JP2006304128A - 指向性スピーカ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置において、装置全体の規模を大きくすることなく、低い周波数帯域での指向特性を改善する。
【解決手段】 装置１中央部１Ａは端部１Ｂ，１Ｃに比べてスピーカユニットＳを密に配置（装置１端部１Ｂ，１Ｃは中央部１Ａに比べてスピーカユニットＳを粗に配置）することで、スピーカユニットＳの配列方向の音圧を小さくし、スピーカユニットＳを等間隔に配置した場合に比べ低い周波数帯域での指向特性を改善する。
【選択図】 図１

Description

本発明は特定の方向、特定のエリアに音声情報を提供する際に用いられる指向性スピーカ装置に関する。

複数の同一特性のスピーカユニットＳを直線上に等間隔ｄで配置したスピーカアレーで、各スピーカユニットＳに同一信号を加えると、スピーカアレー前面では音圧が大きく、側面では小さくなり、アレー垂直方向に指向特性を持たせることができる（図６の（ａ）参照）。しかしながら、このスピーカアレーでは、信号の周波数が低くなり、波長がスピーカアレーの長さＤより長くなると、スピーカアレー前面と側面の音圧差が小さくなり、指向特性が悪化することが知られている（図６の（ｂ）参照）。

特許文献１は、ＦＩＲ（有限応答長デジタル・フィルタ）を用い、上記スピーカアレーの振幅・位相特性を個々に制御し、低い周波数帯域まで指向特性を保っている。
特開平２−２３９７９８号公報

上記のスピーカアレーのような指向性スピーカ装置における低い周波数帯域での指向特性の改善方法は、各スピーカユニットＳごとのフィルタ回路が必要となり、装置全体の規模が大きくなるという課題を有している。

上記課題を解決するために本発明の第１の発明（請求項１）は、複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置において、中央部は端部に比べてスピーカユニットを密に配置（端部は中央部に比べてスピーカユニットを粗に配置）したことを特徴とする。この特徴構成においては、指向性スピーカ装置の全スピーカユニットに同一信号を加えた場合、装置中央部から集中的に音が出力される（装置端部からはあまり音が出力されない）。これにより、スピーカユニットの配列方向の音圧が小さくなり、スピーカユニットを等間隔に配置した場合に比べ低い周波数帯域での指向特性が改善される。

本発明の第２の発明（請求項２）は、複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置において、中央部には端部のスピーカユニットに比べて共振周波数の低いスピーカユニットを配置（端部には中央部のスピーカユニットに比べて共振周波数の高いスピーカユニットを配置）したことを特徴とする。この特徴構成においては、指向性スピーカ装置の全スピーカユニットに同一信号を加えた場合、端部のスピーカユニットの共振周波数より低い周波数では中央部のスピーカユニットのみから音が出力される（端部のスピーカユニットからは音が出力されない）。これにより、スピーカユニットの配列方向の音圧が低下し、全スピーカユニットから音が出力される場合（同一特性のスピーカユニットを配置した場合）に比べ低い周波数帯域での指向特性が改善される。

以上のように本発明によれば、複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置で、低い周波数帯域での指向特性を改善する場合に、各スピーカユニットごとのフィルタ回路等が不要となり、装置全体の規模を小さくすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態１の指向性スピーカ装置の構造を示す断面図であり、この実施形態１の指向性スピーカ装置１は、同一直径の振動板を持つ同一特性のスピーカユニット９個（Ｓ１〜Ｓ９）を直線上にアレー配列し、各スピーカユニットＳ１〜Ｓ９を図示しない信号源にアンプを介して並列接続し、全スピーカユニットＳ１〜Ｓ９に同一信号（音声信号）を出力し、全スピーカユニットＳ１〜Ｓ９を同一信号で駆動する。ここで、各スピーカユニットＳ１〜Ｓ９の配置については、指向性スピーカ装置１の中央部１Ａは両端部１Ｂ，１Ｃに比べてスピーカユニットを密に配置（両端部１Ｂ，１Ｃは中央部１Ａに比べてスピーカユニットを粗に配置）し、指向性スピーカ装置１の全スピーカユニットＳ１〜Ｓ９に同一信号を加えた場合、装置中央部１Ａから集中的に音を出力する（装置両端部１Ｂ，１Ｃからはあまり音が出力しない）ように構成する。このように指向性スピーカ装置１内でスピーカユニットＳ１〜Ｓ９を粗密配置する場合、各スピーカユニットＳ１〜Ｓ９の配置位置は下記の数式１によって規定することができる。

