JPWO2008062748A1 - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

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Abstract

信号処理装置は、接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスの伝達特性をシミュレートし、入力信号を伝達特性で処理して出力するトランスシミュレート手段（１０１）と、所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、インピーダンス特性を出力する負荷インピーダンスシミュレート手段（１０２）とを備える。トランスシミュレート手段（１０１）は、負荷インピーダンスシュミレート手段（１０２）によってシミュレートされた負荷インピーダンスを持つ負荷が接続された状態でトランスの伝達特性をシミュレートする。

Description

本発明は、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴をデジタルオーディオ機器にて再現するための信号処理装置及び信号処理方法に関する。
楽器用エフェクターに於いて、真空管式ギターアンプの音色、特に過大入力を与えた場合の音色変化の特徴を出すことを目的とした信号処理装置が、特許文献１において開示されている。図１８にその信号処理装置の構成を示す。図１８に示す信号処理装置は、Ｉｇブロック３０１、３０２と、Ｉｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６と、レベル検出部３０８と、乗算器３０９と、加算器３０３、３０４、３０７、３１０とを備える。
Ｉｇブロック３０１、３０２は、入力信号に応じて、真空管式電力増幅器のグリッドに接続されたフィルタ特性をシミュレートする。Ｉｇブロック３０１、３０２の出力信号はＩｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６に供給される。Ｉｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６は、真空管式電力増幅におけるグリッド電圧の変化に応じたプレート電流をシミュレートする。
Ｉｇブロック３０１、３０２は、入力電圧が大きくなるにしたがって、その遮断特性が高くなる。レベル検出器３０８は、加算器３０７から得られるＩｐ／Ｅｇブロック３０５とＩｐ／Ｅｇブロック３０６の加算出力のレベルを検出する。このレベルが大きくなるに連れて、乗算器３０９、加算器３１０、３０３、３０４を用いて、Ｉｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６のバイアスを深くすることで、真空管増幅器の動作をシミュレートする。
以上説明したように、特許文献１では、入力信号に応じて真空管式電力増幅器のグリッドに接続されたフィルタ特性、プレート電流の静特性をシミュレートし、且つ、出力信号レベルに応じて、フィルタ特性及び入力信号に付加するバイアスを変化させる。これにより、真空管増幅器の特性を模擬し、真空管式ギターアンプの音色、特に過大入力を与えた場合の音色変化の特徴を再現できる。
特開平７−８６８４０号公報
上述の従来の信号処理装置においては、真空管式ギターアンプの音色、特に過大入力を与えた場合の音色変化の特徴を再現することを目的としている。このため、通常振幅信号（実用上無歪状態で動作可能な信号振幅）に対しては効果が得られず、通常振幅信号を扱うオーディオ用途としては不適である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴をデジタルオーディオ機器にて再現し、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる、中低域に厚みのある、滑らかな音、安定感安心感のある等の音質を再生可能とする信号処理装置及び方法を提供することにある。
本発明に係る信号処理装置は、接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスの伝達特性をシミュレートし、入力信号を伝達特性で処理して出力するトランスシミュレート手段と、所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、インピーダンス特性を出力する負荷インピーダンスシミュレート手段とを備える。トランスシミュレート手段は、負荷インピーダンスシュミレート手段によってシミュレートされた負荷インピーダンスを持つ負荷が接続された状態でトランスの伝達特性をシミュレートする。
本発明に係る信号処理方法は、所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、インピーダンス特性を出力するステップと、接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスに前記シミュレートされたインピーダンス特性の負荷が接続された状態で、トランスの伝達特性をシミュレートするステップと、入力信号を、シミュレートされた伝達特性を用いて処理し、出力信号を生成するステップとを含む。
本発明によれば、所定の特性を有するトランスに所定の特性を有した負荷を接続した状態での伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することで、出力オーディオ信号を生成している。特に、出力トランスの伝達特性とそれに接続されるスピーカのインピーダンス特性とを含めた全体の伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することにより、出力オーディオ信号を生成している。これにより、例えば、トランスをオーディオ真空管増幅器用出力トランスとし、負荷をオーディオ用スピーカとすることで、真空管増幅器でスピーカを駆動したときに得られる音質を再現できる。
本発明の実施の形態における信号処理装置の構成図 ３極管真空管を用いたシングル構成のオーディオ電力増幅器（真空管増幅器）の構成図 （ａ）出力トランスの回路図及び（ｂ）出力トランスの等価回路図 負荷として純抵抗を接続したときの出力トランスの出力信号の周波数特性の一例を示す図 スピーカシステムのインピーダンス特性の一例を示す図 図５に示すインピーダンス特性を有するスピーカシステムを接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す図 スピーカインピーダンスシミュレーション部において、スピーカインピーダンスをシミュレートする際に使用する回路の構成例を示した図 スピーカインピーダンスをシミュレートする際に使用する等価回路の回路図 シミュレーション対象の真空管増幅器の出力部の等価回路図 負荷として純抵抗が接続された出力トランスの位相特性と振幅特性を示す図 負荷として密閉型の２ウェイ型スピーカシステムが接続された出力トランスの出力信号の位相特性と振幅特性を示す図 負荷として密閉型のフルレンジ型スピーカシステムが接続された出力トランスの出力信号の位相特性と振幅特性を示す図 制御パラメータを変更することによるインピーダンス特性の変化を示す図 図１３に示すインピーダンス特性の変化に伴う出力トランスの出力信号特性を示す図 制御パラメータを変更することにより得られる、バスレフ型の３ウェイスピーカシステムのインピーダンス特性を示す図 図１５に示すインピーダンス特性の負荷が接続された出力トランスの出力信号特性を示す図 一次インダクタンスを変化させた場合の出力トランスの出力信号特性の変化を示す図 従来のオーディオ信号再生装置の構成を示すブロック図
符号の説明
１０１ 出力トランスシミュレーション部
１０２ スピーカインピーダンスシミュレーション部
２０１ 真空管デバイス
２０２ 抵抗器
２０３ 出力トランス
２０４ 直流電源
２０５ スピーカ
Ｔ１ 入力端子
Ｔ２ 出力端子
