JPWO2011074341A1 - 音響システム - Google Patents

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Abstract

デジタルフィルタと、再生音域の異なるデジタルスピーカで構成される複数のスピーカのいずれかへデジタル信号を出力する複数のデジタル変調器とを有する音響システムであって、前記デジタルフィルタは、入力されるデジタル音声信号を、複数の周波数帯域のデジタル音声信号に変換し、前記複数の周波数帯域のデジタル音声信号それぞれを、前記複数のデジタル変調器のいずれかに出力し、前記複数のデジタル変調器のそれぞれは、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行ったデジタル信号を、デジタルスピーカに出力し、前記デジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は互いに異なることを特徴とする音響システムを提供する。

Description

本発明は、デジタル信号をアナログ音声に直接変換するデジタル音響システムに関する。特に、マルチウェイ型のデジタル音響システム及びそのアプリケーションに関する。
デジタル信号をアナログ音声に直接変換するデジタルアナログ変換装置としてWO2007/135928A1が提案されている。WO2007/135928A1には、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する回路と、前記複数のデジタル信号により駆動される複数のコイル（ユニット）を用いてデジタル信号をアナログ音声に直接変換するシステムが開示されている。このようなシステムを、以下ではデジタル音響システムと呼ぶ。
このようなデジタル音響システムは、アナログ電気信号でスピーカを駆動していたアナログ音響システムに比べて、システムの消費電力が小さいという特徴がある。これに加えて、複数のスピーカもしくは複数の駆動ユニット（コイル等）を使うことから、従来の一つのスピーカもしくは単一の駆動ユニットを使ったアナログ音響システムに比べて低電圧で大きな音圧を出力することが可能である。
一方、複数の音域（周波数帯域）を受け持つ異なるスピーカ装置を組み合わせて構成する音響システムが知られている。このような音響システムは、マルチウェイ型の音響システムと呼ばれる。このような音響システムでは、スピーカを駆動するアナログ信号を、アナログＬＣＲフィルタを使ったネットワーク回路を使って異なる周波数帯域用のアナログ信号を生成した後にスピーカを駆動している。したがって、デジタル音響システムを用いてマルチウェイ型の音響システムを構成する為には一度デジタル音声信号をアナログ信号に変換した後に、ネットワーク回路を通してそれぞれの帯域のアナログ信号に変換し、更にデジタル信号へ変換してからデジタル音響システムに入力しなければならない。このため、従来のマルチウェイ型の音響システムは、複雑な構成を有してしまう問題を有している。
図１に、アナログ信号で駆動されるスピーカ装置（アナログスピーカ）を使ったマルチウェイ型のアナログ音響システムの代表的な従来例を示す。アナログ音声信号(101)は、アナログ増幅装置(102)により電力増幅されたスピーカ駆動用のアナログ駆動信号(103)に変換され、アナログＲＬＣフィルタ回路で構成されたネットワーク回路(104)により、複数の周波数帯域に応じたアナログ信号(105a~105n)に分配された後に、複数の異なる音域を受け持つスピーカ(106a~106n)入力される。このようなシステムは、アナログアンプと複数の音域を受け持つスピーカを使ったマルチウェイ型のアナログ音響システムの典型的な実施形態である。
アナログスピーカを使ったマルチウェイ型のアナログ音響システムの別の従来例を図２に示す。デジタル音声信号(201)は、デジタルフィルタ(202)により複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(203a~203n)に分配される。複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号は複数のデジタルアナログ変換装置(204a~204n)により、複数の周波数帯域に応じた複数のアナログ信号(205a~205n)に変換される。そして、複数のアナログ増幅装置(206a~206n)で電力増幅された複数のアナログ駆動信号(207a~207n)により、複数の異なる音域を受け持つスピーカ(208a~208n)を駆動する。この従来例では、複数の異なる音域を受け持つスピーカ毎にデジタルアナログ装置や増幅装置を必要とする欠点がある。しかし、デジタル信号処理でフィルタを実現可能なことから、多様な帯域特性を実現出来るために高級オーディオ等に使われている。このようなシステムは、所謂バイドライブ方式マルチウェイ型のアナログ音響システムの典型的な実施形態である。
デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する回路と、前記複数のデジタル信号により駆動される複数のコイル（ユニット）からなるデジタル音響システムを用いて、マルチウェイ型のデジタル音響システムを構成する例を図３に示す。デジタル音声信号（301）は、デジタルアナログ変換装置（302）により一度アナログ信号（303）に変換された後に、アナログＲＬＣフィルタ回路で構成されたネットワーク回路(304)により、複数の周波数帯域に応じたアナログ信号(305a~305n)に分配される。それぞれのアナログ信号は、複数のアナログデジタル変換装置(306a~306n)により、複数の周波数帯域に応じたデジタル音声信号(307a~307n)に再度変換される。デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(308a~308n)により、複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号への変換を行い、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイルを持つスピーカ(310a~310n)に入力する。このようにアナログ回路で構成されているマルチウェイ型の音響システムをWO2007/135928A1などに示されたデジタル音響システムと単純に組み合わせると構成要素が多くなるという問題点がある。
WO2007/135928A1
以上説明したように、デジタル音声信号から生成された複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなるデジタル音響システムを用いたマルチウェイ型のデジタル音響システムを構築する場合、ネットワーク回路を利用したアナログ方式のマルチウェイ構成を用いると構成要素が多くなるという問題点がある。構成要素が増えると構成要素のそれぞれで電力が消費される為に、デジタル音響システムの特徴である低消費電力特性を生かすことがシステムとして出来ない。しかしながら高音質の音響再生の為には、再生音域特性に合わせた複数のスピーカを組み合わせた音響システムが必須である。
一般に高音質の音響システムには、再生音域の異なるスピーカ特性に合わせた音響システムを構築する必要がある。デジタル音響システムを用いた音響システムでも、再生音域に合わせたデジタル音響システムを複数組み合わせて構築することが必要である。しかし、これまで、デジタル音響システムを用いた音響システム、特にマルチウェイ型の音響システム、の具体的な構成に関する提案はなく、デジタル音響システムの低消費電力特性を生かしながら、高音質の音響再生が可能となる音響システムを構築するのは困難であった。
本発明の一実施形態として、デジタルフィルタと、再生音域の異なるデジタル信号により駆動されるスピーカで構成される複数のスピーカのいずれかへデジタル信号を出力する複数のデジタル変調器とを有する音響システムが提供される。この音響システムにおいては、前記デジタルフィルタは、入力されるデジタル音声信号を、前記複数のスピーカの再生音域に対応する複数の周波数帯域のデジタル音声信号に変換し、前記複数の周波数帯域のデジタル音声信号それぞれを、前記複数のデジタル変調器のいずれかに出力し、前記複数のデジタル変調器のそれぞれは、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調したデジタル信号を、前記入力されるデジタル音声信号の周波数帯域に対応する再生音域の前記スピーカに出力し、前記デジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は互いに異なることを特徴とする。
本発明の別の一実施形態として、第１デジタルフィルタと、第２デジタルフィルタと、第１デジタル変調器と、第２デジタル変調器と、第３デジタル変調器とを有する音響システムが提供される。この音響システムにおいては、前記第１デジタルフィルタは、入力される第１デジタル音声信号を高周波数帯域の第２デジタル音声信号と低周波帯域の第３デジタル音声信号とに変換し、前記第２デジタルフィルタは、入力される第４デジタル音声信号を高音周波数帯域の第５デジタル音声信号と低周波帯域の第６デジタル音声信号とに変換し、前記第１デジタル変調器は、前記第２デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第１スピーカに出力し、前記第２デジタル変調器は、前記第５デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第２スピーカに出力し、前記第３デジタル変調器は、前記第３デジタル音声信号と前記第６デジタル音声信号を加算処理し、ノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第３スピーカに出力する。