また、上記数式１によって各スピーカユニットＳ１〜Ｓ９の配置位置を規定する場合、端（本実施形態１では下端）からｎ番目（ｎ＝１，２，・・・Ｎ）のスピーカユニットＳｎの位置は下記の数式２で計算される関数ｆ（ｘ）の値に対応する。

図２は上記数式１でＫを「４」とした場合のスピーカユニットＳ１〜Ｓ９の配置例を示す。同図からも明らかなように、上記数式１によって各スピーカユニットＳ１〜Ｓ９の配置位置を規定すると、装置中央のスピーカユニットＳ５とその直ぐ外側のスピーカユニットＳ４，Ｓ６の間隔ｄ１，ｄ２が最も小さく、最外側（装置端部）のスピーカユニットＳ１，Ｓ９とその直ぐ内側のスピーカユニットＳ２，Ｓ８の間隔ｄ７，ｄ８が最も大きくなるように、装置中央のスピーカユニットＳ５から最外側のスピーカユニットＳ１，Ｓ９にかけて隣接するスピーカユニットの間隔を段階的に大きくする形態（ｄ１＜ｄ３＜ｄ５＜ｄ７，ｄ２＜ｄ４＜ｄ６＜ｄ８）のスピーカユニット配置構造となる。

図３は直径１０ｍｍの振動板を持つ同一特性のスピーカユニット９個（Ｓ１〜Ｓ９）からなる長さ（Ｄ＝４００ｍｍ）の指向性スピーカ装置の指向特性を示し、当該指向性スピーカ装置の指向特性を、装置中心から５００ｍｍでの（装置側面での音圧）−（装置正面での音圧）で評価する。スピーカユニットＳ１〜Ｓ９を等間隔で配置した場合の同図に示す特性１と、上記数式１（但し、Ｋ＝８）によってスピーカユニットＳ１〜Ｓ９を粗密配置した場合の同図に示す特性２を比較すると、周波数９００Ｈｚから２０００ＨｚにかけてスピーカユニットＳ１〜Ｓ９を粗密配置した方が、指向特性が最大音圧１５ｄＢ改善されている。

なお、上記実施形態１において、スピーカユニットの数は９個としたが、これに限るものではなく、また偶数個でも良い。偶数配列の場合は中央の２個のスピーカユニットの間隔が最も小さくなる。また、指向性スピーカ装置内のスピーカユニットを粗密配置する場合でも、スピーカユニットを装置中心軸を中心に対称配置（図１においてはｄ１＝ｄ２，ｄ３＝ｄ４，ｄ５＝ｄ６，ｄ７＝ｄ８）することに変わりはない。また、上記数式１によってスピーカユニットの配置位置を規定したので、装置中央部から端部にかけて隣接するスピーカユニットの間隔が段階的に大きくなっているが、装置中央部の例えばスピーカユニットＳ３〜Ｓ７を等間隔に配置し、その中央の密配置のスピーカユニット群の外側に、それよりも大きい間隔でスピーカユニットＳ１，Ｓ２及びＳ８，Ｓ９を装置両端部に配置しても良い。さらに、スピーカユニットの配列形態は直線状としたが、平面状に多角形状や円形状に配列しても良い。

