JP5266995B2

JP5266995B2 - 放音装置

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Publication number: JP5266995B2
Application number: JP2008234832A
Authority: JP
Inventors: 真樹片山
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: JP2010068409A; US8848943B2; US20100067716A1

Description

この発明は、低域側を放音するサブウーファと、サブウーファよりも高域側を放音するスピーカとを組み合わせて音声を放音する放音装置に関する。

従来、ホームシアター等では、より良い音を再生するために、各スピーカに供給する音声信号の周波数特性を調整することが行われている。例えば、特許文献１には、中音域の音量を下げるとともにカットオフ周波数を高域側にシフトすることで、中低域間のバランスを調整する手法が記載されている。しかし、中音域の音量を下げると、低域が強調され、音像定位が変わる、あるいは定位感が薄れるという問題が発生する。そこで、特許文献１では、中域側の所定帯域（１〜８ｋＨｚ）の音量を上げ、音像定位感を基に戻す手法も記載されている。
特開２０００−１９７１８２号公報

一方、ホームシアター等では、通常のスピーカでは十分に再生することができない低域側を補うために、低域側を専門に放音するサブウーファを追加した放音装置が多い。サブウーファは、聴取位置から見て、前方正面以外の方向に置くことが多い。低域側を放音するサブウーファと中域側を放音するスピーカは、それぞれが受け持つ周波数帯域の境界（クロスオーバ周波数）が設定されている。一般的に、クロスオーバ周波数は、中域側を放音するスピーカの低音再生能力に依存して設定される。

ホームシアター等では、より低音を増強することを望むユーザが多く、サブウーファの音量を相対的に大きくすることが多い。サブウーファの音量を大きくすると、クロスオーバ周波数以上の帯域（中域側）までサブウーファが放音を受け持つこととなる（図２の実細線を参照）。そのため、音像定位がサブウーファ側（前方正面以外の方向）に移動する、あるいは定位感が薄れるという問題が発生する。

また、サブウーファの音量を大きくすると、音質が劣化する（聴感上の違和感が発生する）という問題もある。すなわち、サブウーファの音量だけを大きくすると、クロスオーバ周波数以上の帯域において、サブウーファとスピーカとの音量バランスが崩れるという問題が発生する。

特許文献１では、単に中音域側のカットオフ周波数や音量の制御を行っているだけであり、クロスオーバ周波数またはそれ以上の帯域における音量バランスは崩れたままである。すなわち、上述のスピーカ、サブウーファ間の再生能力の差により発生する問題を考慮しておらず、依然として音像定位や音質劣化の問題を解決したとは言えない。また、特許文献１のようにある帯域だけを強調すると、クロスオーバ周波数以上の帯域の音量バランスがさらに悪化するという問題も発生する。

そこで、この発明は、サブウーファとスピーカ間の再生能力の差に起因する音像定位、音質劣化の問題を低減する放音装置を提供することを目的とする。

この発明の放音装置は、低域側を放音するサブウーファと、前記サブウーファが放音する帯域よりも高域側を放音するスピーカと、前記サブウーファと前記スピーカに音声信号を供給する信号供給部と、を備えている。信号供給部は、前記サブウーファに供給する音声信号の周波数特性を変更するローパスフィルタを備え、前記サブウーファの出力レベルを変更した場合、前記サブウーファと前記スピーカのクロスオーバ周波数において、前記サブウーファの出力レベルを維持するように、前記ローパスフィルタのフィルタ次数を変更することを特徴とする。例えば、サブウーファの音量を上げる場合、ローパスフィルタの次数を増やし、クロスオーバ周波数付近においてサブウーファの出力レベルを低減する。

また、上記発明において、信号供給部は、前記サブウーファのレベル変更量に応じてカットオフ周波数を低域側または高域側にシフトするように構成することも可能である。例えばサブウーファの音量を上げる場合、サブウーファ側のカットオフ周波数を低域側にシフトする。これにより、クロスオーバ周波数付近のサブウーファの出力レベルを維持するため、低音を増強しつつも音像定位感を維持することができる。

