JP2024056432A - 音響制御装置 - Google Patents

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尚史 福田
雅彦 久保
和昭 齋藤
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Abstract

【課題】非対称R2Rスピーカにおいて、精度良く振動をキャンセルすること。【解決手段】実施形態のオーディオアンプは、音源信号に基づき、第1のスピーカを駆動させる第1の駆動信号と、第1のスピーカと背面同士が対向するように設けられ、第1のスピーカと物理的な特性が異なる第2のスピーカを駆動させる第2の駆動信号と、を生成する。オーディオアンプは、第1の駆動信号による第1のスピーカの振動と、第2の駆動信号による第2のスピーカとの振動の誤差である誤差信号が小さくなるように、第2の駆動信号を補正する。【選択図】図4

Description

本発明は、音響制御装置に関する。
スピーカは、振動板が前後に動くことによる空気振動によって音を発生させる構造を持つ。その際、動きの反作用により、磁器回路及びフレームが少なからず動くことから、正確な振動板振動に対し不要振動(歪み)が生じる。さらに、そのような不要振動がスピーカに固定された周囲の部材に伝わり、異音を発生させることがある。
これに対し、磁気回路の背面側に装着した重りにより、磁気回路の振動を抑制する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
さらに、対向する同形状のスピーカを同相信号で駆動し、振動を打ち消すR2R(Rear to Rear)方式が知られている(例えば、非特許文献1を参照)。また、R2R方式を構成するそれぞれのスピーカを、ユニットと呼ぶ場合がある。また、R2R方式によって構成された2つのスピーカを、R2Rスピーカと呼ぶ場合がある。
R2R方式によれば、ユニットの駆動振動及び空気圧変動を互いにキャンセルでき、筐体からの異音の発生を防止できる。
R2R方式には、他にも「背面対向構造」、「Dual Opposed」、「Force Cancelling」等の呼び名がある。また、R2R方式は、ホーム用のスピーカシステムで採用される場合がある。
特開2002-152884号公報
デンソーテン、「TD316SWMK2」、[online]、[2022年7月11日検索]、インターネット(https://www.eclipse-td.com/products/td316swmk2/index.html)
R2Rスピーカを小型化する目的で、スピーカ同士を異なる形状にすることが考えられる。この場合の2つのスピーカを、非対称R2Rスピーカと呼ぶ。
しかしながら、非対称R2Rスピーカにおいては、スピーカの物理的な特性が互いに異なるため、精度良く振動をキャンセルできない場合がある。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る音響制御装置は、音源信号に基づき、第1のスピーカを駆動させる第1の駆動信号と、第1のスピーカと背面同士が対向するように設けられ、第1のスピーカと物理的な特性が異なる第2のスピーカを駆動させる第2の駆動信号と、を生成する。音響制御装置は、第1の駆動信号による第1のスピーカの振動と、第2の駆動信号による第2のスピーカとの振動の誤差である誤差信号が小さくなるように、第2の駆動信号を補正する。
本発明によれば、非対称R2Rスピーカにおいて、精度良く振動をキャンセルすることができる。
図1は、スピーカの配置例を示す図である。 図2は、非対称R2Rスピーカの構成例を示す図である。 図3は、オーディオシステムの構成例を示す図である。 図4は、第1の実施形態の音響信号処理部の構成例を示す図である。 図5は、第1の実施形態の音響信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。 図6は、第2の実施形態の音響信号処理部の構成例を示す図である。 図7は、第2の実施形態の音響信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。 図8は、第3の実施形態の音響信号処理部の構成例を示す図である。 図9は、第3の実施形態の音響信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。 図10は、従来のR2Rスピーカの構成を示す図である。
