扬声器的输出特性校正系统以及音响系统

技术领域

本发明涉及校正扬声器的输出特性的技术。

背景技术

作为校正扬声器的输出特性的技术，已知有如下技术：通过具有扬声器频率特性的逆特性的逆滤波器向扬声器输出音频信号，从而使扬声器输出的音量的频率特性平坦化(例如，专利文献1)。

另外，作为与本发明相关联的技术，已知有如图6所示的扬声器的等效电路(非专利文献1)。

在图6中，等效电路具有如下参数：

Re；Electrical Resistance(电阻)

Le(x，i)；Electrical Inductance(电感)

Bl(x)；Force factor(力系数)

Fm(x，i)；Reluctance Force(磁阻力)

m

Rm(v)；Mechanical Resistance(机械阻力)

K(x)：Stiffness(刚性)。

在该等效模型中，Bl(x)、K(x)、Le(x，i)为非线性的特性，为扬声器的非线性失真产生的原因。

另外，作为与本发明相关联的技术，已知有图7所示的使用镜像滤波器来校正扬声器的非线性失真的非线性失真校正系统(非专利文献2)。

这里，在图7中，u(n)是输入音频信号，Fs是输入音频信号u(n)的采样频率。另外，Re是音圈的直流电阻，相当于图6的等效电路的Re。另外，Rm是振动系统的机械电阻，相当于图6的等效电路的Rm(v)。另外，m

在图7所示的非线性失真校正系统中，A块是根据线性的扬声器模型预测振动系统的位移x(n)的块，B块是从在A块中预测出的位移x(n)按照非线性的扬声器模型预测非线性失真量，并根据预测以不产生非线性失真的方式校正输入音频信号u(n)并输出校正后的音频信号u

根据这样的非线性失真校正系统，能够对输入音频信号u(n)实施扬声器的非线性特性的逆特性，输出不产生非线性失真的音频信号u

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开2013-85111号公报

[非专利文献]

[非专利文献1]非专利文献1：Klippel、Wolfgang著、“Modeling the largesignal behavior of micro-speakers”、133rd Audio Engineering SocietyConvolution 2012、Paper Number 8749、October 25、2012

[非专利文献2]梶川嘉延(関西大学システム理工学部)著、「信号処理技術によるスピーカシステムの非線形歪補正」、日本音響学会誌67巻10号(2011)、pp.470475

发明内容

技术问题对扬声器输入的音频信号越大，扬声器的非线性的影响越大，扬声器的输出的非线性失真越大。特别是，在对于相同大小的输入的振动比高音域更大的低音域中，非线性失真显著变大。

并且，根据使用上述的逆滤波器使扬声器输出的音量的频率特性平坦化的技术，对于具有在低音域的区域中音量变小的特性的扬声器，将进一步增大了低音域的声音的音频信号输出到扬声器，因此在应用了该技术的情况下，会产生更大的非线性失真。

因此，本发明的技术问题在于，使扬声器输出的音量的频率特性平坦化，并且抑制扬声器的非线性失真的产生。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种扬声器的输出特性校正系统，对扬声器相对于从音源装置输出的音频信号的输出特性进行校正，该扬声器的输出特性校正系统具备：输出平坦化滤波器，将从所述音源装置输出的音频信号作为第一音频信号，将该第一音频信号作为输入，输出第二音频信号；以及非线性逆滤波器，将所述第二音频信号作为输入，将输出朝向所述扬声器输出。在此，针对所述输出平坦化滤波器，将以使所述扬声器输出的音量相对于第一音频信号的频率特性平坦化的方式对所述第一音频信号的各频带的增益进行调整的滤波器特性设定为该输出平坦化滤波器的滤波器特性，针对所述非线性逆滤波器，将所述扬声器的非线性特性的逆特性设定为该非线性逆滤波器的滤波器特性。

