JP2012129825A - 音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチウエイスピーカにて、デジタルクロスオーバによる帯域分割を行った信号を増幅する際に、複数のドライバ間でアンプを共有することを可能とする。
【解決手段】複数の周波数帯域をそれぞれ複数の駆動手段にて駆動する音響装置であって、オーディオ信号を帯域ごとに弁別するフィルタ手段と、複数の連続しない帯域を弁別する前記フィルタ手段からの出力を合成する合成手段と、前記合成された信号を増幅する増幅手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、音響装置、特に周波数帯域の異なる複数のスピーカからなるマルチウエイスピーカの駆動に関する。

従来音響装置としてのスピーカは、人間の聞く事の出来る可聴周波数範囲、２０［Ｈｚ］から２０［ｋＨｚ］までの帯域の音を再生するものである。スピーカは、音を出す発音体としてのドライバ、および該ドライバを格納する筐体としてのエンクロージャからなる。スピーカの周波数再生能力は、ドライバの口径に依存する。そのため上記可聴周波数帯域を複数の帯域に分割し、大型、中型、小型のドライバを一つのエンクロージャに格納し、ドライバ毎に、異なる周波数帯域の音を発生するマルチウエイのスピーカが広く用いられている。

これらマルチウエイ構成において、各ドライバの担当する周波数の信号をそれぞれのドライバに割り振るために、電気的なフィルタを用いた、低域、中域、高域などをそれぞれ分離可能なクロスオーバフィルタなどが用いられてきた。

クロスオーバフィルタの特性としては、それぞれのドライバの担当する周波数領域を急峻な特性で切り分ける必要がある。そのため高次のフィルタが設けられ、アナログ回路を用いて、パッシブフィルタを構成する際には、インダクタンスとしてのコイルとキャパシタンスとしてのコンデンサなど、特性の良い部品が求められてきた。

また、帯域ごとにアンプが必要となるが、オペアンプ等を用いたアクティブフィルタによるクロスオーバの実現なども行われており、パッシブフィルタより特性のよいフィルタが実現可能である。

昨今、デジタル技術の台頭により、デジタルフィルタによるクロスオーバフィルタが構成される物が見られるようになっている。デジタルフィルタとしては、有限インパルス応答フィルタ（ＦＩＲフィルタ）などが用いられており、急峻な特性とクロスオーバ部分での位相反転などの無いフィルタが構築できるため、より特性のよいマルチウエイスピーカを構成することが出来る。

また、デジタル処理としての遅延処理を含めることによって、各ウエイ間の遅延時間を調整して、各ウエイからの音が同時に、視聴者に届くように構成することができ、立ち上がり特性を併せることなどが行われている。（特許文献１参照）
上記従来例では、デジタルフィルタ処理された信号をそれぞれ個別の増幅器（アンプ）に入力して、それぞれのドライバを駆動することでデジタルクロスオーバおよびウエイ毎の遅延時間補正を実現していた。

特開昭６４−４４１９９号公報

パッシブクロスオーバを用いたシステムの場合は、パワーアンプ一台で各ＷＡＹ共通に使うことが可能であるが、クロスオーバ部分で、複数のドライバからの出力の合成がフラットになるように特性をそろえる必要がある。しかし、急峻な特性を得ようとすると、温度変化などで特性の変化しない、高価なコンデンサやコイルが必要であった。

デジタルフィルタによるクロスオーバ利用の場合には、クロスオーバ部の特性は、ＦＩＲフィルタなどを用いることによって、位相変化がない急峻な特性を安定して得たり、また、遅延補正を行う事が可能である為、高価なアナログ回路は不要である。

しかしながら、アクティブフィルタを用いたときと同じように、それぞれのドライバにアンプが必要になり、システムとしてのコストが高いものになる。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、デジタル処理やアクティブフィルタでのクロスオーバによる高精度なクロスオーバ制御でありながら、複数のドライバ間でアンプを共有することが可能になることを目的とする。また、アンプの数を低減することができ、高性能、低コスト化を計ることを目的とする。

上述の問題点を解決するため、本発明の音響装置は以下の構成を有する。すなわち、複数の周波数帯域をそれぞれ複数の駆動手段にて駆動する音響装置であって、オーディオ信号を帯域ごとに弁別するフィルタ手段と、複数の連続しない帯域を弁別する前記フィルタ手段からの出力を合成する合成手段と、前記合成された信号を増幅する増幅手段とを有する。

本発明によれば、デジタル処理やアクティブフィルタでのクロスオーバによる高精度なクロスオーバ制御でありながら、複数のドライバ間でアンプを共有することが可能になり、アンプの数を低減することができ、高性能、低コスト化を計ることが可能になる。