この発明によれば、サブウーファとスピーカ間の再生能力の差に起因する音像定位、音質劣化の問題を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る放音装置の構成を示す図である。放音装置１は、アンプ１１、スピーカ３１Ｌ、スピーカ３１Ｒ、およびサブウーファ３３を備えている。アンプ１１は、本発明の信号供給部に相当する。

スピーカ３１Ｌは、聴取位置５１から見て左側に設置され、スピーカ３１Ｒは聴取位置５１から見て右側に設置される。サブウーファ３３は、聴取位置５１から見て前方の任意の位置（例えばスピーカ３１Ｒのさらに右側）に設置される。一般に、サブウーファは、スピーカよりも筐体が大きいため、同図のように聴取位置の前方正面以外の方向（邪魔にならない位置）に置かれる。

アンプ１１は、スピーカ３１Ｌ、スピーカ３１Ｒ、およびサブウーファ３３に接続されており、音声信号を供給する。

アンプ１１は、ＤＩＲ１２、Ａ／Ｄコンバータ１３、ＨＤＭＩ（登録商標）１４、デコーダ（ＤＳＰＤｅｃｏｄｅｒ）１５、ＤＳＰ１６、コントローラ１７、メモリ１８、ユーザＩ／Ｆ１９、Ｄ／Ａコンバータ２０、プリアンプ２１、およびパワーアンプ２２を備えている。

Ａ／Ｄコンバータ１３は、アナログ音声信号の入力インタフェースを兼ねており、ＤＶＤプレーヤ等の他の装置からアナログ音声信号を入力し、デジタル音声信号に変換してデコーダ１５に出力する。ＤＩＲ１２、ＨＤＭＩ（登録商標）１４は、他の装置からＰＣＭデータ等を入力し、デコーダ１５に入力する。

デコーダ１５は、ＤＩＲ１２、Ａ／Ｄコンバータ１３、およびＨＤＭＩ（登録商標）１４の各種インタフェースから入力されるデジタル音声信号やＰＣＭデータ等を２チャンネル（Ｌチャンネル、Ｒチャンネル）のデジタル音声信号にデコードしてＤＳＰ１６に出力する。

ＤＳＰ１６は、ＨＰＦ１６１、ＨＰＦ１６２、ＬＰＦ１６３、および増幅器１６４からなるフィルタ部１６０と、加算器１６５と、を備えている。ＨＰＦ１６１は、Ｌチャンネルのデジタル音声信号を入力し、ＨＰＦ１６２は、Ｒチャンネルのデジタル音声信号を入力する。ＨＰＦ１６１およびＨＰＦ１６２は、所定周波数以下の帯域（低域側）を制限するフィルタである。ＬチャンネルおよびＲチャンネルのデジタル音声信号は、ＨＰＦ１６１およびＨＰＦ１６２で所定周波数以下の帯域を制限された後、Ｄ／Ａコンバータ２０に出力され、アナログ音声信号に変換される。そして、Ｌチャンネルのアナログ音声信号は、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２で増幅され、スピーカ３１Ｌに供給される。Ｒチャンネルのアナログ音声信号は、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２で増幅され、スピーカ３１Ｒに供給される。

ＬチャンネルおよびＲチャンネルの音声信号には、どちらもＣチャンネルの音声信号が含まれている。よって、これらの信号を同じレベルで出力し、スピーカ３１Ｌおよびスピーカ３１Ｒから放音すると、聴取位置５１から見ての正面前方にＣチャンネルの仮想音源３２を形成することができる。

一方、ＤＳＰ１６において、加算器１６５には、ＬチャンネルおよびＲチャンネルのデジタル音声信号が入力される。加算器１６５は、これらＬチャンネルおよびＲチャンネルのデジタル音声信号を加算し、サブウーファ用のデジタル音声信号（以下、サブウーファ信号と言う。）としてＬＰＦ１６３に出力する。

