JP6182869B2

JP6182869B2 - 音声再生装置

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Publication number: JP6182869B2
Application number: JP2013005022A
Authority: JP
Inventors: 伸也日月
Original assignee: Onkyo Corp
Current assignee: Onkyo Corp
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: JP2014138226A

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ｎ次（ｎ：２以上の整数）非線形歪生成部と、ｎ次非線形歪生成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、ｎ次非線形歪生成部が、動電型スピーカーの線形パラメータより設定される線形フィルタ部と、線形パラメータおよび動電型スピーカーの非線形パラメータにより設定されるｎ次ヴォルテラフィルタ部と、を含み、入力音声信号に対する線形フィルタ部の出力および入力音声信号に対するｎ次ヴォルテラフィルタ部の出力を加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、ｎ次非線形歪生成部の出力信号と、動電型スピーカー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ｎ次非線形歪生成部のｎ次ヴォルテラフィルタ部が、２次ヴォルテラフィルタを少なくとも含み、次数ｎが３以上の場合には、２次ヴォルテラフィルタに並列接続されるｎ次ヴォルテラフィルタをそれぞれさらに含み、動電型スピーカーから再生される（ｎ＋１）次以上の高調波歪成分を低減するように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ｎ次非線形歪生成部のｎ次ヴォルテラフィルタ部が、それぞれのヴォルテラフィルタの出力に係数αｎを乗算する乗算器を有し、乗算器の係数αｎを変更することにより、動電型スピーカーから再生されるｎ次以上の高調波歪成分を低減する、または、低減しないように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、動電型スピーカーの非線形パラメータが、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bl(x)、並びに、スティフネスk (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。

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ｎ次（ｎ：２以上の整数）非線形歪生成部と、ｎ次非線形歪生成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、ｎ次非線形歪生成部が、動電型スピーカーの線形パラメータより設定される線形フィルタ部と、線形パラメータおよび動電型スピーカーの非線形パラメータにより設定されるｎ次ヴォルテラフィルタ部と、を含む。ｎ次非線形歪生成部では、入力音声信号に対する線形フィルタ部の出力および入力音声信号に対するｎ次ヴォルテラフィルタ部の出力を加算して非線形歪補正信号生成部へ出力する。具体的には、ｎ次非線形歪生成部のｎ次ヴォルテラフィルタ部は、２次ヴォルテラフィルタを少なくとも含む。次数ｎが３以上の場合には、ｎ次非線形歪生成部は、２次ヴォルテラフィルタに並列接続されるｎ次ヴォルテラフィルタをそれぞれさらに含み、動電型スピーカーから再生される（ｎ＋１）次以上の高調波歪成分を低減するように、非線形歪補正信号生成部に非線形歪補正信号を生成させることができる。

次に、信号処理回路の非線形歪補正信号生成部は、ｎ次非線形歪生成部の出力信号と、動電型スピーカー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線形パラメータおよび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、入力される信号が線形応答であり非線形歪成分を含まない場合に、動電型スピーカーの非線形歪を最小になるように動作する。その一方で、非線形歪補正信号生成部は、ｎ次非線形歪生成部からの出力信号が特定の非線形歪成分を含む場合には、動電型スピーカーの対応する非線形歪を低減しないように動作する。

つまり、ｎ次非線形歪生成部は、特定のｎ次非線形成分のみを非線形歪補正の対象にしないように、非線形歪補正信号生成部を調整できる。動電型スピーカーから再生される（ｎ＋１）次以上の高調波歪成分は、非線形歪補正信号生成部の本来の動作により非線形歪を低減できるからである。好ましくは、信号処理回路のｎ次非線形歪生成部のｎ次ヴォルテラフィルタ部が、それぞれのヴォルテラフィルタの出力に係数αｎを乗算する乗算器を有していれば、乗算器の係数αｎを変更することにより、動電型スピーカーから再生されるｎ次以上（ｎ次を含む）の高調波歪成分を低減する、または、低減しないように非線形歪補正信号を生成することができる。

