JP2008104229A - ラウドスピーカ列システム - Google Patents
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Abstract
【課題】さまざまな物理的な大きさのドライバを含み、垂直及び水平の両平面の大領域に渡り所定で一定の指向性を達成することができるラウドスピーカシステムを提供すること。
【解決手段】本発明は、コンパクトなラウドスピーカ構成を提供するマルチチャンネル・ラウドスピーカシステム及びディジタル信号処理領域において作動するフィルター設計方法論である。更に、ラウドスピーカシステムはさまざまな物理的な大きさのドライバを含むように設計することができ、垂直および水平の両平面における広い領域に対して前述の一定の指向性を達成することができる。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、コンパクトなラウドスピーカ構成を提供するマルチチャンネル・ラウドスピーカシステム及びディジタル信号処理領域において作動するフィルター設計方法論である。更に、ラウドスピーカシステムはさまざまな物理的な大きさのドライバを含むように設計することができ、垂直および水平の両平面における広い領域に対して前述の一定の指向性を達成することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、一般にマルチウェイ・スピーカシステムに関する。特に高品質の音響を達成できる多数のドライバの配列より成るマルチウェイ・スピーカシステムに関する。
(関連技術)
オーディオ周波数範囲における高品質のラウドスピーカは、一般に可聴周波帯域に対する専用部品を使った複数の特殊ドライバを使用する、例えば、ツイター(一般に2kHz〜20kHz)と、中音域ドライバ(一般に200Hz〜5kHz)と、ウーファー(一般に20Hz〜1kHz)である。放散された音響の波長と比較し得る専門ドライバの物理的寸法に起因する必要な間隔を開ける必要性のために、ドライバの音響出力は、ラウドスピーカに対して垂直な1つのライン上だけで(通常いわゆる音響中心で)、意図した平面の、周波数から独立した応答に集約される。その軸外では、周波数応答は、ドライバから空間中の想定された点まで音波が到達する経路長が異なることにより引き起こされる干渉によって多少歪められる。歴史上、円滑な軸外応答を有し、大空間に対する制御された音場を有するラウドスピーカを作り上げるための多くの試みがなされた。
例えば、D’Appolitoはマルチウェイ・ラウドスピーカのロービングエラー(lobing errors)を除去するために幾何学的な方法(即ち、鉛直軸に沿って対称的に配置した中央ツイター及び2つのウーファーを用いた構成)を提案した。数人のラウドスピーカ製造者は、その方法を採用し、更に1つまたは2つの中央ツイターの周辺に対称的に構成された中音域ドライバ及びウーファーの配列を用いてそれを拡張さえした。D’Appolitoが設計し、D’Appolitoの手法を採用した製造業者らは、パッシブ(passive)あるいはアナログクロスオーバー(analog crossover)回路もしくはディジタル領域でアナログフィルターを代行(emulate)するディジタルフィルターを利用する。アナログあるいはパッシブクロスオーバー回路は、必然的に位相歪を導入する。更に、この設計によって、間隔をあけることは最適でなく、一般的に、理想的な滑らかな応答から軸外逸脱を完全に避けるには大きすぎる結果となる。
オーディオ周波数範囲における高品質のラウドスピーカは、一般に可聴周波帯域に対する専用部品を使った複数の特殊ドライバを使用する、例えば、ツイター(一般に2kHz〜20kHz)と、中音域ドライバ(一般に200Hz〜5kHz)と、ウーファー(一般に20Hz〜1kHz)である。放散された音響の波長と比較し得る専門ドライバの物理的寸法に起因する必要な間隔を開ける必要性のために、ドライバの音響出力は、ラウドスピーカに対して垂直な1つのライン上だけで(通常いわゆる音響中心で)、意図した平面の、周波数から独立した応答に集約される。その軸外では、周波数応答は、ドライバから空間中の想定された点まで音波が到達する経路長が異なることにより引き起こされる干渉によって多少歪められる。歴史上、円滑な軸外応答を有し、大空間に対する制御された音場を有するラウドスピーカを作り上げるための多くの試みがなされた。
例えば、D’Appolitoはマルチウェイ・ラウドスピーカのロービングエラー(lobing errors)を除去するために幾何学的な方法(即ち、鉛直軸に沿って対称的に配置した中央ツイター及び2つのウーファーを用いた構成)を提案した。数人のラウドスピーカ製造者は、その方法を採用し、更に1つまたは2つの中央ツイターの周辺に対称的に構成された中音域ドライバ及びウーファーの配列を用いてそれを拡張さえした。D’Appolitoが設計し、D’Appolitoの手法を採用した製造業者らは、パッシブ(passive)あるいはアナログクロスオーバー(analog crossover)回路もしくはディジタル領域でアナログフィルターを代行(emulate)するディジタルフィルターを利用する。アナログあるいはパッシブクロスオーバー回路は、必然的に位相歪を導入する。更に、この設計によって、間隔をあけることは最適でなく、一般的に、理想的な滑らかな応答から軸外逸脱を完全に避けるには大きすぎる結果となる。
