JP5498732B2 - 音声処理回路およびスピーカーシステム - Google Patents

Description

本発明は、マトリックスエンコードされた信号を再生する音声処理回路およびスピーカーシステムに関するものである。

臨場感、実感のある立体音響を再生する技術として、直接音と間接音の放射の制御と、左右の立体信号の電子的処理とを組み合わせる技術が知られている。
例えば、特許文献１には、入力信号Ｌ、Ｒから、和回路と差回路によってそれぞれ和信号（Ｌ＋Ｒ）と差信号（Ｌ−Ｒ）を生成し、和信号（Ｌ＋Ｒ）の示す直接音を前方放射スピーカーシステムから放射し、差信号（Ｌ−Ｒ）の示す間接音を広分散パターンを有するスピーカーシステムから放射し、これらを音響的に結合することによって、立体音響を効果的に提供するスピーカーシステムが記載されている。

また、立体音響を実現するために、サラウンドシステムやスピーカーの多チャンネル化も一般的に導入されているが、省スペース、省配線、およびローコストを実現し、少ない音声チャンネルの中に多くの音声チャンネルの音を溶かし込むマトリックスエンコード処理をし、再生するスピーカーシステム、いわゆるマトリックススピーカーシステムが知られている。

例えば、非特許文献１には、図７に示すように、同一スピーカー３１、３２、３３，３４を４個使用し、その結線によってスピーカー３３からは差信号（Ｌ−Ｒ）、スピーカー３４からは差信号（Ｒ−Ｌ）、スピーカー３１、３２からはそれぞれ和信号（Ｌ＋Ｒ）を供給して音声信号を再生するスピーカーシステムが記載されている。
図８は、図７に示したスピーカーシステムにおいて、スピーカーを抵抗負荷、駆動するアンプを電源に置き換えたスピーカーシステムの等価回路図を示しており、各々８Ωのインピーダンスを有するスピーカー４個を結線することにより、優れた定位と音場再生を得ている。

特表平２−５００７１４号公報

週刊ＦＭ「音の魔術師 マトリックススピーカー」１９７９年６月２５日号

先のマトリックススピーカーシステムによる再生は、和信号成分たる直接音（Ｌ＋Ｒ）、（Ｒ＋Ｌ）と、差信号成分たる間接音（Ｌ−Ｒ）、（Ｒ−Ｌ）を直接スピーカーから放射することによって音場を再現することに他ならない。壁面や床、天井の反射が全く無いとした場合に、視聴者が得る音響エネルギーは、スピーカーから直接放射されるものだけとなることは明白である。
従来よく知られた結線方法によるスピーカーシステムにおいては、優れた定位と音場再生が得られるのは公知であるが、音楽ソースによっては差信号成分（Ｌ−Ｒ）および（Ｒ−Ｌ）信号が少ないものもあり、十分な音場再生ができないケースがあった。これは、試聴位置において、低周波領域に偏る和信号成分（Ｌ＋Ｒ）、（Ｒ＋Ｌ）と高周波領域に偏る差信号成分（Ｌ−Ｒ）、（Ｒ−Ｌ）のバランスが崩れていることを示している。
また、音楽ソース自体、試聴位置におけるワンポイント収録されたものばかりではなく、ミキシングによって作られた音楽ソースが殆どであり、試聴者との間にある一定の距離をもった音源から放射されるような直接音と間接音の比率を持つ合成音とは必ずしも等価ではない。故に音楽ソースにより差信号成分たる間接音が少ないものが出来上がる傾向があり、その様な音楽ソースの場合、従来方式のマトリックススピーカーでは十分な差信号成分を放射することが出来ず、また、十分な音場再生ができなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、差信号成分が少ない音楽ソースにおいても、好ましい音場再生を実現する音声処理回路、およびスピーカーシステムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ステレオ信号のＬチャネル信号とＲチャネル信号との差信号および和信号からマトリックスエンコードされた音声信号を再生するスピーカーシステムにおいて、前記Ｌチャネル信号と前記Ｒチャネル信号との差信号である第１の差信号（Ｌ−Ｒ）を再生するスピーカと、該第１の差信号の逆相信号である第２の差信号（Ｒ−Ｌ）を再生するスピーカとから構成される第１のスピーカユニットと、
前記Ｌチャネル信号と前記Ｒチャネル信号との和信号を再生する第２のスピーカーユニットとを有し、前記第２のスピーカユニットの再生する和信号の信号エネルギーに対して、前記第１のスピーカユニットの再生する前記第１の差信号及び前記第２の差信号の合成信号エネルギーが３倍以上９倍以下となるように前記第１のスピーカーユニットおよび前記第２のスピーカーユニットを構成する各スピーカーが結線すれば、間接音成分の少ない音楽ソースであっても、臨場感、実感のある好ましい音場差異性が実現できることを本出願人は見出した。

