JP2008141355A - スピーカキャビネット - Google Patents

Abstract

【課題】
密閉式キャビネットに小通気孔を設け、キャビネット内部の空気の一部を流出入させる方式のスピーカにおいては、小通気孔で生ずる空気抵抗の調整が難しく、また空気流による風切音や高調波歪が発生する。
【解決手段】
小通気孔に通気性のある柔軟な充填材を圧縮充填するとともに、通気孔の出口に充填材を突出させ、充填材によって空気流抵抗を作るとともに、充填材の突出部の広がりによって、風切音を防ぎ高調波歪を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は音響用スピーカを取り付けるキャビネットの構造に関し、特にキャビネットに設けた通気孔の特殊な構造に関する。

スピーカシステムにおいて、良好な低音域を再生するためには、スピーカユニットが作り出す前後の音圧のうち、後方への音圧を遮断し、前後の音圧の干渉を防ぐ必要がある。後方への音圧を遮断をする手段としてはスピーカユニットを大面積バッフル板に取り付けたり、キャビネットに取り付ける方法がある。

このうち、気密性のある密閉キャビネットに取り付ける方法は、大変有効ではあるが、密閉された空気の行き場がないため空気がバネとして働き、スピーカユニットの固有の低域限界周波数ｆｏやダンピングファクターＱｏを上昇させてしまう。ダンピングファクターＱｏの上昇は低域固有音の増強となり、低域限界周波数ｆｏが高いスピーカを、容積の少ない密閉キャビネットに収納した場合、いわゆる箱鳴りと称される不快な音を発生する。

この現象は理論的に次のように解析されている。
一般に、
有効半径 ａ
実効質量 ｍｏ
低域限界周波数 ｆｏ
ダンピングファクター Ｑｏ
のスピーカユニットを内容積Ｖｃのキャビネットに入れた場合
スピーカ振動系スティフネスＳｏ＝（２πｆｏ）^２ｍｏ
キャビネット内容積によるスティフネスＳｃ＝１４０００ａ^４／Ｖｃ
の関係になる。
このスピーカユニットをキャビネットに入れた場合の低域共振周波数ｆｏｃ及びダンピングファクターＱｏｃはそれぞれ数式１で求められる。

低域共振周波数ｆｏｃ及びダンピングファクターＱｏｃは、キャビネットに入れない場合に比し必然的に増加することになる。

さらに密閉キャビネットにおいては、スピーカユニットのダイヤフラムに一様に空気圧力が働く結果、ダイヤフラムの強度の少ない部分でベンディングを起こし、歪が発生するという欠点を有する。これらの欠点を補うためには、密閉キャビネットの内部容量を大きくすれば良いが、キャビネットが巨大になってしまうため実用上の制約がある。またダンピングファクターＱｏｃを低くするために、密閉キャビネット内に大量の吸音材を入れる方法もあるが、反面見かけのキャビネット容積が減少するため、ｆｏｃが上昇する外、吸音材のコストも上昇する。

そこで、小さなキャビネットでも、十分な低域限界周波数を得るため、キャビネットの内外を中空パイプで通気させ、パイプとキャビネットで作り出されるヘルムホルツ共振周波数を、低域限界周波数以下になるように設定する、バスレフ型スピーカが実用化されている。バスレフ型はキャビネットの内部空気圧を外部に逃すという点では有効であるが、同サイズの密閉キャビネットに見られる、低域限界周波数ｆｏｃやダンピングファクターＱｏｃの上昇という欠点は改善されず、Ｑｏｃの上昇による低域固有音の発生が避けられない。

一方、キャビネットに空気抵抗の大きい小通気孔を設け、キャビネット内部の空気圧を逃すことも行われている。小通気孔を設けることにより、キャビネット内部の空気の、バネ性を減少させることができる。さらに小通気孔は空気抵抗があるので、キャビネット前後の音圧の干渉も避けることができる。また低域限界周波数ｆｏｃの上昇を、抑制できるほか、空気抵抗によってダンピングファクターＱｏｃの上昇も押さえ込むことができるという利点がある。その反面、空気抵抗は通気孔の径や長さによって変わるので、その大きさの選定が難しく、完成後の調整もできないという欠点がある。

