JP2006279471A - 共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波数域の発声能力に優れ、かつ小型の共鳴装置とする。
【解決手段】音源５と、音源５の振動が内部空間に伝わるように一表面に音源５を保持する共鳴箱４と、音源５の背後に配置され内部空間を少なくとも一つの空気ばね室に仕切る少なくとも一枚の弾性隔壁６と、からなる。
弾性隔壁６の振動及びマスと、空気ばね室40における空気ばね作用と、の間に共鳴現象が生じると考えられ、共鳴箱４の容積を小さくしても、低周波数域の発声能力を大きな共鳴箱の場合と同等とすることができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、低周波数域の音の発声能力に優れた小型の共鳴装置に関する。

従来から、自動車の吸気システムの吸気騒音を抑制するために、サイドブランチタイプの共鳴器やヘルムホルツタイプの共鳴器が用いられている。しかしながら、これら従来の共鳴器によると、吸気音のうち比較的周波数の低い低周波成分の音圧を抑制する場合、共鳴器の配置スペースが大きくなってしまう。

例えば、サイドブランチタイプの共鳴器の場合、固有周波数は、サイドブランチの長さに依存している。一方、低周波成分の波長は比較的長い。このため、サイドブランチタイプの共鳴器により低周波成分を抑制しようとすると、サイドブランチの長さを長くする必要がある。したがって、共鳴器の配置スペースが大きくなる。

また、ヘルムホルツタイプの共鳴器の場合、共鳴により音圧が低減される音波の固有周波数ｆは、次式により表すことができる。

式中、ｆは固有周波数（共鳴周波数）を、Ｃは音速を、ｌはスロート室の長さを、Ｖは空洞室の容積を、Ｓはスロート室の断面積を、それぞれ示す。低周波成分を抑制する場合、固有周波数（ｆ）を小さくする必要がある。すなわち固有周波数（ｆ）を小さくするためには、Ｓに対してｌあるいはＶを大きくする必要がある。したがって、この場合も、共鳴器の配置スペースが大きくなる。

また吸気音を低減するための他の手段として、スピーカから吸気音と逆位相の音を発声させることで、吸気音を弱めることが提案されている。吸気音は、主に吸気弁の開閉に伴う圧力脈動に起因する圧力波としてとらえられるので、この圧力波を打ち消すように同じ周波数で逆位相の圧力波を加えることで、両方の波が干渉して打ち消し合い、吸気音の波の振幅つまり音圧を弱めることができる。

例えば実開昭63−011379号公報には、吸気管の途中にマイクとスピーカユニットを取付け、マイクで検出される音圧信号と、クランク角センサからの位相信号をコントロールユニットに入力し、演算によって吸気音と逆位相となる音の振幅と位相を求め、これらの情報をスピーカユニットに送り、吸気音とほぼ同じ振幅を有しかつ逆位相の音波を発声させることで、吸気音を弱める手段が提案されている。

ところがこのような従来装置でも、 100Hz以下の低周波成分を低減するために、機関全負荷状態で発生する 130dB〜 150dBの吸気音と同等の音圧をスピーカユニットから発声させようとすると、 100Ｗ以上のスピーカ出力が必要となり、スピーカユニットが大型化して自動車用としては実用的でない。

そこで特開平05−106524号公報には、スピーカユニットの背後に所定容積の背後室を画成するエンクロージャを設けるとともに、背後室と吸気管とを連通する共鳴管を設け、共鳴管を所定の断面積及び通路長で形成し、吸気管と共鳴管の共鳴周波数を所定の低周波数域で略一致させた吸気音低減装置が提案されている。

この吸気音低減装置によれば、スピーカユニットによる逆位相音の発声とともに、エンクロージャがレゾネータとして機能するので、吸気脈動を効果的に緩和、減衰することができ、スピーカユニットの小型化も図ることができる。

一方、オーディオ装置のスピーカボックスには、内部空間と連通し一表面に開口する連通管部を形成したバス・レフレックス型のものが知られている。このスピーカボックスによれば、スピーカユニットの背面から出た音の位相を反転させ、連通管部の開口から出た低音をスピーカユニットの前面から出た音と同位相にすることで、低音の音圧を増幅させることができる。したがって低周波数域の発声能力が向上するとともに、ある程度の小型化が可能となる。しかしバス・レフレックス型のスピーカボックスであっても、 100Hz以下の音の音質を高めるためには、大容量のスピーカボックスが必要となり、大型化が避けられない。
実開昭63−011379号 特開平05−106524号