また、各ドライバ保護のためのＬＣフィルタを用いる場合でも、フィルタ係数に対する要求性能が低くて構わないため、安価に構成することが可能になる。

インパルス応答と帯域分割の説明図 本発明の構成を説明する模式図 本発明の構成を説明するブロック図 ドライバの動作帯域の説明図 分離フィルタ特性の例の説明図

以下、添付の図面を参照して、本願発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

＜実施形態１＞
マルチウエイスピーカで４ウエイの場合には、高域を受け持つツイータ（ＴＷ：第１の駆動手段）、中域のうち高い周波数領域を受け持つハイミッド（ＨＭ：第２の駆動手段）、中域の低い周波数帯域用のローミッド（ＬＭ：第３の駆動手段）、低域のバス（ＢＡＳＳ：第４の駆動手段）のような４つのドライバで構成される。それぞれに加えられるオーディオ信号は図１に示すようにＢＡＳＳ領域１０１、ＬＭ領域１０２、ＨＭ領域１０３、ＴＷ領域１０４のように周波数帯域別に弁別され各ドライバに加えられる。それぞれの領域を分けるクロスオーバ周波数は、そのシステムごとに決められており、ドライバの歪特性などをもとに決められる。

図１で示すように、隣り合う帯域においては、周波数の連続性を保つために、互いに重複する部分を有している。この重複分では、二つのドライバから音が出ることになるので、それぞれの信号の合成和の周波数特性が平坦になっている必要がある。アナログフィルタを用いて、このクロスオーバを実現するためには、特性の安定したアナログ部品を配置する必要があり、コスト高の原因となる。一方デジタル処理にてクロスオーバを実現する時には弁別手段である帯域ごとのフィルタを有限インパルス応答フィルタ（ＦＩＲ）などで構成することが多い。

ＦＩＲフィルタは、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）などのそれぞれのインパルス応答を、元信号に畳み込むことによって実現するフィルタであり、直線位相に設計できるなどの特徴を有している。

図１の１０５，１０６，１０７，１０８は、各フィルタを構成するインパルス応答波形の例であり、このような波形に対応する係数を複数タップ分用意し、入力信号に対して、畳み込み演算を行うことで各帯域のフィルタリングを行うことができる。

実際のシステムでは、このように帯域ごとに分けられた信号を更に遅延時間補正を行って各ドライバのアンプに送られる。遅延時間補正は、一番処理に時間のかかる信号に合わせるように、処理の早い、他のドライバへの信号を遅延させることで行われる。このときに、スピーカエンクロージャの構造に起因する、ドライバの発音点の距離差なども勘案して、遅延時間を決定してもよい。

通常のシステムの場合には、このそれぞれの帯域に分けられた信号を、それぞれ別々の増幅手段としてのパワーアンプに入力して、各ＴＷ，ＨＭ，ＬＭ，ＢＡＳＳが駆動され、空間上で音が合成されて視聴者に到達することになる。しかしながら同じ一台のアンプで異なる帯域のドライバを駆動しようとした場合、帯域が周波数上で連続になっていると周波数軸上での分離がうまくいかない。

そこで、本願発明では、図２に示すように、ぞれぞれの帯域が重なりあわないドライバを組とし、同じアンプを共有する構成とする。

図２は本音響装置の模式図である。ＢＡＳＳドライバ２０１とＨＭドライバ２０２、（Ｂ）では、ＬＭドライバ２０３とＴＷドライバ２０４がそれぞれパワーアンプ２０５，２０６に接続されている。ＢＡＳＳ領域１０１とＨＭ領域１０２、ＬＭ領域１０３とＴＷ領域１０４の帯域の信号が２０７，２０８に示すようなミキサーを通じて合成される。合成された信号は、２０９、２１０で示すような帯域の重なりのない周波数成分になっており、この信号がそれぞれのパワーアンプに供給され、その出力がそれぞれのドライバ組へと接続されている。パワーアンプで合成された信号は、それぞれ重複する帯域を有していないため、組み合わされた互いの帯域の信号を再生することが無い。そのため、歪などの弊害を招くことなく、パワーアンプの共有が可能になり、アンプ数を削減することできる。

図３は、実際の構成のブロック図である。図の３０１から３０４はデジタル入力信号を各帯域に分ける為のデジタルクロスオーバフィルタである。デジタル入力信号はＬＩＮＥ入力などのアナログ入力をＡＤコンバータなどでデジタル化したものや、いわゆる光デジタル信号入力から供給される。デジタルクロスオーバフィルタでは、先に説明したＦＩＲフィルタによって、各帯域が分離される。分離された各信号は、それぞれの遅延時間を調整するために、遅延調整ブロック３０５〜３０８のブロックに入力され、あらかじめ定められた帯域ごとの遅延時間が付加される。遅延調整からの出力は、それぞれ帯域が隣り合わない信号同士が、ミキサー２０７、２０８によって合成される。合成された信号は、パワーアンプ２０５、２０６に供給される。各アンプの出力には、ドライバが接続されているが、このときに、クロスオーバフィルタとは異なるフィルタ３０９、３１０、３１１、３１２を挿入しても良い。これは、各々ＬＰＦ３１０、３１２とＨＰＦ３０９、３１１から構成され、クロスオーバフィルタほどの性能を有していなくても単に二つの帯域を分けられる程度のもので構わない。これらのフィルタは、ドライバ保護と、不要な音の発生を防止するために挿入されている。

