JPH077788A - 音響再生システム及び音響再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 正確で、安価で、電力消費量が少なく、寸法
も小さい音響再生システムを提供する。 【構成】 集積化されたディジタル信号処理（ＤＳＰ）
電力増幅器５０はパルス発生器３２とパルスカウンタと
を含み、パルス幅変調信号を発生する。この信号をＨブ
リッジ３３を経由して音響再生システムのスピーカ２４
に供給する。動フィードバックコントロール２２はスピ
ーカ２４が発する実際の音を検出して対応するディジタ
ル信号を発するセンサ２７を含む。この信号をディジタ
ル表現された元の駆動信号と比較し、ディジタル電力増
幅器により処理して誤差補償信号をつくり、それをスピ
ーカ２４に供給する。ＤＳＰを集積化実装しているので
特に、自動車の音響システムにおいて１個のユニットに
実装して使用するのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原信号を音響再生する
電子回路に関するものであり、特にディジタル電力増幅
器を用いたフィードバックループを実現するディジタル
信号処理（ＤＳＰ）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスピーカはオープンループのトラ
ンスジューサである。トランスジューサの出力はその物
理的特性と、それが働らく環境とに大いに依存する。物
理的特性と環境を制御することが困難な場合がしばしば
ある。特に、これらは温度や経年その他の因子により変
動する。環境により物理的特性が変わるので、再生され
る音響も原信号とは大いに変わることになる。

【０００３】これ迄、トランスジューサの性能を改良し
て、伝達関数の直線性、すなわち原信号と出力信号との
関係を維持するために、トランスジューサの設計と製造
に特別の注意が必要であった。したがって、高価な材
料、精密な組立および特別の製造技術を要求されること
があった。例えば、スピーカトランスジューサの性能を
改良するために磁石を大きくしかつ強くすることが通常
行われる。しかし、このようなことをすると高価につ
き、トランスジューサの包装の寸法と重量にも大いに影
響を及ぼすことになる。寸法と重量が増すのは特に自動
車に搭載する際に問題となる。

【０００４】既知の音響再生装置で使われている古典的
なアナログ増幅器では、電力利得は直流電源の振幅変調
に依存している。しかしこれらの増幅器は本質的に効率
が悪く、典型的な効率は約５０％にしかならない。この
結果コストが高くなるが、特に電力レベルが高い場合に
は損失エネルギーを放散するために大きなヒートシンク
が必要であり、また電力が非効率的に使用されるが故に
高温になるために半導体の信頼性が低くなるので、コス
ト高になる。

【０００５】従来のディジタル電力増幅器では直流源の
通電時間変調と低損失スイッチング素子とを用いること
により、電力消費のエネルギー損失を軽減している。し
かしながら、従来のディジタル電力増幅器の制御回路は
通常ディスクリートの半導体装置で構成されている。こ
れらのディジタル電力増幅器では、クロストークを避け
るために部品の配置や配線長が厳しく制限された高価な
高速アナログ回路が要求される。性能を良くするために
こうした回路が必要であると共に、増幅器の帯域が広く
なるにつれて配置の制限はますます厳しくなる。その結
果、これらの増幅器の構成はますます複雑になって、正
確な音響再生を行うには非常に費用がかさむということ
になる。それでも、ディジタルシステムを使えば、効率
は９０％まで上がる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】大きな磁石を用いるせ
いでトランスジューサが高価で重くなるのを防ぐもうひ
とつの方法は、動フィードバックを用いることである。
この種のシステムで米国特許第４，１８０，７０６号
と、第３，６４７，９６９号に開示されている例では、
フィードバック信号が通常のアナログ電力増幅器とアナ
ログ回路とにより処理されて、古典的なフィードバック
制御を行っている。しかしこのようにアナログのハード
ウェアと制御を用いる場合には、部品のばらつきや経年
および環境条件のせいで性能が変動しやすい。したがっ
てその変動を設計や部品の選択により補償しなければな
らないので、この種のシステムを作って使用するのは複
雑かつコスト高ということになる。自動車に搭載する場
合には、寸法、重量、信頼性およびコストは自動車の大
量生産にとって非常に重要な要素である。更に、音響再
生システムが複雑になってかつ効率が悪くなると、自動
車の電気システムではそれだけ多くのエネルギーが消費
されるので、それだけ多く蓄える必要がある。したがっ
て、より強力なアナログ音響再生システム、例えば娯楽
システムや能動雑音消去システムなどを従来方式でつく
って自動車に搭載すれば、バッテリや発電機などの電力
源の寸法や容量をそれだけ大きくしなければならない。
同様に、自動車に搭載される従来の広帯域ディジタル音
響再生システムは複雑性とハードウェアに制限がある
し、トランスジューサの改良も磁石の大きさに制限があ
るとなると、自動車内に収容するのがますます難しくな
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の欠点を克
服するものであって、本発明による音響再生システムで
は、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）により制御されるデ
ィジタル電力増幅器と動フィードバック（ｍｏｔｉｏｎ
ａｌ ｆｅｅｄｂａｃｋ）とを経て信号源がトランスジ
ューサを駆動する。ディジタル電力増幅器は直流電源の
通電時間変調を行うもので、低損失のスイッチング素子
を用いてオン時間とオフ時間の比を制御する。このこと
によりアナログ増幅器と比べて効率が良くなり、電力消
費量が少なくなるし、ディジタル増幅器を構成するディ
スクリート半導体部品の配置も通常厳密さを要しない。
また、動フィードバックはトランスジューサの音響出力
を検出して、それをディジタル信号に変換する。ＤＳＰ
はそれを元の入力信号のディジタル表現されたものと比
較して、修正駆動信号を発生してトランスジューサに供
給する。このフィードバックは古典的な負のフィードバ
ック制御システムで行われる。こうしたフィードバック
により、トランスジューサの設計、製造特性および動作
環境に起因するシステムを非直線性が補償され、従来の
動フィードバックシステムにおける設計と部品選択の問
題が解決される。