ＬＰＦ１６３は、コントローラ１７の設定に従って、加算器１６５から入力されたサブウーファ信号の所定周波数以上の帯域（高域側）を制限するフィルタである。コントローラ１７は、メモリ１８から動作用プログラムを読み出して、上記ＬＰＦ１６３のフィルタ特性を制御する。サブウーファ信号は、ＬＰＦ１６３で所定周波数以上の帯域を制限された後、増幅器１６４を経てＤ／Ａコンバータ２０に出力され、アナログ音声信号に変換される。そして、サブウーファ用のアナログ音声信号は、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２で増幅され、サブウーファ３３に供給される。

また、コントローラ１７は、ユーザＩ／Ｆ１９からユーザの操作に基づく操作信号を入力し、各構成部を制御する。例えば、ユーザＩ／Ｆ１９で音量調整操作が行われると、コントローラ１７は、この操作に応じた制御信号をプリアンプ２１に出力して、音声信号の増幅量を変更する。また、ユーザがサブウーファ３３の音量調整操作を行った場合、フィルタ部１６０の増幅器１６４におけるサブウーファ信号の出力レベルを変更し、サブウーファ３３の出力レベルを変更する。

本実施形態の放音装置は、ユーザがサブウーファの音量を上げる（または下げる）操作を行った場合に、サブウーファ信号の出力レベルの変更量に応じてＬＰＦ１６３のフィルタ特性を変更し、クロスオーバ周波数付近のサブウーファの出力レベルを維持するものである。なお、本実施形態で言うクロスオーバ周波数とは、スピーカ３１Ｌ、スピーカ３１Ｒの低音再生能力に応じて予め設定された周波数であり、ＨＰＦ１６１およびＨＰＦ１６２のカットオフ周波数（フィルタのゲインが−３ｄＢとなる周波数）に相当する。

以下、アンプ１１におけるサブウーファ信号の調整態様について説明する。図２は、フィルタ部１６０の周波数特性を示す図である。同図に示すグラフの横軸は周波数、縦軸はゲインを示す。

同図に示す破線は、ＨＰＦ１６１およびＨＰＦ１６２の周波数特性を示すものであり、スピーカ３１Ｌおよびスピーカ３１Ｒの出力レベルの特性を示す。同図に示す１点破線は、ＬＰＦ１６３および増幅器１６４の周波数特性を示すものであり、サブウーファ３３の出力レベルの特性を示す。

この例では、スピーカとサブウーファのクロスオーバ周波数は、１５０Ｈｚに設定されている。すなわち、ＨＰＦ１６１およびＨＰＦ１６２のカットオフ周波数が１５０Ｈｚに設定され、ＬＰＦ１６３のカットオフ周波数も１５０Ｈｚに設定されている。

ここで、ユーザがサブウーファの音量を上げる操作を行った場合について、サブウーファ３３の出力レベルの調整態様について説明する。ユーザがサブウーファの出力レベルを１２ｄＢ上げる操作を行うと、コントローラ１７は、増幅器１６４のゲインを１２ｄＢ上昇させる。すると、同図に示す実細線のように、サブウーファの出力レベルは、全帯域において１２ｄＢ上昇する。よって、クロスオーバ周波数である１５０Ｈｚにおいて、サブウーファとスピーカの出力レベルの差が１２ｄＢとなる。

このとき、コントローラ１７は、ＬＰＦ１６３のカットオフ周波数を低域側にシフトさせる。シフト後のカットオフ周波数は、クロスオーバ周波数、レベル変更量、およびフィルタ次数を用いて、例えば以下に示す数式によって決定される。

上記の例では、クロスオーバ周波数が１５０Ｈｚ、レベル変更量が１２ｄＢであるため、フィルタ次数を２次とすると、カットオフ周波数は約７５Ｈｚとなる。よって、コントローラ１７は、増幅器１６４のゲインを１２ｄＢ上昇させた場合、ＬＰＦ１６３のカットオフ周波数を約７５Ｈｚに設定する。カットオフ周波数を約７５Ｈｚに設定すると、サブウーファの出力レベルは、図２の実太線に示すような周波数特性となる。この場合、クロスオーバ周波数である１５０Ｈｚ付近においては、サブウーファの音量を上げる前（ゲイン０ｄＢの時）と出力レベルがほとんど変わらない。特に、３００Ｈｚ以上等、クロスオーバ周波数よりも高域側の出力レベルは、サブウーファの音量を上げる前にほぼ一致する。

