JP4682137B2 - オーディオ周波数レンジ適応 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、オーディオ周波数レンジの低減に関する。特に、本発明は、オーディオ信号の周波数レンジの適応させる装置及び方法と、前記装置または方法が使用されるシステムとに関する。

オーディオ周波数は約２０Ｈｚから２０ｋＨｚに及ぶことは周知である。中央レンジ（約１−１０ｋＨｚ）は、通常のラウドスピーカにより信頼性高く再生することができるが、一般的に低周波数レンジと高周波数レンジには特殊なトランスデューサが必要である。ハイファイオーディオシステムは、一般的に、高いオーディオ周波数レンジを再生するための小さなトランスデューサ（ツイータ）と低いオーディオ周波数レンジを再生するための比較的大きなトランスデューサ（ウーファ）を含んでいる。最低可聴周波数（約２０−１００Ｈｚ）を好適な音量で忠実に再生するために必要なトランスデューサは、大きな空間をとる。しかし、小型のオーディオセットの需要が増え続けている。大型のトランスデューサと小型のオーディオ装置に対する要求が相容れないことは明らかである。

「仮想ピッチ」等の音響心理学的現象を用いてこの問題を解決することが提案されている。低周波数信号成分の高調波を生成することにより、その低周波数信号成分を実際には再生しないで、それがあると見せかけることができる。

例えば、米国特許出願第ＵＳ６，１３４，３３０号（フィリップス）は、オーディオ信号を強調する強調手段を備えるオーディオシステムを開示している。これらの既知の強調手段は、オーディオ信号の第１の部分の高調波を生成する高調波生成器を有し、知覚したオーディオ信号が、実際に含んでいるよりも低い周波数成分を含んでいると思わせる。

この既知のソリューションは非常によく機能するが、低周波数（バス）信号成分を実際に再生する代わりにはならない。

それゆえ、本発明の目的は、先行技術のこれらの問題を克服し、オーディオ周波数レンジ全体、特に低周波数信号成分のより効率的な再生を可能とする、オーディオ信号再生装置及び方法を提供することである。

従って、本発明は、オーディオ信号の周波数レンジを適応させる装置を提供する。この装置は、第１のオーディオ周波数レンジ中の第１の信号成分を検出する手段と、第２のオーディオ周波数レンジ中の第２の信号成分を生成する手段と、前記第１の信号成分の振幅に応じて前記第２の信号成分の振幅を制御する手段とを有し、前記第２のオーディオ周波数レンジは前記第１のオーディオ周波数レンジより大幅に狭く、前記トランスデューサは前記第２のオーディオ周波数レンジにおいて最大感度を有する。

第１の周波数レンジより大幅に狭い第２のオーディオ周波数レンジ中に第２の信号成分を生成し、第２の信号成分の振幅を第１の信号成分の振幅に応じて制御することにより、オーディオ信号のエネルギーを第２の周波数レンジに集中する。結果として、第１の周波数レンジの帯域幅を効果的に小さくし、オーディオ信号のエネルギーを大幅に狭い（第２の）レンジに集中する。これは、トランスデューサが特に効率的なレンジにオーディオ信号のエネルギーを集中でき、結果として音声の再生がより効率的になるという利点がある。

トランスデューサの感度は、好ましくは、電圧感度、すなわち（出力）音圧と（入力）電圧の比率であるが、他の測定基準でもよい。例えば、（出力）音響パワーと（入力）電力の比率として定義される効率でもよい。

本発明により、帯域幅は、比較的低周波数で特に効果的に低減される。狭い周波数レンジで特に効率的な低周波数トランスデューサを使用できるからである。それゆえ、好ましいことは、前記第１のオーディオ周波数レンジの上限値は、２００Ｈｚを超えない、好ましくは１５０Ｈｚを超えない、より好ましくは約１２０Ｈｚであることである。

