JP4177328B2 - オーディオシステムにおける小型ダイナミックトランスデューサの信号強度情報依存制御 - Google Patents

Description

本発明は、小型ダイナミックトランスデューサを使用するオーディオシステムを備える装置による音声信号およびオーディオ信号の再生に関し、特に、高ダイナミックレンジのオーディオ周波数信号を再生することができるものに関する。

ダイナミックトランスデューサまたはダイナミックスピーカはそれぞれ、例えば音声／オーディオデータの伝送や一定の信号トーンの生成などの様々な音響機能を提供するために、ポータブルラジオ、ＭＰ３プレーヤ、小型ディスクプレーヤ、ポケットサイズのテープ再生機などの再生装置、さらには携帯電話、携帯情報端末などの移動通信端末、といったモバイル機器で使用されている。モバイル機器は絶えず小型化の対象となっており、スピーカを組み込むために残される利用可能なスペースも縮小する傾向にある。したがって音響技術者は常に、膜（membrane）の面積が小さく、かつ／またはその厚さが薄いダイナミックトランスデューサまたはスピーカを求めることになる。

小型スピーカの場合、膜の外周は、スピーカによって再現される少なくとも低周波域での音の波長よりも著しく短い。これにより生じる低周波数での変換効率の低下を補償するために、周波数の低下と反比例して膜速度 (membrane velocity) を高めなければならない。このようにして、それぞれのダイナミックスピーカの全周波数帯域で一様な変換効率を得ることができる。

この目的で、ダイナミックトランスデューサの膜共振周波数 (membrane resonant frequency) が、変換すべき周波数範囲の下端付近に設定され、ダイナミックスピーカが、そのコイル・インピーダンスの両端間の一定の電圧降下で動作する。後者の要件は、低出力インピーダンス・オーディオ回路を備えるスピーカを操作することによって容易に達成することができる。したがって、膜、スピーカのコイル、および移動空気の合成慣性質量が、おおよそ一定の力で駆動される。

周波数に無関係な一定の電圧降下で動作するとき、ダイナミックトランスデューサ膜の振動振幅は信号周波数の２乗に反比例する。この動作モードでは、低周波数で高い膜の振動振幅を予期しなければならない。膜の振動振幅が一定の限度を超過した場合、電気オーディオ周波数信号はそれぞれの音響信号に適切に変換されず、歪みおよびクリッピングが発生する。ときには、スピーカが損傷を受けることにもなる。したがって、低周波数のオーディオ周波数信号に対して許されるレベルは、スピーカ膜の最大振動振幅によって制限される。上記の説明は、具体的にはダイナミックトランスデューサ用の音響キャビネットの漏れ公差設計を有する移動通信端末や漏れ公差設計を有さない移動通信端末にも当てはまることに留意されたい。別の説明で適用可能な場合、通常は電気的形態のオーディオ周波数信号の呼称に「オーディオ信号」という略語を使用する。

ダイナミックトランスデューサの全効率はその膜面積のサイズとに強い相関がある。膜面積が大きいものは小さいものよりも効率は高い。膜面積が小さいダイナミックスピーカの効率を改善するためには、膜およびそのサスペンションの振動振幅を向上させるように設計しなければならない。しかし、ダイナミックスピーカをできる限り薄く設計するといういつもの要件によって、上記のような開発の指向は制限を受けることになる。したがって、所与のスペクトルを有する所与の信号について、薄くて小さいダイナミックトランスデューサで達成可能な音圧は、膜振動振幅が可能な狭い範囲にとどまる。

膜、駆動コイル、およびサスペンションによって形成されるスピーカ可動部の慣性質量を低減することによって変換効率を改善することができる。膜サスペンションの剛性は、一定限度以下には低減することができないので、高ダイナミックレンジ向け、すなわち広い音量範囲向けに設計されたスピーカは一般に、例外的に高い膜共振周波数を有し、したがって変換周波数応答の下限周波数が上昇する。

したがって、移動通信装置の音響システムなどの小型音響システムの音響スピーカに対して良好な音響品質および高いダイナミックレンジを求める音響技術者は、音響品質の改善のために共振周波数を低下させること、およびダイナミックレンジを拡大するために共振周波数を上昇させることの間で折り合いを見つけなければならない。

ＥＰ ０ ０７１ ８４５ Ｂ１は、オーディオ信号をいくつかのチャネルに分割し、各チャネルの信号を個々に増幅し、このように処理した個々の信号を合成して小型スピーカで変換する補聴器用のオーディオシステムを提案している。各チャネルに対して別々のフィルタおよび増幅器が必要となるため、音響品質の改善は非常に複雑な回路によって達成しているといえる。

ＷＯ９４／２３５４８で提案されているシステムについても同じ欠点を述べなければならない。ＥＰ ０ ０７１ ８４５ Ｂ１に加えて、このシステムは、各チャネルの出力信号に対して２つのしきい値を定義し、出力信号のゲインが、定義した下側のしきい値より下に降下する出力信号に対して増大し、定義した上側のしきい値を超過する出力信号に対して減少する。