代替解決案において、基本設計概念は、大きなバンド遷移を避けるために非常に急峻な、「煉瓦壁(brick wall)」有限インパルス応答(FIR)フィルターを適用することであり、それによりエラーが聞こえなくなる。しかしながら、可聴な不連続を除けば、関連するドライバ個々の極性の応答は、それでも遷移点で異なり得る。このように、この設計による解決法によっては、可聴範囲の全体にわたって所定の、滑らかな極性の動作を達成することは困難であり得る。
更にもう1つの代替において、Van der Walは対数的に間隔を置いて配置されたトランスジューサ配列が、非常によく制御された指向性(1次元において広い周波数範囲を通じてほぼ一定である)を達成し得ることを示唆している。この技術の若干の実施形態は、米国特許第6,128,395号に記載されている。前述の技術と同様に、この設計技法は制約を受けている。なぜなら、(i)対数間隔は、一定の公式だけに従って定められ、(ii)フィルター設計は、特定の場合に有効なだけであり、(iii)実際の間隔が対数間隔から逸脱する場合、重大なエラーが発生し得て、それは、ドライバの物理的な大きさ、あるいは設計の制約条件に起因して不可避であり得るからである。更に、この設計は、1種類のドライバ(即ち、フルレンジ・ドライバ)に制限され、パブリックアドレス(public address)システムに対する適用を制限している。
米国特許第6,128,395号
更にもう1つの代替において、Van der Walは対数的に間隔を置いて配置されたトランスジューサ配列が、非常によく制御された指向性(1次元において広い周波数範囲を通じてほぼ一定である)を達成し得ることを示唆している。この技術の若干の実施形態は、米国特許第6,128,395号に記載されている。前述の技術と同様に、この設計技法は制約を受けている。なぜなら、(i)対数間隔は、一定の公式だけに従って定められ、(ii)フィルター設計は、特定の場合に有効なだけであり、(iii)実際の間隔が対数間隔から逸脱する場合、重大なエラーが発生し得て、それは、ドライバの物理的な大きさ、あるいは設計の制約条件に起因して不可避であり得るからである。更に、この設計は、1種類のドライバ(即ち、フルレンジ・ドライバ)に制限され、パブリックアドレス(public address)システムに対する適用を制限している。
このように、さまざまな物理的な大きさのドライバを含み、垂直及び水平の両平面の大領域に渡り所定で一定の指向性を達成することができるラウドスピーカシステムを提供することによって、従来技術の制約を克服するラウドスピーカ構成及びフィルター設計に対する要求が依然存在する。
(発明の要約)
本発明は、単一の、コンパクトな、線配列ラウドスピーカから高品質の音響を作り出すことができるマルチウェイ・ラウドスピーカ・スピーカシステムであり、それは、典型的な左右及び前後のサラウンドサウンド・チャンネル及び中央チャンネルを有する従来のサラウンドサウンド娯楽システムで利用することが可能である。
本発明は、単一の、コンパクトな、線配列ラウドスピーカから高品質の音響を作り出すことができるマルチウェイ・ラウドスピーカ・スピーカシステムであり、それは、典型的な左右及び前後のサラウンドサウンド・チャンネル及び中央チャンネルを有する従来のサラウンドサウンド娯楽システムで利用することが可能である。
1つの実施形態において、線配列は、ドライバのカップリングを防止するために特定のドライバを相互に切り離す密封された区分室を有する単一のハウジングに配置されるか、もしくは単一のユニットとして組立てられた複数のツイターと、中音域ドライバと、ウーファーとを包含する。線配列は、入力から個々のラウドスピーカドライバか、もしくは複数のドライバへのさまざまな信号経路を有する単チャンネル配列であり得る。各々の信号経路は、ディジタル入力から成り、ディジタルFIRフィルター及び単一ドライバもしくは複数ドライバのいずれにかに接続しているパワーD/A変換器を含む。
線配列のラウドスピーカドライバの性能と、ポジショニングと、配置は、ラウドスピーカの各々の信号流路の各々のFIRフィルターの係数を決めるフィルター設計アルゴリズムによって決定され得る。費用極小化関数(function)は、初期ドライバ位置及び初期指向性目標関数を用いて所定の周波数点に適用され、それは関連周波数範囲内の対数目盛上に周波数点を決定する。費用極小化関数のアプリケーションから得られた結果がシステムの性能要件を満たさない場合、ドライバの位置は、次ぎに変更され得、得られた結果がシステム要件を満たすまで、費用極小化関数は再び適用され得る。一旦得られた結果がシステム要件を満たすと、単一信号経路の各々のFIRフィルターの線形位相フィルター係数は、フーリエ近似法または他の周波数サンプリング法を使用して演算される。
本発明のマルチウェイ・ラウドスピーカは、内蔵のDSPプロセッシングと、D/A変換器と、増幅器とを含むことができ、ディジタルネットワーク(例えばIEEE 1394標準)に結合し得る。更に、本発明のマルチウエースピーカーシステムは、そのコンパクトな大きさのため壁に取付け可能なサラウンドシステムとして設計され得る。
マルチウェイ・スピーカーシステムは、歪を低化し、高出力操作ができるよう、異サイズのドライバを使用することが可能である。なぜなら、同等の広帯域ドライバの配列に対して、専門ドライバはそれらの専用の周波数帯で最適に作動することができるからである。本発明のマルチウェイスピーカ設計は、また、滑らかな軸外応答によって室内応答のより良好な制御を提供することができる。このシステムは、全音響パワーの制御と同様に、更に反射音の周波数応答を制御することが可能であり、それによって、床及び天井反射を抑制する。
