JP2006352647A - 密閉空間の音圧制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発泡状または繊維状に多数の微小空気室を含んだ弾性構造体に、粘性を有する微小物を混合させた複合構成体を、該閉空間に内蔵させることにより、新しい音圧制御システムを提供する。
【解決手段】 音響的に密閉された閉空間において、発泡状、繊維状あるいは多孔室状でかつ、粘性および弾性を共に有する気体と固体の複合構造体である粘弾性固気体複合体を、該閉空間に内蔵させ、該閉空間内の体積弾性率および粘性と弾性の割合を設定して、音速あるいは吸音状態を制御することを特徴とする閉空間音圧制御システムを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉空間の音圧制御システムに関する。

従来、閉空間内の音圧制御の例として、密閉型スピーカシステムの技術例が古くから知られている。スピーカをキャビネットに密閉したシステムは、そのキャビネットの体積の大きさにより、最低共振周波数が制限されるがゆえに、いかに再生低音域を延ばすかということが長い間の技術課題であり、多くの解決案が提案されてきた。

発明者の経験では、密閉キャビネット内を吸音材で満たすことによって最低共振周波数が低下する現象は、直径12ｃｍスピーカを７リットル程度のキャビネットに取り付け、ロックウールで満たしたときに、最低共振周波数が１５％ほど低くなったこととして、認められた。ロックウール（原始的グラスウールともいう）で満たしたときに最低共振周波数が１５％低下する現象では、キャビネット内での音波の圧力変化が通常の断熱変化から熱エネルギーの移動を伴う等温変化になったと考えて、気体定数（ガンマー係数）γ＝1.4 が1.0 になったものと仮定した。これは音速が３４４ｍから２９２ｍに変ったことである。この事実は、非特許文献１〜３にも記載されているが、この仮説では密閉型スピーカシステムの最低共振周波数が１５％低下するのが限界である。

これまでにグラスウールの吸音効果は、ウールの繊維体によって囲まれた空気室内の空気流摩擦抵抗損により熱エネルギーに変換され、吸音効果となって現れることが明らかになっている。

その後、同様の効果を挙げた例として、この空気流摩擦抵抗損を得る多孔質部材または弾性体部材を吸音部材に使用した例（特許文献１参照）、繊維状樹脂の不織布を用いた例（特許文献２参照）、天然シルク繊維材を使用した例（特許文献３参照）などがある。また、多孔の泡を形成するために発泡アルミニウムを使用した例もある（特許文献４参照）。

さらに、吸音材として活性炭を使用した例（非特許文献４、特許文献５、特許文献６）などがある。

これは活性炭の持っているガス吸着作用により吸音効果をキャビネット内で発揮させるものであり、活性炭の体積当たり表面積が大きいことによる容積拡大効果と多孔室による気体流摩擦効果をも持っているものであるが、空気の常温吸着量や吸着応答性に限界がある。

以上、密閉スピーカや無響室のような音響的に閉じられた空間（音響キャビネット）において吸音状態を制御する音圧システムでは、従来技術は、すべて発泡状または繊維状に囲まれた多孔の弾性体構造物をキャビネットに内蔵させることが共通の技術であった。
特開平７−２６１７６７号公報 特開平８−２２２９０号公報 特開２００５−６４８８６号公報 米国特許第４１０９９８３号公報 特表２００４−５３７９３８公報 米国特許第４６５７１０８号公報 阪本楢次著"スピーカとスピーカシステム"(1967 日本工業新聞社刊) H. Lamb著 Dynamical Theory of Sound (1931) L. L. Beranek著 Acoustics； (1954 McGraw−Hill) J.R.Wright著「The Virtual Loudspeaker Cabinet」J.Audio Eng.Soc,Vol.51,No.4,2003 April

しかし、これら従来のシステムでは、多孔の弾性体構造物の吸音効果が、主として空気流の摩擦抵抗によって音振動エネルギーを熱エネルギーに変換することにのみ依存しているため、吸音効果に限界があり、音速を積極的に低下させるための弾性率を低下させる空間が考えられていなかった。例えば当然密閉型スピーカの低音特性にも限界があり、無響室の吸音特性にも限界があった。

本発明は、発泡状または繊維状に多数の微小空気室を含んだ弾性構造体に、粘弾性固気体複合体を、該閉空間に内蔵させることにより、新しい音圧制御システムを提供しようとするものである。

上述したような課題を解決するために、本発明は、音速あるいは吸音状態を制御する、音響的に密閉された閉空間において、発泡状、繊維状あるいは多孔室状でかつ、粘性および弾性を共に有する気体と固体の複合構造体である粘弾性固気体複合体を、内蔵させることにより、新しい音圧制御システムを提供しようとする。

