JP7024890B2 - スピーカの最低共振周波数測定装置、スピーカシステム、及びスピーカの最低共振周波数測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、スピーカの最低共振周波数測定装置、スピーカシステム、及びスピーカの最低共振周波数測定方法に関する。

一般的に、スピーカは、ボイスコイルと、振動板と、マグネットとを備えるスピーカユニットと、このスピーカユニットを固定するエンクロージャとで構成される。または、スピーカユニットを車両のドア等に取り付け、ドア内部の空間をエンクロージャとして利用することがある。

スピーカは、忠実に再生できる周波数に限界があり、限界を超えた周波数の信号を出力すると音質が低下する。例えば、スピーカの持つ最低共振周波数ｆ０以下の周波数のオーディオ信号を出力すると、ボイスコイルに磁束が発生して振動板が振動しようとするものの、低い周波数に追従することができず、再生音に歪みまたはノイズが発生する。

これに鑑み、スピーカ内または外部のアンプに、最低共振周波数ｆ０以下の周波数の信号をカットするフィルタを設けることで、再生音の歪みまたはノイズの発生を防止し、精度よくオーディオ信号を再生させることができる。

特開２００５－３４１５３４号公報

スピーカの最低共振周波数ｆ０の値は、スピーカユニットの特性、エンクロージャの大きさ、バッフルの有無、設置環境によっても異なる。そのため、スピーカユニットに予めスペックとして最低共振周波数ｆ０の値が規定されていても、そのスペック通りの特性にはならないことがある。スピーカ前段のフィルタのカットオフ周波数をスピーカユニットで規定される最低共振周波数ｆ０に合わせて設定すると、設置環境でのスピーカの最低共振周波数ｆ０以下の周波数がスピーカに入力されてしまう場合がある。すると、スピーカにとって不要な振動を発生させ、上述した再生音の歪みまたはノイズを発生させる原因となる。

実施形態は、スピーカの最低共振周波数を精度よく測定し、スピーカの不要な振動を抑制することができる、スピーカの最低共振周波数測定装置、スピーカシステム、及びスピーカの最低共振周波数測定方法を提供することを目的とする。

実施形態の第１の態様によれば、所定周波数の音声信号を、スピーカへ出力する音声出力部と、前記スピーカから出力された音声を収音する収音部と、前記音声出力部に対し、前記音声信号の周波数及び信号出力の有無を制御する信号出力制御部と、前記信号出力制御部の制御により音声信号の出力が停止された後に、前記収音部で収音された音声の周波数を測定する周波数測定部と、前記測定された周波数が、前記音声信号の周波数よりも低いとき、前記音声信号の周波数は前記スピーカの最低共振周波数より高いと判定する判定部とを備えるスピーカの最低共振周波数測定装置が提供される。

実施形態の第２の態様によれば、上記のスピーカの最低共振周波数測定装置と、前記スピーカと、前記測定されたスピーカの最低共振周波数をカットオフ周波数とするフィルタとを備えるスピーカシステムが提供される。

実施形態の第３の態様によれば、音声出力部が、所定周波数の音声信号をスピーカへと出力した後に出力を停止し、前記音声信号の出力が停止された後に、収音部で前記スピーカから出力された音声を収音し、前記収音部で収音された音声の周波数を測定し、測定した周波数が前記音声信号の周波数よりも低いとき、前記音声信号の周波数は前記スピーカの最低共振周波数より高いと判定するスピーカの最低共振周波数測定方法が提供される。

実施形態のスピーカの最低共振周波数測定装置、スピーカシステム、及びスピーカの最低共振周波数測定方法によれば、スピーカの最低共振周波数を精度よく測定し、スピーカの不要な振動を抑制することができる。

図１は、一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置を示すブロック図である。 図２は、一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置の動作を示すシーケンス図である。 図３は、一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置において、３０Ｈｚの正弦波音声信号を出力及び停止させたときの、出力信号の波形及び収音部で収音した音声の波形を示す波形図である。 図４は、一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置において、２０Ｈｚの正弦波音声信号を出力及び停止させたときの、出力信号及び収音部で収音した音声の波形を示す波形図である。 図５は、一実施形態によるスピーカシステムの構成図である。

＜一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置の構成＞
図１を参照して、一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置（以下、ｆ０測定装置）の構成について説明する。本実施形態によるｆ０測定装置１は、処理対象であるスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０を測定するものであり、音声出力部としての正弦波出力部２と、収音部３と、測定部４とを備える。

正弦波出力部２は、所定周波数の正弦波の音声信号をスピーカ１０へ出力する。正弦波出力部２は、例えば、複数の周波数の正弦波音声信号をＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に保存し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がコンピュータプログラムを実行することで、指定された周波数の音声信号を出力する。正弦波出力部２は、指定された周波数の音声信号をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアによって生成して出力してもよい。

