特許 7599790 スピーカの歪み補正装置及びスピーカユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-06

(45)【発行日】2024-12-16

(54)【発明の名称】スピーカの歪み補正装置及びスピーカユニット

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/00 20060101AFI20241209BHJP

【ＦＩ】

H04R3/00 310

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021044598

(22)【出願日】2021-03-18

(65)【公開番号】P2022143855

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2023-12-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099748

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 克志

(74)【代理人】

【識別番号】100103171

【弁理士】

【氏名又は名称】雨貝 正彦

(74)【代理人】

【識別番号】100105784

【弁理士】

【氏名又は名称】橘 和之

(74)【代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】田地 良輔

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 雄二

【審査官】齊田 寛史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１３８２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５４５９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５４６３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５０４７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０８１８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０６０６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９７２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７４４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１７７９９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１７４１４０８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力信号に対するスピーカの出力の歪みを補正する、スピーカの歪み補正装置であって、
前記スピーカの振動系の振動を検出するセンサと、
前記入力信号を入力とする非線形部補正フィルタと、
前記非線形部補正フィルタの出力を入力とし、前記スピーカを駆動する出力信号を出力する線形逆フィルタと、
所定の適応アルゴリズムを実行し、前記センサで検出される振動が、前記入力信号に対して歪みのない振動となるように前記線形逆フィルタの伝達特性を更新する適応アルゴリズム実行部とを有し、
前記非線形部補正フィルタには、前記スピーカの非線形な特性による当該スピーカの前記入力信号に対する出力の歪みを補正する伝達特性が設定されていることを特徴とするスピーカの歪み補正装置。

【請求項2】

請求項１記載のスピーカの歪み補正装置であって、
周囲温度と前記スピーカの経年時間とのうちの少なくとも一方を環境として検知する環境検知手段と、
前記非線形部補正フィルタの伝達特性を、前記環境検知手段が検知した環境から推定される前記スピーカの非線形な特性に適合する伝達特性に切り替える切替制御手段を有することを特徴とするスピーカの歪み補正装置。

【請求項3】

請求項１記載のスピーカの歪み補正装置であって、
前記スピーカの非線形な特性を計測する計測手段と、
前記非線形部補正フィルタの伝達特性を、前記計測手段が計測した前記スピーカの非線形な特性に適合する伝達特性に切り替える切替制御手段を有することを特徴とするスピーカの歪み補正装置。

【請求項4】

請求項２または３記載のスピーカの歪み補正装置であって、
音声信号を再生し前記入力信号として出力するオーディオ装置の状態を検知する状態検知手段を有し、
前記切替制御手段は、所定のタイミングで、前記非線形部補正フィルタの伝達特性を切り替え、
前記所定のタイミングは、前記オーディオ装置が起動したタイミングと、前記オーディオ装置が有意な音声信号の再生を行っていないタイミングと、前記オーディオ装置が前記入力信号の出力レベルを変化させたタイミングと、再生する音声信号の音源を切り替えたタイミングとのうちの、少なくとも一つのタイミングを含むことを特徴とするスピーカの歪み補正装置。

【請求項5】

請求項１、２、３または４記載のスピーカの歪み補正装置と、前記スピーカとを、当該歪み補正装置と当該スピーカとが一体化された形態で備えていることを特徴とするスピーカユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入力に対するスピーカの出力の歪みを補正する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

種々のスピーカの等価回路や、等価回路に基づいてスピーカの駆動を制御する技術が知られている（非特許文献１、特許文献１）。
また、等価回路に基づいてスピーカの駆動を制御する技術としては、スピーカの等価回路に基づいて、入力に対するスピーカの出力の歪みが解消されるように、スピーカを駆動する音声信号を補正する技術も知られている（特許文献２）。

【0003】

また、スピーカの振動板の振動を検出するセンサを備え、センサで検出した振動に応じてスピーカの駆動を制御するモーショナルフィードバックの技術も知られている（たとえば、特許文献３、４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１７/１７９５３９号

