(57)【要約】【課題】圧電振動子における振動の歪みを低減する信号処理装置を提供する。【解決手段】複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理装置１は、信号出力部１０から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出する振動振幅演算部１２を備える。そして振動振幅演算部１２は、第一の離散電圧信号に対して、離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力するコンプレッサに、離散振幅信号を出力する。【選択図】図１
2014099733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理装置であって、
信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出する振動振幅演算部を備え、
前記振動振幅演算部は、
前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力するコンプレッサに、前記離散振幅信号を出力する
ことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記コンプレッサは、
前記第一の離散電圧信号に対応する前記離散振幅信号を構成する振幅データのうち少なくとも一つが、前記圧電振動子の線形変位限界線に対応する所定の閾振幅値を超えている場合には、
前記第二の離散電圧信号に応じて前記圧電振動子に生ずる屈曲振動の変位振幅が、常に前記線形変位限界線の範囲内に収まる結果となるように、前記圧縮変換処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記コンプレッサは、
前記所定の閾振幅値を、前記離散振幅信号を構成する振幅データの最大値で除して、前記圧縮変換処理に用いる所定の圧縮係数を算出するとともに、
前記第一の離散電圧信号を構成する電圧データの一部又は全部に前記圧縮係数を乗じて得た離散電圧信号を、前記第二の離散電圧信号とする
ことを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記振動振幅演算部は、
前記第一の離散電圧信号を、連続する所定数の電圧データで構成される単位フレームごとに入力し、
前記単位フレームを構成する電圧データに対してフーリエ変換処理を施し、当該単位フレームにおける電圧信号スペクトルを算出するとともに、
当該電圧信号スペクトルと、予め求められている演算用パラメータに基づいて算出される振幅信号スペクトルに対して逆フーリエ変換処理を施して、前記離散振幅信号を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記振動振幅演算部は、
前記演算用パラメータとして、増幅器の増幅率及びデジタル‐アナログ変換器の変換率により決定する総ゲイン、前記圧電振動子の電気的インピーダンス、または、前記圧電振動子に流れる電流と振動速度の比例関係を示す力係数のうちのいずれか一つまたは複数を用いて、前記離散振幅信号を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記振動振幅演算部は、
予め記憶部に格納された前記演算用パラメータを参照して、前記離散振幅信号を算出する
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記振動振幅演算部は、
前記圧電振動子における電圧についてのインパルス応答特性と、前記第一の離散電圧信号との畳み込み和を演算することによって、前記離散振幅信号を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一に記載の信号処理装置。
【請求項８】
信号出力部と、振動振幅演算部と、コンプレッサと、デジタル‐アナログ変換器と、増幅器と、圧電振動子と、を備える音響再生システムであって、
前記振動振幅演算部は、
信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出し、
前記コンプレッサは、
前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力し、
前記デジタル‐アナログ変換器は、
前記第二の離散電圧信号に基づくアナログ電圧信号を出力し、
前記増幅器は、
前記アナログ電圧信号を増幅して出力し、
前記圧電振動子は、前記増幅されたアナログ電圧信号に応じて振動し、音響を送出する
ことを特徴とする音響再生システム。
【請求項９】
複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理方法であって、
