JP2018201062A - スピーカー駆動装置およびスピーカー駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカーの特性に係わるパラメータの推定に要する制御負担を軽減し、スピーカーの駆動制御の応答性を高めることができ、外乱や環境変化等に応じてスピーカー特性を迅速に最適化することができるスピーカー駆動装置およびスピーカー駆動方法を提供する。
【解決手段】スピーカー駆動装置１０は、スピーカー１２に印加される電圧の電圧値および／またはスピーカー１２に入力される電流の電流値を少なくとも検出可能な検出部１４と、検出部１４によって検出された電圧値および／または電流値に基づいてスピーカー１２の特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定する推定部１８と、推定部１８によって推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいてスピーカー１２を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部２０と、を有して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを推定してスピーカーの駆動制御を行うスピーカー駆動装置およびスピーカー駆動方法に関する。

従来、ダイナミック型スピーカーの特性をモデル化するためのパラメータとして、電気的要素、機械的要素、音響的要素等からなるＴＳ（Thiele and Small）パラメータが広く知られている。このＴＳパラメータには、経時変化を伴うパラメータや非線形パラメータが含まれることから、これらのパラメータを経時変化や環境変化等に応じて変化させることでスピーカーの駆動制御を行う技術が数多く提案されている。

このような従来の技術の一つとして、ＴＳパラメータのうちの電気的要素（電圧および電流）の測定値を拡張カルマンフィルタ推定器に印加することで、線形パラメータおよび非線形パラメータを推定してスピーカーの駆動制御を行うようにした音声信号処理方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−５０１０６号公報

しかしながら、従来の音声信号処理方法は、時間領域においてＴＳパラメータの推定を行うため、推定に際して、モデル化誤差と観測誤差の事前情報と、状態推定値の初期値等の事前情報が必要で、不確定さがあることに加えて、初期値が収束性に大きな影響を与え、最悪の場合、応答が発散してしまうおそれがある。また、推定に要する制御負担が大きく、スピーカーの駆動制御の応答性の向上には限界があり、外乱や環境変化等に即座に対応することが難しいといった問題がある。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであって、スピーカーの特性に係わるパラメータの推定に要する制御負担を軽減し、スピーカーの駆動制御の応答性を高めることができ、外乱や環境変化等に応じてスピーカー特性を迅速に最適化することができるスピーカー駆動装置およびスピーカー駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、スピーカーに印加される電圧の電圧値および／または前記スピーカーに入力される電流の電流値を少なくとも検出可能な検出部と、前記検出部によって検出された前記電圧値および／または前記電流値に基づいて、前記スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定する推定部と、前記推定部によって推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいて、前記スピーカーを駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を有して構成される、ことを特徴とするスピーカー駆動装置である。

また、本発明は、スピーカーに印加される電圧の電圧値および／または前記スピーカーに入力される電流の電流値を少なくとも検出し、検出された前記電圧値および／または前記電流値に基づいて、前記スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定し、推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいて、前記スピーカーを駆動する、ことを特徴とするスピーカー駆動方法である。

本発明に係るスピーカー駆動装置およびスピーカー駆動方法によれば、スピーカーの特性に係わるパラメータの推定に要する制御負担を軽減し、スピーカーの駆動制御の応答性を高めることができ、外乱や環境変化等に応じてスピーカー特性を迅速に最適化することができるという優れた効果を奏し得る。

本実施形態に係るスピーカー駆動装置の構成の一例を示したブロック図である。 定数推定部の構成の一例を示したブロック図である。 ω対Ｚ（ω）の絶対値をプロットしたインピーダンス特性図である。 駆動電圧生成部の構成をモデル化したブロック図である。 （ａ）従来技術による過渡応答のシミュレーション結果を示した図である。（ｂ）本実施形態に係るスピーカー駆動装置による過渡応答のシミュレーション結果を示した図である。

以下、図面を用いて、本実施形態に係るスピーカー駆動装置について詳細に説明する。

＜全体構成＞
まず最初に、図１を用いて、本実施形態に係るスピーカー駆動装置１０の全体構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係るスピーカー駆動装置１０の構成の一例を示したブロック図である。

