JP5660808B2

JP5660808B2 - アレイスピーカ駆動装置

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Publication number: JP5660808B2
Application number: JP2010135121A
Authority: JP
Inventors: 永雄服部; 純生佐藤; 嬋斌倪
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-06-14
Also published as: JP2012004655A

Description

本発明は、複数のスピーカを含むアレイスピーカを駆動するアレイスピーカ駆動装置に関する。

人間は２つの耳に入力された音の大きさの違い又は時間差で音響空間を把握している。このことを利用して左右２つのスピーカで音空間を表現する方法、すなわちステレオ記録を用いた音響システムが一般的に用いられている。この音響システムでは、左右のスピーカから放射する音の音圧に差をつけ、あたかも２つのスピーカの間の位置から音がしているかの如く知覚させる方法、すなわちパンニングも行われている。また、所定間隔をおいて設置されたマイクに到達する時間差を利用して、同様の効果を得る方法もとられている。

しかしながら、左右のスピーカから放射された音が距離に応じて減衰すること及びそれらの音の伝播時間が生ずることにより、聴取者の位置に応じて左右のスピーカからの音に音圧差や時間差が生ずる。そのため、意図したとおりのパンニング効果が得られる位置は設置された左右２つのスピーカから等距離にある中央線上のみであり、それ以外の位置で音を聴いている聴取者は、その聴取者に近い位置にあるスピーカから音が放射されているかのように知覚する。この課題を解決する方法として、例えば非特許文献１には、ＷＦＳ（Wave Field Synthesis）によりアレイスピーカを用いて音の波面を合成する音響システムが記載されている。ＷＦＳは、横１列に配置したアレイスピーカを用いて個々のスピーカから放射される音を重ね合わせることにより音の波面を合成し、音の波面の中心点に音源位置を知覚させる技術である。ここで、アレイスピーカから発生させる音の波面の中心点を仮想音源と呼ぶ。

図１３は、仮想音源の位置を中心とした波面を示す説明図である。本図において、Ａ１は仮想音源、ＡＬ１は仮想音源Ａ１の位置、Ｂ１〜Ｂ３は聴取者を示す。アレイスピーカ４の両側にはステージ及び聴取席がそれぞれ設けられ、ステージには仮想音源Ａ１が配置され及び聴取席には聴取者Ｂ１〜Ｂ３が配置されている。ＷＦＳによれば、アレイスピーカを構成するスピーカが仮想音源Ａ１から広がる音の波面を再現することによって、聴取者Ｂ１〜Ｂ３は、仮想音源Ａ１の位置にあたかも音源があるかのように知覚する。

図１４は、アレイスピーカの外観例を示す説明図である。
アレイスピーカ４は、例えば、ステージと聴取席の境界付近からステージ側の床の上に据え付けられる横長のスピーカである。アレイスピーカ４は、例えば８個のスピーカ１ｓ〜８ｓから構成されているとする。

一般的にＷＦＳでは、アレイスピーカを構成する複数のスピーカは、各スピーカの設置間隔が短いと高い周波数の音まで波面を再現でき、また、アレイスピーカ全体の設置幅が長いと音の波面を再現できる音響空間を広くできる。従って、ＷＦＳでは、多数のスピーカから構成されるアレイスピーカを用いることにより優れた音響効果を得ることができる。しかしながら、スピーカを駆動する増幅器をスピーカ毎に設けるため、多数のスピーカから構成されるアレイスピーカでは、スピーカの数と同数の増幅器が必要となり、そのため音響システムの構築コストが高くなる。

一方、スピーカを駆動する増幅器の構成は、増幅器に電源電圧を与える電源回路と関連する。スピーカを駆動する増幅器は、一般的にスピーカに設けられたプラス入力端子とマイナス入力端子の２つの入力端子の一方の入力端子だけに駆動信号を与え、他方の入力端子には基準電圧、すなわちグランド（ＧＮＤ）を接続する方式をとる。このように、スピーカの２つの入力端子の一方の入力端子のみに増幅器を接続することによりスピーカを駆動する方式をシングル駆動方式と呼ぶ。シングル駆動方式には、基準電圧に対し高い電圧を与える電源のみを有する片電源方式と、基準電圧に対し高い電圧を与える正電源及び低い電圧を与える負電源の２つの電源を有する両電源方式とがある。

図１５は、片電源方式を用いた増幅器及びアレイスピーカの構成を示す説明図であり、図１６は、両電源方式を用いた増幅器及びアレイスピーカの構成を示す説明図である。これらの図において、１ｎ〜８ｎは、増幅器１ａ〜８ａに与えられる入力信号を示す。

図１５に示す片電源方式を用いた増幅器１ａ〜８ａの場合、増幅器１ａ〜８ａの出力は電源１ｐの電圧の１／２の電圧を中心に動作するよう設計することが多い。例えば、電源１ｐの電圧が１２Ｖの場合、増幅器は電源電圧振幅まで出力できると仮定すると、増幅器１ａ〜８ａの出力は６Ｖの電位を中心にプラスマイナス６Ｖの振幅で動作し、スピーカ１ｓ〜８ｓを駆動する。しかしながら、前述の通りスピーカ１ｓ〜８ｓの片側の入力端子には基準電圧が接続されており、基準電圧と増幅器１ａ〜８ａの出力の動作中心電圧との間に６Ｖの電位差が生じる。そこで、スピーカ１ｓ〜８ｓに対して直流電圧が印加されないようにするために、増幅器１a〜８aとスピーカ１ｓ〜８ｓのプラス入力端子との間に直流阻止コンデンサ１ｃ〜８ｃを設ける必要がある。一般的に直流阻止コンデンサ１ｃ〜８ｃとしては比較的大容量のものが必要となり、そのため音響システムの構築コストが高くなる。さらには、増幅器１ａ〜８ａに電源電圧が与えられた直後には、基準電圧と動作中心電圧との電位差に応じた電荷を直流阻止コンデンサ１ｃ〜８ｃに蓄えるための充電電流が流れるため、この充電電流に対し適切な対策をとっておく必要があり、その対策をとらないとスピーカ１ｓ〜８ｓに異常な電流が流れ、それがスピーカ１ｓ〜８ｓから所謂ボツ音を発生させ、又は、最悪の場合、スピーカ１ｓ〜８ｓを故障させることがある。