本発明の別の一実施形態として、第１デジタルフィルタと、第２デジタルフィルタと、第３デジタルフィルタと、第１デジタル変調器と、第２デジタル変調器と、第３デジタル変調器とを有する音響システムが提供される。この音響システムにおいては、前記第１デジタルフィルタは、入力される第１デジタル音声信号を第１帯域の第２デジタル音声信号に変換し、前記第２デジタルフィルタは、入力される第３デジタル音声信号を第２帯域の第４デジタル音声信号に変換し、前記第３デジタルフィルタは、前記第１デジタル音声信号と前記第３デジタル信号とを加算処理した信号より前記第１音域または前記第２音域よりも低い周波数帯域の第５デジタル音声信号に変換し、前記第１デジタル変調器は、前記第２デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第１スピーカに出力し、前記第２デジタル変調器は、前記第４デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第２スピーカに出力し、前記第３デジタル変調器は、前記第５デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第３スピーカに出力する。
本発明の別の一実施形態として、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行ない、デジタル信号を出力するΔΣ変調回路と、前記ΔΣ変調回路が出力するデジタル信号にミスマッチシェーピングを行ない、複数ビットのデジタル信号の一部のビットの信号それぞれを複数のスピーカのいずれかに出力するミスマッチシェーピング回路を有する音響システムが提供される。
本発明の別の一実施形態として、デジタル音声信号が入力され、複数のスピーカのいずれかにデジタル信号を出力する複数のデジタル信号処理回路と、前記複数のデジタル信号処理回路それぞれのパラメータを制御する制御部とを有する音響システムが提供される。この音響システムにおいては、前記複数のデジタル信号処理回路それぞれは、入力される前記デジタル音声信号から所定の周波数帯域のデジタル音声信号をフィルタし、ノイズシェーピングとミスマッチシェーピングを行ない、前記制御部は、前記複数のデジタル信号処理回路がフィルタする周波数帯域と、ノイズシェーピングのオーバーサンプリング比と、ミスマッチシェーピングの次数とのいずれか一以上のパラメータを制御する。
本発明の別の一実施形態として、デジタル音声信号が入力され、複数の周波数帯域のデジタル信号を出力するデジタルフィルタと、デジタル信号により駆動されるスピーカで構成される複数の再生音圧の異なるスピーカのいずれかへデジタル信号を出力する複数のデジタル変調器とを有する音響システムが提供される。この音響システムにおいては、前記デジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は互いに異なる。
本発明の別の一実施形態として、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調した複数ビットのデジタル信号を出力するデジタル変調器と、前記デジタル信号の複数のビット信号が供給される複数のコイルを有するスピーカとを有し、前記複数のコイルは、それぞれのビット信号が供給されるコイルが軸の周りに一つの層を形成し、全体として軸方向に垂直な方向に重なって巻かれていることを特徴とするスピーカシステムが提供される。
本発明の別の一実施形態として、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調した複数ビットのデジタル信号を出力するデジタル変調器と、前記デジタル信号の複数のビット信号が供給される複数のコイルを有するスピーカとを有し、前記複数のコイルは、コイル軸の周りに複数の層を形成し、隣接する層では層の両端のコイルを除き１つずつ位置がずれていることを特徴とするスピーカシステムが提供される。
本発明の別の一実施形態として、第１のデジタル音声信号が入力され、複数のスピーカであって、それぞれのスピーカは、入力される複数のデジタル信号を合成して出力する複数のスピーカそれぞれへ第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変調器と、第２のデジタル音声信号が入力され、前記複数のスピーカそれぞれへ第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変調器と、を有する音響システムであって、前記第１及び第２のデジタル変調器それぞれは、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調したデジタル信号を出力することを特徴とする音響システムが提供される。
本発明によれば、デジタル音声信号から生成された複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなるデジタル音響システムを用いた音響システムの構成要素を増やすことなく構築する事が可能となる。また、デジタル音響システムの本来の低消費電力特性を生かしながら、高音質の音響再生が可能となる音響システムを構築することが可能となる。
アナログＲＬＣフィルタのネットワーク回路を使ったマルチウェイ型のアナログ音響システムの構成図。 デジタルフィルタ回路を使ったバイドライブ方式マルチウェイ型のアナログ音響システムの構成図。 アナログＲＬＣフィルタのネットワーク回路とデジタル音響システムを組み合わせたマルチウェイ型のデジタル音響システムの構成図。 本発明の一実施形態に係る、デジタルフィルタ回路を使ったバイドライブ方式マルチウェイ型のデジタル音響システムの構成図。 本発明の一実施形態に係るデジタルフィルタ回路を使ったバイドライブ方式マルチウェイ型に使われるデジタル変調回路の内部回路の構成図。 本発明の一実施形態に係るデジタル変調回路の内部回路に使われている後置フィルタの機能ブロック図。 本発明の一実施形態に係る音響システムの構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係るデジタル変調回路の内部回路の構成図。 本発明の一実施形態に係るデジタル変調回路で用いられるリタイミング回路の動作波形と回路構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係るデジタルフィルタ回路を使ったバイドライブ方式マルチウェイ型に使われるデジタル変調回路の内部回路の一例図。 本発明の一実施形態に係るデジタル変調回路の内部回路に使われている後置フィルタの構成の一例図。 本発明の一実施形態に係る、デジタル変調回路の内部回路とリタイミング回路の回路構成との一例図。 本発明の一実施形態に係るデジタル変調回路に用いられるマルチビットΔΣ変調器の内部回路の構成の一例図。 本発明の一実施形態に係る音響システムに使われる複数のコイルを持つスピーカの構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システムに使われる複数のコイルを持つスピーカのボイスコイルの構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システムに使われる複数のコイルを持つスピーカのボイスコイルの巻き方の一例図。 本発明の一実施形態に係る音響システムに使われる複数のコイルを持つスピーカのボイスコイルの巻き方の別の一例図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システムに用いられるスピーカの構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システムに用いられるスピーカの構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に係る音響システム構成図。 本発明の一実施形態に用いることができる複数の音源に対応した複数のコイルを持つスピーカの構成の一例図。
以下、図面を参照しながら、本発明をいくつかの実施形態として説明を行なう。なお、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形を行なって実施することが可能である。
図３で示されたアナログとデジタルの組み合わせの際の課題を解決する提案として、デジタルフィルタ信号処理ブロックで高域用のデジタル信号と低域用のデジタル信号に分割した後に、それぞれの信号を再生するためにデジタルアナログ変換装置を複数チャネルとして並列に設けることで、周波数帯域毎に最適なデジタル音響システムで音声を再生することが考えられる。
図４に、そのデジタル音響システムを使ったバイドライブ方式の音響システムの第１の実施形態における構成図を示す。デジタル音声信号(401)は、デジタルフィルタ(402)により複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(403a~403n)に分配される。複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(404a~404n)により、複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(405a~405n)に変換され、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(406a~406n)を駆動する。図４に示すデジタル音響システムの構成は、図１に示したマルチウェイ型のアナログ音響システムと類似である。しかし、図４に示す音響システムの構成要素の数は、図２に示したバイドライブ型のマルチウェイ型のアナログ音響システムの構成要素の数よりも小さい。
なお、図４では、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(404a~404n)は同一の回路により構成することができる。このように構成した場合には、複数のデジタル信号(405a~405n)それぞれは、同一のビット数となる。しかし、これでは、後述のような、スピーカなどで再生される周波数帯域に応じて異なるビット数のデジタル信号を供給されないので、消費電力を少なくすることは困難となる。
図５ａに、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(404a~404n)の構成の一例を示す。デジタル音声信号(501)はマルチビットΔΣ変調器(502)により、nビットのデジタル信号(503)に変換される。nビットのデジタル信号は、フォーマッタ(504)によりm個の温度計コード(505)に変換された後に、後置フィルタ(506)により複数のコイル（ユニット）をデジタル駆動信号(507)に変換される。後置フィルタは複数のコイル（ユニット）を駆動する際に問題となる複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法により除去する。
