WO2002104068A1 - Systeme de reproduction du son - Google Patents

Description

音響再生装置 技術分野

本発明は、 自動車車室内等の騒音の大きい場所でも良好にスピーカ再生音が得 られる音響再生装置に関する。 背景技術

図 6に特開平 5— 3 0 5 8 8号公報で開示されている従来の自動音量制御装置 のブロック図を示す。 入力端子 1から入力された信号は第 1の増幅器 2で電力増 幅されスピーカ 3から再生される。 第 1の増幅器 2は制御用マイコン 1 3からの 制御信号によって増幅率が制御される。 スピー力 3の周囲にはマイクロフオン 6 が配置され、 スピーカ 3の再生音 4と周囲の騒音 5を集音する。 さらにマイグロ フォン 6の出力は第 2の増幅器 7で増幅される。 位相反転回路 8と補正回路 9に より第 2の増幅器よりの出力のうちのスピー力 3よりの成分をキヤンセルするよ うに第 1の増幅器 2の出力は周波数ごとのレベル補正と位相補正が行われる。 第 2の増幅器 7と補正回路 9の出力は加算回路 1 0にて互いに加算処理され、 加算 回路 1 0はスピ一力 3の周囲騒音のみを抽出する。 さらに加算回路 1 0の出力は 積分回路 1 1にて平滑され直流ィヒされた後、 アナログ /ディジタル （AZD) 変 換回路 1 2にてディジタル化され制御用マイコン 1 3へ入力される。

騒音が殆ど気にならないレベルのときに、 スピーカ 3の音量をあるレベル （初 期音量） に設定する。 つまりマイコン 1 3が音量操作信号 1 4のみに基づき第 1 の増幅器 2の増幅率を設定する。 このときのマイコン 1 3からの制御信号を基準 制御信号とする。 また、 このとき AZD変換回路 1 2の出力は零である。

騒音が発生した場合、 マイコン 1 3は上記基準制御信号と AZD変換回路 1 2 の出力との比率を演算する。 さらにこの比率は、 第 1の増幅器 2の増幅率を上げ るか否かのしきい値である基準比率と比較される。 上記比率が上記基準比率以下 のときは現在の設定である初期音量をそのまま維持される。 即ち、 騒音はあるが 音量を上げるまでもないと判断される。 また、 上記比率が上記基準比率を超えた ときは、 超える分は所定範囲ごとに区切られ、 この所定範囲により決定されてい る分だけ音量を上げるべくマイコン 1 3は制御信号を出力する。 この制御信号は 第 1の増幅器 2は増幅率を変え、 スピ一力 3から再生される信号の音量を調整す る。

従来の自動音量制御装置においては、 比率が基準比率以下のときにおいてマイ コン 1 3が第 1の増幅器 2の増幅率を上昇させるような制御電圧を生成しないた め、 騒音があるにも関わらず音量の制御を行わない。

上記比率が上記基準比率を超えたときにおいても、 所定範囲による制御量をあ らかじめ決定しておく必要がある。 さらに、 制御信号によって第 1の増幅器 2の 増幅率が連続的ではなくステツプ的に変化するので、 スピ一力 3から音は不自然 に再生される。 発明の開示

音響再生装置は可変利得増幅器と、 可変利得増幅器の出力を増幅する電力増幅 器と、 電力増幅器の出力を再生する振動板を有するスピーカユニットを含むスピ —カポックスと、 スピーカボックスの周辺に配置され、 スピーカユニットからの 放射音とスピーカボックスの周辺の騒音との混合音を集音するマイクロフオンと、 振動板の動きによつて変化する物理量を検出する検出手段と、 マイクロフォンの 出力と検出手段の出力が入力される合成手段と、 合成手段の出力の積分値と可変 利得増幅器の出力の積分値とを比較し、 等しくなるように可変利得増幅器を制御 する制御信号を出力する比較手段とを備える。