本発明のラウドスピーカは、該ラウドスピーカのx軸とy軸のほぼ交差する位置に設置され1つの中央ドライバと、
該中央ドライバに関するx軸とy軸の両軸に関し該ラウドスピーカに沿って対称に設置された中央ドライバとサイズの違う少なくとも2つのドライバを有する該ラウドスピーカと、
少なくとも1つのパワーD/A変換器からディジタル出力信号をそれぞれ受信する中央ドライバに関し対称に設置されている、該中央ドライバ及び該2つのドライバと、
少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通してフィルターを掛けられているディジタル出力信号と、を備える。
該中央ドライバに関するx軸とy軸の両軸に関し該ラウドスピーカに沿って対称に設置された中央ドライバとサイズの違う少なくとも2つのドライバを有する該ラウドスピーカと、
少なくとも1つのパワーD/A変換器からディジタル出力信号をそれぞれ受信する中央ドライバに関し対称に設置されている、該中央ドライバ及び該2つのドライバと、
少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通してフィルターを掛けられているディジタル出力信号と、を備える。
一つの実施形態では、前記中央ドライバはツイターである。
一つの実施形態では、前記少なくとも2つのドライバはウーファーである。
一つの実施形態では、前記少なくとも2つのドライバは中音域ドライバである。
一つの実施形態では、前記中央ドライバから、前記少なくとも2つのドライバより更に遠い点に位置する少なくとも2つの追加ドライバを更に備える。
一つの実施形態では、前記少なくとも2つの追加ドライバはウーファーである。
一つの実施形態では、前記少なくとも2つのドライバはツイターであり、前記ラウドスピーカは更に少なくと2つの追加トランスジューサを含み、前記中央ドライバと少なくとも2つのドライバは、前記中央ドライバに関し対称である前記2つの追加トランスジューサの間に位置する。
一つの実施形態では、前記少なくとも2つの追加トランスジューサは、中音域スピーカである。
一つの実施形態では、前記少なくとも2つの追加トランスジューサは、ウーファーである。
本発明の他のラウドスピーカは、基点として設計されたラウドスピーカ上の1点に位置する中央ツイターと、
該基点に関し対称に位置する少なくとも2つの中音域ドライバであって、該中央ツイターよりサイズの大きい該少なくとも2つの中音域ドライバと、
該少なくとも2つの中音域ドライバよりサイズの大きな、少なくとも2つのウーファーであって、該中央ツイターから該少なくとも2つの中音域ドライバよりもより遠くに位置し、該基点に関し対称に配置された少なくとも2つのウーファーと、を備え、
該中央ツイターと、少なくとも2つの中音域ドライバと、少なくとも2つのウーファーとは、少なくとも1つのパワーD/A変換器よりディジタル出力信号を受信し、該ディジタル出力信号は、少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通じフィルターを掛けられている。
一つの実施形態では、前記中央ツイターに関し対称的に配置され、前記中央ツイターと前記少なくとも2つの中音域ドライバとの間に位置する、少なくとも2つの追加ツイターを、更に含む。
該基点に関し対称に位置する少なくとも2つの中音域ドライバであって、該中央ツイターよりサイズの大きい該少なくとも2つの中音域ドライバと、
該少なくとも2つの中音域ドライバよりサイズの大きな、少なくとも2つのウーファーであって、該中央ツイターから該少なくとも2つの中音域ドライバよりもより遠くに位置し、該基点に関し対称に配置された少なくとも2つのウーファーと、を備え、
該中央ツイターと、少なくとも2つの中音域ドライバと、少なくとも2つのウーファーとは、少なくとも1つのパワーD/A変換器よりディジタル出力信号を受信し、該ディジタル出力信号は、少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通じフィルターを掛けられている。
一つの実施形態では、前記中央ツイターに関し対称的に配置され、前記中央ツイターと前記少なくとも2つの中音域ドライバとの間に位置する、少なくとも2つの追加ツイターを、更に含む。
一つの実施形態では、前記中央ツイターと、少なくとも2つの中音域ドライバと、前記少なくとも2つのウーファーとが、前記少なくとも2つの追加ウーファーの間に位置するように、前記ラウドスピーカの前記対向縁の近くに位置する少なくとも2つの追加ウーファーを、更に含む。
本発明のさらに他のラウドスピーカは、少なくとも1つの中央ツイターと、
少なくとも2つの追加ツイターであって、該少なくとも2つの追加ツイターの1つは、該中央ツイターのそれぞれの側に位置する少なくとも2つの追加ツイターと、
少なくとも2つの中音域ドライバであって、該少なくとも2つの中音域ドライバの1つは、該少なくとも2つの追加ツイターのそれぞれの側に位置する少なくとも2つの中音域ドライバと、
少なくとも2つのウーファーであって、該少なくとも2つのウーファーの一つは、該少なくとも2つの中音域ドライバのそれぞれの側に位置する少なくとも2つのウーファーとを更に備え、
