関数は、目標特性フィルタ２３で設定される目標特性（例えば図５参照）の伝達関数に補正される。

このように、本発明において、係数更新部２１、参照信号生成部２２、目標特性フィルタ２３、および加算器２４は、適応フィルタ２０ａおよび２０ｂのフィルタ係数を適応的に更新する適応更新部としての役割を果たすものである。そして、この適応更新部は、加算器１１の出力からセンサ１６の出力までの伝達関数が変化しても、適応フィルタ２０ａおよび２０ｂのフィルタ係数を適応的に更新して、スピーカ１５の音響出力特性を目標特性フィルタ２３に設定された目標特性に自動補正することができる。

次に、非線形歪の低減処理について説明する。図４において、音楽などの音響信号が適応フィルタ２０ｂおよび加算器１１にそれぞれ入力される。適応フィルタ２０ｂは、適応フィルタ２０ａと同一のフィルタであり、適応フィルタ２０ｂには係数更新部２１によって適応フィルタ２０ａと同じフィルタ係数が設定される。適応フィルタ２０ｂにおいて処理された信号は、線形信号生成部１０に出力される。以下、加算器１１〜増幅器１４〜スピーカ１５〜センサ１６〜加算器１２〜フィードバック制御フィルタ１３〜加算器１１で構成されるフィードバックループによる非線形歪の低減処理は、上述した第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

ここで、適応フィルタ２０ｂの役割について説明する。線形信号生成部１０において生成される線形信号ｘ（ｔ）は、上述したようにセンサ１６で検出される検出信号ｙ（ｔ）の線形成分と同じ信号となる必要がある。また本実施形態では、増幅器１４の前段に適応フィルタ２０ａを設けている。したがって、この適応フィルタ２０ａによる伝達関数の変動分を考慮すべく、適応フィルタ２０ａと同じフィルタ係数が設定された適応フィルタ２０ｂを線形信号生成部１０の前段に設けている。これにより、線形信号ｘ（ｔ）と検出信号ｅ１（ｔ）の線形成分とを同一にすることができ、精度の高い非線形歪の低減を図ることができる。

また、図６および図７を参照して、本実施形態に係るスピーカ装置２の処理効果を説明する。図６は、スピーカ１５の振動板加速度をセンサ１６の検出信号を通して加算器１１にフィードバックしない場合（非線形歪の低減処理を行わない時）のスピーカ１５から出力される線形成分、２次非線形成分、および３次非線形成分の計算結果を示す図である。図７は、スピーカ１５の振動板加速度をセンサ１６の検出信号を通して加算器１１にフィードバックした場合（非線形歪の低減処理を行った時）のスピーカ１５から出力される線形成分、２次非線形成分、および３次非線形成分の計算結果を示す図である。なお、図６および図７では、計算の周波数範囲を２０〜２００［Ｈｚ］とし、フィードバック制御フィルタ１３の伝達関数を１としている。図６および図７から明らかなように、上述した非線形歪の低減処理を行っても、線形成分の周波数特性は変化しない。これは、誤差信号ｅ１（ｔ）がセンサ１６の検出信号ｙ（ｔ）の非線形成分のみの信号であり、検出信号ｙ（ｔ）の線形成分を含ないためである。また、図７から明らかなように、上述した非線形歪の低減処理を行えば、２次、３次の非線形成分は大幅に低減することが確認できる。つまり、上述したフィードバックループによる非線形歪の低減処理によって、適応フィルタ２０ａによる線形成分の周波数特性の補正効果を損なうことなく、かつ精度の高い非線形歪の低減を図ることができる。

以上のように、本実施形態に係るスピーカ装置２によれば、精度の高く非線形歪を低減しつつ、スピーカから出力される線形成分の周波数特性を所望する特性に補正することができる。