スピーカー駆動装置１０は、スピーカー１２に印加される電圧の電圧値ｅおよびスピーカー１２に入力される電流の電流値ｉを検出する検出部１４と、この検出部１４によって検出された電圧値ｅと電流値ｉをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１６と、このＡ／Ｄ変換器１６によって変換された電圧値Ｅと電流値Ｉが入力される定数推定部１８と、この定数推定部１８によって推定された複数種類のパラメータと入力信号（音声信号）ｆ（ｔ）に基づいて駆動電圧Ｖ（ｔ）を生成する駆動電圧生成部２０と、この駆動電圧生成部２０によって生成された駆動電圧Ｖ（ｔ）をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部２２と、このＤ／Ａ変換器２２によって変換された駆動電圧を増幅してスピーカー１２に向けて出力する増幅器２４と、を有して構成される。

なお、本発明に係るスピーカー駆動装置の構成は、図１に示した構成に限定されず、例えば、増幅器２４の増幅率等が既知であれば、検出部１４による電圧値の検出を省略し、電流値のみを検出するように構成してもよい。また、駆動電圧生成部２０によってスピーカー１２の駆動電圧を生成する例を示したが、駆動電圧生成部２０に替えて、定数推定部１８によって推定された複数種類のパラメータと入力信号ｆ（ｔ）に基づいて駆動電流Ｉ（ｔ）を生成する駆動電流生成部を備え、生成された駆動電流Ｉ（ｔ）によってスピーカー１２の電流制御を行う構成を採用してもよい。

＜スピーカー＞
次に、スピーカー１２について説明する。本実施形態に係るスピーカー１２は、ダイナミック型スピーカーである。ダイナミック型スピーカーの構造は既知であるため、その詳細な説明は省略するが、一般には、ボイスコイル、ボイスコイルボビン、マグネットヨーク、トッププレート、スパイダー（サスペンション）、フレーム（ハウジング）、エッジ（サラウンド）、キャップ、ダイヤフラム（振動板）等の部品によって構成される。

・スピーカーの運動方程式
このようなダイナミック型スピーカーの特性は、次の＜数式１＞に示す運動方程式によってモデル化することができる。

ここで、パラメータｘは、ボイスコイルの変位であり、パラメータＩ（ｔ）は、ボイスコイルを流れる電流であり、パラメータＢは、ボイスコイルギャップにおける磁場の強さ（磁束密度）であり、パラメータｌは、ボイスコイルの巻線の長さ（電線長）である。なお、Ｂとｌの積であるＢｌは、駆動力係数と呼ばれるものである。

また、パラメータＭは、スピーカー１２の可動部の全質量をモデル化した振動系等価質量であり、線形パラメータの一つである。より具体的には、パラメータＭは、スピーカー１２のダイヤフラム（振動板）、ボイスコイル、ボイスコイルボビン、キャップ、ダンパーやエッジの一部からなる可動部品の全質量に加えて、可動部品が動くことによって一緒に動かされる空気による音響負荷相当質量を含めたものである。

パラメータＲｍは、スピーカー１２のエッジやダンパーの摩擦および機械的損失をモデル化した等価抵抗であり、線形パラメータの一つである。パラメータＫは、スピーカー１２のサスペンション（スパイダー等）の全体剛性をモデル化した等価剛性であり、スピーカー１２のダイヤフラム（振動板）の変位等に依存する非線形パラメータの一つである。

・スピーカーの駆動電圧
ダイナミック型スピーカーの駆動電圧Ｖ（ｔ）は、＜数式２＞に示す数式でモデル化することができる。

ここで、パラメータＲは、スピーカー１２のボイスコイルの直流抵抗値であり、線形パラメータの一つである。パラメータＬは、スピーカー１２のボイスコイルの電気インダクタンスであり、スピーカー１２のダイヤフラム（振動板）の変位等に依存する非線形パラメータの一つである。

＜定数推定部＞
次に、図２を用いて、定数推定部１８について説明する。なお、図２は、定数推定部１８の構成の一例を示したブロック図である。

定数推定部１８は、検出部１４から入力される電圧値Ｅに窓関数を乗じて窓関数処理を行う第１窓関数処理部１８ａと、窓関数処理後の電圧値に対してＤＦＴ変換（離散フーリエ変換）を行う第１ＤＦＴ処理部１８ｂと、検出部１４から入力される電流値Ｉに窓関数を乗じて窓関数処理を行う第２窓関数処理部１８ｃと、窓関数処理後の電流値に対してＤＦＴ変換を行う第２ＤＦＴ処理部１８ｄと、第１ＤＦＴ処理部１８ｂおよび第２ＤＦＴ処理部１８ｄによって得られた各ωにおける電圧値ｅ_ｒ＋ｊｅ_ｉと電流値ｉ_ｒ＋ｊｉ_ｉから複数のパラメータを非線形最小二乗法を用いて推定する推定部１８ｅと、を有して構成される。