スピーカ１０は、マグネット１１と、ボイスコイル１２と、マグネット１１と、図示しないボイスコイルボビンに巻かれたボイスコイル１２と、振動板１３とを有する。スピーカ１０に出力される音声信号に基づいてボイスコイル１２に所定量の電流を流すことにより、スピーカ１０内の空気が圧縮または膨張して一種の空気バネとなり、この空気バネの振動が特定の周波数で振動板１３を共振させ、音声信号に対応する音声を出力する。収音部３は、スピーカ１０から出力された音声を収音する。典型的には収音部３はマイクロホンである。

測定部４は、信号出力制御部４１と、収音情報取得部４２と、周波数測定部４３と、判定部４４と、最低共振周波数測定部としてのｆ０測定部４５とを有する。信号出力制御部４１は、正弦波出力部２に対し、スピーカ１０に出力させる音声信号の周波数及び信号出力有無を制御する。収音情報取得部４２は、収音部３で収音された音声情報を取得する。周波数測定部４３は、信号出力制御部４１の指示により正弦波出力部２がスピーカ１０への各音声信号の出力を停止した後に、収音部３が収音した音声の周波数を測定する。

測定部４は、ＣＰＵがコンピュータプログラムを実行することによって上述した機能を実現することができる。測定部４は、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣ等のハードウェアによって上述した機能を実現してもよい。

判定部４４は、周波数測定部４３での測定処理により得られた周波数が、信号出力制御部４１により停止される前に正弦波出力部２がスピーカ１０へ出力した音声信号の周波数よりも所定値以上高いときには、該当する音声信号の周波数は最低共振周波数ｆ０以下であると判定する。また、判定部４４は、測定処理により得られた周波数が該当する音声信号の周波数よりも低いときには、該当する音声信号の周波数は最低共振周波数ｆ０より高いと判定する。

ｆ０測定部４５は、音声信号の周波数と周波数測定部４３で得られた周波数が同じ場合、当該周波数をスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０とする。

＜一実施形態によるスピーカの最低共振周波数測定装置の動作＞
次に、図２のシーケンス図を参照して、ｆ０測定装置１を用いてスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０を測定するときの動作について説明する。まず、測定部４の信号出力制御部４１から、予め設定された周波数（例えば３０Ｈｚ）の音声信号を所定時間（例えば１秒）出力する指示が正弦波出力部２に送信される（Ｓ１）。ここで指示される周波数は、例えばスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０に近いと予測される値が用いられる。そして、正弦波出力部２により、測定部４から指示された周波数の正弦波音声信号が、スピーカ１０に出力される（Ｓ２）。スピーカ１０に正弦波音声信号が出力されると、当該正弦波音声信号に基づいて所定量の電流がボイスコイル１２に流れることによりスピーカ１０内の空気に振動が発生して振動板１３が共振し、対応する音声が出力される（Ｓ３）。

正弦波出力部２において正弦波音声信号の出力処理が開始された後、測定部４から指示された時間が経過すると（Ｓ４の「YES」）、正弦波音声信号の出力が停止される（Ｓ５）。ここで正弦波音声信号の出力が停止されると、スピーカ１０内のボイスコイル１２に電流が流れなくなる。ここで、電流が流れなくなった後もスピーカ１０内の振動板１３の共振は惰性により継続し、徐々に減衰していく。そのため、正弦波音声信号を停止させた直後は、信号が出力されていたときと同等レベルの周波数の音声が出力される。このとき、振動板１３の共振は、徐々に減衰しながら、スピーカ１０の最低共振周波数ｆ０に近付いていく。換言すると、正弦波音声信号の出力が停止された後にスピーカ１０から出力される音声は、正弦波音声信号の周波数から最低共振周波数ｆ０に近付くように周波数が変化する。

正弦波音声信号を停止させた後にスピーカ１０から出力された音声は収音部３で収音され、その音声情報は測定部４に送信される（Ｓ６）。測定部４では、収音部３から送信された音声情報が収音情報取得部４２で取得され（Ｓ７）、周波数測定部４３で周波数が測定される（Ｓ８）。

そして、判定部４４において、周波数測定部４３での測定処理により得られた周波数が、信号出力制御部４１により停止される前に正弦波出力部２からスピーカ１０へ出力されていた正弦波音声信号の周波数よりも低いか否かが判定される（Ｓ９）。

例えば、図３（ａ）に示すように、信号出力制御部４１の指示により、正弦波出力部２はスピーカ１０に３０Ｈｚの正弦波音声信号を出力し、所定時間経過後に正弦波音声信号の出力を停止する。このとき、図３（ｂ）に示すように、収音部３は、正弦波音声信号の出力が停止された後も惰性で出力される音声を収音する。