本発明の音声処理回路およびスピーカーシステムは、Ｌチャネル信号とＲチャネル信号との差信号が、第１の差信号（Ｌ−Ｒ）と該第１の差信号（Ｌ−Ｒ）の逆相信号である第２の差信号（Ｒ−Ｌ）とを含むものであってもよい。また、本発明の音声処理回路およびスピーカーシステムでは、差信号の信号エネルギーおよび和信号の信号エネルギーを、各々第１のスピーカーユニットの総振動板面積および第２のスピーカーユニットの総振動板面積の設定により定めてもよい。あるいは、差信号の信号エネルギーおよび和信号の信号エネルギーを、各々第１のスピーカーユニットの総インピーダンスおよび第２のスピーカーユニットの総インピーダンスの設定により定めてもよい。

本発明によれば、差信号成分が少ない音楽ソースにおいても、好ましい音場再生を実現することができる。

本発明の実施例１に係るスピーカーシステムの構造を示す図である。 図１のスピーカーシステムにおけるスピーカーの結線状態を示す図である。 図２のスピーカーシステムの等価回路図である。 本発明の実施例２に係るスピーカーシステムのブロック図である。 本発明の実施例３に係るスピーカーシステムの結線状態を示す図である。 図５のスピーカーシステムの等価回路図である。 従来技術のスピーカーシステムにおけるスピーカーの結線状態を示す図である。 図７のスピーカーシステムの等価回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明のスピーカーシステムは、図１に示すように、電気信号を空気振動に変換して音を発するスピーカー１と、スピーカー１が取り付けられるキャビネット２とから構成される。これらスピーカー１を複数個結線することにより、左チャネルのステレオ信号Ｌと右チャネルのステレオ信号Ｒとの差信号であって間接音成分である（Ｌ−Ｒ）、（Ｒ−Ｌ）を再生する第１のスピーカーユニットと、ステレオ信号Ｌとステレオ信号Ｒとの和信号であって直接音成分である（Ｌ＋Ｒ）を再生する第２のスピーカーユニットを構成する。
キャビネット２は、密閉型や、好ましい低音再生のためにはバスレフ型など、様々な形態のものがあり、それらの適用が制限されるものではない。

図２は、図１のスピーカーシステムにおける各スピーカーの結線状態を示す図、図３は、図２に示したスピーカーシステムにおいて、スピーカーを抵抗負荷、駆動するアンプを電源に置き換えたスピーカーシステムの等価回路図である。
差信号（Ｌ−Ｒ）は、第１のスピーカーユニットを構成するスピーカーユニット５から再生され、スピーカーユニット５はスピーカー１ｃで構成される。差信号（Ｒ−Ｌ）は、第１のスピーカーユニットを構成するスピーカーユニット６から再生され、スピーカーユニット６はスピーカー１ｄで構成される。一方、和信号（Ｌ＋Ｒ）は、第２のスピーカーユニットを構成するスピーカーユニット３およびスピーカーユニット４から再生され、スピーカーユニット３はスピーカー１ａで構成され、スピーカーユニット４はスピーカー１ｂで構成される。スピーカー１ａおよびスピーカー１ｂのインピーダンスは、それぞれ８Ωである。

本実施例では、差信号成分の信号を再生するスピーカーユニット５、６の各インピーダンスを、和信号成分の信号を再生するスピーカーユニット３、４の各インピーダンスに対して１／３に設定し、差信号の信号エネルギーが３倍になるようにしている。このように、実施例１では、スピーカーユニットを構成する各スピーカーのインピーダンスに応じ、図２、図３に示すような結線を施すことによって、間接音成分たる差信号の信号エネルギーを所定の割合で大きくすることにより、間接音成分の少ない音楽ソースであっても臨場感、広がり感のある音場再生を実現することができる。

