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小型端末の音響統合設計

みなさん、はじめまして。
株式会社Wave Technology 設計第二課の古井です。

我々の課では無線通信を主としたプロダクトの開発・評価から維持設計に至るまで様々なことに取り組んでいます。私も社名の由来にもなっている「Wave」に深く関与したマイクロ波帯を業務で扱っております。

さて、今回は高周波からは離れてより身近な「音:Acoustic Wave」について取り上げます。

良い音とは何でしょうか。

歪んでいたり、周波数特性の再現性が低ければ話になりませんが、どうしても主観的な要素が加わってくると思います。
我々は商用機のユーザーインターフェースとしての良い音=高音質に一定の基準を設けて取り組んでいます。

① 了解度=大音量(ダイナミックレンジ)
② 明瞭度=雑音抑制(S/N)
③ 快音=聴感補正(タイムドメイン)

専門的なオーディオ機器ではなく、スマートフォンや船舶/車載無線端末などの小型の無線通信機器においてこれら要素を組み込むポイントと生じうる問題について挙げてみたいと思います。

① 大音量

特に海外向けのプロダクトでは必須要件となっており、小型化・薄型化、さらには防水性能が求められるようになっているなかで構造上相反する性能となります。

例えばスピーカー性能は十分なエンクロージャー(筐体)の容積を保持している状態で評価されますが、実際にはアンテナやセンサーなどのデバイスが詰め込まれているため計算上必要な空間の確保は難しく、そうはいきません。

筐体内に隙間なく部品が詰め込まれた小型端末において、波は生き物で筐体内の空気の抜ける経路、振動が伝わる経路など、事前のシュミレーションでの伝播経路の可視化は難しく意外なところから波が回り込み、ノイズの発生や送受話音が結合する要因となります。筐体内部区間を利用した共鳴・スピーカモジュール(バスレフ構造)などはまだ探索レベルでご提案できる段階にありませんが、与えられたパッケージ内で音圧の最大化を図らなければなりません。

また、アンテナは周辺の金属部分の影響、周辺部品の影響により性能が変化します。限られたスペースの中で各センサーが性能を引き出すために土地の取り合いをするわけですから音響デバイスもアンテナ性能劣化の要因になりえます。時にはスピーカーパターンの位相をずらしてアンテナからみて全反射になるような検討も必要になってきます。

このように、音響設計やアンテナ設計などが複雑に絡み合うため、レイアウトが完成した後にこれらの問題を修正するには多大な時間とコストを要します。
要素検討段階から構造技術、アンテナ技術、音響技術を統合した設計することで、多くの問題が生じることを回避することができます。

② 雑音抑制

ヘッドフォンやスマートフォンの背面に見慣れない小さな穴を見たことはありませんか。
それは周囲の環境音を拾う集音孔で、取り込んだ逆位相の波を作り出すことで再生音から周囲雑音を抑制してくれます。屋外や道路の騒音やハム音、バースト音などの定常的な雑音を取り除くノイズキャンセラは一般的ですが、指向性を持たせることにより品質をさらに向上させることができます。

但し、アダプティブな制御をするわけですから音場の変化により音質低下を招くケースもあり慎重なテストとパラメータ補正が必要となってきます。

指向性マイクロフォン、パラメトリックスピーカーなど単体で指向性を持たせられるデバイスもありますが、小型防水端末に収めるには制約が多く、音響機能だけに実装スペースを割くわけにはいきません。

多チャンネルマイク化については構造設計と統合した設計することで実装スペースの問題を解決することができます。

③ 聴感補正

オーディオ機器よりの話になりますが、インパルス応答(時間方向)に対する筐体やスピーカの歪みや共振波の影響抑える処理になります。

小型防水端末に実装できるスピーカーユニット、それを収める筐体にも制限があります。それゆえに発生する機械音、歪みを聴感補正することで快音に近づけることが可能です。
これらの技術は信号処理ベンダーとの協業になりますが、商品の差別化や環境に左右されにくいインターフェースの実現に役立ちます。ここでは信号処理のコンポーネントを製品に組み込むソフト技術が必要となります。


このように小型端末へ実際にパッケージしていくためには前工程から回路・デバイス設計、構造設計、ソフト設計の連携が重要になります。WTIは音響・高周波・アンテナ・構造・ソフト(信号処理/組み込み)設計について統合した対応が可能であり、これら設計経験の豊富な技術者が多数在籍しています。

波に関することでお困り時は気軽に相談してみてください。
横串の刺さった組織による全方位の対応が可能です。

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