該少なくとも1つの中央ツイターと、少なくとも2つの追加ツイターと、少なくとも2つの中音域ドライバと、該少なくとも2つのウーファーとは、それぞれ少なくとも1つのパワーD/A変換器よりディジタル出力信号を受信し、該ディジタル出力信号は、少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通じフィルターを掛けられている。
少なくとも2つの追加ツイターであって、該少なくとも2つの追加ツイターの1つは、該中央ツイターのそれぞれの側に位置する少なくとも2つの追加ツイターと、
少なくとも2つの中音域ドライバであって、該少なくとも2つの中音域ドライバの1つは、該少なくとも2つの追加ツイターのそれぞれの側に位置する少なくとも2つの中音域ドライバと、
少なくとも2つのウーファーであって、該少なくとも2つのウーファーの一つは、該少なくとも2つの中音域ドライバのそれぞれの側に位置する少なくとも2つのウーファーとを更に備え、
該少なくとも1つの中央ツイターと、少なくとも2つの追加ツイターと、少なくとも2つの中音域ドライバと、該少なくとも2つのウーファーとは、それぞれ少なくとも1つのパワーD/A変換器よりディジタル出力信号を受信し、該ディジタル出力信号は、少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通じフィルターを掛けられている。
本発明の線配列ラウドスピーカ・システムを設計する方法は、
該初期のドライバ位置を決めること、
該システムの該初期指向性目標関数を設定すること、
該初期指向性目標関数に基づき費用最小化関数を適用すること、および
該システムの各フィルターに対する線形位相フィルター係数を演算すること、を包含する。
該初期のドライバ位置を決めること、
該システムの該初期指向性目標関数を設定すること、
該初期指向性目標関数に基づき費用最小化関数を適用すること、および
該システムの各フィルターに対する線形位相フィルター係数を演算すること、を包含する。
一つの実施形態では、前記初期ドライバ位置は、前記ラウドスピーカの前記基点に関する座標である。
一つの実施形態では、周波数点は、前記所定の初期指向性目標関数に基づく所定の周波数範囲を有する対数目盛に確立されている。
一つの実施形態では、前記費用極小化は、最低周波数から段階を追って増加始める、前記周波数点で適用された関数である。
一つの実施形態では、前記所望の性能基準値に対し費用極小化関数から得られる結果を確認するステップを更に備える。
一つの実施形態では、前記費用最小化関数から得られた結果が最適でない場合、前記ドライバの前記初期位置を調整すること、
該調整されたドライバ初期位置に基づきドライバの新規初期位置を確立すること、および
該ドライバの新規初期位置に基づき前記コスト最小化関数を再適用すること、を更に備える。
該調整されたドライバ初期位置に基づきドライバの新規初期位置を確立すること、および
該ドライバの新規初期位置に基づき前記コスト最小化関数を再適用すること、を更に備える。
一つの実施形態では、前記フーリエ近似法が、前記線形位相フィルター係数を決定するために利用される。
他のシステム、方法、本発明の機能及び効果は、以下の図及び詳細な説明を参酌することによって当業者にとって明らかであるかまたは明らかになる。全てのこの種の付加的なシステム、方法、機能及び効果は本願記載の中に含まれ、本願発明の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることを意図している。
(詳細な説明)
本発明は、以下の図面を参照すると良く理解できる。図中の要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに発明の原理がはっきりと分かるように強調されている。更に、図中では、異なる図の全体にわたって対応する部分に同種の参照数字が割当てられている。
本発明は、以下の図面を参照すると良く理解できる。図中の要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに発明の原理がはっきりと分かるように強調されている。更に、図中では、異なる図の全体にわたって対応する部分に同種の参照数字が割当てられている。
図1は、本発明の1次元の(1D)マルチウェイ・ラウドスピーカ100の実施例及びシステム100の各々のラウドスピーカドライバに対する信号流のブロック図を示す。図1に示すように、マルチウェイ・ラウドスピーカ100は、以下を有する6経路としてラウドスピーカを設計し得る:
(i)第1パワーD/A変換器103に接続している中央ツイター102、(ii)第2パワーD/A変換器105に接続している2個の付加的ツイター104及び106、(iii)第3パワーD/A変換器107に接続している2個の中音域ドライバ108及び110、(iv)第4パワーD/A変換器109に接続している2個の中音域ドライバ112及び114、(v)第5パワーD/A変換器111に接続している2個のウーファー116及び118及び(vi)第6パワーD/A変換器113に接続している4つのウーファー120、122、124及び126。各々の増幅器に対するラウドスピーカ間の接続は、マルチウェイ・ラウドスピーカの異なる方向を示す。このように、ラウドスピーカは単チャンネルマルチウェイ・ラウドスピーカとして設計し得る。