【文献】特許６５２２６６８号公報

【文献】特開２００８２２８２１４号公報

【文献】特開２０１０１２４０２６号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Klippel, Wolfgang著, "Modeling the large signal behavior of micro-speakers", 133rd Audio Engineering Society Convention 2012, Paper Number 8749, October 25, 2012

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

モーショナルフィードバックの技術を用い、スピーカの振動板の振動を検出し、検出した振動に応じて、スピーカの歪みが解消されるように、スピーカを駆動する音声信号を補正することが考えられる。

【0007】

また、この場合には、適応フィルタを音声信号の補正に適用し、理想の振動と検出した振動の差をエラーとして、エラーが最小となるように適応フィルタの係数を更新することにより、スピーカの歪みを解消することが考えられる。

【0008】

一方、スピーカの特性は、線形な特性と非線形な特性がある。
たとえば、図４に示すスピーカの等価回路においては、Bl、KMS、Le(x,i)などは、非線形な特性を示す。
なお、図４の等価回路は、上掲した非特許文献１で示される等価回路であり、
Re; Electrical Resistance
Le(x,i);Electrical Inductance
Bl(x); Force factor
Fm(x,i); Reluctance Force
Mms; Mechanical mass
Rms(v); Mechanical Resistance
Kms(x); Stiffness（剛性）
である。

【0009】

そして、このようなスピーカの非線形な特性にも対応するように適応フィルタを構成する場合には、適応フィルタの処理や構成が大規模化し高コスト化を招く。
そこで、本発明は、適応フィルタを用いつつ、比較的簡易な構成でスピーカの出力の歪みを補正することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記課題達成のために、本発明は、入力信号に対するスピーカの出力の歪みを補正する、スピーカの歪み補正装置に、前記スピーカの振動系の振動を検出するセンサと、前記入力信号を入力とする非線形部補正フィルタと、前記非線形部補正フィルタの出力を入力とし、前記スピーカを駆動する出力信号を出力する線形逆フィルタと、所定の適応アルゴリズムを実行し、前記センサで検出される振動が、前記入力信号に対して歪みのない振動となるように前記線形逆フィルタの伝達特性を更新する適応アルゴリズム実行部とを設け、前記非線形部補正フィルタには、前記スピーカの非線形な特性による当該スピーカの前記入力信号に対する出力の歪みを補正する伝達特性を設定したものである。

【0011】

このようなスピーカの歪み補正装置の構成によれば、前記スピーカの非線形な特性による歪みについては非線形部補正フィルタで対応するので、線形逆フィルタと適応アルゴリズム実行部とよりなる適応フィルタを、前記スピーカの線形な特性によるによる歪みのみに対応するように構成することができる。

【0012】

よって、適応フィルタを用いつつ、比較的簡易な構成で、スピーカの非線形な特性によるものも含めスピーカの出力の歪みを補正することができる。
また、本発明は、前記課題達成のために、入力信号に対するスピーカの出力の歪みを補正する、スピーカの歪み補正装置に、前記入力信号を入力とする非線形部補正フィルタと、前記非線形部補正フィルタの出力を入力とし、前記スピーカを駆動する出力信号を出力する線形逆フィルタとを設け、前記非線形部補正フィルタには、前記スピーカの非線形な特性による当該スピーカの前記入力信号に対する出力の歪みを補正する伝達特性を設定し、前記線形逆フィルタに、前記スピーカの線形な特性による当該スピーカの前記入力信号に対する出力の歪みを補正する伝達特性を設定したものである。

【0013】

ここで、このようなスピーカの歪み補正装置の線形逆フィルタの伝達特性は、当該伝達特性の設定の際に上述したセンサと適応アルゴリズム実行部を付加することにより予め適応的に設定することができる。
よって、このようなスピーカの歪み補正装置によっても、適応フィルタを用いつつ、比較的簡易な構成でスピーカの歪みを補正することができる。
ここで、これらのスピーカの歪み補正装置に、周囲温度と前記スピーカの経年時間とのうちの少なくとも一方を環境として検知する環境検知手段と、前記非線形部補正フィルタの伝達特性を、前記環境検知手段が検知した環境から推定される前記スピーカの非線形な特性に適合する伝達特性に切り替える切替制御手段とをもうけてもよい。

