JP2011182177A - オーディオ再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカ再生用の信号に余計な歪を付加することなく、歪を低減する。
【解決手段】加速度変位変換部１が、スピーカの振動板加速度に比例した入力信号を２階積分して、振動板変位に比例した変位情報信号に変換し、変位調整部２が、変位情報信号を非線形処理して、振動板変位に対して線形特性をもつ調整済変位信号を生成する。変位加速度変換部３は、その調整済変位信号を２階微分して、スピーカの振動板加速度に比例した信号に戻す。
【選択図】図２

Description

この発明は、スピーカ再生時の歪を低減するオーディオ再生装置に関するものである。

スピーカは、信号発生器より出力される電気信号を振動板の機械的な振動に変換し、その機械的な振動により空気を振動させて音を発生させる。スピーカは、電気信号から音響信号に変換する動作より電気音響変換器と呼ばれ、図９に示すように電気的な情報を音響的な情報に変換し、聴取者の耳に伝える役割を持っている。

図９において、信号発生器１０１より出力される電気信号１０２は、アンプ１０３を経由してスピーカ１０４にて音波（音響信号）１０５に忠実に変換されることが望ましいとされているが、実際には忠実に変換することが困難である。聴取者１０６の耳に伝達される音波１０５の周波数特性（図９（ｄ））は、電気信号１０２の周波数特性（図９（ａ））と比べ、スピーカ１０４の最低共振周波数ｆ０を境に、低域ほど１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰する性質がある。これは、電気信号１０２がスピーカ１０４の振動板で機械的な信号に変換される過程において、電気−機械系の伝達特性（振動板速度の周波数特性）が最低共振周波数ｆ_０を境にそれより低域、高域共に６ｄＢ／ｏｃｔで減衰する特性になること（図９（ｂ））、及びスピーカ１０４の機械的な振動により発生した音波１０５が聴取者１０６の耳に伝達する過程において、機械−音圧系の伝達特性（音圧の周波数特性）が周波数の増加に伴い６ｄＢ／ｏｃｔで増加する特性になること（図９（ｃ））が原因である。

さらに、信号発生器１０１より低域成分を含む大振幅の電気信号１０２（図１０（ａ））がスピーカ１０４に入力された場合、聴取者１０６の耳に伝達する音波１０５は図１０（ｃ）のように歪んだ波形となる。図１０（ａ），（ｃ）のグラフは縦軸が振幅、横軸が時間を示す。
この歪の原因は、スピーカ１０４の振動板を駆動する重要な役目を持っているボイスコイルの動きに関係がある。ボイスコイルは振動板と一体化しており、ボイスコイルに流れる電流（即ち電気信号１０２）とボイスコイルにかかる磁場の関係から、フレミングの左手の法則によりボイスコイルに力が働き振動する。ここで、ボイスコイルの振動変位に応じて磁束密度が変化するため、ボイスコイルにかかる力も変化し、ボイスコイル及び振動板の変位量が非線形特性を持つようになる（図１０（ｂ））。

そこで、スピーカの非線形特性により生じる歪を低減する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の低歪スピーカ装置は、入力信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、スピーカの入力電圧対振幅の非線形特性を線形特性にするように前記デジタル信号を補正するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）と、前記ＤＳＰから出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換器とを備える。そして、スピーカの非線形特性による歪を低減するために、スピーカの入力電圧をｘ、振動板の振幅をｙとして、スピーカの入力電圧対振幅特性を下式（１）の多項式で近似し、ＤＳＰで下式（２）のようなｘとｙを入れ替えた特性を持つ近似式によって非線形補正を行う。これにより、入力電圧対振幅特性が線形特性になる。

特開昭６０−２０４１９８号公報

しかしながら、特許文献１の低歪スピーカ装置では、大振幅、かつ、高音成分を多く含む信号を非線形処理すると余計な歪が付加され、音質が劣化するという課題があった。以下にこの詳細を説明する。