図５ｂには、デジタル変調回路に用いられる後置フィルタ(506)の構成の一例を示す。m個の温度計コード(505)は、複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法で除去するために選択回路(510)に入力される。選択回路(510)では、選択回路(510)の出力を遅延素子と加算器で構成された少なくとも２つ以上の積分回路(511a,511b)により出力信号(507)の使用頻度を計算して、使用頻度の小さい順に出力信号(507)を選択するように動作する。
図６に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの本発明の第２の実施形態における構成図を示す。デジタル音声信号(601)は、デジタルフィルタ(602)により複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(603a~603n)に分配される。複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する異なるデジタル変調回路(604a~604n)により、複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(605a~605n)に変換され、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(606a~606n)を駆動する。ここで、デジタル信号(605a~605n)のビット数はそれぞれが異なるビット数であり、複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(606a~606n)は、受け持つ音域に応じて異なるビット数のデジタル信号(605a~605n)で駆動されている。
図６に示した本発明の第２の実施形態では、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する異なるデジタル変調回路(604a~604n)により構成されている。このような構成をとることで、其々の音域に最適なビット数のデジタル信号を生成することが可能となる。これにより、デジタル音響システムの本来の低消費電力特性を生かしながら、高音質の音響再生が可能となる音響システムを構築することが可能となる。以下、本発明の実施形態がもたらす効果に関して説明する。
図５ａに示したように、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路は、マルチビットΔΣ変調器(502)とフォーマッタ(504)と後置フィルタ(506)により構成されている。ここで、入力されたデジタル信号は、フォーマッタを通じて所望のビット数のデジタル信号に再合成される際に、量子化ノイズが生じる。マルチビットΔΣ変調器は、この量子化ノイズを、ノイズシェーピング法により可聴範囲以上の周波数に分布させる機能を提供している。マルチビットΔΣ変調器を用いて量子化ノイズを高い周波数に分布させる為には、音声デジタル信号のサンプリング周波数以上の周波数でオーバーサンプリングする必要がある。
ΔΣ変調回路とオーバーサンプリングを使ったデジタル変調によるノイズシェーピング法を用いることで、デジタル信号を再生することで発生する量子化雑音を可聴範囲以上の周波数帯域に移動することは、例えば、"Over sampling Delta-Sigma Data Converters" IEEE Press 1991 ISBN 0-87942-285-8に示されている。この文献のpp．7の(22)式にはオーバーサンプリング比と変調器の次数に対してノイズシェーピングされる雑音の強度の関係が示されている。一般にノイズシェーピング法により、量子化雑音の実効強度は、ＬをΔΣ変調器の次数とした場合、オーバーサンプリング比を2倍にする度に3(2L+1) dB低下する。したがって、量子化雑音を減らす為にはオーバーサンプリング比を高めるか、ΔΣ変調器の次数を上げなければならない。
逆にいえば、もし必要な可聴周波数の上限が低くても構わなければ、ΔΣ変調回路とオーバーサンプリングを使ったデジタル変調によるノイズシェーピングに必要な変調器の次数やオーバーサンプリングの周波数の要求を緩和出来ることになる。低域再生専用のデジタル音響システムの場合、デジタル音声信号をデジタルフィルタにより、例えば５００Ｈｚより高域の音声情報を減衰させることが出来る。デジタル音声信号に本来含まれている可聴周波数は、例えば、コンパクトディスクにおける品質の場合、２０ＫＨｚ以下であるので、低域再生専用のデジタル音響システムでは、５００Ｈｚ/２０ＫＨｚ＝１/４０も低い周波数の情報を再生出来れば良いことになる。つまり必要なオーバーサンプリング比を十分に低くしても５００Ｈｚまでの間では十分なＳＮＲを稼ぐことが可能となる。この際の量子化雑音は５００Ｈｚより上の可聴周波数領域にも分布するが、低域再生専用のスピーカ自体がその領域の音声を再合成出来なければ量子化ノイズが再生されることはない。
このように、低域再生専用のデジタル音響システムでは、必要なオーバーサンプリング比を十分に低くすることが可能である。デジタル回路の消費電力は動作周波数に比例するので、オーバーサンプリング比が半分になれば、デジタル音響システムの信号処理に必要な消費電力も半分になる。
一方、オーバーサンプリング比は変えずに変調器の次数を下げることも可能である。低域再生専用のデジタル音響システムに必要なマルチビットΔΣ変調器の次数を下げることで、必要なデジタル回路の規模を小さくすることが可能となる。デジタル回路の消費電力は回路規模に比例するので、必要なデジタル回路の規模が小さくなればデジタル音響システムの信号処理に必要な消費電力も小さくなり、ノイズシェーピング特性が緩和され高域の雑音が減少する。
同様に中高域再生用のデジタル音響システムには、バンドパス型のΔΣ変調器を利用することで、量子化ノイズ成分を中高域以外の周波数に移動することが可能になる。バンドパス型のΔΣ変調回路は、例えば、"Understanding Delta-Sigma Data Converters" IEEE Press 2005 ISBN 0-471-46585-2に示されている。この文献のChapter5 にはΔΣ変調器のＮＴＦ(ノイズ伝達関数)を任意の周波数に移動する方法が示されている。中高域再生用のスピーカ（ツイータ）の帯域に合わせたバンドパス型のΔΣ変調回路を使い、デジタル音響システムを設計することで、必要なデジタル回路の規模を小さくすることが可能となる。
以上述べたように、低域再生専用や高域再生専用のデジタル音響システムは、可聴周波数の全域をカバーするデジタル音響システムに比べて低消費電力化が可能になる。つまり、図６に示した本発明の第２の実施形態のように、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する際に、異なるデジタル変調回路により構成することで音響システムの消費電力特性を更に最適化することが可能となる。
図７に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第３の実施形態を示す。ステレオデジタル音声信号(701a,701b)は、Ｌ及びＲ専用のデジタルフィルタ(702a,702b)により低域と中高域の２種類の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号に分配される。デジタルフィルタ(702a,702b)から出力される低域専用のデジタル信号は、ＬとＲとを加算処理した後に低域専用のデジタル音声信号(703c)を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(704c)により複数のデジタル信号(705c)に変換され、低音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(706c)を駆動する。一方、デジタルフィルタから出力される中高域のデジタル信号(703a,703b)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(704a,704b)によりＬとＲそれぞれ独立に複数のデジタル信号(705a,705b)に変換され、中高音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(706a,706b)を駆動する。一般に低音域の音声信号はステレオのＬおよびＲに同じように含まれているので、低域の信号に関してＬとＲとを加算しても音の再生については特別な問題は生じない。図７のような構成をとることで、低音域を担当するデジタル音響システムをＬとＲとで兼用することが可能となるので、音響システムの消費電力特性を更に最適化させることが可能となる。本実施形態では、ステレオ方式の２ウェイデジタル音響システムに関して効果を述べた。しかし、２ウェイ以外の任意の音響システムにも本実形態は適用可能である。２チャンネル（ステレオ）以上の任意の個数の音声情報が入力される任意のデジタル音響システムにも本実施形態は適用可能である。
図８ａに、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第４の実施形態を示す。デジタル音声信号(801)は、デジタルフィルタ(802)により低域と中域と高域の３種類の周波数帯域に応じた３種類のデジタル信号(803a,803b,803c)に分配される。３種類の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する異なるデジタル変調回路(804a,804b,804c)により、複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(805a,805b,805c)に変換され、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(806a,806b,806c)を駆動する。ここで、デジタル信号(805a,805b,805c)は、それぞれが異なるビット数であり、複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(806a,806b,806c)は、受け持つ音域に応じて異なるビット数のデジタル信号(805a,805b,805c)で駆動されている。高音域を受け持つスピーカ(806a)は、低中音域を受け持つスピーカ(806b,806c)に比べて一般に高効率であり、スピーカを駆動するのに必要な電力は小さい。つまり、駆動するデジタル信号のビット数を少なくすることが可能である。さらに、駆動するデジタル信号のビット数を１本にすれば、高音域を担当するデジタル音響システムの消費電力を更に下げることが可能となる。
