JP6102268B2

JP6102268B2 - 音声再生装置

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Publication number: JP6102268B2
Application number: JP2013004566A
Authority: JP
Inventors: 伸也日月
Original assignee: Onkyo Corp
Current assignee: Onkyo Corp
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: JP2014138209A

Description

本発明は、動電型スピーカーの非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成する信号処理回路を含む音声再生装置であって、動電型スピーカーの非線形モデルの線形パラメータおよび非線形パラメータを推定したうえで、動電型スピーカーが再生する音声に含まれる非線形歪を低減させるように非線形歪補正信号を生成する音声再生装置に関する。

可聴音域の音波を再生する動電型スピーカーの主流である直接放射型のスピーカーでは、振動板およびボイスコイルを含むスピーカー振動系を、エッジおよびダンパーの支持系により１自由度で振動可能に支持している。また、磁気回路の磁気空隙に配置されるスピーカー振動系のボイスコイルは、音声信号電流が流されると、磁気空隙の磁界により駆動力を受けるので、スピーカー振動系が音声信号に因って振動して空気の圧力変化を生じさせ、その結果、動電型スピーカーから音声が再生される。動電型スピーカーの音圧周波数特性は、ボイスコイル変位ｘが小さくなる最低共振周波数ｆ０以上の周波数帯域で、入力電圧に略比例するようになる。動電型スピーカーの音圧周波数特性は、入力信号レベルに対して再生される音圧レベルが大きくなる能率が高いものが好ましく、また、最低共振周波数ｆ０が低くて再生可能な周波数帯域が広いものが好ましい。

一方で、動電型スピーカーでは、音声信号成分には含まれていない非線形歪成分（高調波歪、混変調歪、等）の音圧レベルが低いことが好ましい。ボイスコイル変位ｘが大きい最低共振周波数ｆ０以下の周波数帯域では、動電型スピーカーは、音声信号成分には含まれていない好ましくない非線形歪成分（高調波歪、混変調歪、等）を大きなレベルで再生してしまう場合がある。これは、磁気回路の磁気空隙における磁束密度が一定でなく、磁束密度とコイル長の積である力係数Ｂｌがボイスコイル変位ｘに伴って変化すること、および、支持系を構成するエッジおよびダンパーのスティフネスＫが一定でなく、ボイスコイル変位ｘに伴って変化すること、が主な原因であることが知られている。同様に、動電型スピーカーでは、ボイスコイルのインダクタンスＬがボイスコイル変位ｘに伴って変化することもよく知られている。したがって、振動板の表面積が小さくて低音域の再生能力が乏しい動電型スピーカーでは、最低共振周波数ｆ０以下の周波数帯域の音声信号をブーストする（増幅率（ゲイン）を相対的に大きくする）ことで実質的に再生可能な周波数帯域を低く拡大しようとする場合に、線形成分である基本波に対して非線形歪成分である高調波歪または混変調歪が相対的に著しく大きくなるという問題がある。

動電型スピーカーにおいて非線形歪が増大すると、再生音質が低下するという問題がある。本願の出願人は、スピーカーの評価を目的として基準音に対する倍音の検知閾を測定した結果について発表している（非特許文献１）。音声信号が純音であれば、非線形性により発生した基準音に対する倍音は、基本波に対する高調波歪成分に相当する。非特許文献１から、高調波歪成分が相対的に大きくなると検知可能になること、および、基準音の音圧レベルおよび周波数により倍音検知閾が変化すること、倍音次数が上がるほど検知閾が下がること、等が分かる。

従来には、動電型スピーカーが再生する音声に含まれる非線形歪を低減させるように、非線形歪補正信号を生成する音声再生装置がある（非特許文献２）。例えば、動電型スピーカーの非線形歪をフィードフォワード方式で補正して歪を減少させる方法が開示されている（特許文献１）。本願の出願人は、２次以上の非線形ＩＩＲフィルタという構成で特許文献１と同等の非線形歪補正方法を実現した（特許文献２）。これらの方法は、動電型スピーカーをモデル化し、線形パラメータであるシールスモールパラメータと、ボイスコイル変位ｘに伴う非線形パラメータとを求めて、非線形歪補正信号を生成する方法を採っている。つまり、入力信号からボイスコイル変位ｘを予測して、変位ｘを非線形パラメータの引数にして、線形化に必要な補正信号を生成するという方法である。これらの非線形歪補正の方法は、動電型スピーカーの非線形モデルに基づいているのでモデルの理解が容易であり、ヴォルテラフィルタ（Volterra filter）を用いるような他の方法（特許文献３）に比較して、高次の非線形歪補正信号の生成も比較的に容易であるという利点がある。