なお、図４に示す線形信号生成部１０および参照信号生成部２２においては、予め増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数を同定して、当該伝達関数を模擬するようなフィルタ係数をそれぞれ設定する必要があった。しかし、スピーカ１５の設置状態やスピーカ１５の温度変化によって、上記伝達関数が変化する場合がある。そこで、上述した第１の実施形態と同様に、図８に示すにような構成によって、上記伝達関数の同定精度を向上させてもよい。図８は、スピーカ装置２における伝達関数の同定精度を向上させる構成を示すブロック図である。この場合、図８に示すように、スピーカ装置２は、切替器１７、測定信号発生器１８、および伝達関数算出部１９をさらに備える。切替器１７は、増幅器１４に出力する信号を適応フィルタ２０ａからの出力にするか、測定信号発生器１８からの測定信号にするか切り替えるものである。測定信号発生器１８は、例えば上述したインパルス信号や正弦波のスイープ信号等の測定信号を発生させる発振器である。伝達関数算出部１９は、測定信号発生器１８から入力される測定信号とセンサ１６から入力される検出信号とに基づいて、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数を算出する。ただし、上述した第１の実施形態と同様に、スピーカ１５で電気信号を音響出力に変換する過程においては、一般的に電気信号レベルが大きいほど非線形歪が大きくなる。したがって、測定信号発生器１８においては、スピーカ１５の出力に含まれる非線形歪成分が十分小さくなるように、測定信号のレベルを小さく設定する。

オーディオ再生等でスピーカ装置を使用する通常時には、切替器１７は適応フィルタ２０ａからの出力信号を出力する。スピーカ１５の設置環境などが変わった場合には、切替器１７の入力を測定信号発生器１８の測定信号とし、伝達関数算出部１９が増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数を算出する。当該伝達関数の情報は線形信号生成部１０および参照信号生成部２２に出力され、線形信号生成部１０および参照信号生成部２２のフィルタ係数としてそれぞれ設定される。オーディオ等の信号を再生する場合には、再び切替器１７の入力を加算器１１の出力に切り替える。以上の動作により、スピーカ１５の設置環境の影響を受けることなく、高い精度の線形成分の伝達関数を線形信号生成部１０および参照信号生成部２２に設定することができる。

また、図４に示すスピーカ装置２では、スピーカ１５から出力される線形成分の周波数特性の補正を適応フィルタ２０ａを用いて行っているが、これに限定されない。例えばフィルタ係数を固定のフィルタとし、アナログ回路で構成してもよい。これにより、適応フィルタ２０ａのフィルタ係数を更新するための係数更新部２１、参照信号生成部２２、目標特性フィルタ２３、および加算器２４を省略することができる。なお、この場合、線形信号生成部１０で生成される線形信号とセンサ１６で検出される検出信号の線形成分とを同一にするために、適応フィルタ２０ｂも適応フィルタ２０ａと同じフィルタ係数で固定したフィルタにする必要がある。また上記フィルタ係数の固定化により、加算器１１および１２もアナログ回路で構成することができる。

（第３の実施形態）
図９を参照して、本発明における第３の実施形態に係るスピーカ装置３について説明する。図９は、第３の実施形態に係るスピーカ装置３の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るスピーカ装置３は、上述したスピーカ装置１および２において、常に精度高く同定された伝達関数に基づく処理を実現するスピーカ装置である。図９では、スピーカ装置３として、上述したスピーカ装置２において常に精度高く同定された伝達関数に基づく処理を実現した装置を示す。図９において、スピーカ装置３は、スピーカ装置２に対して新たに適応同定部３０、係数更新部３１、および加算器３２を備える。以下、適応同定部３０、係数更新部３１、および加算器３２を中心に説明する。

図９において、適応フィルタ２０ａで処理された音楽信号などの入力音響信号が増幅器１４に入力されると共に、適応同定部３０および係数更新部３１にそれぞれ入力される。適応同定部３０で処理された信号は、加算器３２に入力される。加算器３２は、適応同定部３０で処理された信号からセンサ１６の検出信号ｙ（ｔ）を減算して、当該減算した信号（以下、誤差信号ｅ３（ｔ）とする）を係数更新部３１に出力する。