米国特許第４７３９５１４号および米国特許第５３６１３８１号は、同じソースの増幅した低域フィルタ後の信号を元のオーディオ信号に重ね合わせ、オーディオ信号の低周波域をブーストする。低周波域の相対ブーストは、オーディオ信号の強さと共に変化する。相対ブーストは、人間が低い音圧で低周波数を聴く感度が低いことを補償するために、低信号レベルに対して高く、高信号レベルに対して低い。提案されるシステムは、低周波域で高いレベルを有するオーディオ信号を変換するのに十分なサイズの膜を使用する高出力スピーカシステム向けに設計されている。米国特許第５３６１３８１号は、上記技術をスピーカシステムのウーファだけに適用する。

ＥＰ ０ ０７１ ８４５ Ｂ１ ＷＯ９４／２３５４８ 米国特許第４７３９５１４号 米国特許第５３６１３８１号

本発明の目的は、ただ１つの小型ダイナミックトランスデューサを備えるオーディオシステムで再生される音響信号について、良好な音響品質および高いダイナミックレンジを実現することである。

上記の目的は、独立請求項に定義される発明によって達成される。

具体的には、上記の目的は、ダイナミックトランスデューサに対するオーディオ信号の信号強度情報依存周波数応答適応のための制御回路であって、前記オーディオ信号のレベルに従って信号強度情報を求める信号強度情報決定手段と、高レベルのオーディオ信号については、前記ダイナミックトランスデューサが前記オーディオ信号を低歪み音響信号に変換し、低レベルのオーディオ信号については、平坦な周波数応答となるように、前記信号強度情報に応答して前記オーディオ信号の選択的な周波数調整を行う調整手段とを備え、それによって前記オーディオ信号の低周波域が、前記オーディオ信号の高周波域のゲインとは異なるゲインで変更され、前記低周波域と前記高周波域とを分離する周波数が、前記オーディオ信号のレベルが上昇する場合には高い値にシフトし、前記オーディオ信号のレベルが減少する場合には低い値にシフトすることを特徴とする制御回路によって達成される。

上記の目的はさらに、ダイナミックトランスデューサに対するオーディオ信号の信号強度情報依存周波数応答適応の方法であって、前記オーディオ信号のレベルに従って信号強度情報を求めるステップと、高レベルのオーディオ信号については、前記ダイナミックトランスデューサが前記オーディオ信号を低歪み音響信号に変換し、低レベルのオーディオ信号については、平坦な周波数応答となるように、前記信号強度情報に応答して前記オーディオ信号を選択的に周波数変更するステップとを有し、それによって前記オーディオ信号の低周波域が、前記オーディオ信号の高周波域のゲインとは異なるゲインで変更され、前記低周波域と前記高周波域とを分離する周波数が、前記オーディオ信号のレベルが上昇する場合には高い値にシフトし、前記オーディオ信号のレベルが減少する場合には低い値にシフトすることを特徴とする方法によって達成される。

上記の目的はさらに、オーディオシステム上で使用するコンピュータ・ソフトウェア製品であって、記憶手段に格納され、オーディオシステムの処理手段によって実行されたときに、本発明の方法を処理することによって本発明の制御回路を実現するコンピュータ・ソフトウェア製品によって達成される。

さらに、上記の目的は、移動端末によって操作されるダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に対するオーディオ信号のレベル依存周波数選択性適応のための本発明の制御回路あるいは本発明のコンピュータ・ソフトウェア製品を実行する記憶手段および処理手段を備える移動通信端末によって達成される。

本発明は、信号の低周波域および高周波域を重み付けするだけでなく、変換されるオーディオ信号の信号強度情報に従って低周波域と高周波域とを分離する臨界周波数を適応的に調整することにより、小型ダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に対してオーディオ信号の周波数応答を適応化させることを可能とする点で有利である。

本発明の別の拡張が従属請求項に記載される。

低周波域と高周波域とを分離する臨界周波数のシフトは、カットオフ周波数がオーディオ信号のレベルが上昇する場合に高周波数にシフトし、オーディオ信号のレベルが低下する場合には低周波数にシフトするハイパスフィルタを備える調整手段によって効果的に実施される。

好ましくは、オーディオ信号強度情報が、移動通信端末上のボリューム設定から求められ、本発明の実現をより単純にすることが可能となる。あるいは、オーディオ信号強度情報は、オーディオ信号全体としての電流振幅または電流エネルギー量から求めることもでき、その結果、調整手段が、実際に存在する信号強度情報に反応することができる。ダイナミックトランスデューサを過度に使用する危険は具体的にはオーディオ信号の低周波域に関係するので、本発明の好ましい実施形態では、オーディオ信号のレベルを、オーディオ信号の低周波域の電流振幅または電流エネルギー量から求めることができる。

好ましくは、その振動振幅が低周波数でオーディオ信号のレベルの２乗に比例して変化する膜の挙動を補償するのに、ハイパスフィルタのカットオフ周波数が、オーディオ信号のピーク振幅の平方根に比例してシフトされ、またはオーディオ周波数信号の２乗平均平方根値の平方根に比例してシフトされる。