しかしながら、特許文献１または２の従来技術では、動電型スピーカーの特定の次数の高調波歪成分について、増減を調整するのが難しいという問題がある。これは、特許文献１または２の従来技術が、動電型スピーカーを１自由度振動系の線形モデルを基礎に、一部の非線形パラメータをボイスコイル変位ｘを引数にして非線形モデル化しているので、主要な非線形パラメータが相互に影響を及ぼすからである。例えば、主な偶数次歪成分である２次高調波歪のみを低減する、あるいは、主な奇数次歪成分である３次高調波歪のみを低減する、等のコントロールができれば、動電型スピーカーにおける再生音質の調整が可能になるという利点がある。したがって、動電型スピーカーの非線形歪補正の方法を改善することが要望されている。

「スピーカの評価を目的とした倍音検知閾の測定」日本音響学会聴覚研究会資料 40(10), 839-844, 2010-12-10 、平野仁、久本禎俊、定家弘一（オンキヨー株式会社）「信号処理技術によるスピーカシステムの非線形歪補正」日本音響学会誌６７巻１０号（２０１１）,ｐｐ．４７０−４７５梶川嘉延（関西大学システム理工学部）

米国特許５，４３８，６２５公報特許第３７８５６２９号公報特許第４０３４８５３号公報

本発明は、上記の従来技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、動電型スピーカーの非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成する信号処理回路を含む音声再生装置であって、動電型スピーカーが再生する音声に含まれる非線形歪を低減させることを含めて調整可能にする非線形歪補正信号を生成する音声再生装置を提供することにある。

本発明の音声再生装置は、動電型スピーカーと、動電型スピーカーの非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成する信号処理回路と、を含む音声再生装置であって、信号処理回路が、入力音声信号が入力されるボイスコイル状態演算部と、ボイスコイル状態演算部の出力信号に基づいて非線形歪補正信号を生成する非線形歪補正信号生成部と、非線形歪補正信号生成部からの出力信号を増幅して動電型スピーカーへ出力する増幅部と、を備え、ボイスコイル状態演算部が、動電型スピーカーの第１非線形パラメータとは異なる第２非線形パラメータおよび第２線形パラメータにより設定される仮想動電型スピーカーに関して、入力音声信号に対する仮想動電型スピーカーのボイスコイルの予測変位ｘおよび予測速度ｖおよび予測加速度ａを演算して非線形歪補正信号生成部へ出力し、非線形歪補正信号生成部が、予測変位ｘと、予測速度ｖと、予測加速度ａと、動電型スピーカーの第１線形パラメータおよび第１非線形パラメータと、仮想動電型スピーカーの第２線形パラメータおよび第２非線形パラメータと、に基づいて非線形歪補正信号を生成する。

また、好ましくは、本発明の音声再生装置は、信号処理回路のボイスコイル状態演算部が、仮想動電型スピーカーの第２線形パラメータおよび第２非線形パラメータを含むボイスコイルの予測変位ｘに関する微分方程式を数値計算法で演算し、ボイスコイルの予測変位ｘと、予測速度ｖおよび予測加速度ａと、を演算して出力する。

また、好ましくは、本発明の音声再生装置は、動電型スピーカーの第１非線形パラメータと、仮想動電型スピーカーの第２非線形パラメータと、がそれぞれ少なくとも、予測変位ｘをパラメータとして変化する力係数Ｂｌ１（ｘ）およびＢｌ２（ｘ）、並びに、スティフネスＫ１（ｘ）およびＫ２（ｘ）を含み、予測変位ｘの２次以上の多項式により近似される。

また、好ましくは、本発明の音声再生装置は、信号処理回路のボイスコイル状態演算部が、仮想動電型スピーカーの第２非線形パラメータを予測変位ｘの２次以上の多項式により近似して、多項式を偶関数化することにより予測変位ｘおよび予測速度ｖおよび予測加速度ａを演算して非線形歪補正信号生成部へ出力し、非線形歪補正信号生成部が、動電型スピーカーから再生される偶数次高調波歪成分を低減する非線形歪補正信号を生成する。