図１６に示す両電源方式を用いた増幅器１ａ〜８ａの場合、基準電圧に対し高い電圧を与える正電源１ｐ及び基準電圧に対し低い電圧を与える負電源２ｐの２つの電源を設けることにより、増幅器１ａ〜８ａが基準電圧を中心に動作するように設計することが可能である。例えば、両電源の電源電圧がそれぞれ１２Ｖである場合、増幅器１ａ〜８ａの出力はプラスマイナス１２Ｖの振幅で動作し、スピーカ１ｓ〜８ｓを駆動する。両電源方式の場合、上述した電位差が生じないため、直流阻止コンデンサ１ｃ〜８ｃを設ける必要がなくなる。しかしながら、両電源方式の場合、正電源１ｐ及び負電源２ｐの２つの電源を設ける必要があり、音響システムの構成の仕方によっては大幅なコスト高となる。特に直流電圧を外部から与える音響システムを構成しようとすると、負電源２ｐはインバータを用いた大掛かりなものが必要となりコスト高となる。

一方、アレイスピーカを構成するスピーカに与える電力を大きくするための方式として、それぞれのスピーカのプラス入力端子とマイナス入力端子とに互いに逆位相の駆動信号を与える方式があり、これは一般的にブリッジ駆動方式と呼ばれる。
図１７は、ブリッジ駆動方式を用いた増幅器及びアレイスピーカの構成を示す説明図である。ここで、１ｎ〜８ｎは、増幅器１ａ〜１６ａに与えられる入力信号を示す。

ブリッジ駆動方式によれば、例えば、電源１ｐの電圧が１２Ｖである場合、増幅器１ａ〜１６ａの出力はプラスマイナス１２Ｖの振幅で動作し、スピーカ１ｓ〜８ｓを駆動するため、電源電圧の利用効率が良い。つまり、スピーカ１ｓ〜８ｓのプラス入力端子のみに駆動信号を与える１２Ｖの電位差をもつ電源を用いたシングル駆動方式と比較して、同じ電源電圧でも約４倍の電力をスピーカ１ｓ〜８ｓに供給することができる。また、スピーカ１ｓ〜８ｓは２つの増幅器が出力する電圧の差分で駆動されるため、２つの増幅器の出力の動作中心電圧が同じなら片電圧であっても直流阻止コンデンサを設ける必要がない。しかしながら、本図に示すように、スピーカ１ｓ〜８ｓを駆動するために１６個の増幅器１ａ〜１６ａ及び８個の位相反転器１ｒ〜８ｒが必要となり、シングル駆動方式と比較して増幅器の数が２倍となるためコスト高となる。これを解決する方法として、例えば特許文献１には、スピーカを格子状に配列し、これらをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号で時分割駆動し、増幅器の個数を減らした装置が記載されている。

特許第４１５４６０１号公報

ベルクハウト、ドブリース、フォーゲル（A. J. Berkhout, D. de Vries, and P. Vogel）著、「アコースティックコントロールバイウェーブフィールドシンセシス（Acoustic control by wave field synthesis）」（オランダ）、第９３（５）版、ジャーナル・オブ・ジ・アコウスティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ（J. Acoust. Soc）、１９９３年５月、ｐ.２７６４−２７７８

しかしながら、特許文献１記載の装置においては、格子状に配置されたスピーカを時分割で駆動しているため、各スピーカを駆動している時間はスピーカが増えるほど減少する。すなわち、各スピーカに供給できる電力はスピーカが増えるほど減少してしまう。従って、各スピーカに十分な電力を供給するためには電源電圧を高くする必要があり、各種電子部品の選定なども含めてその分、コスト高となる。また、時分割でスピーカを駆動するため、駆動するスピーカが増えるほど電子部品の動作周波数は上昇し、そのため高速動作が可能な電子部品が必要となるうえ、不要輻射が多く発生し、その対策が必要となるので更にコスト高となる。

本発明の目的は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、少ない部品点数で効率よく電力をスピーカに供給可能なアレイスピーカ駆動装置を提供することにある。

本発明のアレイスピーカ駆動装置は、複数のスピーカを含むアレイスピーカを駆動するアレイスピーカ駆動装置において、前記複数のスピーカのそれぞれに対応する複数の入力信号の瞬時値の平均を求め、振幅が求めた平均となるような平均信号を生成する平均信号生成手段と、該平均信号生成手段が生成した平均信号の振幅を所定の値に制限する振幅制限手段と、該振幅制限手段が振幅を制限した平均信号の位相を反転する位相反転手段と、前記複数の入力信号のそれぞれに前記位相反転手段が位相を反転した平均信号を加算する手段とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、入力信号の類似性の高さを利用してアレイスピーカ駆動回路を共通化しているため、少ない部品点数で、電源電圧に対して効率よくスピーカに大きな電力を供給可能なアレイスピーカ駆動回路を提供することができる。

本発明にあっては、平均信号に振幅制限を課すため、入力信号に高い類似性があり、平均信号の比率が大きくなった場合に平均信号の振幅を制限するため、入力信号に対応するスピーカに設けられた２つの電力を駆動する２系統の増幅部を効率良く利用し、安定して高出力を取り出すことができる。