特に高レベルオーディオ信号に対してフラットな周波数を達成するために、調整手段を、オーディオ信号のレベルの低下に対応してオーディオ信号の高周波域のゲインを低減する周波数選択性ゲイン制御手段でさらに実現することができ、これは、比較的高い機械的共振周波数を示すダイナミックトランスデューサと組み合わせる際に特に有用である。

調整手段は、オーディオ信号のレベルの上昇に対応してオーディオ信号の低周波域のゲインを低減する周波数選択性ゲイン制御手段を備えることが好ましい。このようにして、ダイナミックトランスデューサを危険にさらすことなく周波数の下端を使用することができ、さらに、低周波域が、低下したレベルで依然として存在し、音質が向上する。

調整手段は、さらに、ボリューム設定とは無関係のオーディオ信号の低周波域内のゲインで実装することができ、したがってユーザ制御と無関係の低周波数の処理が可能となる。オーディオ信号の低周波域に対するゲインは、ここでは一定値に保つことができ、またはオーディオ信号のレベルが上昇する場合に低減することができ、それによって、好ましくは低周波域に対するゲインをオーディオ信号の高周波域に対するゲインよりも高くすることができる。

ダイナミックトランスデューサの変換特性に対するオーディオ信号の周波数応答の厳密な適合を達成するために、オーディオ信号強度情報のレベルが、ダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に従って求められる。

ダイナミックトランスデューサの膜の振動挙動に対する効果的な適合のために、フィルタのカットオフ勾配および／または周波数範囲のカットオフ勾配が、ほぼ周波数の２乗と共に増大する。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、オーディオ信号のレベルから導出される信号強度情報に基づく、ダイナミックトランスデューサの変換効率に対するオーディオ信号周波数応答の適応化を可能にする論理構成を示すブロック図である。オーディオ信号は、例えば移動通信端末などの機器のオーディオ周波数（ＡＦ）信号源１によって供給され、スピーカ４に供給される前に、調整部（ＦＲＭ）３でその周波数応答が調整される。ＡＦ信号のレベルに対する周波数応答調整の適応化が可能となるように、レベル決定部（ＬＤ）２が調整部３の制御ポートに接続される。周波数応答の適応化は通常、調整部３内に実装されたゲイン制御部によって実施され、ゲイン制御部は、信号強度情報を調整部３の周波数範囲選択ゲインに変換する。レベル決定はユーザ設定に基づくこともできるし、あるいは、図１の破線で示すように、オーディオ信号自体の直接的評価に基づくこともできる。

膜の振動振幅が信号周波数の２乗の逆数に比例するように関係付けられるとき、膜を過度に使用する危険が、特にＡＦ信号の低周波域について存在する。したがって、ＡＦ信号を変換するときの何らかの信号歪み、さらにはトランスデューサ自体の可能な損傷を防止するために、オーディオ信号の低域における周波数成分は一定のレベルを超過してはならない。電話による音声伝送の場合は一般に、３００〜３，４００ｓ^-1の周波数レンジが必要である。音楽伝送の場合には一般に、この周波数レンジがより高い周波数に拡張される。移動通信端末で使用されるダイナミックトランスデューサの直径は、通常は約１０から２０ｍｍである。こうしたトランスデューサにより、膜の共振周波数を約５００ｓ^-1〜２×１０³ｓ^-1の値に設定することが可能となる。膜の共振周波数が約５００ｓ^-1であるダイナミックトランスデューサは、音質は充分であるがダイナミックレンジは低い。一方、共振周波数が約２×１０³ｓ^-1であるトランスデューサは、音質は不十分であるものの、高いダイナミックレンジを実現する。共振周波数が低いダイナミックトランスデューサにとって許容できる信号強度が、共振周波数周辺の低周波数で可能な最大信号強度で与えられる限界を超えると、歪んだ音響信号またはクリッピングした音響信号が再現される。したがって、高レベルのＡＦ信号では、ＡＦ信号の周波数成分のうち高周波数成分を減衰させることが望ましい。十分低いレベルのオーディオ信号では、トランスデューサを過度に使用する危険がなく、その結果トランスデューサの全周波数範囲を使用して、フラットな周波数応答が得られる。

オーディオ信号のレベルを増大させるべくカットオフ周波数が高周波数にシフトされるハイパスフィルタを、この目的で使用することができる。カットオフ周波数のシフトは連続的に実施することができ、または離散的ステップで実施することができる。図２では、周波数に対するハイパスフィルタの相対ゲインを示す周波数応答曲線の一群が示されている。低レベルのオーディオ信号では、ハイパスフィルタのカットオフ周波数が、使用するダイナミックトランスデューサの共振周波数ｆrとおおよそ等しいか、または小さい（曲線２１を参照）。一定の臨界限度に近づくＡＦ信号のレベルでは、カットオフ周波数がより高い値にシフトし（曲線２２、２３、２４）、最大で、ダイナミックトランスデューサ４の膜が過度に使用されないよう保証する限界周波数ｆ₁までシフトする。膜の振動振幅とＡＦ信号周波数の２乗との間の反比例関係のため、膜を過度に使用する危険は、周波数の上昇と共に急激に低下する。したがって、カットオフ周波数に対する上限ｆ₁を設定することができる。