以下、本発明の作用について説明する。

本発明の音声再生装置は、動電型スピーカーと、動電型スピーカーの非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成する信号処理回路と、を含む音声再生装置である。信号処理回路は、動電型スピーカーが再生する音声に含まれる非線形歪を低減させることを含めて調整可能にする非線形歪補正信号を生成する。信号処理回路は、入力音声信号が入力されるボイスコイル状態演算部と、ボイスコイル状態演算部の出力信号に基づいて非線形歪補正信号を生成する非線形歪補正信号生成部と、非線形歪補正信号生成部からの出力信号を増幅して動電型スピーカーへ出力する増幅部と、を備える。

ここで、音声再生装置の信号処理回路は、ボイスコイル状態演算部が、動電型スピーカーの第１非線形パラメータとは異なる第２非線形パラメータおよび第２線形パラメータにより設定される仮想動電型スピーカーに関して、入力音声信号に対する仮想動電型スピーカーのボイスコイルの予測変位ｘおよび予測速度ｖおよび予測加速度ａを演算して非線形歪補正信号生成部へ出力する。具体的には、ボイスコイル状態演算部は、仮想動電型スピーカーの第２線形パラメータおよび第２非線形パラメータを含むボイスコイルの予測変位ｘに関する微分方程式を数値計算法で演算し、ボイスコイルの予測変位ｘと、予測速度ｖおよび予測加速度ａと、を演算して出力するのが好ましい。したがって、ボイスコイル状態演算部は、特定の第２非線形パラメータのみを非線形歪補正の対象にして仮想動電型スピーカーを想定し、その非線形歪成分を含むボイスコイルの予測変位ｘおよび予測速度ｖおよび予測加速度ａを演算することができる。

次に、信号処理回路の非線形歪補正信号生成部は、これらの予測変位ｘと、予測速度ｖと、予測加速度ａと、動電型スピーカーの第１線形パラメータおよび第１非線形パラメータと、仮想動電型スピーカーの第２線形パラメータおよび第２非線形パラメータと、に基づいて非線形歪補正信号を生成する。非線形歪補正信号生成部は、入力音声信号に対して増幅部を介して接続される動電型スピーカーの非線形歪を低減するように調整されている。動電型スピーカーの第１線形パラメータおよび第１非線形パラメータは、入力音声信号に対するボイスコイルの線形予測変位ｘに基づいて特定されている。したがって、信号処理回路の非線形歪補正信号生成部は、特定の第２非線形パラメータに起因する非線形歪成分を含むボイスコイルの予測変位ｘおよび予測速度ｖおよび予測加速度ａをボイスコイル状態演算部から入力され、さらに、動電型スピーカーのボイスコイルを仮想的な第２非線形パラメータに従った非線形歪を再生するように、非線形歪補正信号を生成することになる。非線形歪補正信号生成部は、ボイスコイル状態演算部が動電型スピーカーの第１線形パラメータおよび第１非線形パラメータだけでなく、仮想動電型スピーカーの第２線形パラメータおよび第２非線形パラメータを反映させて非線形歪補正信号を生成するので、理想的な非線形歪補正信号を生成できる。

動電型スピーカーの第１非線形パラメータと、仮想動電型スピーカーの第２非線形パラメータと、はそれぞれ少なくとも、予測変位ｘをパラメータとして変化する力係数Ｂｌ１（ｘ）およびＢｌ２（ｘ）、並びに、スティフネスＫ１（ｘ）およびＫ２（ｘ）を含む。これらを予測変位ｘの２次以上の多項式により近似すれば、例えば、信号処理回路のボイスコイル状態演算部が、予測変位ｘの多項式を偶関数化することにより、動電型スピーカーから再生される偶数次高調波歪成分を低減することができる。これは、第２非線形パラメータである力係数並びにスティフネスを、予測変位ｘ＝０ｍｍに対して対称な偶関数化することで、力係数並びにスティフネスの非対称性が大きく影響する２次または４次といった高次高調波成分を含む予測変位ｘ（および予測速度ｖおよび予測加速度ａ）が正確に予測できるので、非線形歪補正信号生成部は、動電型スピーカーのボイスコイルの実際の変位ｘにより近い予測変位ｘ（および予測速度ｖおよび予測加速度ａ）に基づいて非線形歪補正信号を生成することができるようになるからである。

