(57)【要約】【目的】  スピーカの周波数伝達関数を近似する数学モデルの逆伝達関数を、比例器、積分器、２回積分器および微分器で実現し、スピーカの入力回路に直列接続して、広範囲の周波数帯域で位相の進み、遅れが少なく、振幅変動の小さいスピーカ出力音を実現することにより、アクティブ・ノイズ・コントロールによる騒音低減を容易にすることを目的とする。【構成】  本発明の実施例では、スピーカの周波数伝達関数を近似する数学モデルの逆伝達関数を実現する電子回路は、並列接続されている比例器１７、積分器１８、２回積分器１９と、これら３つの要素の出力を加算する加算器２０と、加算器２０に対して並列配置されている比例器２１と微分器２２と、これら２つの要素の出力を加算する加算器２３、および電流増幅器２４から概略構成されている。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピーカの周波数伝達関数の逆関数を構成する電子回路を、該スピーカへの入力回路の途上に接続するようにしたことを特徴とするスピーカの周波数伝達特性改良電子回路。
【請求項２】
スピーカの周波数伝達関数を微分要素、２次遅れ要素を含む関数で近似し、比例要素、積分要素、２回積分要素で構成される電子回路によって、該スピーカの周波数伝達関数の逆関数電子回路を構成し、該スピーカへの入力回路の途上に、該逆関数電子回路を接続するようにしたことを特徴とするスピーカの周波数伝達特性改良電子回路。
【請求項３】
スピーカの周波数伝達関数を微分要素、２次遅れ要素および１次遅れ要素を含む関数で近似し、比例要素、積分要素、２回積分要素で構成される第一の電子回路と比例要素と微分要素で構成される第二の電子回路の直列接続によって、該スピーカの周波数伝達関数の逆関数電子回路を構成し、該スピーカへの入力回路の途上に、該逆関数電子回路を接続するようにしたことを特徴とするスピーカの周波数伝達特性改良電子回路。
【請求項４】
前記請求項１または請求項２または請求項３で記載したスピーカの周波数伝達特性改良電子回路をアクティブ・ノイズ・コントロールに適用したことを特徴とする騒音低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、スピーカ音の位相、振幅の周波数伝達特性を改良する電子回路と騒音低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、スピーカの周波数伝達特性は、スピーカコーンを振動させ方式、スピーカコーンの大きさ、エンクロージャの形状と大きさによって定まるが、広い音域に対して出力が安定しているスピーカを実現することは困難であった。また、出力音の位相に関しては、従来スピーカを改良することは殆ど考慮されていない。特に低い音域では、一般にスピーカの出力音は低下し、位相も大幅に変化する。【０００３】  しかしながら、近年、逆位相の音を発生して騒音を低減させるアクティブ・ノイズ・コントロールの技術を、現実の騒音低減に適用する際に、スピーカの入力信号に対するスピーカの出力音の位相・振幅が周波数によって大きく変化することが、アクティブ・ノイズ・コントロールの技術の適用を複雑にしている。【０００４】  アクティブ・ノイズ・コントロールでは、騒音源の音を検出し、その音と振幅が等しく位相が逆位相となった対抗音をスピーカから発生することによって、騒音を低減させる。しかしながら、スピーカは周波数によって、出力音の振幅と位相が変わるため、ただ単に、騒音をマイクロフォンで検出して、位相を逆にする電子回路を通してスピーカに入力するだけでは、振幅が騒音と等しく、位相が騒音と逆になった対抗音を合成することは困難である。【０００５】  上述した課題に対応するため、現状のアクティブ・ノイズ・コントロール適用例では、殆どがＤＳＰ、すなわちディジタル・シグナル・プロセッサーを用いて、ディジタル処理により力任せに位相と振幅の合わせ込みを行っている。【０００６】  しかしながらＤＳＰは高価であると共に、適用するためのソフトウェア作成が必要で、電子技術の専門家でない限り扱いは容易でない。【０００７】  広い音域（周波数帯域）において、出力音の位相遅れ、位相進みが殆ど少なく出力音の振幅も一定したスピーカが実現できれば、アクティブ・ノイズ・コントロールの適用は容易になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明は、広い音域（周波数帯域）において、出力音の位相遅れ、位相進みが殆ど少なく、出力音の振幅も一定したスピーカを実現する回路、及びその電子回路を用いた騒音低減装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  従来の課題を解決するために、発明者はスピーカの出力音および位相の周波数特性を実験的に把握し、スピーカの周波数伝達関数を近似する数学モデルに関して考察と数値解析による検討を行った。