まず、図10を用いて、従来のR2Rスピーカについて説明する。図10は、従来のR2Rスピーカの構成を示す図である。
図10に示すように、R2Rスピーカ40aは、スピーカ41aとスピーカ42aとが、背中合わせに結合されたものである。背中合わせとは、音が鳴る振動板と反対側の部材同士を合わせることを意味する。
従来のR2Rスピーカには、装置全体のサイズが大きくなるという問題がある。また、従来のR2Rスピーカでは、2つのスピーカの形状が同じである必要があるため、設計の自由度が低下する。
本実施形態では、従来のR2Rスピーカの課題を解決することを目的として、非対称R2Rスピーカが用いられる。
非対称R2Rスピーカでは、2つのスピーカの物理的特性が互いに異なっていることが許容される。例えば、非対称R2Rスピーカでは、従来のR2Rスピーカと比較して、一方のスピーカが小型化される。
一方で、非対称R2Rスピーカには、2つのスピーカの物理的な特性が異なるため、2つのスピーカに同じ駆動信号を入力しただけでは、振動をキャンセルすることができない場合がある。
これは、2つのスピーカの形状、重量、物質特性等が異なるためである。形状、重量、物質特性等は、物理的な特性の一例である。例えば、スピーカ41aとスピーカ42aの異なる物理的な特性は、形状、重量、物質特性の内、少なくとも1つである。
また、前述の通り、非対称R2Rスピーカでは一方のスピーカが他方のスピーカと比べて小型化される。例えば、小型化に際して、2つのスピーカの構造及び材質等が互いに異なり、その結果、2つのスピーカの物理特性が互いに異なるものとなる場合がある。
例えば、重量の異なる2つのスピーカに同じ駆動信号を入力した場合、2つのスピーカの振動の周期及び振幅等に差が生じ、その差が不要振動及び異音の原因になることが考えられる。
また、2つのスピーカの物理的な特性が異なることから、振動の打ち消し合いができない周波数帯域が生じ、そのような周波数帯域では、キャンセル側が振動を増幅させ、異音が発生する場合がある。
また、スピーカの周波数の経年変化により、そのような振動の打ち消し合いができない周波数帯域が変動するため、製造時には振動をキャンセルできていたとしても、時間の経過とともに振動をキャンセルできなくなる場合がある。
さらに、入力した信号の大きさによってスピーカの振動の量が非線形に変動するため、振動をキャンセルできない周波数帯域が変動する。例えば、通常の音量で音楽を再生する場合には振動をキャンセルできていたとしても、大音量時に異音が発生する場合がある。
実施形態では、非対称R2Rスピーカにおいて、精度良く振動をキャンセルすることを1つの目的とする。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する音響制御装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。
[第1の実施形態]
第1の実施形態では、非対称R2Rスピーカが車両に搭載されるものとする。一方で、実施形態の非対称R2Rスピーカは、車両以外の移動体、建物の内部又は屋外に設置されるものであってもよい。
図1は、スピーカの配置例を示す図である。図1に示すように、車両1は、スピーカ31、スピーカ32、スピーカ33、スピーカ34、スピーカ35、スピーカ36、スピーカ37、スピーカ40を備える。
スピーカ31は、前席左側(チャンネル:FrontL)に備えられる。スピーカ32は、前席右側(チャンネル:FrontR)に備えられる。スピーカ33は、後席左側(チャンネル:RearL)に備えられる。スピーカ34は、後席右側(チャンネル:RearR)に備えられる。スピーカ35は、前席左ドア(チャンネル:FdoorL)に備えられる。スピーカ36は、前席右ドア(チャンネル:FdoorR)に備えられる。スピーカ37は、前席中央(チャンネル:Center)に備えられる。
スピーカ40は、後席中央に備えられる。スピーカ40は、非対称R2Rスピーカである。スピーカ40は、低域の音を出力するウーファーとして機能するスピーカであってもよい。なお、スピーカ40が配置される位置は後席中央に限定されず、車両1の任意の位置であってよい。
ここで、非対称スピーカの一方の側を、鳴動側と呼ぶ。また、非対称スピーカの鳴動側と反対の側を、キャンセル側と呼ぶ。また、スピーカ40は、鳴動側のWoofer1及びキャンセル側のWoofer2の2つのチャンネルに対応する。