したがって、仮想的な第２非線形パラメータを理想的な特定値（例えばゼロ（＝０））に設定すれば、その第２非線形パラメータに起因する動電型スピーカーの非線形歪をその特定値により近い方向へ（例えば、より非線形歪を低減する）調整することができる。すなわち、本発明の音声再生装置は、第１線形パラメータおよび第１非線形パラメータにより定まる動電型スピーカーの非線形歪を含む再生特性を、第２非線形パラメータおよび第２線形パラメータにより設定される仮想動電型スピーカーの再生特性に実質的に変えることができ、非線形歪を低減させることを含めて調整可能にする非線形歪補正信号を生成することができる。

本発明の音声再生装置は、動電型スピーカーの非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成する信号処理回路を含む音声再生装置であって、動電型スピーカーが再生する音声に含まれる非線形歪を低減させることを含めて調整可能にする非線形歪補正信号を生成することができる。

本発明の好ましい実施形態による音声再生装置１について説明する図である。（実施例１）音声再生装置１を構成するスピーカーシステム３の力係数の非線形性を示すグラフである。（実施例１）音声再生装置１を構成するスピーカーシステム３のスティフネスの非線形性を示すグラフである。（実施例１）音声再生装置１のスピーカーシステム３からの再生音に含まれる非線形歪について説明するグラフである。（実施例１）

以下、本発明の好ましい実施形態による音声再生装置について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

図１は、本発明の好ましい実施形態による音声再生装置１について説明する図である。具体的には、図１は、音声再生装置１の構成を示すブロック図である。また、図２は、音声再生装置１を構成するスピーカーシステム３の力係数の非線形性を示すグラフである。また、図３は、スピーカーシステム３のスティフネスの非線形性を示すグラフである。また、図４は、音声再生装置１のスピーカーシステム３からの再生音に含まれる非線形歪について説明するグラフである。なお、説明に不要な一部の構造や、内部構造等は、図示ならびに説明を省略している。

音声再生装置１は、信号処理回路２と、スピーカーシステム３と、から構成される。音声再生装置１は、入力端子Ｉｎｐｕｔに入力されるデジタル音声信号を、内蔵するＤＳＰ５で信号処理し、Ｄ／Ａ変換器６でアナログ信号に変換した後にアンプ回路７を介してスピーカーシステム３に出力する。スピーカーシステム３は、キャビネット３０に動電型スピーカー３１が取り付けられて構成されている。動電型スピーカー３１の後述するボイスコイル３３には、接続線３２を介して信号処理回路２からの出力信号が供給される。したがって、動電型スピーカー３１のボイスコイル３３および振動板３４が振動すると、音声再生装置１は、音声信号を音波に変換して音声を再生することができる。

信号処理回路２は、音声再生装置１の動作を制御する制御回路４と、デジタル音声信号を入力して信号処理するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）５と、ＤＳＰ５の出力を受けてアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器６、および、これらのアナログ信号をそれぞれ増幅してスピーカーシステム３へ出力するアンプ回路７と、を少なくとも含む。ＤＳＰ５を制御する制御回路４は、Ｄ／Ａ変換器６およびアンプ回路７でのゲインＡ（増幅率）をＤＳＰ５に反映させるものであってもよい。本実施例の信号処理回路２は、モノラル信号を対象に説明しているが、ステレオ信号（左信号Ｌおよび右信号Ｒ）を対象としてＤＳＰ５に供給されてもよい。具体的には、信号処理回路２は、ＤＳＰおよびアンプ回路を内蔵するオーディオ製品（ステレオアンプ、ＡＶレシーバー、等）により構成し得る。もちろん、信号処理回路２は、ＤＳＰと、Ｄ／Ａ変換器と、アンプ回路と、を含む他の音声再生装置により構成してもよい。