本発明のアレイスピーカ駆動装置は、前記位相反転手段により位相が反転された平均信号に対応する信号から所定周波数以上を減衰させるローパスフィルタを更に備えることを特徴とする。

本発明にあっては、スピーカの端子に共通に接続された端子を低周波成分で駆動することができる。

本発明のアレイスピーカ駆動装置において、前記振幅制限手段はソフトクリップ回路であることを特徴とする。

本発明にあっては、振幅制限手段をソフトクリップ回路にすることで、急峻な振幅制限を行わないことにより高周波成分の発生を軽減することができ、大振幅で位相のそろった入力信号に対しても音響システムを安定して動作させることができる。

本発明によれば、部品点数の増加による音響システムのコスト高をもたらさないで効率よく電力をスピーカに与えることができる。

音響システムの構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る増幅部及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。アレイスピーカと仮想音源の配置関係の一例を模式的に示す説明図である。実施の形態２に係る増幅器及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係る増幅器及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。図５に示す構成の変形例であり、ローパスフィルタを増幅器とスピーカの間に挿入した構成例を示すブロック図である。図５又は図６に示す構成の変形例であり、片電源を用いた構成例を示すブロック図である。図５、図６又は図７に示す構成の変形例であり、増幅器を１つ追加してスピーカをブリッジ駆動する構成例を示すブロック図である。実施の形態４に係る増幅器及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。図９に示す構成の変形例であり、ローパスフィルタを増幅器とスピーカの間に挿入した構成例を示すブロック図である。図２に示す構成における各部の信号の波形を模式的に示す波形図である。図４に示す構成における各部の信号の波形を模式的に示す波形図である。仮想音源の位置を中心とした波面を示す説明図である。アレイスピーカの外観例を示す説明図である。片電源方式を用いた増幅器及びアレイスピーカを示す説明図である。両電源方式を用いた増幅器及びアレイスピーカを示す説明図である。ブリッジ駆動方式を用いた増幅器及びアレイスピーカの構成を示す説明図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して実施の形態１を具体的に説明する。
図１は、音響システムの構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、音響システムは、ｍ個のマイク１１１〜１１ｍ、増幅部１、レベル調整部２、信号処理部３、制御部６、位置情報保持部７、操作部８及びアレイスピーカ４を備える。本実施の形態では、アレイスピーカ４は例えば８個のスピーカ１ｓ〜８ｓから構成されているとする。また、ｍは１以上の整数であるとする。

レベル調整部２は、ｍ個のレベル調整モジュール２１〜２ｍを備える。信号処理部３は、ｍ×８個の遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３ｍ８及び８個の加算器７１１〜７１８を備える。操作部８は、操作者が音響システムの操作を行うための操作機器であり、位置情報入力部８１及び音量調整部８２を含む。

位置情報入力部８１は、操作者によって入力される演奏者の位置である実音源位置ＡＬ１〜ＡＬ４及びアレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓの位置を含む位置情報を入力する。位置情報保持部７は、操作部８から受け取った位置情報を制御部６に与える。

音量調節部８２は、操作者による操作にしたがって、レベル調整モジュール２１〜２ｍの各々に対して増幅率を与え、各音声信号が適切な音量でかつ音量バランスで聴取席に拡声されるようにする。

アレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓは、増幅部１から与えられた信号に従って音の波面を放射する。増幅部１の詳細は後述する。

レベル調整モジュール２１は、マイク１１１から入力した音声信号を増幅した後に、第１系統の信号として遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３１８に与える。レベル調整モジュール２２は、マイク１１２から入力した音声信号を増幅した後に、第２系統の信号として遅延器及び可変利得増幅器３２１〜３２８に与える。レベル調整モジュール２ｍは、マイク１１ｍから入力した音声信号を増幅した後に、第ｍ系統の信号として遅延器及び可変利得増幅器３ｍ１〜３ｍ８に与える。このように、マイク１１１〜１１ｍに対応する第１系統〜第ｍ系統の信号のそれぞれは、遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３１８、３２１〜３２８、・・・、３ｍ１〜３ｍ８にて信号処理された後、８個のスピーカ１ｓ〜８ｓに対応する第１〜第８チャンネルの信号に分離され、増幅部１に与えられる。

遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３１８は、第１系統の信号を遅延させ、可変利得増幅する。また、遅延器及び可変利得増幅器３２１〜３２８は、第２系統の信号を遅延させ、可変利得増幅する。また、遅延器及び可変利得増幅器３ｍ１〜３ｍ８は、第ｍ系統の信号を遅延させ、可変利得増幅する。このように、遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３１８、３２１〜３２８、・・・、３ｍ１〜３ｍ８それぞれは、第１系統〜第ｍ系統の信号を遅延させ、可変利得増幅するが、その遅延量及び増幅率は制御部６により算出される。すなわち、遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３１８、３２１〜３２８、・・・、３ｍ１〜３ｍ８は、制御部６により算出された遅延量及び増幅率に従って第１系統〜第ｍ系統の信号を個別に遅延させ、可変利得増幅する。

加算器７１１は、遅延器及び可変利得増幅器３１１〜３ｍ１の出力信号を加算し、第１チャンネルの信号として増幅部１に与える。加算器７１２は、遅延器及び可変利得増幅器３１２〜３ｍ２の出力信号を加算し、第２チャンネルの信号として増幅部１に与える。加算器７１８は、遅延器及び可変利得増幅器３１８〜３ｍ８の出力信号を加算し、第８チャンネルの信号として増幅部１に与える。このように、信号処理部３は、第１〜第８チャンネルの信号を増幅部１に与える。増幅部１は、入力した第１〜第８チャンネルの信号を増幅し、アレイスピーカ４を構成する８個のスピーカ１ｓ〜８ｓに与える。そして、スピーカ１ｓ〜８ｓは、増幅部１から与えられた信号に基づいて音の波面を放射する。