図４は本発明の実施形態２の指向性スピーカ装置の構造を示す断面図であり、この実施形態２の指向性スピーカ装置２は、同一直径の振動板を持つスピーカユニット５個（Ｓ１１〜Ｓ１５）を直線上に等間隔ｄでアレー配列し、各スピーカユニットＳ１１〜Ｓ１５を図示しない信号源にアンプを介して並列接続し、全スピーカユニットＳ１１〜Ｓ１５に同一信号（音声信号）を出力し、全スピーカユニットＳ１１〜Ｓ１５を同一信号で駆動する。ここで、指向性スピーカ装置２内に配置するスピーカユニットＳ１１〜Ｓ１５については、指向性スピーカ装置２の中央部には端部に比べて共振周波数ｆの低いスピーカユニットを配置（端部には中央部のスピーカユニットに比べて共振周波数ｆの高いスピーカユニットを配置）する。本実施形態２では指向性スピーカ装置２の中央に配置するスピーカユニットＳ１３の共振周波数ｆ1を両端に配置するスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５の同じ共振周波数ｆ0より低く（両端に配置するスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５の同じ共振周波数ｆ0を中央に配置するスピーカユニットＳ１３の共振周波数ｆ1より高く）設定（ｆ1＜ｆ0）すると共に、中央のスピーカユニットＳ１３と両端のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５の間に配置する中間のスピーカユニットＳ１２，Ｓ１４の共振周波数ｆ2は両端のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５の共振周波数ｆ0と同じ周波数に設定（ｆ2＝ｆ0）し、指向性スピーカ装置２の両端に配置するスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５の共振周波数ｆ0より低い周波数では中央のスピーカユニットＳ１３のみから音を出力する（両端と中間のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５からは音を出力しない）ように構成する。

図５は直径１０ｍｍの振動板を持つ等間隔ｄ配置のスピーカユニット５個（Ｓ１１〜Ｓ１５）からなる長さ（Ｄ＝１２５ｍｍ）の指向性スピーカ装置の指向特性を示し、当該指向性スピーカ装置の指向特性を、装置中心から１００ｍｍでの（装置側面での音圧）−（装置正面での音圧）で評価する。中央の１個のスピーカユニットＳ１３のみを駆動した場合の同図に示す特性３と、５個全てのスピーカユニットＳ１１〜Ｓ１５を駆動した場合の同図に示す特性４を比較すると、周波数８００Ｈｚ以下では中央の１個のスピーカユニットＳ１３のみを駆動した方が指向特性が良く、３００Ｈｚ〜５００Ｈｚで約１ｄＢの指向特性改善が実現されている。

従って、上記の条件では中央の１個のスピーカユニットＳ１３以外の４個のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５の共振周波数を８００Ｈｚとすれば、全スピーカユニットＳ１１〜Ｓ１５に同一信号を加えても、８００Ｈｚ以下の低い周波数帯域では中央の１個のスピーカユニットＳ１３のみから音が出力される（両端と中間のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５からは音が出力されない）ので、低い周波数帯域での指向特性が改善される。

なお、上記実施形態２において、スピーカユニットの数は５個としたが、これに限るものではなく、また偶数個でも良い。また、スピーカユニットの配列形態は直線状としたが、平面状に多角形状や円形状に配列してもよい。さらに、スピーカユニットは等間隔で配置したが、上記実施形態１で述べたように、指向性スピーカ装置内の中央部は端部に比べてスピーカユニットを密に配置（端部は中央部に比べてスピーカユニットを粗に配置）するように、各スピーカユニットを粗密配置してもよい。

また、中央部に配置する低い共振周波数を持つスピーカユニットの数は１個または複数個何れでも良く、端部に配置する高い共振周波数を持つスピーカユニットも１個または複数個何れでも良い。例えば図４において、中央の３個のスピーカユニットＳ１２，Ｓ１３，Ｓ１４は上記低い共振周波数ｆ1を持つスピーカユニットとし、両端の２個のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５は上記高い共振周波数ｆ0を持つスピーカユニットとしたり、上記したように中央の１個のスピーカユニットＳ１３は上記低い共振周波数ｆ0を持つスピーカユニットとし、両端と中間の４個のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５は上記高い共振周波数ｆ1を持つスピーカユニットとしたり、その他、中央から端にかけてスピーカーユニットの共振周波数を段階的に低くしてよい。すなわち、図４においては中央の１個のスピーカユニットＳ１３は最も低い共振周波数ｆ1を持つスピーカユニットとし、両端の２個のスピーカユニットＳ１１，Ｓ１５は最も高い共振周波数ｆ0を持つスピーカユニットとし、中間の２個のスピーカユニットＳ１２，Ｓ１４は最も低い共振周波数ｆ１より高く、且つ、最も高い共振周波数ｆ0より低い共振周波数を持つスピーカユニットとする。さらには、中央部の低い共振周波数ｆ1と両端部の高い共振周波数ｆ0との共振周波数特性を段階的に変化させるように、各スピーカユニットの共振回路を構成しても良い。