スピーカーシステム３は、密閉型スピーカーの音響容量を規定するキャビネット３０と、直接放射型の動電型スピーカー３１とから構成される。図１において断面図で示す動電型スピーカー３１では、ボイスコイル３３および振動板３４が、エッジ３５およびダンパー３６によって図示する矢印ｘの一軸方向に振動可能に支持されている。動電型スピーカー３１のフレーム３７は、動電型スピーカー３１をキャビネット３０に固定すると共に、磁気空隙を有する磁気回路３８の位置を固定する。したがって、ボイスコイル３３および振動板３４は、音声信号電流が流されると、磁気回路３８の磁気空隙の磁界により駆動力を受けて相対的に振動する。音声信号電流が流されていない場合のボイスコイル３３の静止位置を変位ｘ＝０とする。

スピーカーシステム３の最低共振周波数ｆ０は、動電型スピーカー３１のボイスコイル３３および振動板３４に起因する重量ｍ０と、エッジ３５およびダンパー３６ならびにキャビネット３０の空気の音響容量に起因するスティフネスＫと、により定まる。動電型スピーカー３１のスティフネスＫは、動電型スピーカー３１のボイスコイル３３および振動板３４の重量ｍ０を支持するバネの固さを意味する。動電型スピーカー３１のスティフネスＫは、ボイスコイル変位ｘの絶対値が小さい時に比較して、ボイスコイル変位ｘの絶対値が大きくなればバネとして固くなるといえるので、ボイスコイル変位ｘによって変化する非線形パラメータＫ（ｘ）とみなすことができる。例えば、図３のグラフにおいて実線で図示するように、動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３のスティフネスＫは、ボイスコイル変位ｘの絶対値が小さいときには変化量が少ない一方で、ボイスコイル変位ｘの絶対値が大きくなるにつれて大きくなるように変化する。

スピーカーシステム３の音圧周波数特性は、動電型スピーカー３１の能率が高いほど、音圧レベルが高くなる。動電型スピーカー３１の能率は、磁束密度とコイル長の積である力係数Ｂｌと、ボイスコイル３３および振動板３４に起因する重量ｍ０と、等より定まる。動電型スピーカー３１の磁気回路３８の磁気空隙は有限なので、磁束密度は、ボイスコイル変位ｘに対して一定にならずに変化する。一般的に、ボイスコイル変位ｘの絶対値が小さい時に比較して、ボイスコイル変位ｘの絶対値が大きくなれば、力係数Ｂｌは小さくなるので、ボイスコイル変位ｘによって変化する非線形パラメータＢｌ（ｘ）とみなすことができる。例えば、図２のグラフにおいて実線で図示するように、スピーカーシステム３を構成する動電型スピーカー３１の力係数Ｂｌは、最も大きくなる位置がボイスコイルの静止位置（ｘ＝０）からずれて非対称になっており、ボイスコイル変位ｘの絶対値が大きくなるにつれて小さくなるように変化する。

動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３では、最低共振周波数ｆ０以下の周波数帯域の音声信号をブーストすることで実質的に再生可能な周波数帯域を低く拡大しようとする場合に、線形成分である基本波に対して非線形歪成分である高調波歪または混変調歪が相対的に著しく大きくなる。つまり、ボイスコイル変位ｘの絶対値が大きくなると、非線形パラメータであるスティフネスＫ（ｘ）および力係数Ｂｌ（ｘ）がボイスコイル変位ｘに伴って変化するので、振幅変調が発生して非線形歪成分が音声信号に含まれることになる。したがって、この音声再生装置１の信号処理回路２は、ボイスコイル状態演算部２０および非線形歪補正信号生成部１０を構成するＤＳＰ５において、動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３の非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成し、スピーカーシステム３が再生する音声に含まれる非線形歪を低減させることができる。

信号処理回路２の制御回路４は、仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータおよび非線形パラメータをＤＳＰ５のボイスコイル状態演算部２０に設定する。また、制御回路４は、仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータおよび非線形パラメータに加えてスピーカーシステム３の線形パラメータおよび非線形パラメータをＤＳＰ５の非線形歪補正信号生成部１０に設定する。本実施例の場合には、仮想スピーカーシステム３００は、スピーカーシステム３の非線形歪特性を非線形歪が少なくなるように一部変更した仮想のスピーカーシステムであって、他の線形パラメータおよび非線形パラメータは、スピーカーシステム３のものと同一である。具体的には、仮想スピーカーシステム３００では、図２および図３のグラフに示すように、磁気回路３８における力係数Ｂｌ（ｘ）の非対称性を解消して偶関数に設定し、さらに、支持系のスティフネスの非対称性および非線形性を解消して一定値に設定している。つまり、力係数ならびにスティフネスを予測変位ｘの２次多項式で表した場合、力係数Ｂｌ（ｘ）＝ｂ０＋ｂ１・ｘ＋ｂ２・ｘ＾２におけるｂ１をゼロに、スティフネスＫ（ｘ）＝ｋ０＋ｋ１・ｘ＋ｋ２・ｘ＾２におけるｋ１およびｋ２をゼロに、設定している。以下の数式を用いる説明では、便宜的に、スピーカーシステム３の線形パラメータおよび非線形パラメータに関する記号にはＡを付して、仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータおよび非線形パラメータに関する記号にはＢを付して、これらを区別する。