図５ａに示したように、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路は、マルチビットΔΣ変調器とフォーマッタと後置フィルタにより構成されている。ここで後置フィルタは複数のコイル（ユニット）を駆動する際に問題となる複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法により除去するためのものである。もし高音域を受け持つスピーカを一本のデジタル信号で駆動すれば、フォーマッタと後置フィルタが必要なくなる。したがって、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路に必要な回路を大幅に削減することが可能となる。つまり、音響システムの消費電力特性を更に最適化することが可能となる。本実施形態では、３ウェイのデジタル音響システムに関して効果を述べているが、３ウェイ以外の任意の音響システムにも本実施形態は適用可能である。
図８ｂに、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第５の実施形態を示す。本実施形態では、図８ａに示した第４の実施形態に、電源制御回路(807)と制御回路からそれぞれのデジタル変調回路に供給される電源(808a,808b,808c)が追加されている。本実施形態では、デジタル変調回路それぞれの電源電圧を変えることが可能になる。つまり複数の周波数帯域に応じて異なる電圧のデジタル信号で複数のコイル（ユニット）を持つスピーカを駆動することが可能になる。一般に、スピーカの効率は再生音域により異なるので、音響システムでの個々のスピーカの効率の違いが駆動デジタル信号の振幅電圧を制御することにより補正出来る。
図９aに、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第６の実施形態を示す。デジタル音声信号(901)は、デジタルフィルタ(902)により複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(903a~903n)に分配される。複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号は、デジタル遅延回路(904a~904n)で其々の周波数帯域に応じた遅延が与えられる。デジタル遅延回路からの複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(905a~905n)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する異なるデジタル変調回路(906a~906n)により、複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(907a~907n)に変換され、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(908a~908n)を駆動する。
実際の応用では、複数の音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカは物理的な配置位置が離れている場合が考えられる。例えばクルマの中に音響システムを構築する場合は、低中域を受け持つスピーカをドアの下方に配置して、高音域を受け持つスピーカを運転席に近いドア情報に配置する。一般に低音域は定位情報に乏しいのに対し、高音域は定位情報が豊かであるので、高音域を受け持つスピーカを頭部に近い位置に配置することで、ステレオ感に溢れた音場を再生することが可能になるからである。しかしながら、低音を受け持つスピーカから頭部までの物理的な距離と、高音域を受け持つスピーカから頭部までの物理距離が異なると、それぞれからの再生音に時間差が生じる為に再生音声に不自然さが発生する問題がある。図９ａに示す第６の実施形態にあるように、対応する音域のそれぞれのデジタル的に調整可能なデジタル遅延回路を挿入することで、音響システムを構成するスピーカの配置に依らずに再生音声の頭部までの到達時間差を調整することが可能となる。遅延回路はデジタル遅延回路で実現可能であるので、アナログ回路の遅延回路に比べて回路規模が小さく消費電流も少ない。従って、本実施形態にあるようにデジタル遅延回路を挿入しても音響システムの低消費電力特性を損なうことは少ない。
図９ｂに、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第７の実施形態を示す。本実施形態では、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路と複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカの間にデジタル遅延回路(904a~904n)を配置して、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力する異なるデジタル変調回路(906a~906n)からの複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(907a~907n)の個々の信号に遅延をした信号(909a~909n)で、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(908a~908n)を駆動する。遅延回路は1ビットデジタル遅延回路で実現可能であるので、アナログ回路の遅延回路に比べて回路規模が小さく消費電流も少ない。遅延を調整することで、第６の実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号を個別に遅延制御をすることで、遅延制御をデジタルフィルタとして構成することが可能となる。例えば、複数のコイル（ユニット）に加える複数のデジタル信号の遅延を少しずつ遅らせることで遅延回路と複数のコイル（ユニット）を持つスピーカを使ってＦＩＲフィルタが構成出来る。これによりスピーカでのノイズの発生を抑制することが可能になる。
図１０に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第８の実施形態を示す。デジタル音声信号(1001)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(1002)により、Ｎビットのデジタル信号(1003)に変換される。必要な音圧に応じて複数のデジタル信号(1003)は分配されて複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(1004a~1004n)を駆動する。
本実施形態ではデジタル音声信号を、デジタルフィルタを用いて複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号に分配しなくてもよい。図５ａに示したような、マルチビットΔΣ変調器とフォーマッタと後置フィルタにより構成されているデジタル変調回路から出力されるＮビットのデジタル信号を、異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカに分配（ただし、N=n+m+k）してスピーカを駆動する。このようにスピーカを駆動することでデジタル音響システムを構成する。デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路の出力には全可聴周波数領域の音声信号情報が含まれているが、異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカでは対応した音域の再生しか出来ない事を利用して、簡易的なデジタル音響システムを構成することができる。
この実施形態では、複数のコイル（ユニット）を持つスピーカの音圧特性に応じて、デジタル信号のビット数を調整することが可能となる。これにより、ネットワーク回路を用いずに、異なる音域を受け持つ複数のスピーカを並列にアナログ信号で駆動することができる。また、簡易的なアナログ方式のマルチウェイ音響システム以上の性能を得ることが可能である。更に、本発明の第５の実施形態にあるようなデジタル遅延回路を、複数のコイル（ユニット）のスピーカの手前に挿入して配置し、音響システムを構成することにより、スピーカの配置に係る再生音声の頭部までの到達時間差の問題を解決することも可能となる。
図１１にデジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路の一実施例を示す。デジタル音声信号(1101)は、デジタルゲイン回路(1102)でスピーカの効率に合わせたデジタル信号(1103)に変換された後に、マルチビットΔΣ変調器(1104)により、nビットのデジタル信号(1105)に変換される。nビットのデジタル信号は、フォーマッタ(1106)によりm個の温度計コード(1107)に変換された後に、後置フィルタ(1108)によりm個のデジタル信号(1109)に変換される。m個のデジタル信号はその後、リタイミング回路(1110)によりビット単位の時間情報を正確に揃えられて、m個のコイル（ユニット）を駆動するデジタル駆動信号(1111)に変換される。ここで、それぞれの回路はクロック信号(1120)で制御されており、リタイミング回路はクロック信号(1120)とリタイミング用のクロック信号(1121)で制御されている。後置フィルタは複数のコイル（ユニット）を駆動する際に問題となる複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法により除去している。また、リタイミング回路はビット単位の時間情報を正確に揃えることで、デジタル駆動時に発生するノイズを低減する。