以上のように、複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置で、低い周波数帯域での指向特性を改善する場合に、本実施形態１では、中央部は端部に比べてスピーカユニットを密に配置（端部は中央部に比べてスピーカユニットを粗に配置）することで、指向性スピーカ装置の全スピーカユニットに同一信号を加えた場合、装置中央部から集中的に音が出力される（装置端部からはあまり音が出力されない）ようにし、スピーカユニットの配列方向の音圧を小さくし、スピーカユニットを等間隔に配置した場合に比べ低い周波数帯域での指向特性を改善する一方、本実施形態２では、中央部には端部のスピーカユニットに比べて共振周波数の低いスピーカユニットを配置（端部には中央部のスピーカユニットに比べて共振周波数の高いスピーカユニットを配置）することで、指向性スピーカ装置の全スピーカユニットに同一信号を加えた場合、端部のスピーカユニットの共振周波数より低い周波数では中央部のスピーカユニットのみから音が出力される（端部のスピーカユニットからは音が出力されない）ようにし、スピーカユニットの配列方向の音圧を低下させ、全スピーカユニットから音が出力される場合（同一特性のスピーカユニットを配置した場合）に比べ低い周波数帯域での指向特性を改善する。このように、本実施形態１，２は、各スピーカユニットの振幅・位相特性を個々に制御することなく、低い周波数帯域での指向特性を改善しているので、各スピーカユニットの振幅・位相特性を個々に制御するための各スピーカユニットごとのフィルタ回路等が不要となり、装置全体の規模を小さくすることができる。

本発明の実施形態１の指向性スピーカ装置の構造を示す断面図である。 実施形態１のスピーカユニットの配置例を示す図である。 実施形態１の指向特性を示す図である。 本発明の実施形態２の指向性スピーカ装置の構造を示す断面図である。 実施形態１の指向特性を示す図である。 従来の指向性スピーカ装置（スピーカアレー）の構造を示す断面図で、（ａ）は指向特性を示す図、（ｂ）は低い周波数での指向特性を示す図である。

符号の説明

１，２ 指向性スピーカ装置
Ｓ スピーカユニット

Claims (7)

1. 複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置において、中央部は端部に比べてスピーカユニットを密に配置したことを特徴とする指向性スピーカ装置。
2. 複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置において、中央部には端部のスピーカユニットに比べて共振周波数の低いスピーカユニットを配置したことを特徴とする指向性スピーカ装置。
3. 複数個のスピーカユニットを配列状に配置して構成する指向性スピーカ装置において、中央部は端部に比べてスピーカユニットを密に配置すると共に、中央部には端部のスピーカユニットに比べて共振周波数の低いスピーカユニットを配置したことを特徴とする指向性スピーカ装置。
4. 中央部から端部にかけて隣接するスピーカユニットの間隔を段階的に大きくした請求項１または請求項３記載の指向性スピーカ装置。
5. 中央部に配置される共振周波数の低いスピーカユニットは１個または複数個である請求項２または請求項３記載の指向性スピーカ装置。
6. 端部に配置される共振周波数の高いスピーカユニットは１個または複数個である請求項２または請求項３記載の指向性スピーカ装置。
7. 中央部から端部にかけてスピーカーユニットの共振周波数を段階的に低くした請求項２または請求項３記載の指向性スピーカ装置。

Images