また、車両1には、再生装置10及びオーディオアンプ20が備えられる。再生装置10は、音の再生信号をオーディオアンプ20に入力する。オーディオアンプ20は、再生信号に基づき、各スピーカに音を出力するための信号を送信する。なお、再生装置10とオーディオアンプ20は、互いに別の装置であってもよいし、一体構成であってもよい。
また、オーディオアンプ20が出力する信号は、スピーカを駆動させるための信号であることから、駆動信号と呼ばれる。
再生装置10は、音源として機能する装置であればよく、例えば、カーナビゲーションシステム、ドライブレコーダ、カーオーディオシステム、スマートフォン等である。
オーディオアンプ20は、再生信号に対し、FIR(Finite Impulse Response)、IIR(Infinite Impulse Response)等によるフィルタリング、ミックス、ノイズ除去、増幅といった処理を行う。
さらに、オーディオアンプ20は、非対称R2Rスピーカであるスピーカ40に対し、精度良く振動をキャンセルできるような駆動信号を送信する。スピーカ40に送信される駆動信号については後に詳しく説明する。
オーディオアンプ20は、音響制御装置の一例であり、音響制御方法を実行する。
ここで、図2を用いてスピーカ40の構成を説明する。図2は、非対称R2Rスピーカの構成例を示す図である。
図2に示すように、スピーカ40は、鳴動側スピーカ41及びキャンセル側スピーカ42を有する。また、鳴動側スピーカ41の一部及びキャンセル側スピーカ42は、筐体45に収められている。また、図2に示すように、鳴動側スピーカ41の背面は、キャンセル側スピーカ42の背面と対向している。
鳴動側スピーカ41は、ボイスコイル411、磁気回路412、振動板413及び結合部414を備える。また、キャンセル側スピーカ42は、ボイスコイル421、磁気回路422及び結合部424を備える。
本実施形態では、キャンセル側スピーカ42は振動板を備えていない。ただし、キャンセル側スピーカ42は振動板を備えていてもよい。
キャンセル側スピーカ42は、振動板を備えていない場合であっても、駆動信号により振動を生じさせる。キャンセル側スピーカ42は、この振動により、鳴動側スピーカ41の振動をキャンセルする。
また、結合部414及び結合部424は、金属又は樹脂等の部材であり、それぞれボイスコイル411及びボイスコイル421とともに振動する。
結合部414及び結合部424は、図2のように密着している必要はない。例えば、結合部414及び結合部424は、非特許文献1に示す構成と同様に、シャフトにより結合されていてもよい。また、結合部414及び結合部424は、シリンダー内に対向して設けられたピストンであってもよい。この場合、ピストン間の空間の空気圧によって、振動がキャンセルされる。
再生装置10及びオーディオアンプ20は、オーディオシステム2を構成する。図3を用いて、オーディオシステム2の構成を説明する。図3は、オーディオシステムの構成例を示す図である。
図3に示すように、再生装置10は、複数のチャンネルの再生信号をオーディオアンプ20に入力する。オーディオアンプ20は、各スピーカに対応した複数のチャンネルの駆動振動を出力する。
なお、オーディオアンプ20の入力チャンネル数と出力チャンネル数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
オーディオアンプ20は、音響信号処理部21及びP-IC(パワーアンプIC)22を有する。音響信号処理部21は、再生信号に対してフィルタリング等の処理を行う。P-IC22は、処理済みの再生信号を増幅し、駆動信号として各スピーカに出力する。
例えば、音響信号処理部21は、コンピュータのCPUがコントローラとして機能し、ROM(Read Only Memory)に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって実現される。音響信号処理部21は、音源信号に基づき、スピーカ駆動信号を生成するコントローラの一例である。なお、スピーカ駆動信号は、音響信号処理部21が各スピーカに出力する駆動信号である。また、コントローラは、音響信号処理部21のみを実現するのではなく、音響信号処理部21とP-IC22の両方を実現するものであってもよい。