(i)第1パワーD/A変換器103に接続している中央ツイター102、(ii)第2パワーD/A変換器105に接続している2個の付加的ツイター104及び106、(iii)第3パワーD/A変換器107に接続している2個の中音域ドライバ108及び110、(iv)第4パワーD/A変換器109に接続している2個の中音域ドライバ112及び114、(v)第5パワーD/A変換器111に接続している2個のウーファー116及び118及び(vi)第6パワーD/A変換器113に接続している4つのウーファー120、122、124及び126。各々の増幅器に対するラウドスピーカ間の接続は、マルチウェイ・ラウドスピーカの異なる方向を示す。このように、ラウドスピーカは単チャンネルマルチウェイ・ラウドスピーカとして設計し得る。
図(1)において、ドライバ(また、トランスジューサと呼ばれる)はセパレーター136、138、144、146、150及び152によって示されるように、別々の封じられた区分室128、130、132、134、140、142及び148によって構成されるハウジング154内に設置し得る。別々の封じられた区分室にドライバを設置することによって、隣接したドライバの接続は最小化される。さまざまな区分室が図1に見られるにもかかわらず、ラウドスピーカシステムは完成品に実現されるときに区分室が消費者の目に見えないように設計され得る。ウーファー120と122を含む区分室128は、ウーファー116を含む区分室132からセパレーター136によって切り離され得る。同様に、ウーファー126と124を含む区分室130は、ウーファー118を含む区分室134からセパレーター138によって切り離され得る。区分室140及び142に含まれる中音域ドライバ112及び114はそれぞれ、区分室132及び134からセパレーター144及び146によってそれぞれ切り離され得る。全てのツイター102、104、106、及び中音域ドライバ110と108もまた区分室148に含まれ得て、セパレーター150及び152によって、区分室140及び142から切り離され得る。
図1によれば、中央ツイター102、ツイター104及び106、中音域ドライバ110、108、112、114、116及び118、低周波ウーファー120、122、124及び126がy軸に沿い線形に、中央ツイター102に関して対称的に設置されている。典型的な配置では、外径約40mmのツイター102、104及び106、外径約80mmの中音域ドライバ110、108、112、114、116及び118、外径約120mmウーファー120、122、124及び126を含み得る。典型的には、トランスジューサのコーン寸法は、所望のアプリケーション及び所望の配列サイズに基づいて異なり得る。更に、トランスジューサはネオジ鉄系(neodymium)磁石を利用し得るが、記載されているアプリケーションがその特定の種類の磁石を利用することは必要でない。
中央ツイター102は、x軸とy軸との交点である中心点0においてy軸上に設置し得る。ツイター104及び106は、その中心を中心点から約+/−40mmの位置に設置し得る。中音域ドライバ110及び108は、その中心を中心点0から約+/−110mmの位置に設置し得る。中音域ドライバ112及び114は、その中心を中心点から約+/−220mmの位置に設置し得る。次に、低周波ウーファー116及び118は、その中心を中心点から約+/−350mmの位置に設置し得る。低周波ウーファー120及び124は、その中心を中心点から約+/−520mmの位置に設置し得る。次に、低周波ウーファー122及び126は、その中心を中心点から約+/−860mmの位置に設置し得る。
図1はまた、マルチウエー・ラウドスピーカーシステムの信号流のブロック図160を示す。図1が信号流の6つの方向162、164、166、168、170及び172を示する一方、チャンネルは2個以上の方向に分け得る。信号流は、標準インタフェースフォーマット(例えばSPDIFまたはIEEE1394及びそれらの派生体)を使用して実施することがきるディジタル入力174を備え得て、図1に示されるようなさまざまな経路または方向を通じてドライバに接続することが可能である。各々の経路即ち方向162、164、166、168、170及び172は、単装もしくは多連装ラウドスピーカドライバのいずれかに接続するディジタルFIRフィルター176及びパワーD/A変換器103、105、107、109、111及び113を含み得る。パワーD/A変換器103、105、107、109、111及び113は、従来のオーディオD/A変換器(図示せず)とパワーアンプ(図示せず)とのカスケードとして実現し得る、もしくは直接ディジタル入力を有するクラスD(class−D)パワーアンプ(図示せず)として実現し得る。FIRフィルター176は、ディジタル信号処理装置(DSP)(図示せず)によって実施され得る。ラウドスピーカドライバは、図示されているようなツイター、中音域ドライバまたはウーファー(例えば図示されるそれら)であり得る。
操作において、各々のマルティプルFIRフィルター176の出力は多連装パワーD/A変換器103、105、107、109、111及び113に接続されており、次に、それらはハウジング154の仕切り(baffle)に設置されている多連装ラウドスピーカドライバ102、104、106、108、110、112、114、116、118、120、122、124及び126に供給される。1個以上のドライバ(例えば120、122、124及び126)は、パワーD/A変換器113を含む経路即ち信号経路162と並列に結合され得る。