その音響再生装置ではスピーカュニッ卜からの放射音と騒音とから自動的に制 御目標値を決定し、 騒音に追従して可変利得増幅器の増幅率が変化する。 したが つて音響再生装置は騒音の量に関わらず、 受聴点におけるマスキングに対して自 然に音量を補正する。 図面の簡単な説明

図 1は本発明の実施の形態における音響再生装置のブロック図である。

図 2は実施の形態における音響再生装置の第 1のマイクロフォンの出力特性図 である。

図 3は実施の形態における音響再生装置の第 2のマイクロフォンの出力特性図 である。

図 4は実施の形態における音響再生装置の第 1の低域通過フィル夕の出力特性 図である。

図 5は実施の形態における音響再生装置の装置の第 1の高域通過フィルタの出 力特性図である。

図 6は従来の音響再生装置のプロック図 発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明の実施の形態における音響再生装置のプロック図である。 入力端 子 1 5に入力された信号は可変利得増幅器 1 6に加えられる。 可変利得増幅器 1 6は騒音とスピーカュニット 1 8からの放射音に応じて生成される制御信号、 本 実施の形態では制御電圧により制御される。 この制御電圧の初期基準値を基準制 御電圧とし、 このときに可変利得増幅器 1 6は初期増幅率を有する。 制御電圧が 基準制御電圧よりも低いとき、 可変利得増幅器 1 6は初期増幅率より大きな増幅 率を有する。 可変利得増幅器 1 6の出力は電力増幅器 1 7に入力され、 この電力 増幅器 1 7の出力はスピーカボックス 2 0に取り付けられたスピーカュニット 1 8より再生される。 スピーカボックス 2 0の周辺には第 1のマイクロフォン 2 1 が配置され、 スピーカボックス 2 0の周辺の騒音とスピーカュニット 1 8からの 放射音の和を出力する。 さらにスピーカボックス 2 0の内部には検出手段として の第 2のマイクロフォン 2 2が配置され、 スピーカュニット 1 8の振動板 1 9の 動きによって変化する物理量を検出する。

図 2に騒音が全くない場合の、 可変利得増幅器 1 6の出力に対する第 1のマイ クロフオン 2 1の出力の周波数に対する利得と位相特性を示す。 スピーカュニッ ト 1 8から放射される信号は図 2に示すように 2次の高域通過フィルタと同様な 特性を有する。 図 3に騒音が全くない場合の、 可変利得増幅器 1 6の出力に対す る第 2のマイクロフォン 2 2の出力の周波数に対する利得と位相特性を示す。 ス ピ一カポックス 2 0の内部で検出されるスピーカユニット 1 8の振動板 1 9の動 きは図 3に示すように 2次の低域通過フィル夕と同様な特性を有する。

第 1のマイクロフォン 2 1はスピーカボックス 2 0の周辺に配置されるため、 スピーカボックス 2 0の周辺の騒音と受聴点よりも高い利得のスピーカュニット 1 8からの放射音を出力する。 第 1のマイクロフォン 2 1の出力からスピ一カュ ニット 1 8からの放射音成分のみを減少できれば、 受聴点でのスピーカュニット 1 8からの放射音の音響特性と騒音の音響特性を模擬できる。

図 2、 図 3に示したように、 第 1のマイクロフォン 2 1の出力と第 2のマイク 口フォン 2 2の出力は最低共振周波数 （f o ) が同一な 2次の高域通過フィルタ と 2次の低域通過フィルタとそれぞれ等価である。