また、コントローラは、マイコン、DSP(Digital Signal Processor)、ECU(Electronic Control Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)、SoC(System on a Chip)等であってもよい。
また、コントローラは、単一のプロセッサであってもよいし、マルチプロセッサ構成であってもよい。また、コントローラは、単一のソケットで接続される単一のチップ内に複数のコアを有するマルチコア構成であってもよい。
図4を用いて、第1の実施形態の音響信号処理部21の構成を説明する。図4は、第1の実施形態の音響信号処理部の構成例を示す図である。
図4に示すように、音響信号処理部21は、補正部211及び合成部212を有する。
また、第1の実施形態では、P-IC22は、電流モニタリング機能を有する。P-IC22は、電流モニタリング機能により、鳴動側スピーカ41及びキャンセル側スピーカ42で発生する逆起電流をモニタリングする。
P-IC22は、鳴動側スピーカ41の逆起電流を鳴動側逆起信号として音響信号処理部21にフィードバックする。また、P-IC22は、キャンセル側スピーカ42の逆起電流を、キャンセル側逆起信号として音響信号処理部21にフィードバックする。
ここで、駆動側逆起信号は、鳴動側スピーカ41の振動に応じて生じる信号である。また、キャンセル側逆起信号は、キャンセル側スピーカ42の振動に応じて生じる信号である。本実施形態においては、鳴動側スピーカ41の振動とキャンセル側スピーカ42の振動が互いに打ち消しあっていれば、駆動側逆起信号とキャンセル側逆起信号との間の誤差はなくなるものと仮定する。
音響信号処理部21は、再生装置10から入力された再生信号に基づき、鳴動側スピーカ41を駆動させる鳴動側駆動信号と、鳴動側スピーカ41と背面同士が対向するように設けられ、鳴動側スピーカ41と物理的な特性が異なるキャンセル側スピーカ42を駆動させるキャンセル側駆動信号を生成する。音響信号処理部21は、鳴動側駆動信号を鳴動側スピーカ41に送信し、キャンセル側駆動信号をキャンセル側スピーカ42に送信する。例えば、鳴動側スピーカ41とキャンセル側スピーカ42の異なる物理的な特性は、形状、重量、物質特性の内、少なくとも1つである。
音響信号処理部21は、再生装置10から入力された再生信号に対し、イコライジング等の処理を行うことで、鳴動側駆動信号及びキャンセル側駆動信号を生成し、送信してもよい。
再生信号は、音源信号の一例である。また、鳴動側スピーカ41は、第1のスピーカの一例である。また、キャンセル側スピーカ42は、第2のスピーカの一例である。また、鳴動側駆動信号は、第1の駆動信号の一例である。また、キャンセル側駆動信号は、第2の駆動信号の一例である。
補正部211は、鳴動側駆動信号による鳴動側スピーカ41の振動と、キャンセル側駆動信号によるキャンセル側スピーカ42の振動の誤差である誤差信号が小さくなるように、第2の駆動信号を補正する。
補正部211は、鳴動側スピーカ41からの逆起電流とキャンセル側スピーカ42からの逆起電流の差である誤差信号が小さくなるように、キャンセル側駆動信号を補正する。
補正部211は、誤差信号を小さくするフィルタにより、キャンセル側駆動信号を補正する。フィルタにより、キャンセル側駆動信号の振幅位相特性が補正される。
合成部212は、駆動側逆起信号とキャンセル側逆起信号の符号を反転させた信号を合成し、誤差信号を得る。誤差信号は、駆動側逆起信号とキャンセル側逆起信号の誤差を表している。なお、誤差信号は、鳴動側スピーカ41及びキャンセル側スピーカ42からフィードバックされた信号ということができる。
補正部211は、このような誤差信号が最小化されるようなフィルタを生成し、生成したフィルタをキャンセル側駆動信号に挿入する。また、ここでのフィルタは適応フィルタ(例えば、LMSフィルタ(least mean squares filter)及びRLSフィルタ(recursive least squares filter))であり、補正部211は、既知の最適化アルゴリズムに従って適応フィルタを生成することができる。
これにより、補正部211が誤差信号を最小化するようなフィルタを設計することで、音響信号処理部21は、全ての周波数において鳴動側スピーカ41の振動を精度良くキャンセルできる。