図2は、もう1つの1次元マルチウェイ・ラウドスピーカであり、図1のラウドスピーカと同様であるが、4個に換えて2個の中音域ドライバ、6個に換えて4個のウーファーを包含する。特に、図2は2個の付加的ツイター204及び206で囲まれた中央ツイター202を有する単チャンネル1次元4経路ラウドスピーカ200を示す。更に、ラウドスピーカ200は、2個の中音域ドライバ208及び210及び4個のウーファー214、216、218及び220を含む。ツイター202、204及び206、中音域ドライバ208及び210、並びに4個のウーファー214、216、218及び220は、全て中央ツイター202に関して対称にy軸に沿って直線状に配置されている。
3つの信号経路(図示せず)は、区分室226に供給され得る。第1経路は中央ツイター202に供給し得、第2経路はツイター204及び206に供給され得、第3経路は中音域ドライバ208及び210に供給され得る。区分室226のちょうど上下に、(線228及び230によってそれぞれ示されるセパレーターによって分割され)ウーファー214及び218並びにウーファー216及び220をそれぞれ含んでいる区分室222及び224がある。ウーファー214、218、216及び220は、第4経路によって全て供給され得る。
図2にて示されたマルチウェイラウドスピーカの典型的配置は、外径約40mmのツイター202、204及び206、外径約80mmの中音域ドライバ208及び210、並びに外径約160mmのウーファー214、216、218及び220を含み得る。前述の通り、トランスジューサのコーン寸法は、所望のアプリケーションと所望の配列のサイズに基づき異なり得る。信号経路の数及び特定の種類のドライバの数もまた変更し得る。
中央ツイター202は中心点0(図2におけるx軸とy軸との交点)でy軸上に設置し得る。次にツイター204及び206は、それらの中心が中心点から+/−約40mmに
設置し得る。
設置し得る。
次に、中音域ドライバ208及び210は、それらの中心が中心点0から+/−約110mmに設置し得る。低周波はウーファー214及び216は、それらの中心が中心点から+/−約240mmに設置し得る。次に、低周波はウーファー218及び220は、それらの中心が中心点から+/−約380mmに設置し得る。
図3は、本発明のラウドスピーカシステムを設計するために使用するフィルター設計アルゴリズム300のフローチャートである。フィルター設計アルゴリズム300の目的は、ラウドスピーカの各々の信号流路の各々のFIRフィルターの係数を決定することである。以下詳細に示すように、初期ドライバ位置及び初期指向性目標関数が最初に決定される(ステップ310)。スピーカ及びドライバの初期位置または設計上の配置構成は、アプリケーションによって異なる多数の変数(例えば、所望のスピーカサイズ、意図したアプリケーションまたは使用、製造上の制約、審美的又は他の製品設計形態)に従って決定される。次に、ドライバ座標は、主軸に沿って各々のドライバに対して規定される。次に、指向性目標関数の初期推測が設定され、それは関連あるインターバル内で対数目盛上に周波数点を確立することを含む。費用関数は、それから所定の周波数点で最小化される(ステップ312)。結果がシステムの性能要件を満たさない場合(ステップ314)、ドライバの位置は次に変更され、費用極小化関数が再度適用される(ステップ316)。このサイクルは結果が要件を満たすまで繰返され得る。一旦結果が要件を満たすと、線形位相フィルター係数が演算される(ステップ318)。ドライバを均等化し、位相シフトのために補償し、ビームステアリング(beam steering)を改善するため追加演算(ステップ320)がまた行われ得る。
第1ステップ310において、初期ドライバ位置及び初期指向性目標関数が設定される。前述のように、数、位置、寸法及びドライバのオリエンテーション(orientation)は、主に製品設計形態によって決定される。一旦オリエンテーションが決定されると、次に初期座標値は、主軸上のNドライバの初期ドライバ座標p(n)、n=1...Nに対して規定され得る。例えば、図1で示した1次元(1D)の配列において、N=13:p(n)=[−.86、−.52、−.35、−.22、−.11、−.04、0、.04.11、.22、.35、.52、.86]m(メーター)である。
初期指向性目標関数を決定するには、指向性目標関数T(f,q)の初期推測が規定されなければならず、指向性目標関数は特定角度qでドライバの所望の性能に基づいて決定される。図4は、5つの特定角度qで角度従属する減衰の目標関数の実施例の組を示しているグラフである。指向性目標関数は、デシベル(y軸)表記の所望の騒音レベル減衰を特定し、その測定は無響環境においてスピーカから十分に大きい距離(スピーカの大きさより大きい)で、基点(中央ツイター)に対して垂直な線からq度離れた角度でのさまざまな周波数で測定可能である。周波数ベクトルfは、関連するインターバル内(例えば100Hz...20kHz)の対数目盛上で一組の周波数点(例えば100)を特定する。
角度ベクトルq(i),i=l,..,Nqは、最適化が達成される一組の角度を特定する。一方図4は、5個の設定角における指向性対する最初の推測を示す:
(Nq=5):q=[0,10,20,30,40]°、
ほとんどの場合、それは2個の角度だけ、すなわち(Nq=2)で指向性を特定するのに十分であり得る。この場合、目標とされた指向性は、外側の角度で決定され得る、例えば、40度、及び0度(軸上でゼロ指向性特定)即ちq=[0,40]°である。