なお、窓関数、ＤＦＴ変換（離散フーリエ変換）および非線形最小二乗法は既知の手法であるため、詳細な説明は省略するが、窓関数には、ハニング（Hanning）やハミング（Hamming）等を適用することができ、非線形最小二乗法には、Gauss-Newton法、Marquardt法等を適用することができる。

推定部１８では、検出部１４によって検出された電圧値および電流値のそれぞれに対して個別に窓関数を乗じて窓関数処理を行い、この窓関数処理後の電圧値および電流値のそれぞれに対して個別に離散フーリエ変換を行い、この離散フーリエ変換後の電圧値および電流値の両方に基づいて複数のパラメータを推定する。

より具体的には、本実施形態では、推定部１８ｅにおいて、上述の＜数式１＞および＜数式２＞に含まれる複数種類のパラメータのうち、５種類のパラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍの推定を行う。なお、上述の＜数式１＞および＜数式２＞に含まれる全てのパラメータを実際の物理量と一致させる必要はないため、本実施形態では、Ｂｌ（駆動力係数）は、１（固定値）としている。

次に、パラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍの推定方法について説明する。音圧は振動板の運動の加速度に比例することから、振動板がｄ^２ｘ／ｄｔ^２＝ｅ^ｊωｔで運動しているとして、ｄｘ／ｄｔ＝（１／ｊｗ）ｅ^ｊωｔ、ｘ＝（−１／ω^２）ｅ^ｊωｔとすると、上述の＜数式１＞および＜数式２＞から、次の＜数式３＞を導出することができる。

ｍ組の測定データω_ｋ，ｅ_ｒｋ＋ｊｅ_ｉｋ，ｉ_ｒｋ＋ｊｉ_ｉｋ（ｋ＝１，２，…，ｍ）に対して、Ｅ_ｒｋ＋ｊＥ_ｉｋ＝Ｚ（ω_ｋ）・（ｉ_ｒｋ＋ｊｉ_ｉｋ）とし、パラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍをｘ_ｇ（ｇ＝１，２，３，４，５）で表すと、次の＜数式４＞の値を最小にするｘ_ｇを非線形最小二乗法によって算出することで、パラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍをそれぞれ推定することができる。

なお、非線形最小二乗法による推定では、各パラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍを反復解法によって真の値に近づけていくために、最初の初期推定値が必要となるが、本実施形態では、次の＜数式５＞に示す数式を用いて、インピーダンスＺ（ω）の絶対値（｜Ｚ（ｗ）｜）を計算するとともに、図３に示す、縦軸にＺ（ω）の絶対値、横軸に角周波数ωをプロットしたインピーダンス特性図と、各パラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍの関係式（ａ）〜（ｅ）に基づいて、推定値の近似値を推定する。

（ａ）Ｒ＝Ｚ_ｍｉｎ、（ｂ）Ｌ＝Ｚω_ｍａｘ／ω_ｍａｘ、（ｃ）Ｒｍ＝Ｂ^２Ｌ^２／（Ｚ_０−Ｚ_ｍｉｎ）、（ｄ）Ｍ＝ＱＲｍ／ω_０、（ｅ）Ｋ＝ω_０ ^２Ｍ

図３に示すように、パラメータＺ_ｍｉｎは、インピーダンスＺ（ω）の絶対値の最小値であり、パラメータω_０は、共振角周波数であり、パラメータＺ_０は、共振角周波数でのインピーダンスＺ（ω）の絶対値である。また、パラメータω_ｍａｘは、最大角周波数であり、パラメータＺω_ｍａｘは、最大角周波数でのインピーダンスＺ（ω）の絶対値である。また、パラメータＱは、振動系の支持構造であるエッジやダンパーの最低共振周波数（振動系共振周波数）における振動しやすさを示すものであり、共振先鋭度と呼ばれる。

この共振先鋭度Ｑは、既知のパラメータであるため、その詳細な説明は省略するが、次の＜数式６＞に示す数式を用いて算出することができる。

ここで、ω_１、ω_２は、それぞれω_０の近傍でＺ≧Ｚ_ｑの条件を満たす最小と最大のωの値である。

＜駆動電圧生成部＞
次に、図４を用いて、駆動電圧生成部２０について説明する。なお、図４は、駆動電圧生成部２０の構成をモデル化したブロック図である。

駆動電圧生成部２０は、入力信号（音声信号）ｆ（ｔ）が入力される高域通過フィルタ２０ａと、上述の＜数式１＞および＜数式２＞と等価の電子回路２０ｂと、を有して構成される。この駆動電圧生成部２０の電子回路２０ｂは、定数推定部１８によって推定された複数種類のパラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍと、固定値としたパラメータＢｌと、高域通過フィルタ２０によって余分な低周波成分が除去された入力信号ｆ（ｔ）と、に基づいて、入力信号（音声信号）ｆ（ｔ）から駆動電圧Ｖ（ｔ）を生成する。