ここで、信号停止の後に周波数測定部４３での測定処理により得られる周波数ｆＢが、正弦波出力部２からスピーカ１０に出力されていた正弦波音声信号の周波数ｆＡよりも低い、例えば２５Ｈｚであったとする。この場合、判定部４４は、当該正弦波音声信号の周波数３０Ｈｚは最低共振周波数ｆ０より高いと判定する（Ｓ１０）。換言すると、スピーカ１０のｆ０予測値は、３０Ｈｚよりも低いと判定される。なお、図３（ｂ）においては信号停止直後のスピーカ１０の出力の周波数を測定しているが、測定は信号停止直後に限定されない。スピーカ１０の出力は徐々に減衰しながら最低共振周波数ｆ０に近付いていくため、測定可能な出力レベルがスピーカ１０から出力される期間において、信号停止から時間が長く経過した時点であることが好ましい。

次に、ｆ０測定部４５によりスピーカ１０のｆ０予測値が３０Ｈｚより低いと測定された結果を認識したユーザは、測定部４を操作して、３０Ｈｚよりも低い周波数、例えば２０Ｈｚの音声信号を出力させる。測定部４は、ユーザの操作に基づいて、２０Ｈｚの音声信号を所定時間（例えば１秒）出力する指示を正弦波出力部２に送信する。測定部４、正弦波出力部２、スピーカ１０、収音部３は、上述したステップＳ１～Ｓ１０と同様の処理を実行する。

図３（ａ）と同様、図４（ａ）に示すように、信号出力制御部４１の指示により、正弦波出力部２はスピーカ１０に２０Ｈｚの正弦波音声信号を出力し、所定時間経過後に正弦波音声信号の出力を停止する。

図４（ｂ）に示すように、このときに正弦波音声信号の出力が停止された後に周波数測定部４３での測定処理により得られる周波数ｆＤが正弦波音声信号の周波数ｆＣである２０Ｈｚよりも高い場合、スピーカ１０の最低共振周波数ｆ０は２０Ｈｚより高いと判定される。これにより、ｆ０測定部４５において、スピーカ１０のｆ０予測値が２０Ｈｚ以上と測定される。そして、ｆ０測定部４５においてさらに、上述した処理で測定された２つの予測値により、スピーカ１０のｆ０予測値が、２０Ｈｚ以上、３０Ｈｚ未満として測定される。なお、図４（ｂ）においては信号停止直後のスピーカ１０の出力の周波数を測定しているが、測定は信号停止直後に限定されない。

このとき、スピーカ１０の最低共振周波数ｆ０以下の音声をスピーカ１０に入力しているため、スピーカ１０は低い周波数に追従することができず、不要な振動を発生させて、歪みまたはノイズの原因となることがある。このため最低共振周波数ｆ０以下の音声を音声信号として使用することは好ましくない。測定周波数ｆＤが最低共振周波数ｆ０以下とならないよう、音声信号の周波数を徐々に低く、例えば３Ｈｚずつ低く設定していくことが実用上好ましい。

上述した実施形態によれば、スピーカ１０への音声信号の出力を停止させた後に惰性で発生する音声を用いて、簡易な処理で精度の高いｆ０予測値を測定することができる。スピーカユニット単体で測定した場合はスピーカユニットの特性としてのｆ０予測値が測定でき、スピーカ１０がエンクロージャ等に装着された状態で測定した場合は、エンクロージャ含めたシステムとしてのｆ０予測値を測定できる。スピーカ１０内に、測定されたｆ０予測値以下の周波数の信号をカットするフィルタ、つまり、測定されたスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０をカットオフ周波数とするフィルタを設けることで、再生音の歪みまたはノイズの発生を高い精度で防止した、高性能のスピーカ１０を構成することができる。

上述したｆ０予測値以下の周波数の信号をカットするフィルタは、測定されたｆ０予測値である周波数がカットオフ周波数として自動的に設定される適応フィルタであることが好ましいが、カットオフ周波数を手動で設定する形態であってもよい。また、上述したｆ０予測値以下の周波数の信号をカットするフィルタの設置個所はスピーカ１０内に限定されず、外部のアンプに設けられてもよく、独立した音声処理機器としてスピーカ１０の前段に設けられてもよい。

特に、車載用のスピーカは、ドアにスピーカボックスが設置され、車両の形状または大きさによって最低共振周波数ｆ０が変わる。車両ごとに上述したｆ０測定装置１で測定されたｆ０予測値以下の周波数の信号をカットするフィルタを設けることで、どのような車両に対しても最適な再生環境を提供することができる。