(Nq=5):q=[0,10,20,30,40]°、
ほとんどの場合、それは2個の角度だけ、すなわち(Nq=2)で指向性を特定するのに十分であり得る。この場合、目標とされた指向性は、外側の角度で決定され得る、例えば、40度、及び0度(軸上でゼロ指向性特定)即ちq=[0,40]°である。
軸上の目標関数を除き、各々の角度の目標関数は、f=0のT=0デシベル(dB)か
ら特定された周波数fc(例えばfc=350Hz)の値T<0デシベルまで二重対数目盛上で線形に下降しており、その後は一定値を維持する。軸上目標関数402は、全周波数範囲に渡り0デシベルで一定のままである。10度における404、20度における410、30度における412及び40度における414の目標指向関数の全てがT=0デシベルで開始し、関数がfcに達するまで二重対数目盛上を下降し(図4の350Hzで例示される)、それから、残りの解析周波数範囲全体に渡り一定値を維持する。
ら特定された周波数fc(例えばfc=350Hz)の値T<0デシベルまで二重対数目盛上で線形に下降しており、その後は一定値を維持する。軸上目標関数402は、全周波数範囲に渡り0デシベルで一定のままである。10度における404、20度における410、30度における412及び40度における414の目標指向関数の全てがT=0デシベルで開始し、関数がfcに達するまで二重対数目盛上を下降し(図4の350Hzで例示される)、それから、残りの解析周波数範囲全体に渡り一定値を維持する。
初期ドライバ位置及び初期指向性目標関数が決定されたあと、次のステップ312は、最低の段階的周波数増加量(例えば100Hz)から始め、それぞれ、最初の解としての得られた解を次のステップのために使用し、次の方程式を使用することにより所定の周波数ベクトル点fで費用関数F(f)を最小化することである:
更に、最小化は、チャンネルフィルターの実数値周波数点Copt(n,f)を変化することによって実現され、ここにおいてnはインターバル[0,1]内のドライバ指標で、fはインターバル[0,1]内の周波数である。加えて、制約
Copt(n,f)=0、f>fo、 f<fu
は達成されねばならず、また特定のドライバnの特性に依存している。例えば、ウーファーの場合上側の作動限界は、fo=lkHzであり、ツイターの場合下側の作動限界は、fu=2kHzであり、中音域ドライバに対しては、fu=300Hz、fo=3kHzであり得た。
Copt(n,f)=0、f>fo、 f<fu
は達成されねばならず、また特定のドライバnの特性に依存している。例えば、ウーファーの場合上側の作動限界は、fo=lkHzであり、ツイターの場合下側の作動限界は、fu=2kHzであり、中音域ドライバに対しては、fu=300Hz、fo=3kHzであり得た。
費用関数を最小化するための前述の手順は、関数(function)「fminsearch」によって達成し得、それは、The Math Works社によって所有され、配布されるMatlab(商標登録)ソフトウェアパッケージの一部分である。Matlabソフトウェアパッケージの「fminsearch」関数は、Nelder−Meadシンプレックスアルゴリズムまたはそれらの派生物(derivative)を使用する。あるいは、制約されたパラメータ範囲上の定義済みグリッドの上の徹底的な探索
が適用され得る。他の方法論は、また、費用関数を最小化するために用い得る。
が適用され得る。他の方法論は、また、費用関数を最小化するために用い得る。
得られた結果と目標間との偏差が十分に小さいか、もしくは特定の設計を適用するため当業者によって決定されるものとして受け入れ可能な場合、線配列の各々の信号経路のFIRフィルター係数が次ぎに得られる。図6は、y軸に沿って決定された図1で示されるものに類似した線配列の受け入れ可能な得られた結果のグラフ600である。グラフは、図3のステップ314を通過した後の得られたフィルター周波数応答V(f,q)を示す。通過することとは、結果が要件を満たしたことを意味する。図6において、ライン602は、軸上における応答V(f,q(1))を示し、ライン604は10度における周波数応答V(f,q(2))であり、ライン606は、20度における周波数応答V(f,q(3))であり、ライン608は、30度における周波数応答V(f,q(4))であり、ライン610は、40度におけるV(f,q(5))の測定された周波数応答であり、全て50Hzと20kHzとの間の周波数範囲で示されている。
図7は、一旦費用極小化関数が適用され、得られた結果が十分に小さいか、もしくは所望のアプリケーションの受容範囲内と判明している図1において示される線配列ラウドスピーカシステムの6つの信号経路の各々の結果として生じる周波数応答Copt(n,f)を示すグラフ700である。L1または702によって表されるラインは、中央チャンネルツイター102(図1)に供給する第1信号経路の周波数応答であり、L2または704はツイター104及び106(図1)に供給する第2信号経路の周波数応答であり、L3または706は中音域ドライバ110及び108(図1)に供給する第3信号経路の周波数応答であり、L4または708は中音域ドライバ114及び116(図1)に供給する第4信号経路の周波数応答であり、L5または710はウーファー116及び118に供給する第5信号経路の周波数応答であり、L6または812はウーファー120,122、124及び126を供給する第6信号経路の周波数応答である。