駆動電圧生成部２０によって生成された駆動電圧Ｖ（ｔ）は、Ｄ／Ａ変換部２２によってアナログ信号に変換された後、増幅器２４によって増幅されてスピーカー１２に向けて出力される。

＜過渡応答のシミュレーション＞
次に、図５を用いて、スピーカー駆動装置１０における過渡応答のシミュレーションについて説明する。なお、図５（ａ）は、従来技術による過渡応答のシミュレーションの結果を示した図であり、同図（ｂ）は、本実施形態に係るスピーカー駆動装置１０による過渡応答のシミュレーションの結果を示した図である。

４００Ｈｚの入力信号（試験信号）をスピーカーに入力した場合、図５（ａ）に示す従来技術によるシミュレーションでは、７．５０ｍｓ以降において、入力信号の波形と、再生音圧を示す、スピーカーの振動板における加速度の波形に、大きな差異が生じていることが分かる。これは、従来技術では、７．５０ｍｓ以降において、スピーカー駆動電圧が０Ｖであるにもかかわらず、スピーカーの振動板において変位０に戻る力が発生し、可聴帯域内の音がスピーカーから出力されていることを示している。

一方、図５（ｂ）に示すスピーカー駆動装置１０によるシミュレーションでは、７．５０ｍｓ以降において、入力信号の波形と、再生音圧を示す、スピーカーの振動板における加速度の波形は、ほぼ同じ波形であることが分かる。これは、スピーカー駆動装置１０では、スピーカーに印加される電圧の電圧値およびスピーカーに入力される電流の電流値を検出し、検出された電圧値および電流値に基づいて、スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定し、推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいてスピーカーを駆動することで、入力信号の変化と、再生音圧を示す、スピーカーの振動板における加速度の変化をほぼ一致させていることを示している。したがって、スピーカー駆動装置１０によれば、７．５０ｍｓ以降においてスピーカー駆動電圧が０Ｖとなった場合には、可聴帯域内の音がスピーカーから出力されることがなく、入力信号を忠実に再現することができる。なお、スピーカー駆動電圧が０Ｖ以外の場合であっても本効果と同様の効果を奏することは言うまでもない。

＜本願発明＞
以上説明したように、本願発明に係るスピーカー駆動装置（例えば、図１に示すスピーカー駆動装置１０）は、スピーカー（例えば、図１に示すスピーカー１２）に印加される電圧の電圧値および／または前記スピーカーに入力される電流の電流値を少なくとも検出可能な検出部（例えば、図１に示す検出部１４）と、前記検出部によって検出された前記電圧値および／または前記電流値に基づいて、前記スピーカーの特性に係わる複数のパラメータ（例えば、５種類のパラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍ）を周波数領域で推定する推定部（例えば、図１や図２に示す定数推定部１８）と、前記推定部によって推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいて、前記スピーカーを駆動する駆動信号（例えば、駆動電圧Ｖ（ｔ））を生成する駆動信号生成部（例えば、図１や図４に示す駆動電圧生成部２０）と、を有して構成される、ことを特徴とするスピーカー駆動装置である。

本実施形態に係るスピーカー駆動装置１０によれば、ＴＳパラメータの一部を周波数領域において推定することができるため、ＴＳパラメータを時間領域において推定する従来の方法に比べて、スピーカーの特性に係わるパラメータの推定に要する制御負担を軽減し、スピーカーの駆動制御の応答性を高めることができ、外乱や環境変化等に応じてスピーカー特性を迅速に最適化することができる。また、運動方程式に基づいて駆動信号を制御するため、周波数特性と過渡応答特性を大きく改善することができる。また、試験信号や集音マイク等が不要であり、音声を再生しながら駆動電圧（または駆動電流）を制御できるため、外乱や環境変化に迅速かつ柔軟に対応することができる。また、スピーカーケーブルのインピーダンスを含めたパラメータを推定できるため、スピーカーケーブルによる影響も補正することができる。

また、前記複数のパラメータには、線形パラメータ（例えば、パラメータＭ、Ｒｍ、Ｒ）および非線形パラメータ（例えば、パラメータＫ、Ｌ、Ｂｌ）が含まれ、前記推定部は、前記周波数領域において非線形最小二乗法を用いて前記複数のパラメータを推定するものであってもよい。