信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出し、
前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力する
ことを特徴とする信号処理方法。
【請求項１０】
複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理装置のコンピュータを、
信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出する振動振幅演算手段、
前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施す圧縮変換手段、
当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力する出力手段
として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子への供給電流を制御する信号処理装置、信号処理方法、音響再生システム及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
楽曲データを音源としたオーディオを一層楽しむ手段として、当該楽曲データを再生するに際して、イコライザ、サラウンド、コンプレッサなどに基づく様々な音響処理を行う音響再生システムが知られている。このような音響再生システムは、内部にＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等を備え、音源から入力されるデジタル離散信号について適宜信号処理を施し、Ｄ／Ａ（デジタル‐アナログ）変換器を介してスピーカに出力するものである。
【０００３】
図８は、本発明に関連する音響再生システムの全体構成図である。
上記のような音響再生システムには、例えば図８に示す音響再生システム１０１のような構成のものがある。図８に示す通り、ＤＳＰ１（またはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｃｅｓｓ  Ｕｎｉｔ））は内部に信号出力部１０と音響信号処理部１１を備えている。音源としての信号出力部１０から送出されたデジタル信号（離散電圧信号）は、音響信号処理部１１により必要な処理が施される。ここで音響信号処理部１１には、例えばイコライザ処理部、サラウンド処理部、コンプレッサ処理部などが含まれる。ＤＳＰ１が送出するデジタル信号は、Ｄ／Ａ変換器２を介してアナログ信号に変換される。その後、増幅器３が所定のレベルまで増幅し、最終的に圧電振動子４（スピーカ）に出力する。
【０００４】
ところでスピーカには、印加される電圧及びこれに応じて流れる電流に基づいて振動する圧電振動子を用いているものがある。傾聴者は、当該圧電振動子が振動して放出される空気の揺れを音響（楽曲）として認識する。
【０００５】
ここで、一般的な圧電振動子は、ある一定の振動振幅を超えると、圧電振動子の剛性（スティフネス）が増加することでフックの法則が成立しなくなる特性を有する。すなわち、圧電振動子は、ある一定以上の音量を示す入力信号に対しては、その振動における振幅の線形性が維持されず、出力される音響において高調波歪を生ずる原因となり得ることが知られている。
【０００６】
一方、上記のような信号処理装置、音響再生システムに関連する技術として、音源から出力されるオーディオ信号を可聴帯域より高い周波数帯域の信号に周波数変調する変調手段と、上記変調手段からの周波数変調された信号によって駆動される超音波発生素子を備えてなるスピーカ装置がある（特許文献１）。このスピーカ装置は、特許文献１のような新規駆動方式を用いることで、超指向性を持って音の放出を可能となすスピーカ装置を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２６２０８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図８に示すような一般的な音響再生システム１０１は、上記圧電振動子を用いたスピーカに、高調波歪を発生し得る領域があることを考慮して設計されていない。また、スピーカ（圧電振動子）における振動振幅を抑制するために、アナログ電圧信号自身にリミッタをかけたとしても、時々刻々と入力されるアナログ電圧信号に対する積算応答として出力される振動振幅が、所定の振幅値を超えないことを保証する設計とはならない。したがって、このような音響再生システムには、ある入力音響信号に基づいて発生する圧電振動子の振動振幅が、圧電振動子の線形性が確保されない領域を超えてしまい、高調波歪を生じさせてしまうという問題があった。
【０００９】