好ましい実施形態において、第２のオーディオ周波数レンジは第１の周波数レンジに含まれる。これは、第２のオーディオ周波数レンジが第１のオーディオ周波数レンジ内にあり、元の（第１の）オーディオ周波数レンジの外側の周波数の信号は生成されないことを意味する。つまり、第２のレンジは第１のレンジのサブレンジである。第２のレンジが第１のレンジよりも少し狭い場合、例えば１０％狭い（すなわち、帯域幅が１０％縮小されている）場合、本発明の有利な効果をすでに得ることができるが、第２のレンジは第１のレンジよりも大幅に狭いこと、例えば５０％かそれ以上狭いことが好ましい。使用するトランスデューサのタイプに応じて、第２のレンジは非常に狭く、数ヘルツの帯域幅を有するものであってもよい。

したがって、好ましいことは、前記第２のオーディオ周波数レンジの広がりは、５０Ｈｚより小さく、好ましくは１０Ｈｚより小さく、より好ましくは５Ｈｚより小さいことである。第２の周波数レンジは、例えば、トランスデューサの共鳴周波数等の単一周波数を含むものであってもよい。

第２のオーディオ周波数レンジは予め決定してもよい。しかし、特に有利な実施形態においては、本発明による装置は、オーディオ信号を再生するトランスデューサに接続され、トランスデューサの特性に基づき第２の周波数レンジを決定する手段をさらに有していてもよい。この実施形態においては、本装置は、インピーダンス等のトランスデューサ特性を決定し、第２の周波数レンジを適宜決定することができる。この調節は装置を実際に使用する前に行ってもよいが、使用中に、すなわち継続的に行ってもよい。

本発明は、さらに、上記の装置を有する、ラウドスピーカボックス等のラウドスピーカユニットまたはトランスデューサユニットを提供する。

また、本発明は、オーディオ（ステレオ）システム等のオーディオ信号の再生システムを提供する。そのシステムは、オーディオ信号源と、アンプと、前記オーディオ信号を音声に変換することができるトランスデューサとを有し、上記の装置をさらに有する。

さらにまた、本発明は、オーディオ信号の周波数レンジを適応させる方法を提供する。この方法は、第１のオーディオ周波数レンジ中の第１の信号成分を検出する段階と、第２のオーディオ周波数レンジ中の第２の信号成分を生成する段階と、前記第１の信号成分の振幅に応じて前記第２の信号成分の振幅を制御する段階と、を有し、前記第２のオーディオ周波数レンジは前記第１のオーディオ周波数レンジより大幅に狭く、前記トランスデューサは前記第２のオーディオ周波数レンジにおいて最大感度を有する。好ましくは、前記第２の周波数レンジは前記第１の周波数レンジに含まれる。

添付した図面に示した実施形態例を参照して、本発明をさらに説明する。

オーディオ周波数の分布を示すグラフを図１に示した。グラフ３０は、周波数ｆ（横軸）におけるオーディオ信号の振幅Ａ（縦軸）を示している。示されているように、オーディオ信号は、約１０Ｈｚより低い信号成分は事実上含んでいない。以下の説明ではグラフ３０の低周波数部分に焦点を絞るので、図示を明らかにするため、グラフの中間及び高周波数部分は省略した。

本発明によると、第１の周波数レンジが、それより小さく好ましくは第１の周波数レンジに含まれる第２の周波数レンジにマップされる図１に示した実施例では、第１の周波数レンジＩは２０Ｈｚから１２０Ｈｚの範囲であり、一方、第２の周波数レンジＩＩは約６０Ｈｚ、例えば５５Ｈｚから６５Ｈｚの範囲である。この第１のレンジＩは、オーディオ信号の「低周波数」部分をほぼカバーするが、これに対して図１の第２のレンジＩＩは、ラウドスピーカ等の特定のトランスデューサに対応するように選択され、そのトランスデューサの特性に依存する。本発明の重要な一態様によると、第２のレンジＩＩは好ましくはトランスデューサが最も効率的であり、最高のサウンド出力となる周波数に対応する。