図１に図示するように、信号処理回路２のＤＳＰ５では、ボイスコイル状態演算部２０が、入力音声信号に対する仮想スピーカーシステム３００のボイスコイルの予測変位ｘ_Ｂおよび予測速度ｖ_Ｂおよび予測加速度ａ_Ｂを演算して非線形歪補正信号生成部１０へ出力する。ボイスコイル状態演算部２０は、仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータおよび非線形パラメータを含むボイスコイルの予測変位ｘ_Ｂに関する微分方程式を数値計算法で演算し、ボイスコイルの予測変位ｘ_Ｂと、予測速度ｖ_Ｂおよび予測加速度ａ_Ｂと、を演算して非線形歪補正信号生成部１０へ出力する。ボイスコイルの自己インダクタンスを無視した場合、スピーカーの等価回路モデルは以下のような式となるので、これらをまとめると各種パラメータに仮想スピーカーシステム３００の記号Ｂを付した線形パラメータおよび非線形パラメータを使用した式（１）のような予測変位ｘ_Ｂに関する微分方程式が得られる。

なお、各パラメータは、以下の意味である。
Re：ボイスコイルの抵抗値（DC）
Ｂｌ（ｘ）：磁気回路の力係数
K(x) ：スピーカー振動系のスティフネス
m：スピーカー振動系の質量
Rm：スピーカー振動系の機械抵抗
u：入力音声信号電圧

したがって、式（１）を例えばホイン法のような数値計算法で演算して解けば、仮想スピーカーシステム３００のボイスコイルの予測変位ｘ_Ｂが得られる。予測速度ｖ_Ｂおよび予測加速度ａ_Ｂは、予測変位ｘ_Ｂを微分演算（差分でもよい）して出力するのが好ましい。このように、ボイスコイル状態演算部２０は、特定の非線形パラメータのみを非線形歪補正の対象にして仮想スピーカーシステム３００を想定し、その非線形歪成分を含むボイスコイルの予測変位ｘ_Ｂおよび予測速度ｖ_Ｂおよび予測加速度ａ_Ｂを演算することができる。なお、式（１）を解く数値計算法は、ルンゲクッタ法などの他の数値計算法であってもよい。

次に、信号処理回路２のＤＳＰ５では、非線形歪補正信号生成部１０が、下記のようにして非線形歪補正信号を生成し、ＤＳＰ５からの出力信号としてＤ／Ａ変換器６に出力する。非線形歪補正信号生成部１０は、これらの予測変位ｘ_Ｂと、予測速度ｖ_Ｂと、予測加速度ａ_Ｂと、記号Ａを付したスピーカーシステム３の線形パラメータおよび非線形パラメータと、記号Ｂを付した仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータおよび非線形パラメータと、に基づいて非線形歪補正信号ｕ_ｏｕｔを生成する。具体的には、以下の式（２）に予測変位ｘ_Ｂと、予測速度ｖ_Ｂと、予測加速度ａ_Ｂと、式（１）とを入力する。非線形歪補正信号生成部１０は、スピーカーシステム３の線形パラメータおよび非線形パラメータを設定されているので、入力音声信号に対してＤＡ変換器６およびアンプ回路７を介して接続されるスピーカーシステム３の非線形歪を低減することができる。式（１）および式（２）から、以下の式（３）が導出される。

式（３）は、特許文献１または非特許文献２に記載されているMirrorフィルタと同様の形式に書き表したものであり、さらに式（４）のようにまとめることができる。また、上記の式では、ＤＡ変換器６およびアンプ回路７でのゲインを１と仮定して数式を単純化している。

