JP2009171113A - 可変振動特性音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】楽器の表面振動に起因する固有の音響放射を忠実に再生することのできる発音装置を実現する。
【解決手段】振動板と、該振動板の保持部と、該振動板を可聴周波数信号で加振する加振部と、それらを納める筐体とを有する発音装置で、さらに、振動板の所定の位置での振動振幅を制限や抑制することで該振動板の動特性を制御する動特性制御部を備えることで、振動板の振動モードを制御し、楽器固有の音響放射を忠実に再生する。動特性制御部では、振動を抑制あるいは制限し、振動板に質量を附着し、ばね定数を変え、あるいは振動減衰器で振動を減衰させる。また、振動板を点状、線状または面状にその表裏両側から圧迫して固定して、圧迫点が振動の節となる振動のみを許容するようにする。加振部は、ボイスコイルを用いた磁界駆動型、電極を用いた静電駆動型、あるいは磁歪素子を用いた機械駆動型のものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気信号による振動を振動板に与えて音波を発生する発音装置であって、特に、振動板上の点状、線状あるいは面状の１箇所あるいは複数個所の振動振幅を制御して振動板の振動特性を変えることで、振動板の振動モードを制御することができる可変振動特性音響装置に関している。

バイオリンなどの多くの発音体は、主に共鳴胴の表面が複雑に振動することにより固有の音を発生する。バイオリンの例で述べると、弦から駒を通して共鳴胴の一部に伝えられた振動は表面板をたわませ、屈曲波となり、回折や干渉を繰り返しながら共鳴胴全体に伝搬する。よってこの共鳴胴表面上からは、場所によって、また時刻によっても周波数、位相あるいは振幅の異なる音波が発せられ、空気中で干渉して全体の放射音を構成する。この放射音響は、多様な放射指向性を持つことが知られており、音像の立体感に影響すると言われている。よって、バイオリンのように表面が様々に振動することにより発音する発音体の音を再生装置で再生するためには、再生装置の振動面の振動の位相、周波数あるいは振幅を場所や時刻によって変化させて音波を生成する必要がある。

一般的なラウドスピーカ、例えばコーンスピーカの場合には、振動板全面を同相で振動させて電気信号を音響信号に変換している。また、フラットパネルスピーカも平面振動板の全面を同相で振動させるものである。

また、それらとは別に、振動板に分割振動を誘起することにより音響放射を制御するスピーカがある。例えば、分布振動モード形スピーカ(Distributed Mode loudspeaker:ＤＭＤ)が知られており、既に市販されている。

より具体的には、例えば特許文献１（特表平１１−５１２２４９号公報）には、撓み波振動の共鳴モード分布を持つ部材を用いた音響装置あるいは製造方法が開示されている。これは、この部材で特定のパラメータによって上記共鳴モード分布が変化するとき、上記音響装置で実現しようとする作動領域と一致するように前記パラメータを設定するものである。

また、特許文献２（特表２００３−５００９１５号公報）には、各々のモードが共振周波数を有し、オーバーラップする共振周波数の複数のモード群に分割されている複数の共振撓み波モード群を支持するパネルと、前記モード群の１つと選択的に結合するように配置される少なくとも１つの変換器と、を備えることを特徴とする音響装置が開示されている。この開示では、音響装置は、奇数モード群や偶数モード群といった複数の撓み波モード群を用いるもので、各々の群は実質的に互いに直交するものである。少なくとも１つの変換器がパネルに結合され、１つのモード群を選択的に励振する。追加の変換器を設けて別のモード群を選択的に励振する場合もある。

特表平１１−５１２２４９号公報 特表２００３−５００９１５号公報

楽器の表面振動に起因する固有の音響放射を忠実に再生することのできる発音装置を実現する。

この発明を用いると、振動板上の１箇所あるいは複数個所の振動振幅を制御して振動板の振動特性を変えることで、振動板の振動モードを制御し、楽器の表面振動に起因する固有の音響放射を忠実に再生することができる。