言うまでもなく、第２のレンジＩＩの大きさ（帯域幅）もトランスデューサの特性に依存する。トランスデューサまたは複数のトランスデューサの配列の最も効率的な周波数レンジが広い（例えば、複数の共鳴周波数を有する）場合、第２のレンジＩＩが広い方がよい。トランスデューサまたはその配列が単一の周波数（一般的には共鳴周波数）で最も効率が高い場合、第２のレンジＩＩは、その単一周波数の全てのエネルギーが集中するので、きわめて狭くてもよい。

留意すべきことは、図示した実施例において、第２のレンジＩＩは第１のレンジＩの中にあることである。つまり、第１のレンジＩは効率的に圧縮され、第１のレンジ外の周波数には影響がない。

レンジＩの信号をレンジＩＩに限定する方法はいろいろある。原理的には、バンドパスフィルタであり、図示した例では６０Ｈｚの回りのバンドパスフィルタである。しかし、バンドパスフィルタでは第１のレンジＩに含まれるほとんどのエネルギーが失われてしまう。失われたエネルギーの一部は、アンプを用いて再生することができる。図２の構成は第１のバンドパスフィルタ３１とアンプ３２とを有する可能な構成であり、そのフィルタの通過帯域は第２のレンジＩＩに等しい。このような構成は、第２のレンジＩＩに含まれていない周波数はすべて効果的に取り除くことができるが、重大な欠点がある。

図２の構成の主要な欠点は、入力信号が第２のレンジの外側である場合、出力信号がでないことである。例えば、（図１を参照して）４０Ｈｚの入力信号は、バンドパスフィルタ３１によりブロックされ、その結果出力信号はゼロである。本発明はこの問題を解決する。

本発明による装置１は、図３に限定的ではない一実施例として示されており、バンドパスフィルタ２、ディテクタ３、及び乗算器４を有する。フィルタ２は、第１のレンジＩに対応する通過バンドを有し、第１の周波数の外側の周波数を全て取り除く。ディテクタ３は、フィルタ２から受け取った信号を検出する。ディテクタ３は、好ましくは、既知のピークディテクタであるが、既知のエンベロープディテクタでもよい。非常に経済的な実施形態において、ディテクタはダイオードで構成されていてもよい。

ディテクタ３で生成された信号は、第１のレンジＩ（図１参照）内にある信号を合わせた振幅を表す。乗算器４は、この信号に周波数ｆ０の信号を乗算する。この周波数ｆ０の信号は好適なジェネレータ（図３には図示せず）により生成される。乗算器４の出力信号は、平均周波数がｆ０にほぼ等しく、その振幅は第１の周波数レンジＩに含まれた信号に依存する。ジェネレータの周波数ｆ０を変更することにより、平均周波数と、第２のオーディオ周波数レンジＩＩの位置を変更できる。

留意すべきことは、第１のレンジＩに含まれる信号はどの信号でも出力信号（周波数ｆ０を有する）の生成につながることである。上の例において、４０Ｈｚ信号の場合、図２に示した構成では出力信号は生成されない。しかし、本発明の上記実施形態による装置は、４０Ｈｚの入力信号に対して出力信号を生成する。

本発明の装置１の別の実施形態（図示せず）において、制御されたアンプが図３のフィルタ２とディテクタ３の間に配置される。増幅率を調節する制御信号がアンプの制御入力に入力される。制御信号Ｃは、好ましくは次式の通りである
Ｃ＝ＲＭＳ（Ｉｎ＊Ｈ１）／ＲＭＳ（Ｉｎ＊Ｈ２）
ここで、「Ｉｎ」はフィルタ２の入力端子における入力信号であり、「*」は畳み込み記号であり、「Ｈ１」は理想的なトランスデューサの伝達関数であり、「Ｈ２」は実際のトランスデューサの伝達関数であり、「ＲＭＳ（ｘ）」は「ｘ」の二乗平均平方根を表す。音響及び／または電子工学の分野の当業者には、畳み込み、伝達関数、及び二乗平均平方根の概念は周知である。この実施形態により、検出された信号をトランスデューサの特性に合わせて調節することができる。