さらに、膜の挙動を厳密に補償するために、ハイパスフィルタのカットオフ周波数がＡＦ信号のレベルの平方根に比例してシフトすることが好ましい。上述に従ってハイパスフィルタのカットオフ周波数をシフトすることにより、オーディオ信号の低周波数は、オーディオ信号の高周波数成分と比較して、ＡＦ信号のレベルの上昇と共に漸進的に減衰する。

別の手法では、ハイパスフィルタがイコライザ・フィルタと組み合わせて使用され、フィルタ組合せの低周波域内のゲインを調整することが可能となる。２つのフィルタの周波数範囲は、オーディオ信号の低周波域内で重なる。それぞれのフィルタ組合せの第１実施例についての周波数応答の一群を図３ａに示す。ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、ほぼダイナミックトランスデューサの共振周波数ｆrに設定される。イコライザ・フィルタのゲインは、その周波数範囲の低周波数部分にわたって一定であるが、低レベルＡＦ信号については値１に設定される。臨界しきい値を超えるオーディオ信号レベルを表す信号強度情報に対して、イコライザ・フィルタの低周波数ゲインが連続的に低減される。図３ａに示す周波数応答は、ゲイン因子ｇ₁＝１、ｇ₂、ｇ₃、ｇ₄、ｇ₅を指す。イコライザ・フィルタの低周波数ゲイン因子を低減することにより、フィルタ組合せのカットオフ周波数が高周波数にシフトする。ゲイン因子約１を表す線３１ａは、カットオフ周波数ｆ_g1を示し、これはダイナミックスピーカの共振周波数にほぼ等しい。ゲイン因子ｇ₂を表す周波数応答線３２ａは、非常に高い値のエッジ周波数ｆ_g2を示し、ゲイン因子ｇ₃に対する周波数応答を表す線３３ａは、さらに高いエッジ周波数ｆ_g3を示し、ゲイン因子ｇ₄に対する周波数応答を表す線３４ａは、さらに高いエッジ周波数ｆ_g4を示し、周波数応答曲線３５ａは、最高のエッジ周波数ｆ_g5を示す。

あるいは、図３ｂに示すような周波数応答の浅いハイパスフィルタを使用することもできる。上述のフィルタ組合せと同様に、フィルタ組合せのエッジ周波数は、ＡＦ信号レベルの上昇に関する信号強度情報について高周波数にシフトし、その結果、高レベルのオーディオ信号についてオーディオ信号の低周波数を効果的に減衰させることができる。フィルタ組合せのカットオフ勾配は、浅いハイパスフィルタのエッジ周波数を変更することによって変更することができる。このように達成された、フィルタ組合せの高周波数範囲から低周波域への漸進的な遷移により、ＡＦ信号周波数応答の変更での滑らかな遷移が得られ、それによって音質が向上する。

図４ａおよび４ｂに、図２のような調節可能なカットオフ周波数を有するハイパスフィルタを、図３ａまたは図３ｂによるイコライザまたは浅いハイパスフィルタと共に使用するフィルタ組合せの周波数応答の一群を示す。こうした組合せにより、オーディオ信号の低周波域の信号レベルを、低周波数を完全にカットオフすることなくダイナミックトランスデューサを使用するのに安全な値に調整することが可能となる。周波数応答曲線４１ａ〜４５ａと４１ｂ〜４５ｂからわかるように、カットオフ周波数（ｆ_g1〜ｆ_g5）のシフトは、どちらの場合にも、それぞれイコライザまたは浅いハイパスフィルタのゲインあるいはエッジ周波数の変化によって重ねられるハイパスフィルタのカットオフ周波数のシフトの結果である。これまでに説明したフィルタリング方法は、約５００ｓ^-1のような低い共振周波数を有するダイナミックトランスデューサに特に当てはまる。このダイナミックトランスデューサは、良好な音響品質を提供するのに特に適しているが、記載の方式で扱わなかった場合に共振周波数周辺の周波数範囲内の高信号強度が膜変位 (membrane excursion) に過度に負荷をかけることになるので、比較的音響レベルが低い。

約１×１０³ｓ^-1の共振周波数を有するダイナミックトランスデューサを使用するとき、１キロヘルツ未満のオーディオ信号の低周波域がトランスデューサによって自動的に減衰され、その結果、実際にはトランスデューサを過度に使用する危険はない。ＡＦ信号の低いレベルでは、可能な膜変位の全範囲は利用されない。トランスデューサの未使用の能力は、送られる共振周波数未満の周波数範囲を拡張するのに利用することが好ましく、したがって音響品質が向上する。