在此，在这样的扬声器的输出特性校正系统中，也可以设置：位移计测部，计测所述扬声器的振动系统的位移；扬声器模型计算部，基于在将规定的音频信号输出到所述扬声器的状态下所述位移计测部计测出的位移，计算具有包含非线性参数在内的多个参数的所述扬声器的扬声器模型；以及滤波器特性设定部，计算将计算出的扬声器模型的各参数线性化后的扬声器模型即线性近似扬声器模型，按照计算出的线性近似扬声器模型，求出所述扬声器输出的音量的频率特性平坦化的滤波器特性，将所求出的滤波器特性作为所述输出平坦化滤波器的滤波器特性针对所述输出平坦化滤波器进行设定。

另外，在此情况下，所述输出平坦化滤波器可以包括：频带分割部，将第一音频信号分割为该第一音频信号的各频带的每个频带的信号即多个按频带信号；增益计算部，计算与各频带对应地设置的该频带的增益；增益调整部，将由所述增益计算部计算出的该频带的增益提供给与各频带对应地设置的该频带的按频带信号；以及混合部，将由各增益调整部调整了增益后的按频带信号混合并作为第二音频信号输出。在此，在与各频带对应的所述增益计算部中设置将该频带的按频带信号作为输入的线性近似扬声器模型、将该频带的按频带信号作为输入的平坦化扬声器模型、将所述平坦化扬声器模型的输出的有效值除以所述线性近似扬声器模型的输出的有效值而得到的值作为该频带的增益输出的增益输出部。而且，在所述滤波器特性设定部中，基于计算出的所述线性近似扬声器模型，计算使所述扬声器输出的音量的频率特性比所述线性近似扬声器模型平坦化的扬声器模型作为所述平坦化扬声器模型，对与各频带对应的所述增益计算部设定所计算出的所述线性近似扬声器模型和所述平坦化扬声器模型，由此设定该输出平坦化滤波器的滤波器特性。

另外，在该情况下，所述滤波器特性设定部也可以在计算平坦化扬声器模型时，计算将该所述线性近似扬声器模型的参数以共振频率移动到与所述线性近似扬声器模型的共振频率相比为低频侧的方式进行了变更后的扬声器模型作为所述平坦化扬声器模型。

另外，在以上的扬声器的输出特性校正系统中，也可以具备：位移计测部，计测所述扬声器的振动系统的位移；扬声器模型计算部，基于在将规定的音频信号输出到所述扬声器的状态下所述位移计测部计测出的位移，计算具有包含非线性的参数在内的多个参数的所述扬声器的扬声器模型；以及滤波器特性设定部，将与所述扬声器模型计算部计算出的扬声器模型的各参数所表示的该扬声器模型的非线性特性的逆特性匹配的滤波器特性设定为所述线性逆滤波器的滤波器特性。

另外，这样的扬声器的输出特性校正系统可以包括：第一模块，按照与线性近似扬声器模型相同或者不同的线性的扬声器模型来预测振动系统的位移并作为预测位移输出；预测位移校正部，利用由将所述第二音频信号的有效值除以从所述音源装置输出的音频信号的有效值而得到的值所表示的增益来调整所述预测位移；以及第二模块，根据由所述预测位移校正部调整后的预测位移，按照非线性的扬声器模型来预测非线性失真量，并按照预测出的非线性失真量，以不产生非线性失真的方式对所述第二音频信号进行校正，并向所述扬声器输出，在所述滤波器特性设定部中，通过将所述第一模块的特性和所述第二模块的特性设定为按照所述扬声器模型计算部计算出的扬声器模型的各参数的特性，来设定所述线性逆滤波器的滤波器特性。

另外，同时，本发明还提供具有以上的扬声器的输出特性校正系统、所述扬声器和所述音源装置的音响系统。

根据以上那样的扬声器的输出特性校正系统、音响系统，能够使用输出平坦化滤波器使扬声器输出的音量的频率特性平坦化，并且使用非线性逆滤波器来抑制扬声器的非线性失真的产生。

