音响装置的制作方法

1.本发明涉及由放大器和扬声器系统构成的音响装置。


背景技术：

2.在将扬声器单元设置于音箱(enclosure)的扬声器系统中，扬声器系统的效率η是重要的要素。该效率η是扬声器系统的输出声压相对于被输入至扬声器系统的电能的比率，由下式赋予。
3.η＝ρ
·
bl2·
sd2/(2π
·
m2·
rsp)
……
(1)
4.这里，ρ是声音的介质即空气的密度。另外，bl是扬声器系统的扬声器单元的驱动力，通过在扬声器单元设置的磁隙的磁通密度和在磁隙内配置的音圈的线圈长度之积而赋予。另外，sd是在扬声器单元与音圈联动地输出声音的振动板的半径。另外，m是扬声器单元的振动系统的质量。另外，rsp是音圈的电阻。
5.另外，作为与扬声器系统的性能相关的其他要素而存在共振锐度q值。在扬声器系统的最低共振频率是f0的情况下，扬声器系统的q值通过下式而赋予。
6.q＝2π
·
f0
·m·
rsp/bl2……
(2)
7.这里，扬声器系统的q值能够使用熟知的ts参数的决定方法，根据测量出的扬声器的直流电阻、阻抗曲线等而容易地进行计算。关于式(2)，严格而言表示电气系统的qes，但通常取与将电气系统和机械系统综合起来的q值接近的值，因此这里将其视作扬声器系统的q值。
8.专利文献1：日本专利第6210027号


技术实现要素：

9.根据式(1)及式(2)，如果进行增大质量m、或增大驱动力bl、或减小电阻rsp这样的参数调整，则q值变小，效率η变高。即，在扬声器系统中，通过进行减小q值的参数调整，能够提高效率η、降低电力消耗。
10.在进行了减小扬声器系统的q值这样的参数调整的情况下，虽然中高频带的效率η得到改善，但在最低共振频率f0附近，q值下降，由此声压下降，效率降低。
11.以往的音响装置难以将还包含放大器的音响装置的效率遍布包含最低共振频率f0的整个频带范围地进行改善。
12.本发明就是鉴于以上说明的情况而提出的，目的在于将还包含放大器的音响装置整体的效率η遍布包含最低共振频率f0的整个频带范围地进行改善。
13.本发明涉及的音响装置具有：d类放大器，其具有电流反馈电路；以及扬声器系统，其具有由所述d类放大器驱动的音圈，在该音响装置中，所述扬声器系统具有比适当范围的下限值低的q值，所述电流反馈电路通过将在所述音圈流动的电流反馈至所述d类放大器的输入部而使所述d类放大器的输出电阻增加，从而使所述音响装置的q值增加至所述适当范围内的值。
附图说明
14.图1是表示作为本发明的一个实施方式的音响装置的结构的电路图。
15.图2是例示出扬声器系统的输出声压的频率特性的图。
16.图3是例示出音响装置的等效电路的结构的电路图。
17.图4是表示作为本发明的其他实施方式的音响装置的结构的电路图。
具体实施方式
18.以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
19.图1是表示作为本发明的一个实施方式的音响装置10的结构的电路图。如图1所示，音响装置10具有d类放大器1和扬声器系统ss。而且，d类放大器1具有d类放大部100、电流反馈电路200和滤波器电流反馈电路300。另外，扬声器系统ss具有由d类放大器1驱动的扬声器单元sp和设置有该扬声器单元sp的音箱enc。此外，例如在专利文献1公开了具有电流反馈电路和滤波器电流反馈电路的d类放大器。
20.这里，参照图2，对与d类放大器1连接的扬声器系统ss的特性进行说明。在图2中，横轴是对扬声器系统ss赋予的规定振幅的正弦波的频率。另外，纵轴是对从扬声器系统ss远离规定距离的位置处输出的声压电平。在图2示出了从驱动力bl为7的扬声器系统ss得到的声压电平的频率特性spl1、从驱动力bl为14的扬声器系统ss得到的声压电平的频率特性spl2、和从驱动力bl为28的扬声器系统ss得到的声压电平的频率特性spl3。如图2所示，中高频带的声压电平随着驱动力bl变高而变高。但是，即使提高驱动力bl，最低共振频率f0＝40hz附近的低频带的声压电平也不会变高。这是因为，如果驱动力bl过剩，则扬声器系统ss的q值降低，反而会使低频带的扬声器系统ss的效率η降低。在图2所示的例子中，将驱动力bl增高为7