図２は、実施の形態１に係る増幅部及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。すなわち、図２は、図１における信号処理部３から与えられた信号を増幅する増幅部１及び増幅部１から与えられた信号に従って音の波面を放射するアレイスピーカ４を示す。

入力信号１ｎ〜８ｎは、信号処理部３から増幅部１に与えられる信号であり、当該信号は増幅部１がスピーカ１ｓ〜８ｓに与える信号に対応する。
増幅部１は、加算器１１ｃ〜１７ｃ、位相反転器１０、加算器２１ｃ〜２８ｃ、増幅器１１及び増幅器１a〜８aを備える。
加算器１１ｃ〜１７ｃは、入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。加算された信号の値は８で割られ、入力信号１ｎ〜８ｎの瞬時値の平均を表す信号（以下、共通信号５と呼ぶ。）が得られる。位相反転器１０は、共通信号５を位相反転し、増幅器１１及び加算器２１ｃ〜２８ｃに与える。
加算器２１ｃ〜２８ｃは、位相反転器１０により位相反転された共通信号５に入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。すなわち、加算器２１ｃ〜２８ｃにおいて、入力信号１ｎ〜８ｎから共通信号５の減算が行われ、その減算結果はそれぞれ増幅器１ａ〜８ａに与えられる。
増幅器１１は、位相反転器１０により位相反転された共通信号５を増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの共通電極に与える。共通電極とは、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動電極のうち増幅器１ａ〜８ａに接続されていない電極（マイナス入力端子）をまとめて１つの回路端として扱ったものである。すなわち、本実施の形態では、共通信号５を単一の増幅器１１で増幅し、共通配線で各スピーカ１ｓ〜８ｓのマイナス入力端子に与えるので、各スピーカ１ｓ〜８ｓのマイナス入力端子に与えられる信号の電圧は等しくなる。一方、増幅器１ａ〜８ａは、加算器２１ｃ〜２８ｃによって入力信号１ｎ〜８ｎから共通信号５が減算された信号を増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動電極のうち増幅器１ａ〜８ａに接続されている電極（プラス入力端子）にそれぞれ与えることにより、８個のスピーカ１ｓ〜８ｓを個別に駆動する。
各スピーカ１ｓ〜８ｓは、増幅器１ａ〜８ａ及び増幅器１１に接続されているため、各スピーカ１ｓ〜８ｓには、増幅器１ａ〜８ａの出力信号と増幅器１１の出力信号の差分信号が入力されることになる。その結果、各スピーカ１ｓ〜８ｓからは、それぞれのスピーカ１ｓ〜８ｓに対応する入力信号１ｎ〜８ｎが増幅されて放音される。

ＷＦＳは、アレイスピーカ４を構成する複数のスピーカ１ｓ〜８ｓから放射される音波を重ね合わせることで何らかの波面を生成することを目的とする方式である。従って、増幅部１からスピーカ１ｓ〜８ｓに与えられる各信号は互いに高い類似性を有する。ＷＦＳでは、例えば遅延器及び可変利得増幅器３１８〜３ｍ８を用いて仮想音源Ａ１からスピーカ１ｓ〜８ｓに音波が伝搬する際の遅延器及び距離減衰を求めることによって、仮想音源Ａ１を中心とした波面をアレイスピーカ４から放射する。

図１３を用いて説明したように、仮想音源Ａ１の位置ＡＬ１から広がる音の波面をアレイスピーカ４から放射することにより、聴取者Ｂ１〜Ｂ３は、仮想音源Ａ１の位置ＡＬ１にあたかも音源があるかのように知覚する。この際、図１において、仮想音源Ａ１に対応する音声信号の入力に対し、位置情報保持部７は、仮想音源Ａ１と、アレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓとの距離を演算し、制御部６にその距離を与える。制御部６は、その距離に基づいて遅延量及び増幅率を演算する。次いで、制御部６は、スピーカ１ｓ〜８ｓにそれぞれ対応して設けられた遅延器及び可変利得増幅器３１８〜３ｍ８に遅延量及び増幅率を設定する。遅延器に設定される遅延量をｔ_d、可変利得増幅器に設定される増幅率をＧ、及び、仮想音源と各スピーカ１ｓ〜８ｓ間の距離をｄとすると、遅延量ｔ_d、増幅率Ｇ及び距離ｄは以下の式により求めることができる。
遅延量ｔ_d＝ｄ／ｃｃは音速
増幅率Ｇ＝ｄ^r rは距離減衰定数（０＞ｒ＞−２）
このようにして、信号処理部３は、仮想音源Ａ１に対応して入力された信号に対して遅延量と増幅率を設定し、遅延器及び増幅された信号を増幅部１に与える。

信号処理部３から増幅部１に与えられる信号は、仮想音源Ａ１とアレイスピーカ４を構成する各スピーカ１ｓ〜８ｓの距離の相対差に依存して時間差が決まり、さらに、仮想音源Ａ１と各スピーカ１ｓ〜８ｓの距離に依存してレベルが決まる。したがって、アレイスピーカ４を構成する各スピーカ１ｓ〜８ｓの間隔が音の波長に比べて短い場合、又はアレイスピーカ４と仮想音源Ａ１との距離が長い場合、増幅部１内の各増幅器に与えられる信号の位相差は小さくなる。一方、アレイスピーカ４の幅が波長に比べて短い場合、又はアレイスピーカ４と仮想音源Ａ１とのなす角度が直角に近い場合、増幅部１内の各増幅器に与えられる信号の位相差の最大値は小さくなる。