また、特許文献１に記載のスピーカ装置は、音源から出力されるオーディオ信号を変換して、スピーカに出力するものであるが、その変換は、指向性を持って音の放出を目的とするものであり、スピーカにおける圧電振動子の線形性が確保されない領域を超えないようにすることを目的としたものではない。
【００１０】
そこでこの発明は、上述の問題を解決することのできる信号処理装置、信号処理方法、音響再生システム及びプログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理装置であって、信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出する振動振幅演算部を備え、前記振動振幅演算部は、前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力するコンプレッサに、前記離散振幅信号を出力することを特徴とする信号処理装置である。
【００１２】
また本発明は、信号出力部と、振動振幅演算部と、コンプレッサと、デジタル‐アナログ変換器と、増幅器と、圧電振動子と、を備える音響再生システムであって、前記振動振幅演算部は、信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出し、前記コンプレッサは、前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力し、前記デジタル‐アナログ変換器は、前記第二の離散電圧信号に基づくアナログ電圧信号を出力し、前記増幅器は、前記アナログ電圧信号を増幅して出力し、前記圧電振動子は、前記増幅されたアナログ電圧信号に応じて振動し、音響を送出することを特徴とする音響再生システムである。
【００１３】
また本発明は、複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理方法であって、信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出し、前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力することを特徴とする信号処理方法である。
【００１４】
複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理装置のコンピュータを、信号出力部から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出する振動振幅演算手段、前記第一の離散電圧信号に対して、前記離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施す圧縮変換手段、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力する出力手段として機能させることを特徴とするプログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧電振動子における振動の歪みを低減するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態による信号処理装置の最小構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による信号処理装置に接続される音響再生システムの第一の全体構成図である。
【図３】本発明の一実施形態による圧電振動子の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による圧電振動子に与えられる応力と、屈曲振動による変異振幅との関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるコンプレッサが行う圧縮変換処理の概要を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるコンプレッサが行う圧縮変換処理を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による信号処理装置に接続される音響再生システムの第二の全体構成図である。
【図８】本発明に関連する音響再生システムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態による信号処理装置を、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、同実施形態による信号処理装置の最小構成を示す図である。
この図において、符号１は信号処理装置である。なお図８に示した、本発明に関連する音響装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明する。