→
14
→
28的结果是q值降低为4
→1→
0.25。
21.为了遍布整个频带范围地提高效率，优选提高驱动力bl。但是，如果驱动力bl过剩，则q值变低。因此，如果不采取某些对策，则特别是在最低共振频率附近的低频带，从扬声器系统ss输出的声压电平变低，低音变弱。
22.因此，在本实施方式中，采取如下对策。
23.a.将音响装置10的q值的适当范围的下限值规定为0.2。该下限值是对q值不同的扬声器系统进行试制，根据它们的输出声压的频率特性和q值之间的关系而决定的值，可以略高于该值，也可以略低于该值。适当范围定义为，如果q值落入其中，则与中高频带的声音相比而从扬声器系统辐射低频带的声音不会不足的范围。此外，如果使q值过高，则最低共振频率f0附近的声压会过高，因此适当范围当然也存在上限。但是，高的q值导致效率η的降低，因此在以效率提高为主要目的的本说明书中，不对上限进行讨论。
24.b.在由将扬声器单元sp的驱动力bl设为高的值、输出电阻接近零的通常的放大器进行了驱动的情况下扬声器系统ss的q值低于音响装置10的q值的适当范围的下限值。
25.更具体而言，本发明的扬声器系统ss使用如下扬声器单元，即，通过提高磁隙的磁通密度、或在音圈使用每单位长度的电阻值低的导线，从而q值降低至小于适当范围的下限值。如果通过输出电阻接近零的通常的放大器对该扬声器系统ss进行驱动，则与最低共振频率f0远离的高频带处的效率提高，但在最低共振频率f0附近的低频带处，由于过度制动而效率会下降，相对地低频带的音量会不足。
26.此外，输出电阻接近零的通常的放大器是通常的放大器的一个例子。通常的放大器是通常在市场上出售的主流的功率放大器。该主流的功率放大器的阻尼因子在大多数情况下处于几十至几百的范围。如果根据该阻尼因子对该功率放大器的输出电阻进行逆算，则输出电阻小于0.5欧姆。即，通常的放大器例如可以称为其输出电阻小于0.5欧姆的、输出电阻接近零的放大器。
27.此外，一般，通常的放大器与通常的扬声器系统组合而构成通常的音响装置。即，通常的扬声器系统是在市场上出售的主流的扬声器系统，以能够由通常的放大器进行驱动为前提而设计。具体而言，通常的扬声器系统被调谐为，在由通常的放大器进行驱动时，该扬声器系统的输出声压遍布低频带中频带及高频带整个范围具有良好的平衡和平坦的频率特性。如上所述，通常的扬声器系统被设计为，在由通常的放大器进行驱动的情况下，q值处于适当范围内。另一方面，本发明的扬声器系统ss被设计为，使得将扬声器单元sp的驱动力bl设为比通常的扬声器系统的扬声器单元的驱动力高的值、由通常的放大器进行了驱动的情况下的扬声器系统ss的q值低于音响装置10的q值的适当范围的下限值。
28.c.通过由电流反馈电路200进行的电流反馈控制，对d类放大器1的输出电阻进行控制，使音响装置10的q值增加至适当范围内。
29.具体而言，包含d类放大器1和扬声器系统ss的音响装置10的q值由下式赋予。
30.q＝2π
·
f0
·m·
(rsp+ramp)/bl2……
(3)
31.在式(3)中，ramp是对扬声器单元进行驱动的放大器的输出电阻。本实施方式的扬声器系统ss被设计为，使得通过式(2)计算出的q值低于q值的适当范围的下限值0.2。这相当于由上述通常的放大器对扬声器系统ss进行驱动的、以往的音响装置的q值。在本实施方式中，通过由电流反馈电路200进行的电流反馈，对d类放大器1的输出电阻ramp进行控制，使通过式(3)得到的音响装置的q值增加至适当范围内为止。