図４は、本発明のスピーカーシステムの実施例２の構成を示す図である。本スピーカーシステムは、ステレオ信号のＬ信号とＲ信号とからこれらの差信号および和信号を生成し、該差信号および和信号のゲイン調整や増幅を行う音声処理回路２０と、音声処理回路２０で生成される差信号および和信号が供給され、音声再生を行うスピーカー１３、１４および１５とから構成される。スピーカー１３からは和信号に伴う音声信号が再生され、スピーカー１４からは差信号の（Ｌ−Ｒ）成分に伴う音声信号が再生され、スピーカー１５からは差信号の（Ｒ−Ｌ）成分に伴う音声信号が再生される。

本実施例では、少ない音楽ソースであっても間接音成分が十分な音声を再生するために、音声処理回路２０にて入力信号レベルの調整や、和信号および差信号の各出力のゲイン調整や増幅を行って差信号の信号エネルギーを高める。すなわち、本スピーカーシステムの音声処理回路２０にステレオ信号のＬ信号およびＲ信号が入力されると、（Ｌ＋Ｒ）加算回路７において和信号（Ｌ＋Ｒ）が生成され、（Ｌ−Ｒ）減算回路８において差信号（Ｌ−Ｒ）が生成され、和信号（Ｌ＋Ｒ）、差信号（Ｌ−Ｒ）は、それぞれバッファ回路９、１０によって、その出力の極性とゲインが調整され、それぞれアンプ１１、１２によって増幅される。バッファ回路９、１０およびアンプ１１、１２にて出力を調整することにより、差信号の信号エネルギーを３倍以上９倍以下とする。

また、本実施例では、スピーカーの結線によっても差信号の信号エネルギーを高める。和信号成分は、電気的な合成により生成できるので、１個のスピーカー１３で十分である。一方、差信号成分は、差信号（Ｌ−Ｒ）と、その逆相成分である差信号（Ｒ−Ｌ）とが生成されるため、２個のスピーカー１４、１５が必要となる。しかし、差信号成分でスピーカーを駆動するアンプ１２は、差信号の正相成分（Ｌ−Ｒ）を生成するスピーカー１４と差信号の逆相成分（Ｒ−Ｌ）を生成するスピーカー１５を並列に接続することにより１つでよい。ここで差信号成分のスピーカー２個の合成インピーダンスは、スピーカー１個の場合の半分となるので、電気的なエネルギーとしては、和信号成分用のスピーカーの２倍となる。そして、和信号成分用のスピーカー１個に対し、差信号成分用のスピーカーは２個であるので、結果的に、和信号成分の信号に対して差信号成分の信号の電気的エネルギーは４倍となり、間接音成分の十分な音声を再生することができる。

和信号成分に対する差信号成分の比率をさらに高めるには、差信号（Ｌ−Ｒ）を生成する減算回路８もしくは後段のバッファ回路１０にて増幅すればよい。

このように、実施例２では、音声処理回路２０によるＬ信号およびＲ信号の電気的合成および信号処理と、差信号用および和信号用のスピーカーの結線との両面から所望の信号エネルギーを有する音声信号を再生することができる。また、本実施例では、スピーカーを和信号用１個と、互いに逆相の信号を再生する差信号用２個の最小の構成で形成することができ、システムのコスト低減をはかることができる。

なお、差信号成分の信号エネルギーが高まるにつれて高音のエネルギーが増大するため、低音の量感不足が顕在化する場合がある。その場合は、和信号成分を生成する加算回路７の後段のバッファ回路９で低音をブーストする回路構成をとることでこの問題を解消することが可能である。

図５は、本発明の実施例３に係るスピーカーシステムにおける各スピーカーの結線状態を示す図、図６は、図５に示したスピーカーシステムにおいて、スピーカーを抵抗負荷、駆動するアンプを電源に置き換えたスピーカーシステムの等価回路図である。
本発明の実施例３に係るスピーカーシステムは、実施例１と同様、スピーカーシステムを構成するスピーカーを複数個結線することにより、ステレオ信号Ｌとステレオ信号Ｒとの差信号（Ｌ−Ｒ）、（Ｒ−Ｌ）を再生する第１のスピーカーユニットと、ステレオ信号Ｌとステレオ信号Ｒとの和信号（Ｌ＋Ｒ）を再生する第２のスピーカーユニットとを備える。