動電型スピーカーの非線形パラメータは、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Ｂｌ（ｘ）、並びに、スティフネスＫ（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、動電型スピーカーから再生される（ｎ＋１）次以上の高調波歪成分を低減する対象に選択することができる。非線形パラメータである力係数並びにスティフネスは、少なくとも２次の多項式
（Ｂｌ（ｘ）＝ｂ０＋ｂ１・ｘ＋ｂ２・ｘ＾２、Ｋ（ｘ）＝ｋ０＋ｋ１・ｘ＋ｋ２・ｘ＾２：ｂ１、ｋ１、ｂ２およびｋ２は、一定値の係数。）で近似することができ、非対称性を示す係数ｂ１およびｋ１が偶数次の歪に主に影響し、非線形性を示す係数ｂ２およびｋ２が奇数次の歪に主に影響することはよく知られている。しかし、特定のｎ次の非線形歪成分を非線形歪補正の対象にするかどうかの調整は、係数ｂ１、ｋ１、ｂ２およびｋ２の組み合わせになるために調整が困難である。本発明の場合には、信号処理回路のｎ次非線形歪生成部のｎ次ヴォルテラフィルタ部の構成を変えることで、動電型スピーカーから再生される特定のｎ次以上（ｎ次を含む）の高調波歪成分を低減する、または、低減しないように非線形歪補正信号を生成することができるという利点がある。

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）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）（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４〜６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、ｎ次非線形歪生成部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、ｎ次非線形歪生成部２０に、スピーカーシステム３の線形パラメータを反映させた線形フィルタ部２１と、非線形パラメータを反映させたｎ次ヴォルテラフィルタ部２２〜２３を設定する。本実施例では、ｎ次ヴォルテラフィルタ部として、２次ヴォルテラフィルタ部２２と、３次ヴォルテラフィルタ部２３を構成する場合を図示する。２次ヴォルテラフィルタ部２２の出力には係数α２を乗算する乗算器２５が設けられており、３次ヴォルテラフィルタ部２３の出力には係数α３を乗算する乗算器２６が設けられている。加算器２４は、線形フィルタ部２１の出力と、乗算器２５を介した２次ヴォルテラフィルタ部２２の出力と、乗算器２６を介した３次ヴォルテラフィルタ部２３の出力と、を加算して非線形歪補正信号生成部１０に出力する。

また、信号処理回路２の制御回路４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、スピーカーシステム３は、図２のグラフに示すように、磁気回路３８における力係数Ｂｌ（ｘ）が非対称性および非線形性を有し、さらに、図３のグラフに示すように、支持系のスティフネスＫ（ｘ）も非対称性および非線形性を有する。

次に、信号処理回路２のｎ次非線形歪生成部２０のｎ次ヴォルテラフィルタ部２２〜２３の導出について、ｎ＝２の場合に限って説明する。入力音声信号に対する２次高調波歪成分を生成する２次ヴォルテラフィルタ部２２は、以下の式を展開して得られる。動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３の等価回路モデルは、式（１）のようになる。式（１）から電流ｉ（ｔ）を消去し、一つの式にまとめると式（２）となるので、これに基づいて２次ヴォルテラフィルタを求めることができる。

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
ｉ：音声信号電流

したがって、動電型スピーカー３１のボイスコイル３３の変位ｘ（ｔ）は、式（３）に示すように入力ｕ（ｔ）の１次式と２次式の和で表すことで得られる。Ｈｘ（ｓ）は、入力音声信号電圧ｕ（ｔ）の１次の項にかかる線形の伝達関数であり、Ｈｘ（ｓ、ｓ）は入力音声信号電圧ｕ（ｔ）の２次の項にかかる非線形の伝達関数である。速度ｖ（ｔ）および加速度ａ（ｔ）は、式（４）に示すように変位ｘ（ｔ）を微分演算して得られる。

次に、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には、式（５）のように表される。なお、図２の場合には、力係数Ｂｌ（ｘ）＝ｂ０＋ｂ１・ｘ＋ｂ２・ｘ＾２における係数ｂ１およびｂ２を負の所定値に設定している。一方で、図３の場合には、スティフネスＫ（ｘ）＝ｋ０＋ｋ１・ｘ＋ｋ２・ｘ＾２における係数ｋ１を負の所定値に、係数ｋ２を正の所定値に設定している。