32.如上所述，在仅对扬声器系统ss的参数进行调整的以往的方法中，难以将音响装置10的效率η遍布包含最低共振频率f0的整个频带范围地进行改善。另一方面，对于音响装置10的效率，在扬声器系统ss的电力消耗的基础上，还与d类放大器1的输出电阻ramp的电力消耗相关。d类放大器1的输出电阻ramp如式(3)所示，使音响装置10的q值增加至适当范围内为止。另一方面，输出电阻ramp是由电流反馈引起的虚拟的电阻，因此不消耗电力。因此，在本实施方式中，不会导致电力消耗的增加，能够使具备驱动力bl大的扬声器系统ss的音响装置10的q值增加至适当范围内为止，遍布包含最低共振频率f0的整个频带范围地提高音响装置10的效率。
33.在图1中，d类放大部100具有运算放大器(或比较器)110、输出级120、滤波器130和反馈电阻140。运算放大器110是将非反相输入和反相输入之间的电压差放大的电路，成为针对d类放大部100的输入信号的输入部。在该运算放大器110的非反相输入，经由输入端子111而输入音频信号ain。
34.输出级120是将运算放大器110的输出信号进行电力放大的电路，作为开关元件而具有：晶体管121，其插入于正电源+b和输出级120的输出端子123之间；以及晶体管122，其插入于负电源－b和输出级120的输出端子123之间。在优选的方式中，该晶体管121及122是mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)等高效且高速的开关元件。输出级120与运算放大器110的输出信号(pwm脉冲串)相对应地，将晶体管121置于on、将
晶体管122置于off而将正电源+b连接至输出端子123，或者将晶体管121置于off、将晶体管122置于on而将负电源－b连接至输出端子123。因此，输出级120的输出信号(被电力放大的pwm脉冲串)成为矩形波。
35.滤波器130是从输出级120所输出的被电力放大的pwm信号将音频频带以上的高频带成分去除，将剩余的音频频带的频率成分供给至扬声器单元sp的低通滤波器。该滤波器130具有电感器131及电容器132。这里，电感器131插入于输出级120的输出端子123和扬声器单元sp的一端之间。另外，电容器132的一端与电感器131及扬声器单元sp间的节点133连接，另一端经由滤波器电流反馈电路300的电流检测电阻310而接地。即，电容器132与作为负载的扬声器单元sp并联连接。此外，对于滤波器电流反馈电路300，将后述。
36.反馈电阻140插入于电感器131及扬声器单元sp间的节点133和运算放大器110的反相输入端之间。该反馈电阻140形成使针对扬声器单元sp的输出电压反馈至作为d类放大部100的输入部的运算放大器110、使d类放大部100进行自激振荡的自激振荡用反馈环路。d类放大部100以规定的自激振荡频率进行振荡，并且从输出级120输出基于输入音频信号ain而进行了脉冲宽度调制后的pwm脉冲串。滤波器130发挥从该pwm脉冲串去除自激振荡频率以上的高频带成分，将剩余的音频频带成分供给至扬声器单元sp的作用。以上为d类放大部100的结构。
37.在d类放大器1中，在d类放大部100连接有电流反馈电路200和滤波器电流反馈电路300。
38.电流反馈电路200是将在作为d类放大部100的负载的扬声器单元sp流动的负载电流负反馈至作为输入部的运算放大器110的电路。该电流反馈电路200具有电阻210、放大部220和耦合部230。