第 1のマイクロフォン 2 1の出力と第 2のマイクロフォン 2 2の出力は、 以下 に説明する第 1の補正回路と第 2の補正回路と演算増幅器とで構成される合成手 段で合成される。 第 1の補正回路としての 2次の第 1の低域通過フィルタ 2 3と 第 2の補正回路としての 2次の第 1の高域通過フィルタ 2 4は、 第 1および第 2 のマイクロフォン 2 1、 2 2で集音したスピーカュニット 1 8の最低共振周波数 ( f o ) の遮断周波数をそれぞれ有する。 第 1のマイクロフォン 2 1は第 1の低 域通過フィル夕 2 3に接続され、 第 2のマイクロフォン 2 2は第 1の高域通過フ ィルタ 2 4に接続される。 図 4に第 1のマイクロフォン 2 1に接続された第 1の 低域通過フィルタ 2 3の出力の周波数に対する利得と位相特性を示し、 図 5に第 2のマイクロフォン 2 2に接続された第 1の高域通過フィル夕 2 4の出力の周波 数に対する利得と位相特性を示す。 図 4、 図 5に示すように第 1の低域通過フィ ルタ 2 3の出力と第 1の高域通過フィルタ 2 4の出力は周波数に対する利得がほ ぼ同じ帯域通過特性を有し、 且つ位相が逆位相である。 第 1の低域通過フィルタ 2 3の出力と第 1の高域通過フィルタ 2 4の出力が演算増幅器 2 5に入力される。 第 1の低域通過フィルタ 2 3の出力からスピーカユニット 1 8からの放射音成分 のみを減ずれば、 第 1の低域通過フィルタ 2 3の通過帯域において、 演算増幅器 2 5は受聰点におけるスピーカュニット 1 8からの放射音と騒音とからなる音場 を模擬できる。

スピーカボックス 2 0の周辺の騒音と受聴点における騒音の音響特性が同等で あり、 かつ受聰点におけるスピーカュニット 1 8からの放射音の利得が第 1のマ イク口フォン 2 1の配置場所での利得と比較して X [ d B ] 減少したとする。 第 1の低域通過フィルタ 2 3の出力に含まれるスピ一力ユニット 1 8からの放射音 成分の利得を X [ d B ] 減少するように、 演算増幅器 2 5の増幅度は第 1の高域 通過フィルタ 2 4の出力を用いて設定される。

可変利得増幅器 1 6の出力は第 2の低域通過フィル夕 2 9と第 2の高域通過フ ィルタ 3 0からなる第 3の補正回路のうちの第 2の低域通過フィルタ 2 9に接続 される。 2次の第 2の低域通過フィルタ 2 9と 2次の第 2の高域通過フィルタ 3 0の遮断周波数を第 1および第 2のマイクロフォン 2 1、 2 2で集音したスピー 力ュニット 1 8の最低共振周波数 （f o ) にそれぞれを設定する。 可変利得増幅 器 1 6の出力は第 2の低域通過フィルタ 2 9と第 2の高域通過フィルタ 3 0とを 通過することで、 騒音が全くない場合の演算増幅器 2 5の周波数に対する利得と ほぼ同じ周波数特性の利得を有する。 これにより、 音響再生装置は騒音に対する 音量制御の応答性が向上し、 非常に小さな騒音に対しても正確に音量が制御でき る。

次に、 演算増幅器 2 5の出力は第 1の増幅器 2 6に入力されて増幅される。 第 1の増幅器 2 6の増幅率は、 演算増幅器 2 5の出力の振幅が第 2の高域通過フィ ルタ 3 0の出力の振幅と同等になるように設定される。 つまり、 騒音が全くない とき、 第 1の増幅器 2 6の出力の利得と第 2の高域通過フィルタ 3 0の出力の利 得は同等となる。

第 1の増幅器 2 6の出力は、 基準制御電圧を境としてこれより負の方向に絶対 値を出力する反転型絶対値回路である第 1の絶対値回路 2 7に入力されて反転絶 対値信号に変換される。 第 1の絶対値回路 2 7の出力は第 1の積分器 2 8に入力 されて平滑される。 第 2の高域通過フィル夕 3 0の出力は、 基準制御電圧を境と してこれより正の方向に絶対値を出力する正転型絶対値回路である第 2の絶対値 回路 3 1に入力されて正転絶対値信号に変換される。 第 2の絶対値回路 3 1の出 力は第 2の積分器 3 2に入力されて平滑される。 第 2の積分器 3 2の出力と第 1 の積分器 2 8の出力は加算器 3 3に入力されて加算されることにより基準制御電 圧からの差が比較演算される。 加算器 3 3の出力は第 2の増幅器 3 4に入力され、 基準制御電圧からの差分が増幅されることにより可変利得増幅器 1 6を制御する 制御信号である制御電圧が得られる。