本発明の装置１の他の実施形態が図４に示されている。ここで、装置１はシステム１０の一部である。図４の装置１は、図３に示したように、バンドパスフィルタ２、ディテクタ３、及び乗算器４を有する。また、図４の装置は、ディテクタ３と乗算器４の間に配置されたローパスフィルタ５を有する。このローパスフィルタは、検出により生成される不要な周波数を取り除くように機能する。図４の装置１は、周波数ｆ０の信号を生成するジェネレータ６を有する。

装置１に加えて、システム１０はトランスデューサ７も有する。このトランスデューサは、好適なラウドスピーカ、共振器、その他のトランスデューサである。好ましくは、トランスデューサ７は、共振周波数で駆動されるラウドスピーカである。トランスデューサ７は、他の物体を振動させることにより間接的に音を生成する装置、すなわち、「シェイカ」により構成されていてもよい。

任意的に、トランスデューサ７とジェネレータ６の間に制御経路８がある。ジェネレータ６は、この制御経路により、トランスデューサのパラメータに応じて周波数ｆ０（及び、好ましくは位相）を調節することができる。トランスデューサのパラメータには、例えば、（瞬間）インピーダンス（またはその絶対値）、トランスデューサの振動面の実際の動き、及び／または音圧等がある。当業者には言うまでもないが、これらのパラメータによりトランスデューサの効率（出力パワーを入力パワーで割った値）を決定することができる。効率は一般的に周波数ｆ０とともに変化するから、周波数を調節することにより効率を最適化することができる。このため、ジェネレータの周波数を少し（ランダムでもよい）変更できるようにして、現在値ｆ０の回りのいろいろな周波数で効率を決定する。その値で効率がより大きくなる場合、ｆ０の値を変更する。明らかに、この自動チューニング機能によりシステムがさらに使いやすくなる。

制御経路８に加えて、またはそれに代えて、さらに別の制御経路（図示せず）をトランスデューサ７とバンドパスフィルタ５の間に設ける。このさらに別の制御経路は、フィルタ５の帯域幅を調節して、第２のオーディオ周波数レンジＩＩを決定する。
図４のシステム１０は、任意的に、さらに乗算器４とトランスデューサ７の間に配置されたバンドパスフィルタを有し、不要な高周波成分を除去する。追加的、または代替的に、（パワー）アンプを乗算器４とトランスデューサが必要７の間に配置する。

上記の説明では、単一の周波数ｆ０のみを使用すると仮定した。もちろん、この仮定は本質的なものではなく、２つ以上の周波数ｆ０、ｆ１等を使用して、好適な特性を有する第２の周波数レンジ（図１のＩＩ）を設けてもよい。追加的、または代替的に、第１の周波数レンジＩを複数のサブレンジに分割して、各サブレンジをそれぞれ第２のレンジに「圧縮」してもよい。この場合、第１のレンジは、約２０Ｈｚ−２０ｋＨｚの全オーディオ周波数レンジを含んでもよい。すなわち、全オーディオ周波数レンジを複数の第１のレンジに分割して、それぞれを個別の第２のレンジに集中してもよい。

本発明による方法を図５に示した。第１のステップ５１において、１つ以上のオーディオ信号を受け取る。第２のステップ５２において、限定された（第１の）レンジＩ中の信号を検出する。第３のステップ５３において、目標とする（第２の）レンジＩＩ中の信号を生成する（図３と４におけるｆ０）。第４のステップ５４において、目標とする（第２の）レンジＩＩ中の信号の振幅を、レンジＩに検出された信号（ステップ５２）により制御する。最後のステップにおいて、このように生成された信号を出力する。

図６に、オーディオトランスデューサの音量感度のグラフを概略的に示した。トランスデューサにより発せられる音圧レベルＳＰＬ（縦軸）が周波数ｆ（横軸）により変化することが示されており、入力電圧は一定に保たれている。図から分かるように、音圧レベルＳＰＬと、それに伴って感度Ｈ（Ｈ＝圧力を電圧で割ったもの）が周波数ｆ０またはその近傍で最大となる。本発明によると、周波数ｆ０は、第２のオーディオ周波数レンジ（図１のII）の平均周波数とほぼ等しく、図３と４に示した実施形態においては、ジェネレータの周波数にほぼ等しい。本発明のさらに別の態様によると、周波数ｆ０はトランスデューサの共鳴周波数である。