また、補正部211は、音響信号処理部21が鳴動側駆動信号及びキャンセル側駆動信号を送信している間、継続してフィードバックを受け、補正を行う。これにより、補正部211は、動的にフィルタを更新することができる。その結果、再生信号の音量の変化、及び鳴動側スピーカ41及びキャンセル側スピーカ42の経年変化が生じても、音響信号処理部21は、精度良く振動をキャンセルすることができる。
図5を用いて、第1の実施形態の処理の流れを説明する。図5は、第1の実施形態の音響信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。
図5に示すように、まず、音響信号処理部21は、再生信号の入力を受け付ける(ステップS101)。
次に、音響信号処理部21は、再生信号を基に、鳴動側駆動信号を鳴動側スピーカに送信し、キャンセル側駆動信号をキャンセル側のスピーカに送信する(ステップS102)。
続いて、音響信号処理部21は、駆動側とキャンセル側のスピーカの逆起信号から誤差信号を算出する(ステップS103)。そして、音響信号処理部21は、誤差信号を最小化する適応フィルタをキャンセル側駆動信号に挿入する(ステップS104)。
その後、音響信号処理部21は、ステップS101に戻り、処理を繰り返す。
[第2の実施形態]
図6を用いて、第2の実施形態の音響信号処理部21の構成を説明する。図6は、第2の実施形態の音響信号処理部の構成例を示す図である。なお、第1の実施形態と第2の実施形態で共通する部分については、適宜説明を省略する。
図6に示すように、スピーカ40には、モーションフィードバック機構401が設けられる。第2の実施形態では、モーションフィードバック機構401から受け取ったフィードバック信号が誤差信号として用いられる。
補正部211は、鳴動側スピーカ41とキャンセル側スピーカ42との間に設けられたモーションフィードバック機構401から受け取った誤差信号が小さくなるように、キャンセル側駆動信号を補正する。これにより、音響信号処理部21は、精度良く振動をキャンセルすることができる。
第1の実施形態と同様に、補正部211は、誤差信号を小さくするフィルタ(適応フィルタ)により、キャンセル側駆動信号を補正する。
モーションフィードバック機構401は、例えば圧電素子を用いた振動センサを含む。モーションフィードバック機構401は、振動の大きさを示す振動センサのセンサ値(振動量)を誤差信号として音響信号処理部21にフィードバックする。補正部211は、振動センサによって検知される振動が小さくなるようにキャンセル側駆動信号の補正を行う。
図7を用いて、第2の実施形態の処理の流れを説明する。図7は、第2の実施形態の音響信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。
図7に示すように、まず、音響信号処理部21は、再生信号の入力を受け付ける(ステップS201)。
次に、音響信号処理部21は、再生信号を基に、鳴動側駆動信号を鳴動側のスピーカに送信し、キャンセル側駆動信号をキャンセル側のスピーカに送信する(ステップS202)。
続いて、音響信号処理部21は、スピーカに備えられたモーションフィードバック機構からモーションフィードバック(例えば振動センサのセンサ値)を受け取る(ステップS203)。そして、音響信号処理部21は、誤差信号であるモーションフィードバックを基に、適応フィルタをキャンセル側駆動信号に挿入する(ステップS204)。
その後、音響信号処理部21は、ステップS201に戻り、処理を繰り返す。
[第3の実施形態]
図8を用いて、第3の実施形態の音響信号処理部21の構成を説明する。図8は、第3の実施形態の音響信号処理部の構成例を示す図である。なお、第1の実施形態と第3の実施形態で共通する部分については、適宜説明を省略する。
図8に示すように、スピーカ40の近傍に、マイクロホン60が設けられる。第3の実施形態では、マイクロホン60によって収集された音声から検知された異音の信号が誤差信号として用いられる。
音響信号処理部21には、異音検知部213が備えられる。異音検知部213は、マイクロホン60によって収集された音声から異音を検知する。
例えば、異音検知部213は、マイクロホン60によって収集された音声の信号から、再生信号を除去した信号を異音として検知する。また、異音検知部213は、ディープニューラルネットワーク等の機械学習モデルを使って異音を検知するものであってもよい。
異音検知部213は、検知した異音の信号を誤差信号として補正部211に受け渡す。