騒音が全くない場合、 上述したように第 1の増幅器 2 6の出力と第 2の高域通 過フィルタ 3 0の出力は同等である。 したがって第 1の積分器 2 8の出力と第 2 の積分器 3 2の出力は、 基準制御電圧との差の絶対値が互いに等しく、 且つ基準 制御電圧に対して互いに極性が逆であるため、 加算器にて加算されたときにその 差分は互いに打ち消し合う。 よって、 加算器 3 3は基準制御電圧そのものを出力 するため、 可変利得増幅器 1 6を制御する制御信号となる第 2の増幅器 3 4の出 力も基準制御電圧そのものとなる。 結果、 可変利得増幅器 1 6の増幅率は変化せ ず、 この基準制御電圧によって決定されている初期増幅率を保つ。

騒音がある場合、 第 1のマイクロフォン 2 1にスピーカュニット 1 8からの放 射音に加えて騒音が混入するため第 1の増幅器 2 6の出力は増加し、 第 2の高域 通過フィル夕 3 0の出力と同等でなくなる。 つまり第 1の積分器 2 8の出力と基 準制御電圧との差の絶対値は第 2の積分器 3 0の出力と基準制御電圧との差の絶 対値より大きい。 さらに第 1、 第 2の積分器 2 8、 3 0の出力は基準制御電圧に 対して互いに逆極性であるため、 加算器 3 3は基準制御電圧よりも低い電圧を出 力する。 加算器 3 3の出力と基準制御電圧との差分は第 2の増幅器 3 4にて増幅 され、 可変利得増幅器 1 6を制御する制御電圧 V Iとして出力される。 電圧 V I は基準制御電圧より低いので、 可変利得増幅器 1 6の増幅率は増幅率 A 1に増加 する。

制御電圧 V 1により可変利得増幅器 1 6の増幅率が A 1に増加すると、 これに 伴い第 2の絶対値回路 3 1に入力される可変利得増幅器 1 6を通した第 2の高域 通過フィルタ 3 0の出力も増幅率 A 1に対応して増加する。 一方、 スピーカュニ ット 1 8からの放射音も増幅率 A 1に対応して増加するので、 第 1の絶対値回路 2 7に入力される第 1の増幅器 2 6の出力に含まれるスピーカュニット 1 8から の放射音成分も同様に増幅率 A 1に対応して増加する。 よって、 騒音成分以外の 成分に着目すると、 第 2の絶対値回路 3 1に入力される第 2の高域通過フィルタ 3 0の出力と、 第 1の絶対値回路 2 7に入力される第 1の増幅器 2 6の出力の特 性のうちのスピーカュニット 1 8からの放射音成分の利得は、 騒音が全くないと きと比較して共に増幅率 A 1に対応して増加し互いに同等である。 つまり、 図 1 に示した音響再生装置では、 可変利得増幅器 1 6の増幅率を変化させる要因は騒 音だけである。

騒音は上記の場合から一定量を保つ場合を考察する。 騒音が一定でスピーカュ ニット 1 8からの放射音が増加すると、 第 1のマイクロフォン 2 1が集音するス ピー力ユニット 1 8からの放射音と騒音の混合音のうち、 騒音の比率が減少する。 その結果、 図 1の音響再生装置は等価的に騒音量が減少したと見なし、 第 2の増 幅器 3 4は基準制御電圧よりは低い値であるが電圧 V 1より高い電圧 V 2を出力 する。 このときの可変利得増幅器 1 6の増幅率 A 2は増幅率 A 1よりも小さい。 騒音が一定量で可変利得増幅器 1 6の増幅率が A 1から A 2に減少した場合に、 第 1のマイクロフォン 2 1が集音するスピーカュニット 1 8からの放射音と騒音 の混合音のうち、 騒音の比率が再び増加する。 この結果、 第 2の増幅器 3 4は V 2より低い制御電圧 V 3を出力する。 このときの可変利得増幅器 1 6の増幅率 A 3は増幅率 A 2よりも大きい。