係数更新部３１は、適応フィルタ２０ａから入力される信号を参照信号として、公知の適応アルゴリズム（例えば、上述したフィルタードＸ−ＬＭＳアルゴリズムなど）に基づき上記誤差信号ｅ３（ｔ）が最小となるようなフィルタ係数を所定時間間隔で算出する。そして、係数更新部３１は、算出したフィルタ係数を適応同定部３０のフィルタ係数として所定時間間隔で更新する。つまり、係数更新部３１に入力される誤差信号ｅ３（ｔ）が十分小さくなったとき、適応同定部３０のフィルタ係数は、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの線形成分の伝達関数を模擬的に表すものとなる。線形信号生成部１０および参照信号生成部２２のフィルタ係数は、適応同定部３０で同定されたフィルタ係数となるように更新される。

このように、本発明において、適応同定部３０、係数更新部３１、および加算器３２は、線形信号生成部１０および参照信号生成部２２のフィルタ係数を適応的に同定して更新する同定更新部としての役割を果たすものである。そして、この同定更新部は、増幅器１４の入力からセンサ１６の出力までの伝達関数が変化しても、線形信号生成部１０および参照信号生成部２２のフィルタ係数を適応的に更新する。これにより、線形信号生成部１０および参照信号生成部２２は、常に精度の高い信号を生成することができる。

なお、線形信号生成部１０には、上述したように線形成分の伝達関数を模擬するようなフィルタ係数が設定される必要がある。しかしながら、入力音響信号の大きさによって、センサ１６の検出信号ｙ（ｔ）に非線形成分が含まれる場合がある。このとき、上記誤差信号ｅ３（ｔ）にも非線形成分が含まれる。そして、適応同定部３０では、この非線形成分を含む誤差信号ｅ３（ｔ）に基づいた伝達関数が同定される。これにより、適応同定部３０において同定されたフィルタ係数は、実際の伝達関数の線形成分より若干のレベル差ΔＨをもつ線形成分の伝達関数を模擬するものとなってしまう。その結果、線形信号生成部１０に当該フィルタ係数が設定されると、線形信号生成部１０で生成される線形信号は、センサ１６の検出信号の線形成分に対し、レベル差ΔＨだけレベルが高い信号となる。そして、誤差信号ｅ１（ｔ）には、このレベル差ΔＨ分の線形成分が含まれることとなる。これにより、フィードバックループの信号のゲインが大きくなり、適応フィルタ２０ａによって補正されたスピーカ１５から出力される線形成分の周波数特性が変化してしまう。

しかしながら、上記レベル差ΔＨは、スピーカ１５からの出力レベルに比べ、微少なレベルである。それに伴い、上記周波数特性の変化も微々たるものとなり、聴感上大きな問題とはならない。したがって、適応同定部３０で同定された伝達関数を示すフィルタ係数を線形信号生成部１０のフィルタ係数として代用しても、本実施形態に係るスピーカ装置３は、一定の非線形歪の低減効果を発揮することができる。

また、上述ではスピーカ装置３として、スピーカ装置２において常に精度高く同定された伝達関数に基づく処理を実現する装置を示したが、スピーカ装置１において適用する装置であってもかまわない。

以上のように、本実施形態に係るスピーカ装置３によれば、適応同定部３０、係数更新部３１、および加算器３２を設けることで、常に精度高く同定された伝達関数に基づいた処理を行うことができる。すなわち、スピーカ１５の設置環境の変化に影響を受けることなく、常に精度の高い、非線形歪の低減効果、およびスピーカ１５の周波数特性の補正効果を得ることができる。