図３に、サブウーファの出力レベルを３ｄＢ、６ｄＢ、９ｄＢ、１２ｄＢ上昇させた場合において、カットオフ周波数をシフトした後の周波数特性を示す。コントローラ１７は、出力レベルの変更量に応じて上記の数式による計算を行い、カットオフ周波数を設定する。例えば、３ｄＢ上昇した場合、カットオフ周波数を約１２６Ｈｚ、６ｄＢ上昇した場合、カットオフ周波数を約１０６Ｈｚ、９ｄＢ上昇した場合、カットオフ周波数を約９０Ｈｚに設定する。

いずれにしても、上記のようにカットオフ周波数を設定すると、同図に示すように、クロスオーバ周波数におけるサブウーファの出力レベルは、サブウーファの音量を上げる前とほとんど変わらない。いずれも、３００Ｈｚ以上等、クロスオーバ周波数よりも高域側の出力レベルは、サブウーファの音量を上げる前にほぼ一致する。

このように、本実施形態の放音装置は、ユーザがサブウーファの音量を上げる操作を行っても、クロスオーバ周波数においてサブウーファの出力レベルを維持するため、音像定位がサブウーファ側に移動する、あるいは定位感が薄れる、といった現象を防止することができる。また、３００Ｈｚ以上等、中域側の帯域においてはサブウーファの音量を上げる前にほぼ一致するため、サブウーファとスピーカ間の音量バランスが維持され、音質の劣化を低減することができる。さらには、クロスオーバ周波数おけるサブウーファの出力レベルを低下させるため、クリップに対するマージンも大きくなる。

なお、サブウーファの出力レベルを低下させる場合は、カットオフ周波数を高域側にシフトすればよい。サブウーファの出力レベルを下げる場合、定位感の問題が発生する可能性は低いが、カットオフ周波数を変更しないと、中域側のサブウーファとスピーカ間のバランスが崩れるため、やはり音質劣化の問題は生じる。そのため、本実施形態の放音装置のように、サブウーファの出力レベルの低下に応じてカットオフ周波数を高域にシフトし、サブウーファとスピーカ間の音量バランスを維持すると、音質劣化の問題を低減することができる。

なお、上記例では、ＤＳＰ１６における増幅器１６４でサブウーファの出力レベルを変更する態様としたが、プリアンプ２１におけるアナログ音声信号の増幅量を変更してサブウーファの出力レベルを変更するようにすることも可能である。この場合、プリアンプ２１におけるアナログ音声信号の増幅量に応じてカットオフ周波数を設定すればよい。

なお、上記例では、カットオフ周波数をシフトすることによりクロスオーバ周波数におけるサブウーファの出力レベルを維持する例を示したが、フィルタ次数を変更することでクロスオーバ周波数におけるサブウーファの出力レベルを維持することも可能である。図４は、フィルタ次数を変更した場合のサブウーファの出力レベルの特性を示す図である。

ＬＰＦ１６３のフィルタの次数を高くすると、同図の実太線に示すように減衰傾度が大きくなるため、サブウーファの出力レベルを上昇させても、クロスオーバ周波数における出力レベルの差はわずかとなる。この場合も、音像定位がサブウーファ側に移動する、あるいは定位感が薄れる、といった現象を防止することができる。なお、カットオフ周波数のシフトとフィルタ次数の変更を同時に行ってもよい。すなわち、フィルタの次数を高くしながら、カットオフ周波数を低域側にシフトする、という態様も可能である。