高共振周波数トランスデューサを備えるオーディオシステムの音質改善のためには、共振周波数未満のＡＦ信号の周波数成分が、共振周波数より上の周波数範囲よりも高いゲインを受けなければならない。図５ａに、例えば１×１０³ｓ^-1の共振周波数ｆ_rを有するトランスデューサの周波数応答を示す。図５ｂに、ｆ_r未満の周波数域のためのローパスフィルタもしくはバンドパスフィルタとトランスデューサの共振周波数ｆ_r周辺にカットオフ周波数を有するハイパスフィルタとを使用するフィルタ組合せの周波数応答線の一群５１ｂから５５ｂを示す。ハイパスフィルタのゲインは、ボリューム設定の低減に従って低減することができる。ローパスフィルタもしくはバンドパスフィルタからハイパスフィルタへの遷移時の周波数応答の勾配は、トランスデューサの周波数応答のカットオフ勾配に反比例することが好ましい。図５ｂによるフィルタ組合せと図５ａによるトランスデューサとからなるシステム全体についての一群の周波数応答５１ｃから５５ｃが図５ｃに示されている。共振周波数ｆ_r＝ｆ_g1より上のＡＦ信号の高周波域を、ボリューム設定の減少またはオーディオ信号強度情報のそれぞれの変化と共に漸進的に減衰し、ゲインを共振周波数未満に保つことにより、オーディオ信号のレベルの低下と共に、オーディオシステム全体のカットオフ周波数が、漸進的に低い周波数ｆ_g2からｆ_g5まで拡張され、結果としてフラットな周波数応答が得られ、システム全体の音質が向上する。一群の周波数応答線５１ｂから５５ｂを有する任意のフィルタまたはフィルタの組合せを用いて同じ結果を得ることができる。

あるいは、高共振周波数トランスデューサを使用するオーディオシステムの周波数範囲は、高周波数オーディオ信号成分に特に関係する信号強度情報によってそのゲインが制御されるハイパスフィルタを、低周波数部分、すなわちトランスデューサ４の共振周波数未満の周波数範囲のＡＦ信号エネルギーを排他的に表す信号強度情報によるゲイン制御を有する低域フィルタと組み合わせることにより、トランスデューサの共振周波数未満に拡張することもできる。高周波数についての信号強度情報は、それぞれの装置上のボリューム設定から得ることが好ましいが、低周波数についての信号強度情報は一定であり、または前述の共振周波数未満のオーディオ信号部分のレベルを評価する適切なレベル決定部２によって評価および提供される。

一定のゲインで動作するローパスフィルタの各フィルタ組合せの周波数応答の第１の例を図５ｂに示す。高音響出力レベルを表す信号強度情報については、線５１ｂによるフラットな応答が得られる。高周波数部分についての信号強度情報がこの信号部分のレベルの減少に従って変化するとき、例えば線５２ｂのような周波数応答が得られる。高周波数信号部分のさらに低いレベルについては、フィルタ組合せの周波数応答は、線５３ｂ〜５５ｂのうちの１つに近くなり、またはそれと同様になる。この一群の周波数応答５１ｂ〜５５ｂを図５ａのトランスデューサについての周波数応答線と組み合わせることにより、図５ｃに示すオーディオシステム全体についての一群の周波数応答線５１ｃ〜５５ｃが得られる。ハイパスフィルタの勾配はトランスデューサの周波数応答のエッジに反比例するので、オーディオシステム全体のエッジ周波数が、音響レベルが低い場合に低周波数にシフトし、それによってシステムの音質が向上する。

ローパスフィルタのゲインがＡＦ信号の低周波数部分を表す信号強度情報によって制御されるそれぞれのフィルタ組合せの周波数応答についての第２の例が図５ｄに示されている。トランスデューサの共振周波数より上のフィルタ組合せのゲインはボリューム設定の読みに従って設定され、共振周波数未満のオーディオ信号の周波数成分のゲインは、オーディオ信号のエネルギー量または振幅に従って調整される。したがって、それぞれの信号強度情報は２つの値からなり、第１の値は、トランスデューサの共振周波数より高い周波数を制御し、第２の値は、その共振周波数未満の周波数を制御する。どちらの値も互いに独立に求められ、第１の値はボリューム設定の読みから求められ、第２の値は信号強度評価から求められる。

低減したボリューム設定でオーディオシステム全体のエッジ周波数を低周波数にシフトするために、トランスデューサの共振周波数未満の低周波数信号部分のゲインが、その値が、共振周波数より高い周波数の値よりも幾分高く設定されるように調節されることが好ましい。２つのフィルタ区間のゲインの差は、フィルタ組合せの全ゲインの減少と共にさらに増大させることができる。このことを、フィルタ組合せの周波数応答線５１ｄ〜５５ｄに示す。２つのフィルタ区間の間のエッジの勾配がトランスデューサ周波数応答の勾配と反比例するので、オーディオシステム全体の周波数範囲は、図５ｅの周波数応答線５１ｅ〜５５ｅからわかるように、低周波数にフラットに延びる点で、有利である。図５ｅは、図５ａの線５１ａを図５ｄのそれぞれの線５１ｄ〜５５ｄと組み合わせることによって得られる。