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低周波数域の発声能力に優れた共鳴装置をさらに小型化することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の共鳴装置の特徴は、音源と、内部空間を有し音源の振動が内部空間に伝わるように一表面に音源を保持する共鳴箱と、音源から発する音波の周波数域に含まれる固有振動数をもち音源の背後で内部空間に配置され内部空間を少なくとも一つの空気ばね室に仕切る少なくとも一枚の弾性隔壁と、からなることにある。

弾性隔壁は複数枚からなり、それぞれが独立して振動可能に重ねて配置されていることが望ましい。

本発明の共鳴装置によれば、弾性隔壁によって共鳴箱の内部空間に少なくとも一つの空気ばね室が形成されている。弾性隔壁は、音源背面からの音波のうち、増幅させたい周波数域の音によって振動する固有振動数をもつように設定する。したがって音源背面からの種々の周波数域の音波のうち、固有振動数に対応する周波数をもつ音波によって弾性隔壁が振動する。一方、固有振動数に対応しない周波数域の音波に対しては、弾性隔壁はマス（質量）として機能する。そのため、弾性隔壁の振動及びマスと、その背面側に隣接する空気ばね室における空気ばね作用と、の間に共鳴現象が生じると考えられ、共鳴箱の容積を小さくしても低周波数域の発声能力を大きな共鳴箱の場合と同等とすることができる。

したがって例えば特許文献２に記載の吸気音低減装置に本発明を利用すれば、同等の吸気音低減効果を奏しつつ小型化が可能となり、エンジンルームの省スペース化に貢献する。またオーディオ装置のスピーカボックスに本発明を利用すれば、大型のスピーカボックスの充実した低音の響きを小型のスピーカボックスで実現することができる。また太鼓などの打楽器に本発明を利用すれば、小型の楽器であっても低音を充実させることができる。

本発明の共鳴装置は、音源と、共鳴箱と、弾性隔壁とから構成される。音源としては、通電によりコーンが振動することで発声するスピーカユニット、打楽器の張り皮など振動によって振動することで共鳴箱に共鳴音を生成する振動膜、弦楽器の表板など振動によって振動することで共鳴箱に共鳴音を生成する振動板などが例示される。音源によって生成する音波は特に制限されず、目的に応じて種々の周波数域の音波を生成することができる。

共鳴箱は、音源を発声可能に保持して共鳴音を発声するものであり、スピーカユニットが固定されるスピーカボックス、エンクロージャ、打楽器あるいは弦楽器の胴などが例示される。音源を保持した状態で密閉空間を形成する密閉型であってもよいし、内部空間と連通し一表面に開口する連通管部を形成したバス・レフレックス型とすることも好ましい。

弾性隔壁は、音源の背後で内部空間に配置され内部空間を少なくとも一つの空気ばね室に仕切ることにより、音源から発する音波の周波数域に含まれる固有振動数をもつ。弾性隔壁を設けることで高音域の音波の発声能力を高めることも可能であるが、高音域の音波の発声能力はもともと小型の共鳴箱でも高いので、共鳴箱の容積を低減する効果を得るには低音域の発声能力を高めることが望ましい。したがって弾性隔壁の固有振動数は、 100Hz以下の低音域の周波数に対応させることが望ましい。

背後の空気ばね室に起因する弾性隔壁の固有振動数ｆは、次式により表すことができると考えられている。

式中、ｆは固有振動数を、Ｃは音速を、Ｍは弾性隔壁の面密度を、Ｖは弾性隔壁の背後の空気ばね室の容積を、ρは空気密度を、Ｓは弾性隔壁の面積を、それぞれ示す。低周波域の発声を向上させる場合、固有振動数（ｆ）を小さくする必要がある。したがって固有振動数（ｆ）を小さくするためには、弾性隔壁の面密度（Ｍ）を上げる、あるいは弾性隔壁の背後の空気ばね室の容積（Ｖ）を深くすればよい。