Ｔ３ 入力端子
Ｔ１１，Ｔ１２ 制御端子
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
１． 信号処理装置の構成
図１は、本発明の実施の形態１における信号処理装置の構成図である。図１において、信号処理装置１００は、出力トランスシミュレーション部１０１と、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２と、デジタルオーディオ信号を入力する入力端子Ｔ１と、所定の信号処理がなされたデジタルオーディオ信号を出力する出力端子Ｔ２とを含む。さらに信号処理装置１００は、出力トランスシミュレーション部１０１におけるシミュレーションに関する設定を変更するための制御端子Ｔ１１と、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２におけるシミュレーションに関する設定を変更するための制御端子Ｔ１２とを備える。
本実施形態の信号処理装置１００は真空管を用いたオーディオ電力増幅器（以下「真空管増幅器」という。）の出力特性（伝達特性）をシミュレートし、入力した信号に対してそのシミュレートした出力特性を付加して出力するフィルタ機能を有する。特に、本願発明の発明者は、真空管増幅器の持つ音質に多大な影響を与える要素として、真空管増幅器内に用いられる出力トランスに着目し、出力トランスの出力特性をシミュレートすることにより真空管増幅器により得られる音質特徴を再現できることを発見した。
ここで、出力トランスの出力特性は、それに接続される負荷（例えば、スピーカ）のインピーダンスに左右される。このため、出力トランスシミュレーション部１０１は、真空管増幅に使用される出力トランスの出力特性をシミュレートし、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、出力トランスに接続されるスピーカの負荷インピーダンスをシミュレートする。この構成によって、オーディオデジタル信号は、本実施形態の信号処理装置１００を通過することで、シミュレーション対象の真空管増幅器とスピーカから得られる音質の特性が付加され、これにより、真空管増幅器で再現したような滑らで安定感、安心感のある音質が得られる。
なお、信号処理装置１００は半導体集積回路で構成され、出力トランスの伝達特性及びスピーカのインピーダンス特性をシミュレートする機能を有する。具体的には、信号処理装置１００は以下の機能を実現する信号処理プログラムを実行するＤＳＰ（Digital Signal Processor:デジタル・シグナル・プロセッサ）で構成される。
ここで、出力トランスシミュレーション部１０１がシミュレートする出力トランスを含むオーディオ電力増幅器（真空管増幅器）について説明する。
図２に、１つの３極管真空管を用いたオーディオ電力増幅器（真空管増幅器）の構成を示す。真空管増幅器は、オーディオ信号を増幅する真空管デバイス２０１と、真空管デバイス２０１の動作点を決定するバイアスを与える抵抗器２０２と、出力トランス２０３と、直流電源２０４とを備える。真空管増幅器は、入力端子Ｔ３からアナログオーディオ信号を入力し、出力トランス２０３を介して負荷であるスピーカ２０５に増幅したオーディオ信号を出力する。
オーディオ電力増幅器において、入力端子Ｔ３から入力されたオーディオ信号は真空管デバイス２０１に供給される。真空管デバイス２０１の動作点は、抵抗器２０２、出力トランス２０３及び直流電源２０４により決定される。真空管デバイス２０１は入力されたオーディオ信号を増幅し、出力トランス２０３を介して、負荷であるスピーカ２０５に電力を供給する。真空管デバイス２０１の出力抵抗は一般に数ｋΩと大きく、スピーカ２０５のインピーダンスは４〜８Ω程度と小さいため、出力トランス２０３を用いてインピーダンス整合を行っている。
一般的に出力トランスは、バンドパス特性を有し、その伝達特性は、出力トランスに接続する負荷に影響されることが知られている。本願の発明者は、そのような出力トランスの特性が真空管増幅器の伝達特性に影響を与え、真空管増幅器の音質を左右していることに着目した。すなわち、負荷としてスピーカが接続された場合の出力トランスの伝達特性をシミュレートし、その伝達特性によって、入力されるオーディオ信号を処理することにより、真空管増幅器の音質特徴を含むオーディオ信号を生成する。
なお、本実施形態では、出力トランスシミュレーション部１０１はオーディオ用出力トランスの特性をシミュレーションしている。ここで、オーディオ用出力トランスは、一般に低い（４〜１６Ω）負荷インピーダンスを持つスピーカと真空管増幅器との間のインピーダンス整合をとるために挿入されるものである。オーディオ用出力トランスの特性は例えば以下の表に示すようなものとなる。
Figure 2008062748
２．信号処理装置の動作
本実施形態の信号処理装置１００の動作を説明する。出力トランスシミュレーション部１０１は、図２に示した真空管増幅器に含まれる出力トランス２０３の伝達特性をシミュレートする。スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、図２に示す、出力トランス２０３の負荷であるスピーカ２０５のインピーダンス特性をシミュレートする。
出力トランスシミュレーション部１０１はオーディオ信号を入力端子Ｔ１から入力し、出力トランス２０３の伝達特性に基づいて、入力したオーディオ信号を処理し、処理したオーディオ信号を出力端子Ｔ２から出力する。このとき、出力トランスシミュレーション部１０１は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２によりシミュレートされたスピーカインピーダンスを持つスピーカを負荷として接続した場合の出力トランス２０３の伝達特性を用いる。
ここで、一般的なトランスの等価回路について説明する。一般的にトランスの等価回路は図３に示す回路であることが知られている。すなわち、図３（ａ）の出力トランスの等価回路は図３（ｂ）に示すとおりとなる。図４に、オーディオ用出力トランスを図３（ｂ）の等価回路に適合させて、６Ωの純抵抗を負荷にした場合のオーディオ帯域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）の周波数特性を示す。図４は低域、中域においてフラットな特性を示し、高域において単調減少する特性を示している。
図５に、スピーカシステムのインピーダンス特性例を示す。同図は、密閉型キャビネットで構成される２ウェイ型のスピーカシステムの特性を示している。図５を参照すると、本スピーカシステムの最低共振周波数が５０Ｈｚで、高域再生スピーカユニット（ツィータ）の最低共振周波数が、５ｋＨｚであることがわかる。
図６は、図５の特性を持つスピーカユニットを図４の特性を持つ出力トランスに接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性は示した図である。図４と図６の特性を比較すると、図４は、高域が単調に減衰する特性を示すが、図６は、スピーカシステムのインピーダンスの影響を受けて、低域と高域の一部で盛り上がった周波数特性を示している。このような、出力トランスに接続する負荷の違いによる周波数特性の変化が、音質に影響し、真空管増幅器特有の音質を形成していると考えられる。
以上のように、本実施形態の信号処理回路１００は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２でシミュレートされるスピーカインピーダンスを負荷にした場合の出力トランスシミュレーション部１０１の伝達特性をもとに、入力されたオーディオ信号を処理することで、図６のような周波数特性を持つ出力信号を生成する。
スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２の特性は以下のようにして決定できる。例えば、実際のスピーカシステム（ユニット単体を含む）のインピーダンス特性を測定して、その測定値に基づきインピーダンス特性を決定する。スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、インピーダンス特性の測定値の情報をテーブルとして保持する。