【0014】

または、これらのスピーカの歪み補正装置に、前記スピーカの非線形な特性を計測する計測手段と、前記非線形部補正フィルタの伝達特性を、前記計測手段が計測した前記スピーカの非線形な特性に適合する伝達特性に切り替える切替制御手段とを設けてもよい。

【0015】

これらの切替制御手段を備えたスピーカの歪み補正装置によれば、スピーカの非線形な特性の変化が生じた場合に、非線形部補正フィルタの伝達特性を現在のスピーカの非線形な特性に対して適正な伝達特性に更新することができる。

【0016】

ここで、これらのように前記切替制御手段を備えたスピーカの歪み補正装置に、音声信号を再生し前記入力信号として出力するオーディオ装置の状態を検知する状態検知手段を設け、前記切替制御手段において、所定のタイミングで、前記非線形部補正フィルタの伝達特性を切り替えると共に、前記所定のタイミングを、前記オーディオ装置が起動したタイミングと、前記オーディオ装置が有意な音声信号の再生を行っていないタイミングと、前記オーディオ装置が前記入力信号の出力レベルを変化させたタイミングと、再生する音声信号の音源を切り替えたタイミングとのうちの、少なくとも一つのタイミングを含むものとしてもよい。

【0017】

また、本発明は、併せて、スピーカの歪み補正装置と、前記スピーカとを、当該歪み補正装置と当該スピーカとが一体化された形態で備えているスピーカユニットも提供する。

【発明の効果】

【0018】

以上のように、本発明によれば、適応フィルタを用いつつ、比較的簡易な構成でスピーカの歪みを補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る音響システムの構成を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係る補正特性制御処理を示すフローチャートである。

【図3】本発明の実施形態に係る音響システムの他の構成例を示す図である。

【図4】スピーカの等価回路の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について、自動車に搭載される音響システムへの適用を例にとり説明する。
図１に、実施形態に係る音響システムの構成を示す。
図示するように、音響システムは、補正特性制御部１、スピーカ２、スピーカ２の振動系の振動/変位を検出するセンサ３、スピーカ２を駆動する音声信号である出力信号Soをスピーカ２に出力する補正装置４、音声信号である入力信号Siを出力するオーディオ装置５を備えている。

【0021】

そして、補正装置４はオーディオ装置５が出力する入力信号Siを補正し出力信号Soとしてスピーカ２に出力する。
また、補正特性制御部１には、車室の温度や音響システムの経年時間（製造年と現在時刻等）等の情報が外部情報として入力する。また、補正特性制御部１には、オーディオ装置５から、曲再生中/曲非再生中等の再生状態や、入力信号Siを出力しているオーディオソース（ラジオ／CD等）の情報や、出力レベル（ボリューム等）等の情報が入力する。

【0022】

次に、補正装置４は、非線形部補正フィルタ４１、線形逆フィルタ４２、適応アルゴリズム実行部４３、エラー算出部４４を備えている。
オーディオ装置５が出力する入力信号Siは、非線形部補正フィルタ４１を通って中間補正信号Smとして、線形逆フィルタ４２に入力し、線形逆フィルタ４２の出力は出力信号Soとしてスピーカ２に出力される。

【0023】

非線形部補正フィルタ４１の伝達特性（フィルタ係数）は補正特性制御部１から切替可能であり、補正特性制御部１は、非線形部補正フィルタ４１の伝達特性を、非線形部補正フィルタ４１が出力する中間補正信号Smでスピーカ２を駆動した場合に入力信号Siに対するスピーカ２の非線形な特性によるスピーカ２の出力の歪みがキャンセルされる伝達特性、すなわち、スピーカ２の非線形な特性による歪みを補正する伝達特性に設定する。