【００１０】  その結果、スピーカの周波数伝達関数の第一の数学モデルは、２回微分要素と２次遅れ要素との積が、比較的よい精度の近似モデルとなることを発見した。また第一の数学モデルよりもさらに近似精度のよいモデルとしての第二の数学モデルは、第一の数学モデルと１次遅れ要素との積であることを発見した。【００１１】  本発明は、上記の実験による発見および考察に基づいてなされたものであり、請求項１によれば、スピーカの周波数伝達関数の逆関数を構成する電子回路を、該スピーカへの入力回路の途上に接続するようにしたことを特徴とし、また、請求項２によれば、スピーカの周波数伝達関数を微分要素、２次遅れ要素を含む関数で近似し、比例要素、積分要素、２回積分要素で構成される電子回路によって、該スピーカの周波数伝達関数の逆関数電子回路を構成し、該スピーカへの入力回路の途上に該逆関数電子回路を接続するようにしたことを特徴とする。【００１２】  また、請求項２によれば、スピーカの周波数伝達関数を微分要素、２次遅れ要素および１次遅れ要素を含む関数で近似し、比例要素、積分要素、２回積分要素で構成される第一の電子回路と比例要素と微分要素で構成される第二の電子回路の直列接続によって、該スピーカの周波数伝達関数の逆関数電子回路を構成し、該スピーカへの入力回路の途上に、該逆関数電子回路を接続するようにしたことを特徴とする。【００１３】  また、請求項３によれば、請求項２または請求項３に記載するスピーカの周波数伝達特性改良電子回路をアクティブ・ノイズ・コントロールに基づく騒音低減装置に適用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】  本発明による電子回路では、スピーカの周波数伝達関数を近似する数学モデルの逆関数の周波数伝達特性を有しているので、広い音域でスピーカの位相の遅れ・進みを小さくし、出力音振幅の変動を小さくする効果がある。それによって、次のような２次的効果が期待できる。【００１５】  第一の効果としては、アクティブ・ノイズ・コントロールを、電子技術の専門家でなくても広く普及させることができるようになる。例えば、騒音源の音をマイクロフォンで検出し、マイクロフォンの信号を逆位相にする信号増幅器を介してスピーカに入力すれば、スピーカは騒音源の音と振幅が等しく、位相が逆となった音を広い周波数帯域で出力することができ、騒音低減が容易に実現できるようになる。【００１６】  第二の効果としては、オーディオ用のスピーカ特性を改善できることである。一般にスピーカは５００Ｈｚ以下の周波数の低い音域、いわゆる低音領域では、出力音が小さくなる。これを改善するため、オーディオスピーカでは、スピーカの背面をエンクロージャに入れて、スピーカの背面から出る逆位相音を、エンクロージャを通して同位相の音にしてから、スピーカの表面側に出している。【００１７】  このようなエンクロージャの設計・製作はオーディオの専門家でないとできないことであり、かつ試行錯誤が多い。しかし、本発明による電子回路を適用すれば、低音領域においても出力音の振幅が下がらないようにする作用があり、複雑なエンクロージャを必要としなくて、コンパクトでありながら低音性能のよいオーディオスピーカを実現できる。【００１８】  次に、本発明の元となっているスピーカの周波数伝達関数を近似する数学モデルが精度のよい近似モデルであること、および、スピーカの周波数伝達関数の逆関数が簡単な電子回路で実現できることを説明する。【００１９】  発明者は実験と考察の結果、スピーカの周波数伝達関数Ｇ（Ｓ）が、（第一式）で精度よく近似できることを確認した。
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ただし、Ｓはラプラス演算子であって、Ｓ＝ｊω  である。
ｊは複素数演算子、ωは角周波数、ωｎ、ζおよびαは定数である。
（第一式）右辺の第１項は、分子の２回微分要素と２次遅れ要素であり、第２項は一次遅れ要素を表す。【００２０】  図１は、スピーカの出力音振幅の周波数特性を実測した結果を示す。図２は、第一式で近似した数学モデルにおいて、ωｎ＝７００×２π＝４３９８．２（ｒａｄｉａｎ）、ζ＝０．３、α＝０．４として振幅の周波数特性を計算した結果である。【００２１】  また図３は、スピーカの出力音位相の周波数特性を実測した結果を示し、図４は、（第一式）で近似した数学モデルにおいて、位相の周波数特性を計算した結果である。【００２２】  図１と図２の比較、図３と図４との比較によって、（第一式）はスピーカの周波数伝達関数の精度のよい近似モデルを与えることが分かる。【００２３】  次に、（第一式）で示したスピーカの周波数伝達関数Ｇ（Ｓ）の逆伝達関数が、簡単な電子回路で実現できることを説明する。該逆伝達関数は（第二式）のＩｎｖ  Ｇ（Ｓ）で表される。
Ｉｎｖ  Ｇ（Ｓ）＝｛１＋２ζ／（Ｓ／ωｎ）＋１／（Ｓ／ωｎ）２｝×｛１＋α（Ｓ／ωｎ）｝−−−−−（第二式）