信号処理装置１は、複数の電圧データで構成される離散電圧信号を時々刻々と出力し、圧電振動子４に当該離散電圧信号に応じた振動を生じさせる信号処理装置である。ここで、信号処理装置１は、一般的には、汎用のＤＳＰまたはＣＰＵに所定のプログラムを読み込ませることで構成するものである。
信号処理装置１は、図１に示す通り、信号出力部１０と、信号出力部１０から入力される第一の離散電圧信号に基づいて、当該第一の離散電圧信号に対応する、複数の振幅データで構成される離散振幅信号を算出する振動振幅演算部１２を備えている。
そして振動振幅演算部１２は、第一の離散電圧信号に対して、離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施して、当該圧縮変換処理が施された第二の離散電圧信号を時々刻々と出力するコンプレッサに離散振幅信号を出力する。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態による信号処理装置に接続される音響再生システムの第一の全体構成図である。
以下、図１に示した信号処理装置１の各機能構成について、図２を参照しながら具体的に説明する。
図２に示す通り、音響再生システム１００は、信号処理装置１と、Ｄ／Ａ（デジタル‐アナログ）変換器２と、増幅器３と、圧電振動子４と、を備えている。また信号処理装置１は、上記の通り、少なくとも信号出力部１０と、振動振幅演算部１２及びコンプレッサ１３を備えている。
【００２０】
まず、信号処理装置１の機能構成について説明する。
信号出力部１０は、例えば音楽ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ）やハードディスクなどの記録媒体に格納された楽曲データを信号源（音源）として参照し、当該楽曲データに含まれる音響情報に基づいて、第一の離散電圧信号を時々刻々と出力する機能部である。ここで、「離散電圧信号」とは、所定の電圧信号の時間的変化を離散的なサンプリングにより数値化した、複数の電圧データで構成される離散信号である。また本実施形態における「第一の離散電圧信号」とは、上記楽曲データの音響そのものを複数の電圧データで表現した離散信号であって、例えばデジタルサンプリング技術によって録音された音響情報を、スピーカ等を介して再生するために用いる信号である。一般的な音響再生システムでは、信号出力部１０が出力した第一の離散電圧信号は、Ｄ／Ａ変換器２にてアナログ電圧信号に変換された後、増幅器３を介してスピーカ（圧電振動子４）に出力され、音響となってユーザに傾聴される。なお、図８で説明した音響再生システム１０１のように、信号処理装置１は、信号出力部１０から出力される源信号に必要な音響効果（エフェクト）を与えて出力すべく、音響信号処理部１１を介して出力してもよい（この場合、本実施形態においては、音響信号処理部１１が出力する信号を「第一の離散電圧信号」と称することとする）。
【００２１】
音響信号処理部１１は、図８に示す音響再生システム１０１が備えるものと同一のものであり、信号出力部１０が出力する離散電圧信号に対して必要な処理を施して出力するものである。ここで音響信号処理部１１には、例えばイコライザ処理部、サラウンド処理部などが含まれる。なお、本実施形態において、信号出力部１０が出力する信号に特定の処理を行う必要がない場合には、信号処理装置１は、必ずしも音響信号処理部１１を備えていなくともよい（この場合、本実施形態においては、信号出力部１０が出力する信号を「第一の離散電圧信号」と称することとする）。
【００２２】
振動振幅演算部１２は、信号出力部１０（または音響信号処理部１１）が出力する第一の離散電圧信号を入力して、当該入力した第一の離散電圧信号に対応した「離散振幅信号」を出力する機能部である。ここで「離散振幅信号」とは、第一の離散電圧信号が、仮にそのままＤ／Ａ変換器２等を介して圧電振動子４へ出力されたとした場合、当該圧電振動子４において発生する振動振幅がどのように推移するかを示した離散信号である。すなわち、振動振幅演算部１２は、第一の離散電圧信号に基づいて発生し得る圧電振動子４の振動振幅のシミュレーション結果を「離散振幅信号」として出力する機能部である。なお、離散振幅信号を導出する具体的な演算手法については後述する。
【００２３】
本実施形態におけるコンプレッサ１３は、第一の離散電圧信号と、上記離散振幅信号を入力し、第二の離散電圧信号を出力する機能部である。ここで、コンプレッサ１３は、第一の離散電圧信号に対して、離散振幅信号によって定まる所定の圧縮変換処理を施し、第二の離散電圧信号として出力する。具体的な圧縮変換処理については後述する。
【００２４】
次に、音響再生システム１００の他の機能構成について説明する。