式（３）〜（５）を式（２）に代入すると上記の伝達関数Ｈｘ（ｓ）を求めることができる。伝達関数Ｈｘ（ｓ、ｓ）についてまとめると式（６）となり、ラプラス変換を適用すると式（７）となる。また、伝達関数Ｈｘ（ｓ）は、式（８）のように表されて、動電型スピーカー３１のボイスコイル３３の変位ｘの伝達関数と同じ式になる。なお、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。

次に、伝達関数Ｈｘ（ｓ、ｓ）について、ラプラス変換を適用してまとめると式（９）となる。伝達関数Ｈｘ（ｓ、ｓ）は、伝達関数Ｈｘ（ｓ）とヴォルテラカーネルＫ（ｓ、ｓ）との積で、式（１０）のように表すことができる。したがって、動電型スピーカー３１のボイスコイル３３の変位ｘは、式（１１）のように表すことができる。つまり、ヴォルテラカーネルＫ（ｓ、ｓ）を含む式（１１）がｎ次非線形歪生成部２０（ｎ＝２）の出力を説明する式であり、式（１１）を展開した場合の第１項が線形フィルタ部２１に相当し、式（１１）を展開した場合の第２項が２次ヴォルテラフィルタ部２２に相当することになる。すなわち、ｎ次非線形歪生成部２０は、入力音声信号に対する線形及び２次非線形の応答を含む変位ｘを、非線形歪補正信号生成部１０へ出力する。２次ヴォルテラフィルタ部２２のヴォルテラカーネルＫ（ｓ、ｓ）は、展開すれば線形応答の和として表すことができるので、２次元畳込みを行うフィルタの代わりに展開した複数のフィルタで構成してもよい。

次に、信号処理回路２の非線形歪補正信号生成部１０での動作について、同様にｎ＝２の場合に限って説明する。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、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。ｎ次非線形歪生成部２０から非線形歪補正信号生成部１０へ入力する音声信号をｕ’（ｔ）とすると、式（１２）が導出される。その結果、非線形歪補正信号生成部１０からは、３次（ｎ＝２の場合、（ｎ＋１）次）以上の非線形歪のみを補正する非線形歪補正信号が出力される。したがって、式（１３）のように任意の変数αをｕ（ｔ）＾２の項に掛けるように、２次ヴォルテラフィルタ部２２に乗算器２５を設け、乗算する係数α２を調整することで２次の非線形歪のみを調整することができる。

なお、この実施例は、（ｎ＝２）次の場合であるが、次数ｎが３以上の場合には、２次ヴォルテラフィルタ部２２に並列接続される３次ヴォルテラフィルタ部２３をさらに含むようにすればよい。ｎ次非線形歪生成部２０は、入力音声信号に対する線形及び２次ならびに３次非線形の応答を含む変位ｘを、非線形歪補正信号生成部１０へ出力する。３次の非線形歪のみを調整する場合には、３次ヴォルテラフィルタ部２３に乗算器２６を設け、乗算する係数α３を調整すればよい。したがって、非線形歪補正信号生成部１０は、動電型スピーカー３１から再生される４次以上の高調波歪成分を低減するように非線形歪補正信号を生成することができる。もちろん、次数ｎが４以上の場合には、同様である。

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１５０Ｈｚ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、１５０Ｈｚの２次高調波３００Ｈｚと、３次高調波４５０Ｈｚと、４次高調波６００Ｈｚと、５次高調波７５０Ｈｚ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。

非線形歪補正ＯＦＦ状態は、信号処理回路２のｎ次非線形歪生成部２０および非線形歪補正信号生成部１０が、入力音声信号をスルーさせる場合であって、スピーカーシステム３の線形および非線形の特性のみが反映されていると仮定できる。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１５０Ｈｚ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、高い次数の非線形歪につれてレベルが低下しているが、５次高調波歪でも高調波歪率は−６０ｄＢを下回っていない。