例えば、図４は、二つのドライバの駆動できる周波数帯域を示したものであるが、本来の駆動信号の帯域１０２、１０４に対して、ドライバが４０１、４０２までの帯域の音が発音可能である場合がある。このような特性であると、クロスオーバで分離した信号の、本来発音するべきでない音まで発音してしまうことになる。しかも本来のそのドライバが発音すべき帯域の音ではないために、歪等が大きいなどの悪影響を及ぼす音になる可能性が高い。

また、ＴＷなどの高周波帯域を担当するドライバに対して、低周波が加えられると、ドライバ自体のコイルなどの損傷を招く危険性もある。そのため、担当する帯域より低い周波数や、高い周波数は印加されないようにすることが、音質、破壊防止のために必要になっており、図３における３０９から３１２のような保護用フィルタが必要になる。これらのフィルタは物理的に信号を分離する必要があるため、ＬＣなどから構成されたパッシブフィルタで構成される。これら周波数弁別手段たるパッシブフィルタの特性は図４にあるように、合成される相手の帯域の信号を阻止するだけでよいので、高性能なものは不要である。たとえば、合成された信号帯域の中間点の周波数をＦｓ４０３とするとその周波数より高い周波数や、低い周波数をカットするＬＰＦ、ＨＰＦで構成すればよい。

また、このＬＰＦ，ＨＰＦのフィルタ特性としては、図５にあるように、駆動周波数帯域間にカットオフ周波数を設定し、互いの駆動周波数帯域までに信号が減衰するよう減衰特性を設定すればよい。また位相特性の反転がクロスオーバポイントまでに安定しているものであることが望ましい。さらに隣接する帯域とのクロスオーバ付近での位相が揃っていればさらに良い。このように構成しておけば、デジタルクロスオーバで、位相変化の発生してない信号をそのまま通過させることができ、音の干渉などによるゲイン低下などを避けることが出来る。

上記パッシブフィルタの特性が、安価な素子で達成できないような場合には、デジタルフィルタで特性補正を行っても良い。例えば、パッシブフィルタ特性がクロスオーバ付近で位相変化が避けられないような場合に、パッシブフィルタ特性を鑑みてデジタルフィルタの位相特性を、決定するなどしてもよい。

上記説明では、４つのウエイに分離する４ウエイ構成であったが、３つの帯域に分ける３ウエイ構成であっても適用可能である。その場合に、ミドルレンジは上下の周波数ともに隣接しているので、単独でアンプ接続を行い、高域と低域を同一のアンプで共有することになる。その際に、低域のドライバが高域信号を再生する能力が無いような場合には、保護フィルタを高域側だけに設けるなどの構成も可能である。高域のドライバにＤＣに近い成分が印加された時の破壊などの問題を回避できる。この用に、保護用のフィルタはシステムごとに、ドライバの特性に鑑み適宜決定すればよい。

上記説明では、おもにデジタルフィルタによるクロスオーバを用いた例について、述べてきたが、アクティブフィルタを用いたクロスオーバのシステムにも適用可能である。

以上により、本願発明は、デジタル処理やアクティブフィルタでのクロスオーバによる高精度なクロスオーバ制御でありながら、複数のドライバ間でアンプを共有することが可能になる。また、アンプの数を低減することができ、高性能、低コスト化を計ることが可能になる。

また、各ドライバ保護のためのＬＣフィルタを用いる場合でも、フィルタ係数に対する要求性能が低くて構わないため、安価に構成することが可能になる。

Claims (4)

1. 複数の周波数帯域をそれぞれ複数の駆動手段にて駆動する音響装置であって、
   オーディオ信号を帯域ごとに弁別するフィルタ手段と、
   複数の連続しない帯域を弁別する前記フィルタ手段からの出力を合成する合成手段と、
   前記合成された信号を増幅する増幅手段とを有することを特徴とする音響装置。
2. 前記増幅手段の後に周波数帯域を分離するパッシブフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の音響装置。
3. 前記駆動手段は、高域の周波数帯域用の第１の駆動手段と、中域のうち高い周波数帯域用の第２の駆動手段と、中域の低い周波数帯域用の第３の駆動手段と、低域の周波数帯域用の第４の駆動手段とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の音響装置。
4. 前記合成手段は、高域の周波数帯域と中域の低い周波数帯域を弁別した前記フィルタ手段からの出力を合成し、また、中域のうち高い周波数帯域と低域の周波数帯域を弁別した前記フィルタ手段からの出力を合成することを特徴とする請求項３に記載の音響装置。

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