すなわち、アレイスピーカ４の正面方向に向けて曲率半径の大きな波面を出力する場合、及び、アレイスピーカ４の幅と比してアレイスピーカ４の正面方向に放射する音の波長が十分長い場合、アレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓに与えられる信号は大きな共通成分を含み、それらの信号の類似性は高い。一般的な使用状態において、アレイスピーカ４に入力される信号は上記条件を満たす成分を多く含むため、図２に示した増幅器１１が寄与する信号が多くなり、各スピーカ１ｓ〜８ｓに印加される信号成分が増幅器１ａ〜８ａと増幅器１１に振り分けられる。このことにより、同じ電源電圧でも前述のシングル駆動の場合と比較して最大で２倍の電圧を印加することができ、電源電圧の利用効率を高くすることができる。特に、一般的に高周波音より低周波音の方が高い信号レベルで記録されていることが多く、さらに一般的に高周波用スピーカよりも低周波用スピーカの方が低能率であることが多いゆえに、低周波信号の電力供給能力を高めておくことが音響システムの高出力化に有効であるが、低周波信号は波長が長いゆえに入力信号の共通成分として抽出されやすく、本実施の形態が有効に動作することがわかる。これについて、図面を用いて更に詳細に説明する。

図３は、アレイスピーカと仮想音源の配置関係の一例を模式的に示す説明図である。
図３において、アレイスピーカ４はスピーカ１ｓ〜８ｓから構成される。また、スピーカ１ｓ〜８ｓの背面側に仮想音源Ａ１が配置されている。アレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓは２０ｃｍ間隔で設置される。仮想音源は１００Ｈｚの正弦波を発し、アレイスピーカ４の前面から５０ｃｍ離れた背面側であってアレイスピーカ４の中心から５ｃｍずれた位置に配置されている。

図１１は、図２に示す構成における各部の信号の波形を模式的に示す波形図である。ここで、波形の横方向は時間を示し、縦方向は振幅すなわち電圧を示す。
図１１Ａは、図３に示した配置において、信号処理部３から増幅部１に与えられる入力信号１ｎ〜８ｎの内の入力信号１ｎ、２ｎ、４ｎの波形を示す。実際の波形では、入力信号１ｎ〜８ｎは類似性が高い波形の束として現れるが、ここでは、その内の入力信号１ｎ、２ｎ、４ｎだけを例として示す。図１１Ｂは加算器１１ｃ、１２ｃ、１４ｃから得られた共通信号５の波形を示す。図１１Ｃは増幅器１ａ、２ａ、４ａの出力信号１１ａ、２２ａ、４４ａ及び増幅器１１の出力信号５ｂの波形を示す。図１１Ｄはスピーカ１ｓ、２ｓ、４ｓに印加される電圧の波形を示す。これらの図から、アレイスピーカ４を用いて波面を再現する実際の音響システムにおいて、各入力信号が高い類似性を有し、本実施の形態に基づく音響システムが有効に動作することがわかる。

本実施の形態では、それぞれのスピーカ１ｓ〜８ｓは、増幅器１ａ〜８ａの出力信号と増幅器１１の出力信号の差分により駆動されるため、増幅器１ａ〜８ａの動作の中心電圧を共通化しておけば音響システムを片電源で構成しても直流阻止コンデンサを挿入する必要がない。

また、本実施の形態では、入力信号１ｎ〜８ｎの類似性を利用して増幅器を共通化しているため、前述のブリッジ駆動回路と比べて増幅器の個数や配線の数を約半分に削減することができる。ブリッジ駆動回路でｎ個のスピーカを駆動する場合、増幅器の数は２ｎ個、配線の数は２ｎ本必要となるが、本実施の形態によれば増幅器の数はｎ＋１個、配線の数はｎ＋１本で済む。この時、増幅器の数が約半分に削減されているので、増幅器の消費電力のうち無負荷時も消費される消費電力を削減することができる。

また、本実施の形態では、共通信号５を単一の増幅器１１で増幅し、共通配線で各スピーカ１ｓ〜８ｓに与えるので、各スピーカ１ｓ〜８ｓに与えられる共通信号５由来の電圧は等しく、それぞれのスピーカ１ｓ〜８ｓをそれぞれ個別の増幅器で駆動する場合と比べて、増幅器の増幅率誤差に起因する共通信号５由来の印加電圧のばらつきを回避することができる。共通信号５の抽出と各信号成分からの減算をディジタル処理で行えば原理的に減算部での誤差が生じず、共通信号５に関してのバラツキは原理的に生じない。

さらに、本実施の形態では、各スピーカ１ｓ〜８ｓに接続されている増幅器１ａ〜８ａの出力電流に対して、出力信号５ｂを与える増幅器１１の出力電流は、すべての入力信号が同相である場合が最大となり、スピーカ１ｓ〜８ｓの個数の倍数となる。それゆえ、出力信号５ｂを与える増幅器１１の出力電流容量を、各スピーカ１ｓ〜８ｓに接続されている増幅器１ａ〜８ａの出力電流容量の、スピーカ１ｓ〜８ｓの個数の整数倍としておくと、電流容量に過不足なく音響システムを構成することができる。

なお、図２において、各入力信号１ｎ〜８ｎに共通信号５の反転信号を加算して減算を実現しているが、各入力信号１ｎ〜８ｎに減算器を挿入し、共通信号５を減算することと等価である。また、共通信号５の抽出や各信号からの減算処理を、たとえばＤＳＰ（Digital Signal Processor）などを用いてディジタル処理で行っても、アナログ処理で行っても構わない。同様に、それぞれのスピーカ１ｓ〜８ｓを駆動している増幅器１ａ〜８ａはアナログ動作でもスイッチング動作でも構わない。