または、Ｌ，Ｃ，Ｒの共振回路を用いてスピーカのインピーダンス特性をシミュレートし、それからインピーダンス特性を求めても良い。図７は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２がインピーダンス特性をシミュレートするために用いる回路の構成例を示した図である。図７（ａ）に示す回路は、一段のＬＣＲ並列共振回路を含み、例えば１つの共振点を有するスピーカシステムをシミュレートする場合に使用できる。図７（ｂ）に示す回路は二段のＬＣＲ並列共振回路を含み、例えば２つの共振点を有するスピーカシステムをシミュレートする場合に使用できる。スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示す回路が与えるインピーダンス特性を用いて、シミュレーション対象とするスピーカシステムのインピーダンス特性を得ることができる。Ｌ、Ｃ、Ｒの値、共振回路の段数及び共振回路の構成は、シミュレートしたいスピーカシステムのインピーダンス特性に応じて決定される。図７（ｂ）における各Ｌ、Ｃ、Ｒの値は、シミュレートするインピーダンス特性に応じて互いに独立な値を取り得る。
図７（ａ）または（ｂ）に示すＬ，Ｃ，Ｒの並列共振回路を用いてスピーカのインピーダンス特性を模擬し、それからインピーダンス特性を求めても良い。例えば、シミュレートするスピーカのインピーダンスが図８（ａ）に示す回路で与えられる場合を考える。同図の回路の場合、スピーカのインピーダンスＺ0は次式で与えられる。
Ｚ0＝Ｒ4＋ｓＬ5Ｒ5／（ｓ2Ｌ5Ｃ5Ｒ5＋ｓＬ5＋Ｒ5） （１）
さらに共振周波数ｆ0は次式で与えられる。
ｆ0＝１／｛２π（Ｌ5Ｃ5）1/2｝ （１．１）
また、共振峰の高さ（図８（ｂ）参照）はＲ5で与えられ、先鋭度Ｑ（Quality factor）は次式で与えられる。
Ｑ＝１／［２｛１＋Ｌ5／（４Ｃ5Ｒ5 2）｝1/2］ （１．２）
よって、図８（ａ）に示す回路の各素子の値Ｒ4、Ｌ5、Ｃ5、Ｒ5を適宜設定することにより、共振周波数、共振峰の高さ、先鋭度を任意の値に設定できることから、スピーカのインピーダンス（Ｚ0）特性を任意に設定できる。
一方、出力トランスシミュレーション部１０１についても同様に、実際の出力トランスの伝達特性を測定し、その測定値に基づき、出力トランスシミュレーション部１０１の周波数特性を決定してもよい。例えば、図３（ｂ）に示した等価回路を用いて伝達特性を決定し、その伝達特性と測定値に基づき、出力トランスシミュレーション部１０１の特性を決定することができる。以下、出力トランスの伝達特性について説明する。
以下では、図９に示すように真空管増幅器の出力抵抗ＲAをも考慮したときの出力トランスの伝達特性を検討する。なお、出力抵抗ＲAは真空管デバイス２０１の抵抗である。入力電圧と出力電圧をそれぞれＶi、Ｖoとすると、伝達特性は次式で与えられる。
Ｖi／Ｖo＝｛（ｓＣ1ＲA＋１)(Ｒ1+ｓＬ1)＋ＲA｝[（ｓＬ3+Ｒ3）
｛（ｎ2Ｒ2+ｓｎ2Ｌ2)（ｓＣ2Ｚo＋１）＋ｎ2Ｚo｝＋
ｓＬ3Ｒ3（ｓＣ2Ｚo＋１)]／ｓｎ2Ｌ3Ｒ3Ｚo＋ｓＬ3Ｒ3（ｓＣ1ＲA＋１)
｛（Ｒ2+ｓｎ2Ｌ2）（ｓＣ2Ｚo＋１)＋ｎ2Ｚo｝／ｓＬ3Ｒ3ｎ2Ｚo （２）
ここで、Ｚoは負荷インピーダンス、Ｃ1は一次巻線浮遊容量、Ｒ1は一次巻線抵抗、Ｌ1は一次巻線漏れインダクタンス、Ｒ3は鉄損、Ｌ3は一次インダクタンス、Ｌ2は二次巻線漏れインダクタンス、Ｒ2は二次巻線抵抗、Ｃ2は二次巻線浮遊容量、ｎは出力トランスの巻数比である。
なお、式（２）におけるＬ、Ｃ、Ｒの各値は、出力トランスの伝達特性の測定値に基づいて決定するが、所望の特性が得られるよう適宜決定されてもよい。
負荷インピーダンスＺoは、一般に次式（２．１）で与えられるが、例えば、図８（ａ）に示す等価回路を用いてインピーダンス特性をシミュレートする場合、負荷インピーダンスＺoは式（１）で与えられる。
Ｚo＝（ａ0＋ａ1ｓ＋…＋ａnｓn）／（ｂ0＋ｂ1ｓ＋…＋ｂnｓn） （２．１）
以上のように求めた伝達特性を入力信号に畳み込むことで、出力信号を生成することができる。更に、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２でシミュレートされるスピーカインピーダンスを負荷にした場合の出力トランスの出力特性は、個別に伝達特性を求めるのではなく、出力トランスにスピーカシステムを接続した状態で伝達特性を算出しても良い。
図１０〜図１２は、本実施形態の信号処理装置の周波数特性（位相及び振幅についての特性）を示した図である。図１０は、負荷として純抵抗を接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す。図１１は、５０Ｈｚの共振周波数を持つ密閉２ウェイ型スピーカを負荷として接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す。図１２は、５０Ｈｚの共振周波数を持つ密閉フルレンジ型スピーカを負荷として接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す。これらの図に示すように、本実施形態の信号処理装置によれば、位相についても周波数特性を持つ。このように位相特性を有する点が、本実施形態の信号処理装置と、帯域ごとにレベルを増減させることで音質調整が可能なグラフィックイコライザ（graphic equalizer）と異なる点である。
以上のような構成で、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴をデジタルオーディオ機器にて再現でき、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる、滑らかな音質及び安定感、安心感等を与える音質を提供できる。
本実施形態の信号処理装置１００は、制御端子Ｔ１１、Ｔ１２を介して出力トランスシミュレーション部１０１及びスピーカインピーダンスシミュレーション部１０２それぞれに対する制御パラメータを外部から変更できる。
スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、制御端子Ｔ１２を介して外部から制御パラメータを入力することで、スピーカインピーダンス特性を変更できる。例えば、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２が図８（ａ）に示す回路を用いてインピーダンス特性をシミュレーションする場合、共振周波数を設定する制御パラメータは式（１．１）からＬ5とＣ5となる。また先鋭度Ｑを設定する制御パラメータは式（１．２）からＬ5、Ｃ5、Ｒ5となる。
図１３は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２が、図７（ｂ）に示す回路を用いてスピーカのインピーダンス特性をシミュレーションする場合において、制御パラメータを変更することでインピーダンス特性を変化させた例を示した図である。図１３において、実線は変更前の特性を示し、破線は変更後の特性を示す。また、図１３は、キャビネットが密閉型で２ウェイ型のスピーカシステムのインピーダンス特性を示す。
図１３では、インピ-ダンス特性を制御するために３つの要素を変更している。第１の要素は共振周波数であり、低域の共振周波数をより高域側に（５０Ｈｚから１００Ｈｚへ）シフトしている。第２の要素は、低域の共振周波数におけるインピーダンスの大きさであり、小さくしている。第３の要素は、尖鋭度Ｑ（Quality factor）であり、ツィータの低域共振周波数（５ｋＨｚ）におけるインピーダンスの尖鋭度Ｑを大きくしている。このようなスピーカインピーダンスを変化させると、それを負荷とする出力トランスの出力信号の周波数特性は、図１４に示すように変化する。図１４において、実線は変更前の特性を示し、破線は変更後の特性を示す。