弾性隔壁は、 100Hz以下の低音域の周波数の音波で振動するものであることが好ましく、ゴム膜、軟質樹脂膜などから形成することが好ましい。弾性隔壁の厚さが厚いほどマスとしての作用が大きくなり、固有振動数に対応する低周波数域の音波の増幅効果が大きくなるが、振動しにくくなるという不具合がある。一方、弾性隔壁の厚さが薄くなるほど振動しやすくなるものの、固有振動数が大きくなり低周波数域の音波の増幅効果が小さくなる。そこで特定の固有振動数をもつ複数枚の弾性隔壁を、それぞれが独立して振動可能に重ねて用いることが好ましい。このようにすれば、弾性隔壁のマスは複数枚の合計値となるため、振動しやすさを維持するとともに、マスが増大して固有振動数（ｆ）が小さくなるので、対応する低周波数域の音波の増幅効果を大きくすることが可能となる。

弾性隔壁は少なくとも１枚配置されるが、間隔を隔てて複数をそれぞれ共鳴箱を仕切るように配置することもできる。この場合は、各弾性隔壁の背後に空気ばね室が形成され、複数の弾性隔壁の振動及びマスとしての作用と、複数の空気ばね室の空気ばね作用によって、対応するそれぞれの周波数域の音波の発声能力を高めることができ、共鳴箱の小型化も図ることができる。なお、この場合の空気ばね室の容積（Ｖ）は、空気ばね室に最も近接した位置に配置される弾性隔壁の背後の空気ばね室の容積をいう。また弾性隔壁の面積（Ｓ）は、空気ばね室に最も近接した位置に配置された１枚の弾性隔壁の面積をいう。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１に本実施例の共鳴装置を示す。この共鳴装置は、十分な厚さをもつ硬質樹脂材から形成された共鳴箱１と、共鳴箱１の一面に固定された音源としての加振板２と、共鳴箱１の内部空間に配置され加振板２の背後で内部空間を二つに仕切る弾性膜３とから構成されている。

共鳴箱１は全体の容積が 3.2Ｌであり、その一表面には内部空間と外部とを連通するφ 160mmの真円形状の開口10が形成され、スピーカユニットのコーンに相当する加振板２が開口10を覆うように共鳴箱１に固定されている。また開口10をもつ表面には、内部空間と連通するφ30mmの真円形状の開口11が形成されている。

弾性膜３は、筒部材31の軸方向に互いに僅かな間隔を隔てて３枚配置されている。それぞれの弾性膜３は、密度が8.70×10²kg／m³のゴム材から形成され、厚さが 1.5mmであり、ばね定数が3.73×10²N/m、マスが 9.0ｇである。各弾性膜３は周縁部が筒部材31に接合され、それぞれがφ94mmの真円に相当する面積（Ｓ）となるように配置されている。筒部材31は、開口10をもつ面の内表面から30mmの位置で、周縁部が共鳴箱１の内周表面に接合されている。これにより、開口10をもつ面から最も遠い弾性膜30の背後には、容積（Ｖ）が 2.0Ｌの空気ばね室12が形成され、空気ばね室12の深さ（Ｌ）は 290mmである。

共鳴箱１に対し、境界要素法による音響シミュレーションを実施した結果、固有振動数（ｆ）は60Hzとなり、対応する低周波数域の音波を増幅することができる。

（比較例１）
図２に示す比較例１の共鳴装置は、十分な厚さをもつ硬質樹脂材から形成された共鳴箱１’と、共鳴箱１’の一面に固定された実施例１と同様の加振板２と、から構成されている。

共鳴箱１’は容積が 5.8Ｌであり、その一表面には内部空間と外部とを連通するφ 160mmの真円形状の開口10’が形成され、実施例１と同様の加振板２が開口10’を覆うように固定されている。また共鳴箱１’の内部空間には長さ70mmの連通管13が配置され、開口10’をもつ表面には連通管13の開口がφ30mmの真円形状に表出している。

（実施例２）
本実施例の共鳴装置を図３に示す。この共鳴装置は、空気ばね室12の深さ（Ｌ）が異なるものの、その容積（Ｖ）は実施例１と同様の 2.0Ｌである。他の構成は実施例１と同様である。