特にその弾性と粘性の両性質の割合と配合を制御することによって、閉空間内の音速を制御する、例えば低音域再生の優れた密閉型スピーカシステムなどの音圧制御システムを提供する。

本発明の密閉空間の音圧制御システムによれば、特にその弾性と粘性の両性質の割合と配合を制御することにより、閉空間内の音速を制御する例えば低音域再生の優れた密閉型スピーカシステムなどの音圧制御システムを提供することが可能となる。

この新しい音圧制御システムを実施する密閉型スピーカシステムを先ず取り上げる。密閉型スピーカシステムの場合のキャビネット内での音響効果の考察を発明者である阪本らが「吸音材を満たした密閉型スピーカキャビネットの考察」（2005)として電子情報通信学会、応用音響研究会に発表した。

この論文による理論的な側面は、本発明をよく理解するための助けになる。本発明の新しい音圧制御システムの１実施例である密閉型スピーカシステムを図によって説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る密閉型スピーカシステムの断面図である。スピーカユニット１０１がキャビネット１０２に取り付けられ、粘弾性固気体複合体１０３がキャビネット１０２内の大部分の空間に充満されている。残りの振動伝達空間１０４はキャビネット１０２内の音源であるスピーカユニット１０１の振動板１０５の振動を妨げないための空間である。

図２は、粘弾性固気体複合体の第１の実施形態内部の構造断面図である。２０１は多孔空気室、２０２は弾性構造体、２０３は粘性体である。図２の実施例において、多孔空気室２０１は閉じられた泡の空気室であるが、必ずしも閉じられている必要はない。連続発泡状でも、繊維状、あるいは多孔室であれば開放型の空気室となる。

繊維状で、多孔空気室を有する代表的な弾性体、グラスファイバーによる吸音材を使用したものが、従来の密閉型スピーカシステムの代表例であることは前述した。ところが、今回当時の仮説が誤りであり、密閉空間内は空気流抵抗による摩擦損だけではなく、空気と粘弾性固体との複合体では、空気のみの空間よりも空間弾性が弱くなった結果複合体コンプライアンスが大きくなっていることが明らかになった。

2005年3月14日の電子情報通信学会応用音響研究会報告での阪本らの実測例ではキャビネット内の音速は２２ｍ／sec以下になっており、粘性を取り入れた音響分野に於ける新しい産業が生まれることが期待できる。

つまり、キャビネット内の空間音速を音速（C＝３４４ｍ/sec)より低く制御した結果として、低音域までスピーカ特性がフラットに再生できるスピーカシステムが実現されることが想定される。本発明の有用性を証明するには、このグラスファイバー形吸収剤を使用した場合と比較するのが妥当である。

一般に固体の体積弾性率Ｋは複素弾性率として次式（数１）で表される。

Ｋ１は貯蔵弾性率（Storage modulus）、Ｋ２は損失弾性率(Loss modulus)である。通常の固体は、このＫ１、Ｋ２の値とその比は固有のものである。

グラスファイバーの吸音弾性構造体もまた同様に固有値を持っている。しかしながら、本発明の発明者は、多孔空気室を持つ弾性構造体に粘性のある微小物を混合させることにより、Ｋ１とＫ２の相対値を設定できることを発見し、その結果、固体気体の複合体内での音速を制御できる方法を発明した。すなわち、本発明の粘性弾性固体気体構造体は、図２のようにより粘性物質の混合比を制御することにより、Ｋ１とＫ２の値、およびその比を制御することができる。なぜなら、粘性体２０３の割合を上げることができるからである。

さらに、この粘弾性固気体複合体１０３をキャビネット１０２内に充填させると、キャビネット１０２内の音速低下あるいは吸音効果をもたらす新しい音圧制御システム、すなわち新しいより低音域まで放射する密閉型スピーカシステムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態では、キャビネット１０２内空間の貯蔵弾性率Ｋ１を空気のみで満たされたものに比較して５０％以下に抑え、かつ貯蔵弾性率Ｋ１と損失弾性率Ｋ２の比率を１０以上にすることを試みた。

そのために、図１のようにキャビネット１０２内での粘弾性固気体複合体１０３の容積を、振動伝達空間に比して、はるかに大きく、キャビネット１０２の容積に対して７０％以上とするようにキャビネット内の空間に充填させた。