前記バスレフ型キャビネットの中空パイプや、空気抵抗を持たせた通気孔の場合においても、スピーカユニットが低音域で大振幅で振れると、これら中空パイプや通気孔内を空気が激しく流出入する。空気には粘性が有るので、中空パイプや通気孔の内壁表層部では空気流の速さが抵抗を受けて遅くなり、中心部では速くなる。その結果中空パイプや通気孔の両端部で空気流が放射状に広がり、渦を発生し、風切音といわれる特徴的な雑音を発生したり、非直線的な圧力減少による高調波歪が発生する。

風切音及び高調波歪を低減を目的とする装置として特開２００４−１５５８８号に示されるようなスピーカシステムが提案されている。この装置においては、バスレフ型のようなエンクロージャーに設けられた音響放射ダクトの外側に、副ダクトとを設け、音響放射ダクトの開口部付近における空気振動速度を調節している。従ってこの装置では、音響放射ダクトの構造が複雑になるだけでなく、空気の流出入の双方向に対応させることは困難である。実施例においても、風切音を認識しやすい、エンクロージャーの外側にのみ適用していることが読みとれる。
特開２００４−１５５８８号公報

本発明は密閉キャビネットに設けた通気孔の空気抵抗を容易に最適値に調整できるばかりでなく空気流出入口に発生する空気流の乱れを、簡単で安価な手段によって低減し、それによって風切音や高調波歪の発生を防ごうとするものである。

上記課題を解決するため、本発明においては、中空パイプ或いは通気孔を柔軟で弾性のある材質の物体で充填し、且つその両端出口で放射状になるように突出させることにより、通気孔に適度の空気抵抗を生じさせるとともに、通気孔出口における空気流の乱れを可及的に小とし、風切音や高調波歪の発生を防ごうとするものである。このためには通気孔以外からの空気の流出入は好ましくなく、通気孔を除くとスピーカユニット自体を含むキャビネット全体として通気性が全く無い、完全密閉キャビネットであることが望ましい。

本発明のスピーカキャビネットにおいては、中空パイプ或いは通気孔の開口付近に複雑な加工を施したり、部材を取り付けたりする必要がない。
また構造が簡単なので中空パイプ或いは通気孔の空気抵抗の調整が容易であるばかりでなく、空気の流出入双方向の空気流の乱れを低減することが容易となる。
更に充填する材料として特殊な材料を必要としないので安価で量産に適した装置を提供することができる。そして風切音や高調波歪の発生を防ぐことができる。

以下図１に基づいて、本発明の基本的実施例を説明する。
図１はスピーカキャビネットの縦断面の模式図で、１は木材等でできたキャビネット、２はそのスピーカ取付開口である。スピーカ取付開口２にはスピーカユニット４が、スピーカ取付開口２を密閉して塞ぐように取り付けられている。

キャビネット１の後壁の一部には、キャビネット内部空間３内の空気と外部の空気が流通できるような、通気孔５が穿かれている。口径５ｃｍのダイナミックスピーカと内容積４００ｃｃの密閉型のキャビネットとの組合わせの場合、通気孔５は空気抵抗が必要なので、通常直径は３ｍｍから６ｍｍ程度であるが、本発明の場合は後述のように通気孔に充填材を充填することにより、空気抵抗が調節できるので、直径は２０ｍｍ位になっても差し支えない。

半密閉キャビネットでは、前述のＳｏ＋Ｓｃと空気抵抗ｒでキャビネット内圧に１次ハイパスフィルターが形成される。そのカットオフ周波数ｆｃは数式２で求められる。

カットオフ周波数ｆｃ以下のキャビネット内圧変化は空気流抵抗ｒを介してキャビネット外へ空気流として放出され、空気のバネが働かなくなる。

図１において、円Ｃで囲った部分を拡大表示したのが円Ｃ’である。６は通気孔５内に充填された充填物で、連続発泡スポンジ，綿状物質，不織布などの柔軟で弾力性と通気性を有する物質が用いられる。充填物６を通気孔５に詰める場合は、断面積が通気孔の直径より大きい円柱形状のものを用意し、これを圧縮して詰め込むようにする。従って充填物６の通気孔５から突出した部分は、原型に復そうとして自然に放射状に拡大し拡散部６ａを形成する。