以上のようにスピーカのインピーダンス特性を制御することで、それを負荷とする出力トランスの周波数特性の制御が可能となる。
上記の制御では、スピーカインピーダンスの特徴となる特性を制御しているが、実際に複数のスピーカインピーダンスの伝達特性をテーブルとしてスピーカインピーダンスシミュレーション部１０２内に保持しておき、いずれか１つの伝達特性を制御パラメータにより選択して用いるようにしても良い。例えば、図１３に示したような密閉型の２ウェイ型スピーカシステムのインピーダンス特性と、図１５に示すようなバスレフ型の３ウェイ型スピーカシステムのインピーダンス特性とをそれぞれ保持しておき、いずれかの特性を制御パラメータにより選択できるようにしてもよい。図１５に示すインピーダンス特性を持つスピーカシステムに接続された出力トランスに対する、トランスシミュレーション部１０１による出力信号の周波数特性は図１６に示すような特性となる。
以上のように、制御端子Ｔ１１、Ｔ１２を介して外部から制御パラメータをスピーカのインピーダンス特性を制御できるように信号処理装置を構成することで、外部から再生音の音質制御が可能となる。このように制御パラメータを変更するだけで容易にスピーカのインピーダンス特性を変更できることから、複数のスピーカシステムの特性を容易に得ることができ、種々のスピーカを使用したときの音質を容易に再現することができる。また、制御パラメータにより、スピーカインピーダンスの低域共振周波数を低く設定し、かつ、その低域共振周波数でのインピーダンス値を大きく設定することで、低域再生能力の低い（低域方向の周波数特性が狭い）スピーカで再生した場合の聴感上の音質（低域再生能力）を向上させることができる。
トランスシミュレーション部１０１は、制御端子Ｔ１１を介して外部から制御パラメータを入力することで、シミュレーションすべき出力トランスの特性を変更することができる。具体的には、例えば、複数の出力トランスから算出した伝達特性をテーブルとして保持しておき、制御パラメータにより、いずれか１つの伝達特性を選択するようにする。または、図９に示した等価回路の伝達特性において、音質に影響を与えるパラメータ（Ｌ、Ｃ、Ｒの値）を、制御パラメータにより段階的にまたは連続的に切り替えられるようにして、再生音の音質制御を行ってもよい。特に、１次インダクタンスＬ3を変化させる（例えば、小さくする）と、図１７に示すように出力トランスの出力信号の低域の特性が変化する。
以上のような構成で、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴を、デジタルオーディオ機器にて再現し、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる滑らかな音、安定感安心感のある等の音質を提供できる効果を有している。また、外部からシミュレーション特性を制御することで、得られる音質の制御が可能となる。
３．変形例
以上の実施の形態においては、信号処理装置１００を、ハードウエアのディジタル信号処理回路で構成しているが、本発明の思想の適用はこれに限られない。例えば、図１の構成を信号処理プログラム（ソフトウェア）で実現して、その信号処理プログラムをＤＳＰ（Digital Signal Processor:デジタル・シグナル・プロセッサ）により実行してもよい。
また、以上の説明では、真空管増幅器に含まれる出力トランスの出力特性をシミュレーションしたが、真空管増幅器に限られない。他のアナログオーディオ機器に含まれる出力トランスの出力特性をシミュレーションしてもよい。アナログオーディオ機器に含まれる出力トランスがそのアナログオーディオ機器の特性に大いに影響を与える場合は、出力トランスの出力特性をシミュレーションすることで、そのアナログオーディオ機器による音質を再現することができる。
４．まとめ
以上のように本実施形態の信号処理装置によれば、所定の特性を有するトランスに所定の特性を有した負荷を接続した状態での伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することで、出力オーディオ信号を生成している。特に、出力トランスの伝達特性とそれに接続されるスピーカのインピーダンス特性とを含めた全体の伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することにより、出力オーディオ信号を生成している。この構成により、トランスをオーディオ真空管増幅器用出力トランスとし、負荷をオーディオ用スピーカとすることで、真空管増幅器でスピーカを駆動している状態の音質を再現できる効果を奏する。
さらに、スピーカのインピーダンスの周波数特性を外部から制御することで、インピーダンス特性の共振特性を変化させること、また、トランスの１次インダクタンスを含む特性を外部から制御することにより、様々な出力トランス及びスピーカを組み合わせたとき（著名なオーディオ機器での組合せ例も含む）のオーディオ信号を生成できるという効果を奏する。
さらに、本実施形態では、負荷となるスピーカのインピーダンスの低域共振周波数とその大きさを適宜調整する。具体的には、スピーカのインピーダンスの低域共振周波数を再生装置の低域再生限界の前後に、または、音質制御したい周波数に設定したり、インピーダンスの大きさを変化させるたりすることで、設定した周波数付近における周波数特性を調整する。これにより、再生装置の低域特性の制御、特に小型スピーカを使用した再生装置の低域特性の改善ができる。
本発明にかかる信号処理装置は、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴を、デジタルオーディオ機器にて再現し、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる滑らかな音、安定感、安心感のある等の音質を再生する等のオーディオ機器の音質改善として有用である。
本発明は、特定の実施形態について説明されてきたが、当業者にとっては他の多くの変形例、修正、他の利用が明らかである。それゆえ、本発明は、ここでの特定の開示に限定されず、添付の請求の範囲によってのみ限定され得る。なお、本出願は日本国特許出願、特願２００６−３１２５９５号（２００６年１１月２０日提出）に関連し、それらの内容は参照することにより本文中に組み入れられる。
本発明は、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴をデジタルオーディオ機器にて再現するための信号処理装置及び信号処理方法に関する。
楽器用エフェクターに於いて、真空管式ギターアンプの音色、特に過大入力を与えた場合の音色変化の特徴を出すことを目的とした信号処理装置が、特許文献１において開示されている。図１８にその信号処理装置の構成を示す。図１８に示す信号処理装置は、Ｉｇブロック３０１、３０２と、Ｉｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６と、レベル検出部３０８と、乗算器３０９と、加算器３０３、３０４、３０７、３１０とを備える。
Ｉｇブロック３０１、３０２は、入力信号に応じて、真空管式電力増幅器のグリッドに接続されたフィルタ特性をシミュレートする。Ｉｇブロック３０１、３０２の出力信号はＩｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６に供給される。Ｉｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６は、真空管式電力増幅におけるグリッド電圧の変化に応じたプレート電流をシミュレートする。
Ｉｇブロック３０１、３０２は、入力電圧が大きくなるにしたがって、その遮断特性が高くなる。レベル検出器３０８は、加算器３０７から得られるＩｐ／Ｅｇブロック３０５とＩｐ／Ｅｇブロック３０６の加算出力のレベルを検出する。このレベルが大きくなるに連れて、乗算器３０９、加算器３１０、３０３、３０４を用いて、Ｉｐ／Ｅｇブロック３０５、３０６のバイアスを深くすることで、真空管増幅器の動作をシミュレートする。