本実施形態におけるＤ／Ａ変換器２は、一般によく知られるＤ／Ａ変換器と同等の機能を有するものであり、入力される離散信号（デジタル信号）に基づいて、所定のアナログ信号を出力する機能部である。本実施形態においては、Ｄ／Ａ変換器２は、入力される第二の離散電圧信号に基づくアナログ電圧信号を出力する。
増幅器３は、例えばオーディオアンプとして一般によく知られる増幅器と同等の機能を有するものであり、入力したアナログ電圧信号を、所定の増幅率で増幅して出力する機能部である。
圧電振動子４は、入力するアナログ電圧信号に応じて振動し、音響を送出する機能部である。圧電振動子４は、当該振動に基づいて所定の振動板を揺らし、スピーカとして音響を空間に送出する。圧電振動子４の具体的構造及び特性については後述する。
記憶部５は、本実施形態による信号処理装置１が、その処理に必要な情報が予め格納される機能部である。一般的には、音響再生システム１００が備えるＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）やＳＤＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）、或いはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶領域を指す。
なお記憶部５は、信号処理装置１と一体となった構成であっても構わない。すなわち、信号処理装置１は、その内部にフラッシュメモリ、マスクロム等で構成される記憶部５を備えていてもよい。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態による圧電振動子の構造を示す断面図である。
次に、スピーカとしての圧電振動子４の構成例及びその特性について詳細に説明する。
圧電振動子４は、圧電素子４１と、「シム板」と呼ばれる金属板４２とを備えている。図３に示す通り、圧電素子４１は、シム板４２の一方の面全面に貼り付けられ、ユニモルフ型の圧電振動子４を構成するものである。
圧電素子４１は、自身の面上に流れる電流に基づいて電歪効果を生じ、圧電振動子４全体として屈曲振動を生じさせる。例えば、圧電素子４１が面方向に縮むと、シム板４２との接着性により、紙面上方向に反りが生じる。逆に、圧電素子４１が面方向に伸びると、紙面下方向に反りが生じる結果となる。このような構成からなる圧電振動子４は、一般的に線形変位限界線（図３に示す破線）を有しており、この線形変位限界線について以下に説明する。なお、このような構成の圧電振動子は一般的に知られており、以下に示す特性も一般的な圧電振動子全体に生じ得るものである。
【００２６】
図４は、本発明の一実施形態による圧電振動子に与えられる応力と、屈曲振動による変異振幅との関係を示す図である。
図４に示すグラフ図において、縦軸εは圧電振動子４の屈曲振動による変位振幅を、横軸σは、屈曲方向に生じる応力である。ここで図４に示す通り、圧電振動子４の応力振幅特性には、与えられた応力に対して振動振幅が線形に変位する「線形領域」と、一定以上の応力に対して振動振幅が線形に変位しない非線形領域が存在することがわかっている。上記線形変位限界線は、圧電振動子４において線形性が保たれる最大振幅を表している。
すなわち圧電振動子４は、変位振幅がこの線形変位限界線よりも小さい場合、フックの法則が成立し、与えられた応力に比例して変位振幅が変化する。一方、変位振幅が線形変位限界線よりも大きくなった場合、剛性（スティフネス）が増加して、応力に対して変位を生じにくい状態となる。
【００２７】
このような特性を有する圧電振動子をスピーカとして適用する場合、入力されるアナログ電圧信号に従って発生した変位振幅が線形変位限界線を越えてしまうと、その音響に高調波歪が発生してしまい、本来意図していた音響と異なる音響してしまう。したがって、本実施形態による信号処理装置１は、出力しようとする離散信号に基づいて発生し得る変位振幅を演算（シミュレーション）し、その結果、算出された変位振幅が当該線形変位限界線を越える結果となる場合には、その離散信号に必要な処理を施してから出力することを特徴としている。
【００２８】
以下、上記に述べた機能を実現するための具体的な手法について順を追って説明する。
最初に、振動振幅演算部１２が、第一の離散電圧信号を入力して、当該第一の離散電圧信号に基づいて、離散振幅信号を算出する第一の処理について説明する。
【００２９】
図５は、本発明の一実施形態による圧電振動子における電気的等価回路を示す回路図である。
圧電振動子４は、互いに一般直交性を有する固有ベクトルにより表される振動モードを有している。この機械的な振動特性を電気的等価回路図で表すと、図４のように、複数のＬＣＲ直列接続回路を並列接続した回路構成となる（回路Ｃ１）。ここで、インダクタンスＬｍｎ（ｎ＝１，２，・・・）は振動モードｍにおける機械的な「質量」に相当し、同様に、キャパシタンスＣｍｎ、抵抗Ｒｍｎ（ｎ＝１，２，・・・）はそれぞれ機械的な「剛性」および「摩擦」に相当する。