このような構成とすれば、パラメータの推定の精度や処理速度を高めることができ、スピーカーの駆動制御の応答性をより一層、高めることができ、外乱や環境変化等に応じてスピーカー特性を迅速に最適化することができる。

また、前記推定部は、前記検出部によって検出された前記電圧値および前記電流値のそれぞれに対して個別に窓関数を乗じて窓関数処理を行い、該窓関数処理後の前記電圧値および前記電流値のそれぞれに対して個別に離散フーリエ変換を行い、該離散フーリエ変換後の前記電圧値および前記電流値の両方に基づいて前記複数のパラメータを推定してもよい。

なお、本発明に係るスピーカー駆動装置の構成およびスピーカー駆動方法は、上記実施形態に係るスピーカー駆動装置の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

従って、例えば、本発明に係る検出部は、スピーカーに印加される電圧の電圧値およびスピーカーに入力される電流の電流値を少なくとも検出可能なものであればよく、例えば、図１に示す定数推定部１８や増幅器２４等と一体であってもよいし、電圧値および電流値以外の他の物理量を検出可能であってもよい。

また、本発明に係る推定部は、検出部によって検出された電圧値および電流値に基づいて、スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定するものであればよく、例えば、非線形最小二乗法以外の方法でパラメータを推定するものでもよいし、ＤＦＴ処理の前に窓関数処理を行わなくてもよい。また、推定するパラメータは、パラメータＲ、Ｌ、Ｍ、Ｋ、Ｒｍの５種類に限定されるものではなく、より詳細なモデルを使用してパラメータを増やしてもよく、その一部を固定値としてもよい。また、固定値とするパラメータは、パラメータＢｌに限定されるものではなく、他のパラメータであってもよい。

また、本発明に係る駆動信号生成部は、推定部によって推定された複数のパラメータ（固定化されたパラメータを含む）と入力信号とに基づいてスピーカーを駆動する駆動信号を生成するものであればよく、例えば、駆動電圧に替えて、駆動電流を生成するものであってもよい。

本発明に係るスピーカー駆動装置およびスピーカー駆動方法は、オーディオシステム、ヘッドフォン、パソコン、スマートフォン、および携帯電話等に用いられるダイナミック型スピーカーに広く適用することができる。

１０ スピーカー駆動装置
１２ スピーカー
１４ 検出部
１６ Ａ／Ｄ変換部
１８ 定数推定部
１８ａ 第１窓関数処理部
１８ｂ 第１ＤＦＴ処理部
１８ｃ 第２窓関数処理部
１８ｄ 第２ＤＦＴ処理部
１８ｅ 推定部
２０ 駆動電圧生成部
２０ａ 高域通過フィルタ
２０ｂ 電子回路
２２ Ｄ／Ａ変換部
２４ 増幅器

Claims (4)

1. スピーカーに印加される電圧の電圧値および／または前記スピーカーに入力される電流の電流値を少なくとも検出可能な検出部と、
   前記検出部によって検出された前記電圧値および／または前記電流値に基づいて、前記スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定する推定部と、
   前記推定部によって推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいて、前記スピーカーを駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を有して構成される、
   ことを特徴とするスピーカー駆動装置。
2. 請求項１に記載のスピーカー駆動装置において、
   前記複数のパラメータには、線形パラメータおよび非線形パラメータが含まれ、
   前記推定部は、前記周波数領域において非線形最小二乗法を用いて前記複数のパラメータを推定する、
   ことを特徴とするスピーカー駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のスピーカー駆動装置において、
   前記推定部は、前記検出部によって検出された前記電圧値および前記電流値のそれぞれに対して個別に窓関数を乗じて窓関数処理を行い、該窓関数処理後の前記電圧値および前記電流値のそれぞれに対して個別に離散フーリエ変換を行い、該離散フーリエ変換後の前記電圧値および前記電流値の両方に基づいて前記複数のパラメータを推定する、
   ことを特徴とするスピーカー駆動装置。
4. スピーカーに印加される電圧の電圧値および／または前記スピーカーに入力される電流の電流値を少なくとも検出し、検出された前記電圧値および／または前記電流値に基づいて、前記スピーカーの特性に係わる複数のパラメータを周波数領域で推定し、推定された複数のパラメータと入力信号とに基づいて、前記スピーカーを駆動する、
   ことを特徴とするスピーカー駆動方法。