得られた結果と目標との間の偏差が特定の設計アプリケーションで受け入れられない場合、(即ち、またはあまりに大きい場合)、ドライバ位置または幾何学的配置、および/またはパラメータq(i)及び目標が関数T(f,g)のfcは(図3を参照)、次に変更されなければならない。一旦変更されると、費用極小化関数は再び適用されなければならず、得られた結果及び目標十分に小さいか、もしくはアプリケーションの許容範囲である結果に成るまで、プロセスは繰り返されなければならない。
図3で示すように、アルゴリズムが目標関数の受容範囲内で結果を得るように、一旦ドライバ位置及びドライバ幾何学的配置が配備されると、各々の信号経路n=1...NのFIRフィルター係数が、次に、決定されねばならない(図3のステップ318として描かれている)。所与の角度の線形位相フィルターを得るために、FIR係数を決定する1つの方法はフーリエ近似法(周波数サンプリング法)を使用することである。フーリエ近似法または他の周波数サンプリング法を適用する場合は、近似が十分に正確になるように角度選択をしなければならない。
フーリエ近似法は、関数「firls」によって達成し得、それはThe Math Works社によって所有され、配布されるソフトウェアパッケージMatlab(商標登録)の一部分である。費用関数を最小化するために、他のソフトウェアシステムを実行することにより類似の方法論を使用し得る。
図8は、図7のL4または708と同等である1つの信号経路802の周波数応答と共に、FIRフィルター係数が、前述の方法に従って得られた後の直線位相FIRフィルター804の周波数応答を示すグラフ800である。
加えて、修正は、一つ以上のドライバの(特にツイター、中音域ドライバで)測定された周波数応答を均等化するために、FIRフィルターに対し行うことが可能である。この種のフィルターのインパルス応答は、周知の方法によって得ることができ、それは、前述のように、FIRフィルター係数を決定する場合に直線位相チャンネルフィルターのインパルス応答に関連付け(convolved)されねばならない。更に、ボイスコイル(ドライバの音響中心)は、整列配置され得ない。これを補償するために、FIRインパルス応答に先行ゼロを加えることによって、適切な遅延をフィルターに組み込むことができる。
更に、次の方程式に従って遅延を、各々のチャンネルに加えることができる:
Δt=p/c・sinα、(p=ドライバ座標、c=345m/秒)
ここにおいて、主音波ビーム(代替として主軸に対して垂直である)は、角度αで所望の方向に向けることができる。
Δt=p/c・sinα、(p=ドライバ座標、c=345m/秒)
ここにおいて、主音波ビーム(代替として主軸に対して垂直である)は、角度αで所望の方向に向けることができる。
更に、1次元レイアウトの幾何学的配置は、前述のように幾何学的配置を対称形に行うことにより、設計プロセスが2次元で(即ち、x及びy軸に沿って)実施されうるように変更可能である。対称性によって、より高いコーナー(corner)周波数以外では、同じ指向性特性はy軸(垂直)に沿って生じる。
本発明の各種実施形態が記載されている一方、より多くの実施形態及び実施態様が本発明の範囲内で可能であることは、当業者にとって明らかである。従って、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物を考慮する以外、本発明は限定されてはならない。
100 マルチウェイ・ラウドスピーカ
102 中央ツイター
103 第1パワーD/A変換器
104、106 付加的ツイター
105 第2パワーD/A変換器
107 第3パワーD/A変換器
108、110 中音域ドライバ
109 第4パワーD/A変換器
111 第5パワーD/A変換器
112、114 中音域ドライバ
113 第6パワーD/A変換器
116、118 ウーファー
120、122、124、126 ウーファー
128、130、132、134、140、142、148 区分室
136、138、144、146、150、152 セパレーター
154 ハウジング
102 中央ツイター
103 第1パワーD/A変換器
104、106 付加的ツイター
105 第2パワーD/A変換器
107 第3パワーD/A変換器
108、110 中音域ドライバ
109 第4パワーD/A変換器
111 第5パワーD/A変換器
112、114 中音域ドライバ
113 第6パワーD/A変換器
116、118 ウーファー
120、122、124、126 ウーファー
128、130、132、134、140、142、148 区分室
136、138、144、146、150、152 セパレーター
154 ハウジング
Claims (1)
- 該ラウドスピーカのx軸とy軸のほぼ交差する位置に設置され1つの中央ドライバと、
該中央ドライバに関するx軸とy軸の両軸に関し該ラウドスピーカに沿って対称に設置された中央ドライバとサイズの違う少なくとも2つのドライバを有する該ラウドスピーカと、
少なくとも1つのパワーD/A変換器からディジタル出力信号をそれぞれ受信する中央ドライバに関し対称に設置されている、該中央ドライバ及び該2つのドライバと、
少なくとも1つのディジタルFIRフィルターを通してフィルターを掛けられているディジタル出力信号と、
を備える、ラウドスピーカ。
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