本発明においては、拡散部６ａを、キャビネット１の内外面の少なくとも一方、望ましくは両方に残すことが重要である。そのため充填物６は、予めキャビネット１の厚みＴより十分長く、通気孔径Ｄより太い、望むべくは１．２倍以上の径ものを用意し、これを通気孔外では圧縮前の本来の径を残すように通気孔５に充填する。また、より長いものを用意し、充填後端部において充填物の径が通気孔径Ｄより大きくなるように、例えば約１．２倍以上の径で残るように切断してもよい。

しかしながら拡散部６ａは、スピーカキャビネット１の内側に突出している場合はともかく、外側に突出していると美観上問題があり、また損傷も受けやすい。この点を考慮したのが図２に示す第２の実施例である。図２は図１の円Ｃ’で囲った部分に相当し、同一部分には同一の符号をつけている。第２の実施例では、通気孔５の、キャビネット１の外側に面する部分に皿状の凹部７を設ける。凹部７の形状は充填物６の拡散部６ａを収納するように少なくとも通気孔径Ｄの１．２倍以上の最大径を有し、且つ拡散部６ａの形状になじむものであればよい。

図３は第３の実施例を示すもので、拡散部６ａを、キャビネット内側においても凹部に収納するようにしたものである。図３Ａに示す実施例においては、通気孔５の外側に設けた凹部７と同様の皿状の凹部８を、通気孔５の内側にも設け、拡散部６ａを収納するようにしたものである。これにより通気孔５の内外部に拡散部６ａが突出しない構造にすることができる。
凹部７或いは８の形状は、図２或いは図３Ａに示すような皿形状である必要はなく、例えば図３Ｂに示すような円筒状のものであっても差し支えない。またキャビネット５の内部側は円筒状、外部側は皿状というように、形状が異なっていても差し支えないことは言うまでもない。

図４乃至図７は小型スピーカキャビネットに本発明を適用した場合の効果を検証したグラフである。
図４の測定に用いた小型スピーカキャビネットは、壁厚２ｍｍ、内容積４００ｃｃの密閉キャビネット（通気孔を有しない）に口径５ｃｍのダイナミックスピーカを取り付けたものである。図４はこのスピーカキャビネットについてインピーダンス周波数特性を測定したグラフを示し、横軸に周波数Ｈｚ，縦軸にインピーダンスΩを目盛ってある。この結果低域共振周波数ｆｏｃは２６１．７６Ｈｚで顕著なピークが見られ、ダンピングファクターＱｏｃは１．０２であった。

図５は図４の測定に用いたものと同じ密閉キャビネットに、直径８ｍｍの通気孔を穿ち、そこに長さ８ｍｍ，直径１０ｍｍの円柱状の発泡性スポンジを詰め込んだものについて、同条件で測定したグラフである。低域共振周波数ｆｏｃは２４６．７７Ｈｚに低下すると共に、図４に比しピーク値の低いなだらかなものとなっていることが判る。またダンピングファクターＱｏｃは０．５３に低下した。

図６は内容積４００ｃｃ，壁厚２ｍｍの密閉キャビネットに、直径４ｍｍの通気孔を設け、径５ｃｍのダイナミックスピーカを取り付けたスピーカキャビネットにおいて、カットオフ周波数６０Ｈｚの音響抵抗を設け、内部圧力の変化を４０Ｈｚで測定したグラフである。全横軸は時間５０ミリセカンド，全縦軸は圧力変化の電気的信号２００ミリボルトを示す。

図７は図６の測定で用いたのと同じスピーカキャビネットの通気孔を、径８ｍｍに拡大すると共に通気孔に径１０ｍｍ，長さ８ｍｍの発泡性スポンジを充填し、同じ条件で測定したものである。図６の波形は、図７の整った正弦波形に比し、著しく歪んでいることが判る。これは通気孔開口部の空気流の乱れに起因する高調波歪によるものと推定される。それに対し、図７に示す波形は高調波歪の影響をほとんど受けていないことを示している。

通気孔の空気流抵抗値は、充填物の密度によっても異なってくる。そこで、空気流抵抗と充填物の圧縮度との関係を測定したのが図８のグラフである。図８のグラフは、縦軸に空気流抵抗ｇ／ｓｅｃ，横軸に圧縮度％をとり、発泡スポンジについてその関係を測定したものである。実験に用いたスポンジは密度２２ｋｇ／ｍ^３，硬さ１０３Ｎの円柱状汎用ウレタンスポンジを用いた。このスポンジを直径７．５ｍｍ，長さ２．５ｍｍの円形の通気孔に挿入し、中央部を圧縮することによって空気流抵抗を測定した。