図７は、キャビネット１０２内空間に空気のみを充満させた場合、グラスウールを充填した場合、本発明に係る粘弾性固気体複合体を図１のように充填させた場合の、それぞれのキャビネット空間の体積弾性率（貯蔵弾性率Ｋ１、損失弾性率Ｋ２およびその比Ｋ２／Ｋ１）を測定して示した表である。なお充填された粘弾性固気体複合体は、低反撥ウレタン樹脂の発泡体を使用した。また、ｆ_０は最低共振周波数、Ｖ_Ｂはキャビネット容積（空間体積）、ρ_０は空気の密度、Ｑ_Ｍは共振の鋭さ、Ｚ_０は共振周波数でのインピーダンスを示す。

測定の結果、従来のグラスファイバー充填の場合の貯蔵弾性率Ｋ１は空気充填に対して９０％とあまり低下していないが、本発明に係る粘弾性固気体複合体充填の場合の貯蔵弾性率Ｋ１は極めて低く、空気に対して１８％と著しく低い。

また、本発明の粘弾性固気体複合体充填の場合は、従来のグラスファイバー吸音材充填に比較して貯蔵弾性率Ｋ１は２０％であり、貯蔵損失弾性比率Ｋ１／Ｋ２は１６対４であり、４倍も差があることが判明した。グラスファイバーの場合は、ほとんど粘性による体積弾性率低減効果が現れていないと言える。粘弾性固気体複合体を充填した場合は、発明者らが意図した以上に粘性弾性混合物の効果が現れたことになる。

この粘弾性固気体複合体充填の効果とは、上記発明者らによる論文にも指摘したように、閉じられた音響空間、例えば密閉型スピーカの背面空間（キャビネット内空間）においては、その音圧が空気と吸音材の混合体にたいして圧縮と減圧を繰り返すことになり、その度に、気体との摩擦抵抗と粘性材料との粘性抵抗損失が発生していると発明者らは考えた。

従って、キャビネット内での音波伝播は空気流摩擦抵抗損と粘性流動抵抗損の両方で音圧が消耗され熱エネルギーとなって放散される。その結果、キャビネット内に粘弾性固気体複合体を適切に充填させることによりキャビネット内の音速低下や吸音効果が得られるような音圧制御が可能となる。

図８に、上記キャビネット内の、空気充填、グラスファイバー充填、本発明粘弾性固気体複合体充填の場合における音圧伝達特性を比較した結果を表で示す。グラスファイバー吸音材充填の場合の音速が６１．５ｍ／Ｓに対して、本発明粘弾性固気体複合体充填の場合は、２１．７ｍ／Ｓと約３分の１と著しく低い（遅い）ことがスピーカ動インピーダンス測定から計測できる。まして、空気充填の場合に比較すると、１６分の１と極端に音速の低下が見られる。

図３は、本発明にかかる閉空間音圧制御型のスピーカシステムを、従来の弾性のみのグラスファイバー吸音材を使用したスピーカシステムおよび吸音材なしのスピーカシステムの周波数特性を実測した比較図である。

この図３のように、最低共振周波数ｆ_０はグラスウール吸音材使用の場合が８７Ｈｚであるのに対して、本発明に係る粘弾性固気体複合体で閉空間を充填させて、キャビネット内の音圧を制御した場合は、最低共振周波数７０Ｈｚを実測した。本発明のシステムが明らかに２１％減の低音特性を獲得していることがわかる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る閉空間音圧制御型のスピーカシステムの第２の実施形態の断面図である。５０１は、粘弾性固気体複合体１０３と振動伝達空間１０４の境界面であり、５０２および５０３は異なる体積弾性率を持った３種の粘性弾性固体気体複合体５０４、５０５、５０６のそれぞれの間の接触境界面である。

境界面５０１、５０２、５０３がスピーカの振動板からできるだけ等距離になるように、粘弾性固気体複合体５０４、５０５、５０６が配置されている。このようにすれば、振動板１０５からの音波の伝播が反射なくスムーズにこれら複合体のなかに吸収される。

また、振動伝達空間１０４が最初の粘弾性固気体複合体５０４に接触する接触境界面が楔型の形状であってもかまわない。接触面の楔形形状により、振動板１０５からの音波の伝播がより反射無く複合体に吸収されるからである。

さらに、上記３種類の粘弾性固気体複合体５０４、５０５、５０６は、複合体内での多孔の発泡状態が異なるように構成されている。つまり、より微小空気室である泡の半径が振動板１０５から離れるに従い、小さくなるように構成されている。