另外，在计测振动系统的位移等来计算所述扬声器的扬声器模型，并按照计算出的扬声器模型来设定输出平坦化滤波器、非线性逆滤波器的特性的情况下，即使在存在由于经年变化等引起的扬声器的特性的变化的情况下，也进行计测来更新扬声器的扬声器模型，并进行按照更新后的扬声器模型的特性的设定，由此以后能够适当地进行扬声器输出的音量的频率特性的平坦化、非线性失真的产生的抑制。

[发明效果]

如上所述，根据本发明，能够使扬声器输出的音量的频率特性平坦化，并且抑制扬声器的非线性失真的产生。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的音响系统的结构的图。

图2是表示本发明的实施方式的振动检测的结构的图。

图3是表示本发明的实施方式的平坦化扬声器模型设定例的图。

图4是表示本发明的实施方式的输出平坦化滤波器的图。

图5是表示本发明的实施方式的非线性逆滤波器的图。

图6是表示公知的扬声器的等效电路的图。

图7是表示公知的非线性失真校正系统的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。

图1中示出本实施方式的音响系统的结构。

如图所示，音响系统具备音源装置1、扬声器2、输出平坦化滤波器3、非线性逆滤波器4、放大器5、控制部6。

图2的a表示扬声器2的结构。

如图所示，扬声器2具有磁轭201、磁铁202、顶板203、音圈骨架204、音圈205、支架206、挡板(damper)207、振动板208、音盆边209、防尘帽210、位移检测用磁铁211、磁角度传感器212。

这里，将图中的上方作为前扬声器的前方，将下方作为前扬声器的后方，磁轭201在中央部具有向前方突出的凸部2011，在该凸部2011的外周部设置有环状的磁铁202，在磁铁202之上设置有环状的顶板203。而且，该顶板203由铁等具有导电性的部件构成。由磁轭201、磁铁202和顶板203形成磁路220。

音圈骨架204具有中空的圆筒形状，在外周卷绕有被施加来自放大器5的信号的音圈205。另外，磁轭201的凸部2011以能够使音圈骨架204相对于磁轭201前后移动的方式从后方被插入到音圈骨架204的中空，音圈205配置于磁轭201的凸部2011与顶板203之间的、因磁路220而在顶板203的内周端之间产生的磁通通过的位置。

振动板208大致具有与以前扬声器的前后方向为高度方向的圆锥台的侧面同样的形状，其外周端部通过音盆边209与支架206的前端部连结。另外，振动板208的内周端部固定于音圈骨架204的前端部。

在这样的扬声器2的结构中，当从放大器5向音圈205施加信号时，通过从磁路220产生的磁通与在音圈205中流动的信号的电磁作用，音圈骨架204根据信号的振幅而前后振动。而且，若音圈骨架204振动，则与音圈骨架204连结的振动板208振动，产生与来自放大器5的信号对应的声音。

位移检测用磁铁211以与音圈骨架204一起上下移动的方式固定于音圈骨架204的外周侧，产生与磁路220产生的磁通正交的方向的磁通。

如图2的b所示，磁角度传感器212检测并输出从磁路220作用的磁通矢量Qc与从位移检测用磁铁211作用的磁通矢量Qs的合成矢量Q的角度的反正切Qs/Qc作为磁角度。通过伴随音圈骨架204的位移的位移检测用磁铁211的位移，作用于磁角度传感器212的位移检测用磁铁的磁通矢量发生变化，因此，该磁角度成为按照音圈骨架204的位移量的值。