【０００８】好ましくは、ディジタル電力増幅器と動フ
ィードバックとは１個のディジタル信号プロセッサ（Ｄ
ＳＰ）により統合的に制御される。アナログ入力とディ
ジタル入力のいずれでも採用することができるが、アナ
ログ入力の場合には、２進符号に変換されるので、ＤＳ
Ｐは２進データ列を使って適当な誤差修正信号を計算
し、それをトランスジューサに送る。その信号は高速の
パルス列に変換され、パルスの期間は、スピーカ信号の
振幅に担当する。それからこのパルス列はフィルタを通
り不必要な高周波成分が除かれて、トランスジューサに
供給される。

【０００９】同様に、動フィードバックに用いられる動
センサ（ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）はディジタル出
力またはアナログ出力を生ずる。アナログ出力は２進符
号に変換される。周波数と位相等化、電力制限、過負荷
保護、ダイナミックレンジの圧縮と伸長などの付加機能
も、ＤＳＰ制御システムにハードアェアを追加すること
なくまたはわずかに追加するだけで、加えることができ
る。

【００１０】このように本発明によれば、スピーカから
改良された音響応答が得られる。この応答は従来の直線
性の高いトランスジューサの要求に従って精密に設計し
てつくったモデルよりも正確で、かつ非常に安いコスト
で実現できる。また、従来正確な音響再生のために必要
とされた大きいまたは高価な磁石構造も実質的に必要で
なくなる。したがって本発明は自動車の大量生産に用い
るのに特に適しており、コストを低減しかつ搭載制限の
緩和に役立つ。その結果、製品市場に大きな影響を与え
るであろう。更に、ディジタル電力増幅器を用いること
によって高い効率が達成されるので、高価なヒートシン
クの必要性が少なくなると共に、全体の電力消費量も減
る。その結果、従来と違ってそのために部品を追加する
ことなく、音響出力の増強やその他の改良などを付加す
ることができる。またこうした機能を付加するのに要す
る電力消費も従来のアナログシステムに比べてかなり少
くすることができるし、ディスクリートの半導体装置を
用いてつくったディジタル増幅器よりも複雑さも軽減さ
れる。

【００１１】したがって本発明の利点は、本発明により
ＤＳＰにより制御されるディジタル電力増幅器と動フィ
ードバックを用いた音響スピーカシステムが得られるこ
とである。本発明の他の利点は、本発明により従来の性
能改良技術よりも安価で小さな設備で、より正確な音響
再生ができるスピーカシステムが得られることである。
本発明の更に他の利点は、性能の向上を実現するために
ハードウェアとそれに付随する実装のコストを追加する
ことなく、ディジタル信号処理技術を含むスピーカシス
テムが得られることである。本発明の更に他の利点は、
従来の性能向上用の実装に比べて、エネルギー消費量が
大幅に少なくて改良された音響性能が得られることであ
る。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照しながら、本発明の好ましい
実施例について説明する。図１に示すように、音響再生
システム１０は信号源１２、増幅部１４および複数個の
スピーカ１６を含む。好ましい実施例では、本システム
１０は通常の自動車搭載用音響娯楽システムであって、
補助低音用スピーカシステム２０を含む。補助低音用ス
ピーカシステム２０には本発明のディジタル電力増幅器
と動フィードバック制御装置２２が含まれている。しか
しながら、ＤＳＰ増幅器と動フィードバック制御装置２
２は、音響娯楽システムの主増幅部と共に用いてもよ
く、あるいは能動雑音消音器のような他の自動車用音響
再生システムの中で用いてもよい。