一方、圧電振動子４がもともと備えている回路パラメータとして、静電容量Ｃｄとその寄生抵抗成分Ｒｄが存在する（回路Ｃ２）。
すなわち圧電振動子４は、各振動モードの特性から一意に定まる機械的な回路パラメータＬｍｎ，Ｃｍｎ，Ｒｍｎと、もともと圧電振動子４が備えている回路パラメータＣｄ、Ｒｄに基づいて、圧電振動子４全体としての電気的インピーダンスが決定する。ここで、圧電振動子４に交流電圧Ｅが印加された場合における、振動に寄与する電流（回路Ｃ１に流れる電流）をＩｍ［Ａ］とし、機械的な回路パラメータで構成されるインピーダンス（回路Ｃ１のインピーダンス）をＺｍ［Ω］とする。このような各種回路パラメータは、圧電振動子４固有のパラメータであるが、圧電振動子４について所定の計測処理を行うことで予め求めることができる。
【００３０】
続いて、図５に示す等価回路で表された圧電振動子４に、実際にアナログ電圧信号を印加した場合に生じる変位振幅の導出方法について説明する。
まず、圧電振動子４に印加されるアナログ電圧信号の周波数依存性を示す関数（以下、電圧信号スペクトルと呼ぶ）を、角周波数ω［ｒａｄ／ｓ］の関数としてＥ（ω）［Ｖ］で表す。するとＥ（ω）［Ｖ］が圧電振動子４に印加された場合に、振動に寄与する電流成分Ｉｍ（ω）［Ａ］はインピーダンスＺｍ［Ω］との関係で式（１）のように表される。
【００３１】
【数１】
2014099733.tif 000003
【００３２】
一方、圧電振動子４に流れる電流Ｉｍ（ω）［Ａ］と、当該電流に基づいて発生する振動の振動速度Ｖ（ω）［ｍ／ｓ］には力係数Ａ［Ａ・ｓ／ｍ］に基づく比例関係が成立する。したがって振動速度Ｖ（ω）は式（２）のように表される。なお力係数Ａは、圧電振動子固有のパラメータであり、レーザードップラー速度計などを用いることで予め把握することができる。
【００３３】
【数２】
2014099733.tif 000004
【００３４】
そして、式（１）と式（２）に基づいて、振動速度Ｖ（ω）［ｍ／ｓ］と、電圧Ｅ（ω）［Ｖ］の関係は式（３）のように導かれる。
【００３５】
【数３】
2014099733.tif 000005
【００３６】
ところで移動速度Ｖ（ω）［ｍ／ｓ］を角周波数ωで除すると、振動振幅Ｄ（ω）［ｍ］が導出される。すなわち式（３）の両辺を角周波数ωで除して、振動振幅Ｄ（ω）［ｍ］を式（４）のように電圧Ｅ（ω）［Ｖ］の関数として表すことができる。
【００３７】
【数４】
2014099733.tif 000006
【００３８】
以上のように求めた振動振幅Ｄ（ω）は、圧電振動子４における変位振幅の周波数依存性を示す関数である（以下、振幅信号スペクトルと呼ぶ）。振幅信号スペクトルは、あくまで、周波数ごとの振動振幅を表した関数であるから、時々刻々と変化する振幅の時間変位を表すものではない。ここで、本実施形態による信号処理装置１は、圧電振動子４に時々刻々と入力される電圧ｅ（ｔ）に基づいて、時々刻々と変化する振動振幅ｄ（ｔ）が、ある時刻において所定の閾振幅値を超えているか否かを判定する必要がある。したがって、式（４）から振動振幅ｄ（ｔ）（変位振幅の時間変化を示す関数）を導出する必要がある。具体的には、振動振幅ｄ（ｔ）は、式（５）のように振動振幅Ｄ（ω）を逆フーリエ変換することで導出することができる。
【００３９】
【数５】
2014099733.tif 000007
【００４０】
式（５）に示されるように、振動振幅ｄ（ｔ）は、最終的には、インパルス応答関数ｇ（ｔ）とｅ（ｔ）（出力する電圧の時間変化を示す関数）の畳み込み積分によって導出される。したがって、信号処理装置１は、自身が圧電振動子４に向けて出力しようとする電圧ｅ（ｔ）を、これに基づいて発生する振動振幅ｄ（ｔ）が常に線形変位限界線の範囲内に収まるように制御すればよいことになる。
【００４１】
ここで、上述した内容は、時間ｔに対して連続的に変化する電圧ｅ（ｔ）と振動振幅ｄ（ｔ）の関係について説明したものであるが、信号処理装置１は、上記のとおり、実際には離散信号を取り扱うものである。
【００４２】
そこで、本実施形態による振動振幅演算部１２は、まず、第一の離散電圧信号を、連続する所定数Ｎの電圧データで構成される単位フレームごとに入力し、その単位フレームを構成する電圧データに対してフーリエ変換処理を施し、当該単位フレームにおける電圧信号スペクトルを算出する。ここで、上記単位フレームは、Ｎサンプルの電圧データで構成されるものとする。ただしＮは２以上の自然数である。そして、第一の離散信号のうちｎフレーム目の信号をｓ１，ｎと置き、そのうちのｋサンプル目の電圧データをｓ１，ｎ［ｋ］と置く。
【００４３】