以上説明したように、特許文献１では、入力信号に応じて真空管式電力増幅器のグリッドに接続されたフィルタ特性、プレート電流の静特性をシミュレートし、且つ、出力信号レベルに応じて、フィルタ特性及び入力信号に付加するバイアスを変化させる。これにより、真空管増幅器の特性を模擬し、真空管式ギターアンプの音色、特に過大入力を与えた場合の音色変化の特徴を再現できる。
特開平７−８６８４０号公報
上述の従来の信号処理装置においては、真空管式ギターアンプの音色、特に過大入力を与えた場合の音色変化の特徴を再現することを目的としている。このため、通常振幅信号（実用上無歪状態で動作可能な信号振幅）に対しては効果が得られず、通常振幅信号を扱うオーディオ用途としては不適である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴をデジタルオーディオ機器にて再現し、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる、中低域に厚みのある、滑らかな音、安定感安心感のある等の音質を再生可能とする信号処理装置及び方法を提供することにある。
本発明に係る信号処理装置は、接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスの伝達特性をシミュレートし、入力信号を伝達特性で処理して出力するトランスシミュレート手段と、所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、インピーダンス特性を出力する負荷インピーダンスシミュレート手段とを備える。トランスシミュレート手段は、負荷インピーダンスシュミレート手段によってシミュレートされた負荷インピーダンスを持つ負荷が接続された状態でトランスの伝達特性をシミュレートする。
本発明に係る信号処理方法は、所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、インピーダンス特性を出力するステップと、接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスに前記シミュレートされたインピーダンス特性の負荷が接続された状態で、トランスの伝達特性をシミュレートするステップと、入力信号を、シミュレートされた伝達特性を用いて処理し、出力信号を生成するステップとを含む。
本発明によれば、所定の特性を有するトランスに所定の特性を有した負荷を接続した状態での伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することで、出力オーディオ信号を生成している。特に、出力トランスの伝達特性とそれに接続されるスピーカのインピーダンス特性とを含めた全体の伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することにより、出力オーディオ信号を生成している。これにより、例えば、トランスをオーディオ真空管増幅器用出力トランスとし、負荷をオーディオ用スピーカとすることで、真空管増幅器でスピーカを駆動したときに得られる音質を再現できる。
本発明の実施の形態における信号処理装置の構成図 ３極管真空管を用いたシングル構成のオーディオ電力増幅器（真空管増幅器）の構成図 （ａ）出力トランスの回路図及び（ｂ）出力トランスの等価回路図 負荷として純抵抗を接続したときの出力トランスの出力信号の周波数特性の一例を示す図 スピーカシステムのインピーダンス特性の一例を示す図 図５に示すインピーダンス特性を有するスピーカシステムを接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す図 スピーカインピーダンスシミュレーション部において、スピーカインピーダンスをシミュレートする際に使用する回路の構成例を示した図 スピーカインピーダンスをシミュレートする際に使用する等価回路の回路図 シミュレーション対象の真空管増幅器の出力部の等価回路図 負荷として純抵抗が接続された出力トランスの位相特性と振幅特性を示す図 負荷として密閉型の２ウェイ型スピーカシステムが接続された出力トランスの出力信号の位相特性と振幅特性を示す図 負荷として密閉型のフルレンジ型スピーカシステムが接続された出力トランスの出力信号の位相特性と振幅特性を示す図 制御パラメータを変更することによるインピーダンス特性の変化を示す図 図１３に示すインピーダンス特性の変化に伴う出力トランスの出力信号特性を示す図 制御パラメータを変更することにより得られる、バスレフ型の３ウェイスピーカシステムのインピーダンス特性を示す図 図１５に示すインピーダンス特性の負荷が接続された出力トランスの出力信号特性を示す図 一次インダクタンスを変化させた場合の出力トランスの出力信号特性の変化を示す図 従来のオーディオ信号再生装置の構成を示すブロック図
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
１． 信号処理装置の構成
図１は、本発明の実施の形態１における信号処理装置の構成図である。図１において、信号処理装置１００は、出力トランスシミュレーション部１０１と、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２と、デジタルオーディオ信号を入力する入力端子Ｔ１と、所定の信号処理がなされたデジタルオーディオ信号を出力する出力端子Ｔ２とを含む。さらに信号処理装置１００は、出力トランスシミュレーション部１０１におけるシミュレーションに関する設定を変更するための制御端子Ｔ１１と、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２におけるシミュレーションに関する設定を変更するための制御端子Ｔ１２とを備える。
本実施形態の信号処理装置１００は真空管を用いたオーディオ電力増幅器（以下「真空管増幅器」という。）の出力特性（伝達特性）をシミュレートし、入力した信号に対してそのシミュレートした出力特性を付加して出力するフィルタ機能を有する。特に、本願発明の発明者は、真空管増幅器の持つ音質に多大な影響を与える要素として、真空管増幅器内に用いられる出力トランスに着目し、出力トランスの出力特性をシミュレートすることにより真空管増幅器により得られる音質特徴を再現できることを発見した。
ここで、出力トランスの出力特性は、それに接続される負荷（例えば、スピーカ）のインピーダンスに左右される。このため、出力トランスシミュレーション部１０１は、真空管増幅に使用される出力トランスの出力特性をシミュレートし、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、出力トランスに接続されるスピーカの負荷インピーダンスをシミュレートする。この構成によって、オーディオデジタル信号は、本実施形態の信号処理装置１００を通過することで、シミュレーション対象の真空管増幅器とスピーカから得られる音質の特性が付加され、これにより、真空管増幅器で再現したような滑らで安定感、安心感のある音質が得られる。
なお、信号処理装置１００は半導体集積回路で構成され、出力トランスの伝達特性及びスピーカのインピーダンス特性をシミュレートする機能を有する。具体的には、信号処理装置１００は以下の機能を実現する信号処理プログラムを実行するＤＳＰ（Digital Signal Processor:デジタル・シグナル・プロセッサ）で構成される。
ここで、出力トランスシミュレーション部１０１がシミュレートする出力トランスを含むオーディオ電力増幅器（真空管増幅器）について説明する。