【００１３】好ましい実施例では、補助低音用スピーカ
システムにおける制御装置２２の役目は、原信号のうち
最も非線型の部分を従来通り再生するものとして、選ん
である。更に、補助低音用スピーカシステムは、正確な
再生を行うのに必要なコーンの動きに最も関係が深い音
のスペクトルの最低周波部分を受持っている。したがっ
て、元の信号源を音響的に良く再生するために、できる
だけ大きな磁石またはトランスジューサ部品の精密な工
作と配置とが要求される。しかし、本発明は好ましい実
施例における補助低音用スピーカシステムの周波数範囲
に限定されるものではない。

【００１４】図１に示すように、補助低音用スピーカシ
ステム２０には、制御装置２２により駆動されるトラン
スジューサ２４が含まれている。制御装置２２には、イ
ンタフェイス部２９、ＤＳＰ増幅部５０および動フィー
ドバック回路２３が含まれている。図２に示すように、
このシステム２０が従来のような自動車用音響娯楽シス
テムに用いられたとき、通常アナログ入力１７が入って
くる。しかし、図２の仮想線１９で示すようにディジタ
ル信号源から発したディジタル信号を、ＤＳＰコントロ
ーラ３０で直接受けてもよい。だが、通常はアナログ／
ディジタル変換器２６がアナログ信号を２進符号化し、
変換されたディジタル信号がＤＳＰコントローラ３０に
供給される。ＤＳＰコントローラ３０は例えばテキサス
インスツルメント社のＴＭＳ３２０Ｃ２５のような通常
のハードウェアで実現することができる。

【００１５】ＤＳＰコントローラ３０はアドレスバス、
制御バスおよびデータバスを経由して、パルス発生器３
２を含む電力増幅器に接続されている。パルス発生器３
２はＨブリッジ回路３３に接続されている。ＤＳＰ電力
増幅器５０の詳細は図３に示す。Ｈブリッジ３３の出力
は好ましくはローパスフィルタ３８を通ってディジタル
搬送波のような不要な高周波成分が除去され、それから
スピーカ２４に供給される。さもないと不要な高周波成
分がスピーカで再生されるからである。もしディジタル
電力増幅器の搬送波周波数においてスピーカのインピー
ダンスが十分高いためにスピーカ２４に流れる電流が少
くてエネルギーの発散が少なければ、フィルタ３８は必
要なかろう。

【００１６】図３に更に詳しく示すように、パルス発生
器３２は正データレジスタとパルス発生用カウンタの組
と、負データレジスタとパルス発生用カウンタの組とか
ら成る。パルス発生器３２に供給されたデータは、パル
ス幅変調された（ＰＷＭ）信号としてＨブリッジ回路３
３に出力される。レジスタとカウンタは、通常の論理装
置でつくられが、その回路構成は採用するワードの大き
さ（ビット数）と速度とにより決まる。Ｈブリッジ回路
３３では、２種類のパルス幅変調された信号がＨブリッ
ジドライバ３４に入力される。ドライバ３４はリニアテ
クノロジー社のＬＴ１１５８のような分離型スイッチド
ライバから成る。各スイッチドライバは通常のＨブリッ
ジの形に配置されたＭＯＳＦＥＴトランジスタに正と負
の信号を供給する。例えば、この種のグリッジは４個の
ＩＲＦＺ４４ ＭＯＳＦＥＴトランジスタでつくること
ができる。Ｈブリッジの中央枝路に接続されている負荷
は好ましくはローパスフィルタ３８を通り、フィルタ３
８により搬送波が除去され、余分なエネルギーがスピー
カ２４で浪費されるのが防止される。

【００１７】図４には図３に示した増幅器のハードウェ
アが、ＤＳＰ３０の中でソフトウェアの形で実現される
付加ＤＳＰコントローラ部と共に示してある。具体的に
は、ソフトウェアは例えばフィルタとスケーリング回路
６０と保護回路７２の一部から成るインターフェイス部
２９と、動フィードバック７０と保護回路７２の一部と
を含む動フィードバック回路２３の部分と、増幅機能部
８０を含む増幅器５０の部分とを含む。フィルタ機能は
直接ディジタル音響データ作用して、スピーカ２４によ
り音響的に再生される範囲で周波数のクロスオーバを実
行する。スケーリング機能はシステムの利得を設定し、
それによってスピーカ２４の音響出力レベルを制御す
る。図５に更に詳しく示すが、ローパスフィルタ６２と
利得制御６４には、ディジタルフィルタの機能を実行す
るソフトウェアのような従来の周波数等価器６６を付加
してもよい。