（第二式）の右辺第１項は、比例要素、積分要素および２回積分要素からなり第２項は、比例要素と微分要素からなっている。これらは、積分器、微分器および加算増幅器を用いて構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に図面を参照して本発明に係わる実施の形態例を詳細に説明する。
【実施例】
【００２４】  以下、本発明の詳細を、図５と図６に示す一実施例にしたがって説明する。
図５は、本発明に基づくスピーカの周波数伝達特性改良電子回路を、犬の吠え声低減装置に適用した場合の装置全体構成を示し、図６は、前記装置の電子基板回路の構成とスピーカの周波数伝達特性改良電子回路の詳細を示す。【００２５】  図５において、犬１の声帯２から発せられた音は、咽および口内で共鳴した後口４から外部へ向けて発せられ、吠え声５となる。【００２６】  犬の吠え声低減装置６は、ベルト７によって犬の首に装着されており、バッテリーケース８内のバッテリーから電源線９を介して、ケース１０内の電子回路基板１１、スピーカ１２、およびマイクロフォン１３に電力が供給されるようになっている。【００２７】  マイクロフォン１３は、犬の声帯２の近傍の喉に接するように取り付けられ、声帯２から発せられた吠え声を検出し、その検出信号は電子回路基板１１に伝達され電子回路基板１１は該信号の位相を反転してスピーカ１２に伝達されるようになっている。その結果、スピーカ１２は吠え声５に対して逆位相の音１４を発して、逆位相音１４は吠え声５を打ち消すように作用して、犬の吠え声を低減させる。【００２８】    図６に示すように、電子回路基板１１は、信号反転増幅回路１１Ａと、逆伝達関数回路１１Ｂとからなっている。【００２９】    マイクロフォン１３の出力信号は、増幅器１５、位相反転器１６を通過して逆伝達関数回路１１Ｂにおいて並列配置されている比例器１７、積分器１８および２回積分器１９に配分されて通過し、それぞれ加算器２０に入力されて加算されるようになっている。【００３０】  加算器２０の出力信号は、並列配置されている比例器２１と微分器２２に配分されて通過し、それぞれ加算器２３に入力されて加算されるようになっている。加算器２３の出力信号は、電流増幅器２４を通過した後、スピーカ１２に供給されるようになっている。【００３１】  ここで、逆伝達関数回路１１Ｂは、（第二式）で示したスピーカ１２の周波数伝達関数の逆関数を、比例器、積分器、２回積分器および微分器で構成したものである。そのため、スピーカ１２の周波数伝達特性は改善されて、位相反転器１６の出力信号の振幅と位相に対して、スピーカ１２の出力音の位相ずれは小さくなり、また振幅比率は一定になるように改善される。【００３２】  その結果、図５において、スピーカ１２の出力音１４は、広範囲の周波数帯域において、振幅は吠え声５の振幅と等しくなり、位相は吠え声５の位相に対して正しく反転するようになり、吠え声低減効果が確実になる。【００３３】  以上説明した実施例では、アナログ回路でスピーカの周波数伝達関数の逆関数を実現した例を示したが、該逆関数回路はディジタル回路でも構成可能であり、本発明の適用はディジタル回路も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】スピーカの出力音振幅の周波数特性を実測した結果を示す図。
【図２】スピーカの周波数伝達関数を近似した数学モデルによって、振幅の周波数特性を計算した結果を示す図。
【図３】スピーカの出力音位相の周波数特性を実測した結果を示す図。
【図４】スピーカの周波数伝達関数を近似した数学モデルによって、位相の周波数特性を計算した結果を示す図。
【図５】本発明に基づくスピーカの周波数伝達特性改良電子回路を、犬の吠え声低減装置に適用した場合の装置全体構成示す図。
【図６】電子基板回路の構成とスピーカの周波数伝達特性改良電子回路の詳細を示す図。
【符号の説明】
１      犬
２      声帯
３      咽および口内
４      口
５      吠え声
６      犬の吠え声低減装置
７      ベルト
８      バッテリーケース
９      電源配線
１０    ケース
１１    電子回路基板
１１Ａ  信号反転増幅回路
１１Ｂ  逆伝達関数回路
１２    スピーカ
１３    マイクロフォン
１４    逆位相音
１５    増幅器
１６    位相反転器
１７    比例器
１８    積分器
１９    ２回積分器
２０    加算器
２１    比例器
２２    微分器
２３    加算器
２４    電流増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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