図２に、１つの３極管真空管を用いたオーディオ電力増幅器（真空管増幅器）の構成を示す。真空管増幅器は、オーディオ信号を増幅する真空管デバイス２０１と、真空管デバイス２０１の動作点を決定するバイアスを与える抵抗器２０２と、出力トランス２０３と、直流電源２０４とを備える。真空管増幅器は、入力端子Ｔ３からアナログオーディオ信号を入力し、出力トランス２０３を介して負荷であるスピーカ２０５に増幅したオーディオ信号を出力する。
オーディオ電力増幅器において、入力端子Ｔ３から入力されたオーディオ信号は真空管デバイス２０１に供給される。真空管デバイス２０１の動作点は、抵抗器２０２、出力トランス２０３及び直流電源２０４により決定される。真空管デバイス２０１は入力されたオーディオ信号を増幅し、出力トランス２０３を介して、負荷であるスピーカ２０５に電力を供給する。真空管デバイス２０１の出力抵抗は一般に数ｋΩと大きく、スピーカ２０５のインピーダンスは４〜８Ω程度と小さいため、出力トランス２０３を用いてインピーダンス整合を行っている。
一般的に出力トランスは、バンドパス特性を有し、その伝達特性は、出力トランスに接続する負荷に影響されることが知られている。本願の発明者は、そのような出力トランスの特性が真空管増幅器の伝達特性に影響を与え、真空管増幅器の音質を左右していることに着目した。すなわち、負荷としてスピーカが接続された場合の出力トランスの伝達特性をシミュレートし、その伝達特性によって、入力されるオーディオ信号を処理することにより、真空管増幅器の音質特徴を含むオーディオ信号を生成する。
なお、本実施形態では、出力トランスシミュレーション部１０１はオーディオ用出力トランスの特性をシミュレーションしている。ここで、オーディオ用出力トランスは、一般に低い（４〜１６Ω）負荷インピーダンスを持つスピーカと真空管増幅器との間のインピーダンス整合をとるために挿入されるものである。オーディオ用出力トランスの特性は例えば以下の表に示すようなものとなる。
Figure 2008062748
２．信号処理装置の動作
本実施形態の信号処理装置１００の動作を説明する。出力トランスシミュレーション部１０１は、図２に示した真空管増幅器に含まれる出力トランス２０３の伝達特性をシミュレートする。スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、図２に示す、出力トランス２０３の負荷であるスピーカ２０５のインピーダンス特性をシミュレートする。
出力トランスシミュレーション部１０１はオーディオ信号を入力端子Ｔ１から入力し、出力トランス２０３の伝達特性に基づいて、入力したオーディオ信号を処理し、処理したオーディオ信号を出力端子Ｔ２から出力する。このとき、出力トランスシミュレーション部１０１は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２によりシミュレートされたスピーカインピーダンスを持つスピーカを負荷として接続した場合の出力トランス２０３の伝達特性を用いる。
ここで、一般的なトランスの等価回路について説明する。一般的にトランスの等価回路は図３に示す回路であることが知られている。すなわち、図３（ａ）の出力トランスの等価回路は図３（ｂ）に示すとおりとなる。図４に、オーディオ用出力トランスを図３（ｂ）の等価回路に適合させて、６Ωの純抵抗を負荷にした場合のオーディオ帯域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）の周波数特性を示す。図４は低域、中域においてフラットな特性を示し、高域において単調減少する特性を示している。
図５に、スピーカシステムのインピーダンス特性例を示す。同図は、密閉型キャビネットで構成される２ウェイ型のスピーカシステムの特性を示している。図５を参照すると、本スピーカシステムの最低共振周波数が５０Ｈｚで、高域再生スピーカユニット（ツィータ）の最低共振周波数が、５ｋＨｚであることがわかる。
図６は、図５の特性を持つスピーカユニットを図４の特性を持つ出力トランスに接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性は示した図である。図４と図６の特性を比較すると、図４は、高域が単調に減衰する特性を示すが、図６は、スピーカシステムのインピーダンスの影響を受けて、低域と高域の一部で盛り上がった周波数特性を示している。このような、出力トランスに接続する負荷の違いによる周波数特性の変化が、音質に影響し、真空管増幅器特有の音質を形成していると考えられる。
以上のように、本実施形態の信号処理回路１００は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２でシミュレートされるスピーカインピーダンスを負荷にした場合の出力トランスシミュレーション部１０１の伝達特性をもとに、入力されたオーディオ信号を処理することで、図６のような周波数特性を持つ出力信号を生成する。
スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２の特性は以下のようにして決定できる。例えば、実際のスピーカシステム（ユニット単体を含む）のインピーダンス特性を測定して、その測定値に基づきインピーダンス特性を決定する。スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、インピーダンス特性の測定値の情報をテーブルとして保持する。
または、Ｌ，Ｃ，Ｒの共振回路を用いてスピーカのインピーダンス特性をシミュレートし、それからインピーダンス特性を求めても良い。図７は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２がインピーダンス特性をシミュレートするために用いる回路の構成例を示した図である。図７（ａ）に示す回路は、一段のＬＣＲ並列共振回路を含み、例えば１つの共振点を有するスピーカシステムをシミュレートする場合に使用できる。図７（ｂ）に示す回路は二段のＬＣＲ並列共振回路を含み、例えば２つの共振点を有するスピーカシステムをシミュレートする場合に使用できる。スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示す回路が与えるインピーダンス特性を用いて、シミュレーション対象とするスピーカシステムのインピーダンス特性を得ることができる。Ｌ、Ｃ、Ｒの値、共振回路の段数及び共振回路の構成は、シミュレートしたいスピーカシステムのインピーダンス特性に応じて決定される。図７（ｂ）における各Ｌ、Ｃ、Ｒの値は、シミュレートするインピーダンス特性に応じて互いに独立な値を取り得る。
図７（ａ）または（ｂ）に示すＬ，Ｃ，Ｒの並列共振回路を用いてスピーカのインピーダンス特性を模擬し、それからインピーダンス特性を求めても良い。例えば、シミュレートするスピーカのインピーダンスが図８（ａ）に示す回路で与えられる場合を考える。同図の回路の場合、スピーカのインピーダンスＺ0は次式で与えられる。
Ｚ0＝Ｒ4＋ｓＬ5Ｒ5／（ｓ2Ｌ5Ｃ5Ｒ5＋ｓＬ5＋Ｒ5） （１）
さらに共振周波数ｆ0は次式で与えられる。
ｆ0＝１／｛２π（Ｌ5Ｃ5）1/2｝ （１．１）
また、共振峰の高さ（図８（ｂ）参照）はＲ5で与えられ、先鋭度Ｑ（Quality factor）は次式で与えられる。
Ｑ＝１／［２｛１＋Ｌ5／（４Ｃ5Ｒ5 2）｝1/2］ （１．２）
よって、図８（ａ）に示す回路の各素子の値Ｒ4、Ｌ5、Ｃ5、Ｒ5を適宜設定することにより、共振周波数、共振峰の高さ、先鋭度を任意の値に設定できることから、スピーカのインピーダンス（Ｚ0）特性を任意に設定できる。
一方、出力トランスシミュレーション部１０１についても同様に、実際の出力トランスの伝達特性を測定し、その測定値に基づき、出力トランスシミュレーション部１０１の周波数特性を決定してもよい。例えば、図３（ｂ）に示した等価回路を用いて伝達特性を決定し、その伝達特性と測定値に基づき、出力トランスシミュレーション部１０１の特性を決定することができる。以下、出力トランスの伝達特性について説明する。
以下では、図９に示すように真空管増幅器の出力抵抗ＲAをも考慮したときの出力トランスの伝達特性を検討する。なお、出力抵抗ＲAは真空管デバイス２０１の抵抗である。入力電圧と出力電圧をそれぞれＶi、Ｖoとすると、伝達特性は次式で与えられる。