本発明は、振動板と、該振動板の保持部と、該振動板を可聴周波数信号で加振する１つあるいは複数の加振部と、また、それらを納める筐体とを有する発音装置で、さらに、上記振動板の予め決められた位置での振動振幅を制限あるいは抑制することで該振動板の動特性を制御する１つあるいは複数の動特性制御部を備えることで、振動板の振動モードを制御し、楽器固有の音響放射を忠実に再生する可変振動特性音響装置を実現するものである。

上記の動特性制御部は、例えば、表と裏から上記振動板を圧迫して固定して、その圧迫点の振動を抑制あるいは制限するものである。

また、上記の動特性制御部は、上記振動板に質量を附着させて上記振幅を制御するものであってもよい。単に質量を附着させてもよく、また、線形応答のコイルスプリングでピッチの異なるものを上記振動板の表裏両側に設けて、表裏から圧迫すると、ばね定数をほぼ一定にしたまま、実質的に上記振動板に重りとなる質量を附着させることができる。

また、上記の動特性制御部は、上記振動板の表裏両側に非線形応答ばねによる力を作用させるようにしてもよい。非線形応答ばねを圧迫すると、ばね定数の小さい部分は、その近傍部分と密着するようになりばねとしての働きを失うので、圧迫強さを変えることで、ばね定数を変えることができる。

また、上記の動特性制御部は、上記振動板に装着された振動減衰器によって振動を減衰させることで上記振幅を制御することができる。

上記の動特性制御部で、上記振動板を点状に表裏両側から圧迫して固定することによって、圧迫点が振動の節となる振動のみを許容するようにすることができる。

また、上記の動特性制御部は、上記振動板を線状に表裏両側から圧迫して固定するようにしてもよい。例えば、上記振動板が矩形であって、圧迫する部分が直線状である場合には、その直線が振動の節となる振動のみを許容するようにすることができる。また、前記の線の輪郭が発音対象の楽器形状に相似であれば、楽器の構造材における振動を模倣することが容易になる。

また、上記の動特性制御部は、上記振動板を予め決められた面積をもつ面で表裏両側から圧迫することによって、圧迫部分の振動を完全に抑圧することができる。例えば、発音対象の楽器形状に相似の部分を除外した他の振動板部分を圧迫することで、楽器の構造材における振動を模倣することが容易になる。

上記加振部は、例えば通常のコーンスピーカに類似のものであって、上記可聴周波数信号を印加するためのボイスコイルを上記振動板に設けて、該コイルに印加する静磁界を発生する磁界発生器を設けたものであり、上記コイルに上記可聴周波数信号を印加するものである。この構造にすることで、例えば、上記振動板に磁性体を設けて、上記可聴周波数信号を印加した固定電磁コイルから上記振動板を駆動する場合よりも、振動板部分の質量を軽減することができ、より高周波数での振動が容易になる。

上記加振部は、例えば静電スピーカに類似のものであって、上記振動板に設けられた第１電極と、前記第１電極の一部と対向し該一部に電圧を印加する第２電極とで構成し、上記可聴周波数信号を上記第1、第２電極間に印加するものである。

また、上記加振部は、例えばプッシュプル駆動型静電スピーカに類似のものであって、上記振動板に設けられた第１の電極と、上記共通電極の一部と表裏で対向し該一部の表裏の近傍に配置した第２電極および第３電極とで構成し、第２電極および第３電極には極性の異なったバイアス電圧を印可し、第１電極には上記可聴周波数信号電圧を印加することで、静電気力によって第１電極部を所謂プッシュプル動作を行なわせるものである。