補正部211は、鳴動側スピーカ41及びキャンセル側スピーカ42から発生した異音の信号である誤差信号が小さくなるように、キャンセル側駆動信号を補正する。これにより、音響信号処理部21は、異音を基準にして振動をキャンセルすることができる。
第1の実施形態と同様に、補正部211は、誤差信号を小さくするフィルタ(適応フィルタ)により、キャンセル側駆動信号を補正する。
図9を用いて、第3の実施形態の処理の流れを説明する。図9は、第3の実施形態の音響信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。
図9に示すように、まず、音響信号処理部21は、再生信号の入力を受け付ける(ステップS301)。
次に、音響信号処理部21は、再生信号を基に、鳴動側駆動信号を鳴動側のスピーカに送信し、キャンセル側駆動信号をキャンセル側のスピーカに送信する(ステップS302)。
続いて、音響信号処理部21は、スピーカの近傍に設けられたマイクロホンによって収集された音声から検知された異音の信号を受け取る(ステップS303)。そして、音響信号処理部21は、誤差信号である異音の信号を基に、適応フィルタをキャンセル側駆動信号に挿入する(ステップS304)。
その後、音響信号処理部21は、ステップS301に戻り、処理を繰り返す。
上述してきたように、各実施形態に係るオーディオアンプ20は、音源信号に基づき、第1のスピーカを駆動させる第1の駆動信号と、第1のスピーカと背面同士が対向するように設けられ、第1のスピーカと物理的な特性が異なる第2のスピーカを駆動させる第2の駆動信号と、を生成する。オーディオアンプ20は、第1の駆動信号による第1のスピーカの振動と、第2の駆動信号による第2のスピーカとの振動の誤差である誤差信号が小さくなるように、第2の駆動信号を補正する。
これにより、オーディオアンプ20は、非対称R2Rスピーカにおいて、精度良く振動をキャンセルすることができる。
また、各実施形態によれば、キャンセル側スピーカ42の形状の変更、小型化、軽量化等が可能になるため、非対称R2Rスピーカの設計の自由度が増す。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 車両
10 再生装置
20 オーディオアンプ
31、32、33、34、35、36、37、40 スピーカ
41 鳴動側スピーカ
42 キャンセル側スピーカ
45 筐体
60 マイクロホン
211 補正部
212 合成部
213 異音検知部
401 モーションフィードバック機構
411、421 ボイスコイル
412、422 磁気回路
413 振動板
414、424 結合部

Claims (6)

  1. 音源信号に基づき、スピーカ駆動信号を生成するコントローラを備え、
    前記コントローラは、
    前記音源信号に基づき、第1のスピーカを駆動させる第1の駆動信号と、前記第1のスピーカと背面同士が対向するように設けられ、前記第1のスピーカと物理的な特性が異なる第2のスピーカを駆動させる第2の駆動信号と、を生成し、
    前記第1の駆動信号による前記第1のスピーカの振動と、前記第2の駆動信号による前記第2のスピーカとの振動の誤差である誤差信号が小さくなるように、前記第2の駆動信号を補正する
    音響制御装置。
  2. 前記第1のスピーカと前記第2のスピーカの異なる物理的な特性は、形状、重量、物質特性の内、少なくとも1つである
    請求項1に記載の音響制御装置。
  3. 前記コントローラは、
    前記第1のスピーカからの逆起電流と前記第2のスピーカからの逆起電流の差である前記誤差信号が小さくなるように、前記第2の駆動信号を補正する
    請求項1に記載の音響制御装置。
  4. 前記コントローラは、
    前記第1のスピーカと前記第2のスピーカとの間に設けられたモーションフィードバック機構から受け取った前記誤差信号が小さくなるように、前記第2の駆動信号を補正する
    請求項1に記載の音響制御装置。
  5. 前記コントローラは、
    前記第1のスピーカ及び前記第2のスピーカから発生した異音の信号である前記誤差信号が小さくなるように、前記第2の駆動信号を補正する
    請求項1に記載の音響制御装置。
  6. 前記コントローラは、
    前記誤差信号を小さくするフィルタにより、前記第2の駆動信号を補正する
    請求項1に記載の音響制御装置。
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