実施の形態２
以下、図面を参照して実施の形態２を具体的に説明する。尚、音響システムの構成は図１に示した構成と略同一であるため説明は省略する。
図４は、実施の形態２に係る増幅器及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。すなわち、図４は、図１における信号処理部３から信号を受け取る増幅部１及び増幅部１から信号を受け取るアレイスピーカ４を示す。

入力信号１ｎ〜８ｎは、信号処理部３から増幅部１に与えられる信号であり、当該信号は増幅部１がスピーカ１ｓ〜８ｓに与える信号に対応する。
増幅部１は、加算器１１ｃ〜１７ｃ、位相反転器１０、振幅制限器１２、加算器２１ｃ〜２８ｃ、増幅器１１及び増幅器１ａ〜８ａを備える。本実施の形態は、振幅制限器１２を備える点で、実施の形態１とは異なる。
加算器１１ｃ〜１７ｃは、入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。加算された信号の値は８で割られ、入力信号１ｎ〜８ｎの瞬時値の平均を表す共通信号５が得られる。振幅制限器１２は、加算器１１ｃ〜１７ｃにより求められた共通信号５に対して振幅制限を行い、振幅制限された信号５０ａを位相反転器１０に与える。位相反転器１０は、信号５０aを位相反転し、増幅器１１及び加算器２１ｃ〜２８ｃに与える。
加算器２１ｃ〜２８ｃは、位相反転器１０により位相反転された信号５０ａに入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。すなわち、加算器２１ｃ〜２８ｃにおいて、入力信号１ｎ〜８ｎから信号５０ａの減算が行われ、その減算結果はそれぞれ増幅器１ａ〜８ａに与えられる。

増幅器１１は、位相反転器１０により位相反転された信号５０ａを増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの共通電極に与える。共通電極とは、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動電極のうち増幅器１ａ〜８ａに接続されていない電極（マイナス入力端子）をまとめて１つの回路端として扱ったものである。すなわち、本実施の形態では、信号５０ａを単一の増幅器１１で増幅し、共通配線で各スピーカ１ｓ〜８ｓのマイナス入力端子に与えるので、各スピーカ１ｓ〜８ｓのマイナス入力端子に与えられる信号の電圧は等しくなる。一方、増幅器１ａ〜８ａは、加算器２１ｃ〜２８ｃによって入力信号１ｎ〜８ｎから信号５０ａが減算された信号を増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動電極のうち増幅器１ａ〜８ａに接続されている電極（プラス入力端子）にそれぞれ出力することにより、８個のスピーカ１ｓ〜８ｓを個別に駆動する。
各スピーカ１ｓ〜８ｓは、増幅器１ａ〜８ａ及び増幅器１１に接続されているため、各スピーカ１ｓ〜８ｓには、増幅器１ａ〜８ａの出力信号と増幅器１１の出力信号の差分信号が入力されることになる。その結果、各スピーカ１ｓ〜８ｓからは、それぞれのスピーカ１ｓ〜８ｓに対応する入力信号１ｎ〜８ｎが増幅されて放音される。

実施の形態１と同様に、アレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓに入力される信号は大きな共通成分を含み、それらの信号の類似性は高い。一般的な使用状態において、アレイスピーカ４に入力される信号は上記条件を満たす成分を多く含むため、図４に示した増幅器１１が寄与する信号が多くなるが、特に入力信号１ｎ〜８ｎの位相がそろっている場合、増幅器１１に信号が集中する。これによって増幅器１１の最大出力レベルを超えた場合、十分な出力電圧を確保できなくなる恐れがある。そこで、振幅制限器１２を設け、増幅器１１の最大出力レベルに対応する電圧に信号５０ａの振幅を制限することにより上記の現象を防止することができる。

図１２は、図４に示す構成における各部の信号の波形を模式的に示す波形図である。図中、波形の横方向は時間方向に対応し、波形の縦方向は波形の振幅に対応する。
図１２Ａは、図３に示した配置において、信号処理部３から増幅部１に与えられる入力信号１ｎ〜８ｎの内の入力信号１ｎ、２ｎ、４ｎの波形を示す。実際の波形では、入力信号１ｎ〜８ｎは類似性が高い波形の束として現れるが、ここでは、その内の入力信号１ｎ、２ｎ、４ｎだけを例として示す。図１２Ｂは加算器１１ｃ、１２ｃ、１４ｃから得られた共通信号５及び信号５０ａの波形を示す。図１２Ｃは増幅器１ａ、２ａ、４ａの出力信号１１ａ、２２ａ、４４ａ及び増幅器１１の出力信号１０ａの波形を示す。図１２Ｄはスピーカ１ｓ、２ｓ、４ｓに印可される電圧の波形を示す。これらの図から、共通信号５の振幅が増幅器１１の最大出力レベルを超えても、本実施の形態に基づく音響システムが有効に動作することがわかる。

上述した通り、振幅制限器１２は、増幅器１１の最大出力レベルに対応する電圧に共通信号５の振幅を制限するが、振幅制限器１２が急峻に振幅制限を行った場合、増幅器１ａ〜８ａ及び増幅器１１の出力信号に高周波成分が発生し、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動信号に雑音が加わる恐れがある。この際、振幅制限器１２の動作をソフトクリップタイプとして、急峻な振幅制限を行わないことにより、高周波成分の発生を軽減することができ、大振幅で位相のそろった入力信号１ｎ〜８ｎに対しても音響システムを安定して動作させることができる。