本発明に係るスピーカ装置は、スピーカから発生する非線形歪を精度高く低減することが可能なスピーカ装置やオーディオ機器などにも適用される。

第１の実施形態に係るスピーカ装置１の構成を示すブロック図 スピーカ装置１に正弦波の電気信号を入力した場合における検出信号ｙ（ｔ）、線形信号ｘ（ｔ）、および誤差信号ｅ１（ｔ）の波形をそれぞれ模式的に示した図 伝達関数の同定精度を向上させる構成を示すブロック図 第２の実施形態に係るスピーカ装置２の構成を示すブロック図 目標特性の一例を示す図 スピーカ１５の振動板加速度をセンサ１６の検出信号を通して加算器１１にフィードバックしない場合のスピーカ１５から出力される各成分の計算結果を示す図 スピーカ１５の振動板加速度をセンサ１６の検出信号を通して加算器１１にフィードバックした場合のスピーカ１５から出力される各成分の計算結果を示す図 スピーカ装置２における伝達関数の同定精度を向上させる構成を示すブロック図 第３の実施形態に係るスピーカ装置３の構成を示すブロック図 非線形歪を低減する従来のスピーカ装置の構成を示すブロック図 周波数特性を補正する従来のスピーカ装置の構成を示すブロック図 補正処理前のスピーカ９８の振幅周波数特性を示す図 補正処理後のスピーカ９８の振幅周波数特性を示す図

符号の説明

１〜３ スピーカ装置
１０ 線形信号生成部
１１、１２、２４、３２ 加算器
１３ フィードバック制御フィルタ
１４ 増幅器
１５ スピーカ
１６ センサ
１７ 切替器
１８ 測定信号発生器
１９ 伝達関数算出部
２０ 適応フィルタ
２１ 係数更新部
２２ 参照信号生成部
２３ 目標特性フィルタ
３０ 適応同定部
３１ 係数更新部

Claims (6)

1. スピーカと、
   前記スピーカの振動もしくは音響出力を検出するセンサと、
   入力音響信号を入力とし、前記スピーカに出力する加算器と、
   前記入力音響信号を入力とし、所定の処理係数に基づいて前記センサの検出信号に含まれる線形成分と同じ信号を生成する信号生成部と、
   前記センサの検出信号と前記信号生成部の生成信号との誤差を検出する誤差検出部と、
   前記誤差検出部において検出された誤差の信号のゲインおよび／または位相を制御して、前記加算器に出力する制御部とを備える、スピーカ装置。
2. 前記スピーカの音響出力の周波数特性が所定の周波数特性となるように前記加算器の出力信号を所定のフィルタ係数に基づいて補正して、前記スピーカに出力する第１の補正フィルタと、
   前記第１の補正フィルタと同じフィルタ係数に基づいて前記入力音響信号を補正して、前記信号生成部に出力する第２の補正フィルタとをさらに備える、請求項１に記載のスピーカ装置。
3. 前記加算器の出力信号および前記センサの検出信号を用いて前記フィルタ係数を所定時間間隔で算出し、前記第１および第２の補正フィルタのフィルタ係数が当該算出したフィルタ係数となるように、当該第１および第２の補正フィルタのフィルタ係数を更新する適応更新部をさらに備える、請求項２に記載のスピーカ装置。
4. 前記第１の補正フィルタの出力信号および前記センサの検出信号を用いて前記第１の補正フィルタの出力から前記センサの出力までの伝達関数の線形成分を表す処理係数を所定時間間隔で算出し、前記信号生成部の処理係数が当該算出した処理係数となるように、当該信号生成部の処理係数を更新する同定更新部をさらに備える、請求項２に記載のスピーカ装置。
5. 前記加算器の出力信号および前記センサの検出信号を用いて前記加算器の出力から前記センサの出力までの伝達関数の線形成分を表す処理係数を所定時間間隔で算出し、前記信号生成部の処理係数が当該算出した処理係数となるように、当該信号生成部の処理係数を更新する同定更新部をさらに備える、請求項１に記載のスピーカ装置。
6. 前記信号生成部がデジタルフィルタで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のスピーカ装置。

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