在此，虽然省略了图示，但扬声器2具备检测输入电压、输入电流的检测部，检测部将检测到的输入电压、输入电流的信息输出到控制部6。

返回到图1，音源装置1输出音频信号Si，输出平坦化滤波器3以使扬声器2输出的音量相对于音频信号Si的频率特性平坦化(平坦化)的方式调整音频信号Si的各频带的增益，并作为中间音频信号Sm输出。非线性逆滤波器4为了抑制扬声器2的非线性失真，通过适合于调整输出平坦化滤波器3的增益的信号处理，校正中间音频信号Sm，并作为输出音频信号So，经由放大器5输出到扬声器2。

在此，音频信号Si、中间音频信号Sm、输出音频信号So是数字音频信号，放大器5将输出音频信号So转换为模拟信号并施加到扬声器2。

另外，控制部6设定输出平坦化滤波器3和非线性逆滤波器4的特性。

为了设定输出平坦化滤波器3和非线性逆滤波器4的特性，控制部6进行滤波器特性设定处理。

滤波器特性设定处理除了在音响系统的初始调整时进行以外，还能够定期地进行，或者根据利用者的指示进行。

在滤波器特性设定处理中，控制部6首先计算图6所示的扬声器2的等效电路的各参数。

即，控制部6使输出平坦化滤波器3和非线性逆滤波器4的动作停止，在以进行将输入直接输出的直通动作的方式设定了输出平坦化滤波器3和非线性逆滤波器4双方的状态下，一边使音源装置1输出规定的测试信号，一边收集扬声器2的输入电压、输入电流、由磁角度传感器212检测出的磁角度所表示的振动系统的位移x的数据，对收集到的数据进行解析，计算图6的扬声器2的等效电路的各参数。

接着，根据计算出的各参数，计算对扬声器2的等效电路进行线性近似而得到的扬声器模型即线性近似扬声器模型。

若将图6所示的扬声器2的等效电路的参数Le(x，i)、Bl(x)、Rm(v)、K(x)除去依赖于位移x、振动系统的速度v、扬声器2的输入电流i的部分而线性化为Le、Bl、Rm、k，则以下的2个方程式成立。参数的线性化例如能够通过将参数用n次式近似，将n次式的1次项作为线性化的参数等来进行。

u＝Re·i+Le·di/dt+Bl·v

Bl·i＝m

因此，通过针对位移x求解这两个方程式，计算表示相对于输入u的位移x的线性近似扬声器模型。

接着，控制部6计算表示相对于输入u的位移x的扬声器模型、即扬声器2的输出音量相对于输入u的频率特性成为平坦的扬声器模型作为平坦化扬声器模型。

在此，一般而言，扬声器2的位移振幅的频率特性如图3的a所示，成为比谐振频率ω

另一方面，如图3的c所示的位移振幅的频率特性那样，如果共振频率ω

因此，控制部6计算将线性近似扬声器模型的参数调整为共振频率ω

即，由于谐振频率ω

接着，控制部6在滤波器特性设定处理中，将如以上那样计算出的线性近似扬声器模型和平坦化扬声器模型设定于输出平坦化滤波器3。

在此，图4表示输出平坦化滤波器3的结构。

如图所示，输出平坦化滤波器3具备：频带分割部31，将从音源装置1输入的音频信号Si按每个频带进行分割，输出n个分割信号Si_j；n个可变增益乘法器32，与n个分割信号Si_j一一对应地设置，对对应的分割信号Si_j的增益进行调整；n个增益计算部33，与n个分割信号Si_j一一对应地设置；以及混合部34，将n个可变增益乘法器32的输出混合，作为输出平坦化滤波器3的输出即中间音频信号Sm而输出。

另外，各增益计算部33具备平坦化扬声器模型331、有效值计算部332、线性近似扬声器模型333、有效值计算部334、除法器335。

并且，控制部6在滤波器特性设定处理中，将如上述那样计算出的平坦化扬声器模型设定为平坦化扬声器模型331，将如上述那样计算出的线性近似扬声器模型设定为线性近似扬声器模型333。