図１１に示す振動板動作の関係図より、図１１（ａ）の振動板加速度はスピーカの最低共振周波数ｆ_０より高音の成分から構成され、図１１（ｂ）の振動板変位は最低共振周波数ｆ_０より低音の成分から構成されていることが分かる。また、図１１（ｃ）より、振動板速度は最低共振周波数ｆ_０を境に、それより高域及び低域が減衰する特性となることが分かる。また、図１２に示すスピーカの歪率の例より、周波数が低いほど歪率が大きく、周波数が高いほど歪率が小さいことが分かる。
特許文献１の非線形処理は、周波数に対する歪率の違いを考慮せずに全周波数帯域に対して同じように非線形処理するので、歪率が大きい低音成分を多く含む信号に対する非線形処理と同様の処理を、大振幅かつ歪率が小さい高音成分を多く含む信号に対して施すと、余計な歪が付加されて音質が劣化してしまうこととなる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、余計な歪を付加することなく、歪を低減することを目的とする。

この発明に係るオーディオ再生装置は、スピーカの振動板加速度に比例した入力信号を２階積分して、振動板変位に比例した変位情報信号に変換する加速度変位変換部と、変位情報信号を所定処理して、調整済変位信号を生成する変位調整部と、調整済変位信号を２階微分して、スピーカの振動板加速度に比例した出力信号に変換する変位加速度変換部とを備えるものである。

この発明によれば、スピーカの振動板加速度に比例した入力信号を振動板変位に比例した変位情報信号に変換し、この変位情報信号を所定処理して、振動板加速度に比例した出力信号に戻すようにしたので、低音成分から構成される振動板変位の情報を補正することにより、余計な歪を付加することなく歪を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係るオーディオ再生装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す信号処理部の構成を示すブロック図である。 図２に示す加速度変位変換部が有する積分器について、図３（ａ）は構成例を示すブロック図、図３（ｂ）は周波数特性を示すグラフである。 実施の形態１に係るオーディオ再生装置が備えるスピーカの、電気信号と振動板変位の非線形特性を示すグラフである。 振幅調整前の変位情報信号対振幅調整後の調整済変位信号の関係を示すグラフである。 図２に示す変位加速度変換部が有する微分器について、図６（ａ）は構成例を示すブロック図、図６（ｂ）は周波数特性を示すグラフである。 実施の形態２の加速度変位変換部が有する２階積分器について、図７（ａ）は構成例を示すブロック図、図７（ｂ）は周波数特性を示すグラフである。 実施の形態２の変位加速度変換部が有する２階微分器について、図８（ａ）は構成例を示すブロック図、図８（ｂ）は周波数特性を示すグラフである。 従来のスピーカを説明する図であり、図９（ａ）〜図９（ｄ）に各過程の信号特性を示す。 従来のスピーカに発生する歪を説明する図である。 スピーカの振動板動作と周波数の関係を示し、図１１（ａ）は振動板加速度、図１１（ｂ）は振動板変位、図１１（ｃ）は振動板速度の図である。 周波数に応じたスピーカの歪率を示す図である。

実施の形態１．
図１に示すオーディオ再生装置は、先立って説明した従来のオーディオ装置（図１０）の信号発生器１０１とアンプ１０３との間に挿入される信号処理部２００を新たに備える構成である。この信号処理部２００は、図２に示すように、スピーカ１０４の振動板（不図示）の振動板加速度の情報に比例した入力信号を振動板変位の情報に比例した変位情報信号に変換する加速度変位変換部１と、変位情報信号の周波数特性を調整し、調整済変位情報信号を生成する変位調整部２と、調整済変位情報信号を振動板加速度の情報に比例した加速度情報信号（出力信号）に変換する変位加速度変換部３とから構成される。