39.电阻210插入于扬声器单元sp的与节点133相反侧的端子和接地线之间。放大部220由运算放大器221和电阻222及223构成。运算放大器221的反相输入端经由电阻222而接地，并且经由电阻223而与运算放大器221的输出端连接。而且，对运算放大器221的非反相输入端赋予电阻210的两端间电压。因此，放大部220在将电阻222的电阻值设为ra、将电阻223的电阻值设为rb的情况下，将电阻210的两端间电压通过(ra+rb)/ra的增益进行放大而输出。在本实施方式中，如上所述，电阻210的两端间电压通过放大部220而被放大至充分大小的电压，因此能够减小电阻210的电阻值。耦合部230由串联地插入于放大部220的输出端和运算放大器110的反相输入端之间的电阻231及电容器232构成。该耦合部230发挥对经由电流反馈电路200进行的负反馈的反馈量的频率特性进行调整的作用。
40.在本实施方式中，电流反馈电路200进行将在作为d类放大部100的负载的扬声器单元sp流动的负载电流控制为与音频信号ain的电压值成正比的电流值的恒流驱动控制。另外，电流反馈电路200在该恒流驱动控制中，能够将输出级120的输出电阻控制为能够使得上述的音响装置10的q值增加至适当范围内的值的电阻值。具体而言，在式(3)中，在扬声器单元sp的音圈的电阻值是rsp、音响装置10的q值落在适当范围内的输出级120的电阻的适当值是ramp的情况下，以使得输出级120的输出电阻成为适当值ramp的方式决定电流反馈电路200的放大部220的增益。具体而言，以使得将负载sp的电阻值rsp改变的情况下的、该负载电流的变化相对于节点133的电压的变化之比(rsp+ramp)成为电阻值rsp的k倍(其中，1＜k≤10)的方式，分别使电流反馈电路的放大部220的增益及电阻231的电阻值增减而
对负载电流(电阻210的两端间电压)的反馈量进行调整。上述增益及电阻值可以通过电路特性的数值计算而决定，也可以基于电路特性的实测值而决定。此时的ramp设定为例如1ω至10ω的范围的任意值。
41.滤波器电流反馈电路300是将在滤波器130的电容器132流动的电流(称为滤波器电流)负反馈至作为d类放大部100的输入部的运算放大器110的电路，由上述的电流检测电阻310和耦合部320构成。这里，耦合部320由串联地插入于电流检测电阻310及电容器132间的连接节点和运算放大器110的反相输入端之间的电阻321及电容器322构成。该耦合部320发挥对经由滤波器电流反馈电路300进行的负反馈的反馈量的频率特性进行调整的作用。
42.以上是d类放大器1的结构。
43.接着，对本实施方式的动作进行说明。在d类放大部100中，输出级120的输出信号通过经由滤波器130及反馈电阻140而赋予相位旋转，反馈至作为输入部的运算放大器110。由此，d类放大部100进行自激振荡。该d类放大部100设计为使得该自激振荡频率与输入音频信号ain的频带相比足够高。如专利文献1所记载的那样，能够通过滤波器电流反馈电路300的动作使自激振荡频率升高至比音频频带高的频率为止。
44.这里，输出级120的输出信号成为矩形波，在滤波器130由电容器132进行该矩形波的1阶积分，因此节点133的信号波形成为三角波。在运算放大器110中，进行经由反馈电阻140而反馈的节点133的三角波和输入音频信号ain的对比。其结果，通过输入音频信号ain而进行了脉冲宽度调制后的pwm脉冲串被从运算放大器110输出，该pwm脉冲串经由输出级120而输出至滤波器130。该pwm脉冲串通过经由滤波器130将高频带成分去除，被供给至扬声器单元sp。
45.具体而言，在输入音频信号ain的电压值是0v的情况下，从输出级120输出占空比为50％的pwm脉冲串，向扬声器单元sp赋予的电压成为0v。另外，如果输入音频信号ain的电压值从0v向正方向发生变化，则从输出级120输出的pwm脉冲串的占空比从50％变化为最大100％为止，向扬声器单元sp赋予的电压从0v变化为最大+b为止。另一方面，如果输入音频信号ain的电压值从0v向负方向发生变化，则从输出级120输出的pwm脉冲串的占空比从50％变化为最小0％为止，向扬声器单元sp赋予的电压从0v变化为最小－b为止。如上所述与输入音频信号ain近似的波形的信号被赋予至扬声器单元sp。