図１２にデジタル変調回路に用いられるリタイミング回路の動作波形を示す。後置フィルタから出力されるm個のデジタル信号(1201)はクロック信号(1110)で同期されているが、図１２に示したように０→１への遷移時間と１→０への遷移時間が異なると、1デジタル単位時間(a)と２デジタル単位時間(b)の間の関係が線形に保てなくなる。デジタル音響システムでは、ビット単位の時間情報が正確に揃えられないとスピーカをデジタル駆動する際にノイズが発生してしまう問題ある。これを避けるためには、リタイミング用のクロック信号(1111)により後置フィルタから出力されるデジタル信号(1201)をリタイミングした信号(1202)に変換することで、異なるデジタル単位時間の間のタイミング関係を線形に保つことが必要である。図１２に示されているようにトリガリセット型のフリップフロップを２種類のクロックで制御することでリタイミング動作は簡単に実現可能である。
以上述べたように、音響システムを構成する場合に、異なる音域を受け持つスピーカに対して、異なるデジタル変調回路を組み合わせて構成することで、音響システムの消費電力を削減することが可能になる。具体的には、デジタル変調回路を構成するマルチビットΔΣ変調器の次数の変更やオーバーサンプリング比に対応する動作クロックの周波数をそれぞれの周波数領域で変更することにより、消費電力の削減を実現する。一方、これらの変更は、デジタル的な動作でありＤＳＰ等のプログラム可能なデジタル信号処理系や、高速のＣＰＵを使ってソフトウェア的に消費電力の削減などの最適化を図ることも可能である。つまり、音声再生の適用場面のアプリケーションに応じて、デジタル音響システムの構成をダイナミックに変更することも実現可能である。
図１３に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第９の実施形態を示す。デジタル音声信号(1301)は、デジタルフィルタ機能とデジタル変調処理を実行して複数のデジタル信号を出力する機能を同時に提供するＤＳＰ回路(1302a,1302b,1302c)に入力される。ＤＳＰ回路はデジタル音響システムに必要なデジタル信号処理を実行して複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(1303a,1303b,1303c)を駆動するデジタル信号発生する。このＤＳＰ回路は、システム制御回路(1310)からの制御信号(1311a,1311b,1311c)に応じて、フィルタ特性やマルチビットΔΣ変調器の次数やオーバーサンプリング比を変更することが出来る。
図１３のように、必要に応じてダイナミックにデジタルフィルタ機能とデジタル変調器のパラメータを変更することで、音響システムの消費電力特性を更に最適化することが可能となる。音声再生に必要な音声品質に応じた消費電力の調整が出来るからである。例えば、高音質が必要な場合は、図１３にあるような３ウェイのデジタル音響システムになるようにデジタルフィルタ機能とデジタル変調器のパラメータを変更する。再生音質を上げるために、ΔΣ変調器のオーバーサンプリング比や変調次数を増やす。一方、アナウンスやガイド音声を再生する場合は中音域の再生帯域しか必要ないので、３ウェイのデジタル音響システムを１ウェイのデジタル音響システムになるようにデジタルフィルタ機能とデジタル変調器のパラメータを変更して再構成する。再生音質は劣化するが、低音域や高音域を担当するデジタル回路やスピーカ自体を駆動しないことで消費電力の削減が可能になる。
同様に、入力されたデジタル音声信号の振幅に応じてダイナミックにデジタルフィルタの周波数特性などの機能のパラメータとデジタル変調器のパラメータとを変更することで、音響システムの消費電力特性を更に最適化することも可能である。入力されたデジタル音声信号の振幅が小さい時は、所詮は十分な品質のＳＮＲを確保することが出来ないので、デジタル変調器のパラメータを変更して再生品質を下げることで消費電力を削減することが可能である。尚、本実施形態では３ウェイのデジタル音響システムに関しての消費電力の削減効果を述べているが、３ウェイ以外の任意の音響システムにも本実施形態は適用可能である。また、デジタルフィルタ機能とデジタル変調器の機能とを、全てＤＳＰやＣＰＵで実装してプログラムにより実装するのではなく、デジタルフィルタ機能とデジタル変調器の一部の機能をプログラム可能な形態として実装することで、消費電力をダイナミックに変更可能にすることができる。例えば入力されたデジタル音声信号が無音の場合にデジタルフィルタやデジタル変調器に入力されるクロックを止める実装や、入力されたデジタル音声信号が小さい場合に、低音域を止めてしまう実装を用いることができる。
図１４ａにはデジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路の別の実施例を示す。デジタル音声信号(1401)はマルチビットΔΣ変調器(1402)により、nビットのデジタル信号(1403)に変換される。nビットのデジタル信号は、フォーマッタ(1404)によりm個の温度計コード(1405)に変換された後に、後置フィルタ(1406)により-1,0,1の三値のデジタル信号によりｋ個のコイル（ユニット）を駆動する信号(1407)に変換する。例えば、4ビットのデジタル信号を用いて、フォーマッタにより9個の温度計コード(-4〜0〜4)に変換された後に、後置フィルタ(1406)により４個の-1,0,1の三値のデジタル信号で４個のコイル（ユニット）を駆動する信号に変換する。
図１４ｂには、図１４ａに示されているデジタル変調回路に用いられている後置フィルタ(1406)の実施例を示している。m個の温度計コード(1405)は、複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法で除去するために選択回路(1410)に入力される。選択回路(1410)では、選択回路(1410)の-1,0,1の三値のデジタル信号出力を遅延素子と加算器で構成された少なくとも２つ以上の積分回路(1411a,1411b)により出力信号(1407)の使用頻度を計算して、使用頻度の小さい順に出力信号(1407)を選択するように動作する。尚、図１１に示されたようなリタイミング回路をデジタル変調回路の内部に加えた場合も本実施例は有効である。
図１５にはデジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路の別の実施例を示す。デジタル音声信号(1501)は、デジタルゲイン回路(1502)でスピーカの効率に合わせたデジタル信号(1503)に変換された後に、マルチビットΔΣ変調器(1504)により、nビットのデジタル信号(1505)に変換される。nビットのデジタル信号は、フォーマッタ(1506)によりm個の温度計コード(1507)に変換された後に、後置フィルタ(1508)により-1,0,1の三値のデジタル信号によりｋ個のコイル（ユニット）を駆動する信号(1509)に変換する。ｋ個の三値のデジタル信号はその後、リタイミング回路(1510)によりビット単位の時間情報を正確に揃えられて、ｋ個のコイル（ユニット）を駆動する三値のデジタル駆動信号(1511)に変換される。それぞれの回路はクロック信号(1530)で制御されており、リタイミング回路は加算器(1521)と伝達関数(1522)と量子化器(1523)とフィードバック係数回路(1524)からなるフィードバック回路で構成されている。デジタル駆動信号（1511）がスピーカに接続された場合、デジタル駆動回路の出力抵抗や動作速度の影響、クロック信号(1530)のジッタにより、デジタル駆動信号(1511)に波形歪みが生じノイズが発生する場合がある。伝達関数Ｈ(s)を適当に選ぶことでデジタル駆動時に発生するこのノイズを低減することが可能になる。簡単には、量子化器(1523)はコンパレータで実現することができ、コンパレータの遷移タイミングはクロックと独立に伝達関数(1522)の出力で決定されるため、最もフィードバック回路で帰還された連続時間再生信号の出力誤差が小さくなるように制御可能である。さらにフィードバック係数回路の変更で、出力利得を変更することが可能である。この機能により、複数のスピーカユニット間の効率の違いを補正できる。更に別のメリットとして、出力信号の波形が電源電圧で変化しない効果があるので、電源からの雑音の発生を抑圧できる
本発明の第１〜９の実施形態においては、デジタル音響システムの構成要素に含まれるデジタル変調回路として、図１１、図１４ａ、図１４ｂ、図１５に示された実施例を用いることができる。
図１６には図１５に示されたデジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路に用いられるマルチビットΔΣ変調器(1502)の実施例を示す。デジタル音声信号(1501)は係数増幅器(1601)を通した後にフォードバック用の係数増幅器(1604a)と加算(1602a)されて積分器(1603a)に入力される。マルチビットΔΣ変調器を構成する積分器の段数で次数が定義される。次数が高い程、量子化ノイズの吐き出し効果（量子化ノイズの周波数が高くなる効果）は高いが回路規模は大きくなる。最後の積分器からの信号は量子化器(1605)で量子化されて出力(1503)される。マルチビットΔΣ変調器は入力されたデジタル音声信号を適当な数のデジタル信号にオーバーサンプリング技術を使い間引きする機能を提供している。例えば、１６ビットのＣＤ品質のデジタル音声信号を入力とし、出力として９レベルの信号（-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4）を出力する。図１６に示したマルチビットΔΣ変調器の実施例に限定されることなく、任意の構成のマルチビットΔΣ変調器を本発明の実施形態に利用可能である。
図１７ａには、本発明の実施形態で用いられる複数の異なる音域を受け持つ複数のコイルを持つスピーカシステムの一実施形態を示している。入力されたデジタル音声信号(1701)はマルチビットΔΣ変調器(1702)により、nビットのデジタル信号(1703)に変換される。nビットのデジタル信号は、フォーマッタ(1704)によりm個の温度計コード(1705)に変換された後に、後置フィルタ(1706)により複数のコイル（ユニット）をデジタル駆動信号(1707)に変換される。後置フィルタは複数のコイル（ユニット）を駆動する際に問題となる複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法により除去する。後置フィルタからの信号(1707)が駆動回路(1708)にそれぞれ入力され、駆動回路から複数の３値（＋１,０,−１）の駆動信号(1709)が出力され、前記駆動信号(1709)が複数のコイルで構成されたスピーカ（1710）の其々のコイルに接続される。本実施形態では４本（Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ）のコイルに接続されている。