Ｖi／Ｖo＝｛（ｓＣ1ＲA＋１)(Ｒ1+ｓＬ1)＋ＲA｝[（ｓＬ3+Ｒ3）
｛（ｎ2Ｒ2+ｓｎ2Ｌ2)（ｓＣ2Ｚo＋１）＋ｎ2Ｚo｝＋
ｓＬ3Ｒ3（ｓＣ2Ｚo＋１)]／ｓｎ2Ｌ3Ｒ3Ｚo＋ｓＬ3Ｒ3（ｓＣ1ＲA＋１)
｛（Ｒ2+ｓｎ2Ｌ2）（ｓＣ2Ｚo＋１)＋ｎ2Ｚo｝／ｓＬ3Ｒ3ｎ2Ｚo （２）
ここで、Ｚoは負荷インピーダンス、Ｃ1は一次巻線浮遊容量、Ｒ1は一次巻線抵抗、Ｌ1は一次巻線漏れインダクタンス、Ｒ3は鉄損、Ｌ3は一次インダクタンス、Ｌ2は二次巻線漏れインダクタンス、Ｒ2は二次巻線抵抗、Ｃ2は二次巻線浮遊容量、ｎは出力トランスの巻数比である。
なお、式（２）におけるＬ、Ｃ、Ｒの各値は、出力トランスの伝達特性の測定値に基づいて決定するが、所望の特性が得られるよう適宜決定されてもよい。
負荷インピーダンスＺoは、一般に次式（２．１）で与えられるが、例えば、図８（ａ）に示す等価回路を用いてインピーダンス特性をシミュレートする場合、負荷インピーダンスＺoは式（１）で与えられる。
Ｚo＝（ａ0＋ａ1ｓ＋…＋ａnｓn）／（ｂ0＋ｂ1ｓ＋…＋ｂnｓn） （２．１）
以上のように求めた伝達特性を入力信号に畳み込むことで、出力信号を生成することができる。更に、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２でシミュレートされるスピーカインピーダンスを負荷にした場合の出力トランスの出力特性は、個別に伝達特性を求めるのではなく、出力トランスにスピーカシステムを接続した状態で伝達特性を算出しても良い。
図１０〜図１２は、本実施形態の信号処理装置の周波数特性（位相及び振幅についての特性）を示した図である。図１０は、負荷として純抵抗を接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す。図１１は、５０Ｈｚの共振周波数を持つ密閉２ウェイ型スピーカを負荷として接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す。図１２は、５０Ｈｚの共振周波数を持つ密閉フルレンジ型スピーカを負荷として接続した場合の出力トランスの出力信号の周波数特性を示す。これらの図に示すように、本実施形態の信号処理装置によれば、位相についても周波数特性を持つ。このように位相特性を有する点が、本実施形態の信号処理装置と、帯域ごとにレベルを増減させることで音質調整が可能なグラフィックイコライザ（graphic equalizer）と異なる点である。
以上のような構成で、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴をデジタルオーディオ機器にて再現でき、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる、滑らかな音質及び安定感、安心感等を与える音質を提供できる。
本実施形態の信号処理装置１００は、制御端子Ｔ１１、Ｔ１２を介して出力トランスシミュレーション部１０１及びスピーカインピーダンスシミュレーション部１０２それぞれに対する制御パラメータを外部から変更できる。
スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２は、制御端子Ｔ１２を介して外部から制御パラメータを入力することで、スピーカインピーダンス特性を変更できる。例えば、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２が図８（ａ）に示す回路を用いてインピーダンス特性をシミュレーションする場合、共振周波数を設定する制御パラメータは式（１．１）からＬ5とＣ5となる。また先鋭度Ｑを設定する制御パラメータは式（１．２）からＬ5、Ｃ5、Ｒ5となる。
図１３は、スピーカインピーダンスシミュレーション部１０２が、図７（ｂ）に示す回路を用いてスピーカのインピーダンス特性をシミュレーションする場合において、制御パラメータを変更することでインピーダンス特性を変化させた例を示した図である。図１３において、実線は変更前の特性を示し、破線は変更後の特性を示す。また、図１３は、キャビネットが密閉型で２ウェイ型のスピーカシステムのインピーダンス特性を示す。
図１３では、インピ-ダンス特性を制御するために３つの要素を変更している。第１の要素は共振周波数であり、低域の共振周波数をより高域側に（５０Ｈｚから１００Ｈｚへ）シフトしている。第２の要素は、低域の共振周波数におけるインピーダンスの大きさであり、小さくしている。第３の要素は、尖鋭度Ｑ（Quality factor）であり、ツィータの低域共振周波数（５ｋＨｚ）におけるインピーダンスの尖鋭度Ｑを大きくしている。このようなスピーカインピーダンスを変化させると、それを負荷とする出力トランスの出力信号の周波数特性は、図１４に示すように変化する。図１４において、実線は変更前の特性を示し、破線は変更後の特性を示す。
以上のようにスピーカのインピーダンス特性を制御することで、それを負荷とする出力トランスの周波数特性の制御が可能となる。
上記の制御では、スピーカインピーダンスの特徴となる特性を制御しているが、実際に複数のスピーカインピーダンスの伝達特性をテーブルとしてスピーカインピーダンスシミュレーション部１０２内に保持しておき、いずれか１つの伝達特性を制御パラメータにより選択して用いるようにしても良い。例えば、図１３に示したような密閉型の２ウェイ型スピーカシステムのインピーダンス特性と、図１５に示すようなバスレフ型の３ウェイ型スピーカシステムのインピーダンス特性とをそれぞれ保持しておき、いずれかの特性を制御パラメータにより選択できるようにしてもよい。図１５に示すインピーダンス特性を持つスピーカシステムに接続された出力トランスに対する、トランスシミュレーション部１０１による出力信号の周波数特性は図１６に示すような特性となる。
以上のように、制御端子Ｔ１１、Ｔ１２を介して外部から制御パラメータをスピーカのインピーダンス特性を制御できるように信号処理装置を構成することで、外部から再生音の音質制御が可能となる。このように制御パラメータを変更するだけで容易にスピーカのインピーダンス特性を変更できることから、複数のスピーカシステムの特性を容易に得ることができ、種々のスピーカを使用したときの音質を容易に再現することができる。また、制御パラメータにより、スピーカインピーダンスの低域共振周波数を低く設定し、かつ、その低域共振周波数でのインピーダンス値を大きく設定することで、低域再生能力の低い（低域方向の周波数特性が狭い）スピーカで再生した場合の聴感上の音質（低域再生能力）を向上させることができる。
トランスシミュレーション部１０１は、制御端子Ｔ１１を介して外部から制御パラメータを入力することで、シミュレーションすべき出力トランスの特性を変更することができる。具体的には、例えば、複数の出力トランスから算出した伝達特性をテーブルとして保持しておき、制御パラメータにより、いずれか１つの伝達特性を選択するようにする。または、図９に示した等価回路の伝達特性において、音質に影響を与えるパラメータ（Ｌ、Ｃ、Ｒの値）を、制御パラメータにより段階的にまたは連続的に切り替えられるようにして、再生音の音質制御を行ってもよい。特に、１次インダクタンスＬ3を変化させる（例えば、小さくする）と、図１７に示すように出力トランスの出力信号の低域の特性が変化する。
以上のような構成で、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴を、デジタルオーディオ機器にて再現し、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる滑らかな音、安定感安心感のある等の音質を提供できる効果を有している。また、外部からシミュレーション特性を制御することで、得られる音質の制御が可能となる。
３．変形例