より具体的には、振動振幅演算部１２は、Ｎサンプルの電圧データからなるｎフレーム目の第一の離散電圧信号ｓ１，ｎを入力すると、当該ｓ１，ｎに対してフーリエ変換処理を行う。ここで電圧の時間的変化を表した信号ｓ１，ｎをフーリエ変換すると、当該電圧の周波数依存性を表す電圧信号スペクトルＳ１，ｎを得る。ここでフーリエ変換処理後の電圧信号Ｓ１，ｎのうちｉ番目の周波数成分Ｓ１，ｎ［ｉ］は、式（６）で表される。
【００４４】
【数６】
2014099733.tif 000008
【００４５】
なお本実施形態による振動振幅演算部１２は、上記フーリエ変換処理を迅速に行うため、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）アルゴリズムによって算出するようにしてもよい。
【００４６】
次に振動振幅演算部１２は、当該電圧信号スペクトルＳ１，ｎと、予め求められている演算用パラメータに基づいて算出される振幅信号スペクトルＳ２，ｎに対して逆フーリエ変換処理を施して、離散振幅信号ｓ２，ｎを算出する。
【００４７】
ここで、振幅信号スペクトルＳ２，ｎは、式（４）に式（６）を代入等して得られる式（７）で求めることができる。
【００４８】
【数７】
2014099733.tif 000009
【００４９】
したがって、最終的な目的となる離散振幅信号ｓ２，ｎは、式（５）に対応する式（８）に基づいて、振幅信号スペクトルＳ２，ｎに対して逆フーリエ変換処理を施すことで求めることができる。
【００５０】
【数８】
2014099733.tif 000010
【００５１】
ただし式（８）では、Ｄ／Ａ変換器２のＤ／Ａ変換率及び増幅器３の増幅率により決定される、信号処理装置１後段の全体の総ゲインＲを考慮している。
なお本実施形態による振動振幅演算部１２は、上記逆フーリエ変換処理を迅速に行うため、ＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  ＦＦＴ）アルゴリズムによって算出するようにしてもよい。
【００５２】
以上、振動振幅演算部１２が、第一の離散電圧信号を入力して、当該第一の離散電圧信号に基づいて、離散振幅信号を算出する第一の処理について説明した。なお、振動振幅演算部１２は、上記のとおりフレームごとに離散振幅信号を算出するため、フレームごとの離散振幅信号に連続性を持たせる目的で、フレーム間のオーバーラップ処理及びこれに際して必要な窓掛け処理（例えばＨａｎｎｉｎｇ窓、Ｈａｍｍｉｎｇ窓等）を行ってもよい。
【００５３】
次に、コンプレッサ１３が第一の離散電圧信号及び上記離散振幅信号を入力し、本発明の目的を達成すべく、第二の離散電圧信号を出力する手段について説明する。
【００５４】
本実施形態によるコンプレッサ１３は、まず、第一の離散電圧信号ｓ１，ｎに対応する離散振幅信号ｓ２，ｎを構成する振幅データｓ２，ｎ［ｋ］のうち少なくとも一つが、圧電振動子４の線形変位限界線に対応する所定の閾振幅値ｓｔｈを超えているか否かを判断する。そして、振幅データｓ２，ｎ［ｋ］が当該閾振幅値ｓｔｈを超える場合には、コンプレッサ１３は、第二の離散電圧信号ｓ１，ｎ’に応じて圧電振動子４に生ずる屈曲振動の変位振幅が、常に線形変位限界線の範囲内に収まる結果となるように、圧縮変換処理を行う。ここで、線形変位限界線に対応する所定の閾振幅値ｓｔｈとは、図３において説明した圧電振動子４の線形変位限界線で示される振幅値である。
【００５５】
図６は、本発明の一実施形態によるコンプレッサ１３が行う圧縮変換処理の概要を示す図である。なお図６に示すグラフは、便宜上、各パラメータが時間に対して連続的に変化するように表しているが、実際にはこれらは全て離散信号で表されるものである。
ここで、コンプレッサ１３は、閾振幅値ｓｔｈを、第一の離散振幅信号ｓ１，ｎを構成する各電圧データｓ１，ｎ［ｋ］の内の最大値で除して、圧縮変換処理に用いる圧縮係数ｒを算出する。次にコンプレッサ１３は、第一の離散電圧信号ｓ１，ｎを構成する電圧データｓ１，ｎ［ｋ］の一部又は全部に圧縮係数ｒを乗じて得た離散電圧信号を、第二の離散電圧信号ｓ１，ｎ’として出力する。
図６（ａ）には、振動振幅演算部１２から入力したｎフレーム目の離散振幅信号ｓ２，ｎを示している。この離散振幅信号ｓ２，ｎは、振動振幅演算部１２において、図６（ｂ）に示す第一の離散電圧信号ｓ１，ｎに基づいて算出されたものであるとする。
ここでこの離散振幅信号ｓ２，ｎを構成する振幅データｓ２，ｎ［ｋ］のうち少なくとも一つが、図６（ａ）に示す通り、所定の閾振幅値ｓｔｈを超えていたとする。しかし、圧電振動子４に実際に生じさせるべき振動振幅は、最大でも閾振幅値ｓｔｈ以下となっている必要がある。そこでコンプレッサ１３は、まず振幅データｓ２，ｎ［ｋ］の全てが、閾振幅値ｓｔｈ以下となるような圧縮係数ｒを算出する。ここでコンプレッサ１３は、例えばｎフレーム目の離散振幅信号ｓ２，ｎのうちの最大値となる振幅データをｓ２，ｎ［ｋ］ｍａｘとすると、ｒ＝ｓｔｈ／ｓ２，ｎ［ｋ］ｍａｘを演算することで圧縮係数ｒを求めてもよい。