図１７ｂには、本発明の一実施形態で用いることが可能な、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイルを持つスピーカのボイスコイルの実施例が示されている。本実施例では、ｋ本（例えば、A,B,C,Dの４本）の駆動コイル(1710)が束ねられて巻かれている。図１７ｃにはコイル巻き方の実施例が断面図(1720)を用いて示されている。すなわち、コイル軸を含む平面による断面の一部が示されている。この実施例ではそれぞれのコイルは順番にＡコイル、Ｂコイル、Ｃコイル、Ｄコイルの順で内部の層から外部の層へ順に巻かれていることが特徴である。また、図１７ｄにはコイルの巻き方の別の実施例が断面図(1730)を用いて示されている。この例ではＡ〜Ｄまでのコイルを一緒に内部から順番に巻いている。すなわち、隣接する層においては、層の端部のコイルを除き、コイルが一つずつずれている。すなわち、ある層において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順にコイルが巻かれているとき、それに隣接する層では、Ｄ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａ、Ｂ、Ｃの順にコイルが巻かれている。また、さらに隣接する層では、Ｃ、Ｄ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａ、Ｂの順にコイルが巻かれている。これらの実施例を用いることで、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイルを持つスピーカのボイスコイルのそれぞれを密に巻くことが可能になる。つまり、それぞれのコイルの特性のバラツキを抑えることが可能となる。図１７ｃ、１７ｄにはボイスコイルに角線を用いた場合の断面図を示しているが、丸線等の任意の断面形状の配線材料を用いることができる。
図１８に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの本発明の第１０の実施形態を示す。デジタル音声信号(1801)は、デジタルフィルタ(1802)により複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号(1803a,1803b)に分配される。複数の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号は、デジタル音声信号を入力しデジタル信号を出力するデジタル変調回路(1804)と出力されるデジタル信号(1805)が入力されるコイル（ユニット）を持つスピーカもしくはイヤホン(1806)と、複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(1807)により、複数のデジタル信号(1808)に変換され、複数の異なる音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(1809)を駆動する。なお、イヤホン(1806)は、スピーカ(1809)よりも再生音圧が小さく、再生音圧が異なっている一例を示すために示されている。
なお、スピーカもしくはイヤホン(1806)は、一個または複数個のコイル（ユニット）を有する。これに対応して、デジタル変調回路(1804)が出力するデジタル信号の数が決まる。また、一個のコイル（ユニット）は、一般的には１対の端子を有し、その一対の端子それぞれには、１つのデジタル信号に対応するプラス信号線またはマイナス信号線が接続される。
第１０の実施形態によれば、スピーカもしくはイヤホン(1806)の有するコイル（ユニット）の数は、スピーカ(1809)の有するコイル（ユニット）の数よりも少なくすることができる。これにより、例えば携帯機器等で大音量・高音質の音声を再生する場合は、複数の複数のコイル（ユニット）を持つスピーカを駆動する。一方でイヤホン等を利用する際は、一対などの、より少ない数のデジタル信号を利用することで消費電力の削減を図ることが出来る。
図１９に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第１１の実施形態を示す。ステレオデジタル音声信号(1901a,1901b)から、ＬとＲとを加算処理した後に低域専用のデジタル音声信号(1901c)を生成する。其々のデジタル信号は、Ｌ、Ｒ及び低域専用のデジタルフィルタ(1902a,1902b,1903)により低域と中高域の２種類の周波数帯域に応じた複数のデジタル信号に分配される。デジタルフィルタから出力される中高域のデジタル信号(1903a,1903b)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(1904a,1904b)によりＬとＲとのそれぞれ独立に複数のデジタル信号(1905a,1905b)に変換され、中高音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(1906a,1906b)を駆動する。一方、前記デジタルフィルタから出力される低音域のデジタル信号(1903c)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(1904c)により複数のデジタル信号(1905c)に変換され、低音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(1906c)を駆動する。一般に低音域の音声信号はステレオのＬおよびＲに同じように含まれているので、低域の信号に関してＬとＲとを加算しても問題がない。図１９のような構成をとることで、低音域を担当するデジタル音響システムをＬとＲとで兼用することが可能となるので、デジタル音響システムの消費電力特性を更に最適化することが可能となる。本実施形態では、ステレオ方式の２ウェイデジタル音響システムに関して効果を述べているが、２ウェイ以外の任意の音響システムにも本実施形態は適用可能であり、２チャンネル（ステレオ）以上の任意の個数の音声情報が入力される任意のデジタル音響システムにも本実施形態は適用可能である。
図２０に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第１２の実施形態を示す。図２０は、２ウェイのスピーカボックス(2000)の断面図と前面図とを示す。スピーカボックスには、中低音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(2001b)と高音域を受け持つ少なくとも一個以上のコイル（ユニット）を持つスピーカ（2001a）とが配置されている。また、スピーカボックス内には、デジタル変調回路(2003a)がスピーカ(2001a)の背面に配置され、デジタル変調回路(2003b)がスピーカ(2001b)の背面に配置されている。すなわち、デジタル変調回路がスピーカの近傍に配置されている。そして、スピーカの周波数帯域に応じた複数のデジタル音声信号(2002a,2002b)は、デジタル音声信号を入力し少なくとも一個以上の複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(2003a,2003b)により、複数のデジタル信号(2004a,2004b)に変換され、前記中低音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(2001b)と高音域を受け持つ少なくとも一個以上のコイル（ユニット）を持つスピーカ（2001a）を駆動している。
このように、デジタル音声信号を入力し少なくとも一個以上の複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路をスピーカ近傍に配置することで、デジタル変調回路が複数のコイル（ユニット）を持つスピーカを駆動する信号線の距離を短くすることが可能となり、スピーカを駆動する際に空間に放射されるＥＭＩ（電磁波）の強度を減らすことが出来る。ＥＭＩはラジオや携帯無線の電波の受信の際にノイズの原因となるので、車載音響製品や携帯電話に代表される携帯音響機器ではＥＭＩの強度を減らすことが望まれる。
ステレオ方式の２ウェイデジタル音響システムに関して効果を上述した。ただし、本実施形態は、２ウェイデジタル音響システムに限定されることはなく、２以外の任意数ウェイの音響システムにも本実施形態は適用可能であり、２チャンネル（ステレオ）以上の任意の個数の音声情報が入力される任意のデジタル音響システムにも本実施形態は適用可能である。
図２１に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第１３の実施形態を示す。図２１は、２ウェイのスピーカボックス(2100)の断面図と、前面図とを示す。スピーカボックスには、中低音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(2101b)と高音域を受け持つ少なくとも一個以上のコイル（ユニット）を持つスピーカ（2101a）が配置されている。また、スピーカ(2101a,2101b)の近傍には、デジタル変調回路(2103a,2103b)が集積されたモジュール基板(2110)が配置されている。スピーカの周波数帯域に応じた複数のデジタル音声信号(2102a,2102b)は、デジタル音声信号を入力し少なくとも一個以上の複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(2103a,2103b)により複数のデジタル信号(2104a,2104b)に変換され、前記中低音域を受け持つ複数のコイル（ユニット）を持つスピーカ(2101b)と高音域を受け持つ少なくとも一個以上のコイル（ユニット）を持つスピーカ（2101a）を駆動している。