以上の実施の形態においては、信号処理装置１００を、ハードウエアのディジタル信号処理回路で構成しているが、本発明の思想の適用はこれに限られない。例えば、図１の構成を信号処理プログラム（ソフトウェア）で実現して、その信号処理プログラムをＤＳＰ（Digital Signal Processor:デジタル・シグナル・プロセッサ）により実行してもよい。
また、以上の説明では、真空管増幅器に含まれる出力トランスの出力特性をシミュレーションしたが、真空管増幅器に限られない。他のアナログオーディオ機器に含まれる出力トランスの出力特性をシミュレーションしてもよい。アナログオーディオ機器に含まれる出力トランスがそのアナログオーディオ機器の特性に大いに影響を与える場合は、出力トランスの出力特性をシミュレーションすることで、そのアナログオーディオ機器による音質を再現することができる。
４．まとめ
以上のように本実施形態の信号処理装置によれば、所定の特性を有するトランスに所定の特性を有した負荷を接続した状態での伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することで、出力オーディオ信号を生成している。特に、出力トランスの伝達特性とそれに接続されるスピーカのインピーダンス特性とを含めた全体の伝達特性で、入力されたオーディオ信号を処理することにより、出力オーディオ信号を生成している。この構成により、トランスをオーディオ真空管増幅器用出力トランスとし、負荷をオーディオ用スピーカとすることで、真空管増幅器でスピーカを駆動している状態の音質を再現できる効果を奏する。
さらに、スピーカのインピーダンスの周波数特性を外部から制御することで、インピーダンス特性の共振特性を変化させること、また、トランスの１次インダクタンスを含む特性を外部から制御することにより、様々な出力トランス及びスピーカを組み合わせたとき（著名なオーディオ機器での組合せ例も含む）のオーディオ信号を生成できるという効果を奏する。
さらに、本実施形態では、負荷となるスピーカのインピーダンスの低域共振周波数とその大きさを適宜調整する。具体的には、スピーカのインピーダンスの低域共振周波数を再生装置の低域再生限界の前後に、または、音質制御したい周波数に設定したり、インピーダンスの大きさを変化させるたりすることで、設定した周波数付近における周波数特性を調整する。これにより、再生装置の低域特性の制御、特に小型スピーカを使用した再生装置の低域特性の改善ができる。
本発明にかかる信号処理装置は、アナログオーディオ機器、特に真空管増幅器の持つ音質特徴を、デジタルオーディオ機器にて再現し、アナログオーディオ機器の再生音から感じ取れる滑らかな音、安定感、安心感のある等の音質を再生する等のオーディオ機器の音質改善として有用である。
本発明は、特定の実施形態について説明されてきたが、当業者にとっては他の多くの変形例、修正、他の利用が明らかである。それゆえ、本発明は、ここでの特定の開示に限定されず、添付の請求の範囲によってのみ限定され得る。なお、本出願は日本国特許出願、特願２００６−３１２５９５号（２００６年１１月２０日提出）に関連し、それらの内容は参照することにより本文中に組み入れられる。
１０１ 出力トランスシミュレーション部
１０２ スピーカインピーダンスシミュレーション部
２０１ 真空管デバイス
２０２ 抵抗器
２０３ 出力トランス
２０４ 直流電源
２０５ スピーカ
Ｔ１ 入力端子
Ｔ２ 出力端子
Ｔ３ 入力端子
Ｔ１１，Ｔ１２ 制御端子

Claims (12)

  1. 接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスの伝達特性をシミュレートし、入力信号を前記伝達特性で処理して出力するトランスシミュレート手段と、
    所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、前記インピーダンス特性を出力する負荷インピーダンスシミュレート手段とを備え、
    前記トランスシミュレート手段は、前記負荷インピーダンスシュミレート手段によってシミュレートされた負荷インピーダンスを持つ負荷が接続された状態で前記トランスの伝達特性をシミュレートする、ことを特徴とする信号処理装置。
  2. 前記トランスシミュレート手段がシミュレートするトランスは、オーディオ真空管増幅器に用いられる出力トランスである、ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
  3. 前記負荷インピーダンスシミュレート手段がシミュレートする負荷は、オーディオ用スピーカであることを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
  4. 前記トランスシミュレート手段は、シミュレートするトランスの巻線比を有する理想トランスと、前記シミュレートするトランスの持つ固有パラメータである鉄損と、１次インダクタンスと、１次巻線漏洩インダクタンスと、１次巻線抵抗と、１次巻線浮遊容量と、２次巻線漏洩インダクタンスと、２次巻線抵抗と、２次巻線浮遊容量とから構成される等価回路の伝達特性をシミュレートし、
    前記等価回路は、前記理想トランスの１次側に前記鉄損と前記１次インダクタンスが並列接続され、１次巻線漏洩インダクタンスと１次巻線抵抗と１次巻線浮遊容量とからなる直列回路が前記鉄損に並列接続され、前記１次巻線浮遊容量の両端に前記入力信号が入力され、前記理想トランスの２次側に２次巻線漏洩インダクタンスと２次巻線抵抗と２次巻線浮遊容量とが直列に接続され、前記２次巻線浮遊容量の両端に前記負荷が接続される、ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
  5. 前記負荷インピーダンスシミュレート手段は、オーディオスピーカのインピーダンスの直流抵抗値を形成する抵抗器と、抵抗器、キャパシタ及びインダクタンスで構成される少なくとも１つの共振回路とを直列接続してなる回路のインピーダンス特性を用いて、前記オーディオスピーカのインピーダンス特性をシミュレートすることを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
  6. 前記負荷インピーダンスシミュレート手段でシミュレートする負荷のインピーダンス特性を外部から制御するための制御端子を備えたことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
  7. 前記トランスシミュレート手段でシミュレートするトランスの１次インダクタンス特性を外部から制御するための制御端子を備えたことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
  8. 所定の負荷のインピーダンス特性をシミュレートし、前記インピーダンス特性を出力するステップと、
    接続される負荷に応じて周波数特性が変化するトランスに前記シミュレートされたインピーダンスインピーダンス特性の負荷が接続された状態で、前記トランスの伝達特性をシミュレートするステップと、
    入力信号を、前記シミュレートされた伝達特性を用いて処理し、出力信号を生成するステップと
    を含む信号処理方法。
  9. 前記トランスは、オーディオ真空管増幅器に用いられる出力トランスであることを特徴とする請求項８記載の信号処理方法。
  10. 前記負荷はオーディオ用スピーカであることを特徴とする請求項８記載の信号処理方法。
  11. 前記負荷のインピーダンス特性を制御するための制御情報を受け付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の信号処理方法。
  12. 前記トランスの１次インダクタンス特性を制御するための制御情報を受け付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の信号処理方法。
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