一方で、本実施例の場合のように、信号処理回路２のｎ次非線形歪生成部２０および非線形歪補正信号生成部１０が、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、３次以上の高調波歪を十分に低減することができる。ただし、本実施例では、次数ｎ＝２であり、２次ヴォルテラフィルタ部２２の出力の乗算器２５での乗算係数α２＝１である。なお、図４のグラフに於いて、非線形歪補正ＯＮ状態での５次高調波歪は、−６０ｄＢを下回っているのでグラフ表示されていない。ただし、２次の非線形歪は、非線形歪補正ＯＮ状態でも、ほとんど変化させないようにすることができている。したがって、本実施例では、スピーカーシステム３から再生される３次以上の高調波歪成分のみ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。ただし、基本波に周波数が最も近い２次高調波歪は、低音である基本波と弁別することが難しく、２次高調波歪成分のみを非線形歪補正で低減すると、単に基本波の再生レベルが低下したかのような聴感上の印象を与えてしまう場合がある。この音声再生装置１では、低音の音量感につながる２次高調波歪成分に影響を与えることなく、かつ、再生音の濁り感につながる３次以上の高調波歪成分のみを低減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。

図５および図６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１５０Ｈｚ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させるのは、図４での場合と同様である。ここでは、２次ヴォルテラフィルタ部２２の出力の乗算器２５での乗算係数α２を、図５はα２＝２．０と設定した場合であり、図６はα２＝０．２５と設定した場合に、１５０Ｈｚの２次高調波３００Ｈｚにおける高調波歪率を測定して図示したグラフである。なお、３次高調波４５０Ｈｚと、４次高調波６００Ｈｚと、５次高調波７５０Ｈｚと、は、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３次以上の高調波歪を低減できる図４での場合と同様であるので、図示を省略している。

２次ヴォルテラフィルタ部２２の出力の乗算器２５での乗算係数α２＝１としている図４のグラフに於いて、非線形歪補正ＯＮ状態での２次高調波歪は、非線形歪補正ＯＦＦ状態からほとんど変わらない。一方で、図５に示す場合に乗算係数α２＝２．０と大きく設定すると、２次高調波歪は逆に増大している。また、図６に示す場合に乗算係数α２＝０．２５と小さく設定すると、２次高調波歪は減少している。このように、信号処理回路２のｎ次非線形歪生成部２０のｎ次ヴォルテラフィルタ部が、それぞれのヴォルテラフィルタの出力に係数αｎを乗算する乗算器を有していれば、乗算器の係数αｎを変更することにより、動電型スピーカー３１を含むスピーカーシステム３から再生されるｎ次以上（ｎ次を含む）の高調波歪成分を低減する、または、低減しないように非線形歪補正信号を生成することができる。

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ｎ次非線形歪生成部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
２０ｎ次非線形歪生成部
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ｎ次（ｎ：２以上の整数）非線形歪生成部と、該ｎ次非線形歪生成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ｎ次非線形歪生成部が、該動電型スピーカーの線形パラメータより設定される線形フィルタ部と、該線形パラメータおよび該動電型スピーカーの非線形パラメータにより設定されるｎ次ヴォルテラフィルタ部と、を含み、該入力音声信号に対する該線形フィルタ部の出力および該入力音声信号に対する該ｎ次ヴォルテラフィルタ部の出力を加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ｎ次非線形歪生成部の出力信号と、該動電型スピーカーの該線形パラメータおよび該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ｎ次非線形歪生成部の前記ｎ次ヴォルテラフィルタ部が、２次ヴォルテラフィルタを少なくとも含み、次数ｎが３以上の場合には、該２次ヴォルテラフィルタに並列接続されるｎ次ヴォルテラフィルタをそれぞれさらに含み、前記動電型スピーカーから再生される（ｎ＋１）次以上の高調波歪成分を低減するように前記非線形歪補正信号を生成する、
請求項１に記載の音声再生装置。
前記信号処理回路の前記ｎ次非線形歪生成部の前記ｎ次ヴォルテラフィルタ部が、それぞれのヴォルテラフィルタの出力に係数αｎを乗算する乗算器を有し、該乗算器の該係数αｎを変更することにより、前記動電型スピーカーから再生されるｎ次以上の高調波歪成分を低減する、または、低減しないように前記非線形歪補正信号を生成する、
請求項２に記載の音声再生装置。
前記動電型スピーカーの前記非線形パラメータが、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bl(x)、並びに、スティフネスk (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から３のいずれかに記載の音声再生装置。