このようにすれば、キャビネット１０２内の音の伝播特性に反射波などの乱れが生じることなく、速度低下や吸収効果の音圧のスムーズな制御がなされることになる。これら粘弾性固気体複合体１０３、５０４、５０５、５０６は、発泡性ウレタン樹脂であればよい。発泡性ウレタン樹脂は、例えば、特開２００１−２８８２４公報や特表２００３−５２２２３５公報などに開示されている。

しかしながら、粘性と弾性の性質を合わせて持つ固体と気体の複合体であれば、必ずしも樹脂である必要はなく、金属多孔質と粘性樹脂の混合物であっても良いことは言うまでもない。

上述のようにキャビネット内の音圧を制御することにより、本来のスピーカの音響特性が、密閉キャビネットの制限を緩和し、つまりよりひずみ無く、より低音域までの放射特性を確保できるスピーカシステムを提供することができる。また同じ特性を有するならば、より小型の密閉型スピーカシステムを提供できる。

以上、これまで本発明にかかる音圧制御システムを、音速低下あるいは吸音効果を制御する密閉型スピーカのキャビネットに適応して説明したが、音速低下あるいは吸音効果を、スピーカバッフル面上に位相反転音響放射開口部６０１を持つ位相反転型スピーカシステムにも適応できる。図６に位相反転型スピーカシステムの断面図を示す。

本発明に係る密閉空間の音圧制御システムが、音源が内部にある密閉空間の音の音速や吸収を制御しなければならないシステムに広く適用できることは言うまでもない。例えば、無響室や各種電気機具、振動音を抑えねばならない機械類に適用できる。更に、内部に音源は無いが、密閉した空間の圧力を利用したシステムにも適用できる。例えば空気バネを使用する機器、建造物、車輌や自動車のタイヤなどに適用できる。その発明の本質はかわらない。

本発明による第１の実施形態の密閉型スピーカシステムの断面図。 本発明による粘弾性固気体の内部構造断面図。 本発明によるスピーカの動インピーダンスの測定値。 本発明によるスピーカの音圧周波数特性の測定値図。 本発明による第２の実施形態の密閉型スピーカシステムの断面図。 本発明による位相反転型スピーカシステムの断面図。 吸音材による体積弾性率の変化。 空気と吸音材を含む複合体との比較値。

符号の説明

１０１ スピーカユニット
１０２ キャビネット
１０３ 粘弾性固気体複合体
１０４ 震動伝達空間
１０５ 震動板
２０１ 多孔空気室
２０２ 弾性構造体
２０３ 粘性体
５０１、５０２、５０３ 境界面
５０４、５０５、５０６ 粘弾性固気体複合体
６０１ 位相反転音響放射開孔部

Claims (10)

1. 音響的に密閉された閉空間において、
   発泡状、繊維状あるいは多孔室状でかつ、粘性および弾性を共に有する気体と固体の複合構造体である粘弾性固気体複合体を、該閉空間に内蔵させ、該閉空間内の体積弾性率および粘性と弾性の割合を設定して、音速あるいは吸音状態を制御することを特徴とする閉空間音圧制御システム。
2. 上記閉空間の持つ貯蔵弾性率Ｋ１が、空気のみを充填した場合の貯蔵弾性率に比し、５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の閉空間音圧制御システム。
3. 上記閉空間のもつ損失弾性率Ｋ２と貯蔵弾性率Ｋ１の比が１０以上であることを特徴とする請求項１に記載の閉空間音圧制御システム。
4. 上記閉空間内の音源に対して略等距離になるよう上記粘弾性固気体複合体の表面を配置したことを特徴とする請求項１に記載の閉空間音圧制御システム。
5. 体積弾性率の異なる複数の粘性弾性固体気体複合体が重畳して内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の閉空間音圧制御システム。
6. 粘弾性固気体複合体の表面が音源に向かって楔状の形状をなすように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の閉空間音圧制御システム。
7. 請求項１に記載の閉空間音圧制御システムと、キャビネットとを有し、
   該粘弾性固気体複合体をキャビネットに内蔵させたことを特徴とする密閉型スピーカシステム。
8. 請求項１に記載の閉空間音圧制御システムと、キャビネットとを有し、
   該粘弾性固気体複合体をキャビネットに内蔵させたことを特徴とする位相反転型スピーカシステム。
9. 粘弾性固気体複合体を上記閉空間の中にその容積の７０％以上充填したことを特徴とする請求項７に記載の密閉型スピーカシステム。
10. 粘弾性固気体複合体を上記閉空間の中にその容積の７０％以上充填したことを特徴とする請求項８に記載の位相反転型スピーカシステム。
    
    

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