また、本発明におけるスピーカおよび音声信号のチャンネルの数は、同図に示す例に限るものはない。例えば、３．１チャンネル、５．１チャンネルや７．１チャンネル、あるいはそれ以上のチャンネル数であっても本発明の構成を適用することが可能である。上記の例では、Ｌチャンネルのスピーカ３１ＬとＲチャンネルのスピーカ３１Ｒの低域側の再生能力が同一であるため、ＬチャンネルおよびＲチャンネルのデジタル音声信号を加算してサブウーファ信号を生成した後、フィルタ部１６０で出力レベルの調整を行うようにしたが、低域側の再生能力が異なるスピーカが存在する場合は、個別にフィルタ処理を行う。例えば、７．１チャンネルの構成として、さらにセンタ（Ｃ）チャンネルのスピーカ３１Ｃ、左サラウンド（ＬＳ）チャンネルのスピーカ３５ＬＳ、右サラウンド（ＲＳ）チャンネルのスピーカ３５ＲＳ、左後方（ＢＬ）チャンネルのスピーカ３６ＢＬ、および右後方（ＢＲ）チャンネルのスピーカ３６ＢＲを追加した場合の放音装置の構成を図５に示す。なお、同図において、図１に示した構成と一致するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。

同図の例において、デコーダ１５は、７チャンネル（Ｌチャンネル、Ｒチャンネル、Ｃチャンネル、ＬＳチャンネル、ＲＳチャンネル、ＢＬチャンネル、ＢＲチャンネル）のデジタル音声信号をＤＳＰ１６に出力する。

同図に示すＤＳＰ１６は、図１の例に追加して、加算器１６６、ＨＰＦ１６７、ＬＰＦ１６８、加算器１７０、ＨＰＦ１７１、ＨＰＦ１７２、ＬＰＦ１７３、加算器１７５、ＨＰＦ１７６、ＨＰＦ１７７、ＬＰＦ１７８，および増幅器１７９からなるフィルタ部１６０と、加算器１６５と、加算器１６９と、加算器１７４と、を備えている。ＨＰＦ１６７は、Ｃチャンネルのデジタル音声信号を入力する。Ｃチャンネルのデジタル音声信号は、ＨＰＦ１６７で所定周波数以下の帯域を制限された後、Ｄ／Ａコンバータ２０に出力され、アナログ音声信号に変換される。そして、Ｃチャンネルのアナログ音声信号は、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２で増幅され、スピーカ３４に供給される。

一方、Ｃチャンネルのデジタル音声信号は、ＬＰＦ１６８にも入力される。ＬＰＦ１６８は、コントローラ１７の設定に従って、Ｃチャンネルのデジタル音声信号の所定周波数以上の帯域（高域側）を制限するフィルタである。ＬＰＦ１６８で所定周波数以上の帯域を制限されたデジタル音声信号は、加算器１６６に入力される。加算器１６６は、ＬＰＦ１６８が出力したＣチャンネルのデジタル音声信号を上述のサブウーファ信号に加算し、加算器１７０に出力する。加算器１７０は、ＬＰＦ１７３が出力したデジタル音声信号を加算し、加算器１７５に出力する。さらに、加算器１７５は、ＬＰＦ１７８が出力したデジタル音声信号を加算し、増幅器１７８に出力する。増幅器１７８は、入力されたデジタル音声信号を増幅し、Ｄ／Ａコンバータ２０に出力する。

このように全チャンネルが加算されたデジタル音声信号は、Ｄ／Ａコンバータ２０でアナログ音声信号に変換され、プリアンプ２１およびパワーアンプ２２で増幅され、サブウーファ３３に供給される。

ここで、ＨＰＦ１６７のカットオフ周波数、すなわち、スピーカ３４とサブウーファとのクロスオーバ周波数は、スピーカ３４の低域再生能力に応じて設定される。例えば、スピーカ３４の低域再生能力がスピーカ３１Ｌおよびスピーカ３１Ｒよりも低い場合、クロスオーバ周波数を２００Ｈｚとする。この場合においても、コントローラ１７は、サブウーファの出力レベル変更量に応じて、ＬＰＦ１６８のカットオフ周波数をシフトする。コントローラ１７は、例えば、クロスオーバ周波数が２００Ｈｚ、レベル変更量が１２ｄＢであり、フィルタ次数が２次であった場合、カットオフ周波数を約１００Ｈｚに設定する。