【００１８】図４に示すように、動フィードバックと関
連保護部７０はアナログ／ディジタル変換器２６から信
号を受信し、Ａ／Ｄ変換器２６はスピーカ２４に付属し
ている、例えば加速度計のようなトランスジューサ２７
から動フィードバック信号を受信する。また、図４の仮
想線で囲まれた増幅器フィードバックループ８１の出力
８８は、増幅器機能回路８０に入力される。具体的に
は、数値境界アルゴリズムと同じ位簡単なクリップ検出
部が増幅器の利得を制御して、クリッピングを防止する
ことができる。

【００１９】再び図５を参照すると、動フィードバック
と関連保護部７０をもっと詳細に示してある。保護機能
７２は例えば、周波数補償部７４の出力を受けて、熱エ
ネルギーを制限する機能を有し、古典的なフィードバッ
ク制御によるフィードバックループを安定に保つのに必
要なフィルタ機能を果たす。動フィードバック保護機能
のもうひとつの好ましい例は、フィードバックトランス
ジューサ２７の作用に応じて発生するディジタル動デー
タ信号２５を受信して、スピーカの振動板の振動振幅を
制限することである。保護機能部７２の出力はディジタ
ルデータ信号と加算され、ループ利得７６により調節さ
れて適当な出力７８を生ずる。出力７８は増幅器インタ
フェイス回路８０に供給される。

【００２０】図６に更に詳しく示すように、増幅器機能
回路に供給されたディジタルスピーカデータ７８はＳＩ
ＧＮＵＭ機能を用いて処理されて分離され、増幅器５０
の正パルス発生器と負パルス発生器にデータが供給され
る。また図６に示してある任意選択可能なフィードバッ
クループ８１は、増幅器の出力を受け、フィードバック
信号はループフィルタリング８２とループ利得制御８４
を通って処理される。この任意選択可能なフィードバッ
クループ８２のループフィルタリング８２は、入れ子形
微分フィードバックループのような任意の所望の方法で
採用することもできる。

【００２１】

【発明の効果】その結果、ディジタル処理された信号を
用いることで、従来の動フィードバックシステムでアナ
ログ信号処理を行うのに比べて、エネルギーが大幅に節
約される。また、ディジタル信号処理増幅器を用いるの
は、従来のアナログ増幅器と高精度のアナログ回路を用
いて信号をディジタルに処理するのと比べて、実装の点
で大変有利である。ここに開示した動フィードバック付
きの集積ＤＳＰ電力増幅器は、従来のアナログ増幅器と
比べて増幅器の電力出力範囲における電力消費量が非常
に少い。部分的ではあるが、本発明のＤＳＰシステムで
は従来のアナログ増幅器に比べて効率が非常に良い。更
に、ＤＳＰ動フィードバックシステムは従来のハードウ
ェアと制御において使用される部品を用いたシステムに
比べて、安定である。従来のシステムでは部品のばらつ
き、経年変化、環境条件のせいで性能が変動しやすかっ
たのである。

【００２２】以上本発明について説明したが、当業者な
ら請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱するこ
となく、多くの修正をなしうるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＤＳＰ電力増幅器と動フィードバ
ック回路とを採用した自動車の音響システムの概略図。

【図２】図１に示したシステムの一部を詳細に示した
図。

【図３】図２の回路の増幅器部分の概略図。

【図４】図２と図３のハードウェアと共に使われるプロ
グラムの概略フローチャート。

【図５】図４に示したソフトウェアの一部を詳しく示し
た図。

【図６】図５に示したソフトウェアの一部を詳しく示し
た図。

【符号の説明】

１０ 音響再生システム １２ 信号源 １４ 主増幅器 １６ 主スピーカ ２０ 補助低音用スピーカシステム ２２ ディジタル電力増幅器と動フィードバック制御装
置 ２３ 動フィードバック回路 ２４ トランスジューサ ２６ アナログ／ディジタル変換器 ２９ インタフェイス部 ３０ ＤＳＰコントローラ ３２ パルス発生器 ３３ Ｈブリッジ ３８ ローパスフィルタ ５０ ＤＳＰ増幅部