オーディオ周波数帯の低域付近の共振周波数を有するトランスデューサと、オーディオ周波数帯の中域の共振周波数を有するトランスデューサとに関して本発明の原理を説明した。実際には、上述の適応化処理は、２つの極値間で共振周波数を示すダイナミックトランスデューサと組み合わせて使用することもできる。両方の適応化処理を組み合わせることは、一方では、オーディオ信号の低周波数成分から導出される信号強度情報が、それを超えると信号歪みを予期しなければならない一定のしきい値に達するときに、こうした成分が減衰することを意味し、他方では、信号強度情報がオーディオ信号のレベルの低下を示すときに、オーディオ信号の低周波数成分のゲインが上昇することを意味する。

本発明の好ましい実施形態では、ＡＦ信号を移動通信端末のダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に適応させるのに、どちらもゲインが調節可能なイコライザおよびハイパスフィルタを含むフィルタ組合せが使用される。それによってハイパスフィルタのカットオフ周波数は、図２に示すようにＡＦ信号のレベルの増加または減少に従ってシフトすることができることが好ましい。

前述のフィルタのフィルタエッジの勾配は、周波数の２乗に比例または反比例することが好ましい。これはスピーカ周波数応答の下端の傾きを反映するからである。

本発明の第１実施例の回路図を図６に示す。移動通信端末のオーディオ信号源１から供給されるＡＦ信号は、可変増幅器５に供給され、可変増幅器５のゲインは、ユーザにより音量調節器２によって設定される。可変増幅器５の出力信号は、周波数応答調整部３に供給され、増幅したＡＦ信号の周波数応答がダイナミックトランスデューサ４の電気機械的特性に適応化され、ダイナミックトランスデューサ４は、電力増幅器９での増幅後に周波数応答調整部３の出力をオーディオ信号に変換する。周波数応答調整部３（単に「調整部３」ともいう。）は、図２〜５に示したいずれかによる周波数応答を有する制御可能フィルタ要素を収容する。音量調節器２の設定は、ＡＦ信号強度の尺度として働き、周波数応答変更を調整する調整部３の制御ポートに供給される。ダイナミックトランスデューサ４の膜変位が周波数の２乗にほぼ反比例するので、調整部３内のハイパスフィルタのカットオフ周波数は、調節可能増幅器５で設定されるゲインの平方根に比例してシフトされることが好ましい。

図７の回路図は、自動信号強度情報決定機構を有する本発明による別の制御回路を示す。オーディオ信号源１から発信されるＡＦ信号は、可変ゲイン増幅器５によって増幅され、可変ゲイン増幅器５の出力は調整部３に接続され、調整部３では、信号がダイナミックトランスデューサ４の電気機械的特性に適応化される。最後に、電力増幅器９によって駆動されるそれぞれのスピーカ４が、処理した信号をそれぞれの音響信号に変換する。調節可能ゲイン増幅器５の出力信号は、さらにレベルメータ６の入力に供給され、レベルメータ６は、測定した実際の信号振幅に比例する出力信号を生成する。次いでレベルメータ６の出力信号は、制御信号として調整部３の制御ポートに供給され、必要なＡＦ信号の変更が実施される。レベルメータ６によって生成されるこの制御信号は、ＡＦ信号のピーク振幅または２乗平均平方根（ｒｍｓ）値に基づくことができる。ダイナミックトランスデューサ４の膜変位が周波数の２乗にほぼ反比例するので、フィルタ要素のカットオフ周波数は、信号のピーク値またはｒｍｓ値の平方根に比例してシフトすることが好ましい。

ダイナミックトランスデューサ４に過度に負荷をかける危険は、主にそのトランスデューサの共振周波数周辺のＡＦ信号の低周波数部分に存在する。したがって、実際のオーディオ周波数レベルの決定は、その低周波数領域に制限して行うことが好ましい。これは、適切なローパスフィルタ７を用いたＡＦ信号のローパスフィルタリングによって実行される。次いで、図８の回路図に示すように、このようにフィルタされたＡＦ信号がレベルメータ６に供給される。

図９に、本発明による別の好ましい制御回路の回路図を示す。ここで、ダイナミックトランスデューサ４の電気機械的特性に対するＡＦ信号の周波数応答の自動適応は、トランスデューサ膜振動挙動のモデル化に基づく。この目的で、フィルタ手段８が、回路の制御経路内にレベルメータ６に先行して置かれる。フィルタ手段８の周波数応答は、膜振動振幅の周波数依存性を逆に再現する。したがってＡＦ信号は、ダイナミックトランスデューサ４の電気機械的特性に従って重み付けされ、後続のレベルメータ６によって求められる信号強度情報は、膜変位に忠実に対応する。フィルタ手段８は、ディスクリート部品あるいは集積回路要素として実装されたアナログ・フィルタリングまたはデジタル・フィルタリングによって振動振幅の挙動をモデル化することができる。膜変位の限界に関する制御ループを確立するために、フィルタ手段８の入力に供給される信号は、調整部３の出力からも導出することができる。

図９の破線で示すように、信号レベル決定手段６は、フィルタ手段８に統合することができる。フィルタ手段８は、ダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に従って膜変位を予測するアナログまたはデジタルの計算手段を含む。次いで調整部３が、事前定義した膜変位の範囲を超過しないように、フィルタ手段８によって設定される。