【００５６】
続いて、別途入力した第一の離散電圧信号ｓ１，ｎに当該圧縮係数ｒを乗じる（図６（ｂ））。そしてコンプレッサ１３は、このようにして第一の離散電圧信号ｓ１，ｎに圧縮変換処理を施して第二の離散電圧信号ｓ１，ｎ’を新たに生成し、これを出力する。上記のようにダイナミックレンジが圧縮された第二の離散電圧信号ｓ１，ｎ’に応じて発生する振動は、常に所定の閾振幅値ｓｔｈ以下に収まるはずであるから、圧電振動子４における変位振幅を、線形変位限界線を越えない範囲に抑えるという本発明の目的を達成することができる。
【００５７】
以上、本実施形態による信号処理装置１によれば、圧電振動子４における振動の歪みを低減するという効果が得られる。
【００５８】
なお、上記に説明した第一の離散電圧信号ｓ１，ｎのダイナミックレンジの圧縮変換処理の内容は一例にすぎず、上記に示す態様に限定されるものではない。例えば、コンプレッサ１３におけるアタックタイム、リリースタイム、レシオ、ニー等の値は、上記目的を達成し得る限り自由に設定することができる。その結果、第一の離散電圧信号ｓ１，ｎ（図６（ｂ））を構成する一部の電圧データｓ１，ｎ［ｋ］にのみ圧縮係数ｒを乗ずることとなっても構わない。また圧縮係数ｒ自身が、電圧データｓ１，ｎ［ｋ］ごとに異なる値となってもよい。ただし、閾振幅値ｓｔｈは少なくとも、線形領域限界線（図３）に対応する増幅器３の出力電圧ｅｔｈに対して、式（９）の不等式を満たす必要がある。
【００５９】
【数９】
2014099733.tif 000011
【００６０】
図７は、本発明の一実施形態による信号処理装置に接続される音響再生システムの第二の全体構成図である。
本実施形態による音響再生システム１００は、信号処理装置１が備える機能部の一部が、後段に接続される機器に属する態様であっても構わない。例えば図７に示す通り、Ｄ／Ａ変換器２が、コンプレッサ１３としての機能部を備える態様であっても構わない。この場合、Ｄ／Ａ変換器２が備えるコンプレッサ１３から出力された第二の離散電圧信号ｓ１，ｎ’が、同じくＤ／Ａ変換器２が備えるＤ／Ａ変換部２１に入力され、アナログ電圧信号に変換されて増幅器３に出力される。なお図示しないが、増幅器３が、コンプレッサ１３としての機能部を備える態様であっても構わない。
【００６１】
本実施の形態による信号処理装置１の振動振幅演算部１２は、第一の離散電圧信号に基づいて離散振幅信号を算出する過程において、上記に説明した第一の処理と異なる第二の処理を用いて算出してもよい。
例えば、信号処理装置１は、圧電振動子４における入力電圧についてのインパルス応答特性ｇ［ｉ］が予め求められている場合には、当該インパルス応答特性ｇ［ｉ］と、第一の離散電圧信号ｓ１，ｎを構成する各電圧データｓ１，ｎ［ｋ］との畳み込み和を演算することによって、離散振幅信号ｓ２，ｎを構成する各振幅データｓ２，ｎ［ｋ］を算出するようにしてもよい。
すなわち、振動振幅演算部１２は、式（１０）に基づいて離散振幅信号を算出することができる。
【００６２】
【数１０】
2014099733.tif 000012
【００６３】
このようにすれば、予め用意しておくパラメータが当該インパルス応答ｇ［ｉ］のみでよいから、信号処理装置１を実際に機能させる手間を軽減させることができる。なおこの場合、記憶部５には、圧電振動子４の電気的インピーダンスＺｍ等の演算用パラメータの代わりに、インパルス応答ｇ［ｉ］が格納される。なお、本実施形態による振動振幅演算部１２は、上述した第一の処理と第二の処理の両方を実施できるようにして、設定に応じて適宜選択できる態様であっても構わない。
【００６４】
なお、上述の信号処理装置１は、内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した信号処理装置１における各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【符号の説明】
【００６５】
１・・・信号処理装置
１０・・・信号出力部
１１・・・音響処理装置
１２・・・振動振幅演算部
１３・・・コンプレッサ
２・・・デジタル‐アナログ変換器
２１・・・Ｄ／Ａ変換部
３・・・増幅器
４・・・圧電振動子
５・・・記憶部
１００、１０１・・・音響再生システム
【図１】
2014099733.tif 000013
【図２】
2014099733.tif 000014
【図３】
2014099733.tif 000015
【図４】
2014099733.tif 000016
【図５】
2014099733.tif 000017
【図６】
2014099733.tif 000018
【図７】
2014099733.tif 000019
【図８】
2014099733.tif 000020