对应的分割信号Si_j输入到第j个增益计算部33的平坦化扬声器模型331和线性近似扬声器模型333。有效值计算单元332计算平坦化扬声器模型331的输出的有效值RMS_C_j，并且有效值计算单元334计算线性近似扬声器模型333的输出的有效值RMS_L_j。

然后，第j个增益计算部33的除法器335将第j个可变增益乘法器32的增益G_j控制为G_j＝RMS_C_j/RMS_L_j。

接着，控制部6在滤波器特性设定处理中，将根据如上所述计算出的图6的扬声器2的等效电路的各参数确定的特性设定为非线性逆滤波器4。

在此，图5表示非线性逆滤波器4的结构。

如图所示，作为非线性逆滤波器4，大致原样使用图7所示的使用了公知的镜像滤波器的非线性失真校正系统。由此，在非线性逆滤波器4中，通过对中间音频信号Sm实施扬声器2的非线性特性的逆特性，生成不产生非线性失真的输出音频信号So。

图5的非线性逆滤波器4与图7所示的非线性失真校正系统的不同点在于，对图7所示的非线性失真校正系统追加了有效值计算部41、有效值计算部42、除法器43和可变增益乘法器44。

有效值计算单元41计算由音源装置1输出的音频信号Si的有效值RMS_Si，并且有效值计算单元42计算由输出平坦化滤波器3输出的中间音频信号Sm的有效值RMS_Sm。除法器43将可变增益乘法器44的增益Ga控制为Ga＝RMS_Sm/RMS_Si。

可变增益乘法器44用增益Ga调整非线性失真校正系统的增益G

在此，在这样的非线性逆滤波器4中，A块为按照线性的扬声器模型来预测振动系统的位移x(n)的块，B块为根据在A块中预测出的位移x(n)、按照非线性的扬声器模型预测非线性失真的量、按照预测以不产生非线性失真的方式校正输入音频信号Sm、并输出校正后的音频信号So的块。

而且，如以上那样通过可变增益乘法器44以增益Ga＝RMS_Sm/RMS_Si来调整增益乘法器G

在滤波器特性设定处理中，控制部6通过将非线性逆滤波器4的与图7所示的非线性失真校正系统重复的部分的各增益乘法器、可变增益乘法器32的特性设定为根据包含计算出的图6的扬声器2的等效电路的非线性参数的各参数确定的特性，来设定非线性逆滤波器4的特性。

另外，控制部6如果通过以上那样的滤波器特性设定处理设定了输出平坦化滤波器3和非线性逆滤波器4的特性，则解除输出平坦化滤波器3和非线性逆滤波器4的动作停止，开始按照所设定的特性的动作。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。

如上所述，根据本实施方式，使用输出平坦化滤波器3，能够使扬声器2输出的音量的频率特性平坦化，并且使用非线性逆滤波器4来抑制扬声器2的非线性失真的产生。另外，在滤波器特性设定处理中，计测振动系统的位移等，计算扬声器的扬声器模型，按照计算出的扬声器模型来设定输出平坦化滤波器和非线性逆滤波器的特性，因此，即使在由于经年变化等而存在扬声器的特性的变化的情况下，通过适当地进行滤波器特性设定处理，由此以后也能够适当地使扬声器2输出的音量的频率特性平坦化并且抑制非线性失真的产生。

[附图标记说明]

1…音源装置、2…扬声器、3…输出平坦化滤波器、4…非线性逆滤波器、5…放大器、6…控制部、31…频带分割部、32…可变增益乘法器、33…增益计算部、34…混合部、41…有效值计算部、42…有效值计算部、43…除法器、44…可变增益乘法器、201…磁轭、202…磁铁、203…顶板、204…音圈骨架、205…音圈、206…支架、207…挡板、208…振动板、209…音盆边、210…防尘帽、211…位移检测用磁铁、212…磁角度传感器、220…磁路、331…平坦化扬声器模型、332…有效值计算部、333…线形近似扬声器模型、334…有效值计算部、335…除法器、2011…凸部。