例えば周波数応答調整部３、ローパスフィルタ７、フィルタリング手段８などの提案の制御回路のすべてのフィルタ要素は、アナログ回路またはデジタル信号処理によって実現することができる。

上述の実施例によって実施される、ダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に対するオーディオ信号の、レベル依存周波数選択性適応の方法を、図１０のフローチャートに示す。この手順はステップＳ０で始まる。まず、ステップＳ１で、ボリューム設定情報を得る。次いで、ステップＳ５で、得られたボリューム設定情報を使用してオーディオ信号のレベルを表す信号強度情報を求める。ステップＳ１の代わりに、ステップＳ２で、例えばオーディオ信号について得られたレベルの読みに対してオーディオ信号の周波数分布を変更することにより、トランスデューサの特性に従ってオーディオ信号を重み付けすることもできる。次いで、ステップＳ２で得られた重み付きオーディオ信号またはステップＳ０からの未処理オーディオ信号を使用して、後続のステップＳ３で、全周波数域に関する（重み付き）オーディオ信号のレベルを求めるか、あるいは、ステップＳ４で、その低周波域に関する（重み付き）オーディオ信号のレベルを求める。次いでステップＳ５で、ステップＳ３またはＳ４で得られた（重み付き）オーディオ信号のレベルを使用して、オーディオ信号のレベルを表す信号強度情報を求める。ステップＳ２が、図９を参照して説明した本発明の実施形態に対応することに留意されたい。

ステップＳ１で求めた信号強度情報値を使用して、得られた値に基づいてオーディオ信号の周波数分布を変更する。主に、ここではオーディオ信号の低周波域がその高周波域に対するゲインとは異なるゲインで処理され、それによってオーディオ信号の低周波域を高周波域から分離する周波数が、オーディオ信号のレベルが上昇する場合に高い値にシフトし、オーディオ信号のレベルが減少する場合に低い値にシフトする。これは、ステップＳ６でオーディオ信号の値の上昇または減少に対してそれぞれハイパスフィルタのエッジ周波数を上方または下方にシフトすることにより、またはステップＳ７で低周波域に対するゲインを適切に調整することにより、あるいは、ステップＳ８で高周波域に対するゲインを調整することによってオーディオ信号の周波数を変更することにより実施することができる。ステップＳ６、Ｓ７、およびＳ８は、ステップＳ５、ステップＳ６およびＳ７、あるいはステップＳ６、Ｓ７、およびＳ８の直後に次々に実施することができる。ステップＳ６またはステップＳ７またはステップＳ８の後に、この手順はステップＳ０に戻る。

あるいは、この方法は、ステップＳ９で高周波域に対するゲインを調整することによってオーディオ信号の周波数分布を変更することもできる。このステップは、前述のステップＳ７と組み合わせることもでき、したがって図５ｄ〜５ｆに示す周波数応答の１つが得られる。

図１０による方法の技術的実装は、図６〜９の１つによる回路によって実現することができ、または、オーディオシステムを備える機器の記憶手段に格納されたソフトウェアを、当該機器のプロセッサが実行することによっても実現することができる。ソフトウェアがプロセッサによって実行されると前述の方法が実施され、本発明の切替動作によって、前述の回路の特性が再現される。

本発明は、小型のダイナミックトランスデューサを使用する移動通信装置の音質を改善するのに特に有用である。

本発明に係るシステムの論理構成を示すブロック図である。 調整可能なカットオフ周波数を有するハイパスフィルタの一群の周波数応答を示す図である。 低周波域での可変ゲインを示すハイパスフィルタの一群の周波数応答を示す図である。 低周波域で周波数と共にゲインが徐々に上昇する可変のハイパスフィルタの一群の周波数応答を示す図である。 低周波域で調整可能なカットオフ周波数と可変ゲインとを組み合わせたハイパスフィルタの一群の周波数応答を示す図である。 調整可能なカットオフ周波数を有し、低周波域で周波数と共にゲインが上昇するハイパスフィルタの一群の周波数応答を示す図である。 ダイナミックトランスデューサの周波数応答を示す図である。 オーディオ信号の高周波域のゲインを信号強度の増大と共に低減する、本発明による周波数応答調整部の一群の周波数応答を示す図である。 図５ａによるダイナミックトランスデューサを、図５ｂによる周波数応答調整部と組み合わせることで得られる一群の周波数応答を示す図である。 信号強度が減少するオーディオ信号の高周波域のゲインよりも小さい範囲に低周波域のゲインを低減する、本発明による周波数応答調整部の一群の周波数応答を示す図である。 図５ａによるダイナミックトランスデューサを、図５ｄによる周波数応答調整部と組み合わせることで得られる一群の周波数応答を示す図である。 移動通信端末上のボリューム設定に基づく信号周波数応答の適応調整に係る回路図である。 オーディオ信号全体としての電流レベル判定に基づく信号周波数応答の適応調整に係る回路図である。 オーディオ信号の低周波域の電流信号強度情報に基づく信号周波数応答の適応調整に係る回路図である。 使用するダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に従ってオーディオ信号を重み付けする信号周波数応答の適応調整に係る回路図である。 実施例における、ダイナミックトランスデューサの電気機械的特性に対するオーディオ信号のレベル依存周波数選択性適応の方法を示すフローチャートである。