また、上述した処理で測定されたｆ０予測値を認識したユーザが２０Ｈｚ以上、３０Ｈｚ未満の正弦波音声信号を用いて上述したステップＳ１～Ｓ１０の処理を繰り返すことにより、さらに精度の高いスピーカ１０のｆ０予測値を測定することができる。

他の実施形態として、測定部４の信号出力制御部４１に、予めスピーカ１０のスペックとして取得されている最低共振周波数ｆ０よりも高い周波数及び低い周波数を含む、複数の異なる周波数を設定してもよい。ｆ０測定装置１は、それぞれの周波数の正弦波音声信号を用いてステップＳ１～Ｓ９の処理を順次実行して、その判定結果に基づいて測定部４５において、最低共振周波数ｆ０以下であると判定される音声信号の周波数の予測最高値を、スピーカ１０のｆ０予測値として測定するようにしてもよい。

このように、複数の周波数の正弦波音声信号を用いたｆ０予測値の測定処理を、測定部４に自動で実行させることにより、簡易な操作で効率よく、精度の高いｆ０予測値を測定することができる。

また、他の実施形態として、測定部４の信号出力制御部４１が、所定の周波数の正弦波音声信号を出力及び停止させたときに周波数測定部４３での測定処理により得られる周波数と、当該出力した正弦波音声信号の周波数との差分に基づいて、次に出力させる正弦波音声信号の周波数を決定してもよい。これによって、ｆ０測定装置１は、複数の異なる周波数の正弦波音声信号を用いたｆ０予測値の測定処理を順次実行するようにしてもよい。

具体的には、信号出力制御部４１は、判定部４４での判定結果により、周波数測定部４３の測定処理により得られた周波数が、出力した正弦波音声信号の周波数よりも高い程、次に出力させる正弦波音声信号の周波数を低い値と決定する。ｆ０測定装置１は、決定した周波数の音声信号を正弦波出力部２からスピーカ１０へ再度出力させて複数回のｆ０予測値測定処理を行うことで、効率よく、精度の高いｆ０予測値を測定することができる。

図５に示すように、スピーカシステムは、上述したｆ０測定装置１と、スピーカ１０と、測定したスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０をカットオフ周波数とするフィルタ５とを備えて構成される。このとき、ｆ０測定装置１は、最低共振周波数ｆ０を測定する際に用いられ、スピーカ１０の通常の使用時には取り外しが可能であることが好ましい。上記のように、スピーカ１０はフィルタ５を内蔵してもよいし、アンプ７がフィルタ５を内蔵してもよい。

図５において、音源６より出力された音声信号はアンプ７によって増幅され、フィルタ５を介してスピーカ１０に供給される。フィルタ５によってスピーカ１０の最低共振周波数ｆ０以下の周波数の信号がカットされるので、再生音の歪みまたはノイズの発生を高い精度で防止することができる。

本願の開示は、２０１９年１月２８日に出願された特願２０１９－０１２１０２号に記載の主題と関連しており、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (5)

1. 所定周波数の音声信号を、スピーカへ出力する音声出力部と、
   前記スピーカから出力された音声を収音する収音部と、
   前記音声出力部に対し、前記音声信号の周波数及び信号出力の有無を制御する信号出力制御部と、
   前記信号出力制御部の制御により音声信号の出力が停止された後に、前記収音部で収音された音声の周波数を測定する周波数測定部と、
   前記測定された周波数が、前記音声信号の周波数よりも低いとき、前記音声信号の周波数は前記スピーカの最低共振周波数より高いと判定する判定部と、
   を備えるスピーカの最低共振周波数測定装置。
2. 前記信号出力制御部は、前記判定部が、前記音声信号の周波数が前記スピーカの最低共振周波数よりも高いと判定した場合、前記音声信号よりも低い周波数の音声信号を前記スピーカへ出力するよう制御する請求項１に記載のスピーカの最低共振周波数測定装置。
3. 前記信号出力制御部は、前記音声信号を出力及び停止させたときに前記周波数測定部での測定された周波数と、前記音声信号の周波数との差分に基づいて、次に出力する音声信号の周波数を決定する請求項２に記載のスピーカの最低共振周波数測定装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のスピーカの最低共振周波数測定装置と、
   前記スピーカと、
   前記測定されたスピーカの最低共振周波数をカットオフ周波数とするフィルタと、
   を備えるスピーカシステム。
5. 音声出力部が、所定周波数の音声信号をスピーカへと出力した後に出力を停止し、
   前記音声信号の出力が停止された後に、収音部で前記スピーカから出力された音声を収音し、
   前記収音部で収音された音声の周波数を測定し、
   測定した周波数が前記音声信号の周波数よりも低いとき、前記音声信号の周波数は前記スピーカの最低共振周波数より高いと判定する
   スピーカの最低共振周波数測定方法。

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