【0024】

エラー算出部４４は、入力信号Siに対して歪みの無いスピーカ２の振動と、センサ３の出力が示す実際のスピーカ２の振動との差分を算出する。
適応アルゴリズム実行部４３と線形逆フィルタ４２は適応フィルタを構成しており、適応アルゴリズム実行部４３は中間補正信号Smを参照信号r、エラー算出部４４が算出した差分をエラーeとして、ＬＭＳアルゴリズム等によって、エラーeが最小化するように、FIRフィルタ等である線形逆フィルタ４２の伝達特性（フィルタ係数）を更新する。

【0025】

この更新の結果、前記スピーカ２の線形な特性によるスピーカ２の入力信号Siに対する出力の歪みを補正する伝達特性が線形逆フィルタ４２に設定される。
次に、補正特性制御部１が、非線形部補正フィルタ４１の伝達特性の切替のために音響システムの起動時に開始する補正特性制御処理について説明する。
図２に、この補正特性制御処理の手順を示す。
図示するように、音響システムが起動すると、補正特性制御処理は、まず、外部情報が示す車室の温度や音響システムの経年時間やオーディオ装置５の出力レベルなどの環境が、非線形部補正フィルタ４１の伝達特性を前回切り替えたときの値から、所定レベル以上大きく変化しているかどうかを調べ（ステップ２０２）、変化していなければ、ステップ２０８に進む。

【0026】

一方、所定レベル以上大きく変化している場合には、スピーカ２の現在の非線形特性を推定する（ステップ２０４）。
この推定は、車室の温度や音響システムの経年時間やオーディ装置の出力レベルの組み合わせ毎に、その組み合わせとなったときの非線形特性を予め求めてライブラリとして記憶しておき、ライブラリから現在の環境に対応する非線形特性をスピーカ２の現在の非線形特性として推定することにより行う。

【0027】

または、この推定は、スピーカ２の挙動を計測し、計測値からスピーカ２の現在の非線形特性を算定することにより行ってもよい。
たとえば、図４に示したスピーカ２の等価回路のKms(x); Stiffness（剛性）であれば、この計測値に基づく算定は、次のように行うことができる。
すなわち、テスト信号や音楽信号や音響透かし信号などの適当な出力信号Soをスピーカ２に出力しながら、スピーカ２に流れる電流i、スピーカ２の入力電圧uを計測し、計測した電流iと入力電圧uから、スピーカ２のインピーダンスZ=u/iの共振周波数fsを検出する。そして、Mms; Mechanical massを用いて、
Kms(x)=（2πfs）²Mms
を算出し、センサ３が出力するスピーカ２の振動系の変位xと、Kms(x)との関係を求め、求めた関係に従って非線形なKms(x)の特性を算定する。ここで、Kms(x)の非線形特性の算定は、予めKms(x)の非線形特性のパターンを複数用意しておき、求めた変位xとKms(x)との関係にマッチするパターンを、Kms(x)の非線形特性として算定することにより行ってもよい。

【0028】

そして、推定したスピーカ２の現在の非線形特性に対応する伝達特性に非線形部補正フィルタ４１の伝達特性を切り替え（ステップ２０６）、ステップ２０８に進む。非線形特性に対応する伝達特性とは、その非線形特性による歪みを補正する伝達特性であり、ステップ２０６では、推定した非線形特性を反映したスピーカモデルを用いて対応する伝達特性を算定してもよいし、予め非線形特性毎に対応する伝達特性を求めて記憶しておき、推定した非線形特性に対応する伝達特性をスピーカ２の現在の非線形特性に対応する伝達特性として求めてもよい。