また、上記加振部は、一端を上記振動板に密着した磁歪素子と、上記磁歪素子に印加する磁界を発生する駆動コイルとで構成し該駆動コイルに上記可聴周波数信号を印加することで、上記磁歪素子を上記可聴周波数信号で振動させ、その振動を上記振動板で音響信号にするものである。このように磁歪素子を用いる利点は、容易に大きな駆動力を得られるため、振動板の質量が大きい場合であっても、適用することができる点にある。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１は、本発明の概略を示す模式図である。この図１は、筐体４に加振器２と動特性制御器３を固定し、加振器２で振動板を加振し、動特性制御器３でその振動モードを制御するものである。加振器２には、可聴周波数の電気信号が印加され、電気信号が機械的振動に変換される。加振器２には、振動板１が接続され、上記の機械的振動が励起され音響に変換される。振動板１は、図１では、ソフトエッジと呼ばれる固定方法で緩く固定している。つまり、振動板１の端部５は、完全に固定されているのではなく、上記の可聴周波数での振動が可能である。加振器２や動特性制御器３が振動板１を保持する構成であれば、フリーエッジとすることもできる。

よく知られている様に、平板上の物体が振動する場合は、その物体の物性と形状に依存した振動モードが生じる。動特性制御器３は、単数あるいは複数あって、振動板１の上記振動モードを制御するものである。この動特性制御器３は、以下に詳しく説明する様に、質量調整部とばね定数調整部と減衰定数調整部とから成る。

図２は、質量調整部の例を示す模式図である。ここでは、図２（ａ）に示す様に、弦巻ばねの弦間の間隔が、振動板１から遠ざかるに従って徐々に拡大するものを用いている。また、図２（ａ）に示す様に、振動板１の表裏面に、線形応答を示す上記弦巻ばねの対を配置する。これらのばねを表裏面から圧迫すると、図２（ｂ）に示す様に、弦に太さがあるために弦間の狭い部分が密着するようになり、その密着部分は、ばねとしての機能を失う。この部分は、振動板１に負附着した質量となり、等価的に振動板の質量が増加することになる。また、このように対向して設けたばねを圧迫して用いる場合、ばね定数はほぼ一定であり、圧迫した単独の場合の２倍である。

図３は、ばね定数調整部の例を示す模式図である。ここでは、図３（ａ）に示す様に、弦巻ばねの太さが、振動板１から遠ざかるに従って徐々に太くなり非線形応答を示す非線形ばねを用いている。図３に示す様に、振動板１の表裏面に、線形応答を示す上記弦巻ばねの対を配置する。これらのばねを表裏面から圧迫すると、図３（ｂ）に示す様に、ばね定数の小さい部分から密着するようになり、その密着部分は、ばねとしての機能をなくし、残りの部分のばね定数はより多きいため、全体のばね定数が実質的に増大することになる。また、このように対向して設けたばねを圧迫して用いる場合のばね定数は、上記と同様に、圧迫した単独の場合の２倍である。

図４は、減衰定数調整部の例を示す模式図である。この例では、シリンダ部は筐体４に固定され、ピストン部は、振動板１に固定されている。また、電流コイルの発生する磁界強度を変えて、磁性流体の粘度を調整することで、減衰定数を調整するものである。

図５は、質量調整部、ばね定数調整部と減衰定数調整部からなる動特性制御器の構成例を示す模式図である。この構成では、動特性制御器３Ｂを、梁６をもちいて、振動板１の表側に設け、動特性制御器３Ａを筐体４に固定して、振動板１の裏面に設けたものである。動特性制御器３Ａ、３Ｂは、振動板１に対して対向して作用させる。この例では、動特性制御器３Ａ、３Ｂの設置場所を移動することによっても、振動板１の振動モードを変更することができる。また、減衰定数調整部は、表裏面の一方のみに配置するようにしても良い。

また、図６は、動特性制御器を振動板の裏面側のみに配置した構成例を示す模式図である。この構成では、動特性制御器３Ａと３Ｂとを、振動板１を挟んで対向する作用とするため、振動板１を貫通する連接棒を用いて配置している。このように、動特性制御器を振動板の裏面側のみに配置する利点は、音響を出力する方向に障害物のない構造とすることができる点にある。