加速度変位変換部１は、図３（ａ）に示す積分器１０を２段カスケード接続して２階積分する構成である。この積分器１０は、図３（ｂ）に示すように、スピーカ１０４の最低共振周波数ｆ_０をカットオフ周波数とし、最低共振周波数ｆ_０より高域の周波数成分が６ｄＢ／ｏｃｔで減衰するローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。加速度変位変換部１は、この特性を満たすものであれば、図３（ａ）に示す以外の構成であってもよい。

図３（ａ）に示す積分器１０は、乗算器１１、遅延器１２、乗算器１３及び加算器１４から構成され、積分器１０へ入力される入力信号ｘ_ｉ［ｎ］を積分した出力信号ｙ_ｉ［ｎ］を、式（３）より算出する。

ここで、Δｎはサンプリング間隔、ｆ_０は最低共振周波数である。

積分器１０において、乗算器１１が入力信号ｘ_ｉ［ｎ］をゲイン（１−ｋ）で乗算した信号（１−ｋ）・ｘ_ｉ［ｎ］と、遅延器１２が積分器１０の出力信号ｙ_ｉ［ｎ］の１サンプル遅延した信号ｙ_ｉ［ｎ−１］を生成した後に乗算器１３がゲインｋで乗算した信号ｋ・ｙ_ｉ［ｎ−１］とを、加算器１４が加算して出力信号ｙ_ｉ［ｎ］にする。
加速度変位変換部１は、後段の積分器１０が出力した出力信号ｙ_ｉ［ｎ］を変位情報信号として変位調整部２へ出力する。

変位調整部２は、事前に電気信号に対するスピーカ１０４の振動板変位量をセンサにより測定し、その結果得られる電気信号と振動板変位の非線形特性から、変位情報信号と聴取者１０６の耳の間の入出力特性が線形特性になるよう、非線形処理を行う。センサによる測定は、例えば無音時の振動板の位置を基準位置とし、測定用の電気信号を再生した際の振動板の基準位置からの変位量をレーザ変位計等により観測することで行う。また、測定により得られた振動板変位量の実測値は、スピーカ１０４の最大無歪振幅によって正規化し、その正規化値を非線形特性の算出に用いる。測定により得られた、電気信号とスピーカ１０４の振動板変位の関係（非線形特性）を多項式関数、非線形関数等に近似し、その逆関数（処理関数）を変位調整部２に設定する。そして、変位調整部２は、加速度変位変換部１が出力した変位情報信号を逆関数に基づいて非線形処理して、線形特性をもつ調整済変位信号にして、変位加速度変換部３へ出力する。

スピーカ１０４が、例えば図４に示すように横軸の電気信号の値が大きいほど、縦軸の振動板変位の増加量がより小さくなる非線形特性を有する場合、変位調整部２は、図５に示すように横軸の調整前の信号が大きいほど、縦軸の調整後の信号をより大きくするような非線形処理を施す。これにより、スピーカ１０４での再生時に、振動板変位の非線形特性による歪の発生を低減することができる

変位加速度変換部３は、図６（ａ）に示す微分器３０を２段カスケード接続して２階微分する構成である。この微分器３０は、図６（ｂ）に示すように、スピーカ１０４の最低共振周波数ｆ_０をカットオフ周波数とし、最低共振周波数ｆ_０より高域の周波数成分が６ｄＢ／ｏｃｔで増加するフィルタである。

また、変位加速度変換部３を加速度変位変換部１とカスケード接続した場合、加速度変位変換部１への入力側と変位加速度変換部３からの出力側とで信号に変化がないものとする。具体的には、図３（ａ）の積分器１０で、入力信号の所望の高域成分のゲインを減衰させた場合に、図６（ａ）の微分器３０が減衰した帯域成分のゲインを増加（回復）させ、元の信号に戻す働きがあるものとする。これにより、入力信号と加速度情報信号とで位相変形しないため、スピーカ１０４で良質の音を再生できる。

この微分器３０は、遅延器３１、乗算器３２、減算器３３及び乗算器３４から構成され、微分器３０へ入力される入力信号（即ち、調整済変位信号）ｘ_ｄ［ｎ］を微分した出力信号ｙ_ｄ［ｎ］を、式（４）より算出する。