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号源と原信号の音響的な再生を発する
   トランスジューサとを有する自動車用音響システムであ
   って、 前記原信号に応じて駆動信号を制御して前記トランスジ
   ューサに供給するＤＳＰ増幅器と、 前記駆動信号のトランスジューサ再生を検出する動フィ
   ードバック手段と、 その検出された信号を前記駆動信号と比較し、前記検出
   された信号に応答して誤差修正を発生するＤＳＰコント
   ロール手段と、 を含むことを特徴とする自動車用音響システム。
2. 【請求項２】 前記信号源はアナログ信号源であり、該
   アナログ信号に応じたディジタル信号を発生して前記Ｄ
   ＳＰ増幅器に供給する変換器を更に含むことを特徴とす
   る請求項１記載の自動車用音響システム。
3. 【請求項３】 前記信号源がディジタル信号源であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の自動車用音響システム。
4. 【請求項４】 前記ＤＳＰ増幅器が、 ディジタル音響データをパルス幅変調された信号に変換
   する手段と、 前記パルス幅変調信号を、前記トランスジューサを駆動
   するアナログ駆動信号に変換するＨブリッジと、 を含むことを特徴とする請求項１記載の自動車用音響シ
   ステム。
5. 【請求項５】 前記Ｈブリッジを前記トランスジューサ
   に結合するローパスフィルタを更に含むことを特徴とす
   る請求項４記載の自動車用音響システム。
6. 【請求項６】 所定の交差周波数範囲内の信号を前記Ｄ
   ＳＰ増幅器に供給するＤＳＰプロセッサフィルタを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の自動車用音響システ
   ム。
7. 【請求項７】 前記ＤＳＰ増幅器に供給される前記信号
   の利得を制御するようにプログラムされたＤＳＰプロセ
   ッサを含むことを特徴とする請求項１記載の自動車用音
   響システム。
8. 【請求項８】 前記ＤＳＰ増幅器の出力の直線性を維持
   するための増幅器フィードバックループを含むことを特
   徴とする請求項１記載の自動車用音響システム。
9. 【請求項９】 前記信号源は正及び負のデータを発生
   し、前記ＤＳＰ増幅器は正のデータと負のデータを分離
   するフィルタを含むことを特徴とする請求項１記載の自
   動車用音響システム。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の自動車用音響システム
    であって、当該音響システムが能動雑音消去システムで
    あることを特徴とする自動車用音響システム。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の自動車用音響システム
    であって、当該音響システムが音響娯楽システムである
    ことを特徴とする、自動車用音響システム。
12. 【請求項１２】 少なくとも１個のトランスジューサが
    自動車の客室内に搭載されていることを特徴とする請求
    項１０記載の自動車用音響システム。
13. 【請求項１３】 前記信号源、前記トランスジューサ、
    前記ＤＳＰ増幅器、前記動フィードバック手段及び前記
    ＤＳＰ制御手段が、１個の取付けユニット内に集積化さ
    れて実装されていることを特徴とする請求項１記載の自
    動車用音響システム。
14. 【請求項１４】 アナログ信号源と該アナログ信号の音
    響的再生を伝えるトランスジューサとを有する音響シス
    テムであって、 前記アナログ信号からディジタル信号を発生する変換器
    と、 前記変換された原信号に応答して駆動電流を前記トラン
    スジューサに供給するＤＳＰ増幅器と、 前記駆動信号の再生を検出し、前記再生に応じた検出信
    号を発生する動フィードバックループと、 前記検出信号を前記駆動電流とを比較し、前記検出信号
    に応答して誤差信号を発生するＤＳＰコントローラと、 前記誤差修正信号で前記トランスジューサを駆動するＤ
    ＳＰ補償器と、 を含むことを特徴とする音響システム。
15. 【請求項１５】 電力増幅器を介して少なくとも１個に
    スピーカに供給される入力信号を音響的に再生する方法
    であって、 前記入力信号をディジタルに表現するステップと、 前記少なくとも１個のスピーカの音響出力を、応答信号
    を発生するトランスジューサで検出するステップと、 前記応答信号をディジタル信号に変換して、該ディジタ
    ル信号をフィードバックによりＤＳＰに伝達するステッ
    プと、 前記ディジタル信号を前記ディジタル表現された入力信
    号と比較した結果に応答して、前記ＤＳＰ内で前記ディ
    ジタル信号を処理して、前記電力増幅器の入力に誤差修
    正信号を提供するステップと、 前記誤差修正信号を前記電力増幅器により処理して、前
    記少なくとも１個のスピーカを駆動するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の方法において、前記
    処理ステップは、ＤＳＰ電力増幅器及びＤＳＰ動フィー
    ドバックループにおいて集積ＤＳＰ処理を行うステップ
    を含むことを特徴とする、音響再生方法。