この実施例の場合のように、スピーカーシステム３の線形パラメータと仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータとが同じ値を採る場合には、式（４）は、さらに式（５）のように単純化することができる。式（５）を従来のMirrorフィルタと対比すると、厳密にスピーカーシステム３の非線形パラメータである力係数Bl_A(x)およびK_A(x)と、仮想スピーカーシステム３００の非線形パラメータである力係数Bl_Ｂ(x)およびK_Ｂ(x)と、を反映して非線形補正信号を出力することになっている。したがって、非線形パラメータを理想的に、例えば本実施例の場合のように、力係数の非線形性は変化させなくても非対称性は改善する、加えてスティフネスは一定値にして線形化する、というように設定して、非線形歪補正信号を生成できる。

図４は、音声再生装置１のスピーカーシステム３からの再生音に含まれる非線形歪について説明するグラフである。具体的には、入力音声信号が７５Ｈｚの正弦波信号であり、信号処理回路２の制御回路４が、ＤＳＰ５を非線形歪補正信号を生成しないように動作させる非線形歪補正ＯＦＦ状態と、ＤＳＰ５を非線形歪補正信号を生成するように動作させる非線形歪補正ＯＮ状態と、を切り換えるようにして動作する場合に、７５Ｈｚの２次高調波１５０Ｈｚと、３次高調波２２５Ｈｚと、４次高調波３００Ｈｚと、５次高調波３７５Ｈｚと、における高調波歪率を測定して図示したグラフである。

動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３では、ボイスコイル３３およびスピーカー振動板３４の変位ｘの絶対値が大きくなる７５Ｈｚでは、２次〜５次の非線形歪が相対的に大きくなる。非線形歪補正信号を生成しない非線形歪補正ＯＦＦ状態では、グラフに図示するように、３次および５次の奇数次の非線形歪よりも、２次および４次の偶数次の非線形歪が若干小さい。本実施例の場合のように、仮想スピーカーシステム３００の非線形パラメータである力係数Ｂｌ_Ｂ（ｘ）を非対称性が改善された偶関数に設定し、スティフネスＫ_Ｂ（ｘ）を一定値に設定して非線形歪補正信号を生成する非線形歪補正ＯＮ状態にすると、２次および４次の偶数次の非線形歪を十分に程度に低減することができる。

一方で、３次および５次の奇数次の非線形歪は、ほとんど変化させないようにすることができている。本実施例では、スティフネスＫ_Ｂ（ｘ）を一定値に設定して非線形性をも改善しているが、スティフネスＫ_Ｂ（ｘ）の非対称性を改善して偶関数に設定し、力係数Ｂｌ_Ｂ（ｘ）を非対称性が改善された偶関数に設定すれば、ＤＳＰ５の非線形歪補正信号生成部１０は、スピーカーシステム３から再生される２次および４次といった偶数次高調波歪成分を低減するような非線形歪補正信号を生成することができる。

入力音声信号が純音である場合には、動電型スピーカー３１における非線形歪補正が適正な場合には、非線形歪補正ＯＦＦ状態から非線形歪補正ＯＮ状態に切り換えると、非線形歪が低減して再生音から濁り感が少なくなる。一方で、非線形歪補正が不適当な場合には、非線形歪補正ＯＦＦ状態から非線形歪補正ＯＮ状態に切り換えると、非線形歪が逆に増大して再生音の濁り感が増して、音量も大きくなるように聴き取れる場合がある。この音声再生装置１では、任意の非線形パラメータを改善するように非線形歪補正信号を生成することができるので、動電型スピーカーが再生する音声に含まれる非線形歪を低減させることも、反対に非線形歪を適宜に増大させることもできるようになる。つまり、実際のスピーカーシステム３の動作ならびに特性を、線形パラメータおよび非線形パラメータを含めて仮想スピーカーシステム３００として設定したものにほぼ置き換えることができ、動電型スピーカーにおける再生音質の調整が可能になるという利点がある。

本実施例の音声再生装置１では、動電型スピーカー３１の非線形パラメータをスティフネスＫ（ｘ）と、力係数Ｂｌ（ｘ）と存在すると仮定したが、ボイスコイル変位に伴うインダクタンスの非線形パラメータＬ（ｘ）を含む他の非線形モデルに基づいて、ＤＳＰ５のボイスコイル状態演算部２０および非線形歪補正信号生成部１０を構成しても良い。もちろん、他の非線形性を考慮した非線形モデルを採用してもよい。