実施の形態３
以下、図面を参照して実施の形態３を具体的に説明する。尚、音響システムの構成は図１に示した構成と略同一であるため説明は省略する。
図５は、実施の形態３に係る増幅器及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。すなわち、図５は、図１における信号処理部３から信号を入力する増幅部１、増幅部１から信号を入力するアレイスピーカ４及び低音用スピーカ９ｓを示す。ここで、低音用スピーカ９ｓは、アレイスピーカ４には含まれない。本実施の形態は、低音用スピーカ９ｓをアレイスピーカ４とは別に設ける点で、実施の形態１とは異なる。
入力信号１ｎ〜８ｎは、信号処理部３から増幅部１に与えられる信号であり、当該信号は増幅部１がスピーカ１ｓ〜８ｓに与える信号に対応する。
増幅部１は、加算器１１ｃ〜１７ｃ、位相反転器１０、加算器２１ｃ〜２８ｃ、増幅器１１及び増幅器１a〜８aを備える。
加算器１１ｃ〜１７ｃは、入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。加算された信号の値は８で割られ、入力信号１ｎ〜８ｎの瞬時値の平均を表す信号（以下、共通信号５と呼ぶ。）が得られる。位相反転器１０は、共通信号５を位相反転し、増幅器１１及び加算器２１ｃ〜２８ｃに与える。
加算器２１ｃ〜２８ｃは、位相反転器１０により位相反転された共通信号５に入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。すなわち、加算器２１ｃ〜２８ｃにおいて、入力信号１ｎ〜８ｎから共通信号５の減算が行われ、その減算結果はそれぞれ増幅器１ａ〜８ａに与えられる。

増幅器１１は、位相反転器１０により位相反転された共通信号５を増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの共通電極に与える。共通電極とは、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動電極のうち増幅器１ａ〜８ａに接続されていない電極（マイナス入力端子）をまとめて１つの回路端として扱ったものである。すなわち、本実施の形態では、共通信号５を単一の増幅器１１で増幅し、共通配線で各スピーカ１ｓ〜８ｓのマイナス入力端子に与えるので、各スピーカ１ｓ〜８ｓのマイナス入力端子に与えられる信号の電圧は等しくなる。一方、増幅器１ａ〜８ａは、加算器２１ｃ〜２８ｃによって入力信号１ｎ〜８ｎから共通信号５が減算された信号を増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの駆動電極のうち増幅器１ａ〜８ａに接続されている片側の電極（プラス入力端子）にそれぞれ与えることにより、８個のスピーカ１ｓ〜８ｓを個別に駆動する。

各スピーカ１ｓ〜８ｓは、増幅器１ａ〜８ａ及び増幅器１１に接続されているため、各スピーカ１ｓ〜８ｓには、増幅器１ａ〜８ａの出力信号と増幅器１１の出力信号の差分信号が入力されることになる。その結果、各スピーカ１ｓ〜８ｓからは、それぞれのスピーカ１ｓ〜８ｓに対応する入力信号１ｎ〜８ｎが増幅されて放音される。

一方、アレイスピーカ４に含まれない低音用スピーカ９ｓは、増幅器１１と基準電圧に接続されている。この結果、低音用スピーカ９ｓは、入力信号１ｎ〜８ｎの共通信号５に従って駆動される。ここで、前述の通り、入力信号１ｎ〜８ｎの共通信号５は多くの低域成分を含む。よって、共通信号５を用いて低音用スピーカ９ｓを駆動することが有効である。一般的にアレイスピーカ４は比較的小口径のスピーカで構成されることが多いが、それゆえ十分な低音を再生することは困難である。従って、アレイスピーカ４とは別に低音用スピーカ９ｓを設けることにより音響システムの広帯域化を図ることができる。また、本実施の形態では増幅器の追加なしで低音用スピーカ９ｓを音響システムに追加することができる。
尚、図５に示した構成では、増幅器１１の出力信号を直に低音用スピーカ９ｓに接続しているが、ローパスフィルタを増幅器１１と低音用スピーカ９ｓの間に挿入してもよい。

図６は、図５に示す構成の変形例であり、ローパスフィルタを増幅器とスピーカの間に挿入した構成例を示すブロック図である。図からわかるように、増幅器１１と低音用スピーカ９ｓの間にローパスフィルタ１３が設けられている。ローパスフィルタ１３を設けることにより、高周波成分を除去した信号を低音用スピーカ９ｓに与えることができる。
また図５及び図６に示した構成では両電源を用いて音響システムを構成したが、片電源で音響システムを構成してもよい。

図７は、図５又は図６に示す構成の変形例であり、片電源を用いた構成例を示すブロック図である。図からわかるように、ローパスフィルタ１３とスピーカ１ｓ〜８ｓの間に直流阻止コンデンサ１４を設けられている。直流阻止コンデンサ１４を設けることによって、低音用スピーカ９ｓに直流電圧が印可されないようにすることができる。
なお、図５、図６及び図７に示した構成では、スピーカ１ｓ〜８ｓをシングル駆動しているが、増幅器を１つ追加してスピーカ１ｓ〜８ｓをブリッジ駆動する構成にしてもよい。

図８は、図５、図６又は図７に示す構成の変形例であり、増幅器を１つ追加してスピーカをブリッジ駆動する構成例を示すブロック図である。図からわかるように、増幅器１ａ〜８ａの他に増幅器９ａが設けられている。