また、図７は、減衰定数調整部の回りの同軸上に質量調整部とばね定数調整部を配置したものである。質量調整部とばね定数調整部の調整は、それぞれ調整リングＡ、調整リングＢを上下することによって行なう。この構成によって、上記連接棒を省略することができる。

上記の構成例においては、振動板と動特性制御器とは連接棒を介して作用しあう構成であったが、その作用点の形状を、点状（図８（ａ））、線状（図８（ｂ））、面状（図８（ｃ））にすることで、それぞれの特徴を生かすことが出来る。
（ａ）点状の場合；作用点において振動の節が点状になるので、特定の振動モードのみを抑制することができる。
（ｂ）線状の場合；作用点における密着領域は、直線状である必要はなく、例えば楽器の輪郭に相似な形状であってもよい。
（ｃ）面状の場合；作用点における密着領域は、矩形や円形に限る必要はなく、例えば、楽器の輪郭に相似な領域を除く部分を密着させるようにしてもよい。

振動板や動特性制御部の作用点の素材は、再生したい発音体表面の素材と似た素材でできたものに取り替えることにより、同じ構成の装置でも様々な楽器の音の再生が可能となる。例えば、バイオリンの音を再生する場合は、振動板をスプルースにニスを塗ったものにし、動特性制御部の作用部も同様の素材のものにする。これにより、バイオリンの共鳴胴の表面板を伝播する屈曲波の特性や、その屈曲波が縁や根柱、指板などによって反射・回折される様相が擬態され、バイオリンと似た音が再現される。同様に、ピアノの音を再生する場合は、振動板をより堅く厚い板とし、動特性制御部の作用部は厚いフェルトで包んだ剛体とする。

加振器２については、磁気駆動型（図９）、静電駆動型（図１０）、磁歪素子型（図１１）等を用いることができる。

図９（ａ）に示す磁気駆動型加振器では、通常のコーンスピーカに使われる駆動部分と同様な構造を持ったもので、ボイスコイルをポールピースとヨークとの間に設けたものであり、ボイスコイルを振動板側に設け、その振動板に沿った配線によって上記ボイスコイルに可聴周波数信号を印加するものである。この構造では、ポールピース上部の余分な空気圧を逃す構造を持つことが望ましい。
図９（ｂ）は、ボイスコイルを平面コイルで構成した例であり、ポールピースの近くにボイスコイルを設ける。この構成の特徴は、ボイスコイル部分を軽くすることが容易である点にある。
また、複数の駆動部を用いて、それぞれの信号で駆動する場合は、図９（ａ）、図９（ｂ）に示す駆動部を複数個用いることになる。

図１０は、静電スピーカに使われる駆動回路と同様な構成の駆動部を示す図である。この場合、振動板１には、可聴周波数信号を印加する配線と電極（第１電極）がもうけられており、また、振動板の表面側と裏面側には音響が容易に通過する構造をもち固定された電極（第２電極、第３電極）が配置されている。第１電極は、振動板を加振しようとする位置に設ける。また、印加する可聴周波数信号の種類が異なる場合には、それぞれ別の配線を設ける必要があることは当然のことである。第２電極、第３電極には、互いに極性の異なるバイアス電圧を印加する。これらの電圧の絶対値は、必ずしも同じである必要はない。この構成で、所謂プッシュプル動作を行なう。表面側あるいは裏面側の一方のみに電極を設ける場合よりも大きな音響出力を得ることができる。このような電極対を複数用いることで、複数の可聴周波数信号で駆動することができる。