Claims (14)

1. ダイナミックトランスデューサ（４）に対するオーディオ信号の信号強度情報依存周波数応答適応のための制御回路であって、
   ボリューム設定に応じた増幅率で前記オーディオ信号を増幅する可変増幅手段（５）と、
   前記ダイナミックトランスデューサ（４）の共振周波数を含む低周波領域のみを通過させるローパスフィルタ（７）に、前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号を通過させるフィルタリング手段と、
   前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルに従って信号強度情報を求める信号強度情報決定手段（２，６）と、
   高レベルのオーディオ信号については、前記ダイナミックトランスデューサ（４）が前記オーディオ信号を低歪み音響信号に変換し、低レベルのオーディオ信号については、平坦な周波数応答となるように、前記信号強度情報に応答して前記可変増幅手段（５）から出力された前記オーディオ信号の選択的な周波数調整を行う調整手段（３）と、を備え、
   前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号の低周波域が、該オーディオ信号の高周波域のゲインとは異なるゲインで変更され、前記低周波域と前記高周波域とを分離する周波数（ｆ_g1、ｆ_g2、ｆ_g3、ｆ_g4、ｆ_g5）が、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルが上昇する場合には高い値にシフトし、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルが減少する場合には低い値にシフトすることを特徴とする制御回路。
2. 前記調整手段（３）はハイパスフィルタを備え、前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数（ｆ_g1、ｆ_g2、ｆ_g3、ｆ_g4、ｆ_g5）が、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルが上昇する場合に高い値にシフトし、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルが減少する場合に低い値にシフトすることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数が、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のピーク振幅の平方根に比例してシフトすることを特徴とする請求項２に記載の制御回路。
4. 前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数が、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号の２乗平均平方根値の平方根に比例してシフトすることを特徴とする請求項２に記載の制御回路。
5. 前記調整手段（３）は、前記ボリューム設定の減少に対応して前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号の前記高周波域のゲインを低減する周波数範囲選択性ゲイン制御手段を備えることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の制御回路。
6. 前記調整手段（３）は、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルの上昇に対応して前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号の前記低周波域のゲインを低減する周波数選択性ゲイン制御手段を備えることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の制御回路。
7. 前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号の前記低周波域での前記調整手段（３）のゲインは、前記ボリューム設定とは無関係であることを特徴とする請求項５に記載の制御回路。
8. 前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号の前記低周波域での前記調整手段（３）のゲインは、一定の値を有し、あるいは、前記フィルタリング手段通過後のオーディオ信号のレベルが低下する場合に低下し、これにより当該ゲインは、前記可変増幅手段（５）から出力されたオーディオ信号の前記高周波域でのゲインよりも高い値とされることを特徴とする請求項７に記載の制御回路。
9. 前記ローパスフィルタ（７）を、前記ダイナミックトランスデューサ（４）の電気機械的特性に応じた重み付けを行うフィルタ（８）で置き換えたことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の制御回路。
10. 前記ハイパスフィルタのカットオフ勾配は、ほぼ周波数の２乗に比例することを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の制御回路。
11. ダイナミックトランスデューサ（４）に対するオーディオ信号の信号強度情報依存周波数応答適応の方法であって、
    ボリューム設定に応じた増幅率で前記オーディオ信号を増幅する増幅ステップと、
    前記ダイナミックトランスデューサ（４）の共振周波数を含む低周波領域のみを通過させるローパスフィルタ（７）に、前記増幅されたオーディオ信号を通過させるフィルタリングステップと、
    前記ローパスフィルタ（７）通過後のオーディオ信号のレベルに従って信号強度情報を求めるステップと、
    高レベルのオーディオ信号については、前記ダイナミックトランスデューサ（４）が前記オーディオ信号を低歪み音響信号に変換し、低レベルのオーディオ信号については、平坦な周波数応答となるように、前記信号強度情報に応答して前記オーディオ信号を選択的に周波数変更するステップと、を有し、
    前記増幅ステップで増幅されたオーディオ信号の低周波域が、該オーディオ信号の高周波域のゲインとは異なるゲインで変更され、前記低周波域と前記高周波域とを分離する周波数（ｆ_g1、ｆ_g2、ｆ_g3、ｆ_g4、ｆ_g5）が、前記ローパスフィルタ通過後のオーディオ信号のレベルが上昇する場合には高い値にシフトし、前記ローパスフィルタ通過後のオーディオ信号のレベルが減少する場合には低い値にシフトすることを特徴とする方法。
12. コンピュータを、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の制御回路として機能させるためのプログラム。
13. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の制御回路を備える移動通信端末。
14. 請求項１２に記載のプログラムを記憶する記憶媒体と、該記憶媒体に記憶された前記プログラムを実行するプロセッサとを備える移動通信端末。

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