ここで、Δｎはサンプリング間隔、ｆ_０は最低共振周波数である。

微分器３０において、入力信号ｘ_ｄ［ｎ］と、遅延器３１が入力信号ｘ_ｄ［ｎ］の１サンプル遅延した信号ｘ_ｄ［ｎ−１］を生成した後に乗算器３２がゲインｋで乗算した信号ｋ・ｘ_ｄ［ｎ−１］とを減算器３３が減算し、その結果得られた差分信号（ｘ_ｄ［ｎ］−ｋ・ｘ_ｄ［ｎ−１］）を乗算器３４がゲイン１／（１−ｋ）で乗算して出力信号ｙ_ｄ［ｎ］にする。
変位加速度変換部３は、後段の微分器３０が出力した出力信号ｙ_ｄ［ｎ］を加速度情報信号としてアンプ１０３へ出力する。

以上より、実施の形態１によれば、オーディオ再生装置を、スピーカ１０４の振動板加速度に比例した入力信号を２階積分して、振動板変位に比例した変位情報信号に変換する加速度変位変換部１と、変位情報信号を非線形処理して、振動板変位に対して線形特性をもつ調整済変位信号を生成する変位調整部２と、調整済変位信号を２階微分して、スピーカ１０４の振動板加速度に比例した加速度情報信号に変換する変位加速度変換部３とを備えるよう構成した。この構成により、入力信号を、測定がしやすく、かつ、低音成分から構成される振動板変位の情報に変換して補正することができるので、余計な歪が付加されず、また、聴取者の耳に伝達する音響信号はスピーカによる歪が低減された良質の音になる。

また、実施の形態１によれば、加速度変位変換部１が最低共振周波数ｆ_０より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰させた変位情報信号を生成し、変位加速度変換部３が最低共振周波数ｆ_０より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰させた出力信号を生成するようにして、加速度変位変換部１が入力信号のゲインを調整した場合に、変位加速度変換部３が当該調整したゲインを回復させた加速度情報信号を生成する構成にした。このため、加速度変位変換部１を構成する２つの積分器１０と変位加速度変換部３を構成する２つの微分器３０をそれぞれカスケード接続した場合に入出力で信号に変化がないので、位相変形がなく、良質の音を再生できる。

実施の形態２．
上記実施の形態１に係るオーディオ再生装置では、加速度変位変換部１の２階積分処理及び変位加速度変換部３の２階微分処理が、スピーカ１０４の最低共振周波数ｆ_０のみを考慮した変換処理であったが、本実施の形態２ではスピーカ１０４の共振先鋭度Ｑも考慮する構成とする。なお、本実施の形態２に係るオーディオ再生装置は、図１及び図２に示すオーディオ再生装置と図面上では同様の構成であるため、以下では図１及び図２を援用して説明する。

実施の形態２の加速度変位変換部１は、図７（ａ）に示す２階積分器１０ａから構成される。この２階積分器１０ａは、図７（ｂ）に示すように、スピーカ１０４の最低共振周波数ｆ_０をカットオフ周波数とすることに加え、最低共振周波数ｆ_０近傍のゲイン値がスピーカ１０４の共振先鋭度Ｑに応じて変動し、最低共振周波数ｆ_０より高域の周波数成分が１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰するＬＰＦである。加速度変位変換部１は、この特性を満たすものであれば、図７（ａ）に示す以外の構成であってもよい。

図７（ａ）に示す２階積分器１０ａは、乗算器１１、遅延器１２−１、乗算器１３−１遅延器１２−２、乗算器１３−２、及び加算器１４から構成され、２階積分器１０ａへ入力される入力信号ｘ’_ｉ［ｎ］を２階積分した出力信号ｙ’_ｉ［ｎ］を、式（５）より算出する。