同様に、ＬＳチャンネルのデジタル音声信号は、ＨＰＦ１７１に入力され、ＲＳチャンネルのデジタル音声信号は、ＨＰＦ１７２に入力される。ＬＳチャンネルおよびＲＳチャンネルのデジタル音声信号は、加算器１６９で加算されＬＰＦ１７３に入力される。ＨＰＦ１７１およびＨＰＦ１７２のカットオフ周波数も、スピーカ３５ＬＳおよびスピーカ３５ＲＳの低域再生能力に応じて設定される（例えば、２５０Ｈｚとする）。

この場合においても、コントローラ１７は、サブウーファの出力レベル変更量に応じて、ＬＰＦ１７３のカットオフ周波数をシフトする。コントローラ１７は、例えば、クロスオーバ周波数が２５０Ｈｚ、レベル変更量が１２ｄＢであり、フィルタ次数が２次であった場合、カットオフ周波数を約１２５Ｈｚに設定する。

また、同様に、ＢＬチャンネルのデジタル音声信号は、ＨＰＦ１７６に入力され、ＢＲチャンネルのデジタル音声信号は、ＨＰＦ１７７に入力される。ＢＬチャンネルおよびＢＲチャンネルのデジタル音声信号は、加算器１７４で加算されＬＰＦ１７８に入力される。ＨＰＦ１７６およびＨＰＦ１７７のカットオフ周波数についても同様に、スピーカ３６ＢＬおよびスピーカ３６ＢＲの低域再生能力に応じて設定される（例えば２２０Ｈｚとする）。コントローラ１７は、サブウーファの出力レベル変更量に応じて、ＬＰＦ１７８のカットオフ周波数をシフトする。例えば、クロスオーバ周波数が２２０Ｈｚ、レベル変更量が１２ｄＢであり、フィルタ次数が２次であった場合、カットオフ周波数を約１１０Ｈｚに設定する。

なお、上記例では、低域再生能力が同じスピーカが複数有る場合、これらのスピーカに供給するデジタル音声信号を加算してサブウーファ信号を生成し、１つのＬＰＦでカットオフ周波数の調整を行うようにしたが、スピーカ毎に個別に調整を行うようにしてもよい。

このように、本実施形態の放音装置は、スピーカおよび音声信号のチャンネル数に関わらず、クロスオーバ周波数においてサブウーファの出力レベルをほぼ維持することができ、音像定位がサブウーファ側に移動する、あるいは定位感が薄れる、といった現象を防止することができる。

なお、本実施形態では、ＤＳＰを用いてデジタル処理によりカットオフ周波数を変更する例を示したが、無論、アナログ処理においてもカットオフ周波数を変更することが可能である。

本発明の実施形態に係る放音装置の構成を示す図である。サブウーファ信号の周波数特性を示す図である。サブウーファの出力レベルを３ｄＢ、６ｄＢ、９ｄＢ、１２ｄＢ上昇した場合において、カットオフ周波数をシフトした後の周波数特性を示す図である。フィルタ次数を変更した場合のサブウーファの出力レベルの特性を示す図である。センタチャンネルのスピーカ３１Ｃを追加した場合の放音装置の構成を示す図である。

符号の説明

１１−アンプ
３１Ｌ，３１Ｒ−スピーカ
３３−サブウーファ

Claims

低域側を放音するサブウーファと、
前記サブウーファが放音する帯域よりも高域側を放音するスピーカと、
前記サブウーファと前記スピーカに音声信号を供給する信号供給部と、
を備えた放音装置であって、
前記信号供給部は、前記サブウーファに供給する音声信号の周波数特性を変更するローパスフィルタを備え、
前記サブウーファに供給する音声信号の出力レベルを変更した場合、前記サブウーファと前記スピーカのクロスオーバ周波数において、前記サブウーファの出力レベルを維持するように、前記ローパスフィルタのフィルタ次数を変更することを特徴とする放音装置。
前記信号供給部は、前記サブウーファに供給する音声信号の出力レベル変更量に応じて、前記サブウーファのカットオフ周波数を低域側または高域側にシフトする請求項１に記載の放音装置。