このように、デジタル変調回路(2103a,2103b)が集積されたモジュール基板(2110)をスピーカ近傍に配置することで、デジタル変調回路が複数のコイル（ユニット）を持つスピーカを駆動する信号線の距離を短くすることが可能となるので、スピーカを駆動際に空間に放射されるＥＭＩ（電磁波）の強度を減らすことが出来る。
ＥＭＩはラジオや携帯無線の電波の受信の際にノイズの原因となるので、車載音響製品や携帯電話に代表される携帯音響機器ではＥＭＩの強度を減らすことが望まれる。
本実施形態では、ステレオ方式の２ウェイデジタル音響システムに関して効果を述べているが、２ウェイ以外の任意の音響システムにも本実施形態は適用可能であり、２チャンネル（ステレオ）以上の任意の個数の音声情報が入力される任意のデジタル音響システムにも本実施形態は適用可能である。また、モジュール基板をスピーカのボイスコイルの後やボイスコイルの前面（センターコーン）上に配置することで、コイルと駆動モジュールの距離を小さくすることができる。この距離を最小にすることでＥＭＩの強度を最小にする事が可能である。
図２２に、複数のデジタル信号により駆動される複数のコイルからなる音響システムの第１４の実施形態を示す。まずステレオデジタル音声信号(2201a,2201b)から、Ｌのデジタル音声信号とＲのデジタル音声信号との減算処理により得られるデジタル音声信号(2201c)を生成する。この減算処理により得られるデジタル音声信号(2201c)を「疑似サラウンド専用のデジタル音声信号」という場合がある。それぞれのデジタル信号は、Ｌ、Ｒ及び疑似サラウンド専用のデジタル音声信号を処理するデジタルフィルタ(2202a,2202b,2202c)によりそれぞれの周波数帯域に応じた複数のデジタル信号に分配される。デジタルフィルタ(2202a,2202b)から出力されるＬとＲとのデジタル信号(2203a,2203b)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(2204a,2204b)によりＬとＲとの複数のデジタル信号(2205a,2205b)に変換される。デジタル変調回路(2204a,2204b)は、独立に動作する。一方、デジタルフィルタ(2202c)から出力される疑似サラウンド専用のデジタル信号(2203c)は、デジタル音声信号を入力し複数のデジタル信号を出力するデジタル変調回路(2204c)により複数のデジタル信号(2205c)に変換される。
複数のコイル（またはアクチュエーター）を持つスピーカ(2206a,2206b,2206c,2206d)に、前記ＬおよびＲそれぞれのデジタル信号を処理するデジタルフィルタ(2202a,2202b)からのデジタル信号(2205a,2205b)と、疑似サラウンド専用のデジタル信号を処理するデジタルフィルタ(2202c)からのデジタル信号(2203c)と、を組み合わせて入力する。疑似サラウンド専用デジタル信号を処理するデジタルフィルタ(2202c)からのデジタル信号をＬ及びＲのデジタル信号と複数のコイル（アクチュエーター）を持つスピーカで合成する。スピーカでは、疑似サラウンド専用デジタル信号を処理するデジタルフィルタ(2202c)からのデジタル信号とＬ及びＲのデジタル信号とのそれぞれにより発生する音響信号が合成される。これにより、デジタル音響システムの消費電力特性を最適化しつつサラウンド効果を更に擬似的に高めることが可能となる。
本実施形態の効果として、ステレオ方式の音源を用いたサラウンド効果に関して上述した。ただし、本実施形態はステレオ方式に限定されることはなく、ステレオ方式以外の多チャンネル方式の任意のサラウンド音響システムにも本実施形態は適用可能である。サラウンド音源からの情報をステレオ主音源からの情報をスピーカで合算することで、正面アレースピーカーだけでサラウンド信号を再生することが可能になる。
また本実施形態の効果として、コイルを持つスピーカへデジタル信号を組み合わせて入力することによる効果を上述した。ただし、本実施形態は、コイル以外の電気音響振動変換素子（例えば、静電素子、圧電素子、磁歪素子等のアクチュエーター）にも適用可能である。
図２３ａには、本発明の一実施形態に係る、複数の音源からのデジタル信号が入力される複数のコイルを持つスピーカのためのシステムの構成を示している。入力された複数の音源からの複数のデジタル音声信号(2301a,2301b)は、複数のマルチビットΔΣ変調器(2302a,2302b)により、複数のnビットのデジタル信号(2303a,2303b)に変換される。複数のnビットのデジタル信号は、複数のフォーマッタ(2304a,2304b)により複数のm個の温度計コード(2305a,2305b)に変換された後に、複数の後置フィルタ(2306a,2306b)により複数のコイル（ユニット）を駆動する複数のデジタル駆動信号(2307a,2307b)に変換される。後置フィルタは複数のコイル（ユニット）を駆動する際に問題となる複数のコイル（ユニット）間の製造バラつきに起因するノイズをミスマッチシェーピング法により除去する。後置フィルタ(2306a,2306b)からの信号(2307a,2307b)が駆動回路(2308a2308b)にそれぞれ入力され、駆動回路(2308a2308b)から複数の３値（＋１,０,−１）の駆動信号(2309a,2309b)が出力される。本実施形態では１つのデジタル信号に対して４つの駆動信号（Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ）が出力されている。
図２３ｂには、本発明の一実施形態で用いることが可能な、複数の音源に対応した複数のコイルを持つスピーカの実施例が示されている。図２３ｂにおいて、４つの駆動信号（A,B,C,D）により駆動される駆動コイル(2310)が束ねられて巻かれた振動子が２つ示されている。それぞれの振動子が1枚の振動板(2311)に接続されている。第１の音源からの駆動信号(2309a)の一部の信号(A,B)と第２の音源からの駆動信号(2309ｂ)の一部の信号(A,B)が第１の振動子を駆動し、第２の音源からの駆動信号(2309a)の一部の信号(C,D)と第２の音源からの駆動信号(2309ｂ)の一部の信号(C,D)が第２の振動子を駆動する。
それぞれの振動子が1枚の振動板(2311)に接続されているので、第１の音源からの情報と第２の音源からの情報とにより発生する音響信号が、複数の振動子を介して振動板(2311)において合成される。したがって、それぞれのコイルのバラツキを抑えながら複数の音源からの情報を効率よく合成することが可能になる。例えば、第１の音源に主音源の情報を与えて、第２の音源に副音源の情報を与えれば、一つのスピーカを使いながら音場の合成（サラウンド効果）が簡単に可能になる。第１と第２との音源をデジタル的に制御することで、動的にサラウンド効果をオン・オフ制御することも簡単に出来る。また、第１の音源に主音声、第２の音源に副音声（外国語やガイダンス情報）を与えれば、一つのスピーカを使いながら音声情報の合成が簡単に可能になる。
本実施例では１枚の振動板に２つの振動子が接続された例を示している。ただし、本発明はこれに限定されることはなく、２つ以上の任意の個数の電気音響振動変換素子（例えば、静電素子、圧電素子、磁歪素子等のアクチュエーター）を使った場合にも本実施形態は適用可能である。

Claims (31)

  1. デジタルフィルタと、再生音域の異なるデジタル信号により駆動されるスピーカで構成される複数のスピーカのいずれかへデジタル信号を出力する複数のデジタル変調器とを有する音響システムであって、
    前記デジタルフィルタは、入力されるデジタル音声信号を、前記複数のスピーカの再生音域に対応する複数の周波数帯域のデジタル音声信号に変換し、前記複数の周波数帯域のデジタル音声信号それぞれを、前記複数のデジタル変調器のいずれかに出力し、
    前記複数のデジタル変調器のそれぞれは、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調したデジタル信号を、前記入力されるデジタル音声信号の周波数帯域に対応する再生音域の前記スピーカに出力し、
    前記複数のデジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は互いに異なることを特徴とする音響システム。
  2. 前記複数のデジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は、接続されている前記スピーカの再生音域に依存して異なることを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  3. 前記複数のデジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は、接続されている前記スピーカの再生音域の周波数帯域が高いほど少ないことを特徴とする請求項２に記載の音響システム。
  4. 前記複数のデジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は、接続されている前記スピーカの出力可能な音圧に依存して異なることを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  5. 前記複数のデジタル変調器のそれぞれは、ノイズシェーピングにより発生する量子化ノイズの周波数を、接続されている前記スピーカの再生音域よりも高い周波数帯域に発生させることを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  6. 前記複数のデジタル変調器の一部または全ては、バンドパス型のΔΣ変調回路を用いてノイズシェーピングにより発生する量子化ノイズの周波数を制御することを特徴とする請求項５に記載の音響システム。
  7. 前記複数のデジタル変調器のそれぞれは、ノイズシェーピングのオーバーサンプリング比及び／又はミスマッチシェーピングの次数が、前記複数のデジタル変調器のそれぞれに接続されているスピーカの再生音域に依存して異なることを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  8. 前記複数のデジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号の振幅電圧を制御する電源制御回路をさらに有する請求項１に記載の音響システム。