スポンジを原直径の９４％まで圧縮した場合の空気流抵抗は２，８００ｇ／ｓｅｃで、このときのカットオフ周波数は７８Ｈｚであった。５４％まで圧縮した場合は空気流抵抗６，４００ｇ／ｓｅｃで、このときのカットオフ周波数は３４Ｈｚであった。人間の聴覚の低域限界周波数は２０Ｈｚとされること、また音声認識に必要な声帯振動の基本周波数は、低音の男性で平均値１２５Ｈｚ，標準偏差２０．５Ｈｚであることから、このカットオフ周波数は２０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下に設定することが望ましい。上記圧縮率はいずれもこの範囲に入るが、何れにしてもスピーカ振動系及びキャビネット内容積による合算スティフネスＳｏ＋Ｓｃに見合った空気流抵抗を選ぶ必要がある。通気孔におけるほとんどの空気流抵抗は充填物の圧縮部で生じており、圧縮された時の充填物の密度が必要な空気流抵抗を作り出す。
したがって、同一通気孔に対して異なる密度の充填物を採用する場合の空気抵抗は、数式３で表わされる関係から推定できる。

本発明は、充填物によって通気孔に空気抵抗を作り出すとともに、風切音を防ぐことも重要な目的なので、風切音について、聴感によって調べると、大振幅時に圧縮度８３％付近で敏感な人には僅かな風切音が感知された。圧縮度８３％における空気流抵抗は３，１００ｇ／ｓｅｃであり、通気孔径７．５ｍｍの断面積４４ｍｍ^２で除すると、風切音が発生しないためには７０ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２が限界抵抗と思われる。すると１／０．８３≒１．２０，即ち充填物のはみ出し部の断面積は通気孔断面積より、１２０％以上大きくすることが望ましい。流体の抵抗ｒは管半径の４乗に反比例し、管長さＬに比例することが知られている。充填物の最小断面積の１２０％拡張された端面では１／（１．２）^４≒１／２すなわち１／２の空気流抵抗となっている。空気流抵抗を作り出す充填物の素材を変えた場合でも、風切音発生の限界抵抗は同じであり、空気孔の断面積と素材の持つ非圧縮時の空気流抵抗の関係から決まってしまう。従って、素材が変わっても同様に、両端はみ出し部の断面積は圧縮部断面積の１２０％以上を確保することが望ましいことがわかる。

本発明の実施例を表わす図 本発明の他の実施例を表わす図 本発明の他の実施例を表わす図 従来のスピーカの、周波数特性の一例を示すグラフ 図４のスピーカに本発明を適用した場合の周波数特性を示すグラフ 従来のスピーカの内部圧力変化を表わすグラフ 図６のスピーカに本発明を適用した場合の内部圧力変化を表わすグラフ 充填材の圧縮比率と空気流抵抗の変化を表わすグラフ

符号の説明

１・・・キャビネット，２・・・スピーカ取付開口，３・・・キャビネット内部空間，４・・・スピーカユニット，５・・・通気孔，６・・・充填物

Claims (2)

1. 密閉されたスピーカキャビネットの壁の一部に、キャビネットの内部と外部の気体を出入させる通気孔を設け、
   前記通気孔は弾性及び通気性を有する充填物で充填されており、
   前記充填物の端部は、前記通気孔のキャビネットの外側又は内側の開口のいずれか一方又は両方にはみ出ており、
   はみ出た部分の直径は前記開口の直径より大になるように放射状に拡大していることを特徴とするスピーカキャビネット。
2. 密閉されたスピーカキャビネットの壁の一部に、キャビネットの内部と外部の気体を出入させる通気孔を設け、
   前記通気孔の、キャビネットの内側及び外側にある開口部の、いずれか一方又は両方の開口部に凹みが設けられおり、
   前記通気孔は弾性及び通気性を有する充填物で充填されており、
   前記充填物の端部は、前記通気孔のキャビネットの外側又は内側の開口のいずれか一方又は両方にはみ出ており、
   はみ出た部分の直径は前記開口の直径より大になるように放射状に拡大しており、且つ放射状に拡大した部分が凹みの中に収まるようになっていることを特徴とするスピーカキャビネット。

Images