【0029】

または、車室の温度や音響システムの経年時間やオーディ装置の出力レベルの組み合わせ毎に、その組み合わせとなったときの非線形特性に対応する伝達特性を予め求めてライブラリとして記憶しておき、ステップ２０４は行わずステップ２０６において、ライブラリから現在の環境に対応する伝達関数をスピーカ２の現在の非線形特性に対応する伝達特性として選定し、選定した伝達特性に非線形部補正フィルタ４１の伝達特性を切り替えるようにしてもよい。

【0030】

さて、以上のようにしてステップ２０２またはステップ２０６から、ステップ２０８に進んだならば、補正装置４に、オーディオ装置５からの入力信号Siを補正装置４で補正した出力信号Soのスピーカ２への出力を開始させる。

【0031】

そして、上述したスピーカ２の現在の非線形特性の推定（ステップ２１０）を、更新タイミングが到来するまで（ステップ２１２）繰り返す。
ここで、更新タイミングの検出は、オーディオ装置５が曲の再生を終了したタイミングや、オーディオ装置５が入力信号Siを出力しているオーディオソースが切り替わったタイミングや、オーディオ装置５が出力レベル（ボリューム等）を変更したタイミングを、オーディオ装置５からの情報に基づいて更新タイミングとして検出することにより行う。

【0032】

そして、更新タイミングが到来したならば（ステップ２１２）、非線形部補正フィルタ４１の伝達特性の切替が必要かどうかを判定し（ステップ２１４）、切替が必要なければステップ２１０からの処理に戻る。ここで、ステップ２１４では、スピーカ２の現在の非線形特性に対応する伝達特性が、非線形部補正フィルタ４１に現在設定されている伝達特性と異なる場合に、線形部補正フィルタの伝達特性の切替が必要であると判定する。

【0033】

一方、非線形部補正フィルタ４１の伝達特性の切替が必要と判定した場合には（ステップ２１４）、補正装置４のスピーカ２への出力をミュートし（ステップ２１６）、スピーカ２の現在の非線形特性に対応する伝達特性に非線形部補正フィルタ４１の伝達特性を切り替える（ステップ２１８）。

【0034】

そして、スピーカ２への出力のミュートを解除し（ステップ２２０）、ステップ２１０からの処理に戻る。
以上、補正特性制御部１が行う補正特性制御処理について説明した。
ところで、以上の実施形態は、非線形部補正フィルタ４１と線形逆フィルタ４２の一方もしくは両方を、伝達特性（フィルタ係数）を固定したフィルタとして適用してもよい。

【0035】

図３ａは、非線形部補正フィルタ４１と線形逆フィルタ４２の双方を、伝達特性を固定したフィルタとした場合の音響システムの構成を示しており、この場合、センサ３と適応アルゴリズム実行部４３とエラー算出部４４と補正特性制御部１は設ける必要はない。

【0036】

ただし、この場合、線形逆フィルタ４２に固定的に設定する伝達特性は、予め、図３ｂに示すセンサ３と適応アルゴリズム実行部４３とエラー算出部４４を設けた構成においてエラーeが最小となるように適応させた伝達特性とする。また、この場合、非線形部補正フィルタ４１に固定的に設定する伝達特性は、標準的な環境下においてスピーカ２の非線形な特性による歪みを補正する伝達特性とする。

【0037】

以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように本実施形態によれば、スピーカ２の非線形な特性による歪みについては非線形部補正フィルタ４１で対応するので、線形逆フィルタ４２と適応アルゴリズム実行部４３とよりなる適応フィルタを、前記スピーカ２の線形な特性によるによる歪みのみに対応するように構成することができ、この結果、比較的簡易な構成で、スピーカ２の非線形な特性によるものも含めスピーカ２の出力の歪みを補正することができる。

【0038】

ここで、以上の実施形態において、スピーカ２とセンサ３と補正装置４とは、スピーカユニットとして一体化されたものであってよい。

【符号の説明】

【0039】

１…補正特性制御部、２…スピーカ、３…センサ、４…補正装置、５…オーディオ装置、４１…非線形部補正フィルタ、４２…線形逆フィルタ、４３…適応アルゴリズム実行部、４４…エラー算出部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】