  9. 前記デジタルフィルタがそれぞれのデジタル変調器に出力するデジタル音声信号を遅延させる第１遅延回路をさらに有する請求項１に記載の音響システム。
  10. 前記複数のデジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号を遅延させる第２遅延回路をさらに有する請求項１に記載の音響システム。
  11. 前記複数のスピーカの一部又は全ては複数のコイルを有しており、
    前記第２遅延回路と前記複数のコイルを有するスピーカとによりＦＩＲフィルタが構成されることを特徴とする請求項１０に記載の音響システム。
  12. 前記複数のスピーカのいずれよりも高い周波数帯域を再生音域とする高音域スピーカに１ビットのデジタル信号を出力するΔΣ変調回路とをさらに有し
    前記デジタルフィルタは、入力されるデジタル音声信号を、さらに前記高音域スピーカの再生音域に対応する周波数帯域のデジタル音声信号にも変換し、前記ΔΣ変調器に出力することを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  13. 前記複数のデジタル変調器の一部又は全てにはクロック信号が入力されるリタイミング回路を有し、
    前記リタイミング回路は、前記複数のデジタル変調器の一部又は全てが出力するデジタル信号の遷移のタイミングを同期させることを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  14. 前記リタイミング回路は、２種類のクロック信号で制御されるトリガリセット型のフリップフロップにより構成されることを特徴とする請求項１３に記載の音響システム。
  15. 前記リタイミング回路は、
    フィードバック回路と、
    前記リタイミング回路の入力に前記フィードバック回路の出力を加算する加算回路と、
    前記加算回路の出力を入力する伝達関数回路と、
    前記伝達関数回路の出力を入力する量子化器と、
    を有し、
    前記フィードバック回路には、前記量子化器の出力が入力され、
    前記リタイミング回路の出力は、前記量子化器の出力であることを特徴とする請求項１３に記載の音響システム。
  16. 前記複数のデジタル変調器の一部又は全ては、デジタルゲイン回路を有し、
    前記デジタルゲイン回路は、前記複数のデジタル変調器のいずれかに、前記入力されるデジタル音声信号の周波数帯域に対応する再生音域の前記スピーカの効率に応じて入力されるデジタル音声信号を変換することを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  17. 前記複数のデジタル変調器の一部又は全ては、前記変調されたデジタル信号が入力される加算器と、前記加算器の出力が入力される伝達関数回路と、前記伝達関数回路の出力が入力される量子化器と、出力を前記加算器にフィードバックするフィードバック係数回路からなるフィードバック回路を有し、前記フィードバック係数回路の出力を前記スピーカに出力することを特徴とする請求項１６に記載の音響システム。
  18. 前記量子化器はコンパレータで構成されたことを特徴とする請求項１７に記載の音響システム。
  19. 前記フィードバック回路が連続時間信号を出力することを特徴とする請求項１７に記載の音響システム。
  20. 前記複数のデジタル変調器の一部又は全ては、３値のデジタル信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の音響システム。
  21. 第１デジタルフィルタと、第２デジタルフィルタと、第１デジタル変調器と、第２デジタル変調器と、第３デジタル変調器とを有する音響システムであって、
    前記第１デジタルフィルタは、入力される第１デジタル音声信号を高周波数帯域の第２デジタル音声信号と低周波帯域の第３デジタル音声信号とに変換し、
    前記第２デジタルフィルタは、入力される第４デジタル音声信号を高音周波数帯域の第５デジタル音声信号と低周波帯域の第６デジタル音声信号とに変換し、
    前記第１デジタル変調器は、前記第２デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第１スピーカに出力し、
    前記第２デジタル変調器は、前記第５デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第２スピーカに出力し、
    前記第３デジタル変調器は、前記第３デジタル音声信号と前記第６デジタル音声信号を加算処理し、ノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第３スピーカに出力する音響システム。
  22. 第１デジタルフィルタと、第２デジタルフィルタと、第３デジタルフィルタと、第１デジタル変調器と、第２デジタル変調器と、第３デジタル変調器とを有する音響システムであって、
    前記第１デジタルフィルタは、入力される第１デジタル音声信号を第１帯域の第２デジタル音声信号に変換し、
    前記第２デジタルフィルタは、入力される第３デジタル音声信号を第２帯域の第４デジタル音声信号に変換し、
    前記第３デジタルフィルタは、前記第１デジタル音声信号と前記第３デジタル音声信号とを加算処理した信号から前記第１音域または前記第２音域よりも低い周波数帯域の第５デジタル音声信号を抽出し、
    前記第１デジタル変調器は、前記第２デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第１スピーカに出力し、
    前記第２デジタル変調器は、前記第４デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第２スピーカに出力し、
    前記第３デジタル変調器は、前記第５デジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行なって第３スピーカに出力する音響システム。
  23. 入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行ない、デジタル信号を出力するΔΣ変調回路と、
    前記ΔΣ変調回路が出力するデジタル信号にミスマッチシェーピングを行ない、複数ビットのデジタル信号の一部のビットの信号それぞれを複数のスピーカのいずれかに出力するミスマッチシェーピング回路を有する音響システム。
  24. 前記複数のスピーカそれぞれに入力される信号のビット数は、前記スピーカの再生音域の周波数帯域が高いほど少なくなることを特徴とする請求項２３に記載の音響システム。
  25. デジタル音声信号が入力され、複数のスピーカのいずれかにデジタル信号を出力する複数のデジタル信号処理回路と、前記複数のデジタル信号処理回路それぞれのパラメータを制御する制御部とを有する音響システムであって、
    前記複数のデジタル信号処理回路それぞれは、入力される前記デジタル音声信号から所定の周波数帯域のデジタル音声信号をフィルタし、ノイズシェーピングとミスマッチシェーピングを行ない、
    前記制御部は、前記複数のデジタル信号処理回路がフィルタする周波数帯域と、ノイズシェーピングのオーバーサンプリング比と、ミスマッチシェーピングの次数とのいずれか一以上のパラメータを制御する音響システム。
  26. 前記制御部は、前記複数のデジタル信号処理回路に入力される前記デジタル音声信号の音域又は／及び振幅により、前記パラメータを制御することを特徴とする請求項２５に記載の音響システム。
  27. デジタル音声信号が入力され、複数の周波数帯域のデジタル信号を出力するデジタルフィルタと、デジタル信号により駆動されるスピーカで構成される複数の再生音圧の異なるスピーカのいずれかへデジタル信号を出力する複数のデジタル変調器とを有するスピーカシステムであって、
    前記デジタル変調器それぞれが出力するデジタル信号のビット数は互いに異なることを特徴とするスピーカシステム。
  28. 入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調した複数ビットのデジタル信号を出力するデジタル変調器と、
    前記デジタル信号の複数のビット信号が供給される複数のコイルを有するスピーカと
    を有し、
    前記複数のコイルは、それぞれのビット信号が供給されるコイルが軸の周りに一つの層を形成し、全体として軸方向に垂直な方向に重なって巻かれていることを特徴とするスピーカシステム。
  29. 入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調した複数ビットのデジタル信号を出力するデジタル変調器と、
    前記デジタル信号の複数のビット信号が供給される複数のコイルを有するスピーカと
    を有し、
    前記複数のコイルは、コイル軸の周りに複数の層を形成し、隣接する層では層の両端のコイルを除き１つずつ位置がずれていることを特徴とするスピーカシステム。
  30. 第１のデジタル音声信号が入力され、複数のスピーカであって、それぞれのスピーカは、入力される複数のデジタル信号を合成して出力する複数のスピーカそれぞれへ第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変調器と、第２のデジタル音声信号が入力され、前記複数のスピーカそれぞれへ第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変調器と、を有する音響システムであって、
    前記第１及び第２のデジタル変調器それぞれは、入力されるデジタル音声信号にノイズシェーピングを行なった後にミスマッチシェーピングを行って変調したデジタル信号を出力することを特徴とする音響システム。
  31. 前記複数のスピーカそれぞれは、
    前記複数のデジタル信号それぞれが入力される複数の端子を有し、前記複数の端子に入力される前記複数のデジタル信号それぞれにより発生する音響信号を合成することを特徴とする請求項３０に記載の音響システム。
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