実施の形態４
以下、図面を参照して実施の形態４を具体的に説明する。尚、音響システムの構成は図１に示した構成と略同一であるため説明は省略する。
図９は、実施の形態４に係る増幅器及びアレイスピーカの構成例を示すブロック図である。すなわち、図９は、図１における信号処理部３から信号を入力する増幅部１、増幅部１から信号を入力するアレイスピーカ４及び低音用スピーカ９ｓを示す。ここで、低音用スピーカ９ｓは、アレイスピーカ４には含まれない。
入力信号１ｎ〜８ｎは、信号処理部３から増幅部１に与えられる信号であり、当該信号は増幅部１がスピーカ１ｓ〜８ｓに与える信号に対応する。
増幅部１は、加算器１１ｃ〜１７ｃ、位相反転器１０、振幅制限器１２、加算器２１ｃ〜２８ｃ、増幅器１１、増幅器１ａ〜８ａ及び増幅器１６を備える。
加算器１１ｃ〜１７ｃは、入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。加算された信号の値は８で割られ、入力信号１ｎ〜８ｎの共通信号５が得られる。振幅制限器１２は、加算器１１ｃ〜１７ｃにより求められた入力信号の平均に対して振幅制限を行い、振幅制限された信号５０ａを位相反転器１０に与える。位相反転器１０は、信号５０ａを位相反転し、増幅器１１、増幅器１ａ〜９ａ及び加算器２１ｃ〜２８ｃに与える。
加算器２１ｃ〜２８ｃは、位相反転器１０により位相反転された信号５０ａに入力信号１ｎ〜８ｎを加算する。すなわち、加算器２１ｃ〜２８ｃにおいては、入力信号１ｎ〜８ｎから信号５０ａの減算が行われ、その減算結果はそれぞれ増幅器１ａ〜８ａに与えられる。
増幅器１ａ〜８ａは、加算器２１ｃ〜２８ｃが出力した信号、すなわち入力信号１ｎ〜８ｎから信号５０ａを減算した信号を増幅し、スピーカ１ｓ〜８ｓの片側の電極（プラス入力端子）に与える。

一方で、増幅器９ａは、増幅器１６で２倍にした信号５から信号５０ａを加算器２９ｃで出力し、低音用スピーカ９ｓを駆動する。
尚、図９に示した構成では、増幅器１１の出力信号を直に低音用スピーカ９ｓに接続しているが、ローパスフィルタを増幅器１１と低音用スピーカ９ｓの間に挿入してもよい。

図１０は、図９に示す構成の変形例であり、ローパスフィルタを増幅器とスピーカの間に挿入した構成例を示すブロック図である。図からわかるように、増幅器１１と低音用スピーカ９ｓの間にローパスフィルタ１３が設けられている。ローパスフィルタ１３を設けることにより、高周波成分を除去した信号を低音用スピーカ９ｓに与えることができる。

変形例
本発明は上述した実施の形態に限らず、他の態様でも実施することが可能である。以下に変形例として幾つかの態様を示す。
上述した実施の形態においては、音響システムを構成する主要なユニットの数を８個として表現しているが、主要なユニットを任意の数として音響システムを構成可能である。また、入力信号１ｎ〜８ｎの瞬時値の平均を求める際に、１つの加算器の出力と入力信号との加算すなわち２つの信号を加算する加算器で実現しているが、３以上の信号の加算が可能な加算器を用いてもよい。
また、アレイスピーカ４に含まれないスピーカの数は１つに限らず、任意の数で実現可能である。この場合、アレイスピーカ４に含まれないスピーカを並列又は直列に接続してもよい。また、音響システムを構成する主要なユニットの数を８個とし、８個のスピーカ１ｓ〜８ｓを共通に駆動する増幅器１ａ〜８ａを設けているが、音響システムを構成する主要なユニットの数が多い場合、音響システムを複数のグループに分割してもよい。
また、アレイスピーカ４に含まれないスピーカを追加しているが、アレイスピーカ４に含まれないスピーカは、アレイスピーカ４と同一筐体であっても別筐体であってもよい。また、音響システム中に加算器や減算部、振幅制限部を設けたが、例えば増幅器にその機能を集約してもよい。また、アレイスピーカ４を構成するスピーカ１ｓ〜８ｓを個別の構成要素として表現しているが、筐体や振動板は共通であってもよい。すなわち、スピーカとして表現されている構成要素は、電気音響変換器において電気・機械変換を行う構成要素であればよい。また、スピーカアレイを駆動する信号処理方式としてはＷＦＳ以外の信号処理方式であってもよい。

１増幅部
２レベル調整部
３信号処理部
４アレイスピーカ
６制御部
７位置情報保持部
８操作部
１ｓ〜８ｓスピーカ
９ｓ低音用スピーカ
１ｎ〜８ｎ入力信号
１１ｃ〜１７ｃ加算器
２１ｃ〜２８ｃ加算器
１０位相反転器
１１、１ａ〜９ａ、１６増幅器
Ａ１仮想音源
１２振幅制限器
１３ローパスフィルタ
１ｃ〜８ｃコンデンサ
１ｐ、２ｐ電源

Claims

複数のスピーカを含むアレイスピーカを駆動するアレイスピーカ駆動装置において、
前記複数のスピーカのそれぞれに対応する複数の入力信号の瞬時値の平均を求め、振幅が求めた平均となるような平均信号を生成する平均信号生成手段と、
該平均信号生成手段が生成した平均信号の振幅を所定の値に制限する振幅制限手段と、
該振幅制限手段が振幅を制限した平均信号の位相を反転する位相反転手段と、
前記複数の入力信号のそれぞれに前記位相反転手段が位相を反転した平均信号を加算する手段と
を備えることを特徴とするアレイスピーカ駆動装置。
前記位相反転手段により位相が反転された平均信号に対応する信号から所定周波数以上を減衰させるローパスフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のアレイスピーカ駆動装置。
前記振幅制限手段はソフトクリップ回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレイスピーカ駆動装置。