以後、 制御電圧は増減を繰り返しながら、 最終的には基準制御電圧よりも低い ある一定値に収束する。 この値はスピーカュニット 1 8からの放射音の量と騒音 の量によって決定される。 収束に至るまでの動作は上述においては段階的に記さ れたが、 実際はこの値は連続的に収束する。 したがって可変利得増幅器 1 6の増 幅率は制御電圧の収束値によって決定される増幅率に自然に収束する。 騒音の量 が変化した場合でも、 制御電圧は新しい値に収束し、 可変利得増幅器 1 6の増幅 率はこの変化に追従する。

以上のように本実施の形態における音響再生装置では、 騒音がないときは可変 利得増幅器の増幅率は初期増幅率のまま一定に保たれる。 騒音が加わったときに は、 その量に関わらず、 騒音とスピーカユニットからの放射音とから自動的に制 御目標値が定められ、 騒音の変化に追従して可変利得増幅器の増幅率が変化して、 受聴点におけるマスキングに対して自然に再生音量が補正される。

本実施の形態においてはスピー力ュニット 1 8の振動板 1 9の動きを検出する 検出手段としてはスピー力ボックス 2 0の内部に配置された第 2のマイクロフォ ン 2 2である。 検出手段はスピーカュニット 1 8のダストキヤップに対し内側に 配置されたマイクロフォンであっても構わない。 この場合、 第 1の補正回路は 1 次の低域通過フィルタで構成され、 第 2の補正回路は 1次の高域通過フィル夕で 構成される。 この第 2の補正回路は、 第 1の補正回路の出力のうちのスピーカュ ニット 1 8からの放射音成分の周波数に対する利得と同じ帯域通過特性を有し、 且つ位相が逆位相の信号を出力するように適宜調整される。 第 3の補正回路は、 スピーカュニット 1 8の最低共振周波数 （ f o) の遮断周波数を有する 2次の高 域通過フィルタと、 第 1の補正回路と遮断周波数が等しい 1次の低域通過フィル 夕によって構成される。 これにより、 上記実施の形態の効果に加えて、 第 1の補 正回路及び第 2の補正回路がより一層簡単に設定できる。 さらに第 1の補正回路 は 1次の低域通過フィル夕で構成されるためより広い周波数帯域で騒音に対する マスキング補正が可能となる。

スピ一力ュニット 1 8の振動板 1 9の動きを検出する検出手段は、 スピーカュ ニット 1 8のボイスコイルが巻かれたポビンに設置された検出コイルであっても 構わない。 この場合、 第 1の補正回路は 2次の低域通過フィル夕で構成され、 第 2の補正回路は 1次の低域通過フィル夕と 2次の高域通過フィル夕と移相器とに より構成される。 この第 2の補正回路は、 第 1の補正回路の出力のうちのスピ一 力ュニット 1 8からの放射音成分の周波数に対する利得と同じ帯域通過特性を有 し、 且つ位相が逆位相の信号を出力するように適宜調整される。 第 3の補正回路 は、 スピーカユニット 1 8の最低共振周波数 （f o ) の遮断周波数を有する 2次 の高域通過フィルタと、 第 1の補正回路と遮断周波数が等しい 2次の低域通過フ ィルタによって構成される。 これにより、 上記実施の形態の効果に加えて、 検出 コイルはスピ一カポックスの周囲の騒音に全く影響されずにスピー力ユニットの 振動板の動きによって変化する物理量のみを検出できるため、 音響再生装置は、 より精度良く受聴点におけるスピーカュニットからの放射音の音響特性と騒音の 音響特性を模擬することができる。