46.在由以上说明的d类放大部100进行放大动作的期间，电流反馈电路200使在扬声器单元sp流动的负载电流负反馈至作为d类放大部100的输入部的运算放大器110，滤波器电流反馈电路300使在滤波器130流动的滤波器电流负反馈至该运算放大器110。其结果，能得到如下的效果。
47.扬声器单元sp的阻抗依赖于扬声器单元sp的驱动频率而发生变化。这里，如果由于扬声器单元sp的驱动频率的变化而扬声器单元sp的阻抗增加，在扬声器单元sp流动的负载电流减小，则向经由电流反馈电路200的d类放大部100的输入部的反馈信号减少，d类放大部100的输出信号增加。其结果，从d类放大部100向扬声器单元sp赋予的有效电压增加，使在扬声器单元sp流动的负载电流增加。另一方面，如果由于扬声器单元sp的驱动频率的变化而扬声器单元sp的阻抗减小，在扬声器单元sp流动的负载电流增加，则向经由电流反馈电路200的d类放大部100的输入部的反馈信号增加，d类放大部100的输出信号减少。其结果，从d类放大部100向扬声器单元sp赋予的有效电压减小，使在扬声器单元sp流动的负载
电流减小。进行这样的负载电流的负反馈控制的结果是，在扬声器单元sp流动的负载电流不依赖于扬声器单元sp的驱动频率，接近恒定的方向。
48.如上所述，在本实施方式中，通过使在扬声器单元sp流动的负载电流负反馈至d类放大部100的输入部，从而能够使d类放大部100的输出阻抗有效地增加，使从d类放大部100流动至扬声器单元sp的负载电流接近恒定。因此，能够在扬声器单元sp的阻抗增加的最低共振频率附近的低频带处，使足够的负载电流流向扬声器单元sp，实现大音量的放音。另外，在本实施方式中，不依赖于扬声器单元sp的驱动频率，进行使在扬声器单元sp流动的负载电流接近恒定的控制，因此，能够防止在最低共振频率附近的低频带以外的频带处，过度的大电流在扬声器单元sp流动，防止扬声器单元sp的破损。另外，使用电阻值rsp低的扬声器单元，因此在以同一声压进行放音时的音圈的发热减少，并且音响装置的电力消耗变小。
49.另外，在本实施方式中，在将向作为负载的扬声器单元sp供给的实质电压设为v、将在扬声器单元sp流动的负载电流设为i的情况下，输出级120的输出电阻ramp由v/i赋予。在本实施方式中，电流反馈电路200通过电流反馈控制将该输出级120的输出电阻ramp控制为使音响装置10的q值增加至适当范围内的值的适当值。更具体而言，电流反馈电路200以在扬声器系统ss的最低共振频率f0下输出级120的输出电阻ramp＝v/i成为使q值增加至适当范围内的值的适当值的方式，对负载电流的反馈量进行调整。
50.接着，参照图3，对本实施方式的效果进行说明。图3是表示具有扬声器系统ss的音响装置10的等效电路的结构的电路图。在图3中，并联连接的电感器l1、电阻r1及电容器c1构成扬声器单元sp的动态阻抗zm。另外，电感器l2及电容器c2构成设置扬声器单元sp的音箱的阻抗zenc。在音响装置10的等效电路中，针对将动态阻抗zm和音箱的阻抗zenc并联连接的电路，串联连接有电感器lsp和电阻rsp及ramp。
51.这里，电感器lsp是扬声器单元sp的音圈的电感器。另外，电阻rsp是该音圈的电阻。而且，电阻ramp是d类放大器100的输出电阻。d类放大器1所产生的驱动电压vamp通过经由电阻ramp及rsp和电感器lsp而赋予给阻抗zm及zenc的并联电路。