もちろん、動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３は、密閉型に限らず、位相反転型（バスレフ型、パッシブラジエータ型）、ケルトン型、ダブルパスレフ型、等の他のキャビネット方式であってもよい。いずれのキャビネット方式であっても、ボイスコイル状態演算部２０が、仮想スピーカーシステム３００の線形パラメータおよび非線形パラメータを反映し、非線形歪補正信号生成部１０が、仮想スピーカーシステム３００に加えてスピーカーシステム３の線形パラメータおよび非線形パラメータを反映していればよい。

本発明の音声再生装置は、動電型スピーカーを内蔵して音声信号を再生するオーディオ装置、あるいは、ステレオ再生装置、マルチチャンネルサラウンド音声再生装置のみならず、ディスプレイ等の映像・音響機器、サブウーファー装置、または、音声を再生するスピーカーを内蔵するキャビネットを有するゲーム機、スロットマシン等の遊戯機にも適用が可能である。

１音声再生装置
２信号処理回路
３スピーカーシステム
４制御回路
５ＤＳＰ
６Ｄ／Ａ変換器
７アンプ回路
１０非線形歪補正信号生成部
２０ボイスコイル状態演算部
３０キャビネット
３１動電型スピーカー
３２接続線
３３ボイスコイル
３４振動板
３５エッジ
３６ダンパー
３７フレーム
３８磁気回路

Claims

動電型スピーカーと、該動電型スピーカーの非線形歪特性を反映した非線形歪補正信号を生成する信号処理回路と、を含む音声再生装置であって、
該信号処理回路が、入力音声信号が入力されるボイスコイル状態演算部と、該ボイスコイル状態演算部の出力信号に基づいて該非線形歪補正信号を生成する非線形歪補正信号生成部と、該非線形歪補正信号生成部からの出力信号を増幅して該動電型スピーカーへ出力する増幅部と、を備え、
該ボイスコイル状態演算部が、該動電型スピーカーの第１非線形パラメータとは異なる第２非線形パラメータおよび第２線形パラメータにより設定される仮想動電型スピーカーに関して、該入力音声信号に対する該仮想動電型スピーカーのボイスコイルの予測変位ｘおよび予測速度ｖおよび予測加速度ａを演算して該非線形歪補正信号生成部へ出力し、
該非線形歪補正信号生成部が、該予測変位ｘと、該予測速度ｖと、該予測加速度ａと、該動電型スピーカーの第１線形パラメータおよび該第１非線形パラメータと、該仮想動電型スピーカーの該第２線形パラメータおよび該第２非線形パラメータと、に基づいて該非線形歪補正信号を生成する、
音声再生装置。
前記信号処理回路の前記ボイスコイル状態演算部が、前記仮想動電型スピーカーの前記第２線形パラメータおよび前記第２非線形パラメータを含む前記ボイスコイルの前記予測変位ｘに関する微分方程式を数値計算法で演算し、該ボイスコイルの該予測変位ｘと、前記予測速度ｖおよび前記予測加速度ａと、を演算して出力する、
請求項１に記載の音声再生装置。
前記動電型スピーカーの前記第１非線形パラメータと、前記仮想動電型スピーカーの前記第２非線形パラメータと、がそれぞれ少なくとも、前記予測変位ｘをパラメータとして変化する力係数Ｂｌ１（ｘ）およびＢｌ２（ｘ）、並びに、スティフネスＫ１（ｘ）およびＫ２（ｘ）を含み、該予測変位ｘの２次以上の多項式により近似される、
請求項１または２に記載の音声再生装置。
前記信号処理回路の前記ボイスコイル状態演算部が、前記仮想動電型スピーカーの前記第２非線形パラメータを前記予測変位ｘの２次以上の前記多項式により近似して、該多項式を偶関数化することにより前記予測変位ｘおよび前記予測速度ｖおよび前記予測加速度ａを演算して前記非線形歪補正信号生成部へ出力し、
該非線形歪補正信号生成部が、前記動電型スピーカーから再生される偶数次高調波歪成分を低減する前記非線形歪補正信号を生成する、
請求項３に記載の音声再生装置。