本実施の形態においては第 1の絶対値回路 2 7は反転型絶対値回路であり且つ 第 2の絶対値回路 3 1は正転型絶対値回路である。 これと逆に、 第 1の絶対値回 路 2 7は正転型絶対値回路であり且つ第 2の絶対値回路 3 1は反転型絶対値回路 であっても構わない。 この構成は、 制御電圧が正の方向に増加するときに増幅率 が増加する可変利得増幅器を制御するのに有効であり、 実施の形態と同様の効果 を奏する。 産業上の利用可能性

本発明による音響再生装置では、 スピーカュニットからの放射音と騒音とから 自動的に制御目標値が決定され、 騒音に追従して可変利得増幅器の増幅率が変化 する。 したがつてこの音響再生装置は騒音の量に関わらず、 受聴点におけるマス キングに対して自然に再生音量を補正できる。

Claims

請求の範囲

1 . 可変利得増幅器と、

前記可変利得増幅器の出力を増幅する電力増幅器と、

前記電力増幅器の出力を再生する振動板を有するスピーカュニットを含む スピ一カポックスと、

前記スピーカボックスの周辺に配置され、 前記スピーカュニッ卜からの放 射音と前記スピーカボックスの周辺の騒音との混合音を集音するマイクロフォン と、

前記振動板の動きによって変化する物理量を検出する検出手段と、 前記マイクロフォンの出力と前記検出手段の出力が入力される合成手段と、 前記合成手段の出力の積分値と前記可変利得増幅器の出力の積分値とを比 較し、 等しくなるように前記可変利得増幅器を制御する制御信号を出力する比較 手段と

を備えた音響再生装置。

2 . 前記合成手段は

前記マイクロフォンの出力が入力される第 1の補正回路と、

前記検出手段の出力が入力される第 2の補正回路と、

前記第 1の補正回路の出力と前記第 2の補正回路の出力が入力される演算 増幅器と、

を備え、

前記第 1の補正回路の出力のうちスピーカユニットからの放射音の成分の 周波数に対する利得と、 前記第 2の補正回路の出力の周波数に対する利得とが同 一またはそれらの差が一定で、 且つ前記放射音の前記成分と、 前記第 2の補正回 路の前記出力との位相が逆である、 請求の範囲第 1項に記載の音響再生装置。

3 . 前記検出手段はマイクロフォンを備えた、 請求の範囲第 1または 2項に記載 の音響再生装置。

4 . 前記スピーカユニットは

ボイスコイルと、

前記ボイスコィルが巻かれたポビンと、

を備え、

前記検出手段は前記ポビンに設置された検出コイルを備えた、 請求の範囲 第 1または 2項に記載の音響再生装置。

5 . 前記比較手段は

前記合成手段の出力を増幅する第 1の増幅器と、

前記第 1の増幅器の出力の絶対値を出力する第 1の絶対値回路と、 前記第 1の絶対値回路の出力を積分する第 1の積分器と、

前記可変利得増幅器の出力の絶対値を出力する第 2の絶対値回路と、 前記第 2の絶対値回路の出力を積分する第 2の積分器と、

前記第 1の積分器の出力と前記第 2の積分器の出力を加算する加算器と、 前記加算器の出力を増幅する第 2の増幅器と

を備えた、 請求の範囲第 1乃至 4項のいずれかに記載の音響再生装置。

6 . 前記第 1の絶対値回路は正転型絶対値回路であり、

前記第 2の絶対値回路は反転型絶対値回路である、 請求の範囲第 5項に記

7 . 前記第 1の絶対値回路は反転型絶対値回路であり、

前記第 2の絶対値回路は正転型絶対値回路である、 請求の範囲第 5項に記 載の音響再生装置。

8 . 前記可変利得増幅器と前記第 2の絶対値回路との間に設けられ、 前記第 1の 増幅器の出力のうちの利得調整された放射音の再調整された周波数に対する利得 とほぼ同一の利得を出力する第 3の補正回路をさらに備えた、 請求の範囲第 5項 に記載の音響再生装置。