52.如式(3)所示，如果提高d类放大器100的输出电阻ramp，则能够提高音响装置10的q值。这里，假设如果将音响装置的放大器设为通常的模拟放大器，则能够提高该模拟放大器的输出电阻而提高q值，但在该情况下，模拟放大器的电力消耗增加。在本实施方式中，对扬声器单元sp进行驱动的是d类放大器100。d类放大器100的输出级120只能取晶体管121及122中的一者为on、另一者为off的状态，或者一者为off、另一者为on的状态，因此由升高输出电阻引起的电力消耗的变化微小。更具体而言，在d类放大器100中，即使电流反馈电路200进行电流反馈而将输出级120的输出电阻ramp设为使q值增加至适当范围内的值的电阻值，电力消耗也不会增加太多。因此，根据本实施方式，不会导致d类放大器100的电力消耗的增加而能够使q值增加至适当范围内，使音响装置10的效率遍布整个频带范围地提高。
53.在本实施方式涉及的试制品中，作为驱动力bl过高的扬声器单元sp，例如使用将以规定的rspo(例如，4ω等)适当地设计的已有的扬声器单元spo的音圈以每单位长度的电阻更小的导线重新进行卷绕，设为更低的rspx(例如，2ω等)的扬声器单元。在包含使用了该扬声器单元sp的扬声器系统和通常的放大器的音响装置中，效率提高，但q值低于0.2，低频带的声压不足。在试制品的音响装置10中，通过以使得ramp和rspx之和成为与rspo大致相同的值的方式，将d类放大器100的输出电阻ramp调整为适当值(例如，4ω等)，从而音响
装置10的q值变得大于0.2，不会导致低频带声压的不足而改善了效率。
54.＜其他实施方式＞
55.以上，对本发明的一个实施方式进行说明，但对于本发明还可以想到其他实施方式。例如，在上述实施方式中，在扬声器系统ss连接了自激振荡型的d类放大器100，但可以连接他激振荡型的d类放大器。图4表示本发明的其他实施方式即音响装置10a的结构。此外，在该图中，针对与前述图1所示的各部对应的各部，标注相同的标号，省略其说明。
56.在该音响装置10a中，上述实施方式的自激振荡型的d类放大器1能置换为他激振荡型的d类放大器1a。在该d类放大器1a的d类放大部100a中，上述实施方式的d类放大部100的运算放大器110能置换为误差积分器150及比较器160。
57.误差积分器150由运算放大器151和插入于该运算放大器151的输出端及反相输入端间的积分电容器152构成。这里，从输入端子111对运算放大器151的非反相输入端赋予输入音频信号ain。另外，对与运算放大器151的反相输入端，经由反馈电阻140而从扬声器单元sp反馈输出电压，经由电流反馈电路200而反馈在扬声器单元sp流动的负载电流，经由滤波器电流反馈电路300而反馈在滤波器130流动的电流。误差积分器150对输入音频信号ain和经由上述各反馈电路而反馈的反馈信号之间的误差进行积分，输出表示其积分值的积分值信号。
58.从未图示的载波信号发生电路对比较器160的反相输入端赋予具有与输入音频信号ain的频带相比足够高的频率的周期性载波信号。在图示的例子中，该载波信号是三角波信号，但也可以将锯齿状波信号用作载波信号。比较器160通过对由误差积分器150输出的积分值信号和该载波信号进行比较，从而将通过积分值信号而进行脉冲宽度调制后的pwm脉冲串输出至输出级120。输出级120及滤波器130的功能与上述实施方式相同。
59.在该音响装置10a中，能得到与上述实施方式相同的效果。此外，在他激振荡型的d类放大器1a中，由载波信号发生电路决定振荡频率，因此也可以将电阻310的电阻值设为零而不进行滤波器电流的负反馈。
60.标号的说明
61.10、10a
……
音响装置、1、1a
……
d类放大器，100、100a
……
d类放大部，111
……
输入端，110、151、221
……
运算放大器，120
……
输出级，121、122
……
晶体管，130
……
滤波器，200
……
电流反馈电路，210、310
……
电流检测电阻，220
……
放大部，230
……
耦合部，300
……
滤波器电流反馈电路，200
……
电流反馈电路，150
……
误差积分器，160
……
比较器，sp
……
扬声器单元，enc、ss
……
扬声器系统，150
……
误差积分器。