ここで、Δｎはサンプリング間隔、ｆ_０は最低共振周波数、Ｑは共振先鋭度である。

２階積分器１０ａにおいて、乗算器１１が入力信号ｘ’_ｉ［ｎ］をゲインａで乗算した信号ａ・ｘ’_ｉ［ｎ］と、遅延器１２−１が２階積分器１０ａの出力信号ｙ’_ｉ［ｎ］の１サンプル遅延した信号ｙ’_ｉ［ｎ−１］を生成した後で乗算器１３−１がゲインｂ_１で乗算した信号ｂ_１・ｙ’_ｉ［ｎ−１］と、遅延器１２−２が出力信号ｙ’_ｉ［ｎ］の２サンプル遅延した信号ｙ’_ｉ［ｎ−２］を生成した後で乗算器１３−２がゲイン−ｂ_２で乗算した信号−ｂ_２・ｙ’_ｉ［ｎ−２］とを、加算器１４が加算して出力信号ｙ’_ｉ［ｎ］にする。
加速度変位変換部１は、２階積分器１０ａが出力した出力信号ｙ’_ｉ［ｎ］を変位情報信号として変位調整部２へ出力する。

同様に、実施の形態２の変位加速度変換部３は、図８（ａ）に示す２階微分器３０ａから構成される。この２階微分器３０ａは、図８（ｂ）に示すように、スピーカ１０４の最低共振周波数ｆ_０をカットオフ周波数とすることに加え、スピーカ１０４の共振先鋭度Ｑの大小に応じて最低共振周波数ｆ_０近傍のゲイン値が大小に変動し、最低共振周波数ｆ_０より高域の周波数成分が１２ｄＢ／ｏｃｔで増加するフィルタである。

また、上記実施の形態１と同様に、本実施の形態２でも変位加速度変換部３を加速度変位変換部１とカスケード接続した場合に、加速度変位変換部１への入力側と変位加速度変換部３からの出力側とで信号に変化がないものとする。具体的には、図７（ａ）の２階積分器１０ａで、入力信号の所望の高域成分のゲインを減衰させた場合に、図８（ａ）の２階微分器３０ａが減衰した帯域成分のゲインを増加（回復）させ、元の信号に戻す働きがあるものとする。これにより、入力信号と加速度情報信号とで位相変形しないため、スピーカ１０４で良質の音を再生できる。

この２階微分器３０ａは、遅延器３１−１、乗算器３２−１、遅延器３１−２、乗算器３２−２、加算器３５、及び乗算器３４から構成され、２階微分器３０ａへ入力される入力信号（即ち、調整済変位信号）ｘ’_ｄ［ｎ］を２階微分した出力信号ｙ’_ｄ［ｎ］を、式（６）より算出する。

ここで、Δｎはサンプリング間隔、ｆ_０は最低共振周波数、Ｑは共振先鋭度である。

２階微分器３０ａにおいて、入力信号ｘ’_ｄ［ｎ］と、遅延器３１−１が入力信号ｘ’_ｄ［ｎ］の１サンプル遅延した信号ｘ’_ｄ［ｎ−１］を生成した後に乗算器３２−１がゲイン−ｂ_１で乗算した信号−ｂ_１・ｘ’_ｄ［ｎ−１］と、遅延器３１−２が入力信号ｘ’_ｄ［ｎ］の２サンプル遅延した信号ｘ’_ｄ［ｎ−２］を生成した後に乗算器３２−２がゲインｂ_２で乗算した信号ｂ_２・ｘ’_ｄ［ｎ−２］とを加算器３５が加算し、その結果得られた信号（ｘ’_ｄ［ｎ］−ｂ_１・ｘ’_ｄ［ｎ−１］＋ｂ_２・ｘ’_ｄ［ｎ−２］）を乗算器３４がゲイン１／ａで乗算して出力信号ｙ’_ｄ［ｎ］にする。
変位加速度変換部３は、２階微分器３０ａが出力した出力信号ｙ’_ｄ［ｎ］を加速度情報信号としてアンプ１０３へ出力する。