本実施例で使用する各スピーカーは、例えば、単独で８Ωのインピーダンスを有する。ステレオ信号の和信号（Ｌ＋Ｒ）は、スピーカー１ｋで構成されるスピーカーユニット２１とスピーカー１ｌで構成されるスピーカーユニット２２とから再生される。ステレオ信号の差信号（Ｌ−Ｒ）は、並列接続されたスピーカー１ｍ、１ｎで構成されるスピーカーユニット２３から再生され、ステレオ信号の差信号（Ｒ−Ｌ）は、並列接続されたスピーカー１ｏ、１ｐで構成されるスピーカーユニット２４から再生される。スピーカーユニット２３、２４は、それぞれ単独で８Ωのスピーカーの並列接続されたものであるから、各スピーカーユニットの振動板面積は単独のスピーカーの２倍となり、合成インピーダンスはそれぞれ単独のスピーカーのインピーダンスの半分の４Ωとなる。したがって、電気的なエネルギーとしては、スピーカーユニット２３、２４の再生する信号エネルギーは、単独のスピーカーの再生する信号エネルギーの４倍となり、単独のスピーカーで構成されるスピーカーユニット２１、２２に対して４倍の信号エネルギーを有することになる。

このように、実施例３では、スピーカーの結線の仕方によって差信号を再生するスピーカーユニットと和信号を再生するスピーカーユニットとの総振動板面積比やインピーダンス比を調整することによって、差信号の信号エネルギーを和信号の信号エネルギーの４倍とし、間接音成分の十分な音声を再生する。

なお、本発明の実施の形態は、上述した内容に限定されるものではない。本スピーカーシステムの前段におけるＬ信号とＲ信号との差信号および和信号の電気的処理と、後段におけるスピーカーの結線とによって、差信号の信号エネルギーと和信号の信号エネルギーとを調整し、これらの合成エネルギーのうち、差信号の信号エネルギーを３倍以上９倍以下とする構成であればよい。
また、上記実施例では、シングルエンド型のアンプを想定したスピーカーの結線を示しているが、バランス出力型のアンプを使用した結線であってもよい。
また、上記実施例は、アナログ回路における例であるが、ディジタル信号処理においても同様のアルゴリズムによって実現可能であるのは明らかである。

１ スピーカー
２ キャビネット
５、６、１４、１５、２３、２４ 第１のスピーカーユニット
３、４、１３、２１、２２ 第２のスピーカーユニット
７ Ｌ＋Ｒ加算回路
８ Ｌ−Ｒ減算回路
９、１０ バッファ回路
１１、１２ アンプ

Claims (3)

1. ステレオ信号のＬチャネル信号とＲチャネル信号との差信号および和信号からマトリックスエンコードされた音声信号を再生するスピーカーシステムにおいて、
   前記Ｌチャネル信号と前記Ｒチャネル信号との差信号である第１の差信号（Ｌ−Ｒ）を再生するスピーカと、該第１の差信号の逆相信号である第２の差信号（Ｒ−Ｌ）を再生するスピーカとから構成される第１のスピーカユニットと、
   前記Ｌチャネル信号と前記Ｒチャネル信号との和信号を再生する第２のスピーカーユニットとを有し、
   前記第２のスピーカユニットの再生する和信号の信号エネルギーに対して、前記第１のスピーカユニットの再生する前記第１の差信号及び前記第２の差信号の合成信号エネルギーが３倍以上９倍以下となるように前記第１のスピーカーユニットおよび前記第２のスピーカーユニットを構成する各スピーカーが結線されることを特徴とするスピーカーシステム。
2. 前記差信号の信号エネルギーおよび前記和信号の信号エネルギーは、各々前記第１のスピーカーユニットの総振動板面積および前記第２のスピーカーユニットの総振動板面積の設定により定まることを特徴とする請求項１に記載のスピーカーシステム。
3. 前記差信号の信号エネルギーおよび前記和信号の信号エネルギーは、各々前記第１のスピーカーユニットの総インピーダンスおよび前記第２のスピーカーユニットの総インピーダンスの設定により定まることを特徴とする請求項１に記載のスピーカーシステム。

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