本発明は、トランスデューサが最も効率的な比較的狭い帯域に周波数レンジの信号成分を集中することにより、オーディオ信号のエネルギーをより効果的に使用することができるとの洞察に基づく。一部のトランスデューサは特定の周波数（例えば、共鳴周波数）に同調したとき、特に効率的に使用することができるとの洞察にもよる。

留意すべきことは、より広い（第１の）周波数レンジを有する入力信号がより狭い（第２の）周波数レンジを有する出力信号に加えられても、本発明の有利な効果は損なわれないことである。第２のレンジの外側の周波数成分は、一般的に、専用トランスデューサに影響しないからである。

さらに留意すべきことは、本明細書で使用した用語は、本発明の範囲を限定するものとして解釈してはならないことである。特に、「有する」という用語は、特に記載されていないいかなる要素をも排除するものではない。単一の（回路）要素を複数の（回路）要素またはその等価物で置き換えることもできる。

当業者には当然のことながら、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、添付した請求項に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正や追加をすることができる。

本発明による第１と第２の周波数レンジを示す概略図である。 限定された帯域幅の信号を生成する構成を示す概略図である。 本発明の実施形態による装置の第１の実施形態を示す概略図である。 本発明の実施形態による装置の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明による方法を示すフローチャートである。 トランスデューサの周波数に対する感度を示すグラフである。

Claims (10)

1. オーディオ信号の周波数レンジをトランスデューサに適合させる装置であって、
   入力オーディオ信号の第１のオーディオ周波数レンジ中の第１の信号成分を検出する手段と、
   第２のオーディオ周波数レンジ中の第２の信号成分を、前記入力オーディオ信号とは独立に生成する信号ジェネレータと、
   前記第１の信号成分の振幅に応じて前記第２の信号成分の振幅を制御する手段とを有し、
   前記第２のオーディオ周波数レンジは前記第１のオーディオ周波数レンジより大幅に狭く、前記トランスデューサは前記第２のオーディオ周波数レンジにおいて最大感度共鳴周波数を有することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記第２の周波数レンジは前記第１の周波数レンジに含まれる、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、
   前記第１のオーディオ周波数レンジの上限値は２００Ｈｚを超えない、装置。
4. 請求項１ないし３いずれか一項に記載の装置であって、
   前記第２のオーディオ周波数レンジの広がりは５０Ｈｚより小さい、装置。
5. 請求項１ないし４いずれか一項に記載の装置であって、
   トランスデューサの特性に基づいて前記第２のオーディオ周波数レンジを決定する手段をさらに有する、装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、
   トランスデューサの特性に基づいて前記第２の周波数レンジを自動的に調節する手段が設けられている、装置。
7. 請求項１ないし６いずれか一項に記載の装置を有する、ラウドスピーカまたはトランスデューサユニット。
8. オーディオ信号を再生するシステムであって、
   オーディオ信号源と、アンプと、前記オーディオ信号を音声に変換することができるトランスデューサとを有し、
   請求項１ないし６いずれか一項に記載の装置をさらに有する、システム。
9. オーディオ信号の周波数レンジをトランスデューサに適応させる方法であって、
   入力信号の第１のオーディオ周波数レンジ中の第１の信号成分を検出する段階と、
   第２のオーディオ周波数レンジ中の第２の信号成分を、前記入力オーディオ信号とは独立に生成する段階と、
   前記第１の信号成分の振幅に応じて前記第２の信号成分の振幅を制御する段階とを有し、
   前記第２のオーディオ周波数レンジは前記第１のオーディオ周波数レンジより大幅に狭く、前記トランスデューサは前記第２のオーディオ周波数レンジにおいて最大感度共鳴周波数を有することを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    前記第２の周波数レンジは前記第１の周波数レンジに含まれる、方法。

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