以上より、実施の形態２によれば、加速度変位変換部１が最低共振周波数ｆ_０近傍のゲインを共振先鋭度Ｑに応じて変動させ、かつ、最低共振周波数ｆ_０より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰させた変位情報信号を生成し、変位加速度変換部３が最低共振周波数ｆ_０近傍のゲインを共振先鋭度Ｑに応じて変動させ、かつ、最低共振周波数ｆ_０より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで増加させた出力信号を生成するようにして、加速度変位変換部１が入力信号のゲインを調整した場合に、変位加速度変換部３が当該調整したゲインを回復させた加速度情報信号を生成する構成にした。このため、加速度変位変換部１がスピーカの最低共振周波数ｆ_０だけでなく共振先鋭度Ｑも考慮するので、スピーカの振動板変位をより反映した変位情報信号にでき、この結果、スピーカ再生時の歪低減効果を向上できる。また、上記実施の形態１と同様に、加速度変位変換部１と変位加速度変換部３の入出力で信号に変化がないので、位相変形がなく、良質の音を再生できる。

１ 加速度変位変換部、２ 変位調整部、３ 変位加速度変換部、１０ 積分器、１０ａ ２階積分器、１１ 乗算器、１２，１２−１，１２−２ 遅延器、１３，１３−１，１３−２ 乗算器、１４ 加算器、３０ 微分器、３０ａ ２階微分器、３１，３１−１，３１−２ 遅延器、３２，３２−１，３２−２ 乗算器、３３ 減算器、３４ 乗算器、３５ 加算器、１０１ 信号発生器、１０２ 電気信号、１０３ アンプ、１０４ スピーカ、１０５ 音波（音響信号）、１０６ 聴取者。

Claims (8)

1. スピーカの振動板加速度に比例した入力信号を２階積分して、振動板変位に比例した変位情報信号に変換する加速度変位変換部と、
   前記変位情報信号を所定処理して、調整済変位信号を生成する変位調整部と、
   前記調整済変位信号を２階微分して、前記スピーカの振動板加速度に比例した出力信号に変換する変位加速度変換部とを備えるオーディオ再生装置。
2. 変位加速度変換部は、加速度変位変換部が入力信号のゲインを調整した場合に、当該調整したゲインを回復させた出力信号を生成することを特徴とする請求項１記載のオーディオ再生装置。
3. 加速度変位変換部は、スピーカの振動板加速度に比例した入力信号を２階積分するときに、当該スピーカの最低共振周波数より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰させた変位情報信号を生成することを特徴とする請求項２記載のオーディオ再生装置。
4. 加速度変位変換部は、スピーカの振動板加速度に比例した入力信号を２階積分するときに、当該スピーカの最低共振周波数の近傍のゲインを共振先鋭度に応じて変動させ、かつ、当該最低共振周波数より高域を１２／ｏｃｔで減衰させた変位情報信号を生成することを特徴とする請求項２記載のオーディオ再生装置。
5. 変位加速度変換部は、変位調整部が生成した調整済変位信号を２階微分するときに、スピーカの最低共振周波数より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで増加させた出力信号を生成することを特徴とする請求項２記載のオーディオ再生装置。
6. 変位加速度変換部は、変位調整部が生成した調整済変位信号を２階微分するときに、スピーカの最低共振周波数の近傍のゲインを共振先鋭度に応じて変動させ、かつ、当該最低共振周波数より高域を１２ｄＢ／ｏｃｔで増加させた出力信号を生成することを特徴とする請求項２記載のオーディオ再生装置。
7. 変位調整部は、変位情報信号を非線形処理して、振動板変位に対して線形特性をもつ調整済変位信号を生成することを特徴とする請求項１記載のオーディオ再生装置。
8. 変位調整部は、非線形処理のための処理関数を、入力信号に対する振動板変位の特性の実測値を基に決定することを特徴とする請求項７記載のオーディオ再生装置。

Images