＜試験・評価＞
実施例１〜２と比較例１の共鳴装置について、加振板２を速度1.0m／秒で強制速度加振させて発声させた場合の音響シミュレーションを実施し、加振板２から 100mm離れた位置の音圧レベルを測定した。結果を図４に示す。

図４に示すように、実施例１〜２と比較例１の共鳴装置はほとんど同等の発声能力を示し、60Hz近傍の低音の発声能力も高い。しかし比較例１の共鳴装置は、実施例１〜２の共鳴装置に比べて見掛けの容積が 1.8倍大きい。しかも実施例１〜２の共鳴装置では、空気ばね室12の容積が 2.0Ｌであり、弾性膜３の配置位置から加振板２までの距離をさらに小さくしても同じ性能が得られるのであるから、必要な内容積で比較すると、比較例１の共鳴装置は、実施例１〜２の共鳴装置に比べて 2.9倍大きいことになる。

すなわち実施例１〜２の共鳴装置は、比較例１より著しく小型でありながら、比較例１と同等の低音域の発声能力を備えていることがわかり、これは弾性膜３を配置したことによる効果であることが明らかである。また実施例２の共鳴装置によれば、実施例１に比べて奥行きをさらに短くすることができる。

（実施例３）
図５及び図６に実施例１の共鳴装置をさらに具体化した共鳴装置を示す。この共鳴装置は密閉型のスピーカ装置に係るものであり、十分な厚さをもつ硬質樹脂材から形成された箱状のスピーカボックス４と、スピーカボックス４の一面に固定されたスピーカユニット５と、スピーカボックス４の内部空間に配置されスピーカユニット５の背後で内部空間を二つに仕切る弾性膜６とから構成されている。スピーカボックス４は、幅 200mm、奥行80mm、高さ 200mmの直方体形状であり、弾性膜６の背後に形成された空気ばね室40の容積（Ｖ）は 2.0Ｌである。

弾性膜６は、密度が2.61×10³kg／m³のゴム材から形成され、厚さが 1.5mmであり、ばね定数が3.73×10²N/m、マスが27.0ｇである。弾性膜６は周縁部が硬質の枠部材60に接合され、枠部材60がスピーカボックス４の内壁面に接合されている。弾性膜６は、6.94×10³ mm² の面積となるように配置されている。

本実施例の共鳴装置によれば、弾性膜６の固有振動数（ｆ）は60Hzとなるので、スピーカボックス４をこのように小型化しても、弾性膜６のマスとしての作用及び振動によって低周波数域の音波を増幅することができる。したがって、弾性膜をもたない従来の約 6.0Ｌの容積をもつ密閉型のスピーカボックスと同等の発声能力を発現でき、著しい小型化を図ることができる。

本発明の共鳴装置は、車両の吸気システムの吸気騒音を抑制する共鳴器、スピーカボックスなどばかりでなく、太鼓、ヴァイオリン、ギターなど共鳴箱をもつ楽器などにも利用することができる。

本発明の一実施例の共鳴装置の断面図である。 比較例１の共鳴装置の断面図である。 本発明の第２の実施例の共鳴装置の断面図である。 実施例及び比較例に係る共鳴装置による周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施例の共鳴装置の斜視図である。 本発明の第３の実施例の共鳴装置の断面図である。

符号の説明

１：共鳴箱 ２：加振板（音源） ３：弾性膜（弾性隔壁）
12：空気ばね室 ４：スピーカボックス（共鳴箱）
５：スピーカユニット（音源） ６：弾性膜（弾性隔壁）
40：空気ばね室

Claims (2)

1. 音源と、内部空間を有し該音源の振動が該内部空間に伝わるように一表面に該音源を保持する共鳴箱と、該音源から発する音波の周波数域に含まれる固有振動数をもち該音源の背後で該内部空間に配置され該内部空間を少なくとも一つの空気ばね室に仕切る少なくとも一枚の弾性隔壁と、からなることを特徴とする共鳴装置。
2. 前記弾性隔壁は複数枚からなり、それぞれが独立して振動可能に重ねて配置されている請求項１に記載の共鳴装置。
   

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