図１１は、磁歪素子を振動板の駆動部に用いる例を示す図である。駆動コイルに可聴周波数信号を印加する事で発生する磁界を用いて上記磁歪素子を駆動する。一般に、磁歪素子で振動板を駆動する場合で、振動板の質量が大きい場合には、前記の構成に比べて、充分な音響出力を得ることが比較的容易である、という利点がある。

バイオリンなどの楽器の音響放射を忠実に再生するための発音体として利用できる。また、本発明の可変振動特性音響装置を複数用いることによって、多重奏やオーケストラを再現することもできる。また、鳥の鳴き声なども、忠実に再現することができる。

本発明の概略を示す模式図である。 質量調整部の例を示す模式図である。 ばね定数調整部の例を示す模式図である。 減衰定数調整部の例を示す模式図である。 質量調整部、ばね定数調整部と減衰定数調整部からなる動特性制御器の構成例を示す模式図である。 動特性制御器を振動板の裏面側のみに配置した構成例を示す模式図である。 減衰定数調整部の回りの同軸上に質量調整部とばね定数調整部を配置したものを示す図である。 振動板と動特性制御器との作用点の形状を示す図である。 磁気駆動型加振器の例を示す図である。 静電駆動型加振器の例を示す図である。 磁歪素子型加振器の例を示す図である。

符号の説明

１ 振動板
２ 加振器
３、３Ａ、３Ｂ 動特性制御器
４ 筐体
５ 端部
６ 梁

Claims (12)

1. 振動板と、該振動板の保持部と、該振動板を可聴周波数信号で加振する１つあるいは複数の加振部と、また、それらを納める筐体とを有する発音装置で、
   上記振動板の予め決められた位置での振動振幅を制限あるいは抑制することで、該振動板の動特性を制御する１つあるいは複数の動特性制御部を備えることを特徴とする可変振動特性音響装置。
2. 上記の動特性制御部は、上記振動板を圧迫して固定するものであることを特徴とする請求項１に記載の可変振動特性音響装置。
3. 上記の動特性制御部は、上記振動板に質量を附着させて上記振幅を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の可変振動特性音響装置。
4. 上記の動特性制御部は、上記振動板の表裏両側に非線形応答ばねによる力を作用させることで、上記振幅を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の可変振動特性音響装置。
5. 上記の動特性制御部は、上記振動板に装着された振動減衰器によって上記振幅を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の可変振動特性音響装置。
6. 上記の動特性制御部は、上記振動板を点状に表裏両側から圧迫して固定するものであることを特徴とする請求項２に記載の可変振動特性音響装置。
7. 上記の動特性制御部は、上記振動板を線状に表裏両側から圧迫して固定するものであることを特徴とする請求項２に記載の可変振動特性音響装置。
8. 上記の動特性制御部は、上記振動板を予め決められた面積をもつ面で表裏両側から圧迫して固定するものであることを特徴とする請求項２に記載の可変振動特性音響装置。
9. 上記加振部は、上記可聴周波数信号を印加するためのコイルを上記振動板に設けて、該コイルに印加する磁界を発生する磁界発生器を設けたものであり、上記コイルに上記可聴周波数信号を印加することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の可変振動特性音響装置。
10. 上記加振部は、上記振動板に設けられた第１電極と、上記第１電極の一部と対向し該一部に電圧を印加する第２電極とで構成し、上記可聴周波数信号を上記第１電極と第２電極間に印加するものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の可変振動特性音響装置。
11. 上記加振部は、上記振動板に設けられた第１電極と、上記第１電極の一部と表裏で対向し該一部の表裏の近傍に配置した第２電極および第３電極とで構成し、第１電極には上記可聴周波数信号を印加し、第２電極と第３電極には互いに極性の異なったバイアス電圧を印加するものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の可変振動特性音響装置。
12. 上記加振部は、一端を上記振動板に密着した磁歪素子と、上記磁歪素子に印加する磁界を発生する駆動コイルとで構成し該駆動コイルに上記可聴周波数信号を印加することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の可変振動特性音響装置。

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